第五章第五章 分子水平上的分子水平上的基因功能基因功能分子水平上的基因功能上课件5.1关于关于 遗传物质本质研究的历史回顾遗传物质本质研究的历史回顾遗传物质是DNA1. DNA1. DNA含量的恒定性（每个物种不同组织的含量的恒定性（每个物种不同组织的细胞不论其大小和功能如何，它们的细胞不论其大小和功能如何，它们的DNADNA含量是恒定）；含量是恒定）；2. DNA2. DNA代谢的稳定性（代谢的稳定性（DNADNA在代谢上是比较在代谢上是比较稳定的）；稳定的）；3. DNA3. DNA是所有生物染色体所共有的；是所有生物染色体所共有的；4. 4. 基因突变与紫外线诱变波长的关系；基因突变与紫外线诱变波长的关系； 用不同波长的紫外线诱发各种生物突变用不同波长的紫外线诱发各种生物突变时，其最有效的波长为时，其最有效的波长为26002600埃，这与埃，这与DNADNA所吸收的紫外线光谱是一致的，证所吸收的紫外线光谱是一致的，证明基因突变与明基因突变与DNADNA分子的变异密切相关。分子的变异密切相关。分子水平上的基因功能上课件5.1.1 肺炎球菌的转化实验肺炎球菌的转化实验分子水平上的基因功能上课件5.1.2 Hershey和和Chase的实验的实验分子水平上的基因功能上课件结果与结论结果与结论n n试验结果表明：n n主要是由于主要是由于DNADNA进入细胞内才产生完整的噬菌体；进入细胞内才产生完整的噬菌体；n n结论：DNA才是(噬菌体的)遗传物质。n n题外话：n n与与AveryAvery等人研究比较，本试验的精度低得多。但等人研究比较，本试验的精度低得多。但是由于放射性标记法是由于放射性标记法( (也称为示踪原子法也称为示踪原子法) )，当时为，当时为人们普遍采用；人们普遍采用；n n同时由于核酸研究及其它相关的成果，本试验结果同时由于核酸研究及其它相关的成果，本试验结果很快得到人们的广泛认同。很快得到人们的广泛认同。分子水平上的基因功能上课件5.1.3 烟草花叶病毒拆合试验烟草花叶病毒拆合试验n n烟草花叶病毒(TMV)是由RNA与蛋白质构成的管状微粒（如图）：n n中心是单链螺旋中心是单链螺旋RNARNA、外部是蛋白质外壳。、外部是蛋白质外壳。1. 拆分感染试验：n n将将TMVTMV的的RNARNA与蛋白质分离、提纯；与蛋白质分离、提纯；n n分别接种烟叶，发现分别接种烟叶，发现RNARNA能使烟叶致病，而蛋能使烟叶致病，而蛋白质不能；白质不能；n n用用RNARNA酶处理酶处理RNARNA后接种烟叶也不能致病，表后接种烟叶也不能致病，表明明RNARNA可能就是可能就是TMVTMV的遗传物质。的遗传物质。分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件 重组合试验重组合试验n nFrankel-Conrat, Singer (1956)Frankel-Conrat, Singer (1956)进行了图示试验：进行了图示试验：n n综上所述：到上世纪中期，多方面证据都直接或综上所述：到上世纪中期，多方面证据都直接或间接地表明间接地表明DNADNA是主要的遗传物质，而在缺乏是主要的遗传物质，而在缺乏DNADNA的某些病毒中的某些病毒中RNARNA就是遗传物质。就是遗传物质。分子水平上的基因功能上课件5.2DNA的基本性质5.2.1DNA的双螺旋结构的双螺旋结构 DNA分子是脱氧核苷酸的多聚体，分子是脱氧核苷酸的多聚体，含含有有4种脱氧核苷酸：种脱氧核苷酸：脱氧腺嘌呤核苷酸脱氧腺嘌呤核苷酸(dATP)、脱氧胸腺嘧啶核苷酸脱氧胸腺嘧啶核苷酸 (dTTP)、脱脱氧鸟嘌呤核苷酸氧鸟嘌呤核苷酸 (dGTP)、脱氧胞嘧啶核苷脱氧胞嘧啶核苷酸酸 (dCTP)。分子水平上的基因功能上课件19531953年，瓦特森年，瓦特森年，瓦特森年，瓦特森(Watson, J. D.)(Watson, J. D.)和克里克和克里克和克里克和克里克(Crick, F.)(Crick, F.)根据碱根据碱根据碱根据碱基互补配对的规律以及对基互补配对的规律以及对基互补配对的规律以及对基互补配对的规律以及对DNADNA分子的分子的分子的分子的X X射线衍射研究的成果，射线衍射研究的成果，射线衍射研究的成果，射线衍射研究的成果，提出了著名的提出了著名的提出了著名的提出了著名的DNADNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型双螺旋结构模型双螺旋结构模型( (图图图图3 37)7)。这个模型最主要特点有这个模型最主要特点有这个模型最主要特点有这个模型最主要特点有：(1)(1)由两条互补的多核苷酸链以由两条互补的多核苷酸链以由两条互补的多核苷酸链以由两条互补的多核苷酸链以右手螺旋右手螺旋右手螺旋右手螺旋的形式，彼此以一的形式，彼此以一的形式，彼此以一的形式，彼此以一定的空间距离，平行地环绕于同一轴上，很象一个定的空间距离，平行地环绕于同一轴上，很象一个定的空间距离，平行地环绕于同一轴上，很象一个定的空间距离，平行地环绕于同一轴上，很象一个扭曲起扭曲起扭曲起扭曲起来的梯子。来的梯子。来的梯子。来的梯子。分子水平上的基因功能上课件(2)(2)两条多核苷酸链走向为两条多核苷酸链走向为两条多核苷酸链走向为两条多核苷酸链走向为反反反反向平行向平行向平行向平行。即一条链磷酸二脂键。即一条链磷酸二脂键。即一条链磷酸二脂键。即一条链磷酸二脂键为为为为5533方向，而另一条为方向，而另一条为方向，而另一条为方向，而另一条为3355方向，二者刚好相反。方向，二者刚好相反。方向，二者刚好相反。方向，二者刚好相反。(3)(3)每条长链的内侧是扁平的每条长链的内侧是扁平的每条长链的内侧是扁平的每条长链的内侧是扁平的盘状碱基，碱基一方面与脱氧盘状碱基，碱基一方面与脱氧盘状碱基，碱基一方面与脱氧盘状碱基，碱基一方面与脱氧核糖相联系，另一方面通过核糖相联系，另一方面通过核糖相联系，另一方面通过核糖相联系，另一方面通过氢氢氢氢键键键键与它互补的碱基相联系，相与它互补的碱基相联系，相与它互补的碱基相联系，相与它互补的碱基相联系，相互层叠宛如一级一级的梯子横互层叠宛如一级一级的梯子横互层叠宛如一级一级的梯子横互层叠宛如一级一级的梯子横档。互补碱基对档。互补碱基对档。互补碱基对档。互补碱基对A A与与与与T T之间形之间形之间形之间形成两对氢键，而成两对氢键，而成两对氢键，而成两对氢键，而C C与与与与GG之间形之间形之间形之间形成三对氢键成三对氢键成三对氢键成三对氢键( (图图图图3 38)8)。上下碱上下碱上下碱上下碱基对之间的距离为基对之间的距离为基对之间的距离为基对之间的距离为3.4nm3.4nm。分子水平上的基因功能上课件(4)(4)每个螺旋为每个螺旋为每个螺旋为每个螺旋为3.4nm3.4nm长，刚好含有长，刚好含有长，刚好含有长，刚好含有1010个碱基对，其直径约为个碱基对，其直径约为个碱基对，其直径约为个碱基对，其直径约为2nm2nm。(5)(5)在双螺旋分子的表面大沟和小沟交替出现。在双螺旋分子的表面大沟和小沟交替出现。在双螺旋分子的表面大沟和小沟交替出现。在双螺旋分子的表面大沟和小沟交替出现。由此可知，由此可知，由此可知，由此可知，DNADNA的分子结构是由的分子结构是由的分子结构是由的分子结构是由A-TA-T和和和和C-GC-G两种核苷酸对从头到尾连两种核苷酸对从头到尾连两种核苷酸对从头到尾连两种核苷酸对从头到尾连接起来的，每个接起来的，每个接起来的，每个接起来的，每个DNADNA分子一般有上万个这两种核苷酸对，但是它们在分子一般有上万个这两种核苷酸对，但是它们在分子一般有上万个这两种核苷酸对，但是它们在分子一般有上万个这两种核苷酸对，但是它们在分子链内排列的位置和方向只有以下四种形式分子链内排列的位置和方向只有以下四种形式分子链内排列的位置和方向只有以下四种形式分子链内排列的位置和方向只有以下四种形式: :对一特定物种的对一特定物种的对一特定物种的对一特定物种的DNADNA分子来说，其碱基顺序是一定的，并且通常保持分子来说，其碱基顺序是一定的，并且通常保持分子来说，其碱基顺序是一定的，并且通常保持分子来说，其碱基顺序是一定的，并且通常保持不变，这样才能不变，这样才能不变，这样才能不变，这样才能保持该物种遗传特性的稳定保持该物种遗传特性的稳定保持该物种遗传特性的稳定保持该物种遗传特性的稳定。只有在特殊的条件下，。只有在特殊的条件下，。只有在特殊的条件下，。