基因分子生物学

1、关于基因的分子生物学第1页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四遗传物质及其结构一、遗传物质是什么？ 孟德尔通过对豌豆的杂交和遗传学研究，提出了遗传因子的分离定律和自由组合定律 摩尔根进一步将遗传学与细胞学的研究方法结合起来，以果蝇为研究对象，发展并确立了基因学说 但是，直到二十世纪四十年代，困扰科学工作者的两大问题还未解决：基因是由什么物质构成的？基因是如何工作的？第2页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四 当时人们猜测，构成遗传物质的应该是蛋白质，理由： 构成蛋白质的氨基酸有 20 种，氨基酸的不同组合，就能形成多种不同的蛋白质 蛋白质在生物体内作为酶，催

2、化生物的代谢反应，并由此控制多种遗传性状的表现 后来，在对细菌、病毒这些及其简单的生命形式的研究过程中，科学工作者们才开始发现遗传物质的蛛丝马迹。第3页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四1、著名的肺炎球菌实验 1928 年，英国的细菌学家 Griffith 首次发现了基因是一类特殊生物分子的证据 他的实验对象是两种肺炎球菌： S型 有荚膜，菌落表面光滑，高致病性R型 无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性第4页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四第5页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四实验结果说明： 被加热杀死的 S 型肺炎球菌无致病性 被加热

3、杀死的 S 型肺炎球菌中 一定有某种特殊的生物分子或遗传物质，能够使无害的 R 型肺炎球菌转化成为高致病性的 S 型肺炎球菌 被转化成 S 型肺炎球菌的后代仍保持为 S 型，可见该肺炎球菌的遗传特性被改变第6页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四 在美国纽约洛克菲洛研究所工作的 Avery 立刻敏感地抓住这一问题，进一步进行研究 他将被加热杀死的 S 型肺炎球菌的各个生物化学成分分离，包括多糖、蛋白质、脂肪、核酸 再将各个组分分别加入活的 R 型肺炎球菌中，研究其致病性和性状的变化 结果发现，只有核酸能使 R 型肺炎球菌转化成为S型 进一步的酶解实验也证明：蛋白质水解与否与转

4、化无关，而核酸水解与否可以控制转化的成败 1944年，Avery 等人正式得出结论 DNA 是生命的遗传物质，蛋白质不是生命的遗传物质第7页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四2、更有说服力的噬菌体实验 1952 年，Hershey & Chase 利用噬菌体（细菌病毒，其结构十分简单，由 DNA 内核和蛋白质外壳构成 ）为实验对象完成的实验 分别用放射性同位素 35S 标记病毒的蛋白质外壳、 32P标记病毒的 DNA 内核，分别感染未被标记的细菌关键： 控制好感染时间，保证噬菌体恰好可以完成感染作用，然后在组织搅拌机中搅拌，切断噬菌体外壳与细菌细胞间的联系 第8页，共68页

5、，2022年，5月20日，8点17分，星期四上清：游离的噬菌体沉淀：被感染过的细菌结论：进一步发现：第9页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四实验结果： 噬菌体在感染细菌时，仅仅是其中的 DNA 内核进入细菌，而蛋白质外壳留在细菌细胞外 从细菌中释放的新噬菌体颗粒中，能检测出 32P 标记，而检测不出 35S 标记 可见噬菌体在繁殖的过程中，DNA 得到了复制，并且控制新的蛋白质外壳的合成从 1944 年到 1952 年，整整 8 年的时间，全世界的科学家才接受了 Avery 的结论 生命的遗传物质是 DNA第10页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四196

6、2年， Wilkins、 Watson和Crick共获诺贝尔生理或医学奖Watson和Crick因为在1953年提出DNA的反向平行双螺旋模型而与Wilkins共获Noble生理医学奖，后者通过X射线衍射证实了Watson-Crick模型第11页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四Rosalind E. Franklin1920-1958Rosalind E. Franklin对 DNA晶体结构的研究为Wilkins的获奖奠定了基础第12页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四第13页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四二、DNA的结构 19

7、53 年 2 月 28 日，Watson&Crick 确立了 DNA 双螺旋模型（double helix model）DNA 双螺旋链的特征： 两条通过碱基配对连接的多核苷酸长链，称为“互补链”（complementary chain），互补链以反向平行 的方式围绕同一中心轴相互缠绕，组成双螺旋，两条链均为右手螺旋，每一螺距为 3.4nm，而相邻碱基对（base pair, bp）之间的距离为 0.34nm，因此每一螺旋中有 10 个 bp第14页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四2、碱基的互补配对是固定的准确的，A 与 T 之间形成两条氢键，而 G 与 C之间形成三条氢

