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1、第三章第三章 遗传信息的传递遗传信息的传递DNA 是遗传物质是遗传物质DNA的复制的复制转录与反转录转录与反转录蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成基因表达调控基因表达调控遗传信息的传递遗传信息的传递中心法则中心法则DNA复制RNAProtein转录反转录翻译中心法则中心法则遗传信息传递的规律遗传信息传递的规律( (复制、转录、翻译复制、转录、翻译).).复复制制 转录转录 翻译翻译 DNA RNA 蛋白质蛋白质 mRNA tRNA 反转录反转录 rRNA 转录、翻译转录、翻译 RNA（病毒病毒） 蛋白质（病毒）蛋白质（病毒） 复复制制第二节第二节 DNA的复制的复制第一节第一节 遗传物质是遗传物
2、质是DNA一、肺炎双球菌的转化实验一、肺炎双球菌的转化实验. 1928年，格里菲思用两种不同类型的 肺炎双球菌 去感染小鼠。菌落光滑（菌落光滑（Smooth）有多糖荚膜有多糖荚膜 有毒性有毒性多糖荚膜S型细菌S菌落粗糙（菌落粗糙（Rough)无多糖荚膜无多糖荚膜 无毒性无毒性RR型细菌7Griffiths Mystery (1828)S. pneumoniae (pneumococci) Smooth w. capsule Rough w/o capsule Griffiths hypothesis: Living R cells became virulent due to acquirem
3、ent something from dead S cells, which led to synthesis of capsule(荚膜).一、肺炎双球菌的转化实验一、肺炎双球菌的转化实验实验结论实验结论活活R+有毒有毒S型死细菌型死细菌小鼠死亡小鼠死亡有毒有毒S型死细菌型死细菌小鼠正常小鼠正常 有毒有毒S型活细菌型活细菌小鼠死亡小鼠死亡 无毒无毒R型活细菌型活细菌小鼠正常小鼠正常第一第一组第三组第三组Textinhere第二组第二组第四组第四组S型细菌中有一种“转化因子”能使R型活细菌转化为S型活细菌。、19281928年，格里菲斯年，格里菲斯年，格里菲斯年，格里菲斯S型活细菌型活细菌实验
4、结论实验结论多多糖糖蛋白蛋白质DNA“转化因子”是S 型细菌的DNA R型细菌型细菌R型细菌型细菌寻觅“转化因子”实验设计.1944.1944.1944.1944年，埃弗里年，埃弗里年，埃弗里年，埃弗里S型活细菌型活细菌+R型细菌型细菌R型细菌型细菌R型细菌型细菌S型细菌型细菌R型细菌型细菌10lAvery OT et al. Studies on the chemical nature of the substrance inducing transformation of pneumococcal types. J. Exp. Med. 1944, 79:137-158纯化了“转化因子”，
5、其高活性组分主要是DNADNA is genetic materialDNA is genetic materialOswald T. Avery(1877-1955)Maclyn McCarty(1911-)Rockefeller Research Institute但当时认为：但当时认为：DNA语言比蛋白质语言贫乏语言比蛋白质语言贫乏DNA语言：语言：4Nt蛋白质语言：蛋白质语言：20aa11Oswald T. Avery (1877-1955)Rockefeller Research InstituteAvery在在20世纪世纪30年代、年代、40年代、年代、50年代，抗原及年代，抗原及
6、DNA的研究多次获诺贝尔奖提名。但是，有一位评审委的研究多次获诺贝尔奖提名。但是，有一位评审委员近乎固执地认为，遗传物质存在于蛋白质中，员近乎固执地认为，遗传物质存在于蛋白质中，DNA只只是遗传物质存在的框架而已。是遗传物质存在的框架而已。1944年，年，66岁的艾弗里发表了一篇令人信服的岁的艾弗里发表了一篇令人信服的DNA论论文，代表了他学术生涯的最高水平，由于多位文，代表了他学术生涯的最高水平，由于多位诺贝尔诺贝尔奖者的肯定，奖者的肯定，20世纪世纪50年代，艾弗里很有可能获年代，艾弗里很有可能获得诺贝尔奖，但他得诺贝尔奖，但他1955年去世。年去世。12The Hershey-Chase
7、 Blender Experiment (1952)二二、噬菌体侵染细菌实验、噬菌体侵染细菌实验13The Hershey-Chase Blender Experiment (1952)同位素标记法同位素标记法蛋白质的组成元素蛋白质的组成元素：DNA的组成元素的组成元素：C、H、O、NC、H、O、N（标记 35S ）（标记 32P）SP1 1. . 用放射性同位素用放射性同位素3535S S 标记噬菌体标记噬菌体 蛋白质外壳蛋白质外壳子代噬菌体子代噬菌体35S噬菌体侵染细菌时，蛋白质外壳留在外面，没有进入到细菌中。实验表明实验表明子代无35S亲代噬菌体亲代噬菌体大肠杆菌体内无35S2. 2.
