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1、第五章第五章 细胞核与遗传信息的流向细胞核与遗传信息的流向Part BPart B逆转录逆转录逆转录逆转录第五节第五节 基因与基因转录基因与基因转录DNADNARNARNA蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质复制复制复制复制转录转录转录转录翻译翻译翻译翻译复制复制复制复制基因基因基因基因( (gene)gene)：是细胞内遗传物质最小的结构功能单位，是是细胞内遗传物质最小的结构功能单位，是DNA分分子中含有特定遗传信息的核苷酸序列。子中含有特定遗传信息的核苷酸序列。基因表达：基因表达：基因表达：基因表达：DNADNA序列所携带的遗传信息，通过转录和序列所携带的遗传信息，通过转录和序列所携带的遗传信息，通过
2、转录和序列所携带的遗传信息，通过转录和翻译形成具有生物活性的蛋白质的过程。翻译形成具有生物活性的蛋白质的过程。翻译形成具有生物活性的蛋白质的过程。翻译形成具有生物活性的蛋白质的过程。一、原核细胞基因的结构一、原核细胞基因的结构以大肠杆菌基因组为例以大肠杆菌基因组为例DNADNA分子：拟核中的双股环状分子：拟核中的双股环状DNADNA，分子量，分子量2.41092.4109，长，长4106bp4106bp，约含，约含3000300040004000个基因。质粒：环状个基因。质粒：环状DNADNA，带有少量基因，带有少量基因，如对抗菌素、重金属有抗性的基因。如对抗菌素、重金属有抗性的基因。绝大局部
3、是编码序列。绝大局部是编码序列。结构基因结构基因structuralgene)structuralgene)：编码蛋白质或酶的：编码蛋白质或酶的基因基因Gene Gene 是单拷贝，基因与基因不重叠。是单拷贝，基因与基因不重叠。有操纵子结构。有操纵子结构。即编码功能相关的几种蛋白质的即编码功能相关的几种蛋白质的基因往往成簇排列，形成转录功能单元，一起转基因往往成簇排列，形成转录功能单元，一起转录，一起翻译。录，一起翻译。一、原核细胞基因的结构一、原核细胞基因的结构大肠杆菌乳糖代谢有关的大肠杆菌乳糖代谢有关的三个结构基因三个结构基因Z: -Z: -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y Y：-半乳糖苷透性酶半乳
4、糖苷透性酶A A：-半乳糖苷乙酰化酶半乳糖苷乙酰化酶编码这三个酶的结构基因相邻排列。编码这三个酶的结构基因相邻排列。二、原核细胞基因的转录二、原核细胞基因的转录对于任一个特定的基因，对于任一个特定的基因，对于任一个特定的基因，对于任一个特定的基因，DNADNA双链分子中只有一条链双链分子中只有一条链双链分子中只有一条链双链分子中只有一条链带有遗传信息，称为编码链带有遗传信息，称为编码链带有遗传信息，称为编码链带有遗传信息，称为编码链(coding strand)(coding strand)，与之互，与之互，与之互，与之互补的称为反编码链补的称为反编码链补的称为反编码链补的称为反编码链(ant
5、icoding strand)(anticoding strand)。转录转录转录转录(transcription)(transcription)：在：在：在：在RNARNA聚合酶的催化下，以聚合酶的催化下，以聚合酶的催化下，以聚合酶的催化下，以DNADNA的反编码链为模板，按照碱基互补配对原那么，的反编码链为模板，按照碱基互补配对原那么，的反编码链为模板，按照碱基互补配对原那么，的反编码链为模板，按照碱基互补配对原那么，以四种以四种以四种以四种rNTPsrNTPs为原料合成为原料合成为原料合成为原料合成RNARNA的过程。的过程。的过程。的过程。编码链：编码链：5 - ATG AAA CGA
