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1、Genetics,第11章 遗传的分子基础,Ch11.2,目 录,第一节 DNA作为主要遗传物质的证据第二节 DNA的分子结构第三节 DNA的复制第四节 DNA与蛋白质合成第五节 基因的概念与发展第六节 遗传工程,Ch11.3,第一节 DNA作为主要遗传物质的证据,基因存在于染色体上。从化学上分析，生物的染色体是核酸和蛋白质的复合物。其中，核酸主要是脱氧核糖核酸(DNA)，在染色体中平均约占27%；其次是核糖核酸(RNA)约占6%；蛋白质约占66%，主要有组蛋白与非组蛋白两种，其中组蛋白的含量比较稳定，根据细胞的类型与代谢活动，非组蛋白的含量与性质变化较大。此外，还含有少量的拟脂与无机物质。,
2、Ch11.4,DNA作为主要遗传物质的间接证据,大部分DNA存在于染色体上，而RNA和蛋白质在细胞质内也很多。每个物种不同组织的细胞不论其大小和功能如何，它们的DNA含量是恒定的，而且精子或卵子中的DNA含量正好是体细胞的一半；而细胞内的RNA和蛋白质量在不同细胞间变化很大。另外，多倍体系列的一些物种，其细胞中DNA的含量随染色体倍数的增加，也呈现倍数性的递增。,Ch11.5,DNA作为主要遗传物质的间接证据,DNA在代谢上比较稳定。细胞内蛋白质和RNA分子与DNA分子不同，它们在迅速形成的同时，又不断分解。用不同波长的紫外线诱发各种生物突变时，其最有效的波长均为260nm。这与DNA所吸收的
3、紫外线光谱是一致的，亦即在260nm处吸收最多。这证明基因突变是与DNA分子的变异密切相联系的。,Ch11.6,DNA作为主要遗传物质的直接证据,(一)细菌的转化(二)噬菌体的侵染(三)烟草花叶病毒的感染,Ch11.7,(一)细菌的转化,肺炎双球菌有两种不同的类型：一种是光滑型(S型)，被一层多糖类的荚膜所保护，具有毒性，在培养基上形成光滑的菌落。另一种是粗糙型(R型)，没有荚膜和毒性，在培养基上形成粗糙的菌落。在R型和S型内还可以按血清免疫反应的不同，分成许多抗原型，常用I R、II R和I S、II S、III S等加以区别。,Ch11.8,(一)细菌的转化,1928年，Griffith首
4、次将一种类型的肺炎双球菌II R转化为另一种类型III S，实现了细菌遗传性状的定向转化。,Ch11.9,(一)细菌的转化,实验的方法是先将少量无毒的II R型肺炎双球菌注入家鼠体内，再将大量有毒但已加热(65oC)杀死的III S型肺炎双球菌注入。结果，家鼠发病死亡。从死鼠体内分离出的肺炎双球菌全部是III S型。,Ch11.10,(一)细菌的转化,可以肯定，被加热杀死的III S型肺炎双球菌必然含有某种促成这一转变的活性物质。但当时并不知道这种物质是什么。,Ch11.11,(一)细菌的转化,十六年后，Avery等用生物化学方法证明这种活性物质是DNA。他们不仅成功地重复了上述的试验，而且将
5、III S型细菌的DNA提取物与II R型细菌混合在一起，在离体培养的条件下，也成功地使少数II R型细菌定向转化为III S型细菌。其所以确认导致转化的物质是DNA，是因为该提取物不受蛋白酶、多糖酶和核糖核酸酶的影响，而只能为DNA酶所破坏。,Ch11.12,(一)细菌的转化,Ch11.13,(二)噬菌体的侵染,Hershey等用同位素32P和35S分别标记T2噬菌体的DNA与蛋白质。因为P是DNA的组分，但不见于蛋白质；而S是蛋白质的组分，但不见于DNA。然后用标记的T2噬菌体(32P或35S)分别感染大肠杆菌，经10分钟后，用搅拌器甩掉附着于细胞外面的噬菌体外壳。,Ch11.14,(二)
6、噬菌体的侵染,在第一种情况下，基本上全部放射活性见于细菌内而不被甩掉并可传递给子代。,Ch11.15,(二)噬菌体的侵染,在第二种情况下，放射性活性大部分见于被甩掉的外壳中，细菌内只有较低的放射性活性，且不能传递给子代。,Ch11.16,(三)烟草花叶病毒的感染,烟草花叶病毒(TMV)是由RNA(不是DNA)与蛋白质组成的管状微粒，它的中心是单螺旋的RNA，外部是由蛋白质组成的外壳。,Ch11.17,(三)烟草花叶病毒的感染,如果将TMV的RNA与蛋白质分开，把提纯的RNA接种到烟叶上，可以形成新的TMV而使烟草发病；单纯利用它的蛋白质接种，就不能形成新的TMV，烟草继续保持健壮。如果事先用R
