第十章

基因信息传递

遗传信息传递的中心法则

DNA复制 RNA转录

蛋白质翻译

RNA

逆转录

复制 蛋白质翻译

Reverse transcription

第一节 第一节 DNADNA 的生物合成（复制）的生物合成（复制）

第二节 第二节 RNARNA 的生物合成（转录）的生物合成（转录）

第三节蛋白质的生物合成（翻译）第三节蛋白质的生物合成（翻译）

四、 DNA 损伤（突变）与修复 DNA Damage (Mutation) and Repair

• 复制差错和化学和物理因素造成体内 DNA 损伤或突变或致死

突变（ mutation ）：指一种遗传状态，可以通过复制而遗传的 DNA 结构的任何永久性改变。携带突变基因的生物称为突变体，未突变的称为野生型。

• 损伤原因也可以说是损伤原因也可以说是遗传信息突变的来源

（一）（一） DNADNA 的损伤的损伤

DNADNA 复制产生误差；复制产生误差； 物理（紫外、高能射线、电离辐射）或物理（紫外、高能射线、电离辐射）或化学（烷基化试化学（烷基化试

剂、亚硝酸盐、碱基类似物）损伤；剂、亚硝酸盐、碱基类似物）损伤； 生物因素（碱基对置换、碱基的插入生物因素（碱基对置换、碱基的插入 / / 缺失造成移码）。缺失造成移码）。

1. DNA1. DNA 的损伤的原因的损伤的原因

• DNA 分子的自发性损伤

①DNA 复制中的错误

②DNA 自发性化学变化（碱基异构的互变、碱基的脱氨基作用、脱嘌呤与脱嘧啶、碱基修饰与链断裂）

• 物理因素引起的 DNA 损伤主要指紫外线和各种辐射，如紫外线可引起 DNA链上相邻的两个嘧啶碱基发生共价结合，生成嘧啶二聚体；

① 紫外线引起的 DNA 损伤

② 电离辐射引起的 DNA 损伤（碱基变化、脱氧核糖变化、 DNA 断裂、交联）

嘧啶二聚体的形成与解聚

主要是同一条 DNA 链上相邻的嘧啶以共价键连成二聚体，相邻的两个 T 、或两个 C 与 T 间都可以环丁基环连成二聚体，其中最容易形成的是 TT 二聚体。

• 化学因素引起的 DNA 损伤

① 烷化剂对 DNA 的损伤（碱基烷基化、碱基脱落、断裂、交联）

② 碱基类似物、修饰剂对 DNA 的损伤

化工原料、化工产品和副产品，各种工业的排放物、农药、食品防腐剂或添加剂，以至汽车排放的废气。

•点突变（ point mutation ）•错配 (mismatch)•缺失 (deletion)•插入 (insertion)•重排 (rearrangement)

2. DNA 损伤的后果DNA 损伤最终导致 DNA 分子结构的变化，这种DNA 分子水平的突变（ mutation ）是整体遗传突变的基础。

•致死性•丧失某些功能；•改变基因型而不改变表现型•发生了有利于物种生存的结果、使生物进化

后果

镰形红细胞贫血病人 Hb (HbS) β 亚基

N-val · his · leu · thr · pro · val · glu · · · · · · C

肽链CAC GTG基因

正常成人 Hb (HbA)β 亚基

N-val · his · leu · thr · pro · glu · glu · · · · · · C

肽链CTC GAG基因

谷 酪 蛋 丝

5’ ……G C A G U A C A U G U C ……

丙 缬 组 缬正常

5’ ……G A G U A C A U G U C ……缺失 C

缺失引起框移突变

( 二 ) DNA 损伤的修复（ DNA repairing ）

• 修复是指细胞对 DNA 受损伤后的一种反应，这种反应可能使 DNA 结构恢复原样，重新执行它原来的功能。也可以说，针对已发生了的缺陷而施行的补救机制。

• 修复的主要类型：① 光修复 (light repairing)

② 切除修复 (excision repairing)

③ 重组修复 (recombination repairing)

④SOS 修复

光修复• 紫外光照射可使相邻的两个 T 形成二聚体• 光修复酶可使二聚体解聚为单体状态， DNA 完全恢

复正常。光修复酶的激活需 300-600μm 波长的光。

N

N

CH3

O

O

R

H

P

H

R

O

O

CH3

N

N

N

N

CH3

O

O

R

H

HN

N

CH3

O

O

R

PUV

TT¹âÐÞ¸´Ã¸

切除修复（ excision repair ）• 参与的酶有 核酸内切酶， polⅠ　 ,DNA 连接酶

ÌØÒìºËËáÄÚÇÐø pol ¢ñ

DNAÁ¬½Óø

E.Coli 的切除修复方式

UvrA UvrBUvrC

OH P

DNA 聚合酶ⅠOH P

DNA 连接酶 ATP

重组修复（ recombination repair ）

• 又称复制后修复（ postreplication repair ）• 受损伤的 DNA在进行复制时，跳过损伤部位，在

子代 DNA 链与损伤相对应部位出现缺口。通过分子间重组，从完整的母链上将相应的碱基顺序片段移至子链的缺口处，然后再用合成的多核苷酸来补上母链的空缺，此过程即重复修复。并非完全校正。

