遗传学 第七章

1、第七章 遗传物质的分子学基础第一节 DNA作为主要遗传物质的证据n 基因存在于染色体上 n 染色体= 27 DNA+ 6RNA+ 66蛋白质n 此外，还含有少量的拟脂与无机物质。n n 20世纪40年代以来，由于微生物遗传学的发展，加上生物化学、生物物理学以及许多新技术不断被引入遗传学，促成了一个崭新的领域n 分子遗传学的诞生和发展。n 分子遗传学已拥有大量直接和间接的证据，说明DNA是主要的遗传物质，而在缺乏DNA的某些病毒中，RNA就是遗传物质。一、DNA作为主要遗传物质的间接证 n 1、大部分DNA存在于染色体上. 而RNA和蛋白质在细胞质内也很多,但成分并不稳定。n 2、 DNA含量是

2、恒定性 每个物种不同组织的细胞不论其大小和功能如何，它们的DNA含量是恒定的，而且精子或卵子中的DNA含量正好是体细胞的一半；而细胞内的RNA和蛋白质的量在不同细胞间变化很大。 n 3、多倍体DNA含量增加 多倍体系列的一些物种，其细胞中DNA的含量随染色体倍数的增加，也呈现倍数性的递增。n 4、 DNA在代谢上比较稳定 细胞内蛋白质和RNA分子在迅速形成的同时，又不断分解。而DNA分子则不同，原子一旦被DNA分子所摄取，则在细胞保持健全生长的情况下，保持稳定，不会离开DNA。n 5、用不同波长的紫外线诱发各种生物突变时，其最有效的波长均为260nm。 这与DNA所吸收的紫外线光谱是一致的，亦

3、即在260nm处吸收最多。这证明基因突变是与DNA分子的变异密切相关的。 n 虽然上述间接证据有力地说明DNA是遗传物质，但并不能直接证明之。 二、DNA作为主要遗传物质的直接证据 (一)细菌的转化 n 肺炎双球菌(Streptococcuspneumoniae)有两种不同的类型：n 光滑型(S型) 被一层多糖类的荚膜所保护，具有毒性，在n 培养基上形成光滑的菌落。n 粗糙型(R型) 没有荚膜和毒性，在培养基上形成粗糙的n 菌落。n 在S 型和R型内还可以按血清免疫反应的不同，分成许多抗原型，常用IR、R和IS、S、S等加以区别。n R型与S型的各种抗原型都比较稳定，在一般情况下不发生互变。1

4、、格里菲思试验 早在1928年，格里菲思(Griffith，F)首次将一种类型的肺炎双球菌R转化为另一种类型S，实现了细菌遗传性状的定向转化 2、阿委瑞的试验 16年后，阿委瑞(Avery，OT·，1944)等用生物化学方法证明这种活性物质是DNA。他们不仅成功地重复了上述的试验，而且将S型细菌的DNA提取物与IIR型细菌混合在一起，在离体培养的条件下，也成功地使少数IIR型细菌定向转化为S型细菌。 其所以确认导致转化的物质是DNA，是因为该提取物不受蛋白酶、多糖酶和核糖核酸酶的影响，而只能为DNA酶所破坏。迄今，已经在几十种细菌和放线菌中成功地获得了遗传性状的定向转化。这些试验都证

5、明起转化作用的物质是DNA(二) 噬菌体的侵染与繁殖 赫尔希试验 赫尔希(Hershey，A·D)等用同位素32P和35S分别标记T2噬菌体的DNA与蛋白质。因为32P 是DNA的组分，但不见于蛋白 而35S是蛋白质的组分，但不见于DNA。 然后用标记的T2噬菌体(32P或35S)分别感染大肠杆菌 经10min后 用搅拌器甩掉附着于细胞外面的噬菌体外壳。32P标记情况下，基本上全部放射活性见于细菌内而不被甩掉并可传递给子代。35S标记情况下，放射性活性大部分见于被甩掉的外壳中，细菌内只有较低的放射性活性，且不能传递给子代 这样看来，主要是由于DNA进入细胞内才产生完整的噬菌体。所以说

