遗传学 Part-11 遗传物质.ppt

1、遗 传 学,第二 部 分,主讲：李明刚 教授 办公室：分子所307 ,主要参考书目,高级分子遗传学,第一章 分遗传学研究进展 第一节人类基因组计划与相关产业的崛起 第二节 反向遗传学的兴起与迅猛发展 第三节 动物克隆研究进展 第四节 分子遗传学技术新进展 第五节 基因工程研究进展 第二章 遗传物质及其组织形式 第一节 遗传物质 第二节 基因组 第三节 生物体中基因数量 第四节 基因簇与重复 第五节 染色体 第六节 核小体 第三章 遗传物质的复制、重组与维护 第一节 DNA复制机制 第二节 基因组复制 第三节 遗传重组 第四节 DNA修复系统 第五节 免疫分子基因的体细胞重组 第四章 转录及其产

2、物加工 第一节 原核基因 转录机制 第二节 真核基因转录机制 第三节 转录产物加工 第四节 核酶与催化RNA,第五章 翻译与蛋白质定位运输 第一节 信使RNA 第二节 遗传密码 第三节 蛋白质合成 第四节 蛋白质定位 第五节 蛋白质运输 第六章 特殊遗传方式 第一节 转座子 第二节 反转录病毒与反转座子 第三节 物种间基因转移 第四节 表观遗传 第七章 基因表达调控 第一节 原核基因表达调控 第二节 噬菌体调控策略 第三节 真核基因表达调控 第四节 DNA重排调控 第八章 信号传导与生长发育调控 第一节 信号传导 第二节 细胞周期与生长调控 第三节 癌基因与癌症 第四节 发育调控 附录：重要概

3、念解释,第十一章 遗传物质,1953年，Watson Crick阐明了DNA结构，这是遗传学历史上最重大的发现之一。当时对基因和DNA的几点认识： 基因是由孟德尔提出的遗传因子。它与特定的性状相连系，但其物质基础不清。 “一个基因一种酶”的学说推测基因控制蛋白质的结构。 基因位于染色体上。染色体由DNA和蛋白组成。 早先由Griffith后由Avery指出DNA是遗传物质。 关于遗传物质是什么的争论是一个长期的过程，认为蛋白质是遗传物质的理由是： 蛋白质由20种氨基酸组成，生物体的各种功能和性状一般都由蛋白质的性质来决定；认为DNA不是遗传物质的理由是：DNA只有4种简单的核苷酸组成，众多的生

4、物性状不可能由它们来决定。,第一节 DNA是遗传物质,有3个重要的实验证明遗传物质是DNA： 1细菌转化实验 2T2噬菌体的感染实验 3病毒重建实验,一、Griffith,s细菌转化实验(1928年) Greffiths transformation experiment. 有一种引起人类肺炎的致病菌肺炎双球菌，它可以使家鼠得病而且通常是致死的。不同品系的肺炎球菌在毒性上是有区别的：一个是正常的毒性类型，细胞有一层多糖荚膜包裹，呈光滑型，称为S型。 另一品系的肺炎球菌是从S型中分离到的突变型，它无毒性，能在家鼠中生长但不引起家鼠死亡，表面没有多糖类荚膜，呈粗糙型，称为R型。,实验提示：加热杀死

5、的S型有毒品系中一定有一种因子能使无毒的R品系转化（transformation）为有毒的S品系。经过16年实验证明，R转化为S的物质是DNA。 1944年，美国学者Avery等证明将R无毒品系转化为有毒S品系的物质是DNA。,美国学者Avery等证明转化因子是DNA。Summary of Avery,s experiment which demonstrated that DNA is the transforming principle.,结 论 在S型细胞的各种组分中，只有DNA能引起R型细胞的转化，DNA是S型细胞多糖荚膜和病源特征的决定因子，只要给R型细胞提供S型细菌的DNA，就等于

