遺傳信息結(jié)構(gòu)PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)12 一、遺傳的分子基礎(chǔ)(二) DNA結(jié)構(gòu) (一) DNA是遺傳物質(zhì) (三) 人類基因組 (四) 基因結(jié)構(gòu) (五) 基因功能 第1頁/共224頁3 1868年，F(xiàn). Miesher從外科繃帶上的膿細(xì)胞中分離提取出一種富含磷的有機(jī)物，稱為核素。后來證實(shí)核素是由一種酸性物質(zhì)和蛋白組成，因其來源于細(xì)胞核，稱為核酸。之后，人們認(rèn)識(shí)到所有生物細(xì)胞內(nèi)都有核酸，并發(fā)現(xiàn)核酸可分為脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid, DNA) 和核糖核酸(ribonucleic acid, RNA) ，DNA主要存在于細(xì)胞核內(nèi)，少量存在與線粒體中。RNA主要存在于細(xì)胞質(zhì)中。(一) DNA是遺傳物質(zhì)

2、第2頁/共224頁4 1928年，Griffith發(fā)現(xiàn)肺炎球菌轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，1944年，Avery等用實(shí)驗(yàn)證實(shí)引起肺炎球菌轉(zhuǎn)化的物質(zhì)是DNA。1952年，Hershey研究噬菌體感染大腸桿菌再次證明DNA是遺傳物質(zhì)。1953年，Waston和Crick提出了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，闡明了DNA作為遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。第3頁/共224頁5 普遍存在 DNA普遍存在于自然界除RNA病毒以外的各種生物細(xì)胞中。 RNA病毒中的RNA起到DNA類似的作用。 DNA特征 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 同一物種各組織的DNA結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，能改變DNA結(jié)構(gòu)的因素可引起遺傳性狀的相應(yīng)改變。第4頁/共224頁6 數(shù)量恒定 同一物種各組織細(xì)

3、胞中，DNA數(shù)量基本一致。數(shù)量變化也表現(xiàn)出恒定規(guī)律。細(xì)胞有絲分裂前DNA含量加倍，分裂后又恢復(fù)到原來水平。生殖細(xì)胞經(jīng)過減數(shù)分裂形成配子，DNA含量為體細(xì)胞一半，雌雄配子結(jié)合后DNA數(shù)量又恢復(fù)到原來水平。第5頁/共224頁71944年， Avery等人用實(shí)驗(yàn)證明DNA是遺傳物質(zhì)活肺炎球菌S型 感染小鼠 小鼠死亡活肺炎球菌R型 感染小鼠 小鼠正常高溫殺死S型 感染小鼠 小鼠正常高溫殺死S型+ R型 感染小鼠 小鼠死亡 將致病菌的DNA、蛋白質(zhì)、莢膜多糖提取出來，分別與非致病菌混合，只有DNA具有轉(zhuǎn)化作用，使非致病菌變成致病菌。轉(zhuǎn)化效率與DNA純度正相關(guān)。若事先用DNA酶處理提取物，則不能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化。

4、第6頁/共224頁81、化學(xué)組成 DNA結(jié)構(gòu)的基本單位是核苷酸(nucleic acid)，每個(gè)核苷酸由1個(gè)磷酸、1個(gè)五碳糖(戊糖)和1個(gè)堿基3部分組成。DNA分子中的核苷酸所含五碳糖為2-脫氧-D-核糖(2-deoxy-D-ribose)，稱為脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid, DNA)。而核苷酸所含五碳糖為非脫氧的D-核糖(D-ribose)構(gòu)成的核苷酸鏈，稱為核糖核酸(ribonucleic acid, RNA)。(二) DNA結(jié)構(gòu) 第7頁/共224頁9 戊糖C-1所連的羥基是與堿基形成糖苷鍵的基團(tuán)，糖苷鍵的連接都是型。 這種結(jié)構(gòu)上的微小差異使DNA和RNA的理化

5、性質(zhì)出現(xiàn)很大差異，DNA更加堅(jiān)硬，在堿性條件下不易水解。 戊糖兩種戊糖結(jié)構(gòu)示意圖第8頁/共224頁10 堿基(base) 構(gòu)成核苷酸的堿基分為嘌呤(purine) 和嘧啶(pyrimidine)二類。 堿基(含氮有機(jī)堿) 嘌呤有腺嘌呤(adenine，A)和鳥嘌呤(guanine, G)，DNA和RNA中均含有這二種堿基。 嘧啶有胞嘧啶(cytosine, C)，胸腺嘧啶(thymine, T) 和尿嘧啶(uracil, U)。胞嘧啶存在于DNA和RNA中，胸腺嘧啶只存在于DNA中，尿嘧啶則只存在于RNA中。第9頁/共224頁11五種堿基的結(jié)構(gòu)示意圖 嘌呤環(huán)上的N-9或嘧啶環(huán)上的N-1是構(gòu)成核

6、苷酸時(shí)與核糖(或脫氧核糖)形成糖苷鍵的位置。第10頁/共224頁12 此外，核酸分子中還發(fā)現(xiàn)數(shù)十種修飾堿基(themodified component)，又稱稀有堿基(unusual component)。它是上述五種堿基環(huán)上的某一位置被一些化學(xué)基團(tuán)(如甲基化、甲硫基化等)修飾后的衍生物。一般這些堿基在核酸中的含量稀少，在各種類型核酸中分布不均一，如DNA中的修飾堿基主要見于噬菌體DNA，RNA中以tRNA含修飾堿基最多。第11頁/共224頁13 核苷(nucleoside) 由D-核糖或D-脫氧核糖與嘌呤或嘧啶通過糖苷鍵連接組成的化合物。核酸中的主要核苷有八種。 核苷第12頁/共224頁14

7、 核苷酸(nucleotide) 是核苷與磷酸殘基構(gòu)成的化合物，即核苷的磷酸酯。核苷酸是核酸分子的結(jié)構(gòu)單元。核酸分子中的磷酸酯鍵是在戊糖C-5和C-3所連的羥基上形成的，故構(gòu)成核酸的核苷酸可視為5-核苷酸或3-核苷酸。DNA分子中含有A, G, C, T四種堿基的脫氧核苷酸；RNA分子中含A, G, C, U四種堿基的核苷酸。不同核苷酸的主要差別在于堿基。 核苷酸第13頁/共224頁155核苷酸結(jié)構(gòu)模式圖第14頁/共224頁165-磷酸脫氧腺苷的結(jié)構(gòu)式第15頁/共224頁17 磷酸二酯鍵 核酸是由眾多核苷酸聚合而成的多聚核苷酸(polynucleotide)鏈?zhǔn)骄€性分子，相鄰二個(gè)核苷酸之間的連

8、接鍵即3, 5-磷酸二酯鍵。2. 分子結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)第16頁/共224頁18 這種連接可理解為核苷酸糖基上3位羥基與下游相鄰核苷酸5 位磷酸殘基之間，以及核苷酸糖基上的5位磷酸殘基與上游相鄰核苷酸的3 羥基之間形成的兩個(gè)酯鍵。多個(gè)核苷酸殘基以這種方式連接而成的鏈?zhǔn)椒肿泳褪呛怂?。無論是DNA還是RNA，其基本結(jié)構(gòu)都是如此，故又稱DNA鏈或RNA鏈。分子鏈?zhǔn)怯蟹较虻模?末端為磷酸，3末端為羥基。第17頁/共224頁19磷酸二酯鍵 第18頁/共224頁20 寡核苷酸(oligonucleotide) 一般是指二至幾十個(gè)核苷酸殘基以磷酸二酯鍵連接而成的線性多核苷酸片段。這是與核酸有關(guān)的文獻(xiàn)中經(jīng)常出現(xiàn)的一