7、NA酶处理提纯的RNA，再接种到烟草上，也不能产生新的TMV。这说明在不含DNA的TMV中，RNA就是遗传物质。,Ch11.18,(三)烟草花叶病毒的感染,为了进一步论证上述的结论，Frankel-Conrat,和Singer把TMV的RNA与另一个病毒品系(HR,Holmes ribgrass)的蛋白质，重新合成混合的烟草花叶病毒，用它感染烟草叶片时，所产生的新病毒颗粒与提供RNA的品系完全一样，亦即亲本的RNA决定了后代的病毒类型。,Ch11.19,结 论,以上实例均直接证明DNA是生物主要的遗传物质，而在缺少DNA的生物中，RNA则为遗传物质。,Ch11.20,第二节 DNA的分子结构与
8、复制,1、两种核酸及其分布2、DNA的分子结构3、RNA的分子结构,Ch11.21,1、两种核酸及其分布,核酸(nucleic acid)是一种高分子的化合物，它的构成单元是核苷酸(nucleotide)，是核苷酸的多聚体。每个核苷酸包括三部分：五碳糖、磷酸和环状的含氮碱基；这种碱基包括双环结构的嘌呤(purine)和单环结构的嘧啶(pyrimidine)。两个核苷酸之间由3和5位的磷酸二脂键相连。,Ch11.22,一个核苷酸一磷酸腺苷(AMP),核苷酸,核苷,Ch11.23,1、两种核酸及其分布,核酸有两种：脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。两种核酸的主要区别如下：(1)DNA含的
9、糖分子是脱氧核糖，RNA含的是核糖；(2)DNA含有的碱基是腺嘌呤(A)、胞嘧啶(C)、鸟嘌呤(G)和胸腺嘧啶(T)；RNA含有的碱基前三个与DNA完全相同，只有最后一个胸腺嘧啶被尿嘧啶(U)所代替(图)。,Ch11.24,嘧啶,嘌呤,Ch11.25,1、两种核酸及其分布,(3)DNA通常是双链，RNA主要为单链；DNA的分子链一般较长，而RNA分子链较短。(4)真核生物的绝大部分DNA存在于细胞核内的染色体上，它是构成染色体的主要成分之一，还有少量的DNA存在于细胞质中的叶绿体、线粒体等细胞器内。RNA在细胞核和细胞质中都有，核内则更多地集中在核仁上，少量在染色体上。细菌也含有DNA和RNA
10、。多数噬菌体只有DNA；多数植物病毒只有RNA；动物病毒有些含有RNA，有些含有DNA。,Ch11.26,2、DNA的分子结构,(一)DNA的双螺旋结构(二)DNA构型的变异,Ch11.27,(一)DNA的双螺旋结构,DNA分子是脱氧核苷酸的多聚体。因为构成DNA的碱基通常有四种，所以，脱氧核苷酸也有四种，即：脱氧腺嘌呤核苷酸(dATP)脱氧胸腺嘧啶核苷酸(dTTP)脱氧鸟嘌呤核苷酸(dGTP)脱氧胞嘧啶核苷酸(dCTP)(图),Ch11.28,(一)DNA的双螺旋结构,1953年，瓦特森(Watson,J.D.)和克里克(Crick,F.)根据碱基互补配对的规律以及对DNA分子的X射线衍射研
11、究的成果，提出了著名的DNA双螺旋结构模型。这个模型已为以后拍摄的电镜直观形象所证实。,Ch11.29,(一)DNA的双螺旋结构,这个空间构型满足了分子遗传学需要解答的许多问题，例如：DNA的复制、DNA对于遗传信息的贮存及其改变和传递等，从而奠定了分子遗传学的基础。,Ch11.30,(一)DNA的双螺旋结构,瓦特森(Watson,J.D.)和克里克(Crick,F.)模型最主要特点有：(1)两条多核苷酸链以右手螺旋的形式，彼此以一定的空间距离，平行地环绕于同一轴上，很象一个扭曲起来的梯子。,Ch11.31,(一)DNA的双螺旋结构,(2)两条多核苷酸链走向为反向平行。即一条链磷酸二脂键为53
12、方向，而另一条为35方向，二者刚好相反。亦即一条链对另一条链是颠倒过来的，这称为反向平行。,Ch11.32,(一)DNA的双螺旋结构,(3)每条长链的内侧是扁平的盘状碱基，碱基一方面与脱氧核糖相联系，另一方面通过氢键与它互补的碱基相联系，相互层叠宛如一级一级的梯子横档。互补碱基对A与T之间形成两对氢键，而C与G之间形成三对氢键。上下碱基对之间的距离为3.4。,Ch11.33,DNA,Ch11.34,(一)DNA的双螺旋结构,(4)每个螺旋为34(3.4nm)长，刚好含有10个碱基对，其直径约为20。(5)在双螺旋分子的表面大沟(major groove)和小沟(minor groove)交替出
