第四章 遗传的物质基础

1. 第四章　遗传的物质基础 • 第一节　遗传物质 • 第二节　核酸的结构 • 第三节　基因的结构特征 • 第四节　染色质与染色体 • 第五节　细胞分裂 • 本章小结

2. 第一节 遗传物质－核酸 • 一、细菌的转化 • 二、噬菌体的侵染 • 三、感染性的RNA • 四、DNA是遗传物质的旁证

3. 一、细菌的转化 1928年，英国Griffth的肺炎双球菌转化实验

4. 一、细菌的转化 • 1944年Avery等，将加热杀死的SⅢ型细菌滤过液分离纯化，提取了多糖、脂类、RNA、蛋白质、DNA等物质。 • 结果发现起转化作用的为DNA，首次证明了遗传信息是由核酸传递的。

5. 二、噬菌体的侵染 T2噬菌体由蛋白质和DNA组成，蛋白质含有S而不含P，而DNA则反之。

6. 三、感染性的RNA

7. 三、感染性的RNA • Electron micrograph of tobacco mosaic virus. Magnification 37,428. • Reconstitution experiment of Fraenkel-Conrat and Singer. The nucleic acid (RNA), not the protein component of the virus, controls inheritance.

8. 四、DNA是遗传物质的旁证 • 1、细胞核中DNA的含量恒定性 • 2、细胞核中DNA在各个时期质的恒定性 • 3、配子中DNA含量一般是体细胞中DNA含量的一半，蛋白质和其他物质则否。 • 4、紫外线诱变作用与DNA的关系

9. 第二节　核酸的结构 • 从遗传现象来看，作为遗传物质应满足的条件： • （1）自我复制的能力 • （2）相对的稳定性 • （3）多样性 • （4）可变性

10. 第二节　核酸的结构 • 一、DNA和RNA的化学组成 • 二、DNA的结构 • 三、RNA的结构

11. 一、DNA和RNA的化学组成 T A C G U DNA中 碱基 RNA中 核苷酸 脱氧核糖（DNA中） 核糖（RNA中） 戊核榶 磷酸

14. 二、DNA的结构 • 1、DNA的一级结构 • 2、DNA的二级结构 • 3、DNA的高级结构

15. 1、DNA的一级结构 DNA的一级结构： 是指DNA分子中4种核苷酸的连接方式和排列顺序。绝大部分生物的DNA分子都由两条单链构成，通常以线性和环状的形式存在。 Chargaff当量定律： 1943年，英国的Chargaff发现虽然不同的DNA其碱基组成显著不同，但A和T，G和C的摩尔含量总是相等的，即[A]=[T]、[G]=[C]，因此，嘌呤的总含量和嘧啶的总含量是相等的，即A+G=C+T。

16. 1、DNA的一级结构

17. 2、DNA的二级结构 James D. Watson (1928– ) (Cold Spring Harbor Laboratory Research Library Archives. Margot Bennet, photographer.) Francis Crick (1916–2004) (Reproduced by permission of Herb Weitman, Washington University, St. Louis, Missouri.) Rosalind E. Franklin (1920–1958)

18. 2、DNA的二级结构 Double helical structure of DNA.(a) DNA magnified twenty-five million times by scanning tunneling microscopy.　(b) Component parts. (c) Line drawing. ([a] . John D. Baldeschweiler.)

19. 2、DNA的二级结构 • DNA分子是同两条多核苷酸链构成的，两条链围绕着同一轴盘绕，形成一个反向平行的双螺旋结构，两条链由碱基对之间的氢键互补连接在一起。 • 双螺旋结构使DNA分子有相对的稳定性，两条链的反向极性和互补性提供了DNA分子自我复制的条件，无尽的核苷酸排列序列规定了DNA的多样性。

