第三章遗传信息的传递.ppt

《第三章遗传信息的传递.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章遗传信息的传递.ppt（59页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、1,第三章 遗传信息的传递,DNA的复制 DNA的转录 蛋白质的生物合成 基因的结构特征 基因表达调控,2,第一节 DNA的复制,DNA的复制：指以亲代DNA分子为模板合成一个新的与亲代模板结构相同的子代DNA分子的过程。 复制叉 细菌DNA复制 真核生物DNA复制,3,DNA半保留复制,4,DNA半保留复制实验（M. Meselson和F. Stahl，1958年 ）,5,DNA的半不连续复制,6,DNA复制所需的酶和蛋白质,DNA聚合酶 引发酶 引发DNA合成的起始 DNA连接酶 将冈崎片段连接合成一条完整的互补链 拓扑异构酶 将单、双链的线状或环状DNA分子进行扑交换的一种酶，拓扑异构酶

2、、拓扑异构酶 解链酶 DNA双分子解开作为复制的模板 单链结合蛋白 与解链的DNA 单链结合，使其不回复双链状态，且保护DNA不被水解,7,DNA聚合酶,原核生物DNA聚合酶 DNA聚合酶（Kornberg酶）： 5 3聚合酶活性 35外切酶活性 5 3外切酶活性 DNA聚合酶 5 3聚合酶活性 35外切酶活性,8,真核生物DNA聚合酶,9,三、DNA复制一般过程,10,四 原核生物和真核生物DNA的复制特点,复制的起点和速率 原核生物只有一个复制起点，真核生物的染色体具有多个复制起点 在原核生物中，第一轮复制尚未结束前，第二轮复制又从复制起点开始了；真核生物，第一轮复制结束后第二轮才开始，原

3、核生物复制起点可以连续发动复制，真核生物则不能 原核生物与真核生物均为双向复制,11,四 原核生物和真核生物DNA合成的区别,12,第二节 DNA的转录,转录是以DNA为模板，在RNA聚合酶的作用下合成RNA的过程 转录起始 RNA链的延伸 RNA链的合成终止及释放,13,RNA聚合酶,大肠杆菌RNA聚合酶 真核生物RNA聚合酶,14,大肠杆菌RNA聚合酶,(2) 核心酶 全酶 :无催化作用，识别启动子，参与转录的起始 功能 选择模板链，识别起始区的启动子 解开DNA部分双螺旋链，产生长约17bp的单链DNA模板 选择正确的rNTP底物并催化形成磷酸二酯键，使合成的RNA链不断延伸 能识别转录

4、终止信号（termination signal），停止转录,15,真核生物RNA聚合酶,16,基因转录的一般过程,17,真核生物mRNA的加工（自学）,mRNA5端加帽 mRNA3端加多聚腺苷酸(polyA) mRNA的剪接,18,第三节 蛋白质的生物合成,翻译(translation)：从DNA到蛋白质的遗传信息传递过程中，贮存于DNA中的遗传信息通过转录表达为mRNA中的核苷酸序列信息，再从mRNA上的核苷酸到多肽链上的氨基酸，遗传信息的传递好象从一种语言到另一种语言，因此将蛋白质合成的过程称为翻译。 蛋白质合成的主要元件 核糖体：核糖体是蛋白质的合成场所 mRNA：携带遗传信息，蛋白质合

5、成的直接模板 tRNA：负责转运特异性氨基酸进行蛋白质生物合成,19,遗传密码,mRNA与蛋白质之间的关系是通过遗传密码的翻译实现的 ，每3个相邻核苷酸组成1个三联体密码，编码一种氨基酸 三联体 连续性 通用性 兼并性 起始密码：AUG 终止密码：UAA、UAG、UGA,20,21,核糖体的结构和功能,真核生物核糖体：60S、40S 原核生物核糖体：50S、30S 核糖体是蛋白质合成的场所 翻译功能区：肽链合成的场所，占据了核糖体的2/3 mRNA结合位点 肽基tRNA和甲酰甲硫氨酸tRNA结合位点(P位点) 氨酰tRNA结合位点(A位点) 肽链延伸辅助因子EF-Tu和EF-G的结合位点，EF

