医学细胞遗传学课件遗传信息的流动

遗传信息的流动遗传信息的流动the flow of genetic informationn细胞的遗传物质中所携带的遗传信息细胞的遗传物质中所携带的遗传信息(DNA碱基的排列顺序碱基的排列顺序)决定了生物体的遗传性状决定了生物体的遗传性状和生物学行为。和生物学行为。n绝大部分生物的遗传物质是绝大部分生物的遗传物质是DNA，少数，少数病毒或噬菌体则是病毒或噬菌体则是RNA。遗传信息就是。遗传信息就是DNA分子中碱基的排列顺序。分子中碱基的排列顺序。nDNA分子中遗传信息，以复制方式向子代分子中遗传信息，以复制方式向子代传递；以转录方式向传递；以转录方式向RNA传递，传递，RNA经翻经翻译后产生的蛋白质决定生物性状。译后产生的蛋白质决定生物性状。n遗传信息遗传信息蛋白质蛋白质细胞（组织）表型细胞（组织）表型基因的结构基因的结构n基因（基因（gene）是合成有功能的蛋白质或）是合成有功能的蛋白质或RNA所必需的全部核苷酸序列，是遗传物所必需的全部核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。质的最小功能单位。n从功能上看基因包括编码蛋白质（酶、结从功能上看基因包括编码蛋白质（酶、结构蛋白、阻遏蛋白）的基因、编码构蛋白、阻遏蛋白）的基因、编码tRNA/rRNA的基因以及对表达起调控作用的基因以及对表达起调控作用的基因。的基因。n移动基因、间隔基因和重叠基因移动基因、间隔基因和重叠基因。核基因，核外基因核基因，核外基因n间隔基因：基因转录区中位于编码基因之间隔基因：基因转录区中位于编码基因之间的，与蛋白质翻译无关的序列。间的，与蛋白质翻译无关的序列。n重叠基因（重叠基因（overlapping gene）：同一）：同一DNA序列中序列中2个基因的核苷酸序列相互重叠。个基因的核苷酸序列相互重叠。移动基因移动基因/转座子（转座子（transposon）n麦克林托克提出：遗传基因可移动，在染色体内和染色体麦克林托克提出：遗传基因可移动，在染色体内和染色体间跳动间跳动n这种能自发转移的遗传基因称为这种能自发转移的遗传基因称为“转座子转座子”。nIn the process,they may cause mutations or increase(or decrease)the amount of DNA in the genome.n转座子可编码特殊的蛋白转座子可编码特殊的蛋白酶，催化转座子从宿主酶，催化转座子从宿主DNADNA上切除并插入靶位点。上切除并插入靶位点。n当插入到一个新的位置后，当插入到一个新的位置后，转座子对附近基因的功能转座子对附近基因的功能会造成一定的影响，成为会造成一定的影响，成为调控序列的一部分。调控序列的一部分。n转座对于改变生物体的遗传组成有重要影转座对于改变生物体的遗传组成有重要影响（基因重排，失活响（基因重排，失活）。基因的分子结构基因的分子结构n割裂基因（割裂基因（split gene）：在真核生物细胞）：在真核生物细胞基因中，编码序列常常被非编码序列隔断，基因中，编码序列常常被非编码序列隔断，呈现分裂状。呈现分裂状。n一个基因通常包括：转录调控区、转录区、一个基因通常包括：转录调控区、转录区、终止子。终止子。n在结构基因的上游存在着决定转录起始的启动子，在结构基因的上游存在着决定转录起始的启动子，它是可被它是可被RNA聚合酶识别并结合的特异性聚合酶识别并结合的特异性DNA序序列。列。n在结构基因的下游存在的终止子是具有终止转录在结构基因的下游存在的终止子是具有终止转录功能的特定序列，可终止功能的特定序列，可终止RNA聚合酶继续移动并聚合酶继续移动并使之脱落。使之脱落。n转录区包括编码区和非编码区，转录区包括编码区和非编码区，n编码区含一个起始密码子（编码区含一个起始密码子（AUG）、编码密码）、编码密码（外显子）和一个终止密码子。（外显子）和一个终止密码子。