动物遗传学遗传信息的传递.pptx

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,1,、,DNA,的复制,主要内容,2,、,DNA,的转录,3,、蛋白质的生物合成,4,、基因表达调控,第一节,:DNA,的复制,一、,DNA,的复制特点,DNA,复制,(replication),：是指以,DNA,分子为模板合成,DNA,的过程，由此遗传信息通过亲代,DNA,分子传递给子代。,1,半保留复制,(semiconservative replication),2 DNA,复制的半不连续性,(semi-discontinuous replication),半保留复制,(semiconservative replication),DNA,复制的半不连续性,DNA,连接酶,引发酶,DNA,聚合酶,拓扑异构酶,二、,DNA,复制体系,DNA,模板,单链结合蛋白,解旋酶,原核生物,DNA,聚合酶,Pol,*,结构模型,核心聚合酶,二聚体,复合物,真核生物,DNA,聚合酶有,、,、,、,、,五种。,DNA,聚合酶,位置,细胞核,细胞核,线粒体,细胞核,细胞核,功能,后随链合成、前导链延伸,修复,复制,前导链合成,修复,分子量,300k,40k,180300k,170230k,250k,3,5,外切活性,+,+,+,+,_,引发酶活性,+,_,_,_,_,三、复制的起点与终止区域,原核生物只有一个复制起点，真核生物有多个复制起点，形成多个复制单位。,四、复制过程,前导链和后随链的协同合成,五、复制方式,1,型复制（,type replication,）,2,滚环式复制（,rolling circle replication,）,3 D,环复制（,D-loop replication,）,六、,DNA,复制的忠实性,每次复制碱基对发生错误的机率是,10,-8,，而在细菌中实际的错配率为,10,-8,10,-10,。,DNA,聚合酶可通过下述两种方式提高互补碱基选择的专一性。,DNA,复制的忠实性,通过专一性识别使即将加入的碱基与模板上的碱基严格互补，这种方式用来控制合成前的错误；,当发现存在着错配时，可切除新加入的碱基，这种方式叫校对控制。,七、原核和真核生物,DNA,复制区别,1,复制的起点与速率,2,复制方式,3,真核生物染色体末端,DNA,的复制,PCR,：即聚合酶式反应,(polymerase,chain reaction),，是美国科学家,Mullis,于,1983,年发明的一种在体外,快速扩增特定基因或,DNA,序列的,方法，故又称为基因的体外扩增法。,八、,PCR,技术,with a single molecule of the genetic material DNA,the PCR can generate 100 billion similar molecules in an afternoon.The reaction is easy to execute.It requires no more than a test tube,a few simple reagents and a source of heat.The DNA sample that one wishes to copy can be pure,or it can be a minute part of an extremely complex mixture of biological materials.The DNA may come from a hospital tissue specimen,from a single human hair,from a drop of dried blood at the scene of a crime,from the tissues of a mummified brain or from a 40,000-year-old wooly mammoth frozen in a glacier.,In 1993,the Royal Swedish Academy of Sciences awarded the Nobel Prize in Chemistry for work on DNA-based chemistry methods,with one-half of the prize