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第十章 基因信息传递

第十章 基因信息传递. 遗传信息传递的中心法则. 转录. 翻译. 复制. DNA. RNA. 蛋白质. 逆转录. 翻译. 复制. RNA. 蛋白质. Reverse transcription. 第一节 DNA 的生物合成（复制） 第二节 RNA 的生物合成（转录） 第三节蛋白质的生物合成（翻译）. 四、 DNA 损伤（突变）与修复 DNA Damage (Mutation) and Repair. （一） DNA 的损伤. 复制差错和化学和物理因素造成体内 DNA 损伤或突变或致死

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第十章 基因信息传递

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Presentation Transcript

  1. 第十章 基因信息传递

  2. 遗传信息传递的中心法则 转录 翻译 复制 DNA RNA 蛋白质 逆转录 翻译 复制 RNA 蛋白质

  3. Reverse transcription

  4. 第一节 DNA的生物合成（复制） 第二节 RNA的生物合成（转录） 第三节蛋白质的生物合成（翻译）

  5. 四、DNA损伤（突变）与修复DNA Damage (Mutation) and Repair

  6. （一）DNA的损伤 • 复制差错和化学和物理因素造成体内DNA损伤或突变或致死 突变（mutation）：指一种遗传状态，可以通过复制而遗传的DNA结构的任何永久性改变。携带突变基因的生物称为突变体，未突变的称为野生型。 • 损伤原因也可以说是遗传信息突变的来源

  7. 1. DNA的损伤的原因 • DNA复制产生误差； • 物理（紫外、高能射线、电离辐射）或化学（烷基化试剂、亚硝酸盐、碱基类似物）损伤； • 生物因素（碱基对置换、碱基的插入/ 缺失造成移码）。

  8. DNA分子的自发性损伤 ①DNA复制中的错误 ②DNA自发性化学变化（碱基异构的互变、碱基的脱氨基作用、脱嘌呤与脱嘧啶、碱基修饰与链断裂）

  9. 主要指紫外线和各种辐射，如紫外线可引起DNA链上相邻的两个嘧啶碱基发生共价结合，生成嘧啶二聚体；主要指紫外线和各种辐射，如紫外线可引起DNA链上相邻的两个嘧啶碱基发生共价结合，生成嘧啶二聚体； ①紫外线引起的DNA损伤 ②电离辐射引起的DNA损伤（碱基变化、脱氧核糖变化、DNA断裂、交联） • 物理因素引起的DNA损伤

  10. 嘧啶二聚体的形成与解聚 主要是同一条DNA链上相邻的嘧啶以共价键连成二聚体，相邻的两个T、或两个C与T间都可以环丁基环连成二聚体，其中最容易形成的是TT二聚体。

  11. ①烷化剂对DNA的损伤（碱基烷基化、碱基脱落、断裂、交联）①烷化剂对DNA的损伤（碱基烷基化、碱基脱落、断裂、交联） ②碱基类似物、修饰剂对DNA的损伤 • 化学因素引起的DNA损伤 化工原料、化工产品和副产品，各种工业的排放物、农药、食品防腐剂或添加剂，以至汽车排放的废气。

  12. 2. DNA损伤的后果 DNA损伤最终导致DNA 分子结构的变化，这种DNA分子水平的突变（mutation）是整体遗传突变的基础。 • 点突变（point mutation） • 错配 (mismatch) • 缺失 (deletion) • 插入 (insertion) • 重排 (rearrangement)

  13. 后果 • 致死性 • 丧失某些功能； • 改变基因型而不改变表现型 • 发生了有利于物种生存的结果、使生物进化

  14. 肽链 N-val·his·leu·thr·pro ·glu·glu ······C CTC GAG 基因 肽链 N-val·his·leu·thr·pro ·val·glu ······C CAC GTG 基因 正常成人Hb (HbA)β亚基 镰形红细胞贫血病人Hb (HbS) β亚基

  15. 缺失引起框移突变 正常 5’ ……G CAG U AC A UG U C …… 丙 缬 组 缬 缺失C 5’ ……G A GU A CA U GU C …… 谷 酪 蛋 丝

  16. (二) DNA损伤的修复（DNA repairing） • 修复是指细胞对DNA受损伤后的一种反应，这种反应可能使DNA结构恢复原样，重新执行它原来的功能。也可以说，针对已发生了的缺陷而施行的补救机制。 • 修复的主要类型： ①光修复(light repairing) ②切除修复(excision repairing) ③重组修复(recombination repairing) ④SOS修复

