第三章第三节原核生物转录与遗传密码

遗传密码的破译素材阅读一、历史的步伐1、1866年，孟德尔提出遗传定律。

2、1883年，科学家发现马蛔虫配中的染色体数目只有体细胞中的一半。

3、1890年，科学家确认了减数分裂产生配子。

4、1891年，科学家描述了减数分裂的全过程。

5、1902年，鲍维丰(T.Boveri)和1903年萨顿(W.Sutton)在研究减数分裂时，发现遗传因子的行为与染色体行为呈平行关系，提出染色体是遗传因子载体，可说是染色体遗传学说的初步论证。

6、1909年的约翰逊(W.Johannsen)称孟德尔假定的“遗传因子”为“基因”，并明确区别基因型和表型。

7、1909年，詹森斯(F.A.Janssen)观察到染色体在减数分裂时呈交叉现象，为解释基因连锁现象提供了基础。

8、1909年，摩尔根(T.H.Morgan,1866-1945)开始对果蝇迸行实验遗传学研究，发现了伴性遗传的规律。

他和他的学生还发现了连锁、交换和不分离规律等。

并进一步证明基因在染色体上呈直线排列，从而发展了染色体遗传学说。

1926年摩尔根提出基因学说，发表《基因论》。

9、20世纪中叶，科学家发现染色体主要是由蛋白质和DNA组成的。

10、1928年格里菲思的肺炎双球菌实验。

11、1940年艾弗里用纯化因子研究肺炎双球菌的转化的实验。

12、1941年提出了一个基因一种酶的假说。

一个基因一种酶假说暗示了基因的作用是指导蛋白质分子的最后构型，从而决定其特异性。

13、1944年，理论物理学家薛定谔发表的《什么是生命》一书中就大胆地预言，遗传物质是一种信息分子，可能类似作为一般民用的莫尔斯电码的两个符号：“·”、“—”，通过排列组合来储存遗传信息。

14、1952年赫尔希和蔡斯的T2噬菌体侵染大肠杆菌的实验。

确认DNA是遗传物质。

15、1953年，沃森和克里克发现DNA双螺旋结构。

16、1957年提出一个中心法则：遗传信息可以从DNA流向DNA，也可以从DNA 流向RNA，进而流向蛋白质。

GDOU-B-11-213《分子遗传学》课程教学大纲课程简介课程简介:在分子水平上研究生物遗传和变异机制的遗传学分支学科。

经典遗传学的研究课题主要是基因在亲代和子代之间的传递问题；分子遗传学则主要研究基因的本质（包括基因的化学性质、结构和组织）、基因的功能以及基因的变化等问题。

分子遗传学是从微生物遗传学发展起来的。

虽然分子遗传学研究已逐渐转向真核生物方面，但是以原核生物为材料的分子遗传学研究还占很大的比重。

此外，由于微生物便于培养，所以在分子遗传学和重组DNA技术中微生物遗传学的研究仍将占有重要的位置。

分子遗传学方法还可以用来研究蛋白质的结构和功能。

课程大纲一、课程的性质与任务：本课程为生物学学科各专业本科生的学科基础课。

本课程的主要内容为基因的结构、复制和转录以及和转录后调控、翻译，基因突变，DNA的复制、修复，原核与真核生物的基因表达调控。

二、课程的目的与基本要求：通过对本课程的学习，希望学生掌握现代分子遗传学的基本原理和概念，了解目前生命科学的主要热点和发展趋势，为独立地阅读分析原始文献和从事专业研究打下基础。

