普通生物学资料：第十四章 生物的遗传

1、普通生物学课件文字稿7.（第十四章.生物的遗传）主讲人：姜乃澄（注：请各位同学依据本稿，进一步结合教材复习和提高。）第十四章.生物的遗传1.遗传信息的流向现代遗传学研究发现，DNA的遗传信息是以排列于其链上特定的核苷酸序列形式存在的，基因的遗传信息最终流向蛋白质、酶，并通过它们去控制所有生物的代谢途径，从而影响其表型性状的形成。因此，蛋白质是基因型通向表型的桥梁。1.1基因、酶与代谢l 1909年，A.Garrod 提出：基因通过酶在细胞内催化特定化学反应过程来控制代谢。（黑尿症缺乏能分解尿黑酸的酶）l 1994年，G.W.Beadle等人提出：“一个基因一个酶”（链孢霉营养缺陷型的研究，某基

2、因突变导致某酶的功能缺陷，进而引起某一步代谢出现障碍。）所有实验都证明，基因不是直接作用于表型，而是通过其指令合成一系列不同的产物来抑制代谢途径并影响生物的表型。1.2 遗传密码现在已十分清楚，遗传信息的流向是从DNA到蛋白质，这过程的发生，首先是将DNA的信息转变成RNA的信息，通过RNA再转变为多肽或蛋白质的信息。l 遗传密码的发现n 1955年，纽约大学 Grunberg-Manago分离获得核苷酸连接酶可将核苷酸连接成RNA聚合体。如AA-AA。n 1960年，Matthei & Nirenberg 试管中多肽的合成酶 、核糖体、ATP、16种手头有的氨基酸分别加入polyA、poly

3、U、poly AU 结果 polyU试管中产生许多多肽。通过分别加入不同氨基酸，证明-PolyU 利用的是苯丙氨酸。l 遗传密码的破译1966Nirenberg和Khorana破译全部密码子共64种密码子；共有61种三联密码编码20种氨基酸。1个起始密码 ：AUG；3个终止密码：UAA、UAG、UGAn 遗传密码的特征n 遗传密码在所有生物中普遍适用；n UAG具有双重功能，既是蛋白质合成的起始码，又是甲硫氨酸的的编码。所有多肽链的第1个氨基酸都是甲酰甲硫氨酸，但合成完毕又被酶除去；n UAA、UAG、UGA不编码任何氨基酸，是蛋白质合成的终止密码；n 遗传密码具有简并性，即有多个密码可以编码

4、同一个氨基酸，这些多个密码也称简并密码或同义密码。上述密码的多寡与编码氨基酸在蛋白质中的数量成正比；n 简并或同义密码中前两个碱基相同，仅第3个不同；1.3转录转录是以DNA为模板合成RNA的过程，完成这一过程必需经RNA聚合酶催化。该只能将新的核苷酸添加到长链的3端。真核生物中RNA聚合酶分为3种类型，原核生物中只有1种类型。转录划分为3个阶段，即RNA合成起始、RNA链的延长和RNA合成的终止。转录起始：n 转录开始时RNA聚合酶附着到DNA特定碱基序列所组成的启动子（promoter）上。n 真核生物聚合酶附着在启动子中段被称作TATA框的关键序列上。n 真核生物在转录mRNA时，RNA

5、型聚合酶开始时该酶并无直接识别和附着到启动子上的能力。需在转录因子（一种蛋白质）的帮助下才能找到、识别和附着到启动子上。RNA链的延长：转录的终止：n 转录的最后阶段，终止RNA新链合成是由被称为终止子（Terminator）的一段特定的核苷酸序列控制；n 真核生物最普遍的终止序列为AATAAA。n 合成结束时，需终止序列与某些辅助蛋白因子共同起作用，并给RNA聚合酶发出适当信号，命其停止添加核苷酸到RNA链上并释放出mRNA。转录规则：n 以DNA分子为模板，按照碱基互补配对原则，合成一条单链的RNA的过程；n 转录时RNA聚合酶附着到DNA特定碱基序列所组成的启动子（promoter）上。

