第三章 遗传信息的传递

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第三章 遗传信息的传递 DNA 的复制 DNA 的转录 蛋白质的生物合成 基因的结构特征 基因表达调控

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第一节 DNA 的复制 DNA 的复制：指以亲代 DNA 分子为模板合成一个新的与亲代模板结构相同的子代 DNA 分子的过程。

复制叉 细菌 DNA 复制 真核生物 DNA 复制

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DNA 半保留复制

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DNA 半保留复制实验（ M. Meselson和 F. Stahl ， 1958 年 ）

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DNA 的半不连续复制

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DNA 复制所需的酶和蛋白质 DNA 聚合酶 引发酶

引发 DNA 合成的起始 DNA 连接酶

将冈崎片段连接合成一条完整的互补链 拓扑异构酶

将单、双链的线状或环状 DNA 分子进行扑交换的一种酶，拓扑异构酶Ⅰ、拓扑异构酶Ⅱ

解链酶 DNA 双分子解开作为复制的模板

单链结合蛋白 与解链的 DNA 单链结合，使其不回复双链状态，且保护 DNA 不被

水解

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DNA 聚合酶 原核生物 DNA 聚合酶 DNA 聚合酶Ⅰ（ Kornberg 酶）： 5’→ 3’ 聚合酶活性 3’→5’ 外切酶活性 5’→ 3’ 外切酶活性 DNA 聚合酶Ⅲ

5’→ 3’ 聚合酶活性3’→5’ 外切酶活性

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真核生物 DNA 聚合酶

DNA 聚合酶 α β γ δ ε

位置 细胞核 细胞核 线粒体 细胞核 细胞核

功能后随链的合成和前导链的引发

修复 复制 前导链的合成 修复

分子量 300K 40K 180-300K 170-230K 250K

3’-5’外切酶活性 + + + + -

引发酶活性 + - - - -

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三、 DNA 复制一般过程

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四 原核生物和真核生物 DNA 的复制特点 复制的起点和速率 原核生物只有一个复制起点，真核生物的染色体具有多个复制起点

在原核生物中，第一轮复制尚未结束前，第二轮复制又从复制起点开始了；真核生物，第一轮复制结束后第二轮才开始，原核生物复制起点可以连续发动复制，真核生物则不能

原核生物与真核生物均为双向复制

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四 原核生物和真核生物 DNA 合成的区别

区别 原核生物 真核生物

DNA 合成的时期 整个细胞生长过程 细胞周期的 S 期

复制起点数 单个 多个

RNA 引物长度 10~16 核苷酸 10 个核苷酸

冈崎片段长度 1000~2000 核苷酸 100~150 核苷酸

前导链与后随链的合成 聚合酶Ⅲ同时控制聚合酶 δ 控制前导链聚合酶 α 控制后随链

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第二节 DNA 的转录 转录是以 DNA 为模板，在 RNA 聚合酶的作用下合成 RNA 的过程

转录起始 RNA 链的延伸 RNA 链的合成终止及释放

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RNA 聚合酶 大肠杆菌 RNA 聚合酶 真核生物 RNA 聚合酶

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大肠杆菌 RNA 聚合酶 α(2) β 核心酶 全酶 β’ σ: 无催化作用，识别启动子，参与转录的起始 功能

选择模板链，识别起始区的启动子 解开 DNA 部分双螺旋链，产生长约 17bp 的单链 DNA 模板

选择正确的 rNTP 底物并催化形成磷酸二酯键，使合成的RNA 链不断延伸

能识别转录终止信号（ termination signal ），停止转录

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真核生物 RNA 聚合酶 种类 位置 产物 相对活性 对 α- 鹅膏的敏感性

RNA 聚合酶 I

核仁 28S ， 18S ，5.8SrRNAs

50-70% 不敏感

RNA 聚合酶 I

I核质 mRNA ，某些

snRNAs20-40% 高度敏感

RNA 聚合酶 I

II核质

tRNA ， 5SrRNA ，

某些 snRNAs~10%

片段特异中等敏感

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基因转录的一般过程

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真核生物 mRNA 的加工（自学） mRNA5’ 端加帽 mRNA3’ 端加多聚腺苷酸 (polyA) mRNA 的剪接

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第三节 蛋白质的生物合成 翻译 (translation) ：从 DNA 到蛋白质的遗传信息传递过

