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1、第1章 微生物的遗传物质,第一节 证明遗传物质是DNA(或RNA)的经典实验 第二节 DNA的结构和复制 第三节 原核生物的染色体及其复制 第四节 真核生物染色体及其复制 第五节 基因结构和基因组,第一节 证明遗传物质是DNA（RNA）的三个经典试验,细菌的转化 噬菌体感染实验 病毒重建实验,1、细菌的转化实验,1928, 英国Griffith, Streptococcus penumoniae,Griffith认为,加热杀死的S型菌中存在某种能使活的R型菌转变成S型菌的因子,并把此因子称为转化因子.,这种一种生物由于接受了另一种生物的遗传物质而表现出后者的遗传性状,或发生遗传性状改变的现象叫
2、做转化.,结论:转化因子是DNA,Avery等的转化实验,2、噬菌体感染实验,1952，Hershey & Chase, T2噬菌体,结论：在感染过程中，噬菌体的DNA进入细菌细胞中，它的蛋白质外壳并不进入细胞中去。,推论：决定T2噬菌体的蛋白质外壳的遗传信息的携带者是DNA,3、病毒重建实验,1956，Fraenkel-Corat, Tobacco mosaic virus, TMV,结论：RNA是TMV的遗传物质,第二节 DNA的结构和复制,一、DNA的结构,一 级 结 构,二 级 结 构,DNA Double Helix model,Watson & Crick, 1953,3.4nm,
3、B-DNA是在有碱金属存在及92%湿度条件下,经X光衍射分析得到的.,A-DNA是在75%湿度条件下 DNA纤维通过X光衍射分析得到的.,右手双螺旋结构,1979年,发现了左手双螺旋DNA,称为Z-DNA是由两条反向平行的多聚核苷酸相连而成的. Z-DNA可能在基因表达调控中起作用,但确切的生物学功能尚待研究.,三 级 结 构,E. coli 的染色体长度1mm,比其细胞本身长1000倍,所以一定存在着超螺旋结构;在真核生物中核小体的形成引入负超螺旋,在细菌和古细菌中是DNA回旋酶引起超螺旋.,DNA的不同形式有： 环状和线状,通常细菌的染色体DNA，质粒DNA，以及真核生物的线粒体DNA和叶
4、绿体DNA为环状,二、DNA的复制特点和几种主要的复制方式,1. 基 本 概 念 ( Basic Concept ),Watson & Crick: 一种遗传物质，必须能行使两种 功能，即自我复制和对细胞的高 度特异性的影响,遗传物质的基本属性：基因的自我复制 基因的突变可以控制性状的表达,DNA复制 亲代双链DNA分子在DNA聚合酶的作用下，分别以 每单链 DNA分子为模板，聚合与自身碱基可以互补 配对的游离的dNTP, 合成出两条与亲代DNA分子完 全相同的子代DNA分子的过程。, Replicon;, Replisome;,每一个复制起点及其复制区称为一个复制单位,The multi p
5、rotein (30) structure that assembles at replicating fork to undertake synthesis of DNA,复制机理的复杂性,DNA复制起始控制机理知之甚少,原核生物的复制起点（Origin of replication ，简称ori）例如，E.coli 的oriC，长度为245bp,真核生物多个复制起点，例如酿酒酵母，约有400个复制起点（autonomously replicatory sequence，ARS），每个长度为100-200bp。,2. 复制起点与方向（replication origin & directio
6、n ）,isolation of ori,rich AT & palindrom Enzymes binding site,300 bp in replication origin 0f Prokaryote,复制起点的特征,“呼吸现象”,DNA复制原点处氢键迅速断裂与再生， 导致两条DNA链不断解链与聚合， 形成瞬间的单泡状结构的过程。 在富含AT的区域内尤为明显,子链DNA延伸方向,DNA polymerase reacts on the 3 end only,New DNA elongation from 5 to 3 direction,进化中保留 的深刻的、 选择与适应 的、化学及
7、功能的根源,如果DNA的延伸方向是 3 5,因能量的需要， DNA的5 端必须带有PPP,游离dNTP具有ppp,碱基发生错配后的校正,费时、费能、增加脱磷酸、加磷酸的能量消耗,pp,3. DNA的半保留复制 （Semi-Conservation Replication）,Three replication hypotheses,半不连续复制 （semi-discontinuous replication）,后随链,前导链,5,3,3,5,3,5,5,3,4. DNA复制的方式 (DNA replication model), 型复制,1963年，Cairns根据E.coli的环状染色体复制的
8、中间产物自显影实验提出的。形状象 “ ”,滚环方式,D.S. DNA, Nick,Elongation, rolling,合成互补链，形成双链,A蛋白识别起点，产生切口,polIII催化延长,正链环化,形成双链结构,产生A蛋白,识别复制起点, 置换式 或 D-Loop （Displacement form）,D.S. DNA,In mitochondrial DNA also in chloroplasm DNA, S.S. DNA as template, New S.S. DNA, Displacement, D-Loop,重链复制,D-环延伸,形成D-环,轻链开始复制,重链复制完成,轻链
9、正在复制,轻链复制完成,封闭新合成链上的缺口,第三节 原核生物的染色体及其复制,原核生物染色体,环状双链DNA分子存在于细胞内相对集中的区域，成为拟核。无核膜。 习惯上把原核生物的DNA分子也称为染色体。,一、原核生物染色体的数目和大小,E.coli有1条环状染色体，4.7Mb B.subtilis有1条环状染色体，4.2Mb Agrobacterium tumefaciens有1条线性染色体，2.1Mb；1条环状染色体，3.0Mb。,二、细菌染色体的结构,参与DNA折叠的蛋白质类组蛋白与DNA结合后，帮助DNA进行高度折叠，除类组蛋白外，DNA还与其他蛋白质相结合。如与复制、转录和加工有关的
