遺傳學(xué) 第七章

1、第七章 遺傳物質(zhì)的分子學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié) DNA作為主要遺傳物質(zhì)的證據(jù)n 基因存在于染色體上 n 染色體= 27 DNA+ 6RNA+ 66蛋白質(zhì)n 此外，還含有少量的擬脂與無(wú)機(jī)物質(zhì)。n n 20世紀(jì)40年代以來(lái)，由于微生物遺傳學(xué)的發(fā)展，加上生物化學(xué)、生物物理學(xué)以及許多新技術(shù)不斷被引入遺傳學(xué)，促成了一個(gè)嶄新的領(lǐng)域n 分子遺傳學(xué)的誕生和發(fā)展。n 分子遺傳學(xué)已擁有大量直接和間接的證據(jù)，說(shuō)明DNA是主要的遺傳物質(zhì)，而在缺乏DNA的某些病毒中，RNA就是遺傳物質(zhì)。一、DNA作為主要遺傳物質(zhì)的間接證 n 1、大部分DNA存在于染色體上. 而RNA和蛋白質(zhì)在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)也很多,但成分并不穩(wěn)定。n 2、 DNA含量是

2、恒定性 每個(gè)物種不同組織的細(xì)胞不論其大小和功能如何，它們的DNA含量是恒定的，而且精子或卵子中的DNA含量正好是體細(xì)胞的一半；而細(xì)胞內(nèi)的RNA和蛋白質(zhì)的量在不同細(xì)胞間變化很大。 n 3、多倍體DNA含量增加 多倍體系列的一些物種，其細(xì)胞中DNA的含量隨染色體倍數(shù)的增加，也呈現(xiàn)倍數(shù)性的遞增。n 4、 DNA在代謝上比較穩(wěn)定 細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)和RNA分子在迅速形成的同時(shí)，又不斷分解。而DNA分子則不同，原子一旦被DNA分子所攝取，則在細(xì)胞保持健全生長(zhǎng)的情況下，保持穩(wěn)定，不會(huì)離開DNA。n 5、用不同波長(zhǎng)的紫外線誘發(fā)各種生物突變時(shí)，其最有效的波長(zhǎng)均為260nm。 這與DNA所吸收的紫外線光譜是一致的，亦

3、即在260nm處吸收最多。這證明基因突變是與DNA分子的變異密切相關(guān)的。 n 雖然上述間接證據(jù)有力地說(shuō)明DNA是遺傳物質(zhì)，但并不能直接證明之。 二、DNA作為主要遺傳物質(zhì)的直接證據(jù) (一)細(xì)菌的轉(zhuǎn)化 n 肺炎雙球菌(Streptococcuspneumoniae)有兩種不同的類型：n 光滑型(S型) 被一層多糖類的莢膜所保護(hù)，具有毒性，在n 培養(yǎng)基上形成光滑的菌落。n 粗糙型(R型) 沒(méi)有莢膜和毒性，在培養(yǎng)基上形成粗糙的n 菌落。n 在S 型和R型內(nèi)還可以按血清免疫反應(yīng)的不同，分成許多抗原型，常用IR、R和IS、S、S等加以區(qū)別。n R型與S型的各種抗原型都比較穩(wěn)定，在一般情況下不發(fā)生互變。1

4、、格里菲思試驗(yàn) 早在1928年，格里菲思(Griffith，F(xiàn))首次將一種類型的肺炎雙球菌R轉(zhuǎn)化為另一種類型S，實(shí)現(xiàn)了細(xì)菌遺傳性狀的定向轉(zhuǎn)化 2、阿委瑞的試驗(yàn) 16年后，阿委瑞(Avery，OT·，1944)等用生物化學(xué)方法證明這種活性物質(zhì)是DNA。他們不僅成功地重復(fù)了上述的試驗(yàn)，而且將S型細(xì)菌的DNA提取物與IIR型細(xì)菌混合在一起，在離體培養(yǎng)的條件下，也成功地使少數(shù)IIR型細(xì)菌定向轉(zhuǎn)化為S型細(xì)菌。 其所以確認(rèn)導(dǎo)致轉(zhuǎn)化的物質(zhì)是DNA，是因?yàn)樵撎崛∥锊皇艿鞍酌浮⒍嗵敲负秃颂呛怂崦傅挠绊?，而只能為DNA酶所破壞。迄今，已經(jīng)在幾十種細(xì)菌和放線菌中成功地獲得了遺傳性狀的定向轉(zhuǎn)化。這些試驗(yàn)都證