13、现。,Ch11.35,(二)DNA构型的变异,近来发现DNA的构型并不是固定不变的，除主要以瓦特森和克里克提出的右手双螺旋构型存在外，还有许多变型。所以现在一般将瓦特森和克里克提出的双螺旋构型称作B-DNA。,B-DNA,Ch11.36,(二)DNA构型的变异,B-DNA是DNA在生理状态下的构型。生活细胞中极大多数DNA以B-DNA形式存在。但当外界环境条件发生变化时，DNA的构型也会发生变化。实际上在生活细胞内，B-DNA一螺圈也并不是正好10个核苷酸对，而平均一般为10.4对。,B-DNA,Ch11.37,(二)DNA构型的变异,当DNA在高盐浓度下时，则以A-DNA形式存在。A-DNA
14、是DNA的脱水构型，它也是右手螺旋，但每螺圈含有11个核苷酸对。A-DNA比较短和密，其平均直径为23。大沟深而窄，小沟宽而浅。在活体内DNA并不以A构型存在，但细胞内DNA-RNA或RNA-RNA双螺旋结构，却与A-DNA非常相似。,A-DNA,Ch11.38,(二)DNA构型的变异,现在还发现，某些DNA序列可以以左手螺旋的形式存在，称为Z-DNA。当某些DNA序列富含G-C，并且在嘌呤和嘧啶交替出现时，可形成Z-DNA。Z-DNA除左手螺旋外，其每个螺圈含有12个碱基对。分子直径为18，并只有一个深沟。现在还不知道，Z-DNA在体内是否存在。,Z-DNA,Ch11.39,(二)DNA构型
15、的变异,DNA结构除上述构型变化外，在体内还以超螺旋的形式存在。从病毒到高等生物，DNA在生物体内均表现为负超螺旋(negative supercoil)形式。负超螺旋是DNA复制过程中，在拓扑异构酶的催化下形成。现在已有很多证据表明，这种负超螺旋结构与DNA复制、重组以及基因的表达和调控有关。,Ch11.40,(二)DNA构型的变异,Illustration of DNA supercoiling,Ch11.41,3、RNA的分子结构,就化学组成上看，RNA也是由四种核苷酸组成的多聚体。它与DNA的不同，首先在于以U代替了T，其次是用核糖代替了脱氧核糖，此外，还有一个重要的不同点，就是绝大部
16、分RNA以单链形式存在，但可以折叠起来形成若干双链区域。,Ch11.42,3、RNA的分子结构,在这些区域内，凡互补的碱基对间可以形成氢键。有一些以RNA为遗传物质的动物病毒含有双链RNA。,Ch11.43,第三节 DNA的复制,1、DNA复制的一般特点2、原核生物DNA合成3、真核生物合成的特点,Ch11.44,1、DNA复制的一般特点,(一)半保留复制：Watson 和Crick发表了DNA双螺旋模型之后不久，于同年又紧接着发表了DNA半保留复制的复制机理，这一建立在碱基互补基础上的机制为转录、修复、重组、分子杂交等奠定了基础。,Ch11.45,1、DNA复制的一般特点,(一)半保留复制：
17、Watson 和Crick认为：“DNA自我复制并不依赖于特异的蛋白质的合成，DNA双螺旋中的每一条互补DNA链，在合成它的一条互补新链时都可以作为模板”。,Ch11.46,1、DNA复制的一般特点,(一)半保留复制：复制时“连接互补链的氢键必须断裂，两条链还必须解缠和分离。很可能这种单链本身可以呈螺旋构型，并作为模板，游离的核苷酸通过形成氢键自动地结合到它上面”。这就是DNA复制的半保留模型。,Ch11.47,1、DNA复制的一般特点,(二)复制起点和复制方向：在极大多数细菌及病毒中，只有一个复制起点，控制整个染色体的复制。所以整个染色体也就是一个复制子(replicon)。复制子是指在同一
18、个复制起点控制下合成的一段DNA序列。,Ch11.48,1、DNA复制的一般特点,(二)复制起点和复制方向：在真核生物中，每条染色体的DNA复制则是多起点的，多个复制起点共同控制一条染色体的复制，即每条染色体有多个复制子。,Ch11.49,1、DNA复制的一般特点,Ch11.50,1、DNA复制的一般特点,(二)复制起点和复制方向：大肠杆菌和其它许多原核生物的环状DNA复制是双向的。即DNA的复制从复制起点开始，向二个方向同时进行，最后相遇，完成复制。真核生物的复制也是双向的。,Ch11.51,1、DNA复制的一般特点,(二)复制起点和复制方向：但近来发现，并不是所有的生物DNA的复制都是双向
19、的，如：噬菌体P2，其DNA的复制就是沿一个方向进行的。,Ch11.52,2、原核生物DNA合成,(一)有关DNA合成的酶(二)DNA复制的过程,Ch11.53,(一)有关DNA合成的酶,1957年Kornberg及其同事，从大肠杆菌中分离出DNA聚合酶I（polymerase I），这种聚合酶在有DNA、4种脱氧核苷酸及Mg+的情况下，在离体条件下可以合成DNA。后来发现，DNA聚合酶I并不能直接起始DNA的合成，只有在引物DNA提供3端自由羟基的情况下，才使DNA链从5向3方向延伸。,Ch11.54,(一)有关DNA合成的酶,DNA聚合酶I由一条多肽链组成，含有928个氨基酸，分子量约为1
