遺傳信息的流動醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)

遺傳信息的流動the

flow

of

genetic

information當(dāng)前1頁，總共56頁。細(xì)胞的遺傳物質(zhì)中所攜帶的遺傳信息(DNA堿基的排列順序)決定了生物體的遺傳性狀和生物學(xué)行為。當(dāng)前2頁，總共56頁。絕大部分生物的遺傳物質(zhì)是DNA，少數(shù)病毒或噬菌體則是RNA。遺傳信息就是DNA分子中堿基的排列順序。當(dāng)前3頁，總共56頁。DNA分子中遺傳信息，以復(fù)制方式向子代傳遞；以轉(zhuǎn)錄方式向RNA傳遞，RNA經(jīng)翻譯后產(chǎn)生的蛋白質(zhì)決定生物性狀。遺傳信息→蛋白質(zhì)→細(xì)胞（組織）表型當(dāng)前4頁，總共56頁?；虻慕Y(jié)構(gòu)基因（gene）是合成有功能的蛋白質(zhì)或RNA所必需的全部核苷酸序列，是遺傳物質(zhì)的最小功能單位。當(dāng)前5頁，總共56頁。從功能上看基因包括編碼蛋白質(zhì)（酶、結(jié)構(gòu)蛋白、阻遏蛋白）的基因、編碼tRNA/rRNA的基因以及對表達(dá)起調(diào)控作用的基因。移動基因、間隔基因和重疊基因。核基因，核外基因當(dāng)前6頁，總共56頁。間隔基因：基因轉(zhuǎn)錄區(qū)中位于編碼基因之間的，與蛋白質(zhì)翻譯無關(guān)的序列。重疊基因（overlappinggene）：同一DNA序列中2個基因的核苷酸序列相互重疊。當(dāng)前7頁，總共56頁。移動基因/轉(zhuǎn)座子（transposon）TransposonsaresegmentsofDNAthatcanmovearoundtodifferentpositionsinthegenomeofasinglecell.Intheprocess,theymaycausemutationsorincrease(ordecrease)theamountofDNAinthegenome.ThesemobilesegmentsofDNAaresometimescalled"jumpinggenes".當(dāng)前8頁，總共56頁。美國的麥克林托克提出：遺傳基因可以移動，能從染色體的一個位置跳到另一個位置，甚至從一條染色體跳到另一條染色體上。她把這種能自發(fā)轉(zhuǎn)移的遺傳基因稱為“轉(zhuǎn)座子”。當(dāng)前9頁，總共56頁。轉(zhuǎn)座子可編碼特殊的蛋白酶，催化轉(zhuǎn)座子從宿主DNA上切除并插入靶位點(diǎn)。當(dāng)前10頁，總共56頁。當(dāng)插入到一個新的位置后，轉(zhuǎn)座子對附近基因的功能會造成一定的影響，成為調(diào)控序列的一部分。當(dāng)前11頁，總共56頁。轉(zhuǎn)座對于改變生物體的遺傳組成有重要影響（基因重排，失活…）。當(dāng)前12頁，總共56頁?；虻姆肿咏Y(jié)構(gòu)割裂基因（splitgene）：在真核生物細(xì)胞基因中，編碼序列常常被非編碼序列隔斷，呈現(xiàn)分裂狀。一個基因通常包括：轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)、轉(zhuǎn)錄區(qū)、終止子。當(dāng)前13頁，總共56頁。在結(jié)構(gòu)基因的上游存在著決定轉(zhuǎn)錄起始的啟動子，它是可被RNA聚合酶識別并結(jié)合的特異性DNA序列。在結(jié)構(gòu)基因的下游存在的終止子是具有終止轉(zhuǎn)錄功能的特定序列，可終止RNA聚合酶繼續(xù)移動并使之脫落。當(dāng)前14頁，總共56頁。轉(zhuǎn)錄區(qū)包括編碼區(qū)和非編碼區(qū)，編碼區(qū)含一個起始密碼子（AUG）、編碼密碼（外顯子）和一個終止密碼子。非編碼區(qū)包括兩側(cè)的序列(5’UTR/3’UTR)和編碼區(qū)當(dāng)中的間隔序列(內(nèi)含子)，均不被翻譯。當(dāng)前15頁，總共56頁。遺傳密碼遺傳密碼：mRNA上相鄰的3個堿基排列形成一個密碼子，一個密碼子決定一種氨基酸的形成，所有的密碼子統(tǒng)稱遺傳密碼。當(dāng)前16頁，總共56頁。當(dāng)前17頁，總共56頁。遺傳密碼特點(diǎn)密碼子具有方向性：即閱讀方向與mRNA合成方向一致。密碼子有兼并性和兼職性：每個密碼子三聯(lián)體決定一種氨基酸，而一種氨基酸可同時有幾個密碼子編碼；在64個密碼子中AUG不僅是Met或者fMet(原核細(xì)胞)的密碼子，也是肽鏈合成的起始信號，故稱起始密碼子，UAA、UAG和UGA為終止密碼子，不代表任何氨基酸，也稱為無意義密碼子。密碼子有通用性：不論是病毒、原核生物還是真核生物，密碼子的含義都是相同的。密碼子不重疊，密碼子無標(biāo)點(diǎn)。線粒體mRNA中的密碼子與核mRNA的密碼子有不同