going to Kary Mullis for his invention of the polymerase chain reaction(PCR)method.,His work,the academy said,had hastened the rapid development of genetic engineering and greatly stimulated biochemical research and opened the way for new applications in medicine and biology.,The academy added:The applications of Mullis PCR method are already many.It is for example possible using simple equipment to multiply a given DNA segment from a complicated genetic material millions of times in a few hours,which is of very great significance for biochemical and genetic research.The method offers new possibilities particularly in medical diagnostics,and is used,for example,for discovering HIV virus or faulty genes in hereditary diseases.,PCR,与体内,DNA,复制的异同,第二节、,DNA,转录,转录,(transcription),：是指以,DNA,为模板，在依赖于,DNA,的,RNA,聚合酶的催化下，以,ATP,、,GTP,、,CTP,和,UTP 4,种核苷三磷酸为原料合成,RNA,的过程。,一、概念,DNA,转录与复制的区别,1,转录只发生在基因组的部分区域。,2,转录只以,DNA,的一条链为模板。,3,转录起始，不需要有引物的参与。,4,转录底物为核糖核苷三磷酸。,5 RNA,合成依赖于,RNA,聚合酶。,6,转录时,DNA-RNA,杂合双链分子是不稳定的，在延伸 过程中不断从模板链上游离出来。,7,真核生物基因的一般需要转录后加工才能成为具有生物功能和成熟的,RNA,分子。,反式作用元件,(,trans-,acting element),是指能直接或间接地识别或结合在各种顺式作用元件核心序列上，参与靶基因表达调控的一组调节蛋白。,顺式作用元件（,cis-,acting element,）是指对基因表达有调节活性的,DNA,序列，其活性只影响与其自身同处在一个,DNA,分子上的基因；同时，这种,DNA,序列通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中。,二、,RNA,聚合酶,由,、,、,和,4,种亚基组成，全酶,(holoenzyme),共,5,个亚基，为,2,。其中的,2,为核心酶,(core enzyme),。,亚基可能具有与底物,(NTP,及新生,RNA,链,),结合的能力。,亚基可与模板结合。,亚基可能参与全酶的组装及全酶识别启动子，还参与,RNA,聚合酶与一些调控因子间的作用。,亚基使全酶识别启动子，并与启动子结合。,1,原核生物的,RNA,聚合酶,2,真核生物的,RNA,聚合酶,1,启动子,启动子（,promoter,）：能够与,RNA,聚合酶全酶结合并准确有效地起始转录的特异,DNA,序列称为启动子。,三、启动子与终止子,原核生物的启动子,(1),转录起始点,(2)-10,区,(3)-35,区,(4)-10,区和,-35,区间的距离,TTGACA,16,18bp,TATAAT,5,8bp,C T,G,A,-35,区,-10,区,+1,(1),加帽位点,(2)TATA,框,(3)CAAT,框,2.RNA,聚合酶,的启动子的结构,(4)GC,框,(5),八聚体核苷酸元件,(6)B,元件,(7)ATF,元件,1.RNA,聚合酶,的启动子的结构,核心启动子,core promoter,。,上游调控元件,upstream control element,UCE,。