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1、第三讲 相关基础知识,周坤福,一、生物大分子,通常将所有的生物分子简单地分为两类：一类是小分子，即为简单的单体物质；另一类是大分子，一般为多聚化合物。,1、生命物质的十三个层次,量子小分子生物大分子 生物大分子聚合体细胞器细胞“系” 细胞组织器官系统个体种群生态系,2、生物大分子,是指生物体内由分子量较低的基本结构单位首尾相连形成的多聚化合物。如核酸是由核苷酸与核苷酸相连而构成的，蛋白质的多肽链是由氨基酸与氨基酸相连而成。基本结构单位的排列顺序构成了生物大分子的一级结构，在此基础上可形成复杂的空间结构。核酸、蛋白质和多糖都属于生物大分子范畴。核酸与蛋白质的结构与功能是分子水平生命活动的基础，分
2、子生物学的研究内容基本上围绕核酸与蛋白质展开的。,3、生物大分子聚合体,如核蛋白、糖蛋白、脂蛋白,4、细胞“系”,遗传信息流、膜流、能流、以受体为主的通讯流等。,复制（replication） 以DNA为模板,按碱基互补配对原则,聚合成新的DNA链的过程。,二、DNA复制的特点,1、DNA的半保留复制,半保留复制（semiconservative replication）即新的双链DNA中，一股链来自模板，一股链为新合成的。,实验依据,2002年10月，在由权威的美国生物科学杂志组织的一次评选中，梅塞尔森和斯塔尔的半保留复制实验当选为有史以来生物学领域“最美丽”的一项实验。,半保留复制的意义,
3、复制的这种方式可保证亲代的遗传特征完整无误的传递给子代，体现了遗传的保守性。,DNA复制的一般过程,即DNA复制时一条链是连续合成的，另一条是不连续分段合成最后才连接成长链。由于DNA双链方向相反，当双链以复制的起点解开形成复制叉时，3端位于复制起点的模板链合成新链是从5向3发展，是DNA聚合酶前进的方向，故可以连续合成，而5端位于复制起点的模板链，由于缺乏3向5走向的DNA聚合酶不可能合成连续新链，只能以不连续的方式分段进行。此连续合成的新链其合成方向与复制叉前进方向一致，称领头链，分段合成的短链称冈崎片段，其合成方向与复制叉前进方向相反，称为随从链。,复制起始点（origin of rep
4、lication）常用ori或O表示。细胞中的DNA复制一经开始就会连续复制下去，直至完成细胞中全部基因组DNA的复制 复制子或复制单元：NDA复制从起始点直到终点为止，每个这样的DNA单位称复制子。原核细胞中，每个DNA分子只有一个复制起始点，因而只有一个复制子；真核生物中，复制是从许多起始点同时开始的，所以每个DNA分子上有许多个复制子,大肠杆菌的DNA复制,定点开始双向复制,这是原核与真核生物DNA复制最主要的形式,三、DNA损伤与修复,（一） DNA的损伤（DNA damage）指一个或多个脱氧核苷酸的构成、复制或表型功能的异常变化，也称DNA损伤，又称突变（mutation） 突变的
5、结果引起遗传信息的改变。1、DNA分子的自发性损伤 （1）DNA复制中的错误 （2）DNA的自发性化学变化：碱基的异构互变、碱基的脱氨基作用、脱嘌呤与脱嘧啶、碱基修饰与链断裂 2、物理因素引起的DNA损伤,（1）紫外线引起的DNA损伤,（2）电离辐射引起的DNA损伤 3、化学因素引起的DNA损伤 （1）烷化剂对DNA的损伤 （2）碱基类似物、修饰剂对DNA的损伤,（二）DNA损伤的后果,1、点突变：指DNA上的单一碱基的变异（转换：嘌呤与嘌呤、嘧啶与嘧啶；颠换：嘌呤与嘧啶或嘧啶与嘌呤） 2、缺失：指DNA链上一个或一段核苷酸的消失 3、插入：指一个或一段核苷酸插入到DNA链中 4、倒位或转位：