6、n RNA聚合酶合成新RNA链的合成与延伸由5向3方向进行； n 尿嘧啶（U）替代胸腺嘧啶（T），并与模板中腺嘌呤（A）相配对；n RNA聚合酶移动到DNA上的终止子时脱落，转录终止。核内不均一RNA（hnRNA）的加工：真核生物有原核生物合成的不同mRNA ，它不能直接用于蛋白质的翻译，必须在核内加工后才能进入细胞质变成成熟的mRNA。n 真核生物基因的特征1977年发现真核生物的基因是不连续的，即同一基因的编码序列（外显子）被数量不等的非编码的间隔序列（内含子）隔开，这就是割裂基因的概念。所谓割裂基因即指基因的编码序列在DNA分子上是不连续的，而被不编码的序列隔开。因此，割裂基因外显子(e

7、xon)+内含子（intron）。从原初转录产物中除去内含子的过程称为RNA的剪接，即对刚转录的前体RNA进行加工。hnRNA加工的过程：n 在先导片段（5端）加上帽子结构，即7甲基鸟苷三磷酸（PPPG）；n 在最后一段（3端）加上多聚腺苷酸（poly-A）的尾巴。n 剪切加工。如，剪去内含子等、把编码序列和必须的非编码序列等等连接起来。n 最后转运到核外。真核生物与原核生物转录后翻译的区别1.4 翻译细胞中蛋白质的合成是严格按照mRNA上密码子的信息指导氨基酸单体合成为多肽链的过程，这一过程称为mRNA的翻译。虽然mRNA上三联密码编码不同的氨基酸，但各种氨基酸却无识别相应密码的能力。因此，

8、mRNA所携带的各种遗传信息无法正确表达为特定氨基酸序列的多肽链。翻译过程需要mRNA、tRNA、核糖体、多种酶的参与。在遗传信息表达中tRNA起着关键的作用。翻译过程包括起始、延长、和终止3个过程。转移RNA（transfer RNA,tRNA）：n tRNA约有80个核苷酸分子；n tRNA的三维结构呈倒L形，平面结构为三叶草形；n 具4个双链区和3个主环结构，其中1个环上由3个碱基构成的反密码子（anticodon）；n 共发现约有45种tRNA，1种反密码子能识别两种或多种密码子。核糖体（ribosomes）：n 核糖体是蛋白质合成的场所，是多种蛋白质和核糖体RNA的复合体；n 由两个

9、亚基组成，上有A、P两位点，其中A位是新进入核糖体的氨基酰tRNA停留的位置，P位是携带生长多肽链的tRNA停留的位置。蛋白质的合成，包括起始、延长和终止3个过程。蛋白质合成，不仅是一个快速的过程，而且一段mRNA可以相继与多个核糖体结合，同时进行多条同一种肽链的合成。1.5 基因突变及其对蛋白质结构与功能的影响生物的遗传结构通常较为稳定，但在各种内外因素的作用下，染色体，乃至基因都有可能发生变化，即突变（mutation）。n 发生在染色体水平上的突变为染色体畸变；n 发生在基因水平上的突变则为基因突变或称作点突变（point mutation）；1.5.1 基因突变的类型基因水平突变，可以

10、发生在DNA编码链上一个或少数几个核苷酸化学结构的变化，突变可分为：n 碱基对取代n 碱基对插入或缺失n 碱基对取代，DNA双链中某一互补的核苷酸对或碱基对被另一碱基对所替换的现象被称为碱基对取代（base-pair substitution），可进一步分为：n 转换：即嘧啶被嘧啶，或嘌呤被嘌呤取代；n 颠换：嘧啶被嘌呤，或嘌呤被嘧啶所取代。DNA链中某一碱基被另一个碱基所替换，但这一替换结果并不影响蛋白质的结构与功能，类似于这样的基因突变称为同义突变（samesense mutation）由编码一种氨基酸的密码子变为编码另一种氨基酸的密码子的现象称为错义突变（missense mutatio

