分子生物学课件

第一章绪论

一、分子生物学的含义及其研究对象

分子生物学是一门从分子水平研究生命现象、生命本质、生命活动及其规律的科学。生物学研究发展

到今天，已在整体水平、细胞水平和分子水平三个层次上研究生命活动及其规律，在这三个层次上进行的

生物学研究形成了各自的理论体系和技术体系，这些理论和技术体系的总和构成了生物学研究的完整体

系，其中在分子水平这一层次所形成的理论和技术体系，被称为分子生物学(Molecularbiology)。顾名思义，

“分子生物学，，必须研究分子，但其研究的侧重点是生物学，而不是化学。因此，分子生物学研究的对象是

生物大分子(核酸、蛋白质等)的结构与功能及基因结构、表达与调控的规律，从而在分子水平上揭示生

物体的生、老、病、死等生命现象的本质原因。分子水平生命活动主要是通过核酸和蛋白质这两类生物大

分了•的活动来实现的。因此，分子生物学的研究，几乎都是围绕核酸和蛋白质进行的。从核酸和蛋白质的

结构与功能、基因组的结构与功能到基因的复制、表达、调控及其生物学效应，从生物大分子之间的相互

作川到这时相互作用构成的细胞间通讯和细胞内信号转导，从对基因的结构、功能、表达调控的分析到基

因的制备、改造、调控、应用所需的各种技术体系，构成了分子生物学的基本研究内容。分子生物学是发

展很快的一门基础学科，尤其是在20世纪下半叶突飞猛进的发展，已对生命科学的发展产生了巨大的推

动作用，同时对整个社会的发展亦产生了巨大的影响。目前，生命科学的任何一门学科的研究，均离不开

分子生物学的理论和方法。尤其在医学领域，无论是基础医学，还是临床医学的各学科、都必须应用分子

生物学的基本理论和方法。同时，分子生物学是一种技术和手段，在了解生命的本质,揭示生命规律，最终

解决人类生存和社会发展方面具有广阔应用前景。作为一门课程，分子生物学已成为生命科学，特别是医

学各专业学生必需学习的课程之一。它已经像外语、计算机那样，成为医学研究中必不可缺的工具学科。

二、分子生物学的形成

分子生物学这门学科的孕育司形成经历了100多年的时间。1859年，CharlesDarwin在《OntheOrigin

ofSpecies》一书中提出了物种进叱的自然选择学说，这就是著名的达尔文进化论。该学说认为世界上复杂

的植物和动物都是由最初的原始生物经过持续的进化过程而衍生出来的，第一次指出了生物性状的可遗传

性、在自然选择压力下的可变性以及不同物种之间的相关性。这一学说对生物学研究产生了巨大的影响，

生物学研究中最核心、最本质的问题被提出来了：生命的特征和生物性状为什么能代代相传?代代相传的

性状为什么又可以改变？是什么在控制生物的性状？1865年，GregorMendel在分析豌豆性状遗传的杂交实

验结果时对上述问题提出了初步解释。Mendel认为生物体内有某种遗传颗粒或遗传单位，能够从亲代传递

到子代，这种遗传单位控制着特定的生物性状。他的实验结论直到1900年才得到重视，人们开始把这种

控制遗传性状的遗传单位称为基因(gene)。另一方面，自从MatthiasSchleiden和TheodorSchwann于1839

年提出了细胞学说之后，细胞生物学家们从细胞水平对生命活动的研究工作与整体水平的研究在同时进

行,1879年，WalterFlemming在研究细胞分裂时观察到了染色体。1902年，WaiterSutton提出了染色体遗

传学说，即细胞核内的染色体有两套，在减数分裂时，每个配子得到一套染色体；该学说认为基因是染色

体的•部分。染色体遗传学说合理地解释了Mendel的实验结果。1910年，ThomasHuntMorgan证明了基

因的确存在于染色体上。在生物学家们探讨生命的本质及生命活动规律的同时，化学家们开始了探索构成

生命的物质基础的研究。1869年，FriedrichMiescher在研究细胞核内的化合物时发现了DNA。在随后的

20多年中，RNA也被发现，对DNA和RNA的一般化学特征也有了较多的了解。当染色体遗传学说被广

泛接受时，人们已经认识到，染色体一定是由某种生物大分子组成，最有可能的分子是DNA、RNA和蛋

白质中的一种。1944年，OswaldAvery和他的同事们通过实验终于证实了DNA是携带遗传信息、构成染

色体的生物大分子。1953年JamesWatson和FrancisCnck借助于几个实验室的研究成就，根据DNA的X

线衍射图谱、由化学分析得到的A、T、G、C碱基比例的规律以及喋吟碱和喀嚏碱的•些物理化学数据，

建立了DNA双螺旋模型，用分子结构的特征解释生命现象的最基本问题之一一基因复制的机制，从而

真正开始从分子水平研究生命活动，生物学研究从此进入了分子生物学时代。•般认为,J.Watson和F.Crick

