动物遗传学遗传信息的传递

动物遗传学遗传信息的传递第1页/共106页第一节:DNA的复制

牛牛文库文档分享第2页/共106页一、DNA的复制特点DNA复制(replication)：是指以DNA分子为模板合成DNA的过程，由此遗传信息通过亲代DNA分子传递给子代。1半保留复制(semiconservativereplication)2DNA复制的半不连续性(semi-discontinuousreplication)

牛牛文库文档分享第3页/共106页半保留复制(semiconservativereplication)

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牛牛文库文档分享第5页/共106页DNA复制的半不连续性

牛牛文库文档分享第6页/共106页⑦DNA连接酶④引发酶⑤

DNA聚合酶⑥拓扑异构酶二、DNA复制体系①DNA模板③单链结合蛋白②解旋酶

牛牛文库文档分享第7页/共106页原核生物DNA聚合酶

牛牛文库文档分享第8页/共106页PolⅢ*结构模型核心聚合酶τ二聚体γ复合物

牛牛文库文档分享第9页/共106页真核生物DNA聚合酶有α、β、γ、δ、ε五种。DNA聚合酶αβγδε位置细胞核细胞核线粒体细胞核细胞核功能后随链合成、前导链延伸修复复制前导链合成修复分子量300k40k180~300k170~230k250k3’→5’外切活性++++_引发酶活性+____

牛牛文库文档分享第10页/共106页三、复制的起点与终止区域原核生物只有一个复制起点，真核生物有多个复制起点，形成多个复制单位。

牛牛文库文档分享第11页/共106页四、复制过程

牛牛文库文档分享第12页/共106页前导链和后随链的协同合成

牛牛文库文档分享第13页/共106页五、复制方式1Θ型复制（Θ–typereplication）2滚环式复制（rollingcirclereplication）3D环复制（D-loopreplication）

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牛牛文库文档分享第17页/共106页六、DNA复制的忠实性

每次复制碱基对发生错误的机率是10-8，而在细菌中实际的错配率为10-8－10-10。

牛牛文库文档分享第18页/共106页DNA聚合酶可通过下述两种方式提高互补碱基选择的专一性。DNA复制的忠实性①通过专一性识别使即将加入的碱基与模板上的碱基严格互补，这种方式用来控制合成前的错误；②当发现存在着错配时，可切除新加入的碱基，这种方式叫校对控制。

牛牛文库文档分享第19页/共106页七、原核和真核生物DNA复制区别1复制的起点与速率2复制方式3真核生物染色体末端DNA的复制

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牛牛文库文档分享第21页/共106页PCR：即聚合酶式反应(polymerasechainreaction)，是美国科学家Mullis于1983年发明的一种在体外快速扩增特定基因或DNA序列的方法，故又称为基因的体外扩增法。八、PCR技术/

牛牛文库文档分享第22页/共106页"BeginningwithasinglemoleculeofthegeneticmaterialDNA,thePCRcangenerate100billionsimilarmoleculesinanafternoon.Thereactioniseasytoexecute.Itrequiresnomorethanatesttube,afewsimplereagentsandasourceofheat.TheDNAsamplethatonewishestocopycanbepure,oritcanbeaminutepartofanextremelycomplexmixtureofbiologicalmaterials.TheDNAmaycomefromahospitaltissuespecimen,fromasinglehumanhair,fromadropofdriedbloodatthesceneofacrime,fromthetissuesofamummifiedbrainorfroma40,000-year-oldwoolymammothfrozeninaglacier."

牛牛文库文档分享第23页/共106页In1993,theRoyalSwedishAcademyofSciencesawardedtheNobelPrizeinChemistryforworkonDNA-basedchemistrymethods,withone-halfoftheprizegoingtoKaryMullisforhisinventionofthepolymerasechainreaction(PCR)method.Hiswork,theacademysaid,had"hastenedtherapiddevelopmentofgeneticengineering"and"greatlystimulatedbiochemicalresearchandopenedthewayfornewapplicationsinmedicineandbiology."Theacademyadded:"TheapplicationsofMullis'PCRmethodarealreadymany.ItisforexamplepossibleusingsimpleequipmenttomultiplyagivenDNAsegmentfromacomplicatedgeneticmaterialmillionsoftimesinafewhours,whichisofverygreatsignificanceforbiochemicalandgeneticresearch.Themethodoffersnewpossibilitiesparticularlyinmedicaldiagnostics,andisused,forexample,fordiscoveringHIVvirusorfaultygenesinhereditarydiseases."

