第六章 基因及其表达与调控Word格式.docx
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→5'
。
②碱基平面向内延伸,两条链的碱基以A-T,G-C方式互补配对,对应碱基之间分别形成两个或三个氢键。
③两条以氢键结合的反向平行链构成双螺旋状,每十对碱基旋转一周。
三、DNA分子的功能单位
DNA分子中的功能单位平均大小却只有1000个碱基对,这些功能单位相当于经典遗传学中的基因,它们决定各种表型特征的发育。
虽然DNA分子中只有4种碱基,但其可能的排列组合数却大得惊人,如果一段DNA含有1000对碱基,那么就能形成41000种可能的序列。
由于任何生物体的遗传物质至少具有数百万个碱基,显然,生物体就具有极其广泛的变异范围。
分子遗传学中,通常就把某个生物所具有的所有基因叫做基因组(genome)。
基因组中绝大多数遗传信息都用于决定蛋白质的氨基酸序列,所以基因多是通过指导蛋白质合成并通过蛋白质在细胞中执行各种重要功能。
基因组除了含有遗传信息的编码序列以外,在编码序列的两端还接有调节基因活性的侧翼序列(flankingsequence)。
在原核生物中,当缺乏某些代谢产物时,这类基因的调控元件则决定在某个特殊阶段哪些基因将进行活动。
在高等动、植物中,由于存在各种特化细胞,所以在某些器官中有些基因可能永久关闭,而另一些基因则可能正在活动。
在各种生物特别是在真核生物的基因组中,还有一些DNA序列没有明确,它们可能是基因组中新基因起源的基础,也可能是某些基因退化的遗迹。
第三节DNA的复制
一、半保留复制的证明
半保留复制:
DNA双链解开后,以每一条链为模板按碱基配对原则合成一条新链,每个新DNA分子中一条是从原来的DNA生分子中来的旧链,另一条是新合成的新链,故称为半保留复制。
Meselson等1958年首先获得了DNA半保留复制的直接证据。
二、DNA的复制过程
1.复制起点和复制子:
DNA的复制是从复制起点(origin)开始的。
复制起点的DNA序列通常A-T碱基对的比例较高,由于A-T比G-C每碱基对少一个氢键,因此结合力较弱,比较容易将两条单链分开。
细菌及病毒的染色体只有一个复制原点一条染色体就是一个复制子。
真核生物色体上有多个复制起点,即有多个复制子。
2.半连续的复制过程:
DNA复制过程是半连续复制。
其基本过程是①解旋酶水解开复制叉处的DNA双螺旋。
②在引物酶作用下,合成由几个核昔酸构成的一小段RNA引物,与模板链结合。
③在DNA聚合酶作用下,按碱基配对原则,在RNA引物后沿5'
→3'
方向逐个接上相应的核昔酸。
与3'
→5'
模板链对应的新链的合成方向是5'
,可以连续不断地合成,这条链叫先导链。
④在相关酶的作用下,先导链和冈崎片段前端的RNA引物被降解,空缺由DNA填补;
随后,各冈崎片段在连接酶(ligase)作用下连成一片。
⑤上述过程在复制叉中连续依次完成,形成两个新的DNA双螺旋分子。
冈崎片段:
对应于5'
→3'
模板链的另一条新链的合成的大方向是3'
→5'
,只能断断续续地反向合成一些DNA片段,这些新合成的DNA片段称为冈崎片段。
除了上述的DNA复制方式之外,还存在着少数其他复制方式。
例如,某种噬菌体的环状DNA只有一条链,当它进入宿主后,在引物酶和DNA聚合酶Ⅲ的作用下,产生一条互补的新链,然后以这个双链环状DNA为模板,再形成新的单链DNA分子。
噬菌体DNA的这种复制方式被称为滚环复制。
第四节RNA的结构与功能
一、RNA分子的结构
