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1、第三章第三章 遗传的分子基础遗传的分子基础第一节第一节 染色体的化学组成和分子结构染色体的化学组成和分子结构一、染色体的化学组成一、染色体的化学组成染色质染色质D N AD N A蛋蛋 白白 质质少量少量RNARNA组组 蛋蛋 白：白：H H1 1、H H2 2A A、H H2 2B B、H H3 3、H H4 4非组蛋白非组蛋白核酸的基本单位核酸的基本单位单核苷酸单核苷酸nucleotidenucleotide戊糖戊糖 脱氧核糖脱氧核糖磷酸磷酸含氮有机碱含氮有机碱嘌呤：嘌呤：（碱基）（碱基）（一）（一） DNA(deoxyribonucleic acid) DNA(deoxyribonucl
2、eic acid)嘧啶：嘧啶：嘧嘧 啶啶嘌嘌 呤呤胞嘧啶胞嘧啶 C Ccytosine cytosine 胸腺嘧啶胸腺嘧啶 T Tthyminethymine鸟嘌呤鸟嘌呤 G Gguanineguanine腺嘌呤腺嘌呤 A Aadenineadenine碱碱 基基核糖核糖脱氧脱氧糖苷键糖苷键核核苷苷酯酯 键键单单 核核 苷苷 酸酸3535磷酸二酯键磷酸二酯键5 53 3（二）组蛋白与非组蛋白（二）组蛋白与非组蛋白 组蛋白：染色体中约组蛋白：染色体中约1/31/3是组蛋白，是组蛋白，已知有已知有5 5种，赖氨酸和精氨酸含量比例不种，赖氨酸和精氨酸含量比例不同为碱性蛋白；同为碱性蛋白；H H1 1
3、、H H2 2A A、H H2 2B B、 H H3 3、H H4 4 多多数带正电荷；与数带正电荷；与DNADNA构成核小体。构成核小体。 非组蛋白：酸性蛋白，种类很多，有非组蛋白：酸性蛋白，种类很多，有一类小分子与基因调控有关。一类小分子与基因调控有关。（三）（三）DNADNA分子中的遗传信息分子中的遗传信息 DNA DNA的两条多核苷酸链以相反方向的两条多核苷酸链以相反方向缠绕，依赖成对碱基的氢键连接，缠绕，依赖成对碱基的氢键连接，A AT T、G G，其互补原则是，其互补原则是DNADNA复制，转录，复制，转录，逆转录的分子基础。逆转录的分子基础。 一个一个DNADNA上如有上如有n
4、n个核苷酸，其组合个核苷酸，其组合几乎为无限：几乎为无限：4 4n n( (人为人为4 43 310109 9) )，蕴藏大，蕴藏大量遗传信息，现已了解，量遗传信息，现已了解，mRNAmRNA上每三个上每三个相邻碱基构成一个密码子。相邻碱基构成一个密码子。 DNA的双链形成的双链形成U C A G遗遗 传传 密密 码码 表表第一碱基第一碱基(5,)UCAG第第 二二 碱碱 基基第三碱基（第三碱基（3，）UCAGUCAGUCAGUCAG苯丙氨酸苯丙氨酸 丝氨酸丝氨酸 酪酪 氨氨 酸酸 半胱氨酸半胱氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸 丝氨酸丝氨酸 酪酪 氨氨 酸酸 半胱氨酸半胱氨酸亮亮 氨氨 酸酸 丝氨酸丝氨酸
5、 终止密码终止密码 终止密码终止密码亮亮 氨氨 酸酸 丝氨酸丝氨酸 终止密码终止密码 色色 氨氨 酸酸亮亮 氨氨 酸酸 脯氨酸脯氨酸 组组 氨氨 酸酸 精精 氨氨 酸酸亮亮 氨氨 酸酸 脯氨酸脯氨酸 组组 氨氨 酸酸 精精 氨氨 酸酸亮亮 氨氨 酸酸 脯氨酸脯氨酸 谷氨酰胺谷氨酰胺 精精 氨氨 酸酸亮亮 氨氨 酸酸 脯氨酸脯氨酸 谷氨酰胺谷氨酰胺 精精 氨氨 酸酸异亮氨酸异亮氨酸 苏氨酸苏氨酸 天冬酰胺天冬酰胺 丝丝 氨氨 酸酸异亮氨酸异亮氨酸 苏氨酸苏氨酸 天冬酰胺天冬酰胺 丝丝 氨氨 酸酸异亮氨酸异亮氨酸 苏氨酸苏氨酸 赖赖 氨氨 酸酸 精精 氨氨 酸酸 甲硫氨酸甲硫氨酸 *+合成起步信号
6、合成起步信号 苏氨酸苏氨酸 赖赖 氨氨 酸酸 精精 氨氨 酸酸 缬缬 氨氨 酸酸 丙氨酸丙氨酸 天冬氨酸天冬氨酸 甘甘 氨氨 酸酸缬缬 氨氨 酸酸 丙氨酸丙氨酸 天冬氨酸天冬氨酸 甘甘 氨氨 酸酸缬缬 氨氨 酸酸 丙氨酸丙氨酸 谷谷 氨氨 酸酸 甘甘 氨氨 酸酸缬缬 氨氨 酸酸 丙氨酸丙氨酸 谷谷 氨氨 酸酸 甘甘 氨氨 酸酸1.1.基因组基因组狭义：单倍体细胞中的全套染色体狭义：单倍体细胞中的全套染色体（人：（人：2222条常染色体条常染色体+X+X，Y+Y+线粒体线粒体DNADNA）。）。 某物种单倍体细胞所具有的遗传信息某物种单倍体细胞所具有的遗传信息的总和。的总和。广义：一物种的全部遗
7、传物质及其携广义：一物种的全部遗传物质及其携带的遗传信息。带的遗传信息。二、染色体的分子组成二、染色体的分子组成 大小：从几大小：从几kbkb几个几个MbMb；结构特点：结构特点：1 1、非编码序列很少；、非编码序列很少；2 2、编码序列是连续的；、编码序列是连续的；3 3、多数编码序列以操作子的形式排列；、多数编码序列以操作子的形式排列；4 4、细菌染色体具有拟核结构；、细菌染色体具有拟核结构；5 5、从功能上可以把编码序列分为核心基、从功能上可以把编码序列分为核心基因组（因组（core genomecore genome）和附加成分。）和附加成分。2 2、原核生物基因组的基本结构、原核生物
8、基因组的基本结构核心基因组中的编码序列为细菌生活核心基因组中的编码序列为细菌生活周期所必须；周期所必须；附加成分是细菌基因组中一些与细菌附加成分是细菌基因组中一些与细菌生活周期没有关系的编码序列，主要生活周期没有关系的编码序列，主要有毒力岛有毒力岛（pathogenicity islandspathogenicity islands）、）、可移动成分等；可移动成分等；毒力岛：毒力岛： 近年来近年来,随着分子生物学研究的不断深入随着分子生物学研究的不断深入,在细菌学在细菌学领域出现了一些新的概念领域出现了一些新的概念,毒力岛毒力岛(pathogenicity island)为其中之一。为其中之一
9、。,一组编码细菌毒力相关基因的基因簇；一组编码细菌毒力相关基因的基因簇；分子质量比较大长度在分子质量比较大长度在20100 kb；两侧一般具有重复序列和插入元件两侧一般具有重复序列和插入元件,也可以没有；也可以没有；具有附加成分特点（非必需具有附加成分特点（非必需, GC含量，密码使用含量，密码使用频率，不稳定可移动）频率，不稳定可移动）基因产物多为分泌性蛋白或表面蛋白基因产物多为分泌性蛋白或表面蛋白.毒力岛具有以下特点毒力岛具有以下特点:1. 编码细菌毒力基因簇的一个相对分子质量较大的编码细菌毒力基因簇的一个相对分子质量较大的(20100kb左右左右)染色体染色体DNA片段；片段；2.一些毒
10、力岛的两侧具有重复序列和插入元件一些毒力岛的两侧具有重复序列和插入元件, 但是也可以没有；但是也可以没有；3.毒力岛往往位于细菌染色体的毒力岛往往位于细菌染色体的tRNA基因位点内或附近基因位点内或附近, 或者位于与噬菌或者位于与噬菌体整合有关的位点；体整合有关的位点；4.毒力岛毒力岛DNA片段的片段的G+C mol % 、密码使用和宿主细菌染色体有明显差异，、密码使用和宿主细菌染色体有明显差异， 有的比宿主细胞的有的比宿主细胞的G+C mol% 明显高，明显高， 有的明显低；有的明显低； 5.毒力岛编码的基因产物许多是分泌性蛋白和细胞表面蛋白毒力岛编码的基因产物许多是分泌性蛋白和细胞表面蛋白
11、, 如溶血素、菌如溶血素、菌毛和血红素结合因子，毛和血红素结合因子， 一些毒力岛编码细菌的分泌系统（如一些毒力岛编码细菌的分泌系统（如型分泌系统）型分泌系统）、信息传导系统和调节系统；、信息传导系统和调节系统； 6. 一种病原菌可以有一个或几个毒力岛；一种病原菌可以有一个或几个毒力岛； 7. 部分学者认为部分学者认为, 细菌的毒力岛应该包括位于噬菌体和质粒上的、与细菌细菌的毒力岛应该包括位于噬菌体和质粒上的、与细菌的毒力有关、其的毒力有关、其G+C百分比和密码使用与宿主细胞明显不同的百分比和密码使用与宿主细胞明显不同的DNA片段；片段；8.毒力岛可能与新发现的病原性细菌有关毒力岛可能与新发现的
12、病原性细菌有关; 3 3、质粒、质粒染色体外遗传物质染色体外遗传物质双链双链DNADNA分子，几分子，几kbkb几百几百kbkb；位置相对游离；位置相对游离；独立复制（松弛与严谨）；独立复制（松弛与严谨）；携带致育基因和耐药基因；携带致育基因和耐药基因；F F因子（接合性质因子（接合性质粒）粒）质粒的不相容性：在没有选择压力的情况下两质粒的不相容性：在没有选择压力的情况下两种质粒不能共存于同一个宿主细胞内的现象种质粒不能共存于同一个宿主细胞内的现象 断裂基因；断裂基因；主要由大量的非编码序列和少量主要由大量的非编码序列和少量的编码序列构成；的编码序列构成；存在多基因家族。存在多基因家族。含有多
13、种类型的重复序列；含有多种类型的重复序列；4、人类基因组的基本特点、人类基因组的基本特点人类基因组概况人类基因组概况最长的染色体最长的染色体最长的染色体最长的染色体2 2 2 2（240 Mbp240 Mbp240 Mbp240 Mbp）最短的染色体最短的染色体最短的染色体最短的染色体Y Y Y Y（19Mbp19Mbp19Mbp19Mbp）基因最多的染色体基因最多的染色体基因最多的染色体基因最多的染色体1 1 1 1（2453245324532453）基因最少的染色体基因最少的染色体基因最少的染色体基因最少的染色体Y Y Y Y（104104104104）基因密度最大的染色体基因密度最大的染
14、色体基因密度最大的染色体基因密度最大的染色体19191919（23/Mb23/Mb23/Mb23/Mb）基因密度最小的染色体基因密度最小的染色体基因密度最小的染色体基因密度最小的染色体13131313，Y Y Y Y（5/Mb5/Mb5/Mb5/Mb）重复序列含量最高的染色体重复序列含量最高的染色体重复序列含量最高的染色体重复序列含量最高的染色体19191919（57%57%57%57%）重复序列含量最低的染色体重复序列含量最低的染色体重复序列含量最低的染色体重复序列含量最低的染色体2 2 2 2，8 8 8 8，10101010，13131313，18181818（36%36%36%36%）
15、 每个基因组（每个基因组（genome)含含3.0109bp, 根据基因组根据基因组DNADNA碱基排列顺序重复出现碱基排列顺序重复出现的的 程度不同，把基因组程度不同，把基因组DNADNA序列分为序列分为单一序列，重复序列。单一序列，重复序列。基因组基因组DNADNA单一序列单一序列（unique sequence）：）：重复序列重复序列（repetitive sequence）：）： 60%65%单拷贝或很少几次的序列单拷贝或很少几次的序列、由由8001000bp组成、结构基因组成、结构基因,一一个基因组中，约有个基因组中，约有10万个结构基万个结构基因因(33.5万万) 30%以上。以上
16、。 DNA序列在基因组中有多个拷贝，可序列在基因组中有多个拷贝，可有几十份，几百份，甚至几十万份有几十份，几百份，甚至几十万份有有些重复序列与染色体结构有关，大多些重复序列与染色体结构有关，大多数生物学功能有待进一步研究。数生物学功能有待进一步研究。重复序列重复序列高度重复序列：高度重复序列：中度重复序列：中度重复序列： 由很短的碱基序列组成，由很短的碱基序列组成，长度长度2200bp，重复次数，重复次数106108。一般占一般占DNA碱基对的碱基对的10%30%。由一些短的由一些短的DNA序列呈串联重复序列呈串联重复排列。排列。 在长度和拷贝数目上有很在长度和拷贝数目上有很大差别。重复次数大
17、差别。重复次数10104,一般占一般占DNA碱基对的碱基对的10%,有些中度重复序有些中度重复序列列DNA具有编码功能具有编码功能;大多数无编大多数无编码功能，主要是一些分散重复码功能，主要是一些分散重复DNA序列序列 .v高度重复序列高度重复序列卫星卫星DNA DNA 小卫星小卫星DNA DNA 微卫星微卫星DNA DNA 回文序列回文序列 卫星卫星DNA DNA DNADNADNADNA在在在在CsClCsClCsClCsCl密度梯度离心中，由于密度梯度离心中，由于密度梯度离心中，由于密度梯度离心中，由于GCGCGCGC的含的含的含的含量少于量少于量少于量少于ATATATAT，当重复序列的
18、，当重复序列的，当重复序列的，当重复序列的GCGCGCGC与与与与ATATATAT的比率的比率的比率的比率有差异时，可在有差异时，可在有差异时，可在有差异时，可在DNADNADNADNA主峰旁形成卫星主峰旁形成卫星主峰旁形成卫星主峰旁形成卫星DNADNADNADNA。卫星卫星卫星卫星DNADNADNADNA构成着丝粒，端粒和构成着丝粒，端粒和构成着丝粒，端粒和构成着丝粒，端粒和Y Y Y Y染色体长染色体长染色体长染色体长臂上的异染色质区。称为卫星臂上的异染色质区。称为卫星臂上的异染色质区。称为卫星臂上的异染色质区。称为卫星DNADNADNADNA。 浮力密度浮力密度主带主带 卫星带卫星带1.