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牛牛文库文档分享第27页/共106页PCR与体内DNA复制的异同

牛牛文库文档分享第28页/共106页第二节、DNA转录

牛牛文库文档分享第29页/共106页转录(transcription)：是指以DNA为模板，在依赖于DNA的RNA聚合酶的催化下，以ATP、GTP、CTP和UTP4种核苷三磷酸为原料合成RNA的过程。一、概念

牛牛文库文档分享第30页/共106页DNA转录与复制的区别1转录只发生在基因组的部分区域。2转录只以DNA的一条链为模板。3转录起始，不需要有引物的参与。4转录底物为核糖核苷三磷酸。5RNA合成依赖于RNA聚合酶。6转录时DNA-RNA杂合双链分子是不稳定的，在延伸过程中不断从模板链上游离出来。7真核生物基因的一般需要转录后加工才能成为具有生物功能和成熟的RNA分子。

牛牛文库文档分享第31页/共106页反式作用元件(trans-actingelement)是指能直接或间接地识别或结合在各种顺式作用元件核心序列上，参与靶基因表达调控的一组调节蛋白。顺式作用元件（cis-actingelement）是指对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因；同时，这种DNA序列通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中。

牛牛文库文档分享第32页/共106页二、RNA聚合酶由α、β、β′和σ,4种亚基组成，全酶(holoenzyme)共5个亚基，为α2ββ′σ。其中的α2ββ′为核心酶(coreenzyme)。①β亚基可能具有与底物(NTP及新生RNA链)结合的能力。②β′亚基可与模板结合。③α亚基可能参与全酶的组装及全酶识别启动子，还参与RNA聚合酶与一些调控因子间的作用。④σ亚基使全酶识别启动子，并与启动子结合。1原核生物的RNA聚合酶

牛牛文库文档分享第33页/共106页2真核生物的RNA聚合酶

牛牛文库文档分享第34页/共106页1启动子启动子（promoter）：能够与RNA聚合酶全酶结合并准确有效地起始转录的特异DNA序列称为启动子。三、启动子与终止子

牛牛文库文档分享第35页/共106页原核生物的启动子(1)转录起始点(2)-10区(3)-35区(4)-10区和-35区间的距离TTGACA16～18bpTATAAT5～8bpCTGA-35区-10区+1

牛牛文库文档分享第36页/共106页(1)加帽位点(2)TATA框(3)CAAT框2.RNA聚合酶Ⅱ的启动子的结构(4)GC框(5)八聚体核苷酸元件(6)κB元件(7)ATF元件1.RNA聚合酶Ⅰ的启动子的结构核心启动子corepromoter。上游调控元件upstreamcontrolelement,UCE。真核生物的启动子

牛牛文库文档分享第37页/共106页在转录过程中，提供转录终止信号的DNA序列称为终止子(terminator)，可分为强终止子和弱终止子两类。终止子(terminator)

牛牛文库文档分享第38页/共106页转录是由DNA指导的RNA合成的过程，可分为起始、延伸和终止三个阶段。四、转录的过程

牛牛文库文档分享第39页/共106页五、转录的终止转录终止包括新生RNA链的释放及RNA聚合酶与DNA解离。有两类终止机制：不依赖ρ因子的终止，依靠终止子本身结构终止。依赖ρ因子的终止机制.

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牛牛文库文档分享第42页/共106页六、转录产物的后加工①加帽及作用7-甲基鸟苷基团（m7G）通过5′端三磷酸酯键以5’-5‘方式连接到mRNA的5‘端形成的结构

牛牛文库文档分享第43页/共106页②加尾及作用Poly(A)尾的性质多数真核生物(酵母除外)的mRNA3′具有约为200bp长的Poly(A)尾巴。Poly(A)尾巴不是由DNA所编码，而是在转录后由RNA末端腺苷酸转移酶催化下，以ATP为前体，添加到mRNA的3′末端。

牛牛文库文档分享第44页/共106页③RNA的剪接（RNAsplicing）依靠内含子的特殊结构而能自发地进行剪接。蛋白质(酶)促剪切，例如tRNA。需要细胞核小分子核糖核蛋白（smallnuclearribonucleoprotein,snRNP）参与的剪接。

牛牛文库文档分享第45页/共106页⑴在内含子两端分别有两个非常保守的碱基:

外显子-G100T100A62A68G83T63…12PyNC65A100G100-外显子内含子在剪接位点的这种特征称为GT-AG规则。

mRNA的剪接完成剪接所需的条件只有三个序列，即5′GT、3′AG和分支点序列⑵在距内含子的3′端约20～50个碱基处有一高度保守序列CURAY,R为嘌呤,Y为嘧啶,称为分支位点,其中A高度保守.

