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1、遗传的物质基础 Molecular Nature of Genes欧阳红生动物生物技术系吉林大学动物科学学院Email:Tel:0431-87836175Chapter 2 Molecular Nature of GenesCopyright2013byOuyangHongsheng.Allrightsreserved.第二章第二章 遗传的物质基础遗传的物质基础遗传的物质基础 Molecular Nature of Genes主要内容：遗传物质的本质核酸的化学组成DNA的二级结构二级结构的其他形式细胞分裂-有丝分裂和减数分裂染色体畸变遗传的物质基础 Molecular Nature of Ge
2、nes第二章 遗传的物质基础第一节遗传物质的本质一、DNA是遗传物质1.核酸是遗传信息的载体2.核酸的发现1968年，瑞士科学家F.Miescher从外科绷带上的脓细胞核中首次分离到。遗传的物质基础 Molecular Nature of GenesFriedrich Miescher1879 picture of the laboratory where Miescher isolated nuclein. The lab was run by Felix Hoppe-Seyler, and located in the vaults of an old castle. F.Miescher
3、从外科绷带上脓细胞的细胞核中分离出了一种有机物质，它的含磷量之高超过任何当时已经发现的有机化合物，并且有很强的酸性。由于这种物质是从细胞核中分离出来的，当时就称它为核素(nuclein)。Miescher所分离到的核素就是我们今天所指的脱氧核糖核蛋白。遗传的物质基础 Molecular Nature of Genes因为遗传物质是通过表达多种多样的蛋白质实现其功能的，而早期人们错误地认为遗传物质的结构必然与其表达的蛋白质的结构同样复杂，所以在很长一段时间内人们认为，只有蛋白质才具有足够的多样性来确定其它的蛋白质，直到人们意识到遗传物质携带的是以密码形式存在并确定蛋白质的遗传信息时，才抛弃了这个
4、错误的看法。遗传物质是蛋白质？遗传的物质基础 Molecular Nature of Genes第一节遗传物质的本质一、DNA是遗传物质1.核酸是遗传信息的载体2.核酸的发现1968年，瑞士科学家F.Miescher从外科绷带上的脓细胞核中首次分离到。3.证明DNA是遗传物质的两个实验(1)肺炎球菌转化实验1928年Griffith遗传的物质基础 Molecular Nature of Genes遗传的物质基础 Molecular Nature of Genes第一节遗传物质的本质一、DNA是遗传物质1.核酸是遗传信息的载体2.核酸的发现1968年，瑞士科学家F.Miescher从外科绷带上的
5、脓细胞核中首次分离到。3.证明DNA是遗传物质的两个实验(1)肺炎球菌转化实验1928年Griffith(2)噬菌体感染实验1944年Avery遗传的物质基础 Molecular Nature of Genes遗传的物质基础 Molecular Nature of Genes第一节遗传物质的本质一、DNA是遗传物质1.核酸是遗传信息的载体2.核酸的发现3.证明DNA是遗传物质的两个实验(1)肺炎球菌转化实验1928年Griffith(2)噬菌体感染实验1944年Avery4.1950年以前，流行四核苷酸结构学说，认为核酸分子由等摩尔的4种核苷酸组成，因此核酸不大可能有重要功能。仍认为蛋白质是转