6、 GTC TTA TGAATG AAA CGA GTC TTA TGA -3反编码链：反编码链：反编码链：反编码链：mRNAmRNA：3- TAC TTT GCT CAG AAT ACTTAC TTT GCT CAG AAT ACT -55- AUG AAA CGA GUC UUA UGAAUG AAA CGA GUC UUA UGA -3 l大肠杆菌的RNA聚合酶的组成：l l 因子l全酶l 核心酶2 4个亚基因子起始因子：识别原核细胞结构基因因子起始因子：识别原核细胞结构基因上游的启动子，负责上游的启动子，负责RNARNA合成的起始。合成的起始。核心酶：核心酶： 2 2 四个亚基，核心酶能
7、够催四个亚基，核心酶能够催化转录化转录RNARNA，核心酶与，核心酶与因子相结合成为全酶因子相结合成为全酶 RNA聚合酶转录过程示意图lRNA聚合酶与启动子结合l转录的起始lRNA链的延长l转录的终止转录过程转录过程转录后的加工转录后的加工原核细胞mRNA一般不需要经过加工，转录之后即为有功能的mRNA。rRNArRNA的加工的加工rRNArRNA基因的初级转录产物经剪切形成基因的初级转录产物经剪切形成3 3种种rRNArRNA5S5S、16S16S、23 SrRNA23 SrRNA, ,某些碱基被甲基化。某些碱基被甲基化。tRNAtRNA分子的加工分子的加工切除切除3 3 端的附加端的附加序
8、列序列在在33末端加上末端加上CCACCA三个核苷酸三个核苷酸酶促修饰成稀有碱酶促修饰成稀有碱基，如假尿嘧啶基，如假尿嘧啶( (二二) )原核细胞基因表达的调控原核细胞基因表达的调控基因表达：遗传信息通过转录和翻译合成基因表达：遗传信息通过转录和翻译合成 特定特定蛋白质的过程蛋白质的过程大多数基因表达的调控是在转录水平上进行的大多数基因表达的调控是在转录水平上进行的关于原核细胞基因表达调控的学说，即操纵子学说。法国巴斯德研究所著名分子生物学家Jacob和Monod对大肠杆菌中-半乳糖苷酶合成的调节进行了研究， 1961年首先提出了操纵子和操纵基因的概念及乳糖操纵子模型。因而获诺贝尔医学或生理学
9、奖。 操纵子学说操纵子学说O O：操纵基因；：操纵基因； P P：启动子；：启动子； Z Z、Y Y、A A：结构基因；：结构基因；R R：调节基因：调节基因 乳糖操纵子乳糖操纵子操纵基因操纵基因operator gene：位于结构基因的上：位于结构基因的上游的一段核苷酸序列，有控制结构基因转录的作用。游的一段核苷酸序列，有控制结构基因转录的作用。启动子启动子promoter:位于操纵基因上游的一段特位于操纵基因上游的一段特殊的核苷酸序列，是殊的核苷酸序列，是RNA聚合酶的识别和结合部位。聚合酶的识别和结合部位。调节基因调节基因regulator gene：编码某种调节：编码某种调节蛋白阻遏蛋
10、白，调节操纵子的活动。蛋白阻遏蛋白，调节操纵子的活动。负调节：阻遏蛋白与操纵基因结合后对于结构负调节：阻遏蛋白与操纵基因结合后对于结构基因的转录起阻止作用，这种调节方式称为负基因的转录起阻止作用，这种调节方式称为负调节。调节。正调节：代谢物激活蛋白正调节：代谢物激活蛋白catabolite activator protein, CAP与启动子结合后可以增强结构基与启动子结合后可以增强结构基因的转录活动，这种调节方式称为正调节因的转录活动，这种调节方式称为正调节、表达调控的机制三、真核细胞基因组的特点三、真核细胞基因组的特点真核细胞基因组庞大，存在着许多重复真核细胞基因组庞大，存在着许多重复序列
