現(xiàn)代分子生物學(xué)課件

1、1 第一章第一章 緒論緒論 一一. 基本含義基本含義 一一. 分子生物學(xué)的基本含義分子生物學(xué)的基本含義 是人類從分子水平上研究細胞活動的規(guī)是人類從分子水平上研究細胞活動的規(guī) 律，揭開生命本質(zhì)的一門基礎(chǔ)學(xué)科。律，揭開生命本質(zhì)的一門基礎(chǔ)學(xué)科。 2 第一章第一章 緒論緒論 一一. 基本含義基本含義 - 分子水平分子水平是是指指 攜帶遺傳信息的核酸和在遺傳信息傳遞及細胞內(nèi)、攜帶遺傳信息的核酸和在遺傳信息傳遞及細胞內(nèi)、 細胞間通訊過程中發(fā)揮著重要作用的蛋白質(zhì)等生物細胞間通訊過程中發(fā)揮著重要作用的蛋白質(zhì)等生物 大分子。大分子。 - 分子水平上研究分子水平上研究生命的本質(zhì)生命的本質(zhì)主要是指主要是指 對遺傳、

2、生殖、生長和發(fā)育等生命基本特征的分對遺傳、生殖、生長和發(fā)育等生命基本特征的分 子機理的闡明子機理的闡明, 從而為利用和改造生物奠定理論基從而為利用和改造生物奠定理論基 礎(chǔ)和提供新的手段。礎(chǔ)和提供新的手段。 3 第一章第一章 緒論緒論 一一. 基本含義基本含義 分子生物學(xué)：分子生物學(xué)： 是研究核酸等生物大分子的功能、是研究核酸等生物大分子的功能、 形態(tài)結(jié)構(gòu)特形態(tài)結(jié)構(gòu)特 征及其重要性和規(guī)律性的學(xué)科，是人類從分子征及其重要性和規(guī)律性的學(xué)科，是人類從分子 水平上真正揭開生物世界的奧秘，由被動適應(yīng)水平上真正揭開生物世界的奧秘，由被動適應(yīng) 自然界轉(zhuǎn)向主動地改造和重組自然界的基礎(chǔ)學(xué)自然界轉(zhuǎn)向主動地改造和重組

3、自然界的基礎(chǔ)學(xué) 科。科。 分子生物學(xué)是目前現(xiàn)代生物學(xué)領(lǐng)域里最具有活分子生物學(xué)是目前現(xiàn)代生物學(xué)領(lǐng)域里最具有活 力和發(fā)展最為迅速的學(xué)科之一。力和發(fā)展最為迅速的學(xué)科之一。 4 第一章第一章 緒論緒論 二二. 分子生物學(xué)發(fā)展簡史分子生物學(xué)發(fā)展簡史 二二. . 分子生物學(xué)發(fā)展簡史分子生物學(xué)發(fā)展簡史 分子生物學(xué)的發(fā)展大致可分為兩個階段分子生物學(xué)的發(fā)展大致可分為兩個階段 1. 1. 準備和醞釀階段準備和醞釀階段 1919世紀后期世紀后期-20-20世紀世紀5050年代年代 產(chǎn)生了兩點對生命本質(zhì)的認識上的重大突破產(chǎn)生了兩點對生命本質(zhì)的認識上的重大突破: : 確定了生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)是核酸確定了生物遺傳的物質(zhì)基

4、礎(chǔ)是核酸, 解決了遺解決了遺 傳的物質(zhì)基礎(chǔ)問題。傳的物質(zhì)基礎(chǔ)問題。 確定了蛋白質(zhì)是生命的主要基礎(chǔ)物質(zhì)。確定了蛋白質(zhì)是生命的主要基礎(chǔ)物質(zhì)。 5 第一章第一章 緒論緒論 二二. 分子生物學(xué)發(fā)展簡史分子生物學(xué)發(fā)展簡史 2. 分子生物學(xué)的建立和發(fā)展階段分子生物學(xué)的建立和發(fā)展階段 主要進展主要進展: 50年代提出了年代提出了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型和半保分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型和半保 留復(fù)制機制留復(fù)制機制, 解決了解決了遺傳物質(zhì)的自我復(fù)制和世代交遺傳物質(zhì)的自我復(fù)制和世代交 替問題替問題; 50年代末至年代末至60年代年代, 提出了提出了“中心法則中心法則”和操縱和操縱 子學(xué)說子學(xué)說, 成功地破譯了遺傳密碼

5、成功地破譯了遺傳密碼, 闡明了遺傳信息的闡明了遺傳信息的 流動與表達機制。流動與表達機制。 P. 11 6 第一章第一章 緒論緒論 二二. 分子生物學(xué)發(fā)展簡史分子生物學(xué)發(fā)展簡史 1957 年年, A. Kornberg 在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)了在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)了 DNA 聚合酶聚合酶; 1965 年年, 證明了細菌的抗藥性通常由證明了細菌的抗藥性通常由“質(zhì)粒質(zhì)?！盌NA所決定；所決定； 1967 年年, 第一次發(fā)現(xiàn)第一次發(fā)現(xiàn) DNA 連接酶連接酶; 1970 年年, Smith, Wilcox 和和 Kelley 分離出第一種限制性核酸內(nèi)切分離出第一種限制性核酸內(nèi)切 酶酶, Temin 和和Balt

6、imore 從從RNA腫瘤病毒中發(fā)現(xiàn)反轉(zhuǎn)錄腫瘤病毒中發(fā)現(xiàn)反轉(zhuǎn)錄 酶。酶。 1972-73 年年, Boyer, Berg等人發(fā)等人發(fā)明了明了DNA重組技術(shù)重組技術(shù), 1972年獲得第一個重組年獲得第一個重組 DNA 分子；分子； 1973年完成第一例細菌基因克隆。年完成第一例細菌基因克隆。 1978年年, 首次在大腸桿菌中生產(chǎn)由人工合成基因表達的人腦激首次在大腸桿菌中生產(chǎn)由人工合成基因表達的人腦激 素和人胰島素。素和人胰島素。 7 第一章第一章 緒論緒論 二二. 分子生物學(xué)發(fā)展簡史分子生物學(xué)發(fā)展簡史 1981年年, Palmiter和和Brinster 獲得轉(zhuǎn)基小鼠獲得轉(zhuǎn)基小鼠, Spradl

7、iing和和Rubin得到轉(zhuǎn)基因果蠅。得到轉(zhuǎn)基因果蠅。 1982年年, 美、英批準使用第一例基因工程藥物美、英批準使用第一例基因工程藥物胰島素。胰島素。 1983年年, 獲得第一例轉(zhuǎn)基因植物。獲得第一例轉(zhuǎn)基因植物。 1994年年, 第一批基因工程西紅柿在美國上市。第一批基因工程西紅柿在美國上市。 1996年年, 完成了酵母基因組完成了酵母基因組(1.25 107bp)全序列測定。全序列測定。 1997年年, 英國愛丁堡羅斯林研究所獲得克隆羊。英國愛丁堡羅斯林研究所獲得克隆羊。 2000年年, 完成第一個高等植物擬南芥的全序列測定完成第一個高等植物擬南芥的全序列測定 (3.2 108bp)。 2

