動物遺傳學(xué) 遺傳信息的傳遞

動物遺傳學(xué)遺傳信息的傳遞第1頁/共99頁什么是DNA的復(fù)制？DNA分子的復(fù)制是指以DNA分子為模板合成一個新的與親代模板結(jié)構(gòu)相同的子代DNA分子的過程。第2頁/共99頁DNA分子是在什么時間進(jìn)行復(fù)制的？在間期進(jìn)行復(fù)制動物細(xì)胞有絲分裂周期圖第3頁/共99頁DNA分子是在什么時間進(jìn)行復(fù)制的？在減數(shù)第一次分裂前的間期進(jìn)行復(fù)制第4頁/共99頁DNA分子是在什么時間進(jìn)行復(fù)制的？DNA復(fù)制發(fā)生在細(xì)胞有絲分裂的間期和減數(shù)第一次分裂前的間期。第5頁/共99頁積極思維：分析：1、離心處理后，為什么子一代DNA只有雜合鏈？2、子二代DNA出現(xiàn)了輕鏈和雜合鏈，說明了什么？(一)DNA半保留復(fù)制一、DNA復(fù)制的基本規(guī)律第6頁/共99頁AAATTTGGGGCCCATCDNA平面模式圖DNA復(fù)制過程思考：1、DNA復(fù)制需要哪些基本條件？

2、復(fù)制過程有何主要特點？

3、復(fù)制形成的子代DNA和親代DNA

有何關(guān)系？第7頁/共99頁DNA復(fù)制后產(chǎn)生的每個子代DNA分子中，都有一條單鏈?zhǔn)窃璂NA保留下來的，而另一條單鏈?zhǔn)切潞铣傻?。這種復(fù)制方式稱為半保留復(fù)制。解旋合成復(fù)旋第8頁/共99頁(二)半不連續(xù)復(fù)制半不連續(xù)復(fù)制(semi-discontinuousreplication)：在DNA復(fù)制過程中，一條子鏈的復(fù)制是連續(xù)的，而另一條子鏈的復(fù)制是不連續(xù)的。岡崎片段(Okazakifragment)：DNA后隨鏈的復(fù)制是先以5’→3’方向不連續(xù)合成許多小片段，然后連接成一條完整的子鏈。第9頁/共99頁課堂練習(xí)選擇題：1、某些藥物可以抑制腫瘤細(xì)胞DNA的復(fù)制，從而達(dá)到控制癌癥的目的。這些藥物作用的細(xì)胞正處于細(xì)胞周期的（）A間期B前期C中期D不能確定2、下列關(guān)于DNA復(fù)制過程的正確順序是（）①互補堿基對間氫鍵斷裂②互補堿基對之間形成氫鍵③DNA分子在解旋酶作用下解旋④以母鏈為模板進(jìn)行堿基互補配對⑤子鏈與母鏈盤旋成雙螺旋結(jié)構(gòu)A③①②④⑤B③④②⑤①C③①④②⑤D①③④②⑤AC第10頁/共99頁課堂練習(xí)3、DNA分子解旋時，下列哪一組堿基被解開（）A鳥嘌呤和腺嘌呤B胸腺嘧啶和胞嘧啶C腺嘌呤和胸腺嘧啶D腺嘌呤和胞嘧啶C4、下面關(guān)于DNA復(fù)制過程的描述，錯誤的是（）A復(fù)制需要能量B邊解旋邊復(fù)制C復(fù)制需要氨基酸和酶D復(fù)制遵循堿基互補配對原則C5、若對一個DNA分子進(jìn)行標(biāo)記,經(jīng)過4次復(fù)制后，含有標(biāo)記DNA分子數(shù)占DNA總數(shù)的（）A1/6B1/8C1/4D1/2B第11頁/共99頁根據(jù)半保留復(fù)制和堿基互補配對原則1、與復(fù)制有關(guān)的堿基計算①一個DNA連續(xù)復(fù)制n次后，共有多少個DNA？多少條脫氧核苷酸鏈？母鏈多少條？子鏈多少條？DNA分子數(shù)=2n脫氧核苷酸鏈數(shù)=2n+1母鏈數(shù)=子鏈數(shù)=22n+1﹣2解析：所用知識為“半保留復(fù)制”和“堿基互補配對原則”，并圖示分析。ATGCCGATATGCCGATATGCCGATATGCCGATATGCCGATATGCCGATATGCCGAT連續(xù)第一次復(fù)制連續(xù)第二次復(fù)制連續(xù)第n次復(fù)制解：答：一個DNA連續(xù)復(fù)制n次后，共有2n個DNA，2n+1條脫氧核苷酸鏈，母鏈2條，子鏈2n+1﹣2條有關(guān)DNA中的堿基計算第12頁/共99頁二、DNA復(fù)制所需的條件