,真核生物的启动子,在转录过程中，提供转录终止信号的,DNA,序列称为终止子,(terminator),，可分为强终止子和弱终止子两类。,终止子,(terminator),转录是由,DNA,指导的,RNA,合成的过程，可分为起始、延伸和终止三个阶段。,四、转录的过程,五、转录的终止,转录终止包括新生,RNA,链的释放及,RNA,聚合酶与,DNA,解离。,有两类终止机制：,不依赖,因子的终止，依靠终止子本身结构终止。,依赖,因子的终止机制,.,六、转录产物的后加工,加帽及作用,7-,甲基鸟苷基团（,m7G,）通过,5,端三磷酸酯键以,5,-5,方式连接到,mRNA,的,5,端形成的结构,加尾及作用,Poly(A),尾的性质 多数真核生物,(,酵母除外,),的,mRNA 3,具有约为,200bp,长的,Poly(A),尾巴。,Poly(A),尾巴不是由,DNA,所编码，而是在转录后由,RNA,末端腺苷酸转移酶催化下，以,ATP,为前体，添加到,mRNA,的,3,末端。,RNA,的剪接（,RNA splicing,）,依靠内含子的特殊结构而能自发地进行剪接。,蛋白质,(,酶,),促剪切，例如,tRNA,。,需要细胞核小分子核糖核蛋白（,small nuclear ribonucleoprotein,snRNP,）参与的剪接。,在内含子两端分别有两个非常保守的碱基,:,外显子,-,G,100,T,100,A,62,A,68,G,83,T,63,12PyNC,65,A,100,G,100,-,外显子,内含子在剪接位点的这种特征称为,GT-AG,规则。,mRNA,的剪接,完成剪接所需的条件只有三个序列，即,5GT,、,3AG,和分,支点序列,在距内含子的,3,端约,20,50,个碱基处有一高度保守序列,CURAY,R,为嘌呤,Y,为嘧啶,称为分支位点,其中,A,高度保守,.,剪接过程,内含子,5,端切开，形成游离的左侧外显子和右侧的内含子外显子。内,含子游离的,5,端以,5,2,磷酸二酯键与,A,相连，形成一个套索结构。,内含子的,3,剪接点被切断而以套索状释放，与此同时右侧外显子与左,侧外显子连在一起。,内含子套索被切开，形成线状并很快被降解。,第三节 蛋白质的合成,翻译,(translation):,是指由,RNA,参与的蛋白质生物合成过程，将核酸序列转变为氨基酸序列,从而使由,DNA,而来的遗传信息经过,mRNA,正确地传递到蛋白质。,3,种,RNA,参与翻译过程,:tRNA,转运氨基酸，,rRNA,与多种蛋白质组成核糖体做为翻译的场所，,mRNA,做为翻译的模板。,一、遗传密码,密码子（,codeon,）：是,mRNA,中编码一个氨基酸的三个碱基称为密码子，,4,种碱基,(A,、,G,、,C,、,U),可以组合成,64,种密码子，编码,20,种氨基酸。,密码表的破译：,1961,年，,Nirenberg,报道人工合成多聚核苷酸体外翻译技术。,Nirenberg,和,leader,发明的核糖体结合技术。,2,起始密码子：编码起始氨基酸的密码子称为起始密码子。,1,同义密码子（,synonyms,）：代表同一氨基酸的简并密码子称为同义密码子。,密码子的特点,4,摆动假说（,wobble hypothesis,）：密码子与反密码子识别配对时，密码子的前两位碱基在和反密码子配对时遵循碱基配对原则，而第三位碱基配对时，则有一定的灵活性。,3,终止密码子：不编码氨基酸而作为蛋白质合成终止信号的密码子称为终止密码子。,二、,tRNA,的功能,tRNA,在翻译中起转运氨基酸的作用，所有的,tRNA,分子都有相同的二级,结构,（三叶草型）和三级,结构,(,倒,L,型,),三、核糖体的结构与功能,核糖体由大小两个亚基组成，,RNA,和蛋白质相互作用，有的形成活性部位，有的提供构象，形成一个复杂而有序的结合体，是蛋白质合成的场所。,核糖体含量：在一个生长旺盛的细菌中，约有,20 000,个核糖体。核糖体占细胞干重的,25%,。其蛋白占细菌的总蛋白的,10%,左右，,RNA,占细菌总,RNA,的,80%,左右。,原核生物的翻译过程,翻译可分为三个阶段：起始,(initiation),、延伸,(elongation),和终止,(termination),。,翻译速度：在,37,为,15,个氨基酸,/,秒，一个,300,个氨基酸组成的蛋白质分子只需,20,秒就能完成。,原核生物的翻译过程,翻译的起始是核糖体的大小亚基、,tRNA,和,mRNA,在起始因子的协助下组合成,70S,起始复合物的过程。