6、DNA是具有连续性的遗传物质(三)烟草花叶病毒的感染和繁殖 烟草花叶病毒(tobacco mosaic virus，TMV)是由RNA(不是DNA)与蛋白质组成的管状微粒，它的中心是单螺旋的RNA，外部是由蛋白质组成的外壳。 如果将TMV的RNA与蛋白质分开 把提纯的RNA接种到烟叶上， 可以形成新的TMV而使烟草发病； 单纯利用它的蛋白质接种，就不能形成新的TMV，烟草继续保持健壮。 如果事先用RNA酶处理提纯的RNA 再接种到烟草上，也不能产生新的TMV。这说明在不含DNA的TMV中，RNA就是遗传物质。 为了进一步论证上述的结论，佛兰科尔康拉特与辛格尔(FrankelConrat，H.和

7、Singer，B)作了以下实验:把TMV的RNA与另一个病毒品系HR的蛋白质，重新合成混合的烟草花叶病毒，用它感染烟草叶片，所产生的新病毒颗粒与提供RNA的品系完全一样 亦即亲本的 RNA决定了后代的病毒类型(图3-3)。 以上实例均直接证明DNA是生物主要的遗传物质，而在缺少DNA的生物中，RNA则为遗传物质第二节 核酸的化学结构一、两种核酸n 核酸(nucleicacid)是核苷酸的多聚体。n 每个核苷酸包括3部分：n 五碳糖、磷酸、环状的含氮碱基 n 碱基包括 ：嘌呤 、嘧啶 n 两个核苷酸之间由3和5位的磷酸二脂键相连核酸有两种：n 脱氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)二、 DN

8、A的双螺旋结构n DNA分子是脱氧核苷酸的多聚体。因为构成DNA的碱基通常有四种，所以，脱氧核苷酸也有四种，n 即：脱氧腺嘌呤核苷酸(dATP)、n 脱氧胸腺嘧啶核苷酸(dTTP)、n 脱氧鸟嘌呤核苷酸(dGTP)、n 脱氧胞嘧啶核苷酸(dCTP) 。 n 1953年，瓦特森(Watson，JD)和克里克(Crick，F)根据碱基互补配对的规律 以及对DNA分子的X射线衍射研究的成果 ，提出了著名的DNA双螺旋结构模型 。n 这个空间构型奠定了分子遗传学的基础。假设某一段DNA分子链有1000对核苷酸n 则该段不同的排列组合形式: 41000种n 4种不同排列组合的分子结构，反映出来的不同性质

9、的基因就是41000种。n 因为现在已经知道基因是DNA分子链上的一个区段，其平均大小为l000对核苷酸。 n 然而，对一特定物种的DNA分子来说，其碱基顺序是一定的，并且通常保持不变，这样才能保持该物种遗传特性的稳定。n 只有在特殊的条件下，改变其碱基顺序或位置或以碱基类似物代替某一碱基时，才出现遗传的变异(突变)。三、RNA的分子结构n RNA的分子结构， 与DNA的不同:n 1、U Tn 2、核糖 脱氧核糖n 3、绝大部分RNA单链形式存在，但可以折叠起来形成若干双链区域。在这些区域内，凡互补的碱基对间可以形成氢键 。n 但有一些以RNA为遗传物质的动物病毒含有双链RNA. 第二节 DN

10、A的复制一、 DNA复制 （一）半保留复制 (二)复制起点和复制方向 在极大多数细菌及病毒中，只有一个复制起点，控制整个染色体的复制。所以整个染色体也就是一个复制子(toplicon)。n 复制子-是指在同一个复制起点控制下合成的一段DNA序列。n 在真核生物中，每条染色体的DNA复制则是多起点的，多个复制起点共同控制一条染色体的复制，即每条染色体有多个复制子。n DNA的合成必须有引物的引导，并且复制时链的延伸总是从5 3方向进行。(三)DNA复制的过程 1DNA双螺旋的解链 n 由DNA解旋酶(1lelicase)催化完成n 由ATP提供解旋所需的能量n DNA双链由解旋酶解开后，单链DN