5、明起轉(zhuǎn)化作用的物質(zhì)是DNA(二) 噬菌體的侵染與繁殖 赫爾希試驗(yàn) 赫爾希(Hershey，A·D)等用同位素32P和35S分別標(biāo)記T2噬菌體的DNA與蛋白質(zhì)。因?yàn)?2P 是DNA的組分，但不見于蛋白 而35S是蛋白質(zhì)的組分，但不見于DNA。 然后用標(biāo)記的T2噬菌體(32P或35S)分別感染大腸桿菌 經(jīng)10min后 用攪拌器甩掉附著于細(xì)胞外面的噬菌體外殼。32P標(biāo)記情況下，基本上全部放射活性見于細(xì)菌內(nèi)而不被甩掉并可傳遞給子代。35S標(biāo)記情況下，放射性活性大部分見于被甩掉的外殼中，細(xì)菌內(nèi)只有較低的放射性活性，且不能傳遞給子代 這樣看來(lái)，主要是由于DNA進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)才產(chǎn)生完整的噬菌體。所以說(shuō)

6、DNA是具有連續(xù)性的遺傳物質(zhì)(三)煙草花葉病毒的感染和繁殖 煙草花葉病毒(tobacco mosaic virus，TMV)是由RNA(不是DNA)與蛋白質(zhì)組成的管狀微粒，它的中心是單螺旋的RNA，外部是由蛋白質(zhì)組成的外殼。 如果將TMV的RNA與蛋白質(zhì)分開 把提純的RNA接種到煙葉上， 可以形成新的TMV而使煙草發(fā)??； 單純利用它的蛋白質(zhì)接種，就不能形成新的TMV，煙草繼續(xù)保持健壯。 如果事先用RNA酶處理提純的RNA 再接種到煙草上，也不能產(chǎn)生新的TMV。這說(shuō)明在不含DNA的TMV中，RNA就是遺傳物質(zhì)。 為了進(jìn)一步論證上述的結(jié)論，佛蘭科爾康拉特與辛格爾(FrankelConrat，H.和

7、Singer，B)作了以下實(shí)驗(yàn):把TMV的RNA與另一個(gè)病毒品系HR的蛋白質(zhì)，重新合成混合的煙草花葉病毒，用它感染煙草葉片，所產(chǎn)生的新病毒顆粒與提供RNA的品系完全一樣 亦即親本的 RNA決定了后代的病毒類型(圖3-3)。 以上實(shí)例均直接證明DNA是生物主要的遺傳物質(zhì)，而在缺少DNA的生物中，RNA則為遺傳物質(zhì)第二節(jié) 核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)一、兩種核酸n 核酸(nucleicacid)是核苷酸的多聚體。n 每個(gè)核苷酸包括3部分：n 五碳糖、磷酸、環(huán)狀的含氮堿基 n 堿基包括 ：嘌呤 、嘧啶 n 兩個(gè)核苷酸之間由3和5位的磷酸二脂鍵相連核酸有兩種：n 脫氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)二、 DN

8、A的雙螺旋結(jié)構(gòu)n DNA分子是脫氧核苷酸的多聚體。因?yàn)闃?gòu)成DNA的堿基通常有四種，所以，脫氧核苷酸也有四種，n 即：脫氧腺嘌呤核苷酸(dATP)、n 脫氧胸腺嘧啶核苷酸(dTTP)、n 脫氧鳥嘌呤核苷酸(dGTP)、n 脫氧胞嘧啶核苷酸(dCTP) 。 n 1953年，瓦特森(Watson，JD)和克里克(Crick，F(xiàn))根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)的規(guī)律 以及對(duì)DNA分子的X射線衍射研究的成果 ，提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型 。n 這個(gè)空間構(gòu)型奠定了分子遺傳學(xué)的基礎(chǔ)。假設(shè)某一段DNA分子鏈有1000對(duì)核苷酸n 則該段不同的排列組合形式: 41000種n 4種不同排列組合的分子結(jié)構(gòu)，反映出來(lái)的不同性質(zhì)