8、键，可见 G 与 C 的连接比 A 与 T 之间的连接更稳定3、DNA 分子是有方向性的，由于脱氧核糖核磷酸通过 5,3-磷酸二酯键 连接形成多核苷酸长链，长链的 一端为 3端，有游离的 3-OH一端为 5 端，有游离的 5-磷酸在DNA双螺旋分子中， 一条长链的方向为 53 一条长链的方向为 3 5两条链反向平行第15页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四4、双螺旋的表面形成两条沟，其中 大沟（wide groove）宽 2.2 nm，是蛋白质的结合位点； 小沟（narrow groove）宽 1.2 nm5、DNA 分子中，4 种核苷酸的排列顺序不受任何限制，能构成极其繁

9、多的组合形式 如一段长 100 bp 的 DNA 片段，其核苷酸的排列方式有 4100 种 DNA 分子蕴藏着无穷多的遗传信息第16页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四DNA的复制一、DNA 复制依赖于碱基互补配对原则 DNA 是遗传物质，它携带由特定顺序的核苷酸组成的遗传信息，控制着生物体特定的性状，并在细胞增殖的过程中将遗传信息传递给下一代 DNA 分子能够准确地自我复制（selfreplication） 保证一套完整的遗传信息的代代相传 特殊结构 ：DNA 的双链结构第17页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四二、DNA的半保留复制 将大肠杆菌放置在

10、一 15NH4Cl 为唯一氮源的培养液中培养若干代 所有大肠杆菌的 DNA 都被 15N 标记转入以 14NH4Cl 为唯一氮源的培养液中生长第一代分裂完成的菌体第二代分裂完成的菌体将 DNA 分离出来，进行密度梯度离心1、DNA 合成的同位素示踪实验 1958 年，Meselson & Stath 设计了 DNA 合成的同位素示踪实验，具体作法：第18页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四结果： 亲本的 DNA 离心后形成一条带，分布在离心管的下部，可见是仅含 15N 的双链 第一代的 DNA 离心后形成一条带，正好分布在离心管的中部，可见是同时含 15N 和 14N 的双

11、链 第二代的 DNA 离心后形成两条带，一条位于离心管的中部，一条位于离心管的上部，可见其 DNA 有两种，一种为同时含 15N 和 14N 的双链，另一种为只含 14N的双链第19页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四第20页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四结论： 新合成的 DNA 分子的两条 DNA 链，一条来自亲代DNA（parental chain），一条是新合成的子链 半保留复制（semiconservative relpication） 细胞中的 DNA 复制是以亲代的一条 DNA 链为模板（template），按照碱基互补配对原则，合成另一

12、条具有互补碱基的新链，复制完成的 DNA 子链与亲代的 DNA 完全相同第21页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四2、DNA 复制的基本过程发生时间： 细胞周期的 S 期参与复制的蛋白因子： 解旋酶（helicase） 在 DNA 复制起始位点，局部解螺旋，并拆开为两条单链 单链附着蛋白（SSB） 与解旋的单链结合，使母链能稳定存在一段时间 引物酶 负责合成引物 引物（primer） 为 10 个左右的核苷酸的 RNA 短链，为 DNA 的合成提供游离的 3OH端 DNA 聚合酶（DNA polymerase） 负责使游离的核苷酸准确地与母链 DNA 上互补的碱基结合，并与

13、早先形成的核苷酸新链连接，使新链延长第22页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四特点： DNA聚合酶只能将游离的核苷酸加在新链的 3 OH 端，因此 DNA 的复制总是由 5 向 3 方向进行 亲代 DNA 双链打开后，一条为 3 5 方向，以这条链为模板，正好使核苷酸按 5 3 的方向连续合成新链 另一条模板链为 5 3 方向，无法连续合成新链，只能分段进行，每合成的一段小片段称为“冈崎片段”（Okazaki fragment） 冈崎片段上的 RNA 引物被 RNA 水解酶水解，DNA 小片段取代之，再通过 DNA 连接酶（DNA ligase）使各个冈崎片段连接起来第23