20、09,000道尔顿，编码此酶的基因为pol A。但是后来发现此酶可能不是直接控制大肠杆菌体内DNA复制的酶。因为此酶在体外合成DNA的速度很慢，另外其合成单链DNA比合成双链DNA效率要高得多，同时发现它既能合成DNA，也能降解DNA。,Ch11.55,(一)有关DNA合成的酶,DNA聚合酶I除具有53聚合酶功能外，还具有35核酸外切酶和53核酸外切酶的功能。后来，从pol A基因突变株中又分离出二种DNA聚合酶，分别命名为DNA聚合酶II和DNA聚合酶III。并发现在含有DNA聚合酶I的正常菌株中也同样含有这二种酶。,Ch11.56,(一)有关DNA合成的酶,DNA聚合酶II是一种起修复作用
21、的DNA聚合酶，具有53核酸聚合酶的功能外，还有35核酸外切酶的功能，但是没有53外切酶的功能。它由一条多肽链组成，其分子量约为90,000道尔顿。DNA聚合酶III结构比较复杂，它至少有20个亚基组成，其全酶(holoenzyme)分子量达167,500道尔顿。具有53聚合酶的功能，也有35核酸外切酶的功能，但是没有53外切酶功能。现在已经证实它才是活体细胞内真正控制DNA合成的酶。,Ch11.57,(一)有关DNA合成的酶,Ch11.58,(一)有关DNA合成的酶,这三种DNA聚合酶有一些共同的特性，从而决定DNA合成的特点：如三种酶都只有53聚合酶的功能，而没有35聚合酶功能，说明DNA
22、链的延伸只能从5向3端进行。它们都没有直接起始合成DNA的能力，只能在引物存在下进行链的延伸，因此，DNA的合成必须有引物引导才能进行。三种酶还都有核酸外切酶的功能，可对合成过程中发生的错误进行校正，从而保证DNA复制的高度准确性。,Ch11.59,(二)DNA复制的过程,从上面的讨论，我们知道：DNA的合成是半保留复制；复制是双向的；DNA的合成必须有引物的引导；复制时链的延伸总是从5向3方向进行。下面我们介绍DNA的合成过程。,Ch11.60,(二)DNA复制的过程,(1)、DNA双螺旋的解链(2)、DNA合成的开始(3)、一条DNA链连续合成，一条链不连续,Ch11.61,(1)、DNA
23、双螺旋的解链,DNA半保留复制分别以两条链为模板，而合成两条互补新链，因此，在合成前必须使双螺旋二条链解开。DNA的解旋过程是由DNA解旋酶(helicase)催化下完成，由ATP提供解旋所需的能量。,Ch11.62,(1)、DNA双螺旋的解链,DNA双链由解旋酶解开后，单链DNA结合蛋白(SSB)马上结合在分开的单链上，从而保持其伸展状态。如果没有SSB的作用，分开的双链互补碱基对间又可重新配对。或者，在同一条链的互补碱基对间配对而形成发夹状结构，这种结构会阻止DNA聚合酶的作用。,Ch11.63,(1)、DNA双螺旋的解链,单链DNA结合蛋白,解旋酶,Ch11.64,(1)、DNA双螺旋的
24、解链,在DNA复制时，双螺旋每分钟必须旋转3000次才能完全解旋。随着解链的进行，在DNA复制叉前面就会形成一种张力，而导致超螺旋的产生。这种张力主要是通过DNA拓扑异构酶作用而消除的。,解旋酶,Ch11.65,(1)、DNA双螺旋的解链,主要有二类DNA拓扑异构酶：DNA拓扑异构酶I：只对双链DNA中的一条链进行切割，产生切口(nick)，每次切割只能去除一个超螺旋，此过程不需要外加能量。,Ch11.66,(1)、DNA双螺旋的解链,主要有二类DNA拓扑异构酶：DNA拓扑异构酶II：可以对双链DNA的二条链同时进行切割。每次切割可以去除二个超螺旋，此过程需要ATP提供能量。,Ch11.67,
25、(2)、DNA合成的开始,DNA双链解开后，接下去就可以进行DNA的合成。在DNA合成前，以DNA为模板，根据碱基配对的原则，在一种特殊的RNA聚合酶DNA引物酶的催化下，先合成一段长度为560个核苷酸的RNA引物，提供3端自由OH。然后，在DNA聚合酶III的作用下进行DNA的合成。,引物酶,RNA引物,DNA聚合酶III,Ch11.68,(3)、一条DNA链连续合成，一条链不连续,从电子显微镜和放射自显影的结果可知，DNA两条新链的合成是从一个复制叉(replicating fork)向着同一个方向延伸的。而组成DNA双螺旋的互补双链具有相反的方向，一条从53，另一条35，为反向平行。,C
