遗传学第二章分子遗传学的兴起.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,生物学,物理学,地理学,天文学,第一节 物理学的介入,目的有,两个,：,一是想了解传统的物理定律是否已足以阐明遗传学问题；,二是从分析遗传过程能否发现一些新的物理定律。,无论高级或低级均由生物分子按一定层次形成 一 定高度的有序的系统,不断地与外界发生物质的交换，是一个远离平衡态的开放的耗散结构（,dissipative structure,）,能精确地自我复制并发生遗传与变异,生命有机体,代表性科学家（1）,尼尔斯波尔（Niels Bohr）,尼尔斯波尔（Niels Bohr,1885-1962）因原子结构和原子辐射的研究，获得了1922年的诺贝尔物理学奖。,尼尔斯波尔运用光谱分析来探索原子内部结构的第一次合理而又富有成效的尝试是在1913年进行的。为了解释原子吸收和发射，他力图把卢瑟福的有核原子模型和普朗克的量子论结合起来，提出了著名的,“波尔理论”,原子的定态假设和频率法则，成功地解释了氢原子的光谱规律。,1931年，发表了,“光和生命”,，自然,“要是我们能像分析原子现象那样，深入分析生命有机体地机制，我们很难在有机体和无机物的性质上找到差别。”,现代物理学研究方法,物理世界,生命世界,鸿沟打破,分子生物学研究锦上添花,X-射线晶体学全息分析技术,核磁共振技术,扫描隧道电子显微镜,分子激发显微镜,生命的物质基础自然科学的统一,染色体,其它：,如拟脂和无机物质 少 量,核糖核酸(RNA)约占6,脱氧核糖核酸(DNA)约占27,蛋白质,存在于染色体上 约占66,核酸,或,DNA,？,蛋白质,？,第二节遗传物质是DNA,（1）肺炎双球菌的转化实验：,炎双球菌特征抗原型（稳定）,光滑型(S)有荚膜、光滑、有毒,粗糙型(R)无荚膜、粗糙、无毒,格里费斯,(Griffith F.1928),1、DNA作为主要遗传物质的直接证据,结论：,无毒 有毒;,R,型,S,型,在加热杀死的,S,型肺炎双球菌中有较耐高温的转化物质能够进入,R,型,小鼠成活,无毒,R,型,重现,R,型,重现,S,型,小鼠死亡,有毒,S,型,无病毒,小鼠成活,有毒,S,型,(,65,杀死,),无毒,R,型,有毒,S,型,(,65,杀死,),小鼠死亡,重现,S,型,无毒,R,型,有毒,S,型,(,杀死,),无毒,R,型,有毒,S,型,(,杀死,),蛋白酶,无毒,R,型,有毒,S,型,(,杀死,),DNA,酶,重现,S,型,重现,R,型,重现,S,型,结 论：,DNA,是转化因子或遗传物质。,原 理：,P只,存在于,DNA,而不存于蛋白质,S,只,存在于蛋白质，不存于,DNA,32,P,标记,T2,噬菌体；,35,S,标记,T2,噬菌体。,结 论,进入菌内的是,DNA,；,DNA,进入细胞内才能产生完整的噬菌体。,（2）噬菌体的感染实验：,赫尔歇,(Hershey,A.),TMV RNA RNA,酶 烟草 不发病,TMV,蛋白质 烟草 不发病；,（3）烟草花叶病毒的感染和繁殖：,烟草花叶病毒TMV,TMV RNA,烟草 发病 新的,TMV,烟草花叶病毒,Tobacco Mosaic Virus(,简称,TMV),。利用,TMV,的蛋白质外壳和单螺旋,RNA,接种：,佛兰科尔,-,康拉特,-,辛格尔,(Framkel-Conrat-Singer),试验：,结论：,提供,RNA,的亲本决定了其后代的,RNA,和蛋白质。,在不含,DNA,的,TMV,中，,RNA,就是遗传物质。,2、查加夫法则,（Chargaffs rule）,DNA,中的,4,种碱基的含量并不是等量的；,腺嘌呤,(A),的量总是和胸腺嘧啶,(T),的量相等；鸟嘌呤,(G),则和胞嘧啶（,C,）几乎相等,.,既：,A=T,；,C=G,查加夫早在1950年就发布了这个重要的发现，但奇怪的是，研究DNA分子结构的3个实验室都将它忽略了。