遺傳學(xué) Part-11 遺傳物質(zhì).ppt

1、遺 傳 學(xué),第二 部 分,主講：李明剛 教授 辦公室：分子所307 ,主要參考書目,高級(jí)分子遺傳學(xué),第一章 分遺傳學(xué)研究進(jìn)展 第一節(jié)人類基因組計(jì)劃與相關(guān)產(chǎn)業(yè)的崛起 第二節(jié) 反向遺傳學(xué)的興起與迅猛發(fā)展 第三節(jié) 動(dòng)物克隆研究進(jìn)展 第四節(jié) 分子遺傳學(xué)技術(shù)新進(jìn)展 第五節(jié) 基因工程研究進(jìn)展 第二章 遺傳物質(zhì)及其組織形式 第一節(jié) 遺傳物質(zhì) 第二節(jié) 基因組 第三節(jié) 生物體中基因數(shù)量 第四節(jié) 基因簇與重復(fù) 第五節(jié) 染色體 第六節(jié) 核小體 第三章 遺傳物質(zhì)的復(fù)制、重組與維護(hù) 第一節(jié) DNA復(fù)制機(jī)制 第二節(jié) 基因組復(fù)制 第三節(jié) 遺傳重組 第四節(jié) DNA修復(fù)系統(tǒng) 第五節(jié) 免疫分子基因的體細(xì)胞重組 第四章 轉(zhuǎn)錄及其產(chǎn)

2、物加工 第一節(jié) 原核基因 轉(zhuǎn)錄機(jī)制 第二節(jié) 真核基因轉(zhuǎn)錄機(jī)制 第三節(jié) 轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物加工 第四節(jié) 核酶與催化RNA,第五章 翻譯與蛋白質(zhì)定位運(yùn)輸 第一節(jié) 信使RNA 第二節(jié) 遺傳密碼 第三節(jié) 蛋白質(zhì)合成 第四節(jié) 蛋白質(zhì)定位 第五節(jié) 蛋白質(zhì)運(yùn)輸 第六章 特殊遺傳方式 第一節(jié) 轉(zhuǎn)座子 第二節(jié) 反轉(zhuǎn)錄病毒與反轉(zhuǎn)座子 第三節(jié) 物種間基因轉(zhuǎn)移 第四節(jié) 表觀遺傳 第七章 基因表達(dá)調(diào)控 第一節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控 第二節(jié) 噬菌體調(diào)控策略 第三節(jié) 真核基因表達(dá)調(diào)控 第四節(jié) DNA重排調(diào)控 第八章 信號(hào)傳導(dǎo)與生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)控 第一節(jié) 信號(hào)傳導(dǎo) 第二節(jié) 細(xì)胞周期與生長(zhǎng)調(diào)控 第三節(jié) 癌基因與癌癥 第四節(jié) 發(fā)育調(diào)控 附錄：重要概

3、念解釋,第十一章 遺傳物質(zhì),1953年，Watson Crick闡明了DNA結(jié)構(gòu)，這是遺傳學(xué)歷史上最重大的發(fā)現(xiàn)之一。當(dāng)時(shí)對(duì)基因和DNA的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)： 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。 “一個(gè)基因一種酶”的學(xué)說推測(cè)基因控制蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。 基因位于染色體上。染色體由DNA和蛋白組成。 早先由Griffith后由Avery指出DNA是遺傳物質(zhì)。 關(guān)于遺傳物質(zhì)是什么的爭(zhēng)論是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，認(rèn)為蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)的理由是： 蛋白質(zhì)由20種氨基酸組成，生物體的各種功能和性狀一般都由蛋白質(zhì)的性質(zhì)來決定；認(rèn)為DNA不是遺傳物質(zhì)的理由是：DNA只有4種簡(jiǎn)單的核苷酸組成，眾多的生

4、物性狀不可能由它們來決定。,第一節(jié) DNA是遺傳物質(zhì),有3個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)證明遺傳物質(zhì)是DNA： 1細(xì)菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn) 2T2噬菌體的感染實(shí)驗(yàn) 3病毒重建實(shí)驗(yàn),一、Griffith,s細(xì)菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)(1928年) Greffiths transformation experiment. 有一種引起人類肺炎的致病菌肺炎雙球菌，它可以使家鼠得病而且通常是致死的。不同品系的肺炎球菌在毒性上是有區(qū)別的：一個(gè)是正常的毒性類型，細(xì)胞有一層多糖莢膜包裹，呈光滑型，稱為S型。 另一品系的肺炎球菌是從S型中分離到的突變型，它無毒性，能在家鼠中生長(zhǎng)但不引起家鼠死亡，表面沒有多糖類莢膜，呈粗糙型，稱為R型。,實(shí)驗(yàn)提示：加熱殺死

5、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（transformation）為有毒的S品系。經(jīng)過16年實(shí)驗(yàn)證明，R轉(zhuǎn)化為S的物質(zhì)是DNA。 1944年，美國(guó)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。,美國(guó)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) 論 在S型細(xì)胞的各種組分中，只有DNA能引起R型細(xì)胞的轉(zhuǎn)化，DNA是S型細(xì)胞多糖莢膜和病源特征的決定因子，只要給R型細(xì)胞提供S型細(xì)菌的DNA，就等于