①酶：②能量：③原料：④原則：⑤時間：⑥場所：⑦模板：解旋酶、聚合酶、連接酶四種游離的脫氧核苷酸堿基互補配對原則發(fā)生在細(xì)胞周期的間期主要在細(xì)胞核內(nèi)DNA解開的兩條單鏈ATP是直接的能源物質(zhì)第13頁/共99頁第14頁/共99頁第15頁/共99頁第16頁/共99頁為什么復(fù)制能形成兩條完全相同的DNA，并且它們都和親代DNA一樣？AGAACGAGTCTTGCTCAGAACGAGTCTTGCTCAGAACGAGTCTTGCTC+1、DNA分子的獨特的雙螺旋結(jié)構(gòu)為復(fù)制DNA提供精確的模板。第17頁/共99頁為什么復(fù)制能形成兩條完全相同的DNA，并且它們都和親代DNA一樣？AGAACGAGTCTTGCTCAGAACGAGTCTTGCTCAGAACGAGTCTTGCTC+堿基互補配對能力保證了復(fù)制能夠準(zhǔn)確無誤地進(jìn)行。第18頁/共99頁5353復(fù)制起始點復(fù)制叉復(fù)制起始點

(一)DNA復(fù)制的起始三、DNA復(fù)制的一般過程第19頁/共99頁53535353復(fù)制起始點復(fù)制叉先導(dǎo)鏈后導(dǎo)鏈（延遲鏈）RNA引物崗崎片段(二)DNA復(fù)制的延伸第一階段：雙鏈DNA不斷解螺旋；第二階段：前導(dǎo)鏈的合成；第三階段：后隨鏈上RNA引物的合成；第四階段：岡崎片段的合成；最后階段：RNA引物去除和岡崎片段連接。第20頁/共99頁(三)DNA復(fù)制的終止環(huán)狀DNA單向復(fù)制終止于復(fù)制起點附近，線狀和環(huán)狀DNA雙向復(fù)制的終點不固定。在復(fù)制終止階段還需進(jìn)行RNA引物切除、缺口補齊和岡崎片段的連接，以產(chǎn)生完整的DNA鏈。第21頁/共99頁四、原核生物和真核生物DNA的復(fù)制特點都是半保留和半不連續(xù)復(fù)制；復(fù)制過程都存在起始、延伸和終止三個階段；都必須有相應(yīng)功能的酶和蛋白質(zhì)參與。(一)相同點：第22頁/共99頁

原核生物真核生物復(fù)制起點

1個很多個復(fù)制子

1個多個復(fù)制速率快慢岡崎片段較長較短第二輪復(fù)制開始結(jié)束前結(jié)束后在第一輪復(fù)制(二)不同點1、復(fù)制的起點和速率第23頁/共99頁2、復(fù)制方式θ型復(fù)制：原核生物的染色體和質(zhì)粒DNA。oriterABCA.環(huán)狀雙鏈DNA及復(fù)制起始點B.復(fù)制中的兩個復(fù)制叉C.復(fù)制接近終止點(termination,ter)第24頁/共99頁3-OH5-P55533335'滾環(huán)復(fù)制5'5335滾環(huán)式復(fù)制：病毒、細(xì)菌F因子、真核生物rRNA基因。第25頁/共99頁D環(huán)復(fù)制方式：哺乳動物的線粒體DNA。dNTPDNA-polγ

第26頁/共99頁3、真核生物染色體末端DNA的復(fù)制進(jìn)一步加工染色體DNA是線性分子；端粒(telimere)和端粒酶(telomerase)用于解決5’端空缺問題；端粒是真核生物染色體兩端的一種短片段重復(fù)序列單鏈末端，可形成特殊的發(fā)夾結(jié)構(gòu)，如四膜蟲端粒的重復(fù)序列是GGGGTT。第27頁/共99頁第二節(jié)DNA轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄是以DNA為模板，在RNA聚合酶的作用下，合成RNA的過程。在由DNA—RNA—蛋白質(zhì)的過程中，轉(zhuǎn)錄是一個中心環(huán)節(jié)。對于大多數(shù)基因而言，轉(zhuǎn)錄是基因表達(dá)的第一步，也是最關(guān)鍵的步驟。DNA