19、701 1.6901.701 1.690吸吸光光度度卫星卫星DNADNA小卫星小卫星DNADNA指端粒指端粒DNADNA和高变小卫星和高变小卫星DNADNA两种。两种。a.a.在在染染色色体体末末端端由由6bp6bp序序列列(TTAGGG)(TTAGGG)重重复复串串联联组组成成的的101015kbDNA15kbDNA序序列列称称为为端端粒粒DNADNA。它它是是在在端端粒粒酶酶作作用用下下加加到到染染色色体体末末端端，保持染色体的完整性。保持染色体的完整性。b.b.高变小卫星高变小卫星DNADNA是由是由9 964bp64bp序列重复串序列重复串联组成的，每个小卫星区重复序列的拷联组成的，每
20、个小卫星区重复序列的拷贝数是高度可变的，因此常用贝数是高度可变的，因此常用DNADNA指纹技指纹技术作个体鉴定。术作个体鉴定。 1231/2121122小鼠卫星小鼠卫星DNA的的EcoRII切割的电泳扫描图切割的电泳扫描图 微卫星微卫星DNADNA微卫星微卫星DNADNA重复单位序列最短，只有重复单位序列最短，只有1 15bp5bp，串联成簇长度，串联成簇长度5050100bp100bp的微的微卫星序列。卫星序列。人类基因组至少有人类基因组至少有3000030000个不同的微卫个不同的微卫星位点，具高度微卫星多态性，不同星位点，具高度微卫星多态性，不同个体间有明显差别，但在遗传上却是个体间有明
21、显差别，但在遗传上却是高度保守的，因此可作为重要的遗传高度保守的，因此可作为重要的遗传标志，用于基因定位的连锁分析。标志，用于基因定位的连锁分析。 回文序列回文序列是两个顺序相同的互补拷贝在同一条是两个顺序相同的互补拷贝在同一条DNA链上反向排列而成的，形成链内链上反向排列而成的，形成链内碱基配对，形成发夹结构。碱基配对，形成发夹结构。5AGACCACCAGTACAACGTTATTGTACTGGAACAAG33TCTGGTGGTCATGTTGCAATAACATGACCTTGTTC5 T G TC ATTGTACTGG AACAAG3 A A C A T G A C C5 AGACCAG T C
22、 A A3TCTGGT G G T C A T G T T TTGTTC5CCAGTACAA分分分分 类类类类长长长长 度度度度重复单位重复单位重复单位重复单位分分分分 布布布布卫星卫星卫星卫星DNADNADNADNA100kb-Mb100kb-Mb100kb-Mb100kb-MbI I I I2525252548484848异染色质异染色质异染色质异染色质IIIIIIII、IIIIIIIIIIII类类类类5 5 5 5染色体全长染色体全长染色体全长染色体全长a a a a 171171171171着丝粒着丝粒着丝粒着丝粒 （Sau3ASau3ASau3ASau3A）68686868部分着丝粒
23、部分着丝粒部分着丝粒部分着丝粒小卫星小卫星小卫星小卫星DNADNADNADNA0.1-20kb0.1-20kb0.1-20kb0.1-20kb端粒端粒端粒端粒DNADNADNADNA6 6 6 6端粒端粒端粒端粒高变高变高变高变9 9 9 924242424染色体全长染色体全长染色体全长染色体全长微卫星微卫星微卫星微卫星DNADNADNADNA150bp150bp150bp150bp1 1 1 14 4 4 4染色体全长染色体全长染色体全长染色体全长人类基因组中的串联重复序列人类基因组中的串联重复序列短分散元件短分散元件短分散元件短分散元件(SINEs)(SINEs)(SINEs)(SINEs
24、)：长度：长度：长度：长度300300300300500bp500bp500bp500bp，散在分，散在分，散在分，散在分布在基因组中，拷贝数目可达到布在基因组中，拷贝数目可达到布在基因组中，拷贝数目可达到布在基因组中，拷贝数目可达到101010105 5 5 5以上，两个以上，两个以上，两个以上，两个片段间隔约片段间隔约片段间隔约片段间隔约1000bp1000bp1000bp1000bp的单拷贝序列的单拷贝序列的单拷贝序列的单拷贝序列. . . . 例如人类例如人类例如人类例如人类AluAluAluAlu家族，占人类基因组的家族，占人类基因组的家族，占人类基因组的家族，占人类基因组的3 3
25、3 36 6 6 6，由，由，由，由300bp300bp300bp300bp构成，构成，构成，构成，在第在第在第在第170170170170位附近都位附近都位附近都位附近都AGCTAGCTAGCTAGCT顺序，可被内切酶顺序，可被内切酶顺序，可被内切酶顺序，可被内切酶AluAluAluAlu。重复达重复达重复达重复达3030303070707070万次，平均万次，平均万次，平均万次，平均4kbDNA4kbDNA4kbDNA4kbDNA就有一个就有一个就有一个就有一个AluAluAluAlu顺顺顺顺序。序。序。序。长分散元件长分散元件长分散元件长分散元件(LINEs)(LINEs)(LINEs)
26、(LINEs)：长度：长度：长度：长度10001000100010007000bp7000bp7000bp7000bp，重复，重复，重复，重复次数为次数为次数为次数为10101010101010104 4 4 4, , , ,重复序列之间间隔重复序列之间间隔重复序列之间间隔重复序列之间间隔10-30bp10-30bp10-30bp10-30bp单拷单拷单拷单拷贝序列。在人类基因组可重复几十次串联在一起贝序列。在人类基因组可重复几十次串联在一起贝序列。在人类基因组可重复几十次串联在一起贝序列。在人类基因组可重复几十次串联在一起形成基因簇有称串联重复基因形成基因簇有称串联重复基因形成基因簇有称串联
27、重复基因形成基因簇有称串联重复基因, , , ,如如如如KpnIKpnIKpnIKpnI家族。家族。家族。家族。v中度重复序列中度重复序列人类基因组中的散布重复序列人类基因组中的散布重复序列类型类型类型类型家族家族家族家族单位长度单位长度单位长度单位长度拷贝数拷贝数拷贝数拷贝数总长度总长度总长度总长度比例比例比例比例SINESINESINESINEAluAluAluAlu0.13 kb0.13 kb0.13 kb0.13 kb1 1 1 1百万百万百万百万288 Mb288 Mb288 Mb288 Mb9.99.99.99.9MIRMIRMIRMIR40404040万万万万66 Mb66 Mb
28、66 Mb66 Mb2.32.32.32.3LINELINELINELINELINE1LINE1LINE1LINE10.8 kb0.8 kb0.8 kb0.8 kb35353535万万万万466 Mb466 Mb466 Mb466 Mb16.116.116.116.1LINE2LINE2LINE2LINE20.25 kb0.25 kb0.25 kb0.25 kb27272727万万万万LTRLTRLTRLTRHERVHERVHERVHERV1.3 kb1.3 kb1.3 kb1.3 kb5 5 5 5万万万万155 Mb155 Mb155 Mb155 Mb5.35.35.35.3RTLVRTL
29、VRTLVRTLV，LTRLTRLTRLTR0.5 kb0.5 kb0.5 kb0.5 kb20202020万万万万DNA TnDNA TnDNA TnDNA TnMER,THEMER,THEMER,THEMER,THE等等等等0.25 kb0.25 kb0.25 kb0.25 kb20202020万万万万50 Mb50 Mb50 Mb50 Mb1.71.71.71.7总记总记总记总记1025 Mb1025 Mb1025 Mb1025 Mb35.335.335.335.3多基因家族多基因家族( (multigeng family) ) 一个祖先基因一个祖先基因(ancestral gene)(
30、ancestral gene)经过重复和经过重复和变异所形成的一组基因。基因家族也就是变异所形成的一组基因。基因家族也就是真真真真核基因组中有许多来源相同、结构相似、功核基因组中有许多来源相同、结构相似、功核基因组中有许多来源相同、结构相似、功核基因组中有许多来源相同、结构相似、功能相关的基因能相关的基因能相关的基因能相关的基因称为基因家族。称为基因家族。有两种存在形式：有两种存在形式：一一类类是是一一个个基基因因的的多多次次拷拷贝贝成成簇簇排排列列在在同同一一条条染染色色体体上上，形形成成一一个个基基因因簇簇（gene clustergene cluster） ；另一类是一个多基因家族中的不
31、同成另一类是一个多基因家族中的不同成员成簇分布于几条不同的染色体上，员成簇分布于几条不同的染色体上，这些成员的序列虽然有些不同，但是这些成员的序列虽然有些不同，但是编码一组关系密切的蛋白质。编码一组关系密切的蛋白质。直向同源直向同源（ortholog): :不同物种，甚不同物种，甚 至真核生物与原核生物之至真核生物与原核生物之 间。结构相似、功能相关间。结构相似、功能相关 的基因，起源于同一祖先。的基因，起源于同一祖先。横向同源横向同源（paralog): :同一生物体内。同一生物体内。 结构相似、功能相关的基结构相似、功能相关的基 因，源于基因的复制因，源于基因的复制 。假基因假基因 在多基
32、因家族中，某些成员不产生有功在多基因家族中，某些成员不产生有功能的基因产物，这类基因成为假基因。能的基因产物，这类基因成为假基因。假基因的核苷酸顺序与相应的活性基因假基因的核苷酸顺序与相应的活性基因极为相似，但不能表达，不具有正常功极为相似，但不能表达，不具有正常功能。能。它们与有功能的基因有同源性，起初可它们与有功能的基因有同源性，起初可能是有功能的基因，以后由于发生突变，能是有功能的基因，以后由于发生突变，失去了活性，变成了无功能的基因。失去了活性，变成了无功能的基因。 GC框：调节转录的活动。框：调节转录的活动。CAAT框框增强子增强子尾部区尾部区第二节第二节 真核基因的分子结构真核基因
33、的分子结构人类人类 珠蛋白基因结构图珠蛋白基因结构图内含子内含子1（I1）内含子内含子2（I2）外显子外显子 3（E3）105 146外显子外显子 2 （E2）31 1045 3 转录起始点转录起始点 TATA框框RNA聚合酶结合聚合酶结合决定转录起始点决定转录起始点CAAT框框RNA聚合酶结合聚合酶结合控制转录频率控制转录频率外显子外显子 1 （E1）1 30AATAAA 回文顺序回文顺序 结构基因结构基因编编 码码 区区非编码区非编码区调调 控控 区区外显子：具有编码意义外显子：具有编码意义内含子：无编码意义（内含子：无编码意义（ 5GT、 3AG； GT -AG法则）法则）前导区前导区启
34、动子启动子终止子终止子TATA框框mRNA裂解信号裂解信号(AATAAA)回文结构回文结构GC框框 GC框框 转录终止信号转录终止信号5AGACCACCAGTACAACGTTATTGTACTGGAACAAG33TCTGGTGGTCATGTTGCAATAACATGACCTTGTTC53AGACCACCAGUACAACGUUAUUGUACUGGAACAAG5 U G UC AUUGUACUGG AACAAG5 A A C A U G A C C3 AGACCA第第 三三 节节 D D N N A A的的 复复 制制 DNA DNA复制复制(replication ): DNA(replicatio
35、n ): DNA分子合分子合成一个与自己相同的成一个与自己相同的DNADNA分子的过程。其结分子的过程。其结果果DNADNA含量增加一倍。含量增加一倍。TATAATATGCGCCGCGTATAA-TA-TA-TA-TATATCGCGGCGCGCGCA-TA-TT T A AT T A AA A T T C C G GG G C CT T A AT T A AAAAAC CG GC CTTTTGCGCG G一一. .半保留复制（半保留复制（semi-conservative replication) )解旋解旋2 2条单链条单链C C G GG G C CA A T TA A T TAAAAC
36、CG GC CTTTTGCGCG G分别以分别以2 2条单链为模板按碱条单链为模板按碱基配对原则形成与亲代基配对原则形成与亲代DNADNA分子相同的两条子链。每条分子相同的两条子链。每条子链中一条多核苷酸链是亲子链中一条多核苷酸链是亲代代DNADNA分子即模板链，另一分子即模板链，另一条是互补合成的。条是互补合成的。A ATTG GCCA AA AA A-T-TA-A-T TAAT TC CGGCCG GGGC CG GCCAAT TT TT TAAT TGGC CCCG GA-A-T TA A-T-TA ATTC CGGG GCCGGC CA A -T-TATATGCGCTATACGCGTA
37、TAA-TA-TA-TA-TATATCGCGGCGCG-CG-C二二. DNA. DNA复制的过程复制的过程复制起点、方式和方向复制起点、方式和方向复制起点（复制起点（origin oriorigin ori或或 o o 复制原点）复制原点）复制开始处复制开始处DNADNA分子的特定位置分子的特定位置 原核生物（原核生物（ProkaryoteProkaryote）：单复制起点即）：单复制起点即整个染色体只有一个复制单位整个染色体只有一个复制单位 复制子（复制子（RepliconReplicon）；）；又称复制单位又称复制单位 或复制元或复制元 真核生物（真核生物（EukaryoteEukary
38、ote）: :多复制起点多复制起点即一个即一个genomegenome中有多个复制单位中有多个复制单位DNADNA中含有一定复制起点和复制终点的复制单位中含有一定复制起点和复制终点的复制单位1.31.3万万9090万不等万不等5 3 5 3 复制起始点复制起始点复制体（复制体（ReplisomeReplisome）复制叉处的许多酶）复制叉处的许多酶和蛋白组成的复合体，协同动作合成和蛋白组成的复合体，协同动作合成DNADNA复制叉复制叉 富含富含AT AT “呼吸作用呼吸作用”十分明显十分明显, ,许多酶的结许多酶的结合位点合位点, , 发夹结构也有同样作用发夹结构也有同样作用 300bp 30
39、0bp真核生物的复制原点真核生物的复制原点AT rich 复制眼（复制眼（replication eyereplication eye）：电子显微）：电子显微镜下观察正在复制的镜下观察正在复制的DNADNA，复制的区域形如一只，复制的区域形如一只眼睛眼睛5 3 5 3 5 3 5 3 复制起始点复制起始点复制叉复制叉先导链先导链后导链（延迟链）后导链（延迟链）RNA引物引物岗崎片段岗崎片段复制方式复制方式三三.DNA.DNA复制所需的引物、酶和某些蛋白复制所需的引物、酶和某些蛋白DNADNA复制所需的引物复制所需的引物RNARNA引物：长度一般为引物：长度一般为4 41212个核苷酸。引物的出
40、个核苷酸。引物的出现可能提高现可能提高DNADNA复制的无差错性。复制的无差错性。(1)(1)、引发酶和引发体：引发酶作用：催化、引发酶和引发体：引发酶作用：催化RNARNA引物的合成。引发酶催化前要与多种蛋引物的合成。引发酶催化前要与多种蛋白质结合共同构成一个复合体白质结合共同构成一个复合体引发体。引发体。引发体有三种蛋白质引发体有三种蛋白质dnaAdnaAdnaBdnaBdnaCdnaCDNADNA复制所需的酶和蛋白质复制所需的酶和蛋白质DNADNA复制简单起始过程复制简单起始过程 a a、涉及主要酶系：、涉及主要酶系： DnaA DnaA、RNApolRNApol是必不可少的，此外涉及到
41、是必不可少的，此外涉及到 DnaBDnaB（解旋酶）、（解旋酶）、DnaCDnaC、HuHu、GyraseGyrase、SBSB、 DnaGDnaG、TopTop和和 DNApol DNApol 全酶全酶简单步骤：简单步骤：* * 转录激活转录激活* DnaA * DnaA 识别并结合复制起点，识别并结合复制起点，DnaBDnaBDnaCDnaC六聚体六聚体与与oriC oriC 形成预引发体形成预引发体* DnaG* DnaG加入形成引发体（加入形成引发体（oriCoriC引发体），合成引引发体），合成引物物RNARNA* * 引物合成后，引物合成后，DNApol DNApol 组装到引发的