甚至在1951年春天查加夫亲访剑桥，与沃森和克里克见面后，沃森和克里克对这一发现也未重视。,后来，沃森和克里克终于意识到查加夫发现的重要性，并请剑桥的青年数学家约翰格里菲斯计算出A吸引T、G吸引C，A+T的宽度与G+C的宽度相等之后，很快就拼凑出了DNA分子的模型。,1953,年，沃森（,Watson J.D.,）和克里克（,CrickF.H.C.,）提出,DNA,双螺旋结构模型,主要依据为碱基互补配对的规律以及,DNA,分子的,X,射线衍射结果,沃森、克里克与维尔肯斯,(Wilkins),一起获得诺贝尔奖,(1962),3、,DNA,双螺旋结构,特点,：,沃森和克里克在1953年4月25日的自然杂志上，以1000多字的短文和一幅插图公布了他们的发现。,在论文中，沃森和克里克以谦逊的笔调，暗示了这个结构模型在遗传上的重要性：“我们并非没有注意到，我们所推测的特殊配对，立即暗示了遗传物质的复制机理。”,DNA分子模型发表,DNA,双螺旋结构特点,：,两条互补多核酸链、在同一轴上互相盘旋；,双链具有反向平行的特点；,碱基配对原则为：,A=T,、,G=C,，双螺旋直径约,20A,，螺距为,34A(10,个碱基对,),。,。,。,4、,DNA,双螺旋结构的生物学意义,沃森和克里克在随后发表的论文中，详细说明了DNA双螺旋模型对遗传学研究的重大意义：,第一，它能够说明遗传物质的自我复制。在复制时，,DNA,的双链拆开，成为两个模板，再根据碱基配对的原则，复制成两个与原来的,DNA,序列一模一样的新分子。在这两个新,DNA,分子中，各有一条旧链和一条新合成的链。这个“半保留复制”的设想后来被麦赛尔逊和斯塔勒用同位素追踪实验证实。,第二，它能够说明遗传物质是如何携带遗传信息的。,DNA,上的碱基序列就是遗传信息，,4,种碱基的排列组合可以携带无限多样的遗传信息。,第三，它能够说明基因是如何突变的。基因突变是由于碱基序列发生了变化，这样的变化可以通过复制而得到保留。,后随链的不连续复制,：,(,考恩伯格,1967),：在,3,5,方向链上，仍按从,5,3,的方向，一段段地合成,DNA,单链小片段（称冈崎片段,，,1000 2000bp),，,由连接酶连接这些片段，,形成一条连续的单链。,先导链复制,：合成,DNA,片段之前，先由,RNA,聚合酶合成一小段,RNA,引物,(,约有,20,个碱基对,),，,DNA,聚合酶才开始起作用合成,DNA,片段。,DNA,聚合酶，以,5,3,向发挥作用,半保留复制（semiconservative）,沃森,(Watson J.D.),第三节,DNA与蛋白质,一级结构,：蛋白质分子都有自己特有的氨基酸的组成和排列顺序，即一级结构。,二级结构,：是指多肽链借助于氢键沿一维方向排列成具有周期性的结构的构象，是多肽链局部的空间结构（构象），主要有螺旋、折叠、转角等几种形式，它们是构成蛋白质高级结构的基本要素。,三级结构,：单条多肽链在二级结构基础上形成的空间结构。,四级结构,：由两个或多个肽链组成的蛋白质的天然空间结构。如果某个蛋白质只由一条肽链构成，那么它就没有四级结构。,1、蛋白质的结构,结构域是在二级结构或超二级结构的基础上形成三级结构的局部折叠区，一条多肽链在这个域范围内来回折叠，但相邻的域常被一个或两个多肽片段连结。,结构域：,单肽链内相对独立的结构、功能或折叠方式单位。,可以与未折叠的蛋白结合使其在获得正确折叠之前维持未折叠的可溶状态，,可以通过与错误折叠的蛋白结合使其重新回到未折叠状态并进一步正确折叠。,分子伴侣本身并不含有有关正确折叠的任何特定信息,它们只是通过疏水键阻止非天然状态的蛋白分子间或分子内的不正确相互作用,从而增加正确折叠的产率。,分子伴侣：,是一类能特异地结合和释放底物蛋白的蛋白分子，它们帮助底物蛋白实现正确折叠、寡聚体组装、向特定细胞器转运或变换活化,/,去活化构象等。