分子水平上的基因功能上课件

1、分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件5.2.2 DNA的复制的复制(一一)半保留复制半保留复制半保留复制半保留复制(semiconservative replication)-复制时复制时DNA双链双链解开并以每一单链为模板来形成解开并以每一单链为模板来形成另一对应的新链。另一对应的新链。5.2.

2、2.1DNA自身的复制方式自身的复制方式-半保留复制半保留复制分子水平上的基因功能上课件5.2.2.2复制起点和复制方向复制起点和复制方向多数细菌及病毒多数细菌及病毒，只有一，只有一个复制起点，控制整个染色个复制起点，控制整个染色体的复制。所以体的复制。所以整个染色体整个染色体也就是一个复制子。也就是一个复制子。复制子复制子(replicon)。是指在同是指在同一个复制起点控制下合成的一个复制起点控制下合成的一段一段DNA序列。序列。在在真核生物真核生物中，每中，每条染色体的条染色体的DNA复制复制则是则是多起点的多起点的，多个，多个复制起点共同控制一复制起点共同控制一条染色体的复制，即条染色

3、体的复制，即每条染色体有多个复每条染色体有多个复制子。制子。分子水平上的基因功能上课件真核真核生物的研究发现，其复制也是生物的研究发现，其复制也是双向的双向的。但近来。但近来发现，并不是所有的生物发现，并不是所有的生物DNA的复制都是双向的，的复制都是双向的，如：如：噬菌体噬菌体T2，其其DNA的复制就是沿的复制就是沿一个方向一个方向进行进行的。的。5/ 3/大肠杆菌和其它许多大肠杆菌和其它许多原核生物的环状原核生物的环状DNA复制是双复制是双向的。向的。即即DNA的复制从复制起点开始，向二个方向的复制从复制起点开始，向二个方向同时进行，最后相遇，完成复制。同时进行，最后相遇，完成复制。复制方

4、向？从起点开始是沿着一个方向进行的复制方向？从起点开始是沿着一个方向进行的呢？还是双向的？呢？还是双向的？分子水平上的基因功能上课件二、原核生物二、原核生物DNA合成合成(一一)有关有关DNA合成的酶合成的酶1957年科恩伯格年科恩伯格(Kornberg, A.)及其同事，从大肠杆及其同事，从大肠杆菌中分离菌中分离DNA聚合酶聚合酶(polymerase )。聚合酶聚合酶在有在有DNA、4种脱氧核苷酸及种脱氧核苷酸及Mg+的情况下，在的情况下，在离体条件下可以离体条件下可以合成合成DNA。后来发现，后来发现，DNA聚合酶聚合酶只有在引物只有在引物DNA提供提供3端自由端自由羟基的情况下，才使羟

5、基的情况下，才使DNA链从链从5向向3方向延伸。方向延伸。实际上在此实验体系中的实际上在此实验体系中的DNA起着起着模板和引物模板和引物的双重作的双重作用。用。分子水平上的基因功能上课件 DNA聚合酶聚合酶由一条多肽链组成由一条多肽链组成，含有含有928个氨基酸，分个氨基酸，分子量约为子量约为109,000道尔顿，道尔顿，编码此酶的基因为编码此酶的基因为pol A。后来，从后来，从pol A基因突变株中又分离出二种基因突变株中又分离出二种DNA聚合酶，分聚合酶，分别命名为别命名为DNA聚合酶聚合酶I和和DNA聚合酶聚合酶。分子水平上的基因功能上课件u三种三种DNA聚合酶有一些共同的特性，从而决

6、定聚合酶有一些共同的特性，从而决定DNA合成合成的特点：的特点：1、三种酶都只有、三种酶都只有53聚合酶的功能，而没有聚合酶的功能，而没有35聚合聚合酶功能，说明酶功能，说明DNA链的延伸只能从链的延伸只能从5向向3端进行。端进行。2、它们都没有直接起始合成、它们都没有直接起始合成DNA的能力，只能在引物存的能力，只能在引物存在下进行链的延伸，因此，在下进行链的延伸，因此，DNA的合成必须有引物引导才的合成必须有引物引导才能进行。能进行。3、三种酶还都有核酸外切酶的功能，可对合成过程中发、三种酶还都有核酸外切酶的功能，可对合成过程中发生的错识进行生的错识进行校正校正，从而保证，从而保证DNA复