26、h11.69,(3)、一条DNA链连续合成，一条链不连续,但我们知道，三种DNA聚合酶都只有53聚合酶的功能，而没有35聚合酶功能。这样二条DNA链在延伸时就产生了矛盾。最初人们想法寻找一种具有35方向聚合功能的酶，但是没有成功。那么，二条DNA新链到底是如何合成的呢？,Ch11.70,(3)、一条DNA链连续合成，一条链不连续,后来发现，只有一条DNA链的合成是连续的，而另一条则是不连续的。所以从整个DNA分子水平来看，DNA二条新链的合成方向是相反的，但是都是从5向3方向延伸。,Ch11.71,(3)、一条DNA链连续合成，一条链不连续,现在一般把一直从5向3方向延伸的链称作前导链(lea
27、ding strand)，它是连续合成的。而另一条先沿53方向合成一些片段，然后再由连接酶将其连起来的链，称为后随链(lagging strand)，其合成是不连续的。,Ch11.72,(3)、一条DNA链连续合成，一条链不连续,这种不连续合成是由冈崎等人首先发现的，所以现在将后随链上合成的DNA不连续单链小片段称为冈崎片段(Okazaki fragment)。,Ch11.73,(3)、一条DNA链连续合成，一条链不连续,因此，在前导链上，DNA引物酶只在起始点合成一次引物RNA，DNA聚合酶III就可开始进行DNA的合成，而在后随链上，每个“冈崎片段”的合成都需要先合成一段引物RNA，然后D
28、NA聚合酶III才能进行DNA的合成。,Ch11.74,(3)、一条DNA链连续合成，一条链不连续,随后，引物RNA被切除，并为新合成的DNA片段所替代。在大肠杆菌中，此过程是在DNA聚合酶I的催化下完成的。,Ch11.75,(3)、一条DNA链连续合成，一条链不连续,因为DNA聚合酶I有53端核酸外切酶的功能，它可以将RNA引物切除，同时利用其53聚合酶功能，以临近“冈崎片段”的3端自由OH进行DNA的合成，从而将RNA引物替换为DNA链。最后由DNA连接酶(DNA ligase)将“冈崎片段”连接起来，形成一条完整的新链。,Ch11.76,RNA病毒中RNA的自我复制,大多数RNA病毒是单
29、链的。这种RNA的复制一般是先以自己为模板合成一条互补的单链，通常将病毒原有的、起模板作用的链称为“”链，而新复制的RNA链称为“”链，这样就形成了双螺旋的复制类型(replicative form)。然后这个“”链又从“”链模板释放出来，它也以自己为模板复制出一条与自己互补的“”链，于是形成了一条新的病毒RNA。,Ch11.77,3、真核生物DNA合成的特点,现在已有很多证据表明，真核生物DNA的复制基本上与原核生物相同，但比原核生物更为复杂。主要有以下几方面的不同：(1)DNA合成只是发生在细胞周期的某个时期：真核细胞DNA的合成只是在细胞周期的S期进行，而原核生物则在整个细胞生长过程中都
30、可进行DNA合成。,Ch11.78,3、真核生物合成的特点,(2)原核生物DNA的复制是单起点的，而真核生物染色体的复制则为多起点的。例如果蝇的最大一条染色体含有6.5107碱基对，现在已经知道果蝇DNA的合成速度每分钟约2600碱基对，如果复制也象原核生物一样是单起点的话，那么大约需要17.5天才能完成DNA的复制，而实际上果蝇胚胎DNA的复制只需要34分钟。只有910分钟，其细胞核就发生一次分裂。因此，大概需要7000个左右的复制起点同时进行DNA复制才能在34分钟点内完成整个染色体的复制。,Ch11.79,3、真核生物合成的特点,真核生物DNA复制的多起点特性为后来的许多实验所证实。并且
31、发现快速生长的细胞比生长速度较慢的细胞每条染色体的复制起点要多。所以在真核生物中前导链的合成并不象原核生物那样是连续的，而是以半连续的方式，由一个复制起点控制一个复制子的合成，最后由连接酶将其连接成一条完整的新链。,Ch11.80,3、真核生物合成的特点,(3)真核生物DNA合成所需的RNA引物及后随链上合成的“冈崎片段”的长度比原核生物要短。在原核生物中引物的长度约为1060个核苷酸，“冈崎片段”的长度为10002000个核苷酸；而在真核生物中引物的长度只有10个核苷酸，而“冈崎片段”的长度约为原核生物的十分之一，只有100150 核苷酸。,Ch11.81,3、真核生物合成的特点,(4)有二