20. 3、DNA的高级结构 • 是指DNA双螺旋进一步扭曲盘旋所形成的特定空间结构。 • 超螺旋结构是DNA高级结构的主要形式，分为负超螺旋和正超螺旋两种。

21. 三、RNA的结构 • 1、信使RNA（mRNA） • 2、核糖体RNA（rRNA） • 3、转移RNA （tRNA）

22. 1、信使RNA（mRNA） • 是蛋白质结构基因转录的单链RNA，作为蛋白质合成的模板，载有各种蛋白质中氨基酸序列的信息，在蛋白质生物合成中起着传递信息的作用。 • 原核生物和真核生物mRNA的结构差别： 在原核生物中，通常是几种不同的mRNA连在一起，相互之间由一段短的不编码蛋白质的间隔序列所分开，这种mRNA称这为多顺反子mRNA； 在真核生物中，mRNA则为一条RNA多聚链。

23. 1、信使RNA（mRNA） • 真核生物mRNA具有一些共同的结构特征，如：5‘端有一个特殊的帽子结构，即7-甲基鸟苷；3’末端具有多聚腺嘌呤尾巴（长约200nts)。 • mRNA约占细胞内RNA总量的5%~10%，其寿命通常不很长，易被RNA酶降解。

24. 2、核糖体RNA（rRNA） • 核糖体是蛋白质合成装配的场所，它由rRNA和蛋白质组成。 • rRNA约占细胞中RNA总量的75%~80%。

25. 3、转移RNA （tRNA ） • 是一类小分子量的RNA，每条tRNA含有70~90nt。tRNA在翻译过程中起着转运各种氨基酸至核糖体，按照mRNA的密码顺序合成蛋白质的作用。 • 每个细胞中至少有50种tRNA，约占细胞内RNA总量的10%~15%。

26. A computer model of the serine transfer RNA. The　amino acid binding site is　yellow; the anticodon　is red. (. Ken Eward/SPL/Photo Researchers.) Specificity of the genetic code　manifests itself　in the transfer RNA, in which a　particular anticodon is　associated with a particular amino acid. In this case, glutamic　acid is attached to its proper transfer RNA, which has the　anticodon CUU.

27. 第三节　基因的结构特征 • 一、基因的概念发展 • 二、基因的一般结构特征

28. 一、基因概念的发展 1865年“遗传因子” 1909年“基因” 1910年“定位于染色体上” 1926年《基因论》 1944年“转化实验” 基因的化学本质是DNA 1952年“T2噬菌体侵染实验” 1908年“苯丙酮尿症” 1941年“一个基因一种酶” 顺反子学说：“一个基因一条多肽链” 1978年　内含子与外显子、重叠基因 1977年“断裂基因” 1961年“操纵子”学说 1967年“插入序列” 1951年“转座子”的概念

29. 二、基因的一般结构特征 • （一）外显子与内含子 • （二）信号肽序列 • （三）侧翼序列和调控序列

30. 内含子边界3‘AG 5‘非编码区 信号肽序列 内含子 终止密码子 加帽位点5‘m2GpppNp 起始密码子 加poly(A)信号 外显子 TATA盒 GC盒 内含子边界5‘GT AGGA或CAAT盒 3‘非编码区 真核生物基因的一般结构示意图

31. （一）外显子与内含子 图示 • 真核生物结构基因是断裂基因，一般由若干个外显子和内含子组成。 • 内含子在原始转录产物的加工过程中被切除，不包含在成熟mRNA的序列中。 • GT-AG法则： 在每个外显子和内含子的接头区，有一段高度保守的共有序列，即每个内含子的5‘端起始的2nts都是GT，3’末端的2nts都是AG。

32. （二）信号肽序列 图示 • 在分泌蛋白基因的编码序列中，在起始密码子之后，有一段编码富含疏水氨基酸多肽的序列，称为信号肽序列，它所编码的信号肽行使着运输蛋白质的功能。 • 信号肽序列在完成分泌过程后将被切除，不留在新生的多肽链中。