42、组装到引发的RNARNA上，完上，完成复制体的组装成复制体的组装DNA双链双链大肠杆菌大肠杆菌DNADNA复制的起始复制的起始ATP. dnaA300C300C ATP300C dnaB dnaC ATP200C(2)(2)、DNADNA聚合酶：作用是将脱氧核苷酸连接聚合酶：作用是将脱氧核苷酸连接成成DNADNA。聚合反应：聚合反应： 底物底物dNTPdNTPPoly(Poly(核苷酸核苷酸)n)n3 3-OH -OH dNTP dNTP Poly( Poly(核苷酸核苷酸)n+1)n+13 3-OH -OH 2Pi 2PiDNADNA聚合酶活性条件模板、引物聚合酶活性条件模板、引物大肠杆菌大
43、肠杆菌 聚合聚合酶酶DNADNADNADNA聚合酶聚合酶I IDNADNA聚合酶聚合酶IIIIDNADNA聚合酶聚合酶IIIIII：将岗崎片段：将岗崎片段5 5端上的端上的RNARNA引物切除。此外对引物切除。此外对DNADNA复制复制起校正作用，并在起校正作用，并在DNADNA损伤损伤修复中也起重要作用。修复中也起重要作用。：作用机制不详。：作用机制不详。：DNADNA复制所必须的酶，复制所必须的酶， DNADNA链的延长，作用除与链的延长，作用除与DNADNA聚合酶聚合酶 I I有类似作用有类似作用外，还有一些其它独特的外，还有一些其它独特的机能。机能。DNADNA复制校正作用复制校正作用
44、免错机制免错机制改错机制（失配修复机制）改错机制（失配修复机制） 免错机制免错机制: :的代表是与的代表是与DNADNA聚合酶连接的核聚合酶连接的核酸外切校对酶。酸外切校对酶。DNADNA复制时首先复制时首先DNADNA聚合酶进行聚合酶进行“核苷酸选择核苷酸选择”，但并非，但并非100100选择正确，有选择正确，有十万分之一选择错误，核酸外切校对酶可清除十万分之一选择错误，核酸外切校对酶可清除选择错误的核苷酸。如果还有错误级既使用改选择错误的核苷酸。如果还有错误级既使用改错机制。错机制。 改错机制（失配修复机制）：在新合成的改错机制（失配修复机制）：在新合成的核苷酸中找出错配的核苷酸并将其清除
45、。核苷酸中找出错配的核苷酸并将其清除。哺乳动物哺乳动物 聚合酶聚合酶DNADNADNADNA聚合酶聚合酶 DNADNA聚合酶聚合酶 DNADNA聚合酶聚合酶 DNADNA聚合酶聚合酶 DNADNA聚合酶聚合酶 ：DNADNA复制时所需要的酶。复制时所需要的酶。： DNA DNA损伤修复时起作用。损伤修复时起作用。：存在线粒体，线粒体：存在线粒体，线粒体DNADNA复制复制起作用。起作用。：作用机制不详。：作用机制不详。 在复制的在复制的DNADNA链中如何辨别亲本链和新合链中如何辨别亲本链和新合成的链。亲本链顺序上甲基化程度较高，新合成的链。亲本链顺序上甲基化程度较高，新合成顺序则无。成顺序则
46、无。延伸过程延伸过程 进入的标志：进入的标志：DNApol DNApol 把第一个核苷酸把第一个核苷酸加到引物的加到引物的3 3OHOH端端后随链合成的起始（前体片段的起始）后随链合成的起始（前体片段的起始） 后随链的第一个冈崎片段起始于后随链的第一个冈崎片段起始于 先导链进入延伸之后先导链进入延伸之后 x174 phagex174 phage后随链的起始后随链的起始 （负链合成、不连续合成）（负链合成、不连续合成）(3)(3)、DNADNA连接酶连接酶: :能催化一段能催化一段DNADNA链的链的5 5磷酸根与另一段磷酸根与另一段DNADNA的的3 3OHOH形成磷酸二酯形成磷酸二酯键，使两
47、段键，使两段DNADNA连接起来。此外，在连接起来。此外，在DNADNA修复中亦起重要作用。修复中亦起重要作用。(4)(4)、DNADNA解链酶：解开解链酶：解开DNADNA双链。解链时双链。解链时需需ATPATP供能。供能。(5)(5)、单链、单链DNADNA结合蛋白（结合蛋白（SSBSSB）: :与被解与被解开的开的DNADNA单链结合，使其不再缠结而便单链结合，使其不再缠结而便于作模板于作模板去螺旋稳定蛋白（去螺旋稳定蛋白（HDP)HDP)。与复制有关的另外两种酶与复制有关的另外两种酶拓扑异构酶拓扑异构酶端粒酶（端粒末端转移酶）端粒酶（端粒末端转移酶）拓扑异构酶拓扑异构酶I I拓扑异构酶
48、拓扑异构酶IIII：切断：切断DNADNA双链中的一双链中的一股股, ,使使DNADNA解链旋转时不解链旋转时不致缠结，待张力解除后致缠结，待张力解除后又把切口封闭。又把切口封闭。：稳定螺旋结构；当：稳定螺旋结构；当复制完毕时，使着丝复制完毕时，使着丝粒处连锁着的两个粒处连锁着的两个DNADNA分子分离。分子分离。：保证真核细胞内线：保证真核细胞内线性性DNADNA的复制进行得的复制进行得彻底和完善。彻底和完善。5335大肠杆菌大肠杆菌 复制叉中各种酶和蛋白质的作用模型复制叉中各种酶和蛋白质的作用模型DNA解链酶解链酶解链酶解链酶35解链酶解链酶35引发体引发体引发酶引发酶SSBSSBSSBS
49、SBRNA引物聚合酶聚合酶II35聚合酶聚合酶II解链酶解链酶35聚合酶聚合酶II3SSBSSBSSBSSB5RNA引物引发体引发体引发酶引发酶RNA引物SSBSSBSSBSSB聚合酶聚合酶IIDNA聚合酶聚合酶I和连接酶和连接酶复制终止复制终止1 1、环形、环形DNADNA复制的终止复制的终止a a、终止序列、终止序列 E.coli 有两个终止区域，分别结合专一性有两个终止区域，分别结合专一性的终止蛋白的终止蛋白序列一：序列一：terE terD terAterE terD terA序列二：序列二：terF terB terCterF terB terC每个区域只对一个方向的复制叉起作用每个
50、区域只对一个方向的复制叉起作用 b b、专一性终止蛋白、专一性终止蛋白 E.coli 中由中由tus gene 编码编码（terminus utilization substance） 通过抑制通过抑制DNADNA螺旋酶而发挥终止作用螺旋酶而发挥终止作用, ,每次复每次复制时只使用一个终止位点制时只使用一个终止位点ter 线性线性DNADNA的末端复制的问题的末端复制的问题? ? 环状环状DNADNA复制是否存在这样的问题复制是否存在这样的问题, ,为什么为什么? ?线状线状DNADNA的复制的复制5 5末端短缩的解决模式末端短缩的解决模式a a、从开始就采取环化的形式、从开始就采取环化的形式
51、 噬菌体噬菌体b b、象、象T7T7噬菌体一样采取连环分子的形式利噬菌体一样采取连环分子的形式利用自身线性用自身线性DNADNA末端的重复序列通过末末端的重复序列通过末端互补形成连环分子端互补形成连环分子c c、最直接的办法引入蛋白质直接从末、最直接的办法引入蛋白质直接从末端起始复制如腺病毒端起始复制如腺病毒2 2、phage29phage29、脊髓灰质炎病毒脊髓灰质炎病毒d d、痘病病毒的末端由发夹结构连接复制完、痘病病毒的末端由发夹结构连接复制完成后错切连接成后错切连接?二聚体二聚体3-OHATCGTAGCATCGTAGC3-OHT7噬噬菌菌体体的的末末端端复复制制专一性核专一性核酸内切酶
52、酸内切酶 腺病毒（腺病毒（Adnovirus-2） DNA的复制的复制 35937 bp TP C G IR 103-162 IR ; IR ; 包括包括 50bp 50bp的复制原点、富含的复制原点、富含A/TA/T、有一个高、有一个高 度保守的度保守的G GC C对对pTP ; pTP ; 末端蛋白的前体末端蛋白的前体 80 kd TP 55 kdSSB ; SSB ; 单链单链DNADNA结合蛋白结合蛋白 72 kd Ad2 DNA polymerase ; Ad2 DNA polymerase ; 140 kd 复制起始复合体复制起始复合体 引发复制引发复制 （不需引物）（不需引物）
53、避免避免5-end shortent pTp-Ser-dCMP CG 过程过程 SSB + ATP DNA 末端解链末端解链 TP pTP-Ser + dCTP pTP-Ser-dCMP 3 OH腺病毒腺病毒 DNA DNA 复制起始复制起始GIRIR长的发夹长的发夹结构结构 痘病病毒末端复制的解决方式痘病病毒末端复制的解决方式真核生物染色体真核生物染色体 DNA DNA末端补齐模式末端补齐模式 (1) 端粒端粒DNA (Telomer)(Telomer) TTGGGG(T2G4)序列高度重复的末端序列高度重复的末端 5 TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGG 3 (富含富含 G 链
54、链) 3 AACCCC AACCCC AACCCC 5 (富含富含 C 链链) 端粒酶端粒酶（ Telomerase）四膜虫：四膜虫：Telomerase 将将T T2 2G G4 4 末端重复延伸末端重复延伸 游扑虫：游扑虫：Telomerase = RNA CAAAACCCC链链 + + 末端末端结合蛋白结合蛋白 （TBPTBP）端粒酶逆转录酶端粒酶逆转录酶a a、核蛋白、核蛋白（ ribonucleoprotein RNP）b b、含约长、含约长150NT150NT的的RNARNA，其中含，其中含 1 15 5 拷贝拷贝的的CxAyCxAy重复序列，是合成端粒重复序列，是合成端粒T T2
55、 2G G4 4的模板的模板c c、延长的、延长的3 3-T-T2 2G G4 4端（端（一段一段cDNAcDNA）作为）作为5 5- -端端DNADNA合成的模板合成的模板补齐过程补齐过程 通过通过TGTG链的回折形链的回折形成发夹结构（成发夹结构（G GG G氢键）尺蠖氢键）尺蠖模型模型实现端粒酶位实现端粒酶位置的调整置的调整 G G hoogsteen 氢键氢键 三螺旋三螺旋DNA G链链 T2G4-TTGGGG TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGG C链链-A2C4- G链链 T2G4-TTGGGG t t g g g g t t gC链链-A2C4- AACCCCAA g
56、 g g g t tgggPrimaseAACCCCAACCCCAACCCCAACCCCAACCCDNA polorG链链 T2G4-TTGGGG TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGG C链链-A2C4- 人体细胞通过监测失去的端粒的重复数而计数人体细胞通过监测失去的端粒的重复数而计数细胞分裂次数，当端粒长度下降到细胞分裂次数，当端粒长度下降到某一临界值某一临界值时，细胞终止分裂衰老、死亡时，细胞终止分裂衰老、死亡“多莉多莉”的衰老的衰老研究端粒丢失的速率，预测人类的寿命研究端粒丢失的速率，预测人类的寿命 XX XY why?XX XY why?研究推测端粒酶与肿瘤的关系研究推测端
57、粒酶与肿瘤的关系复制忠实性的保证复制忠实性的保证1 1、DNApolDNApol的的3 35 5外切酶活性外切酶活性 2 2、DNApolDNApol只能从引物的只能从引物的3 3 端延伸端延伸DNADNA（需要需要RNARNA引物引物） a a、碱基配对协同性导致最初几个碱基、碱基配对协同性导致最初几个碱基错配率高，且不易校正错配率高，且不易校正 b b、RNARNA引物最终被降解而避免错误引物最终被降解而避免错误3 3、后随链的不连续合成、后随链的不连续合成: :因其有利于错因其有利于错配碱基的校正配碱基的校正 第四节第四节 DNA DNA分子中信息的表达分子中信息的表达 基因表达基因表达
58、: :是指生物体基因组种结构基是指生物体基因组种结构基因所携带的遗传信息经过转录及翻译等一因所携带的遗传信息经过转录及翻译等一系列过程，合成特定的蛋白质，进而发挥系列过程，合成特定的蛋白质，进而发挥其特定生物学功能的全过程。其特定生物学功能的全过程。v基因表达产物基因表达产物: :各种各种RNA(tRNARNA(tRNA、mRNAmRNA和和rRNA)rRNA)以及蛋白质、多肽。以及蛋白质、多肽。 一、转录一、转录 转录转录 ：指：指DNADNA合成合成RNARNA的过程（的过程（ DNA DNA 分子的分子的3 35 5 为模板链也叫反编码为模板链也叫反编码链；链；5 5 3 3 链叫编码链
59、）。链叫编码链）。DNADNA复制复制转录转录RNARNA翻译翻译蛋白质蛋白质逆转录逆转录转录产物转录产物信息信息RNA(mRNA)RNA(mRNA)转运转运RNA(tRNA)RNA(tRNA)核糖体核糖体RNA(rRNA)RNA(rRNA)核仁以外的核仁以外的常染色质转常染色质转录的。录的。核仁内的常染核仁内的常染色质转录的。色质转录的。转录的阶段转录的阶段粗转录阶段粗转录阶段加工阶段加工阶段内含子内含子1（I1）内含子内含子2（I2）外显子外显子 3（E3）105 146外显子外显子 2 （E2）31 1045 3 TATA框框RNA聚合酶结合聚合酶结合决定转录起始点决定转录起始点CAAT
60、框框RNA聚合酶结合聚合酶结合控制转录频率控制转录频率外显子外显子 1 （E1）1 30AATAAA 回文顺序回文顺序 内含子内含子1（I1）内含子内含子2（I2）外显子外显子 3（E3）105 146外显子外显子 2 （E2）31 1045 3 外显子外显子 1 （E1）1 30AATAAA 回文顺序回文顺序 内含子内含子1（I1）内含子内含子2（I2） 内含子内含子1（I1）内含子内含子2（I2） 内含子内含子1（I1）内含子内含子2（I2） 5 3 外显子外显子 3（E3）105 146外显子外显子 2 （E2）31 104外显子外显子 1 （E1）1 30AATAAA回文顺序回文顺序
61、外显子外显子 3（E3）105 146外显子外显子 2 （E2）31 1045 3 外显子外显子 1 （E1）1 30AATAAAAAAAAAAAAAAAAmGmGDNA转录转录剪剪接接带带帽帽加加尾尾成熟的成熟的mRNA hnRNA加工加工 ( (一一) )剪接：剪接： 细胞核内小细胞核内小RNARNA长约长约250250个核个核苷酸，是所有真核，高度保守的成分，因苷酸，是所有真核，高度保守的成分，因富含富含U U，称，称U U族族RNARNA，已知有，已知有U U1 1、U U2 2、U U3 3、U U4 4、U U5 5、U U6 6数种，这些，数种，这些，snRNAsnRNA与约十种
62、与约十种PrPr，结，结合形成合形成SnRNPSnRNP，其通过，其通过RNARNARNARNA互补，可识互补，可识别内含子中别内含子中RNARNA的特定序列，各种的特定序列，各种SnRNPSnRNP在剪在剪接过程中，形成剪接体，使内含子被切掉。接过程中，形成剪接体，使内含子被切掉。UACUGACE11 30AGE231 104G UU1/ U23 E231 104I1GUUACUGACAGE11 305 U1 U2 U3UACUGAAGG UCE231 104E11 30UACUGAE11 30AGE231 104G UC2 2、切切除除内内含含子子、内内含含子子5 5端端的的外外显显子子和
63、和3 3端端的的外外显显子子连连接接起起来来，内内含含子子3 3端端剪剪接接部部位位断断裂裂，将将内内含含子子形形成成的的套套索索式式结结构构切切掉。掉。1 1、在内含子、在内含子3 3端端UACUGACUACUGAC中第中第6 6位的位的A A攻击剪接部位，使之断裂，攻击剪接部位，使之断裂，内含子内含子5 5端端G G断裂后折回，与内含子断裂后折回，与内含子3 3端第端第6 6位位A A经经5 52 2磷酸二磷酸二酯键相连接。酯键相连接。5 5首首先先，RNA5RNA5端端起起始始核核苷苷酸酸的的P P与与鸟鸟苷苷三三磷酸形成磷酸形成5 5 5 5 键。键。然然后后，在在乌乌苷苷酸酸7 7位
64、位N N上上甲甲基基化化，完完成成戴戴帽帽( (帽帽O)O)在在真真核核生生物物中中、下下一一个个的的2 2 0 0位位甲甲基基化，形成帽化，形成帽1 1。(二二)戴帽：戴帽：戴帽作用：戴帽作用： (1)(1)戴戴帽帽可可有有效效地地封封闭闭RNA5RNA5 末末端端，使它不再接核苷酸。使它不再接核苷酸。 (2)(2)同同时时可可保保护护5 5 末末端端，使使其其不不受受砼砼酸酸酶酶和和核核酸酸酶酶的的消消化化作作用用，从从而而增增加加其其稳稳定性。定性。 (3)(3)帽帽还还能能被被核核糖糖体体小小亚亚基基识识别别，促促使使mRNAmRNA与核糖体结合。与核糖体结合。( (三三) )加尾：加