8、001年年, 完成人類基因組全序列測定完成人類基因組全序列測定(3.5 109bp)。 8 第一章第一章 緒論緒論 二二. 分子生物學(xué)發(fā)展簡史分子生物學(xué)發(fā)展簡史 2002年年, 英、美、德等國的上百位科學(xué)家在英、美、德等國的上百位科學(xué)家在Nature 雜志上聯(lián)合宣布他們成功破譯了小鼠的基因組。雜志上聯(lián)合宣布他們成功破譯了小鼠的基因組。 2004年，年，科學(xué)科學(xué)雜志發(fā)表了中國科學(xué)家的雜志發(fā)表了中國科學(xué)家的家蠶基因組框家蠶基因組框 架圖架圖。 2005年，年， 2005年年8月月11日中、美、日、法等日中、美、日、法等10個國家和地區(qū)個國家和地區(qū) 的科學(xué)家在的科學(xué)家在 Nature 雜志發(fā)表了水稻

9、基因組雜志發(fā)表了水稻基因組“精細精細 圖圖”，覆蓋率達，覆蓋率達95.3。 我國對國際水稻基因組計劃的貢獻率達我國對國際水稻基因組計劃的貢獻率達20。共定。共定 位了位了37,500個基因，還率先在動植物中完成了對著個基因，還率先在動植物中完成了對著 絲粒的測序絲粒的測序 。 9 第一章第一章 緒論緒論 二二. 分子生物學(xué)發(fā)展簡史分子生物學(xué)發(fā)展簡史 2009年，年， 由中國農(nóng)科院蔬菜花卉研究所和深圳華大基因研由中國農(nóng)科院蔬菜花卉研究所和深圳華大基因研 究院領(lǐng)銜、究院領(lǐng)銜、14國科學(xué)家組成的國際馬鈴薯基因組國科學(xué)家組成的國際馬鈴薯基因組 測序協(xié)作組，分別在北京、阿姆斯特丹、倫敦、測序協(xié)作組，分別

10、在北京、阿姆斯特丹、倫敦、 紐約、利馬等地同時宣布：紐約、利馬等地同時宣布： 馬鈴薯基因組序列框架圖完成馬鈴薯基因組序列框架圖完成 馬鈴薯基因組有馬鈴薯基因組有12條染色體、條染色體、8.4億個堿基對億個堿基對 該框架圖覆蓋了該框架圖覆蓋了: 馬鈴薯馬鈴薯95以上的基因以上的基因 共發(fā)現(xiàn)共發(fā)現(xiàn)3.5萬多個基因萬多個基因 10 第一章第一章 緒論緒論 二二. 分子生物學(xué)發(fā)展簡史分子生物學(xué)發(fā)展簡史 2009年，年， 中國頒發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的中國頒發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的: 一個轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米品種一個轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米品種 生產(chǎn)應(yīng)用安全證書生產(chǎn)應(yīng)用安全證書 兩個轉(zhuǎn)抗蟲基因水稻品種兩個轉(zhuǎn)抗蟲基因水稻

11、品種 11 第一章第一章 緒論緒論 二二. 分子生物學(xué)發(fā)展簡史分子生物學(xué)發(fā)展簡史 轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米: 可以提高飼料的利用效率，減少飼料中磷酸氫可以提高飼料的利用效率，減少飼料中磷酸氫 鈣的添加量，降低飼養(yǎng)成本；減少動物糞、尿中植鈣的添加量，降低飼養(yǎng)成本；減少動物糞、尿中植 酸磷的排泄，減輕環(huán)境污染，有利于環(huán)境保護酸磷的排泄，減輕環(huán)境污染，有利于環(huán)境保護. 此外，利用農(nóng)業(yè)種植方式生產(chǎn)植酸酶，還具有此外，利用農(nóng)業(yè)種植方式生產(chǎn)植酸酶，還具有 節(jié)能、環(huán)保、低成本的優(yōu)勢。節(jié)能、環(huán)保、低成本的優(yōu)勢。 植酸酶植酸酶: 是催化植酸及其鹽類水解為肌醇與磷酸（鹽）的是催化植酸及其鹽類水解為肌醇與磷

12、酸（鹽）的 一類酶的總稱一類酶的總稱 12 第一章第一章 緒論緒論 二二. 分子生物學(xué)發(fā)展簡史分子生物學(xué)發(fā)展簡史 轉(zhuǎn)抗蟲基因水稻轉(zhuǎn)抗蟲基因水稻: 能有效控制螟蟲等鱗翅目害蟲危害，保障水能有效控制螟蟲等鱗翅目害蟲危害，保障水 稻增產(chǎn)，還能減少稻增產(chǎn)，還能減少80%的化學(xué)農(nóng)藥用量。的化學(xué)農(nóng)藥用量。 13 第一章第一章 緒論緒論 三三. 分子生物學(xué)的主要研究內(nèi)容分子生物學(xué)的主要研究內(nèi)容 分子生物學(xué)的基本原理分子生物學(xué)的基本原理 （p 11) 構(gòu)成生物體各類有機大分子的單體在不同生物中構(gòu)成生物體各類有機大分子的單體在不同生物中 都是相同的。都是相同的。 (2) (2) 生物體內(nèi)一切有機大分子的建成都遵

13、循共同的規(guī)生物體內(nèi)一切有機大分子的建成都遵循共同的規(guī) 則。則。 (3) (3) 某一特定生物體所擁有的核酸及蛋白質(zhì)分子決定某一特定生物體所擁有的核酸及蛋白質(zhì)分子決定 了它的屬性。了它的屬性。 14 第一章第一章 緒論緒論 三三. 主要研究內(nèi)容主要研究內(nèi)容 2.2. 主要研究內(nèi)容主要研究內(nèi)容 (1(1） DNA重組技術(shù)重組技術(shù) （2）基因表達調(diào)控研究）基因表達調(diào)控研究 （3 3）結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)）結(jié)構(gòu)分子生物學(xué) （4）基因組、功基因組與生物信息學(xué)研究）基因組、功基因組與生物信息學(xué)研究 15 分子生物學(xué)的研究內(nèi)容分子生物學(xué)的研究內(nèi)容 DNA重組技術(shù)重組技術(shù) （1）DNA 重組技術(shù)（重組技術(shù)（基因工程

14、基因工程/遺傳工程遺傳工程/基因操作基因操作/基因克隆基因克隆/分子克隆分子克?。?在體外將不同的在體外將不同的 DNA 片段片段 (整個基因或基因的整個基因或基因的 一個部分一個部分) 按照人們的設(shè)計定向連接起來后，轉(zhuǎn)入按照人們的設(shè)計定向連接起來后，轉(zhuǎn)入 特定的受體細胞，使重組基因在受體細胞中與載體特定的受體細胞，使重組基因在受體細胞中與載體 同時復(fù)制并得到表達，從而賦予生物體新的遺傳特同時復(fù)制并得到表達，從而賦予生物體新的遺傳特 性性, 創(chuàng)造出更符合人們需要的新的生物類型和生物創(chuàng)造出更符合人們需要的新的生物類型和生物 產(chǎn)品。產(chǎn)品。 基因（基因（gene）：）： 產(chǎn)生一條多肽鏈或功能產(chǎn)生一條