SOS 修复

• 指 DNA 受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种 DNA 修复方式，修复结果只是能维持基因组的完整性，提高细胞的生成率，但留下的错误较多，又称倾错性修复（ Error-Prone Repair ）。

五、逆转录和其他复制方式Reverse Transcription and Other DNA R

eplication Ways

逆转录酶 (reverse transcriptase)

逆转录

逆转录酶

（一）逆转录病毒和逆转录酶

逆转录

1 ）逆转录

• 在逆转录酶的作用下以 RNA 为模板合成DNA 的过程。此过程中，核酸合成与转录（ DNA→RNA ）过程遗传信息的流动方向相反（ RNA→DNA ），故称为逆转录（ reverse transcription) 。

2 ）逆转录酶• 能催化以单链 RNA 为模板合成双链 DNA 的反

应的酶称为逆转录酶（ reverse transcriptase) 。• 它兼有三种酶的活性： RNA 指导的 DNA 聚合

酶， DNA 指导的 DNA 聚合酶和 RNase H 活性。• 所谓 RNase H 活性是指除去杂合分子中的 RNA 。

它可以从 5′→3′ 和 3′→5′ 两个方向水解 DNA－RNA 。

• 逆转录酶和其他 DNA 聚合酶一样，合成 DNA

的方向为 5′→3＇，并且不能从头合成 DNA ，也需要引物，是病毒本身的一种 tRNA 。

（二）逆转录过程

1．以单链 RNA 的基因组为模板，在逆转录酶 (RN

A 指导的 DNA 聚合酶 ) 的催化下，合成一条单链DNA ；

2．产物与模板生成 RNA DNA∶ 杂化双链，杂化双链中的 RNA被逆转录酶 (RNase H) 水解；

3．以新合成的单链 DNA 为模板，逆转录酶 (DNA

指导的 DNA 聚合酶 )催化合成第二链的 DNA 。

逆转录病毒细胞内的逆转录现象

RNA 模板逆转录酶

DNA-RNA 杂化双链

RNA 酶

单链 DNA逆转录酶

双链 DNA

（三）逆转录酶和逆转录现象的生物学意义

1）逆转录酶和逆转录现象是分子生物学研究中的重大发现 ；

• RNA 同样兼有遗传信息传代与表达功能。 2 ）对逆转录病毒的研究，拓宽了病毒致癌理论；3）分子生物学研究应用逆转录酶（ cDNA 法 ) ，

作为获取基因工程目的基因的重要方法之一。

第二节 第二节

RNA 的生物合成（转录）

RNA Biosynthesis, Transcription

定义 DNA 指导下的 RNA 合成（ synthesis of RN

A guided by DNA ）即 DNA携带的遗传信息（基因）传递给 RNA 分子的过程称转录。或生物体以 DNA

为模板合成 RNA 的过程 。转录

RNADNA

一、转录的概念

1 、复制和转录的共同点

DNA 模板依赖 DNA 的聚合酶碱基配对规律生成磷酸二酯键链延长方向 5'→3'

2、复制和转录的区别

A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对

mRNA，tRNA，rRNA子代双链DNA

（半保留复制）产物

RNA聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶酶

NTPdNTP原料

模板链转录（不对称转录）两股链均复制模板

转录复制

A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对

mRNA，tRNA，rRNA子代双链DNA

（半保留复制）产物

RNA聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶酶

NTPdNTP原料

模板链转录（不对称转录）两股链均复制模板

转录复制

3、转录基本特点

反应体系： DNA模板 ,NTP,酶，Mg2+,Mn2+，合成方向 5‘→3’。连接方式 -- 3‘ , 5’磷酸二酯键；转录特点：不对称转录 --DNA片段转录时，双链 DNA中只有一条链作为转录的模板，这种转录方式称作不对称转录；

原料：四种磷酸核苷 NTP,DNA 中的 T在 RNA 合成中变为 U

合成过程 : 连续

4、参与转录的物质

原料 : NTP (ATP, UTP, GTP, CTP)

模板 : DNA

酶 : RNA 聚合酶 (RNA polymerase, RNA-pol)