65、尾： 在在戴戴帽帽同同时时，33端端在在在在腺腺苷苷酸酸聚聚合合酶酶作作用用下下加加接接一一连连串串PolyAPolyA，成成尾尾，这这过过程程称称多多聚聚腺苷酸化反应。腺苷酸化反应。 多多聚聚腺腺苷苷酸酸化化是是在在AAVAAAAAVAAA下下游游开开始始的的，但但在在加加尾尾前前，需需修修建建33末末端端，水水解解掉掉10101515个个核苷酸后，再加核苷酸后，再加100100200200个个A A。作用：作用： 可可能能是是使使得得mRNA3mRNA3末末端端稳稳定定，不不受受酶的破坏，并可促使酶的破坏，并可促使mRNAmRNA由核运转到质中。由核运转到质中。二、二、翻译翻译组成性与诱导
66、性组成性与诱导性组成性基因始终表达的基因，如能量代谢；组成性基因始终表达的基因，如能量代谢；诱导性基因诱导表达的基因，如细胞因子诱导性基因诱导表达的基因，如细胞因子正调控和负调控正调控和负调控阻遏：基因表达受到抑制的过程和状态；脱阻阻遏：基因表达受到抑制的过程和状态；脱阻遏被阻遏的基因重新表达。遏被阻遏的基因重新表达。静息：基因长期不表达的状态。静息：基因长期不表达的状态。调控的水平调控的水平转录前，转录水平，转录后转录前，转录水平，转录后第五节第五节 基因的调控基因的调控v基因表达的特异性基因表达的特异性（一）时间特异性（一）时间特异性 往往往往与与细细胞胞或或个个体体的的特特定定分分化化、
67、发发育育阶阶段段相适应，又称阶段特异性。相适应，又称阶段特异性。（二）空间特异性（二）空间特异性 由由细细胞胞在在各各组组织织器器官官的的分分布布差差异异所所决决定定的的，故又称为细胞特异性或组织特异性。故又称为细胞特异性或组织特异性。v基因表达的方式基因表达的方式（一）组成性表达（一）组成性表达 管管家家基基因因: :生生命命全全过过程程都都是是必必需需的的、且且在在一一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。 组组成成性性基基因因表表达达: :管管家家基基因因较较少少受受环环境境因因素素的的影影响响，在在个个体体发发育育的的任任一一阶阶段段都都能
68、能在在大大多多数数细胞中持续表达。细胞中持续表达。（二）诱导和阻遏表达（二）诱导和阻遏表达诱诱导导表表达达：特特定定环环境境信信号号刺刺激激下下，基基因因表表现现为为开开放放或或增增强强，表表达达产产物增加。物增加。阻阻遏遏表表达达：在在特特定定环环境境信信号号刺刺激激下下，基基因因被被抑抑制制，从从而而使使表表达达产产物减少。物减少。（三）协调表达（三）协调表达 协协调调表表达达：在在一一定定机机制制控控制制下下，功功能能相相关关的的一一组组基基因因，协协调调一一致致，共共同同表达。表达。一、原核细胞的基因表达调控一、原核细胞的基因表达调控 负调节负调节: :负调节蛋白（阻遏物）将基负调节蛋
69、白（阻遏物）将基因关闭，使其不能转录的调节方式。因关闭，使其不能转录的调节方式。大肠杆菌乳糖操纵子大肠杆菌乳糖操纵子LacZ（ 半乳糖苷酶）半乳糖苷酶）3510bpLacY（ 半乳糖苷通透酶）半乳糖苷通透酶）780bpLacA（ 半乳糖乙酰酶）半乳糖乙酰酶）825bp 启动子启动子 （P）TGTTGACATTTATTTGTTATAATG CAT 69bp 47bp 操纵基因操纵基因（O）5 3 调节基因（调节基因（R）1040bp 转录转录翻译翻译阻 遏物关闭状态关闭状态阻 遏物+转录转录翻译翻译 RNA聚合酶聚合酶 半乳糖苷酶半乳糖苷酶通透酶通透酶乙酰化酶乙酰化酶乳糖乳糖半乳糖半乳糖打开状态
70、打开状态LacZ（ 半乳糖苷酶）半乳糖苷酶）3510bpLacY（ 半乳糖苷通透酶）半乳糖苷通透酶）780bpLacA（ 半乳糖乙酰酶）半乳糖乙酰酶）825bp 启动子启动子 （P）TGTTGACATTTATTTGTTATAATG CAT 69bp 47bp 操纵基因操纵基因（O）5 3 调节基因（调节基因（R）1040bp RNA聚合酶聚合酶 正调节：正调节蛋白（活化物）正调节：正调节蛋白（活化物）与启动子结合，增强与启动子结合，增强RNARNA聚合酶与启动聚合酶与启动子结合的能力，使转录过程进行的调子结合的能力，使转录过程进行的调节方式。节方式。阿拉伯糖（阿拉伯糖（Ara）操纵子）操纵子
71、转录转录翻译翻译C 蛋白+ RNA聚合酶聚合酶阿拉伯糖阿拉伯糖（Ara） RNA聚合酶聚合酶5 3 BAD 启动子启动子 （P） 操纵基因（操纵基因（O）调节基因（调节基因（C）二、真核细胞的基因表达调控二、真核细胞的基因表达调控1.1.环境因素对基因表达调控的影响环境因素对基因表达调控的影响2.2.激素、蛋白质因子等对基因表达调控的激素、蛋白质因子等对基因表达调控的影响影响3.3.染色质结构的变化染色质结构的变化（一）（一）DNADNA、染色体水平的变化特点、染色体水平的变化特点1 1对核酸酶极度敏感对核酸酶极度敏感真核基因表达调控的特点真核基因表达调控的特点 2.活性染色体结构变化活性染色
72、体结构变化当基因被激活时，可观察到染色体相应区域发生某些结当基因被激活时，可观察到染色体相应区域发生某些结构和性质变化。（构和性质变化。（1）对）对核酸酶核酸酶敏感活化基因一个明显敏感活化基因一个明显特性是对特性是对核酸酶核酸酶极度敏感，当用极度敏感，当用DNase处理时染色质处理时染色质DNA会也现一些会也现一些DNase超敏位点（超敏位点（hypersnsitive site）。）。超敏位点常发生在基因的超敏位点常发生在基因的5侧翼区（侧翼区（5flanking region）、）、3侧翼区（侧翼区（3flanking region）甚至可转录）甚至可转录区内，具体也现在调节蛋白结合位点附
73、近。对区内，具体也现在调节蛋白结合位点附近。对DNase敏敏感状态的出现是转录所必需的，但它并不是只在转录进感状态的出现是转录所必需的，但它并不是只在转录进行时才存在，所以可以认为，行时才存在，所以可以认为，DNase敏感状态是转录的敏感状态是转录的必要条件而不是充分条件。（必要条件而不是充分条件。（2）DNA拓扑结构变化：拓扑结构变化：当基因活化时，当基因活化时，RNA聚合酶前方的转录区聚合酶前方的转录区DNA拓扑结构拓扑结构为正性超螺旋构象，而在其后面的为正性超螺旋构象，而在其后面的DNA则为负性超螺旋则为负性超螺旋构象。负性超螺旋构象有利于核小体结构的再形成，而构象。负性超螺旋构象有利于
74、核小体结构的再形成，而正性超螺旋构象不仅阻碍核小体结构形成，而且促进组正性超螺旋构象不仅阻碍核小体结构形成，而且促进组蛋白蛋白H2AH2B二聚体的释放，使二聚体的释放，使RNA聚合酶有可能向聚合酶有可能向前移动，进行转录。前移动，进行转录。2 2DNADNA拓朴结构变化拓朴结构变化 天天然然双双链链DNADNA几几乎乎均均以以负负性性超超螺螺旋旋构构象象存存在在。当当基基因因激激活活后后，则则转转录录区区前前方方的的DNADNA拓拓朴朴结结构构变变为为正正性性超超螺螺旋旋，有有利利于于RNARNA聚聚合合酶酶向向前前移移动动，进行转录。进行转录。3. DNA3. DNA甲基化甲基化 DNA D
75、NA甲基化程度与基因表达呈反比。甲基化程度与基因表达呈反比。4 4染色体结构的变化染色体结构的变化 组组蛋蛋白白发发生生修修饰饰，碱碱基基暴暴露露等等原原因因而而引引起起核核小体结构改变，使核小体不稳定性增加。小体结构改变，使核小体不稳定性增加。（3）DNA甲基化修饰在真核生物基因表达调控中，甲基化起着重甲基化修饰在真核生物基因表达调控中，甲基化起着重要作用。一般认为，要作用。一般认为，DNA甲基化范围与基因表达程度呈反比关系。甲基化范围与基因表达程度呈反比关系。甲基化程度高，基因的表达则降低；去甲基化，又可使基因表达增甲基化程度高，基因的表达则降低；去甲基化，又可使基因表达增加。这种甲基化最
76、常发生在某些基因的加。这种甲基化最常发生在某些基因的5侧翼区的侧翼区的CpG序列（又称序列（又称“CpG岛岛”），处于转录活化状态的基因），处于转录活化状态的基因CpG序列一般是低甲基化的。序列一般是低甲基化的。（4）组蛋白变化其中包括）组蛋白变化其中包括富含富含Lys组蛋白水平降低：亦即组蛋白水平降低：亦即H1样组样组蛋白减少，并伴有蛋白减少，并伴有DNA形成形成30nm纤维束能力降低。纤维束能力降低。H2AH2B二二聚体不稳定性增加：易于从核心组蛋白中被置换出来。聚体不稳定性增加：易于从核心组蛋白中被置换出来。组蛋白修组蛋白修饰：最常见的修饰有乙酰化、泛素化，修饰后使核小体结构变得不饰：最
77、常见的修饰有乙酰化、泛素化，修饰后使核小体结构变得不稳定。稳定。H3组蛋白巯基暴露：系核小体结构变化引起。组蛋白巯基暴露：系核小体结构变化引起。3.正性调节占主导：真核基因组结构庞大，在不适当位点出现特异正性调节占主导：真核基因组结构庞大，在不适当位点出现特异结合序列机会增多，正性调节大多数基因不结合调节蛋白，只要细结合序列机会增多，正性调节大多数基因不结合调节蛋白，只要细胞表达一组激活蛋白时，相关靶基因即可被激活。胞表达一组激活蛋白时，相关靶基因即可被激活。4.转录与翻译分隔进行转录与翻译分隔进行真核细胞核及胞浆等区间分布，转录与翻译在不同亚细胞结构进行。真核细胞核及胞浆等区间分布，转录与翻
78、译在不同亚细胞结构进行。.转录后修饰、加工转录后修饰、加工鉴于真核基因结构特点，转录后剪接及修饰等过程比原核复杂。鉴于真核基因结构特点，转录后剪接及修饰等过程比原核复杂。基因表达调控基因表达调控原核生物基因表达的调控主要是在转录水平其次是翻译水平进行。真核生物基因表达的调控环节较多，在原核生物基因表达的调控主要是在转录水平其次是翻译水平进行。真核生物基因表达的调控环节较多，在DNA水平可通过染色质丢失、基因扩增、基因重水平可通过染色质丢失、基因扩增、基因重排、排、DNA甲基化以及染色质结构改变影响基因表达；在转录水平则主要通过反式作用因子的作用调控转录因子与甲基化以及染色质结构改变影响基因表达
79、；在转录水平则主要通过反式作用因子的作用调控转录因子与TATA 盒的结合、盒的结合、RNA聚合酶与转录因子聚合酶与转录因子-DNA复合物的结合以及转录起始复合物的形成；在转录后水平主要通过复合物的结合以及转录起始复合物的形成；在转录后水平主要通过RNA修饰、剪接及修饰、剪接及mRNA运输的控制来影响基因表达；影响翻译水平的因素有影响运输的控制来影响基因表达；影响翻译水平的因素有影响翻译起始的阻遏蛋白、翻译起始的阻遏蛋白、5AUG、5端非编码区的长度等，有端非编码区的长度等，有mRNA的稳定性调节，另外还存在小分子反义的稳定性调节，另外还存在小分子反义RNA对翻译的调控；翻译后蛋白质的修饰和定对
80、翻译的调控；翻译后蛋白质的修饰和定位亦是基因表达调控的一个重要环节。基因表达（位亦是基因表达调控的一个重要环节。基因表达（gene expression）：是指生物基因组中结构基因所携带的遗传信息经转录、翻译等一系列过程，合成特定）：是指生物基因组中结构基因所携带的遗传信息经转录、翻译等一系列过程，合成特定的蛋白质，进而发挥其特定的生物学功能和生物学效应的全过程。并非所有基因表达过程都产生蛋白质，的蛋白质，进而发挥其特定的生物学功能和生物学效应的全过程。并非所有基因表达过程都产生蛋白质，rRNA、tRNA的编码基因转录生成的编码基因转录生成RNA的过程也的过程也属于基因表达。基因表达的调控是在
81、多极水平上进行的，转录水平是基因表达的基本控制点。属于基因表达。基因表达的调控是在多极水平上进行的，转录水平是基因表达的基本控制点。基因表达的时间特异性（基因表达的时间特异性（temporal specificity）：按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，这就是基因表达的时间特异性。）：按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，这就是基因表达的时间特异性。基因表达的空间特异性（基因表达的空间特异性（spatial specificity）：在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，这就是基因表达的空间特异性。基因表）：在个体生长全过程，某种基
82、因产物在个体按不同组织空间顺序出现，这就是基因表达的空间特异性。基因表达伴随时间或阶段顺序所表现出的这种空间分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，因此基因表达的空间特异性又称细胞特异性（达伴随时间或阶段顺序所表现出的这种空间分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，因此基因表达的空间特异性又称细胞特异性（cell specificity）或组织特异性（）或组织特异性（tissue specificity）。）。基因表达的方式有基因表达的方式有（1）组成性表达。）组成性表达。管家基因（管家基因（ho usekeeping gene）：有些基因产物对生命过程是必需的且在一个生物个体的几乎所
83、有细胞中持续表达或变化很小的基因。）：有些基因产物对生命过程是必需的且在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达或变化很小的基因。组成性基因表达组成性基因表达（constitutive gene expression）：指管家基因的表达，又称基本的基因表达，只受启动序列或启动子与）：指管家基因的表达，又称基本的基因表达，只受启动序列或启动子与RNApol抑制作用的影响。抑制作用的影响。诱导表达（诱导表达（induction expression）和阻遏表达（）和阻遏表达（repression expression）：有一些基因表达极易受环境变化的影响，在特定的环境信号刺激下，相应基因的表达表现为开
84、放或增强，）：有一些基因表达极易受环境变化的影响，在特定的环境信号刺激下，相应基因的表达表现为开放或增强，这种表达方式称诱导表达；相反有些基因的表达表现为关闭或下降，这种表达方式称阻遏表达。这种表达方式称诱导表达；相反有些基因的表达表现为关闭或下降，这种表达方式称阻遏表达。原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控主要是在转录水平其次是翻译水平进行。原核生物基因表达的调控主要是在转录水平其次是翻译水平进行。 基因表达调控的基本原理是基因表达调控的基本原理是1.基因表达子多极调控基因表达子多极调控2.基因转录激活调节基本要素（基因转录激活调节基本要素（1）特）特异异DNA
85、序列，主要指具有调节功能的序列，主要指具有调节功能的DNA序列，把可影响自身基因表达活性的序列，把可影响自身基因表达活性的DNA序列称为顺式作用元件。根据作用性质和后式分为启动子，增强子和沉序列称为顺式作用元件。根据作用性质和后式分为启动子，增强子和沉默子。（默子。（2）调节蛋白：分三大类）调节蛋白：分三大类决定决定RNApol对启动序列的特异性识别和结合能力的顺式作用元件的特异因子。原核基因转录调节具有如下特点，对启动序列的特异性识别和结合能力的顺式作用元件的特异因子。原核基因转录调节具有如下特点，1.因因子决定子决定RNApol识别的特异性，不同的识别的特异性，不同的因子决定特异基因的转录
86、激活，决定因子决定特异基因的转录激活，决定mRNA、rRNA和和tRNA基因的转录。基因的转录。2.操种子模型的普遍性，一个操重子只含操种子模型的普遍性，一个操重子只含有一个启动序列及数个可转录的编码基因。有一个启动序列及数个可转录的编码基因。3.阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性。阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性。转录水平的调控转录水平的调控原核生物基因多以操纵子（原核生物基因多以操纵子（operon）的形式存在。操纵子由调控区与信息区组成，上游是调控区，包括启动子与操纵基因两部分。启动子是同）的形式存在。操纵子由调控区与信息区组成，上游是调控区，包括启动子与操纵基因两部分。启动子是同RNA聚合酶聚合酶结
