第九节遗传信息的传递
2020-01-12 来源：未知 内容标签：第九,节,遗传,信息,的,传递,第九,节,遗传,
导读：第九节遗传信息的传递 一、遗传信息传递的概述 遗传信息的传递，是生命延续的根本保证，也是生物性状代代相传的基本途径。DNA是 遗传信息的载体。遗传信息的传递包括DNA的生物合
第九节遗传信息的传递
一、遗传信息传递的概述
遗传信息的传递，是生命延续的根本保证，也是生物性状代代相传的基本途径。DNA是 遗传信息的载体。遗传信息的传递包括DNA的生物合成(复制）、RNA的生物合成(转录）、 蛋白质的生物合成(翻译)。这些过程受到严密的调控。
基因（gene)是编码生物活性产物的DNA功能片断，这些产物主要是蛋白质和各种 RNA。通过基因转录和翻译，由DNA决定蛋白质的一级结构，进而形成高级结构，发挥蛋白 质的功能。DNA通过复制，将基因信息代代相传。目前认识的遗传信息传递的中心法则（the central dogma)见图 1-1〇
复制 DNA | RNA
>蛋白质
XU
7、 ^
逆转录
图1-1中心法则
二、DNA的生物合成
(一）DNA生物合成的概念
DNA的生物合成主要包括DNA复制与逆转录。DNA复制是以母链DNA为模板合成 子链DNA的过程。逆转录是以RNA为模板，合成DNA互补链，再以此DNA链为模板合成 第二条DNA链的过程。
(二）DNA的复制过程
ft相一致的遗传物 质，使复制具有高保真性(high fidelity
)。
DNA复制时，母链DNA解开为两股单链，各自作为模板，按碱基配对规律合成与模板互 补的子链。因此，子代细胞的DNA，一股单链从亲代完整地接受过来，另一股单链则完全重新 合成，这种复制方式称为半保留复制。
DNA复制时，复制叉上的两股母链也是走向相反，子链沿着母链模板复制，只能从5'至 3'方向延伸。在同一复制叉上只有一个解链方向。顺着解链方向生成的子链，复制是连续进 行的。另一股链因为复制的方向与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长，必须待模板链 解开至足够长度，然后从5'^3'生成引物并复制子链，这就是所谓的半不连续复制。复制中的 不连续合成的片段被命名为冈崎片段。
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DNA复制起始点基因组是某一生物个体拥有的全部遗传物质。当细胞增殖时，需 复制完整的遗传物质。真核细胞含有多个染色体，每个染色体又有多个复制起始点，属于多复 制子的复制。从一个DNA复制起始点起始的DNA复制区域称为复制子。复制时,DNA从 起始点向两个方向解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，称为双向复制。复制完成时，复制 叉相遇并汇合连接。
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DNA复制需要的酶类复制是在酶催化下的核苷酸聚合过程，需要多种生物分子共 同参与:底物(dATP、dGTP、dCTP和dTTP,总称dNTP);依赖DNA的DNA聚合酶(DNA- P〇l);模板(解开成单链的DNA母链）；引物（提供3'-0H末端使dNTP可以依次聚合）；其他 酶和蛋白质因子。
原核生物的DNA聚合酶有3种:DNA-pol I、DNA-pol n和DNA-pol II。这三种聚合 酶都有5'—3'延长脱氧核苷酸链的聚合活性及3'—5'核酸外切酶活性。DNA-pol瓜由10种 亚基组成不对称异源二聚体。DNA-pol DI的比活性远高于pol I，因此DNA-pol m是原核生 物复制延长中起催化作用的酶。
真核细胞DNA聚合酶已发现有15种之多，常见的有五种:DNA-pol cu卩、7、S、e。此5种 DNA-pd均有5'—3'核酸外切酶活性。在DNA复制延长中起催化作用的是DNA-pd S，相 当于原核生物的DNA-pol DI。
在DNA复制过程中，产生冈崎片段，而2个相邻的冈崎片段之间存在一个单链缺口。 DNA连接酶催化DNA链3~OH末端和另一 DNA链的5'-P末端，使生成磷酸二酯键，从而 把两段相邻的DNA链连成完整的链。此催化作用需要消耗ATP。
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DNA复制的过程就单个复制子的复制过程，原核与真核生物相似。而真核生物复 制终止的详细过程与原核生物有较大差别。
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复制起始:DNA解链形成引发体。
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引物合成:复制过程需要引物，引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子。引物长 度约为十数个至数十个核苷酸不等。引物合成的方向也是自5'-端至3'-端。已合成的引物必 然留有3'-OH末端，此时就可能进入DNA的复制延长。在DNA-pol DI催化下，引物末端与 dNTP生成磷酸二酯键。
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复制的延长过程:复制的延长是指在DNA-pol催化下，dNTP分子中的dNMP逐个 加入至引物的或延长中子链的3'-0H上，形成磷酸二酯键。领头链连续复制，领头链的子链 沿着5'—3'方向可以连续地延长。而随从链不连续复制，形成冈崎片段。
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复制的终止过程:包括切除引物、填补空缺、连接切口过程。
长以填补先复制片段 的引物空隙。最后相邻的冈崎片段，由连接酶催化成完整的DNA子链。
