分子遺傳學(xué)第一章-遺傳物質(zhì)

1、分子遺傳學(xué)分子遺傳學(xué)第一章第一章 遺傳物質(zhì)遺傳物質(zhì) 1953年，由年，由Watson Crick闡明的闡明的DNA結(jié)構(gòu)是遺傳學(xué)結(jié)構(gòu)是遺傳學(xué)歷史上最重大的發(fā)現(xiàn)之一。當(dāng)時對基因和歷史上最重大的發(fā)現(xiàn)之一。當(dāng)時對基因和DNA的認的認識有以下幾點：識有以下幾點： （1）基因：是由孟德爾提出的遺傳因子。它與特定）基因：是由孟德爾提出的遺傳因子。它與特定的性狀相連系，但其物質(zhì)基礎(chǔ)不清。的性狀相連系，但其物質(zhì)基礎(chǔ)不清。 （2）“一個基因一種酶一個基因一種酶”的學(xué)說推測基因控制蛋白的學(xué)說推測基因控制蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。質(zhì)的結(jié)構(gòu)。 （3）基因位于染色體上。染色體由）基因位于染色體上。染色體由DNA和蛋白組成和蛋白組成

2、（4）早先由）早先由Griffith后由后由Avery指出指出DNA是遺傳物質(zhì)是遺傳物質(zhì)第一節(jié)第一節(jié) DNA是遺傳物質(zhì)是遺傳物質(zhì) 有3個重要的實驗證明遺傳物質(zhì)是DNA： 1細菌轉(zhuǎn)化實驗 2T2噬菌體的感染實驗 3病毒重建實驗 Griffith,s細菌轉(zhuǎn)化實驗Greffiths transformation experiment 實驗提示：加熱殺死的S型有毒品系中一定有一種因子能使無毒的R品系轉(zhuǎn)化為有毒的S品系（transformation）。16年實驗證明，R轉(zhuǎn)化為S的物質(zhì)是DNA。 1944年，美國學(xué)者Avery等證明將R無毒品系轉(zhuǎn)化為有毒S品系的物質(zhì)是DNA。（S） 加熱殺死 多糖 脂類

3、RNA 蛋白質(zhì) DNA R 型 細 菌 S R RRRR美國學(xué)者Avery等證明轉(zhuǎn)化因子是DNA。Summary of Avery,s experiment which demonstrated that DNA is the transforming principle. 結(jié)結(jié) 論論 在在S型細胞的各種組分中，只有型細胞的各種組分中，只有DNA能引能引起起R型細胞的轉(zhuǎn)化，型細胞的轉(zhuǎn)化，DNA是是S型細胞多糖莢膜和型細胞多糖莢膜和病源特征的決定因子，只要給病源特征的決定因子，只要給R型細胞提供型細胞提供S型型細菌的細菌的DNA，就等于是提供了，就等于是提供了S基因基因。 意義：第一次證明基因是

4、由意義：第一次證明基因是由DNA組成的，組成的，DNA是遺傳物質(zhì)。轉(zhuǎn)化已成為基因工程的重要手段是遺傳物質(zhì)。轉(zhuǎn)化已成為基因工程的重要手段二、二、The Hershey-Chase實驗實驗T2噬菌體的生活周期噬菌體的生活周期Life cycle of a T-even bacteriophage The Hershey-Chase實驗要回答的實驗要回答的問題問題 噬菌體的感染過程涉及病毒復(fù)制的特異信息轉(zhuǎn)入到細菌中去的過程。要問轉(zhuǎn)入細菌中去的信息物是DNA還是蛋白質(zhì)？ 1952年，用T2噬菌體標(biāo)記的感染實驗說明轉(zhuǎn)入細菌中去的信息物是DNA。The Hershey-Chase實驗的關(guān)鍵點：實驗的關(guān)鍵點

5、：1.1.蛋白質(zhì)中沒有磷，磷是蛋白質(zhì)中沒有磷，磷是DNADNA中的主要成分，在中的主要成分，在 T2T2的的DNADNA中占中占99%99%2.2.硫存在于蛋白質(zhì)中硫存在于蛋白質(zhì)中, ,在在DNADNA中從未發(fā)現(xiàn)有硫中從未發(fā)現(xiàn)有硫. .3.3.用用3232P P和和3535S S分別標(biāo)記兩個噬菌體的培養(yǎng)物中的分別標(biāo)記兩個噬菌體的培養(yǎng)物中的 DNADNA和蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì). .The Hershey-Chase實驗實驗Demonstrating that Demonstrating that DNA, and not DNA, and not protein, is protein, is res