87、合并启动转录的特异性结合并启动转录的特异性DNA序列，操纵基因是特异的阻遏物结合区。序列，操纵基因是特异的阻遏物结合区。乳糖操纵子调控的机制乳糖操纵子调控的机制E.coli的乳糖操纵子（的乳糖操纵子（lac operon）有三个结构基因）有三个结构基因Z、Y、A，分别编码，分别编码-半乳糖苷酶（半乳糖苷酶（-galactosidase）、透酶（）、透酶（permease）和半乳）和半乳糖苷乙酰化酶（糖苷乙酰化酶（galactoside acetylase）,其上游还有一个启动序列其上游还有一个启动序列(P)和一个操纵基因和一个操纵基因(O)。在启动序列上游还有一个。在启动序列上游还有一个CAP
88、蛋白的结合位点。由启动子、操纵蛋白的结合位点。由启动子、操纵基因和基因和CAP结合位点共同构成乳糖操纵子的调控区。结合位点共同构成乳糖操纵子的调控区。1.I基因是调节基因，编码产生阻遏蛋白。阻遏蛋白为四聚体，每个亚基相同。在没有乳糖的条件下，基因是调节基因，编码产生阻遏蛋白。阻遏蛋白为四聚体，每个亚基相同。在没有乳糖的条件下，阻遏蛋白能与操纵基因结合。由于操纵基因与启动子有部分重叠，阻遏蛋白与操纵基因结合后，抑制了阻遏蛋白能与操纵基因结合。由于操纵基因与启动子有部分重叠，阻遏蛋白与操纵基因结合后，抑制了RNA聚合酶聚合酶与启动子结合，从而抑制结构基因的转与启动子结合，从而抑制结构基因的转录。偶
89、有阻遏蛋白与操纵基因解聚，因此每个细胞中可能会有寥寥几个半乳糖苷酶、透酶生成。录。偶有阻遏蛋白与操纵基因解聚，因此每个细胞中可能会有寥寥几个半乳糖苷酶、透酶生成。当有乳糖存在时，该操纵子即可被诱导。乳糖经透酶作用进入细胞，再经已存在的当有乳糖存在时，该操纵子即可被诱导。乳糖经透酶作用进入细胞，再经已存在的-半乳糖苷酶催化，转变成半乳糖。后者作为诱导剂（半乳糖苷酶催化，转变成半乳糖。后者作为诱导剂（inducer）与阻遏）与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白的构象发生改变，导致阻遏蛋白与操纵基因解聚，引起结构基因的转录。异丙基硫代半乳糖苷（蛋白结合，使阻遏蛋白的构象发生改变，导致阻遏蛋白与操纵基因解聚，引
90、起结构基因的转录。异丙基硫代半乳糖苷（IPTG）是一种作用极强的诱导剂，）是一种作用极强的诱导剂，不能被细菌代谢，因此被实验室广泛应用。不能被细菌代谢，因此被实验室广泛应用。2.在在lac操纵子中，操纵子中，RNA聚合酶与聚合酶与lac启动子结合的能力很弱，只有启动子结合的能力很弱，只有CAP结合到启动子上游的结合到启动子上游的CAP结合位点后，促结合位点后，促进进RNA聚合酶与启动子结合，才能有效转录。乳糖操纵子的转录起始是由聚合酶与启动子结合，才能有效转录。乳糖操纵子的转录起始是由CAP和阻遏蛋白两种调控因子来控制的。在这种调控作用中。和阻遏蛋白两种调控因子来控制的。在这种调控作用中。CA
91、P起正调控作用。起正调控作用。CAP和阻遏蛋白这两种因素，可因葡萄糖和乳糖存在与否而有和阻遏蛋白这两种因素，可因葡萄糖和乳糖存在与否而有4 种不同的组合。种不同的组合。葡萄糖存在、乳糖不存在：此时无诱导剂存在，阻遏蛋白与葡萄糖存在、乳糖不存在：此时无诱导剂存在，阻遏蛋白与DNA结合。而且由于葡萄糖的存在，结合。而且由于葡萄糖的存在，CAP也不能发挥正调控作用，也不能发挥正调控作用，基因处于关闭状态。基因处于关闭状态。葡萄糖和乳糖都不存在：在没有葡萄糖存在的情况下，葡萄糖和乳糖都不存在：在没有葡萄糖存在的情况下，CAP可以发挥正调控作用。但由于没有诱导剂，阻遏蛋白负调控作用可以发挥正调控作用。但
92、由于没有诱导剂，阻遏蛋白负调控作用使基因仍然处于关闭状态。使基因仍然处于关闭状态。葡萄糖和乳糖都存在：乳糖的存在对基因的转录产生诱导作用。但由于葡萄糖的存在使细胞内葡萄糖和乳糖都存在：乳糖的存在对基因的转录产生诱导作用。但由于葡萄糖的存在使细胞内cAMP水平降低，水平降低，cAMP-CAP复复合物不能形成，合物不能形成，CAP不能结合到不能结合到CAP结合位点上，转录仍不能启动，基因处于关闭状态。结合位点上，转录仍不能启动，基因处于关闭状态。葡萄糖不存在、乳糖存在：此时葡萄糖不存在、乳糖存在：此时CAP可以发挥正调控作用，阻遏蛋白由于诱导剂的存在而失去负调控作用，基因被打开，启可以发挥正调控作
93、用，阻遏蛋白由于诱导剂的存在而失去负调控作用，基因被打开，启动转录。动转录。3.协调调节：阻遏蛋白负性调节与协调调节：阻遏蛋白负性调节与CAP正性调节两种机制协调合作，当乳糖操纵子的强的诱导作用即需要乳糖存在，又正性调节两种机制协调合作，当乳糖操纵子的强的诱导作用即需要乳糖存在，又需要缺乏葡萄糖。需要缺乏葡萄糖。4.原核特异基因除操纵子转录起始调节尚有其他特异调节机制。原核特异基因除操纵子转录起始调节尚有其他特异调节机制。 1.转录衰减，如转录衰减，如色氨酸操纵子的调控机制色氨酸操纵子的调控机制E.coli的色氨酸操纵子（的色氨酸操纵子（trp operon）有五个结构基因，）有五个结构基因，
94、E、D、C、B、A基因编码三种酶，用于合成色基因编码三种酶，用于合成色氨酸。上游调控区由启动子（氨酸。上游调控区由启动子（P）和操纵基因（）和操纵基因（O）组成。）组成。R基因是调节基因，编码阻遏蛋白。基因是调节基因，编码阻遏蛋白。Trp操纵子是一阻遏型操纵子，无操纵子是一阻遏型操纵子，无色氨酸时，阻遏蛋白不能与操纵基因结合，对转录无抑制作用；细胞内有较大量的色氨酸时，阻遏蛋白与色氨酸形成复合物后色氨酸时，阻遏蛋白不能与操纵基因结合，对转录无抑制作用；细胞内有较大量的色氨酸时，阻遏蛋白与色氨酸形成复合物后能与操纵基因结合，抑制转录。能与操纵基因结合，抑制转录。Trp操纵子的另一个调控方式是衰减
95、（操纵子的另一个调控方式是衰减（attenuation）机制调节。衰减子位于结构基因）机制调节。衰减子位于结构基因E和操纵基因（和操纵基因（O）之间的）之间的L基因中。大肠杆基因中。大肠杆菌在无色氨酸的环境下，菌在无色氨酸的环境下，L基因和结构基因能转录产生具有基因和结构基因能转录产生具有6700个个核苷酸核苷酸的全长多顺反子的全长多顺反子mRNA，当细胞内色氨酸增多时，结构，当细胞内色氨酸增多时，结构基因转录受到抑制，但基因转录受到抑制，但L基因转录的前导基因转录的前导mRNA（140个个核苷酸核苷酸）并没有减少，这部分转录物称为衰减子转录物。衰减子转录物）并没有减少，这部分转录物称为衰减子
96、转录物。衰减子转录物中具有中具有4段特殊的序列，片段段特殊的序列，片段1和和2、2和和3、3和和4能配对形成的发夹结构，而形成发夹能力的强弱依次为片段能配对形成的发夹结构，而形成发夹能力的强弱依次为片段1/2片段片段2/3片段片段3/4。片段片段3和和4所形成的发夹结构之后紧接着寡尿嘧啶，是不依赖于所形成的发夹结构之后紧接着寡尿嘧啶，是不依赖于因子的转录终止信号。这因子的转录终止信号。这4 个片段形成何种发夹结构，是由个片段形成何种发夹结构，是由L基因基因转录物的翻译过程所控制的转录物的翻译过程所控制的L基因的部分转录产物（含片段基因的部分转录产物（含片段1）编码）编码14个个氨基酸氨基酸，其
97、中含有两个相邻的色氨酸密码子。这两个相，其中含有两个相邻的色氨酸密码子。这两个相邻的色氨酸码子以原核生物中转录与翻译的偶联是产生衰减作用的基础。邻的色氨酸码子以原核生物中转录与翻译的偶联是产生衰减作用的基础。L基因转录不久核糖体就与基因转录不久核糖体就与mRNA结合，并翻译结合，并翻译L短肽短肽序列。细胞内有色氨酸时，形成色氨酸序列。细胞内有色氨酸时，形成色氨酸-tRNA，核糖体翻译可通过片段，核糖体翻译可通过片段1，并通过片段，并通过片段2。因遇到翻译终止密码，核糖体在到达片。因遇到翻译终止密码，核糖体在到达片段段3之前便从之前便从mRNA上脱落。在这种情况下，片段上脱落。在这种情况下，片段
98、1/2和片段和片段2/3之间都不能形成发夹结构，而只有片段之间都不能形成发夹结构，而只有片段3/4形成发夹结构，即形成形成发夹结构，即形成转录终止信号，从而导致转录终止信号，从而导致RNA聚合酶作用停止。如果细胞内没有色氨酸时，色氨酰聚合酶作用停止。如果细胞内没有色氨酸时，色氨酰-tRNA缺乏，核糖体就停止在两个相邻的色氨缺乏，核糖体就停止在两个相邻的色氨酸密码的位置上，片段酸密码的位置上，片段1和和2之间不能形成发夹结构，片段之间不能形成发夹结构，片段2和和3之间可形成发夹结构，则片段之间可形成发夹结构，则片段3/4就不能形成转录终止信号，后面就不能形成转录终止信号，后面的基因得以转录。的基
99、因得以转录。色氨酸操纵子中的操纵基因和衰减子可发起双重负调节作用。衰减子可能比操纵基因更灵敏，只要色氨酸一增多，即使不足以色氨酸操纵子中的操纵基因和衰减子可发起双重负调节作用。衰减子可能比操纵基因更灵敏，只要色氨酸一增多，即使不足以诱导阻遏蛋白结合操纵基因，就足可以使大量的诱导阻遏蛋白结合操纵基因，就足可以使大量的mRNA提前终止。反之，当色氨酸减少时，即使失去了诱导阻遏蛋白的阻遏作提前终止。反之，当色氨酸减少时，即使失去了诱导阻遏蛋白的阻遏作用，但只要还可以维持前导肽的合成，仍继续阻止转录。这样可以保证尽可能充分地消耗色氨酸，使其合成维持在满足需要的用，但只要还可以维持前导肽的合成，仍继续阻
100、止转录。这样可以保证尽可能充分地消耗色氨酸，使其合成维持在满足需要的水平，防止色氨酸堆积和过多地消耗能量。同时，这种机制也使细菌能够优先将环境中的色氨酸消耗完，然后开始自身合成。水平，防止色氨酸堆积和过多地消耗能量。同时，这种机制也使细菌能够优先将环境中的色氨酸消耗完，然后开始自身合成。色氨酸操纵子色氨酸操纵子L基因的翻译产物中具有相邻的色氨酸残基这一现象，在具有衰减调节作用的基因的翻译产物中具有相邻的色氨酸残基这一现象，在具有衰减调节作用的pheA,his,leu,thr等操纵子中也存在。等操纵子中也存在。特别是在特别是在his操纵子中，衰减子是唯一的控制机构。操纵子中，衰减子是唯一的控制机
101、构。2.基因重组：沙门菌鞭毛素基因基因重组：沙门菌鞭毛素基因H2启动序列同时启动启动序列同时启动H2及一种阻遏蛋白的表达，阻遏蛋白可阻遏及一种阻遏蛋白的表达，阻遏蛋白可阻遏H1的表达。的表达。Hin基因编码一种基因编码一种重组酶可催化重组酶可催化H2启动序列与启动序列与hin基因倒位，发生基因重组，结果使启动序列方向改变，基因倒位，发生基因重组，结果使启动序列方向改变，H2及阻遏蛋白表达关闭，及阻遏蛋白表达关闭，H1表达。表达。3.通常通常SOS基因处于阻遏状态，有紫外线照射时，基因处于阻遏状态，有紫外线照射时，SOS基因去阻遏，修复酶及相关蛋白质表达，急救修复损伤的基因去阻遏，修复酶及相关蛋
102、白质表达，急救修复损伤的DNA。真核基因转录调节真核基因转录调节真核生物基因表达的调控环节较多，在真核生物基因表达的调控环节较多，在DNA水平可通过染色质丢失、基因扩增、基因重排、水平可通过染色质丢失、基因扩增、基因重排、DNA甲基化以及染色质结构甲基化以及染色质结构改变影响基因表达；在转录水平则主要通过反式作用因子的作用调控转录因子与改变影响基因表达；在转录水平则主要通过反式作用因子的作用调控转录因子与TATA盒的结合、盒的结合、RNA聚合酶与转录因聚合酶与转录因子子-DNA复合物的结合以及转录起始复合物的形成；在转录后水平主要通过复合物的结合以及转录起始复合物的形成；在转录后水平主要通过R
103、NA修饰、剪接及修饰、剪接及mRNA运输的控制来影响基运输的控制来影响基因表达；影响翻译水平的因素有影响翻译起始的阻遏蛋白、因表达；影响翻译水平的因素有影响翻译起始的阻遏蛋白、5AUG、5端非编码区的长度等，有端非编码区的长度等，有mRNA的稳定性调节，的稳定性调节，另外还存在小分子反义另外还存在小分子反义RNA对翻译的调控；翻译后蛋白质的修饰和定位亦是基因表达调控的一个重要环节。这里仅对真对翻译的调控；翻译后蛋白质的修饰和定位亦是基因表达调控的一个重要环节。这里仅对真核基因调控特点及核基因调控特点及mRNA转录激活调节加以介绍。转录激活调节加以介绍。真核基因调控真核基因调控同原核一样，转录起
104、始仍是真核基因表达调控的最基本环节，而且某些机制是一样的。但在下述方面与原核存在明显差同原核一样，转录起始仍是真核基因表达调控的最基本环节，而且某些机制是一样的。但在下述方面与原核存在明显差别。别。1.RNA聚合酶：真核聚合酶：真核RNA聚合酶有三种，即聚合酶有三种，即RNA-pol、及及，分别负责三种，分别负责三种RNA转录。细菌的转录。细菌的RNA-pol识别的是一段识别的是一段DNA序列，而真核生物的序列，而真核生物的RNA-pol识别的不是单纯的识别的不是单纯的DNA序列，而是一个由通用转录因子与序列，而是一个由通用转录因子与DNA形成的蛋白质形成的蛋白质- DNA复复后物。真核细胞的
105、后物。真核细胞的RNA-pol，不能训别纯化的，不能训别纯化的DNA上的启动子，只有当一个或多个转录因子（上的启动子，只有当一个或多个转录因子（transcription factor,TF）结合到结合到DNA上形成功能性的启动子，才能被上形成功能性的启动子，才能被RNA-pol识别与结合。识别与结合。真核生物的真核生物的RNA-pol、，识别不同的启动子，需要不同的，识别不同的启动子，需要不同的TF：TF、TF、TF。2.活性染色体结构变化活性染色体结构变化当基因被激活时，可观察到染色体相应区域发生某些结构和性质变化。（当基因被激活时，可观察到染色体相应区域发生某些结构和性质变化。（1）对）
106、对核酸酶核酸酶敏感活化基因一个明显特性是对敏感活化基因一个明显特性是对核核酸酶酸酶极度敏感，当用极度敏感，当用DNase处理时染色质处理时染色质DNA会也现一些会也现一些DNase超敏位点（超敏位点（hypersnsitive site）。超敏位点常发生在基）。超敏位点常发生在基因的因的5侧翼区（侧翼区（5flanking region）、）、3侧翼区（侧翼区（3flanking region）甚至可转录区内，具体也现在调节蛋白结合位）甚至可转录区内，具体也现在调节蛋白结合位点附近。对点附近。对DNase敏感状态的出现是转录所必需的，但它并不是只在转录进行时才存在，所以可以认为，敏感状态的出现
107、是转录所必需的，但它并不是只在转录进行时才存在，所以可以认为，DNase敏感状敏感状态是转录的必要条件而不是充分条件。（态是转录的必要条件而不是充分条件。（2）DNA拓扑结构变化：当基因活化时，拓扑结构变化：当基因活化时，RNA聚合酶前方的转录区聚合酶前方的转录区DNA拓扑结拓扑结构为正性超螺旋构象，而在其后面的构为正性超螺旋构象，而在其后面的DNA则为负性超螺旋构象。负性超螺旋构象有利于核小体结构的再形成，而正性超则为负性超螺旋构象。负性超螺旋构象有利于核小体结构的再形成，而正性超螺旋构象不仅阻碍核小体结构形成，而且促进组蛋白螺旋构象不仅阻碍核小体结构形成，而且促进组蛋白H2AH2B二聚体的
108、释放，使二聚体的释放，使RNA聚合酶有可能向前移动，进行转录。聚合酶有可能向前移动，进行转录。（3）DNA甲基化修饰在真核生物基因表达调控中，甲基化起着重要作用。一般认为，甲基化修饰在真核生物基因表达调控中，甲基化起着重要作用。一般认为，DNA甲基化范围与基因表达程度甲基化范围与基因表达程度呈反比关系。甲基化程度高，基因的表达则降低；去甲基化，又可使基因表达增加。这种甲基化最常发生在某些基因的呈反比关系。甲基化程度高，基因的表达则降低；去甲基化，又可使基因表达增加。这种甲基化最常发生在某些基因的5侧翼区的侧翼区的CpG序列（又称序列（又称“CpG岛岛”），处于转录活化状态的基因），处于转录活化