15、多肽鏈或功能RNA所需要的全部所需要的全部DNA序列序列. 16 G AATTC CTTAA G SV40 G AATTC CTTAA G SV40病毒病毒DNA 噬菌體噬菌體DNA EcoR I DNA ligase 連接連接 SV40 GAATTC CTTAAG SV40 DNA GAATTC CTTAAG DNA VS40 GAATTC CTTAAG GAATTC CTTAAG SV40 5 3 5 3 切割切割 圖圖: SV40 病毒病毒DNA 和和 噬菌體噬菌體 DNA 的重組的重組 例1: 例2: 17 分子生物學(xué)的研究內(nèi)容分子生物學(xué)的研究內(nèi)容 DNA重組技術(shù)重組技術(shù) DNA重組操

16、作主要包括重組操作主要包括: DNA (基因組和質(zhì)粒DNA) 提取和純化 PCR (聚合酶鏈反應(yīng)) 基因擴增 DNA聚合酶 DNA分子切割 限制性內(nèi)切酶限制性內(nèi)切酶 DNA片段與載體載體連接 DNA連接酶連接酶 DNA凝膠電泳 細胞轉(zhuǎn)化及重組子的篩選與鑒定等 18 分子生物學(xué)的研究內(nèi)容分子生物學(xué)的研究內(nèi)容 DNA重組技術(shù)重組技術(shù) 三大基本工具三大基本工具: “分子手術(shù)刀” 限制性核酸內(nèi)切酶 “分子縫合針” DNA連接酶 “分子運輸車” 基因進入受體細胞的載 體 19 分子生物學(xué)的研究內(nèi)容分子生物學(xué)的研究內(nèi)容 DNA重組技術(shù)重組技術(shù) DNA 重組技術(shù)應(yīng)用前景重組技術(shù)應(yīng)用前景 可用來進行基因功能的

17、研究。如利用 反義技術(shù)、 RNA干擾等技術(shù)。 可用于定向改造某些生物的基因組結(jié)構(gòu)。如：轉(zhuǎn) 基因Bt抗蟲棉，將蘇云金芽孢桿菌編碼Bt毒蛋白 的抗蟲基因轉(zhuǎn)入棉花后獲得的。 可用于大量生產(chǎn)某些在正常細胞代謝中產(chǎn)量很低或 不能 產(chǎn)生的多肽，如激素、抗生素、酶類和抗體 等，提高產(chǎn)量，降低成本。 20 分子生物學(xué)的研究內(nèi)容分子生物學(xué)的研究內(nèi)容 基因表達調(diào)控研究 基因表達基因表達 (gene expression): 從從DNA到蛋白質(zhì)或功能到蛋白質(zhì)或功能RNA的過程被稱為基因表達。的過程被稱為基因表達。 實質(zhì)上就是遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯實質(zhì)上就是遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯 基因表達調(diào)控基因表達調(diào)控(gene re

18、gulation)： 對基因表達過程的調(diào)節(jié)就稱為基因表達的調(diào)控。對基因表達過程的調(diào)節(jié)就稱為基因表達的調(diào)控。 (2) 基因表達調(diào)控研究基因表達調(diào)控研究 21 分子生物學(xué)的研究內(nèi)容分子生物學(xué)的研究內(nèi)容 基因表達調(diào)控研究 DNA RNA 反饋(?) 轉(zhuǎn)錄 復(fù) 制 翻譯 蛋白質(zhì) 生理功能 圖圖: 遺傳信息傳遞的遺傳信息傳遞的“中心法則中心法則”示意圖示意圖 （21世紀后修正的世紀后修正的 ） tRNA和rRNA 小RNA （microRNAs） 非編碼RNA （Non-codingRNA） P.11 22 分子生物學(xué)的研究內(nèi)容分子生物學(xué)的研究內(nèi)容 基因表達調(diào)控研究 基因表達調(diào)控類型基因表達調(diào)控類型:

19、時序調(diào)控 (遺傳特性) 區(qū)域調(diào)控 (遺傳特性) 環(huán)境調(diào)控 (內(nèi)外環(huán)境變化) 基因表達過程中的調(diào)控主要發(fā)生在：基因表達過程中的調(diào)控主要發(fā)生在： DNA的轉(zhuǎn)錄水平 ( 原核生物和真核生物) RNA的翻譯水平 (此調(diào)控僅發(fā)生在真核生物的基因表 達中) 23 分子生物學(xué)的研究內(nèi)容分子生物學(xué)的研究內(nèi)容 結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)結(jié)構(gòu)分子生物學(xué) （3）生物大分子的結(jié)構(gòu)功能研究）生物大分子的結(jié)構(gòu)功能研究結(jié)構(gòu)分子結(jié)構(gòu)分子生生物學(xué)物學(xué) 一個生物大分子，無論是核酸、蛋白質(zhì)等在發(fā)揮其生物功一個生物大分子，無論是核酸、蛋白質(zhì)等在發(fā)揮其生物功 能時，必須具備兩個提：能時，必須具備兩個提： 擁有特定的空間結(jié)構(gòu)擁有特定的空間結(jié)構(gòu) （三

20、維結(jié)構(gòu)）；（三維結(jié)構(gòu)）； 發(fā)揮生物學(xué)功能的過程中必定存在著結(jié)構(gòu)和構(gòu)象的變發(fā)揮生物學(xué)功能的過程中必定存在著結(jié)構(gòu)和構(gòu)象的變 化?；?。 24 分子生物學(xué)的研究內(nèi)容分子生物學(xué)的研究內(nèi)容 結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)結(jié)構(gòu)分子生物學(xué) 結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)就是研究生物大分子特定的空間結(jié)結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)就是研究生物大分子特定的空間結(jié) 構(gòu)及結(jié)構(gòu)的運動變化與其生物學(xué)功能關(guān)系的科學(xué)。構(gòu)及結(jié)構(gòu)的運動變化與其生物學(xué)功能關(guān)系的科學(xué)。 主要包括三個研究方向：主要包括三個研究方向： 結(jié)構(gòu)的測定結(jié)構(gòu)的測定 采采用用X射線衍射、二維或多維核磁共振等方法射線衍射、二維或多維核磁共振等方法 結(jié)構(gòu)運動變化規(guī)律的探索結(jié)構(gòu)運動變化規(guī)律的探索 結(jié)構(gòu)與功能相互關(guān)系

21、的建立結(jié)構(gòu)與功能相互關(guān)系的建立 25 分子生物學(xué)的研究內(nèi)容分子生物學(xué)的研究內(nèi)容 基因組、功能基因組與生物信息學(xué)研究 （4）基因組、功基因組與生物信息學(xué)研究）基因組、功基因組與生物信息學(xué)研究 基因組（基因組（genome): 生物有機體的單倍體細胞中的所有DNA，包括 核中的染色體DNA和線粒體、葉綠體等亞細胞器中 的DNA。 P. 456 26 分子生物學(xué)的研究內(nèi)容分子生物學(xué)的研究內(nèi)容 基因組、功能基因組與生物信息學(xué)研究 基因組計劃基因組計劃: 測定基因組序列。 - 人類基因組計劃 目的是揭開人類所有的遺傳結(jié)構(gòu), 包括所有的基因(尤其是與疾病相關(guān)的基因)和基因外 序列的結(jié)構(gòu)。1990年-200