6、ponsible for responsible for directing the directing the reproduction of reproduction of phage T2 during the phage T2 during the infection of infection of E.coliE.coli. . The Hershey-Chase實驗的結(jié)論只有噬菌體DNA進入細菌，蛋白質(zhì)外殼從不進入細胞。噬菌體蛋白只是結(jié)構(gòu)上的包裝物。當(dāng)DNA進入細菌后蛋白質(zhì)外殼就留在了外邊。意義：說明DNA是遺傳物質(zhì)。三、病毒重建實驗三、病毒重建實驗 有些病毒沒有DNA而只有RNA

7、，它們的遺傳物質(zhì)是什么？ 1956年，F(xiàn)raenkel-Conrat和Singer用TMV和HRV建成雜合病毒作感染實驗回答了這一問題。HRV外殼蛋白RNA雜合病毒能感染出現(xiàn)HRV病灶病毒失活不能感染TMV抗體TMV 分離出病毒病毒重建實驗結(jié)論：復(fù)制和繁殖新的病毒顆粒所需的遺傳物質(zhì)是RNA而不是蛋白質(zhì)HRV抗體子代病毒能被HRV抗體失活，說明子代病毒不但具有HRV的RNA，而且具有HRV的蛋白 總 結(jié)以上三個實驗說明，DNA是遺傳物質(zhì)，在不具有DNA而只有RNA的生物中，RNA是遺傳物質(zhì)。 第二節(jié)第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) DNA由四種基本的分子脫氧核苷酸組成。每種核苷酸由磷酸、脫氧核糖和四種

8、堿基之一組成。四種堿基的名稱：腺嘌呤（Adenine，A）、鳥嘌呤（Guanine，G）、胞嘧啶（Cytosine，C）、胸腺嘧啶（Thymine，T）。四種核苷酸的名稱是： 脫氧腺苷酸dAMP或A； 脫氧鳥苷酸dGMP或G； 脫氧胞苷酸dCMP或C； 脫氧胸苷酸dTMP或T.DNA和 RNA中的堿基和糖的結(jié)構(gòu)Watson Crick根據(jù)兩個線索： （1）DNA結(jié)構(gòu)的X光衍射資料，表明DNA由兩條互相平行的鏈組成，兩條鏈呈螺旋狀；（2）Chargaff關(guān)于不同生物DNA組成成份的 規(guī)律： A+G=T+C Pu=Py A=T G=C A+T并不一定等于G+C 雙螺旋（雙螺旋（The doudle

9、The doudle helix helix）要點）要點1雙螺旋的每一條鏈?zhǔn)且粭l核苷酸長鏈。每個核苷酸之間由磷酸二酯鍵相連接（phosphodiester bands）。兩條鏈之間由氫鍵相連。配對原則是：AT， GC。2兩條鏈的走向方向相反，它們是反向平行的（Antiparallel）一條是53，另一條是35。3由于GC對有三個氫鍵，AT對只有兩個氫鍵，因此富含GC對的DNA比富含AT對的DNA更加穩(wěn)定。 每個核苷酸之間由磷酸二酯鍵相連接。 (a)Linkage of two nucleotides by the formation of a C-3,C-5 (3-5) phosphodies

10、ter bond, producing a dinucleotide. (b) Shorthand notation for a polynucleotide chain.Waster Crick DNA雙螺旋模型雙螺旋的幾種形式雙螺旋的幾種形式目前已知有三種不同形式DNA：1Bform：即Watson-Crick模型，在正常的細胞生活狀態(tài)時存在，右手螺旋、堿基的平面對DNA的中軸是垂直的，DNA分子每轉(zhuǎn)一圈是10.4bp。2Aform：在高鹽或脫水狀態(tài)時存在，右手螺旋，堿基對傾斜并偏離雙螺旋中軸，轉(zhuǎn)一圈11bp。3Zform：在合成制備的DNA晶體中發(fā)現(xiàn)的新構(gòu)型，“Z”字骨架，左手螺旋，每轉(zhuǎn)

