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1、分子遗传学分子遗传学第一章第一章 遗传物质遗传物质 1953年，由年，由Watson Crick阐明的阐明的DNA结构是遗传学结构是遗传学历史上最重大的发现之一。当时对基因和历史上最重大的发现之一。当时对基因和DNA的认的认识有以下几点：识有以下几点： （1）基因：是由孟德尔提出的遗传因子。它与特定）基因：是由孟德尔提出的遗传因子。它与特定的性状相连系，但其物质基础不清。的性状相连系，但其物质基础不清。 （2）“一个基因一种酶一个基因一种酶”的学说推测基因控制蛋白的学说推测基因控制蛋白质的结构。质的结构。 （3）基因位于染色体上。染色体由）基因位于染色体上。染色体由DNA和蛋白组成和蛋白组成
2、（4）早先由）早先由Griffith后由后由Avery指出指出DNA是遗传物质是遗传物质第一节第一节 DNA是遗传物质是遗传物质 有3个重要的实验证明遗传物质是DNA： 1细菌转化实验 2T2噬菌体的感染实验 3病毒重建实验 Griffith,s细菌转化实验Greffiths transformation experiment 实验提示：加热杀死的S型有毒品系中一定有一种因子能使无毒的R品系转化为有毒的S品系（transformation）。16年实验证明，R转化为S的物质是DNA。 1944年，美国学者Avery等证明将R无毒品系转化为有毒S品系的物质是DNA。（S） 加热杀死 多糖 脂类
3、RNA 蛋白质 DNA R 型 细 菌 S R RRRR美国学者Avery等证明转化因子是DNA。Summary of Avery,s experiment which demonstrated that DNA is the transforming principle. 结结 论论 在在S型细胞的各种组分中，只有型细胞的各种组分中，只有DNA能引能引起起R型细胞的转化，型细胞的转化，DNA是是S型细胞多糖荚膜和型细胞多糖荚膜和病源特征的决定因子，只要给病源特征的决定因子，只要给R型细胞提供型细胞提供S型型细菌的细菌的DNA，就等于是提供了，就等于是提供了S基因基因。 意义：第一次证明基因是
4、由意义：第一次证明基因是由DNA组成的，组成的，DNA是遗传物质。转化已成为基因工程的重要手段是遗传物质。转化已成为基因工程的重要手段二、二、The Hershey-Chase实验实验T2噬菌体的生活周期噬菌体的生活周期Life cycle of a T-even bacteriophage The Hershey-Chase实验要回答的实验要回答的问题问题 噬菌体的感染过程涉及病毒复制的特异信息转入到细菌中去的过程。要问转入细菌中去的信息物是DNA还是蛋白质？ 1952年，用T2噬菌体标记的感染实验说明转入细菌中去的信息物是DNA。The Hershey-Chase实验的关键点：实验的关键点
5、：1.1.蛋白质中没有磷，磷是蛋白质中没有磷，磷是DNADNA中的主要成分，在中的主要成分，在 T2T2的的DNADNA中占中占99%99%2.2.硫存在于蛋白质中硫存在于蛋白质中, ,在在DNADNA中从未发现有硫中从未发现有硫. .3.3.用用3232P P和和3535S S分别标记两个噬菌体的培养物中的分别标记两个噬菌体的培养物中的 DNADNA和蛋白质和蛋白质. .The Hershey-Chase实验实验Demonstrating that Demonstrating that DNA, and not DNA, and not protein, is protein, is res
6、ponsible for responsible for directing the directing the reproduction of reproduction of phage T2 during the phage T2 during the infection of infection of E.coliE.coli. . The Hershey-Chase实验的结论只有噬菌体DNA进入细菌，蛋白质外壳从不进入细胞。噬菌体蛋白只是结构上的包装物。当DNA进入细菌后蛋白质外壳就留在了外边。意义：说明DNA是遗传物质。三、病毒重建实验三、病毒重建实验 有些病毒没有DNA而只有RNA
7、，它们的遗传物质是什么？ 1956年，Fraenkel-Conrat和Singer用TMV和HRV建成杂合病毒作感染实验回答了这一问题。HRV外壳蛋白RNA杂合病毒能感染出现HRV病灶病毒失活不能感染TMV抗体TMV 分离出病毒病毒重建实验结论：复制和繁殖新的病毒颗粒所需的遗传物质是RNA而不是蛋白质HRV抗体子代病毒能被HRV抗体失活，说明子代病毒不但具有HRV的RNA，而且具有HRV的蛋白 总 结以上三个实验说明，DNA是遗传物质，在不具有DNA而只有RNA的生物中，RNA是遗传物质。 第二节第二节 DNA的结构的结构 DNA由四种基本的分子脱氧核苷酸组成。每种核苷酸由磷酸、脱氧核糖和四种
8、碱基之一组成。四种碱基的名称：腺嘌呤（Adenine，A）、鸟嘌呤（Guanine，G）、胞嘧啶（Cytosine，C）、胸腺嘧啶（Thymine，T）。四种核苷酸的名称是： 脱氧腺苷酸dAMP或A； 脱氧鸟苷酸dGMP或G； 脱氧胞苷酸dCMP或C； 脱氧胸苷酸dTMP或T.DNA和 RNA中的碱基和糖的结构Watson Crick根据两个线索： （1）DNA结构的X光衍射资料，表明DNA由两条互相平行的链组成，两条链呈螺旋状；（2）Chargaff关于不同生物DNA组成成份的 规律： A+G=T+C Pu=Py A=T G=C A+T并不一定等于G+C 双螺旋（双螺旋（The doudle
9、The doudle helix helix）要点）要点1双螺旋的每一条链是一条核苷酸长链。每个核苷酸之间由磷酸二酯键相连接（phosphodiester bands）。两条链之间由氢键相连。配对原则是：AT， GC。2两条链的走向方向相反，它们是反向平行的（Antiparallel）一条是53，另一条是35。3由于GC对有三个氢键，AT对只有两个氢键，因此富含GC对的DNA比富含AT对的DNA更加稳定。 每个核苷酸之间由磷酸二酯键相连接。 (a)Linkage of two nucleotides by the formation of a C-3,C-5 (3-5) phosphodies