6、化因子。遗传的物质基础 Molecular Nature of Genes第一节遗传物质的本质一、DNA是遗传物质1.核酸是遗传信息的载体2.核酸的发现3.证明DNA是遗传物质的两个实验4.1950年以前，流行四核苷酸结构学说，认为核酸分子由等摩尔的4种核苷酸组成，因此核酸不大可能有重要功能。仍认为蛋白质是转化因子。5.1950年以后，Chargaff、Markham等应用纸层析及分光光度法测定各种生物DNA碱基组成，认为A=T，G=C，提示了A-T、G-C之间的互补关系。遗传的物质基础 Molecular Nature of Genes第一节遗传物质的本质一、DNA是遗传物质1.核酸是遗传信
7、息的载体2.核酸的发现3.证明DNA是遗传物质的两个实验4.1950年以前，流行四核苷酸结构学说5.1950年以后，Chargaff、Markham等应用纸层析及分光光度法测定各种生物DNA碱基组成，认为A=T，G=C，提示了A-T、G-C之间的互补关系。6.DNA双螺旋结构模型的提出,解释了DNA怎样携带遗传信息,为分子遗传学的研究奠定了基础。遗传的物质基础 Molecular Nature of GenesJamesWatson(L)andFrancisCrick(R)遗传的物质基础 Molecular Nature of Genes第一节遗传物质的本质一、DNA是遗传物质遗传物质必须具有
8、以下特性：（1）贮存并表达遗传信息；（2）能把遗传信息传递给子代；（3）物理和化学性质稳定；（4）有遗传变化的能力。DNA具有上述特性，适合作为遗传物质遗传的物质基础 Molecular Nature of Genes第一节遗传物质的本质一、DNA是遗传物质二、RNA也可以作为遗传物质1.RNA病毒以RNA作为遗传物质2.类病毒以RNA作为遗传物质遗传的物质基础 Molecular Nature of Genes2.类病毒以RNA作为遗传物质（1）类病毒类病毒（viroid）是使高等植物产生疾病的有传染性的因子（agent），是很小的环状RNA分子。（2）类病毒的RNA本身就是一个感染因子类病
9、毒只由RNA组成，其中广泛存在不完全的碱基配对，形成一种特有的棒状结构。能破坏这个棒状结构的突变可降低感染能力。（3）类病毒与病毒遗传性质相同都有可遗传的核酸基因组，类病毒RNA的序列可忠实地传递给它的后代。其核酸可以突变，并决定它们的表型，因此符合遗传物质的标准。遗传的物质基础 Molecular Nature of Genes2.类病毒以RNA作为遗传物质(4)类病毒在结构和功能两方面都与病毒不同类病毒有时被称为亚病毒病原体。(5)类病毒的致病机理类病毒的RNA不亲自编码生存所需要的蛋白质这导致了两个问题，类病毒的RNA是如何复制的？它是如何影响被感染的植物细胞的表型的？类病毒的复制必须由
10、宿主细胞的酶来完成，其RNA可以作为复制模板。类病毒通过复制占有宿主细胞中关键的酶，从而影响细胞正常功能，所以它们通常是致病的。类病毒也能影响必需的细胞RNA的产生导致致病类病毒还可以作为一个不正常的调控分子，对个别基因的表达产生特殊的影响。遗传的物质基础 Molecular Nature of Genes第一节遗传物质的本质一、DNA是遗传物质二、RNA也可以作为遗传物质1.RNA病毒以RNA作为遗传物质2.类病毒以RNA作为遗传物质三、核酸以外的其他遗传物质1.引起羊搔痒病、库鲁病、克-雅氏病和疯牛病的感染性粒子是蛋白质。这种蛋白质样的感染性粒子称为朊病毒(prion)。2.朊病毒蛋白pr
11、ionprotein,PrP遗传的物质基础 Molecular Nature of Genes2.朊病毒蛋白 prion protein, PrP(1)朊病毒蛋白是一个28kDa的疏水性糖蛋白，由宿主细胞核基因编码，在正常的脑中也有表达(2)两种形式的PrP: PrPc和PrPscPrPc:存在于正常脑组织，可以被蛋白酶完全降解。是一个可溶性蛋白质，螺旋含量占40%,没有片层结构。PrPsc：存在于被感染的脑组织，对蛋白酶降解有强的抗性，只能被部分降解，很难溶解，与PrPc一级结构相同。 片层结构占50%,螺旋含量占20%。遗传的物质基础 Molecular Nature of GenesPr