RNA也是由4种核苷酸组成,即一磷酸腺嘌呤(AMP)、一磷酸鸟嘌呤(GMP)、一磷酸胞嘧啶(CMP)和一磷酸尿嘧啶(UMP)。
RNA同DNA一样,这4种核苷酸也是通过—3’和—5’磷酸二酯键连接在一起。
它与DNA的主要差别在于:
①RNA大多是单链分子;
②含核糖而不是脱氧核糖;
③4种核苷酸中,不含胸腺嘧啶(T),而是由尿嘧啶(U)代替胸腺嘧啶。
由于RNA通常以单链分子存在,在其分子内某些区域的碱基具有互补性,即进行A—U和G—C碱基配对,所以互补碱基之间能通过氢键连接而形成发夹环和主干结构。
RNA分子中,有时G也可以与U配对,但这种碱基对不如A—U和G—C碱基对结合牢固。
RNA分子比DNA分子小得多,在原核细胞和真核细胞中,DNA分子只需一小段来指导RNA分子的合成。
二、细胞中主要的RNA
细胞中存在许多不同的RNA分子,其中最主要的有三种类型,即信使RNA(messagerRNA,mRNA),核糖体RNA(ribosomeRNA,rRNA)和转运RNA(tranferRNA,tRNA)。
mRNA是遗传信息的携带者,mRNA的功能就是把DNA上的遗传信息精确无误地转录下来,然后,由mRNA的碱基顺序决定蛋白质的氨基酸顺序,完成基因表达过程中的遗传信息传递过程。
tRNA是含有80个左右核苷酸的小分子,局部成为双链,在其3’、5’端的相反一端的环上具有由3个核苷酸组成的反密码子。
tRNA的反密码子在蛋白质合成时与mRNA上互补的密码子相结合。
tRNA起识别密码子和携带相应氨基酸的作用。
rRNA和蛋白质共同组成的复合体就是核糖体,核糖体是蛋白质合成的场所。
在核糖体上具有附着mRNA模板链的位置,还有两个tRNA附着的位置,分别称为A位即氨酰基位点和P位即肽基位点。
A位供携带一个新氨基酸的tRNA进入并停留,P位供携带待延长的多肽链的tRNA停留。
除了上述三种主要的RNA外,还有小核RNA(smallnuclearRNA,snRNA),它是真核生物转录后加工过程中RNA剪接体的主要成分;
还有端体酶RNA(telomeraseRNA),它与染色体末端的复制有关;
以及反义RNA,它参与基因表达调控。
第五节遗传信息的表达
一、中心法则与基因表达
遗传信息的表达:
我们把使DNA序列编码信息变成诸如我们头发和皮肤的颜色这样一些具体的性状的过程,称为遗传信息的表达。
转录:
生物以DNA为模板合成RNA,遗传信息由DNA碱基序列转变为RNA碱基序列,这个过程叫转录。
翻译:
是以RNA为模板合成蛋白质,遗传信息由RNA的碱基序列转变为蛋白质的氨基酸序列,这个过程叫翻译。
2.基因与基因表达
基因:
是一段编码了表达产物的DNA序列,表达的终产物可能是RNA(tRNA和rRNA),但大多数情况下是某种蛋白质。
基因表达:
基因通过转录和翻译等过程形成具有特定功能的蛋白质的过程,称为基因表达。
二、转录:
从DNA到RNA
1.转录的基本过程
转录的起始位点是基因的启动子(promoter),启动子序列位于基因编码序列上游,启动转录过程。
RNA合成是以打开后的DNA双链中3'
的单链为模板,按碱基配对原则沿5'
方向进行。
非模板链又称为编码链或有义链。
2.转录产物的加工步骤
转录的RNA产物分为三种:
信使RNA(mRNA)、核糖体RNA(rRNA)和转移RNA(tRNA)。
真核生物mRNA三个加工步骤:
(1)加帽:
转录过程中,RNA的在5'
端加上一个特殊的核昔酸(7-甲基鸟嘌呤核苷酸)"
帽子"
(2)加尾:
在转录产物RNA的3'
