第二讲基因的表达与调控本科1’1ppt课件

1、第二讲第二讲 基因的表达与调控基因的表达与调控 Song FangzhouSong Fangzhou 2021.9 2021.9 生命科学的中心法那么第二章第二章 遗传信息基因的表达遗传信息基因的表达 第三章第三章 基因表达的调控基因表达的调控第二节第二节 遗传信息的复制遗传信息的复制一、一、DNADNA复制的根本特点复制的根本特点二、原核生物染色体二、原核生物染色体DNADNA的复制的复制三、其它环状三、其它环状DNADNA分子的复制分子的复制四、真核生物染色体四、真核生物染色体DNADNA复制的特点复制的特点第一节第一节 核酸与基因组的构造核酸与基因组的构造 一、核酸的构造一、核酸的构造

2、二、基因的概念二、基因的概念 三、基因组三、基因组genomegenome和基因组构造和基因组构造第三节第三节 遗传信息的表达遗传信息的表达一、转录一、转录 二、逆转录二、逆转录 三、原核生物三、原核生物RNA的生物合成的生物合成四、真核生物四、真核生物RNARNA的生物合成的生物合成 五、翻译五、翻译第四节第四节 外源基因的表达外源基因的表达一、外源基因在原核系统中的表达一、外源基因在原核系统中的表达二、外源基因在真核系统中的表达外源二、外源基因在真核系统中的表达外源三、外源基因表达的几种方式三、外源基因表达的几种方式 众所周知，遗传信息储存与表达的物质根底是核酸。众所周知，遗传信息储存与表

3、达的物质根底是核酸。 核酸核酸nucleic acidnucleic acid是以核苷酸为根本组成单位的是以核苷酸为根本组成单位的生物大分子。天然存在的核酸有两大类，一类为脱氧核糖生物大分子。天然存在的核酸有两大类，一类为脱氧核糖核酸核酸deoxyribonucleic acid, DNAdeoxyribonucleic acid, DNA，另一类为核糖核，另一类为核糖核酸酸ribonucleic acid, RNAribonucleic acid, RNA。DNADNA存在于细胞核和线粒存在于细胞核和线粒体内，体内，RNARNA存在于细胞质和细胞核内。存在于细胞质和细胞核内。DNADNA和和

4、RNARNA是遗传的物是遗传的物质根底。质根底。prion(prion(朊病毒朊病毒) )能否也是遗传物质？能否也是遗传物质？一、核酸的构造一、核酸的构造第一节第一节 核酸与基因组的构造核酸与基因组的构造 一核酸的一级构造一核酸的一级构造 核酸的根本组成单位是核苷酸核酸的根本组成单位是核苷酸nucleotidenucleotide，核苷酸，核苷酸那么由碱基、戊糖和磷酸三种成分衔接而成。构成核苷酸那么由碱基、戊糖和磷酸三种成分衔接而成。构成核苷酸的碱基的碱基basebase主要有五种，腺嘌呤主要有五种，腺嘌呤A A、鸟嘌呤、鸟嘌呤G G、胞嘧啶胞嘧啶C C和胸腺嘧啶和胸腺嘧啶T T及尿嘧啶及尿嘧

5、啶U U。 核酸的一级构培育是指核酸分子中核苷酸的陈列顺序，核酸的一级构培育是指核酸分子中核苷酸的陈列顺序，而正是在核酸的一级构造中储存着生物的遗传信息。假设而正是在核酸的一级构造中储存着生物的遗传信息。假设核苷酸的陈列顺序发生变化，它的生物学含义也就随之改核苷酸的陈列顺序发生变化，它的生物学含义也就随之改动。动。 中心法那么：中心法那么：DNA mRNA DNA mRNA 蛋白质蛋白质DNADNA陈列顺序陈列顺序 RNARNA陈列顺序陈列顺序 蛋白质蛋白质(aa)(aa)陈列顺陈列顺序序 DNADNA、RNARNA与蛋白质的关系与蛋白质的关系: : 二二DNADNA的二级构造的二级构造 是指

6、由两条是指由两条DNADNA单链构成的双螺旋、三股螺旋及四股螺单链构成的双螺旋、三股螺旋及四股螺旋构造。旋构造。1.1.双螺旋构造双螺旋构造 即典型的即典型的DNADNA双螺旋构造，且普通为右旋。双螺旋构造，且普通为右旋。但还发现有左手双螺旋但还发现有左手双螺旋DNADNA，这种左手双螺旋，这种左手双螺旋DNADNA能够参与能够参与基因表达的调控。基因表达的调控。2.2.三股螺旋构造三股螺旋构造 除了最常见的除了最常见的DNADNA双螺旋构造方式外，双螺旋构造方式外，DNADNA也可以构成三股螺旋构造也可以构成三股螺旋构造三股螺旋三股螺旋DNADNA也称三链也称三链DNADNA，triple

7、strand DNA,tsDNAtriple strand DNA,tsDNA: : 分子内三链分子内三链DNADNA构成的构成的4 4种同分异构体种同分异构体a a三股螺旋三股螺旋DNA DNA b b三股螺旋三股螺旋DNADNA三维投影图三维投影图三三DNADNA的三级构造的三级构造 DNA DNA双螺旋进一步盘曲构双螺旋进一步盘曲构成更成更 加复杂的构造，即螺旋的螺旋或超螺旋加复杂的构造，即螺旋的螺旋或超螺旋构造。构造。四四RNARNA的种类与功能的种类与功能1.mRNA 1.mRNA 信使信使RNA(messenger RNA)RNA(messenger RNA)占占1%-5% 1%-