6、-Tu起着协助氨酰tRNA进入核糖体的作用，而EF-G负责核糖体的转位反应 肽基转移酶活性位点，肽基转移酶负责在肽链合成中将位于P位点的肽基tRNA的肽链转移到位于A位点的氨酰tRNA上 5SrRNA结合位点以及结合脱酰tRNA的E位点等 出口功能区(exit domain):多肽的出口，核糖体通过这个区域附着在膜上,22,蛋白质生物合成的过程,合成的起始：核糖体大小亚基、tRNA和mRNA在起始因子的协助下组合成起始复合物的过程 肽链的延伸 进位：氨基酰-tRNA进入核糖体的A位 肽链形成：氨基酰-tRNA进位后，在转肽酶的催化下，P位的肽基-tRNA的肽链转移到A位的氨基酰- tRN A的

7、氨基上，从而形成肽键 移位：肽键形成后，核糖体沿mRNA向3方向移动一个密码子的距离。 翻译的终止：终止密码子进入A位，标志着翻译的结束,23,蛋白质生物合成的过程,24,中 心 法 则,25,第四节 基因的结构特征,基因的概念发展 基因的一般结构特征 真核生物基因组的特点,26,基因的概念发展,基因概念的演变 1865年，孟德尔，颗粒性遗传因子 1909年， Johannsen，更名为“基因” 1910， Morgan等，基因存在于染色体上，线性排列 1926年，Morgan等,“三位一体”：结构单位、功能单位、突变单位和交换单位 Avery （1944年）、Hershey和Chase （1

8、952年）证明DNA是遗传物质,27,基因功能的研究,1908年，Garrod：one mutant gene-one metabolic block， Early evidence that enzymes are controlled by genes 1941年，Beadle and Tatam: One gene-one enzyme One gene-one polypeptide The products of gene are protein, tRNA and rRNA,28,基因精细结构的研究,1957年，Benzer：顺反子学说，基因是DNA分子上一个决定一条多肽链的完整功

9、能单位，内部是可分的，包含多个突变和重组单位。 1961年，Jacob等：操纵子模型学说，功能上相关的结构基因在染色体上往往紧密联系在一起 1977年，Sharp等发现断裂基因 1978年，Sanger发现了重叠基因,29,现代基因的概念,基因：是有功能的DNA片段，含有合成有功能的蛋白质多肽链或RNA所必需的全部核苷酸序列，是遗传的结构和功能单位。,30,基因的一般结构特征,外显子和内含子 信号肽序列 侧翼序列和调控序列,31,基因的一般结构特征,（一）外显子和内含子 原核生物的基因是DNA分子的一个片段，连续编码；真核生物的结构编码序列往往是不连续的，被非编码序列隔开。编码序列称为外显子，

10、非编码序列称为内含子。 GT-AG法则：每个内含子的5端起始的两个核苷酸都是GT，3端末尾的两个核苷酸都是AG，这就是RNA剪接的信号，这种接头形式被称之为GT-AG法则。 开放阅读框(open reading frame) ：结构基因内从起始密码子开始到终止密码子的一段核苷酸区域，其间不存在任何终止密码，可编码完整的多肽链，这一区域被称为开放阅读框。,32,基因的一般结构特征,（二）信号肽序列 在分泌蛋白基因的编码序列中，起始密码子之后，有一段编码富含疏水氨基酸多肽的序列，称为信号肽序列(Signal peptide sequence)。它所编码的信号肽行使着运输蛋白质的功能。,33,基因的