10、ter bond, producing a dinucleotide. (b) Shorthand notation for a polynucleotide chain.Waster Crick DNA双螺旋模型双螺旋的几种形式双螺旋的几种形式目前已知有三种不同形式DNA：1Bform：即Watson-Crick模型，在正常的细胞生活状态时存在，右手螺旋、碱基的平面对DNA的中轴是垂直的，DNA分子每转一圈是10.4bp。2Aform：在高盐或脱水状态时存在，右手螺旋，碱基对倾斜并偏离双螺旋中轴，转一圈11bp。3Zform：在合成制备的DNA晶体中发现的新构型，“Z”字骨架，左手螺旋，每转
11、一圈12bp。双螺旋的双螺旋的几种形式几种形式目前已知有三种 不 同 形 式DNA DNADNA结构的含义：结构的含义：1该结构预示了DNA复制的一种明显方式2预示了DNA分子中的核苷酸对的顺 序可能决定着蛋白质中氨基酸的顺序，即可能存有某种类型的遗传密码。第三节第三节 DNA的复制的复制 由由Watson-CrickWatson-Crick模型预言的模型预言的DNADNA复制是半保留复制是半保留式的。式的。半保留复制（半保留复制（semiconservativesemiconservative ReplicationReplication）：每个子代）：每个子代DNADNA分子含有一条旧分子
12、含有一条旧链和一条新链。链和一条新链。半保留复制半保留复制Semiconservative Replication每个子代每个子代DNADNA分子含有一分子含有一条旧链和一条新链。条旧链和一条新链。Generalized model of semiconservative replication of DNA DNA的复制的复制 DNA是遗传物质，作为遗传物质的首要条件是必须能自我复制。 Watson和Crick阐明的DNA模型预示了DNA具有复制的能力，通过氢键配对的方式复制新链。 曾设想有三种复制方式：（1）半保留式；（2）保留式；（3）分散式。 (1)+(2)+(3)+曾设想有三种复制方
13、式：保留式 ，半保留式，分散式二、Meselson-stahl实验1958年，年，Meselson等证明等证明DNA的复制是半保留式的。的复制是半保留式的。1氯化铯超离心技术的原理 DNA在CsCl溶液中经超速离心后，最终停留在某一位置上，这时离心力的大小正好等于DNA分子在CsCl梯度中的浮力。DNA的浮力是由其密度决定的。根据离心后DNA在梯度中达到的平衡位置的不同可以将不同密度的DNA分子分开，例如：15NDNA和14NDNA。2将E.coli培养在含有“重”同位素15N的培养基中，经多个世代后，细胞中DNA就标记上“重”同位素。然后将细胞转到14N培养基中，经过一个或两个细胞分裂周期后
14、，分离DNA，再进行CsCl离心。3. 结果：经一个世代后，DNA形成了一条中间密度带。其位于“重”带和“轻”带之间。经两个世代培养后，DNA形成两条带，一条中间带，一条轻带。更直接的证据是将在14N中生长一代的细胞DNA（15N14N）变性后离心，可以得到一条重带和一条轻带。说明第一代杂种分子是半保留复制的产物。双链中一条是亲代15N，另一条是新合成14N，DNA为15N14N。Meselson-stahl实验T h e M e s e l s o n - S t a h l experiment Meselson-stahl实验结果的解释 三、真核生物染色体的复制1958年，Taylor用
15、蚕豆根尖细胞染色体作实验，表明在染色体水平上，DNA复制也是半保留式的。四、复制叉The Replication ForkWatson-Crick模型预言，在复制过程中DNA分子会形成一个分叉。1963年，Cairns用实验证实了复制叉的存在。起始点3,3,3,3,复制叉生长生长五、复制的起始大肠杆菌染色体DNA复制从一固定点起始，然后按两个方向进行，即随复制叉向两端移动作双向复制。起始点高等生物细胞的DNA复制有多个起始点，即具有多个同时复制的区域。放射自显影显示的真核DNA复制模型，在一条双链DNA上有多个复制起点放射自显影解释 复制子复制子（replicon）具有一个复制起始点和两个终止
16、点的具有独立具有一个复制起始点和两个终止点的具有独立复制功能的复制功能的DNA片段。大肠杆菌、质粒、噬菌片段。大肠杆菌、质粒、噬菌体的体的DNA都是独立复制的，这样独立的复制单都是独立复制的，这样独立的复制单位称为复制子。位称为复制子。 高等生物的染色体是多复制子高等生物的染色体是多复制子MultirepliconHuman DNA from Hela cell illustrating the replication bubble that characterizes DNA replication within a single replicon 真核生物细胞的DNA复制有多个起始点， 即
17、具有多个同时复制的区域。六、DNA复制中的酶和蛋白质 50年代末，Kornberg首次分离到DNA聚合酶，能催化复制反应： dATP DNA聚合酶亲代DNA+引物 + dGTP子代DNA dCTP dTTPThe chemical reaction catalyzed by DNA polymerase I 11-8Demonstration of 5,-to-3, synthesis of DNA1双螺旋的转动和解链DNA拓朴异构酶：催化DNA拓朴异构体的转化。如DNA促旋酶（DNA gyrase）能使松驰形DNA形成超螺旋DNA（Supercoiling DNA）。也能使正超螺旋DNA转变
18、为负超螺旋DNA，后者有利于双螺旋的解开。解螺旋酶（helicase）：“rep”蛋白起解螺旋作用。单链结合蛋白（Single-stranded DNA-binding protein，SSB）：游离单链易降解，单链结合蛋白起保护作用。2所有的DNA聚合酶只能以53方向合成新链, 当一条链由DNA聚合酶III连续地合成时，另一条链是以片段方式合成的。然后由DNA聚合酶I填补空缺。再由DNA连接酶（Ligase）连接。这就是不连续复制学说。冈崎在细胞中证实了这种方式，这样的DNA短链称为冈崎片段。11-11Because the two strand of DNA run antiparalle
