遗传信息的传递

遗传信息的传递第一节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的复制特点第2页,共81页，2024年2月25日，星期天复制(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

第3页,共81页，2024年2月25日，星期天一、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。第4页,共81页，2024年2月25日，星期天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。第5页,共81页，2024年2月25日，星期天TheMeselsonandStahlexperimentTheMeselsonandStahlexperimenttodeterminethemodeofDNAreplication.

Thebandsinthecentrifugetubearevisibleunderultravioletlight.Thepatternofbands(left)comesaboutfromsemiconservativeDNAreplication(right)of15NDNA(blue)replicatingina14Nmedium(red).第6页,共81页，2024年2月25日，星期天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。第7页,共81页，2024年2月25日，星期天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。第8页,共81页，2024年2月25日，星期天DiscontinuousmodelofDNAreplication.Lagging-strandreplicationrequiresOkazakifragmentstoformgoingbackward,awayfromtheY-junction.第9页,共81页，2024年2月25日，星期天二、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)第10页,共81页，2024年2月25日，星期天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。第11页,共81页，2024年2月25日，星期天E.coli中的三种DNA多聚酶第12页,共81页，2024年2月25日，星期天真核的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。第13页,共81页，2024年2月25日，星期天三、DNA复制的一般过程1、DNA复制的起始2、DNA复制的延伸3、DNA复制的终止第14页,共81页，2024年2月25日，星期天ASummaryofDNAReplication第15页,共81页，2024年2月25日，星期天四、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)第16页,共81页，2024年2月25日，星期天DNAReplicationModels第17页,共81页，2024年2月25日，星期天DNAReplicationModels第18页,共81页，2024年2月25日，星期天DNAReplicationModels第19页,共81页，2024年2月25日，星期天复制叉的结构第20页,共81页，2024年2月25日，星期天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）。第21页,共81页，2024年2月25日，星期天

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。第22页,共81页，2024年2月25日，星期天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23页,共81页，2024年2月25日，星期天第二节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的加工第24页,共81页，2024年2月25日，星期天TranscriptionistheprocessthatsynthesizesRNAfromaDNAtemplate第25页,共81页，2024年2月25日，星期天VisualizingtranscriptionImageofDNAbefore(a)andafter(b)E.coliRNApolymerase(brightoblongobjectinb)bindstoapromoter.Picturesarebyscanningforcemicroscopy,anewlasertechniquethatimagesmoleculesinwater.Imagesizesare300by300nm.Darkbrownrepresentssubstratelevel;thehighestpointiswhiteatabout10nmhigh.Intermediatecolorsrepresentintermediateheights.第26页,共81页，2024年2月25日，星期天DNAtranscriptionUndertheelectronmicroscopeUndertheelectronmicroscope,DNAmoleculesundergoingtranscriptionexhibitChristmas-tree-likestructures.Thetrunkofeach“Christmastree”(atranscriptionunit)representsaDNAmolecule;thetreebranches(granularstringsattachedtotheDNA)areRNAmoleculesthathavebeentranscribedfromtheDNA.AsthetranscriptionapparatusmovesdowntheDNA,transcribingmoreofthetemplate,theRNAmoleculesbecomelongerandlonger.第27页,共81页，2024年2月25日，星期天一、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。……第28页,共81页，2024年2月25日，星期天二、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。第29页,共81页，2024年2月25日，星期天三、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的加工第30页,共81页，2024年2月25日，星期天AtranscriptionunitAtranscriptionunitincludesapromoter,anRNA-codingregion,andaterminator.第31页,共81页，2024年2月25日，星期天转录的起始(a)AnRNApolymeraseIIpreinitiationcomplexatapromoter.TFIIDbindstotheTATAbox(red).Theothertranscriptionfactorsarethenrecruitedwiththepolymerase.(b)Twoactivators(yellow)areshownboundatoneend(theirDNAdomains)toenhancers(blueandgreen)upstreamontheDNA.Theactivatorsareboundattheirotherends(theirtranscriptionalactivationdomains)tootherproteinsassociatedwiththepolymerasemachinery.hosphorylationofthepolymeraseinitiatesactivatedtranscription.第32页,共81页，2024年2月25日，星期天转录Intranscription,nucleotidesarealwaysaddedtothe3

endoftheRNAmolecule.第33页,共81页，2024年2月25日，星期天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。第34页,共81页，2024年2月25日，星期天mRNA的加工IneukaryoticDNA,interveningsequences,orintrons,areremovedfromtheRNAinthenucleusbeforethemRNAistransportedintothecytoplasmandtranslated.Othermodificationsconsistofsplicing,5

capping,and3polyadenylation.第35页,共81页，2024年2月25日，星期天MatureeukaryoticmRNAisproducedwhenpre-mRNAis

transcribedandundergoesseveraltypesofprocessing.