14、页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四具体过程： 在解旋酶的作用下，首先双螺旋的 DNA 可以 同时在许多 DNA 复制的起始位点 局部解螺旋并拆开为两条单链，如此在一条双链上可形成许多“复制泡”，解链的叉口处称为复制叉（replication fork）第24页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四第25页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四第26页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四速度： 快，大肠杆菌 30 min 完成 4.64 Mb 的复制，人类几小时完成 3000 Mb 的复制准确率： 高，平均为 1 / 107

15、结论： DNA 的半保留复制保证了所有的体细胞都携带相同的遗传信息，并可以将遗传信息稳定地传递给下一代第27页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四 遗传信息流是从DNA到RNA到蛋白质一、蛋白质是表型特征的分子基础 生物体的表型是通过一系列的蛋白质来实现的，Beadle & Taturm 根据生化代谢途径中酶和基因的关系，提出了“一个基因一个酶”（one gene-one enzyme）的假说 分子遗传学的奠基石 随后的研究将该假说更正为：一个基因一条多肽链（one gene-one polypeptide chain）第28页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，

16、星期四二、RNA的结构与功能 RNA也是核苷酸的多聚体，它与DNA的主要差别：（1）RNA大多是单链分子；（2）含核糖而不是脱氧核糖；（3）4种核苷酸中，不含胸腺嘧啶（T），而是由尿嘧啶（U）代替了胸腺嘧啶（T） 细胞中主要有3 种RNA，即信使RNA（messager RNA, mRNA），核糖体 RNA（ribosome RNA, rRNA）和转运 RNA（tranfer RNA, tRNA）第29页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四1、 mRNA 是遗传信息的携带者，在细胞核中转录DNA上的遗传信息，再进入细胞质，成为蛋白质合成的模板（template）2、tRNA

17、局部为双链，在3、5端相反一端的环上具有由 3 个核苷酸组成的反密码子。tRNA 的反密码子在蛋白质合成时与 mRNA 上互补的密码子相结合 tRNA 起识别密码子和携带相应氨基酸的作用第30页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四 茎环结构stem-loop第31页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四3、rRNA单链 RNA，和核糖体大、小亚基蛋白共同组成核糖体，核糖 体是蛋白质合成的场所核糖体的大小亚基在行使翻译功能（肽链合成）时，聚合成 整体，为蛋白质的合成提供场所核糖体上具有 附着 mRNA 模板链的位置 两个 tRNA 附着的位置，分别称为 A 位和

18、 P 位第32页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四三、转录（transcription）由DNA控制的蛋白质合成涉及两个基本过程：第一步，转录（transcription） 将 DNA 的遗传信息转录到 mRNA 中，发生在 细胞核 中；第二步，翻译（translation） 将 mRNA 的信息翻译成蛋白质的氨基酸序列，在 细胞质 中进行原核生物中遗传信息的转录和翻译简单一些，真核生物中的遗传信息的转录和翻译要复杂得多第33页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四转录与翻译耦联第34页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四基本定义： 转录（

19、transcription） 以单链 DNA 分子为模板，按照碱基互补配对原则，合成一条单链 RNA 分子，DNA 分子上携带的遗传信息被转移到 RNA 分子中的过程基本结构： 启动子（promoter） 由一段特殊的核苷酸序列构成，是 DNA 链上的转录起始信号，是 RNA 聚合酶识别、结合并打开 DNA 双链的位点 终止子（terminator） 终止 RNA 新链合成的一段核苷酸序列，即 RNA 聚合酶脱离的位点第35页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四基本过程： RNA 聚合酶结合到 DNA 分子在启动子附近，并局部打开双链，其中只有一条链成为 RNA 分子合成的模

20、板链 RNA 聚合酶沿着模板链的 3 向 5 端移动，按 5 3 的方向合成新的 RNA 链 RNA 聚合酶遇上终止子，RNA 聚合酶脱离，新合成的RNA 链离开模板链游离于细胞核中，DNA 双链恢复双螺旋 在转录过程中，第一个 RNA 聚合酶在解离下来之前，第二个 RNA 聚合酶能结合上去，进行第二次转录第36页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四第37页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四转录与复制的不同点：1、转录有转录单位，并非整段 DNA 链全部转录2、转录不需要引物，合成的是 RNA3、转录是不对称的，即仅以一条 DNA 链为模板，合成一条 RN