8、用用 放射性同位素放射性同位素3232P P 标标记噬菌体内部记噬菌体内部 DNADNA32P子代噬菌体子代噬菌体实验表明实验表明 噬菌体侵染噬菌体侵染细菌菌时，DNA 进入入到到细菌中。菌中。亲代噬菌体亲代噬菌体子代有 32P大肠杆菌体内有 32P17Max Delbrck (1906- 1981)GermanyAlfred D. Hershey(1908- 1997)USASalvador E. Luria(1912-1991)Italy Evidence for “DNA is genetic material” The Nobel Prize in Physiology or Medi
9、cine 1969for their discoveries concerning the replication mechanism and the genetic structure of viruses 18 JamesWatson,Ph.D., Nobel LaureateFeb. 28, 2013第二节第二节 DNA的复制的复制DNADNA的生物学功能的生物学功能 ：核酸是生物遗传的物质基础核酸是生物遗传的物质基础, ,蛋白质是生命活蛋白质是生命活动的体现者动的体现者1、 储存遗传信息：储存遗传信息：、复制遗传信息：、复制遗传信息：、表达遗传信息：、表达遗传信息： 、遗传变异：、遗传
10、变异： 细胞的有丝分裂细胞的有丝分裂G1期：期：DNA合成前期合成前期S期：期：DNA合成期合成期G2期：期：DNA合成后期合成后期M期：有丝分裂期期：有丝分裂期第二节第二节 DNA的复制的复制 亲代双链亲代双链DNADNA分子在分子在DNADNA聚合酶聚合酶的作用的作用下，分别以每单链下，分别以每单链 DNADNA分子为分子为模板模板，聚，聚合与自身碱基可以合与自身碱基可以互补配对互补配对的游离的的游离的dNTPNTP，合成出两条与亲代合成出两条与亲代DNADNA分子完全分子完全相同的子代相同的子代DNADNA分子的过程。分子的过程。复制方式复制方式参与物质参与物质一般过程一般过程复制方式复
11、制方式半保留复制半保留复制（Semiconservative replication）在在DNA复制时，双螺旋中的每一条链都可以作复制时，双螺旋中的每一条链都可以作为模板，按照碱基互补配对的原则合成一条互为模板，按照碱基互补配对的原则合成一条互补新链。两个子代双链补新链。两个子代双链DNA分子中，一条链是分子中，一条链是新合成的，另一条来自亲代新合成的，另一条来自亲代DNA分子，即子代分子，即子代DNA分子双链中保留了一条亲本链，这种复制分子双链中保留了一条亲本链，这种复制方式称为半保留复制。方式称为半保留复制。DNA的半保留复制的半保留复制ATCGATCGTAGCTAGCATCGTAGCAT
12、CGTAGCDNADNA半保留复制的证据半保留复制的证据19581958年，年，MeselsonMeselson和和SthahlSthahl利用利用1414N N标记大肠标记大肠杆菌杆菌DNADNA的实验；的实验；19631963年，年，CairnsCairns用放射自显影观察到完整的用放射自显影观察到完整的正在复制的大肠杆菌染色体正在复制的大肠杆菌染色体. .19571957年年TaylorTaylor将蚕豆苗放在含将蚕豆苗放在含3 3H H标记的胸苷标记的胸苷培养液中生长，使培养液中生长，使DNADNA都标上都标上3 3H H，然后转人正，然后转人正常培养液中生长。分离各代细胞的染色体并常