程中，贮存于 DNA 中的遗传信息通过转录表达为 mRNA

中的核苷酸序列信息，再从 mRNA 上的核苷酸到多肽链上的氨基酸，遗传信息的传递好象从一种语言到另一种语言，因此将蛋白质合成的过程称为翻译。

蛋白质合成的主要元件 核糖体：核糖体是蛋白质的合成场所 mRNA ：携带遗传信息，蛋白质合成的直接模板 tRNA ：负责转运特异性氨基酸进行蛋白质生物合成

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遗传密码 mRNA 与蛋白质之间的关系是通过遗传密码的翻译实现的 ，每 3 个相邻核苷酸组成 1 个三联体密码，编码一种氨基酸

三联体 连续性 通用性 兼并性 起始密码： AUG 终止密码： UAA 、 UAG 、 UGA

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核糖体的结构和功能 真核生物核糖体： 60S 、 40S 原核生物核糖体： 50S 、 30S 核糖体是蛋白质合成的场所

翻译功能区：肽链合成的场所，占据了核糖体的 2/3 mRNA 结合位点 肽基 tRNA 和甲酰甲硫氨酸 tRNA 结合位点 (P 位点 ) 氨酰 tRNA 结合位点 (A 位点 ) 肽链延伸辅助因子 EF-Tu 和 EF-G 的结合位点， EF-Tu 起着协助氨酰 tRNA 进入核糖体的作用，而 EF-G负责核糖体的转位反应

肽基转移酶活性位点，肽基转移酶负责在肽链合成中将位于 P 位点的肽基 tRNA 的肽链转移到位于 A 位点的氨酰 tRNA 上

5SrRNA 结合位点以及结合脱酰 tRNA 的 E 位点等 出口功能区 (exit domain): 多肽的出口，核糖体通过这个区域附着在膜上

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蛋白质生物合成的过程 合成的起始：核糖体大小亚基、 tRNA 和 mRNA 在起

始因子的协助下组合成起始复合物的过程 肽链的延伸

进位：氨基酰 -tRNA 进入核糖体的 A 位 肽链形成：氨基酰 -tRNA 进位后，在转肽酶的催化下， P 位的肽基 -tRNA 的肽链转移到 A 位的氨基酰 - tRN A 的氨基上，从而形成肽键

移位：肽键形成后，核糖体沿mRNA 向 3’方向移动一个密码子的距离。

翻译的终止：终止密码子进入 A 位，标志着翻译的结束

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蛋白质生物合成的过程

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中

心

法

则

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第四节 基因的结构特征 基因的概念发展 基因的一般结构特征 真核生物基因组的特点

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基因的概念发展 基因概念的演变

1865 年，孟德尔，颗粒性遗传因子 1909 年， Johannsen ，更名为“基因” 1910 ， Morgan 等，基因存在于染色体上，线性排列

1926 年， Morgan 等 ,“ 三位一体”：结构单位、功能单位、突变单位和交换单位

Avery （ 1944 年）、 Hershey 和 Chase （ 1952 年）证明 DNA 是遗传物质

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基因功能的研究 1908 年， Garrod ： one mutant gene-one metabolic b

lock ， Early evidence that enzymes are controlled by genes

1941 年， Beadle and Tatam: One gene-one enzyme One gene-one polypeptide The products of gene are protein, tRNA and rRNA

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基因精细结构的研究 1957 年， Benzer ：顺反子学说，基因是 DNA 分子上

一个决定一条多肽链的完整功能单位，内部是可分的，包含多个突变和重组单位。

1961 年， Jacob 等：操纵子模型学说，功能上相关的结构基因在染色体上往往紧密联系在一起

1977 年， Sharp 等发现断裂基因 1978 年， Sanger 发现了重叠基因

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现代基因的概念 基因：是有功能的 DNA 片段，含有合成有功能的蛋白质多肽链或 RNA 所必需的全部核苷酸序列，是遗传的结构和功能单位。

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基因的一般结构特征 外显子和内含子 信号肽序列 侧翼序列和调控序列

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基因的一般结构特征（一）外显子和内含子 原核生物的基因是 DNA 分子的一个片段，连续编码；真核生

物的结构编码序列往往是不连续的，被非编码序列隔开。编码序列称为外显子，非编码序列称为内含子。

GT-AG法则：每个内含子的 5’ 端起始的两个核苷酸都是 GT ， 3’ 端末尾的两个核苷酸都是 AG ，这就是 RNA 剪接的信号，这种接头形式被称之为 GT-AG法则。

