遗传的物质基础

遗传的物质基础Office:Room218,ChemicalBuilding,PhoneNumberab:

Room214,ChemicalBuildingPhoneNumber/p>

Email:fnkong@

fnnakong@

孔凡娜第2页,共167页，2024年2月25日，星期天第一章遗传的物质基础第3页,共167页，2024年2月25日，星期天第一节遗传物质的本质-核酸第二节核酸的化学组成、结构特征与性质主要内容第4页,共167页，2024年2月25日，星期天第一节遗传物质的本质-核酸第5页,共167页，2024年2月25日，星期天遗传物质必须具备哪些特点？1）在体细胞中含量稳定；2)在生殖细胞中含量减半；3)能携带遗传信息；4)

能精确地自我复制；5)能发生变异；第6页,共167页，2024年2月25日，星期天1928年Griffith

小鼠肺炎—肺炎链球菌表面光滑S型—多糖—发病表面粗糙R型—不含多糖—无致病力

毒力因子——细胞表面夹膜多糖1.肺炎链球菌转化实验1-1Griffith的转化实验第7页,共167页，2024年2月25日，星期天1944年,O.T.Avery细菌中遗传物质为DNAThetransformingprincipleisDNA1-2Avery体外转化实验第8页,共167页，2024年2月25日，星期天人们仍不相信DNA是遗传物质,这是由于：（1）认为蛋白分子量大，结构复杂，二十种氨基酸的排列组合将是个天文数字，可作为一种遗传信息。而DNA分子量小，只含4种不同的碱基，人们一度认为不同种的有机体的核酸只有微小的差异。（2）认为转化实验中DNA并未能提得很纯，还附有其它物质。（3）即使转化因子确实是DNA，但也可能DNA只是对荚膜形成起着直接的化学效应，而不是充当遗传信息的载体。第9页,共167页，2024年2月25日，星期天2.T2噬菌体转导实验

1952年,A.D.Hershey&M.Chase

第10页,共167页，2024年2月25日，星期天

32P——标记噬菌体DNA35S——标记噬菌体外壳蛋白感染后，大量32P标记的DNA进入大肠杆菌细胞，进行噬菌体复制与组装35S主要位于细胞表面，在子代中含量很低DNA为T2噬菌体的遗传物质ThegeneticmaterialofphageT2isDNA第11页,共167页，2024年2月25日，星期天3.真核细胞转染实验真核细胞通过转染获取外源DNA而获得新的性状EukaryoticcellscanacquireanewphenotypeastheresultoftransfectionbyaddedDNA.

真核细胞的遗传物质也是DNA第12页,共167页，2024年2月25日，星期天RNA也是遗传物质1956年A.Gierer和G.Schraman发现烟草花叶病毒（tobaccomosaicvirus,TMV），其遗传物质是RNA。1957年美国的HeinzFraenkel-Conrat和B.Singre用重建实验证实了这一结论。第13页,共167页，2024年2月25日，星期天第14页,共167页，2024年2月25日，星期天DNA是多数细胞生命体的遗传物质ThegeneticmaterialoforganismsusuallyisDNA.DNA也是许多病毒的遗传物质，一些病毒使用RNA作为遗传物质Thegeneralprincipleofthenatureofthegeneticmaterial,then,isthatitisalwaysnucleicacid;infact,itisDNAexceptintheRNAviruses.

核酸是不是唯一的遗传物质？结论第15页,共167页，2024年2月25日，星期天第16页,共167页，2024年2月25日，星期天第二节核酸的化学组成、结构特征与性质第17页,共167页，2024年2月25日，星期天一、核酸的化学组成1、基本化学成分基本单位——核苷酸（nucleotide）；每分子核苷酸包含一个碳、氮原子的杂环化合物（碱基），一个环状五碳糖（戊糖），和一个磷酸分子基团；碱基(Base)有两种类型:嘌呤（purine）和嘧啶（pyrimidine）；戊糖也有两种：2-脱氧核糖和核糖。第18页,共167页，2024年2月25日，星期天嘌呤碱基和嘧啶碱基第19页,共167页，2024年2月25日，星期天

此外，核酸分子中还发现数十种修饰碱基（modifiedcomponent),又称稀有碱基(unusualcomponent)。它是指上述五种碱基环上的某一位置被一些化学基团（如甲基化、甲硫基化等）修饰后的衍生物。一般这些碱基在核酸中的含量稀少，在各种类型核酸中的分布也不均一。如DNA中的修饰碱基主要见于噬菌体DNA，RNA中以tRNA含修饰碱基最多。

第20页,共167页，2024年2月25日，星期天脱氧核糖与核糖DNA中戊糖是2-脱氧核糖，而在RNA中是核糖；不同在于糖环2位上是否存在羟基基团第21页,共167页，2024年2月25日，星期天2、核苷酸的组成与连接核苷核苷酸第22页,共167页，2024年2月25日，星期天核苷三磷酸第23页,共167页，2024年2月25日，星期天核苷酸的连接Apolynucleotidechainconsistsofaseriesof5’-3’sugar-phosphatelinksthatformabackbonefromwhichthebasesprotrude.