7、制的高度准确性复制的高度准确性。分子水平上的基因功能上课件(二二)DNA复制的过程复制的过程DNA的合成是半保留复制（的合成是半保留复制（ 分别以两条链互为模板，而合成分别以两条链互为模板，而合成两条互补新链），复制是双向的，两条互补新链），复制是双向的，DNA的合成的合成必须有引物必须有引物的引的引导，并且复制时链的导，并且复制时链的延伸总是从延伸总是从5向向3方向方向进行。进行。DNA的合成过程：的合成过程：1、DNA双螺旋的解链双螺旋的解链ATP提供能量，提供能量，DNA双链由双链由解旋酶解旋酶解解开后，开后，单链单链DNA结合结合蛋白（蛋白（SSB）马上结马上结合在分开的单链上，合在分

8、开的单链上，从而保持其伸展状态。从而保持其伸展状态。在大肠杆菌中，在大肠杆菌中，DNA的的合成速度每分钟约为合成速度每分钟约为30,000bp，即，即双螺旋双螺旋每分钟必须旋转每分钟必须旋转3000次次才能完全解旋。才能完全解旋。 分子水平上的基因功能上课件如果没有如果没有SSB的作用，的作用，分分开的双链开的双链互补碱基对间互补碱基对间又可又可重新配对重新配对。或者，在同一条。或者，在同一条链的互补碱基对间配对而链的互补碱基对间配对而形形成发夹状结构成发夹状结构，这种结构会，这种结构会阻止阻止DNA聚合酶的作用。聚合酶的作用。随着解链的进行，在随着解链的进行，在DNA复复制叉前面就会形成一种

9、张力，制叉前面就会形成一种张力，而导致超螺旋的产生。而导致超螺旋的产生。DNA拓扑异构酶拓扑异构酶将将DNA双双链切开一个口子，使一条链链切开一个口子，使一条链旋转一圈，然后再将其共价旋转一圈，然后再将其共价相连，从而相连，从而消除其张力。消除其张力。分子水平上的基因功能上课件现在发现现在发现主要有二类主要有二类DNA拓扑异构酶：拓扑异构酶：DNA拓扑异构酶拓扑异构酶I，只对双链，只对双链DNA中的一条链进行切割，中的一条链进行切割，产生切口产生切口(nick)，每次切割只能去除一个超螺旋，此过程，每次切割只能去除一个超螺旋，此过程不需要外加能量。不需要外加能量。DNA拓扑异构酶拓扑异构酶II

10、，可以对双链，可以对双链DNA的二条链同时进行切割。的二条链同时进行切割。每次切割可以去除二个超螺旋，此过程需要每次切割可以去除二个超螺旋，此过程需要ATP提供能量。提供能量。分子水平上的基因功能上课件2、DNA合成的开始合成的开始由于三种由于三种DNA聚合酶均聚合酶均需要需要DNA模板和模板和3端的自由端的自由OH，才，才能进行能进行DNA的合成，使的合成，使DNA延伸。延伸。人们很早就发现人们很早就发现RNA聚合酶聚合酶(RNA ploymerase)利用利用DNA模板，模板，不需要特殊的引物可以直接合成不需要特殊的引物可以直接合成RNA。DNA合成前，以合成前，以DNA为模板，根据碱基配

11、对的原则，在一种为模板，根据碱基配对的原则，在一种特殊的特殊的RNA聚合酶聚合酶DNA引物酶引物酶(DNA primase)的催化下，的催化下，先合成先合成一段长度为一段长度为560个核苷酸的个核苷酸的RNA引物，提供引物，提供3端自由端自由OH。然后，在然后，在DNA聚合酶聚合酶III的作用下进行的作用下进行DNA的合成。的合成。分子水平上的基因功能上课件3、一条、一条DNA链连续合成，一条链不连续链连续合成，一条链不连续从电子显微镜和放射自显影的结果可知，从电子显微镜和放射自显影的结果可知，DNA两条新链的合两条新链的合成是从一个成是从一个复制叉复制叉(replicating fork)向

12、着向着同一个方向同一个方向延伸的。延伸的。而组成而组成DNA双螺旋的互补双链具有相反的方向，一条从双螺旋的互补双链具有相反的方向，一条从53，而另地条，而另地条35，为，为反向平行。反向平行。二条二条DNA新链，只有一条新链，只有一条DNA链的合成是链的合成是连续的，连续的，而另而另一条则是一条则是不连续的。不连续的。所以从整个所以从整个DNA分子水平来看，分子水平来看，DNA二条新链的二条新链的合成方向合成方向是相反的，但是都是从是相反的，但是都是从5向向3方向延伸。方向延伸。分子水平上的基因功能上课件把一直从把一直从5向向3方向延伸的方向延伸的链称作链称作前导链前导链(leading st