牛牛文库文档分享第46页/共106页剪接过程①内含子5′端切开，形成游离的左侧外显子和右侧的内含子－外显子。内含子游离的5′端以5′－2′磷酸二酯键与A相连，形成一个套索结构。②内含子的3′剪接点被切断而以套索状释放，与此同时右侧外显子与左侧外显子连在一起。③内含子套索被切开，形成线状并很快被降解。

牛牛文库文档分享第47页/共106页第三节蛋白质的合成

牛牛文库文档分享第48页/共106页翻译(translation):是指由RNA参与的蛋白质生物合成过程，将核酸序列转变为氨基酸序列,从而使由DNA而来的遗传信息经过mRNA正确地传递到蛋白质。3种RNA参与翻译过程:tRNA转运氨基酸，rRNA与多种蛋白质组成核糖体做为翻译的场所，mRNA做为翻译的模板。

牛牛文库文档分享第49页/共106页一、遗传密码密码子（codeon）：是mRNA中编码一个氨基酸的三个碱基称为密码子，4种碱基(A、G、C、U)可以组合成64种密码子，编码20种氨基酸。密码表的破译：①1961年，Nirenberg报道人工合成多聚核苷酸体外翻译技术。②Nirenberg和leader发明的核糖体结合技术。

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牛牛文库文档分享第51页/共106页2起始密码子：编码起始氨基酸的密码子称为起始密码子。1同义密码子（synonyms）：代表同一氨基酸的简并密码子称为同义密码子。密码子的特点4摆动假说（wobblehypothesis）：密码子与反密码子识别配对时，密码子的前两位碱基在和反密码子配对时遵循碱基配对原则，而第三位碱基配对时，则有一定的灵活性。3终止密码子：不编码氨基酸而作为蛋白质合成终止信号的密码子称为终止密码子。

牛牛文库文档分享第52页/共106页二、tRNA的功能tRNA在翻译中起转运氨基酸的作用，所有的tRNA分子都有相同的二级结构（三叶草型）和三级结构(倒L型)

牛牛文库文档分享第53页/共106页三、核糖体的结构与功能核糖体由大小两个亚基组成，RNA和蛋白质相互作用，有的形成活性部位，有的提供构象，形成一个复杂而有序的结合体，是蛋白质合成的场所。核糖体含量：在一个生长旺盛的细菌中，约有20000个核糖体。核糖体占细胞干重的25%。其蛋白占细菌的总蛋白的10%左右，RNA占细菌总RNA的80%左右。

牛牛文库文档分享第54页/共106页原核生物的翻译过程翻译可分为三个阶段：起始(initiation)、延伸(elongation)和终止(termination)。翻译速度：在37℃为15个氨基酸/秒，一个300个氨基酸组成的蛋白质分子只需20秒就能完成。

牛牛文库文档分享第55页/共106页原核生物的翻译过程

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翻译的起始是核糖体的大小亚基、tRNA和mRNA在起始因子的协助下组合成70S起始复合物的过程。

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牛牛文库文档分享第58页/共106页四、蛋白质生物合成初始产物的后加工①肽链中氨基酸残基的化学修饰乙酰化、、甲基化、磷酸化、泛酸化、转氨基酸作用、多聚ADP核糖基化、糖基化②肽链N端甲硫氨酸或甲酰甲硫氨酸的除去③信号肽的切除④肽链的折叠⑤切除前体中功能不必需肽段⑥二硫键的形成⑦多肽链N端和C端的修饰

牛牛文库文档分享第59页/共106页第四节基因表达与调控

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从DNA到蛋白质的过程，叫做基因表达(geneexpression)，对这个过程的调节就称为基因表达调控(generegulation或genecontrol)。概述

牛牛文库文档分享第62页/共106页基因表达调控在两个水平上体现(1)转录水平上的调控(transcriptionalregulation);(2)转录后水平上的调控(post-transcriptionalregulation);①mRNA加工水平上的调控(differentialprocessingofRNAtranscript);②翻译水平上的调控(differentialtranslationofmRNA)。

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原核生物所处的环境条件通常是多变的，在长期的进化过程中，生物体通过改变基因活性来适应新的环境，从而正常生长和繁衍后代。

真核生物多为多细胞生物，尤其是高等真核生物有着精细的复杂的个体生长、发育和分化过程，因而其基因表达严格、精密地按照既定的时间、空间和程序进行。

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操纵子（operon）:是由调节基因（regulatorygene）、操纵基因（operatorgene）和若干有相关生物活性的结构基因组成，结构基因（structuregene）排列成簇，3种基因协同履行精巧的生命活动。结构基因调节基因操纵基因

操纵子是原核生物基因转录调控的主要形式，通过调节基因编码的调节蛋白，开启或关闭操纵基因，进而调控结构基因的表达，一开俱开，一闭全闭，对环境条件的改变作出相应的反应。一、原核生物基因表达调控1操纵子

牛牛文库文档分享第65页/共106页结构基因（structuregene）：是编码蛋白质的任何基因。结构基因编码着大量功能各异的蛋白质，所编码的蛋白质有组成细胞和组织基本成分的结构蛋白、有催化活性的酶和调节蛋白等。操纵基因（operatorgene）：是一个顺式作用元件，与启动子相邻，是阻抑蛋白的靶位点。调节基因（regulatorgene）：是参与其他基因表达调控的RNA或蛋白质的编码基因。结构基因调节基因操纵基因