,4,1,=4,种：缺,16,种氨基酸；,4,2,=16,种：比,20,种氨基酸还缺,4,种；,4,3,=64,种,：由三个碱基一起组成的密码子能够形成,64,种组合，,20,种氨基酸多出,44,种。,2、遗传密码及其特征,密码子,从,1961,年开始，在大量试验的基础上，分别利用,64,个已知三联体密码，找到了相对应的氨基酸。,19661967,年，完成了全部遗传密码表。,A,三联体密码：,三个碱基决定一种氨基酸；均以,3,个一组形成氨基酸密码。,遗传密码间不能重复,:,在一个,mRNA,上每个碱基只属于一个密码子；,61,个为有意密码。,遗传密码的基本特征：,A U G U A C U G U C A C,A U G U,U,A C U G U C A,B,.密码子之间无逗号,密码子与密码子之间无逗号，按三个三个的顺序一直阅读下去，不漏读不重复。,如果中间某个碱基增加或缺失后，阅读就会按新的顺序进行下去，最终形成的多肽链就与原先的完全不一样(称移码突变)。,甲硫氨酸 酪氨酸 半胱氨酸 组氨酸,甲硫氨酸 亮氨酸 亮氨酸 丝氨酸,.,简并现象：几种密码子编码同一种氨基酸，就称为,简并现象,。,4,3,=64,种,：由三个碱基一起组成的密码子能够形成,64,种,组合，,20,种氨基酸多出,44,种。,色氨酸,(UGG),和甲硫氨酸,(AUG),例外，仅一个三联体密,码；其余氨基酸都有一种以上的密码子。,编码同一种氨基酸的两种以上的密码子称为,简并密码子,。,C,简并性：,.,简并现象的意义：,同义的密码子越多，生物遗传的稳定性也越大。,如：,UCU,、,UCC,或,UCA,或,UCG,，均为丝氨酸。,D,、终止密码子,终止密码：为蛋白质合成终止信号,(,3,个,),UAA,、,UAG,、,UGA,，,起始密码为：,GUG,AUG,(,甲硫氨酸,),E,、起始密码,F,.偏爱密码子：,不同生物往往偏向于使用其中的一种，这种被经常使用的密码子称为,偏爱密码子,。,G,摆动假设,：,决定同一个氨基酸或性质相近的不同氨基酸的多个密码子中，第,1,个和第,2,个碱基的重要性大于第,3,个碱基，往往只是最后一个碱基发生变化。,例如：脯氨酸（,pro,）：,CCU,、,CCC,、,CCA,、,CCG,精氨酸（,Arg,）：,CGU,、,CGC,、,CGA,、,CGG,在整个生物界中，从病毒到人类，遗传密码通用。,4,个基本碱基符号,所有氨基酸,所有蛋白质 生物种类、生物体性状。,极少数例外；,物种所特有的现象。支原体的,UGA,不在是,终止密码，而是编码色氨酸；嗜热四膜虫的,UAA,不在是,终止密码，而编码谷氨酰胺。,线粒体,DNA,密码子不同于染色体,DNA,的密码子。,UGA,不在是终止信号，而是编码色氨酸；,AGA,、,AGG,在动物线粒体中不是编码精氨酸，而称为终止密码。,H,通用性：,3、中心法则,中心法则：,遗传信息在,细胞,内的生物大分子间转移的基本法则。遗传信息的转移可以分为两类：第一类用实线箭头表示，包括,DNA,的复制、,RNA,的转录和蛋白质的翻译，即,DNADNA,（复制）,DNARNA,（转录）,RNA,蛋白质（翻译）,这三种遗传信息的转移方向普遍地存在于所有生物细胞中。,（1）,RNA,的反转录,1970,年,Temin,等在致癌,RNA,病毒中发现了一种特殊的,DNA,聚合酶，该酶以,RNA,为核板，根据碱基配对原则，按照,RNA,的核苷酸顺序,(,其中,U,与,A,配对,),合成,DNA,。这一过程与一般遗传信息流转录的方向相反,故称为反转录,催化此过程的,DNA,聚合酶叫做反转录酶。后来发现反转录酶不仅普遍存在于,RNA,病毒中，哺乳动物的胚胎细胞和正在分裂的淋巴细胞中也有反转录酶。,反转录酶的作用是以,dNTP,为底物，以,RNA,为模板，在,tRNA3-OH,末端上，按,53,方向，合成一条与,RNA,模板互补的,DNA,单链，这条,DNA,单链叫做互补,DNA(complementary,DNA,cDNA,),，它与,RNA,模板形成,RNA-DNA,杂交体。