9、個(gè)術(shù)語，在使用這一術(shù)語時(shí)，對(duì)核苷酸殘基的數(shù)目并無嚴(yán)格規(guī)定，在不少文獻(xiàn)中，把含有三十甚至更多個(gè)核苷酸殘基的多核苷酸分子也稱作寡核苷酸。寡核苷酸可由儀器自動(dòng)合成，它可作為DNA合成的引物(primer)、基因探針(probe)等，在分子生物學(xué)研究中具有廣泛的用途。第19頁/共224頁21 DNA和RNA單鏈都是由一個(gè)一個(gè)的核苷酸頭尾相連而形成的。 RNA 多聚核苷酸鏈一般以單鏈形式存在，而DNA多聚核苷酸鏈則一般以雙鏈形式存在。RNA平均長(zhǎng)度大約為2000個(gè)核苷酸，而人的DNA卻是很長(zhǎng)的，人DNA全長(zhǎng)約有3X109個(gè)核苷酸對(duì)，每條染色體含一個(gè)DNA分子鏈，含5千萬致5億不等的核苷酸對(duì)。第20頁/共

10、224頁22 DNA分子是由2條平行的多核苷酸鏈圍繞同一中心軸構(gòu)成的右手雙螺旋結(jié)構(gòu)(B型)。鏈的骨架由糖-磷酸重復(fù)單位構(gòu)成，堿基向螺旋內(nèi)部延伸，位于螺旋內(nèi)部。多核苷酸的方向由磷酸二酯健的走向決定，一條從53，另一條從35 ，兩條鏈呈反向平行排列(antiparallel)。平行鏈上伸向內(nèi)部的堿基彼此形成氫鍵相連，堿基間嚴(yán)格遵循G 與C配對(duì)(GC)，A與T配對(duì)(A=T)的原則。二級(jí)結(jié)構(gòu)第21頁/共224頁23DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)示意圖第22頁/共224頁24DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)示意圖第23頁/共224頁25堿基配對(duì)及氫鍵第24頁/共224頁26 DNA鏈上不同核苷酸分子差異部位是堿基，不同堿基的排列組合

11、包含了相應(yīng)的遺傳信息，堿基位于骨架雙鏈的內(nèi)部，使遺傳信息免受各種理化因素的影響。3. 雙鏈互補(bǔ)結(jié)構(gòu)的意義第25頁/共224頁27 雙鏈結(jié)構(gòu)本身較好地保障了遺傳信息的穩(wěn)定儲(chǔ)存和傳遞。雙鏈中的每一條鏈都可以用對(duì)方或自身作為膜板，按照堿基互補(bǔ)原則合成一條與自身相同或互補(bǔ)的新鏈?；パa(bǔ)的雙鏈分別含有一套完整的遺傳信息。第26頁/共224頁28 雙鏈互補(bǔ)是許多DNA分析技術(shù)的理論基礎(chǔ)，如探針雜交，聚合酶鏈反應(yīng)等。 當(dāng)知道一條DNA鏈的堿基排列順序后，可推測(cè)出它的互補(bǔ)鏈的堿基排列順序(序列)。第27頁/共224頁29 核酸呈酸性，粘度大，能吸收紫外光，最大吸收峰為260nm。4. 分子特性第28頁/共224

12、頁30 具有變性復(fù)性能力，DNA雙鏈分子堿基間的氫鍵結(jié)合是可逆結(jié)合。堿基間氫鍵被解開，互補(bǔ)DNA雙鏈變?yōu)閮蓷l單鏈的過程稱為變性。解鏈后的DNA單鏈與互補(bǔ)序列通過堿基間氫鍵形成互補(bǔ)雙鏈的過程稱為復(fù)性。DNA分子上的磷酸二酯鍵斷裂，使DNA鏈斷裂，DNA被降解。第29頁/共224頁31 引起DNA變性的因素主要有高溫、強(qiáng)酸強(qiáng)堿、有機(jī)溶劑等。DNA變性后，性質(zhì)發(fā)生改變，如電泳行為改變，對(duì)260nm紫外光的吸收度增加(增色效應(yīng))，旋光性下降，粘度降低，生物學(xué)功能喪失或改變等。第30頁/共224頁32 對(duì)DNA溶液進(jìn)行加熱， DNA溶液對(duì)260nm波長(zhǎng)光的吸收度隨溫度升高而變化，在低溫區(qū)和高溫區(qū)變化都慢

13、。使DNA溶液吸光度達(dá)到最大值一半時(shí)的溫度，稱為DNA的變性溫度或融解溫度(Tm)。第31頁/共224頁33 Tm的高低與DNA分子中G+C的含量有關(guān)，G+C的含量越高，則Tm越高。第32頁/共224頁34 兩條來源不同的單鏈核酸(DNA或RNA)， 當(dāng)它們的堿基序列互補(bǔ)或接近互補(bǔ)時(shí)，在一定條件下可互補(bǔ)結(jié)合成雙鏈，形成新的雜種雙螺旋，這一現(xiàn)象稱為核酸的分子雜交。核酸分子雜交可以是DNA-DNA，也可以是DNA-RNA雜交。不同來源的，具有互補(bǔ)堿基順序的核酸片段稱為同源序列。利用核酸的分子雜交，可以用已知序列的寡核苷酸確定或?qū)ふ也煌锓N中具有同源順序的DNA或RNA片段。所用的已知序列寡核苷酸一

14、般要標(biāo)記上示蹤物，稱為探針。第33頁/共224頁35 生物單個(gè)成熟生殖細(xì)胞(單倍體細(xì)胞)DNA分子上的全部基因總和稱為基因組(geneome)，人類DNA分為核內(nèi)DNA和線粒體DNA，人類基因組包含核基因組和線粒體基因組。人單個(gè)體細(xì)胞含有來自父源和母源的兩個(gè)基因組。(三) 人類基因組 第34頁/共224頁36 人類核基因組由約30億個(gè)堿基對(duì)按一定排列方式構(gòu)成。DNA分子中的堿基排列順序稱DNA序列，人基因組中約有60%-70是單拷貝或低拷貝序列，30%-40%是中度或高度重復(fù)的序列。編碼蛋白的序列主要是單拷貝或低拷貝序列。 根據(jù)DNA序列的功能、在基因組中的拷貝數(shù)、堿基排列特點(diǎn)等可將基因組DN

15、A序列進(jìn)行人為分類。第35頁/共224頁371. 核基因組 單一序列(unique sequence) 在基因組中僅有一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)拷貝。大多數(shù)編碼蛋白質(zhì)(酶)的結(jié)構(gòu)基因?qū)龠@種結(jié)構(gòu)形式，但只占單一序列中的很少部分。 重復(fù)序列(repetitive sequence) 在基因組中有許多拷貝數(shù)?？砂阉?xì)分為高度重復(fù)序列、中度重復(fù)序列、基因家族、基因簇。第36頁/共224頁38 單一序列中，含有編碼蛋白質(zhì)氨基酸序列遺傳密碼的DNA序列稱結(jié)構(gòu)基因，對(duì)編碼序列的編碼蛋白質(zhì)活動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制的序列稱為調(diào)控基因?；蛐蛄锌砷L(zhǎng)可短，可單拷貝或多拷貝存在于基因組中。當(dāng)在基因組中出現(xiàn)很多個(gè)序列結(jié)構(gòu)與功能相同或相近

