遗传信息的流动.ppt

　　遗传信息的流动

　　细胞的遗传物质中所携带的遗传信息，决定了生物体的遗传性状和生物学行为。 遗传信息就是DNA分子中碱基的排列顺序。

　　基因的结构

　　基因(gene)是DNA分子中含有特定遗传信息(合成有功能的蛋白质或RNA)的一段核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。 真核细胞除核内DNA外，线粒体和叶绿体的DNA分子中也含有基因，被统称为核外基因。

　　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tRNA/rRNA的基因以及对表达起调控作用的基因。 根据基因的不同表现还有移动基因、间隔基因和重叠基因。

　　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。 重叠基因(overlapping gene)：同一DNA序列中2个基因的核苷酸序列相互重叠。这种结构使较小的基因组能够携带较多的遗传信息。

　　移动基因/转座子(transposon)

　　Transposon：Transposons are segments of DNA that can move around to different positions in the genome of a single cell. In the process, they may cause mutations or increase (or decrease) the amount of DNA in the genome. These mobile segments of DNA are sometimes called "jumping genes".

　　转座子基因的发现者是美国的巴巴拉·麦克林托克 (1902-1992) ，她于1951年提出移动基因学说，并于1983年获诺贝尔奖。

　　巴巴拉·麦克林托克

　　玉米的遗传性状常表现为叶子和籽粒颜色的样式和斑纹的改变。 籽粒上出现斑点由基因突变引起。

　　麦克林托克在研究玉米籽粒颜色的过程中发现，玉米籽粒颜色的变化很不稳定，斑点在单个籽粒形成过程中或出现或消失。 对此她提出了一个全新的概念来解释：遗传基因可以移动，能从染色体的一个位置跳到另一个位置，甚至从一条染色体跳到另一条染色体上。她把这种能自发转移的遗传基因称为“转座子” 。

　　转座子可编码特殊的蛋白酶，催化转座子从宿主DNA上切除并插入靶位点。

　　当插入到一个新的位置后，转座子对附近基因的功能会造成一定的影响，成为调控序列的一部分，在离开该位置时，它又有可能把一些附近的基因也一起带走。

　　1951年，麦克林托克在专题讨论会上递交了自己的论文，向科学界报告了她的新理论。 当时的遗传学家对此却无法理解，麦克林托克受到了空前的冷遇。

　　六七十年代，分子遗传学家找到了愈来愈多的可移动的遗传因子，并且发现这些因子不仅存在于细菌中，同时也存在于较高等的动物中。 到80年代初，麦克林托克提出的理论终于被科学界普遍接受。

　　人类核DNA约40%来自于转座子，绝大部分不能进行移动。 转座对于改变生物体的遗传组成有重要影响。

　　基因的分子结构

　　割裂基因(split gene)：在真核生物细胞基因中，编码序列常常被非编码序列隔断，呈现分裂状。 一个基因通常包括：转录调控区、转录区、终止子。

　　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RNA聚合酶识别并结合的特异性DNA序列。

　　转录区包括一个起始密码子(AUG)、编码密码(外显子)和一个终止密码子。 转录区还包括两侧非翻译区，它们和编码区当中的间隔序列(内含子) 均不被翻译。 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RNA聚合酶继续移动并使之脱落。

　　DNA分子中遗传信息，以复制方式向子代传递;以转录方式向RNA传递，RNA经翻译后产生的蛋白质决定生物性状。

　　遗传密码

　　遗传密码：mRNA上相邻的3个碱基排列形成一个密码子，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。

　　遗传密码特点

　　密码子具有方向性：即阅读方向与mRNA合成方向一致。 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; 在64个密码子中AUG不仅是Met或者fMet(原核细胞)的密码子，也是肽链合成的起始信号，故称起始密码子，UAA、UAG和UGA为终止密码子，不代表任何氨基酸，也称为无意义密码子。 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。 密码子不重叠，密码子无标点。 线粒体mRNA中的密码子与核mRNA的密码子有不同

　　DNA复制

　　半保留复制：在DNA复制时，双链DNA解开，按互补碱基的配对原则，以每一条链为模板以合成其互补链，即可形成两个与亲代完全一样的DNA分子。

　　DNA复制要从DNA分子上特定位置开始。这个特定位置被称为复制起始点。DNA复制从起点开始双向进行直到终点为止，每一个这样的DNA单位称为复制子或复制单元。

　　DNA的复制过程大体上可以分为复制的启动，复制的延伸，和复制的终止三个阶段。

　　复制的起始--引发(Priming) DNA复制的起始就是引物的合成。 DNA聚合酶不能引发DNA新生链的合成，只能在已存在的DNA链或RNA链上延长DNA，因此必须先由引物酶催化引物RNA的合成。 DNA聚合酶的特性决定了DNA复制时先在复制起始区合成一段RNA引物。