32、种不同的DNA聚合酶分别控制前导链和后随链的合成(图321)。在原核生物中有DNA聚合酶I、II和III等三种聚合酶，并由聚合酶III同时控制二条链的合成。而在真核生物中共有、和等五种DNA聚合酶。,Ch11.82,3、真核生物合成的特点,聚合酶和是DNA合成的主要酶，由聚合酶控制不连续的后随链的合成，而聚合酶则控制前导链的合成，所以其二条链的合成是在二种不同的DNA聚合酶的控制下完成。聚合酶 可能与DNA修复有关，而则是线粒体中发现的唯一一种DNA聚合酶。,Ch11.83,3、真核生物合成的特点,Ch11.84,3、真核生物合成的特点,(5)染色体端体的复制：原核生物的染色体大多数为环状，而
33、真核生染色体为线状，在DNA的末端存在特殊的结构，并在含有RNA的端体酶(telomerase)的催化下完成末端的合成。,Ch11.85,第四节 DNA与蛋白质合成,一、RNA的转录及加工二、遗传密码与蛋白质的翻译,Ch11.86,一、RNA的转录及加工,遗传物质不管其化学性质如何，其必须具有遗传、表达和变异等三种基本功能。前面已经介绍了DNA是主要的遗传物质，它的结构以及复制即其遗传功能。下面我们介绍其第二个重要的功能基因表达。基因的表达，第一步就是DNA转录(transcription)为RNA，然后由RNA再翻译(translation)成蛋白质。下面我们先介绍RNA的转录。,Ch11.
34、87,1、三种RNA分子,现在发现主要有三种不同的RNA分子在基因的表达过程中起重要的作用。它们是：信使RNA(messenger RNA，mRNA)转移RNA(transfer RNA，tRNA)核糖体RNA(ribosomal RNA，rRNA)。,Ch11.88,(一)mRNA,生物的遗传信息主要贮存于DNA的碱基序列中，但DNA并不直接决定蛋白质的合成。而且在真核细胞中，DNA主要存在于细胞核的染色体上，而蛋白质的合成中心却位于细胞质的核糖体上。因此，它需要一种中介物质，才能把DNA上控制蛋白质合成的遗传信息传递给核糖体。,Ch11.89,(一)mRNA,这种中介物质是一种特殊的RNA
35、，它起着传递信息的作用，因而称为信使RNA(mRNA)。mRNA的功能就是把DNA上的遗传信息精确无误地转录下来，然后，由mRNA的碱基顺序决定蛋白质的氨基酸顺序，是基因表达过程中遗传信息传递的中介。,Ch11.90,(一)mRNA,在真核生物中，转录形成的RNA中，含有大量非编码序列，大约只有25RNA经加工成为mRNA，最后翻译为蛋白质。因为这种未经加工的前体mRNA(pre-mRNA)在分子大小上差别很大，所以通常称为不均一核RNA(heterogeneous nuclear RNA，hnRNA)。,Ch11.91,(二)tRNA,如果说mRNA是合成蛋白质的蓝图，则核糖体是合成蛋白质的
36、工厂。但是，合成蛋白质的原材料20种氨基酸与mRNA的碱基之间缺乏特殊的亲和力。因此，必须用一种特殊的RNA转移RNA(tRNA)把氨基酸搬运到核糖体上，tRNA能根据mRNA的遗传密码依次准确地将它携带的氨基酸连结成多肽链。每种氨基酸可与14种tRNA相结合，现在已知的tRNA的种类在40种以上。,Ch11.92,(二)tRNA,tRNA是最小的RNA。其分子量约为27000(2500030000)，由70到90个核苷酸组成。而且具有稀有碱基的特点，稀有碱基除假尿嘧啶核苷与次黄嘌呤核苷外，主要是甲基化了的嘌呤和嘧啶。这类稀有碱基一般是tRNA在DNA模板转录后，经过特殊的修饰而成的。,Ch1
37、1.93,(二)tRNA,tRNA的结构具有如下的共性(图323)：(1)5端之末具有G(大部分)或C。(2)3端之末都以ACC的顺序终结。(3)有一个富有鸟嘌呤的环。(4)有一个反密码子环，在这一环的顶端有三个暴露的碱基，称为反密码子(anti-codon)。这一个反密码子可以与mRNA链上同自己互补的密码子配对。(5)有一个胸腺嘧啶环。,Ch11.94,(二)tRNA,Ch11.95,(三)rRNA,核糖体RNA，它是组成核糖体的主要成分，而核糖体则是合成蛋白质的中心。rRNA一般与核糖体蛋白质结合在一起，形成核糖体(ribosome)。原核生物的核糖体所含的rRNA，有5S、16S及23
