遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座

第七章遺傳信息傳遞中心法則及基因表示遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第1頁一、遺傳信息傳遞中心法則

蛋白質(zhì)翻譯轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄復(fù)制復(fù)制DNARNA生物遺傳信息以密碼形式儲存在DNA分子上，表現(xiàn)為特定核苷酸排列次序。在細胞分裂過程中，經(jīng)過DNA復(fù)制把親代細胞所含遺傳信息忠實地傳遞給兩個子代細胞。在子代細胞生長發(fā)育過程中，這些遺傳信息經(jīng)過轉(zhuǎn)錄傳遞給RNA，再由RNA經(jīng)過翻譯轉(zhuǎn)變成對應(yīng)蛋白質(zhì)多肽鏈上氨基酸排列次序，由蛋白質(zhì)執(zhí)行各種各樣生物學(xué)功效，使后代表現(xiàn)出與親代相同遺傳特征。以后人們又發(fā)覺，在宿主細胞中一些RNA病毒能以自己RNA為模板復(fù)制出新病毒RNA，還有一些RNA病毒能以其RNA為模板合成DNA，稱為逆轉(zhuǎn)錄這是中心法則補充。

中心法則總結(jié)了生物體內(nèi)遺傳信息流動規(guī)律，揭示遺傳分子基礎(chǔ)，不但使人們對細胞生長、發(fā)育、遺傳、變異等生命現(xiàn)象有了更深刻認識，而且以這方面理論和技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展了基因工程，給人類生產(chǎn)和生活帶來了深刻革命。遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第2頁二、基因復(fù)制忠實性

DNA復(fù)制過程是一個高度準(zhǔn)確過程，據(jù)預(yù)計，大腸桿菌DNA復(fù)制109-1010堿基對僅出現(xiàn)一個誤差，確保復(fù)制忠實性原因主要有以下三點:a、DNA聚合酶高度專一性（嚴格遵照堿基配對標(biāo)準(zhǔn)）b、DNA聚合酶校對功效（錯配堿基被3’-5’外切酶切除）c、起始時以RNA作為引物遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第3頁DNA聚合酶3-5外切酶水解位點3′3′5′5′錯配堿基3′-5′核酸外切酶水解位點遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第4頁遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第5頁DNA聚合酶校對功效

5′-核酸外切酶3′-核酸外切酶裂縫聚合中心裂縫內(nèi)部遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第6頁DNA聚合酶校對功效聚合酶錯配鹼基復(fù)制方向正確核苷酸5′5′5′3′3′3′切除錯配核苷酸遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第7頁三、逆轉(zhuǎn)錄作用1、概念2、逆轉(zhuǎn)錄酶3、病毒逆轉(zhuǎn)錄過程4、逆轉(zhuǎn)錄生物學(xué)意義擴充了中心法則有利于對病毒致癌機制了解與真核細胞分裂和胚胎發(fā)育相關(guān)逆轉(zhuǎn)錄酶是分子生物學(xué)主要工具酶三種功效依賴DNA指導(dǎo)下DNA聚合酶活力依賴RNADNA聚合酶活力核糖核酸酶H活力

以RNA為模板合成DNA，這與通常轉(zhuǎn)錄過程中遺傳信息從DNA到RNA方向相反，故稱為逆轉(zhuǎn)錄作用。遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第8頁逆轉(zhuǎn)錄過程中cDNA合成

依賴RNADNA聚合酶核糖核酸酶H活力依賴DNADNA聚合酶遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第9頁逆逆轉(zhuǎn)錄病毒生活周期

生活周期RNA衣殼被膜逆轉(zhuǎn)錄酶轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)譯整合入宿主細胞染色體DNA進入細胞丟失被膜丟失衣殼逆轉(zhuǎn)錄RNARNAcDNA衣殼蛋白被膜蛋白逆轉(zhuǎn)錄酶遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第10頁

四、DNA突變

DNA分子中核苷酸序列發(fā)生突然而穩(wěn)定改變，從而造成DNA復(fù)制以及以后轉(zhuǎn)錄和翻譯產(chǎn)物隨之發(fā)生改變，表現(xiàn)出異常遺傳特征，稱為DNA突變。它包含因為DNA損傷和錯配得不到修復(fù)而引發(fā)突變，以及因為不一樣DNA分子之間交換而引發(fā)遺傳重組。（二）誘變劑作用堿基類似物(baseanalog)

堿基修飾劑(basemodifier)嵌入染料(intercalationdye)

