第21章.基因的分子生物学

第21章基因的分子生物学•一、遗传物质及其结构•二、DNA复制•三、遗传信息流是从DNA到RNA再到蛋白质•四、遗传物质的改变遗传物质的本质TheNatureofGeneticMaterialBackground•1869年，瑞士科学家FriedrichMiescher从绷带上的白细胞核中分离出一种含磷的物质，命名为核素（nuclein）。核素的主要成分是染色质，是DNA和蛋白质的混合物。这是首次对基因的化学本质进行探索。核酸(nucleicacids)这一名词于Miescher发现核素20年后才被正式启用。21.1遗传物质及其结构21.1.1遗传物质是DNA（或RNA）的直接证据：1.肺炎链球菌的转化实验1928年英国的格里菲斯（Griffith）的实验证明遗传物质可以转化进入细菌，改变细菌特性。爱弗莱（Avery）的实验证实，进入细菌改变特性的遗传物质是DNA，而不是蛋白质。1)1928年，Griffith肺炎双球菌转化实验Griffith认为“接种物中的死细菌可能提供了某些特异的蛋白质为原料，使R型细菌能制造荚膜”蛋白质起转化作用2)1944年，Avery在离体条件下完成转化。SⅢ杀死细菌分离提取多糖脂类RNA蛋白质DNADNA+DNaseRⅡRⅡRⅡRⅡRⅡRⅡ不杀死不杀死不杀死不杀死可杀死不杀死小鼠小鼠小鼠小鼠小鼠小鼠RⅡRⅡRⅡRⅡRⅡ+SⅢRⅡ图Avery等的体外转化实验SⅢ杀死细菌分离提取多糖脂类RNA蛋白质DNADNA+DNaseRⅡRⅡRⅡRⅡRⅡRⅡ不杀死不杀死不杀死不杀死可杀死不杀死小鼠小鼠小鼠小鼠小鼠小鼠RⅡRⅡRⅡRⅡRⅡ+SⅢRⅡ图Avery等的体外转化实验1.仅DNA是转化因子2.其它物质（含蛋白）均不能转化2.Hershey-Chase关于噬菌体的感染实验二.Hershey-Chase的噬菌体实验35S32P10’搅拌离心搅拌离心图Hershey-Chase的T2噬菌体感染实验2.1952年，Hershey和Chase噬菌体渗震实验RNA也可以作为遗传物质•所有已知的有机体和许多病毒的遗传物质都是DNA双螺旋，但一些病毒也采用另一种核酸－RNA作为遗传物质，如逆转录病毒。•类病毒（viroid）只由很小的环状RNA分子组成，其RNA本身就是一个感染因子。是否存在核酸以外的其他遗传物质？•自然界似乎有特例表明，还有除核酸之外的遗传物质。•朊病毒是迷一样的感染性粒子。目前唯一鉴定的组分是蛋白，所以这种感染性粒子不是核酸，而是一种蛋白质病原，称为朊病毒（prion）。•1997年美国加州大学旧金山分校（UCSF）的StanleyPrusiner教授在被朊病毒感染的病体中发现了一种具有传染性、可以抗蛋白酶的特殊蛋白质，称为朊病毒蛋白（PrionProtein，PrP）并对其感染机制进行了探讨。•朊病毒蛋白（prionprotein，PrP）以两种形式存在：正常的脑组织中发现的PrPC不具有感染性，对蛋白酶敏感，可以被完全降解；而PrPSC具有感染性，具有抗蛋白酶的性能。•PrPC和PrPSC的一级结构完全相同，但二级结构却有很大差异：前者α螺旋的含量约为40％，几乎没有β片层结构；而后者含有高达50％的β片层结构，只有20％的α螺旋。•正常朊蛋白构型发生异常改变后导致疯牛病，无需DNA或RNA的参与，致病因子朊蛋白就可以传染复制。所谓朊病毒的繁殖就是正常的PrPC蛋白质转变为PrPSC的过程，而且朊病毒感染后也具有指数增长的特性。