　　先由DNA螺旋酶将起始点处的DNA双链解开，引发体与特定序列结合，形成复制叉，再由引物酶合成一小段RNA引物， DNA聚合酶再将第一个脱氧核苷酸加在引物3’端开始链的延伸。

　　复制的延伸： 在RNA引物的 3’-OH端由DNA聚合酶III按碱基互补规则延伸。因此DNA的合成是具有方向性的。

　　前导链： 以 3’→5’方向的DNA链做模板链的新链合成可以随着复制叉向前移动，连续合成(5’ →3’)。 后随链：以5’ →3’ 方向的DNA链做模板链的新链合成则不能随着复制叉向前移动，即无法进行连续合成，只能分成许多小片段(okazaki fragment)分段合成。每一段新合成的DNA链前有一小段RNA引物，由 DNA聚合酶I 水解补平，最后由连接酶连接，形成完整的后随链。

　　复制的终止： 在DNA上也存在着复制终止位点，DNA复制将在复制终止位点处终止。 若两个复制叉相遇时，复制也将终止。

　　复制误差的校对

　　DNA聚合酶本身具有校对作用。 RNA引物最终也要被切除掉，这样就提高了DNA复制的准确性。 由外界和环境因素引起的DNA损伤也可以通过细胞自身的修复机制加以改正。

　　DNA转录

　　以DNA为模板合成RNA的过程称为转录。(transcription) 转录是生物界RNA合成的主要方式，是遗传信息DNA向RNA传递过程，也是基因表达的开始。

　　在DNA的两条链中只有其中一条链可作为模板，这条链叫做模板链(template strand)，又叫做有义链。DNA双链中另一条不做为模板的链叫做编码链，又叫做反义链。

　　各基因的模板链并不全在同一条DNA链上，转录时可选择不同链的不同区段，将它们转录到同一条RNA上。 同一时刻，双螺旋DNA分子中仅有一条链可作为RNA的模板。

　　20世纪60年代Robert Roeder首次发现了RNA聚合酶，可催化RNA链中核苷酸间形成磷酸二酯键。 原核细胞和真核细胞中均具有RNA聚合酶。

　　原核生物只有一种RNA聚合酶。 真核生物细胞核中有3种RNA聚合酶，分别称为RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，它们专一性地转录不同的基因，由它们催化的转录产物也各不相同。

　　原核生物RNA聚合酶

　　去除σ亚基的部分称核心酶，有RNA聚合酶活性，但不能起始RNA合成。 σ亚基与其他部分结合疏松，本身并无催化功能，它的作用是负责模板链的选择与转录的起始，使酶专一识别启动子。

　　真核生物RNA聚合酶

　　RNA聚合酶Ⅰ合成RNA的活性最高，它位于核仁中，负责转录编码rRNA的基因。细胞内绝大部分RNA是rRNA。 RNA聚合酶Ⅱ，位于核质中，负责核不均一RNA( hnRNA )和snRNA的合成，而hnRNA是mRNA的前体。 RNA聚合酶Ⅲ负责合成tRNA和许多小分子量的核内RNAs。

　　DNA转录合成RNA的方向按5’→3’ 进行，合成过程分为三个阶段：识别与起始、延长和终止。

　　识别与起始

　　转录是从DNA分子的特定部位开始的，这个部位也是RNA聚合酶全酶结合的部位，也就是启动子(promoter)。 启动子处的核苷酸序列具有特殊性。

　　转录的起始是基因表达的关键阶段。RNA聚合酶中的σ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，选择模板链并开始转录。

　　在合成磷酸二酯键后，σ亚基解离，由聚合酶中的核心酶部分负责RNA链的延伸。 DNA双螺旋在转录时只是暂时局部解旋，转录完毕即恢复双螺旋结构。

　　真核生物的转录过程往往还需要多种蛋白因子的协助，有一类叫做转录因子的蛋白质分子，它们能与RNA聚合酶Ⅱ形成转录起始复合物，共同参与转录起始的过程。

　　RNA链的延长

　　RNA链的延长靠核心酶的催化，在起始复合物上第一个核苷酸的3’-OH上与第二个三磷酸核苷起反应形成第一个磷酸二酯键。聚合后的核苷酸链又有核糖3’-OH游离，这样就可按模板DNA的指引，一个接一个地延长下去。因此RNA链的合成方面也是5’--3。