33. （三）侧翼序列和调控序列 图示 • 每个结构因子在第一个和最后一个外显子的外侧，都有一段不被转录和翻译的非编区，称为侧翼序列 • 其中从转录起始位点至起始密码子称为5‘非翻译区，从终止密码子至转录终止子称为3‘非翻译区。

34. 侧翼序列虽不被转录和翻译，但它常常含有影响基因表达的DNA序列。对基因的有效表达起着调控作用的特殊序列被统称为调控序列.侧翼序列虽不被转录和翻译，但它常常含有影响基因表达的DNA序列。对基因的有效表达起着调控作用的特殊序列被统称为调控序列. • 包括启动子、增强子、沉默子、终止子、核糖体结合位点、加帽和加尾信号等。

35. 图示 （三）侧翼序列和调控序列 • 1、启动子 • 2、增强子和沉默子 • 3、终止子 • 4、加尾信号 • 5、核糖体结合位点

36. 1、启动子★ 图示 • 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。 • 转录起始位点(+1位)下游区域为正区，上游区域为负区。 • 启动子通常位于转录起始位点上游100bp(-100bp)内，是RNA聚合酶识别和结合的位点。

37. 2、增强子和沉默子 • 增强子也是一种基因调控序列，它可使启动子发动转录的能力大大增强，从而显著地提高基因转录的效率。 • 增强子的作用与它所处的位置、方向及与基因的距离无关。具有组织特异性和细胞特异性。 • 沉默子：通过与有关的蛋白质结合，对转录起阻抑作用，根据需要关闭某些基因的转录，可以远距离作用于启动子。其对基因的阻遏作用没有方向的限制。

38. 3、终止子 图示 • 是一段位于基因3‘端非翻译区（UTL）中与终止转录过程有关的序列，由一段富含GC的颠倒重复序列以及寡聚T组成，是RNA酶停止工作的信号。

39. 4、加尾信号 图示 • 真核生物mRNA的3‘Poly(A)尾巴不是由基因编码，是在转录后通过多聚腺苷酸聚合酶作用加上的。此过程受3’UTL中加尾信号的控制。

40. 5、核糖体结合位点 • SD序列（shine-dalgarno sequence)： • 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是其中主要的一种。

41. 三、真核生物基因组的特点 • （一）基因组和C值 • （二）单一序列 • （三）重复序列 • （四）基因家族和假基因

42. （一）基因组和C值 • 1、基因组 • 狭义：单倍体细胞中的全套染色体（人：22条常染色体+X，Y+线粒体DNA） • 广义：一物种的全部遗传物质及其携带的遗传信息。 • 详细内容参见第八章 基因组学

43. 2、C值与C值矛盾 • C值（C value）： • 每一种生物中的单倍体基因组的DNA总量是特异的，称这为C值。 • 一般来说，C值与生物结构、功能复杂程度相关，即表现在基因数目和基因产物的种类上。

44. 不同生物基因组的C值 注：基因组的长度由公式10bp=3.4nm计算出

45. 基因组DNA含量与物种形态复杂性并不对应

46. C值矛盾 • C值的大小与物种的结构组成和功能的复杂性没有严格的对应关系，这种现象称为C值矛盾。 • 两栖类动物，例如两栖鲵的C值是84，其c值竟然比包括人类(3.2)在内的哺乳类的c值还高近30倍。 • 牛与人的DNA含量相等。 • 而豌豆与蚕豆均属豆科，又都有12条染色体，可是DNA含量却相差7倍

47. n值矛盾

48. 一些主要模式生物基因的数目

49. （二）单一序列 • Unique Sequence • 又称非重复序列（nonrepetitive sequence） • 是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16S、23S、5SrRNA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%

50. （三）重复序列 • Repetive sequence • 重复序列的长短：短的仅有几个甚至两个核苷酸，长的有几百至上千个核昔酸： • 重复程度：多的可在基因织中出现几十万到几百万次，称为高度重复序列，另外一些序列重复几十到几千次，称为中度重复序列。 • 分布：成簇存在于DNA某些部位，或分散分布于整个基因组。