12、Pc的结构和功能PrPc的基因及其表达组织(1)PrPc的编码基因定位小鼠位于2号染色体，人类位于20号染色体(2)PrPc表达组织表达于神经元、神经胶质细胞、小胶质细胞、肌细胞、白细胞等多种细胞类型。PrPc在细胞中的定位(亚细胞定位)(1)PrPc以一个糖基磷脂酰肌醇(GPI)锚定于细胞膜糖基磷酰肌醇(GPI)锚被唾液酸修饰，其作用是允许PrPc在胞膜磷脂双层中活动，从而使蛋白质从一个细胞易位到另一个细胞成为可能。(2)PrPc定位于细胞膜表面的过程在PrPc到达细胞膜表面前，负责进入内质网的信号肽和GPI化的C端信号肽被切除。PrPc的化学结构之一：糖基化性质(1)糖基化位点PrPc的C
13、端部分含有两个N糖基化位点，糖基化发生于天冬酰胺残基。(2)N糖链的作用N-糖链的大小可能几乎完全遮盖了蛋白质的两个垂直面，从而可保护蛋白质表面的大部分区域避免发生蛋白质蛋白质相互作用和免受蛋白酶的“盲目作用”,即使蛋白酶的作用限定于特定位点。(3)糖成分PrPc至少包含52种不同的糖成分。用叙利亚仓鼠进行研究时发现，PrPc和PrPsc所含糖的种类相同，只是后者三天线糖和四天线糖的比例增加。(Biochem,40(13):3759,2001)PrPc的化学结构之二：螺旋结构PrPc以螺旋结构为主。人和鼠PrPc均可在Cys179和Cys214之间形成一个二硫键，这个二硫键将蛋白质连接在一起，
14、从而在蛋白质的的三维结构中形成相分隔的螺旋。(EurJBiochem,268(13):767,2001)PrPc的生理功能之一：神经系统中的作用一PrPc可能参与神经系统功能的维持在所有细胞类型中，以神经元表达PrPc水平最高，且PrPc高度富集于突触处，表明PrPc对神经系统有特殊的重要性。PrPc缺失虽不引起肉眼可见的行为和发育障碍，但在整体动物水平来看可导致与昼夜节律有关的行为异常。在神经系统水平，PrPc缺失可导致电生理参数方面的改变。PrPc的生理功能之二：神经系统中的作用二PrPc可能通过抗氧化途径而保护神经系统细胞免受氧损伤在PrPc通过与铜原子形成复合物而发挥抗氧化活性。PrP
15、c借其八肽重复区最多可结合4个铜原子，结合后形成的复合物具有抗氧化活性，从而保证细胞免受氧化损伤。PrPc的生理功能之三：可能参与淋巴细胞的信号转导PrPc的生理功能之四：可能参与核酸代谢遗传的物质基础 Molecular Nature of Genes2.朊病毒蛋白 prion protein, PrP(1)朊病毒蛋白是一个28kDa的疏水性糖蛋白，由宿主细胞核基因编码，在正常的脑中也有表达(2)两种形式的PrP: PrPc和PrPsc(3)感染性的PrPsc 与内源性的PrPc共同作用引起疾病PrPSC本身不足以产生疾病，PrPsc只有产生于细胞内或者进入一个已经表达PrPC的细胞时才有毒
16、性，然后才能导致疾病的发生，缺少PrP基因的鼠不能被感染并发病，证明了PrPC对疾病的发生是必不可少的。(4) PrPc参与感染发生的实验依据:两个鼠细胞株编码PrPc基因的两个位点存在差异，导致对朊病毒的感染时间的长短是不同的。遗传的物质基础 Molecular Nature of Genes2.朊病毒蛋白 prion protein, PrP(1)朊病毒蛋白是一个28kDa的疏水性糖蛋白，由宿主细胞核基因编码，在正常的脑中也有表达(2)两种形式的PrP: PrPc和PrPsc(3)感染性的PrPsc 与内源性的PrPc共同作用引起疾病(4) PrPc参与感染发生的实验依据(5)朊病毒感染的宿主专一性和种间障碍的现象表明PrPc和PrPsc的相互作用可能介导了感染的转化遗传的物质基础 Molecular Nature of Genes(5)朊病毒感染的宿主专一性和种间障碍的现象表明PrPc和PrPsc的相互作用可能介导了感染的转化(1)种间障碍是指一种生物对另一种生物产生的朊病毒的感染有抗性。(2)两个证据：A.通常鼠对仓鼠的朊病毒抗性，但通过转基因方法引入了仓鼠的PrP基因后，鼠就