n非编码区包括两侧的序列非编码区包括两侧的序列(5UTR/3UTR)和编码和编码区当中的间隔序列区当中的间隔序列(内含子内含子)，均不被翻译。，均不被翻译。遗传密码遗传密码n遗传密码：遗传密码：mRNA上相邻的上相邻的3个碱基排列形个碱基排列形成一个密码子，一个密码子决定一种氨基成一个密码子，一个密码子决定一种氨基酸的形成，所有的密码子统称遗传密码。酸的形成，所有的密码子统称遗传密码。遗传密码特点遗传密码特点n密码子具有方向性：即阅读方向与密码子具有方向性：即阅读方向与mRNA合成方向一致。合成方向一致。n密码子有兼并性和兼职性：每个密码子三联体决定一种氨密码子有兼并性和兼职性：每个密码子三联体决定一种氨基酸，而一种氨基酸可同时有几个密码子编码；基酸，而一种氨基酸可同时有几个密码子编码；在在64个个密码子中密码子中AUG不仅是不仅是Met或者或者fMet(原核细胞原核细胞)的密码子，的密码子，也是肽链合成的起始信号，故称起始密码子，也是肽链合成的起始信号，故称起始密码子，UAA、UAG和和UGA为终止密码子，不代表任何氨基酸，也称为为终止密码子，不代表任何氨基酸，也称为无意义密码子。无意义密码子。n密码子有通用性：不论是病毒、原核生物还是真核生物，密码子有通用性：不论是病毒、原核生物还是真核生物，密码子的含义都是相同的。密码子的含义都是相同的。n密码子不重叠，密码子无标点。密码子不重叠，密码子无标点。n线粒体线粒体mRNA中的密码子与核中的密码子与核mRNA的密码子有不同的密码子有不同 DNA复制复制n半保留复制：在半保留复制：在DNA复制时，双链复制时，双链DNA解解开，按互补碱基的配开，按互补碱基的配对原则，以每一条链对原则，以每一条链为模板以合成其互补为模板以合成其互补链，即可形成两个与链，即可形成两个与亲代完全一样的亲代完全一样的DNA分子。分子。nDNA复制要从复制要从DNA分子上特定位置开分子上特定位置开始。这个特定位置始。这个特定位置被称为复制起始点。被称为复制起始点。DNA复制从起点开复制从起点开始双向进行直到终始双向进行直到终点为止，每一个这点为止，每一个这样的样的DNA单位称为单位称为复制子或复制单元。复制子或复制单元。复制的起始引发（复制的起始引发（Priming）nDNA聚合酶的特性决定了聚合酶的特性决定了DNA复制时先在复制起复制时先在复制起始区合成一段始区合成一段RNA引物。引物。n由由DNA螺旋酶将起始点处的螺旋酶将起始点处的DNA双链解开，引发双链解开，引发体与特定序列结合，形成复制叉，再由引物酶合成体与特定序列结合，形成复制叉，再由引物酶合成一小段一小段RNA引物引物，DNA聚合酶再将第一个脱氧核聚合酶再将第一个脱氧核苷酸加在引物苷酸加在引物3端开始链的延伸。端开始链的延伸。复制的延伸复制的延伸：n在在RNA引物的引物的 3-OH端由端由DNA聚合聚合酶酶III按碱基互补规按碱基互补规则延伸。则延伸。因此因此DNA的合成是具的合成是具有方向性的。有方向性的。n前导链：前导链：以以 35方向方向的的DNA链做模板链链做模板链的新链合成可以的新链合成可以随着复制叉向前随着复制叉向前移动，连续合成移动，连续合成（5 3）。n后随链后随链：以：以5 3 方向的方向的DNA链做模板链做模板链的新链合成则不能链的新链合成则不能随着复制叉向前移动，随着复制叉向前移动，即无法进行连续合成，即无法进行连续合成，只能分成许多小片段只能分成许多小片段（okazaki fragment）分段合成。）分段合成。n每一段新合成的每一段新合成的DNA链链前有一小段前有一小段RNA引物，引物，由由 DNA聚合酶聚合酶I 水解水解补平，最后由连接补平，最后由连接酶连接，形成完整酶连接，形成完整的后随链。的后随链。复制的终止：复制的终止：n在在DNA上也存在着复制终止位点，上也存在着复制终止位点，DNA复复制将在复制终止位点处终止。制将在复制终止位点处终止。n若两个复制叉相遇时，复制也将终止。若两个复制叉相遇时，复制也将终止。