16、的拷貝時(shí)，把這些序列稱為多基因家族(基因簇)或基因超家族(基因家族) 。基因家族一般是由一個(gè)共同的祖先基因經(jīng)過重復(fù)和變異而形成。第37頁/共224頁39 重復(fù)序列的基因家族中，一種類型是一個(gè)基因的多個(gè)拷貝成簇地排列在同一染色體上，形成一個(gè)基因簇，多個(gè)拷貝的序列幾乎相同。它們同時(shí)發(fā)揮作用合成某些蛋白質(zhì)。如珠蛋白基因簇有5個(gè)相關(guān)基因，排列在16號(hào)染色體短臂上，珠蛋白基因簇有6個(gè)相關(guān)基因，排列在11號(hào)染色體短臂上。兩種珠蛋白基因序列高度一致，由一個(gè)祖先基因經(jīng)過重復(fù)而來。合成的肽鏈共同構(gòu)成血紅蛋白。第38頁/共224頁40 另一類是多個(gè)拷貝成簇地分布在不同的染色體上，這些成員的序列可有些不同，它們編碼

17、一組相關(guān)的蛋白。如微管蛋白基因家族中，微管蛋白2、微管蛋白T1、微管蛋白T2 的基因分別位于2、17和6號(hào)等不同染色體上，功能都是編碼微管相關(guān)蛋白。第39頁/共224頁41 假基因(pseudogene) 多基因家族中，一些拷貝不產(chǎn)生蛋白質(zhì)，但其序列與產(chǎn)生蛋白質(zhì)的基因非常相似。相當(dāng)于基因的無功能拷貝，稱為假基因。它們與有功能的基因有同源性，起初可能是有功能的基因，以后由于發(fā)生突變喪失了活性。 如珠蛋白基因簇的假基因與基因相比，只是失去了內(nèi)含子。其可能是由于活性基因的mRNA經(jīng)過逆轉(zhuǎn)錄成為cDNA，再整合到基因組而形成。假基因可與功能基因連鎖或通過染色體易位或作為轉(zhuǎn)座子的一部分，從一個(gè)部位轉(zhuǎn)移到

18、另一部位。第40頁/共224頁42 串聯(lián)重復(fù)序列 基因組中局限性或分散存在的由一定DNA序列串聯(lián)重復(fù)排列的重復(fù)結(jié)構(gòu)。串聯(lián)重復(fù)序列不編碼蛋白質(zhì)。串聯(lián)重復(fù)序列的重復(fù)次數(shù)個(gè)體差異大，遺傳多樣性研究與應(yīng)用中，較多選擇測(cè)定這類DNA結(jié)構(gòu)。 衛(wèi)星DNA 長(zhǎng)度可達(dá)幾百kb的串聯(lián)重復(fù)序列，密度梯度離心基因組DNA時(shí)，DNA主帶旁出現(xiàn)的“衛(wèi)星”DNA，分布在染色體的著絲粒等。在著絲粒起結(jié)構(gòu)性作用。第41頁/共224頁43 小衛(wèi)星DNA 長(zhǎng)度20kb左右的一類串聯(lián)重復(fù)序列。端粒就是由幾百個(gè)5-TTAGGG-3首尾相連的重復(fù)序列構(gòu)成。在DNA復(fù)制中起作用。 微衛(wèi)星DNA 由1至幾個(gè)bp重復(fù)數(shù)十次形成的重復(fù)序列。功能

19、尚不清楚?；蚪M作圖中被用來作為遺傳和物理標(biāo)記。每個(gè)個(gè)體有自己獨(dú)特的微衛(wèi)星DNA “遺傳圖像”，可用來作為識(shí)別個(gè)體的DNA標(biāo)記。第42頁/共224頁44 分散重復(fù)序列 相同的DNA序列分散大量存在于基因組中。其中長(zhǎng)度在幾百幾千bp，基因組中拷貝數(shù)為幾十上百萬。其中有一類稱為短分散核元件(short interspersed nuclear element, SINE)，如Alu序列，300bp長(zhǎng)，人基因組中約有50萬個(gè)拷貝，約隔5kb有一個(gè)，其功能與基因表達(dá)的調(diào)控有關(guān)。另一類稱為長(zhǎng)分散核元件(long interspersed nuclear element, LINE)，長(zhǎng)度在5000-70

20、00bp，基因組中拷貝數(shù)幾百致幾萬個(gè)，如LINE-1序列(Kpn重復(fù)序列)，6000bp長(zhǎng)，編碼一個(gè)逆轉(zhuǎn)錄酶。第43頁/共224頁45 反向重復(fù)序列(inverted repeat sequence) 也稱倒位重復(fù)序列。是兩個(gè)順序相同的互補(bǔ)拷貝在同一條鏈上反向排列而成，兩個(gè)互補(bǔ)拷貝共價(jià)相連。當(dāng)兩個(gè)互補(bǔ)序列之間有間隔序列時(shí)，可以形成鏈內(nèi)堿基配對(duì)，產(chǎn)生十字形結(jié)構(gòu)。如兩個(gè)互補(bǔ)序列之間沒有間隔序列而直接相串聯(lián)，稱為回文結(jié)構(gòu)(palindrme)。反向重復(fù)序列單獨(dú)或與其它重復(fù)序列一起分散在基因組中。每個(gè)反向重復(fù)序列長(zhǎng)約300bp?；蚪M中約相隔12Kb出現(xiàn)一個(gè)。其功能可能與終止子的形成有關(guān)。第44頁/共

21、224頁46反向重復(fù)序列示意圖第45頁/共224頁47 線粒體DNA為16569bp形成一環(huán)形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，編碼呼吸鏈中的蛋白質(zhì)、酶、rRNA、tRNA等。2. 線粒體基因組第46頁/共224頁48 遺傳學(xué)角度，基因是遺傳信息攜帶者，是生物的遺傳物質(zhì)，是遺傳的基本單位，即突變單位、重組單位和功能單位； 分子生物學(xué)角度，基因是負(fù)載特定遺傳信息的DNA分子片段，在一定條件下能夠表達(dá)這種遺傳信息，產(chǎn)生各種RNA和蛋白質(zhì)，實(shí)現(xiàn)特定的生理功能。 (四) 基因結(jié)構(gòu) 第47頁/共224頁49 1909年，Wilhelm Johansen使用基因來描述傳遞和表達(dá)特定生物性狀的可遺傳因子，未描述它的遺傳理論和

22、物質(zhì)基礎(chǔ)。 20世紀(jì)上半葉，逐漸認(rèn)識(shí)到，基因的功能是編碼酶，一個(gè)基因編碼一個(gè)酶；基因定位于染色體上并且在物理上連鎖；DNA是遺傳物質(zhì)。第48頁/共224頁50 進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，不是所有的基因都編碼酶，一些基因編碼功能性肽鏈，有些基因編碼功能性RNA分子(如tRNA和rRNA)。 病毒中基因是RNA，不是DNA。 基因中的信息可被選擇性產(chǎn)生一種以上的產(chǎn)物和功能。一個(gè)基因可同時(shí)影響多個(gè)性狀(基因的多效性)，多個(gè)基因可相互合作控制同一個(gè)性狀。第49頁/共224頁51 基因決定性狀 基因通過轉(zhuǎn)錄和翻譯決定多肽鏈的氨基酸順序，從而決定某種酶或蛋白質(zhì)的性質(zhì)，最終表達(dá)為某一性狀。 基因可自體復(fù)制 基因通過