6、是提供了S基因。 意义：第一次证明基因是由DNA组成的，DNA是遗传物质。转化已成为基因工程的重要手段。,二、The Hershey-Chase(捣碎)实验 捣碎实验要回答的问题： 噬菌体的感染过程涉及病毒复制的特异信息转入到细菌中去的过程。转入细菌中去的信息物是DNA还是蛋白质？ 1952年，用T2噬菌体标记的感染实验说明转入细菌中去的信息物是DNA。,捣碎实验的关键点： 1.蛋白质中没有磷，磷是DNA中的主要成分 在T2的DNA中占99%。 2.硫只存在于蛋白质中,在DNA中从未发现有 硫。 3.用32P和35S分别标记两个噬菌体的培养物 中的DNA和蛋白质。,只有噬菌体DNA进入细菌，蛋

7、白质外壳从不进入细胞。噬菌体蛋白只是结构上的包装物。当DNA进入细菌后蛋白质外壳就留在了外边。 捣碎离心分离T2蛋白壳和被感染的细菌，发现80%的35S在衣壳中，70%的的32P在被感染菌中。 子代噬菌体只含30%的32P，小于1%的35S。 意义：说明DNA是遗传物质。,三、病毒重建实验,有些病毒没有DNA而只有RNA，它们的遗传物质是什么？ 1956年，Fraenkel-Conrat和Singer用TMV和HRV建成杂合病毒作感染实验回答了这一问题。,HRV,TMV,病毒重建实验结论：复制和繁殖新的病毒颗粒所需的遗传物质是RNA而不是蛋白质。,DNA和 RNA中的碱基和糖的结构。,DNA由

8、四种基本的脱氧核苷酸组成。每种核苷酸由磷酸、脱氧核糖和四种碱基之一组成。四种碱基和相应核苷酸的名称： 腺嘌呤dAMP或A； 鸟嘌呤dGMP或G； 胞嘧啶dCMP或C； 胸腺嘧啶dTMP或T。,第二节 DNA的结构,Watson Crick根据两个线索，提出了著名的DNA双螺旋结构模型。 （1）DNA结构的X光衍射资料，表明DNA由两条互相平行的链组成，两条链呈螺旋状； （2）Chargaff关于不同生物DNA组成成份的规律： A+G=T+C Pu=Py A=T G=C A+T并不一定等于G+C,Watson &Crick 提出了DNA双螺旋模型。,Waster Crick DNA双螺旋模型。,

9、每个核苷酸之间由磷酸二酯键相连接。 DNA结构的含义： 该结构预示了DNA复制的一种明显方式。预示了DNA分子中的核苷酸对的序列可能决定着蛋白质中氨基酸的序列，即存在某种类型的遗传密码。,目前已知有三种不同形式DNA： Bform：即Watson-Crick模型，在正常的细胞生活状态时存在，右手螺旋、碱基的平面对DNA的中轴是垂直的，DNA分子每转一圈是10.4bp。 Aform：在高盐或脱水状态时存在，右手螺旋，碱基对倾斜并偏离双螺旋中轴，转一圈11bp。 Zform：在合成制备的DNA晶体中发现的新构型为“Z”字骨架，左手螺旋，每转一圈12bp。,由Watson-Crick模型预言DNA复

10、制是半保留复制的：每个子代DNA分子含有一条旧链和一条新链。,第三节 DNA的复制,半保留复制 （semiconservative Replication ）,DNA的复制,DNA是遗传物质，作为遗传物质的首要条件是必须能自我复制。 Watson和Crick阐明的DNA模型预示了DNA具有复制的能力，通过氢键配对的方式复制新链。 曾设想有三种复制方式：（1）半保留式；（2）保留式；（3）分散式。,1、半保留复制的证明 1958年，Meselson等证明DNA的复制是半保留式的。 氯化铯超离心技术的原理 DNA在CsCl溶液中经超速离心后，最终停留在某一位置上，这时离心力的大小正好等于DNA分子

11、在CsCl梯度中的浮力。DNA的浮力是由其密度决定的。根据离心后DNA在梯度中达到平衡位置的不同可以将不同密度的DNA分子分开，例如：15NDNA和14NDNA。,The Meselson-stahl experiment,Taylor 1958年用蚕豆根尖细胞染色体作实验，证明真核生物在染色体水平上，DNA复制也是半保留式的。,中期,2、复制叉(Replication Fork),Watson-Crick模型预言，在复制过程中DNA分子会形成一个分叉。1963年，Cairns用实验证实了复制叉的存在。,3,3,3,3,复制叉,生长,生长,起始点,起始点,3、复制起始点： 大肠杆菌染色体DNA

