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1、分子生物学第二章遗传物质现在学习的是第1页，共42页第一节第一节 分子生物学的主要研究对象分子生物学的主要研究对象 一、基因一、基因二、基因组二、基因组三、染色质和染色体三、染色质和染色体现在学习的是第2页，共42页一、基因(The conception of gene)基因（gene）：是合成一种功能蛋白或RNA分子所必须的全部DNA序列。现在学习的是第3页，共42页一个典型的真核基因包括：一个典型的真核基因包括：（1）编码序列）编码序列外显子外显子（exon）（2）插入外显子之间的非编码序列）插入外显子之间的非编码序列内内含子含子（intron）（3）5-端和端和3-端非编译区端非编译区（
2、UTR）（4）调控序列调控序列（可位于上述三种序列中）（可位于上述三种序列中）现在学习的是第4页，共42页ORF（open reading frame)开放阅读框：是结开放阅读框：是结构基因的正常核苷酸序列，从起始密码子到终构基因的正常核苷酸序列，从起始密码子到终止密码子的阅读框可编码完整的多肽链，其间止密码子的阅读框可编码完整的多肽链，其间不存在使翻译中断的终止密码子。不存在使翻译中断的终止密码子。ORF的识别是证明一个新的的识别是证明一个新的DNA序列为特定的序列为特定的蛋白质编码基因的部分或全部的先决条件。蛋白质编码基因的部分或全部的先决条件。现在学习的是第5页，共42页二、基因组基因组
3、（genome）：狭义是指单倍体基因组，即特定的生物体的整套（单倍体）遗传物质的总和。是细胞全部的遗传信息，包括细胞发挥功能所需的全部“程序”。基因组的大小用全部DNA的碱基对总数表示。现在学习的是第6页，共42页不同生物的基因组，基因的结构、排列方式不同不同生物的基因组，基因的结构、排列方式不同，尤其是原核生物和真核生物之间存在很大区别，尤其是原核生物和真核生物之间存在很大区别现在学习的是第7页，共42页 细菌一般为单个的环状基因组，也报道存在线细菌一般为单个的环状基因组，也报道存在线性基因组的细菌性基因组的细菌 真核生物真核生物99%的的DNA在细胞核基因组中，但也在细胞核基因组中，但也存
4、在细胞器基因组，一般为线形存在细胞器基因组，一般为线形 病毒的基因组情况很多病毒的基因组情况很多 在基因组外，还存在其它在基因组外，还存在其它DNA形式，如质粒形式，如质粒现在学习的是第8页，共42页三、染色质（chromatin）和染色体（chromosome） 是真核生物遗传物质存在的两种不同形态，一个存在细胞分裂间期，一个存在分裂期。目前该概念也扩大到包括原核生物及细胞器在内的基因载体的总成。染色体是一个独立的携带必须遗传信息的DNA分子，并包括决定其结构的蛋白质。它的作用是包装线形DNA并为其复制和分裂提供框架，其功能的发挥离不开复制原点（精确复制）、着丝粒（染色体分离）和端粒（染色体
5、5端的形成，防止染色体错误的末端链接）。现在学习的是第9页，共42页 一般由两条染色单体和一个着丝粒一般由两条染色单体和一个着丝粒centromere组成组成 有的生物有两个或多个着丝粒，如马蛔虫有的生物有两个或多个着丝粒，如马蛔虫 在一些同翅目和半翅目昆虫中，沿着整个染色体长度的每在一些同翅目和半翅目昆虫中，沿着整个染色体长度的每一个点都具有着丝粒的活性，称为弥散着丝粒一个点都具有着丝粒的活性，称为弥散着丝粒 由于着丝粒的位置不同，染色体臂有长臂由于着丝粒的位置不同，染色体臂有长臂L和短臂和短臂S之之分。着丝粒的位置可用臂比值分。着丝粒的位置可用臂比值A(A=L/S)和着丝粒指数和着丝粒指数
6、S/(L+S) 100%表示表示现在学习的是第10页，共42页在染色体中，基因成对存在，称为等位基因在染色体中，基因成对存在，称为等位基因allele/li:l/。完全显性完全显性complete dominance：在纯合体：在纯合体homozygote (即在一个特即在一个特定的基因座位上含有相同的等位基因定的基因座位上含有相同的等位基因)中，基因传递保持独立性。如中，基因传递保持独立性。如AA和和aa在异合体在异合体heterozygote (即在一个特定的基因座位上含有不同的等即在一个特定的基因座位上含有不同的等位基因，如位基因，如Aa)中，表型和一中，表型和一 个表达的等位基因个表达