在1953年提出的DNA双螺旋结构是分子生物学的奠基石。1953年至1970年，是分子生物学的理论和技

术体系逐步形成的时期。在这个时期内，先后发现了mRNA、DNA聚合陶、RNA聚合酶；DNA半保留复

制帆理、操纵子学说等先后被提出：遗传密码被发现，其通用性被证明，并于1966年破译了全部64个密

码子。密码子的发现和破译证明了遗传信息的流动方向是DNA-RNA-蛋白质，这就是生物遗传的中心

法则。中心法则的建立，使分子生物学作为一门科学初步形成了它的理论体系，即生物大分子的结构与功

能，遗传信息的复制，遗传信息的表达，基因表达的调控。技术体系亦开始建立和发展，这就是重组DNA

技术的初步形成，对遗传信息的研究手段有了质的飞跃。JanqesWatson等于1965年编写了《Molecular

biologyOfthegcnc^一书，1970年又出版了第二版《Molecularbiologyofthegene》，标志着分子生物学开

始有了较为完整的理论体系。剑桥大学I960年开设了分子生物学系，同年《分子生物学杂志》（Journalof

MolecularBiology）创刊。1963年，第一个国际性的分子生物学团体EMBO（EuropeanMolecularBiology

Organization）成立，同年，英国爱丁堡大学和美国多所大学相继开设分子生物学系。可以说，分子生物学

是在20世纪60年代初成为门独立学科的。

三、分子生物学的发展

1970年以后，分子生物学得到飞速发展，其理论体系和技术体系不断扩展，并成为整个生物学的带头

学科。从下面列举的一些重要发现和成就（这些成就基本都获得了诺贝尔奖，事实上，20世纪后半叶诺贝

尔奖生理科学和医学奖项中绝大部分都属于生化与分子生物学的成就，由此可以看出分子生物学研究的重

要意义），可以对分子生物学的发展有一个基本了解：

（一）重组DNA技术等的发明。I.基因克隆工具酶的发现；2.DNA片段的体外连接；3.质粒的构建；

4.核酸杂交技术的建立；5.DISA序列分析技术；6.聚合酶链式反应。

（二）分子生物学技术的应用与发展。1.癌基因的发现；2.基因诊断：3.基因组文库的建立；4.基

因工程生产人胰岛素；5.转基因动物；6.人类基因治疗研究；7.基因工程抗体技术的建立和发展；8.生

物芯片技术（基因芯片、生物芯片）的建立与应用；9、动物克隆技术（包括核转移技术）等。

（三）基因组研究的进展。I、人类基因组计划（humangenomeproject,HGP）；2、功能基因组的研

究；3、生物信息学的形成；4、严重危害人类健康的重大疾病甚因的克隆；

（四）基因表达调控机制的研究。I、操纵子学说；2、真核基因组结构和调控的复杂性；3、真核基因的

顺式调控元件与反式作用因子；4、Ribozyme（核酶）

（五）小分子RNA研究进展。1、反义RNA的发现：2、miRNA和小干扰RNA（siRNA）

（六）细胞信号转导机制研究。如cAMP、G蛋白,G蛋白（GTPase-activatingprotein）与腺昔环化酶

（adenylatecyclase）；磷酸化与脱磷酸化调节.；癌基因和抑癌基因（肿瘤抑制基因）、酪氨酸蛋白激酶等。

四、分子生物学在医学中的应用

分子生物学是在学科之间互相渗透、互相促进中发展起来的。由于生命本质的高度一致性，分子生物

学已经对生物学和医学的各个领域产生了全面而深刻的影响。分子生物学的发展和渗透从根本上改变了医

学（包括临床和基础医学）各个学科的格局，使医学各学科进入了一个更高的水平——分子水平，并逐渐

形成了一门新的学科：医学分子生物学。医学分子生物学是分子生物学的一个重要分支。它是从分子水平

上研究人体在正常和疾病状态下的生命活动及其规律，从分子水平开展人类疾病的预防、诊断和治疗研究

的一门科学。医学分子生物学对医学的发展正起着越来越大的推动作用。分子生物学不仅是生命科学的前

沿，无可非议，也是整个基础医学的前沿。今后总的发展趋势仍然是分子生物学向医学，特别是基础医学

广泛交叉、渗透和影响。如：对人的生理功能和疾病机制的研究，已由整体水平、器官水平注入到细胞和

分子水平，对生命的了解，由表面现象观察进入了本质的探讨。在此基础上不断出现新的边缘学科——分

子学科，如分子生理学、分子药理学、分子病理学、分子遗传学、分子免疫学、分子病毒学、分子肿瘤学、

分子神经科学等等。同时，传统二按“形态”和“机能”来进行基础医学各个学科划分的界限已日益模糊，出现

了各学科在分子水平上进行整合的趋势。

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分子隹的学与不学科年年系.