6、指DNA链重组使其中一段核苷酸链方向倒置、或从一处迁移到另一处 5、双链断裂,（三）DNA修复,1、回复修复 这是较简单的修复方式，一般都能将DNA修复到原样,（1）光修复,最早发现的DNA修复方式，由细菌中的光解酶完成。后发现类似的修复酶广泛存在于动植物中，人体细胞中也有发现。,（2）单链断裂的重接 （3）碱基的直接插入 （4）烷基的转移,2、切除修复,是修复DNA损伤最为普遍的方式，对多种DNA损伤都能起修复作用。普遍存在于各种生物细胞中，也是人体细胞主要的DNA修复机制,切除修复：先切除DNA损伤序列，再合成补充切除的片段,3、重组修复,切除错误片段，自另一条复制好的链中找相应片段补充。
7、反应需要RecA等蛋白参与。,4、SOS修复,是指DNA受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种DNA修复方式，修复结果只是能维持基因组的完整性，提高细胞的生成率，但留下的错误较多，故又称为错误倾向修复，使细胞有较高的突变率。此系统由十几个修复蛋白组成。,（四）基因突变,是指由于DNA碱基对的置换、增添或缺失而引起的基因结构的变化。 1、自发突变：在自然条件下发生 2、诱发突变：人工利用物理或化学药剂诱发 根据基因结构的改变方式分为：碱基置换突变和移码突变 根据遗传信息的改变方式分为：同义突变、错义突变、无义突变,四、转录、复制、翻译,1、转录 转录是以DNA的一股为模板合成一条互补RNA
8、的过程。以下是一个例子：,DNA的两股在转录过程中扮演不同的角色，因此需要加以区别。做为模板的一股称为模板股(template strand)、负股(minus strand)或反义股(antisense strand)；另外一股叫做非模板股(non-template strand)、正股(plus strand)、意义股(sense strand)或密码股(coding strand)。转录后的RNA序列与DNA的密码股相同，只不过DNA的T被取代成U。,(2)解开DNA的双螺旋。负责解开双螺旋的酶是解螺旋酶(helicase)。原核生物的RNA聚合酶具有解螺旋酶的功能，但是真核生物的RNA
9、聚合酶没有，其DNA的双螺旋系由特定的转录因子解开。,转录的整个过程至少需包含以下步骤： (1)聚合酶来到转录起点附近。DNA里隐含转录起点的序列称为启动子（promoter）。原核生物的RNA聚合酶可以直接辨认启动子，真核生物的RNA聚合酶则需藉助於转录因子(transcription factor)。,DNA溶解（解开双螺旋）的概要图示。(a)转录前的DNA。(b)转录中,(3)以DNA的一股为模板合成RNA，所用的原料是核苷三磷酸(nucleoside triphosphates, NTPs)。 (4)终止转录。真核生物和原核生物利用不同的信号终止转录。（注：遗传密码的终止密码子代表肽链
10、合成的终止，并非转录的终止）。 在真核生物里，与DNA结合的组蛋白会阻碍RNA聚合酶和DNA的作用，因此需要其他转录因子来应付此种情况。,转 录,RNA转录,是以一条全序列负链RNA为模板，指导合成几条较短的正链RNA（即mRNA）的过程称RNA，如疱疹性口炎病毒（）RNA可转录出5种单顺反子mRNA，进而翻译出5种蛋白质。,2、复制,分DNA复制与RNA复制，前者如上述。后者是指以RNA为模板，在RNA指导的RNA聚合酶（也称RNA复制酶）催化下合成互补的RNA链的过程。（）RNA病毒（如流感病毒、狂犬病毒）或双链RNA病毒都能进行复制。,3、翻译：以mRNA为模板合成肽链的过程称翻译。4、
11、逆转录：以mRNA为模板，在逆转录酶的作用下利用宿主细胞中4种dNTP为原料在引物的3端以53方向合成与RNA互补的DNA链（cDNA）的过程称逆转录。,复制、转录与逆转录的区别,首先是原料不同；酶不同；摸版不同；生成物不同。别的还有调控方式，参与的因子等不同,五、转录的基础,1、转录单位：指RNA聚合酶作用的起始点与终止位点之间的DNA顺序 2、转录子：指2个或2个以上紧密连锁并共同转录一种mRNA分子的结构基因组成的复合单位。只存在于原核生物中。,启动子等,基因1,基因2,基因3,终止子,转录子,转录单位,结构基因,3、启动子(promoter)：,又称启动基因，是DNA模板上专一地与RN