21.1.2DNA与RNA是多核苷酸的聚合体DNA4种脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMPRNA4种核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP1.Chargaff法则A与T、G与C的摩尔数一样两条链对应碱基呈配对关系：氢键A＝TG≡C•RosalindFranklin的X-射线衍射图5’3’5’3’21.1.3DNA——不朽的双螺旋1953年，Watson&Crick提出DNA双螺旋结构的主要特征：（1）两条通过碱基配对连接的对核苷酸长链以反方向平行的方式围绕同一个中心轴相互缠绕，组成双螺旋，两条链均为右螺旋；（2）DNA的碱基配对以碱基互补为原则；（3）配对的碱基并不充满双螺旋空间，而碱基占据的空间不对称；（4）DNA分子中，脱氧核糖和磷酸基团通过3’、5’—磷酸二酯键连接形成，DNA分子的一条长链是从5’3’，另一条长链是从3’5’DNA作为遗传物质的功能：（1）贮藏遗传信息的功能（2）传递遗传信息的功能（3）表达遗传信息的功能DNA携带着两类不同的遗传信息•一类是负责蛋白质氨基酸组成的信息，是以三联体密码子方式进行编码的。•另一类遗传信息是关于基因选择性表达的信息。基因组中大部分DNA序列是用来编码基因选择性表达信息的。这种选择性除了时序调节和环境调控外，某些调控DNA序列还可以与调控蛋白质相互作用而修饰自己的双螺旋空间结构。21.2DNA复制21.2.1DNA复制依赖于特殊的碱基配对碱基互补配对原则A＝TG≡C21.2.2DNA复制是半保留式的1953年，Watson&Crick提出DNA复制发生在细胞分裂周期的S期DNA双螺旋在某些蛋白质的作用下解旋，2条链中间的碱基对分开，成为2条单链；每一条单链都作为模板；每条链上暴露出来的碱基各自与一个游离于核中的4种三磷酸脱氧核苷酸（T、G、A、C）按照碱基配对原则配对，形成与之互补的核苷酸；在与单链上配对的核苷酸之间形成磷酸二酯键，在DNA聚合酶的作用下形成链条新的互补链（子链），其中DNA聚合酶只能使核苷酸按5’3’方向连接。最终形成各含一条母链和一条子链的2个双链DNA分子。DNA半保留式复制：DNA复制过程模式图1）原材料：双链DNA，核苷酸；2）辅助条件：解旋酶、DNA聚合酶，DNA连接酶；21.2.3DNA聚合酶和冈崎片段（半不连续复制）DNA聚合酶的共同特点：（1）需要提供合成模板；（2）不能起始新的DNA链，必须要有引物提供3’-OH；（3）合成的方向都是5’→3’（4）除聚合DNA外还有其它功能。而DNA母链（模板链）方向为5’→3’和3’→5’，如何解决这一矛盾？21.2.3DNA聚合酶和冈崎片段（半不连续复制）冈崎片段与半不连续复制模型在5’→3’这一模板上，DNA聚合酶仍按照5’→3’方向先反方向地合成一系列小的片段，称为冈崎片段然后这些小片段再通过DNA连接酶的作用，互相连接起来而成长链。1.蛋白质是表型特征的分子基础(略）2.DNA与蛋白质的合成；3.遗传信息在细胞质中被翻译；4.中心法则：遗传信息流从DNARNA转录蛋白质细胞核翻译细胞质21.3遗传信息流是从DNA到RNA再到蛋白质21.3.2DNA与蛋白质的合成1.RNA的结构与功能结构组成：单链；核苷酸中的戊糖是核糖；尿嘧啶取代胸腺嘧啶；分类：mRNA、rRNA、tRNA功能：参与蛋白质的合成。tRNA与反密码子•mRNA(messagerRNA)信使RNA——携带并传递DNA中的遗传信息，在蛋白质合成中起模板作用•rRNA(ribosomeRNA)核糖体RNA——与蛋白质结合形成核糖体，核糖体是合成蛋白质的“工厂”•tRNA（transferRNA)转运RNA——在蛋白质合成过程中转运氨基酸2.转录——从DAN到RNA•RNA聚合酶•DNA以全保留的方式转录成RNA•5’3’方向转录过程场所：主要在细胞核模板：DNA的一条链原料：4种核糖核苷酸原则：碱基互补配对原则（A-U）产物：mRNA真核生物：RNA聚合酶ⅠrRNARNA聚合酶ⅡmRNA前体RNA聚合酶ⅢtRNA、5SRNA等3.遗传密码遗传密码——DNA分子中核苷酸的排列顺序与蛋白质中氨基酸排列顺序之间的对应关系。遗传密码是由三个碱基组成的，因此叫三联体密码，64个，其中61个负责氨基酸的翻译。遗传密码的特点具有连续可读性和不重叠性简并现象偏好性专一性具有起始密码子和终止密码子普遍通用性（线粒体DNA除外）AUG（Met）f-Met起始密码子UAA终止密码子UAGUGA遗传密码表翻译过程场所：核糖体原料：氨基酸模板：mRNA转运工具：tRNA原则：碱基互补配对原则从mRNA的5’3’产物：多肽链21.3.3遗传信息在细胞质中被翻译翻译示意图IF-3IF-11.