概括起来，分子生物学在医学中的应用实际上也就是医学分子生物学的主要研究领域，主要包括以下

几个大的方面。

（一）人体发育调控和人体功能调控的分子生物学基础。

1.发育、分化与衰老的分子生物学基础单个受精卵发育成为复杂的个体：在胚胎发育过程中，个

体组织和器宜的形成能按准确的时间顺序、在正确的空间位置上发生；发育过程中细胞精确地分化；生物

发育成熟后，个体逐渐老化、衰老死亡。所有这些发育、分化与衰老的过程都是在一系列基因的严格控制

卜进行的。克隆并研究这些基因的结构与功能，是分子生物学在人体医学中最重要的研究领域之一。衰老

过程与分化、发育相似，是由早已存在的遗传程序控制，因而细胞中是否存在“长寿基因''或"衰老基因''成

为国际上近年不断探索的热点。长寿常与代谢能力及应激能力增强有关。已发现一些基因与生物长寿有关,

其中一些是抗氧化酶类的基因。目前已有进行抗氧化能类基因转移而使转基因动物延长寿命的报道。另外,

衰老还与基因的结构与功能的变化有关，涉及到：①生长停滞；②端粒缩短现象；③DNA损伤的累积与

修复能力减退；④基因调控能力减退。从分子生物学水平对这些问题进行探讨，将解开长寿与衰老的奥秘,

对人类社会的发展产生巨大的影响。

2.细胞增殖调控的分子生物学基础细胞增殖一直是细胞生物学研究的主要内容之一。而真正了解

细胞增殖调控的机制，则有赖于对细胞增殖信号在细胞间和细胞内传递的机制、与细胞增殖相关基因的表

达及其调控的认识，这正是分子生物学研究的一个重要方面。对细胞增殖调控的分子生物学基础的研究，

不仅将揭示细胞增殖的分子机制，而且将为多种疾病（如肿瘤和其它细胞增生性疾病）的发病机制和治疗研

究奠定基础。

3.神经、内分泌和免疫调控的分子生物学基础人体主要通过神经、内分泌和免疫系统实现对外界

刺激的反应和协调体内各个器官的功能。这三大系统所表现出的生理活动都是由分子水平的信息传递和基

因表达调控所决定的。对各种信息分子和受体及其基因结构和表达调控的研究，可从分子水平阐明神经、

内分泌和免疫调控的详细作用机制。

（二）基因与疾病

基因与疾病的关系是医学分子生物学研究中的一个重要领域，人类的各种疾病都与某一个或某一些基

因有关。人类疾病的发生常常与某些基因的结构与功能的改变有关，或与某些基因表达调控异常有关，或

与病原体的基因结构与功能有关，对疾病相关基因的研究不仅从分子水平更精确地阐明疾病发生、发展的

机制，而且为基因诊断和基因治疗奠定了基础。基因诊断主要是应用分子生物学技术，检查人体某些基因

结构或表达调控的变化，或者检测病原体基因组在人体内的存在，从而达到诊断疾病或监控基因治疗效果

的目的。将分子生物学技术用于诊断疾病，可能达到前所未有的特异性强、灵敏度高、简便、快速等目的。

目前基因诊断已成为疾病诊断的一个重要方面，也成为法医学的一个重要手段。基因治疗是通过特定的分

于生物学技术关闭或降低异常表达的基因，或将正常的外源基因导人体内特定的靶细胞以弥补缺陷基因，

或将某种特定基因导人体细胞表达以产生特定的蛋白质因子实现对疾病的治疗作用。总体上分为两个大的

方面，一是纠正异常基因（异常表达或缺陷），二是利用特定基因在体内表达特定的蛋白质因子以实现对疾

病的治疗作用。基因治疗将成为疾病治疗的i种重要手段，对某些疾病或疾病治疗的某些阶段，基因治疗

方法较手术或药物治疗具有更大的优越性。

（三）生物工程与生物制药

分子生物学理论和技术的发展极大地推动了药物的研制。在传统的化学药物和中草药之外，形成了生

物制药这一新兴领域。生物工程的几大领域均在生物制药方面取得了巨大进展。其中又以基因工程药物的

发展最明拈：目前世界上采用基因工程技术制备的多肽药物已达20（）多种以上，如人胰岛素、人生长激素、

干扰素、白介素1~16、集落刺激因子、IPA、B细胞生长因子、巨噬细胞激活因子、免疫球蛋白、表皮生

长因子、孕激素、凝血vm因子、红细胞生成素、胸腺素等等。另外，转基因动、植物亦已成为新的生物工

程领域。据计算，用普通方法生产1g抗体成本为2000—5（）00美元，而用黄豆生产1000g抗体只需100美

元，用*基因马铃替生产人血清蛋白，并从提取淀粉的废液中提取人血清蛋白。用转基因烟草或蕃茄生产

出胰岛素；转基因油菜籽生产出活性肽：转基因烟草细胞生产出白介素2；合成的脑啡吠基因同TMV外

壳蛋白基因融合后导人烟草细胞（或叶）产生出脑啡吠。

（四）预防医学

1、疫苗研究利用重组DNA技术和转基因动、植物技术可以改造病原体或有关蛋白成分，研究出各

种基因工程疫苗，取代传统的疫苗，不仅可以提庙免疫保护效果，而且安全性更高。采用基因工程技术可

以利用病原体的特定抗原基因表达制备出相应的蛋白质或多肽疫苗。目前已制备出多种“分子疫苗"细菌、

病毒、寄生虫、真菌等都已有多种分子疫苗。另外,利用基因工程技术改造BCG疫苗，可以洛BCG制成

多价疫苗。美国科学家在BCG中导人2（）多种病毒、细菌和寄生虫等病原体的抗原基因。以重组BCG疫

苗免疫BALB/C小鼠，可诱导产生特异性的体液免授和细胞免疫反应。这意味着接种一种多价BCG疫苗

有可能同时预防多种疾病。DNA疫苗的研制是基因工程技术在疫苗研究中的另一重要突破。将一种抗原

基因重组到真核表达载体，直接或经包装注入体内表达出相应抗原，诱导机体产生免疫应答。这是极有发

展潜力的一种新疫苗。

2.环境监测与净化环境监测与净化是预防医学中的一大领域，人类的许多疾病就是由于环境因素