紫外線(ultraviolet)和電離輻射(ionizingradiation)（一）突變類型

堿基正確置換(substitution)

移碼突變(framesshiftmutation)遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第11頁

DNA突變類型

-T-C-G-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-C-G-A-C-A-T-G-C-轉(zhuǎn)換

-T-C-G-A-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-T-C-G-A-C-A-T-G-C-插入A

-T-C-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-G-A-C-A-T-G-C-缺失T野生型基因

-T-C-G-A-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-T-G-A-C-A-T-G-C-

-T-C-G-T-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-A-G-A-C-A-T-G-C-顛換堿基正確置換(substitution)移碼突變(framesshiftmutation)遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第12頁五、DNA損傷與修復(fù)

一些物理化學(xué)因子，如紫外線、電離輻射和化學(xué)誘變劑等，都有引發(fā)生物突變和致死作用，其機理是作用于DNA，造成DNA結(jié)構(gòu)和功效破壞，稱為DNA損傷.DNA修復(fù)主要有以下類型:暗修復(fù)（4）誘導(dǎo)修復(fù)（SOS修復(fù)）（1）光裂合酶修復(fù)活（2）切除修復(fù)（3）重組修復(fù)

遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第13頁DNA紫外線損傷光裂合酶修復(fù)1、形成嘧啶二聚體2、光復(fù)合酶結(jié)合于損傷部位3、酶被可見光激活4、修復(fù)后酶被釋放遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第14頁DNA損傷和切除修復(fù)堿基丟失堿基缺點或錯配結(jié)構(gòu)缺點切開核酸內(nèi)切酶核酸外切酶切除DNA聚合酶DNA連接酶AP核酸內(nèi)切酶核酸外切酶切開切除修復(fù)連接糖苷酶插入酶堿基取代遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第15頁DNA重組修復(fù)胸腺嘧啶二聚體復(fù)制核酸酶及重組蛋白修復(fù)復(fù)制DNA聚合酶DNA連接酶重組遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第16頁六、DNA指導(dǎo)下RNA合成（轉(zhuǎn)錄）1、概念及DNA有義鏈和反義鏈2、RNA聚合酶及催化反應(yīng)3、RNA合成過程4、RNA轉(zhuǎn)錄后加工5、真核生物RNA合成遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第17頁轉(zhuǎn)錄概念和DNA有義鏈和反義鏈

轉(zhuǎn)錄是在DNA指導(dǎo)下RNA聚合酶催化下，按照鹼基配正確標(biāo)準(zhǔn)，以四種核苷酸為原料合成一條與模板DNA互補RNA過程。RNA轉(zhuǎn)錄從DNA模板特定位點開始，并在一定位點終止。此轉(zhuǎn)錄區(qū)域為一個轉(zhuǎn)錄單位。

開啟子（promoter)

終止子(terminator)模板鏈（templattestrand）反意義鏈(antisensestrand)有意義鏈(sensestrand)非信息區(qū)DNA5′5′3′3′遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第18頁大腸桿菌RNA聚合酶結(jié)構(gòu)示意圖關(guān)鍵酶(α2ββ)起始因子β——和模板DNA結(jié)合β——起始和催化聚合反應(yīng)α——？全酶(αββ)遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第19頁RNA聚合酶催化反應(yīng)ACGACGUU模板DNA5′3′5′3′新合成RNA遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第20頁RNA合成過程起始雙鏈DNA局部解開磷酸二酯鍵形成終止階段解鏈區(qū)抵達基因終點延長階段53RNA

開啟子（promoter)

終止子(terminator)5RNA聚合酶5353553離開遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第21頁RNA鏈延伸圖解3′3′RNA-DNA雜交螺旋聚合酶移動方向新生RNA復(fù)鏈解鏈有義鏈模板鏈（反義鏈）延長部位遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第22頁原核生物中rRNA前體加工

甲基化作用專一核酸內(nèi)切酶30S前體17StRNA25S專一核酸外切酶16SrRNAtRNA23SrRNA5S

rRNA專一核酸外切酶遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第23頁tRNA前體分子加工a、切除tRNA前體兩端多出序列：5’—端切除幾到10個核苷酸。b、末端添加：3’-端添加CCA序列。c、修飾：形成稀有堿基如DH2。RNAasePRNAaseFRNAasePRNAaseFRNAaseDRNAaseDACC表示核酸內(nèi)切酶作用表示核苷酸轉(zhuǎn)移酶作用表示核酸外切酶作用