21、A 链4、新合成的 RNA 链的 5端游离出来，仅有正在合成的约 10 个核苷酸与 DNA 形成双链形式第38页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四四、遗传密码（genetic code）1、遗传密码的破译 当 DNA 的双螺旋结构被发现后，另一个重大的问题被提出 ：“遗传信息如何储存在只有简单碱基差别的 4 种核苷酸中？” 在美国健康研究所工作的 Nirenberg&Matthei 在进行蛋白质细胞外合成的实验：他们开始是将 ATP、游离的氨基酸添加到从细胞中分离来的核糖体、核酸和酶的混合物中 从实验结果分析，他们提出一个问题：“哪一种 RNA 能够促进多肽的合成？”第39

22、页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四 Matthei他们建立和优化一种对RNA高度敏感并可及时检测出多肽合成的试管实验系统经过5天通宵达旦 星期六早晨，熬红了眼的Matthei得到了答案：poly U合成的肽链全部是苯丙氨酸（Phe）Matthei成为世界上破译第一个遗传密码的人第40页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四1966年，Nirenberg和Khorana等人完成全部遗传密码字典，在全部64个密码子中： 61个负责20种氨基酸翻译；3个无义密码子 1968年诺贝尔奖第41页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四2、遗传密码的特点

23、 mRNA 上的密码子是奇数的三联体，又称“三联体密码”（triplet code）遗传密码具有以下几个基本特点： A、密码是连续的 2 个密码子之间没有任何核苷酸予以隔开 B、密码的简并性（degeneracy） 4 种核苷酸组成的密码子有 64 种，氨基酸只有 20 种，多数氨基酸都具有多个密码子 C、偏爱密码子（prefer codon） 在简并密码子中，不同的生物往往偏向使用其中一种 第42页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四 D、密码子的专一性 氨基酸似乎主要由前两个核苷酸决定，第三个核苷酸的改变不会引起氨基酸的改变 原因：主要是由于 tRNA 的反密码子的第一个

24、核苷酸上的碱基为“甲基次黄嘌呤”（I），它与 A、U、C 都能结合，形成氢键 E、起始密码子（initiate codon） AUG，编码 fMet（氮甲酰甲硫氨酸） F、终止密码子（stop codon） 共有三个：UAG、UAA和UGA，他们不编码任何氨基酸，终止多肽链的合成 G、密码子的通用性 密码子对绝大多数生物体都是通用的第43页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四五、翻译（translation） 细胞中蛋白质的合成是一个严格按照 mRNA 上密码子的信息指导氨基酸单体合成为多肽链的过程，这一过程称为 mRNA 的翻译（translation） mRNA 的翻译需

25、要有 mRNA、tRNA、核糖体、多种氨基酸和多种酶等的共同参与，其过程远比转录复杂，共分为五个阶段第44页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四1、第一阶段 氨基酸的激活必需成分： 二十种氨基酸、二十种以上的 tRNA、相应的氨基酰tRNA 合成酶、ATP、Mg2+具体反应： 在氨基酰tRNA 合成酶的催化下，利用 ATP 供能，催化特定的氨基酸与特定的 tRNA 结合，形成氨基酰tRNA，由两个催化反应构成：反应I： AA + ATP + En AA-AMP-En + PPi反应II：AA-AMP-En + tRNA AA-tRNA + AMP + En第45页，共68页，

26、2022年，5月20日，8点17分，星期四2、第二阶段 多肽链合成的起始必需成分： mRNA、N-甲酰甲硫氨酰tRNA（fMet-tRNA）、起始密码子AUG、 30s核糖体小亚基、50s核糖体大亚基、起始因子（initiation factor , IF ）、GTP、Mg2+具体过程：30S核糖体小亚基与mRNA通过SD序列结合在一起 IF与fMet-tRNA形成复合物GTP起始复合物第46页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四起始复合物50S核糖体大亚基70S核糖体、mRNA、 fMet-tRNA结合在一起IF、GDP、Pi脱离第47页，共68页，2022年，5月20日，

27、8点17分，星期四3、第三阶段 多肽链的延伸必需成分： 完整的核糖体与 mRNA 的复合物、各种氨基酰tRNA、多肽转移酶、延伸因子（elongation factor , EF）、GTP特殊结构： 核糖体上有两个与氨基酰tRNA 结合的位点，一个为 P位点（peptide）、另一个为 A 位点（aminoacyl），每个位点上有一个三联体密码子，起始时 fMet-tRNA结合在 P 位点上具体过程：从第一个肽键形成到最后一个肽键形成的全部过程第48页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四fMet-tRNAPAAA1-tRNAEF GTP fMet-tRNAPAAA1-tRNA