而导致的。基因工程技术在这一领域的研究与应用中已经发挥了重大作用，预示着十分光明的前景。（1）

环境监测：采用核酸分子杂交或PCR方法，可以灵敏地检测出环境中病原体的存在，如水中（特别是饮用

水i的病毒、细菌等。（2）环境的铮化：将一些特殊的基因导入特定的微生物中，可以用于清除环境中有害

物质。如将4种不同假单胞杆菌的质粒重组成一个“超级质粒”，由OCT（降解辛烷、己烷、癸烷）、XYL（降

解二甲苯和甲苯）、CAM（分解樟胭）和NAH（降解荼）构建成一个质粒井送人细菌，可获得“超级菌”。这种“超

级菌''能在原油中迅速繁殖，因为它代谢碳氢化合物的活性比任何•种含单个质粒的细菌都强大得多。这

种“超级菌”能够在浮游过程中除去污染水面的石油，其效率比天然菌高出上千倍。另外，把嗜油酸单胞杆

菌的耐汞基因转移入腐臭假单胞杆菌中，该菌株能把剧毒的汞化物吸收到细胞内，还原成金属汞，然后可

通过气化的方法从菌体中回收金属汞，此法可用于净化汞污染。从抗DDT的害虫中分离出抗DDT基因转

移到细菌中去，将这种“超级菌''投入到土壤中可把农田中残留的DDT降解掉。HGP草图完成和后基因组

计划研究的开展，使医学分子生物学处于一个发展十分迅速的时期。展望本世纪医学分子生物学的发展，

可以预见：I）基因工程产品更多更完善地进入医疗市场；2）基因诊断日趋成熟，更有效地解决疑难病种

的防治及其发病机理：3）基因治疗从实验室进入临床，部分地取代目前认为不治、难治之症的常规治疗

方法。4）对基因及其表达调控的研窕，从生物分子之间相互辩认结合，可以在分子的深度上了解生命活

动最本质的代谢过程，预测基因及其表达产物的多样化功能，以及人为地干扰已经发生了紊乱而导致疾病

的环节。这些都是当今分子生物学学科发展的重要趋势。

第二章基因与基因组

“种瓜得瓜，种豆得豆”，这是我们先人对生物体遗传现象的经验总结。但为什么会产生这种现象呢？

着就涉及生物学研究中最核心、最本质的问题：生物体的特征和生物性状为什么能代代相传？在生物体内，

是什么物质在控制生物的性状？代代相传的性状为什么在一定条件下又可以改变？现在，人们已经清楚，

生物体内控制生物学性状的物质是核酸分子（DNA、RNA）o核酸（土要是DNA）分子上的功能片段叫基

因,除RNA病毒外，其余生物体的遗传信息均储存在DNA分子上。病毒是最简单的生命形式，简单到只

是由遗传信息的延续就构成了其生命活动的主要内容。病毒仅日核酸与蛋白质2种生物大分子构成，核酸

决定蛋白质的结构（储藏蛋白质的结构信息），蛋白质执行核酸所储存的信息的功能。故病毒的生命活动

是一种典型的分子水平的生命活动，其核心内容就是遗传信息的贮存、复制、表达及其调控。从简单的病

毒到复杂的高等动植物细胞，蛋白质和RNA的结构信息都是以基因的形式贮存在DNA（部分病毒是RNA）

中的。因此，基因的活动是分子水平生命活动的核心内容，涉及到核酸和蛋白质的结构与功能、基因组的

结构与功能、基因的复制与表达、基因表达的调控及其生物学效应，涉及到生物大分子之间的相互作用以

及这些相互作用所形成的细胞间通讯和细胞内信号转导。人体的生长、发育、衰老、死亡等生命现象，人

体各种疾病的发生、发展，都是与一种或多种基因的结构与功能有关。本章主要介绍基因的概念、基因组

的结构与功能，为进一步学习有关基因活动的各种知识奠定基础。

第一节基因的基本概念及基因的结构特点

一、基因的基本概念

从遗传学史的角度看，基因概念的发展大致分以下几个阶段：孟德尔的遗传因子阶段；摩尔根的基因

阶段；顺反子阶段及现代基因阶段。1850年代初期开始，现代遗传学开创者奥地利人孟德尔（Mendel）以

各种不同的豌豆纯种进行人工杂交实验。并提出“遗传因子”的概念。他认为“遗传因子''是颗粒状的分散的

独立遗传因子，可以从亲代传递给子代。孟德尔并未描述过基因，也没有观测到基因以及使用基因这个词，

但发现并提出了基因遗传的分离定律和自由组合定律。1909年丹麦生物学家W.Johannsen首先提出基因

（geneL词，以替代在此之前所用的“遗传因子”这个术语。在开始使用“基因词时，基因是遗传性状的符

号，并未涉及基因的物质概念。1926年Morgan发表了“基因论”，指出：1）基因是在特定的染色体上，而

且是呈直线排列在染色体上的遗传颗粒；2）位于同源染色体的同一位置的相对基因叫做等位基因；3）基

因决定遗传性状，可世代相传。1941年BeadleandTatum在研究链苞霉菌的突变时，发现基因突变可影响

代谢反应，认为基因突变可导致催化反应的酶蛋白缺陷，因而提出“Onegene,oneenzyme”。故基因的概

念有进一步发展为：一个基因，编码一条蛋白质多肽链。1950年代，Benzer提出“顺反子”的概念，即1个

基因叫1个“顺反子”。今天，人们仍然在使用顺反子的概念。现代顺反子概念：指mRNA分子能编码蛋白

质的数量。单顺反子：1个mRNA分子编码1条蛋白质多肽链（真核生物中）：多顺反子：1个mRNA分

子可编码多个蛋白质多肽链（原核物中）。1960年代，Brunner发现了mRNA分子，证实了基因遗传信息

的流动方向——生物学中心法则’同时，Nirenberg等破译了遗传密码：在mRNA分子上，每3个碱基为

1组密码，表示I个AA。因此，人们逐渐认识到基因是DNA分子中的一段序列，其转录产物是编码一条

多拉链的mRNA分子或者是一个有独立功能的RNA分子（IRNA或rRNA等）。20世纪90年代以来，对基

