第四章 遗传信息的传递

第五章遗传信息的传递第一节DNA的复制第二节DNA的转录第三节蛋白质的生物合成第四节基因表达调控第一节DNA的复制一、DNA复制的基本规律二、DNA复制所需的酶和蛋白质三、DNA复制的一般过程四、原核生物和真核生物DNA的复制特点复制(replication)是指遗传物质的传代，以母链DNA为模板合成子链DNA的过程。(dNMP)n

+dNTP→(dNMP)n+1

+PPi

一、DNA复制的基本规律1、半保留复制一个双链DNA分子复制所产生的两个子代双链DNA分子，一条链是新合成的，另一条则来自亲代DNA分子，即子代保留了一条亲本链，因而这种复制方式称为半保留复制。2、半不连续复制

DNA复制过程中，一条子链的复制是连续的，而另一条子链的复制是不连续的，这种复制方式称为半不连续复制。1、半保留复制1953年Watson和Crick发表了DNA双螺旋结构模型，同年紧接着提出了DNA半保留复制的机理。1958年，M.Meselson和F.Stahl用大肠杆菌设计精巧的实验证明了半保留复制模型的正确性。TheMeselsonandStahlexperimentTheMeselsonandStahlexperimenttodeterminethemodeofDNAreplication.

Thebandsinthecentrifugetubearevisibleunderultravioletlight.Thepatternofbands(left)comesaboutfromsemiconservativeDNAreplication(right)of15NDNA(blue)replicatingina14Nmedium(red).半保留复制的意义复制的这种方式可保证亲代的遗传特征完整无误的传递给子代，体现了遗传的保守性。2、半不连续复制DNA复制过程中，新生子链的合成只能沿5’→3’进行。以3’→5’模板链进行互补复制时，子链的复制方向与双链的解开方向一致，可持续合成而形成一条连续的互补链，称为前导链。而以5’→3’模板链进行互补复制时，子链的复制方向与双链的解开方向相反，不能持续合成，而是先以5’→3’方向不连续合成许多小片段，称为冈崎片段，最后再由DNA连接酶将这些冈崎片段连接成一条完整的互补链，称为后随链。DiscontinuousmodelofDNAreplication.Lagging-strandreplicationrequiresOkazakifragmentstoformgoingbackward,awayfromtheY-junction.二、DNA复制所需的酶和蛋白质1、DNA聚合酶(DNApolymerase)2、引发酶(primase)3、DNA连接酶(DNAligase)4、拓扑异构酶(topoisomerase)5、解链酶(helicase)6、单链结合蛋白(singlestrandbindingprotein,SSB)DNA聚合酶 共同特点是：（1）需要提供合成模板；（2）不能起始新的DNA链，必须要有引物提供3'－OH；（3）合成的方向都是5‘→3’（4）除聚合DNA外还有其它功能。E.coli中的三种DNA多聚酶真核的DNA聚合酶真核DNA的复制至少涉及5种复制酶，其中α、δ、ε参与染色体DNA的复制，α有引物要求；β负责DNA的修复γ的功能是线粒体DNA的复制。三、DNA复制的一般过程1、DNA复制的起始2、DNA复制的延伸3、DNA复制的终止ASummaryofDNAReplication四、原核生物和真核生物DNA的复制特点1、复制的起点和速率通常原核生物只有一个复制起点，而真核生物基因组中有很多个复制起点。2、复制方式原核生物的染色体和质粒DNA都是环状分子，采用θ型复制或滚环复制；哺乳动物的线粒体DNA（环状DNA分子）采用D环复制方式，基因组DNA采用多复制泡线性复制。3、真核生物染色体末端DNA的复制

端粒(telimere)与端粒酶(telomerase)DNAReplicationModelsDNAReplicationModelsDNAReplicationModels复制叉的结构真核生物端粒的复制在真核生物，由端粒酶（telomerase）催化,在真核线性DNA的末端形成一种特殊的结构并与蛋白质结合成端粒（telomere）。