末端加上100-200个腺嘌呤构成的多聚腺苷酸(polyA)"
尾巴"
(3)拼接:
先将前体RNA中的一些内含子片段切除,再将称为外显子的编码序列连接起来。
三、翻译:
从RNA到蛋白质
1.mRNA与遗传密码
3个碱基决定一种氨基酸
(1)遗传密码子(codon)的破译:
1961年,Nirenberg等将多聚尿苷酸实验;
1964年,Nirenberg和Leder等又发明了用三个核昔酸寡聚体模拟密码子,使之与放射性标记的氨基酸-tRNA和核糖体形成三元复合体,然后分离检测的新的方法。
(2)遗传密码子的特征:
起始密码子和终止密码子:
AUG它除编码甲硫氨酸之外,还兼作起始密码子。
UAA、UAG、UGA三个密码子不编码氨基酸,称为无义密码子或终止子。
密码子的简并性:
除蛋氨酸和色氨酸分别由一个密码子编码外,其他每种氨基酸分别由2-6个不同的密码子编码。
由几个密码子编码同一种氨基酸的现象称为简并性。
编码同一个氨基酸的密码子互为同义密码子。
密码子的通用性:
各种细菌、动物、植物以及人类等各种生物都采用同一套遗传密码,这称为密码子的通用性。
(3)阅读框和可读框:
mRNA分子和DNA分子上的基因中包括相应的编码序列,称为阅读框。
在对生物基因组DNA的序列分析中,常发现一些可连续阅读的较长的编码序列,但它们编码的蛋白质目前仍未测知,DNA分子上的这类较长的连续编码区称为可读框(openreadingframe,ORF)。
2.tRNA与遗传密码的解读
tRNA的三叶草二级结构和L形的三级结构。
tRNA功能:
①专一性地与特定的氨基酸结合,形成氨酰基一tRNA。
②准确地识别mRNA上相应的密码子。
3.rRNA与蛋白质合成场所
最初转录出的前体rRNA是一条较长的RNA链,经过酶切加工后形成成熟rRNA。
rRNA分子与蛋白质分子结合形成了作为蛋白质合成器的核糖体。
核糖体上有一个A位点和一个P点。
4.蛋白质合成的基本过程
蛋白质合成的基本过程可分为三个步骤:
(1)翻译的启动:
在几种启动因子(IF)参与下,起始tRNAmet携带甲硫氨酸与小亚基首先结合,然后大小亚基在mRNA5'
端结合形成完整的核糖体,形成启始复合体。
(2)肽链的延伸:
启动复合体中的Met-tRNAmet结合到核糖体的P位点,随后,在延伸因子(EF)作用下,携带与mRNA上第二个密码子对应的氨基酸的tRNA进入核糖体的A位点,tRNA上的反密码子与mRNA上的密码子配对结合。
然后,在肤基转移酶作用下,p位的蛋氨酸与A位的氨基酸形成肽键而合成一个二肽,附着在A位的tRNA上。
此后,P位上的空载tRNA脱离核糖体,核糖体向mRNA链3'
端移动一个三联体密码子的位置,原来在A位上的tRNA携带二肽进入P位,空出的A位由携带氨基酸的tRNA对号入座。
(3)蛋白质合成的终止:
当肽链合成沿mRNA上密码子的次序进行到终止密码子出现时,没有任何氨基酸-tRNA能与之结合,因此A位空置。
这时蛋白质释放因子(RF)结合进来,肽链的合成终止,与tRNA解离而释放出多肽链,核糖体两个亚基也分离脱离mRNA。
5.蛋白质转运和加工
(1)蛋白质的转运:
很多前体蛋白质除了具有功能蛋白质的氨基酸序列外,还存在一些额外的特殊序列,如在肽链的一端存在由约20个氨基酸构成的信号肽序列。
信号肤对蛋白质在细胞中的定向运输和定位具有重要作用。
(2)蛋白质的加工:
前体蛋白质通常需要经过进一步加工才能形成功能蛋白质。
最常用的加工方式之一是剪切,通过剪切产生几个功能蛋白质。
另一种常见的加工方式是化学修饰。
第六节基因表达的调控