11、A结合蛋白(single-strand DNAbinding pntein，SSB protein)马上结合在分开的单链上，从而保持其伸展状态。2.DNA合成 在DNA合成前，以DNA为模板，根据碱基配对原则，在一种特殊的RNA聚合酶-DNA引物酶的催化下，先合成一段长度为5-60个核苷酸的RNA引物，提供3端自由-OH。然后，在DNA聚合酶 的催化下进行DNA的合成3.一条DNA链连续合成，一条链不连续 n 只有一条DNA的链的合成是连续的，而另一条链是不连续的。所以从整个DNA分子水平来看，DNA两条新链的合成方向是相反的，但是都是从5 3 方向延伸。n 把一直从5 3方向延伸的链称作前导

12、链(1eadingstrand)，它是连续合成的。n 而另一条先沿5 3方向合成一些片段，然后再由连接酶将其连起来成为链，称为后随链(1agging strand)，其合成是不连续的 。n 这种不连续合成是由冈崎等人首先发现的，所以，现在将后随链上合成的DNA不 连续单链小片段称为冈崎片段(Okazaki fragment)。n 因此，在前导链上，DNA引物酶只在起始点合成一次引物RNA，DNA聚合酶III 就可开始进行DNA的合成，而在后随链上，每个冈崎片段的合成都需要先合成一段引物RNA，然后DNA聚合酶III才能进行DNA的合成。n 随后，引物RNA被切除，并为新合成的DNA片段所替代。

13、 n 最后由DNA连接酶(DNAligase)将冈崎片段连接起来，形成一条完整的新链 。第四节 DNA的转录和蛋白质的翻译n DNA（基因）- mRNA-蛋白质 一、RNA合成n 只有一条DNA链被用作模板，而DNA合成时两条链分别用作模板；n RNA链的合成不需要引物，可以直接起始合成。n 如果转录的RNA是mRNA，其信息最后通过密码子决定蛋白质的合成。n 通常将用作模板进行RNA转录的链称作模板链(template strand)；而另一条则称为非模板链。n RNA链的合成也是从5 3端进行的，此过程由RNA聚合酶催化n RNA聚合酶首先在启动子部位(Promoter)与DNA结合，形成

14、转录泡(transcriptionbubble)，并开始转录n 在原核生物中只有一种RNA聚合酶完成所有RNA的转录。二、遗传密码n DNA分子的碱基即A、T、C、G四种。n 以一个DNA含有1 000对核苷酸来说，这四种密码的排列组合就可以有41000种形式，可以表达出无限信息。遗传密码(geneticcode)又是如何翻译呢?n 每3个碱基决定1种氨基酸，这三个碱基的密码子可能的组合将是43=64种。n 1个氨基酸由1个以上的三联体密码所决定的现象，称为简并(degeneracy)。每种三联体密码译成什么氨基酸呢? n 从1961年开始，经过大量的试验，分别利用64个已知三联体密码，找出了

15、与它们对应的氨基酸。n 19661967年，全部完成了这套遗传密码的字典 。除1980年以来发现某些生物的线粒体tRNA在解读个别密码子时，有不同的翻译方式外，整个生物界，从病毒到人类，遗传密码都是通用的。即：n 所有的核酸语都是由四个基本碱基符号所编成；n 所有的蛋白质语都是由20种氨基酸所编成，它们共同的语言写成不同的文章(生物种类和生物性状)。n 共同语言说明了生命的共同本质和共同起源；n 不同文章说明了生物变异的原因和进化的无限历程。综上所述，现在已经证实遗传密码主要有下列基本的特性：n 1遗传密码为三联体 即三个碱基决定一个氨基酸。n 2遗传密码间不能重复利用 除近来发现的少数情况外