11、一圈12bp。雙螺旋的雙螺旋的幾種形式幾種形式目前已知有三種 不 同 形 式DNA DNADNA結(jié)構(gòu)的含義：結(jié)構(gòu)的含義：1該結(jié)構(gòu)預(yù)示了DNA復(fù)制的一種明顯方式2預(yù)示了DNA分子中的核苷酸對的順 序可能決定著蛋白質(zhì)中氨基酸的順序，即可能存有某種類型的遺傳密碼。第三節(jié)第三節(jié) DNA的復(fù)制的復(fù)制 由由Watson-CrickWatson-Crick模型預(yù)言的模型預(yù)言的DNADNA復(fù)制是半保留復(fù)制是半保留式的。式的。半保留復(fù)制（半保留復(fù)制（semiconservativesemiconservative ReplicationReplication）：每個子代）：每個子代DNADNA分子含有一條舊分子

12、含有一條舊鏈和一條新鏈。鏈和一條新鏈。半保留復(fù)制半保留復(fù)制Semiconservative Replication每個子代每個子代DNADNA分子含有一分子含有一條舊鏈和一條新鏈。條舊鏈和一條新鏈。Generalized model of semiconservative replication of DNA DNA的復(fù)制的復(fù)制 DNA是遺傳物質(zhì)，作為遺傳物質(zhì)的首要條件是必須能自我復(fù)制。 Watson和Crick闡明的DNA模型預(yù)示了DNA具有復(fù)制的能力，通過氫鍵配對的方式復(fù)制新鏈。 曾設(shè)想有三種復(fù)制方式：（1）半保留式；（2）保留式；（3）分散式。 (1)+(2)+(3)+曾設(shè)想有三種復(fù)制方

13、式：保留式 ，半保留式，分散式二、Meselson-stahl實驗1958年，年，Meselson等證明等證明DNA的復(fù)制是半保留式的。的復(fù)制是半保留式的。1氯化銫超離心技術(shù)的原理 DNA在CsCl溶液中經(jīng)超速離心后，最終停留在某一位置上，這時離心力的大小正好等于DNA分子在CsCl梯度中的浮力。DNA的浮力是由其密度決定的。根據(jù)離心后DNA在梯度中達到的平衡位置的不同可以將不同密度的DNA分子分開，例如：15NDNA和14NDNA。2將E.coli培養(yǎng)在含有“重”同位素15N的培養(yǎng)基中，經(jīng)多個世代后，細胞中DNA就標(biāo)記上“重”同位素。然后將細胞轉(zhuǎn)到14N培養(yǎng)基中，經(jīng)過一個或兩個細胞分裂周期后

14、，分離DNA，再進行CsCl離心。3. 結(jié)果：經(jīng)一個世代后，DNA形成了一條中間密度帶。其位于“重”帶和“輕”帶之間。經(jīng)兩個世代培養(yǎng)后，DNA形成兩條帶，一條中間帶，一條輕帶。更直接的證據(jù)是將在14N中生長一代的細胞DNA（15N14N）變性后離心，可以得到一條重帶和一條輕帶。說明第一代雜種分子是半保留復(fù)制的產(chǎn)物。雙鏈中一條是親代15N，另一條是新合成14N，DNA為15N14N。Meselson-stahl實驗T h e M e s e l s o n - S t a h l experiment Meselson-stahl實驗結(jié)果的解釋 三、真核生物染色體的復(fù)制1958年，Taylor用

15、蠶豆根尖細胞染色體作實驗，表明在染色體水平上，DNA復(fù)制也是半保留式的。四、復(fù)制叉The Replication ForkWatson-Crick模型預(yù)言，在復(fù)制過程中DNA分子會形成一個分叉。1963年，Cairns用實驗證實了復(fù)制叉的存在。起始點3,3,3,3,復(fù)制叉生長生長五、復(fù)制的起始大腸桿菌染色體DNA復(fù)制從一固定點起始，然后按兩個方向進行，即隨復(fù)制叉向兩端移動作雙向復(fù)制。起始點高等生物細胞的DNA復(fù)制有多個起始點，即具有多個同時復(fù)制的區(qū)域。放射自顯影顯示的真核DNA復(fù)制模型，在一條雙鏈DNA上有多個復(fù)制起點放射自顯影解釋 復(fù)制子復(fù)制子（replicon）具有一個復(fù)制起始點和兩個終止