38、S等三种。而真核生物的核糖体比原核生物复杂，含有4种rRNA和约80种蛋白质。四种rRNA为5S、5.8S、18S和28S。rRNA是单链，它包含不等量的A与U、G与C，但是有广泛的双链区域。在双链区，碱基因氢鍵相连，表现为发夹式螺旋。,Ch11.96,(三)rRNA,rRNA在蛋白质合成中的功能尚未完全明了。但16S的rRNA 3端有一段核苷酸序列与mRNA的前导序列是互补的，这可能有助于mRNA与核糖体的结合。,Ch11.97,2、RNA合成的一般特点,RNA的合成与DNA合成从总体上来看非常相似。但有以下三方面明显不同：(1)所用的原料为核苷三磷酸，而在DNA合成时则为脱氧核苷三磷酸；(
39、2)只有一条DNA链被用作模板，而DNA合成时，两条链分别用作模板；(3)RNA链的合成不需要引物，可以直接起始合成，而DNA合成一定要引物的引导。,Ch11.98,2、RNA合成的一般特点,转录合成的RNA链，除了U替换为T以外，与用作模板的DNA链互补，而与另一条非模板链相同。如果转录的RNA是mRNA，其信息最后通过密码子决定蛋白质的合成。现在通常将用作模板，进行RNA转录的链称作模板链(template strand)；而另一条则为非模板链(nontemplate strand)。,Ch11.99,2、RNA合成的一般特点,RNA链的合成与DNA链的合成同样，也是从5向3端进行的，此过
40、程由RNA聚合酶(RNA polymerase)催化。RNA聚合酶首先在启动子部位(promoter)与DNA结合，形成转录泡(transcription bubble)，并开始转录。,Ch11.100,2、RNA合成的一般特点,在原核生物中只有一种RNA聚合酶完成所有RNA的转录，而在真核生物中，有三种不同的RNA聚合酶控制不同类型RNA的合成。RNA的合成也同样遵循碱基配对的规则，只是U代替了T。,Ch11.101,3、原核生物RNA的合成,(一)、RNA聚合酶(二)、链的起始(三)、链的延伸(四)、链的终止,Ch11.102,3、原核生物RNA的合成,现在通常把转录后形成一个RNA分子的
41、一段DNA序列称为一个转录单位(transcript unit)。一个转录单位可能刚好是一个基因，也可能含有多个基因。在细菌等原核生物中一个转录单位通常含有多个基因，而真核生物中则大多只含有一个基因。,Ch11.103,3、原核生物RNA的合成,RNA的转录可以分为三步(图324)：(1)RNA链的起始；(2)RNA链的延长；(3)RNA链的终止及新链的释放。在讨论有关RNA转录时通常要用到上游(upstream)和下游(downstream)二个概念，在此有必要对其进行解释。因为RNA的转录总是从5向3端进行，所以上游总是指RNA分子的5端，而下游则指3端。,Ch11.104,3、原核生物R
42、NA的合成,Ch11.105,(一)、RNA聚合酶,催化转录的RNA聚合酶是一种由多个蛋白亚基组成的复合酶。如大肠杆菌的RNA聚合酶有五个亚基组成，其分子量为480,000道尔顿，含有、和等四种不同的多肽，其中为二个分子。所以其全酶(holoenzyme)的组成是2。,Ch11.106,(一)、RNA聚合酶,亚基与RNA聚合酶的四聚体核心(2)的形成有关。亚基含有核苷三磷酸的结合位点；亚基含有与DNA模板的结合位点；而Sigma()因子只与RNA转录的起始有关，与链的延伸没有关系，一旦转录开始，因子就被释放，而链的延伸则由四聚体核心酶(core enzyme)催化。所以，因子的作用就是识别转录
43、的起始位置，并使RNA聚合酶结合在启动子部位。,Ch11.107,(二)、链的起始,RNA链转录的起始首先是RNA聚合酶在因子的作用下结合于DNA的启动子部位，并在RNA聚合酶的作用下，使DNA双链解开，形成转录泡，为RNA合成提供单链模板，并按照碱基配对的原则，结合核苷酸，然后，在核苷酸之间形成磷酸二脂键，使其相连，形成RNA新链。因子在RNA链伸长到89个核酸后，就被释放，然后由核心酶催化RNA的延伸。,Ch11.108,(二)、链的起始,启动子位于RNA转录起始点的上游，因子对启动子的识别是转录起始的第一步。对大肠杆菌大量基因的启动子(图325)部位测序发现，在转录开始位置的上游10个和
44、35个核苷酸位置有二段DNA的序列比较保守，分别称为10序列(10 sequence)和35序列(35 sequence)。,Ch11.109,(二)、链的起始,因为上述二段序列是大部分基因的启动子所共有，所以又称作共有序列(consensus sequence)。10共有序列在非模板链为TATAAT，35共有序列则为TTGACA。因子首先识别和接合于35序列，所以该序列又称为识别序列(recognition sequence)。而富含AT的10序列则与DNA的解链有关，因为A与T之间只有二对氢键，比较容易解开。另外，在10和35序列之间的核苷酸数目是高度保守的，其长度从不少于15个或者超过2