16、，在一个mRNA上每个碱基只属于一个密码子。n 3遗传密码间无逗号 即在翻译过程中，遗传密码的译读是连续的。n 4遗传密码间存在简并现象 除两个氨基酸外的所有氨基酸都有一种以上的密码子编码n 5遗传密码的有序性(ordered) 决定同一个氨基酸或性质相近的不同氨基酸的多个密码子，往往只是最后一个碱基发生变化。n 6遗传密码包含起始密码子和终止密码子，蛋白质翻译的起始和终止有专门的密码子所决。n 7遗传密码的通用性 除线粒体等极少数情况外，遗传密码从病毒到人类是通用 三、蛋白质的合成n 蛋白质的合成，也就是遗传信息的翻译过程。n 翻译-就是mRNA携带着转录的遗传密码附着在核糖体上，把运来的各

17、种氨基酸，按照mRNA的密码顺序，相互联结起来成为多肽链，并进一步折叠成为立体的蛋白质分子的过程。n 在核糖体上合成的多肽链，经过链的卷曲或折叠，成为具有立体结构、有生物活性的蛋白质；n 它们或者成为结构蛋白，作为细胞的组成部分；n 或者成为功能蛋白，如血红蛋白等；n 或者成为控制细胞各种化学反应的酶。四、中心法则及其发展n 上面叙述的蛋白质合成过程，也就是遗传信息从DNA-mRNA-蛋白质的转录和翻译的过程，以及遗传信息从DNA DNA的复制过程，这就是分子生物学的中心法则。n 由此可见，中心法则所阐述的是基因的两个基本属性：复制与表达。RNA的反转录 n 近年来的研究发现，在许多RNA的肿

18、瘤病毒以及爱滋病病毒中，存在着依赖于RNA的DNA聚合酶即反转录酶，它可以以RNA为模板，合成DNA。n 当病毒RNA进入寄主细胞后，在反转录酶的催化下以RNA为模板合成一段RNA-DNA双螺旋，然后在其他酶系统的作用下，转化为DNADNA双螺旋，并整合到寄主细胞的染色体中。整合后的DNA又可转录合成病毒RNA，翻泽成蛋白质，并装配成新的病毒，从而开始进行下一轮的侵染。n 迄今不仅在几十种由RNA致癌病毒引起的癌细胞中发现反转录酶，甚至在正常细胞，如胚胎细胞中也有发现。n 反转录酶的发现不仅具有重要的理论意义，而且在遗传工程上，通过反转录进行基因的酶促合成，以及致癌机理的研究都有重要的作用。第

19、九节 遗传工程n 遗传工程一般可分为广义和狭义的两种。n 广义的遗传工程包括细胞工程、染色体工程、细胞器工程等。n 狭义的遗传工程即是基因工程。基因工程概述n 基因工程是20世纪70年代初随着DNA重组技术的发展应运而生的一门新技术。n 1971年美国的史密斯(Smith，H·O)等人利用从细菌中分离的一种限制性酶，酶切病毒DNA分子，标志着基因工程或DNA重组时代的开始。n 1972年伯格(Berg，P)等人用一种限制性酶分别酶切猿猴病毒DNA与噬菌体DNA，再将这两种DNA片段放在一起，用DNA连接酶连接起来，结果得到了一种新的DNA分子。n 1973年科恩(Cohen，S)等人进一步将酶切后的外源DNA片段与质粒DNA连接起来，构成一个重组质粒(recombinant plasmid)，并将这个重组质粒转人大肠杆菌细胞。n 这些开创性的工作为基因工程建立了一套完整的方法和体系，成为现代生物学发展史上的重要里程碑。 n 基因工程技术的建立，使所有实验生物学领域产生巨大变革。n 1982年经美国食品及药物管理局批准，采用基因工程方法在细菌中表达生产的人的胰岛素进入市场，成为基因工程产品直接造福于人类的首例。1985年转基因植物获得成功。n 1996年克隆羊诞生。n 现在，人类已利用这一技术改造和创建新的生命形态，生产药品、疫苗、牛奶和食