當(dāng)前18頁，總共56頁。DNA復(fù)制半保留復(fù)制：在DNA復(fù)制時，雙鏈DNA解開，按互補(bǔ)堿基的配對原則，以每一條鏈為模板以合成其互補(bǔ)鏈，即可形成兩個與親代完全一樣的DNA分子。

當(dāng)前19頁，總共56頁。DNA復(fù)制要從DNA分子上特定位置開始。這個特定位置被稱為復(fù)制起始點(diǎn)。DNA復(fù)制從起點(diǎn)開始雙向進(jìn)行直到終點(diǎn)為止，每一個這樣的DNA單位稱為復(fù)制子或復(fù)制單元。當(dāng)前20頁，總共56頁。復(fù)制的起始－－引發(fā)（Priming）DNA聚合酶的特性決定了DNA復(fù)制時先在復(fù)制起始區(qū)合成一段RNA引物。當(dāng)前21頁，總共56頁。由DNA螺旋酶將起始點(diǎn)處的DNA雙鏈解開，引發(fā)體與特定序列結(jié)合，形成復(fù)制叉，再由引物酶合成一小段RNA引物，DNA聚合酶再將第一個脫氧核苷酸加在引物3’端開始鏈的延伸。當(dāng)前22頁，總共56頁。復(fù)制的延伸：在RNA引物的3’-OH端由DNA聚合酶III按堿基互補(bǔ)規(guī)則延伸。因此DNA的合成是具有方向性的。當(dāng)前23頁，總共56頁。前導(dǎo)鏈：以3’→5’方向的DNA鏈做模板鏈的新鏈合成可以隨著復(fù)制叉向前移動，連續(xù)合成（5’→3’）。當(dāng)前24頁，總共56頁。后隨鏈：以5’→3’方向的DNA鏈做模板鏈的新鏈合成則不能隨著復(fù)制叉向前移動，即無法進(jìn)行連續(xù)合成，只能分成許多小片段（okazakifragment）分段合成。每一段新合成的DNA鏈前有一小段RNA引物，由DNA聚合酶I水解補(bǔ)平，最后由連接酶連接，形成完整的后隨鏈。當(dāng)前25頁，總共56頁。復(fù)制的終止：在DNA上也存在著復(fù)制終止位點(diǎn)，DNA復(fù)制將在復(fù)制終止位點(diǎn)處終止。若兩個復(fù)制叉相遇時，復(fù)制也將終止。當(dāng)前26頁，總共56頁。端粒Telomere細(xì)胞分裂時DNA復(fù)制的不完全將引起端粒區(qū)DNA的少量丟失，所以隨著細(xì)胞分裂次數(shù)的增加，端粒不斷縮短。當(dāng)端?？s短到一定程度(臨界長度)時細(xì)胞不再分裂。當(dāng)前27頁，總共56頁。端粒酶telomerase當(dāng)前28頁，總共56頁。復(fù)制誤差的校對DNA聚合酶本身具有校對作用。RNA引物最終也要被切除掉，這樣就提高了DNA復(fù)制的準(zhǔn)確性。由外界和環(huán)境因素引起的DNA損傷也可以通過細(xì)胞自身的修復(fù)機(jī)制加以改正。當(dāng)前29頁，總共56頁。DNA轉(zhuǎn)錄以DNA為模板合成RNA的過程稱為轉(zhuǎn)錄。（transcription）轉(zhuǎn)錄是生物界RNA合成的主要方式，是遺傳信息DNA向RNA傳遞過程，也是基因表達(dá)的開始。當(dāng)前30頁，總共56頁。在DNA的兩條鏈中只有其中一條鏈可作為模板，這條鏈叫做模板鏈（templatestrand），另一條不做為模板的鏈叫做編碼鏈。當(dāng)前31頁，總共56頁。各基因的模板鏈并不全在同一條DNA鏈上，轉(zhuǎn)錄時可選擇不同鏈的不同區(qū)段，將它們轉(zhuǎn)錄到同一條RNA上。同一時刻，雙螺旋DNA分子中僅有一條鏈可作為RNA的模板。當(dāng)前32頁，總共56頁。20世紀(jì)60年代RobertRoeder首次發(fā)現(xiàn)了RNA聚合酶，可催化RNA鏈中核苷酸間形成磷酸二酯鍵。