第24页,共167页，2024年2月25日，星期天核苷酸的连接5’-三磷酸核苷酸是核酸合成的前体。三磷酸的5’末端同多聚核苷酸链末端的3’-OH基团反应，释放三磷酸的两个末端磷酸基团（

和

），

磷酸与多聚核苷酸链末端的糖的3’-OH成键。

第25页,共167页，2024年2月25日，星期天核苷酸链酯键的断裂第26页,共167页，2024年2月25日，星期天寡核苷酸（oligonucleotide)

一般是指二至十几个核苷酸残基以磷酸二酯键连接而成的线性多核苷酸片段。寡核苷酸可由自动合成，可作为DNA合成引物、基因探针等，在现代分子生物学研究中具有广泛的用途。

核酸链的简写式5’pＡpＣpＴpＴpＧpＡpＡpＣpＧ3’DNA此式可进一步简化为：5’pＡＣＴＴＧＡＡＣＧ3’第27页,共167页，2024年2月25日，星期天二、DNA结构与性质基本概念

Antiparalle，Basepairing，Complementary，Supercoiling掌握DNA一、二、三级结构的主要特征了解DNA的一般理化特性第28页,共167页，2024年2月25日，星期天1、基本概念Antiparallelstrandsofthedoublehelixareorganizedinoppositeorientation,sothatthe5´endofonestrandisalignedwiththe3´endoftheotherstrand.Basepairingdescribesthespecific(complementary)interactionsofAdeninewithThymineorofCytosinewithGuanineinaDNAdoublehelix(ThymineisreplacedbyUracilindoublehelicalRNA).Complementarybasepairsaredefinedbythepairingreactionsindoublehelicalnucleicacids(AwithTinDNAorwithUinRNA,andCwithG).SupercoilingdescribesthecoilingofaclosedduplexDNAinspacesothatitcrossesoveritsownaxis.第29页,共167页，2024年2月25日，星期天2、DNA一级结构DNA一级结构：指DNA分子中核苷酸的排列顺序，由于核苷酸之间的差异仅仅是碱基的不同，故可称为碱基顺序。基因：遗传信息都包含在组成DNA的A,G,C,T这四种核苷酸的排列顺序之中。DNA分子中不同排列顺序的DNA区段构成特定的功能单位，这就是基因。基因的功能取决于DNA的一级结构，要想解释基因的生物学含义，就必须弄清DNA顺序。因此，DNA顺序测定是分子生物学中一项既重要又基本的课题。

第30页,共167页，2024年2月25日，星期天3、DNA二级结构双螺旋模型产生的背景（1）1938年W.T.Astbury&Bell用x衍射技术研究DNA。1947年拍摄了第一张DNA的衍射照片，并推断DNA分子的结构是：

①柱状；②多核苷酸是一叠扁平的核苷酸；③核酸残基取向和分子长轴垂直，间距为3.4A。第31页,共167页，2024年2月25日，星期天2）1951年Pauling和Corey运用化学的定律来推理，而不做具体的实验，建立了蛋白质的α-螺旋模型；第32页,共167页，2024年2月25日，星期天（3）晶体学者J.Donoh&Chargaff发现DNA碱基组成的共同规律。（4）R.Franklin&Wilkins在1952等用X射线衍射方法获得的DNA结构资料

第33页,共167页，2024年2月25日，星期天以摩尔含量表示，不同来源DNA都存在[A]=[T]和[C]=[G]；不同物种DNA碱基组成上有很大变化，表现在A+T/G+C比值不同，但同种生物不同组织DNA碱基组成相同；嘌呤碱基的总和与嘧啶碱基的总和相等。第34页,共167页，2024年2月25日，星期天1952年，Wilkins和Franklin用高度定向的DNA纤维作出高质量的X-光衍射照片第35页,共167页，2024年2月25日，星期天第36页,共167页，2024年2月25日，星期天1953.Watsosn&Crick第37页,共167页，2024年2月25日，星期天

“Now,intheverymonthandyearofthe50thanniversaryofthatimportantdiscoverybyWatson&Crick,theInternationalHumanGenomeSequencingConsortiumhascom-pleteddecodingallthechaptersoftheinstru-ctionbookofhumanlife”-JointProclamationonHGP14April,2003

第38页,共167页，2024年2月25日，星期天1962年，Wilkins、Watson和Crick共获诺贝尔化学奖。第39页,共167页，2024年2月25日，星期天2）DNAisadoublehelix第40页,共167页，2024年2月25日，星期天第41页,共167页，2024年2月25日，星期天DNA双螺旋结构的要点主链（backbone）：脱氧核糖和磷酸基通过酯键交替连接而成。二条主链绕一共同轴心以右手方向盘旋、反向平行形成双螺旋构型。主链处于螺旋外则。碱基对（basepair）：碱基位于螺旋的内则，以垂直于螺旋轴的取向通过糖苷键与主链糖基相连。同一平面的碱基在二条主链间形成碱基对。配对碱基总是A与T和G与C。碱基对以氢键维系，A与T间形成两个氢键，G与C间形成两个氢键。第42页,共167页，2024年2月25日，星期天大沟和小沟：大沟和小沟分别指双螺旋表面凹下去的较大沟槽和较小沟槽。小沟位于双螺旋的互补链之间,而大沟位于相毗邻的双股之间。这是由于连接于两条主链糖基上的配对碱基并非直接相对,从而使得在主链间沿螺旋形成空隙不等的大沟和小沟。在大沟和小沟内的碱基对中的N和O原子朝向分子表面。结构参数：螺旋直径2nm；螺旋周期包含10对碱基；螺距3.4nm；相邻碱基对平面的间距0.34nm。第43页,共167页，2024年2月25日，星期天3）DNA双螺旋结构与DNA复制