核蛋白体大小亚基分离目录AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亚基定位结合目录IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)结合到小亚基AUG5'3'目录IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成AUG5'3'目录IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi目录21.4遗传物质的改变21.4.1染色体畸变与人类疾病染色体结构变异：缺失、重复、倒位、移位染色体畸变染色体数目变异：整倍体、非整倍体•缺失：染色体某一节段的丢失；5号染色全短臂缺失，猫叫综合征。•重复：同一染色体某一阶段连续含2份或以上。果蝇棒眼现象就是X染色体部分重复。•倒位：某一染色体发生两处断裂，形成3个节段，其中间阶段旋转180度变位重接。第9号染色体长臂倒置，女性习惯性流产•易位：某一染色体上断裂下的节段连接到另一染色体上。第14号与第22号染色体部分易位，惯性粒白血病。1缺失2重复3倒位4易位（2）染色体数目改变•整倍体变异：单倍体、多倍体•非整倍体的变异：单体、多体、缺体•单倍体：体细胞中只含有一个完整的染色体组的个体，用n表示。•单倍体一般体型弱小，生活力差且发育不良。•多倍体：体细胞中含有二个以上染色体组的个体称多倍体•（1）双雄受精：即两个精子同时进入一个卵子内，形成3n合子，最后发育成3n个体。•（2）双雌受精：即在减数分裂时，卵细胞因某种原因未能形成极体，或第二极体与卵核结合，因而卵子中得以保留有两组染色体，受精后形成三倍体合子（这一机制的可能性较大），全身为3n的个体多由此造成•1.单体（monosomic）单体用2n－1表示，即某对染色体减少了一条，性染色体和常染色体都有单体型，主要见于性染色体单体型，性染色体单体型多由于X染色体丢失所造成。例如，Turner综合征，其核型为45，XO。•2.三体（trisomic）三体用2n＋1表示，即某对染色体增加了一条。•遗传物质的减少可引起性状改变，同样遗传物质的增加，也会引起性状变异，三体又可分为常染色体三体和性染色体三体，常染色体三体以13、18和21号染色体为常见。•目前除了17、19号染色体尚未见报道外，其余各对染色体的三体均有报道。•三体以上称多体，仅见于性染色体。如性染色体四体，48，XXYY和性染色体五体49，XXXXX、49，XXXYY、49，XXXXY，六体型也有报道。•3缺体：一对同源染色体全部缺失2n-2的生物。•非倍数性改变的发生机制：（1）染色体不分离：细胞分裂时，染色体不分离；（2）分裂后期迟滞：在有丝分裂后期，染色体向两极移动时，一条染色体行动缓慢，不能和其他染色体一同进入新细胞特殊类型的染色体•多线染色体双翅目昆虫(摇蚊、果蝇)的幼虫唾液腺、肠、马氏管等的细胞中存在巨大染色体(gaintchromosome)，由具有多达2048条染色质线(多线性)组成。•多线染色体产生于内源有丝分裂：染色单体在间期正常进行复制，但未发生着丝粒分裂和染色单体分离，导致一条染色体的染色单体数目成培增长。•在果蝇中唾腺染色体经10-11次内源有丝分裂可形成1024、2048条染色质线的多线染色体。染色体病由于染色体畸变，包括染色体数目或结构改变所致的遗传病，称为染色体病。这种疾病已记录有500多种，其中，性染色体异常占75％，常染色体异常占25％。如：先天愚型病（唐氏综合症）是因为有三条21号染色体所致。21.4.2基因突变•基因突变：广义包括染色体畸变，狭义指基因点突变，DNA序列中单个或多个碱基对的变化。•碱基置换：转换、颠换（镰刀形细胞贫血症）•移码突变•突变的诱发——诱变剂的作用（辐射、化学诱变剂、其他）21.