7、的等位基因(显性等位基因显性等位基因dominant allele,如如A)相一致，另一个基因则做了牺牲，称为隐性等相一致，另一个基因则做了牺牲，称为隐性等位基因位基因recessive allele，如，如a。现在学习的是第11页，共42页 异合体的表型处于两个纯合体的中间状态时称为无显性异合体的表型处于两个纯合体的中间状态时称为无显性nondominance，如果偏向某一个纯合体，则称为部分，如果偏向某一个纯合体，则称为部分显性显性partial dominance。如红。如红AA和蓝和蓝aa的杂交种的杂交种Aa如为如为黄，则为无显性，如浅红则为部分显性黄，则为无显性，如浅红则为部分显性
8、杂种的表型处于亲本描述的表型杂种的表型处于亲本描述的表型 之外，称为超显性之外，称为超显性overdominance，如杂种优势。若不足，则称为显性不，如杂种优势。若不足，则称为显性不全全underdominance，如近亲衰退，如近亲衰退 。 共显性共显性codominance：一对等位基因的相关表型都可以：一对等位基因的相关表型都可以独立表达，如独立表达，如ABO血型血型现在学习的是第12页，共42页第二节第二节 基因型基因型genotype和表现型和表现型phenotype的关系的关系一、基因型：一、基因型： 控制生物体表现型的遗传因子。控制生物体表现型的遗传因子。二、表现型：二、表现型
9、： 有机体可见的或可计算的外在性质，表现型可被区分有机体可见的或可计算的外在性质，表现型可被区分为不同的类型，称为性状为不同的类型，称为性状character或特征或特征characteristic。所。所有的性状都有遗传有的性状都有遗传herediry和变异和变异variation两种性质。两种性质。 不同的表现型可能受不同的基因型调控，不同的基因型可产生不不同的表现型可能受不同的基因型调控，不同的基因型可产生不同的表现型同的表现型 但基因型相同，由于表达调控差异，可产生不同的表现型，如一但基因型相同，由于表达调控差异，可产生不同的表现型，如一种生物有不同的发育期种生物有不同的发育期现在学习
10、的是第13页，共42页小测验小测验: 请写出以下概念的英文，并做简短描述请写出以下概念的英文，并做简短描述: 基因、基因组、染色体基因、基因组、染色体请简述基因型和表现型的关系请简述基因型和表现型的关系现在学习的是第14页，共42页第三节第三节 遗传学的发展历史遗传学的发展历史现在学习的是第15页，共42页第四节第四节 GriffithGriffith于于19281928年发现的年发现的“转化转化”现象现象现在学习的是第16页，共42页 Transfection：转染。将纯化的噬菌体DNA分子导入细菌细胞 Transformation:转化。由于吸收裸DNA分子而使细胞获得新基因的过程。 Tr
11、ansforming principle：用于遗传转化的DNA。通过整合到受体细胞的基因组中改变其基因型。 Base pairing碱基配对：指在DNA双螺旋中A与T、C与G，以及在RNA中A与U配对的规则。它们之间依靠氢键相连，是维持核酸二级结构的主要作用力。 Nucleotide acid核苷酸：核苷酸：是核酸的基本重复单位，由含氮碱基含氮碱基、糖糖和磷酸三部分组成。磷酸三部分组成。现在学习的是第17页，共42页The transforming principle is DNAGriffith于1928年发现的“转化”现象. DNA is the genetic material肺炎双球菌