16、點的具有獨立具有一個復(fù)制起始點和兩個終止點的具有獨立復(fù)制功能的復(fù)制功能的DNA片段。大腸桿菌、質(zhì)粒、噬菌片段。大腸桿菌、質(zhì)粒、噬菌體的體的DNA都是獨立復(fù)制的，這樣獨立的復(fù)制單都是獨立復(fù)制的，這樣獨立的復(fù)制單位稱為復(fù)制子。位稱為復(fù)制子。 高等生物的染色體是多復(fù)制子高等生物的染色體是多復(fù)制子MultirepliconHuman DNA from Hela cell illustrating the replication bubble that characterizes DNA replication within a single replicon 真核生物細胞的DNA復(fù)制有多個起始點， 即

17、具有多個同時復(fù)制的區(qū)域。六、DNA復(fù)制中的酶和蛋白質(zhì) 50年代末，Kornberg首次分離到DNA聚合酶，能催化復(fù)制反應(yīng)： dATP DNA聚合酶親代DNA+引物 + dGTP子代DNA dCTP dTTPThe chemical reaction catalyzed by DNA polymerase I 11-8Demonstration of 5,-to-3, synthesis of DNA1雙螺旋的轉(zhuǎn)動和解鏈DNA拓樸異構(gòu)酶：催化DNA拓樸異構(gòu)體的轉(zhuǎn)化。如DNA促旋酶（DNA gyrase）能使松馳形DNA形成超螺旋DNA（Supercoiling DNA）。也能使正超螺旋DNA轉(zhuǎn)變

18、為負超螺旋DNA，后者有利于雙螺旋的解開。解螺旋酶（helicase）：“rep”蛋白起解螺旋作用。單鏈結(jié)合蛋白（Single-stranded DNA-binding protein，SSB）：游離單鏈易降解，單鏈結(jié)合蛋白起保護作用。2所有的DNA聚合酶只能以53方向合成新鏈, 當(dāng)一條鏈由DNA聚合酶III連續(xù)地合成時，另一條鏈?zhǔn)且云畏绞胶铣傻?。然后由DNA聚合酶I填補空缺。再由DNA連接酶（Ligase）連接。這就是不連續(xù)復(fù)制學(xué)說。岡崎在細胞中證實了這種方式，這樣的DNA短鏈稱為岡崎片段。11-11Because the two strand of DNA run antiparalle

19、l to one another and DNA polymerase III synthesizes only in one direction.On the lagging strand,synthessis must be discontinuous, resulting the production of Okazaki fragment. On the leading strand , synthesis is continuous. RNA primers initiate synthesis on both strands3DNA聚合酶I和III具有35外切酶活性，具有切割和修補

20、功能。4DNA合成必須有一個短的雙鏈區(qū)作為引物（primer）。聚合酶不可能在一條單鏈模板上起動合成一條新鏈。因此需要有引物合成酶（primase）與dnaB蛋白一起作用合成一個RNA引物，保證DNA聚合酶III在引物的3端起動DNA合成。11-13Summary of DNA synthesis at a single replication fork. The ends of eukaryotic chromosomes are replicated by a telomerase The ends of eukaryotic chromosomes are replicated by a

21、 telomerase 端粒末端復(fù)制的困難端粒末端復(fù)制的困難 telomeric DNA sequences have been highly conserved throughout evolution, reflicting the critical function of telomeres. DNA polymerase cannot replicate the terminal DNA segment of the lagging strand of a linear chromosome. there would be no DNA strand to provide a free

22、 3,-OH for DNA extenssion after the RNA primer of the terminal Okazaki fragment has been excised. 線型染色體DNA末端復(fù)制的困難，后隨鏈復(fù)制后會留下一個空缺。端粒酶的作用對熱.蛋白酶K和RNA酶都敏感 The unique feature of telomererase is that it contains a built-in RNA strand template, after several telomere repeat units are added by telomerase, DN

23、A polymerase catalyzes the synthesis the complementary strand. Without telomerase activity, linear chromosomes would become progressively shorter.if the resulting terminal deletions extended into an essential gene or genes, this chromosome shortening would be lethal.Telomerase resolves the terminal

24、primer problem端粒酶和細胞衰老telomere shortening has been linked to a molecular mechanism involved in the aging process of cells.in most eukaryotic somatic cells ,telomerase is not active, and thus with each cell division, the telomeres of each chromosome shorten. after many divisions, the telomere is seriously eroded and the