1、主講教師：黃慧聰,醫(yī)學分子生物學基礎,肺炎支原體肺炎流行病學、臨床特征與診療規(guī)范化研究潘長旺,發(fā)展簡史,2,主要內容,3,4,5,DNA復制、轉錄和翻譯,DNA重組與基因工程,基因與疾病,1,發(fā)展簡史,準備和醞釀,建立和發(fā)展,蛋白質是生命的主要基礎物質,DNA是遺傳的物質基礎,遺傳中心法則的建立,蛋白質翻譯合成的基本過程,1953年 Watson-Crick的DNA雙螺旋結構模型,Watson-Crick的DNA雙螺旋,主要內容,基因工程技術,基因表達的調控,生物大分子的結構和功能,生物信息學,DNA復制、轉錄和翻譯,中心法則（ central dogma）,遺傳信息傳遞方向的規(guī)律,DNA通過

2、復制將遺傳信息由親代傳遞給子代；通過轉錄和翻譯，將遺傳信息傳遞給蛋白質分子，從而決定生物的表現(xiàn)型。DNA的復制、轉錄和翻譯過程就構成了遺傳學的中心法則。,在RNA病毒中，其遺傳信息貯存在RNA分子中。遺傳信息的流向是RNA通過復制，將遺傳信息由親代傳遞給子代，通過反轉錄將遺傳信息傳遞給DNA，再由DNA通過轉錄和翻譯傳遞給蛋白質，這種遺傳信息的流向就稱為反中心法則。,染色體結構與DNA復制 基因的轉錄與加工 蛋白質的翻譯 蛋白質合成后的修飾加工 蛋白質合成后的靶向輸送,一、染色體結構與DNA復制,（一）復制的基本規(guī)律 （二）DNA復制的條件 （三）DNA生物合成過程 （四）真核生物端粒 （五）

3、逆轉錄,染色體：,DNA,基因,基因和染色體，DNA和脫氧核苷酸的關系：,每一條染色體只含有一個DNA分子，每個DNA分子上有很多基因，基因是DNA片段，在染色體上呈線性排列，每個基因中又有成百上千個脫氧核苷酸。每個基因有特定的脫氧核苷酸排列順序，它代表著遺傳信息,是基因的載體。,DNA在復制時，以親代DNA的每一股作模板，合成完全相同的兩個雙鏈子代DNA，每個子代DNA中都含有一股親代DNA鏈，這種現(xiàn)象稱為DNA的半保留復制(semi-conservative replication)。,1、半保留復制,（一）復制的基本規(guī)律,DNA半保留復制示意圖,DNA半保留復制研究實驗結果示意圖,按半保

4、留復制方式，子代DNA與親代DNA的堿基序列一致，即子代保留了親代的全部遺傳信息，體現(xiàn)了遺傳的保守性。 遺傳的保守性，是物種穩(wěn)定性的分子基礎，但不是絕對的。,半保留復制的意義,DNA在復制時，需在特定的位點起始，這是一些具有特定核苷酸排列順序的片段，即復制起始點(origin) 。 在原核生物中，復制起始點通常為一個，而在真核生物中則為多個。,2、有一定的復制起始點,復制起始點與復制子示意圖,習慣上把兩個相鄰DNA復制起始點之間的距離（或DNA片段）定為一個復制子(replicon) 。 復制子是獨立完成復制的功能單位。 DNA復制時，局部雙螺旋解開形成兩條單鏈，這種叉狀結構稱為復制叉。,復制

5、起始點、復制子與復制叉（動畫演示）,參與DNA復制的DNA聚合酶，必須以一段具有3端自由羥基（3-OH）的RNA作為引物(primer) ，才能開始聚合子代DNA鏈。 RNA引物的大小，在原核生物中通常為50 100個核苷酸，而在真核生物中約為10個核苷酸。RNA引物的堿基順序，與其模板DNA的堿基順序相配對。,3、需要引物,DNA復制時，以復制起始點(origin)為中心，向兩個方向進行解鏈，形成兩個延伸方向相反的復制叉，稱為雙向復制(bidirectional replication)。 但在低等生物中，也可進行單向復制（如滾環(huán)復制）。,4、雙向復制,DNA聚合酶只能以53方向聚合子代DN