13、培养液中生长。分离各代细胞的染色体并作放射自显影，所得结果表明，真核生物作放射自显影，所得结果表明，真核生物DNADNA也是按半保留方式进行复制的。也是按半保留方式进行复制的。 DNADNA半保留复制的证据半保留复制的证据19581958年，年，MeselsonMeselson和和SthahlSthahl利用利用1414N N标记大肠标记大肠杆菌杆菌DNADNA的实验；的实验；19631963年，年，CairnsCairns用放射自显影观察到完整的用放射自显影观察到完整的正在复制的大肠杆菌染色体正在复制的大肠杆菌染色体. .19571957年年TaylorTaylor将蚕豆苗放在含将蚕豆苗放在
14、含3 3H H标记的胸苷标记的胸苷培养液中生长，使培养液中生长，使DNADNA都标上都标上3 3H H，然后转人正，然后转人正常培养液中生长。分离各代细胞的染色体并常培养液中生长。分离各代细胞的染色体并作放射自显影，所得结果表明，真核生物作放射自显影，所得结果表明，真核生物DNADNA也是按半保留方式进行复制的。也是按半保留方式进行复制的。 DNADNA半保留复制的证据半保留复制的证据(CsCl gradient centrifuge) (CsCl gradient centrifuge) N15 N14 DNADNASemi-Conservation ReplicationM. Mesels
15、on and F. W. Stahl, Sciences 44:675, 1958.DNA聚合酶具有聚合酶具有5-3合成活性，所以新合成活性，所以新链的合成方向是链的合成方向是5-3。聚合酶催化的合成与解链方向一致时，聚合酶催化的合成与解链方向一致时，才能连续进行新链的合成。才能连续进行新链的合成。5353OKHow?3553解链方向解链方向双链双链DNA分子解开成两条单链时，以分子解开成两条单链时，以35模模板链复制板链复制53互补链，其互补链，其DNA的复制方向（的复制方向（53）和双链解链方向一致，可持续合成，最）和双链解链方向一致，可持续合成，最后形成一条连续的互补链，称为后形成一条连
16、续的互补链，称为前导链前导链（Leading strand）。）。 以以5-3模板合成模板合成35互补链，由于复制的方互补链，由于复制的方向与解链方向相反，因此不能连续合成！向与解链方向相反，因此不能连续合成！半不连续复制半不连续复制以以5-3模板合成模板合成35互补链，由于复制的方互补链，由于复制的方向与解链方向相反，因此不能连续合成，而是向与解链方向相反，因此不能连续合成，而是先以先以5-3方向不连续合成许多小片段，称为方向不连续合成许多小片段，称为冈崎片段（冈崎片段（Okazaki fragment），），最后由最后由DNA连接酶将这些冈崎片段连接成完整的互补链，连接酶将这些冈崎片段连接
17、成完整的互补链，称为称为后随链（后随链（lagging strand）。）。3553535353 5335参与物质参与物质DNA复制的起始、延伸和终止等过程中，复制的起始、延伸和终止等过程中，有许多特异的蛋白质参与，主要包括：有许多特异的蛋白质参与，主要包括：DNA聚合酶（聚合酶（DNAPolymerase）原核生物原核生物DNA聚合酶：聚合酶：I、II、III真核生物真核生物DNA聚合酶：聚合酶： 、 、 、 、 引发酶（引发酶（Primase）催化合成催化合成DNA复制起始所需的复制起始所需的RNA引物引物DNA连接酶（连接酶（DNA ligase）通过形成磷酸二酯健连接冈崎片段形成后随链
18、通过形成磷酸二酯健连接冈崎片段形成后随链参与物质参与物质拓扑异构酶：拓扑异构酶：I、IITop I使超螺旋的环状使超螺旋的环状DNA解旋成不具超螺旋的环状解旋成不具超螺旋的环状DNATop II促使产生负向超螺旋并消除正向超螺旋促使产生负向超螺旋并消除正向超螺旋解链酶（解链酶（Helicase）通过水解通过水解ATP获得能量解开双链获得能量解开双链水解水解ATP的活力依赖于单链的活力依赖于单链DNA的存在的存在单链结合蛋白（单链结合蛋白（Single Strand Binding protein，SSB）阻止单链阻止单链DNA分子恢复双链分子恢复双链又称为双螺旋反稳定蛋白（又称为双螺旋反稳定蛋