端粒由成百个6个核苷酸的重复序列所组成（人为TTAGGG，四膜虫为TTGGGG）。端粒的功能为稳定染色体的末端结构，防止染色体间末端连接，并可补偿滞后链5′-末端在消除RNA引物后造成的空缺。复制可使端粒5′末端缩短，而端粒酶（telomerase）可外加重复单位到5′-末端上，结果使端粒维持一定的长度。DNA复制的忠实性在大肠杆菌DNA的复制中，每聚合10的9次方到10的10次方个碱基的才出现一个错误1、碱基配对原则2、引物RNA的作用3、DNA聚合酶的校正阅读作用第二节DNA的转录一、DNA转录的基本特征二、RNA聚合酶三、基因转录的一般过程四、mRNA的加工TranscriptionistheprocessthatsynthesizesRNAfromaDNAtemplateVisualizingtranscriptionImageofDNAbefore(a)andafter(b)E.coliRNApolymerase(brightoblongobjectinb)bindstoapromoter.Picturesarebyscanningforcemicroscopy,anewlasertechniquethatimagesmoleculesinwater.Imagesizesare300by300nm.Darkbrownrepresentssubstratelevel;thehighestpointiswhiteatabout10nmhigh.Intermediatecolorsrepresentintermediateheights.DNAtranscriptionUndertheelectronmicroscopeUndertheelectronmicroscope,DNAmoleculesundergoingtranscriptionexhibitChristmas-tree-likestructures.Thetrunkofeach“Christmastree”(atranscriptionunit)representsaDNAmolecule;thetreebranches(granularstringsattachedtotheDNA)areRNAmoleculesthathavebeentranscribedfromtheDNA.AsthetranscriptionapparatusmovesdowntheDNA,transcribingmoreofthetemplate,theRNAmoleculesbecomelongerandlonger.一、DNA转录的基本特征1、多数哺乳动物细胞中只有约1%的DNA序列最后被表达成为成熟的mRNA进入细胞质中，指导蛋白质的合成。2、转录时只有一条链为模板，这条链称为模板链或反义链，而另一条与mRNA具有相同序列的DNA单链称为有意义链。3、转录的底物是A\U\C\G，4种核糖核苷三磷酸4、真核生物基因和rRNA、tRNA基因经转录生成的初级转录物一般都需经过加工，才能成为具有生物功能和成熟的RNA分子。……二、RNA聚合酶RNA聚合酶最基本的活性是在RNA合成中指导rNTP底物与模板DNA碱基配对，催化磷酸二酯键的形成。三、基因转录的一般过程1、转录的起始2、转录的延伸3、转录的终止4、mRNA的加工AtranscriptionunitAtranscriptionunitincludesapromoter,anRNA-codingregion,andaterminator.转录的起始(a)AnRNApolymeraseIIpreinitiationcomplexatapromoter.TFIIDbindstotheTATAbox(red).Theothertranscriptionfactorsarethenrecruitedwiththepolymerase.(b)Twoactivators(yellow)areshownboundatoneend(theirDNAdomains)toenhancers(blueandgreen)upstreamontheDNA.Theactivatorsareboundattheirotherends(theirtranscriptionalactivationdomains)tootherproteinsassociatedwiththepolymerasemachinery.hosphorylationofthepolymeraseinitiatesactivatedtranscription.转录Intranscription,nucleotidesarealwaysaddedtothe3

endoftheRNAmolecule.4、mRNA的加工真核生物基因的初始转录产物一般缺乏生物活性，必须经过剪接加工后成为有活性的成熟mRNA分子，再从细胞核转移到细胞质内，指导蛋白质的合成。主要包括：在mRNA的5‘末端加“帽子”，在3’端加上多聚腺苷酸(polyA)尾巴以及进行RNA的剪接等。mRNA的加工IneukaryoticDNA,interveningsequences,orintrons,areremovedfromtheRNAinthenucleusbeforethemRNAistransportedintothecytoplasmandtranslated.Othermodificationsconsistofsplicing,5

capping,and3polyadenylation.MatureeukaryoticmRNAisproducedwhenpre-mRNAis

transcribedandundergoesseveraltypesofprocessing.