基因表达的调控即生物体内控制基因表达的机制,基因表达的主要过程是基因的转录和翻译。
因表达可以在不同的水平上进行调控,如控制基因的开启、关闭和活性的大小,影响和控制转录和翻译等都属于基因表达的调控。
在高度复杂的生物细胞及其多种多样的代谢过程中,基因的表达是高度有序的。
这种有序性正是基因精确表达调控的结果。
一、原核生物的基因调控
以原核生物乳糖操纵子学说为例,初步介绍有关基因表达调控的原理。
Jacob和Monod在1961年提出了乳糖操纵子模型,这一模型成功地解释了上述乳糖消化酶基因选择性表达的调控机理。
乳糖操纵子是包括启动子(P)----操纵位点(O)----β-半乳糖苷酶基因(lacZ)、渗透酶基因(lacY)和转乙酰酶基因(lacA)的一段DNA序列。
在操纵子区段之外有一个调节基因(I),其表达产物阻遏蛋白可结合到操纵位点上,从而阻止RNA聚合酶与启动子的结合和转录的发生。
这种阻遏蛋白也可以和乳糖结合,当它和乳糖结合时,其构型就会改变而从操纵位点上脱落,从而开放了三种乳糖酶基因的转录通道,故乳糖是该操纵子的诱导物。
在无乳糖(诱导物)存在时,操纵子基因表达受阻遏蛋白的作用而关闭;
而在有乳糖存在时,阻遏蛋白脱离,从而开启操纵子基因的表达。
利用阻遏蛋白对操纵子的转录过程进行调控称为负调控。
乳糖操纵子还受另一种正调控机制的作用。
一种分解代谢激活蛋白(CAP)可结合在启动子位点,促成RNA聚合酶与启动子的结合从而启动转录过程。
二、真核生物的基因调控
真核生物细胞中基因的表达调控要比原核生物复杂得多。
这是因为真核生物与原核生物在细胞结构基因的组成及其组织结构的差别,决定了真核生物基因表达与调控的复杂性。
真核生物基因表达调控具有以下特点:
①真核生物具有由核膜包被的细胞核,其基因的转录发生在细胞核中,而翻译则发生在细胞质中。
②真核生物基因数目比原核生物多,大多数基因除了有不起表达作用的内含子,另外还有更多调节基因表达的非编码序列,真核生物所转录的前体mRNA必须经过加工成熟后才能进入表达阶段。
③真核生物染色质由DNA与5种组蛋白结合组成,它们折叠和缠绕形成核小体,核小体及染色质进一步折叠缠绕形成超级结构状态的细胞分裂中期染色体。
染色质的结构对基因的表达起总体控制作用,染色质处于更开放、解折叠的常染色质状态更有利于基因的转录。
④化学信号包括某些激素对基因的表达可以起重要的诱导控制作用。
特别是近十年来,对化学信号的传导及激素受体参与基因的表达调控的研究成为分子生物学的前沿领域。
⑤基因组内DNA的化学修饰(如甲基化和去甲基化)也可改变基因的表达。
⑥真核生物细胞在发育过程中具有高度分化的机制,这种细胞分化特别需要对基因表达进行选择性地控制。
真核生物基因表达的调控可以发生在不同的水平上,包括①转录水平的控制;
②对前体mRNA的加工;
③mRNA穿过核膜向细胞质运输的控制;
④在细胞质中mRNA的稳定性调节;
⑤mRNA的选择性翻译;
⑥蛋白质产物的修饰、折叠与活化。
第七节基因突变与修复
一、基因突变
DNA序列的改变称为突变,突变序列产生后可以通过正常的DNA复制和细胞分裂传递给子细胞。
构成基因的DNA编码序列或调控序列的突变,常常会导致基因产物的改变或基因表达的异常,从而使生物性状发生变异,具有突变性状的生物个体称为突变体,基因突变是产生遗传变异的主要原因之一。
DNA序列中涉及单个核苷酸或碱基的变化称为点突变。
在一个基因内发生的点突变通常有两种情况:
一是一种碱基或核苷酸被另一种碱基或核苷酸所替换;
二是一个碱基的插入和缺失。
1.同义突变