19、白（Helix destabilizing protein）一般过程一般过程DNA复制的起始复制的起始DNA复制的延伸复制的延伸DNA复制的终止复制的终止启动蛋白复合体的形启动蛋白复合体的形成成解链酶的加入解链酶的加入复制泡的形成复制泡的形成引发酶加入形成引发引发酶加入形成引发体体RNA引物合成，第一引物合成，第一链开始复制链开始复制解螺旋解螺旋前导链合成前导链合成后随链后随链RNA引物的合成引物的合成冈崎片段的合成冈崎片段的合成RNA引物的去除和冈崎引物的去除和冈崎片段的连接片段的连接无特异终止信号无特异终止信号环状单向复制在起点环状单向复制在起点附近终止附近终止线状和环状双向复制线状和环状
20、双向复制终点不固定终点不固定原核生物与真核生物复制特点比较原核生物与真核生物复制特点比较相同点：相同点：复制方式：半保留、半不连续复制复制方式：半保留、半不连续复制过程：起始、延伸、终止过程：起始、延伸、终止参与物质：酶和蛋白质参与物质：酶和蛋白质原核生物与真核生物复制特点比较原核生物与真核生物复制特点比较不同点：不同点：复制起点：原核单起点，真核多起点复制起点：原核单起点，真核多起点（Replicon）速率：原核比真核快速率：原核比真核快复制方式复制方式原核原核： 复制、滚环复制复制、滚环复制真核：真核： 复制、滚环复制复制、滚环复制线粒体线粒体DNA：D环复制环复制真核生物末端真核生物末端
21、DNA复制复制：端粒（端粒（Telimere）、）、端粒酶（端粒酶（Telomerase）第三节第三节 转录转录基本概念基本概念转录过程转录过程转录后加工转录后加工转录与复制的比较转录与复制的比较第二节第二节 转录转录基本概念基本概念转录（转录（Transcription）：）：以以DNA为模板，为模板，在在RNA聚合酶的作用下合成聚合酶的作用下合成RNA的过程。的过程。转录是基因表达的第一步，遗传信息的中心转录是基因表达的第一步，遗传信息的中心环节环节。模板链或反义链（模板链或反义链（antisense strand）：）：作为转录模板的作为转录模板的DNA单链单链编码链或有意义链（编码链或
22、有意义链（Sense strand）：）：与与mRNA具有相同序列的具有相同序列的DNA单链单链RNA聚合酶作用：在在RNARNA合成中指导合成中指导rNTPrNTP底物与模板底物与模板DNADNA碱碱基配对，以及催化磷酸二酯健的形成。基配对，以及催化磷酸二酯健的形成。大肠杆菌RNA聚合酶：复合酶（复合酶（ 2 2 + + ），），具有全能性。具有全能性。真核生物真核生物RNARNA聚合酶：聚合酶：I I：核仁，：核仁，28S 28S 、18S & 5.8S rRNA18S & 5.8S rRNAIIII：核质，：核质，mRNA & SnRNAmRNA & SnRNAIII: III: 核质核
23、质, tRNA, tRNA、5S rRNA & SnRNA5S rRNA & SnRNA转录过程转录过程-起始起始（-35）（-10）Closed binary complexOpen binary complex转录起始点酶酶-启动子启动子-核苷三磷酸核苷三磷酸转录过程转录过程-延伸延伸核心酶沿模板核心酶沿模板DNA链链3-5方向移动，并方向移动，并按模板的碱基序列，配入四种核苷酸，按模板的碱基序列，配入四种核苷酸，使新合成的使新合成的RNA链沿着链沿着5-3方向延伸。方向延伸。转录过程转录过程-终止终止终止子：强终止子和弱终止子终止子：强终止子和弱终止子RNA聚合酶因为遭遇富含聚合酶因为遭