6、是提供了S基因。 意義：第一次證明基因是由DNA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。,二、The Hershey-Chase(搗碎)實(shí)驗(yàn) 搗碎實(shí)驗(yàn)要回答的問題： 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(xì)菌中去的過程。轉(zhuǎn)入細(xì)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(shí)驗(yàn)說明轉(zhuǎn)入細(xì)菌中去的信息物是DNA。,搗碎實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)： 1.蛋白質(zhì)中沒有磷，磷是DNA中的主要成分 在T2的DNA中占99%。 2.硫只存在于蛋白質(zhì)中,在DNA中從未發(fā)現(xiàn)有 硫。 3.用32P和35S分別標(biāo)記兩個(gè)噬菌體的培養(yǎng)物 中的DNA和蛋白質(zhì)。,只有噬菌體DNA進(jìn)入細(xì)菌，蛋

7、白質(zhì)外殼從不進(jìn)入細(xì)胞。噬菌體蛋白只是結(jié)構(gòu)上的包裝物。當(dāng)DNA進(jìn)入細(xì)菌后蛋白質(zhì)外殼就留在了外邊。 搗碎離心分離T2蛋白殼和被感染的細(xì)菌，發(fā)現(xiàn)80%的35S在衣殼中，70%的的32P在被感染菌中。 子代噬菌體只含30%的32P，小于1%的35S。 意義：說明DNA是遺傳物質(zhì)。,三、病毒重建實(shí)驗(yàn),有些病毒沒有DNA而只有RNA，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(shí)驗(yàn)回答了這一問題。,HRV,TMV,病毒重建實(shí)驗(yàn)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)。,DNA和 RNA中的堿基和糖的結(jié)構(gòu)。,DNA由

8、四種基本的脫氧核苷酸組成。每種核苷酸由磷酸、脫氧核糖和四種堿基之一組成。四種堿基和相應(yīng)核苷酸的名稱： 腺嘌呤dAMP或A； 鳥嘌呤dGMP或G； 胞嘧啶dCMP或C； 胸腺嘧啶dTMP或T。,第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu),Watson Crick根據(jù)兩個(gè)線索，提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。 （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,Watson &Crick 提出了DNA雙螺旋模型。,Waster Crick DNA雙螺旋模型。,

9、每個(gè)核苷酸之間由磷酸二酯鍵相連接。 DNA結(jié)構(gòu)的含義： 該結(jié)構(gòu)預(yù)示了DNA復(fù)制的一種明顯方式。預(yù)示了DNA分子中的核苷酸對(duì)的序列可能決定著蛋白質(zhì)中氨基酸的序列，即存在某種類型的遺傳密碼。,目前已知有三種不同形式DNA： Bform：即Watson-Crick模型，在正常的細(xì)胞生活狀態(tài)時(shí)存在，右手螺旋、堿基的平面對(duì)DNA的中軸是垂直的，DNA分子每轉(zhuǎn)一圈是10.4bp。 Aform：在高鹽或脫水狀態(tài)時(shí)存在，右手螺旋，堿基對(duì)傾斜并偏離雙螺旋中軸，轉(zhuǎn)一圈11bp。 Zform：在合成制備的DNA晶體中發(fā)現(xiàn)的新構(gòu)型為“Z”字骨架，左手螺旋，每轉(zhuǎn)一圈12bp。,由Watson-Crick模型預(yù)言DNA復(fù)

10、制是半保留復(fù)制的：每個(gè)子代DNA分子含有一條舊鏈和一條新鏈。,第三節(jié) DNA的復(fù)制,半保留復(fù)制 （semiconservative Replication ）,DNA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(duì)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、半保留復(fù)制的證明 1958年，Meselson等證明DNA的復(fù)制是半保留式的。 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(shí)離心力的大小正好等于DNA分子

11、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(dá)到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。,The Meselson-stahl experiment,Taylor 1958年用蠶豆根尖細(xì)胞染色體作實(shí)驗(yàn)，證明真核生物在染色體水平上，DNA復(fù)制也是半保留式的。,中期,2、復(fù)制叉(Replication Fork),Watson-Crick模型預(yù)言，在復(fù)制過程中DNA分子會(huì)形成一個(gè)分叉。1963年，Cairns用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了復(fù)制叉的存在。,3,3,3,3,復(fù)制叉,生長(zhǎng),生長(zhǎng),起始點(diǎn),起始點(diǎn),3、復(fù)制起始點(diǎn)： 大腸桿菌染色體DNA

12、復(fù)制從一固定點(diǎn)開始起動(dòng)，然后按二個(gè)方向進(jìn)行，即復(fù)制叉作雙向移動(dòng)。,3,5,5,3,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(gè)復(fù)制起點(diǎn)。,4、復(fù)制子(replicon) 具有一個(gè)復(fù)制起始點(diǎn)和兩個(gè)終止點(diǎn)和獨(dú)立復(fù)制功能的DNA片段。大腸桿菌、質(zhì)粒、噬菌體的DNA都能獨(dú)立復(fù)制，這樣獨(dú)立的復(fù)制單位稱為復(fù)制子。 高等生物的染色體是多復(fù)制子。Multireplicon.,Human DNA from Hela cell illustrating the replication bubble that characterizes DNA replication within a single