,四、蛋白质生物合成初始产物的后加工,肽链中氨基酸残基的化学修饰,乙酰化、甲基化、磷酸化、泛酸化、转氨基酸作用、多聚,ADP,核糖基化、糖基化,肽链,N,端甲硫氨酸或甲酰甲硫氨酸的除去,信号肽的切除,肽链的折叠,切除前体中功能不必需肽段,二硫键的形成,多肽链,N,端和,C,端的修饰,第四节 基因表达与调控,从,DNA,到蛋白质的过程，叫做基因表达,(gene expression),，对这个过程的调节就称为基因表达调控,(gene regulation,或,gene control),。,概述,基因表达调控在两个水平上体现,(1),转录水平上的调控,(transcriptional regulation);,(2),转录后水平上的调控,(post-transcriptional regulation);,mRNA,加工水平上的调控,(differential processing of RNA transcript);,翻译水平上的调控,(differential translation of mRNA),。,原核生物所处的环境条件通常是多变的，在长期的进化过程中，生物体通过改变基因活性来适应新的环境，从而正常生长和繁衍后代。,真核生物多为多细胞生物，尤其是高等真核生物有着精细的复杂的个体生长、发育和分化过程，因而其基因表达严格、精密地按照既定的时间、空间和程序进行。,操纵子（,operon,）,:,是由调节基因（,regulatory gene,）、操纵基因（,operator gene,）和若干有相关生物活性的结构基因组成，结构基因（,structure gene,）排列成簇，,3,种基因协同履行精巧的生命活动。,结 构 基 因,调节基因,操纵基因,操纵子,是原核生物基因转录调控的主要形式，通过调节基因编码的调节蛋白，开启或关闭操纵基因，进而调控结构基因的表达，一开俱开，一闭全闭，对环境条件的改变作出相应的反应。,一、原核生物基因表达调控,1,操纵子,结构基因（,structure gene,）：是编码蛋白质的任何基因。结构基因编码着大量功能各异的蛋白质，所编码的蛋白质有组成细胞和组织基本成分的结构蛋白、有催化活性的酶和调节蛋白等。,操纵基因（,operator gene,）：是一个顺式作用元件，与启动子相邻，是阻抑蛋白的靶位点。,调节基因（,regulator gene,）：是参与其他基因表达调控的,RNA,或蛋白质的编码基因。,结 构 基 因,调节基因,操纵基因,正调控和负调控,负调控,(negative control),：,当调节蛋白缺乏时，基因是表达的，而加入调节蛋白后基因表达活性被关闭，这种调控系统称为负调控系统，其蛋白称为阻遏蛋白（,repressor,）。,正调控,(positive control),：,当调节蛋白存在时，基因是表达的，而缺乏调节蛋白后基因表达活性被关闭，这种调控系统称为正调控系统。,诱导物,(inducer):,如果某种小分子物质能够促使细菌产生酶将其自身分解，该过程称为诱导，这种小分子物质就叫做诱导物。,注：诱导物的调控机制并不是直接与其调控的目标酶分子相互作用来完成，而是通过调节蛋白来完成。,诱导与阻遏,某些小分子物质可作用于调节蛋白，使操纵子有着不同的应答反应，根据小分子对操纵子的应答情况，可分为可诱,导操纵子（,inducible operon,）和可阻抑操纵子,(repressible operon),。,辅阻抑物,(corepressor):,某些小分子物质能够作用于调节蛋白，使操纵子有着不同的应答反应，若能关闭基因的转录，该过程称为阻遏，该小分子物质称为辅阻抑物。,义务诱导物,(gratutious inducer):,这种能诱导酶合成，但不能被酶分解的分子称为义务诱导物。,IPTG,能诱导乳糖操纵子，但不能被,-,半乳糖苷酶分解，能持续发挥诱导作用。,乳糖操纵子,CAP,乳糖操纵子的负调控机制,未诱导：结构基因被阻遏,阻遏物,四聚体,LacI P O,lacZ,lacY,lacA,图,16-,当无诱导物时阻遏物结合在操纵基因上,CAP,乳糖操纵子的正调控机制,CAP,是一正调控因子，在依赖,CAP,的启动子上起始转录必须有,CAP,参与。,而只有,cAMP,存在时，,CAP,才有活性，,cAMP,通过与,cap,基因产物结合，使操纵子的表达水平与,cAMP,水平成正比。