表示異構(gòu)化酶作用

遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第24頁真核細胞mRNA加工5′

“帽子”PolyA

3′

順反子(cistron)

m7G-5′ppp-N-3′pAAAAAAA-OH5′端接上一個“帽子”(CAP)結(jié)構(gòu)3′端添加PolyA“尾巴”,由RNA末端核苷酸轉(zhuǎn)移酶催化剪接：剪去內(nèi)含子(intron)，拼接外顯子(extron)遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第25頁酵母酪氨酸t(yī)RNA前體加工早轉(zhuǎn)錄本成熟tRNA加工遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第26頁真核生物和原核生物轉(zhuǎn)錄差異

DNA核核糖體新生蛋白質(zhì)真核生物原核生物mRNA前體轉(zhuǎn)運加工mRNAmRNA

真核生物中轉(zhuǎn)錄與復(fù)制在不一樣區(qū)域RNA聚合酶不相同開啟子不一樣轉(zhuǎn)錄后RNA加工修飾不一樣遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第27頁七、蛋白質(zhì)翻譯基因遺傳信息在轉(zhuǎn)錄過程中從DNA轉(zhuǎn)移到mRNA，再由mRNA將這種遺傳信息表示為蛋白質(zhì)中氨基酸次序過程叫做翻譯。合成體系：20種氨基酸,mRNA、tRNA、核蛋白體、酶和因子,以及無機離子、ATP、GTP合成方向：N→C端。遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第28頁參加蛋白質(zhì)合成三類RNA及核糖體1.rRNA

與蛋白質(zhì)一起組成核糖體——蛋白質(zhì)合成“工廠”核糖體結(jié)構(gòu)組成

核糖體基本功效結(jié)合mRNA，在mRNA上選擇適當(dāng)區(qū)域開始翻譯密碼子（mRNA）和反密碼子（tRNA）正確配對肽鍵形成

存在核糖體可游離存在，真核中，也可同內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)合，形成粗糙內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。原核中，與mRNA形成串狀——多核糖體遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第29頁遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第30頁原核生物核糖體組成真核生物核糖體組成遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第31頁2.tRNA

結(jié)合氨基酸：一個氨基酸有幾個tRNA攜帶，結(jié)合需要ATP供能,氨基酸結(jié)合在tRNA3‘-CCA位置。

反密碼子：每種tRNA反密碼子，決定了所帶氨基酸能準(zhǔn)確在mRNA上對號入座。反密碼子與mRNA第三個核苷酸配對時，不嚴格遵從堿基配對標(biāo)準(zhǔn)

遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第32頁3.mRNA

攜帶著DNA遺傳信息，是多肽鏈合成模板在原核細胞內(nèi)，存在時間短，在轉(zhuǎn)錄同時翻譯在真核細胞內(nèi)，較穩(wěn)定蛋白質(zhì)合成時，mRNA結(jié)合于核糖體小亞基上，大亞基結(jié)合帶氨基酸t(yī)RNA，tRNA反密碼子與mRNA密碼子配對，ATP供能，合成蛋白質(zhì)。遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第33頁遺傳密碼子為一個氨基酸編碼進入蛋白質(zhì)多肽鏈特定線性位置三個核苷酸單位稱為密碼子（Coden）或三聯(lián)體密碼。密碼子發(fā)覺

統(tǒng)計學(xué)方法人工合成僅由一個核苷酸組成多聚核苷酸，推測由哪一個氨基酸合成多肽核糖體結(jié)合試驗1965年，Nirenberg用polyu加入C14標(biāo)識20種aa,僅有苯丙氨酸寡肽,UUU=苯丙氨酸,用此法破譯了全部密碼，編出遺傳密碼表。遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第34頁遺傳密碼遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第35頁遺傳密碼子特點無標(biāo)點、不重合