11、一般结构特征,（三）侧翼序列和调控序列 侧翼序列(flanking sequence)：每个结构基因在第一个和最后一个外显子的外侧，都有一段不被转录的非编码区。 5 非翻译区（5-untranslated region 5-UTR）：从转录起始位点至起始密码子的一段非翻译区。 3 非翻译区（3-untranslated region 3-UTR）：从终子密码子至转录终止的一段非翻译区。 调控序列(regulator sequence)，对基因的有效表达起着调控作用的特殊序列，包括启动子，增强子，终止子，核糖体结合位点，加帽和加尾信号等。,34,调控序列,启动子：是指准确而有效地启始基因转录所需

12、的一段特异的核苷酸序列。TATA框、CAAT框、GC框 增强子和沉默子 增强子：使启动子发动转录的能力加强，具有组织特异性和细胞特异性。 沉默子：是另一种与基因表达有关的调控序列，通过与蛋白的结合，对转录起阻抑作用。 终止子 ：一段位于基因3端非编码区中与终止转录过程有关的序列，它由一段富含GC碱基的颠倒重复序列以及寡聚T组成，是RNA聚合酶停止工作的信号。 加尾信号 真核生物mRNA的3端都有一段多聚A尾巴(polyA tail)，它不是由基因编码，而是在转录后通过多聚腺苷酸聚合酶作用加到mRNA上的。这个加尾过程受基因3端非编码区中一种叫做加尾信号序列的控制。 核糖体结合位点 在原核生物基

13、因翻译起始位点周围有一组特殊的序列，控制着基因的翻译过程，SD序列是其中主要的一种。,35,Gene structure,(a) Typical prokaryotic gene,36,真核生物基因的一般结构示意图,37,(b)Typical eukaryotic gene,Gene structure,38,三、真核生物基因组的特点,基因组与C值 单一序列 重复序列 高度重复序列 中度重复序列 基因家族和假基因,39,（一）基因组与C值,基因组(Genome)：一个物种单倍体的染色体所携带的一整套基因。 C值(C value)：该物种的每一种生物中其单倍体基因组的DNA总量是特异的，被称为C

14、值。不同物种的C值差异极大。,40,（二）单一序列,单一序列(unique sequence)又称非重复序列(nonrepetitive sequence)，指在基因组中只有一个或几个拷贝的DNA序列。 原核生物除了短片段的反向重复序列以及18S，28S，5S rRNA和tRNA基因外，皆为单一序列 真核生物单一序列所占的比例为40%-70%，动物基因组中将近50%DNA是单一序列，真核基因组中大多数结构基因是单拷贝的，如果蝇的4-微管蛋白(tubulin)基因，鸡的2I型胶原蛋白(collagen)基因，卵清蛋白基因以及蚕的丝心蛋白，血红蛋白和珠蛋白基因等,41,（三）重复序列,中度重复序列

15、 中度重复序列在真核生物基因组中占25%-40%，分散地分布于整个基因组的不同部位。根据重复单位的片段长度和拷贝数的不同，中度重复序列可分为二种类型：短分散重复序列 (SINEs)，长分散重复序列(LINEs)。 SINEs的重复单位的长度为300-500bp，拷贝数可达105以上。如Alu家族(Alu family)是人类及哺乳动物基因组中十分典型的短分散重复序列 LINEs的重复单位长度为5000-7000bp，重复次数为102-105次。例如人类的Kpn I家族(Kpn I family)和哺乳动物的LINE1家族。,42,2高度重复序列,高度重复序列：就是在基因组中存在大量拷贝的序列，

16、其重复次数高达106-108。 （通常这些序列是由很短的碱基组成的，长度为2-200bp。 卫星DNA(satellite DNA)：有些高度重复序列常含有异常高或低的GC含量，当基因组DNA被切断成数百个碱基对的片段进行氯化铯密度梯度超离心时，这些重复序列片段常在主要DNA带的前面或后面形成一个次要的DNA区带，这些小的区带就象卫星一样围绕着DNA主带。 可变数目串联重复序列(variable number tandem repeats，VNTR)：在卫星DNA中有一类以少数核苷酸为单位多次串联重复的DNA序列，以6-25个核苷酸为核心序列(core sequence)的串联重复序列称为小卫