同义突变是指碱基替换后,一个密码子变成了另一个密码子,但所编码的氨基酸还是同一种,实际上并不发生突变效应。
同义突变是形成物种DNA多态性的原因之一。
2.错义突变
错义突变是指由于某个碱基对的改变,使编码一种氨基酸的密码子变成编码另一种氨基酸的密码子,结果是构成蛋白质的数百上千个氨基酸中有一个氨基酸发生变化。
错义突变对生物性状的影响因所改变的氨基酸对蛋白质功能的重要性不同而不同。
多数错义突变不产生明显的表型性状变异,
3.移码突变
移码突变是指在DNA链上,有时一个或几个非3倍数的碱基的插入或缺失,比碱基替换突变产生的后果往往更严重。
这种插入或缺失突变会造成翻译过程中其下游的三联密码子都被错读,产生出完全错误的肽链或肽链合成提前终止。
因此这种插入或缺失突变又称为移码突变。
如果在DNA链上正好插入或缺失了3个碱基(即一个完整的密码子),所编码的肽链只会增加或减少一个氨基酸,其余的氨基酸顺序不会发生变化。
4.无义突变
无义突变是指当点突变使一个编码氨基酸的密码子变成终止子时,则蛋白质合成进行到该突变位点时会提前终止,结果产生一个较短的多肽链或较小的蛋白质。
无义突变对基因产物蛋白质的功能有重大影响,常常会产生相应的性状变异。
基因突变改变了蛋白质(酶)的结构与功能,可能使生物体的形态、结构、代谢过程和生理功能等特征发生改变,严重的突变则影响生物体的生活力或导致生物个体的死亡。
例如,肿瘤的发生就与一些控制细胞周期、分裂和生长的基因突变有密切的关系。
细胞中的肿瘤抑制基因是一种编码抑制肿瘤形成的蛋白质的基因,该基因如发生突变则会致癌。
基因突变的原因多种多样。
除了DNA复制错误造成碱基的替换、插入或缺失等自发突变外,一些外界因素如某些化学物质(又称为诱变剂)、紫外线、电离辐射等也可能诱导基因突变的发生。
二、DNA的修复
1.复制错误的校对修正
DNA的复制精确度是惊人的,原核生物如大肠杆菌的复制错误发生率仅约百亿分之一,真核生物如哺乳动物等复制错误发生率约为十亿分之一。
2.DNA损伤的修复
除复制错误外,DNA还可能受辐射或诱变剂等理化因素的作用而受到损伤。
针对不同的DNA损伤和复制错误,生物进化出各种修复机制。
(1)直接修复:
直接修复损伤或变异的碱基。
(2)切除修复:
首先在内切核酸酶作用下切除包括损伤碱基的一小段核苷酸链,然后在DNA聚合酶和连接酶作用下,以互补链为模板重新合成一小段多聚核苷酸填补空缺。
(3)错配修复:
产生错配的碱基对,错配修复具有大致准确地识别错配碱基对中哪一个是新链的错配碱基的机制,采用一种切除修复方法进行修复。
(4)SOS反应:
这是有多种酶参与的一种针对DNA严重损伤的复杂应急抢救机制。
由于缺乏完好的模板,只能随机采用一些碱基抢修,因此常常会造成DNA序列的改变。
第八节基因与人类疾病
一、癌症的发生机制
癌是细胞生长与分裂失控引起的疾病,其根源是体细胞中调节细胞生长与分裂的基因异常表达。
控制细胞生长与分裂的基因发生突变可以是随机自发的突变,更多的情况下是一些环境因子作用的结果。
例如,某些致癌因子、化学诱变剂、X射线、放射性辐射、病毒感染等都可能引起基因发生突变,使细胞生长与分裂失控,从而引发癌症。
原癌基因是一些与调节和控制细胞生长、分裂和细胞周期相关的基因。
原癌基因的结构变化或者失控就会演变成癌基因。
有4种类型的突变可以将原癌基因转变为癌基因:
①基因扩增和增强;
②染色体易位;
③基因转座;
④点突变。
基因扩增和增强就是每个细胞中的原癌基因数目比正常细胞多好几倍,产出过量的刺激细胞生长的蛋白。