22、1年，美、英、法、德、 日、中 6 國的合作已完成人類基因的全部序列測定工 作。見表2-1, P. 19. - 小家鼠、果蠅、線蟲、擬南芥、水稻、啤酒酵母，以 及多種真菌、細菌的基因組研究相繼展開，其中擬南 芥基因組的全序列測定已完成。 27 分子生物學(xué)的研究內(nèi)容分子生物學(xué)的研究內(nèi)容 基因組、功能基因組與生物信息學(xué)研究 功能基因組計劃功能基因組計劃 ( 蛋白組計劃或后基因組計劃): 揭 示基因產(chǎn)物和功能之間的關(guān)系。通過 利用各種模式植物體基因的剔除和轉(zhuǎn) 基因來研究基因的功能。 生物信息學(xué)生物信息學(xué): 將基因的結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)功能以及物種的 進化在基因信息的基礎(chǔ)上統(tǒng)一起來。 p. 15 28 第一章

23、第一章 緒論緒論 四四. 課程學(xué)習目的和內(nèi)容課程學(xué)習目的和內(nèi)容 學(xué)習目的學(xué)習目的: 掌握分子生物學(xué)的基本掌握分子生物學(xué)的基本概念、基本原理概念、基本原理 、基本操作技術(shù)、基本操作技術(shù) 等。等。 學(xué)習內(nèi)容學(xué)習內(nèi)容: 重點講授重點講授 第三章第三章 生物信息的傳遞生物信息的傳遞 (上上)- 從從DNA到到RNA 第四章第四章 生物信息的傳遞生物信息的傳遞 (下下)- 從從RNA到蛋白質(zhì)到蛋白質(zhì) 第五章第五章 分子生物學(xué)研究法（上）分子生物學(xué)研究法（上） 第六章第六章 分子生物學(xué)研究法（下）分子生物學(xué)研究法（下） 第七章第七章 基因的表達與調(diào)控基因的表達與調(diào)控 (上上)-原核基因表達調(diào)節(jié)模式原核基因

24、表達調(diào)節(jié)模式 第八章第八章 基因的表達與調(diào)控基因的表達與調(diào)控 (下下)-真核基因表達調(diào)控的一真核基因表達調(diào)控的一 般規(guī)律般規(guī)律 29 第一章第一章 緒論緒論 四四. 課程的學(xué)習目的和內(nèi)容課程的學(xué)習目的和內(nèi)容 參考書參考書: 吳乃虎主編吳乃虎主編 楊岐生主編楊岐生主編 浙江大學(xué)出版社浙江大學(xué)出版社 3. 吳乃虎主編吳乃虎主編 30 第一章第一章 緒論緒論 當你進入實驗室時當你進入實驗室時, 要像脫去外衣那樣放下要像脫去外衣那樣放下 你的想像力你的想像力, 因為實驗操作中不能有一丁點的因為實驗操作中不能有一丁點的 想像想像, 否則否則, 你對事物的觀察就會受影響你對事物的觀察就會受影響; 而當而當

25、 你翻開書本的時候你翻開書本的時候, 你又必須盡可能展開想像你又必須盡可能展開想像 的的 “翅膀翅膀” , 否則否則, 你就不可能走在別人前面。你就不可能走在別人前面。 朱玉賢朱玉賢 31 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 染色體染色體: 細胞細胞(核核)中由中由DNA、蛋白質(zhì)組成的易被堿性染、蛋白質(zhì)組成的易被堿性染 料著色的一種絲狀或桿狀物料著色的一種絲狀或桿狀物。 親代是以染色體的形式將自己的遺傳物質(zhì)親代是以染色體的形式將自己的遺傳物質(zhì)DNA 傳給子代，保持了物種的穩(wěn)定性和連續(xù)性。因此，傳給子代，保持了物種的穩(wěn)定性和連續(xù)性。因此， 染色體在遺傳上起著主要作用。染色

26、體在遺傳上起著主要作用。 32 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 染色體的特征染色體的特征: (1) 分子結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定分子結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定; (2) 能夠自我復(fù)制，能夠自我復(fù)制，親代能夠?qū)⒆约旱倪z親代能夠?qū)⒆约旱倪z 傳物質(zhì)傳物質(zhì)DNA以染色體的形式傳給子代以染色體的形式傳給子代,使使 親、子代之間保持親、子代之間保持了物種的穩(wěn)定性和了物種的穩(wěn)定性和 連續(xù)性連續(xù)性; (3) 能夠指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，從而控制能夠指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，從而控制 整個生命過程整個生命過程; (4) 能夠產(chǎn)生可遺傳的變異。能夠產(chǎn)生可遺傳的變異。 33 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體

27、染色體 2. 染色體的組成染色體的組成 (1) 原核細胞染色體原核細胞染色體 由 DNA與非組蛋白質(zhì)組成，兩者結(jié)合呈松散狀態(tài)。 參與DNA 折疊 染色體中的蛋白質(zhì) 參與DNA 復(fù)制、重組及轉(zhuǎn)錄 原核生物染色體一般位于類核體上。 34 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 原核生物類核的結(jié)構(gòu)原核生物類核的結(jié)構(gòu) p. 22 35 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 原核生物基因組的特點：原核生物基因組的特點： 多數(shù)只有一條染色體 基因組小 大腸桿菌基因組僅含4000 多個基因。 DNA含量少 大腸桿菌DNA的相對分子 質(zhì)量只有2.4109 36 第二章

28、第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 原核生物原核生物DNA的主要特點的主要特點: p. 30 結(jié)構(gòu)簡練結(jié)構(gòu)簡練 大多數(shù)為單拷貝基因, 只有很少數(shù)基因（rRNA）是以多 拷貝形態(tài)存在。原核DNA分子的絕大部分是用來編碼蛋白質(zhì) 的，只有非常小的一部分不轉(zhuǎn)錄。而且，這些不轉(zhuǎn)錄DNA序 列通常是控制基因表達的序列。 存在轉(zhuǎn)錄單元（操縱子）存在轉(zhuǎn)錄單元（操縱子） 原核DNA序列中功能相關(guān)的RNA和蛋白質(zhì)基因，往往叢集 在基因組的特定部位，形成功能單位或轉(zhuǎn)錄單元，它們可被 一起轉(zhuǎn)錄為可翻譯多個蛋白質(zhì)的mRNA分子，這種mRNA叫多順多順 反子反子mRNAmRNA。 37 第二章第二章 染