只有在特殊的条件下，改变其碱基顺序或位置或以碱基类似物代替某一碱基时，才出现遗传改变其碱基顺序或位置或以碱基类似物代替某一碱基时，才出现遗传改变其碱基顺序或位置或以碱基类似物代替某一碱基时，才出现遗传改变其碱基顺序或位置或以碱基类似物代替某一碱基时，才出现遗传的变异的变异的变异的变异( (突变突变突变突变) )。分子水平上的基因功能上课件5.2.2 DNA的复制的复制(一一)半保留复半保留复制制半保留复制半保留复制(semiconservative replication)-复制时复制时DNA双链双链解开并以每一单链为模板来形成解开并以每一单链为模板来形成另一对应的新链。另一对应的新链。5.2.2.1DNA自身的复制方式自身的复制方式-半保留复制半保留复制分子水平上的基因功能上课件5.2.2.2复制起点和复制方向复制起点和复制方向多数细菌及病毒多数细菌及病毒，只有一，只有一个复制起点，控制整个染色个复制起点，控制整个染色体的复制。所以体的复制。所以整个染色体整个染色体也就是一个复制子。也就是一个复制子。复制子复制子(replicon)。是指在是指在同一个复制起点控制下合成同一个复制起点控制下合成的一段的一段DNA序列。序列。在在真核生物真核生物中，每条中，每条染色体的染色体的DNA复制则复制则是是多起点的多起点的，多个复，多个复制起点共同控制一条制起点共同控制一条染色体的复制，即染色体的复制，即每每条染色体有多个复制条染色体有多个复制子。子。分子水平上的基因功能上课件真核真核生物的研究发现，其复制也是生物的研究发现，其复制也是双向的双向的。但近来。但近来发现，并不是所有的生物发现，并不是所有的生物DNA的复制都是双向的，的复制都是双向的，如：如：噬菌体噬菌体T2，其其DNA的复制就是沿的复制就是沿一个方向一个方向进行进行的。的。5/ 3/大肠杆菌和其它许多大肠杆菌和其它许多原核生物的环状原核生物的环状DNA复制是双复制是双向的。向的。即即DNA的复制从复制起点开始，向二个方向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。同时进行，最后相遇，完成复制。复制方向？从起点开始是沿着一个方向进行的复制方向？从起点开始是沿着一个方向进行的呢？还是双向的？呢？还是双向的？分子水平上的基因功能上课件二、原核生物二、原核生物DNA合成合成(一一)有关有关DNA合成的酶合成的酶1957年科恩伯格年科恩伯格(Kornberg, A.)及其同事，从大肠杆及其同事，从大肠杆菌中分离菌中分离DNA聚合酶聚合酶(polymerase )。聚合酶聚合酶在有在有DNA、4种脱氧核苷酸及种脱氧核苷酸及Mg+的情况下，在的情况下，在离体条件下可以离体条件下可以合成合成DNA。后来发现，后来发现，DNA聚合酶聚合酶只有在引物只有在引物DNA提供提供3端自由端自由羟基的情况下，才使羟基的情况下，才使DNA链从链从5向向3方向延伸。方向延伸。实际上在此实验体系中的实际上在此实验体系中的DNA起着起着模板和引物模板和引物的双重作的双重作用。用。分子水平上的基因功能上课件 DNA聚合酶聚合酶由一条多肽链组成由一条多肽链组成，含有含有928个氨基酸，分个氨基酸，分子量约为子量约为109,000道尔顿，道尔顿，编码此酶的基因为编码此酶的基因为pol A。后来，从后来，从pol A基因突变株中又分离出二种基因突变株中又分离出二种DNA聚合酶，分聚合酶，分别命名为别命名为DNA聚合酶聚合酶I和和DNA聚合酶聚合酶。分子水平上的基因功能上课件u三种三种DNA聚合酶有一些共同的特性，从而决定聚合酶有一些共同的特性，从而决定DNA合成合成的特点：的特点：1、三种酶都只有三种酶都只有53聚合酶的功能，而没有聚合酶的功能，而没有35聚合聚合酶功能，说明酶功能，说明DNA链的延伸只能从链的延伸只能从5向向3端进行。端进行。2、它们都没有直接起始合成它们都没有直接起始合成DNA的能力，只能在引物存的能力，只能在引物存在下进行链的延伸，因此，在下进行链的延伸，因此，DNA的合成必须有引物引导才的合成必须有引物引导才能进行。能进行。3、三种酶还都有核酸外切酶的功能，可对合成过程中发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识进行生的错识进行校正校正，从而保证，从而保证DNA复制的高度准确性复制的高度准确性。分子水平上的基因功能上课件(二二)DNA复制的过程复制的过程DNA的合成是半保留复制（的合成是半保留复制（ 分别以两条链互为模板，而合成分别以两条链互为模板，而合成两条互补新链），复制是双向的，两条互补新链），复制是双向的，DNA的合成的合成必须有引物必须有引物的引的引导，并且复制时链的导，并且复制时链的延伸总是从延伸总是从5向向3方向方向进行。进行。DNA的合成过程：的合成过程：1、DNA双螺旋的解链双螺旋的解链ATP提供能量，提供能量，DNA双链由双链由解旋酶解旋酶解解开后，开后，单链单链DNA结合结合蛋白（蛋白（SSB）马上结马上结合在分开的单链上，合在分开的单链上，从而保持其伸展状态。从而保持其伸展状态。在大肠杆菌中，在大肠杆菌中，DNA的的合成速度每分钟约为合成速度每分钟约为30,000bp，即，即双螺旋双螺旋每分钟必须旋转每分钟必须旋转3000次次才能完全解旋。才能完全解旋。 分子水平上的基因功能上课件如果没有如果没有SSB的作用，的作用，分开分开的双链的双链互补碱基对间互补碱基对间又可重又可重新配对新配对。或者，在同一条链。或者，在同一条链的互补碱基对间配对而的互补碱基对间配对而形成形成发夹状结构发夹状结构，这种结构会阻，这种结构会阻止止DNA聚合酶的作用。聚合酶的作用。随着解链的进行，在随着解链的进行，在DNA复复制叉前面就会形成一种张力，制叉前面就会形成一种张力，而导致超螺旋的产生。而导致超螺旋的产生。DNA拓扑异构酶拓扑异构酶将将DNA双双链切开一个口子，使一条链链切开一个口子，使一条链旋转一圈，然后再将其共价旋转一圈，然后再将其共价相连，从而相连，从而消除其张力。消除其张力。分子水平上的基因功能上课件现在发现现在发现主要有二类主要有二类DNA拓扑异构酶：拓扑异构酶：DNA拓扑异构酶拓扑异构酶I，只对双链只对双链DNA中的一条链进行切割，中的一条链进行切割，产生切口产生切口(nick)，每次切割只能去除一个超螺旋，此过程每次切割只能去除一个超螺旋，此过程不需要外加能量。不需要外加能量。DNA拓扑异构酶拓扑异构酶II，可以对双链可以对双链DNA的二条链同时进行切割。的二条链同时进行切割。每次切割可以去除二个超螺旋，此过程需要每次切割可以去除二个超螺旋，此过程需要ATP提供能量。提供能量。分子水平上的基因功能上课件2、DNA合成的开始合成的开始由于三种由于三种DNA聚合酶均聚合酶均需要需要DNA模板和模板和3端的自由端的自由OH，才，才能进行能进行DNA的合成，使的合成，使DNA延伸。延伸。人们很早就发现人们很早就发现RNA聚合酶聚合酶(RNA ploymerase)利用利用DNA模板，模板，不需要特殊的引物可以直接合成不需要特殊的引物可以直接合成RNA。DNA合成前，以合成前，以DNA为模板，根据碱基配对的原则，在一种为模板，根据碱基配对的原则，在一种特殊的特殊的RNA聚合酶聚合酶DNA引物酶引物酶(DNA primase)的催化下，的催化下，先先合成合成一段长度为一段长度为560个核苷酸的个核苷酸的RNA引物，提供引物，提供3端自由端自由OH。然后，在然后，在DNA聚合酶聚合酶III的作用下进行的作用下进行DNA的合成。的合成。分子水平上的基因功能上课件3、一条一条DNA链连续合成，一条链不连续链连续合成，一条链不连续从电子显微镜和放射自显影的结果可知，从电子显微镜和放射自显影的结果可知，DNA两条新链的合两条新链的合成是从一个成是从一个复制叉复制叉(replicating fork)向着向着同一个方向同一个方向延伸的。延伸的。而组成而组成DNA双螺旋的互补双链具有相反的方向，一条从双螺旋的互补双链具有相反的方向，一条从53，而另地条，而另地条35，为，为反向平行。反向平行。二条二条DNA新链，只有一条新链，只有一条DNA链的合成是链的合成是连续的，连续的，而另而另一条则是一条则是不连续的。不连续的。所以从整个所以从整个DNA分子水平来看，分子水平来看，DNA二条新链的二条新链的合成方向合成方向是相反的，但是都是从是相反的，但是都是从5向向3方向延伸。方向延伸。分子水平上的基因功能上课件把一直从把一直从5向向3方向延伸的方向延伸的链称作链称作前导链前导链(leading strand)，它是连续合成的。