开放阅读框 (open reading frame) ：结构基因内从起始密码子开始到终止密码子的一段核苷酸区域，其间不存在任何终止密码，可编码完整的多肽链，这一区域被称为开放阅读框。

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基因的一般结构特征

（二）信号肽序列 在分泌蛋白基因的编码序列中，起始密码子之后，有

一段编码富含疏水氨基酸多肽的序列，称为信号肽序列 (Signal peptide sequence) 。它所编码的信号肽行使着运输蛋白质的功能。

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基因的一般结构特征（三）侧翼序列和调控序列 侧翼序列 (flanking sequence) ：每个结构基因在第一

个和最后一个外显子的外侧，都有一段不被转录的非编码区。

5 ’非翻译区（ 5’-untranslated region 5’-UTR ）：从转录起始位点至起始密码子的一段非翻译区。

3’ 非翻译区（ 3’-untranslated region 3’-UTR ）：从终子密码子至转录终止的一段非翻译区。

调控序列 (regulator sequence) ，对基因的有效表达起着调控作用的特殊序列，包括启动子，增强子，终止子，核糖体结合位点，加帽和加尾信号等。

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调控序列 启动子：是指准确而有效地启始基因转录所需的一段特异的核苷酸序列。 TA

TA框、 CAAT框、 GC框 增强子和沉默子

增强子：使启动子发动转录的能力加强，具有组织特异性和细胞特异性。 沉默子：是另一种与基因表达有关的调控序列，通过与蛋白的结合，对转

录起阻抑作用。 终止子 ：一段位于基因 3’ 端非编码区中与终止转录过程有关的序列，它由一

段富含 GC碱基的颠倒重复序列以及寡聚 T组成，是 RNA 聚合酶停止工作的信号。

加尾信号 真核生物 mRNA 的 3’ 端都有一段多聚 A尾巴 (polyA tail) ，它不是由基因编码，而是在转录后通过多聚腺苷酸聚合酶作用加到 mRNA 上的。这个加尾过程受基因 3’ 端非编码区中一种叫做加尾信号序列的控制。

核糖体结合位点 在原核生物基因翻译起始位点周围有一组特殊的序列，控制着基因的翻译过程， SD 序列是其中主要的一种。

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Gene structure

(a) Typical prokaryotic gene

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真核生物基因的一般结构示意图

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(b)Typical eukaryotic geneGene structure

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三、真核生物基因组的特点 基因组与 C 值 单一序列 重复序列

高度重复序列 中度重复序列

基因家族和假基因

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（一）基因组与 C值 基因组 (Genome) ：一个物种单倍体的染色体所携带的一整套基因。

C值 (C value) ：该物种的每一种生物中其单倍体基因组的 DNA总量是特异的，被称为 C值。不同物种的 C值差异极大。

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（二）单一序列 单一序列 (unique sequence) 又称非重复序列 (nonrepetitive

sequence) ，指在基因组中只有一个或几个拷贝的 DNA 序列。 原核生物除了短片段的反向重复序列以及 18S ， 28S ， 5S r

RNA 和 tRNA 基因外，皆为单一序列 真核生物单一序列所占的比例为 40%-70% ，动物基因组中

将近 50%DNA 是单一序列，真核基因组中大多数结构基因是单拷贝的，如果蝇的 α4-微管蛋白 (tubulin) 基因，鸡的 α2I型胶原蛋白 (collagen) 基因，卵清蛋白基因以及蚕的丝心蛋白，血红蛋白和珠蛋白基因等

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（三）重复序列 中度重复序列 中度重复序列在真核生物基因组中占 25

%-40% ，分散地分布于整个基因组的不同部位。根据重复单位的片段长度和拷贝数的不同，中度重复序列可分为二种类型：短分散重复序列 (SINEs) ，长分散重复序列 (LINEs) 。

• SINEs 的重复单位的长度为 300-500bp ，拷贝数可达 105以上。如Alu家族 (Alu family) 是人类及哺乳动物基因组中十分典型的短分散重复序列

• LINEs 的重复单位长度为 5000-7000bp ，重复次数为 102-105次。例如人类的 Kpn I家族 (Kpn I family) 和哺乳动物的 LINE1家族。

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2．高度重复序列 高度重复序列：就是在基因组中存在大量拷贝的序列，其重复次数高达 106-108。 （通常这些序列是由很短的碱基组成的，长度为 2-200bp 。