11、。序列。基因多为断裂基因。基因多为断裂基因。断裂基因断裂基因split genesplit gene：大局部基因含：大局部基因含有非编码序列，即基因中的编码序列是不有非编码序列，即基因中的编码序列是不连续的。连续的。存在多基因家族。存在多基因家族。DNADNA重复序列重复序列(repetitive (repetitive sequence)sequence)单一序列单一序列单一序列单一序列中度重复顺序中度重复顺序中度重复顺序中度重复顺序高度重复顺序高度重复顺序高度重复顺序高度重复顺序： 一真核细胞基因组的特点一真核细胞基因组的特点多基因家族多基因家族 概念：概念： 一组功能类似、其核苷酸序列具
12、有同源性的基一组功能类似、其核苷酸序列具有同源性的基因。经过重复和变异所产生的一组基因。因。经过重复和变异所产生的一组基因。分类：分类： 1. 1. 基因家族成簇地分布在某一条染色体上基因家族成簇地分布在某一条染色体上 2 2一个基因家族的不同成员成簇地分布不同一个基因家族的不同成员成簇地分布不同染色体上染色体上真核细胞基因组的特点真核细胞基因组的特点假基因：在多基因家族中，有些成员不编码或编码的产物没有功能，如珠蛋白基因家族中的。断裂基因断裂基因真核细胞的大局部基因中含有非编真核细胞的大局部基因中含有非编码序列，即基因中的编码序列是不码序列，即基因中的编码序列是不连续的，称为断裂基因连续的，
13、称为断裂基因( split ( split gene)gene)。真核细胞基因组的特点真核细胞基因组的特点 真核细胞基因的种类：真核细胞基因的种类：结构基因结构基因45srRNA45srRNA基因基因5srRNA5srRNA基因基因tRNAtRNA基因等基因等1 1外显子和内含子：外显子和内含子：外显子外显子(exon)(exon)：是指基因内部具有编码意义的碱基：是指基因内部具有编码意义的碱基序列。序列。内含子内含子(intron)(intron)：无编码意义的碱基序列：无编码意义的碱基序列 外显子与内含子的序列相间排列。外显子与内含子的序列相间排列。 GTAG GTAG法那么：内含子的法那
14、么：内含子的55端多以端多以 GT GT开始，开始，33端多以端多以 AG AG结束，称结束，称 GTAG GTAG法那么。法那么。 - - - -珠蛋白基因结构图解珠蛋白基因结构图解珠蛋白基因结构图解珠蛋白基因结构图解真核基因的共同结构2启动子(promoter)：能被RNA聚合酶所识别并结合的特异性DNA序列，决定真核细胞基因转录起始。包括TATA框和CAAT框等。 启动子启动子 3 3 3 3增强子增强子增强子增强子(enhancer)(enhancer)(enhancer)(enhancer)：增强子是基因中的一个调节序列增强子是基因中的一个调节序列存在部位：位于转录起始点上游或下游，
15、也可位于内含子。存在部位：位于转录起始点上游或下游，也可位于内含子。功能：能增强相关基因的转录活性功能：能增强相关基因的转录活性4 4终止子：终止子：结构基因末端具有回文结构有一段碱基序列，结构基因末端具有回文结构有一段碱基序列，作用：作用：具有终止转录的作用具有终止转录的作用 二真核基因的转录与加工二真核基因的转录与加工不均一核RNAheterogeneous nuclear RNA，hnRNA ：结构基因转录的初级产物分子量大小各不相同的各种前体RNA，存在于细胞核内。剪接：剪接：将将 DNA DNA基因中非编码顺序基因中非编码顺序( (如内含子如内含子) )转录的局转录的局部剪掉，然后将
16、部剪掉，然后将 DNA DNA基因中编码顺序基因中编码顺序( (外显子外显子) )拼接拼接起来。起来。戴帽：戴帽：对对mRNAmRNA的的55端进行化学修饰。即在端进行化学修饰。即在 mRNA mRNA的的55端第端第一个核苷酸前方接上一个一个核苷酸前方接上一个7 7甲基鸟嘌呤三磷酸甲基鸟嘌呤三磷酸m7Gm7G的的结构。作用：结构。作用：提供核糖体所识别的标志；提供核糖体所识别的标志；封闭封闭 mRNA5mRNA5端的作用、防止被磷酸酶水解，对端的作用、防止被磷酸酶水解，对mRNAmRNA起保护起保护作用作用 加尾：由多聚腺苷酸聚合酶由多聚腺苷酸聚合酶催化，在催化，在mRNA3mRNA3端加端