它是连续合成的。另一条先沿另一条先沿53方向合成方向合成一些片段，然后再由连接酶一些片段，然后再由连接酶将其连起来的链，称为将其连起来的链，称为后随后随链链(lagging strand)，其合其合成是不连续的成是不连续的(图图319)。在前导链上，在前导链上，DNA引物酶引物酶只在起始点只在起始点合成一次引物合成一次引物RNA，DNA聚合酶聚合酶III就可开就可开始进行始进行DNA的合成。的合成。分子水平上的基因功能上课件 每个每个“冈崎片段冈崎片段”的合的合成都需要成都需要先合成一段引物先合成一段引物RNA，然后然后DNA聚合酶聚合酶III才才能进行能进行DNA的合成。的合成。 随后，随后，引物引物RNA被切除，被切除，并并为新合成的为新合成的DNA片段所替代。片段所替代。 在大肠杆菌中，引物在大肠杆菌中，引物RNA被被切除过程是在切除过程是在DNA聚合酶聚合酶的催化下的催化下完成的。完成的。后随链上合成的后随链上合成的DNA不连不连续单链小片段称为续单链小片段称为冈崎片段冈崎片段后随链后随链DNA的合成：的合成：分子水平上的基因功能上课件因为因为DNA聚合酶聚合酶I有有53端核酸外切酶的功能，它端核酸外切酶的功能，它可以将可以将RNA引物切除，引物切除，同时利用其同时利用其53聚合酶聚合酶功能，以临近功能，以临近“冈崎片段冈崎片段”的的3端自由端自由OH进行进行DNA的合成，从而将的合成，从而将RNA引物替换为引物替换为DNA链。链。最后由最后由DNA连接酶连接酶(DNA ligase)将将“冈崎片段冈崎片段”连接起来，形成一条完连接起来，形成一条完整的新链。整的新链。分子水平上的基因功能上课件最后，简要说明一下最后，简要说明一下RNA病毒中病毒中RNA的的自我复制。大多数自我复制。大多数RNA病毒是单链的。病毒是单链的。这种这种RNA的复制一般是先以自己为模板的复制一般是先以自己为模板合成一条互补的单链，通常称病毒原有的，合成一条互补的单链，通常称病毒原有的，起模板作用的链称为起模板作用的链称为“”链，而新复制链，而新复制的的RNA链称为链称为“”链，这样就形成了链，这样就形成了双螺旋的复制类型双螺旋的复制类型。然后这个然后这个“”链又从链又从“”链模板释链模板释放出来，它也以自己为模板复制出一条放出来，它也以自己为模板复制出一条与自己互补的与自己互补的“”链，于是形成了一链，于是形成了一条新生的病毒条新生的病毒RNA。分子水平上的基因功能上课件三、真核生物三、真核生物DNA合成合成现在已有很多证据表明，真核生物现在已有很多证据表明，真核生物DNA的复制基本上与原的复制基本上与原核生物相同，但比原核生物更为复杂。核生物相同，但比原核生物更为复杂。真核生物真核生物DNA的复制与原核生物主要不同点：的复制与原核生物主要不同点：1、DNA合成只是发生在细胞周期的某个时期：合成只是发生在细胞周期的某个时期：真核细胞真核细胞DNA的合成只是在细胞周期的的合成只是在细胞周期的S期期进行。进行。而原核生物则而原核生物则在整个细胞生长过程在整个细胞生长过程中都可进行中都可进行DNA合成。合成。2、原核生物原核生物DNA的复制是的复制是单起点的，单起点的，而真核生物染色而真核生物染色体的复制则为体的复制则为多起点的。多起点的。3、真核生物真核生物DNA合成所需的合成所需的RNA引物引物及后随链上合成及后随链上合成的的“冈崎片段冈崎片段”的长度比原核生物要短的长度比原核生物要短分子水平上的基因功能上课件4、有二种不同的有二种不同的DNA聚聚合酶分别控制前导链和后合酶分别控制前导链和后随链的合成随链的合成(图图321)。在原核生物中有在原核生物中有DNA聚合酶聚合酶I、II和和III等三种聚合酶，并由等三种聚合酶，并由聚合酶聚合酶III同时控制二条链的同时控制二条链的合成。合成。而在真核生物中共有而在真核生物中共有、和和等五等五种种DNA聚合酶。聚合酶。聚合酶聚合酶和和是是DNA合成的合成的主要酶，主要酶，由聚合酶由聚合酶控制不控制不连续的后随链的合成，而聚连续的后随链的合成，而聚合酶合酶则控制前导链的合成，则控制前导链的合成，所以其二条链的合成是在二所以其二条链的合成是在二种不同的种不同的DNA聚合酶的控制聚合酶的控制下完成。下完成。分子水平上的基因功能上课件 5、染色体端体的复制染色体端体的复制原核生物的染色体大多数为原核生物的染色体大多数为环状，环状，而真核生染色体为而真核生染色体为线状。线状。端体：染色体端体：染色体其末端有特殊其末端有特殊DNA序列组成的结构称为序列组成的结构称为。根据根据DNA合成的过程，新链合成的过程，新链5末端末端DNA是无法自动合成是无法自动合成的，因为当末端的的，因为当末端的RNA引物被切除后，就没有引物被切除后，就没有3端的自由端的自由羟基为羟基为DNA的合成作引物。的合成作引物。在在DNA的末端存在特殊的结构，并在含有的末端存在特殊的结构，并在含有RNA的端体酶的端体酶(telomerase)的催化下完成末端的合成。的催化下完成末端的合成。主要不同点：主要不同点：分子水平上的基因功能上课件5.3基因的分子结构基因的分子结构n n5.3.15.3.1外显子和内含子外显子和内含子 随着基因结构和功能的深入研究，进一步发现随着基因结构和功能的深入研究，进一步发现了几种特殊的基因了几种特殊的基因 。 生物遗传和早期分子遗传认为基因是一个连续生物遗传和早期分子遗传认为基因是一个连续的、完整的结构。的、完整的结构。19771977年年DoelDoel研究表明：研究表明：n n卵清蛋白基因中间存在不表达的碱基序列，表明卵清蛋白基因中间存在不表达的碱基序列，表明基因的基因的DNADNA序列可能是不连续的。序列可能是不连续的。n n外显子：参加蛋白质编码的外显子：参加蛋白质编码的DNADNA片段；片段；n n内含子：不参加蛋白质编码的内含子：不参加蛋白质编码的DNADNA片段。片段。 真核生物基因可能是不同外显子的组合真核生物基因可能是不同外显子的组合断裂断裂基因。基因。分子水平上的基因功能上课件 断裂基因或隔裂基因断裂基因或隔裂基因分子水平上的基因功能上课件 断裂基因或隔裂基因断裂基因或隔裂基因分子水平上的基因功能上课件 断裂基因或隔裂基因断裂基因或隔裂基因分子水平上的基因功能上课件、经典遗传关于基因的概念：、经典遗传关于基因的概念：孟德尔：孟德尔：把控制性状的因子称为遗传因子。把控制性状的因子称为遗传因子。 如：豌豆红花如：豌豆红花(C)、白花、白花(c)、植株高、植株高(H)、矮、矮(h)。 约翰生：约翰生：提出基因提出基因(gene)这个名词，取代遗传因子。这个名词，取代遗传因子。 摩尔根：摩尔根：对果蝇、玉米等的大量遗传研究，建立了以基对果蝇、玉米等的大量遗传研究，建立了以基因和染色体为主体的经典遗传学。因和染色体为主体的经典遗传学。 基因是化学实体，以念珠状直线排列在染色体上。基因是化学实体，以念珠状直线排列在染色体上。 一、基因的概念及其发展：一、基因的概念及其发展：分子水平上的基因功能上课件基因的共性（基因的共性（按照经典遗传学对基因的概念）：按照经典遗传学对基因的概念）： 染色体特性染色体特性：自我复制能力和相对稳定性，在分裂时：自我复制能力和相对稳定性，在分裂时 有规律地进行分配。有规律地进行分配。 交换单位交换单位：基因间能进重组，而且是交换的最小单位。：基因间能进重组，而且是交换的最小单位。 突变单位突变单位：一个基因能突变为另一个基因。：一个基因能突变为另一个基因。 功能单位功能单位：控制有机体的性状。：控制有机体的性状。 经典遗传学认为经典遗传学认为：基因是一个最小的单位，不能分割；：基因是一个最小的单位，不能分割；既是结构单位，又是功能单位。既是结构单位，又是功能单位。 分子水平上的基因功能上课件、分子遗传学关于基因的概念：、分子遗传学关于基因的概念：揭示遗传密码的秘密：基因揭示遗传密码的秘密：基因 具体物质。具体物质。基因不是最小遗传单位基因不是最小遗传单位 更复杂的遗传和变异单位：更复杂的遗传和变异单位： 具体内容：具体内容：一个基因一个基因DNA分子上一定区段，携带有特殊的遗传信息分子上一定区段，携带有特殊的遗传信息 或对其它基因的活动起调控作用或对其它基因的活动起调控作用( 如调节基因、启动基因、如调节基因、启动基因、操纵基因操纵基因)。例如例如：在一个基因区域内，仍可以划分出若干起作用的小：在一个基因区域内，仍可以划分出若干起作用的小单位。单位。 