13、 replicon.,真核生物細(xì)胞的DNA復(fù)制有多個(gè)起始點(diǎn)，即具有多個(gè)同時(shí)復(fù)制的區(qū)域。,Demonstration of 5-to-3 synthesis of DNA.,5、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。,dinB(damage inducible gene B): 損傷誘導(dǎo)基因B。Din基因有一系列成員，受lexA蛋白(22kD的阻遏蛋白)控制。 umuD2C是SOS系統(tǒng)的一部分，產(chǎn)物有聚合酶活性。,圖13.3 DNA合成是通過在伸長(zhǎng)鏈的3 -OH 不斷添加核苷酸而進(jìn)行的，因此合成方向是從5到3。用于合成DNA 的前體是核苷三磷酸，在反應(yīng)中去

14、掉末端的兩個(gè)磷酸基團(tuán)。,P P,Okazaki fragments(崗崎片段):在不連續(xù)合成時(shí)，先按5-3方向合成1000-2000bp的片段，最后共價(jià)連接成完整鏈。,圖13.9 先導(dǎo)鏈的合成是連續(xù)的，而后隨鏈的合成是不連續(xù)的。,DNA聚合酶的校正機(jī)制。所有細(xì)菌的DNA聚合酶都具有3-5外切酶活性，可以切除錯(cuò)配的堿基。它提供了校正功能。 通過校正復(fù)制，復(fù)制忠實(shí)性可提高100倍。,圖13.6 細(xì)菌DNA聚合酶仔細(xì)檢查在伸長(zhǎng)鏈末端的每個(gè)配對(duì)堿基，將錯(cuò)配的刪除。,DNA復(fù)制中后隨鏈上RNA引物的合成和替換,DNA primase啟動(dòng)RNA引物的合成,RNA引物5 -3延伸,DNA pol 在RNA引

15、物的3-OH端啟動(dòng)DNA5 -3的合成,DNA pol 的5 -3外切酶活性去除RNA引物, 其5 -3聚合酶活性合成DNA,DNA連接酶封口,圖13.18 DNA聚合酶III全酶分步組裝，最后產(chǎn)生能合成兩條新鏈的酶復(fù)合體。,在復(fù)合物( )的幫助下，滑動(dòng)鉗在DNA上組裝成二聚體，核心酶I()結(jié)合上去形成半全酶。兩個(gè)半全酶通過兩個(gè)亞基對(duì)稱地結(jié)合形成全酶，分別催化前導(dǎo)鏈和后隨鏈的合成。 DNA聚合酶III全酶由14個(gè)亞基組成。,前導(dǎo)鏈和后隨鏈合成的“拉環(huán)”協(xié)同模式(looping cooperative model)。 催化核心分別與每一個(gè)DNA模板鏈結(jié)合。對(duì)于先導(dǎo)鏈，全酶連續(xù)地沿著模板鏈移動(dòng)；將

16、后隨鏈的模板“拉過”(pulled through)，使DNA形成一個(gè)環(huán)。DnaB建立一個(gè)解旋點(diǎn)，并且沿著DNA“向前”推移(在后隨鏈的模板上沿5-3方向移動(dòng))。,真核生物端粒末端復(fù)制的困難,線型染色體DNA末端復(fù)制困難，后隨鏈復(fù)制后會(huì)留下一個(gè)空缺。,端粒酶的作用 端粒酶自身具有RNA模板，能將多個(gè)末段重復(fù)單位加到末段，這時(shí)DNApol 就能進(jìn)行互補(bǔ)鏈的合成。 如果沒有端粒酶的作用，線性染色體會(huì)逐漸縮斷，如果端部縮斷逐漸延伸到功能基因中，那么這種染色體縮斷將是致死的。,圖18.25 端粒酶通過酶內(nèi)部的RNA模板與DNA的單鏈突出進(jìn)行配對(duì)來實(shí)現(xiàn)自身的定位，它向DNA單鏈引物3(應(yīng)刪除？)逐個(gè)添加G和T，一個(gè)重復(fù)單位合成后接著合成下一個(gè)。,圖28.30 端粒酶的結(jié)構(gòu)與功能示意圖。端粒酶以其RNA為模板延長(zhǎng)端粒，補(bǔ)償在每個(gè)復(fù)制周期后的端粒縮短。,端粒酶和細(xì)胞衰老,端?？s短通常涉及細(xì)胞衰老的分子機(jī)制。 在大多數(shù)真核生物體細(xì)胞中，其端粒酶活性被關(guān)閉， 因此細(xì)胞每分裂一次，其端粒都會(huì)縮短。細(xì)胞分裂若干次后，當(dāng)端粒丟失時(shí)細(xì)胞便失去分裂能力 而死亡。 但有一特例，即癌變細(xì)胞具有端粒酶活性，可以永生(immortalization)或不死。 小鼠中編碼端粒酶的基因失活，仍