12、肺炎双球菌现在学习的是第18页，共42页第五节第五节 Hershey和和Chase的噬菌体转染实验的噬菌体转染实验现在学习的是第19页，共42页The genetic material of phage T2 is DNA 1952年，Hershey和Chase DNA是一种通用的遗传物质. DNA is the genetic material大肠杆菌噬菌体T2现在学习的是第20页，共42页Eukaryotic cells can acquire a new phenotype as the result of transfection by added DNA. DNA is the ge
13、netic material胸腺嘧啶DNA不仅是真核生物的遗传物质，而且能够在不同物种不同物种间相互转移间相互转移并保持功能活保持功能活性性现在学习的是第21页，共42页小测验 证明DNA是细菌遗传物质的精典实验是如何进行的?试简单描述其过程(包含结果分析). 现在学习的是第22页，共42页第六节第六节 中心法则和中心法则和DNA做为遗传物质的优越性做为遗传物质的优越性现在学习的是第23页，共42页describes the basic nature of genetic information: sequences of nucleic acid can be perpetuated 保持a
14、nd interconverted 互换by replication, transcription, and reverse transcription, but translation from nucleic acid to protein is unidirectional 单向性的, because nucleic acid sequences cannot be retrieved from protein sequences.一、一、 Central dogma 中心法则及其修正中心法则及其修正现在学习的是第24页，共42页The central dogma states that
15、 information in nucleic acid can be perpetuated永久保留 or transferred转移, but the transfer of information into protein is irreversible不能倒转的. 一、中心法则一、中心法则现在学习的是第25页，共42页 Crick（1958）在）在“论蛋白质的合成论蛋白质的合成”一文中，首次提出中一文中，首次提出中心法则的内容心法则的内容 遗传信息：能独立的自我复制；对细胞的特异性有高遗传信息：能独立的自我复制；对细胞的特异性有高度影响度影响 信息的流动是单程的：信息的流动是单程的：D
16、NA RNA 蛋白质蛋白质 序列假说：蛋白质的序列由序列假说：蛋白质的序列由DNA的序列决定的序列决定 中心法则中心法则(central dogma): 1953年年watson将遗传信息的传递将遗传信息的传递途径称为中心法则途径称为中心法则.现在学习的是第26页，共42页Watson（1976）在）在基因分子生物学基因分子生物学一书中，又做了更具体详细的描一书中，又做了更具体详细的描述。述。其内容可概括为下列三点：其内容可概括为下列三点： DNA分子上的碱基排列有一定顺序，这顺序就是分子上的碱基排列有一定顺序，这顺序就是遗传信息遗传信息。生物的。生物的全部遗传信息都包含在这种大分子的遗传信息
17、之中。全部遗传信息都包含在这种大分子的遗传信息之中。 DNA分子双链折开，以每条单链为模板，按照碱基配对的原则，分子双链折开，以每条单链为模板，按照碱基配对的原则，合成新的互补链，这是合成新的互补链，这是DNA的自我复制。的自我复制。 以以DNA分子双链中的一条为模板，按照碱基分子双链中的一条为模板，按照碱基A-U、G-C配对的原则互配对的原则互补地合成补地合成mRNA链，这是转录。然后以链，这是转录。然后以3个碱基决定一个氨基酸个碱基决定一个氨基酸的方式，根据的方式，根据mRNA分子上的碱基排列顺序合成蛋白质，这是翻译分子上的碱基排列顺序合成蛋白质，这是翻译。现在学习的是第27页，共42页二