12、A聚合酶结合并决定转录从何处起始的部位，也决定基因的转录效率。生物中有许多启动子，如大肠杆菌约有2000个启动子。各启动子的效率可不相同，大肠杆菌的强启动子每2秒钟启动一次转录，而弱启动子每10分钟才启动一次，从百多个大肠杆菌启动子结构的分析，得知两个强启动子的同源序列的中心在转录起始部位(基因编码链上第一个核苷酸) 5侧约10和35个核苷酸处，弱启动子序列中往往有多处核苷酸被置换。许多原核生物都含有这两个重要的启动子区：真核生物的启动子部位与原核生物不同，而且启动转录的活性，除需启动子外，还需某些外加序列,4、DNA指导的RNA聚合酶,催化NTP合成与模板互补的RNA,RNA 聚 合 酶 所
13、 催 化 的 反 应 。,大肠杆菌的RNA聚合酶含有五个亚单元：a两个，b、b及各一个。 真核生物的RNA聚合酶有三种：Pol I、Pol II及Pol III。其中最主要的是Pol II，参与所有蛋白质基因以及大部分snRNA基因的转录。Pol I位於细胞核的核仁，负责合成5S以外的rRNA。Pol III位於核仁外，负责合成tRNA、5S rRNA、U6 snRNA及一些小RNA(如7SL、7SK、7SM 等)。这三种聚合酶各由十几个亚单元组成，其中四个与大肠杆菌RNA聚合酶的a、b和b类似。不过，真核生物的RNA聚合酶并不包含类似因子的亚单元。它需藉助於一般性转录因子才能来到启动子区域，
14、发挥聚合酶的功能。,5、终止子,终止子是DNA分子中终止转录的核苷酸序列。而终止密码子是作为翻译终止的信号，在下图中，DNA分子下面一条被从左到右转录，从画线DNA转录来的RNA片段形成发夹环，因为两框中核苷酸含有互补碱基顺序，这就迫使DNA/RNA杂交区域裂开，因而随后包括氢链结合较弱的多聚腺苷酸和尿嘧啶mRNA分子就从这个位置脱离下来。,6、增强子,是能够增强与之相连锁的基因转录活性的调控序列(顺式作用元件)，其本身不具备启动子的活性。,转录单位,200bp,包括2个72bp的重复序列,删除,转录活性下降,与克隆化和兔珠 蛋白基因共价结合,转染Hela细胞,珠蛋白基因的表达比对照组增加20
15、0倍,增强子实验（1978Reddy等最早发现，后证实在真核细胞基因中也普遍存在）,增强子的作用特征：,与启动子的相对位置和取向无关，具有远程效应（只要共处一条DNA分子上）；需要特定的蛋白因子参与；有些能在几乎所有类型细胞中发挥作用，而大多数具有相对组织特异性。,六、转录调控元件与因子,1、顺式作用元件：为与结构基因串联的DNA顺序，它们对基因转录的精确起始和活性调节起着十分重要的作用。如启动子、增强子等。 2、反式作用因子：是分布于不同或相同染色体上基因所编码的蛋白质因子，通过顺式作用元件和RNA聚合酶的相互作用而调节基因转录的活性。,七、基因扩增的概念,在某些情况下，真核细胞DNA分子的
16、一定顺序反复进行复制，而其它部分不复制，这种现象称为基因扩增。（两栖类的卵母细胞中多见）它是通过改变基因数量而调节基因表达产物的一种调节方式。,八、DNA探针,是指一段有标记的与已知的DNA互补的DNA片段。 基因探针（probe）就是一段与目的基因或DNA互补的特异核苷酸序列，它可以包括整个基因，也可以仅仅是基因的一部分；可以是DNA本身，也可以是由之转录而来的RNA。具有可检测的标记。,探针的来源,DNA探针根据其来源有3种： 一种来自基因组中有关的基因本身，称为基因组探针（genomic probe）； 另一种是从相应的基因转录获得了mRNA，再通过逆转录得到的探针，称为cDNA 探针（cDNA probe）。与基因组探针不同的是，cDNA探针不含有内含子序列。 此外，还可在体外人工合成碱基数不多的与基因序列互补的DNA片段，称为寡核苷酸探针。,