牛牛文库文档分享第66页/共106页正调控和负调控负调控(negativecontrol)

：当调节蛋白缺乏时，基因是表达的，而加入调节蛋白后基因表达活性被关闭，这种调控系统称为负调控系统，其蛋白称为阻遏蛋白（repressor）。正调控(positivecontrol)：当调节蛋白存在时，基因是表达的，而缺乏调节蛋白后基因表达活性被关闭，这种调控系统称为正调控系统。

牛牛文库文档分享第67页/共106页诱导物(inducer):如果某种小分子物质能够促使细菌产生酶将其自身分解，该过程称为诱导，这种小分子物质就叫做诱导物。注：诱导物的调控机制并不是直接与其调控的目标酶分子相互作用来完成，而是通过调节蛋白来完成。诱导与阻遏

某些小分子物质可作用于调节蛋白，使操纵子有着不同的应答反应，根据小分子对操纵子的应答情况，可分为可诱导操纵子（inducibleoperon）和可阻抑操纵子(repressibleoperon)。

牛牛文库文档分享第68页/共106页辅阻抑物(corepressor):某些小分子物质能够作用于调节蛋白，使操纵子有着不同的应答反应，若能关闭基因的转录，该过程称为阻遏，该小分子物质称为辅阻抑物。义务诱导物(gratutiousinducer):这种能诱导酶合成，但不能被酶分解的分子称为义务诱导物。IPTG能诱导乳糖操纵子，但不能被β-半乳糖苷酶分解，能持续发挥诱导作用。

牛牛文库文档分享第69页/共106页乳糖操纵子CAP

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牛牛文库文档分享第71页/共106页乳糖操纵子的负调控机制

未诱导：结构基因被阻遏

阻遏物

四聚体

LacIPOlacZlacYlacA

图16-当无诱导物时阻遏物结合在操纵基因上

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牛牛文库文档分享第76页/共106页CAP乳糖操纵子的正调控机制

牛牛文库文档分享第77页/共106页CAP是一正调控因子，在依赖CAP的启动子上起始转录必须有CAP参与。而只有cAMP存在时，CAP才有活性，cAMP通过与cap基因产物结合，使操纵子的表达水平与cAMP水平成正比。

牛牛文库文档分享第78页/共106页当细胞内缺少葡萄糖时，腺苷酸环化酶以ATP为底物，将其核糖环上3′、5′两个碳原子通过磷酸二酯键连接，形成cAMP。当大肠杆菌在培养基中发现葡萄糖和乳糖时，它首先分解利用葡萄糖，而阻抑乳糖的利用。

牛牛文库文档分享第79页/共106页trpEtrpAtrpBtrpCtrpDtrpRtrpOtrpLPPR色氨酸操纵子色氨酸操纵子有5个连续的结构基因,编码使分支酸(chorismicacid)转化为色氨酸的3种酶：D和E编码邻氨基苯甲酸合成酶、C编码吲哚合成酶、A和B编码色氨酸合成酶。

牛牛文库文档分享第80页/共106页色氨酸操纵子的负调控机制

牛牛文库文档分享第81页/共106页色氨酸操纵子的衰减调控系统trpEtrpAtrpBtrpCtrpDtrpRtrpOtrpLPP

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牛牛文库文档分享第86页/共106页2基因表达的时序调控

牛牛文库文档分享第87页/共106页3DNA序列重排的调控沙门氏菌（S.typhimrium）的相转变（phasevariation）

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牛牛文库文档分享第89页/共106页二、真核生物基因转录调控1DNA及染色体水平的调控基因丢失基因扩增基因重排DNA甲基化

牛牛文库文档分享第90页/共106页2转录水平的调控反式作用元件(trans-actingelement)是指能直接或间接地识别或结合在各种顺式作用元件核心序列上，参与靶基因表达调控的一组调节蛋白。顺式作用元件（cis-actingelement）是指对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因；同时，这种DNA序列通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中。

牛牛文库文档分享第91页/共106页增强子（enhancer）：是真核细胞中通过启动子来增强转录的一种远端遗传性控制元件。沉默子(silencer)：是对转录具有抑制作用的调控序列。2.1顺式作用元件对转录水平的调控

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牛牛文库文档分享第93页/共106页结构域（domain）：是指蛋白质的超二级结构可以形成紧密、稳定且在蛋白质分子构象上明显可分的区域，一般由50-400个氨基酸残基组成，分别担负蛋白质不同的功能，是蛋白质的生物功能实体。⑴DNA结合结构域2.2转录因子对转录水平的调控DNA结合结构域是一种具有显著特征的结构域单元，常见有锌指结构(zinc-fingerdomain)和螺旋-