端粒端粒 Telomeren细胞分裂时细胞分裂时DNA复复制的不完全将引起端制的不完全将引起端粒区粒区DNA的少量丢的少量丢失，所以随着细胞分失，所以随着细胞分裂次数的增加，端粒裂次数的增加，端粒不断缩短。当端粒缩不断缩短。当端粒缩短到一定程度短到一定程度(临界临界长度长度)时细胞不再分时细胞不再分裂。裂。端粒酶端粒酶telomerase复制误差的校对复制误差的校对nDNA聚合酶本身具有聚合酶本身具有校对作用。校对作用。nRNA引物最终也要被引物最终也要被切除掉，这样就提高切除掉，这样就提高了了DNA复制的准确性。复制的准确性。n由外界和环境因素引由外界和环境因素引起的起的DNA损伤也可以损伤也可以通过细胞自身的修复通过细胞自身的修复机制加以改正。机制加以改正。DNA转录转录n以以DNA为模板合成为模板合成RNA的过程称为转录。的过程称为转录。（transcription）n转录是生物界转录是生物界RNA合成的主要方式，是遗传信息合成的主要方式，是遗传信息DNA向向RNA传递过程，也是基因表达的开始。传递过程，也是基因表达的开始。n在在DNA的两条链的两条链中只有其中一条中只有其中一条链可作为模板，链可作为模板，这条链叫做模板这条链叫做模板链（链（template strand），另一），另一条不做为模板的条不做为模板的链叫做编码链。链叫做编码链。n各基因的模板链并各基因的模板链并不全在同一条不全在同一条DNA链上，转录时可选链上，转录时可选择不同链的不同区择不同链的不同区段，将它们转录到段，将它们转录到同一条同一条RNA上。上。n同一时刻，双螺旋同一时刻，双螺旋DNA分子中仅有一分子中仅有一条链可作为条链可作为RNA的的模板。模板。n20世纪世纪60年代年代Robert Roeder首次发现了首次发现了RNA聚合酶，可催化聚合酶，可催化RNA链中核苷酸间形链中核苷酸间形成磷酸二酯键。成磷酸二酯键。n原核细胞和真核细胞中均具有原核细胞和真核细胞中均具有RNA聚合酶。聚合酶。n原核生物只有一种原核生物只有一种RNA聚合酶。聚合酶。n真核生物细胞核中有真核生物细胞核中有3种种RNA聚合酶，分别聚合酶，分别称为称为RNA聚合酶聚合酶、，它们专一性，它们专一性地转录不同的基因，由它们催化的转录产地转录不同的基因，由它们催化的转录产物也各不相同。物也各不相同。原核生物原核生物RNA聚合酶聚合酶真核生物真核生物RNA聚合酶聚合酶nRNA聚合酶聚合酶合成合成RNA的活性最高，它位于核仁的活性最高，它位于核仁中，负责转录编码中，负责转录编码rRNA的基因。细胞内绝大部分的基因。细胞内绝大部分RNA是是rRNA。nRNA聚合酶聚合酶，位于核质中，负责核不均一，位于核质中，负责核不均一RNA（hnRNA）和）和snRNA的合成，而的合成，而hnRNA是是mRNA的前体。的前体。nRNA聚合酶聚合酶负责合成负责合成tRNA和许多小分子量的核和许多小分子量的核内内RNAs。nDNA转录合成转录合成RNA的方向按的方向按53 进行，进行，合成过程分为三个阶段：识别与起始、延合成过程分为三个阶段：识别与起始、延长和终止。长和终止。识别与起始识别与起始n转录是从转录是从DNA分子的特定部位开始的，这分子的特定部位开始的，这个部位也是个部位也是RNA聚合酶全酶结合的部位，聚合酶全酶结合的部位，也就是启动子（也就是启动子（promoter）。）。n启动子处的核苷酸序列具有特殊性。启动子处的核苷酸序列具有特殊性。n转录的起始是基因表达的关键阶段。转录的起始是基因表达的关键阶段。RNA聚合酶中的聚合酶中的亚基识别并专一结合启动子亚基识别并专一结合启动子部分的特殊序列，使双螺旋局部解旋，选部分的特殊序列，使双螺旋局部解旋，选择模板链并开始转录。择模板链并开始转录。n在合成磷酸二酯键后，在合成磷酸二酯键后，亚基解离，由聚合酶中的亚基解离，由聚合酶中的核心酶部分负责核心酶部分负责RNA链的链的延伸。延伸。nDNA双螺旋在转录时只是双螺旋在转录时只是暂时局部解旋，转录完毕