Watson和Crick认为DNA结构中的二条链是一对互补的模板（亲本），复制时碱基对间的氢键断开，两条链分开，每条链都作为模板指导合成与自身互补的新链（复本），最后从原有的两条链得到两对链而完成复制。在严格碱基配对基础上的互补合成保证了复制的高度保真性，也就是将亲链的碱基序列复制给了子链。因为复制得到的每对链中只有一条链是亲链，即保留了一半亲链，故这种复制方式又称为半保留复制（semi-conservativereplication）。第44页,共167页，2024年2月25日，星期天第45页,共167页，2024年2月25日，星期天4、DNA结构的多态性

第46页,共167页，2024年2月25日，星期天DNA构象的改变的因素：核苷酸顺序、碱基组成、盐的种类、相对湿度。B-DNA：最常见的天然构象；A-DNA：脱水DNA中，还出现在RNA分子中的双螺旋区域和DNA－RNA杂交分子中；B-DNA,A-DNA,C-DNA,D-DNA,S-DNA共同特征：右手双螺旋；两条反向平行的核苷酸链通过Ｗatson-Crick碱基配对结合在一起；链的重复单位是单核苷酸；这些螺旋中都有两个螺旋沟，分为大沟与小沟，只是它们的宽窄和深浅程度有所不同。

第47页,共167页，2024年2月25日，星期天嘌呤与嘧啶交替排列(GGCGCG);左手双螺旋;只有一个螺旋沟，狭而深;细胞DNA分子中确实存在Z-DNA区;胞嘧啶第五位碳原子的甲基化，可使B-DNA不稳定而转变为Z-DNA。Z-DNAZ-DNA第48页,共167页，2024年2月25日，星期天ABZ大沟宽小沟窄小沟窄大沟变深小沟宽深大沟不存在小沟窄而深第49页,共167页，2024年2月25日，星期天

Z-DNA的生物学意义

(1)可能提供某些调节蛋白的识别。啮齿类动物病毒的复制起始部位有d（GC）有交替顺序的存在；(2)在SV40的增强子中有三段8bp的Z-DNA存在。(3)原生动物纤毛虫，它有大、小两个核，大核有转录活性，小核和繁殖有关。Z-DNA抗体以萤光标记后，显示仅和大核DNA结合，而不和小核的DNA结合，说明大核DNA有Z-DNA的存在，可能和转录有关。第50页,共167页，2024年2月25日，星期天第51页,共167页，2024年2月25日，星期天5、DNA三级结构DNA的三级结构，是指在一二级结构基础上的多聚核苷酸链上的卷曲。在一定意义上，是指双螺旋基础上的卷曲。三级结构包括链的扭结和超螺旋或者是单链形成的环或是环状DNA中的连环体第52页,共167页，2024年2月25日，星期天1）DNA的超螺旋双螺旋的进一步扭曲折叠便构成DNA的三级结构，即超螺旋结构。超螺旋在自然界中广泛存在。全部肿瘤病毒DNA，人和其它动物的线粒体的DNA，植物的叶绿体DNA，质粒等。第53页,共167页，2024年2月25日，星期天第54页,共167页，2024年2月25日，星期天超螺旋结构示意图超螺旋按照方向的不同分为正超螺旋和负超螺旋第55页,共167页，2024年2月25日，星期天360o/helix360o-26o/helix/0neofEBinserted负Superhelix

OC,L,DNA

正Superhelix

体外可产生正超螺旋—溴化乙锭（EB）放线菌素D第56页,共167页，2024年2月25日，星期天

密度梯度离心凝胶电泳电镜观察检测DNA三级结构的方法：第57页,共167页，2024年2月25日，星期天第58页,共167页，2024年2月25日，星期天2）染色体的结构

i)核小体——染色体的初级结构第一级的包装是将DNA变成串珠状物质，串珠状颗粒称核小体.第59页,共167页，2024年2月25日，星期天ii）螺线体10nm“珠串”的进一步压缩，由每圈5-6个核小体盘旋而成直径约30nm的纤丝。这一级包装又将染色体压缩了6倍，第60页,共167页，2024年2月25日，星期天iii）染色体环螺线体还可进一步形成更大的环。进一步压缩成染色质和染色体结构需非组蛋白参与。间期染色质和中期染色体均有大环的组织结构，每一个环可以是独立的超螺旋区，环上的碱基由DNA上的特异位点连接到中期骨架或核质上。第61页,共167页，2024年2月25日，星期天从DNA到染色体的过程第62页,共167页，2024年2月25日，星期天染色体形成过程中长度与宽度的变化第63页,共167页，2024年2月25日，星期天6、DNA的主要性质