第36页,共81页，2024年2月25日，星期天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、中心法则及其发展第37页,共81页，2024年2月25日，星期天Proteinsserveanumberofbiological

functionsandarecentraltoalllivingprocessesThelightproducedbyfirefliesistheresultofalight-producingreactionbetweenluciferinandATPcatalyzedbytheenzymeluciferase.第38页,共81页，2024年2月25日，星期天Proteinsserveanumberofbiological

functionsandarecentraltoalllivingprocessesTheproteinfibroinisthemajorstructuralcomponentofspiderwebs.第39页,共81页，2024年2月25日，星期天Proteinsserveanumberofbiological

functionsandarecentraltoalllivingprocessesCastorbeanscontainahighlytoxicproteincalledricin.第40页,共81页，2024年2月25日，星期天一、遗传密码Thegeneticcodeconsistsof64codonsandtheaminoacidsspecifiedbythesecodons.Thecodonsarewritten5→3,astheyappearinthemRNA.AUGisaninitiationcodon;UAA,UAG,andUGAareterminationcodons.第41页,共81页，2024年2月25日，星期天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)。第42页,共81页，2024年2月25日，星期天二、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。第43页,共81页，2024年2月25日，星期天三、蛋白质生物合成的过程1、合成的起始2、肽链的延伸3、翻译的终止第44页,共81页，2024年2月25日，星期天TheinitiationoftranslationinbacterialcellsrequiresseveralinitiationfactorsandGTP.第45页,共81页，2024年2月25日，星期天Theelongationof

translationcomprisesthreesteps第46页,共81页，2024年2月25日，星期天Translationendswhenastopcodonisencountered.Conclusion:Whenastopcodonisencountered,releasefactorsassociatewiththeribosomeandbringabouttheterminationoftranslation.第47页,共81页，2024年2月25日，星期天四、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、二硫键的形成第48页,共81页，2024年2月25日，星期天五、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。

第49页,共81页，2024年2月25日，星期天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。第50页,共81页，2024年2月25日，星期天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。第51页,共81页，2024年2月25日，星期天实际上，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。

第52页,共81页，2024年2月25日，星期天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”。

第53页,共81页，2024年2月25日，星期天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。第54页,共81页，2024年2月25日，星期天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55页,共81页，2024年2月25日，星期天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第56页,共81页，2024年2月25日，星期天一、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序列重排的调控第57页,共81页，2024年2月25日，星期天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、终止的调控第58页,共81页，2024年2月25日，星期天1、操纵子及其结构1961年，法国科学家莫诺（J·L·Monod）与雅可布（F·Jacob）发表“蛋白质合成中的遗传调节机制”一文，提出操纵子学说，开创了基因调控的研究。

1965年，Jacob和Monod因此荣获1965年诺贝尔生理学奖。左：FrançoisJacob(1920–).右：JacquesMonod(1910–1976).第59页,共81页，2024年2月25日，星期天1、操纵子及其结构操纵子由调节基因(regulatorygene)、操纵基因(operatorgene)和有相关生物活性的结构基因(structuregene)组成。操纵子是原核生物基因转录调控的主要形式。第60页,共81页，2024年2月25日，星期天根据对调节蛋白的响应情况，操纵子的调控方式可分为：负调控：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。其中的调节蛋白称为阻遏蛋白(repressor)。正调控：调节蛋白缺乏时基因关闭，加入调节蛋白后基因表达活性开启。第61页,共81页，2024年2月25日，星期天2、正调控和负调控根据小分子作用于调节蛋白引起操纵应答的情况：可诱导的操纵子：

加入某些小分子后，开启基因的转录活性，这种作用及其过程叫做诱导，产生诱导作用的小分子物质叫做诱导物。可阻遏的操纵子：

加入某些小分子后，关闭基因的转录活性，这种作用及其过程叫做阻遏，产生阻遏作用的小分子物质叫做辅阻遏物。第62页,共81页，2024年2月25日，星期天基因表达的调控方式:

阻遏负调控:调控蛋白+DNA序列基因的表达

(相应蛋白质降低)

促进正调控:调控蛋白+DNA序列基因的表达

(相应蛋白质增加)第63页,共81页，2024年2月25日，星期天3、乳糖操纵子

lactoseoperon第64页,共81页，2024年2月25日，星期天操纵子（operon）：原核生物中几个功能相关的结构基因成簇串联排列组成的一个基因表达的协同单位（DNA序列）.一个操纵子

=编码序列（2-6）+启动序列+操纵序列+(其他调节序列)第65页,共81页，2024年2月25日，星期天IPOZYA调控基因控制位点结构基因DNA阻遏蛋白启动序列cAMP-CAP结合位点操纵序列β半乳糖苷酶通透酶乙酰基转移酶乳糖操纵子（lactoseopron）结构RNA聚合酶结合位点第66页,共81页，2024年2月25日，星期天葡萄糖存在时：优先利用葡萄糖作为能源。与阻遏蛋白的存在有关

--乳糖操纵子的负调控与cAMP有关：葡萄糖

cAMP

Lac操纵子（-）只有乳糖存在时：只能利用乳糖解除阻遏蛋白的作用CAP-cAMP复合物的激活作用

CAP+cAMP

乳糖操纵子导致结构基因转录(正调控)cAMP

在原核生物中的作用（饥饿信号）CAP(分解物基因激活物蛋白):有二个相同亚基的蛋白质一个与DNA结合的domain

一个与cAMP结合的domain第67页,共81页，2024年2月25日，星期天动画演示1theLacOperon-CombinationofSwitches2LacOperonbyvirtualcell第68页,共81页，2024年2月25日，星期天4、色氨酸操纵子第69页,共81页，2024年2月25日，星期天动画演示TheTryptophanRepressor第70页,共81页，2024年2月25日，星期天衰减作用对色氨酸操纵子的调控衰减子（attenuator）---DNA位于L基因中,离E基因5’端约30-60bp。通过衰减子（转录终止结构）使转录终止高Trp时：衰减子起作用，终止转