　　由于DNA链与合成的RNA链具有反平行关系，所以RNA聚合酶是沿着DNA链3’--5’方向移动。整个转录过程是由同一个RNA聚合酶来完成的一个连续不断的反应。

　　转录的终止

　　移动的RNA聚合酶到达特定序列时转录终止，RNA聚合酶脱落，合成的RNA 释放，DNA恢复双螺旋结构。 DNA链从启动子到终止子的一段长度即是一个转录单位，称为转录子(transcripton)。

　　RNA聚合酶缺乏3’→5’外切酶活性，所以没有校正功能。

　　转录后加工

　　刚合成的mRNA是初级转录物，称为核不均一RNA(hnRNA)，必须经过加工才能变为成熟的RNA。 原核生物转录生成的mRNA没有转录后加工修饰过程。

　　真核生物转录产生初级转录物为RNA前体，它们必须经过加工过程变为成熟的RNA，才能表现其生物活性。 真核生物mRNA的加工修饰，主要包括对5’端和3’端的修饰以及对中间部分进行剪接。

　　5’端加帽：成熟的真核生物mRNA，其结构的5’端都有一个m7G-ppp结构，该结构被称为甲基鸟苷的帽子。

　　5’端帽子结构增加mRNA的稳定性，保护mRNA免遭5’外切核酸酶的攻击，这种帽子结构还可能为核糖体对mRNA的识别提供了信号。

　　3’端加尾：大多数真核mRNA 都有3’端的多聚A尾(poly A)，多聚A尾大约有200bp。 多聚A尾不是由DNA编码的，而是转录后在核内加上去的。受poly A聚合酶催化，该酶能识别mRNA游离的3’-OH端，并加上约200个A残基。

　　剪接：结构基因中可以含有几十个内含子。经过核酸内切酶作用剪切掉内含子，然后在连接酶作用下将有编码意义的核苷酸片段即外显子首尾相连，才构成完整的mRNA，可送出核外。

　　不论拼接过程如何，拼接必须极为精确，否则会导致遗传信息传递障碍，合成的蛋白质可能丧失其正常的功能。

　　rRNA转录后加工(自我剪接)

　　tRNA转录后加工

　　tRNA前体需进行tRNA前体的5’端前导序列特异性剪切;还要进行碱基修饰将正常核苷酸转变为特殊核苷酸;在核苷酸转移酶作用下，3’-末端除去个别碱基，换上tRNA分子统一的CCA-OH末端，完成tRNA分子中的氨基酸臂结构。

　　蛋白质翻译

　　mRNA从细胞核进入细胞质后，在核糖体上进行蛋白质合成的过程即为翻译(translation)。 具体步骤包括：氨基酸的活化、肽链合成起始、肽链的延长和终止。

　　氨基酸的活化及活化后与相应 tRNA的结合过程，是由氨基酰tRNA合成酶来催化的。 氨基酰tRNA合成酶存在于胞质中，具有高度特异性。它们能识别特异的氨基酸，也能辨认可携带该种氨基酸的特异tRNA分子。

　　氨基酰tRNA以反密码环识别mRNA的密码子，将氨基酸运送到核糖体上合成蛋白质，以D环识别氨基酰tRNA合成酶，以T环与核糖体5S rRNA相识别。

　　蛋白质合成的起始阶段，在起始因子(IF)的作用下，30S亚基与mRNA的起始部位结合，再与甲酰甲硫氨酰tRNA结合，形成30S起始复合体。 30S起始复合体一经形成，50S亚基随之与其结合，形成70S起始前复合体。

　　按 mRNA上的密码子，新的氨基酰 tRNA不断运至核糖体受位(A位)，形成肽键。同时，核糖体从mRNA的5′端向3′端不断移位推进翻译过程。 多肽链合成完成， “A位”上出现终止密码，没有相应的tRNA 识别，肽链合成终止。 在释放因子(RF)的参与下已合成完毕的肽链释放， tRNA及mRNA脱落，核糖体大小亚基分离。

　　肽链从核糖体释放后，经过细胞内各种修饰处理过程(切除多余肽段、糖基化、折叠……)，成为有活性的成熟蛋白质。

　　The end