随后又在反转录酶的作用下，水解掉,RNA,链，再以,cDNA,为模板合成第二条,DNA,链。至此，完成由,RNA,指导的,DNA,合成过程。,4中心法则的发展,RNA,的反转录意义,致癌机理研究有重要作用,。,携带反转录酶的病毒又称为反转录病毒，它侵入宿主细胞后先以病毒,RNA,为模板靠反转录酶催化合成,DNA,，随后这种,DNA,环化并整合到宿主细胞的染色体,DNA,中去，以原病毒,(provirus),的形式在宿主细胞中一代代传递下去。以后又发现许多反转录病毒基因组中都含有癌基因,(,oncogene,),，如果由于某种因素激活了癌基因就可使宿主细胞转化为癌细胞。,4中心法则的发展,对于遗传工程上基因的酶促合成（,cDNA,）。,增加中心法则中遗传信息的流向，丰富了中心法则内容。,.RNA,的自我复制：,大部分,RNA,病毒还可以把,RNA,直接复制成,RNA,。,在,RNA,复制型的生物中，生物体的遗传信息流动包含,2,点：,RNA,的自我复制，遗传信息流动方向由,RNARNA,；翻译，遗传信息流动方向由,RNA,蛋白质。这种类型的生物主要针对植物病毒如烟草花叶病毒和动物病毒如脊髓灰质炎病毒等。,有些遗传信息的流动只有,1,种：,RNA,的自我复制，遗传信息流动方向由,RNARNA,；这种类型的生物主要针对,SARS,病毒,流感病毒等。,.DNA,指导的蛋白质合成,：,60,年代,麦克斯,McCarthy,和荷勒,Holland,：试验体系中加入抗生素等，变性的单链,DNA,在离体条件下可以直接与核糖体结合，指导蛋白质的合成。,羊瘙痒病、牛海绵脑病（疯牛病）,朊,粒,(,Prion,),疯牛病,疯牛病的病原体朊粒是传染性蛋白质颗粒，是不含有核酸的感染性蛋白因子，其主要成份是一种蛋白酶杭性蛋白（,PrP,），具有对蛋白酶的抵抗力，易溶于去污剂、有致病力和不诱发抗体等特性，给予患病动物及人类的诊断和防治带来很大麻烦，给予人类和动物的健康和生命带来严重的威胁。,该朊粒耐高温，加热到,360,仍有感染力，植物油的沸点（,160,一,170,）不足以灭活病原，且还耐甲醛、耐强碱。鉴此，其传染性强、危害性大越来越引起人类的恐慌和关注。,5、蛋白质自我复制？,羊痒疫,(scripie),人类,kuru,病,牛海绵状脑炎(疯牛病),高度纯化的病体脑组织的感染性粒子,可被蛋白酶K抑制,不被核酸酶和辐射灭活,不含大于100nt的核酸,28kD 的疏水性糖蛋白,由核基因组基因,PrP（Prion Protei）编码,Prion(proteinaccous infections particle),传染性病原蛋白颗粒引起的风波,PrPC,PrP PrP*,PrPSC,PrP,C,、PrP,SC,的三维结构,朊,粒(Prion),朊粒这是只含蛋白质而无核酸的分子PrPSC；,哺乳动物细胞里的基因编码产生一种糖蛋白,PrP,。人的,PrP,基因位于,20,号染色体短臂，,PrP,由,253,个氨基酸残基组成，在氨基端有,22,个氨基酸组成的信号 肽。,在正常脑组织中的,PrP,称为,PrPc,，相对分子质量为,33 000,35 000,，对蛋白酶敏感。在病变脑组织中的,PrP,称为,PrPsc,，相对分子质量为,27 000,30 000,，是,PrPc,中的一段，蛋白酶对其不起作用。现在知道，,PrPc,和,PrPsc,是,PrP,的两种异构体，氨基酸组分和线性排列次序相同，但是三维构象不同。,PrP PrP*PrP,PrP,PrP,增殖机制还不清楚。,据推测，,PrP,与细胞表面,PrP,的结合，可触发后者变构形成更多的,PrP,（不可逆）。,大量,PrP,从细胞释放后在脑组织聚合，组成特殊的淀粉样斑块，进一步发展为海绵状脑病。,蛋白质是否遗传物质？,SC,SC,C,SC,SC,C,SC,