18、、中心法则的修正二、中心法则的修正 1970年，美国科学家年，美国科学家Temin和和Baltimore在在RNA肿瘤病毒中发肿瘤病毒中发现反转录酶（现反转录酶（reverse transcriptase）。在病毒感染细胞期间）。在病毒感染细胞期间，以病毒，以病毒RNA为模板，在反转录酶的作用下合成为模板，在反转录酶的作用下合成DNA，然后，然后以这段病毒以这段病毒DNA为模板，互补合成为模板，互补合成RAN，同时以该病毒的，同时以该病毒的mRNA合成蛋白质。且病毒合成蛋白质。且病毒DNA可插入到细胞染色体可插入到细胞染色体DNA中把遗传信息传递下去。中把遗传信息传递下去。 为此，为此，Cri
19、ck（1971）立即撰文对上述直线形中心法则作了）立即撰文对上述直线形中心法则作了修改补充修改补充现在学习的是第28页，共42页中心法测说中心法测说明了遗传信息由明了遗传信息由DNA传向传向DNA，或由，或由DNA传传向向mRNA，然后决定蛋白质特异性的过程。是目前分子遗传，然后决定蛋白质特异性的过程。是目前分子遗传学研究的核心学研究的核心。19571957年年transcriptiontranscriptiontranslationtranslation19711971年年ReverseReversetranscriptiotranscription nregulation现在学习的是第29
20、页，共42页对中心法则的挑战对中心法则的挑战 蛋白质的遗传信息不一定来自核酸蛋白质的遗传信息不一定来自核酸 1.1.以蛋白质为模板的肽链合成。以蛋白质为模板的肽链合成。 2.2.肽链的翻译后加工。肽链的翻译后加工。 切割，糖基化；在切割，糖基化；在C C 端切去一段小肽；原来的端切去一段小肽；原来的N N 端和端和C C 端连接。非端连接。非DNA DNA 信息的加工过程信息的加工过程 3.3.朊病毒。朊病毒。RNA RNA 的信息不完全来自的信息不完全来自DNADNA 模糊基因模糊基因 ：锥虫的：锥虫的cox cox 中中167 167 个位点上个位点上398 398 个个U U 插入插入,
21、9 ,9 个删除个删除. 60%RNA . 60%RNA 编辑编辑gRNA gRNA 现在学习的是第30页，共42页对中心法则的挑战对中心法则的挑战 以蛋白质为模板的肽链合成。以蛋白质为模板的肽链合成。多肽抗生素是细菌产生的抗多肽抗生素是细菌产生的抗生素中的一类，生素中的一类，Lipmann等人（等人（1971）的研究表明，它们的）的研究表明，它们的合成是直接由某些多酶体系来完成的。多肽抗生素肽链中的氨合成是直接由某些多酶体系来完成的。多肽抗生素肽链中的氨基酸序列是由这些酶上所吸附的氨基酸序列所决定的。基酸序列是由这些酶上所吸附的氨基酸序列所决定的。 肽链的翻译后加工。肽链的翻译后加工。按照按
22、照mRNA分子上的碱基排列顺序合成分子上的碱基排列顺序合成的新生肽，即使有了确定的氨基酸序列，还不是蛋白质，它们必的新生肽，即使有了确定的氨基酸序列，还不是蛋白质，它们必须经过二硫键的形成、甲基化作用、羟基化作用、糖基化作用、须经过二硫键的形成、甲基化作用、羟基化作用、糖基化作用、肽链的折叠、亚基的组装等复杂的加工过程才能形成特定的由一肽链的折叠、亚基的组装等复杂的加工过程才能形成特定的由一级结构决定的三维结构，并成为有活性的蛋白质，也就是说遗传级结构决定的三维结构，并成为有活性的蛋白质，也就是说遗传信息由多肽（信息由多肽（polypeptide）传向蛋白质（）传向蛋白质（protein）。）
23、。现在学习的是第31页，共42页模糊基因 细胞内对RNA的加工可以改变mRNA的密码子，使一些原本无意义的mRNA转变为有意义的mRNA，并能产生具有一定功能的蛋白质。而这些mRNA的基因原本是意义模糊的序列，是不能产生蛋白质的，这样的序列称为模糊基因或隐秘基因（cryptogene）。现在学习的是第32页，共42页三、三、DNA作为遗传物质的优点作为遗传物质的优点 DNA作为遗传物质有许多优点，其中最主要的是： 信息量大可以微缩（一个1kb的基因，其可能的核苷酸排列顺序有4100种，而直径10亿光年的宇宙，其体积不过1084cm3或101083） 表面互补、电荷互补，双螺旋结构说明了精确复制