转录成转录成RNA(包括包括mRNA、tRNA、rRNA) 翻译成多肽链，翻译成多肽链，分子水平上的基因功能上课件. 现代遗传学上认为：现代遗传学上认为：突变子突变子：是在性状突变时，产生突变的最小单位。：是在性状突变时，产生突变的最小单位。 一个突变子可以小到只有一个碱基对；如移码突变。一个突变子可以小到只有一个碱基对；如移码突变。 重组子重组子：在性状重组时，可交换的最小单位称为重：在性状重组时，可交换的最小单位称为重组子。一个交换子只包含一个碱基对。组子。一个交换子只包含一个碱基对。 顺反子顺反子：表示一个作用的单位，基本上符合通常所：表示一个作用的单位，基本上符合通常所述基因的大小或略小。所包括的一段述基因的大小或略小。所包括的一段DNA与一个多肽链与一个多肽链的合成相对应；平均大小为的合成相对应；平均大小为5001500个碱基对。个碱基对。分子水平上的基因功能上课件基因概念：基因概念：可转录一条完整的可转录一条完整的RNA分子或编码一个多肽链；分子或编码一个多肽链； 功能上被顺反测验或互补测验所规定。功能上被顺反测验或互补测验所规定。基因基因：相当于一个顺反子，：相当于一个顺反子， 包含许多突变子和包含许多突变子和 重组子。重组子。紫外灯下的紫外灯下的DNA分子遗传学保留了分子遗传学保留了功能单位功能单位的解释，而抛弃了最小结构的解释，而抛弃了最小结构单位说法。单位说法。分子水平上的基因功能上课件、分子遗传学对基因概念的新发展、分子遗传学对基因概念的新发展结构基因结构基因(structural gene)：指可编码指可编码RNA或蛋白质的一段或蛋白质的一段DNA序列。序列。将基因分为不同类型：将基因分为不同类型： 分子水平上的基因功能上课件调控基因调控基因(regulator gene)：指其表达产物参与调控其它基因表达的基因。指其表达产物参与调控其它基因表达的基因。 分子水平上的基因功能上课件5.3.2侧翼序列与调控序列侧翼序列与调控序列n n侧翼序列：是指结构基因第一和最后一个外显子外侧的非编码序列，常对基因的表达起调控作用。分子水平上的基因功能上课件n n5.3.2.1启动子：是位于结构基因5，端上游的一段DNA序列，能够指导全酶(holoenzyme)同模板正确结合，活化RNA聚合酶，启动基因转录。 n n各种原核基因有一个由5个核苷酸(TATAA)组成的共同序列，以其发现者的名字命名为Pribnow框(Pribnowbox)，这个框的中央位于起点上游10bp处，所以又称10序列(10 sequence)，后来在35 bp处又找到另一个共同序列(TTGACA)。分子水平上的基因功能上课件n nHognessHogness等在真核基因中又发现了类似等在真核基因中又发现了类似PribnowPribnow框的框的共同序列，即位于共同序列，即位于252530 bp30 bp处的处的TATAAAAGTATAAAAG，也称，也称TATATATA框框(TATAbox)(TATAbox)。TATATATA框上游的保守序框上游的保守序列称为上游启动子元件列称为上游启动子元件(UPE)(UPE)或上游激活序列或上游激活序列(UAS)(UAS)。另外在另外在707078 bp78 bp处还有一段共同序列处还有一段共同序列CCAATCCAAT，称为，称为CAATCAAT框框(CAAT box)(CAAT box)。n n在真核基因中，有少数基因没有在真核基因中，有少数基因没有TATATATA框。没有框。没有TATATATA框的真核基因启动子序列中，有的富集框的真核基因启动子序列中，有的富集GCGC，即有即有GCGC框；有的则没有框；有的则没有GCGC框。框。GCGC框位于框位于8080110bp110bp处的处的GCCACACCCGCCACACCC或或GGGCGGGGGGCGGG序列。序列。 分子水平上的基因功能上课件5.3.2.2增强子n n增强子（增强子（enhomcerenhomcer）较常见的是远端调控区。至少在有时候增强子的）较常见的是远端调控区。至少在有时候增强子的存在可以增强启动子的转录活性。它是在存在可以增强启动子的转录活性。它是在19811981年由年由Benerji,RusconiBenerji,Rusconi小小组和组和ChambomChambom等发现的，又称远上游序列（等发现的，又称远上游序列（far upstream seguencefar upstream seguence）。）。其特点是：其特点是： 具有远距离效应。常在上游具有远距离效应。常在上游-200bp-200bp处，但可增强远处处，但可增强远处启动子的转录，即使相距十几启动子的转录，即使相距十几KbKb也能发挥其作用；也能发挥其作用； 无方向性。无无方向性。无论在靶基因的上游，下游或内部都可发挥增强转录的作用；论在靶基因的上游，下游或内部都可发挥增强转录的作用； 顺式顺式调节。只调节位于同一染色体体上的靶基因，而对其它染色体上的基调节。只调节位于同一染色体体上的靶基因，而对其它染色体上的基因无作用；因无作用； 无物种和基因的特异性，可以接到异源基因上发挥作无物种和基因的特异性，可以接到异源基因上发挥作用，如将用，如将SV40SV40的增强子接到兔的增强子接到兔-珠蛋白基因前，引入珠蛋白基因前，引入LelaLela细胞，此珠细胞，此珠蛋白基因转录增强蛋白基因转录增强200200倍。倍。 具有组织的特异性。具有组织的特异性。 SV40 SV40的增强子在的增强子在3T33T3细胞中比多瘤病毒的增强子要弱，但在细胞中比多瘤病毒的增强子要弱，但在HelaHela细胞中细胞中SV40SV40的增强子的增强子比多瘤病毒的要强比多瘤病毒的要强5 5倍，抗体基因的增强子只有在倍，抗体基因的增强子只有在B B淋巴细胞中才起作淋巴细胞中才起作用。增强子的效应需特定的蛋白质因子参与。用。增强子的效应需特定的蛋白质因子参与。 有相位性。其作用有相位性。其作用和和DNADNA的构象有关。的构象有关。 有的增强子可以对外部信号产生反应。如热有的增强子可以对外部信号产生反应。如热体克基因在高温下才表达。编码重金属蛋白的金属硫蛋白基因在镉和体克基因在高温下才表达。编码重金属蛋白的金属硫蛋白基因在镉和锌存在下才表达。某些增强子可以被固醇类激素所激活。锌存在下才表达。某些增强子可以被固醇类激素所激活。分子水平上的基因功能上课件5.3.2.3终止子n n原核生物转录的终止处有特殊结构的存在，称为原核生物转录的终止处有特殊结构的存在，称为终终终终止子止子止子止子（terminator,tterminator,t）RNA PolRNA Pol能识别能识别t t位点在此处停位点在此处停止，然后释放止，然后释放RNARNA，最终，最终RNARNA聚合酶也脱离模板，聚合酶也脱离模板，终止了转录。终止了转录。 n n在原核细胞中有两种不同的终止子，一种是在原核细胞中有两种不同的终止子，一种是强终止强终止强终止强终止子子子子，另一种是，另一种是弱终止子弱终止子弱终止子弱终止子。强终止子在体外实验中，。强终止子在体外实验中，无需其他任何因子的帮助就可以终止核心酶，这种无需其他任何因子的帮助就可以终止核心酶，这种终止子被称为终止子被称为内部终止子内部终止子内部终止子内部终止子（intrinsic terminatorsintrinsic terminators）。）。弱终止子需要在一种蛋白质因子弱终止子需要在一种蛋白质因子 （rho factorrho factor）的帮）的帮助一才能终止，所以又称为助一才能终止，所以又称为 依赖性终止子依赖性终止子依赖性终止子依赖性终止子（Rho-Rho-dependent terminatordependent terminator）。）。 分子水平上的基因功能上课件RNA聚合酶转录mRNA因子附着到mRNA识别位点因子在RNA聚合酶后面沿mRNA移动RNA聚合酶在终止位点停留，因子赶上了聚合酶在转录泡中因子解开DNA-RNA杂合链终止RNA聚合酶，因子和RNA被释放 图10-12 在原核mRNA转录中依赖性终止机制。(引自B.Lewin: GENES ,2000,Fig. 9-29)图10-11弱终止子的结构分子水平上的基因功能上课件5.3.2.4绝缘子绝缘子n n绝缘子(insulator)长约几百个核苷酸对，是通常位于启动子同正调控元件(增强子)或负调控因子(为异染色质)之间的一种调控序列。绝缘子本身对基因的表达既没有正效应，也没有负效应，其作用只是不让其他调控元件对基因的活化效应或失活效应发生作用。 