109、状态的基因CpG序列一般是低甲基化的。（序列一般是低甲基化的。（4）组蛋白变化其中包）组蛋白变化其中包括括富含富含Lys组蛋白水平降低：亦即组蛋白水平降低：亦即H1样组蛋白减少，并伴有样组蛋白减少，并伴有DNA形成形成30nm纤维束能力降低。纤维束能力降低。H2AH2B二聚体不稳定二聚体不稳定性增加：易于从核心组蛋白中被置换出来。性增加：易于从核心组蛋白中被置换出来。组蛋白修饰：最常见的修饰有乙酰化、泛素化，修饰后使核小体结构变得组蛋白修饰：最常见的修饰有乙酰化、泛素化，修饰后使核小体结构变得不稳定。不稳定。H3组蛋白巯基暴露：系核小体结构变化引起。组蛋白巯基暴露：系核小体结构变化引起。3.正
110、性调节占主导：真核基因组结构庞大，在不适当位点出现特异结合序列机会增多，正性调节大多数基因不结合调节正性调节占主导：真核基因组结构庞大，在不适当位点出现特异结合序列机会增多，正性调节大多数基因不结合调节蛋白，只要细胞表达一组激活蛋白时，相关靶基因即可被激活。蛋白，只要细胞表达一组激活蛋白时，相关靶基因即可被激活。4.转录与翻译分隔进行转录与翻译分隔进行真核细胞核及胞浆等区间分布，转录与翻译在不同亚细胞结构进行。真核细胞核及胞浆等区间分布，转录与翻译在不同亚细胞结构进行。5.转录后修饰、加工转录后修饰、加工鉴于真核基因结构特点，转录后剪接及修饰等过程比原核复杂。鉴于真核基因结构特点，转录后剪接及
111、修饰等过程比原核复杂。真核基因转录激活调节真核基因转录激活调节1.顺式作用元件顺式作用元件启动子：真核基因启动子是启动子：真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件（聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件（module），每一组件含），每一组件含720bp的的DNA序列。序列。启动子包括至少一个转录起始点，以及一个以上的功能组件。在这些功能组件中最具有典型意义的就是启动子包括至少一个转录起始点，以及一个以上的功能组件。在这些功能组件中最具有典型意义的就是TATA盒，盒，TATA盒通常位于转录起点上游盒通常位于转录起点上游-2530bp,控制转录起始的准确性及频率。典型的启动子则控
112、制转录起始的准确性及频率。典型的启动子则TATA盒及上游的盒及上游的CAAT盒和盒和（或）（或）GC盒组成，这类启动子通常具有一个转录起点及较高的转录活性。然而，还有很多启动子并不含盒组成，这类启动子通常具有一个转录起点及较高的转录活性。然而，还有很多启动子并不含TATA盒，这盒，这类启动子分为两类：一类这富含类启动子分为两类：一类这富含GC的启动子，最初发现于一类管家基因，这类启动子一个或上离的转录起始点；另一的启动子，最初发现于一类管家基因，这类启动子一个或上离的转录起始点；另一类启动子既不含类启动子既不含TATA盒，也没有盒，也没有GC富含区，这类启动子可有一个或多个转录起始点，但多数转
113、录活性很低或根本没富含区，这类启动子可有一个或多个转录起始点，但多数转录活性很低或根本没有转录活性，而是在胚胎发育、组织分化或再生过程中受调节。增强子：谓增强子就是远离转录起始点、决定基因的有转录活性，而是在胚胎发育、组织分化或再生过程中受调节。增强子：谓增强子就是远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异表达、增强启动子转录活性的时间、空间特异表达、增强启动子转录活性的DNA序列，其发挥作用的方式通常与方向、距离无关。从功能上讲，没序列，其发挥作用的方式通常与方向、距离无关。从功能上讲，没有增强子存在，启动子通常不能表现活性；没有启动子时，增强子也无法发挥作用。有增强子存在，启动子通常不能表现
114、活性；没有启动子时，增强子也无法发挥作用。沉默子：某些基因含有负性调节元件沉默子：某些基因含有负性调节元件沉默子，当其结合特异蛋白因子时，对其因转录起阻遏作用。沉默子，当其结合特异蛋白因子时，对其因转录起阻遏作用。2.反式作用因子：反式作用因子： 转录调节因子简称转录因子。按功能特性可将其分为两类：转录调节因子简称转录因子。按功能特性可将其分为两类：基本转录因子是基本转录因子是RNA聚合酶结合启动聚合酶结合启动子所必须的一组蛋白因子，决定三种子所必须的一组蛋白因子，决定三种RNA（tRNA，mRNA，rRNA）转录的类别。）转录的类别。特异转录因子为个别基因转录所特异转录因子为个别基因转录所必
115、需，决定该基因的时间、空间特异性表达，故称特异转录因子。此类转录因子有的起转录激活作用，有的起转录抑必需，决定该基因的时间、空间特异性表达，故称特异转录因子。此类转录因子有的起转录激活作用，有的起转录抑制作用。制作用。所有转录因子至少包括两个不同的结构域：所有转录因子至少包括两个不同的结构域：DNA结合域和转录激活域；此外，很多转录因子还包含一个介导蛋白质结合域和转录激活域；此外，很多转录因子还包含一个介导蛋白质-蛋蛋白质相互作用的结构域，最常见的是二聚化结构域。白质相互作用的结构域，最常见的是二聚化结构域。DNA结合域通常由结合域通常由60100个个氨基酸氨基酸残基组成。最常见的残基组成。最
116、常见的DNA结结合域结构形式是锌指。类似的碱性合域结构形式是锌指。类似的碱性DNA结合域多见于碱性亮氨酸拉链和碱性螺旋结合域多见于碱性亮氨酸拉链和碱性螺旋-环环-螺旋。螺旋。转录激活域转录激活域由由30100氨基酸残基组成。根据氨基酸组成特点，转录激活域又有酸性激活域、谷氨酰胺富含区域及脯氨酸富含区域。氨基酸残基组成。根据氨基酸组成特点，转录激活域又有酸性激活域、谷氨酰胺富含区域及脯氨酸富含区域。二聚化结构域二聚化结构域二聚化作用与亮氨酸拉链、碱性螺旋二聚化作用与亮氨酸拉链、碱性螺旋-环环-螺旋结构有关。螺旋结构有关。mRNA转录激活及其调节转录激活及其调节真核真核RNA聚合酶聚合酶不能单独识
117、别、结合启动子，而是先由基本转录子不能单独识别、结合启动子，而是先由基本转录子TFIID组成成分组成成分TATA结合蛋白（结合蛋白（TBP）识别）识别TATA盒或启动元件，并有盒或启动元件，并有TBP相关因子（相关因子（TBP-associated factors，TAF）参与结合，形成）参与结合，形成TFIID-启动子复合物；继而启动子复合物；继而在在TFIIA-F等参与下，等参与下，RNA聚合酶聚合酶与与TFIID、TFIIB聚合，形成一个功能性的前起始复合物聚合，形成一个功能性的前起始复合物PIC。在几种基本转录因。在几种基本转录因子中，子中，TFIID是唯一具有位点特异的是唯一具有位点
118、特异的DNA结合能力的转录因子，在上述有序的组装过程起关键性指导作用。这样形成结合能力的转录因子，在上述有序的组装过程起关键性指导作用。这样形成的前起始复合物尚不稳定。也不能有效地起动的前起始复合物尚不稳定。也不能有效地起动mRNA转录。在迂回折叠的转录。在迂回折叠的DNA构象中，结合了增强子的转录激活因子构象中，结合了增强子的转录激活因子与前起始复合物中的与前起始复合物中的TFIID接近。或通过接近。或通过TAF与与TFIID联系，形成稳定的转录起始复合物。此时联系，形成稳定的转录起始复合物。此时RNA聚合酶聚合酶II才能真正才能真正启动启动mRNA的转录。的转录。TAF也是细胞特异的转录相
119、应基因，与转录激活因子共同决定组织特异性转录。也是细胞特异的转录相应基因，与转录激活因子共同决定组织特异性转录。 非非组组蛋蛋白白 磷磷 酸酸 化化+ + + 组组 蛋蛋 白白+ + + + + + + + + + + + + + + 转录前调控：组蛋白转位模型转录前调控：组蛋白转位模型+ + + + + + + + + + + + + + + 合成合成RNA（二）（二）RNARNA聚合酶、聚合酶、mRNAmRNA的转录激活及调节的转录激活及调节 真核生物有真核生物有3 3种种RNARNA聚合酶：聚合酶：RNA pol、。 每每种种RNARNA聚聚合合酶酶有有约约1010个个亚亚基基组组成成，
120、其其中中TATATATA盒盒结合蛋白（结合蛋白（TBPTBP）为）为3 3种酶共有。种酶共有。 RNA RNA polpol对对催催化化mRNAmRNA的的生生成成起起主主要要作作用用。转转录录前前RNA RNA polpol必必须须与与TBPTBP、TFDTFD等等各各种种通通用用转转录录因因子子形形成成转转录录前前复复合合体体（PICPIC），从从而而激激活活或或抑抑制制RNARNA的转录。的转录。 起始前复合物起始前复合物编编 码码 区区 上游激活子顺序上游激活子顺序（增强子）（增强子）近端启动子近端启动子 识别蛋白识别蛋白基本因子基本因子 RNA RNA聚合酶聚合酶mRNAmRNA激激
121、 活活 子子 蛋蛋 白白激激活活子子蛋蛋白白 上游激活子顺序上游激活子顺序（增强子）（增强子）激激 活活 子子 蛋蛋 白白 TATA TATA框框转录转录起始点起始点 识别蛋白识别蛋白基本因子基本因子真核细胞基因激活的新模型真核细胞基因激活的新模型 RNA RNA聚合酶聚合酶 RNA RNA聚合酶聚合酶增强子与沉默子增强子与沉默子增强子：结合激活因子的增强子：结合激活因子的DNADNA序列序列 ；沉默子：结合阻遏因子、抑制基因转录的沉默子：结合阻遏因子、抑制基因转录的DNADNA序列。序列。 特点：特点：* * 主要见于真核细胞和一些真核细胞病毒；主要见于真核细胞和一些真核细胞病毒； * *
122、序列较长，可长达数百个序列较长，可长达数百个bpbp； * * 与转录起始位点的距离可近可远，近的可以在基因与转录起始位点的距离可近可远，近的可以在基因内部的内含子中，远的可以距起始位点几十个内部的内含子中，远的可以距起始位点几十个kbkb发挥发挥作用；作用； * * 按距离远近发挥作用；按距离远近发挥作用；* * 没有明显的方向性，既可以在基因的上游发挥作用，没有明显的方向性，既可以在基因的上游发挥作用，也可以在基因的下游发挥作用；也可以在基因的下游发挥作用； * * 一般没有种属和基因的特异性，部分有细胞和组织一般没有种属和基因的特异性，部分有细胞和组织特异性；特异性； 种类：种类： 细胞
123、特异和诱导特异。细胞特异和诱导特异。聚合酶聚合酶转录前起始复合体的组装转录前起始复合体的组装真核细胞基因调控系统模型真核细胞基因调控系统模型激素受体复合物激素受体复合物感受基因感受基因 整合基因整合基因激活激活活化物活化物感受器感受器结构基因结构基因打开打开转录转录mRNAmRNA感受基因感受基因 整合基因整合基因感受器感受器结构基因结构基因第六节第六节 基因突变基因突变 突变（突变（mutationmutation）是指遗传物质发生的）是指遗传物质发生的可遗传的变异。可遗传的变异。1 1、染色体畸变（、染色体畸变（chromosome aberration）：）：染色体数目和结构的改变。染色
124、体数目和结构的改变。2 2、基因突变（、基因突变（gene mutationgene mutation）：狭义的突）：狭义的突变，所指基因的核苷酸顺序或数目发生改变。变，所指基因的核苷酸顺序或数目发生改变。一、基因突变的一般特征一、基因突变的一般特征1.1.重演性重演性 同种生物的某一突变在不同个体、不同时间、同种生物的某一突变在不同个体、不同时间、不同地点的重复出现。不同地点的重复出现。2.2.可逆性可逆性 正向突变一般大于回复突变正向突变一般大于回复突变3.3.多向性多向性某一基因突变为不同的等位基因，某一基因突变为不同的等位基因， A A突变为突变为a1, a2, a3a1, a2, a
125、3 复等位基因复等位基因在群体的不同个体中，位于在群体的不同个体中，位于同一座位的多个基因。同一座位的多个基因。 4 4 4 4平行性平行性平行性平行性 亲缘相近物种基因突变的相似性，人、马、牛亲缘相近物种基因突变的相似性，人、马、牛亲缘相近物种基因突变的相似性，人、马、牛亲缘相近物种基因突变的相似性，人、马、牛 的白化基因；马、牛、猪的矮化基因。的白化基因；马、牛、猪的矮化基因。的白化基因；马、牛、猪的矮化基因。的白化基因；马、牛、猪的矮化基因。 5 5 5 5有利性和有害性有利性和有害性有利性和有害性有利性和有害性 有利性有利性有利性有利性创造新基因，增加多样性，提供育创造新基因，增加多样
126、性，提供育创造新基因，增加多样性，提供育创造新基因，增加多样性，提供育 种素材，促进生物进化。种素材，促进生物进化。种素材，促进生物进化。种素材，促进生物进化。 有害性有害性有害性有害性破坏有机体的相对平衡和协调统一，破坏有机体的相对平衡和协调统一，破坏有机体的相对平衡和协调统一，破坏有机体的相对平衡和协调统一，生活力下降，甚至死亡。生活力下降，甚至死亡。生活力下降，甚至死亡。生活力下降，甚至死亡。 有利和有害的相对性：有利和有害的相对性：有利和有害的相对性：有利和有害的相对性： 自然选择保留的突变，一般对生物是有利的；自然选择保留的突变，一般对生物是有利的；自然选择保留的突变，一般对生物是有
127、利的；自然选择保留的突变，一般对生物是有利的； 人工选择保留的突变，对生物不一定是有利的，人工选择保留的突变，对生物不一定是有利的，人工选择保留的突变，对生物不一定是有利的，人工选择保留的突变，对生物不一定是有利的，很多是有害的。很多是有害的。很多是有害的。很多是有害的。 1.1.Morphological mutationMorphological mutation形态突变主要影形态突变主要影响生物体的外在可见的形态结构，故又称响生物体的外在可见的形态结构，故又称visible mutationvisible mutation。 Biochemical mutation Biochemica
128、l mutation 生化突变影响生生化突变影响生物的代谢过程，导致一个特定的生化功能物的代谢过程，导致一个特定的生化功能的改变或丧失。的改变或丧失。 loss-of-function mutation loss-of-function mutation丧失功能突变丧失功能突变事件通常是破坏性的，事件通常是破坏性的， 删除或改变了基因删除或改变了基因的关键性的功能区，这种变化干扰的关键性的功能区，这种变化干扰 了野生了野生型对某种表型的活性功能，其结果是产生型对某种表型的活性功能，其结果是产生了一种丧失功能的突变。了一种丧失功能的突变。 二、基因突变的表现二、基因突变的表现 null muta
129、tion null mutation无效突变完全丧失基因功无效突变完全丧失基因功能的突变。能的突变。 leaky mutation leaky mutation渗漏突变野生型的功能仍渗漏突变野生型的功能仍在表型上有所反应，较之无效突变，其表型没在表型上有所反应，较之无效突变，其表型没有发生那么明显的改变。有发生那么明显的改变。 gain-of-function mutation gain-of-function mutation获得功能的突变突变事件引起的遗传随机变化有可能使之获突变事件引起的遗传随机变化有可能使之获得某种新的功能。在杂合体中，随机获得的新得某种新的功能。在杂合体中，随机获得的
130、新功能可以得到表达，因此获得功能的突变极有功能可以得到表达，因此获得功能的突变极有可能是显性的突变，并能产生新的突变。可能是显性的突变，并能产生新的突变。 lethal mutation lethal mutation致死突变影响生物体致死突变影响生物体的生活力，导致个体死亡的一类突变。可的生活力，导致个体死亡的一类突变。可分为显性致死和隐性致死。分为显性致死和隐性致死。 conditional lethal mutation conditional lethal mutation条件致条件致死突变在某些条件下能存活，而在某些条死突变在某些条件下能存活，而在某些条件下是致死的。如件下是致死的。
131、如T T4 4噬菌体的温度敏感噬菌体的温度敏感 突突变型在变型在2525时能在时能在E.coliE.coli宿主细胞中正常宿主细胞中正常生长，形成噬菌斑，但在生长，形成噬菌斑，但在42 42 时就不能生时就不能生长。长。三、基因突变的分类三、基因突变的分类突变在个体发育的阶段突变在个体发育的阶段 体细胞突变体细胞突变生殖细胞突变生殖细胞突变 体细胞突变是不能遗传给后代的，但是可体细胞突变是不能遗传给后代的，但是可以通过有性途径传递。以通过有性途径传递。 生殖细胞突变发生在种系中，如果突变的生殖细胞突变发生在种系中，如果突变的性细胞参与受精过程，那么突变基因就会传给性细胞参与受精过程，那么突变基