8、5% 携带携带遗传信息遗传信息2.tRNA 2.tRNA 转运转运RNA(transfer RNA) RNA(transfer RNA) 占占15% 15% 转运氨转运氨基酸基酸3.rRNA 3.rRNA 核糖体核糖体RNA(ribosomal RNA) RNA(ribosomal RNA) 占占80% 80% 合成合成场所场所4.4.具有催化活性的具有催化活性的RNARNA核酶核酶(ribozyme)(ribozyme)5.5.核内不均一核内不均一RNA(heterogeneous nuclear RNA,hnRNA) RNA(heterogeneous nuclear RNA,hnRNA)

9、 即即 mRNAmRNA前体，经过一系列加工处置后才变成成熟的前体，经过一系列加工处置后才变成成熟的mRNAmRNA。6.6.小分子核内小分子核内RNA(small nuclear RNA,snRNA) 300RNA(small nuclear RNA,snRNA) 300个碱基以个碱基以下下7.7.反义反义RNA(antisense RNA) RNA(antisense RNA) 碱基序列正好与有意义碱基序列正好与有意义mRNA(sensemRNA(sense mRNA) mRNA)互补的互补的RNA,RNA,又称反意义又称反意义RNARNA、调理、调理RNARNA。 基因基因genegen

10、e是是DNADNA分子中的某一特定的核苷酸序列，经分子中的某一特定的核苷酸序列，经过复制可以传送给后代，经过转录和翻译可以产生维持正过复制可以传送给后代，经过转录和翻译可以产生维持正常生命活动的生物大分子常生命活动的生物大分子RNARNA和蛋白质。基因具有可遗和蛋白质。基因具有可遗传性、可表达性、可挪动性转座单元、腾跃基因、不传性、可表达性、可挪动性转座单元、腾跃基因、不延续性内含子延续性内含子intronintron、断裂基因和重叠性重叠基因、断裂基因和重叠性重叠基因的特征。的特征。二、基因的概念二、基因的概念非编码序列非编码序列5533调控序列调控序列非编码序列非编码序列内含子内含子(in

11、tron)编码序列编码序列(外显子外显子, exon) 1.1.基因组基因组genomegenome：细胞或生物体中，一套完好单倍体：细胞或生物体中，一套完好单倍体的遗传物质的总和。如人类基因组包含的遗传物质的总和。如人类基因组包含2222条染色体和条染色体和X X、Y Y两条性染色体上的全部遗传物质核基因组以及胞浆线两条性染色体上的全部遗传物质核基因组以及胞浆线粒体上的遗传物质线粒体基因组。粒体上的遗传物质线粒体基因组。2.2.基因组构造：主要指不同的基因功能区域在核酸分子中基因组构造：主要指不同的基因功能区域在核酸分子中的分布和陈列情况，基因组的功能是储存和表达遗传信息。的分布和陈列情况，

12、基因组的功能是储存和表达遗传信息。三、基因组三、基因组genomegenome和基因组构造和基因组构造一病毒基因组的构造特征一病毒基因组的构造特征1.1.病毒基因组的类型病毒基因组的类型 病毒病毒virusvirus是最简单的生命方式。病毒基因组是最简单的生命方式。病毒基因组virus genomevirus genome的核酸有的核酸有DNADNA，也有，也有RNARNA。可分为以。可分为以下几种：下几种：1 1双链双链DNADNA2 2单链正股单链正股DNADNA3 3双链双链RNARNA4 4单链负股单链负股RNARNA5 5单链正股单链正股RNARNA2.2.病毒基因组的构造特征病毒基

13、因组的构造特征1 1不同病毒基因组大小差别较大不同病毒基因组大小差别较大2 2不同病毒基因组可以是不同构造的核酸不同病毒基因组可以是不同构造的核酸3 3病毒基因组有延续的也有不延续的病毒基因组有延续的也有不延续的4 4病毒基因组的编码序列大于病毒基因组的编码序列大于90%90%5 5单倍体基因组单倍体基因组6 6基因有延续的和延续的基因有延续的和延续的7 7相关基因丛集相关基因丛集8 8基因重叠基因重叠9 9病毒基因组含有不规那么构造基因病毒基因组含有不规那么构造基因二原核基因的构造特征二原核基因的构造特征1.1.原核基因组方式原核基因组方式原核基因组常以支配子原核基因组常以支配子operon

14、operon的方式作为表达和调控的方式作为表达和调控的根本单元，它包括功能上彼此相关的构造基因和调控部位，的根本单元，它包括功能上彼此相关的构造基因和调控部位，受调理基因产物的调理，转录产物为单个多顺反子。受调理基因产物的调理，转录产物为单个多顺反子。 大肠杆菌乳糖支配子构造大肠杆菌乳糖支配子构造lacIlacYPlacOlacZlacA启动子启动子阻遏蛋阻遏蛋白基因白基因构造基因构造基因支配基因支配基因2.2.原核生物的原核生物的RNARNA聚合酶和启动子聚合酶和启动子2 2原核启动子原核启动子promoterpromoter 启动子是基因启动子是基因55端上游的一段启动基因转录的端上游的一

15、段启动基因转录的核苷酸序列，是核苷酸序列，是RNA pol RNA pol 和其他转录因子结合的部位。和其他转录因子结合的部位。1 1原核原核RNA RNA 聚合酶聚合酶RNA polymeraseRNA polymerase亚基亚基基因基因 数目数目 组成组成 功能功能 ropA 2 核心酶核心酶 结合启动子，连接结合启动子，连接 和和 ropB 1 核心酶核心酶 结合碱基，合成结合碱基，合成RNAropC 1 核心酶核心酶 结合启动子结合启动子-10区（区（TATA box）ropD 1 全酶全酶 结合启动子结合启动子-35区，其始转录区，其始转录 原核基因的启动子定位在转录起始位点原核基