17、加上上5050250250个腺苷酸个腺苷酸残基，形成多聚腺苷残基，形成多聚腺苷酸酸( (称称polyA)polyA)的尾巴的尾巴 。加尾可防止被磷酸。加尾可防止被磷酸酶水解，能延长酶水解，能延长mRNAmRNA的寿命。的寿命。 结构基因的转录加工过程：结构基因转录后结构基因转录后形成前体形成前体RNARNA对对hnRNAhnRNA进行剪切拼进行剪切拼接，形成接，形成mRNAmRNA对对 mRNA mRNA的的55端化端化学修饰学修饰“ “戴帽戴帽对对 mRNA 3 mRNA 3端化端化学修饰学修饰“ “加尾加尾成熟成熟mRNAmRNA遗传密码Allthetripletcodonshavemea
18、ning:61representaminoacids,and3causetermination(STOP).遗传信息翻译遗传信息翻译遗传密码的三个特点：遗传密码的三个特点：通用型；简并性；阅读的无间隔性通用型；简并性；阅读的无间隔性(1)(1)遗传密码是三联体密码。遗传密码是三联体密码。(2)(2)遗传密码无逗号。遗传密码无逗号。(3)(3)遗传密码是不重迭的。遗传密码是不重迭的。(4)(4)遗传密码具有通用性。遗传密码具有通用性。(5)(5)遗传密码具有简并性遗传密码具有简并性(degeneracy(synonyms)(degeneracy(synonyms)。(6)(6)密码子有起始密码子
19、和终止密码子。密码子有起始密码子和终止密码子。(7)(7)反密码子中的反密码子中的“摆动摆动wobblewobbleWobblehypothesisaccountsfortheabilityofatRNAtorecognizemorethanonecodonbyunusual(non-GC,non-AT)pairingwiththethirdbaseofacodon. Codon-anticodon recognition involves wobbling密码子与反密码子配对的摆动假说密码子与反密码子配对的摆动假说第三节第三节 tRNA的结构和功能的结构和功能 一一一一. tRNA. tRN
20、A的结构的结构的结构的结构 一三叶草型的二维结构一三叶草型的二维结构一三叶草型的二维结构一三叶草型的二维结构(1)(1)各各各各种种种种tRNAtRNA均均均均含含含含有有有有70807080个个个个碱碱碱碱基基基基，其其其其中中中中2222个个个个碱碱碱碱基是恒定的。基是恒定的。基是恒定的。基是恒定的。(2) (2) 55端端端端和和和和33端端端端配配配配对对对对常常常常为为为为7bp7bp形形形形成成成成茎茎茎茎区区区区，称称称称为为为为受受受受体体体体臂臂臂臂acceptor acceptor armarm或或或或称称称称氨氨氨氨基基基基酸酸酸酸臂臂臂臂 。在在在在33端端端端永永永永
21、远远远远是是是是4 4个个个个碱碱碱碱基基基基XCCAXCCA的的的的单单单单链链链链区区区区，在在在在其其其其末末末末端端端端有有有有2-OH2-OH或或或或3-OH3-OH，是是是是被被被被氨氨氨氨基基基基酰酰酰酰化化化化位位位位点点点点。此此此此臂负责携带特异的氨基酸。臂负责携带特异的氨基酸。臂负责携带特异的氨基酸。臂负责携带特异的氨基酸。 3 3TCTC常由常由5bp5bp的茎和的茎和7Nt7Nt和环组成。此臂负责和环组成。此臂负责和核糖体上的和核糖体上的rRNArRNA识别结合；识别结合；(4)(4)反密码子臂反密码子臂(anticodonarm)(anticodonarm)常由常由