24、的机理 核糖的2脱氧，在水溶液中稳定性好(不存在自有-OH，不被水解，pH 79稳定)现在学习的是第33页，共42页 可以突变，以求进化 有T无U，基因组得以增大，而无C脱氨基成U带来的潜在危险以胸腺嘧啶T取代尿嘧啶U是DNA生物有别于RNA生物的重大步骤。胞嘧啶C经氧化脱氨基就成为U。假如DNA和RNA一样，没有T而只有U，那由C脱氨基变来的U和原有的U就无法区别由于DNA中有T无U，所以DNA基因组可以大幅度扩增，生物体结构得以进化到高级复杂的程度，才有可能出现人类。现在学习的是第34页，共42页Why does DNA contain T rather than U?NCHCOHNCHC
25、OCNH2NNCHCOCHcytosineuracilH2OCytosine deaminates non-enzymatically to form uracil. If this happens in DNA, it constitutes a mutation. A proof-reading system recognize the error, and replaces the U by C.Deamination of cytosine is of little consequence in RNA, which is not the permanent repository of
26、 genetic information.现在学习的是第35页，共42页第七节第七节 RNA作为遗传物质作为遗传物质 RNA酶集信息传递作用和酶学催化作用于一身，很可能酶集信息传递作用和酶学催化作用于一身，很可能是最初的遗传物质。在这个基础上，一个由是最初的遗传物质。在这个基础上，一个由RNA世界到世界到RNA蛋白质世界，由蛋白质世界，由RNA蛋白质世界到蛋白质世界到DNA世界的进化世界的进化图景，已被科学界广泛接受图景，已被科学界广泛接受. RNA作为最初遗传物质的设想，仍然有许多疑难。其中作为最初遗传物质的设想，仍然有许多疑难。其中RNA本身的起源问题，根据有机化学家的意见，模拟的前生本身
27、的起源问题，根据有机化学家的意见，模拟的前生物条件（物条件（prebiotic condition）下，合成核糖并非易事；）下，合成核糖并非易事；即使有了核糖，即使有了核糖，D-核糖和碱基一起加热，得到的是核糖和碱基一起加热，得到的是-核核糖核苷，而不是糖核苷，而不是RNA中的中的-核糖苷等等，但目前没有更好核糖苷等等，但目前没有更好的解释的解释 迄今已知的迄今已知的RNA生物，都是基因组小，结构简单的生生物，都是基因组小，结构简单的生物。物。现在学习的是第36页，共42页 由U转变为T的代谢途径已经研究清楚，这条代谢途径充分说明U的出现在先，T在后，DNA中以T代U的进化历程尚不清楚，因为没
28、有发现中间类型 迄今已知唯一含U的DNA生物是枯草杆菌噬菌体PBS1，其基因组相当大。自发现迄今已30余年，是实验室常用的转导噬菌体，其遗传稳定，唯一例外的是经常出现清亮噬菌斑，不知是否是由于C脱氨基成为U之故。现在学习的是第37页，共42页烟草花叶病毒（Tobacco Mosaic Virus, TMV） 象大多数植物病毒一样，TMV由蛋白质和核糖核酸（RNA）构成。化学技术可把完整的TMV病毒分成RNA和蛋白质两部分 实验确证TMV的病毒蛋白在感染中不起遗传作用，从而确证遗传信息的载体是病毒的核酸成分，而非蛋白质成分。现在学习的是第38页，共42页第八节第八节 蛋白质可作为遗传物质？蛋白质