因为结构与功能的研究不断深入，对基因的认识更加丰富，逐渐形成了基因的现代概念。

基因的现代生物学概念是：1）基因决定遗传性状的表达，基因存在于染色体及线粒体DNA上，呈

直线排列，并世代相传。2）基因的颗粒性主要表现在世代相传的行为和功能表达上具有相对的独立性。

基因的现代分子生物学概念是：是指在核酸分子中，编码RNA和蛋白质多肽链的序列以及调控这些

序列表达所需的其它序列。

按照这个定义，一个基因包括I）编码RNA或蛋白质肽链的核酸序列；2）保证转录所必需的调控序

列；3）位于编码区5,端上游的翡编码序列、内含子和位于编码区3,端下游的非编码序列。筒言之，基因

就是核酸分子中的功能序列。其中，编码RNA与蛋白质的序列叫结构基因，调节结构基因转录的序列叫

转录调控基因。基因的命名方式：要尽量简单明了。一般用3个小写字母（通常为斜体）表示，而基因编

码的蛋白质则用大写字母表示。

二、核酸是遗传信息的载体

核酸是以核甘酸为基本组成单位的生物大分子，分为DNA和RNA两大类。核酸是遗传信息的携带者。

大部分生物中构成基因的核酸是DNA,仅有少数生物（如RNA病毒）中是RNAo

（一）DNA。DNA的结构可分为一级、二级和三级来描述。

DNA的一级结构是指DNA分子中核甘酸的排列顺序（或碱基排列顺序）。在DNA分子中，四种脱

氧核糖核甘酸(dAMP、dGMP、dCMP、dTMP)以3，,5,一磷酸二酯键相连，以特定的顺序排列为多核甘酸链。

核廿酸中成分相同的脱氧核糖和磷酸基团构成了链的骨架结构，而碱基顺序直接代表着核甘酸的顺序。生

物遗传信息贮存于DNA的一级结构中，即以A、T,C、C这四种碱基不同的排列组合形成复杂、大量的

遗传信息。

DNA主要携带两类遗传信息(2类基因)：

1)结构基因(structuregene)：编码蛋白质和RNA一级结构的信息、。结构基因可被转录，即其储存

的信息能够通过转录过程而转变成RNA(如mRNA、tRNA、rRMA等)的序列，或者以mRNA为中间体经

翻译过程转变成多肽链的氨基酸序列(见生物学中心法则)。

2)转录调控基因(reguknorygene)：是指调节、控制结构基因转录过程的基因。这是一些特定的DNA

区段，能够被各种蛋白质分子特异性识别和结合，进而调节控制结构基因的转录。

DNA的二级结构为双螺旋结构模型(DNADoubleHelixModel),其结构要点可简单概括为：1)DAN

由两条走向相反(条为3'—S；另条为5,一3,)的链构成右手双螺旋，磷酸和戊糖构成双螺旋骨架，

位于螺旋外侧，碱基位于内侧。2)两条链间的碱基严格互补：A与T配对，形成两个氢键，G与C配对

形成三个氢键，称为碱基互补原则。3)螺旋直径为2nm,螺距为3.4nm,表面有1个大沟和1个小沟。其

中，碱基互补原则是DNA复制、遗传信息稳定忠实传递的基础。DNA的三级结构(tertiarysiructurc)是指

双螺旋DNA进一步扭曲盘旋形成的超螺旋结构。超螺旋是DNA三级结构的主要形式。绝大多数原核生物

都是共价封闭环DNA(covalentlyclosedcircle,cccDNA)分子，这种双螺旋环状分子再度螺旋化成为超螺旋

结构(superhelix或supercoil)。对丁真核生物来说，其DNA均与组蛋白八聚体结合，形成核小体结构。两

个给合点之间的DNA形成一个突环(loop)结构，类似于cccDNA分子，同样具有超螺旋形式。

(二)RNAoRNA也是由四种核苜酸通过3,5—磷酸二酯健相连而形成，包含AMP、GMP、CMP、

UMP四种核甘酸。与DNA分子相比，RNA自下列特点：1)通常以单股链存化，但可有局部双螺旋二级

或三级结构；2)RNA分子比DNA分子小，一般为数十至数千个核甘酸；3)由于RNA的功能是多样性

的，其种类与结构都比DNA多样化。目前，随着研究的不断深入，RNA的研究也取得了突破性的进展，

发现了许多新的具有特定功能的RNA分子，并提出RNA组学。即研究细胞的全部RNA基因和RNA的

分子结构与功能。在各种RNA中，mRNA,(RNA,rRNA在基因表达中起着重要的作用。其中，mRNA

是信息分子，通过转录，将DNA中编码蛋白质的信息转录下来，并指导蛋白质的合成。而tRNA,rRNA

则是功能分子，在蛋白质合成中分别起搬运氨基酸原料及提供蛋白质合成的场所的作用。

三、基因遗传信息的传递概述——生物学中心法则

生物体的遗传信息(基因)储存在DNA分子上，表现为A、G、C、T四种碱基的特定排列顺序。在

细胞分裂前通过DNA的复制(Implication),将遗传信息由亲代传递给子代，在后代的个体发育过程中，遗

传信息自DNA转录(Transcriplion)给RNA,RNA指导蛋白质合成，进而由蛋白质执行各种生命功能，使

后代表现出与亲代相似的遗传性状，这种基因遗传信息的传递方向，即从DNA到RNA再到蛋白质，叫生

物学“中心法则”。197()年，H.Temine等发现某些致癌RNA病毒的遗传信息储存在RNA分子中，由RNA

通过逆转录(reversetranscriplion)的方式将遗传信息传递给DNA，再由DNA流向蛋白质。这为中心法则加

入了新的内容(有关复制、转录、逆转录、翻译等的详细过程参见周爱儒主编《生物化学》，2004,人民

卫生出版社。为方便本课程的讨论，此处仅对本课程涉及的内容作扼要复习介绍)。目前认为生物界遗传

信息传递的中心法则为:

