1

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

2

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

3

DNA 半保留复制

4

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

5

DNA 的半不连续复制

6

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

7

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

8

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 + - - - -

9

三、 DNA 复制一般过程

10

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

11

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

12

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

13

RNA 聚合酶 大肠杆菌 RNA 聚合酶 真核生物 RNA 聚合酶

14

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

15

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

16

基因转录的一般过程

17

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

18

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

19

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

20

21

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

22

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

23

蛋白质生物合成的过程

24

中

心

法

则

25

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

26

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

27

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

28

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

29

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。

30

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

31

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。

32

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。

33

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。

34

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。

35

Gene structure

(a) Typical prokaryotic gene

36

真核生物基因的一般结构示意图

37

(b)Typical eukaryotic geneGene structure

38

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

39

（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。

40

（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

41

（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。

42

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 。

43

小鼠 DNA经 CsCl密度梯度离心显示出主带和卫星 DNA带

44

（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。

45

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）

46

47

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

48

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

49

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。

50

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

51

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

52

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

53

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 ）

54

55

乳糖操纵子的调控机理

56

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。

57

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

58

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

59

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