由于有些增强子位于启动子上游，有些位于下游，所以绝缘子的效应并不取决于绝缘子同启动子的相对位置。因此，对绝缘子效应的方向性的原因还没有真正弄清楚。 分子水平上的基因功能上课件5.3.3 重叠基因重叠基因(overlapping gene)指在同一段指在同一段DNA顺序上，由于阅读框架不同或终止顺序上，由于阅读框架不同或终止早晚不同，同时编码两个以上基因的现象。早晚不同，同时编码两个以上基因的现象。 EA AB BCDF F分子水平上的基因功能上课件5.4 DNA与蛋白质与蛋白质分子水平上的基因功能上课件5.4.1蛋白质是氨基酸的线性多聚体蛋白质是氨基酸的线性多聚体n n蛋白质是具有特定构象的大分子，为研究方便，蛋白质是具有特定构象的大分子，为研究方便，将蛋白质结构分为四个结构水平，包括一级结构、将蛋白质结构分为四个结构水平，包括一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。一般将二级结二级结构、三级结构和四级结构。一般将二级结构、三级结构和四级结构称为三维构象或高级结构、三级结构和四级结构称为三维构象或高级结构。构。n n一级结构指蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺序。一级结构指蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺序。肽键是蛋白质中氨基酸之间的主要连接方式，即肽键是蛋白质中氨基酸之间的主要连接方式，即由一个氨基酸的由一个氨基酸的-氨基和另一个氨基酸的氨基和另一个氨基酸的-羧基羧基之间脱去一分子水相互连接。肽键具有部分双键之间脱去一分子水相互连接。肽键具有部分双键的性质，所以整个肽单位是一个刚性的平面结构。的性质，所以整个肽单位是一个刚性的平面结构。在多肽链的含有游离氨基的一端称为肽链的氨基在多肽链的含有游离氨基的一端称为肽链的氨基端或端或N N端，而另一端含有一个游离羧基的一端称端，而另一端含有一个游离羧基的一端称为肽链的羧基端或为肽链的羧基端或C C端。端。分子水平上的基因功能上课件5.4.25.4.2通过转录将通过转录将通过转录将通过转录将DNADNA的遗传信息传给的遗传信息传给的遗传信息传给的遗传信息传给RNARNA一一一一. RNA. RNA合成的基本特点合成的基本特点合成的基本特点合成的基本特点n n19601960年年Weiss,S,BWeiss,S,B等发现等发现RNARNA聚合酶（聚合酶（RNA PolRNA Pol）。）。n n其特点是：其特点是：（1 1）以核糖核苷三磷酸（）以核糖核苷三磷酸（rNTRrNTR）为底物；）为底物；（2 2）以）以DNADNA为模板；为模板；（3 3）按）按5-35-3方向合成；方向合成；（4 4）无需引物的存在能单独起始链的合成；）无需引物的存在能单独起始链的合成；（5 5）第一个引入的）第一个引入的rNTPrNTP是以三磷酸形式存在；是以三磷酸形式存在；（6 6）在体内）在体内DNADNA双链中仅一条链作为模板；双链中仅一条链作为模板；（7 7）RNARNA的序列和模板是互补的。的序列和模板是互补的。分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件n n二、转录作用及其特点 转录作用是DNA指导的RNA合成作用。反应是以DNA为模板，在RNA聚合酶催化下，以四种三磷酸核苷（NTP）即ATP、GTP、CTP及UTP为原料，各种核苷酸之间的3、5磷酸二酯键相连进行的聚合反应。合成反应的方向为53。反应体系中还有Mg2+、Mn2+等参与，反应中不需要引物参与。碱基互补原则为A-U、G-C，在RNA中U替代T与A配对。 分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件确定有义链确定有义链n n现在将作为转录模板的DNA单链称为模板链或反义链（antisen strand），n n非模板链称为有义链（sense strand）或编码链。n n在体外DNA的两条链都可作为RNA合成的模板。分子水平上的基因功能上课件n n怎样用实验证实mRNA的合成总是延着5-3方向进行的？n nE.coli在 0C时需13秒钟才能加上一个核苷酸，但在37C每秒就可加上40个核苷酸;利用这个差别以14C来标记U,在0C培养E.coli，。n n提取这种正在伸长的mRNA分子n n发现14C标记首先出现在伸长的3端，因此可以证明合成是延着5-3方向进行的。分子水平上的基因功能上课件 RNA RNA合成和合成和DNADNA复制的区别复制的区别（1）转录时只有一条DNA链为模板，而复制 时两条链都可作为模板；（2）DNA-RNA杂合双链不稳定，RNA合成后释放，而DNA复制叉形成后一直打开，新链和链母成子链；（3）RNA合成不需引物，而DNA复制需引物；（4) 转录的底物是rNTP，复制的底物是dNTP；（5）聚合酶系不同。分子水平上的基因功能上课件 原核生物的原核生物的基因转录一细菌的一细菌的RNA聚合酶聚合酶 RNA pol和DNA pol也有2点不同：（1）RNA pol没有任何校对功能；（2）能起始新的RNA链。 分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件原核生物转录的起始延伸( (一一) ) 启动子（启动子（promoterpromoter）的结构和转录起始）的结构和转录起始 (1) (1)结构典型结构典型, ,都含都含识别识别（R R),),结合结合（B B) )和和起始起始 （I I）位点）位点; ; (2) (2)序列保守序列保守; ; (3) (3)位置和距离都比较恒定；位置和距离都比较恒定； (4) (4)直接和多聚酶相结合；直接和多聚酶相结合； (5) (5)常和操纵子相邻；常和操纵子相邻； (6) (6)位于基因的位于基因的55端；端； (7) (7)决定转录的启动和方向。决定转录的启动和方向。 (8)(8)特殊的操纵子的特殊的操纵子的R R, ,B B序列不同。序列不同。分子水平上的基因功能上课件 E.coli中不同的中不同的 因子因子 可识别不同的启动子可识别不同的启动子分子水平上的基因功能上课件典型启动子的结构典型启动子的结构 -35 -10 转录起点TTGACA 16-19bp TATAAT 5-9bp分子水平上的基因功能上课件-10-10序列对转录的效率影响序列对转录的效率影响n nTATAATAATAAT，转录效率下降,称为下降突变（下降突变（down mutation）。n nTATGTTTATATT，转录效率上升，为上升突变上升突变（up mutation）。n n以上突变为何会影响转录效率？n n前者可能由于T-A的堆集能要小于A-T的堆积能，后者可能是由于堆集能降低和氢键的减少，分子水平上的基因功能上课件2. -352. -35序列序列n n-35序 列 又 称 为 Sextama盒盒 （ Sextama box），n n其保守序列为（T82T84G78A65C54A45）n n其功能是:(1) 为RNA pol的识别位点。 亚基识别-35序列，为转录选择模板(2)-35和-10序列的距离是稳定的，此与RNA pol的结构有关。分子水平上的基因功能上课件3. 3. 转录起始位点（转录起始位点（I I）。）。n n转录开始时模板上的第一个碱基n n在原核中常为A或Gn n而且位置固定分子水平上的基因功能上课件转录的起始转录的起始1. 1.全酶与模板的全酶与模板的DNADNA接触，生成非专接触，生成非专一的一的, ,不稳定的复合物在模板上移动；不稳定的复合物在模板上移动；2. 2. 起始识别：全酶与起始识别：全酶与3535序列结合，序列结合，产生产生封闭的酶封闭的酶- -启动子二元复合物启动子二元复合物（closed binary complexclosed binary complex）；）；3. 3.全酶紧密地结合在全酶紧密地结合在-10-10序列处，模板序列处，模板DNADNA局部变性，形成局部变性，形成开放的启动子二开放的启动子二元复合体元复合体；4. 4. 酶移动到酶移动到I I，第一个，第一个rNTPrNTP转录开始转录开始,因子释放因子释放, ,形成形成酶酶- -启动子启动子-rNTP-rNTP三元复三元复合体合体（ternary complexternary complex）。）。