三、面向专业：生物技术四、先修课程: 生物化学、遗传学五、本课程与其它课程的联系：本课程设计为遗传学之后续课程。

通过对本课程的学习，希望学生掌握现代分子遗传学的基本原理和概念，了解目前分子遗传学的主要热点和发展趋势，为以后的基因工程、基因组学等学科打下基础。

六、教学内容安排、要求、学时分配及作业：第一章遗传的物质基础——DNA（6学时）第一节DNA携带着两类不同的遗传信息（A）第二节DNA的一级结构（A）第三节DNA的二级结构（B）一、Watson-Crick右手双螺旋结构二、决定双螺旋结构的因素第四节DNA物理结构的不均一性（B）一、反向重复序列二、富含A/T的序列三、嘌呤和嘧啶的排列顺序对双螺旋结构稳定性的影响第五节DNA双螺旋结构的呼吸作用（A）第六节DNA的变性、复性、杂交和Cot曲线（A）一、变性二、复性三、杂交四、Cot曲线第二章有机体、染色体和基因（6学时）第一节原核生物和真核生物（A）第二节基因组大小与C值矛盾（B）第三节原核生物染色体及其基因（B）一、大肠杆菌染色体二、噬菌体第四节真核生物的染色体（B）一、真核生物DNA复性动力学二、真核生物染色体上的单一序列和重复序列以及卫星DNA三、卫星DNA的等级结构及其起源和进化四、染色质和核小体五、着丝点六、端粒第五节真核生物的基因（A）一、不连续基因二、基因家族与基因簇三、串联重复基因四、细胞器基因第六节基因定位（C）一、遗传交换定位法二、接合定位法三、染色体步行和染色体跳跃第七节基因的分子进化（C）第八节早期生命进化的三界系统理论（C）一、原核生物之间的巨大差异二、基于16s rRNA碱基变化的通用系统发生分类法三、内共生作用参与了真核生物的进化第三章DNA的复制（6学时）第一节DNA的半保留复制（A）第二节复制原点、方向和方式（A）第三节DNA复制的酶学（B）一、DNA的聚合反应和聚合酶二、脱氧核甘三磷酸前体的来源三、三种DNA聚合酶的结构和功能四、DNA连接酶五、与DNA几何学性质相关的酶第四节DNA复制的半不连续性（B）一、DNA半不连续性复制的发现二、引物和引发酶三、前体片断的连接第五节DNA复制机构的复杂性（C）第六节DNA复制的起始（B）一、先导链合成的起始（上）：从新起始二、先导链合成的起始（下）：共价延伸三、后随链的前体片断的起始四、由复制体进行先导链和后随链的同时复制第七节复制的终止（A）一、环形DNA复制的终止二、线形DNA复制的终止第八节真核生物的DNA复制（A）一、真核生物的复制原点、复制元和复制元族二、真核生物的DNA聚合酶和引发酶三、SV40的大T抗原与复制原点四、SV40以及其他真核生物的DNA复制过程五、真核生物染色体末端DNA的复制六、真核生物复制过程中的核小体结构第九节复制的调控（B）第四章以修复作用为中心的DNA的安全保障体系（4）第一节复制修复（A）一、尿嘧啶糖基酶系统二、错配修复系统第二节损伤修复（A）一、胸腺嘧啶二聚体的产生二、胸腺嘧啶二聚体修复的生物学指征三、胸腺嘧啶二聚体修复的分子生物学机制四、其他损伤类型及其修复第三节限制与修饰（A）一、限制—修饰现象二、限制—修饰系统三、限制—修饰系统的生物学意义第五章突变（4学时）第一节概述：突变定义及其分类（A）第二节条件型突变（A）第三节回复突变和抑制突变（A）一、回复突变的鉴定和分类二、基因内抑制突变三、基因间抑制突变四、基因间间接突变第四节突变剂和突变生成（B）一、碱基类似物在DNA复制时的渗入二、DNA分子上碱基的化学修饰三、嵌合剂的致突变作用四、转座成分的致突变作用五、增变基因六、紫外线的致突变作用七、突变热点第五节离体定向诱变（B）第六章转录（6学时）第一节概述（B）第二节R