23、DNA半保留復(fù)制而產(chǎn)生與自身相同的基因。1. 基因的特性 第50頁/共224頁52 基因可突變 基因雖很穩(wěn)定，但也會(huì)發(fā)生突變。一般來說，新的突變等位基因一旦形成，就可通過自體復(fù)制，在隨后的細(xì)胞分裂中保留下來。 第51頁/共224頁532. 基因的類別與結(jié)構(gòu) 調(diào)控基因(regulator and control gene) 是指可調(diào)節(jié)控制結(jié)構(gòu)基因表達(dá)的基因。調(diào)控基因的突變可以影響一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)基因的功能，或?qū)е乱粋€(gè)或多個(gè)蛋白質(zhì)(或酶)數(shù)量的改變。 結(jié)構(gòu)基因(structural gene) 是指能決定多肽鏈(蛋白質(zhì))或酶分子氨基酸順序的基因。結(jié)構(gòu)基因的突變可導(dǎo)致編碼蛋白質(zhì)(或酶)一級(jí)結(jié)構(gòu)的改變或

24、引起蛋白質(zhì)(或酶)質(zhì)量的改變。第52頁/共224頁54基因 人類基因包括4個(gè)區(qū)域 編碼區(qū) 包括外顯子與內(nèi)含子。 前導(dǎo)區(qū) 位于編碼區(qū)上游，相當(dāng)于RNA5末端非編碼區(qū)(非翻譯區(qū)) 。 尾部區(qū) 位于編碼區(qū)下游，相當(dāng)于RNA3 末端非編碼區(qū) (非翻譯區(qū))。 調(diào)控區(qū) 包括啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、終止子等。 基因編碼區(qū)的兩側(cè)也稱為側(cè)翼序列。第53頁/共224頁55 外顯子和內(nèi)含子 大多數(shù)真核生物的基因?yàn)椴贿B續(xù)基因(interrupted/discontinuous gene)?；虻木幋a順序在DNA分子上被非編碼順序所隔開，形成嵌合排列的斷裂形式，也稱斷裂基因(splite gene)。編碼的順序稱為外顯子(ex

25、on)，是基因表達(dá)為多肽鏈的部分；非編碼順序稱為內(nèi)含子(intron)，或稱插入順序(intervencing sequence, IVS)。第54頁/共224頁56 一般每個(gè)結(jié)構(gòu)基因都由若干個(gè)外顯子和內(nèi)含子組成，但外顯子和內(nèi)含子的關(guān)系不是完全固定不變的。內(nèi)含子可轉(zhuǎn)錄為RNA，在形成成熟mRNA過程中被剪切掉，不作為編碼蛋白質(zhì)的序列，其所在位置也被稱為非翻譯區(qū)(untranslated region, UTR)?；虻膬?nèi)含子和外顯子數(shù)量可多可少，內(nèi)含子的核苷酸數(shù)量可比外顯子多。如人血紅蛋白珠蛋白基因約1700bp，假性肥大型肌營(yíng)養(yǎng)不良(DMD)的基因全長(zhǎng)約230kd，含75個(gè)外顯子和74個(gè)內(nèi)含

26、子。第55頁/共224頁57 構(gòu)成基因的兩條DNA鏈中，一條鏈為編碼鏈(coding strand)，其堿基序列儲(chǔ)存著遺傳信息。另一條鏈為模板鏈(template strand)，是合成RNA的模板，它與編碼鏈互補(bǔ)，也稱反密碼鏈。 在顯示基因結(jié)構(gòu)時(shí)，通常只寫編碼鏈，并把5端放在左邊?；蛑心辰Y(jié)構(gòu)位點(diǎn)(如轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn))的5端區(qū)域稱為該位點(diǎn)的上游， 3端區(qū)域稱為該位點(diǎn)的下游。以該位點(diǎn)為原點(diǎn)(0)，上游堿基以-bp表示，下游堿基以+bp表示。第56頁/共224頁58 外顯子-內(nèi)含子接頭 每個(gè)外顯子和內(nèi)含子接頭區(qū)都有一段高度保守的一致順序，即內(nèi)含子5端大多數(shù)是GT開始，3端大多是AG結(jié)束，稱為GT-AG

27、法則，是普遍存在于真核基因中RNA剪接的識(shí)別信號(hào)。 側(cè)翼序列(flanking sequence) 在第一個(gè)外顯子和最末一個(gè)外顯子的外側(cè)是一段不被翻譯的非編碼區(qū)，稱為側(cè)翼序列。側(cè)翼順序含有基因調(diào)控順序，對(duì)該基因的活性有重要影響。 第57頁/共224頁59 啟動(dòng)子(promoter) 能被RNA聚合酶識(shí)別、結(jié)合并啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列。通常位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游。不同的啟動(dòng)子序列不同，與RNA聚合酶的親和力不同、啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的頻率高低不同。有的啟動(dòng)子可被RNA聚合酶直接識(shí)別并啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。有的啟動(dòng)子在被聚合酶結(jié)合時(shí)需要有蛋白質(zhì)輔助因子存在，蛋白質(zhì)因子能夠識(shí)別與該啟動(dòng)子順序相鄰或甚至重疊的DNA順序。第

28、58頁/共224頁60 TATA框(TATA box) 在人類許多基因轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游-25 -30bp處有一段高度保守序列，TATA A ，能與轉(zhuǎn)錄因子TFII結(jié)合，被 RNA聚合酶II識(shí)別啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。 CAAT框(CAAT box) 位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游-70 -80bp處有一段高度保守的序列，GG CAATCT，能與轉(zhuǎn)錄因子CTF(CAAT結(jié)合因子) 結(jié)合，提高轉(zhuǎn)錄效率。A TATCT第59頁/共224頁61 GC框(GC box) 含有的順序是GGCGGG，它也是某些啟動(dòng)子中的共同順序。常有幾個(gè)拷貝GC盒存在于同一個(gè)啟動(dòng)子中，而且方向往往不定。轉(zhuǎn)錄因子Sp1則能與GC盒結(jié)合，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄。 此外

29、，RNA聚合酶負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄tRNA和5srRNA，等，其啟動(dòng)子位于轉(zhuǎn)錄的DNA順序中，稱為下游啟動(dòng)子。 第60頁/共224頁62 核心啟動(dòng)子元件(core promoter element) 指RNA聚合酶起始轉(zhuǎn)錄所必需的最小的DNA序列，包括轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)及其上游25 30bp處的TATA盒等。核心元件單獨(dú)起作用時(shí)只能確定轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)和產(chǎn)生基礎(chǔ)水平的轉(zhuǎn)錄。 上游啟動(dòng)子元件(upstream promoter element) 包括通常位于70bp附近的CAAT盒和GC盒、以及距轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)更遠(yuǎn)的上游元件。這些元件與相應(yīng)的蛋白因子結(jié)合能提高或改變轉(zhuǎn)錄效率。 第61頁/共224頁63 增強(qiáng)子(enhanc