29、色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 有重疊基因有重疊基因 具有部分共用核苷酸序列的基因，也就是說，同 一段DNA攜帶了兩種不同蛋白質(zhì)的編碼信息。這樣 的兩個基因稱之為重疊基因重疊基因。 重疊的部分可以在基因的調(diào)控區(qū)， 也可以在結(jié) 構(gòu)基因區(qū)。 重疊基因主要有以下幾種情況: 一個基因完全在另一個基因里面; 部分重疊; 兩個基因只有一個堿基對的重疊。 38 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 噬菌體噬菌體 X174 P. 31 39 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 真核細胞染色體的組成真核細胞染色體的組成 組蛋白組蛋白 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) 染色體

30、染色體 非組蛋白非組蛋白 DNA 少量RNA （主要是尚未完成轉(zhuǎn)錄而仍與模板 DNA相連的那些RNA） (2) 真核細胞染色質(zhì)與染色體真核細胞染色質(zhì)與染色體 40 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 n 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) 組蛋白 (histone，H) 染色質(zhì)中的蛋白質(zhì) 非組蛋白 (nonhistone chromosomal proteins, NHC) 真核染色質(zhì)中蛋白質(zhì)與相應(yīng)DNA的質(zhì)量比約為2:1。 41 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 組蛋白組蛋白 一類小分子量的堿性蛋白質(zhì)，是構(gòu)成真核染色質(zhì) 的主要蛋白質(zhì)。 真核生物的染色質(zhì)中有H2A、

31、H2B、H3、H4和 H1(鳥類、魚類及兩棲類紅細胞染色體不含H1而帶 有H5) 等5種主要類型的組蛋白。 42 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 表表 真核細胞染色質(zhì)上的組蛋白成分分析真核細胞染色質(zhì)上的組蛋白成分分析 see P.23. 表2-5. _ 種類 相對分子質(zhì)量 氨基酸數(shù)目 分離難易度 保守性 染色質(zhì)中比例 染色質(zhì)中位置 _ H1 21 000 223 易 不保守 0.5 接頭 H2A 14 500 129 較難 較保守 1 核心 H2B 13 800 125 較難 較保守 1 核心 H3 15 300 135 最難 最保守 1 核心 H4 11 300

32、102 最難 最保守 1 核心 _ - H3、H4富含精氨酸 H1 富含賴氨酸 H2A、H2B介于兩者之間 - 用 2 mol/L NaCl 或 0.25 mol/L 的HCl/H2SO4 處理染色 質(zhì)，可將 組蛋白與DNA 分離。 43 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 組蛋白的特性組蛋白的特性： p. 24 進化上的極端保守性, 組成相似, 特別是H3、H4. 對穩(wěn)定 染色體結(jié)構(gòu)起作用。 無組織特異性, 僅有兩個列外。 肽鏈上氨基酸分布的不對稱性, 堿性AA集中分布在N-端 的半條鏈上, 與DNA的負電荷區(qū)結(jié)合, 大部分疏水基團集 中分布在C-端的半條鏈上, 與其

33、它組蛋白、非組蛋白結(jié)合. 組蛋白的修飾作用, 主要為甲基化、乙?；⒘姿峄? 可調(diào)控基因表達。 H5的磷酸化對染色質(zhì)失活起作用。 44 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 非組蛋白非組蛋白: 是一類多種蛋白質(zhì)的群體, 大約100種, 常見15-20種, 占染色體蛋白總量的60-70%. HMG 蛋白蛋白 (high mobility group protein, 高速泳動蛋白高速泳動蛋白) 特性: - 小分子量，高電荷; - 通常與有能力進行轉(zhuǎn)錄的活性染色質(zhì)特異性結(jié)合; - 可用 0.35 mol/L NaCl 溶液提取，能溶于2% 的三氯乙 酸。 功能: 與DNA

34、的超螺旋結(jié)構(gòu)有關(guān)。 DNA 結(jié)合蛋白結(jié)合蛋白 特性: - 能與 DNA 緊密結(jié)合; - 只有用高濃度鹽液提取，通常采用 2 mol/L NaCl 或 5 mol/L 尿素溶液。 功能: 參與DNA 的復(fù)制或轉(zhuǎn)錄。 45 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 A24非組蛋白 小鼠肝臟中分離到一種蛋白質(zhì)。氨基酸序列測定發(fā)現(xiàn)A24的 C端與H2A相同，A24它有兩個N端，一個N端的序列與H2A相 同，另一個N端與泛蛋白相同，A24位于核小體內(nèi)，功能不詳。 泛蛋白泛蛋白：在真核細胞中普遍存在的小分子量的蛋白質(zhì)?？梢孕?飾核小體結(jié)構(gòu)，與H2A組蛋白發(fā)生共價連接，形成修 飾的uH2A

35、組蛋白。 46 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 n真核細胞基因組的特點真核細胞基因組的特點 p. 29 - 真核基因組寵大, 人類基因組的總長度為2907Mb， 含39114個基因。 - 含有大量重復(fù)序列。 - 含有大量的非編碼序列，占整個基因組序列的90% （C值-一種生物單倍體基因組DNA的總量。p25 ）。 - 真核基因絕大多數(shù)為斷裂基因。 - 真核基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子。 - 真核基因組中存在大量的順式作用元件.包括啟動子、 增強子、沉默子等。 - 真核基因組中存在大量的DNA多態(tài)性。 - 真核基因組具有端粒結(jié)構(gòu)。是真核生物線性基因組 DNA末端的一種特殊

36、結(jié)構(gòu)，是一段DNA序列和蛋白質(zhì) 形成的復(fù)合體，具有保護線性DNA的完整復(fù)制等功能。 47 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 真核生物真核生物DNA序列序列 真核生物DNA序列可分為三類: 不重復(fù)序列不重復(fù)序列 (unique sequence): 在單倍體基因組內(nèi), 這些序列僅 出現(xiàn)一次或少數(shù)幾次。占DNA總量的40-80%, 在 人類基因組中占 60-65%。結(jié)構(gòu)基因?qū)儆诓恢貜?fù) 序列。 中度重復(fù)序列中度重復(fù)序列 (moderately repetitive sequence): 序列的重復(fù)次 數(shù)為103-105, 占DNA總量的15%。各種 rRNA、 tRNA 和

37、一些結(jié)構(gòu)基因，如非洲爪蟾的rRNA基 因都屬于這類。 P. 26 48 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 高度重復(fù)序列高度重復(fù)序列 (high repetitive sequence): 序列的 重復(fù)次數(shù) 在105以上, 不轉(zhuǎn)錄。主要 為衛(wèi)星DNA (又稱隨體DNA)。 衛(wèi)星衛(wèi)星DNA: 因為這種DNA含大量的A、T堿基，浮 力密度小, 在CsCl 密度梯度超離心時形 成一條與DNA主帶相伴的小帶, 形似衛(wèi) 星而得名。僅存在于真核生物DNA列。 49 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 真核生物的DNA序列 C 值值 (C-value): 一種生物單倍體基因組的DN