原核細(xì)胞和真核細(xì)胞中均具有RNA聚合酶。當(dāng)前33頁，總共56頁。原核生物只有一種RNA聚合酶。真核生物細(xì)胞核中有3種RNA聚合酶，分別稱為RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，它們專一性地轉(zhuǎn)錄不同的基因，由它們催化的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物也各不相同。當(dāng)前34頁，總共56頁。原核生物RNA聚合酶當(dāng)前35頁，總共56頁。真核生物RNA聚合酶RNA聚合酶Ⅰ合成RNA的活性最高，它位于核仁中，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄編碼rRNA的基因。細(xì)胞內(nèi)絕大部分RNA是rRNA。RNA聚合酶Ⅱ，位于核質(zhì)中，負(fù)責(zé)核不均一RNA（hnRNA）和snRNA的合成，而hnRNA是mRNA的前體。RNA聚合酶Ⅲ負(fù)責(zé)合成tRNA和許多小分子量的核內(nèi)RNAs。當(dāng)前36頁，總共56頁。DNA轉(zhuǎn)錄合成RNA的方向按5’→3’進(jìn)行，合成過程分為三個階段：識別與起始、延長和終止。當(dāng)前37頁，總共56頁。識別與起始轉(zhuǎn)錄是從DNA分子的特定部位開始的，這個部位也是RNA聚合酶全酶結(jié)合的部位，也就是啟動子（promoter）。啟動子處的核苷酸序列具有特殊性。當(dāng)前38頁，總共56頁。轉(zhuǎn)錄的起始是基因表達(dá)的關(guān)鍵階段。RNA聚合酶中的σ亞基識別并專一結(jié)合啟動子部分的特殊序列，使雙螺旋局部解旋，選擇模板鏈并開始轉(zhuǎn)錄。當(dāng)前39頁，總共56頁。在合成磷酸二酯鍵后，σ亞基解離，由聚合酶中的核心酶部分負(fù)責(zé)RNA鏈的延伸。DNA雙螺旋在轉(zhuǎn)錄時只是暫時局部解旋，轉(zhuǎn)錄完畢即恢復(fù)雙螺旋結(jié)構(gòu)。當(dāng)前40頁，總共56頁。真核生物的轉(zhuǎn)錄過程往往還需要多種蛋白因子的協(xié)助，有一類叫做轉(zhuǎn)錄因子的蛋白質(zhì)分子，它們能與RNA聚合酶Ⅱ形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物，共同參與轉(zhuǎn)錄起始的過程。當(dāng)前41頁，總共56頁。RNA鏈的延長RNA鏈的延長靠核心酶的催化，在起始復(fù)合物上第一個核苷酸的3’-OH上與第二個三磷酸核苷起反應(yīng)形成第一個磷酸二酯鍵。聚合后的核苷酸鏈又有核糖3’-OH游離，這樣就可按模板DNA的指引，一個接一個地延長下去。因此RNA鏈的合成方面也是5’--3。當(dāng)前42頁，總共56頁。由于DNA鏈與合成的RNA鏈具有反平行關(guān)系，所以RNA聚合酶是沿著DNA鏈3’--5’方向移動。整個轉(zhuǎn)錄過程是由同一個RNA聚合酶來完成的一個連續(xù)不斷的反應(yīng)。當(dāng)前43頁，總共56頁。轉(zhuǎn)錄的終止移動的RNA聚合酶到達(dá)特定序列時轉(zhuǎn)錄終止，RNA聚合酶脫落，合成的RNA釋放，DNA恢復(fù)雙螺旋結(jié)構(gòu)。當(dāng)前44頁，總共56頁。DNA鏈從啟動子到終止子的一段長度即是一個轉(zhuǎn)錄單位，稱為轉(zhuǎn)錄子（transcripton）。當(dāng)前45頁，總共56頁。RNA聚合酶缺乏3’→5’外切酶活性，所以沒有校正功能。