第三节蛋白质的生物合成一、遗传密码二、核糖体的结构和功能三、蛋白质生物合成的过程四、肽链的修饰五、中心法则及其发展Proteinsserveanumberofbiological

functionsandarecentraltoalllivingprocessesThelightproducedbyfirefliesistheresultofalight-producingreactionbetweenluciferinandATPcatalyzedbytheenzymeluciferase.Proteinsserveanumberofbiological

functionsandarecentraltoalllivingprocessesTheproteinfibroinisthemajorstructuralcomponentofspiderwebs.Proteinsserveanumberofbiological

functionsandarecentraltoalllivingprocessesCastorbeanscontainahighlytoxicproteincalledricin.一、遗传密码Thegeneticcodeconsistsof64codonsandtheaminoacidsspecifiedbythesecodons.Thecodonsarewritten5→3,astheyappearinthemRNA.AUGisaninitiationcodon;UAA,UAG,andUGAareterminationcodons.遗传密码除甲硫氨酸和色氨酸对应一种密码子外，其它的氨基酸对应着一种以上的密码子，这种多种密码子编码同一氨基酸的现象称为密码的简并(degenecy)，编码相同氨基酸的密码子称为同义密码子(synonymouscondon)。二、核糖体的结构和功能核糖体是蛋白质合成的场所，在细菌细胞中其蛋白量和RNA量分别占总蛋白量和总RNA量的10%和80%.核糖体可分为翻译功能区和出口功能区，前者是肽链合成的场所，后者是多肽的出口，核糖体通过这个区域附着在膜上。三、蛋白质生物合成的过程1、合成的起始2、肽链的延伸3、翻译的终止TheinitiationoftranslationinbacterialcellsrequiresseveralinitiationfactorsandGTP.Theelongationof

translationcomprisesthreestepsTranslationendswhenastopcodonisencountered.Conclusion:Whenastopcodonisencountered,releasefactorsassociatewiththeribosomeandbringabouttheterminationoftranslation.四、肽链的修饰1、肽链中氨基酸残基的化学修饰2、肽链N端甲硫氨酸或甲酰氨酸的切除3、信号肽的切除4、肽链的折叠5、切除前体中功能不需要的肽段6、二硫键的形成五、中心法则及其发展20世纪40年代，汉墨林（J·Hammerling）和布拉舍（J·Brachet）分别发现伞藻和海胆卵细胞在除去细胞核之后，仍然能进行一段时间的蛋白质合成。这说明细胞质能进行蛋白质合成。1955年李托菲尔德（Littlefield）和1959年麦克奎化（K·McQuillen）分别用小鼠和大肠杆菌为材料证明细胞质中的核糖体是蛋白质合成的场所。

1955年，布拉舍用洋葱根尖和变形虫为材料进行实验，他用核糖核酸酶（RNA酶）分解细胞中的核糖核酸（RNA），蛋白质的合成就停止。而如果再加入从酵母中抽提的RNA，蛋白质的合成就有一定程度的恢复。同年，戈尔德斯坦（Goldstein）和普劳特（Plaut）观察到用放射性标记的RNA从细胞核转移到细胞质。因此，人们猜测RNA是DNA与蛋白质合成之间的信使。1961年，雅可布（F·Jacob）和莫诺（J·Monod）正式提出“信使核糖核酸”（mRNA）的术语和概念。1964年马贝克斯（C·Marbaix）从兔的网织红细胞中分离出一种分子量较大而寿命很短的RNA，被认为是mRNA。实际上，早在1947年，法国科学家布瓦旺（A·Boivin）和旺德雷利（R·Vendrely）就在当年的《实验》杂志上联名发表了一篇论文，讨论DNA、RNA与蛋白质之间可能的信息传递关系。

1957年9月，克里克提交给实验生物学会一篇题为“论蛋白质合成”的论文，这篇论文被评价为“遗传学领域最有启发性、思想最解放的论著之一。”在这篇论文中，克里克正式提出遗传信息流的传递方向是DNA→RNA→蛋白质，后来被学者们称为“中心法则”。

1970年发现在逆转录酶的作用下，路斯肉瘤病毒能以自已的RNA作为模板合成DNA，这个DNA分子结合到宿主染色体的特定位置上，成为DNA前病毒，进而使宿主细胞转变为肿瘤细胞。根据路斯肉瘤病毒的生活史，遗传信息还可以由RNA转向DNA。发展了的中心法则示意图DNARNA蛋白质复制转录反转录未知未知翻译第四节基因表达调控一、原核生物基因表达调控二、真核生物基因表达调控一、原核生物基因表达调控1、操纵子及其结构2、正调控和负调控3、乳糖操纵子4、色氨酸操纵子5、基因表达的时序调控6、DNA序列重排的调控原核生物基因表达调控方式正调控负调控特点转录翻译偶联快速调控机制--操纵子乳糖操纵子--负、正调控

转录起始的调控

色氨酸操纵子--负调控转录起始、终止的调控1、操纵