16、因的启动子定位在转录起始位点initiation site，IS上游上游5-10bp处，由处，由-35区和区和-10区组成，从启动子到终止区组成，从启动子到终止子子terminator为一个转录单位。为一个转录单位。 -10区的碱基序列较保守，由区的碱基序列较保守，由T和和A组成，大肠杆菌的组成，大肠杆菌的-10区为区为TATAAT，故称，故称TATA box或或 pribnow box。 -35区的碱基序列以区的碱基序列以TTG最为保守，大肠杆菌的最为保守，大肠杆菌的-35区区为为TTGACA， 因子识别并结合因子识别并结合-35区，区，RNA聚合酶的特异聚合酶的特异性由性由 因子决议，而启

17、动子的强弱那么由因子决议，而启动子的强弱那么由-35区和区和 因子的特因子的特异性和亲和力决议。异性和亲和力决议。从从IS到到-10区之间的区之间的5-10bp间隔称间隔称5-leader sequence(前导前导序列。序列。 大肠杆菌基因启动子图示大肠杆菌基因启动子图示-35-10IS5-leader+1上游上游下游下游5启动子启动子 大多数真核基因的编码序列被不能编码的额外序列所分隔，大多数真核基因的编码序列被不能编码的额外序列所分隔，以不延续的方式陈列在以不延续的方式陈列在DNA上，因此这类基因也叫断裂基因上，因此这类基因也叫断裂基因split gene。不编码序列称内含子。不编码序列

18、称内含子intron，被分隔的编码，被分隔的编码序列叫外显子序列叫外显子exon。因此，从。因此，从DNA转录来的初级转录物是转录来的初级转录物是mRNA的前体，称核不均一的前体，称核不均一RNA nuclear heterogenous RNA，hnRNA，在进展翻译前必需经过转录后加工除去内含子，构成，在进展翻译前必需经过转录后加工除去内含子，构成成熟成熟mRNA，这一过程叫拼接，这一过程叫拼接splicing。 由于真核基因不组成支配子，不构成顺反子，真核基因表达遭由于真核基因不组成支配子，不构成顺反子，真核基因表达遭到多级调控系统的调理。到多级调控系统的调理。 三真核基因的构造特证三真

19、核基因的构造特证mRNADNAhnRNAsplicing蛋白质蛋白质ei转录转录翻译翻译 与原核生物的与原核生物的RNA pol不同，真核不同，真核RNA pol不能单独与启不能单独与启动子结合，必需求有转录因子的参与。动子结合，必需求有转录因子的参与。2真核基因的真核基因的II型启动子型启动子promoter真核基因的真核基因的TATAbox为为TATAATATA，并且间隔，并且间隔IS较远。较远。1 1三种真核三种真核RNA RNA 聚合酶聚合酶RNA polymeraseRNA polymerase 酶酶 定位定位 转录产物转录产物 对对 -Amaniting的敏感性的敏感性RNA po

20、l IRNA pol IIRNA pol III 核仁核仁 rRNA（18S，28S，5.8S） 核质核质 hnRNA（mRNA），）， snRNA + 核质核质 tRNA，5SrRNA，某些，某些snRNA 有种属特异性有种属特异性没有没有- -区。区。在在ISIS上游还有上游还有 box box、boxbox和八聚体和八聚体等构造，并与盒一同组成等构造，并与盒一同组成IIII型基因的启动子。必需明确，并不型基因的启动子。必需明确，并不是一切的是一切的IIII型基因都具备这种调控元件，有的基因就没有盒型基因都具备这种调控元件，有的基因就没有盒如的早期基因。如的早期基因。OCGCTIS 由于由

21、于II型启动子无型启动子无-35区，也没有区，也没有 因子，因此，因子，因此，RNA pol II与启动与启动子的结合至少与子的结合至少与4种转录因子种转录因子TFIIAD有关。有关。 总之总之, 病毒、原核生物以及真核生物所储存的遗传信病毒、原核生物以及真核生物所储存的遗传信息量有着宏大的差别。病毒基因组构造简单，所含构息量有着宏大的差别。病毒基因组构造简单，所含构造基因很少；原核生物基因组所含基因数量较多，且造基因很少；原核生物基因组所含基因数量较多，且有较为完善的表达调控体系；真核生物基因组所含基有较为完善的表达调控体系；真核生物基因组所含基因数量宏大，表达调理系统也更为精细。因数量宏大

22、，表达调理系统也更为精细。 基因组中的遗传信息决议着物种的遗传和变异。各种生物均基因组中的遗传信息决议着物种的遗传和变异。各种生物均经过其本身基因组核酸的完好复制将亲代的遗传信息忠实地传经过其本身基因组核酸的完好复制将亲代的遗传信息忠实地传给子代，保证了物种的延续性。遗传信息的复制实践上就是基给子代，保证了物种的延续性。遗传信息的复制实践上就是基因组全部核酸序列的复制。基因组核酸的复制在不同生物中主因组全部核酸序列的复制。基因组核酸的复制在不同生物中主要有四种方式，即要有四种方式，即DNADNA复制、复制、DNADNA经过经过RNARNA中间体进展复制、中间体进展复制、RNARNA复制、复制、