45、0个核苷酸。,Ch11.110,(二)、链的起始,Ch11.111,(三)、链的延伸,RNA链的延伸是在因子释放以后，在RNA聚合酶四聚体核心酶的催化下进行。因RNA聚合酶同时具有解开DNA双链，并使其重新闭合的功能。随着RNA的延伸，RNA聚合酶使DNA双链不断解开和重新闭合。RNA转录泡也不断前移，合成新的RNA链(图326)。,Ch11.112,(三)、链的延伸,Ch11.113,(三)、链的延伸,在大肠杆菌中转录泡的大小约为18碱基对，而RNA合成的速度，每分钟约为40碱基对。实际上，DNA模板与新合成的RNA链之间配对非常少，可能只有3碱基对，所以现在认为并不是DNA模板与RNA链之
46、间的氢键使转录复合体得于稳定。,Ch11.114,(四)、链的终止,当RNA链延伸遇到终止信号(termination signal)时，RNA转录复合体就发生解体，而使新合成的RNA链释放出来。现在发现在大肠杆菌中有二类终止信号：一类只有在存在蛋白质的情况下，转录才会终止，称为依赖于的终止(dependent terminator)。第二类使转录终止不需要的参与，所以称为不依赖于的终止(-independent terminator)。,Ch11.115,(四)、链的终止,实际上在原核生物中，RNA的转录、蛋白质的合成以及mRNA的降解通常可以是同时进行的。因为在原核生物中不存在核膜分隔的核
47、，另外，RNA的转录和多肽链的合成都是从5向3方向进行，只要mRNA的5端合成后，即可以进行蛋白质的翻译过程。在原核生物中mRNA的寿命一般只有几分钟。因此，往往在3端mRNA的转录还没有最后结束，5端mRNA在完成多肽链的合成后，已经开始降解。,Ch11.116,4、真核生物RNA的转录及加工,真核生物与原核生物RNA的转录过程总体上基本相同，但是，其过程要复杂得多，主要有以下几点不同(图327)：首先，真核生物RNA的转录是在细胞核内进行，而蛋白质的合成则是在细胞质内，所以，RNA转录后首先必须从核内运输到细胞质内，才能进行蛋白质的合成。其次，原核生物的一个mRNA分子通常含有多个基因，在
48、真核生物中，一个mRNA分子一般只编码一个基因。,Ch11.117,4、真核生物RNA的转录及加工,第三、在原核生物中只有一种RNA聚合酶催化所有RNA的合成，而在真核生物中则有RNA聚合酶I、II、III等三种不同酶，分别催化不同种类型RNA的合成。三种RNA聚合酶都是有10个以上亚基组成的复合酶。聚合酶I存在于细胞核内，催化合成除5S rRNA以外的所有rRNA；聚合酶II催化合成mRNA前体，即不均一核RNA(hnRNA)；聚合酶III催化tRNA和小核RNA的合成。,Ch11.118,4、真核生物RNA的转录及加工,第四、在原核生物中，RNA聚合酶可以直接起始转录合成RNA。在真核生物
49、中，三种RNA聚合酶都必须在蛋白质转录因子的协助下才能进行RNA的转录。另外，RNA聚合酶 对转录启动子的识别，也比原核生物更加复杂。,Ch11.119,4、真核生物RNA的转录及加工,如对聚合酶II来说，至少有三个DNA的保守序列与其转录的起始有关，第一个称为TATA框(TATA box)，具有共有序列TATAAAA，其位置在转录起始点的上游约为25个核苷酸处，它的作用可能与原核生物中的10共有序列相似，与转录起始位置的确定有关。,Ch11.120,4、真核生物RNA的转录及加工,第二个共有序列称为CCAAT框(CCAAT box)，具有共有序列GGCCAATCT，位于转录起始位置上游约50
50、500个核苷酸处。如果该序列缺失会极大地降低生物的活体转录水平。第三个区域一般称为增强子(enhancer)，其位置可以在起始位置的上游，也可以在基因的下游或者在基因之内。它可能虽不直接与转录复合体结合，但可以显著提高转录效率。,Ch11.121,4、真核生物RNA的转录及加工,Ch11.122,4、真核生物RNA的转录及加工,大多数真核生物的mRNA在转录后必须进行下面三方面的加工后(图328)，才能运送到细胞质进行蛋白质的翻译。1、在mRNA前体的5端加上7甲基鸟嘌呤核苷的帽子(cap)。当RNA链合成大概达到30个核苷酸后，就在其5端加上一个7甲基鸟嘌呤核苷的帽子，它含有二个甲基和稀有的