1）DNA的碱基组成GC含量：DNA的碱基组成通常用GC百分含量表示，注意所谓百分含量是指摩尔百分比。2）DNA分子的形状与大小形状：DNA分子以线形或环状形式存在，大多数是双链的，少数是单链的。高等动物、植物的DNA一般是双链线状，原核生物DNA多数为双链环状，少数病毒DNA可能是单链环状或单链线状。大小：差异悬殊，大小可相差几十亿倍。第64页,共167页，2024年2月25日，星期天不同基因组DNA中GC的相对含量RatiosofGtoCandAtoTarefixedinanyspecificorganismThetotalpercentageofG+Cvariesoverarangeto22to73%Suchdifferencesarereflectedindifferencesinphysicalproperties第65页,共167页，2024年2月25日，星期天第66页,共167页，2024年2月25日，星期天3）变性（Denaturation）或解链（melting）稳定的双螺旋结构DNA分子由于维持稳定性的氢键和疏水键的断裂，松解为无规则线性结构的现象；条件：凡能破坏双螺旋稳定性的因素都可以成为变性的条件，如加热、极端的pH、有机试剂甲醇、乙醇、尿素及甲酰胺等。第67页,共167页，2024年2月25日，星期天

DenaturationofDNAA-TrichregionsdenaturefirstCooperativeunwindingoftheDNAstrandsExtremesinpHorhightemperature

第68页,共167页，2024年2月25日，星期天断裂可以是部分的或全部的，是可逆的或是非可逆的；DNA变性不涉及到其一级结构的改变；变性过程的表现¤导致一些理化性质发生变化¤是爆发式的协同过程，变性作用发生在一个很窄的温度范围第69页,共167页，2024年2月25日，星期天

粘度降低

变性后紧密的DNA双螺旋变成松散的无规则单股线性结构，粘度明显下降。

旋光性改变

变性后DNA分子的对称性及分子局部构性改变,使DNA溶液旋光性发生变化。

增色效应或高色效应(hyperchromiceffect)

核酸在紫外光260nm具有强烈的吸收峰。结构越有序，吸收的光越少。即游离的核苷酸比单链的RNA或DNA吸收更多的光，而单链RNA或DNA的吸收又比双链DNA分子强。当DNA变性时，其光吸收值增加，这种现象即为增色效应；反之为减色效应。变性导致的理化及生物学性质的改变第70页,共167页，2024年2月25日，星期天DNA变性曲线变性温度或融解温度(Tm)：变性过程中在非常狭窄的温度范围内，紫外增色效应会出现一个飞跃。紫外吸收值发生跳跃的温度称为DNA的融点。Tm值实际上是目标DNA的一半变性时的温度，它受DNA碱基组成和变性条件的影响。第71页,共167页，2024年2月25日，星期天影响Tm值的因素

DNA溶剂；DNA本身性质：DNA的均一性：1）DNA分子中碱基组成的均一性；2）待测样品DNA的组成是否均一；DNA的(G+C)含量Tm与(G+C)含量的关系经验公式：X%(G+C)=2.44(Tm-69.3)（DNA溶于0.2mol/LNaCl中）第72页,共167页，2024年2月25日，星期天不同GC含量的DNA分子变性曲线对比第73页,共167页，2024年2月25日，星期天不同来源的DNA的GC含量和密度的关系第74页,共167页，2024年2月25日，星期天4）复性（Renaturation)

指变性DNA在适当条件下,二条互补链全部或部分恢复到天然双螺旋结构的现象,它是变性的一种逆转过程。热变性DNA一般经缓慢冷却后即可复性,此过程称为“退火”(annealing)。

DenaturationRenaturationannealing复性过程依赖于单链分子间的随机碰撞第75页,共167页，2024年2月25日，星期天双螺旋呼吸双链DNA配对碱基的氢键不断处于断裂和再生状态中，特别是在稳定性较低的富含A-T的区段。在微观上，常常出现瞬间的单链泡状结构，这种现象称为双螺旋的呼吸作用。一些蛋白质可识别这种结构，并在单链结构下阅读和识别DNA内部所含信息.第76页,共167页，2024年2月25日，星期天影响DNA复性的因素温度：从热运动角度考虑，Tm以下较高温度有利于复性，比Tm低25℃左右的温度是复性最佳条件。低温（<4℃）下分子热运动减弱互补链结合机会大大减少。时间：降温时间太短以及温差大均不利于复性。温度下降须缓慢，若迅速冷却至低温，复性几乎是及不可能的。DNA浓度：溶液中DNA分子越多，相互结合机会越大。复性第一步是两个单链分子间相互作用“成核”，其速度与DNA浓度平方成正比。

DNA顺序的复杂性：简单顺序的DNA分子互补碱基的配对较易实现，而顺序复杂的DNA序列要实现互补则困难得多。

第77页,共167页，2024年2月25日，星期天复性动力学公式

C11C021+KC0t1/2

==根据复性动力学公式我们可以知到些什么？第78页,共167页，2024年2月25日，星期天

遵循二级反应动力学dCt/dt=-KC02

反应初始t=0

单链DNA的随机碰撞过程（randomlycollision）单链DNA浓度=C0反应达t时单链DNA浓度=CtK＝复性速度常数第79页,共167页，2024年2月25日，星期天dCt/dt=-KC02积分Ct/C0=1/(1+KC0t)当Ct/C0=1/2时Ct/C0=1/2=1/(1+KC0t(1/2))K=1/Cot(1/2)Cot(1/2)