30、er) 是一種能夠提高轉(zhuǎn)錄效率的順式調(diào)控元件，位于真核基因轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的上游或下游，提高同一條DNA鏈上基因轉(zhuǎn)錄效率，可在轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上下游3kb或更遠(yuǎn)。作用與其序列的正反方向無關(guān)，將增強(qiáng)子方向倒置依然能起作用。而將啟動(dòng)子倒置就不能起作用。要有啟動(dòng)子才能發(fā)揮作用，沒有啟動(dòng)子存在，增強(qiáng)子不能表現(xiàn)活性。但增強(qiáng)子對(duì)啟動(dòng)子沒有嚴(yán)格的專一性，同一增強(qiáng)子可以影響不同類型啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄。具有組織或細(xì)胞特異性。 第62頁/共224頁64 終止子(termianator) 在一個(gè)基因的末端往往有一段特定順序，它具有轉(zhuǎn)錄終止的功能。終止子的共同順序特征是在轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)之前有一段回文順序，約7-20核苷酸對(duì)?；匚捻樞虻膬蓚€(gè)

31、重復(fù)部分由幾個(gè)非重復(fù)堿基對(duì)隔開，回文順序的對(duì)稱軸一般距轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)16-24bp。在回文結(jié)構(gòu)的下游有一個(gè)AATAAA的多聚腺苷酸(poly A)附加信號(hào)。第63頁/共224頁65 AATAAA的多聚腺苷酸(poly A)附加信號(hào)在DNA分子中形成A-T對(duì)，回文結(jié)構(gòu)和A-T對(duì)轉(zhuǎn)錄后，形成的RNA具有發(fā)夾結(jié)構(gòu)，并具有與A互補(bǔ)的一串U，發(fā)夾結(jié)構(gòu)可阻止RNA聚合酶的移動(dòng)。A-U之間氫健結(jié)合較弱，RNA/DNA雜交部分易于拆開，這樣對(duì)轉(zhuǎn)錄物從DNA模板上釋放出來是有利的，也可使RNA聚合酶從DNA上解離下來，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄的終止。第64頁/共224頁66基因結(jié)構(gòu)示意圖轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn) 轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)CAAT框 GC框 T

32、ATA框 外顯子 外顯子 外顯子5非翻譯區(qū) 內(nèi)含子 內(nèi)含子 3非翻譯區(qū)轉(zhuǎn)錄起始密碼 轉(zhuǎn)錄終止密碼 polyA信號(hào) (ATG) (TAA)5 3GT AG GT AG 第65頁/共224頁67 轉(zhuǎn)錄終止子序列模式圖CGCGUACGGCGCAUAUAU5 A U U U U U U U 35 5 ATT AAAGGCTCC TTTTTT GGAGCCTTT TTTTT 3 ATT AAAGGCTCC TTTTTT GGAGCCTTT TTTTT 33 3 TAA TTTCCGAGG AAAAAA CCTCGGAAA AAAAA 5 TAA TTTCCGAGG AAAAAA CCTCGGAAA AA

33、AAA 5 模板鏈 轉(zhuǎn)錄 多G/C 多A/T 第66頁/共224頁68基因的基本功能包括 遺傳信息(密碼)的儲(chǔ)存 通過特定的核苷酸組合來實(shí)現(xiàn)。 遺傳信息的擴(kuò)增和傳代 通過DNA分子的自我復(fù)制及在子細(xì)胞中的再分配實(shí)現(xiàn)。 遺傳信息的表達(dá) 通過將DNA分子上的遺傳信息轉(zhuǎn)錄成mRNA；再由mRNA信息翻譯成蛋白質(zhì)(酶)；最后，由這些具有各種生物活性的蛋白質(zhì)實(shí)現(xiàn)生物功能和性狀。(五) 基因的功能 第67頁/共224頁69 依賴于 DNA復(fù)制的從DNA轉(zhuǎn)錄為RNA，再由RNA翻譯為蛋白質(zhì)的過程稱為遺傳信息傳遞的“中心法則”。DNA RNA 蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄 翻譯反轉(zhuǎn)錄 復(fù)制復(fù)制第68頁/共224頁701. 遺傳

34、信息(密碼)的儲(chǔ)存 1961年，Crick用遺傳學(xué)方法證明，DNA分子上的三個(gè)相鄰核苷酸構(gòu)成一個(gè)三聯(lián)體，決定多肽上的一個(gè)氨基酸。特定的核苷酸三聯(lián)體構(gòu)成了遺傳密碼。 1966年，Nirenberg和khorana等用人工合成的不同核苷酸組合的RNA片斷，研究破譯了全部遺傳密碼(genetic code)，也稱密碼子(codon)。第69頁/共224頁71 遺傳密碼表第1個(gè)核苷酸 第2個(gè)核苷酸 第3個(gè)核苷酸 (5端) U C A G (3端) UUU UCU UAU UGU U UUC UCC UAC UGC C UUA UCA UAA UGA 終止 A UUG UCG UAG UGG 色 G C

35、UU CCU CAU CGU U CUC CCC CAC CGC C CUA CCA CAA CGA A CUG CCG CAG CGG G AUU ACU AAU AGU U AUC ACC AAC AGC C AUA ACA AAA AGA A AUG ACG AAG AGG G GUU GCU GAU GGU U GUC GCC GAC GGC C GUA GCA GAA GGA A GUG GCG GAG GGG GC 亮 脯 精 G 纈 丙 甘 A 蘇 U 絲 苯丙 酪 半光 亮 終止 天酰 絲 賴 精 組谷酰 天冬 谷 異亮* 蛋第70頁/共224頁72 對(duì)遺傳密碼的研究表明，遺傳

36、密碼具有4個(gè)特點(diǎn) 通用性 上述的遺傳密碼幾乎通用于整個(gè)生物屆，包括低等的病毒、細(xì)菌以及高等生物和人類。有幾個(gè)例外。線粒體中，AUA(異亮)編碼蛋氨酸、 CUA(亮)編碼蘇氨酸、 UGA不是終止密碼而編碼色氨酸，AUG在原核生物和真核生物中的含義不同，分別編碼甲酰蛋氨酸和蛋氨酸。第71頁/共224頁73 遺傳密碼表第1個(gè)核苷酸 第2個(gè)核苷酸 第3個(gè)核苷酸 (5端) U C A G (3端) UUU UCU UAU UGU U UUC UCC UAC UGC C UUA UCA UAA UGA 終止 A UUG UCG UAG UGG 色 G CUU CCU CAU CGU U CUC CCC C

37、AC CGC C CUA CCA CAA CGA A CUG CCG CAG CGG G AUU ACU AAU AGU U AUC ACC AAC AGC C AUA ACA AAA AGA A AUG ACG AAG AGG G GUU GCU GAU GGU U GUC GCC GAC GGC C GUA GCA GAA GGA A GUG GCG GAG GGG GC 亮 脯 精 G 纈 丙 甘 A 蘇 U 絲 苯丙 酪 半光 亮 終止 天酰 絲 賴 精 組谷酰 天冬 谷 異亮* 蛋第72頁/共224頁74 兼并性 某些氨基酸可由兩種以上的密碼子編碼，稱為兼并性(degenerate)

38、。遺傳密碼的頭兩個(gè)核苷酸起決定作用，第3位核苷酸C和U互換不會(huì)導(dǎo)致氨基酸改變；A和G互換只有兩組氨基酸變化，AUA(異亮氨酸)AUG(蛋氨酸)，UGA(終止密碼) UGG(色氨酸)。第73頁/共224頁75 遺傳密碼表第1個(gè)核苷酸 第2個(gè)核苷酸 第3個(gè)核苷酸 (5端) U C A G (3端) UUU UCU UAU UGU U UUC UCC UAC UGC C UUA UCA UAA UGA 終止 A UUG UCG UAG UGG 色 G CUU CCU CAU CGU U CUC CCC CAC CGC C CUA CCA CAA CGA A CUG CCG CAG CGG G AUU