卫星 DNA(satellite DNA) ：有些高度重复序列常含有异常高或低的GC含量，当基因组 DNA 被切断成数百个碱基对的片段进行氯化铯密度梯度超离心时，这些重复序列片段常在主要 DNA带的前面或后面形成一个次要的 DNA 区带，这些小的区带就象卫星一样围绕着 DNA 主带。

可变数目串联重复序列 (variable number tandem repeats ， VNTR) ：在卫星 DNA 中有一类以少数核苷酸为单位多次串联重复的 DNA 序列，以 6-25 个核苷酸为核心序列 (core sequence) 的串联重复序列称为小卫星 DNA ，以 2-6 个核苷酸串联重复序列称为微卫星DNA 。

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小鼠 DNA经 CsCl密度梯度离心显示出主带和卫星 DNA带

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（四）基因家族和假基因 基因家族 (gene family): 真核生物基因组中有许多来源相同，

结构相似，功能相关的基因，一组基因称为一个基因家族。 基因簇 (gene cluster) ：一个基因家族的基因成员紧密连锁，

成簇状集中排列在同一条染色体的某一区域。 假基因 (pseudogene) ：在多基因家族中，某些成员并不产

生有功能的基因产物，但在结构和 DNA 序列上与相应的活性基因具有相似性。

例如 α珠蛋白基因簇中有假基因 ψα 和 ψξ ，其中一个是由于移码突变或者终止密码子突变而不能表达，而且缺少两个内含子；另一个假基因由于碱基突变不能产生有功能的蛋白质。

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基因作用与性状表达 基因（ DNA ） 转录 mRNA

翻译 蛋白质 酶（蛋白质）

（直接） 某种物质

性状表达（可见） （间接）

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第五节 基因表达的调控

原核生物基因调控的模式

真核生物的基因调控

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我们可以把某种生物的遗传密码比作一本密码字典，每个细胞都有这本字典。每个细胞中的密码并不全部译出，而是各取所需，不同细胞密码不同，同一细胞在不同的发育时期也译出不同的密码

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基因作用的调控机理相当复杂，原核生物

有原核生物调控模式，真核生物有真核生物的

调控模式。

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原核生物基因调控的模式

以大肠杆菌为例能利用乳糖作为唯一碳源

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乳糖代谢需要三种酶： （ lacZ)- 半乳糖苷酶：乳糖→半乳糖和葡萄糖。 （ lacY)渗透酶：增加糖的渗透，促进乳糖进入细胞

（ lacA) 转乙酰酶：机理不明 在培养基上加入乳糖，以上三种酶大量增加，乳糖用完，这三种酶的合成停止。

实验

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乳糖操纵子模型（ Jacob 和 Monod,1961 ）

以上三个酶的基因转录受乳糖操纵子（ operon ）的三个结构基因的控制，主要内容：

lacZ 、 lacY 、 lacA 为三种酶结构基因 o ：操纵基因（开关位点） i ：调节基因：合成组蛋白（阻遏物） p: 启动基因

基因作用与性状表达

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当培养基内没有乳糖时，阻遏物接在操纵基因上，关

闭操纵子，阻止核糖核酸聚合酶的通过→抑制基因的

表达→关闭

当培养基内加入乳糖，乳糖作为诱导物与阻遏物结合

→打开操纵子→基因表达（图 11-24 ）

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乳糖操纵子的调控机理

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真核生物的基因调控

与原核生物比较的相同点 转录水平的调控 +转录后调控，以转录水平的调控为重要 在真核生物结构基因的是上游和下游（甚至内部）也存在着许多特异的调控成份。

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真核生物的基因调控与原核生物比较的不同点

原核染色体是裸露的 DNA ，染色质结构对基因的表达没有明显的调控。真核的染色质 DNA 与组蛋白紧密结合形成的核小体，染色质结构对基因的调控是明显的。

原核生物中有正调控（乳糖操纵子）和负调控。真核生物迄今已知的主要是正调控，而且一个真核基因通常都有多个调控序列，必须有多个激活物同时特异地结合去才能启动基因的转录

基因作用与性状表达

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与原核生物比较的不同点 原核生物：转录和翻译是在同一地点同时进行 真核生物：转录在细胞核中进行，翻译在胞质中进行 真核生物：多细胞，不同细胞表达不一样 原核生物：单细胞

真核生物的基因调控

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重点部分 中心法则

DNA 的复制 基因的概念的发展 基因结构与功能 原核生物基因表达的调控 原核生物与真核生物基因表达调控的异同