分子生物学-DNA遗传物质.ppt

1、Chapter 2,DNA is genetic material,The conception of gene,是合成一种功能蛋白或RNA分子所必须的全部DNA序列 一个典型的真核基因包括 编码序列外显子(exon) 插入外显子之间的非编码序列内合子(intron) 5-端和3-端非翻译区(UTR) 调控序列(可位于上述三种序列中),The conception of gene,基因是遗传信息的物理和功能单位，它具有被表达的潜势 基因型genotype:控制生物体表现型的遗传因子 表现型phenotype:有机体可见的或可计算的外在性质.表现型可被区分为不同的类型，称为性状character

2、或特征 characteristic 所有的性状都有遗传heredity和变异variation两种性质 不同的表现型可能受不同的基因型调控，不同的基因型可产生不同的表现型 但基因型相同，由于表达调控差异，可产生不同的表现型，如一种生物有不同的发育期,The conception of gene,在染色体中，基因成对存在，称为等位基因allele/li:l/。 在纯合体homozygote (即在一个特定的基因座位上含有相同的等位基因)中，基因传递保持独立性。如AA和aa 完全显性complete dominance：在异合体heterozygote (即在一个特定的基因座位上含有不同的等位基

3、因，如Aa)中，表型和一 个表达的等位基因(显性等位基因dominant allele,如A)相一致，另一个基因则做了牺牲，称为隐性等位基因recessive allele，如a。,The conception of gene,异合体的表型处于两个纯合体的中间状态时称为无显性nondominance，如果偏向某一个纯合体，则称为部分显性partial dominance。如红AA和蓝aa的杂交种Aa如为黄，则为无显性，如浅红则为部分显性 杂种的表型处于亲本描述的表型 之外，称为超显性overdominance，如杂种优势。若不足，则称为显性不全underdominance，如近亲衰退 。 共显

4、性codominance：一对等位基因的相关表型都可以独立表达，如ABO血型,The conception of genome,狭义是指单倍体基因组，即一特定生物体的整套(单倍体)遗传物质的总和 单套信息的拷贝数被称为染色体的倍数性(ploidy) 是细胞中全部的遗传信息，包含细胞发挥功能所需的全部“程序” 基因组的大小用全部DNA的碱基对总数表示,The conception of genome,细菌一般为单个的环状基因组，也报道存在线性基因组的细菌 真核生物99%的DNA在细胞核基因组中，但也存在细胞器基因组，一般为线形 病毒的基因组情况很多 在基因组外，还存在其它DNA形式，如质粒 不同

5、生物的基因组，基因的结构、排列方式不同，尤其是原核生物和真核生物之间存在很大区别,染色质Chromatin和染色体chromosome,是真核生物遗传物质存在的两种不同形态，一个存在于细胞分裂间期，一个存在于分裂期。 目前该概念也扩大到包括原核生物及细胞器在内的基因载体的总称 一般由两条染色单体和一个着丝粒centromere组成 有的生物有两个或多个着丝粒，如马蛔虫 在一些同翅目和半翅目昆虫中，沿着整个染色体长度的每一个点都具有着丝粒的活性，称为弥散着丝粒 由于着丝粒的位置不同，染色体臂有长臂p和短臂q之分。着丝粒的位置可用臂的量比值A(A=p/q)和着丝粒指数p/(p+q) 100%表示,

6、什么是转录组？RNA组？蛋白质组？,Figure 1.1 A brief history of genetics.,1.1 Introduction,Genes are DNA,遗传物质能识别各种各样蛋白质 蛋白质的一级结构即氨基酸序列决定了蛋白质结构和酶的催化活性 蛋白质用密码形式携带信息 蛋白质的氨基酸序列由核苷酸的三联体密码编码 特异的一段核苷酸序列编码特异的一段多肽链 DNA序列与相应蛋白质序列间的关系称之为基因密码子 每一个基因都代表一个特定的多肽链,Transfection：转染。将纯化的噬菌体DNA分子导入细菌细胞 Transformation:转化。由于吸收裸DNA分子而使细胞

7、获得新基因的过程。 Transforming principle：用于遗传转化的DNA。通过整合到受体细胞的基因组中改变其基因型。 Base pairing碱基配对：指在DNA双螺旋中A与T、C与G，以及在RNA中A与U配对的规则。它们之间依靠氢键相连，是维持核酸二级结构的主要作用力。 Nucleotide acid核苷酸：是核酸的基本重复单位，由含氮碱基、糖和磷酸三部分组成。,The transforming principle is DNAGriffith于1928年发现的“转化”现象.,1.2 DNA is the genetic material,肺炎双球菌,The genetic m