其他蛋白质因子

在生物界， RNA 合成有两种方式：一是 DNA 指导的 RNA 合成，为生物体内的主要合成方式另一种是 RNA 指导的 RNA合成，此种方式常见于病毒。

转录产生的初级转录本是 RNA前体（ RNA precursor ），需经加工过程（ processing ）方具有生物学活性。

二、模板和酶Templates and Enzymes

（一）转录模板

• 结构基因 (structural gene) ：DNA 分子上能作为模板转录出 RNA 的区段。•模板链 (template strand) 有意义链或 Watson 链DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成 RNA

的一股单链。•编码链 (coding strand) 反义链或 Crick 链DNA双链中碱基序列与 RNA 一致的一股链。

沃森 (① 姓氏 ② James Dewey, 1928-, 美国生物学家 , 曾获 1962 年诺贝尔生理学 - 医学奖 )

克里克 (①姓氏 ② Francis Harry Compton, 1916-, 英国生物物理学家 , 曾获 1962 年诺贝尔生理学 - 医学奖 )

5′···GCAGTACATGTC ···3′

3′··· c g t g a t g t a c a g ···5′

5′···GCAGUACAUGUC ···3′

N······Ala · Val · His · Val ······C

编码链模板链

mRNA

蛋白质

转录

翻译

•以编码链 ( 反义链 ) 为模板合成的 RNA ，称为反义RNA 。其序列与模板链一致，能抑制mRNA 的表达。

5

3

3

5

模板链编码链编码链模板链

结构基因

不对称转录

• 在 DNA 分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录 。• 模板链并非永远在同一条单链上。

( 二 ) RNA 聚合酶

定义：以 DNA 为模板，催化三磷酸核苷（ NTP） 聚合形成 RNA 的酶。作用特点：1. DNA 为模板2. 不需引物，游离 NTP能与 RNA 链或另一 NTP

聚合 .3. 3'-OH 与 5'-P聚合形成磷酸二酯键。4. 方向： 5'→3'。

（ 1）原核生物的 RNA 聚合酶

36512 决定哪些基因被转录

150618 催化功能

155613 结合DNA模板

70263 辨认起始点

亚基 分子量 功 能

全酶由 5 种亚基 α2ββ’σ 组成， σ 因子与其它部分的结合不是十分紧密，它易于与 β’βα2 分离，没有 σ 、 亚基的酶称为核心酶——只催化链的延长，对起始无作用。

五种亚基的功能分别为： α 亚基：与启动子结合功能。 β 亚基：含催化部位，起催化作用，催化形 成磷

酸二酯键。 亚基：在全酶中存在，功能不清楚。 β’ 亚基：与 DNA模板结合功能。 σ 亚基：识别起始位点。

大肠杆菌的 RNA 聚合酶

核心酶 (core enzyme) 全酶 (holoenzyme)

•核心酶 : 转录延长 ; 全酶：转录起始。

•σ 70 是辨认典型转录起始点的蛋白质。

•σ 32 是辨认热休克蛋白 (Hsp) 转录起始点的蛋白质。

（ 2）真核生物的 RNA 聚合酶 种类 Ⅰ Ⅱ Ⅲ

对鹅膏蕈碱的反应

45S-rRNA hnRNA 5S-rRNA

tRNA

snRNA

耐受 极敏感 中度敏感

转录产物

45S-rRNA ， 5S-rRNA ： 核糖体 RNA 成分。 hnRNA ： mRNA 的前体。 snRNA ： 参与 mRNA剪切。

两个大亚基：分子量>100 KDa，催化亚基， 与原核 β， β'亚基有同源性。50 kDa亚基：分子量 50 kDa，与原核 α亚基相似。 小亚基： 10， 7， 11个。羧基末端结构域 (CTD) ： (YSPTSPS)n： Y： Tyr；S ： Ser； P： Pro； T： ThrRNA-polⅡ大亚基 C末端磷酸化，使转录进入链的延长阶段。

RNA 聚合酶结构特点

(3)模板与酶的辨认、结合

操纵子 (operon): 原核生物的一个转录单位，包括若干个结构基因及其上游 (upstream) 的调控序列

53

35

结构基因调控序列

RNA-pol

启动子 (promoter): RNA 聚合酶结合模板 DN

A 的部位。

三、转录过程The Process of Transcription

转录起始需解决两个问题：

①RNA 聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。

②DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。

（一）原核生物的转录过程

1. 起始位点的识别

3’

5’

+1

转录起始点

AACTGT ATATTA

TTGACA TATAAT5’

3’