  17. 光修复 • 紫外光照射可使相邻的两个T 形成二聚体 • 光修复酶可使二聚体解聚为单体状态，DNA完全恢复正常。光修复酶的激活需300-600μm波长的光。

  18. 切除修复（excision repair） • 参与的酶有 核酸内切酶，polⅠ,DNA连接酶

  19. UvrC UvrB UvrA P OH DNA聚合酶Ⅰ OH P ATP DNA连接酶 E.Coli 的切除修复方式

  20. 重组修复（recombination repair） • 又称复制后修复（postreplication repair） • 受损伤的DNA在进行复制时，跳过损伤部位，在子代DNA链与损伤相对应部位出现缺口。通过分子间重组，从完整的母链上将相应的碱基顺序片段移至子链的缺口处，然后再用合成的多核苷酸来补上母链的空缺，此过程即重复修复。并非完全校正。

  21. SOS修复 • 指DNA受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种DNA修复方式，修复结果只是能维持基因组的完整性，提高细胞的生成率，但留下的错误较多，又称倾错性修复（Error-Prone Repair）。

  22. 五、逆转录和其他复制方式 Reverse Transcription and Other DNA Replication Ways

  23. 逆转录酶 RNA DNA （一）逆转录病毒和逆转录酶 逆转录 逆转录酶(reverse transcriptase) 逆转录

  24. 1）逆转录 • 在逆转录酶的作用下以RNA为模板合成DNA的过程。此过程中，核酸合成与转录（DNA→RNA）过程遗传信息的流动方向相反（RNA→DNA），故称为逆转录（reverse transcription) 。

  25. 2）逆转录酶 • 能催化以单链RNA为模板合成双链DNA的反应的酶称为逆转录酶（reverse transcriptase)。 • 它兼有三种酶的活性：RNA指导的DNA聚合酶，DNA指导的DNA聚合酶和RNase H活性。 • 所谓RNase H活性是指除去杂合分子中的RNA。它可以从5′→3′和3′→5′两个方向水解DNA－RNA。 • 逆转录酶和其他DNA聚合酶一样，合成DNA的方向为5′→3＇，并且不能从头合成DNA，也需要引物，是病毒本身的一种tRNA。

  26. （二）逆转录过程 1．以单链RNA的基因组为模板，在逆转录酶(RNA指导的DNA聚合酶)的催化下，合成一条单链DNA； 2．产物与模板生成RNA∶DNA杂化双链，杂化双链中的RNA被逆转录酶(RNase H)水解； 3．以新合成的单链DNA为模板，逆转录酶(DNA指导的DNA聚合酶)催化合成第二链的DNA。

  27. 逆转录病毒细胞内的逆转录现象 RNA 模板 逆转录酶 DNA-RNA 杂化双链 RNA酶 单链DNA 逆转录酶 双链DNA

  28. （三）逆转录酶和逆转录现象的生物学意义 1）逆转录酶和逆转录现象是分子生物学研究中的重大发现 ； • RNA同样兼有遗传信息传代与表达功能。 2）对逆转录病毒的研究，拓宽了病毒致癌理论； 3）分子生物学研究应用逆转录酶（cDNA法)，作为获取基因工程目的基因的重要方法之一。

  29. 第二节 RNA的生物合成 （转录） RNA Biosynthesis, Transcription

  30. RNA DNA 一、转录的概念 定义 DNA指导下的RNA合成（synthesis of RNA guided by DNA）即 DNA携带的遗传信息（基因）传递给RNA分子的过程称转录。或生物体以DNA为模板合成RNA的过程 。 转录

  31. 1、复制和转录的共同点 DNA 模板 依赖DNA的聚合酶 碱基配对规律 生成磷酸二酯键 链延长方向5'→3'

  32. 2、复制和转录的区别

  33. 3、转录基本特点 反应体系：DNA模板,NTP,酶，Mg2+,Mn2+，合成方向 5‘→3’。连接方式-- 3‘ , 5’磷酸二酯键； 转录特点：不对称转录--DNA片段转录时，双链DNA中只有一条链作为转录的模板，这种转录方式称作不对称转录； 原料：四种磷酸核苷NTP,DNA中的T在RNA合成中变为U 合成过程:连续