(­)复制(DNA生物合成)。以DNA为摸板合成DNA的过程叫复制。DNA做为遗传物质的基本

特点就是在细胞分裂前进行准确地自我复制(self-replicalion),使遗传信息从亲代DNA分子传到子代DNA

分子中，这是细胞分裂的物质基珊。通过复制，使遗传信息稳定忠实地代代相传。DNA的复制方式是半

保留复制(semi-conservativereplication)。即以母链为摸板，按碱基互补原则，合成2个子代DNA。在子代

DNA中，一条链来自母链，另一条是新合成的，叫半保留复制。

复制的特点是：1）半保留复制；2）有特定复制起始点；3）半不连续复制；4）双向复制；5）需要

RNA引物。

复制是一种酶促的核甘酸聚合过程。催化聚合反应的酶叫DNA聚合的（DNApolymerase,DNApol）。

DNApol以DNA为模板，将4种dNTP（N=A、G、C、T）聚合成DNA,其催化DNA新链的合成方向为

5，->3晨在E.Coli中，已分离出I.II,III三种DNApol。其中，DNA复制的主要过程靠DNApol川起作

用，而DNApulI则主要在DNA错配的校正和修复中起作用。DNApulII的功能尚木彻底明了。

DNApol的共同性质是：①需要DNA模板，因此这类酶又称为依赖DNA的DNA聚合酸（DNadependent

DNApolymerase,DDDP）；②需要RNA引物（primer）；③催化dNTP加到引物的3'0H末端，因而DNA合

成的方向是5—>31④属于多功能醒（如表所示）。

DNApolIDNApolUI

5，-3,聚合酶活性++

3，->5,外切的活性++

3,外切酶活性+——

填补空隙；切除引物；

功能催化DNA新链聚合

修复损伤；校对复制错误

3,^-'夕卜切VII

核酸外切酶作用示意图

DNApulI由条多肽链组成。具有3种酶活性。5，-3,聚合酶活性：填补空隙，修复损伤；3，-5,

外切的活性：校对复制错误；3,外切酶活性：切除引物。5，T3的卜切DNApolI可被木瓜蛋白的水解

成两个片段，大小片段具有不同的酶活性。大片段分子量为76KD,通常称为klenow片段，有5，-3,聚合

酶活性及3，-5,外切酶活性；小片段为34KD,有3,外切酶活性。

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缺口平移标记DNA探针示意图

DNApolI的5,一3,聚合活性和外切酷活性协同作用，可以使DNA一条链上的切口从5J3方

向移动，这种反应叫做缺口平移（nicktranslation）,利用此反应可在体外对DNA片段进行放射性磷

（a-32PdNTP）的标记制成探针（probe）,进行核酸的分子杂交实验，是现代分子生物学的一项重要技术。

DNA复制的过程可分为起始、延长、终止3个过程，在此不在赘述。（参见《生物化学》）

（二）转录（RNA生物合成）。以DNA为模板合成RNA的过程称为转录（transcription）。

ONARZA

转录是遗传信息从DNA向RNA传递过程，也是基因表达的开始。转录也是一种酶促的核甘酸聚合过

程，由RNA聚合酶(RNApolymerase,RNApol)催化。RNApol有以下特点：

①以DNA为模板。RNA是单链，DNA为双链，故在DNA的两条链中只有其中一条链被转录，叫做

模板链(templatestrand)；另一条不被转录的链叫做编码链(codingstrand)<,编码链的碱基排列顺序与

转录产物RNA相同，只是在编码链上的T在RNA为U。由于RNA的转录合成是以DNA的•条链为模

板而进行的，且模板链并非永远在同一条链上，叫做不对称转录。

②以四种NTP为原料；③都遵循DNA与RNA之间的碱基配对原则：A=U,T=A,C=G,合成与模

板DNA序列互补的RNA链。④RNA链的延长方向是5，—3、⑤不需要引物。

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编码链、摸板链与转录产物的关系示意图

大肠杆菌RNApol由五个亚基构成，即a2即匕。。亚基负责辨认与转录起始点，在转录合成开始后被

释放；余下的部分(a2即，)被称为核心酶，负责RNA新链的合成。真核生物的RNA聚合醉可按其对a-