=1/K(mol.Sec/L)常数

Ct/C0是C0t的函数按此公式作图得C0t曲线C0t(1/2)值对DNA具有特征性，其中与DNA的碱基对数目成反相关第80页,共167页，2024年2月25日，星期天C0t1/2：标准条件下（一般为0.18ml/L阳离子浓度）测得的复性率达1/2时的C0t值。该值与核苷酸对的复杂性成正比。对于原核生物，此值可代表基因组的大小及基因组中核苷酸对的复杂程度。真核基因组中因含有许多不同程度的重复序列(repetitivesequence)，所得到的Cot曲线更为复杂。第81页,共167页，2024年2月25日，星期天第82页,共167页，2024年2月25日，星期天分子杂交（简称杂交，hybridization）是核酸研究中一项最基本的实验技术。其基本原理就是应用核酸分子的变性和复性的性质，使来源不同的DNA（或RNA）片段，按碱基互补关系形成杂交双链分子（heteroduplex）。杂交双链可以在DNA与DNA链之间，也可在RNA与DNA链之间形成。杂交的本质就是在一定条件下（加热或碱处理）使双螺旋解开成为单链,使互补核酸链实现复性。因此,变性技术也是核酸杂交的一个环节。5）核酸分子杂交：第83页,共167页，2024年2月25日，星期天原位杂交（insituhybridization）斑点杂交（dotblotting）Southernblotting--DNANorthernblotting--RNAWesternblotting—Protein杂交技术的种类第84页,共167页，2024年2月25日，星期天第85页,共167页，2024年2月25日，星期天第86页,共167页，2024年2月25日，星期天Southern第87页,共167页，2024年2月25日，星期天PCR技术(polymerasechainreaction)第88页,共167页，2024年2月25日，星期天内容回顾验证核酸是遗传物质的实验DNA的结构和特征二级结构：ＤＮＡ双螺旋（要点）ＤＮＡ的构象：Ｂ-DNA,A-DNA,Z-DNA三级结构：原核生物&真核生物DNA的性质

变性和复性，Ｔｍ核酸杂交技术ＰＣＲ技术第89页,共167页，2024年2月25日，星期天6）DNA的检测和测定

分子量检测：电泳质量或浓度检测：

EB染色

分光光度技术:260nm光吸收化学检测放射性检测第90页,共167页，2024年2月25日，星期天DNAElectrophoresis第91页,共167页，2024年2月25日，星期天HGP人类基因组计划曼哈顿原子弹计划阿波罗计划第92页,共167页，2024年2月25日，星期天遗传图谱（geneticmap）又称连锁图谱(linkagemap)，它是以具有遗传多态性的遗传标记为“路标”，以遗传学距离（cM）为图距的基因组图。物理图谱(physicalmap)是指特定的DNA片段在大片段DNA或基因组DNA中的位置关系和排列顺序，包括DNA克隆片断重叠群图，大片段内切酶位点图、DNA序列路标图等.序列图谱(sequencemap)是指基因组DNA中核苷酸的排列顺序。转录图谱(transcriptionmap)是在识别基因组所包含的蛋白质编码序列的基础上绘制的结合有关基因序列、位置及表达模式等信息的图谱。第93页,共167页，2024年2月25日，星期天VerysmallchangesintechnologyhavehadahugeimpactontheHGP….. Imaginewhatalargechange intechnologywoulddo…第94页,共167页，2024年2月25日，星期天CeleraGenomicsPublicConsortium第95页,共167页，2024年2月25日，星期天SequenceGenomesFindGenesEstablishFunctionandDiseaseMechanismGeneticMapping,MutationDetectionDrugCandidatesGeneTherapyDiagnostics/PrognosticsCure第96页,共167页，2024年2月25日，星期天2000,4,5，以杨焕明为首的中国科学家在Science发表了水稻全基因组框架序列图。基因总数：46022~55615，约为人类的2倍；其中10000个基因的功能已确定；水稻的“垃圾”序列多位于基因外，人类的“垃圾”序列多位于基因内；水稻的基因平均长度为4500bp,人类基因平均长度为72000bp,拟南芥约有25000个基因，80%在水稻中都存在，二者之间有关信号传导的基因差别最大第97页,共167页，2024年2月25日，星期天第98页,共167页，2024年2月25日，星期天有关DNA双链的几个概念Transcription

issynthesisofRNAonaDNAtemplate.SeveraldifferenttypesofRNAaregeneratedbytranscription.Thethreeprincipalclassesinvolvedinthesynthesisofproteinsare:messengerRNA(mRNA)transferRNA(tRNA)andribosomalRNA(rRNA)。第99页,共167页，2024年2月25日，星期天CodingstrandorSensestrandThestrandbearsthesamesequenceasthemRNA(exceptforpossessingTinsteadofU)TemplatestrandorAntisensestrand