12、复制从一固定点开始起动，然后按二个方向进行，即复制叉作双向移动。,3,5,5,3,放射自显影显示的真核DNA复制模型，在一条双链DNA上有多个复制起点。,4、复制子(replicon) 具有一个复制起始点和两个终止点和独立复制功能的DNA片段。大肠杆菌、质粒、噬菌体的DNA都能独立复制，这样独立的复制单位称为复制子。 高等生物的染色体是多复制子。Multireplicon.,Human DNA from Hela cell illustrating the replication bubble that characterizes DNA replication within a single

13、 replicon.,真核生物细胞的DNA复制有多个起始点，即具有多个同时复制的区域。,Demonstration of 5-to-3 synthesis of DNA.,5、DNA复制中的酶和蛋白质 50年代末，Kornberg首次分离到DNA聚合酶。,dinB(damage inducible gene B): 损伤诱导基因B。Din基因有一系列成员，受lexA蛋白(22kD的阻遏蛋白)控制。 umuD2C是SOS系统的一部分，产物有聚合酶活性。,图13.3 DNA合成是通过在伸长链的3 -OH 不断添加核苷酸而进行的，因此合成方向是从5到3。用于合成DNA 的前体是核苷三磷酸，在反应中去

14、掉末端的两个磷酸基团。,P P,Okazaki fragments(岗崎片段):在不连续合成时，先按5-3方向合成1000-2000bp的片段，最后共价连接成完整链。,图13.9 先导链的合成是连续的，而后随链的合成是不连续的。,DNA聚合酶的校正机制。所有细菌的DNA聚合酶都具有3-5外切酶活性，可以切除错配的碱基。它提供了校正功能。 通过校正复制，复制忠实性可提高100倍。,图13.6 细菌DNA聚合酶仔细检查在伸长链末端的每个配对碱基，将错配的删除。,DNA复制中后随链上RNA引物的合成和替换,DNA primase启动RNA引物的合成,RNA引物5 -3延伸,DNA pol 在RNA引

15、物的3-OH端启动DNA5 -3的合成,DNA pol 的5 -3外切酶活性去除RNA引物, 其5 -3聚合酶活性合成DNA,DNA连接酶封口,图13.18 DNA聚合酶III全酶分步组装，最后产生能合成两条新链的酶复合体。,在复合物( )的帮助下，滑动钳在DNA上组装成二聚体，核心酶I()结合上去形成半全酶。两个半全酶通过两个亚基对称地结合形成全酶，分别催化前导链和后随链的合成。 DNA聚合酶III全酶由14个亚基组成。,前导链和后随链合成的“拉环”协同模式(looping cooperative model)。 催化核心分别与每一个DNA模板链结合。对于先导链，全酶连续地沿着模板链移动；将

16、后随链的模板“拉过”(pulled through)，使DNA形成一个环。DnaB建立一个解旋点，并且沿着DNA“向前”推移(在后随链的模板上沿5-3方向移动)。,真核生物端粒末端复制的困难,线型染色体DNA末端复制困难，后随链复制后会留下一个空缺。,端粒酶的作用 端粒酶自身具有RNA模板，能将多个末段重复单位加到末段，这时DNApol 就能进行互补链的合成。 如果没有端粒酶的作用，线性染色体会逐渐缩断，如果端部缩断逐渐延伸到功能基因中，那么这种染色体缩断将是致死的。,图18.25 端粒酶通过酶内部的RNA模板与DNA的单链突出进行配对来实现自身的定位，它向DNA单链引物3(应删除？)逐个添加G和T，一个重复单位合成后接着合成下一个。,图28.30 端粒酶的结构与功能示意图。端粒酶以其RNA为模板延长端粒，补偿在每个复制周期后的端粒缩短。,端粒酶和细胞衰老,端粒缩短通常涉及细胞衰老的分子机制。 在大多数真核生物体细胞中，其端粒酶活性被关闭， 因此细胞每分裂一次，其端粒都会缩短。细胞分裂若干次后，当端粒丢失时细胞便失去分裂能力 而死亡。 但有一特例，即癌变细胞具有端粒酶活性，可以永生(immortalization)或不死。 小鼠中编码端粒酶的基因失活，仍