10、蛋白质结合在一起，这样，其环状染色体DNA以紧密缠绕的、致密的、不规则小体形式存在，该小体即是拟核。电镜下呈圆形或椭圆形。,拟核：,三、细菌染色体的复制,细菌的复制基因与酶类,Initiate genes,dna B prepriming 300kd 20 copies/cell hexamer,RNApol primase for leading S.,dna C acts with dnaB 25kd,dna G primase for lagging S. 60kd 25 (Okazaki fragment ) monomer,SSB Binding with S.S.DNA 74kd
11、300 Prevents from anneal monomer,Elongate genes,dnaE DNA polymerase III() 140kd 20,dnaZ DNA polymerase III() 52kd 20,polA DNA polymerase I 109kd 400,polB DNA polymerase II 90-120kd 100,Topoisomerase,topA TopI (swivelase),100kd,superhelix D.S.helix,Topoisomerase,Topoisomerase,rep Relaxed protein (Hel
12、icase) D.S. DNA S.S. DNA,lig Ligase,b) DNA聚合酶 （DNA polymerase）,Prokaryote,I polA 109KD 3-5和5-3外切酶活性 切除RNA引物和参与后随链合成中的缺口填充反应,II polB 3-5外切酶活性,III 10种不同的亚基组成 核心酶和全酶,Top I , Top II,Helicase (rep protein),Single Strand Binding protein (SSB),Helix destabilizing protein (HDP),DnaB protein,DnaC protein,Pri
13、mase,Ung-ase,DNA Polymerase III,DNA Polymerase I,Ligase,for primosome,复 制 体,位于复制叉处的多酶复合体 完成 lagging Strand DNA延伸时,必须快速从一个冈崎片段移到另一冈崎片段,In lagging Strand 多酶系统 必须完成多次反复的启动与扩展 E.coli 启动20004000次的冈崎片段复制,Replisome model,复制起点,大肠杆菌染色体复制起点oriC 的结构,DNA复制过程,链的生长原理,起始阶段:,识别oriC,起始阶段:,双链分开,起始阶段:,引物的合成,延伸阶段:,The
14、termination of DNA replication,E.coli (单起点双方向),两复制叉的相遇处具有多个终止位点(不是复制叉简单相遇） terE, D, A terF, C, B (22bp保守区),F,B,Terminus Utilization Substance（TUS 36kd）,终止阶段:,terE, D, A 仅对反时针方向的复制叉具有终止效应 terF, B, C 仅对顺时针方向的复制叉具有终止效应,四、细菌染色体的分离机制,第五节 基因结构和基因组,基因结构和基因概念的发展 基因组学 大肠杆菌的基因组 X174噬菌体的基因组 真核生物的基因组及其特点,原核基因结构
15、:-35,-10区的特征,真核基因结构:增强子,外显子,内含子,一、基因结构和基因概念,基本概念,gene promoter ORF terminator,Intron exon TATA box CAAT box Enhancer silencer,overlapping gene split gene pseudogene movable gene,二、基因组学,基因组的大小: 病毒103bp 原核生物106bp 真核生物109bp,基因组:单倍体细胞核内整套染色体所含的DNA分子及其所携带的全部基因,Map of the Mycoplasma genitalium genome,Map
16、of the Haemophilus influenzae genome,基因组学的发展,E. coli 的基因组,转录单元:由启动子,结构基因和终止子组成的一段DNA顺序. 操纵子:功能上相关联的几个结构基因前后相连,利用一个共同的启动子和终止子,这种转录单元被称为操纵子.,X174噬菌体的基因组,真核生物的基因组及其特点,基因组的分子量大 真核生物有很多条染色体，一般呈线性 核基因组DNA存在于细胞核内 基因组有大量不编码蛋白质的序列 真核生物的蛋白质编码基因往往以单拷贝形式存在,非重复序列（单一序列） 中度重复序列 高度重复序列（卫星DNA）,真核生物基因组中的DNA序列特征:,基因家族
17、:真核生物基因组中存在的许多来源相同、结构相似、功能相关的一组基因。 基因簇：有些基因家族的成员紧密排列成大段的串联重复单位，定位于染色体上的特殊区域。,DNA 一 级 结 构 分 析 （DNA sequencing ）,The Nobel Prize in Chemistry 1980 “for their contributions concerning the determination of base sequences in nucleic acids“,全基因组测序举例 Haemophilus influenzae,复习题,工业微生物菌种的特点。 简述微生物遗传育种发展简史。 证明遗传物质是DNA/RNA的实验是什么？ 说明DNA的三级结构。 阐述DNA复制方式。 总结本章基本概念。,