密碼子是不重合，每個三聯(lián)體中三個核苷酸只編碼一個氨基酸，核苷酸不重合使用噬菌體x174中一些基因之間有重合現(xiàn)象簡并(degeneracy)幾個密碼子對應(yīng)于相同一個氨基酸。這些密碼子為同義密碼子通用性絕大多數(shù)密碼子對各種生物都適用，一些線粒體中遺傳密碼有例外終止信號UAG、UAA、UGA起始信號AUG（真核中起始為Met、原核中起始為fMet,翻譯中間為Met）和氨酸密碼子(GUG)(極少出現(xiàn)）遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第36頁四、蛋白質(zhì)生物合成過程以mRNA為模板，氨基酸經(jīng)活化取得氨酰tRNA為原料，GTP、ATP供能，在核糖體中完成。1.氨基酸活化tRNA在氨基酰-tRNA合成酶幫助下，能夠識別對應(yīng)氨基酸，并經(jīng)過tRNA氨基酸臂3'-OH與氨基酸羧基形成活化酯－氨基酰-tRNA。氨基酰-tRNA形成是一個兩步反應(yīng)過程：第一步是氨基酸與ATP作用,形成氨基酰腺嘌呤核苷酸；第二步是氨基?；D(zhuǎn)移到tRNA3'-OH端上,形成氨基酰-tRNA。遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第37頁氨基酸活化圖示遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第38頁氨基酸活化總反應(yīng)式是：

氨基酰-tRNA合成酶氨基酸+ATP+tRNA+H2O氨基酰-tRNA+AMP+PPi每一個氨基酸最少有一個對應(yīng)氨基酰-tRNA合成酶。它既催化氨基酸與ATP作用,也催化氨基?；D(zhuǎn)移到tRNA。氨基酰-tRNA合成酶含有高度專一性。每一個氨基酰-tRNA合成酶只能識別一個對應(yīng)tRNA。tRNA分子能接收對應(yīng)氨基酸,決定于它特有堿基次序,而這種堿基次序能夠被氨基酰-tRNA合成酶所識別。遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第39頁氨基酸活化遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第40頁2.在核糖體上合成肽鏈氨基酰-tRNA經(jīng)過反密碼臂上三聯(lián)體反密碼子識別mRNA上對應(yīng)遺傳密碼，并將所攜帶氨基酸按mRNA遺傳密碼次序安置在特定位置，最終在核糖體中合成肽鏈。肽鏈合成過程（以原核為例）起始延伸終止與釋放遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第41頁肽鏈合成起始起始密碼識別首先識別出mRNA鏈上起始點（AUG），核糖體小亞基上16SrRNA和mRNASD序列（位于起始位點上游4－13個核苷酸）結(jié)合N－甲酰甲硫氨酸－tRNA活化形成起始復(fù)合物形成（圖示）遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第42頁肽鏈延長進位

（氨酰tRNA進入A位點）參加因子：延長因子EFTu（Tu）、EFTs（Ts）、GTP、氨酰tRNA肽鏈形成肽?；鶑腜位點轉(zhuǎn)移到A位點，形成新肽鏈移位（translocase）在移位因子（移位酶）EF－G作用下，核糖體沿mRNA（5’-3’）作相對移動，使原來在A位點肽酰－tRNA回到P位點遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第43頁核糖體移動方向P位點A位點遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第44頁進位核糖體移位肽鏈形成遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第45頁延長過程中肽鏈生成肽基轉(zhuǎn)移酶遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第46頁肽鏈延伸過程遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第47頁肽鏈合成終止與釋放識別mRNA終止密碼子，水解所合成肽鏈與tRNA間酯鍵，釋放肽鏈R1識別UAA、UAGR2識別UAA、UGAR3影響肽鏈釋放速度RR幫助P位點tRNA殘基脫落，而后核糖體脫落遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第48頁多核糖體在細胞內(nèi)一條mRNA鏈上結(jié)合著多個核糖體，甚至可多到幾百個。蛋白質(zhì)開始合成時，第一個核糖體在mRNA起始部位結(jié)合，引入第一個蛋氨酸，然后核糖體向mRNA3’端移動一定距離后，第二個核糖體又在mRNA起始部位結(jié)合，現(xiàn)向前移動一定距離后，在起始部位又結(jié)合第三個核糖體，依次下去，直至終止。每個核糖體都獨立完成一條多肽鏈合成，所以這種多核糖體能夠在一條mRNA鏈上同時合成多條相同多肽鏈，這就大大提升了翻譯效率

遺傳信息傳遞的中心法則和基因表達專家講座第49頁真核細胞蛋白質(zhì)合成特點核糖體為80S，由60S大亞基和40S小亞基組成起始密碼AUG起始tRNA為Met－tRNA起始復(fù)合物結(jié)合在mRNA5’端AUG上游帽子結(jié)構(gòu)，真核mRNA無富含嘌呤SD序列（除一些病毒mRNA外）已發(fā)覺真核起始因子有近9種（eukaryoteInitiationfactor,eIF）eIF4A.eIF4E.P220復(fù)合物稱為帽子結(jié)構(gòu)結(jié)合蛋白復(fù)