38、A總量 (P. 25)。 C 值反常現(xiàn)象值反?，F(xiàn)象 ( C 值悖理, C-value paradox): 物種的 C 值和它進化 復(fù)雜性之間不存在嚴格的對應(yīng)關(guān)系, 這一現(xiàn)稱為C 值反?，F(xiàn)象。 * C 值反?，F(xiàn)象暗示著真核生物基因組中必然存在大量的不編碼 基因產(chǎn)物的 DNA 序列。 50 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 斷裂基因斷裂基因 (split gene): 真核基因是不連續(xù)排列的，在編碼多 肽鏈的DNA序列中間插入與氨基酸無 關(guān)的DNA序列。一個基因編碼序列被 分隔成不連續(xù)的若干區(qū)段。 編碼序列: 外顯子外顯子 (exon) 編碼序列中間的插入的非編碼序列:

39、內(nèi)含子內(nèi)含子 (intron) 不連續(xù)基因是由外顯子和內(nèi)含子交替排列組成。 內(nèi)含子存在于轉(zhuǎn)錄的初始產(chǎn)物中，在基因產(chǎn)物成熟翻釋之 前必須被切除，切除的過程稱為RNA的剪接的剪接。一般說來，剪 接包括從初始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物精確地去掉內(nèi)含子，然后切點兩側(cè)的 RNA末端重新連接，外顯子形成共價的完整分子。 51 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 圖: 雞蛋清蛋 白基因的不 連續(xù)性及與 mRNA 形成 R-環(huán)。 52 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 染色體的結(jié)構(gòu)染色體的結(jié)構(gòu) 核小體結(jié)構(gòu)核小體結(jié)構(gòu) 在細胞生活周期的大部分時間里都以染色質(zhì)的 形式存在。 染色質(zhì)染

40、色質(zhì)是一種纖維狀結(jié)構(gòu)的細絲, 又稱為染色質(zhì)絲染色質(zhì)絲, 它的基本結(jié)構(gòu)單位是核小體核小體。 53 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 l核小體中由各兩個分子的組蛋白H2A、H2B、H3 和H4組成的一種圓盤狀的蛋白質(zhì)核心, 這個核心被 稱之為組蛋白八聚體組蛋白八聚體或 核小體核心核小體核心。 H2A、H2B、H3、H4稱為核心組蛋白核心組蛋白 (core histone) l DNA雙螺旋分子以146bp的長度盤旋1.8圈的形式 纏繞在組蛋白八聚體的外周，形成核小體核心顆核小體核心顆 粒粒。 H1 (H5) 稱為連接連接組蛋白組蛋白 (linker histone) l

41、相鄰的兩個核小體核心顆粒之間，有一段長60bp 的連接DNA，連接DNA加上核小體核心顆粒便構(gòu) 成了核小體核小體。 54 MOV：MCB4.0three dimensional packing of nuclear chromosomes 2(H2A、H2B、H3、H4) 55 56 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 核小體結(jié)構(gòu)的修飾核小體結(jié)構(gòu)的修飾 在細胞周期特定時間，核小體中的組蛋白可發(fā)生甲基化、 乙?；╬28，圖2-7）、磷酸化、 ADP核糖基化等修飾。H3、 H4修飾作用較普遍，H2B有乙酰化作用、H1和H5有磷酸化作用。 修飾作用的共同特點：是降低組蛋白所

42、攜帶的正電荷。 組蛋白修飾的意義： 一是改變?nèi)旧w的結(jié)構(gòu)，直接影響轉(zhuǎn)錄活性； 二是核小體表面發(fā)生改變，使其他調(diào)控蛋白易于和染色質(zhì)相 互接觸，從而間接影響轉(zhuǎn)錄活性。 57 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 染色質(zhì)與轉(zhuǎn)錄活性染色質(zhì)與轉(zhuǎn)錄活性: 染色質(zhì)的類型 根據(jù)染色質(zhì)的活性狀態(tài)，可分為： 真核基因組DNA被蛋白質(zhì)包裝形成染色質(zhì)，其中的基因組處 于完全抑制的狀態(tài)，DNA不能夠進行復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。這種狀態(tài)下 的染色質(zhì)稱為非活性染色質(zhì)非活性染色質(zhì)。 在DNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄過程中，染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)受到暫時性的破 壞，使得聚合酶等特異因子能夠識別DNA序列中的結(jié)合位點， 并阻止其裝配成核小體

43、，從而導(dǎo)致DNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。這種狀 態(tài)下的染色質(zhì)稱為活性染色質(zhì)活性染色質(zhì)。 58 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 根據(jù)染色質(zhì)的壓縮程度的不同，在真核生物細胞分裂間期可 以觀察到兩種不同類型的染色質(zhì)： 常染色質(zhì)：常染色質(zhì)：壓縮程度較低，其中的基因可以表達； 異染色質(zhì)：異染色質(zhì)：壓縮程度高，其中的基因不表達。 59 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 染色體染色體 染色體是染色質(zhì)包裝壓縮形成的一種高級的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。 典型的真核細胞的直徑約為1m，但卻含有總長度達1-2m 的DNA分子。它們必須被有序地包裝，才能保證遺傳信息的 有效儲藏與表達。

44、60 61 62 6.8:1 40:1 1000:1 8000:1 DNA double helix Nucleosome (10 nm fiber) 30 nm Fiber Loops I Loops II chromosome 63 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 二二. DNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 二二 . DNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 1. DNA 的一級結(jié)構(gòu)的一級結(jié)構(gòu): 是DNA分子內(nèi)堿基的排列順序。 在結(jié)構(gòu)上，DNA是由單核苷酸通過 3，5-磷酸二酯鍵連接 而形成的高分子聚合物。從同一個磷酸基的3酯鍵到5酯鍵 的方向定義為鏈的方向。DNA 鏈的方向總是從5-P 端到3- OH 端 (p.33)

45、。 DNA 分子中的核糖的2位總是 H (RNA 中為 OH)，所以 DNA分子對堿的作用具有抗性，在pH 11.5時，鏈的一級結(jié) 構(gòu)幾乎沒有變化，穩(wěn)定性很強，不易斷裂。而RNA很容易 被堿水解。 64 第二章第二章 染色體和染色體和DNA DNA結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)-二級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu) 2. DNA 的二級結(jié)構(gòu)的二級結(jié)構(gòu): 兩條多核苷酸鏈反向平行盤繞所形成的雙 螺旋結(jié)構(gòu)。 DNA 的二級結(jié)構(gòu)分為兩類: 右手螺旋 A-DNA 和 B-DNA構(gòu)象構(gòu)象 A-DNA: 當 DNA 處于轉(zhuǎn)錄狀態(tài)時, DNA模板鏈與由它轉(zhuǎn)錄 所形成的 DNA-RNA 雙鏈。 B-DNA: 最常見的 DNA 雙鏈構(gòu)象, 富含 A 和