NA合成的酶学（B）一、RNA合成的基本特征二、 E.coli RNA聚合酶三、真核生物的RNA聚合酶第三节控制转录起始的DNA序列——操作子和启动子的结构（B）一、操纵元及其结构二、原核生物的启动子结构三、鉴别RNA聚合酶等蛋白质在DNA上结合位点的方法四、真核生物的启动子第四节转录的起始和延伸（B）第五节转录的终止（A）一、终止序列和释放因子二、终止与抗终止及抗终止因子三、真核生物转录的终止第六节转录后处理（一）转录产物的修饰——真核生物mRNA的帽子和尾巴（A）一、帽子二、多聚（A）尾巴第七节转录后处理（二）基因间序列的去除——稳定RNA从多基因转录产物中的分离（A）一、不稳定RNA与稳定RNA二、rRNA的转录后处理三、tRNA的转录后处理第八节转录后处理（三）内元的去除——RNA的拼接（A）一、概述二、tRNA 的拼接三、第Ⅰ类内元的拼接四、编码RNA成熟酶的内元五、第Ⅱ类内元的拼接六、核基因mRNA内元的拼接第九节转录后处理（四）不连续转录和反式拼接（B）第十节逆转录（A）第七章翻译（6学时）第一节tRNA和遗传密码（A）一、tRNA的结构二、密码子与反密码子三、副密码子与氨酰基tRNA的合成四、tRNA的丰富度与密码子的使用频率五、密码的通用性，线粒体密码的特殊性和密码的进化第二节核糖体——制造蛋白质的工厂（B）一、核糖体的结构二、核糖体的装配三、核糖体突变四、核糖体的活性位点第三节肽链的合成（B）一、合成的起始二、延伸三、终止和肽链的释放第四节mRNA的结构与翻译（A）一、原核生物的多顺反子mRNA的翻译二、真核生物核糖体形成位点与双功能mRNA三、只有最后一个终止密码子的多基因mRNA的翻译第五节蛋白质在细胞内的越膜运输、定位和翻译后处理（A）一、概述二、细菌中蛋白质的越膜三、真核生物蛋白质的转运、分拣和锚定四、翻译后处理第八章原核生物基因表达的调控（6学时）第一节概述（A）第二节正调控与负调控（A）第三节操纵元的原型——乳糖操纵元（A）一、操纵元模型的提出二、乳糖操纵元的调控机理三、阻遏蛋白与操纵子的相互作用四、乳糖操纵元的正调控第四节操纵元的其他调控形式（B）一、具有双启动子的半乳糖操纵元二、阿拉伯糖操纵元：具有双重功能（正控制和负控制）的调节蛋白质三、色氨酸操纵元：可阻遏系统第五节基因转录的时序调控（A）一、枯草杆菌中6亚基的更迭二、大肠杆菌热震惊基因的表达三、T4噬菌体生长中RNA聚合酶亚基的修饰和6亚基的替换四、T7噬菌体生长过程中用噬菌体RNA聚合酶代替寄主的RNA聚合酶五、入噬菌体早期、晚期基因转录以及裂解生长和溶原生长的调控第六节基因转录的翻译调控——衰减子系统（B）一、概述二、衰减子的作用机制三、衰减子的普遍性及其生物学意义四、负责核甘酸合成的基因的衰减子第七节翻译水平