24、遇富含GC配对区，不配对区，不能继续前移，能继续前移，RNA分子从模板上脱落，分子从模板上脱落，RNA-DNA杂交体解体，杂交体解体，DNA重新形成双重新形成双螺旋，核心酶释放出来，转录终止。螺旋，核心酶释放出来，转录终止。 因子非依赖性终止因子非依赖性终止Proof Reading 因子依赖性终止因子依赖性终止思考题：转录与复制的比较？思考题：转录与复制的比较？第四节第四节 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成第三节第三节 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成Translation：从：从DNA到蛋白质的遗传信到蛋白质的遗传信息传递过程中，由于从息传递过程中，由于从mRNA上的核苷上的核苷酸到多肽链
25、上的氨基酸，这种遗传信息酸到多肽链上的氨基酸，这种遗传信息的传递从核酸语言转变成氨基酸语言，的传递从核酸语言转变成氨基酸语言，因此被称为翻译即蛋白质的生物合成。因此被称为翻译即蛋白质的生物合成。主要元件：核糖体、主要元件：核糖体、mRNA和和tRNA一、遗传密码（一、遗传密码（Genetic Codon）Universal triplet codoncodon的特征的特征codon是是mRNA 上连续排列的三个核苷酸序列，并上连续排列的三个核苷酸序列，并编码一个氨基酸信息的遗传单位编码一个氨基酸信息的遗传单位codon具有原核与真核生物系统的通用性与具有原核与真核生物系统的通用性与保守性（除保
26、守性（除mt）在一个基因序列中在一个基因序列中 codon具有不重叠性和无标点性具有不重叠性和无标点性有义密码子（有义密码子（Sense Codon）同义密码子（同义密码子（Synonymous codon）简并性（简并性（degenecy）：）：Wobble hypothesis二、蛋白质的生物合成二、蛋白质的生物合成合成起始（合成起始（initiation）核糖体大小亚基、核糖体大小亚基、tRNAtRNA和和mRNAmRNA在起始因子协在起始因子协助下组成起始复合物助下组成起始复合物肽链延伸（肽链延伸（elongation）进位、肽链形成和移位进位、肽链形成和移位终止（终止（Termina
27、tion）合成起始（合成起始（initiation）蛋白多肽链的合成总是由氨基酸的氨基蛋白多肽链的合成总是由氨基酸的氨基末端开始到羧基末端结束。末端开始到羧基末端结束。起始标志：起始标志：mRNA模板上的模板上的AUG（起始（起始密码子）密码子）是不是所有的是不是所有的AUG都是起始密码子？都是起始密码子？起始因子：起始因子：原核：原核：IF1、IF2和和IF3真核：真核：eIF1A、eIF3、eIF6肽链延伸（肽链延伸（elongation）进位：进位：氨基酰氨基酰-tRNA进入核糖体的进入核糖体的A位。位。肽链形成：肽链形成：氨基酰氨基酰-tRNA进位后，在肽基进位后，在肽基转移酶催化下，
28、转移酶催化下，P位的起始位的起始-tRNA的甲硫氨的甲硫氨酸转移到酸转移到A位的氨基酰位的氨基酰-tRNA的氨基上，形的氨基上，形成肽健，从而使链延伸一个氨基酸。成肽健，从而使链延伸一个氨基酸。移位：移位：肽健形成后，核糖体沿着肽健形成后，核糖体沿着mRNA向向3方向移动一个密码子的距离。方向移动一个密码子的距离。循环循环翻译的终止翻译的终止终止密码子：终止密码子：UAA琥珀密码子；琥珀密码子；UAG赭石密码子；赭石密码子；UGA乳石密码子乳石密码子肽链的释放肽链的释放释放因子释放因子原核：原核：RF-1、RF-2、RF-3真核：真核：eRF第五节第五节 基因表达调控基因表达调控调控层次调控层