鹅膏草碱的敏感性而分为3种，分别叫RNApolI,H,HI。各自负责合成不同的RNA。

种类亚细Mfe定位对a-昭・亚4破燧性功仃目

KINA.polI核心不糙疲合成rRINA.皿体

p<»lII核加顺极微疲合，&IlnRZA

NZApoim核塞庇酶电合成*RZA皿体

znRNA24.5SrRZA

转录的过程可分为起始、延长和终止三个阶段(参见《生物化学》)。在此主要介绍与转录有关的几个基本

概念。

1、启动子(promotro,P)或启动序列：转录是从DNA分子的特定部位开始的，在DNA分子上，

RNA聚合酶识别、结合并起始转录有关的一些DNA调控序列称为启动子。为了方便，人们将在DNA上

开始转录的第•个碱基定为+1，与转录方向相同的核甘酸序列均用正值表示，叫下游序列与转录方向相反

的核甘酸序列均用负值表示，叫上游序列。

3，

-5。—40-SO-20-±OJL±O

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4-—-

上断中声，J।下麻疗别

2、操纵子(operon)：原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子，包括若干个结构基因

及其上游的调控序列。

3、顺式作用元件与反式作用因子：DNA分子上参与转录调控的序列统称为顺式作用元件(cis-acling

element)(>而能与顺式作用元件相结合的蛋白质叫反式作用因子(transitingfactor)。所谓顺式作用是指分

子内的相互作用，即DNA分子上的调控序列调节控制DNA分子上的结构基因的转录。反式作用指分子间

的相互作用，即蛋白质分子与DNA分子之间的作用。在基因转录时，只有特异的蛋白质（叫反式作用因

子）结合到DNA的调控序列（叫顺式作用元件）1-,调控序列才能对结构基因的转录起调控作用。

4、启动子的共有序列。为什么RNApol仅能在启动子处结合呢？显然启动子处的核甘酸序列具有特

殊性。研究发现，在原核生物中，不同结构基因的启动子中均有2个碱基顺序基本相同的序列：一10序列,

5'TATAATpu。称为Pribnow框。-35序列：5'TTGACG-。已证实一35序列是RNApol的b亚基的辨认位

点，通常，原核生物转录产物一般不需要加工即有生物学活性。但在真核生物中，转录产生的RNA叫初

级转录产物或RNA前体（RNAprecursor）,它们必须经过转录后加工、修饰过程，变为成熟的RNA,才

能表现其生物活性。

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原核生物转录起始点的2个共有序列

（三）翻译（蛋白质生物合成）。执行生命功能、表现生物学性状的主要物质是蛋白质分子。蛋白质

的红基酸排列顺序是由DNA分了中编码蛋白质的基因的碱基排列顺序决定的。基因的遗传信息只有通过

蛋白质才能表达出它的生命意义。基因的转录与翻译叫基因表达。蛋白质的生物合成过程，就是将

DNA传递给niRNA的遗传信息，再转译为蛋白质中氨基酸的排列顺序的过程，这一过程被称为

翻译（translation）。

参与蛋白质生物合成酶与因子较多，其中最重要的是三类RNA：mRNA,（RNA,rRNA.

1、mRNA是合成蛋白质的直接模板：mRNA分子中的核甘酸排列顺序携带从DNA传递来的遗传信

息，作为蛋白质生物合成的直接模板，决定蛋白质分子中氨基酸的排列顺序。遗传密码（codon）：mRNA

分子上以方向，从AUG开始每三个连续的核甘酸组成一个密码子，代表1个氨基酸信息，叫遗传密

码，mRNA中的四种碱基（43）可以组成64种密码子。这些密码不仅代表了20种氨基酸，还决定了翻译

过程的起始与终止位置。其中，AUG即是起始密码子，又为蛋氨酸编码。而UAA,UAG,UGA是肽链

成的终止密码，不代表任何氨基酸，它们单独或共同存在于mRNA3,末端。因此翻译是沿着mRNA分子

5J3,方向进行的。从mRNA5,端起始密码子AUG到3,端终止密码子之间的核甘酸序列，各个三联体密码

连续排列编码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读框（openreadingframe,ORF）。遗传密码具有以下特点：①