13、rand)，它是连续合成的。它是连续合成的。另一条先沿另一条先沿53方向合成方向合成一些片段，然后再由连接酶一些片段，然后再由连接酶将其连起来的链，称为将其连起来的链，称为后随后随链链(lagging strand)，其合成其合成是不连续的是不连续的(图图319)。在前导链上，在前导链上，DNA引物酶引物酶只在起始点只在起始点合成一次引物合成一次引物RNA，DNA聚合酶聚合酶III就可开就可开始进行始进行DNA的合成。的合成。分子水平上的基因功能上课件 每个每个“冈崎片段冈崎片段”的合的合成都需要成都需要先合成一段引物先合成一段引物RNA，然后然后DNA聚合酶聚合酶III才才能进行能进行DNA

14、的合成。的合成。 随后，随后，引物引物RNA被切除，被切除，并并为新合成的为新合成的DNA片段所替代。片段所替代。 在大肠杆菌中，引物在大肠杆菌中，引物RNA被被切除过程是在切除过程是在DNA聚合酶聚合酶的催化下的催化下完成的。完成的。后随链上合成的后随链上合成的DNA不连不连续单链小片段称为续单链小片段称为冈崎片段冈崎片段后随链后随链DNA的合成：的合成：分子水平上的基因功能上课件因为因为DNA聚合酶聚合酶I有有53端核酸外切酶的功能，它端核酸外切酶的功能，它可以将可以将RNA引物切除，引物切除，同时利用其同时利用其53聚合酶聚合酶功能，以临近功能，以临近“冈崎片段冈崎片段”的的3端自由端自

15、由OH进行进行DNA的合成，从而将的合成，从而将RNA引物引物替换为替换为DNA链。链。最后由最后由DNA连接酶连接酶(DNA ligase)将将“冈崎片冈崎片段段”连接起来，形成一连接起来，形成一条完整的新链。条完整的新链。分子水平上的基因功能上课件最后，简要说明一下最后，简要说明一下RNA病毒中病毒中RNA的的自我复制。大多数自我复制。大多数RNA病毒是单链的。病毒是单链的。这种这种RNA的复制一般是先以自己为模板的复制一般是先以自己为模板合成一条互补的单链，通常称病毒原有合成一条互补的单链，通常称病毒原有的，起模板作用的链称为的，起模板作用的链称为“”链，而链，而新复制的新复制的RNA链

16、称为链称为“”链，这样就链，这样就形成了形成了双螺旋的复制类型双螺旋的复制类型。然后这个然后这个“”链又从链又从“”链模板链模板释放出来，它也以自己为模板复制出一释放出来，它也以自己为模板复制出一条与自己互补的条与自己互补的“”链，于是形成了链，于是形成了一条新生的病毒一条新生的病毒RNA。分子水平上的基因功能上课件三、真核生物三、真核生物DNA合成合成现在已有很多证据表明，真核生物现在已有很多证据表明，真核生物DNA的复制基本上与原的复制基本上与原核生物相同，但比原核生物更为复杂。核生物相同，但比原核生物更为复杂。真核生物真核生物DNA的复制与原核生物主要不同点：的复制与原核生物主要不同点：

17、1、DNA合成只是发生在细胞周期的某个时期：合成只是发生在细胞周期的某个时期：真核细胞真核细胞DNA的合成只是在细胞周期的的合成只是在细胞周期的S期期进行。进行。而原核生物则而原核生物则在整个细胞生长过程在整个细胞生长过程中都可进行中都可进行DNA合成。合成。2、原核生物、原核生物DNA的复制是的复制是单起点的，单起点的，而真核生物染色而真核生物染色体的复制则为体的复制则为多起点的。多起点的。3、真核生物、真核生物DNA合成所需的合成所需的RNA引物引物及后随链上合成及后随链上合成的的“冈崎片段冈崎片段”的长度比原核生物要短的长度比原核生物要短分子水平上的基因功能上课件4、有二种不同的、有二种

18、不同的DNA聚聚合酶分别控制前导链和后合酶分别控制前导链和后随链的合成随链的合成(图图321)。在原核生物中有在原核生物中有DNA聚合酶聚合酶I、II和和III等三种聚合酶，并由等三种聚合酶，并由聚合酶聚合酶III同时控制二条链的同时控制二条链的合成。合成。而在真核生物中共有而在真核生物中共有、和和等五等五种种DNA聚合酶。聚合酶。聚合酶聚合酶和和是是DNA合成的合成的主要酶，主要酶，由聚合酶由聚合酶控制不控制不连续的后随链的合成，而聚连续的后随链的合成，而聚合酶合酶则控制前导链的合成，则控制前导链的合成，所以其二条链的合成是在二所以其二条链的合成是在二种不同的种不同的DNA聚合酶的控制聚合酶