9、的基因就是41000種。n 因?yàn)楝F(xiàn)在已經(jīng)知道基因是DNA分子鏈上的一個(gè)區(qū)段，其平均大小為l000對(duì)核苷酸。 n 然而，對(duì)一特定物種的DNA分子來(lái)說(shuō)，其堿基順序是一定的，并且通常保持不變，這樣才能保持該物種遺傳特性的穩(wěn)定。n 只有在特殊的條件下，改變其堿基順序或位置或以堿基類似物代替某一堿基時(shí)，才出現(xiàn)遺傳的變異(突變)。三、RNA的分子結(jié)構(gòu)n RNA的分子結(jié)構(gòu)， 與DNA的不同:n 1、U Tn 2、核糖 脫氧核糖n 3、絕大部分RNA單鏈形式存在，但可以折疊起來(lái)形成若干雙鏈區(qū)域。在這些區(qū)域內(nèi)，凡互補(bǔ)的堿基對(duì)間可以形成氫鍵 。n 但有一些以RNA為遺傳物質(zhì)的動(dòng)物病毒含有雙鏈RNA. 第二節(jié) DN

10、A的復(fù)制一、 DNA復(fù)制 （一）半保留復(fù)制 (二)復(fù)制起點(diǎn)和復(fù)制方向 在極大多數(shù)細(xì)菌及病毒中，只有一個(gè)復(fù)制起點(diǎn)，控制整個(gè)染色體的復(fù)制。所以整個(gè)染色體也就是一個(gè)復(fù)制子(toplicon)。n 復(fù)制子-是指在同一個(gè)復(fù)制起點(diǎn)控制下合成的一段DNA序列。n 在真核生物中，每條染色體的DNA復(fù)制則是多起點(diǎn)的，多個(gè)復(fù)制起點(diǎn)共同控制一條染色體的復(fù)制，即每條染色體有多個(gè)復(fù)制子。n DNA的合成必須有引物的引導(dǎo)，并且復(fù)制時(shí)鏈的延伸總是從5 3方向進(jìn)行。(三)DNA復(fù)制的過(guò)程 1DNA雙螺旋的解鏈 n 由DNA解旋酶(1lelicase)催化完成n 由ATP提供解旋所需的能量n DNA雙鏈由解旋酶解開后，單鏈DN

11、A結(jié)合蛋白(single-strand DNAbinding pntein，SSB protein)馬上結(jié)合在分開的單鏈上，從而保持其伸展?fàn)顟B(tài)。2.DNA合成 在DNA合成前，以DNA為模板，根據(jù)堿基配對(duì)原則，在一種特殊的RNA聚合酶-DNA引物酶的催化下，先合成一段長(zhǎng)度為5-60個(gè)核苷酸的RNA引物，提供3端自由-OH。然后，在DNA聚合酶 的催化下進(jìn)行DNA的合成3.一條DNA鏈連續(xù)合成，一條鏈不連續(xù) n 只有一條DNA的鏈的合成是連續(xù)的，而另一條鏈?zhǔn)遣贿B續(xù)的。所以從整個(gè)DNA分子水平來(lái)看，DNA兩條新鏈的合成方向是相反的，但是都是從5 3 方向延伸。n 把一直從5 3方向延伸的鏈稱作前導(dǎo)

12、鏈(1eadingstrand)，它是連續(xù)合成的。n 而另一條先沿5 3方向合成一些片段，然后再由連接酶將其連起來(lái)成為鏈，稱為后隨鏈(1agging strand)，其合成是不連續(xù)的 。n 這種不連續(xù)合成是由岡崎等人首先發(fā)現(xiàn)的，所以，現(xiàn)在將后隨鏈上合成的DNA不 連續(xù)單鏈小片段稱為岡崎片段(Okazaki fragment)。n 因此，在前導(dǎo)鏈上，DNA引物酶只在起始點(diǎn)合成一次引物RNA，DNA聚合酶III 就可開始進(jìn)行DNA的合成，而在后隨鏈上，每個(gè)岡崎片段的合成都需要先合成一段引物RNA，然后DNA聚合酶III才能進(jìn)行DNA的合成。n 隨后，引物RNA被切除，并為新合成的DNA片段所替代。