8、aterial of phage T2 is DNA 1952年，Hershey和Chase DNA是一种通用的遗传物质.,1.2 DNA is the genetic material,大肠杆菌,噬菌体T2,Eukaryotic cells can acquire a new phenotype as the result of transfection by added DNA.,1.2 DNA is the genetic material,胸腺嘧啶,DNA不仅是真核生物的遗传物质，而且能够在不同物种间相互转移并保持功能活性,小测验,解释名词: ORF, gene, genome, ge

9、nomic imprinting 证明DNA是细菌遗传物质的精典实验是如何进行的?试简单描述其过程(包含结果分析).,describes the basic nature of genetic information: sequences of nucleic acid can be perpetuated 保持and interconverted 互换by replication, transcription, and reverse transcription, but translation from nucleic acid to protein is unidirectional 单

10、向性的, because nucleic acid sequences cannot be retrieved from protein sequences.,1.3 Central dogma 中心法则及其修正,The central dogma states that information in nucleic acid can be perpetuated永久保留 or transferred转移, but the transfer of information into protein is irreversible不能倒转的.,Crick（1958）在“论蛋白质的合成”一文中，首次

11、提出中心法则的内容 遗传信息：能独立的自我复制；对细胞的特异性有高度影响 信息的流动是单程的：DNA RNA 蛋白质 序列假说：蛋白质的序列由DNA的序列决定 中心法则(central dogma): 1953年watson将遗传信息的传递途径称为中心法则.,Watson（1976）在基因分子生物学一书中，又做了更具体详细的描述。其内容可概括为下列三点： DNA分子上的碱基排列有一定顺序，这顺序就是遗传信息。生物的全部遗传信息都包含在这种大分子的遗传信息之中。 DNA分子双链折开，以每条单链为模板，按照碱基配对的原则，合成新的互补链，这是DNA的自我复制。 以DNA分子双链中的一条为模板，按照

12、碱基A-U、G-C配对的原则互补地合成mRNA链，这是转录。然后以3个碱基决定一个氨基酸的方式，根据mRNA分子上的碱基排列顺序合成蛋白质，这是翻译。,中心法则的修正,1970年，美国科学家Temin和Baltimore在RNA肿瘤病毒中发现反转录酶（reverse transcriptase）。在病毒感染细胞期间，以病毒RNA为模板，在反转录酶的作用下合成DNA，然后以这段病毒DNA为模板，互补合成RAN，同时以该病毒的mRNA合成蛋白质。且病毒DNA可插入到细胞染色体DNA中把遗传信息传递下去。 为此，Crick（1971）立即撰文对上述直线形中心法则作了修改补充,中心法测说明了遗传信息由

13、DNA传向DNA，或由DNA传向mRNA，然后决定蛋白质特异性的过程。是目前分子遗传学研究的核心。,DNA作为遗传物质的优点,DNA作为遗传物质有许多优点，其中最主要的是： 信息量大可以微缩（一个1kb的基因，其可能的核苷酸排列顺序有4100种，而直径10亿光年的宇宙，其体积不过1084cm3或101083） 表面互补、电荷互补，双螺旋结构说明了精确复制的机理 核糖的2脱氧，在水溶液中稳定性好(不存在自有-OH，不被水解，pH 79稳定),可以突变，以求进化 有T无U，基因组得以增大，而无C脱氨基成U带来的潜在危险 以胸腺嘧啶T取代尿嘧啶U是DNA生物有别于RNA生物的重大步骤。胞嘧啶C经氧化

14、脱氨基就成为U。假如DNA和RNA一样，没有T而只有U，那由C脱氨基变来的U和原有的U就无法区别 由于DNA中有T无U，所以DNA基因组可以大幅度扩增，生物体结构得以进化到高级复杂的程度，才有可能出现人类。,Why does DNA contain T rather than U?,Cytosine deaminates non-enzymatically to form uracil. If this happens in DNA, it constitutes a mutation. A proof-reading system recognize the error, and repla

15、ces the U by C.,Deamination of cytosine is of little consequence in RNA, which is not the permanent repository of genetic information.,RNA作为遗传物质,RNA酶集信息传递作用和酶学催化作用于一身，很可能是最初的遗传物质。在这个基础上，一个由RNA世界到RNA蛋白质世界，由RNA蛋白质世界到DNA世界的进化图景，已被科学界广泛接受 RNA作为最初遗传物质的设想，仍然有许多疑难。其中RNA本身的起源问题，根据有机化学家的意见，模拟的前生物条件（prebiotic