23、RNARNA经过经过DNADNA中间体进展复制。中间体进展复制。第二节第二节 遗传信息的复制遗传信息的复制 大多数生物经过大多数生物经过DNADNA复制完成基因组的复制，少数复制完成基因组的复制，少数DNADNA病毒是病毒是经过经过RNARNA中间体复制其基因组中间体复制其基因组DNADNA，许多，许多RNARNA病毒是经过病毒是经过RNARNA复制复制完成其基因组的复制，逆转录病毒那么是经过完成其基因组的复制，逆转录病毒那么是经过DNADNA中间体复制中间体复制其基因组其基因组RNARNA。真核生物的端粒可经过逆转录完成复制过程。真核生物的端粒可经过逆转录完成复制过程。一复制的起始点和方向一

24、复制的起始点和方向 基因组中能单独进展复制的单位称为复制子，复制子基因组中能单独进展复制的单位称为复制子，复制子中控制复制起始的位点称为复制起始点。在开场时，复制中控制复制起始的位点称为复制起始点。在开场时，复制起始点处呈一叉形起始点处呈一叉形Y Y型，称为复制叉。复制进展时，型，称为复制叉。复制进展时，复制叉向前挪动。复制的方向可有三种不同方式：一是从复制叉向前挪动。复制的方向可有三种不同方式：一是从两个起始点开场，各以相反的单一方向复制出一条新链，两个起始点开场，各以相反的单一方向复制出一条新链，构成两个复制叉；二是从一个起始点开场，以同一方向复构成两个复制叉；二是从一个起始点开场，以同一

25、方向复制出两条链，构成一个复制叉；三是从一个起始点开场，制出两条链，构成一个复制叉；三是从一个起始点开场，同时沿两个相反的方向各复制出两条链，构成两个复制叉。同时沿两个相反的方向各复制出两条链，构成两个复制叉。一、一、DNADNA复制的根本特点复制的根本特点DNADNA链复制方向的三种方式链复制方向的三种方式a.2a.2个起始点，个起始点，2 2个复制叉个复制叉复制叉复制叉 复制叉复制叉起始起始点点1 1旧链旧链起始点起始点2 2b.1b.1个起始点，个起始点，1 1个复制叉个复制叉复制叉复制叉起始点起始点c.1c.1个起始点，个起始点，2 2个复制叉个复制叉起始点起始点复制叉复制叉复制叉复制

26、叉 1 1、半保管复制、半保管复制 DNADNA复制时，复制时，DNADNA双链中的互补碱基双链中的互补碱基之间的氢键断裂，解为两条链，各以一条单链为模板，之间的氢键断裂，解为两条链，各以一条单链为模板，按碱基互补原那么合成新的互补链，新合成的两个按碱基互补原那么合成新的互补链，新合成的两个DNADNA分子和亲代分子和亲代DNADNA分子是完全一样的。在子代分子是完全一样的。在子代DNADNA分子中一分子中一条单链来自亲代，另一条单链是新合成的。这种复制方条单链来自亲代，另一条单链是新合成的。这种复制方式称为半保管复制式称为半保管复制semi-conservative semi-conserv

27、ative replicationreplication。二复制方式二复制方式 2 2、半不延续复制、半不延续复制 DNA DNA双螺旋的两条链是反向平行的，双螺旋的两条链是反向平行的，一条是一条是5 35 3方向，另一条是方向，另一条是3 53 5方向，两条链方向，两条链都能作为模板合成新的互补链。但是，生物体内一切都能作为模板合成新的互补链。但是，生物体内一切DNADNA聚合酶的催化方向都是聚合酶的催化方向都是5 35 3，在复制过程中，在复制过程中，DNADNA聚聚合酶以合酶以3 53 5方向为模板，随着复制叉的挪动方向，方向为模板，随着复制叉的挪动方向，延续合成新的互补链称为前导链，延

28、续合成新的互补链称为前导链，leading strandleading strand。但是但是DNADNA聚合酶不能随着复制叉的挪动方向合成另一条模聚合酶不能随着复制叉的挪动方向合成另一条模板链的互补链。另一条互补链是如何合成的呢？板链的互补链。另一条互补链是如何合成的呢？ 1968 1968年日本学者冈崎等发现了年日本学者冈崎等发现了DNADNA衔接酶并提出了不衔接酶并提出了不延续复制模型，即以延续复制模型，即以5 35 3方向模板链为模板合成方向模板链为模板合成的互补链也是的互补链也是5 35 3方向延伸，但与复制叉的前进方向延伸，但与复制叉的前进方向相反，只能倒着合成许多片段，这些片段称

29、为冈崎方向相反，只能倒着合成许多片段，这些片段称为冈崎片段片段Okazaki fragmentOkazaki fragment；DNADNA衔接酶再将冈崎片段衔接酶再将冈崎片段衔接成完好的衔接成完好的DNADNA链，称为随从链链，称为随从链lagging strandlagging strand。由于前导链的合成是延续进展的，而随从链的合成是不由于前导链的合成是延续进展的，而随从链的合成是不延续进展的，所以延续进展的，所以DNADNA的复制是半不延续复制。随从链的复制是半不延续复制。随从链的合成比前导链迟一些，所以二者是不对称进展的。的合成比前导链迟一些，所以二者是不对称进展的。复制复制叉行叉

30、行进方进方向向33553355随从链随从链前导链前导链 DNA DNA复制大致分为三个阶段，即复制的起始、复制大致分为三个阶段，即复制的起始、DNADNA链链的延伸和复制的终止。根本上包括：的延伸和复制的终止。根本上包括：DNADNA双链解开；双链解开；RNARNA引物的合成；引物的合成；DNADNA链的延伸；切除引物、填链的延伸；切除引物、填补缺口、衔接相邻补缺口、衔接相邻DNADNA片段；切除和修复错配碱基。片段；切除和修复错配碱基。三复制的根本过程三复制的根本过程二、原核生物二、原核生物DNADNA的复制的复制P252-254P252-254三、真核生物的三、真核生物的DNADNA复制复