13、 n 最后由DNA連接酶(DNAligase)將岡崎片段連接起來(lái)，形成一條完整的新鏈 。第四節(jié) DNA的轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)的翻譯n DNA（基因）- mRNA-蛋白質(zhì) 一、RNA合成n 只有一條DNA鏈被用作模板，而DNA合成時(shí)兩條鏈分別用作模板；n RNA鏈的合成不需要引物，可以直接起始合成。n 如果轉(zhuǎn)錄的RNA是mRNA，其信息最后通過(guò)密碼子決定蛋白質(zhì)的合成。n 通常將用作模板進(jìn)行RNA轉(zhuǎn)錄的鏈稱作模板鏈(template strand)；而另一條則稱為非模板鏈。n RNA鏈的合成也是從5 3端進(jìn)行的，此過(guò)程由RNA聚合酶催化n RNA聚合酶首先在啟動(dòng)子部位(Promoter)與DNA結(jié)合，形成

14、轉(zhuǎn)錄泡(transcriptionbubble)，并開始轉(zhuǎn)錄n 在原核生物中只有一種RNA聚合酶完成所有RNA的轉(zhuǎn)錄。二、遺傳密碼n DNA分子的堿基即A、T、C、G四種。n 以一個(gè)DNA含有1 000對(duì)核苷酸來(lái)說(shuō)，這四種密碼的排列組合就可以有41000種形式，可以表達(dá)出無(wú)限信息。遺傳密碼(geneticcode)又是如何翻譯呢?n 每3個(gè)堿基決定1種氨基酸，這三個(gè)堿基的密碼子可能的組合將是43=64種。n 1個(gè)氨基酸由1個(gè)以上的三聯(lián)體密碼所決定的現(xiàn)象，稱為簡(jiǎn)并(degeneracy)。每種三聯(lián)體密碼譯成什么氨基酸呢? n 從1961年開始，經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)，分別利用64個(gè)已知三聯(lián)體密碼，找出了

15、與它們對(duì)應(yīng)的氨基酸。n 19661967年，全部完成了這套遺傳密碼的字典 。除1980年以來(lái)發(fā)現(xiàn)某些生物的線粒體tRNA在解讀個(gè)別密碼子時(shí)，有不同的翻譯方式外，整個(gè)生物界，從病毒到人類，遺傳密碼都是通用的。即：n 所有的核酸語(yǔ)都是由四個(gè)基本堿基符號(hào)所編成；n 所有的蛋白質(zhì)語(yǔ)都是由20種氨基酸所編成，它們共同的語(yǔ)言寫成不同的文章(生物種類和生物性狀)。n 共同語(yǔ)言說(shuō)明了生命的共同本質(zhì)和共同起源；n 不同文章說(shuō)明了生物變異的原因和進(jìn)化的無(wú)限歷程。綜上所述，現(xiàn)在已經(jīng)證實(shí)遺傳密碼主要有下列基本的特性：n 1遺傳密碼為三聯(lián)體 即三個(gè)堿基決定一個(gè)氨基酸。n 2遺傳密碼間不能重復(fù)利用 除近來(lái)發(fā)現(xiàn)的少數(shù)情況外

16、，在一個(gè)mRNA上每個(gè)堿基只屬于一個(gè)密碼子。n 3遺傳密碼間無(wú)逗號(hào) 即在翻譯過(guò)程中，遺傳密碼的譯讀是連續(xù)的。n 4遺傳密碼間存在簡(jiǎn)并現(xiàn)象 除兩個(gè)氨基酸外的所有氨基酸都有一種以上的密碼子編碼n 5遺傳密碼的有序性(ordered) 決定同一個(gè)氨基酸或性質(zhì)相近的不同氨基酸的多個(gè)密碼子，往往只是最后一個(gè)堿基發(fā)生變化。n 6遺傳密碼包含起始密碼子和終止密碼子，蛋白質(zhì)翻譯的起始和終止有專門的密碼子所決。n 7遺傳密碼的通用性 除線粒體等極少數(shù)情況外，遺傳密碼從病毒到人類是通用 三、蛋白質(zhì)的合成n 蛋白質(zhì)的合成，也就是遺傳信息的翻譯過(guò)程。n 翻譯-就是mRNA攜帶著轉(zhuǎn)錄的遺傳密碼附著在核糖體上，把運(yùn)來(lái)的各