的调控（B）一、反义RNA的调控作用二、mRNA本身的二级结构影响翻译的进行三、mRNA的寿命对基因表达的调控四、蛋白质合成的自体调控五、严谨反应第八节DNA序列重排对基因转录的调控（B）第九章真核生物基因表达的调控（4学时）第一节概述（B）一、真核生物基因调控的特点二、活跃表达基因的数目三、基因表达的不同水平：丰富mRNA和稀少mRNA四、持家基因和奢侈基因五、胚胎分化过程中有可能存在着相对简单的分子开关第二节DNA水平的调控（A）一、基因丢失二、基因扩增三、基因重排第三节活跃转录基因的染色质结构（B）一、转录基因的核小体结构二、DNA酶Ⅰ优先敏感性和HMG蛋白质三、DNA酶Ⅰ超敏感点四、组蛋白的修饰作用五、DNA的甲基化和去甲基化第四节转录水平的调控（A）一、Brtten-Davidson模型二、基因调控的顺式作用成分三、基因调控的反式作用因子四、真核基因转录调控的机制第五节rRNA基因的转录：先终止还是先起始（B）第六节意外的意外：RNA聚合酶Ⅲ启动子的多形性和三种RNA聚合酶及其启动子的共通性（A）第七节真核生物中转录的翻译调控（A）第八节转录后水平的调控（B）一、hnRNA的选择性加工运输二、mRNA前体的选择性拼接第九节翻译水平的调控（B）一、mRNA的稳定性二、mRNA翻译起始的调控三、真核生物蛋白质合成的自体调控第十章遗传重组（6学时）第一节概述（B）第二节同源重组分子机制（B）一、断裂-复合及Holliday中间体的形成二、Holliday中间体的拆分三、异源双链与基因转换四、细菌转化、接合和转导的重组机制第三节同源重组的酶学机制——RecA蛋白质和RecBCD蛋白质在同源重组中的作用（B）一、RceA蛋白质在联会和链交换中的作用二、RceA蛋白质和Holliday中间体的形成三、RceBCD在同源重组中的作用和重组热点四、拆分Holliday中间体的酶活性五、RceF途径第四节依赖于同源重组的位点特异性的序列代换——酵母MAT序列的转换（B）第五节位点特异性重组（B）一、入噬菌体DNA的整合与切除二、入噬菌体整合的分子机制第六节细菌中的转座成分（B）一、转座成分概述二、插入序列三、复合转座元四、Tn10和Tn5的末端组件与转座的调节五、转座的机制六、Tn3及其转座作用七、作为转座成分的Mu噬菌体八、沙门氏菌鞭毛相变中的转座机制第七节真核生物中的转座成分（一）真核生物转座成分的分类及其典型代表（B）一、真核生物中的转座成分及其分类二、酵母的Ty成分三、果蝇的copia等转座成分四、玉米的转座成分第八节真核生物中的转座成分（二）还原病毒（B）一、通过DNA中间体复制其基因组RNA二、还原病毒的基因组结构三、还原病毒基因组RNA到原病毒DNA的转变过程四、原病毒的基因表达五、还原病毒的癌基因及其起源六、还原病毒和转座元的关系第九节真核生物中的转座成分（三）非病毒返座元（B）一、概述二、RNA聚合酶Ⅱ转录产物的返座假基因和返座基因三、RNA聚合酶Ⅲ转录产物的返座元四、关于返座的机制七、实验名称与类别:八、实验目的、内容与要求（按上表实验序号分别填写）九、教材与参考书：本课程选用教材:分子遗传学，孙乃恩、孙东旭、朱德煦编著，南京大学出版社出版，1990年，第一版。