6、A鏈，即模板DNA鏈的方向必須是35。 由于DNA分子中兩條鏈的走向相反，因此當分別以兩條親代DNA鏈作為模板聚合子代DNA鏈時，子代鏈的聚合方向也是不同的。,5、半不連續(xù)復制,領頭鏈 (leading strand),隨從鏈 (lagging strand),DNA的半不連續(xù)復制,以35方向的親代DNA鏈作模板的子代鏈在復制時基本上是連續(xù)進行的，其子代鏈的聚合方向為53，這一條鏈被稱為領頭鏈(leading strand)。 以53方向的親代DNA鏈為模板的子代鏈在復制時則是不連續(xù)的，其鏈的聚合方向也是53，這條鏈被稱為隨從鏈(lagging strand)。 領頭鏈連續(xù)復制而隨從鏈不連續(xù)復

7、制，就是復制的半不連續(xù)性。,由于親代DNA雙鏈在復制時是逐步解開的，因此，隨從鏈的合成也是一段一段的。DNA在復制時，由隨從鏈所形成的一些子代DNA短鏈稱為岡崎片段(Okazaki fragment)。 岡崎片段的大小，在原核生物中約為10002000個核苷酸，而在真核生物中約為100個核苷酸。,以四種脫氧核糖核酸(deoxynucleotide triphosphate)為底物，即dATP，dGTP，dCTP，dTTP。,1、底物(substrate),（二）DNA復制的條件,DNA復制過程中脫氧核糖核苷酸的聚合反應,DNA復制是模板依賴性的，必須要以親代DNA鏈作為模板。親代DNA的兩股鏈

8、解開后，可分別作為模板進行復制。,2、模板(template),引物酶(primerase)本質上是一種依賴DNA的RNA聚合酶（DDRP），該酶以DNA為模板，聚合一段RNA短鏈引物(primer)，以提供自由的3-OH，使子代DNA鏈能夠開始聚合。 引物酶需組裝成引發(fā)體才能催化RNA引物的合成。,3、引發(fā)體和RNA引物,引物酶催化合成短鏈RNA引物分子,引物,引物酶,4、DNA聚合酶,全稱：依賴DNA的DNA聚合酶 ( DNA-dependent DNA polymerase, DDDP ) 簡稱：DNA-pol 活性：1. 53 的聚合酶活性 2. 核酸外切酶活性,DNA連接酶(DNA

9、ligase)可催化兩段DNA片段之間磷酸二酯鍵的形成，從而把兩段相鄰的DNA鏈連接成一條完整的鏈。,5、DNA連接酶,DNA連接酶的連接作用,DNA復制過程簡圖,DNA連接酶在復制中起最后接合缺口的作用。 在DNA修復、重組及剪接中也起縫合缺口作用。 是基因工程的重要工具酶之一。,DNA連接酶的作用,解螺旋酶(helicase) ，又稱解鏈酶或rep蛋白，是用于解開DNA雙鏈的酶蛋白。 每解開一對堿基，需消耗2分子ATP。,6、解螺旋酶,單鏈DNA結合蛋白（single strand binding protein, SSB），又稱螺旋反穩(wěn)蛋白(HDP)，是一些能夠與單鏈DNA結合的蛋白質因

10、子。,7、單鏈DNA結合蛋白,SSB的生理作用,使解開雙螺旋后的DNA單鏈能夠穩(wěn)定存在，即穩(wěn)定單鏈DNA，便于其作為模板復制子代DNA； 保護單鏈DNA，避免核酸酶的降解。,8、DNA拓撲異構酶,人類拓撲異構酶的分子結構,能夠松解DNA超螺旋結構的酶。,DNA復制過程中正超螺旋的形成,解鏈過程中正超螺旋的形成,拓撲異構酶的作用特點 既能水解 、又能連接磷酸二酯鍵,拓撲異構酶 拓撲異構酶,分 類,DNA拓撲異構酶的作用機制,1、復制的起始,（三） DNA生物合成過程,解旋解鏈，形成復制叉 引發(fā)體組裝和引物合成,2、復制的延長,DNA聚合酶,dATP,dGTP,dTTP,dCTP,dTTP,dGT

11、P,dATP,dCTP,OH 3,3,DNA復制的延長過程,3、復制的終止,去除引物，填補缺口 連接岡崎片段,端粒（telomere）是指真核生物染色體線性DNA分子末端的結構部分，通常膨大成粒狀。,（四）真核生物端粒,線性DNA在復制完成后，其末端由于引物RNA的水解而可能出現(xiàn)縮短。故需要在端粒酶（telomerase）的催化下，進行延長反應。,端粒酶(telomerase),端粒酶是一種RNA-蛋白質復合體，它可以其RNA為模板，通過逆轉錄過程對末端DNA鏈進行延長。,端粒酶的分子結構,端粒酶的爬行模型（動畫演示）,（五） 逆轉錄,1、逆轉錄病毒和逆轉錄酶,逆轉錄病毒細胞內的逆轉錄現(xiàn)象：,