17、種氨基酸，按照mRNA的密碼順序，相互聯(lián)結(jié)起來(lái)成為多肽鏈，并進(jìn)一步折疊成為立體的蛋白質(zhì)分子的過(guò)程。n 在核糖體上合成的多肽鏈，經(jīng)過(guò)鏈的卷曲或折疊，成為具有立體結(jié)構(gòu)、有生物活性的蛋白質(zhì)；n 它們或者成為結(jié)構(gòu)蛋白，作為細(xì)胞的組成部分；n 或者成為功能蛋白，如血紅蛋白等；n 或者成為控制細(xì)胞各種化學(xué)反應(yīng)的酶。四、中心法則及其發(fā)展n 上面敘述的蛋白質(zhì)合成過(guò)程，也就是遺傳信息從DNA-mRNA-蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)錄和翻譯的過(guò)程，以及遺傳信息從DNA DNA的復(fù)制過(guò)程，這就是分子生物學(xué)的中心法則。n 由此可見，中心法則所闡述的是基因的兩個(gè)基本屬性：復(fù)制與表達(dá)。RNA的反轉(zhuǎn)錄 n 近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，在許多RNA的腫

18、瘤病毒以及愛滋病病毒中，存在著依賴于RNA的DNA聚合酶即反轉(zhuǎn)錄酶，它可以以RNA為模板，合成DNA。n 當(dāng)病毒RNA進(jìn)入寄主細(xì)胞后，在反轉(zhuǎn)錄酶的催化下以RNA為模板合成一段RNA-DNA雙螺旋，然后在其他酶系統(tǒng)的作用下，轉(zhuǎn)化為DNADNA雙螺旋，并整合到寄主細(xì)胞的染色體中。整合后的DNA又可轉(zhuǎn)錄合成病毒RNA，翻澤成蛋白質(zhì)，并裝配成新的病毒，從而開始進(jìn)行下一輪的侵染。n 迄今不僅在幾十種由RNA致癌病毒引起的癌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)反轉(zhuǎn)錄酶，甚至在正常細(xì)胞，如胚胎細(xì)胞中也有發(fā)現(xiàn)。n 反轉(zhuǎn)錄酶的發(fā)現(xiàn)不僅具有重要的理論意義，而且在遺傳工程上，通過(guò)反轉(zhuǎn)錄進(jìn)行基因的酶促合成，以及致癌機(jī)理的研究都有重要的作用。第

19、九節(jié) 遺傳工程n 遺傳工程一般可分為廣義和狹義的兩種。n 廣義的遺傳工程包括細(xì)胞工程、染色體工程、細(xì)胞器工程等。n 狹義的遺傳工程即是基因工程?；蚬こ谈攀鰊 基因工程是20世紀(jì)70年代初隨著DNA重組技術(shù)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的一門新技術(shù)。n 1971年美國(guó)的史密斯(Smith，H·O)等人利用從細(xì)菌中分離的一種限制性酶，酶切病毒DNA分子，標(biāo)志著基因工程或DNA重組時(shí)代的開始。n 1972年伯格(Berg，P)等人用一種限制性酶分別酶切猿猴病毒DNA與噬菌體DNA，再將這兩種DNA片段放在一起，用DNA連接酶連接起來(lái)，結(jié)果得到了一種新的DNA分子。n 1973年科恩(Cohen，S)等人進(jìn)一步將酶切后的外源DNA片段與質(zhì)粒DNA連接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)重組質(zhì)粒(recombinant plasmid)，并將這個(gè)重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)人大腸桿菌細(xì)胞。n 這些開創(chuàng)性的工作為基因工程建立了一套完整的方法和體系，成為現(xiàn)代生物學(xué)發(fā)展史上的重要里程碑。 n 基因工程技術(shù)的建立，使所有實(shí)驗(yàn)生物學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生巨大變革。n 1982年經(jīng)美國(guó)食品及藥物管理局批準(zhǔn)，采用基因工程方法在細(xì)菌中表達(dá)生產(chǎn)的人的胰島素進(jìn)入市場(chǎng)，成為基因工程產(chǎn)品直接造福于人類的首例。1985年轉(zhuǎn)基因植物獲得成功。n 1996年克隆羊誕生。n 現(xiàn)在，人類已利用這一技術(shù)改造和創(chuàng)建新的生命形態(tài)，生產(chǎn)藥品、疫苗、牛奶和食