29、次原核生物基因表达调控原核生物基因表达调控乳糖操纵子模型乳糖操纵子模型真核生物基因表达调控真核生物基因表达调控不同调控水平不同调控水平基因表达调控的意义基因表达调控的意义调控层次调控层次DNA水平水平基因丢失、基因扩增、基因重排、基因丢失、基因扩增、基因重排、DNADNA甲基化甲基化转录水平转录水平调控序列调控序列加工过程加工过程翻译水平翻译水平加工加工原核生物基因表达调控转录水平的调控是最主要的方式。转录水平的调控是最主要的方式。操纵子是转录水平调控的基本单元操纵子是转录水平调控的基本单元操纵子（操纵子（operon）：许多功能相关的结构基因在染许多功能相关的结构基因在染色体上串联排列，由一
30、个共同的调控区来操纵这些色体上串联排列，由一个共同的调控区来操纵这些基因的转录；包含这些结构基因和控制区的整个核基因的转录；包含这些结构基因和控制区的整个核苷酸序列称为操纵子。苷酸序列称为操纵子。操纵子结构操纵子结构：控制区控制区调节基因调节基因（R）操纵基因操纵基因（O）结构基因结构基因调节基因与正负调控调节基因与正负调控调节基因（调节基因（Regulatory gene）是位于操）是位于操纵子附近的一个抑制位点（纵子附近的一个抑制位点（Inhibitory site，I）。）。正负调控是按照没有调节蛋白存在的情正负调控是按照没有调节蛋白存在的情况下，操纵子对于新加入的调节蛋白的况下，操纵子
31、对于新加入的调节蛋白的反应情况来定义的。反应情况来定义的。Positive Control System:调节蛋白缺乏时调节蛋白缺乏时基因关闭基因关闭,加入调节蛋白后基因表达活性加入调节蛋白后基因表达活性开启开启.Negative Control System:当调节蛋白缺当调节蛋白缺乏时基因表达乏时基因表达,而加入调节蛋白时表达活而加入调节蛋白时表达活性被关闭性被关闭.其他概念其他概念:Induction & RepressionInducer & CorepressorUninducible & SuperrepressedOperon control modelOperon contro
32、l modelnegativepositiveInd.Rep.activeactiveinactiveinactive乳糖操纵子模型乳糖操纵子模型Lac operon I p o Z Y A Negative Control Mechanism I gene active repressorIbinding on Operator38 kd / monomertetramer 152 kd诱导物没有乳糖诱导物时没有乳糖诱导物时, 不能转录不能转录LacZYA存在乳糖诱导物时存在乳糖诱导物时, 启动启动LacZYA转录转录小小 结结遗传信息的传递是始于遗传信息的传递是始于DNA的复制，终的复制，
33、终于蛋白质的表达。于蛋白质的表达。DNA的复制是遗传物质可遗传的基础的复制是遗传物质可遗传的基础DNA的转录是遗传信息传递的中心环节的转录是遗传信息传递的中心环节蛋白质的生物合成是遗传信息传递的最蛋白质的生物合成是遗传信息传递的最终体现。终体现。DNA的复制、转录以及蛋白质的生物合的复制、转录以及蛋白质的生物合成是一系列物质共同参与的复杂过程。成是一系列物质共同参与的复杂过程。基因表达调控：基因表达调控： 重点：原核生物基因表达的调控重点：原核生物基因表达的调控 问题：乳糖操纵子模型及其调控机理问题：乳糖操纵子模型及其调控机理以及相关概念以及相关概念 问题？问题？名词：名词：问题：问题：原核生物与真核生物原核生物与真核生物DNA复制的异同点？复制的异同点？原核生物与真核生物原核生物与真核生物DNA转录的异同点？转录的异同点？原核生物与真核生物蛋白质生物合成的异同原核生物与真核生物蛋白质生物合成的异同点？点？DNA转录与复制过程的比较？转录与复制过程的比较？本章结束本章结束谢谢大家！