ThestrandofDNAthatdirectssynthesisofthemRNAviacomplementarybasepairing(Thenon-templatestrandisidenticalinsequencetotheRNAproduct.)第100页,共167页，2024年2月25日，星期天三、RNA的结构与功能Aminoacyl-tRNA\Anticodon\Loop&Stem\

NascentRNA\Monocistronic\Polycistronic\Codingregion\Leader\TrailertRNA的结构与功能rRNA的种类原核和真核生物mRNA的结构特点miRNA与siRNA第101页,共167页，2024年2月25日，星期天Aminoacyl-tRNAistransferRNAcarryinganaminoacid;thecovalentlinkageisbetweentheNH2groupoftheaminoacidandeitherthe3’-or2’-OHgroupoftheterminalbaseofthetRNA.AnticodonisatrinucleotidesequenceintRNAwhichiscomplementarytothecodoninmRNAandenablesthetRNAtoplacetheappropriateaminoacidinresponsetothecodon.Loopisasingle-strandedregionattheendofahairpininRNA(orsingle-strandedDNA).Stemisthebase-pairedsegmentofahairpin.1、转移RNA(transferRNA，tRNA)第102页,共167页，2024年2月25日，星期天1）tRNA的结构特征tRNA通常由70-90个核苷酸组成，每种氨基酸至少有一个tRNA分子；tRNA有很多的稀有碱基，主要是甲基化碱基、二氢尿嘧啶、假尿嘧啶等；tRNA的二级结构为三叶草形（cloverleaf），其中互补配对碱基形成茎结构，不配对的则形成环状，茎环结构被称为tRNA的臂；tRNA具有倒L型的三级结构，这种结构靠氢键维持。

第103页,共167页，2024年2月25日，星期天氨基酸接受臂：由链两端序列碱基配对组成，在3’端有一个游离的CCA顺序，氨基酸通过共价键与A上的2’-OH或3’-OH相连。此臂负责携带特异的氨基酸。TψC臂：ψ是假尿嘧啶。该臂常由5bp的茎和7Nt环组成,一般均存在TψC的顺序

。反密码子臂：常由5bp的茎区和7Nt的环区组成,在反密码子环的中间是三联的反密码子。二氢尿嘧啶臂（D臂）：名称由来源于环中含有二氢尿嘧啶,负责和氨基酰tRNA聚合酶结合。

额外臂：变化最大的区域，可分为两类，一类仅含3-5个核苷酸，另一类含有一条较大的臂,其功能是在tRNA的L型三维结构中负责连接两个区域（D环－反密码子环和TψC-受体臂）。tRNA特征性的三叶草型二级结构第104页,共167页，2024年2月25日，星期天第105页,共167页，2024年2月25日，星期天tRNAL形三级结构第106页,共167页，2024年2月25日，星期天

酵母苯丙氨酸tRNA的三级氢键第107页,共167页，2024年2月25日，星期天(1)tRNA三级结构呈L形，这种结构是靠氢键来维持；(2)D环和TψC环形成了“L”的转角,氨基酸受体臂位于L型的一侧，距反密码子环约70A。(3)在一些保守和半保守的碱基之间形成很多的三级氢键,使分子形成L形,并使结构稳定。(4)几乎所有的碱基平面之间产生堆积作用。(5)在反密码子茎中仅有很少的三级氢键。L型结构第108页,共167页，2024年2月25日，星期天这种结构与AA-tRNA合成酶对tRNA的识别有关；受体臂顶端的碱基位于“L”的一个端点，而反密码子臂的套索状结构生成了“L”的另一端点，分子中两个不同的功能基团是最大限度分离的。这个结构形式满足了肽链合成延伸位点与mRNA分别位于核糖体大、小亚基的空间结构的要求。第109页,共167页，2024年2月25日，星期天2）tRNA的功能tRNA作为连接子（adaptor）介导了mRNA中的三联体密码子与氨基酸之间的相互关联。

tRNA具备作为“接头”的双重特性，既能识别氨基酸也能识别密码子。3’末端的腺苷酸可与一氨基酸共价连接，反密码子则与mRNA中的密码子碱基配对。第110页,共167页，2024年2月25日，星期天tRNA的其它功能在逆转录中作为合成互补DNA链的引物；参与细菌细胞壁、叶绿素、脂多糖和氨酰磷脂酰甘油的合成。第111页,共167页，2024年2月25日，星期天3）tRNA的种类起始tRNA和延伸tRNA：能特异地识别mRNA模板链上起始密码子的tRNA叫起始tRNA；其他tRNA统称为延伸tRNA。