连续性；②简并性；③通用性；④摆动性。

2、tRNA是氨基酸的运载工具：mRNA携带的遗传信息决定蛋白质的氨基酸排列顺序（•级结构），

但是mRNA分子与氨基酸分子之间并无直接的对应关系。这就需要经过第三者“介绍”。而IRNA分子就充

当这个角色。tRNA可利用其反密码环上的反密码字辨认mRNA上的遗传密码，同时又能搬运该遗传密码

代表的氨基酸（需氨基酰-IRNA合成能催化），从而将遗传密码与氨基酸对•应起来。

3、核蛋白体是蛋白质合成的场所；核蛋白体（又叫核糖体）是多肽链合成的场所，是由多种1RNA

与蚩白质组装形成的复合体。任何生物的核蛋白体都是由大、小两个亚基组成。

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P<i:

A<i：熟参0U主

E<i：才修出，立

空四子反生石马子相互作用原核生物翻译过程中核至白体名吉楠炽式图

四、基因的结构特点

如同基因的定义中所提到的，构成基因的DNA片段含有两部分序列，这两部分DNA序列分别称为

结构基因和转录调控基因。

(­)结构基因

I.结构基因中贮存的遗传信息。在构成基因的特定DNA片段中，一段DNA序列贮存着一个特定

RNA分子的序列信息，此段DNA的一级结构决定该RNA分子的一级结构，这一段DNA称为结构基因。

部分结构基因仅为一些特定功能的RNA编码，如rRNA,tRNA及其他小分子RNA等，通过转录可合成

这些RNA分子；而大多数结构基因则为蛋白质编码，即基因的碱基排列顺序决定蛋白质多肽链的氨基酸

排列顺序。另外，编码蛋白质的结构基因中还含有部分与蛋白质编码无关的DNA序列，这些序列可能是

多状链翻译和翻译后加工所需的调控序列。

2.结构基因的结构特点。原核生物、真核生物、病毒的结构基因在结构I：都有各自的特点。

(1)原核生物结构基因的特点：原核生物的结构基因是连续H勺，即各种RNA转录出来后即具有生物学

活性，通常无须剪接加工。如mRNA转录完成后，即可直接指导蛋白质的合成。(2)真核牛•物结构基因的

特点：真核生物的结构基因在DNA上是不连续的，由若干个编码序列与非编码序列互相间隔组成，称为

断裂基因(splitgene)。其中，编码序列叫外显子(exon),非编码序列叫内含子(inlron)。

'IB|1|-|2|D|

ONA组超区：A、B、U、E>非绢乌区

由于转录是连续进行的，故同时将编码与非编码序列连续转录出来。因此真核生物结构基因在转录

为各种RNA后，必须进行剪接加工，将内含子切除，连接外显子，才成为有活性的、成熟的RNA分子。

如卯清蛋白基因全长7.7kb(kilobasepair,干碱基对)，由8个外显子(包括前导序列L及1-7)与7

个内含子(A〜G)组成。初级转录产物为hnRNA,其长度与DNA摸板链相同(7.7b),即内含子也在hnRNA

中，经过转录后的剪接加工，切除7个内含子序列，连接8个外显子，形成成熟的mRNA,才能指导卵清

蛋蛋白(386个氨基酸)的合成。

(3)病毒结构基因的特点：病毒的结构基因有的是连续的，有的是间断的，往往取决于其能够侵染的

宿主。感染细菌的病毒(噬菌体)的基因与细菌基因的结构特征相似，结构基因是连续的；而感染真核细胞

的病毒的基因结构与真核生物基因结构特征相似，部分结构基因由于含有内含子而间断。

(二)基因的转录调控序列.结构基因中的RNA序列信息必须通过转录过程才能生成RNA分子。RNA

pol首先要结合到结构基因以外的调控序列，其他一些蛋白质亦结合到结构基因以外的DNA序列以调控

RNA的合成(转录)，所有这些与转录相关的、结构基因以外的序列就是基因的转录调控序列。

1.原核生物基因的转录调控序列。原核生物基因的转录调控序列中，主要有4种基本的调控序列。

(1)启动子(promoter,P)：是RNApol特异性识别和结合的DNA序列。启动子有方向性，位于结构基

因转录起始点的上游区。原核生物基因的启动子本身并不被转录。大肠杆菌(E.coli)基因的启动子区长约

40-60bp.在-10和-35附近有两个共有序列(见前“转录部分”)。RNApol结合DNA后覆盖的区域约-40bp

~+20bp。

(2)操纵序列(operator,P)：是被阻遏蛋白识别、结合的一小段DNA序列。操纵序列紧接在启动子下

游，阻遏蛋白与操纵序列结合后，可抑制结构基因的转录。

(3)激活蛋白结合序列(activaw,A)：有些原核基因的启动子是弱启动子，RNA聚合酹与之结合的作

用很弱，在这些启动子附近有一些特殊的DNA序列，转录激活蛋白可以识别并结合这种DNA序列，该蛋

白可与RNA聚合前作用，促进转录的启动。

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