,当细胞内缺少葡萄糖时，腺苷酸环化酶以,ATP,为底物，将其核糖环上,3,、,5,两个碳原子通过磷酸二酯键连接，形成,cAMP,。,当大肠杆菌在培养基中发现葡萄糖和乳糖时，它首先分解利用葡萄糖，而阻抑乳糖的利用。,trpE,trpA,trpB,trpC,trpD,trpR,trpO,trpL,P,P,R,色氨酸操纵子,色氨酸操纵子有,5,个连续的结构基因,编码使分支酸,(chorismic acid),转化为色氨酸的,3,种酶：,D,和,E,编码邻氨基苯甲酸合成酶、,C,编码吲哚合成酶、,A,和,B,编码色氨酸合成酶。,色氨酸操纵子的负调控机制,色氨酸操纵子的衰减调控系统,trpE,trpA,trpB,trpC,trpD,trpR,trpO,trpL,P,P,2,基因表达的时序调控,3 DNA,序列重排的调控,沙门氏菌（,S.typhimrium,）的相转变（,phase variation,）,二、真核生物基因转录调控,1 DNA,及染色体水平的调控,基因丢失,基因扩增,基因重排,DNA,甲基化,2,转录水平的调控,反式作用元件,(,trans-,acting element),是指能直接或间接地识别或结合在各种顺式作用元件核心序列上，参与靶基因表达调控的一组调节蛋白。,顺式作用元件（,cis-,acting element,）是指对基因表达有调节活性的,DNA,序列，其活性只影响与其自身同处在一个,DNA,分子上的基因；同时，这种,DNA,序列通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中。,增强子（,enhancer,）：是真核细胞中通过启动子来增强转录的一种远端遗传性控制元件。,沉默子,(silencer),：是对转录具有抑制作用的调控序列。,2.1,顺式作用元件对转录水平的调控,结构域（,domain,）：是指蛋白质的超二级结构可以形成紧密、稳定且在蛋白质分子构象上明显可分的区域，一般由,50-400,个氨基酸残基组成，分别担负蛋白质不同的功能，是蛋白质的生物功能实体。,DNA,结合结构域,2.2,转录因子对转录水平的调控,DNA,结合结构域是一种具有显著特征的结构域单元，常见有锌指结构,(zinc-finger domain),和螺旋,-,转角,-,螺旋,(helix-turn-helix),。,二聚体化域（,dimerization domain,）,是负责蛋白与蛋白相互作用形成二聚体的结构域，常见的有亮氨酸拉链,(leucine zipper),和螺旋,-,环,-,螺旋,(helix-loop-helix),。,二聚体化域,转录激活域,转录激活域（,transcription activation domain),：通常是依赖于,DNA,结合结构域以外的,30,100,个氨基酸残基，调节蛋白依赖于转录激活域进行蛋白质,-,蛋白质相互作用，控制转录起始复合物的形成和调控其活性。,3.1 RNA,编辑,RNA,编辑（,RNA editing,）：主要是指在,mRNA,转录后因插入、缺失或核苷酸的替换，改变了模板来源的遗传信息，从而翻译出氨基酸序列不同的多种蛋白质。,载脂蛋白（,ApoB100,）有,4536,个,AA,RNA,编辑酶可使其初级转录本第,6666,位碱基,C,脱氢化变为,U,相应的使第,2153,个,AA,密码子由,CAA,变为,UAA,使翻译提前终止，形成只有,2153,个,AA,的,ApoB48,。,3,转录后水平的调控,3.2 mRNA,前体的可变剪接,可变剪接（,alternative splicing,）：是指某个内含子,5,供体在特定条件下可与另一个内含子的,3,受体进行剪接，从而同时缺失这两个内含子及其中间的全部外显子或内含子，这种按不同方式对,mRNA,进行的剪接称为可变剪接。,3.3,反义,RNA,的调控,反义,RNA(Antisense RNA):,是指真核生基因组中，某些调节基因转录所产生的,RNA,可与基因组,DNA,或,RNA,序列互补，形成杂交体，阻断或减弱基因转录或翻译的调控机制，反义,RNA,与,DNA,结合形成三螺旋，将阻止转录,;,与,mRNA,结合，将阻止剪接、核糖体结合，使核糖体迁移受阻，从而影响转录。,Typical prokaryotic gene,structure,Typical eukaryotic gene structure,