  34. 4、参与转录的物质 原料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板: DNA 酶: RNA聚合酶(RNA polymerase, RNA-pol) 其他蛋白质因子

  35. 在生物界，RNA合成有两种方式： 一是DNA指导的RNA合成，为生物体内的主要合成方式 另一种是RNA指导的RNA合成，此种方式常见于病毒。 转录产生的初级转录本是RNA前体（RNA precursor），需经加工过程（processing）方具有生物学活性。

  36. 二、模板和酶 Templates and Enzymes

  37. （一）转录模板 沃森(①姓氏 ②James Dewey, 1928-, 美国生物学家, 曾获1962年诺贝尔生理学-医学奖) • 结构基因(structural gene) ： • DNA分子上能作为模板转录出RNA的区段。 • 模板链(template strand)有意义链或Watson链 • DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链。 • 编码链(coding strand)反义链或Crick链 • DNA双链中碱基序列与RNA一致的一股链。 克里克(①姓氏 ②Francis Harry Compton, 1916-, 英国生物物理学家, 曾获1962年诺贝尔生理学-医学奖)

  38. 编码链 5′···GCAGTACATGTC ···3′ 3′··· c g t g a t g t a c a g ···5′ 模板链 转录 mRNA 5′···GCAGUACAUGUC ···3′ 翻译 N······Ala · Val · His · Val ······C 蛋白质 • 以编码链(反义链)为模板合成的RNA，称为反义RNA。其序列与模板链一致，能抑制mRNA的表达。

  39. 不对称转录 • 在DNA分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录 。 • 模板链并非永远在同一条单链上。 结构基因 3 5 5 3 编码链 模板链 模板链 编码链

  40. (二) RNA聚合酶 定义：以DNA为模板，催化三磷酸核苷（NTP） 聚合形成RNA的酶。 作用特点： • DNA为模板 • 不需引物，游离NTP能与RNA链或另一NTP聚合. • 3'-OH与5'-P聚合形成磷酸二酯键。 • 方向：5'→3'。

  41. （1）原核生物的RNA聚合酶

  42. 大肠杆菌的RNA聚合酶 全酶由5种亚基α2ββ’σ组成，σ因子与其它部分的结合不是十分紧密，它易于与β’βα2分离，没有σ、 亚基的酶称为核心酶——只催化链的延长，对起始无作用。 五种亚基的功能分别为： α亚基：与启动子结合功能。 β亚基：含催化部位，起催化作用，催化形 成磷酸二酯键。 亚基：在全酶中存在，功能不清楚。 β’亚基：与DNA模板结合功能。 σ亚基：识别起始位点。

  43.          核心酶 (core enzyme) 全酶 (holoenzyme) • 核心酶: 转录延长; 全酶：转录起始。 • σ70是辨认典型转录起始点的蛋白质。 • σ32是辨认热休克蛋白(Hsp)转录起始点的蛋白质。

  44. （2）真核生物的RNA聚合酶 45S-rRNA，5S-rRNA： 核糖体RNA成分。 hnRNA：mRNA的前体。 snRNA： 参与mRNA剪切。

  45. RNA聚合酶结构特点 两个大亚基：分子量>100 KDa，催化亚基， 与原核β，β'亚基有同源性。 50 kDa亚基：分子量 50 kDa，与原核α亚基相似。 小亚基：10，7，11个。 羧基末端结构域(CTD)：(YSPTSPS)n：Y：Tyr；S：Ser；P：Pro；T：Thr RNA-polⅡ大亚基C末端磷酸化，使转录进入链的延长阶段。

  46. 调控序列 结构基因 53 35 RNA-pol (3)模板与酶的辨认、结合 操纵子(operon):原核生物的一个转录单位，包括若干个结构基因及其上游(upstream)的调控序列 启动子(promoter): RNA聚合酶结合模板DNA的部位。

  47. 三、转录过程 The Process of Transcription

  48. （一）原核生物的转录过程 1. 起始位点的识别 转录起始需解决两个问题： ①RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。 ②DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。

  49. 5’ AACTGT ATATTA 3’ TTGACA TATAAT 5’ 3’ +1 转录起始点 －35序列 Sextama 框 －10序列 Pribnow框 • σ识别正确的启动位点，启动子的结构至少由三部分组成：-35序列提供了RNA聚合酶全酶识别的信号；-10序列是酶的紧密结合位点（富含AT碱基，利于双链打开）；第三部分是RNA合成的起始点。

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