11、n）错义突变使所编码蛋白质或酶的重要部位，如结构或活性中心的氨基酸被替换，就会改变蛋白质的结构和功能，并可能造成极为严重的后果。镰刀状细胞贫血症：n 症状：红细胞与氧结合的能力减弱，寿命减短，并引发溶血性贫血；纯合子患者童年即死亡。n 机理：血红蛋白由四条多肽链构成，两条链，两条链，而编码链N端的第6位谷氨酸的CTT突变成为CAT，谷氨酸被缬氨酸取代，造成血细胞形状改变，而为镰刀型。如果编码一种氨基酸的密码子转变为终止密码子而使翻译提前结束，这种转变称为无义突变（nonsense mutation）。n 缺失和插入1.5. 2 突变形成n 诱发突变（induced mutation）：利用物理

12、或化学因子（诱变剂）处理生物体，而引起生物材料的突变。n 自发突变(spontaneous mutation)：所有生物的遗传结构，以一定的频率发生的变化。自发突变的原因在于：n 増变基因（mutator gene）：能大幅度提高特殊座位突变频率的基因。n 转座子（trasposon）：能转移位置并可插入别的基因内而引起相关基因突变的DNA片段。1.6 反向遗传学通过DNA重组等技术有目的地、精确定位地改造基因的精细结构以确定这些变化对表型性状的直接影响。由于这一认知路线与与经典遗传学刚好相反，因此这个新的研究领域作为遗传学的分支学科。1.7 基因新概念一个基因就是能够产生一个RNA分子所必需

13、的DNA片段，包括内含子、启动子、rRNA、tRNA、snRNA等提供遗传信息的DNA片段。2.基因组构成与表达调控n 原核生物基因组结构较为简单，多由单个双链或单链的DNA或RNA分子组成。基因组内绝大多数核苷酸序列用于编码各种多肽以及tRNA、rRNA等，仅少量非编码序列构成调控元件（启动子），每个基因的编码序列一般是连续的，中间无非编码的核苷酸成分。n 真核生物基因组中DNA绝大多数（90）核苷酸序列并不用于编码蛋白质或tRNA、rRNA，真正编码序列只占一小部分，且同一结构基因的编码序列被非编码序列隔开。2.1 原核生物基因表达和调控乳糖操纵子学说 1961 Monod & Jacob

14、大肠杆菌：乳糖操纵子=启动子+操纵基因+结构基因结构基因：- 半乳糖苷酶+透性酶+硫半乳糖苷乙酰转移酶乳糖操纵子是一个自我调节的系统，乳糖在这个系统中起诱导作用。2.2 真核生物基因的表达和调控n 转录水平的调控n 前体RNA的加工n mRNA穿越核膜运输的控制n 细胞质中mRNA的稳定性调节 n mRNA的选择性翻译n 蛋白质产物的修饰、折叠与活化。转录调控：细胞通过控制基因转录mRNA的拷贝数来调控基因的产物。例如，红细胞中组成血红蛋白的和 多肽的基因快速、大量地转录，产生大量的mRNA分子，形成大量的血红蛋白分子。其他任何一个细胞都有这些基因，但不转录。转录后调控：有些mRNA在从细胞核

15、内输送到细胞质中翻译之前必须经过化学修饰。没有经过修饰的mRNA与核糖体不能结合，因而就不能翻译成为蛋白质。翻译调控：细胞通过限制核糖体与mRNA的结合或限制多肽链的生长来调节mRNA的翻译速率。翻译后调控：对于一些特殊功能的蛋白质还有翻译后的修饰。多肽链上的一些氨基酸要去掉，或加上其他一些化学基团如糖类、磷酸基团等。例如胰腺最初产生的消化酶（糜蛋白酶原）没有活性，糜蛋白酶原离开胰腺进入小肠后，被其他酶裂解，去掉一部分氨基酸，便成为分解蛋白质的有活性的糜蛋白酶。这种机制有效地限制了糜蛋白酶对自身内脏的分解活性，防止糜蛋白酶对胰腺自身的消化。蛋白质活性调控：环境因子会影响酶的功效。例如生物合成途

16、径中的最终产物通过与途径中早期的酶结合，降低合成活性。l 真核生物基因组的结构特点：n 单一序列（unique sequence）：整个基因组中只有唯一一份拷贝的某些核苷酸序列，包括编码蛋白质和酶的结构基因以及非编码的单拷贝单一序列的基因间隔，约占整个基因组的45。n 重复序列（repetitive sequence）：整个基因组由重复排列的核苷酸序列组成，约占基因组的55。可分为高度重复序列、中度重复序列等。n 多基因家族：指一类结构与功能相似或相关的基因群，被通称为多基因家族或基因家族。这些成员的核苷酸序列组成十分相似，具同源性，一般认为由同一祖基因重复演化而来。多基因家族的比较类 别特