46、T 堿基。 左手螺旋 Z-DNA構(gòu)象構(gòu)象，富含 C 和 G 堿基. 與基因轉(zhuǎn)錄起始活性有關(guān). 65 圖圖: A-, B-, Z-型型 DNA 三種結(jié)構(gòu)比較三種結(jié)構(gòu)比較 p. 34 66 第二章第二章 染色體和染色體和DNA DNA結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)-二級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu) Z-DNA調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的兩種模式調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的兩種模式: - ZDNA構(gòu)象在轉(zhuǎn)構(gòu)象在轉(zhuǎn) 錄區(qū)上游離轉(zhuǎn)錄區(qū)錄區(qū)上游離轉(zhuǎn)錄區(qū) 近時，抑制轉(zhuǎn)錄。近時，抑制轉(zhuǎn)錄。 - 若離轉(zhuǎn)錄區(qū)遠，可若離轉(zhuǎn)錄區(qū)遠，可 以增加轉(zhuǎn)錄區(qū)的負以增加轉(zhuǎn)錄區(qū)的負 超螺旋程度促使轉(zhuǎn)超螺旋程度促使轉(zhuǎn) 錄。錄。ZDNA構(gòu)象有構(gòu)象有 轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié)活轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié)活 性。性。 67

47、Z-DNA的生物功能： Zig-zag 之字 與基因表達、基因調(diào)控有關(guān)。 68 第二章第二章 染色體和染色體和DNA DNA結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)-高級結(jié)構(gòu)高級結(jié)構(gòu) 3. DNA的高級結(jié)構(gòu)的高級結(jié)構(gòu): DNA雙螺旋進一步扭曲盤繞所形成的特定 空間結(jié)構(gòu). DNA高級結(jié)構(gòu)的主要形式-超螺旋結(jié)構(gòu) 正超螺旋正超螺旋 負超螺旋負超螺旋 負超螺旋負超螺旋 拓撲異構(gòu)酶 溴乙錠 松馳DNA 正超螺旋正超螺旋 拓撲異構(gòu)酶 溴乙錠 69 MOV : PBCA0267501supercoiling of DNA 70 第二章第二章 染色體和染色體和DNA DNA結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)-高級結(jié)構(gòu)高級結(jié)構(gòu) 圖: 環(huán)狀 DNA 分子 的鏈環(huán)數(shù) (L

48、)、盤 繞數(shù) (T)和扭曲 數(shù)(W)之間的相互 關(guān)系。 L = T + W 其中 L 為常量, T 和W是變量。 71 第二章第二章 染色體和染色體和DNA DNA結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)-高級結(jié)構(gòu)高級結(jié)構(gòu) 超螺旋結(jié)構(gòu)的形成超螺旋結(jié)構(gòu)的形成 是在拓撲異構(gòu)酶的催化下進行鏈的切斷-縫合反應(yīng)。 根據(jù)酶的作用機理可分為: 拓撲異構(gòu)酶拓撲異構(gòu)酶 I 拓撲異構(gòu)酶拓撲異構(gòu)酶 II 72 第二章第二章 染色體和染色體和DNA DNA結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)-高級結(jié)構(gòu)高級結(jié)構(gòu) 拓撲異構(gòu)酶拓撲異構(gòu)酶 I 共同特點共同特點: o 僅切斷雙鏈DNA中的一條鏈, 隨后進行連接； o 不需要能量輔助因子如ATP和NDP等, 因而不能催化需能 的超螺旋化

49、結(jié)構(gòu)的形成。 I 型酶一般是使高度超螺旋的DNA松弛。 73 第二章第二章 染色體和染色體和DNA DNA結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)-高級結(jié)構(gòu)高級結(jié)構(gòu) 拓撲異構(gòu)酶拓撲異構(gòu)酶 I 使雙螺旋DNA減少一圈, 超螺旋DNA放松 圖圖: 拓撲異構(gòu)酶拓撲異構(gòu)酶 I 的作用機理的作用機理 74 第二章第二章 染色體和染色體和DNA DNA結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)-高級結(jié)構(gòu)高級結(jié)構(gòu) E.coli的旋轉(zhuǎn)酶的旋轉(zhuǎn)酶 (只有原核生物中有) 圖圖: E. coli DNA 旋轉(zhuǎn)酶導(dǎo)入負超螺旋的作用機理旋轉(zhuǎn)酶導(dǎo)入負超螺旋的作用機理 細菌質(zhì)粒細菌質(zhì)粒DNA (環(huán)狀雙鏈環(huán)狀雙鏈 DNA) 75 第二章第二章 染色體和染色體和DNA DNA結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)-高級結(jié)

50、構(gòu)高級結(jié)構(gòu) 拓撲異構(gòu)酶拓撲異構(gòu)酶 II 共同特點: o 雙鏈DNA同時切斷, 隨后進行連接； o 需要能量輔助因子如ATP和NDP等, 催化需能的超 螺旋化結(jié)構(gòu)。 76 第二章第二章 染色體和染色體和DNA DNA結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)-高級結(jié)構(gòu)高級結(jié)構(gòu) 超螺旋結(jié)構(gòu)的生物學(xué)意義超螺旋結(jié)構(gòu)的生物學(xué)意義: 負超螺旋DNA在轉(zhuǎn)錄時起重要作用, 在轉(zhuǎn)錄時, RNA聚合酶 首先要與DNA特異性位點結(jié)合, DNA為負超螺旋對RNA聚合酶- DNA 復(fù)合物形成速率、穩(wěn)定性以及酶的轉(zhuǎn)錄活性都會大大提高。 RNA聚合酶- DNA結(jié)合后，要解開12bp, 而正超螺旋有利于鏈 的解開。 在轉(zhuǎn)錄時, DNA超螺旋形成和解旋是 必不

51、可少的, 拓撲異構(gòu)酶 是轉(zhuǎn)錄過程必要的組分之一。 77 第二章第二章 染色體和染色體和DNA DNA結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)-高級結(jié)構(gòu)高級結(jié)構(gòu) 圖圖: 大腸桿菌的大腸桿菌的RNA 轉(zhuǎn)錄過程圖示轉(zhuǎn)錄過程圖示 78 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 三三. DNA 的復(fù)制 DNA 的半保留復(fù)制的半保留復(fù)制: 子代的DNA雙鏈中一條來自親代 (模板)，又一條是新合成的， 這種復(fù)制方式被稱為DNA的半保留復(fù)制。 復(fù)制的起點、方向和速度 復(fù)制點 (Ori): 是復(fù)制功能起始的特定位置。復(fù)制叉 復(fù)制方向和速度: 復(fù)制從Ori開始以雙向等速復(fù)制方向進行的。 復(fù)制的幾種主要方式: 線性DNA雙鏈的復(fù)制 先導(dǎo)鏈、滯后鏈、

52、岡崎片段 環(huán)狀DNA雙鏈的復(fù)制 可分為: 型 大腸桿菌 滾環(huán)型 X174 D-型 線粒體 79 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 三三. DNA 的修復(fù) 1. DNA 的錯配修復(fù)的錯配修復(fù)( DNA mismatch repair): 在DNA復(fù)制時，錯配修復(fù)系統(tǒng)修復(fù)復(fù)制酶沒能檢出的錯 配堿基，或者由于化學(xué)修飾產(chǎn)生的錯配，從而保證了遺傳物 質(zhì)復(fù)制的高保真，確保 遺傳的穩(wěn)定性。 80 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 三三. DNA 的修復(fù) 目前，細菌的錯配修復(fù)系統(tǒng)已經(jīng)研究得比較透徹。 在大腸桿菌錯配修復(fù)系統(tǒng)中包含十多種蛋白： - 錯配矯正蛋白： Mut S 、Mut L、MutH -