31、制P254-256P254-256第三节第三节 遗传信息的表达遗传信息的表达 各种生物基因中，绝大部分基因储存的遗传信息都是各种生物基因中，绝大部分基因储存的遗传信息都是蛋白质的一级构造信息，部分基因储存的是蛋白质的一级构造信息，部分基因储存的是tRNAtRNA、rRNArRNA等等RNARNA的一级构造信息。除少数的一级构造信息。除少数RNARNA病毒可将遗传信息直病毒可将遗传信息直接从接从RNARNA输出以外，大部分生物包括逆转录病毒的遗输出以外，大部分生物包括逆转录病毒的遗传信息都是从传信息都是从DNADNA分子中输出的。遗传信息的表达，就是分子中输出的。遗传信息的表达，就是储存于储存于

32、DNADNA中的信息转变成详细的中的信息转变成详细的RNARNA分子或蛋白质分子。分子或蛋白质分子。经过这些生物大分子的功能活动使生物体表现出各种各经过这些生物大分子的功能活动使生物体表现出各种各样的生理功能及千差万别的生物性状。样的生理功能及千差万别的生物性状。 DNA DNA可以作为模板直接指点可以作为模板直接指点RNARNA分子的生物合成，这一分子的生物合成，这一过程称为转录。过程称为转录。DNADNA不能作为直接模板将其携带的信息转不能作为直接模板将其携带的信息转移到蛋白质分子中，需求先经过转录过程将遗传信息传送移到蛋白质分子中，需求先经过转录过程将遗传信息传送到到RNARNA分子中，

33、再经过翻译过程将分子中，再经过翻译过程将RNARNA分子上的核苷酸序列分子上的核苷酸序列信息转变为蛋白质分子中的氨基酸序列。对于编码蛋白质信息转变为蛋白质分子中的氨基酸序列。对于编码蛋白质的基因来说，其遗传信息的表达包括转录和翻译两个阶段。的基因来说，其遗传信息的表达包括转录和翻译两个阶段。一、转录一、转录 转录转录transcriptiontranscription是以是以DNADNA为模板，以为模板，以4 4种种NTPNTP为为原料，依碱基配对规律，在原料，依碱基配对规律，在DNADNA指点的指点的RNARNA聚合酶催化下合聚合酶催化下合成成RNARNA的过程。经过的过程。经过RNARNA

34、的合成，的合成，DNADNA分子中的遗传信息被分子中的遗传信息被转录到转录到RNARNA分子中。分子中。 以以DNADNA为模板复制为模板复制DNADNA和转录和转录RNARNA都是酶促的核苷酸聚合都是酶促的核苷酸聚合过程，二者既有类似之处，又有不同点。类似之处在于：过程，二者既有类似之处，又有不同点。类似之处在于：都以都以DNADNA为模板；都以核苷酸为原料，合成方向是，为模板；都以核苷酸为原料，合成方向是，核苷酸之间以磷酸二脂键相连；服从碱基配对原那么；核苷酸之间以磷酸二脂键相连；服从碱基配对原那么；都需依赖都需依赖DNADNA聚合酶，产物是很长的多核苷酸链。聚合酶，产物是很长的多核苷酸链

35、。二者的不同点有：复制的原料是二者的不同点有：复制的原料是4 4种种dNTPdNTP，而转录的原料，而转录的原料是是4 4种种NTPNTP，即，即ATPATP、GTPGTP、CTPCTP、UTPUTP；复制过程中碱基配对；复制过程中碱基配对关系是关系是A-TA-T、G-CG-C，而转录过程中碱基配对关系是，而转录过程中碱基配对关系是A-UA-U、G-CG-C；在复制过程中催化聚合反响的酶是在复制过程中催化聚合反响的酶是DNADNA聚合酶，而在转录聚合酶，而在转录过程中催化聚合反响的酶是过程中催化聚合反响的酶是RNARNA聚合酶；在复制时，聚合酶；在复制时，DNADNA分分子的两条多核苷酸链都能

36、作为模板，产物是与模板等长的整子的两条多核苷酸链都能作为模板，产物是与模板等长的整体分子，带有基因组的全套遗传信息；而转录一种体分子，带有基因组的全套遗传信息；而转录一种RNARNA分子分子时只利用时只利用DNADNA分子中的一条链为模板，而且只是从一个基因分子中的一条链为模板，而且只是从一个基因或一个支配子转录，转录单位的模板上的位置和数量随细胞或一个支配子转录，转录单位的模板上的位置和数量随细胞的生活形状而改动，因此，不同时间里产物的数量、性质和的生活形状而改动，因此，不同时间里产物的数量、性质和大小都不一样。大小都不一样。1.1.逆转录的概念逆转录的概念 所谓逆转录，是指以所谓逆转录，是

37、指以RNARNA为模板，利用宿主细胞中为模板，利用宿主细胞中4 4种种dNTPdNTP为原料在引物的为原料在引物的3 3 端以端以5 3 5 3 方向合成与方向合成与RNARNA互补的互补的DNADNA链的过程，此过程与中心法那么相反，故称为链的过程，此过程与中心法那么相反，故称为逆转录逆转录reverse transcriptionreverse transcription。在逆转录过程中以。在逆转录过程中以RNARNA指点的指点的DNADNA聚合酶称为逆转录酶聚合酶称为逆转录酶reverse transc-reverse transc-riptnaseriptnase。实践上，逆转录并非转