當(dāng)前46頁，總共56頁。轉(zhuǎn)錄后加工剛合成的mRNA是初級轉(zhuǎn)錄物，稱為核不均一RNA（hnRNA），必須經(jīng)過加工才能變?yōu)槌墒斓腞NA。原核生物轉(zhuǎn)錄生成的mRNA沒有轉(zhuǎn)錄后加工修飾過程。當(dāng)前47頁，總共56頁。真核生物轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生初級轉(zhuǎn)錄物為RNA前體，它們必須經(jīng)過加工過程變?yōu)槌墒斓腞NA，才能表現(xiàn)其生物活性。

真核生物mRNA的加工修飾，主要包括對5’端和3’端的修飾以及對中間部分進(jìn)行剪接。當(dāng)前48頁，總共56頁。5’端加帽：成熟的真核生物mRNA，其結(jié)構(gòu)的5’端都有一個m7G-ppp結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)被稱為甲基鳥苷的帽子。當(dāng)前49頁，總共56頁。5’端帽子結(jié)構(gòu)增加mRNA的穩(wěn)定性，保護(hù)mRNA免遭5’外切核酸酶的攻擊，這種帽子結(jié)構(gòu)還可能為核糖體對mRNA的識別提供了信號。

當(dāng)前50頁，總共56頁。3’端加尾：大多數(shù)真核mRNA都有3’端的多聚A尾（polyA)，多聚A尾大約有200bp。受polyA聚合酶催化，該酶能識別mRNA游離的3’-OH端，并加上約200個A殘基。當(dāng)前51頁，總共56頁。剪接：結(jié)構(gòu)基因中可以含有幾十個內(nèi)含子。經(jīng)過核酸內(nèi)切酶作用剪切掉內(nèi)含子，然后在連接酶作用下將有編碼意義的核苷酸片段即外顯子首尾相連，才構(gòu)成完整的mRNA，可送出核外。當(dāng)前52頁，總共56頁。rRNA轉(zhuǎn)錄后加工（自我剪接）當(dāng)前53頁，總共56頁。tRNA轉(zhuǎn)錄后加工tRNA前體需進(jìn)行tRNA前體的5’端前導(dǎo)序列特異性剪切；還要進(jìn)行堿基修飾將正常核苷酸轉(zhuǎn)變