28、tRNAPAfMet-AA1-tRNA多肽转移酶AA2-tRNAEF GTP tRNAfMet-AA1-tRNAPAAA2-tRNA核糖体前移第49页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四4、第四阶段 多肽链合成的终止必需成分： 终止密码子（UAG、UAA、UGA）、释放因子（releasing factor , RF）、水解酶、GTP具体过程： P位点上有一串多肽链A位点到达终止密码子RFRF结合到A位点 将P位点上的转肽酶变构成水解酶水解P位点上的tRNA与多肽之间的酯键，多肽链释放出来第50页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四5、翻译后加工 从核糖体上

29、解离下来的多肽链多数不具正常的生理功能，必需要经过多种方式的修饰，改变其结构，才能表现出生理活性，主要的翻译后加工过程包括： 去掉 N 端的 fMet 剪切去除一些肽段 形成二硫键 氨基酸侧链的修饰 磷酸化、甲基化、羟基化等 糖基化修饰 亚基聚合 第51页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四特点： 准确 在翻译的过程中，每个氨基酸是严格按照mRNA 模板的密码序列逐个合成到肽链上，可见 mRNA 上的遗传信息被准确地翻译成特定的氨基酸序列速度： 快 一个核糖体上一个肽链的合成平均不到 1 分钟，而且一段 mRNA 可以相继与多个核糖体结合，同时进行多条同一种肽链的合成第52页

30、，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四第53页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四六、中心法则（central dogma）补充：1、发现了逆转录酶 即能以 RNA 为模板合成 DNA2、DNA 翻译 在实验室中，能使 DNA 翻译成蛋白质3、朊粒致病性及其遗传行为 对中心法则的挑战，但最终的研究结果表明，该病毒来源于细胞核中的 PrP 基因 转录 翻译 复制 DNA RNA 蛋白质第54页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四修改后的中心法则： 转录 复制 DNA RNA 复制 反转录 翻译 蛋白质第55页，共68页，2022年，5月20日，

31、8点17分，星期四遗传物质的改变一、染色体畸变与人类疾病 染色体畸变（chromosome aberration） 染色体结构和数目发生改变，进而造成可遗传的病变1、染色体结构的变异A、缺失（deletion） 染色体丢失一个片段，使位于该片段上的基因丢失实例：猫叫综合症，第 5 号染色体上短臂缺失 Tumer 综合症，缺少一条 X 染色体第56页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四B、重复（duplication） 染色体的某一片段在该染色体上重复出现的现象C、倒位（inversion） 染色体上同时出现两处断裂，中间的染色体片段倒转 180 度后重新连接，使这一部分的基因

32、排列顺序发生颠倒 倒位发生在染色体的一个臂内，不包含着丝粒的，称为“臂内倒位”（paracentric inversion）; 倒位发生在两条臂之间，包括着丝粒的，称为“臂间倒位”（pericentric inversion） 第57页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四D、易位（translocation） 染色体的断裂片段接到非同源染色体上的现象，造成染色体间的基因重排 最常见的易位为相互易位（reciprocal translocation），即非同源染色体间相互交换染色体片段 联会时，会出现特征性的十字形结构第58页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期

33、四2、染色体数目变异A、整倍体（euploid） 体细胞中的染色体数目的变异是以二倍体产生的正常配子中的染色体为单位进行增减 如三倍体的无籽西瓜、香蕉B、非整倍体（aneuploid） 体细胞中染色体的变异是以配子中个别染色体增减为基础产生的多倍体 如人类的性染色体为 XXY 型，少数人表型正常，但多数会患上 Klinefelter 综合症；小儿唐氏综合症，为 21 号染色体多了一条，即 21 三体；XXX型、XYY型等第59页，共68页，2022年，5月20日，8点17分，星期四二、基因突变（mutation）广义的基因突变包括染色体畸变和基因的点突变 基因突变发生在生殖细胞内，则突变能遗传给后代； 因突变发生在体细胞内，则仅在当代引起形态或生理上的变化，但不能遗传给下一代突变的意义