12、2、逆轉錄研究的意義,逆轉錄酶和逆轉錄現(xiàn)象，是分子生物學研究中的重大發(fā)現(xiàn)。 逆轉錄現(xiàn)象說明：至少在某些生物，RNA同樣兼有遺傳信息傳代與表達功能。 對逆轉錄病毒的研究，拓寬了20世紀初已注意到的病毒致癌理論。,（一）RNA的轉錄過程：（略） 轉錄起始 鏈的延伸 轉錄終止,二、基因的轉錄與加工,（二）RNA的轉錄后加工 在細胞內，由RNA聚合酶合成的原初轉錄物（primary transcript）往往需要一系列的變化，才轉變?yōu)槌墒斓腞NA分子。此過程總稱為RNA的成熟或稱為RNA的轉錄后加工。,1、mRNA前體的加工： 原核生物的mRNA轉錄后一般不需要加工，轉錄的同時即進行翻譯（半壽期短）。

13、亦有少數(shù)多順反子的mRNA需要核酸酶切成小單位，然后再翻譯。,真核生物mRNA（半壽期較長）轉錄物很大，在加工過程中形成許多分子大小不等的中間物，它們被稱為核內不均一RNA（heterogeneous nuclear RNA, hnRNA)，需要進一步進行加工修飾轉化為mRNA。加工包括： （1）hnRNA被剪接，把內含子（DNA上非編碼序列）轉錄序列剪掉，把外顯子（DNA上的編碼序列）轉錄序列拼接上(真核生物一般為不連續(xù)基因)。 （2）3端添加polyA “尾巴”； （3）5端連接“帽子”結構（m7G5ppp5NmpNp-）； （4）分子內部的核苷酸甲基化修飾。,2、tRNA前體的加工： 原

14、核與真核生物的tRNA轉錄后都需要加工。,3、 rRNA前體的加工：,原核與真核生物的rRNA轉錄后也都需要進行加工。 原核：剛轉錄的rRNA為30S，先在特定的堿基上進行甲基化（核糖2-羥基）修飾，后逐步裂解。 真核：45S（哺乳動物）、38S（果蠅）、37S（酵母）,tRNAs are cleaved from transcripts of rRNA operons,三、蛋白質的翻譯,1、遺傳密碼 (genetic code): DNA（或mRNA）中核苷酸序列與蛋白質中氨基酸序列之間的對應關系。 2、密碼子(codon)： mRNA上每3個相鄰核苷酸編碼多肽鏈中一個氨基酸，這三個核苷酸稱

15、一個密碼子或三聯(lián)體密碼。,（一）遺傳密碼兩個概念,3、 遺傳密碼字典,mRNA：蛋白質的DNA序列信息的中間體。 tRNA：運送特定氨基酸到核糖體上合成蛋白質。 rRNA：核糖體的組成元件。,（二）蛋白質合成中使用的RNA,1、mRNA 是蛋白質合成的模板,原核生物mRNA與真核生物mRNA結構比較,核糖體可以不從mRNA上解離連續(xù)合成三個蛋白質,2、 tRNA轉運活化的氨基酸至mRNA模板上,有20種分子轉換器，每種氨基酸一個,3、 rRNA核糖體是蛋白質合成的工廠,核糖體得到分離后，發(fā)現(xiàn)含有RNA，即稱rRNA。,（三）核糖體大小亞基的生物學功能,小亞基： 通過密碼子與反密碼子的配對，識別

16、并結合模板mRNA，蛋白質合成中A位、P位、E位的一部分等。 大亞基： 結合多肽鏈，催化肽鍵形成、蛋白質合成中A位、P位、E位的一部分等。, mRNA結合部位； 結合AA-tRNA部位（A位）； 結合肽基 tRNA部位（P位）； 空載tRNA移出部位（E位）； 形成肽鍵的部位。 此外，還有用于起始和延伸的各種蛋白質因子結合部位。,核糖體發(fā)揮生物學功能的5個基本部位,Ala（A） Val（V） Leu（L） Ile（I） Pro（P） Met（M） His（H） Gly（G） Ser（S） Thr（T） Cys （C） Phe（F） Trp（W） Asp（D） Glu（E） Lys（K） Gln（Q） Arg（R） Tyr（Y） Asn（N）,（四） 蛋白質合成中使用的20種氨基酸,1、蛋白質合成的起始,多數(shù)多順反子的翻譯獨立發(fā)生某些細菌中，mRNA相鄰順反子翻譯直接相連，可由一個核糖體翻譯,（五） 蛋白質合成的生物學