39、 ACU AAU AGU U AUC ACC AAC AGC C AUA ACA AAA AGA A AUG ACG AAG AGG G GUU GCU GAU GGU U GUC GCC GAC GGC C GUA GCA GAA GGA A GUG GCG GAG GGG GC 亮 脯 精 G 纈 丙 甘 A 蘇 U 絲 苯丙 酪 半光 亮 終止 天酰 絲 賴 精 組谷酰 天冬 谷 異亮* 蛋第74頁/共224頁76 方向性 mRNA中的密碼子是由53方向排列的，翻譯過程沿mRNA 53進(jìn)行。 起始密碼和終止密碼 64個(gè)密碼子中，AUG除代表蛋氨酸或甲酰蛋氨酸外，當(dāng)其位于mRNA 5端啟動(dòng)

40、部位時(shí)，兼有蛋白合成啟動(dòng)信號(hào)的作用。UAA、UGA、UAG均不編碼特定的氨基酸，是肽鏈合成的終止信號(hào)，稱終止密碼。第75頁/共224頁77 遺傳密碼表第1個(gè)核苷酸 第2個(gè)核苷酸 第3個(gè)核苷酸 (5端) U C A G (3端) UUU UCU UAU UGU U UUC UCC UAC UGC C UUA UCA UAA UGA 終止 A UUG UCG UAG UGG 色 G CUU CCU CAU CGU U CUC CCC CAC CGC C CUA CCA CAA CGA A CUG CCG CAG CGG G AUU ACU AAU AGU U AUC ACC AAC AGC C A

41、UA ACA AAA AGA A AUG ACG AAG AGG G GUU GCU GAU GGU U GUC GCC GAC GGC C GUA GCA GAA GGA A GUG GCG GAG GGG GC 亮 脯 精 G 纈 丙 甘 A 蘇 U 絲 苯丙 酪 半光 亮 終止 天酰 絲 賴 精 組谷酰 天冬 谷 異亮* 蛋第76頁/共224頁78 2. 基因復(fù)制 基因復(fù)制是通過DNA分子的復(fù)制而實(shí)現(xiàn)，DNA復(fù)制具有如下特點(diǎn)。第77頁/共224頁79 半保留復(fù)制(semi conservation replication) DNA復(fù)制過程中，超螺旋結(jié)構(gòu)狀態(tài)的DNA被解旋酶松弛，在解鏈酶作

42、用下，DNA雙鏈解開，解鏈后的兩條DNA單鏈都被作為膜板鏈，以RNA作為引物，按堿基互補(bǔ)原則， 從RNA引物3端開始，在DNA聚合酶和DNA連接酶作用下，將游離的三磷酸脫氧核糖核苷連接到膜板鏈上，形成新的互補(bǔ)鏈。新合成的單鏈分子的堿基序列相當(dāng)于膜板鏈原來的互補(bǔ)鏈，與膜板鏈完全互補(bǔ)。新形成的兩個(gè)DNA分子中，每個(gè)DNA的一條鏈來自親代DNA，另一條鏈則是新合成的，這種復(fù)制方式稱為半保留復(fù)制。第78頁/共224頁80Meselson和Stahl用實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)DNA半保留復(fù)制(1958) 第79頁/共224頁81 半不連續(xù)復(fù)制(Semi-ondistinuous replication)。DNA雙螺旋的

43、兩條鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械?，在?fù)制起點(diǎn)處兩條DNA鏈解開成單鏈時(shí)，一條是53方向，另一條是35方向。以這兩條鏈為模板時(shí)，新生鏈延伸方向一條為35，另一條為53。但生物細(xì)胞內(nèi)催化DNA聚合的酶都只能催化53延伸。岡崎片段(Okaxaki fragments)的發(fā)現(xiàn)解答了這一問題。第80頁/共224頁82 在復(fù)制起點(diǎn)兩條鏈解開形成復(fù)制泡(replication bubbles)，DNA向兩側(cè)復(fù)制形成兩個(gè)復(fù)制叉(replication forks)。以復(fù)制叉移動(dòng)的方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，一條模板鏈?zhǔn)?5，以此為模板進(jìn)行的新生DNA鏈的合成沿53方向連續(xù)進(jìn)行，這條鏈稱為前導(dǎo)鏈(leading strand)。另一條模板鏈

44、的方向?yàn)?3，以此為模板的DNA合成也是沿53方向進(jìn)行，但與復(fù)制叉前進(jìn)的方向相反，而且是分段，不連續(xù)合成的，這條鏈稱為滯后鏈(lagging strand)，合成的片段即為岡崎片段。第81頁/共224頁83 岡崎片段以后由DNA連接酶連成完整的DNA鏈。這種前導(dǎo)鏈的連續(xù)復(fù)制和滯后鏈的不連續(xù)復(fù)制在生物界是普遍存在的，稱為DNA合成的半不連續(xù)復(fù)制。 復(fù)制總是沿53方向進(jìn)行。 真核生物的DNA復(fù)制同時(shí)從多個(gè)起點(diǎn)啟動(dòng)，一個(gè)復(fù)制起點(diǎn)開始進(jìn)行的DNA復(fù)制區(qū)域稱為復(fù)制子(replicon)或復(fù)制單位(replication unit)。人基因組中約有1萬個(gè)復(fù)制起點(diǎn)(origin of replication

45、)。第82頁/共224頁84 在DNA復(fù)制開始時(shí)，需要一系列蛋白因子參與，他們相互作用形成引發(fā)體(primosome)。引發(fā)體能識(shí)別DNA復(fù)制起點(diǎn)位置，之后，前導(dǎo)鏈上由引物酶催化合成一段RNA引物，啟動(dòng)前導(dǎo)鏈的DNA復(fù)制。引發(fā)體在滯后鏈上沿53方向不停的移動(dòng)，促進(jìn)在一定距離上反復(fù)合成RNA引物供DNA聚合酶合成岡崎片段使用。復(fù)制啟動(dòng)后，在復(fù)制叉處形成了以兩套DNA聚合酶全酶分子、引發(fā)體和螺旋構(gòu)成的類似核糖體大小的復(fù)合體，稱為DNA復(fù)制體(replisome)。第83頁/共224頁85 復(fù)制體在DNA前導(dǎo)鏈模板和滯后鏈模板上移動(dòng)時(shí)便合成了連續(xù)的DNA前導(dǎo)鏈和由許多岡崎片段組成的滯后鏈。在DNA合

46、成延伸過程中主要是DNA聚合酶的作用。當(dāng)岡崎片段形成后，DNA聚合酶通過其53外切酶活性切除岡崎片段上的RNA引物，同時(shí)，利用后合成的一個(gè)岡崎片段作為引物由53合成DNA。最后兩個(gè)岡崎片段由DNA連接酶將其接起來，形成完整的DNA滯后鏈。前導(dǎo)鏈與35模板形成新的DNA雙鏈分子，滯后鏈與53模板形成新的DNA雙鏈分子。第84頁/共224頁86第85頁/共224頁87第86頁/共224頁88 基因表達(dá)(gene expression) 指生命過程中，儲(chǔ)存在基因中的遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄和翻譯，合成蛋白質(zhì)或酶分子，執(zhí)行特定的生物學(xué)功能或性狀的過程。主要過程被人為劃分為轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個(gè)階段。 3. 基因表達(dá)第