19、的控制下完成。下完成。分子水平上的基因功能上课件 5、染色体端体的复制、染色体端体的复制原核生物的染色体大多数为原核生物的染色体大多数为环状，环状，而真核生染色体为而真核生染色体为线状。线状。端体：染色体端体：染色体其末端有特殊其末端有特殊DNA序列组成的结构称为序列组成的结构称为。根据根据DNA合成的过程，新链合成的过程，新链5末端末端DNA是无法自动合成是无法自动合成的，因为当末端的的，因为当末端的RNA引物被切除后，就没有引物被切除后，就没有3端的自由端的自由羟基为羟基为DNA的合成作引物。的合成作引物。在在DNA的末端存在特殊的结构，并在含有的末端存在特殊的结构，并在含有RNA的端体酶

20、的端体酶(telomerase)的催化下完成末端的合成。的催化下完成末端的合成。主要不同点：主要不同点：分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件、经典遗传关于基因的概念：、经典遗传关于基因的概念：孟德尔：孟德尔：把控制性状的因子称为遗传因子。把控制性状的因子称为遗传因子。 如：豌豆红花如：豌豆红花(C)、白花、白花(c)、植株高、植株高(H)、矮、矮(h)。 约翰生：约翰生：提出基因提出基因(gene)这个名词，取代遗传因子。这个名词，取代遗传因子。 摩尔根：摩尔根：对果蝇、玉米等的大量遗传研究，建立了以

21、基对果蝇、玉米等的大量遗传研究，建立了以基因和染色体为主体的经典遗传学。因和染色体为主体的经典遗传学。 基因是化学实体，以念珠状直线排列在染色体上。基因是化学实体，以念珠状直线排列在染色体上。 一、基因的概念及其发展：一、基因的概念及其发展：分子水平上的基因功能上课件基因的共性（基因的共性（按照经典遗传学对基因的概念）：按照经典遗传学对基因的概念）： 染色体特性染色体特性：自我复制能力和相对稳定性，在分裂时：自我复制能力和相对稳定性，在分裂时 有规律地进行分配。有规律地进行分配。 交换单位交换单位：基因间能进重组，而且是交换的最小单位。：基因间能进重组，而且是交换的最小单位。 突变单位突变单位

22、：一个基因能突变为另一个基因。：一个基因能突变为另一个基因。 功能单位功能单位：控制有机体的性状。：控制有机体的性状。 经典遗传学认为经典遗传学认为：基因是一个最小的单位，不能分割；：基因是一个最小的单位，不能分割；既是结构单位，又是功能单位。既是结构单位，又是功能单位。 分子水平上的基因功能上课件、分子遗传学关于基因的概念：、分子遗传学关于基因的概念：揭示遗传密码的秘密：基因揭示遗传密码的秘密：基因 具体物质。具体物质。基因不是最小遗传单位基因不是最小遗传单位 更复杂的遗传和变异单位：更复杂的遗传和变异单位： 具体内容：具体内容：一个基因一个基因DNA分子上一定区段，携带有特殊的遗传信息分子

23、上一定区段，携带有特殊的遗传信息 或对其它基因的活动起调控作用或对其它基因的活动起调控作用( 如调节基因、启动基因、如调节基因、启动基因、操纵基因操纵基因)。例如例如：在一个基因区域内，仍可以划分出若干起作用的小：在一个基因区域内，仍可以划分出若干起作用的小单位。单位。 转录成转录成RNA(包括包括mRNA、tRNA、rRNA) 翻译成多肽链，翻译成多肽链，分子水平上的基因功能上课件. 现代遗传学上认为：现代遗传学上认为：突变子突变子：是在性状突变时，产生突变的最小单位。：是在性状突变时，产生突变的最小单位。 一个突变子可以小到只有一个碱基对；如移码突变。一个突变子可以小到只有一个碱基对；如移

24、码突变。 重组子重组子：在性状重组时，可交换的最小单位称为重：在性状重组时，可交换的最小单位称为重组子。一个交换子只包含一个碱基对。组子。一个交换子只包含一个碱基对。 顺反子顺反子：表示一个作用的单位，基本上符合通常所：表示一个作用的单位，基本上符合通常所述基因的大小或略小。所包括的一段述基因的大小或略小。所包括的一段DNA与一个多肽与一个多肽链的合成相对应；平均大小为链的合成相对应；平均大小为5001500个碱基对。个碱基对。分子水平上的基因功能上课件基因概念：基因概念：可转录一条完整的可转录一条完整的RNA分子或编码一个多肽链；分子或编码一个多肽链； 功能上被顺反测验或互补测验所规定。功能