现代分子生物学复习资料第一章绪论分子生物学：是研究核酸、蛋白质等所有生物大分子的形态、结构及其重要性、规律性和相互关系的科学分子生物学的主要研究内容1、DNA重组技术2、基因表达调控研究3、生物大分子的结构功能研究——结构分子生物学4、基因组、功能基因组与生物信息学研究5、DNA的复制转录和翻译第二章染色体与DNA半保留复制：DNA在复制过程中碱基间的氢键首先断裂，双螺旋解旋并被分开，每条链分别作为模板合成新链，产生互补的两条链。

这样新形成的两个DNA分子与原来DNA分子的碱基顺序完全一样，因此，每个子代分子的一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的，所以这种复制方式被称为DNA半保留复制DNA半不连续复制：DNA双螺旋的两条链反向平行，复制时，前导链DNA的合成以5′-3′方向，随着亲本双链体的解开而连续进行复制；后随链在合成过程中，一段亲本DNA单链首先暴露出来，然后以与复制叉移动相反的方向、按照5′-3′方向合成一系列的冈崎片段，然后再把它们连接成完整的后随链，这种前导链的连续复制和后随链的不连续复制称为DNA 的半不连续复制原核生物基因组结构特点：1、基因组很小，大多只有一条染色体2、结构简练3、存在转录单元，多顺反子4、有重叠基因真核生物基因组的结构特点：1、真核基因组庞大，一般都远大于原核生物的基因组2、真核基因组存在大量的重复序列3、真核基因组的大部分为非编码序列，占整个基因组序列的90％以上，该特点是真核生物与细菌和病毒之间最主要区别4、真核基因组的转录产物为单顺反子5、真核基因是断裂基因，有内含子结构6、真核基因组存在大量的顺式作用元件，包括启动子、增强子，沉默子等7、真核基因组中存在大量的DNA多态性8、真核基因组具有端粒结构DNA转座（移位）是由可移位因子介导的遗传物质重排现象DNA转座的遗传学效应：1、转座引入插入突变2、转座产生新的基因3、转座产生的染色体畸变4、转座引起生物进化转座子分为插入序列和复合型转座子两大类环状DNA复制方式：θ型、滚环型和D-环型第三章生物信息的传递（上）从DNA到RNA转录：指拷贝出一条与DNA链序列完全相同的RNA单链的过程启动子：是一段位于结构基因5′段上游区的DNA序列，能活化RNA聚合酶，使之与模板DNA准确地结合并具有转录起始的特异性原核生物启动子结构：存在位于-10bp处的TATA区和-35bp处的TTGACA区，其是RNA聚合酶与启动子的结合位点，能与σ因子相互识别而具有很高的亲和力终止子：是给予RNA聚合酶转录终止信号的DNA序列（促进转录终止的DNA序列）终止子的类型：不依赖于ρ因子和依赖于ρ因子增强子：能增强或促进转录起始的序列增强子的特点：1、远距离效应2、无方向性3、顺式调节4、无物种和基因的特异性5、具有组织特异性6、有相位性7、有的增强子可以对外部信号产生反应上升突变：增加Pribnow区共同序列的同一性，将Pribnow区从TATGTT变成TATATT的启动子突变，会提高启动子的效率，提高乳糖操纵子基因的转录水平下降突变：把Pribnow区从TATAAT变成AATAAT的启动子突变，会大大降低其结构基因的转录水平RNA编辑及其生物学意义：RNA的编辑是某些RNA，特别是mRNA前体的一种加工方式，如插入、删除或取代一些核苷酸残基，导致DNA所编码的遗传信息的改变生物学意义：1、校正作用2、调控翻译3、扩充遗传信息RNA的再编码：mRNA在某些情况下不是以固定的方式被翻译，而可以改变原来的编码信息，以不同的方式进行翻译，科学上把RNA编码和读码方式的改变称为RNA的再编码比较原核和真核基因转录起始位点上游区的结构：1、原核基因启动区范围较小，一般情况下，TATAAT的中心位于-10——-7，上游-70——-30区为正调控因子结合序列，-20——+1区为负调控因子结合序列；真核基因调控区较大，TATAA/TA区位于-30——-20，而-110——-40区为上游激活区-2、除Pribnow区之外，原核基因启动子上游只有TTGACA区作为RNA聚合酶的主要结合位点，参与转录调控；而真核基因除了含有可与之相对应的CAAT区之外，大多数基因还拥有GC区和增强子区第四章翻译：所谓翻译是指将mRNA链上的核苷酸从一个特定的起始位点开始，按每3个核苷酸代表一个核苷酸的原则，依次合成一条多肽链的过程。

遗传密码遗传密码决定蛋⽩质中氨基酸顺序的核苷酸顺序 ，由3个连续的核苷酸组成的密码⼦所构成 。

由于脱氧核糖核酸（DNA ）双链中⼀般只有⼀条单链（称为有义链或编码链）被转录为信使核糖核酸（mRNA ），⽽另⼀条单链（称为反义链）则不被转录，所以即使对于以双链 DNA 作为遗传物质的⽣物来讲，密码也⽤核糖核酸(RNA ）中的核苷酸顺序⽽不⽤DNA 中的脱氧核苷酸顺序表⽰。

遗传密码编辑⽅向性连续性简并性摆动性通⽤性阅读⽅式验证猜想破译⽅法破解原理起始和终⽌密码⼦简并性阅读框⾮标准的遗传密码⽬录1概念2特点3破解历史4历史起源5密码⼦表6逆密码⼦表7技术细节8结构基因的表达9⼀代密码10⼆代密码11医学应⽤12意义英⽂名：geneticcodon遗传密码遗传密码⼜称密码⼦、遗传密码⼦、三联体密码。