47、87頁/共224頁89 轉(zhuǎn)錄(transcription) 以DNA為膜板，在RNA聚合酶作用下合成RNA的過程。真核細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄過程在細(xì)胞核內(nèi)完成。轉(zhuǎn)錄過程就是DNA分子上的遺傳信息傳遞到RNA的過程。第88頁/共224頁90 轉(zhuǎn)錄過程 核DNA分子雙鏈解旋、解鏈，以結(jié)構(gòu)基因模板鏈 (反密碼鏈，35)作為RNA合成的膜板，在RNA聚合酶作用下按堿基互補(bǔ)原則(TU)，合成一條單鏈RNA (53)。 大分子雙鏈DNA中，并不總是以某一條鏈為模板鏈，不同的基因可在不同鏈上，這取決于基因的啟動(dòng)子在那一條鏈上。第89頁/共224頁91 轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物包括mRNA，tRNA和rRNA。真核細(xì)胞rRNA轉(zhuǎn)錄在核仁

48、內(nèi)進(jìn)行，由RNA聚合酶I催化， tRNA轉(zhuǎn)錄在核質(zhì)中進(jìn)行，需要RNA聚合酶III催化， mRNA轉(zhuǎn)錄也在核質(zhì)中進(jìn)行，需要RNA聚合酶II催化。mRNA的原始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物比成熟mRNA 大4-5倍，稱為核內(nèi)異質(zhì)RNA (heterogenous nuclear RNA, hnRNA)，hnRNA需要經(jīng)過加工修飾后才能執(zhí)行功能(成熟RNA) 。第90頁/共224頁92 轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工修飾 mRNA的成熟包括剪接、戴帽、添尾等加工修飾過程。 剪接(splicing) 剛轉(zhuǎn)錄完成的mRNA稱為前mRNA(pre-mRNA)或核內(nèi)異質(zhì)RNA，他含有一個(gè)基因的外顯子、內(nèi)含子、前導(dǎo)區(qū)、尾部區(qū)對(duì)應(yīng)的全部序列。把內(nèi)

49、含子對(duì)應(yīng)序列切掉，外顯子對(duì)應(yīng)序列連接起來的過程稱為剪接。第91頁/共224頁93 細(xì)胞核中有許多小RNA(small nuclear RNA， snRNA)，長(zhǎng)約250個(gè)核苷酸，是所有真核細(xì)胞高度保守的成分，因其富含尿嘧啶核苷酸也被稱為U族RNA，如U1, U2, U3, U4, U5, U6等。它們與約10多種蛋白質(zhì)結(jié)合形成snRNP(small nuclear ribonucleoprotein)。 snRNP通過RNA-RNA互補(bǔ)，能識(shí)別內(nèi)含子中的特定序列。各種snRNP在剪接過程中形成剪接體(spliceosome)，使內(nèi)含子被切掉。剪接點(diǎn)由內(nèi)含子外顯子接頭處的剪接信號(hào)(5GT- -

50、- AG3)決定。第92頁/共224頁94 戴帽(capping) 真核生物mRNA成熟過程中需要在5端加上7-甲基鳥嘌呤核苷三磷酸(m7Gppp)，并在下一個(gè)核苷酸的2-O位也進(jìn)行甲基化。該結(jié)構(gòu)稱為帽子(cap)。帽子是核糖體小亞基的識(shí)別信號(hào)，能促進(jìn)mRNA與核糖體結(jié)合。有效封閉mRNA 5端免受5端核酸外切酶的降解。第93頁/共224頁95第94頁/共224頁96 添尾 在前mRNA的3端存在一個(gè)AAUAAA序列，該序列為加尾信號(hào)，對(duì)其下游序列酶切10-15個(gè)核苷酸后， 在 3端加上100-200個(gè)腺苷酸，形成 一段多聚腺苷酸(polyA)的尾巴。 polyA的功能可能與mRNA從核內(nèi)進(jìn)入

51、細(xì)胞質(zhì)有關(guān)，也起保護(hù)mRNA的3端的作用。 其它修飾作用 如一些堿基的甲?；?。第95頁/共224頁97第96頁/共224頁98 翻譯(translation) 在mRNA指導(dǎo)下的蛋白質(zhì)生物合成。翻譯過程就是將mRNA分子中的遺傳信息“解讀”成肽鏈上的氨基酸種類和序列。 翻譯過程非常復(fù)雜，需要mRNA、tRNA、rRNA、核糖體、多種酶和蛋白質(zhì)輔助因子的共同協(xié)調(diào)作用，需要活化氨基酸作為原料，ATP、GTP提供能量。整個(gè)過程在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行。主要包括第97頁/共224頁99 氨基酰-tRNA形成 氨基酸在氨基酰-tRNA合成酶和ATP作用下被活化，并與相應(yīng)的tRNA結(jié)合形成氨基酰-tRNA復(fù)合物。

52、 每一種氨基酸都是由一種或幾種特定結(jié)構(gòu)的tRNA負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)。成熟tRNA分子由73-90個(gè)核苷酸組成。其結(jié)構(gòu)上有四個(gè)功能部位：反密碼子環(huán)上的反密碼子識(shí)別 mRNA上的密碼并以堿基互補(bǔ)方式結(jié)合；氨基酸臂攜帶氨基酸，所有tRNA的3端都以CAA結(jié)尾，末端A以共價(jià)鍵和特定氨基酸結(jié)合成氨酰-tRNA；D-環(huán)識(shí)別RNA合成酶；TC環(huán)識(shí)別核糖體。第98頁/共224頁100tRNA結(jié)構(gòu)第99頁/共224頁101tRNA結(jié)構(gòu)第100頁/共224頁102 肽鏈合成起始 在起始因子( initiation factor, IF) 和GTP作用下，產(chǎn)生蛋氨酰-tRNA-IF-GTP復(fù)合物，復(fù)合物與核糖體小亞基結(jié)合并在

53、IF介導(dǎo)下，識(shí)別戴帽并沿mRNA 53方向滑動(dòng)，到達(dá)起始密碼子AUG時(shí)，蛋氨酰-tRNA通過tRNA的反密碼子UAC與 mRNA上的翻譯起始信號(hào)AUG配對(duì)結(jié)合，形成起始復(fù)合體(intiation complex)，IF和GTP從起始復(fù)合體釋放，大亞基與小亞基結(jié)合形成完整的核糖體。第101頁/共224頁103 肽鏈延長(zhǎng) 核糖體分子有兩個(gè)氨酰結(jié)合部位，分別稱為肽位(P)和氨酰位(A)，翻譯啟動(dòng)時(shí)，蛋氨酰-tRNA結(jié)合在P位，P位的蛋氨酰與mRNA的啟動(dòng)密碼配對(duì)結(jié)合到mRNA分子上，核糖體識(shí)別mRNA下一個(gè)密碼子，結(jié)合相應(yīng)反密碼子的氨酰-tRNA，在轉(zhuǎn)肽酶作用下，蛋氨酰與第2個(gè)氨酰結(jié)合形成二肽，蛋氨