16、 condition）下，合成核糖并非易事；即使有了核糖，D-核糖和碱基一起加热，得到的是-核糖核苷，而不是RNA中的-核糖苷等等，但目前没有更好的解释 迄今已知的RNA生物，都是基因组小，结构简单的生物。,由U转变为T的代谢途径已经研究清楚，这条代谢途径充分说明U的出现在先，T在后，DNA中以T代U的进化历程尚不清楚，因为没有发现中间类型 迄今已知唯一含U的DNA生物是枯草杆菌噬菌体PBS1，其基因组相当大。自发现迄今已30余年，是实验室常用的转导噬菌体，其遗传稳定，唯一例外的是经常出现清亮噬菌斑，不知是否是由于C脱氨基成为U之故。,烟草花叶病毒（Tobacco Mosaic Virus,

17、TMV）,象大多数植物病毒一样，TMV由蛋白质和核糖核酸（RNA）构成。化学技术可把完整的TMV病毒分成RNA和蛋白质两部分 实验确证TMV的病毒蛋白在感染中不起遗传作用，从而确证遗传信息的载体是病毒的核酸成分，而非蛋白质成分。,对中心法则的挑战, 蛋白质的遗传信息不一定来自核酸 1.以蛋白质为模板的肽链合成。 2.肽链的翻译后加工。 切割，糖基化；在C 端切去一段小肽；原来的N 端和C 端连接。非DNA 信息的加工过程 3.朊病毒。 RNA 的信息不完全来自DNA 模糊基因 ：锥虫的cox 中167 个位点上398 个U 插入,9 个删除. 60%RNA 编辑gRNA,对中心法则的挑战,以蛋

18、白质为模板的肽链合成。多肽抗生素是细菌产生的抗生素中的一类，Lipmann等人（1971）的研究表明，它们的合成是直接由某些多酶体系来完成的。多肽抗生素肽链中的氨基酸序列是由这些酶上所吸附的氨基酸序列所决定的。 肽链的翻译后加工。按照mRNA分子上的碱基排列顺序合成的新生肽，即使有了确定的氨基酸序列，还不是蛋白质，它们必须经过二硫键的形成、甲基化作用、羟基化作用、糖基化作用、肽链的折叠、亚基的组装等复杂的加工过程才能形成特定的由一级结构决定的三维结构，并成为有活性的蛋白质，也就是说遗传信息由多肽（polypeptide）传向蛋白质（protein）。,蛋白质可作为遗传物质？(Protein a

19、s the Genetic Material ?),蛋白质因其缺乏遗传表面，而且遗传嗅觉不灵敏，不能作为遗传物质，早已成为定论。Prion（传染蛋白质颗粒）问题对此带来一片疑云，把羊疯痒病(scrapie)、牛海绵状脑炎、人kuru病等构象病的病因子定名为prion，为的是和类病毒、拟病毒相区别。 病毒virus：一类超显微的，无细胞结构的，专性活细胞内寄生的分子生物。,类病毒 (Viroid):是一个裸露的没有衣壳包裹的闭合环状RNA分子，它能感染寄主并在其中进行自我复制使寄主产生病症。 拟病毒virusoids :也称为类类病毒，它是一种环状单链RNA。它的侵染对象是植物病毒。被侵染的植物

20、病毒被称为辅助病毒，拟病毒必须通过辅助病毒才能复制。单独的辅助病毒或拟病毒都不能使植物受到感染。 朊病毒prion, virino：一类能侵染动物并在宿主细胞内复制的小分子无免疫性的疏水性蛋白。 它能引起人和动物的神经软化病，如人类的Kuru病、牛的疯牛病等。在该病毒的感染过程中，遗传信息可以从蛋白质传向蛋白质。这与中心法则的蛋白质不能输出信息的概念是矛盾的。,亚病毒,Prion蛋白（prion related protein，简称PrP）由宿主的基因编码 人PrP基因位于20号染色体的短臂，鼠PrP基因位于2号染色体，健康人、畜的PrPc分子量为3335kDa，它对蛋白酶敏感、无传染性 而病人、病畜PrPsc的N端比PrPc约少67氨基酸，分子量2730kDa，抗蛋白酶，有传染性，迄今未见prion内有常量核酸 用种种降解核酸的办法提取传染性颗粒，传染性不会下降。据计算，即使残留核酸