染色体易位和基因转座都使得癌基因被调整到新的连接区,处于一个活性更高的启动子的控制之下,也产出过量的刺激细胞生长的蛋白。
点突变则是直接将原癌基因转变,使之表达出编码刺激细胞生长的蛋白,这种刺激细胞生长的蛋白活性更高,比正常蛋白更不易于被降解。
以上4种突变的机制都是增加细胞生长调节蛋白的活性,使得细胞的生长和分裂失控,即形成了癌。
除了原癌基因的突变与癌的发生相关外,还有一些抑制细胞过度分裂的基因也与癌的发生相关。
这些编码防止细胞无节制分裂蛋白的基因称为抑癌基因。
任何使抑癌基因失活或减少表达的突变也会导致癌的发生。
除了研究控制细胞生长、分裂和细胞周期的原癌基因和抑癌基因以外,有关细胞凋亡的研究也受到科学家们的格外关注。
生物体细胞除了有增殖的机制外,还有死亡的机制。
细胞的死亡通常有两种形式,一种是病理性死亡,称为坏死(necrosis);
另一种是生理性死亡,又称凋亡(apoptosis)。
细胞凋亡是一种由于生物体生理需要,细胞在基因调控作用下有规律的死亡,又称细胞的编程性死亡。
科学家认为,癌的发生不仅与细胞的异常增殖有关,也可能与细胞凋亡发生异常有关,即细胞在应该凋亡时没有凋亡。
研究表明,癌的发生是一个多次突变积累的复杂过程。
这也说明,为什么随着年龄的增长,发生癌症的几率会逐渐增大。
目前,癌细胞的分子生物学研究不断取得新的发现和进展,但从根本上有效预防和治愈癌症的途径及方法尚未找到。
但我们有理由相信,随着科学技术的进步和分子生物学的发展,癌症病魔终将被征服。
二、HIV的结构与分子遗传机制
艾滋病的全称为获得性免疫缺陷综合症(AIDS),引起艾滋病的元凶是一种人类免疫缺陷病毒(HIV),它是毁坏人体免疫系统的疾病,被称为“现代瘟疫”。
HIV是一种RNA病毒,呈圆球形,病毒粒子的直径为100~140nm,其外层是类脂为主的包膜,包膜上镶嵌着许多糖蛋白。
在病毒颗粒内有两条携带相同遗传信息的RNA和逆转录酶,它们包裹在蛋白壳体中。
当HIV进入人体后,其外包膜上的糖蛋白可专门识别白细胞(T淋巴细胞)表面的受体并与之结合。
经胞吞作用,HIV基因组(RNA)进入T淋巴细胞,同时蛋白质衣壳遭受酶解。
在逆转录酶的作用下,以HIV的RNA为模板,一条与RNA互补的DNA单链被合成。
接着,新合成的DNA单链又成为另一条互补DNA链的合成模板,如此便产生了互补的双链DNA。
该双链DNA片段进入细胞核,与宿主细胞的染色体基因组整合在一起,成为前病毒DNA,感染进入潜伏期。
当被感染的细胞激活时,前病毒DNA便开始转录生成新的RNA片段,同时合成外壳蛋白等。
在宿主细胞中,新合成的RNA、逆转录酶及蛋白质等又装配生成更多的病毒颗粒,它们以出芽的方式从宿主细胞中释放出来,又去攻击其他的T淋巴细胞。
T淋巴细胞是人体免疫系统的主要免疫细胞,具有抗感染作用。
HIV攻击T淋巴细胞后,使其丧失免疫功能,即失去了抵抗外来感染的能力,可导致人体一系列感染性疾病的发生,如引起肺炎、腹泻、发热、中枢神经系统综合症等,最终导致人的死亡。
HIV主要通过血液、人的分泌物如精液、阴道分泌物、乳汁及黏膜等侵入人体,自1981年首例艾滋病被发现以来,全球感染艾滋病的人数急剧上升,至少已导致800万人死亡。
为了战胜艾滋病,科学家们进行了不懈的努力。
目前已采用了多种方法,包括基因操作和转基因技术,研究HIV病毒的分子生物学及病理原因,以期尽早发现和设计更有效的药物与治疗方法,彻底战胜艾滋病。
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