分子水平上的基因功能上课件RNARNA核心酶和全酶在核心酶和全酶在DNADNA上的分布上的分布: :(1) 和1/3的RNA pol结合成全酶，或在非特异位点的松散复合体中，或在启动子中的二元复合体中； (2) 其中半数的核心酶从事转录；(3) 余下的核心酶大量存在于闭合松散复合体中；(4)估计数量很少的全酶是游离的。分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件三三 原核生物转录的终止原核生物转录的终止终止子终止子（terminator,t）n n 强终止子内部终止子强终止子内部终止子（intrinsic terminators）。n n 弱终止子弱终止子 需要因子（rho factor） 又称为依赖性终止子依赖性终止子 （Rho-dependent terminator）分子水平上的基因功能上课件强终止子的结构强终止子的结构n nNNNNAAGCGCCGAAGCGCCGNNNNNNCCGGCGCTTTTTTCCGGCGCTTTTTTNNNNNNn nNNNNTTCGCGGCTTCGCGGCNNNNNNGGCCGCGAAAAAAGGCCGCGAAAAAANNN NNN DNADNAn nNNAAGCGCCGNNNCCGGCGCUUUUUUNNNNNAAGCGCCGNNNCCGGCGCUUUUUUNNN RNA RNA分子水平上的基因功能上课件n n N Nn n N N N Nn n n n N N N Nn n G G C Cn n C C G Gn n C C G Gn n G G C Cn n C C G Gn n G G C Cn n C C U Un n NNNNC NNNNC U UUUU-OH 3U UUUU-OH 3n n 强终止子结构的模式图强终止子结构的模式图 分子水平上的基因功能上课件 强终止子的结构特点强终止子的结构特点n n (1) 有回文结构存在；n n（2）茎的区域富内含G-C；n n (3) 强终止子3端上有6个U； 以上结构特点在终止中起何作用？分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件 RNA Pol RNA Pol转录转录DNADNA 因子附着到因子附着到RNARNA 识别位点上识别位点上 因子跟在因子跟在RNAPolRNAPol 后沿后沿RNARNA移动移动 RNA Pol RNA Pol在终止位在终止位 点停下，并被点停下，并被因因 子追上子追上 在转录泡中在转录泡中因子因子 使使DNA-RNADNA-RNA杂种双杂种双 链解开链解开 转录终止转录终止, ,释放出释放出 RNA Pol, RNA Pol,子子 和和 RNA RNA分子水平上的基因功能上课件n n 野生型野生型 突变型突变型 核糖体结合到核糖体结合到mRNAmRNA上上 核糖体阻碍核糖体阻碍 核糖体在突核糖体在突 了了因子的因子的 变位点解离变位点解离 附着和移动附着和移动 因子附着因子附着 因子和因子和核核 核糖体阻碍核糖体阻碍 核糖体接触核糖体接触 因子移动因子移动 转录继续转录继续 转录提前转录提前 终止终止分子水平上的基因功能上课件真核生物的转录真核生物的转录和原核转录的不同点： (1) 原核只有一种RNA聚合酶，而真核细 胞有三种聚合酶； (2) 启动子的结构特点不同，真核有三种 不同的启动子和有关的元件； (3) 真核的转录有很多蛋白质因子的介入。分子水平上的基因功能上课件真核的RNA聚合酶 表表12-2 12-2 真核生物的三种真核生物的三种RNARNA聚合酶的特点聚合酶的特点RNA PolRNA Pol位置位置 产物产物 相对活性相对活性 对对-鹅膏蕈的敏鹅膏蕈的敏Pol Pol 核仁核仁28s,18s,5.8s rRNAs 5028s,18s,5.8s rRNAs 5070% 70% 不敏感不敏感Pol Pol 核质核质hnRNA,mRNA,hnRNA,mRNA,某些某些SnRNA 20SnRNA 2040%40% 高度敏感高度敏感Pol Pol 核质核质tRNA,5SrRNA,tRNA,5SrRNA,某些某些SnRNAs SnRNAs 10% 10% 片段特异，中等敏感片段特异，中等敏感 表表12-3 12-3 转录的抑制剂转录的抑制剂n n 抑制剂抑制剂 靶酶靶酶 抑制作用抑制作用 利福霉素利福霉素细菌全酶细菌全酶和和亚基结合，抑制起始亚基结合，抑制起始 链霉溶菌素链霉溶菌素细菌核心酶细菌核心酶和和亚基结合，抑制起始亚基结合，抑制起始 放射线素放射线素D D真核真核PolPol和和DNADNA结合，阻止延伸结合，阻止延伸 - -鹅膏蕈鹅膏蕈真核真核PolPol和和RNA PolRNA Pol结合结合 分子水平上的基因功能上课件 B220 B220240Kda240Kda与模板结合，与链的起始，延伸有关，相与模板结合，与链的起始，延伸有关，相 当于原核当于原核 RNA Pol RNA Pol的的亚基亚基C C端含有羧基末端功能区端含有羧基末端功能区 大亚基大亚基 B140 B140150Kda150Kda与与DNADNA、底物和新生的、底物和新生的RNARNA结合，相当于原核结合，相当于原核RNA Pol RNA Pol B44.5 B44.5酶的连接，相当于原核酶的连接，相当于原核RNARNA的的亚基亚基RNA Pol RNA Pol ABC 27KDa ABC 27KDa 磷酸化蛋白，磷酸化蛋白， 1 1类类三种三种RNA PolRNA Pol共有，如共有，如 ABC 25.5KDa ABC 25.5KDa 与与DNADNA结合有关结合有关 ABC 23KDa ABC 23KDa B 12.6 B 12.6 小亚基小亚基 2 2类类Pol Pol 特有特有 B 23 B 23 B 14.5 B 14.5 B 10 B 10 3 3类类在某些条件下可除去的亚基在某些条件下可除去的亚基 B 23 B 23参与酶的基本结构参与酶的基本结构 B 16.5 B 16.5细胞器的细胞器的RNA PolRNA Pol和噬菌体的和噬菌体的RNARNA相似，因有单一固定的功能，分子量较小相似，因有单一固定的功能，分子量较小 表表12-3 12-3 真核生物聚合酶的成分及功能真核生物聚合酶的成分及功能分子水平上的基因功能上课件二真核生物的启动子 启动子启动子 最为复杂，它和原核的启动子有很多不同：最为复杂，它和原核的启动子有很多不同：（1 1）有多种元件：）有多种元件：TATATATA框，框，GCGC框，框，CATTCATT框，框，OCTOCT等；等；（2 2）结构不恒定；）结构不恒定；（3 3）它们的位置、序列、距离和方向都不完全相同；）它们的位置、序列、距离和方向都不完全相同；（4 4）有的有远距离的调控元件存在，如增强子；）有的有远距离的调控元件存在，如增强子；（5 5）这这些些元元件件常常常常起起到到控控制制转转录录效效率率和和选选择择起起始始位位点点的的作作（6 6）不直接和）不直接和RNA polRNA pol结合；结合； (7) (7) 需多种转录因子介入。需多种转录因子介入。分子水平上的基因功能上课件 真核启动子含有不同的组件真核启动子含有不同的组件SV40 SV40 早期启动子早期启动子胸苷激酶胸苷激酶组蛋白组蛋白H2BH2B -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 +1 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 +1n n Oct CAAT GC TATA Oct CAAT GC TATA分子水平上的基因功能上课件( (一一)类基因的启动子和调控区类基因的启动子和调控区 TATATATA框框 核心元件核心元件 启始子（启始子（initiatorinitiator，InrInr）: :一般由一般由P PY2Y2CAPCAPY5Y5构成，构成， 位于位于-3-3+5 +5 ，可能提供，可能提供RNA pol RNA pol 识别。识别。 