轉(zhuǎn)錄RNA第28頁/共99頁一、DNA轉(zhuǎn)錄的基本特征第29頁/共99頁原料:

NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:

DNA酶:

RNA聚合酶(RNApolymerase,RNA-pol)其他蛋白質(zhì)因子參與轉(zhuǎn)錄的物質(zhì)第30頁/共99頁1、原核生物的RNA聚合酶二、RNA聚合酶第31頁/共99頁核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)第32頁/共99頁RNA聚合酶全酶在轉(zhuǎn)錄起始區(qū)的結(jié)合第33頁/共99頁2、真核生物的RNA聚合酶第34頁/共99頁原核生物一個轉(zhuǎn)錄區(qū)段可視為一個轉(zhuǎn)錄單位，稱為操縱子(operon)，包括若干個結(jié)構(gòu)基因及其上游(upstream)的調(diào)控序列。

5335結(jié)構(gòu)基因調(diào)控序列RNA-polRNA聚合酶結(jié)合模板DNA的部位，稱為啟動子(promoter)。三、基因轉(zhuǎn)錄的一般過程第35頁/共99頁(一)轉(zhuǎn)錄起始1）RNA聚合酶全酶(2)與模板結(jié)合2）DNA雙鏈解開3）在RNA聚合酶作用下發(fā)生第一次聚合反應(yīng)，形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物第36頁/共99頁

（二）轉(zhuǎn)錄延長1）亞基脫落，RNA–pol聚合酶核心酶變構(gòu)，與模板結(jié)合松弛，沿著DNA模板前移；2）在核心酶作用下，NTP不斷聚合，RNA鏈不斷延長。第37頁/共99頁53DNA原核生物轉(zhuǎn)錄過程中的羽毛狀現(xiàn)象核糖體RNARNA聚合酶第38頁/共99頁（三）轉(zhuǎn)錄終止概念：指RNA聚合酶在DNA模板上停頓下來不再前進(jìn)，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA鏈從轉(zhuǎn)錄復(fù)合物上脫落下來。分類：依賴Rho(ρ)因子的轉(zhuǎn)錄終止；非依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止。ATP1）依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止第39頁/共99頁5′pppG5335RNA-pol2）非依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止DNA模板上靠近終止處，有些特殊的堿基序列(如莖環(huán)、發(fā)夾結(jié)構(gòu))，轉(zhuǎn)錄出RNA后，RNA產(chǎn)物形成特殊的結(jié)構(gòu)來終止轉(zhuǎn)錄。原理：使RNA聚合酶變構(gòu)，轉(zhuǎn)錄停頓；使轉(zhuǎn)錄復(fù)合物趨于解離，RNA產(chǎn)物釋放。第40頁/共99頁5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`

RNA5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT...3DNAUUUU...…UUUU...…5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`莖環(huán)(stem-loop)/發(fā)夾(hairpin)結(jié)構(gòu)第41頁/共99頁第42頁/共99頁幾種主要的加工方式1.剪接(splicing)2.剪切(cleavage)3.修飾(modification)4.添加(addition)四、RNA轉(zhuǎn)錄后的加工

(Post-transcriptionalModification)第43頁/共99頁1、首、尾的修飾5端形成帽子結(jié)構(gòu)(m7GpppGp—)3端加上多聚腺苷酸尾巴(polyAtail)（一）mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工第44頁/共99頁2、mRNA的剪接核內(nèi)的初級mRNA稱為雜化核RNA(hetero-nuclearRNA,hnRNA)snRNA(smallnuclearRNA)+核內(nèi)的蛋白質(zhì)組成小分子核糖核酸蛋白體（snRNP）snRNP與hnRNA結(jié)合成為并接體第45頁/共99頁雞卵清蛋白基因hnRNA首、尾修飾hnRNA剪接成熟的mRNA雞卵清蛋白基因及其轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后加工第46頁/共99頁tRNA前體RNApolⅢTGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNA（二）tRNA的轉(zhuǎn)錄后加工第47頁/共99頁RNAaseP、內(nèi)切酶1、剪接第48頁/共99頁（2）還原反應(yīng)如：UDHU