38、录，而是一种复制。实践上，逆转录并非转录，而是一种复制方式，必需有引物存在才干完成。方式，必需有引物存在才干完成。二、逆转录二、逆转录2.2.逆转录酶逆转录酶 1970年年Temin在在Rous肉瘤病毒、肉瘤病毒、Baltimore在白血病病毒中各自发现了在白血病病毒中各自发现了逆转录酶，以后发现一切逆转录酶，以后发现一切RNA肿瘤病毒中都含有逆转录酶。逆转录酶是肿瘤病毒中都含有逆转录酶。逆转录酶是逆转录病毒逆转录病毒RNA编码的，是多功能酶：编码的，是多功能酶： 具有具有RNA指点的指点的DNA聚合酶活性，能和其它聚合酶活性，能和其它DNA聚合酶一样，沿聚合酶一样，沿5 3方向合成方向合成D

39、NA，并需求引物提供，并需求引物提供3OH ； 具有具有RNARNA酶酶H HRNaseHRNaseH活性，能特异性水解活性，能特异性水解RNA-RNA-DNADNA杂交体上的杂交体上的RNARNA； 具有具有DNADNA指点的指点的DNADNA聚合酶活性，以逆转录合成的聚合酶活性，以逆转录合成的单链单链DNADNA为模板合成互补为模板合成互补DNADNA链。链。 逆转录酶对逆转录酶对DNADNA没有没有3 53 5外切酶活性，因此它没外切酶活性，因此它没有校正功能，错误率相对较高。有校正功能，错误率相对较高。3.3.逆转录合成逆转录合成cDNAcDNA的过程的过程 cDNA cDNA是指以是

40、指以mRNAmRNA为模板，在反转录酶的作用下在体外反转录为模板，在反转录酶的作用下在体外反转录合成的双链合成的双链DNADNA简称简称cDNA,) cDNA,) mRNA5 5 335 5 33以以mRNA为模板合成一小段为模板合成一小段cDNA5 5 33反转录酶除去杂交双链中的反转录酶除去杂交双链中的mRNA5 5 33单链单链DNA的合成的合成3 3 55除去杂交链中的大部分除去杂交链中的大部分mRNA引物引物33合成一段双链合成一段双链DNA5533除去除去mRNA5533完成双链完成双链DNA的合成的合成553355(1)RNA(1)RNA聚合酶聚合酶 原核生物细胞中只需原核生物细

41、胞中只需1 1种种RNARNA聚合酶，兼聚合酶，兼 有合成有合成mRNAmRNA、tRNAtRNA和和rRNArRNA的功能。反响时需求有的功能。反响时需求有MgMg或或MnMn的的存在，该酶缺乏存在，该酶缺乏3 53 5外切酶活性，所以它没有校正外切酶活性，所以它没有校正功能。功能。2 2转录模板转录模板 以模板链无意链为模板，合成以模板链无意链为模板，合成mRNAmRNA，与复制一样与复制一样5 35 3方向延伸。方向延伸。3 3转录过程转录过程 分为起始、延伸和终止三个阶段。分为起始、延伸和终止三个阶段。三、原核生物三、原核生物RNARNA的生物合成的生物合成4 4转录产物的加工转录产物

42、的加工 转录产物是转录产物是mRNAmRNA分子，普通不需分子，普通不需加工。加工。tRNAtRNA前体的加工主要包括剪切作用：切除前导序列、前体的加工主要包括剪切作用：切除前导序列、拖尾序列及间隔序列；添加和修复拖尾序列及间隔序列；添加和修复33端端CCACCA序列，由序列，由tRNAtRNA核苷酸转移酶催化完成；某些碱基的化学修饰，在特异酶核苷酸转移酶催化完成；某些碱基的化学修饰，在特异酶的催化下经化学合成成熟的催化下经化学合成成熟tRNAtRNA分子中的稀有碱基。分子中的稀有碱基。rRNArRNA前前体的加工：在核酸外切、内切酶的共同作用下，将各种前体的加工：在核酸外切、内切酶的共同作用

43、下，将各种前体的多余核苷酸切除，即可得到成熟的体的多余核苷酸切除，即可得到成熟的RNAs RNAs 。核糖体核糖体RNARNA转录物前体转录物前体tRNA(4S)tRNA(4S)5S5S23S23S16S16S甲基化甲基化CH3 裂裂 解解 中间产物中间产物tRNAtRNA5S5S25S25S17S17S 核酸酶核酸酶 核酸酶核酸酶 成熟成熟RNAstRNAtRNA23S rRNA23S rRNA5S rRNA5S rRNA16S rRNA16S rRNA原核生物原核生物rRNArRNA前体的加工前体的加工 真核生物的转录机制尚不完全清楚，其根本过程能够与原真核生物的转录机制尚不完全清楚，其根

44、本过程能够与原核生物类似，但更复杂。核生物类似，但更复杂。1 1RNARNA聚合酶聚合酶 有三型，分别称为有三型，分别称为RNARNA聚合酶聚合酶A A、B B、C C，识别不同的启动子而转录不同的基因。，识别不同的启动子而转录不同的基因。 RNARNA聚合酶聚合酶在核仁，主要转录在核仁，主要转录5.8S5.8S、18S18S、28S rRNA28S rRNA基因；基因； RNARNA聚合酶聚合酶在核浆，主要转录编码蛋白质的基因，即主要在核浆，主要转录编码蛋白质的基因，即主要转录产生转录产生mRNAmRNA； RNA RNA聚合酶聚合酶在核浆，主要转录在核浆，主要转录tRNAtRNA和和5S