132、因就会传给下一代。下一代。如：血友病突变在欧洲王室通过维多如：血友病突变在欧洲王室通过维多利亚女皇在其整个家系中遗传。利亚女皇在其整个家系中遗传。引起突变的因素引起突变的因素 诱发突变诱发突变（induced mutation）自发突变自发突变（spontaneous mutation） 对对外外界界环环境境的的依依赖赖 非条件型突变非条件型突变（nonconditional mutation）条件型突变条件型突变（conditional mutation） D DN NA A序序 列列改改变变 多点突变：碱基序列的改变多点突变：碱基序列的改变 点突变：碱基置换点突变：碱基置换 转换转换 颠换
133、颠换 缺失缺失 插入插入 突变的方向突变的方向正向突变（正向突变（forward mutation）负向突变负向突变（suppresor mutation） 四、基因突变的种类四、基因突变的种类（一）碱基置换突变（一）碱基置换突变 一个碱基被另一碱基取代而造成的突一个碱基被另一碱基取代而造成的突变称为碱基置换突变。变称为碱基置换突变。转换（转换（transitiontransition）：）： 嘌呤嘌呤嘌呤，嘧啶嘌呤，嘧啶嘧啶嘧啶颠换（颠换（transversiontransversion） ： 嘌呤嘌呤嘧啶，嘧啶嘧啶，嘧啶嘌呤嘌呤TGCA1 1、碱基异构式引起、碱基异构式引起DNADNA的错
134、配突变的错配突变 碱基异构式碱基异构式 A(amino A(amino 氨基氨基) A(imino ) A(imino 亚氨基亚氨基) ) C(a) C(i) G(keto G(keto 酮式酮式) G(enol) G(enol烯醇式烯醇式) ) G(k) G(e,i) T(keto) T(enol-2) or T(enol-4) G(k) C(a) 正确配对正确配对 A(a) T(k) 错误配对错误配对 G(k) T(e) A(a) C(i) A(i, anti) A(a, syn) A(i, anti) G(k, syn) G(e,i, anti) G(k, syn) G(e,i, ant
135、i) A(a, syn) A(i) C(a) G(e) T(k) A(a) T(k) A(a, anti) T(k, anti) C(i) C(a, anti) A(a) A(i, anti) 碱基异构式引起碱基异构式引起DNA的错配突变的错配突变 C(i) C(a)G(k, syn) G(k, syn) G(k, anti)G(k)5-5-溴尿嘧啶溴尿嘧啶(5-bromouracil,BU)是胸腺嘧啶的结构类似物。是胸腺嘧啶的结构类似物。ATATABU酮式酮式GBU烯醇式烯醇式ATABUGCGCGBUGCABUGCABUAT2-2-氨基嘌呤氨基嘌呤(2-aminopurine)(2-amin
136、opurine)可取代腺嘌呤与可取代腺嘌呤与T T配对配对ATAPTATATAPCGCAPT叠氮胸苷叠氮胸苷(AZT, azidothymidine)：T T的类似物是用于的类似物是用于治疗爱滋病的一种药物。治疗爱滋病的一种药物。人的细胞人的细胞HIV-1反转录反转录RNAcDNA整合入宿主整合入宿主DNADNA新病毒 AZT AZT在病毒在病毒RNADNARNADNA的阶段是反转录酶的底物，的阶段是反转录酶的底物，但在细胞中却不是但在细胞中却不是DNADNA聚合酶的合适底物。这样聚合酶的合适底物。这样AZTAZT的作用是一种选择性的毒物，可以抑制病毒的作用是一种选择性的毒物，可以抑制病毒cD
137、NAcDNA的产物，阻断新的病毒的合成。的产物，阻断新的病毒的合成。改变改变DNADNA化学结构的诱变剂化学结构的诱变剂 亚硝酸亚硝酸(nitrous acid,HNO2)：具有氧化脱氨作用。：具有氧化脱氨作用。A AH H次黄次黄嘌呤嘌呤 HNOHNO2 2C CU UHNOHNO2 2G GHNOHNO2 2X X黄嘌呤黄嘌呤C CG GNANAU UA AA AT TA AT TNANAH HC CC CG G发生碱基转换发生碱基转换化学诱变剂化学诱变剂 烷化剂是目前应用最广泛而有效的诱变剂。最常用烷化剂是目前应用最广泛而有效的诱变剂。最常用的有甲基磺酸乙酯的有甲基磺酸乙酯(EMS)(E
138、MS)、甲基磺酸甲酯、甲基磺酸甲酯(MMS)(MMS)、亚硝酸胍、亚硝酸胍等。它们都带有一个或多个活泼的烷基，这些烷基能等。它们都带有一个或多个活泼的烷基，这些烷基能够移到其他电子密度较高的分子中去，是碱基许多位够移到其他电子密度较高的分子中去，是碱基许多位置上增加了烷基，从而多方面改变氢键的结合能力。置上增加了烷基，从而多方面改变氢键的结合能力。 烷化作用主要发生在碱基的烷化作用主要发生在碱基的N N1 1、N N3 3、N N7 7位置上。最容位置上。最容易发生在易发生在G G的的N N7 7位置上，形成位置上，形成7-7-烷基鸟嘌呤。烷基鸟嘌呤。 7- 7-烷基鸟烷基鸟嘌呤可与胸腺嘧啶配
139、对，从而产生嘌呤可与胸腺嘧啶配对，从而产生GCATGCAT的转换。的转换。 烷化作用可使烷化作用可使DNADNA的碱基容易受到水解而从的碱基容易受到水解而从DNADNA上裂上裂解下来，造成碱基的缺失。从而引起碱基的转换与颠解下来，造成碱基的缺失。从而引起碱基的转换与颠换及移码突变。换及移码突变。结合到结合到DNADNA分子上的化合物（插入突变剂）分子上的化合物（插入突变剂）(Intercalating mutagents) 包括原黄素包括原黄素(proflavin)、acridine orange等。等。它们通过插入到它们通过插入到DNADNA双螺旋双链或单链的两个双螺旋双链或单链的两个相邻的
140、碱基之间，起到插入诱变的作用，这种相邻的碱基之间，起到插入诱变的作用，这种突变往往是移码突变。突变往往是移码突变。 吖啶吖啶类诱发突变的一个重要特征是，类诱发突变的一个重要特征是，acridine化合物所诱发的突变型能用化合物所诱发的突变型能用acridine来来使之回复，但不能有碱基类似物使之回复使之回复，但不能有碱基类似物使之回复TACGA ATCGGGTATTATGCT TAGCCCATAATACGA ATCGGGTATTATGCT TAGCCCATAACG染料分子嵌入复制插入一个碱基对基因突变的效应基因突变的效应 1 1、同义突变（、同义突变（same-sense or same-se
141、nse or synonymous mutationsynonymous mutation）: :碱基的改变碱基的改变并未引起编码的氨基酸改变。并未引起编码的氨基酸改变。 例如，例如， CC CCA A脯氨酸，脯氨酸， 当当AGAG后，后， CC CCG G脯氨酸。脯氨酸。2 2、错义突变（、错义突变（missense mutationmissense mutation）: :碱基的改变引起编码的氨基酸改变。碱基的改变引起编码的氨基酸改变。例如，例如， G GA AGG谷氨酸，谷氨酸，当当ATAT，GUGGUG缬氨酸。缬氨酸。 3 3、无义突变（、无义突变（non-sense mutation
142、）: :碱基的改变使该三联体不再构成任碱基的改变使该三联体不再构成任何氨基酸的密码子，而形成终止信号。何氨基酸的密码子，而形成终止信号。例如：例如：TATAC C酪氨酸，酪氨酸， 当当C AC A， TA TAA AmRNAUAAmRNAUAA终止信号。终止信号。 4 4、终止密码突变、终止密码突变（termination codon mutation）：当当DNADNA分子中一个终止密码发生突变，成为编码氨基分子中一个终止密码发生突变，成为编码氨基酸的密码子时，多肽链的合成将继续进行下去，肽链酸的密码子时，多肽链的合成将继续进行下去，肽链延长直到遇到下一个终止密码子时方停止，因而形成延长直到
143、遇到下一个终止密码子时方停止，因而形成了延长的异常肽链。也称延长突变。了延长的异常肽链。也称延长突变。例如：例如： UAA UAA（终止信号）（终止信号）DNATADNATAA A。 当当AC AC TA TAC C酪氨酸，酪氨酸，5 5、抑制基因突变、抑制基因突变（suppressor gene mutation）：当基因内部不同位置上的不同：当基因内部不同位置上的不同碱基发生了两次突变，其中一次抑制了另碱基发生了两次突变，其中一次抑制了另一次突变的遗传效应。一次突变的遗传效应。例如：例如：Hb Harlem是是链第链第6 6位谷氨酸位谷氨酸缬氨酸，死亡。缬氨酸，死亡。如果第如果第7373位
144、天冬氨酸位天冬氨酸天冬酰胺；天冬酰胺；Hb Hb Harlem临临床表现却较轻，即床表现却较轻，即7373的突变抑制了的突变抑制了6 6突变的有突变的有害效应。害效应。 -UGG174-GGA210-(w.t.)(K) (G)回复突变回复突变(C) （G）-UGG 174-GGA210-UGG174-GGA210-UGC174-GAA210-活性结构活性结构无活性结构无活性结构CA无活性结构无活性结构 (K) (E)（二）移码突变（二）移码突变 移码突变（移码突变（frame-shift frame-shift mutationmutation）是指）是指DNADNA链上插入或丢失链上插入或丢
145、失1 1个、个、2 2个甚至多个碱基（但不是三联体密码子个甚至多个碱基（但不是三联体密码子及其倍数），在读码时，由于原来的密码及其倍数），在读码时，由于原来的密码子移位，导致在插入或丢失碱基部位以后子移位，导致在插入或丢失碱基部位以后的编码都发生了相应改变。的编码都发生了相应改变。 AAACCCTTTGGGCATGTGCCGTTTGGGAAACCCGTACACGGCAAACCCTTTGGGCATGTGCCGTTTGGGAAACCCGTACACGGCCGAAACCTTTGGGCATGTGCCGTTTGGAAACCCGTACACGGC移码突变移码突变（三）整码突变（三）整码突变 整码突变（整码突变
146、（codon mutationcodon mutation）在）在DNADNA链的密码子之间插入或丢失一个或几个链的密码子之间插入或丢失一个或几个密码子，则合成的肽链将增加或减少一密码子，则合成的肽链将增加或减少一个或几个氨基酸，但插入或丢失部位的个或几个氨基酸，但插入或丢失部位的前后氨基酸顺序不变前后氨基酸顺序不变, ,又称为或密码子插又称为或密码子插入或丢失（入或丢失（codon insertion or codon insertion or deletiondeletion）。）。AAACCCTTTGGGCATGTGCCGTTTGGGAAACCCGTACACGGCCGCCGGAAATTT
147、GGGCATGTGCCGTTTAAACCCGTACACGGCAAATTTGGGCATGTGCCGTTTAAACCCGTACACGGC整码突变整码突变 （四）染色体错误配对不等交换（四）染色体错误配对不等交换 染色体错误配对不等交换染色体错误配对不等交换（mispaired synapsis and unequal mispaired synapsis and unequal crossing-overcrossing-over）减数分裂期间，同源染）减数分裂期间，同源染色体间的同源部分发生联会和交换，如果色体间的同源部分发生联会和交换，如果联会时配对不精确，会发生不等交换，造联会时配对不精确，
148、会发生不等交换，造成一部分基因缺失和部分基因重复。这种成一部分基因缺失和部分基因重复。这种突变常用解释大段多核苷酸的丢失和重复。突变常用解释大段多核苷酸的丢失和重复。adefgabc bcdefgabcdefgabcdefgadefgabcbcdefg染色体错误配对不等交换染色体错误配对不等交换（五）动态突变（五）动态突变 动态突变动态突变(dynamic mutation)(dynamic mutation)：DNADNA分子中碱基重复序列拷贝数发生扩分子中碱基重复序列拷贝数发生扩增而导致的突变。增而导致的突变。n人类有一些遗传病是编码区或附近区域三核人类有一些遗传病是编码区或附近区域三核苷
149、酸重复扩增引起的，这种扩增随着世代的苷酸重复扩增引起的，这种扩增随着世代的传递而增加，这种现象称为动态突变。传递而增加，这种现象称为动态突变。n遗传学特点：遗传学特点： 1 1、三核苷酸重复的拷贝数是决定发病与否的、三核苷酸重复的拷贝数是决定发病与否的关键因素，可以根据拷贝数，把群体分为正关键因素，可以根据拷贝数，把群体分为正常、前突变和完全突变。常、前突变和完全突变。 2 2、患者双亲往往存在前突变；前突变往往经、患者双亲往往存在前突变；前突变往往经过一个世代就可以转变为完全突变。过一个世代就可以转变为完全突变。 3 3、不同亲本来源的等位基因有不同的效应。、不同亲本来源的等位基因有不同的效
150、应。第七节第七节 DNA DNA损伤的修复损伤的修复一、一、DNADNA损伤损伤nDNADNA损伤即是指在生物体生命过程中损伤即是指在生物体生命过程中DNADNA双双螺旋结构发生的任何改变。螺旋结构发生的任何改变。nDNADNA损伤大体上可以分为两类：损伤大体上可以分为两类：单个碱基改变单个碱基改变结构扭曲结构扭曲( (一一) )自发性损伤自发性损伤1. 1. 复制中的损伤复制中的损伤复制中的损伤指复制过程中碱基配对时，发生复制中的损伤指复制过程中碱基配对时，发生的误差再经过的误差再经过DNADNA聚合酶聚合酶“校读校读”和单链结合和单链结合蛋白等综合因素作用下仍然存在的蛋白等综合因素作用下仍
151、然存在的DNADNA损伤。损伤。正常情况下，大肠杆菌复制过程中的错配率为正常情况下，大肠杆菌复制过程中的错配率为10101010左右。左右。影响复制过程诸因素中的某一环节出现问题，影响复制过程诸因素中的某一环节出现问题，错配率就会增高，如错配率就会增高，如DNADNA本身功能和底物的改本身功能和底物的改变，二价阳离子的改变等。变，二价阳离子的改变等。2. 2. 碱基的自发性化学改变碱基的自发性化学改变 这类损伤包括互变异构、碱基的脱氨基作用、这类损伤包括互变异构、碱基的脱氨基作用、这类损伤包括互变异构、碱基的脱氨基作用、这类损伤包括互变异构、碱基的脱氨基作用、自发的脱嘌呤和脱嘧啶、以及细胞代谢
152、产物对自发的脱嘌呤和脱嘧啶、以及细胞代谢产物对自发的脱嘌呤和脱嘧啶、以及细胞代谢产物对自发的脱嘌呤和脱嘧啶、以及细胞代谢产物对DNADNADNADNA的损伤。的损伤。的损伤。的损伤。 例如，腺嘌呤的互变异构体（例如，腺嘌呤的互变异构体（例如，腺嘌呤的互变异构体（例如，腺嘌呤的互变异构体（A A A A）可以与胞嘧）可以与胞嘧）可以与胞嘧）可以与胞嘧啶配对，模板链上存在这些异构体的时候，子啶配对，模板链上存在这些异构体的时候，子啶配对，模板链上存在这些异构体的时候，子啶配对，模板链上存在这些异构体的时候，子代链上就可能发生错误，形成损伤。细胞呼吸代链上就可能发生错误，形成损伤。细胞呼吸代链上就可
153、能发生错误，形成损伤。细胞呼吸代链上就可能发生错误，形成损伤。细胞呼吸的副产物的副产物的副产物的副产物O O O O2 2 2 2和和和和H H H H2 2 2 2O O O O2 2 2 2都能造成都能造成都能造成都能造成DNADNADNADNA的氧化损伤。的氧化损伤。的氧化损伤。的氧化损伤。（二）物理因素引起的损伤（二）物理因素引起的损伤1. 1. 紫外线引起的紫外线引起的DNADNA损伤损伤 紫外线（紫外线（UVUV）照射引起的）照射引起的DNADNA损伤主要损伤主要是形成嘧啶二聚体。是形成嘧啶二聚体。2. 2. 电离辐射引起的电离辐射引起的DNADNA损伤损伤 电离辐射对电离辐射对D
154、NADNA的损伤有直接效应和间接效应的损伤有直接效应和间接效应两种途径。两种途径。 前者指辐射对前者指辐射对DNADNA直接沉积能量，并引起理化直接沉积能量，并引起理化改变；改变； 后者是指电离辐射在后者是指电离辐射在DNADNA周围环境的其它成分周围环境的其它成分上沉积能量，而引起上沉积能量，而引起DNADNA分子的变化。分子的变化。 电离辐射的结果可以引起电离辐射的结果可以引起DNADNA的碱基损伤、的碱基损伤、链断裂以及链断裂以及DNADNA的交联。的交联。( (三三) )化学因素引起的化学因素引起的DNADNA损伤损伤1.1.烷化剂对烷化剂对DNADNA的损伤的损伤n烷化剂是一类亲电子