25、上被顺反测验或互补测验所规定。基因基因：相当于一个顺反子，：相当于一个顺反子， 包含许多突变子和包含许多突变子和 重组子。重组子。紫外灯下的紫外灯下的DNA分子遗传学保留了分子遗传学保留了功能单位功能单位的解释，而抛弃了最小结构的解释，而抛弃了最小结构单位说法。单位说法。分子水平上的基因功能上课件、分子遗传学对基因概念的新发展、分子遗传学对基因概念的新发展结构基因结构基因(structural gene)：指可编码指可编码RNA或蛋白质的一段或蛋白质的一段DNA序列。序列。将基因分为不同类型：将基因分为不同类型： 分子水平上的基因功能上课件调控基因调控基因(regulator gene)：指其

26、表达产物参与调控其它基因表达的基因。指其表达产物参与调控其它基因表达的基因。 分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件RNA聚合酶转录mRNA因子附着到mRNA识别位点因子在RNA聚合酶后面沿mRNA移动RNA聚合酶在终止位点停留，因子赶上了聚合酶在转录泡中因子解开DNA-RNA杂合链终止RNA聚合酶，因子和RNA被释放 图10-12 在原核mRNA转录中依赖性终止机制。(引自B.Lewin: GENES ,2000,Fig. 9-29)图10-11弱终止子的结构分子水平上的基因

27、功能上课件分子水平上的基因功能上课件指在同一段指在同一段DNA顺序上，由于阅读框架不同或终止顺序上，由于阅读框架不同或终止早晚不同，同时编码两个以上基因的现象。早晚不同，同时编码两个以上基因的现象。 ECD分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件 图 12-5 E.coli RNA 聚合酶的亚基组成

28、分子水平上的基因功能上课件 表 12-1 E.coli RNA Pol 的结构和功能亚基基因分子量（KDa）数目组分可能的功能rpoA402核心酶酶的连接，装配rpoB1551核心酶和底物（核苷酸）结合rpoC1601核心酶模板结合101核心酶rpoD701因子和启动子结合，识别模板链参照 B. Lewin:GENES.1994,Table 14.1 14.2分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件 5

29、001000 核心酶 在松散复合体上 5001000 全酶 在松散复合体上 若干游离的全酶 5001000 全酶以封闭或开放 复合体的形式结合在启动上 2500 核心酶从事转录 图 12-9 核心酶和全酶在 DNA 上的分布分子水平上的基因功能上课件50 -40 -30 -20 -10 1 10 20 30 起始复合体 含因子 覆盖 7580bp 开始的延伸复合体 丢失因子 核心酶已离开 35 55区域 普通的延伸复合体 在 1520bp 处形成 RNA 酶仅覆盖 3040bp 图 12-10 RNA 聚合酶起始转录分子水平上的基因功能上课件酶的后端移 酶的前端动 1bp 35 bp 不移动

30、RNA 上加 1Nt酶的合端继续移动, 酶的前端每移动 1bpRNA 就 不移动增加 1Nt,目前已增 34 bp加了 8Nt. 酶的前端把连续地 向前移动数个 bp酶的合端继续移 27 bp动 1bp,RNA 已增加 9Nt 35 bp 图 12-11 在延伸时 RNA pol 的移动特点分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件 AUCGCUACCUCAUAUCCGCACCUCCUCAAACGCUACCUCGACCAGAAAGGCGUCUCUU 此区若缺失将阻止终止 终止发生在这三 碱基中的一个 图 1

31、2-13 依赖性终止子，在终止位点前有一个富含 C 而少 G 的顺序 (仿 B.Lewin:GENES,1997，Fig11.26) C：41% A： 25% U： 20% G： 14% 分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件 晚期区 SV40 无 核小体区 早期区 T3 T2 T1 72bp 72bp 21 21 22 Ori 250 107 103 47 TATA 0/5245 GGTGTGGAAAG CCGCCC 图图12- SV40复制起始中的增强子复制起始中的增强子 分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件 基因内启动子 起始位点 boxA boxC 基因内启动子 boxA boxB 基因外启动子 OCT PSE TATA 图 12-23 真核 RNA Pol 的基因内启动子和基因外启动子 分子水平上的基因功能上课件分