45、5S rRNArRNA基因。基因。四、真核生物四、真核生物RNARNA的生物合成的生物合成4 4转录产物的加工转录产物的加工P271-277P271-277； 包括包括mRNAmRNA前体的加前体的加工：工： 5 5端加帽、端加帽、 3 3端加端加poly(A)poly(A)尾、剪接以及编辑等；尾、剪接以及编辑等；tRNAtRNA前体的加工，包括剪接去除内含子、剪切前体的加工，包括剪接去除内含子、剪切55端先导端先导序列、添加或修复序列、添加或修复33端端CCACCA以及碱基的化学修饰等；以及碱基的化学修饰等；rRNArRNA前体的加工主要是剪接和化学修饰。前体的加工主要是剪接和化学修饰。2

46、2转录单位转录单位 一个转录单位只需一个构造基因。一个转录单位只需一个构造基因。3 3转录过程转录过程 也分为起始、延伸和终止三个阶段也分为起始、延伸和终止三个阶段(P269-(P269- 270) 270) 储存于构造基因中的遗传信息从储存于构造基因中的遗传信息从DNADNA转录到转录到mRNAmRNA，后，后者在蛋白质的生物合成过程中作为直接模板，在核糖体、者在蛋白质的生物合成过程中作为直接模板，在核糖体、tRNAtRNA、以及多种蛋白质因子共同参与下，把、以及多种蛋白质因子共同参与下，把mRNAmRNA中的核中的核苷酸序列转换成蛋白质中的氨基酸顺序，由于苷酸序列转换成蛋白质中的氨基酸顺序

47、，由于mRNAmRNA的核的核苷酸序列与蛋白质的氨基酸序列是两种不同的分子言语，苷酸序列与蛋白质的氨基酸序列是两种不同的分子言语，所以常把所以常把mRNAmRNA中的遗传信息转换成为蛋白质氨基酸序列中的遗传信息转换成为蛋白质氨基酸序列的过程称为翻译的过程称为翻译translationtranslation。五、翻译五、翻译1 1、遗传密码、遗传密码 1961 1961年，年，JacobJacob和和MonodMonod首先提出了首先提出了mRNAmRNA的概念。在真的概念。在真核细胞中，由于蛋白质是在胞浆中而不是在核内合成，因核细胞中，由于蛋白质是在胞浆中而不是在核内合成，因此显然要求有一个中

48、间物将此显然要求有一个中间物将DNADNA上的遗传信息传送至胞浆中。上的遗传信息传送至胞浆中。后来的研讨证明，这种中间物即信使后来的研讨证明，这种中间物即信使RNARNA。mRNAmRNA的核苷酸序的核苷酸序列与列与DNADNA序列相应，决议着合成蛋白质的氨基酸序列。它如序列相应，决议着合成蛋白质的氨基酸序列。它如何指点氨基酸以正确的顺序衔接起来呢何指点氨基酸以正确的顺序衔接起来呢? ?不同的不同的mRNAmRNA碱基组碱基组成和陈列顺序都不同，但都只需成和陈列顺序都不同，但都只需A A，G G，C C，U 4U 4种碱基。假种碱基。假设一个碱基就可以决议一个氨基酸，那么只需四种变化方设一个碱

49、基就可以决议一个氨基酸，那么只需四种变化方式，假设两个碱基决议一个氨基酸，那么只需式，假设两个碱基决议一个氨基酸，那么只需1616种变化种变化方式，都不能满足方式，都不能满足2020种氨基酸的需求。种氨基酸的需求。19611961年年CrickCrick和和BrennerBrenner的实验得出了三个核苷酸编码一个氨基酸的结论，的实验得出了三个核苷酸编码一个氨基酸的结论，并将这种三位一体的核苷酸编码称做遗传密码并将这种三位一体的核苷酸编码称做遗传密码(genetic (genetic code)code)或三联体密码，这样就可以有或三联体密码，这样就可以有6464种不同的密码，但种不同的密码，

50、但此情况下必需假定有一些氨基酸运用两个以上的密码。这此情况下必需假定有一些氨基酸运用两个以上的密码。这一假定很快就被证明是对的。一假定很快就被证明是对的。 遗传密码具有以下特征：遗传密码具有以下特征：(1) (1) 起始密码子和终止密码子：起始密码子和终止密码子：AUGAUG除代表蛋氨酸外，在除代表蛋氨酸外，在mRNA 5mRNA 5端出现的第一个端出现的第一个AUGAUG还兼作肽链合成的起始密码；还兼作肽链合成的起始密码；UAGUAG、UAAUAA和和UGAUGA是肽链合成的终止密码子；是肽链合成的终止密码子；(2)(2)方向性：起始密码子总是位于编码区方向性：起始密码子总是位于编码区55末

51、端，终止子位于末端，终止子位于33末端，每个密码子的三个核苷酸也是末端，每个密码子的三个核苷酸也是5 35 3方向阅读，不方向阅读，不能倒读。从而决议了翻译过程也只能从能倒读。从而决议了翻译过程也只能从5 35 3方向阅读密码。方向阅读密码。(3)(3)延续性：密码子之间不重叠运用核苷酸，也无核苷酸间隔；延续性：密码子之间不重叠运用核苷酸，也无核苷酸间隔；(4)(4)简并性：一种氨基酸可有多个密码子；简并性：一种氨基酸可有多个密码子；(5)(5)通用性：一切生物从最低等的病毒直至人类，蛋白质合成都通用性：一切生物从最低等的病毒直至人类，蛋白质合成都运用同一套密码子表，仅有极少的例外运用同一套密