（3）核苷內(nèi)的轉(zhuǎn)位反應(yīng)如：Uψ（4）脫氨反應(yīng)如：AI

如：AAm（1）甲基化（1）（1）（3）（2）（4）3、堿基修飾第49頁/共99頁（三）rRNA的轉(zhuǎn)錄后加工第50頁/共99頁最簡單的核酶二級結(jié)構(gòu)——槌頭狀結(jié)構(gòu)(hammerheadstructure)底物部分通常為60個核苷酸左右同一分子上包括有催化部份和底物部份催化部份和底物部份組成錘頭結(jié)構(gòu)除rRNA外，tRNA、mRNA的加工也可采用自我剪接方式。第51頁/共99頁四膜蟲rRNA內(nèi)含子的二級結(jié)構(gòu)如四膜蟲rRNA的剪接采用自我剪接方式5′-端核苷酸序列第52頁/共99頁第四節(jié)蛋白質(zhì)的生物合成ProteinBiosynthesis(Translation)第53頁/共99頁參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì)包括：原料：氨基酸模板：mRNA運載工具：tRNA裝配場所：核蛋白體能量：GTP，ATP酶：氨基酰tRNA合成酶，轉(zhuǎn)肽酶因子：起始因子(IF)，延長因子(EF)，釋放因子(RF)，核蛋白體釋放因子(RR)第54頁/共99頁一、遺傳密碼

1961年，Nirenberg證明了mRNA的模板作用。第55頁/共99頁第56頁/共99頁遺傳密碼的連續(xù)性重疊密碼非重疊連續(xù)的密碼不連續(xù)的密碼第57頁/共99頁遺傳密碼的簡并性第58頁/共99頁遺傳密碼的擺動性

第59頁/共99頁二、核糖體的結(jié)構(gòu)和功能第60頁/共99頁核糖體的組成原核生物核糖體的組成原核生物核糖體結(jié)構(gòu)示意圖第61頁/共99頁核糖體的組成第62頁/共99頁原核生物翻譯過程中核糖體結(jié)構(gòu)模式:P位：肽酰位(peptidylsite)A位：氨基酰位(aminoacylsite)E位：排出位(exitsite)第63頁/共99頁1、肽鏈合成的起始三、蛋白質(zhì)生物合成的過程第64頁/共99頁2、肽鏈的延長第65頁/共99頁第66頁/共99頁第67頁/共99頁第68頁/共99頁3、肽鏈的終止第69頁/共99頁第70頁/共99頁第71頁/共99頁四、肽鏈的修飾從核蛋白體釋放出的新生多肽鏈不具備蛋白質(zhì)生物活性，必需經(jīng)過不同的翻譯后復(fù)雜加工過程才轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊粯?gòu)象的功能蛋白。主要包括多肽鏈折疊為天然的三維結(jié)構(gòu)肽鏈一級結(jié)構(gòu)的修飾高級結(jié)構(gòu)修飾第72頁/共99頁新生肽鏈天然構(gòu)象及功能蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)模序結(jié)構(gòu)域等折疊產(chǎn)生條件分子伴侶HSP伴侶素折疊酶蛋白二硫鍵異構(gòu)酶肽-脯氨酰順反異構(gòu)酶N端在核蛋白體上一出現(xiàn)折疊即開始

蛋白質(zhì)的生物活性不僅依賴于其正確的氨基酸順序，而且依賴于其正確的空間結(jié)構(gòu)。新生肽鏈必需經(jīng)過一系列嚴(yán)格而復(fù)雜的折疊過程，才能形成具有正確空間結(jié)構(gòu)的有活性的蛋白質(zhì)。

1、多肽鏈折疊為天然功能構(gòu)象的蛋白質(zhì)第73頁/共99頁（1）氨基酸殘基的化學(xué)修飾：由專一性的酶催化進(jìn)行修飾，包括糖基化、羥基化、磷酸化、甲?；?。（2）N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除：N端甲酰蛋氨酸，必須在多肽鏈折迭成一定的空間結(jié)構(gòu)之前被切除。①去甲?；杭柞；讣柞５鞍彼?肽