原核生物中，起始tRNA携带甲酰甲硫氨酸（fMet）真核生物中，起始tRNA携带甲硫氨酸（Met）第112页,共167页，2024年2月25日，星期天同工tRNA：一种氨基酸可能有多个密码子，为了识别也就有多个tRNA，即多个tRNA代表一种氨基酸，这些tRNA称为同工tRNA。校正tRNA：由校正基因突变产生，通过改变反密码子区校正无义突变和错义突变。第113页,共167页，2024年2月25日，星期天无义突变错义突变第114页,共167页，2024年2月25日，星期天第115页,共167页，2024年2月25日，星期天抑制突变的特点1.不是所有抑制基因都能产生有功能的蛋白质，关键是要看氨基酸取代的情况。2.校正的作用不可能是完全的。①校正tRNA分子必须和释放因子或正常tRNA竞争；②无义突变的校正tRNA会抑制该基因3’端正常的终止密码，导致翻译通读，合成更长的蛋白质。③错义突变的校正也可以使另一个基因错误翻译。3.抑制基因的效率很低，通常为1-5%。第116页,共167页，2024年2月25日，星期天2、核糖体RNA(ribosomalRNA，rRNA)核糖体RNA占细胞中RNA总量的80%以上；几种核糖体rRNA与几十种蛋白质组成的亚细胞颗粒——核糖体是细胞内合成蛋白质的工厂；rRNA组成了核糖体的大部分，在原核生物核糖体中占2/3，在真核生物中占3/5；原核生物、真核生物细胞质和细胞器中的核糖体存在很大差异。第117页,共167页，2024年2月25日，星期天结合在内质网上的真核生物核糖体。左，电镜下看到的胰腺细胞粗糙内质网；右，局部放大后的草图。第118页,共167页，2024年2月25日，星期天核糖体的组成第119页,共167页，2024年2月25日，星期天几种不同生物核糖体及rRNA的组成第120页,共167页，2024年2月25日，星期天原核生物rRNA1）5SrRNA位于大亚基；120个核苷酸（G

）或116个核苷酸（G

）；有两个高度保守区，一个含有保守序列CGAAC，与tRNA的T

C环上的GT

CG序列作用，识别tRNA；另一保守区域与23SrRNA中一段互补，与核糖体大亚基相互作用。第121页,共167页，2024年2月25日，星期天2）16SrRNA在核糖体小亚基中；序列与结构均十分保守。3‘端有一段-ACCUCCUUA-的共同顺序，与mRNA5’端顺序互补，在翻译起始中有重要作用；临近3‘端有一段与23SrRNA互补的序列，在30S与50S亚基的结合中起作用。第122页,共167页，2024年2月25日，星期天30S小亚基的图解第123页,共167页，2024年2月25日，星期天3）23SrRNA存在一段顺序(1984-2001核苷酸之间)与tRNAmet上的一段顺序互补，使二者相互作用；靠近5'-端(143-157核苷酸之间)有一段12个核苷酸的顺序与5SrRNA上的一段顺序(72-83核苷酸)互补，促进RNA之间的相互作用。第124页,共167页，2024年2月25日，星期天第125页,共167页，2024年2月25日，星期天真核生物rRNA1）5SrRNA与原核生物5SrRNA相似，但结构上存在差异。没有保守序列CGAAC，但其有GAUG序列与起始tRNA某些序列有互补作用；2）5.8SrRNA真核生物特有。含有与原核生物5SrRNA一致的顺序CGAAC，可能与原核生物的5SrRNA具有相似的功能;3)18SrRNA

酵母18SrRNA的3‘端与原核生物16SrRNA中具有广泛的同源性；4）28SrRNA结构尚不清楚。总之，rRNA与tRNA、mRNA之间有密切的相互作用。第126页,共167页，2024年2月25日，星期天原核生物与真核生物rRNA基因排列方式第127页,共167页，2024年2月25日，星期天总RNA电泳检测（A）甲醛变性琼脂糖凝胶电泳图谱(B)烟草总RNA普通琼脂糖凝胶电泳图谱

总RNA制备第128页,共167页，2024年2月25日，星期天3、信使RNA(messengerRNA，mRNA)nascentRNA:anRNAwhosesynthesishasnotyetbeencompleted.Monocistronic:mRNAsrepresentonlyasinglegene.Polycistronic:

sequencescodingforseveralproteins.Codingregionconsistsofaseriesofcodonsrepresentingtheaminoacidsequenceoftheprotein,starting(usually)withAUGandendingwithaterminationcodon.Leader:Anadditionalsequenceatthe5′end,precedingthestartofthecodingregion.Trailer:Anadditionalsequencefollowingtheterminationsignal,formingthe3′end.第129页,共167页，2024年2月25日，星期天原核生物基因的转录原核生物mRNA的转录和翻译发生在同一细胞空间，而且两个过程几乎同时发生；真核生物是在核内转录，细胞质内翻译。第130页,共167页，2024年2月25日，星期天原核生物mRNA的特征半衰期短：仅几分钟；原核生物mRNA多为多顺反子（操纵子）形式；

结构：前导序列(leader)、编码区、尾巴(trailer)通常以AUG为起始密码子，有时是GUG或UUG在AUG上游7-12个核苷酸处有一5’AGGAGG3’序列，称SD顺序(Shine-DalgarnoSequence)。这段序列与16SrRNA3’末端反向互补，与mRNA和核糖体的结合相关，因此会影响蛋白质的翻译。第131页,共167页，2024年2月25日，星期天原核生物mRNA

转录-翻译-降解Overview:mRNAistranscribed,translated,anddegradedsimultaneouslyinbacteria.