53、單鏈結(jié)合蛋白 (SSB) - DNA 解旋酶I I (DNA helicaseII，UvrD，35解旋酶) - DNA 聚合酶III全酶 (DNA polymeraseIII holoenzyme) - DNA 連接酶 (DNA ligase) - 核酸外切酶I (exonuclease I) - 核酸外切酶VII (exonuclease VII) - 核酸外切酶X (exonuclease X) - RecJ 81 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 三三. DNA 的修復(fù) 啟始啟始 修復(fù)過程可以分為步驟 切除切除 修復(fù)修復(fù)（p 52） 82 根據(jù)母鏈甲基化原則進行錯配修復(fù)過程示意圖根據(jù)

54、母鏈甲基化原則進行錯配修復(fù)過程示意圖 啟始啟始： 根據(jù)模板鏈上GATC中腺嘌（A） 的甲基化原則 - 錯配校正蛋白MutS二聚體識別 并結(jié)合錯配位點； - MutL蛋白在水解ATP的作用 的調(diào)節(jié)下，與MutS結(jié)合, MutS- MutL在DNA雙鏈上移動，發(fā)現(xiàn) 離錯配位點最近的甲基化堿基； - 發(fā)現(xiàn)甲基化堿基后，MutL-MutS- 錯配復(fù)合物激活MutH蛋白的內(nèi) 切酶活性，在對應(yīng)于母鏈甲基化 腺苷酸上游鳥苷酸的5位置切開 非甲基化的子鏈。 Dam甲基化酶甲基化酶 83 甲基化指導(dǎo)的錯配修復(fù)示意圖甲基化指導(dǎo)的錯配修復(fù)示意圖 錯配堿基位于切口 3下游端 錯配堿基位于切口 5上游端， 切除切除：

55、- DNA解旋酶II從缺口 向錯配方向解開雙 鏈； - 由核酸外切酶將距離 GATC到錯配區(qū)域間 的DNA鏈切除。 為了防止剩下的暴露 的單鏈遭到降解，需 要有單鏈結(jié)合蛋白 SSB）將其保護起來。 修復(fù)修復(fù)： -由DNA聚合酶全 酶進行合成，連接酶 對缺口進行連接。 【甲基定向錯配修復(fù)(methyl-directed mismatch repair , MMR)】 84 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 三三. DNA 的修復(fù) MutS蛋白的應(yīng)用： 錯配矯正蛋白MutS具有結(jié)合錯配堿基的能力，MutS蛋白 可以用于檢測 - 突變 - 富集點突變 - SNP（single nucleotid

56、e polymorphism ，單核 苷酸多態(tài)性） 等方面 SNP 主要是指在基因組水平上由單個核苷酸的變異所引起的DNA序 列多態(tài)性. 85 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 三三. DNA 的修復(fù) 2.切除修復(fù)切除修復(fù) (excision repair ): DNA切除修復(fù)有兩種類型：堿基切除修復(fù) 和核苷酸切除修復(fù) （1）堿基切除修復(fù) (base excision repair ) 研究發(fā)現(xiàn)，所有細菌中都帶有不同類型、能識別受損 核苷酸位點的糖苷水解酶。 86 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 三三. DNA 的修復(fù) 堿基切除修復(fù)堿基切除修復(fù) 系統(tǒng)系統(tǒng) 糖苷水解酶 AP核酸內(nèi)切酶

57、包括 DNA聚合酶 I DNA連接酶 87 糖甘水解酶識別受損堿基，把堿基從N-糖 苷鍵處切下來，在DNA鏈上形成去嘌呤或去嘧啶位 點，統(tǒng)稱為APAP位點（無嘌呤嘧啶位點）。 88 由AP核酸內(nèi)切酶在AP位點附近（5或3位置） 將受損核甘酸的糖甘-磷酸鍵切開 89 移去包括移去包括AP位點核苷酸位點核苷酸 在內(nèi)的小片段在內(nèi)的小片段DNA （c） 移去包括AP位點核苷酸在 內(nèi)的一小段DNA 90 DNA連接酶連接連接酶連接 DNA聚合酶聚合酶I將將切切 除部位除部位的的核苷酸核苷酸 補齊補齊 （d) （e） 91 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 三三. DNA 的修復(fù) （2）核苷酸切除修復(fù)

58、 (Nucleotide excision repair ) 當DNA鏈上相應(yīng)位置的核苷酸發(fā)生損傷，導(dǎo)致雙鏈之間無 法形成氫鍵后，核苷酸切除修復(fù)系統(tǒng)將受損的核苷酸切除。 核苷酸損傷發(fā)生后 - 先由DNA切割酶在己損傷的核苷酸5 和3 位分別分別切開磷酸 糖苷鍵，產(chǎn)生一個由12-13個核苷酸（原核生物） 或27-29個核苷酸（高等真核生物）組成 的小片段， - 解旋酶解旋，移去小片段 - DNA聚合酶I （原核）或E（真核）合成新的片段，并由 DNA連接酶完成修復(fù)。 92 DNA 聚合酶E以母鏈為模 板復(fù)制合成新子鏈 DNA連接酶將切口補平 大腸桿菌（左）和人類細胞（右）中的核苷酸切除修復(fù)過程示

59、意圖大腸桿菌（左）和人類細胞（右）中的核苷酸切除修復(fù)過程示意圖 受損傷的核苷酸 大腸桿菌DNA切割酶 人類DNA切割酶 DNA 聚合酶 I 93 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 三三. DNA 的修復(fù) 3. DNA的直接修復(fù)的直接修復(fù)(DNA direct repair) DNA的直接修復(fù)不需要切除堿基或核苷酸，而是把損傷的 堿基回復(fù)到原來狀態(tài)的一種修復(fù)。 例1：在光照或紫外線照射下形成的環(huán)丁烷胸腺嘧啶二體 或6-4光化物，在DNA光解酶 的作用下還原成為單體的過程。 光或紫外線 光激活酶 (photoreactivating enzyme) 環(huán)丁烷胸腺嘧啶二體 DNA光解酶 胸腺嘧啶單

60、體 或6-4光化物 94 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 三三. DNA 的修復(fù) 例2： O6-甲基轉(zhuǎn)移酶將O6-甲基鳥嘌呤恢復(fù)成鳥嘌呤。 95 在DNA光解酶(photolyase) 的作用下將環(huán)丁烷胸腺嘧啶 二體和6-4光化物還原成為單 體 甲基轉(zhuǎn)移酶使O6-甲基鳥嘌 呤脫甲基生成鳥嘌呤，防止 G-T配對 O6-methylguanine DNA methyltransferaes 紫外線誘發(fā)形成嘧啶二體紫外線誘發(fā)形成嘧啶二體 O6-甲基轉(zhuǎn)移酶將甲基轉(zhuǎn)移酶將O6-甲基鳥嘌呤恢復(fù)成鳥嘌呤甲基鳥嘌呤恢復(fù)成鳥嘌呤 96 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 四四. DNA的重組的重組 DN