22、5bp5bp的茎区和的茎区和7Nt7Nt的环区组成，它负责对密码子的识别与配对。的环区组成，它负责对密码子的识别与配对。(5)D(5)D环环(Darm)(Darm)的茎区长度常为的茎区长度常为4bp4bp，也称双氢尿，也称双氢尿嘧啶环。负责和氨基酰嘧啶环。负责和氨基酰tRNAtRNA聚合酶结合聚合酶结合; ;(6)(6)额外环额外环(extraarm)(extraarm)可变性大，从可变性大，从4Nt4Nt到到21Nt21Nt不等，其功能是在不等，其功能是在tRNAtRNA的的L L型三维结构中负责连接型三维结构中负责连接两个区域两个区域D D环反密码子环和环反密码子环和TC-TC-受体臂。受
23、体臂。转录水平的调控一顺式作用元件和反式作用因子元件：顺式作用因子元件：(1)核心启动子成分，如TATA框；(2)上游启动子分，如CAAT框,GC框;(3)远上游顺序：如增强子，减弱子、静息子,酵母的UASupstreamactivatorsequences等。反式作用因子可以分为反式作用因子可以分为3 3类；类； (1)(1)通通用用反反式式作作用用因因子子，主主要要识识别别启启动动子子的核的核心启动成分，如心启动成分，如TBPTBP； 2 2特特殊殊组组织织与与细细胞胞中中的的反反式式作作用用因因子子，如如淋淋巴细巴细胞中的胞中的Oct-2Oct-2； 3 3和和反反响响性性元元件件res
24、ponseresponseelenentselenents相相结结合的反合的反式作用因子。式作用因子。 如如 HSEHSE 热热 休休 克克 反反 响响 元元 件件 ， heatheat shockshockresponseresponseelementelement，GREGRE糖皮质激素反响元件糖皮质激素反响元件glucocorticoidglucocorticoidresponseelementresponseelement； MREMRE金金属属反反响响元元件件，metalmetal responseresponseelementelement；TRETRE肿瘤诱导剂反响元件，肿瘤诱导
25、剂反响元件，tumorgenictumorgenicagentresponseelement);agentresponseelement);(一)蛋白质直接和DNA结合1.螺旋转角螺旋Helix-turn-helix,HTH：如LacO的R蛋白，的CI，Cro蛋白，涉及酵母交配型的a1和a2蛋白。真核生物中的Oct-1和Oct-2；2.锌指结构zincfimger单个的锌指保守序列是：Cys-X2-4-Cys-X3-Phe-X5-Leu-X2-His-X2-His型:2Cys/2His:TFIIIA,SP1型:2cys/2cys:GAL43.3.亮氨酸拉链亮氨酸拉链Leucineziipper
26、Leucineziipper同二聚体同二聚体honwdimershonwdimers异二聚体异二聚体hefercdimershefercdimersC-Jun,C-Fos,Myc,C-Jun,C-Fos,Myc,4.4.螺旋一环一螺旋螺旋一环一螺旋HLHHLH在在HLHHLH中带有碱性区的肽链称为中带有碱性区的肽链称为 碱性碱性HLHHLHbHLHbHLH，proteinprotein。bHLHbHLH又分为两类。又分为两类。AA类是可以广泛表达的蛋白，包括哺乳动物的类是可以广泛表达的蛋白，包括哺乳动物的E12/E47E12/E47可和免疫球蛋基因增强子中的元件结可和免疫球蛋基因增强子中的元件结合和果蝇合和果蝇dadadaughterless,daughterless,性别控制的总开关性别控制的总开关基因的产物；基因的产物；BB类是组织特异性表达的蛋白，包括哺乳动物的类是组织特异性表达的蛋白，包括哺乳动物的MyoD(MyoD(肌浆蛋白肌浆蛋白myogenmyogen基因的转录因子基因的转录因子 果蝇的果蝇的AC-SAC-Sachaete-scuteachaete-scute无刚毛基因的产物无刚毛基因的产物