指信使RNA (mRNA ）分⼦上从5'端到3'端⽅向，由起始密码⼦AUG 开始，每三个核苷酸组成的三联体。

它决定肽链上每⼀个氨基酸和各氨基酸的合成顺序，以及蛋⽩质合成的起始、延伸和终⽌。

遗传密码遗传密码是⼀组规则，将DNA 或RNA 序列以三个核苷酸为⼀组的密码⼦转译为蛋⽩质的氨基酸序列，以⽤于蛋⽩质合成。

⼏乎所有的⽣物都使⽤同样的遗传密码，称为标准遗传密码；即使是⾮细胞结构的病毒，它们也是使⽤标准遗传密码。

但是也有少数⽣物使⽤⼀些稍微不同的遗传密码。

⽅向性密码⼦是对mRNA 分⼦的碱基序列⽽⾔的，它的阅读⽅向是与mRNA 的合成⽅向或mRNA 编码⽅向⼀致的，即从5'端⾄3'端。

连续性mRNA 的读码⽅向从5'端⾄3'端⽅向，两个密码⼦之间⽆任何核苷酸隔开。

mRNA 链上碱基的插⼊、缺失和重叠，均造成移框突变。

简并性概念遗传密码遗传密码特点[1]遗传密码表遗传密码表指⼀个氨基酸具有两个或两个以上的密码⼦。

密码⼦的第三位碱基改变往往不影响氨基酸翻译。

摆动性mRNA 上的密码⼦与转移RNA(tRNA )J 上的反密码⼦配对辨认时，⼤多数情况遵守碱基互补配对原则，但也可出现不严格配对，尤其是密码⼦的第三位碱基与反密码⼦的第⼀位碱基配对时常出现不严格碱基互补，这种现象称为摆动配对。

第三章第三节原核生物转录与遗传密码教学目标：重难点：教学内容：一、原核生物转录（一）转录起始1模板识别：第一步：RNA聚合酶的δ亚基发现识别位点，全酶就与启动子的-35区序列结合，形成一个“封闭二元复合物”，封闭指此时DNA保持双螺旋结构，二元指DNA与RNA聚合酶；第二步：与RNA聚合酶结合的启动子处DNA序列“溶解”，形成开放二元复合物，此过程，RNA聚合酶结构变化，DNA双链打开。

2转录开始：RNA第一个核苷酸合成到RNA聚合酶离开启动子为止。

三元复合物处，RNA成功合成超过10个核苷酸链的RNA后离开启动子。

RNA聚合酶全酶释放δ因子，形成核心酶、DNA模板和新生RNA链组成的稳定三元延伸复合物。

（二）转录延伸：RNA聚合酶沿DNA双链移动，双链DNA解旋，模板暴露，核苷酸链接到3，端，形成RNA-DNA 杂合链；解链区后，DNA双链重新形成双螺旋。

（三）转录终止：一般情况下，RNA聚合酶起始基因转录后，它就会沿着模板5'→3'方向不停地移动，合成RNA链，直到碰上终止信号时才与模板DNA相脱离并释放新生RNA链；终止发生时，所有参与形成RNA-DNA杂合体的氢键都必须被破坏，模板DNA链才能与有义链重新组合成DNA双链。

不依赖于ρ因子的终止：不依赖于ρ因子的强终止子序列两个结构特征：（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DNA碱基序列，它们转录的RNA链的末端为一连串U（连续6个）。

模板DNA上存在终止转录的特殊信号―终止子，每个基因或操纵子都有一个启动子和一个终止子；终止位点上游一般存在一个富含GC碱基的二重对称区，由这段DNA转录产生的RNA容易形成发卡式结构；在终止位点前面有一段4～8个A组成的序列，所以转录产物的3'端为寡聚U，这种结构特征的存在决定了转录的终止；在新生的RNA中出现发卡式结构会导致RNA聚合酶的暂停，破坏RNA-DNA杂合链5'端的正常结构。