17、征代 表基因族呈串联重复排列rRNA、tRNA、组蛋白基因分散型分布于染色体的不同部位甚至不同染色体上干扰素基因家族、生长激素基因家族、热休克蛋白基因家族n 基因表达的调控基因的表达受到细胞内外环境因素的影响。因此，正当的表达并非自发过程，必须接受并传递有关指令至核内，开启特定的功能相关基因，触发其同步表达。协调表达的机制可能与功能相关基因群中各个成员都存在某些特定核苷酸序列组成的调控元件有关。真核基因的转录首先受顺式作用元件（cis acting element）的调节。顺式作用元件包括：n 启动子：RNA聚合酶附着到DNA特定碱基序列。n 增强子：约由100200个特定非编码核苷酸序列构成

18、，能作用于启动子大大提高转录速率。n 沉寂子：对基因表达起抑制作用。顺式作用元件的功能常受到调控蛋白的影响，这些调控蛋白即为反式作用因子（trans acting factor），包括以下3大类：n 螺旋转角螺旋结构域n 锌指结构域n 亮氨酸拉链结构域2.3 基因的可塑性n 基因扩增：如在卵母细胞中基因的増扩能产生并储存大量的核糖体，以满足受精后大量合成蛋白质的需求；n 基因丢失：如某些昆虫的体细胞选择性地丢失某些基因或染色体；n DNA甲基化：如在DNA的含碱基尤其是胞嘧啶上加接1个甲基（甲基化），可直接参与某些基因的活性调节；n DNA片段的重排：2.4发育的遗传控制多细胞生物体均来自一个

19、受精卵的分裂、分化和发育。不仅某些物种或者某些细胞的基因组具有可塑性外，绝大多数分化细胞的细胞核仍然具有发育的全能性，说明分化细胞核内仍具有正常发育的全套遗传信息。l 果蝇的图式形成果蝇在胚胎发育中逐渐分化出前后、背腹等空间极性，是卵巢营养细胞将母体基因型所转录的mRNA释放进入卵母细胞，从而奠定了初始的不对称。果蝇的各种基因转录mRNA扩散至胚胎，致使形态发生变化。如，分节基因、驼背基因、缺口基因等等。l 编程性细胞死亡与发育在发育过程中，有些细胞发生自杀式死亡，这种死亡受遗传程序控制，称为编程性细胞死亡（programmed cell death，PCD）或凋亡（apoptosis）。凋亡

20、是适应发育需要而有计划的死亡。坏死细胞把凋亡细胞的表现形式不同，前者首先出现肿胀而后爆裂并释放出内含物，后者罚出现细胞收缩和染色质浓缩，最终碎裂并被周围细胞吸收。编程性细胞死亡的遗传控制首先在线虫（Nematode）的研究中取得突破。线虫作为研究材料的最大优点是线虫的体细胞数量少，而且一生恒定。研究发现线虫程序性死亡主要受到3个基因的控制，其中ced-3、ced-4编码细胞死亡程序，ced-9抑制前两个基因的的作用。附：可诱导细胞凋亡的因子l 物理性因子:包括射线（紫外线，g 射线等），较温和的温度刺激（如热激，冷激）等。l 化学及生物因子：包括活性氧基团和分子，DNA和蛋白质合成的抑制剂，激素，细胞生长因子，肿瘤坏死因子a（TNFa）等。l 基因表达与癌癌症(恶性肿瘤）是细胞生长、分裂失控引起的疾病。癌几乎能发生任何组织器官。通过逆转录病毒的研究，发现癌的形成与遗传基因相互关系的例证。根据癌症发生的部位可分为：l 凡是上皮组织形成的恶性肿瘤，被称为“癌”；l 凡是中胚层组织形成的恶性肿瘤，称为“肉瘤”。l 癌基因（Oncogenes,Onc）：最初是从病毒基因组中发现的，能使感染病毒的细胞致