CAAT box CAAT box、类启动子类启动子 上游元件组成上游元件组成 GC box GC box Oct Oct 增强子（增强子（enhomcerenhomcer） 远端调控区远端调控区 减弱子（减弱子（dehancerdehancer） 静息子（静息子（sisencersisencer） 上游激活序列（上游激活序列（upstream activatingupstream activating seguences UASs seguences UASs） 分子水平上的基因功能上课件 起始子起始子n n起始点一般没有同源序列起始点一般没有同源序列n nmRNAmRNA的的第第一一个个碱碱基基倾倾向向A A，另另一一侧侧翼翼由由PyPy组组成成称称为为起起始始子子（initiator,initiator,InrInr). ).（在在原原核核CATCAT起起始始序列也有这种情况）。序列也有这种情况）。n n一般由一般由P PY2Y2CAPCAPY5Y5构成构成n n位于位于-3-3+5+5n n提供提供RNA pol RNA pol 识别。识别。n n无无论论TATATATA是是否否存存在在，InrInr对对启启动动子子的的强强度度和和起起始位点的选择都是重要的始位点的选择都是重要的 。n n现已纯化了现已纯化了Inr Inr 结合蛋白。结合蛋白。分子水平上的基因功能上课件 核心元件核心元件n n TATATATA框合又称框合又称HognessHogness框，框，Goldberg-HognessGoldberg-Hogness 框，俚语框，俚语 称为金砖（称为金砖（GoldbrickGoldbrick）n n其一致序列是：其一致序列是：T T8585A9A97 7T T9393A A8585A A6363A A8383A A5050n n常在常在-25-25左右，相当于原核的左右，相当于原核的-10-10序列。序列。n n其作用是：其作用是： (1) (1) 选择正确的转录起始位点，保证精确起始，选择正确的转录起始位点，保证精确起始， 故也称为故也称为选择子选择子选择子选择子（selectorselector）。）。 (2) (2) 影响转录的速率。影响转录的速率。分子水平上的基因功能上课件.上游启动子元件（UPE） 表表表表12-4 12-4 12-4 12-4 哺乳动物哺乳动物哺乳动物哺乳动物RNA Pol RNA Pol RNA Pol RNA Pol 上游转录因子结合的元上游转录因子结合的元上游转录因子结合的元上游转录因子结合的元 元件元件元件元件保守序列保守序列保守序列保守序列结合结合结合结合DNADNADNADNA的长度的长度的长度的长度 蛋白质因子蛋白质因子蛋白质因子蛋白质因子TATAboxTATAboxTATAboxTATAboxTATAAAATATAAAATATAAAATATAAAA 10bp10bp10bp10bp TBP TBP TBP TBPCAAT boxCAAT boxCAAT boxCAAT boxGGCCAATCTGGCCAATCTGGCCAATCTGGCCAATCT 22bp22bp22bp22bp CTF/NF1 CTF/NF1 CTF/NF1 CTF/NF1GC boxGC boxGC boxGC boxGGGCGGGGGCGGGGGCGGGGGCGG 20bp20bp20bp20bp SP1 SP1 SP1 SP1OctamerOctamerOctamerOctamerATTTGCATATTTGCATATTTGCATATTTGCAT 20bp20bp20bp20bp Oct-1 Oct-1 Oct-1 Oct-1OctamerOctamerOctamerOctamerATTTGCATATTTGCATATTTGCATATTTGCAT 23bp 23bp 23bp 23bp Oct-2 Oct-2 Oct-2 Oct-2KB KB KB KB GGGACTTTCCGGGACTTTCCGGGACTTTCCGGGACTTTCC 10bp10bp10bp10bp NFKB NFKB NFKB NFKBATFATFATFATF GTGACGT GTGACGT GTGACGT GTGACGT 20bp20bp20bp20bp ATF ATF ATF ATF B. Lewin: B. Lewin: B. Lewin: B. Lewin:GENESGENESGENESGENES.1997,Table 28.2.1997,Table 28.2.1997,Table 28.2.1997,Table 28.2分子水平上的基因功能上课件 增强子增强子n n它它 是是 在在 19811981年年 由由 Benerji,RusconiBenerji,Rusconi小小 组组 和和ChambomChambom等发现的，又称等发现的，又称远上游序列远上游序列（far upstream seguencefar upstream seguence）。）。n n其特点是：其特点是： 具有远距离效应。具有远距离效应。 无方向性。无方向性。 顺式调节。顺式调节。 无物种和基因的特异性。无物种和基因的特异性。 具有组织的特异性。具有组织的特异性。 有相位性。其作用和有相位性。其作用和DNADNA的构象有关。的构象有关。 有的增强子可以对外部信号产生反应。有的增强子可以对外部信号产生反应。分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件n n增强子为什么具有远距离作用呢？增强子为什么具有远距离作用呢？（1 1）拓朴效应；拓朴效应说认为增强子的）拓朴效应；拓朴效应说认为增强子的 作用是诱导染色质结构变化，使核小作用是诱导染色质结构变化，使核小 体产生体产生DNaseIDNaseI敏感区。敏感区。（2 2）滑动模型；）滑动模型；（3 3）成环模型。）成环模型。 EnhancerEnhancer Promotor Promotor分子水平上的基因功能上课件( (三三) RNA pol) RNA pol启动子启动子n n核心启动子核心启动子（core promoter）或核心元件（core element），位于-45到+20，负责转录的起始。n n上游控制元件上游控制元件（upstream,control element UCE），从-180延伸到-107， 可增加核心元件的转录起始的效率。分子水平上的基因功能上课件17017016016015015014014013013012012011011060605050404030302020 10 1 10 1 10102020 上游控制区上游控制区 核心启动子核心启动子 UBF1 UBF1UBF1 UBF1结合于结合于G GC C 丰富区丰富区 SL1 SL1 SL1 SL1与与UBF1UBF1协同结合协同结合TFTFBB Pol 1 Pol 1 ? ? 分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件 1 1 型内部启动子型内部启动子 2 2 型内部启动子型内部启动子 转录起始点转录起始点 转录起始点转录起始点 boxA boxC boxA boxBboxA boxC boxA boxB TFIIIA TFIII C TFIII CTFIIIA TFIII C TFIII C TFIII B TBP TFIII B TBP A BA BA BA B TFIII C TFIII B TFIII C TFIII B Plo III Pol III Plo III Pol III 分子水平上的基因功能上课件 TBP TBP Pol III Pol III 启启启启 动动动动 子子子子 TFIIIB TFIIIB TFIIICTFIIIC TBP TBP RNA Pol IIIRNA Pol III Pol I Pol I 启启启启 动动动动 子子子子 SL1 SL1 RNA Pol IRNA Pol I TBP TBP UBF1 UBF1 Pol II Pol II 启启启启 动动动动 子子子子 TFIIDTFIID TATA TATA 转录起始点转录起始点转录起始点转录起始点 RNA Pol II RNA Pol II 分子水平上的基因功能上课件 转录起始点转录起始点 OSE PSE TATA OSE PSE TATA OCT-1 PBP TF OCT-1 PBP TF D DOSE (OCT sequuence element) TFOSE (OCT sequuence element) TFB BPSE(prixima sequuence element)PSE(prixima sequuence element) RNA pol RNA pol 分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件转录后加工转录后的加工转录后的加工（posttranscriptional modification）（1）减少部分片段：如切除5端前导序列， 3端拖尾序列和中部的内含子；（2）增加部分片段：5加帽，3加poly(A), 归巢和通过编辑加入一些碱基；（戴帽子，加尾巴）（3）修饰：对某些碱基进行甲基化等。