19、l to one another and DNA polymerase III synthesizes only in one direction.On the lagging strand,synthessis must be discontinuous, resulting the production of Okazaki fragment. On the leading strand , synthesis is continuous. RNA primers initiate synthesis on both strands3DNA聚合酶I和III具有35外切酶活性，具有切割和修补
20、功能。4DNA合成必须有一个短的双链区作为引物（primer）。聚合酶不可能在一条单链模板上起动合成一条新链。因此需要有引物合成酶（primase）与dnaB蛋白一起作用合成一个RNA引物，保证DNA聚合酶III在引物的3端起动DNA合成。11-13Summary of DNA synthesis at a single replication fork. The ends of eukaryotic chromosomes are replicated by a telomerase The ends of eukaryotic chromosomes are replicated by a
21、 telomerase 端粒末端复制的困难端粒末端复制的困难 telomeric DNA sequences have been highly conserved throughout evolution, reflicting the critical function of telomeres. DNA polymerase cannot replicate the terminal DNA segment of the lagging strand of a linear chromosome. there would be no DNA strand to provide a free
22、 3,-OH for DNA extenssion after the RNA primer of the terminal Okazaki fragment has been excised. 线型染色体DNA末端复制的困难，后随链复制后会留下一个空缺。端粒酶的作用对热.蛋白酶K和RNA酶都敏感 The unique feature of telomererase is that it contains a built-in RNA strand template, after several telomere repeat units are added by telomerase, DN
23、A polymerase catalyzes the synthesis the complementary strand. Without telomerase activity, linear chromosomes would become progressively shorter.if the resulting terminal deletions extended into an essential gene or genes, this chromosome shortening would be lethal.Telomerase resolves the terminal
24、primer problem端粒酶和细胞衰老telomere shortening has been linked to a molecular mechanism involved in the aging process of cells.in most eukaryotic somatic cells ,telomerase is not active, and thus with each cell division, the telomeres of each chromosome shorten. after many divisions, the telomere is seri
25、ously eroded and the cell loses the capacity for further division.Malignant cells maintain telomerase activity and are immortalizedMost human somatic cells lack telomerase activity ,when they are grown in culture, they divide only 20 to 70 cell generations . Cancer cells contain telomerase activity.
26、 they are immortal正常 肿瘤细胞Progerias(早老症早老症).the somatic cells of individuals with progeria have short telomores and exhibit decreased proliferative capacity when grown in culture.8岁9岁 端粒和人类衰老 At present , the relationship between telomere length and cell senescence is entirely correlative. There is no direct evidence indicating that telomere shortening causes aging. Nevertheless , the correlation is striking , and the hypothesis that telomere shortening contributes to the aging process in humans warrants further study.