29、可作为遗传物质？(Protein as the Genetic Material ?) 蛋白质因其缺乏遗传表面，而且遗传嗅觉不蛋白质因其缺乏遗传表面，而且遗传嗅觉不灵敏，不能作为遗传物质，早已成为定论。灵敏，不能作为遗传物质，早已成为定论。Prion（传染蛋白质颗粒）问题对此带来一片（传染蛋白质颗粒）问题对此带来一片疑云，把羊疯痒病疑云，把羊疯痒病(scrapie)、牛海绵状脑炎、牛海绵状脑炎、人人kuru病等构象病的病因子定名为病等构象病的病因子定名为prion, 为为的是和类病毒、拟病毒相区别。的是和类病毒、拟病毒相区别。是一种蛋白是一种蛋白侵染因子。侵染因子。 病毒病毒virus：一类超
30、显微的，无细胞结构的，：一类超显微的，无细胞结构的，专性活细胞内寄生的分子生物。专性活细胞内寄生的分子生物。现在学习的是第39页，共42页 类病毒类病毒 (Viroid):是一个裸露的是一个裸露的没有衣壳包裹的没有衣壳包裹的闭合环状闭合环状RNA分分子，它能感染寄主并在其中进行自我复制使寄主产生病症。子，它能感染寄主并在其中进行自我复制使寄主产生病症。 拟病毒拟病毒virusoids :也称为类类病毒，它是一种环状单链也称为类类病毒，它是一种环状单链RNA。它的侵染对象是植物病毒。被侵染的植物病毒被称为辅助病它的侵染对象是植物病毒。被侵染的植物病毒被称为辅助病毒，拟病毒必须通过辅助病毒才能复制
31、。单独的辅助病毒或毒，拟病毒必须通过辅助病毒才能复制。单独的辅助病毒或拟病毒都不能使植物受到感染。拟病毒都不能使植物受到感染。 朊病毒朊病毒prion, virino：一类能侵染动物并在宿主细胞内复制：一类能侵染动物并在宿主细胞内复制的小分子无免疫性的疏水性蛋白。的小分子无免疫性的疏水性蛋白。 它能引起人和动物的神经它能引起人和动物的神经软化病，如人类的软化病，如人类的Kuru病、牛的疯牛病等。在该病毒的感染病、牛的疯牛病等。在该病毒的感染过程中，遗传信息可以从蛋白质传向蛋白质。这与中心法则的过程中，遗传信息可以从蛋白质传向蛋白质。这与中心法则的蛋白质不能输出信息的概念是矛盾的。蛋白质不能输出
32、信息的概念是矛盾的。亚病毒亚病毒现在学习的是第40页，共42页 Prion蛋白（蛋白（prion related protein，简称，简称PrP）由宿主的基）由宿主的基因编码因编码 人人PrP基因位于基因位于20号染色体的短臂，鼠号染色体的短臂，鼠PrP基因位于基因位于2号染号染色体，健康人、畜的色体，健康人、畜的PrPc分子量为分子量为3335kDa，它对蛋白酶，它对蛋白酶敏感、无传染性敏感、无传染性 而病人、病畜而病人、病畜PrPsc的的N端比端比PrPc约少约少67氨基酸，分子量氨基酸，分子量2730kDa，抗蛋白酶，有传染性，迄今未见，抗蛋白酶，有传染性，迄今未见prion内有常量内
33、有常量核酸核酸 用种种降解核酸的办法提取传染性颗粒，传染性不会下用种种降解核酸的办法提取传染性颗粒，传染性不会下降。据计算，即使残留核酸也不会超过降。据计算，即使残留核酸也不会超过80个核苷酸，此个核苷酸，此病潜伏期有长、短之分，有种属屏障，有不同的株系。病潜伏期有长、短之分，有种属屏障，有不同的株系。潜伏期长短之不同，由突变氨基酸所处位置和突变性质潜伏期长短之不同，由突变氨基酸所处位置和突变性质而定。而定。现在学习的是第41页，共42页 从十几年的研究结果来看，从十几年的研究结果来看，PrPc转变为转变为PrPsc是由于翻译后修是由于翻译后修饰之故。饰之故。PrPc有有-螺旋而无螺旋而无-片
34、层，片层，PrPsc则多则多-片层；片层；PrPsc的的N端剪短，增加端剪短，增加-片层，但无损于传染性。片层，但无损于传染性。 PrPsc构象的不同是否和株系不同有关，仍有待研究构象的不同是否和株系不同有关，仍有待研究 PrPc的原有功能不明。将小鼠编码的原有功能不明。将小鼠编码PrPc的基因敲掉（的基因敲掉（knock out），然后用传染性蛋白质颗粒侵染，小鼠健康，无疯痒病），然后用传染性蛋白质颗粒侵染，小鼠健康，无疯痒病症；症；PrPc基因正常的小鼠，经传染性颗粒侵染后，半年内统统基因正常的小鼠，经传染性颗粒侵染后，半年内统统死亡。此实验充分证明死亡。此实验充分证明PrPsc确由确由PrPc译后修饰而来，也排除译后修饰而来，也排除了微量外源核酸的作用问题。了微量外源核酸的作用问题。现在学习的是第42页，共42页