17、星DNA，以2-6个核苷酸串联重复序列称为微卫星DNA。,43,小鼠DNA经CsCl密度梯度离心显示出主带和卫星DNA带,44,（四）基因家族和假基因,基因家族(gene family):真核生物基因组中有许多来源相同，结构相似，功能相关的基因，一组基因称为一个基因家族。 基因簇(gene cluster)：一个基因家族的基因成员紧密连锁，成簇状集中排列在同一条染色体的某一区域。 假基因(pseudogene) ：在多基因家族中，某些成员并不产生有功能的基因产物，但在结构和DNA序列上与相应的活性基因具有相似性。 例如珠蛋白基因簇中有假基因和，其中一个是由于移码突变或者终止密码子突变而不能表达

18、，而且缺少两个内含子；另一个假基因由于碱基突变不能产生有功能的蛋白质。,45,基因作用与性状表达,基因（DNA） 转录 mRNA 翻译 蛋白质 酶（蛋白质） （直接） 某种物质 性状表达（可见） （间接）,46,47,第五节 基因表达的调控,原核生物基因调控的模式 真核生物的基因调控,48,我们可以把某种生物的遗传密码比作一本密码字典，每个细胞都有这本字典。每个细胞中的密码并不全部译出，而是各取所需，不同细胞密码不同，同一细胞在不同的发育时期也译出不同的密码,49,基因作用的调控机理相当复杂，原核生物有原核生物调控模式，真核生物有真核生物的调控模式。,50,原核生物基因调控的模式,以大肠杆菌为

19、例 能利用乳糖作为唯一碳源,51,乳糖代谢需要三种酶： （lacZ)-半乳糖苷酶：乳糖半乳糖和葡萄糖。 （lacY)渗透酶：增加糖的渗透，促进乳糖进入细胞 （lacA)转乙酰酶：机理不明 在培养基上加入乳糖，以上三种酶大量增加，乳糖用完，这三种酶的合成停止。,实验,52,乳糖操纵子模型（Jacob和Monod,1961）,以上三个酶的基因转录受乳糖操纵子（operon）的三个结构基因的控制，主要内容： lacZ、lacY、lacA为三种酶结构基因 o：操纵基因（开关位点） i：调节基因：合成组蛋白（阻遏物） p: 启动基因,基因作用与性状表达,53,当培养基内没有乳糖时，阻遏物接在操纵基因上，

20、关闭操纵子，阻止核糖核酸聚合酶的通过抑制基因的表达关闭 当培养基内加入乳糖，乳糖作为诱导物与阻遏物结合打开操纵子基因表达（图11-24）,54,55,乳糖操纵子的调控机理,56,真核生物的基因调控,与原核生物比较的相同点 转录水平的调控+转录后调控，以转录水平的调控为重要 在真核生物结构基因的是上游和下游（甚至内部）也存在着许多特异的调控成份。,57,真核生物的基因调控,与原核生物比较的不同点 原核染色体是裸露的DNA，染色质结构对基因的表达没有明显的调控。真核的染色质DNA与组蛋白紧密结合形成的核小体，染色质结构对基因的调控是明显的。 原核生物中有正调控（乳糖操纵子）和负调控。真核生物迄今已知的主要是正调控，而且一个真核基因通常都有多个调控序列，必须有多个激活物同时特异地结合去才能启动基因的转录,基因作用与性状表达,58,与原核生物比较的不同点 原核生物：转录和翻译是在同一地点同时进行 真核生物：转录在细胞核中进行，翻译在胞质中进行 真核生物：多细胞，不同细胞表达不一样 原核生物：单细胞,真核生物的基因调控,59,重点部分,中心法则 DNA的复制 基因的概念的发展 基因结构与功能 原核生物基因表达的调控 原核生物与真核生物基因表达调控的异同,