54、酰從tRNA脫離，tRNA從核糖體P位上脫離。移位酶將A位的氨酰-tRNA移動(dòng)到P位，核糖體沿53移動(dòng)一個(gè)密碼子距離，識(shí)別下一個(gè)密碼，結(jié)合下一個(gè)相應(yīng)氨酰-tRNA。此過程中，延長(zhǎng)因子(EF)同時(shí)發(fā)揮作用，如此反復(fù)將肽鏈不斷延長(zhǎng)，直到終止密碼出現(xiàn)。第102頁/共224頁104 肽鏈終止 核糖體沿mRNA 53方向不斷移動(dòng)，肽鏈不斷延長(zhǎng)，當(dāng)核糖體A位出現(xiàn)終止密碼UAA、UAG、UGA時(shí)，A位不再有氨酰-tRNA結(jié)合上去。釋放因子(RF)與之結(jié)合，使氨酰-tRNA酯鍵斷裂，核糖體釋放出多肽和tRNA，并與mRNA分離，自身分離成兩個(gè)亞基。肽鏈合成結(jié)束。 核糖體進(jìn)行翻譯時(shí)并不僅僅是一個(gè)核糖體在一條mR

55、NA鏈上進(jìn)行翻譯，常常是多個(gè)核糖體同時(shí)或依次結(jié)合在一條mRNA鏈上進(jìn)行翻譯，在一個(gè)mRNA鏈上可翻譯出很多個(gè)肽鏈分子。與DNA復(fù)制不同的是，翻譯的起始點(diǎn)是相同的一個(gè)。第103頁/共224頁105 翻譯后修飾 翻譯后的初始產(chǎn)物需要進(jìn)一步加工修飾，才能成為具有生物活性的蛋白質(zhì)或酶。加工方式包括N端脫甲酰基、 N端乙?；⒍嚯逆溋姿峄?、糖基化、多肽鏈切割等。多種酶都有無活性的前體-酶原，需在一定條件經(jīng)特定變化才能被激活。第104頁/共224頁106 逆轉(zhuǎn)錄 早期認(rèn)為DNARNA蛋白質(zhì)是單方向運(yùn)行而不可逆轉(zhuǎn)運(yùn)行的。后來發(fā)現(xiàn)RNA病毒的逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象，對(duì)上述過程修改為DNARNA蛋白質(zhì)或RNA DNARNA

56、蛋白質(zhì)。第105頁/共224頁107 mRNA編輯 轉(zhuǎn)錄后的hnRNA需經(jīng)過戴帽、加尾、剪接等加工修飾后才能成為成熟mRNA，作為翻譯的模板。通常情況下成熟mRNA的序列與結(jié)構(gòu)基因的編碼序列是對(duì)應(yīng)的，不會(huì)發(fā)生改變。但有時(shí)并不完全對(duì)應(yīng)，表現(xiàn)為在 mRNA中會(huì)有個(gè)別堿基的取代，并引起蛋白質(zhì)改變。而在一些低等生物 (錐蟲)中，卻發(fā)現(xiàn)有堿基的缺失和插入。研究并未在基因組中發(fā)現(xiàn)這種改變了的mRNA對(duì)應(yīng)的DNA序列。因而認(rèn)為這種改變是發(fā)生在mRNA水平上，被稱為 mRNA的編輯。第106頁/共224頁108 4. 基因表達(dá)調(diào)控 在生物基因組中，一些基因的表達(dá)產(chǎn)物對(duì)生命過程必需或必不可少，如核糖體、染色體、

57、細(xì)胞骨架等相關(guān)蛋白。這類產(chǎn)物的基因通常在個(gè)體發(fā)育的各階段都能在大多數(shù)細(xì)胞中持續(xù)進(jìn)行表達(dá)，較少受環(huán)境因素的影響。這類表達(dá)稱為組成性基因表達(dá)(constitutive gene expression)，基因則稱為管家基因(housekeeping gene)。 第107頁/共224頁109 除管家基因外的許多基因并不是在生物生命過程中的每個(gè)時(shí)候都在每種細(xì)胞中表達(dá)。雖然每個(gè)細(xì)胞都含有全套基因，人類基因組DNA中約含34萬個(gè)基因。但在某一特定發(fā)育時(shí)期，只有少數(shù)基因根據(jù)需要定時(shí)定量地表達(dá)和關(guān)閉，表現(xiàn)出明顯的階段特性或時(shí)間特性。在不同的組織細(xì)胞中，基因表達(dá)情況并不同，許多組織中只是一些與該組織器官功能相關(guān)

58、的基因得以表達(dá)，表現(xiàn)出組織特性或空間特性。第108頁/共224頁110 基因的表達(dá)和關(guān)閉，顯然受到一套精細(xì)的調(diào)控機(jī)制控制?；虮磉_(dá)過程的每一個(gè)環(huán)節(jié)都有復(fù)雜而精細(xì)的調(diào)控機(jī)制在發(fā)揮作用。具體的調(diào)控過程非常復(fù)雜，并可能有多種調(diào)控方式。一般認(rèn)為，基因表達(dá)調(diào)控以正性調(diào)控為主，阻遏調(diào)控為輔，基因有表達(dá)條件時(shí)，即可啟動(dòng)和完成表達(dá)。根據(jù)基因表達(dá)有兩個(gè)重要環(huán)節(jié)，可人為地把表達(dá)調(diào)控分為轉(zhuǎn)錄前、轉(zhuǎn)錄中、轉(zhuǎn)錄后( 翻譯前)、翻譯中、翻譯后五個(gè)環(huán)節(jié)的表達(dá)調(diào)控。第109頁/共224頁111 轉(zhuǎn)錄前調(diào)控 基因能否被表達(dá)，第一步取決于DNA能否被轉(zhuǎn)錄，真核生物的DNA分子與組蛋白和非組蛋白組裝成染色質(zhì)/體形式存在，形成復(fù)雜的

59、空間結(jié)構(gòu)，組蛋白與DNA結(jié)合、DNA甲基化對(duì)轉(zhuǎn)錄具有抑制作用；組蛋白乙?；?、非組蛋白磷酸化可與組蛋白結(jié)合而使組蛋白與DNA分離，使DNA分子裸露，有利于轉(zhuǎn)錄。非組蛋白去磷酸化，則出現(xiàn)相反的效應(yīng)。非組蛋白的磷酸化與去磷酸化，可受激素-受體信號(hào)的調(diào)控。染色體的螺旋化程度也影響轉(zhuǎn)錄。第110頁/共224頁112 轉(zhuǎn)錄過程中的調(diào)控 DNA轉(zhuǎn)錄過程需要DNA分子上的啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、抑制子等與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)的特殊序列的存在，并通過它們與轉(zhuǎn)錄相關(guān)蛋白、因子相互作用以及蛋白、因子間的相互作用，最后產(chǎn)生綜合性的效應(yīng)，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄過程已知有10多種蛋白因子(酶、轉(zhuǎn)錄因子)參與。激素與受體結(jié)合也會(huì)促進(jìn)轉(zhuǎn)錄過程。

60、第111頁/共224頁113 DNA分子上的一些與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)的特殊順序稱為順式作用元件(cis-acting element)或分子內(nèi)作用元件，主要有啟動(dòng)子、增強(qiáng)子和沉默子(silencer)等。 與基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)的蛋白質(zhì)因子稱為反式作用因子(trans-acting factor)或分子間作用因子。第112頁/共224頁114 轉(zhuǎn)錄后( 翻譯前)調(diào)控 轉(zhuǎn)錄后的RNA需要經(jīng)過一系列加工修飾才具有功能，加工修飾的過程需要一系列酶和蛋白因子參與，它們的效率和精確性及相互間的作用，都影響修飾的進(jìn)程和結(jié)果。不同的加工修飾可導(dǎo)致同一轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物被翻譯成不同的異構(gòu)蛋白。第113頁/共224頁115 翻