第132页,共167页，2024年2月25日，星期天原核生物mRNA结构BacterialmRNAincludesnon-translatedaswellastranslatedregions.Eachcodingregionhasitsowninitiationandterminationsignals.AtypicalmRNAmayhaveseveralcodingregions.第133页,共167页，2024年2月25日，星期天真核生物mRNA的特征稳定：半衰期可达数小时至数天；mRNA多为单顺反子；mRNA的5‘端都有一个帽子结构；绝大多数真核生物mRNA具有poly(A)尾。真核生物mRNA的结构模式第134页,共167页，2024年2月25日，星期天mRNA具“帽子”结构真核基因转录常从嘌呤核苷三磷酸(A,G)开始，第一个核苷酸保留5’三磷酸基团，以3’位与下一核苷酸5’位形成磷酸二酯键。转录起始序列可示为5’PPPAPNPNPNP...；转录后由鸟苷酰转移酶催化在5’加G，G与起始核苷酸是以5’-5’三磷酸键相连;这一结构称为“帽子”，5’GPPPAPNPNPNP...第135页,共167页，2024年2月25日，星期天“帽子”结构甲基化第一个甲基位点在5‘端鸟嘌呤7位上，所有真核生物中均存在。具有该甲基化基团的帽子称帽子0；甲基加到次末端碱基上，具有两个甲基基团的帽子叫帽子1。；以帽子1为底物，在第三个碱基再加上一个甲基，则称帽子2。在高等真核生物中，仅当该碱基是A的话，则在A的N6位上还有一个甲基第136页,共167页，2024年2月25日，星期天“帽子”结构与甲基化的功能1）保护mRNA免遭5‘外切核酸酶的攻击，增加mRNA稳定性；2）使mRNA能与核糖体小亚基结合并开始合成蛋白质，增加mRNA的可译性；3）增加mRNA从核到细胞质的运输；4）增强mRNA的剪接效率。第137页,共167页，2024年2月25日，星期天mRNA具poly(A)尾大多数真核mRNA的3’端有多聚腺苷酸序列

；poly(A)序列不是DNA编码，是转录后加上的；mRNA初进入细胞质时，其poly(A)尾长度大致与核中长度相同，随后逐渐缩短；单poly(A)尾长短并不影响其功能，poly(A)尾常结合了约78KDa的蛋白PABP。组蛋白mRNA不含poly(A)结构。第138页,共167页，2024年2月25日，星期天mRNApoly(A)尾的功能防止mRNA降解，提高mRNA稳定性；mRNA穿越核膜由细胞核进入细胞质的必需形式。第139页,共167页，2024年2月25日，星期天poly(A)尾mRNA的分离Themostconvenienttechniqueistoimmobilizetheoligo(UordT)onasolidsupportmaterial.ThenwhenanRNApopulationisappliedtothecolumn,onlythepoly(A)+RNAisretained.ItcanberetrievedbytreatingthecolumnwithasolutionthatbreaksthebondingtoreleasetheRNA.第140页,共167页，2024年2月25日，星期天帽子结构和PolyA尾巴的应用构建全长cDNA文库获得基因的全长第141页,共167页，2024年2月25日，星期天cDNALibraryConstruction第142页,共167页，2024年2月25日，星期天第143页,共167页，2024年2月25日，星期天第144页,共167页，2024年2月25日，星期天总RNA编码RNA占总量的4%前mRNA(hnRNA)mRNA非编码RNA占总量的96%前rRNA前tRNA非编码mRNAsnRNAsnoRNAscRNASmallRNAsiRNAmiRNApiRNA其他TypesofRNA第145页,共167页，2024年2月25日，星期天4、miRNA与siRNARNA干扰（RNAinterference,RNAi)作用是生物体内一种通过双链RNA分子在mRNA水平上诱导特异性序列基因沉默的过程。由于RNAi作用发生在转录后水平，又成为转录后基因沉默（post-transcriptionalgenesilencing,PTGS)第146页,共167页，2024年2月25日，星期天AnUnexpectedResultEctopicover-expressionofCHSandDFRgeneunexpectedlyobservedtocausesilencingofendogenoushomologousRNAs.这种现象被命名为协同抑制”cosuppression”或者是转录后基因沉默（posttranscriptionalgenesilencing(PTGS)，1）RNAi现象的发现第147页,共167页，2024年2月25日，星期天AntisenseRNApar-1SueGuo,1995,

CornellUniversityMoleculeInjected %embryoniclethalityZC22(par-1)antisense 52ZC22(par-1)sense 54TSantisense 0Z1antisense 0H20 0第148页,共167页，2024年2月25日，星期天mex-3BdsRNANoinjectionNoprobeNoinjectionProbewithmex3AInjectmex3BantisenseProbewithmex-3AInjectmex3BdsRNAProbewithmex-3ADouble-strandedRNA-inducedRNAinterferencecausesdestructionofaspecificmRNAinC.elegans

Fire第149页,共167页，2024年2月25日，星期天第150页,共167页，2024年2月25日，星期天DICERCleavesthelongdsRNAtomakesiRNAsRISCUsesthesiRNAsasguidestocleavetargetmRNAsWorkingModelforRNAiFromDyrxhoornetal,2003NatureReviews4,457

RDE-1andRDE-4als