52、码子表，仅有极少的例外, ,如特殊细胞器线粒体、如特殊细胞器线粒体、叶绿体所用的密码稍有不同。叶绿体所用的密码稍有不同。 (6)(6)摆动性：密码子与反密码子配对辩认时，有时不完全遵照碱摆动性：密码子与反密码子配对辩认时，有时不完全遵照碱基互补规律，尤其是密码子的第三位碱基对反密码子的第一位基互补规律，尤其是密码子的第三位碱基对反密码子的第一位碱基，即使不严厉互补也能识别配对，这种景象称为摆动。碱基，即使不严厉互补也能识别配对，这种景象称为摆动。ACA TGC CCA CCG TGC CCA GCA CCT GAA CTC CTG GGG GGA CCG TCA 45 ACA TGC CCA

53、CCG TGC CCA GCA CCT GAA CTC CTG GGG GGA CCG TCA 45 GTC TTC CTC TTC CCC CCA AAA CCC AAG GAC ACC CTC ATG ATC TCC 90 GTC TTC CTC TTC CCC CCA AAA CCC AAG GAC ACC CTC ATG ATC TCC 90 CGG ACC CCT GAG GTC ACA TGC GTG GTG GTG GAC GTG AGC CAC GAA CGG ACC CCT GAG GTC ACA TGC GTG GTG GTG GAC GTG AGC CAC GAA GAC

54、 CCT GAG GTC AAG TTC AAC TGG TAC GTG GAC GGC GTG GAG GTG 180 GAC CCT GAG GTC AAG TTC AAC TGG TAC GTG GAC GGC GTG GAG GTG 180 CAT AAT GCC AAG ACA AAG CCG CGG GAG GAG CAG TAC AAC AGC ACG 225 CAT AAT GCC AAG ACA AAG CCG CGG GAG GAG CAG TAC AAC AGC ACG 225 TAC CGT GTG GTC AGC GTC CTC ACC GTC CTG CAC CAG

55、 GAC TGG CTG 270 TAC CGT GTG GTC AGC GTC CTC ACC GTC CTG CAC CAG GAC TGG CTG 270 AAT GGC AAG GAG TAC AAG TGC AAG GTC TCC AAC AAA GCC CTC CCA 315 AAT GGC AAG GAG TAC AAG TGC AAG GTC TCC AAC AAA GCC CTC CCA 315 GCC CCC ATC GAG AAA ACC ATC TCC AAA GCC AAA GGG CAG CCC CGA 360 GCC CCC ATC GAG AAA ACC ATC

56、 TCC AAA GCC AAA GGG CAG CCC CGA 360 GAA CCA CAG GTG TAC ACC CTG CCC CCA TCC CGG GAT GAG CTG ACC 405 GAA CCA CAG GTG TAC ACC CTG CCC CCA TCC CGG GAT GAG CTG ACC 405 AAG AAC CAG GTC AGC CTG ACC TGC CTG GTC AAA GGC TTC TAT CCC 450 AAG AAC CAG GTC AGC CTG ACC TGC CTG GTC AAA GGC TTC TAT CCC 450 AGC GAC

57、 ATC GCC GTG GAG TGG GAG AGC AAT GGG CAG CCG GAG AAC 495 AGC GAC ATC GCC GTG GAG TGG GAG AGC AAT GGG CAG CCG GAG AAC 495 AAC TAC AAG ACC ACG CCT CCC GTG CTG GAC TCC GAC GGC CCC TTC 540 AAC TAC AAG ACC ACG CCT CCC GTG CTG GAC TCC GAC GGC CCC TTC 540 TTC CTC TAC AGC AAG CTC ACC GTG GAC AAG AGC AGG TGG

58、 CAG CAG 595 TTC CTC TAC AGC AAG CTC ACC GTG GAC AAG AGC AGG TGG CAG CAG 595 GGG AAC GTC TTC TCA TGC TCC GTG ATG CAT GAG GCT CTG CAC AAC 630 GGG AAC GTC TTC TCA TGC TCC GTG ATG CAT GAG GCT CTG CAC AAC 630 CAC TAC ACG CAG AAG AGC CTC TCC CTG TCT CCG GGT AAA 669CAC TAC ACG CAG AAG AGC CTC TCC CTG TCT

59、CCG GGT AAA 669“863863工程：从正常人脾细胞中用工程：从正常人脾细胞中用RT-PCRRT-PCR方法得到方法得到的人源乙肝病毒外表抗体抗的人源乙肝病毒外表抗体抗-HBs-HBs全基因序列全基因序列 2 2、核糖体、核糖体 是是rRNArRNA与蛋白质组成的复合物，是蛋白质合与蛋白质组成的复合物，是蛋白质合成的场所。成的场所。3 3、tRNA tRNA 既能识别既能识别mRNAmRNA分子上的遗传密码，又能与相应分子上的遗传密码，又能与相应的氨基酸结合，按的氨基酸结合，按mRNAmRNA序列的指示，将氨基酸逐个携带进序列的指示，将氨基酸逐个携带进入核糖体，以合成多肽链。入核糖

60、体，以合成多肽链。 蛋白质生物合成体系由氨基酸、蛋白质生物合成体系由氨基酸、mRNAmRNA、tRNAtRNA、核糖体、某、核糖体、某些酶与蛋白质因子、些酶与蛋白质因子、ATPATP、GTPGTP及及Mg2+Mg2+等共同组成。等共同组成。mRNAmRNA是蛋白是蛋白质合成的模板，质合成的模板，tRNAtRNA在翻译过程中起接合器作用，核糖体是蛋在翻译过程中起接合器作用，核糖体是蛋白质生物合成的场所和装配机。参与蛋白质合成的氨基酸在特白质生物合成的场所和装配机。参与蛋白质合成的氨基酸在特异的氨基酰异的氨基酰tRNAtRNA合成酶催化下，与其相应的合成酶催化下，与其相应的tRNAtRNA结合成氨