155、的化合物，极容易与生烷化剂是一类亲电子的化合物，极容易与生物体内的有机物大分子的亲核位点起反应烷物体内的有机物大分子的亲核位点起反应烷化剂核化剂核DNADNA作用时，就可以将烷基加到核酸的作用时，就可以将烷基加到核酸的碱基上去。碱基上去。DNADNA链上的磷酸二酯键被烷化则形链上的磷酸二酯键被烷化则形成不稳定的磷酸三酯键，可能在糖与磷酸间成不稳定的磷酸三酯键，可能在糖与磷酸间发生水解作用，导致发生水解作用，导致DNADNA链的断裂。链的断裂。2. 2. 碱基类似物对碱基类似物对DNADNA的损伤的损伤n碱基类似物是一类结构与碱基相似的碱基类似物是一类结构与碱基相似的人工合成的化合物，它们进入细
156、胞以人工合成的化合物，它们进入细胞以后，便能替代正常的碱基而掺入到后，便能替代正常的碱基而掺入到DNADNA链中，干扰了链中，干扰了DNADNA的正常合成。最常见的正常合成。最常见的碱基类似物是的碱基类似物是5-5-溴尿嘧啶（溴尿嘧啶（5-BU5-BU）。）。二、二、 DNA DNA修复修复n为了保证遗传信息的高度稳定性，生物细为了保证遗传信息的高度稳定性，生物细胞在进化过程中形成了一系列多步骤的修胞在进化过程中形成了一系列多步骤的修复机制。复机制。n目前对目前对DNADNA损伤和修复的研究还不多，仅损伤和修复的研究还不多，仅限于辐射生物反应方面。限于辐射生物反应方面。（一）直接（回复）修复（
157、一）直接（回复）修复生物体内存在生物体内存在DNADNA损伤以后并不需要切除碱基或损伤以后并不需要切除碱基或核苷酸的机制，而是直接简单地把损伤的碱基核苷酸的机制，而是直接简单地把损伤的碱基恢复到原来状态的修复，这种修复方式称为恢复到原来状态的修复，这种修复方式称为直直接修复接修复。直接修复可分为以下几种：。直接修复可分为以下几种：1. O1. O6 6- -甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤-DNA-DNA甲基转移酶直接修复甲基转移酶直接修复 通过从通过从O O6 6- -甲基鸟嘌呤上把甲基直接转移到酶甲基鸟嘌呤上把甲基直接转移到酶的半胱氨酸残基上来直接回复的半胱氨酸残基上来直接回复DNADNA的损伤。的损
158、伤。O O6 6- -甲基鸟嘌呤核苷酸甲基鸟嘌呤核苷酸鸟嘌呤核苷酸鸟嘌呤核苷酸甲基转移酶甲基转移酶活性活性CysSH无活性无活性CysSCH32 2 . .光解酶复活光解酶复活修复修复酶学光复活过程是修复酶学光复活过程是修复UVUV导致的环丁烷嘧啶二导致的环丁烷嘧啶二聚体的直接机制，这种修复具有高度的专一性。聚体的直接机制，这种修复具有高度的专一性。波波 长长3 30 00 06 60 00 0n nm m的的可可见见光光光复活酶光复活酶修复修复3. 3. 单链断裂修复单链断裂修复n nDNADNA单链断裂是损伤的一种常见形式，单链断裂是损伤的一种常见形式，可以通过可以通过DNADNA连接酶的
159、重接而修复。连接酶的重接而修复。( (二二) )切除修复切除修复1. 1. 碱基切除修复碱基切除修复（base excise repair，BER）nBERBER可以去除因脱氨基或碱基丢失，无氧射线可以去除因脱氨基或碱基丢失，无氧射线辐射或内源性物质引起的环氮类的甲基化等因辐射或内源性物质引起的环氮类的甲基化等因素产生的素产生的DNADNA损伤。损伤。nBERBER是维持是维持DNADNA稳定的重要修复方式，其步骤是稳定的重要修复方式，其步骤是N-N-糖苷键水解，从而切除发生变化的碱基。碱糖苷键水解，从而切除发生变化的碱基。碱基释放过程是由基释放过程是由DNADNA糖苷酶催化的。糖苷酶催化的。
160、糖苷水解酶：糖苷水解酶： 细胞中的各种，能特异切除受细胞中的各种，能特异切除受损核苷酸上的损核苷酸上的N-N-糖苷键，在糖苷键，在DNADNA链上形成链上形成APAP位点位点( (去嘌呤或去嘧啶位点去嘌呤或去嘧啶位点) )。所有细胞中都带所有细胞中都带有不同类型、能识别受损核酸位点的糖苷水解酶，它能够特异有不同类型、能识别受损核酸位点的糖苷水解酶，它能够特异性切除受损核苷酸上的性切除受损核苷酸上的N-糖苷键，在糖苷键，在DNA链上形成去嘌呤或链上形成去嘌呤或去嘧啶位点，统称为去嘧啶位点，统称为AP位点位点. APAP核酸内切酶：能在核酸内切酶：能在APAP位点附近（位点附近（55或或33位位置
161、）将置）将DNADNA链切开；链切开；核酸外切酶：移去包括核酸外切酶：移去包括APAP位点核苷酸在内的位点核苷酸在内的小片段小片段DNADNA；DNADNA聚合酶聚合酶I I：合成新片段；：合成新片段；DNADNA连接酶：连接切口而修复。连接酶：连接切口而修复。尿嘧啶尿嘧啶-N-N-糖苷酶系统糖苷酶系统 ( ung system ( ung system ) )修复尿嘧啶的来源：修复尿嘧啶的来源：dUTPdUTP的渗入的渗入 胞嘧啶的自发脱氨氧化胞嘧啶的自发脱氨氧化胞嘧啶胞嘧啶HNO2脱氨基脱氨基尿嘧啶尿嘧啶-TAGC-ATCG-TAGC-A CG-U-TAGC-ung-ase GCUAU-T
162、AGC-A CG-AP内切酶内切酶(Apurinase)-TAGC-ATCG-DNApolLigase 2. 2. 核苷酸切除修复核苷酸切除修复（nucleotide excise repair, NER）nNERNER可以修复可以修复UVUV照射形成的嘧啶二聚体照射形成的嘧啶二聚体以外，还能消除体内产生的各种嘌呤和以外，还能消除体内产生的各种嘌呤和嘧啶加合物。嘧啶加合物。NERNER的关键特征是对损伤的关键特征是对损伤的的DNADNA链的两端进行切割。链的两端进行切割。nNERNER在已研究过的真核生物中都很相似，在已研究过的真核生物中都很相似，说明其在进化过程中高度保守。说明其在进化过程中
163、高度保守。 当当DNADNA链上相应位置的核苷酸发生损伤，链上相应位置的核苷酸发生损伤，导致双链之间无法形成氢键，在一系列酶导致双链之间无法形成氢键，在一系列酶的作用下，将的作用下，将DNADNA分子中受损伤部分切除掉，分子中受损伤部分切除掉，并以完整的那一条链为模板，合成出切去并以完整的那一条链为模板，合成出切去的部分，然后使的部分，然后使DNADNA恢复正常结构的过程。恢复正常结构的过程。 切除修复切除修复缺口缺口缺口缺口DNA的损伤和切除修复的损伤和切除修复碱基丢失碱基丢失碱基缺陷或错配碱基缺陷或错配结构缺陷结构缺陷切开切开 核酸内切酶核酸内切酶核酸外切酶核酸外切酶切除切除DNA聚合酶聚
164、合酶DNA连接连接酶酶AP核酸内切酶核酸内切酶核酸外切酶核酸外切酶切开切开切除切除修复修复连接连接糖苷酶糖苷酶( (三三) )错配修复错配修复n错配修复可以纠正几乎所有的错配。此外对于错配修复可以纠正几乎所有的错配。此外对于插入或删除引起的插入或删除引起的DNADNA遗传信息的改变也有作用。遗传信息的改变也有作用。n错配修复是以底物链上的信息为模板进行的，错配修复是以底物链上的信息为模板进行的，因此这个系统有区分底物链和新合成链的机制，因此这个系统有区分底物链和新合成链的机制，细胞通过识别细胞通过识别DNADNA链的甲基化状态来区分底物链链的甲基化状态来区分底物链和新合成的链。整个修复过程可以
165、分为识别、和新合成的链。整个修复过程可以分为识别、切除和修补等步骤。切除和修补等步骤。识别新生链中非识别新生链中非m m6 6A A的的GATCGATC序列序列扫描新生链中错配碱基扫描新生链中错配碱基酶切含错配碱基的新生酶切含错配碱基的新生DNADNA区段区段 细胞内存在细胞内存在DNADNA腺嘌呤甲基化酶腺嘌呤甲基化酶(m(m6 6A A甲基甲基化酶化酶) ) ，能使位于，能使位于5GATC5GATC序列中腺苷酸的序列中腺苷酸的N N6 6位甲基化。位甲基化。 复制后复制后DNADNA在短期内（数分钟）为半甲基在短期内（数分钟）为半甲基化的化的GATCGATC序列，一旦发现错配碱基，即将未序
166、列，一旦发现错配碱基，即将未甲基化链切除一段包含错误碱基的序列，并甲基化链切除一段包含错误碱基的序列，并以甲基化的链为模板进行修复。以甲基化的链为模板进行修复。DNADNA合成过程中的甲基合成过程中的甲基化变化化变化DNADNA中的中的GATC(palindromic seq.)GATC(palindromic seq.)为为m m6 6A A甲基化敏感位点甲基化敏感位点平均每平均每2kb2kb左右有一左右有一GATC GATC seq.seq.错配修复系统受甲基化的错配修复系统受甲基化的引导引导 甲基化程度的差异甲基化程度的差异a、MutH/MutS 扫描识别错配扫描识别错配 碱基和邻近的碱
167、基和邻近的GATC序列序列 切点甲基化切点甲基化GATC中中 G的的5侧侧 DNA helicase II, SSB, exonuclease I去除包括错去除包括错 配碱基的片段配碱基的片段 DNA polymerase III 和和 DNA ligase 填充缺口填充缺口昂贵的代价用于保证昂贵的代价用于保证DNADNA的准确性的准确性修复过程修复过程 据母链甲基化原则找出错配碱基的示意图据母链甲基化原则找出错配碱基的示意图碱基错配修复过程示意图碱基错配修复过程示意图外切核酸酶外切核酸酶切割切点的切割切点的5 5端（错配碱基在切点的端（错配碱基在切点的5 5端）端） -3 -3端（端（-3-
168、3端）端）( (四四) )交联修复交联修复n链间交联是由多种多样的致癌剂和化疗药链间交联是由多种多样的致癌剂和化疗药物等引起的。大肠杆菌和哺乳动物细胞内物等引起的。大肠杆菌和哺乳动物细胞内都存在这种修复机制，但细节还不清楚。都存在这种修复机制，但细节还不清楚。( (五五) )双链断裂修复双链断裂修复n双链断裂（双链断裂（DSBDSB）发生在体细胞重组和转座）发生在体细胞重组和转座的生理条件下，也是电离辐射和氧化应激的生理条件下，也是电离辐射和氧化应激的主要损伤形式。依赖的主要损伤形式。依赖DNADNA的蛋白激酶对哺的蛋白激酶对哺乳动物细胞中的双链断裂重接是必需的。乳动物细胞中的双链断裂重接是必
169、需的。( (六六) )转录和修复转录和修复n n从目前的研究来看，修复发生于转录的整从目前的研究来看，修复发生于转录的整个过程，如激活、起始和延伸都与修复有个过程，如激活、起始和延伸都与修复有关。在转录激活过程中，主要是关。在转录激活过程中，主要是AP-1AP-1和和NF-NF-KBKB两种转录因子可能参与转录偶联修复。两种转录因子可能参与转录偶联修复。在转录起始过程中转录辅助因子在转录起始过程中转录辅助因子TFII HTFII H也也是一种修复因子。转录的延伸过程中，转是一种修复因子。转录的延伸过程中，转录的序列修复比非转录的序列更迅速。录的序列修复比非转录的序列更迅速。( (七七) )大肠
170、杆菌的挽回系统大肠杆菌的挽回系统n n挽回系统（挽回系统（retrieval systemretrieval system）也称）也称“复制后修复复制后修复”（post-replication post-replication repairrepair）因为它们在复制后起作用，也）因为它们在复制后起作用，也称为称为“重组修复重组修复”（recombination-recombination-repairrepair）。此系统在处理复制含有损伤）。此系统在处理复制含有损伤碱基模板后产生的子代二倍体的缺陷中碱基模板后产生的子代二倍体的缺陷中起作用。起作用。n n 遗传信息有缺损的子代遗传信息有缺损
171、的子代DNADNA分子通过遗分子通过遗传重组的方式加以弥补，即从同源传重组的方式加以弥补，即从同源DNADNA的的母链上将相应核苷酸序列片段移至子链母链上将相应核苷酸序列片段移至子链缺口处，然后用再合成的序列来补上母缺口处，然后用再合成的序列来补上母链的空缺。链的空缺。复制后修复复制后修复复制复制重组重组再合成再合成( (八八)SOS)SOS系统系统n n许多损伤许多损伤DNADNA或抑制大肠杆菌复制的手段或抑制大肠杆菌复制的手段引起一系列综合的表现型改变，称为引起一系列综合的表现型改变，称为SOSSOS反应。这是由反应。这是由RecARecA蛋白和蛋白和LexALexA抑制物相抑制物相互作用
172、而引起的。互作用而引起的。n nSOSSOS反应表现为修复损伤反应表现为修复损伤DNADNA的能力增强的能力增强, , 这是通过诱导长补丁修复系统和这是通过诱导长补丁修复系统和RecARecA重重组修复系统组分的合成来实现的。组修复系统组分的合成来实现的。SOSSOS反应：是细胞反应：是细胞DNADNA受到损伤或复制系受到损伤或复制系统受到抑制的紧急情况下，为求得生存统受到抑制的紧急情况下，为求得生存而出现的应急效应。而出现的应急效应。SOSSOS反应诱导的修复系统包括避免差错修反应诱导的修复系统包括避免差错修复复(error free repair)(error free repair)和易
173、产生差错修和易产生差错修复复(error-prone repair)(error-prone repair)着着色性干皮病色性干皮病 (Xeroderma pigmentosum) 是一种隐性遗传性疾病，有些呈性联遗传。因核酸是一种隐性遗传性疾病，有些呈性联遗传。因核酸是一种隐性遗传性疾病，有些呈性联遗传。因核酸是一种隐性遗传性疾病，有些呈性联遗传。因核酸内切酶异常造成内切酶异常造成内切酶异常造成内切酶异常造成DNADNADNADNA修复障碍所致。临床以光暴露部修复障碍所致。临床以光暴露部修复障碍所致。临床以光暴露部修复障碍所致。临床以光暴露部位色素增加和角化及癌变为特征。位色素增加和角化及癌
174、变为特征。位色素增加和角化及癌变为特征。位色素增加和角化及癌变为特征。1. 1. 1. 1. 幼年发病，常有家族发病史。幼年发病，常有家族发病史。幼年发病，常有家族发病史。幼年发病，常有家族发病史。2. 2. 2. 2. 面部等暴露部位出现红斑、褐色斑点及斑片，伴面部等暴露部位出现红斑、褐色斑点及斑片，伴面部等暴露部位出现红斑、褐色斑点及斑片，伴面部等暴露部位出现红斑、褐色斑点及斑片，伴毛细血毛细血毛细血毛细血 管扩张，间有色素脱失斑和萎缩或疤痕。皮管扩张，间有色素脱失斑和萎缩或疤痕。皮管扩张，间有色素脱失斑和萎缩或疤痕。皮管扩张，间有色素脱失斑和萎缩或疤痕。皮肤干燥。数年内发生基底细胞癌、鳞
175、癌及恶性黑素肤干燥。数年内发生基底细胞癌、鳞癌及恶性黑素肤干燥。数年内发生基底细胞癌、鳞癌及恶性黑素肤干燥。数年内发生基底细胞癌、鳞癌及恶性黑素瘤。瘤。瘤。瘤。3.3.3.3.皮肤和眼对日光敏感。皮肤和眼对日光敏感。皮肤和眼对日光敏感。皮肤和眼对日光敏感。4.4.4.4.病情随年龄逐渐加重，多数患者于病情随年龄逐渐加重，多数患者于病情随年龄逐渐加重，多数患者于病情随年龄逐渐加重，多数患者于20202020岁前因恶性肿岁前因恶性肿岁前因恶性肿岁前因恶性肿瘤而死亡。瘤而死亡。瘤而死亡。瘤而死亡。5.5.5.5.组织病理组织病理组织病理组织病理 晚期出现表皮非典型性增生、日光角化晚期出现表皮非典型性
176、增生、日光角化晚期出现表皮非典型性增生、日光角化晚期出现表皮非典型性增生、日光角化及鳞癌和基底细胞癌等恶性肿瘤。及鳞癌和基底细胞癌等恶性肿瘤。及鳞癌和基底细胞癌等恶性肿瘤。及鳞癌和基底细胞癌等恶性肿瘤。A human DNA repair defect: Xeroderma pigmentosum (着色性干皮病着色性干皮病)Multiple skin cancers due to unrepaired UV damage to DNA着着色性干皮病患儿脸部特征色性干皮病患儿脸部特征着色性干皮病背部, 着色性干皮病组织切片着着色性干皮色性干皮病的并发症病的并发症着着色性干皮病的治疗色性干皮病的治疗l l避免紫外线照射避免紫外线照射 l l避免肿瘤致病因子避免肿瘤致病因子l l对症治疗对症治疗5AGACCACCAGTACAACGTTATTGTACTGGAACAAG33TCTGGTGGTCATGTTGCAATAACATGACCTTGTTC5 T G TC ATTGTACTGG AACAAG3 A A C A T G A C C5 AGACCAG T C A A3TCTGGT G G T C A T G T T TTGTTC5CCAGTACAA