甲酸+蛋氨酸-肽

②去蛋氨?；旱鞍彼岚被拿傅鞍滨?肽

蛋氨酸+肽2、肽鏈一級結(jié)構(gòu)的修飾第74頁/共99頁（3）信號肽的切除：被信號肽酶切除。（4）切除前體中功能不需要的肽段：在專一性的蛋白水解酶作用下完成。（5）二硫鍵的形成：由專一性的氧化酶催化，將-SH氧化為-S-S-。選擇性剪接的實際例子：α-原肌球蛋白mRNA(α-tropomyosin)第75頁/共99頁1）亞基聚合

蛋白質(zhì)與糖、脂類、核酸、血紅素等結(jié)合形成糖蛋白、Lp、核蛋白、Hb等。

具有四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)需進(jìn)行亞基之間的聚合，如血紅蛋白4個亞基的聚合。2）輔基連接

某些蛋白質(zhì)(如G蛋白等)翻譯后需要在特殊位點連接疏水性較強的鏈或多異戊二烯鏈等。這些蛋白質(zhì)通過脂鏈嵌入疏水膜脂雙層，定位成為特殊脂膜內(nèi)在蛋白，是具有生物功能的蛋白質(zhì)。3）疏水脂鏈的共價連接3、高級結(jié)構(gòu)的修飾第76頁/共99頁第四節(jié)基因表達(dá)調(diào)控基因表達(dá)是指儲存遺傳信息的基因經(jīng)過一系列步驟表現(xiàn)出其生物功能的整個過程。典型的基因表達(dá)是基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生有生物活性的蛋白質(zhì)的過程。rRNA或tRNA的基因經(jīng)轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后加工，產(chǎn)生成熟的rRNA或tRNA，也是rRNA或tRNA的基因表達(dá)。第77頁/共99頁一、原核生物基因表達(dá)調(diào)控第78頁/共99頁1）DNA元件：

原核生物的操縱子：啟動序列、操縱序列等調(diào)節(jié)序列及下游的編碼序列串聯(lián)組成。

真核生物的順式作用元件：啟動子、增強子、抑制子。2）調(diào)節(jié)蛋白、特異因子、阻遏蛋白3）RNA聚合酶1、基因表達(dá)調(diào)控的要素第79頁/共99頁2、操縱子模型第80頁/共99頁3、乳糖操縱子第81頁/共99頁負(fù)調(diào)控第82頁/共99頁正調(diào)控第83頁/共99頁5、基因表達(dá)的時序調(diào)控1981年，LosickandPero提出σ因子級聯(lián)調(diào)控模型。RNA聚合酶σ因子在不同時期的級聯(lián)式轉(zhuǎn)換是實現(xiàn)細(xì)菌和噬菌體的基因表達(dá)時序調(diào)控的一種重要分子基礎(chǔ)。第84頁/共99頁沙門菌鞭毛素基因的調(diào)節(jié)H2鞭毛素

阻遏蛋白Hin重組酶轉(zhuǎn)位片段hinH2IH1H1鞭毛素hinH2IDNA啟動序列H1啟動序列6、DNA序列重排的調(diào)控第85頁/共99頁二、真核基因表達(dá)調(diào)控真核生物表達(dá)調(diào)控是多層次的，包括DNA及染色體水平、轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后RNA加工和運輸水平、翻譯水平以及蛋白質(zhì)加工水平等。轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控是最主要的調(diào)控方式，一般以單順反子轉(zhuǎn)錄形式進(jìn)行。第86頁/共99頁1、順式作用元件與反式作用元件（二）轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控順式作用元件(cis-actingelement)：與結(jié)構(gòu)基因連鎖的轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)域，包括增強子、啟動子、沉默子及應(yīng)答元件等。第87頁/共99頁反式作用元件(trans-actingelement)：能直接或間接地識別或結(jié)合在各順式作用元件8～12bp核心序列上，參與靶基因表達(dá)調(diào)控的一組調(diào)節(jié)蛋白，又稱轉(zhuǎn)錄因子，分為：①基本轉(zhuǎn)錄因子，如各類啟動因子②轉(zhuǎn)錄激活因子，如誘導(dǎo)物③轉(zhuǎn)錄抑制因子，如阻遏物第88頁/共99頁DNA結(jié)合域轉(zhuǎn)錄激活域TF蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)結(jié)合域（二聚化結(jié)構(gòu)域）

谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域2