分子水平上的基因功能上课件tRNA和rRNA的加工一一. 原核的原核的 tRNA和和 rRNA的加工的加工参与蛋白质合成的tRNA和rRNA都不是最初的转录产物(1) 它们的5端都是单磷酸，而原始的转 录产物5应是三磷酸；(2) 分子比初始转录物小；(3) tRNA含有特殊的碱基，这些碱基只有通过一些化学修饰才可以得到。分子水平上的基因功能上课件tRNA的加工的加工tRNA的加工分成3个阶段(1) “斩头”，形成5末端；(2) 去尾，形成3-OH末端。缺-CCA的 tRNA要用tRNA核酸转移酶加-CCA。 (3)修饰：通过甲基化酶，硫醇酶，假尿嘧啶核苷化酶等进行修饰，如氨基酸臂的4-硫尿苷（4tu），D臂的2甲基鸟苷（2mG），TC臂的假尿苷（）和反密码子环上的2异戊腺苷（2ipA)分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件真核真核tRNA内含子的特点：内含子的特点：位置相同，都在反密码子环的下游；不同tRNA的内含子长度和序列各异；外显子和内含子交界处无保守序列；内含子的剪切是依靠RNase异体催化；内含子和反密码子配对形成茎环。 有何意义？分子水平上的基因功能上课件 二 真核的tRNA和rRNA的加工真核tRNA的基因和原核不同：(1)真核的前体分子tRNA是单顺反子，但成 簇排列，基因间有间隔区；(2)真核tRNA基因一般都比原核tRNA基因多 得多，如酵母约有400个tRNA基因；(3) 5端单磷酸核苷酸，表明已被加工过；(4) tRNA的前体分子中含有内含子。分子水平上的基因功能上课件真核真核tRNA内含子切除的特点：内含子切除的特点：(1)没有交界序列，也没有内部引导序列；(2)剪切反应的信号是二级结构，而不是 一 级结构；(3)是依赖于蛋白质性的RNase，而不是核 糖拟酶或snRNP；(4)反应的本质不是转酯反应。分子水平上的基因功能上课件 真核真核tRNA的加工和原核的区别的加工和原核的区别(1)真核tRNA前体中无二聚体和多聚体；(2)增加了剪接内含子的过程；(3)都要加CCA。分子水平上的基因功能上课件真核细胞中真核细胞中rRNA的加工途径的加工途径(1) 切除5端的前导序列；(2) 从41S的中间产物中先切下18S的片段。 Hela细胞的切点在18S和5.8S之间的ITS（内部转录间隔序列）； L细胞的切点在 18S序列和ITS的交界处，称为先成熟先成熟。(3) 部分退火，形成发夹结构；(4) 最后修正。分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件二、二、 前体mRNA的加工mRNA前体分子的加工主要是真核mRNA，原核的mRNA一般不经过加工。真核mRNA的加工一般要经过四步： (1) 5加帽； (2) 3加尾； (3) 切除内含子； (4) 修饰：对某些碱基进行甲基化。分子水平上的基因功能上课件 原核生物原核生物mRNA的加工的加工分子水平上的基因功能上课件二 真核mRNA前体的加工( (一一 ) )核核 内内 不不 均均 一一 RNARNA（ heterogenous heterogenous nuclear nuclear RNA,hnRNARNA,hnRNA）平平均均分分子子长长度度为为8-10Kb(2Kb14Kb)8-10Kb(2Kb14Kb)左左右。比右。比mRNAmRNA的平均长的平均长 度（度（1.8-2K1.8-2Kb b）要大）要大4-54-5倍。倍。hnRNAhnRNA仅仅有有总总量量的的1/21/2转转移移到到细细胞胞质质内内，其其余余的的都都在在核核内被降解掉。内被降解掉。 hnRNA hnRNA是是mRNAmRNA的前体，证据是：的前体，证据是： (1) hnRNA (1) hnRNA和和mRNAmRNA有相同的序列；有相同的序列； (2) hnRNA (2) hnRNA在体外能作为模板翻译蛋白；在体外能作为模板翻译蛋白； (3) (3) 两者两者5 5端都有帽子结构；端都有帽子结构； (4) (4)表明二者为相同的聚合酶所合成；表明二者为相同的聚合酶所合成； (5) (5) 两者的两者的3 3端都有多聚腺苷有尾巴。端都有多聚腺苷有尾巴。分子水平上的基因功能上课件hnRNA的结构的特点的结构的特点n n(1)5端有帽结构； n n(2) 3端有poly（A）尾巴；n n(3)帽结构后有3个寡聚U区；n n(4)有重复序列，位于寡聚U区后面；n n(5)有茎环结构，可能分布于编码区（非重复序列）的两侧；n n(6)非重复序列中有内含子区。分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件1加帽加帽(1) 剪接前加帽 如呼肠病毒， 牛豆病毒(2) 剪切后加帽 如疱疹病毒和口炎病毒分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件三、 内含子的剪接一一. 核酶核酶(Ribozyme)1981年T.Cech和S.Atman等在研究四膜虫rRNA时发现的；T.Cech由核糖核酸（ribonucleic acid）和酶（enzyme）这两个词“重组”成一个新的词： “ Ribozyme”；是指本质为RNA或以RNA为主含有蛋白质辅基的一类具有催化功能的物质。分子水平上的基因功能上课件n n对于具有催化活性的RNA现称为“核酶”。n n核酶作用方式较简单，有以下几种类型：剪切型：这类核酸能催化自身RNA或异体RNA分子剪掉一段核苷酸片段，其催化功能相当于内切核酸酶的作用。剪接型：这类核酶催化自身RNA进行化学反应，首先切去自身RNA内一个核苷酸片段，再将剩余的两个片断连接起来；相当于内切核酸酶及连接酶的联合作用。其他类型：如核苷酸转移，脱磷酸作用。n n核酶的酶活性种类：核苷酸转移作用。磷酸二酯键水解作用。磷酸转移反应催化作用。脱磷酸作用。限制性内切酶作用。分子水平上的基因功能上课件和传统酶的区别：和传统酶的区别：n n(1)一般的酶是纯的蛋白质，而核酶是RNA或带有蛋白的RNA；n n(2)核酶既是催化剂又是底物。而酶仅催化反应。分子水平上的基因功能上课件核酶发现的意义核酶发现的意义n n（1）突破了酶的概念. 是一种自体催化；RNA可作为生物催化剂。n n（2）揭示了内含子自我剪接的奥秘；促进了RNA的研究。n n（3）为生命的起源和分子进化提供了新的依据。n n（4）可用于制药和临床治疗。 分子水平上的基因功能上课件5.4.3 mRNA转译成氨基酸序列转译成氨基酸序列分子水平上的基因功能上课件遗传密码及其特性遗传密码及其特性分子水平上的基因功能上课件分子水平上的基因功能上课件遗传密码及其特性遗传密码及其特性n n遗传密码的基本特性：遗传密码的基本特性：n n三联性；三联性；n n非重叠性；非重叠性；n n连续性；连续性；n n简并性；简并性；n n有序性；有序性；n n通用性。通用性。分子水平上的基因功能上课件遗传密码及其特性遗传密码及其特性分子水平上的基因功能上课件遗传密码及其特性遗传密码及其特性分子水平上的基因功能上课件遗传密码及其特性遗传密码及其特性分子水平上的基因功能上课件遗传密码及其特性遗传密码及其特性分子水平上的基因功能上课件遗传密码及其特性遗传密码及其特性分子水平上的基因功能上课件遗传密码及其特性遗传密码及其特性n n起始密码子与终止密码子：起始密码子：AUG(甲硫氨酸/甲酰甲硫氨酸)；n n终止密码子(无义密码子)：UAA(赭石)、UAG(琥珀)、UGA(乳白)。n n通用性的另外情况：分子水平上的基因功能上课件遗传密码及其特性遗传密码及其特性分子水平上的基因功能上课件遗传信息的翻译遗传信息的翻译蛋白质的合成蛋白质的合成合成场所：核糖体合成场所：核糖体合成场所：核糖体合成场所：核糖体分子水平上的基因功能上课件遗传信息的翻译蛋白质的生物合成遗传信息的翻译蛋白质的生物合成分子水平上的基因功能上课件遗传信息的翻译蛋白质的生物合成遗传信息的翻译蛋白质的生物合成分子水平上的基因功能上课件遗传信息的翻译蛋白质的生物合遗传信息的翻译蛋白质的生物合成成分子水平上的基因功能上课件