－ 35 序列

Sextama 框

－ 10 序列

Pribnow 框

•σ 识别正确的启动位点，启动子的结构至少由三部分组成： -35 序列提供了 RNA 聚合酶全酶识别的信号； -10序列是酶的紧密结合位点（富含 AT碱基，利于双链打开）；第三部分是 RNA 合成的起始点。

加入的第一个核苷三磷酸常是 GTP 或 ATP 。所形成的启动子、全酶和核苷三磷酸复合物称为三元起始复合物，第一个核苷三磷酸一旦掺入到转录起始点， σ 亚基就会被释放脱离核心酶。

2. 2. 转录起始转录起始

-35 -10 pppG 或 pppA

5‘

5‘

3‘

3‘模板链

E

以 NTP 为原料和能量 ,DNA 模板链为模板，靠核心酶的催化，核苷酸间通过 3´,5´- 磷酸二酯键成核糖核酸链 (RNA)

3.链的延伸

转录终止信号有两种情况 弱终止子：依赖ρ因子（终止因子， terminators ）的终止 NusA 蛋白识别 DNA 链上的终止信号，在ρ因子帮助终止。 强终止子（ 1）在终止点之前具有一段富含 G-C 的回文区域。

（ 2）富含 G-C 的区域之后是一连串的 dA碱基序列，它们转录的 RNA 链的末端为一连串 U（连续 6个）。

4. 转录终止

1. 转录因子：参与 RNA 聚合酶进行转录活动的辅助因子，为 蛋白质。

2.启动子：指 RNA 聚合酶的识别、结合和开始转录的一段DNA 。

在 RNA 转录起点的上游，约 40 bp 。—— TATA box

3. 终止子：提供转录停止信号的 DNA序列 (片段 ) 。一般含有回文顺序，转录到此会形成发夹结构。

4. 终止因子 ：有的终止子要因子的帮助才能终止 RNA 合成。E. coli 的因子以六聚体形式存在，具有 DNA-RNA 解螺旋酶和 ATPase 活性。

(四 ) 转录过程

(a)RNA 聚合酶与 DNA 模板链的结合 (b) 转录起始

(c)RNA 链的延长 (d) 转录终止

模板链合成方向

RNA 链的延长

RNA 释放 聚合酶脱离

Transcription

1. 与原核生物 RNA 合成不同之处• 转录产物有三种： mRNA 、 tRNA 、 rRNA

对 -鹅膏蕈碱反应• RNA 聚合酶有三种： I 转录 18S 、 5.8S 、 28S rRNA 不敏感 II 转录 hnRNA (mRNA前体 ) 强烈抑制 III 转录 tRNA 、 5S rRNA 高浓度时抑制

四、真核生物 mRNA 合成

酶类 分布 产物 活性 分子量(KDa)

反应条件

Ⅰ

ⅡⅢ

核仁

核质核质

rRNA （ 5.8S 、18S 、 28S ）

mRNA

tRNA 、 5S rRNA

50～ 70％

20～ 40％

10％

500

～ 700

～ 700

低离子强度要求Mg2+ 或Mn2+

高离子强度高Mn2+浓度

2. 真核 RNA 聚合酶

真核 RNA 转录基本过程与原核类似，但其产生的 mRNA 为“单顺反子”，只编码一条肽链。

3. 转录

五、转录产物的“加工”（成熟过程）五、转录产物的“加工”（成熟过程）

在细胞内，由 RNA 聚合酶合成的原初转录物（ primary transcript ）往往需要一系列的变化，包括链的裂解、 5 和 3末端的切除和特殊结构的形成、核苷的修饰、以及拼接和编辑等过程，才转变为成熟的 RNA 分子。此过程总称为 RNA 的成熟或称为 RNA 的转录后加工。

原核生物的 mRNA 转录后一般不需要加工，转录的同时即进行翻译（半寿期短）。

六、 RNA 的复制合成 某些 RNA 病毒可以以自身 RNA 为模板进行复制； 不同的 RNA 病毒复制方式不同噬菌体 Qβ 的 RNA 复制两阶段

（ 1 ）其单链 RNA 可充当mRNA ，利用寄主中的核糖体合成外壳蛋白和 RNA 复制酶的 β 亚基。

（ 2 ）复制酶的 β 亚基可与来自寄主细胞的亚基 αδ 自动装配成 RNA 复制酶，可进行 RNA 的复制，以分子中单链 RNA 为模板（正链），复制出一条新的 RNA 链（负链），再复制出正链，与外壳蛋白组装成新的噬菌体颗粒。

5 RNA-

5 3

3 RNA+

释放 释放

3 5 3 3 5

5

RNA+ RNA+

RNA-

RNA-及 RNA+的合成方向均为 5‘ 3’

（ RNA 指导的 RNA 合成）