染色体两端DNA子链上最后复制的RNA引物，去除后留下空隙，剩下的DNA单链母 链如果不填补成双链，就会被核内DNase酶解。然而，染色体在正常生理状况下复制，是可以 保持其应有长度的。研究发现，存在于染色体线性DNA分子末端的结构——端粒，在维持 DNA复制的完整性和染色体的稳定性起着重要作用。
(三） 逆转录
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逆转录与依赖RNA的DNA聚合酶RNA病毒的基因组是RNA,其复制方式是逆 转录。逆转录的信息流向(RNA—DNA)与转录过程(DNA—RNA)相反。逆转录过程由依赖 RNA的DNA聚合酶催化完成。逆转录酶有三种活性：以RNA或DNA为模板的dNTP聚 合活性和RNase活性，作用需Zn2+为辅助因子。合成反应也按照5'—3'延长的规律。
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逆转录过程
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逆转录酶以病毒基因组RNA为模板，催化dNTP聚合生成DNA互补链，产物是 RNA/DNA杂化双链。
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杂化双链中的RNA被逆转录酶中有RNase活性组分水解，被感染细胞内的RNase H也可水解RNA链。
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RNA分解后剩下的单链DNA再用作模板，由逆转录酶催化合成第二条DNA互 补链。
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逆转录的发现发展了中心法则逆转录现象和逆转录酶的发现，发展了遗传中心法 则。原来认为DNA的功能兼有遗传信息的传代和表达，因此DNA处于生命活动的中心位 置。逆转录现象说明，至少在某些生物，RNA同样兼有遗传信息传代与表达功能。
(四） DNA
的损伤与修复
基因突变是由遗传物质结构改变引起遗传信息的改变。突变具体指个别dNMP残基以 至片段DNA在构成、复制或表型功能的异常变化，也称为DNA损伤。
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基因突变与DNA多态性、疾病病因生物进化过程中基因突变不断发生。因而，突变 是进化、分化的分子基础。有些突变没有可察觉的表型改变，就形成了 DNA的多态性。多态 性一词用来描述个体之间的基因型差别现象。在法医学上的个体识别、亲子鉴定，以及临床上 器官移植的配型、个体对某些疾病的易感性，都可用DNA多态性分析区别。
突变是某些疾病的发病基础。例如血友病是凝血因子基因突变引起，地中海贫血是血红 蛋白基因突变引起等。某些有遗传倾向的疾病，包括高血压病、糖尿病、溃瘍病、肿瘤等，可以 肯定和生活环境有关，但也有证据表明某些基因发生了变异，涉及的基因不是少数几个，而是 众多基因与生活环境因素共同作用的后果。
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诱发突变环境导致基因突变的因素，主要有物理和化学因素。物理因素主要是指紫 外线和各种辐射。紫外线(ultra violet，UV)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。
化学诱变剂大多数是致癌物，常见的化学诱变剂有苯并芘、二甲苯并蒽、二甲硝基胺、N- 甲基-4-氨基偶氮苯和烷化剂等。
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DNA突变的类型DNA突变可分为错配、缺失、插人和重排等几种类型。
DNA分子上的碱基错配，称为点突变。点突变发生在基因编码区，可导致氨基酸的改变。
镰形红细胞贫血患者的Hb基因中，编码第6号氨基酸的密码子上一个碱基发生点突变，引起 改变，造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变,其后果是翻译出的蛋白质可能完全不同。DNA 分子内较大片段的交换，称为重组或重排。移位的DNA可以在新位点上颠倒方向反置（倒 位），也可以在染色体之间发生交换重组。
DNA损伤(突变)可能造成两种结果:①导致复制或转录障碍(如胸腺嘧啶二聚体，DNA 骨架中产生切口或断裂）；②导致复制后基因突变（如胞嘧啶自发脱氨基转变为尿嘧啶），使 DNA序列发生永久性改变。
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DNA损伤的修复类型DNA修复可使已发生分子改变的损伤DNA，恢复为原有的 天然状态。生物体内的DNA修复系统主要有，直接修复、切除修复、重组修复和SOS修复等。
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直接修复:光修复系统是直接修复机制之一。光修复过程由光修复酶催化完成。此 酶普遍存在于各种生物，仅需300〜600nm波长照射即可活化，催化嘧啶二聚体分解为原来的 非聚合状态，使DNA恢复正常。
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切除修复:是细胞内最重要和有效的修复系统，其过程包括去除损伤的DNA，填补空 隙和连接。损伤部位的去除，原核生物和真核生物需要不同的酶系统，高等生物切除修复切割 的单链DNA片段长度为24〜32个核苷酸，切除损伤DNA片段后产生的缺口由DNA聚合酶 和连接酶催化填补。切除修复不仅能够修复整个基因组中的损伤，而且能拯救因转录模板链 损伤而暂停转录的RNA聚合酶。
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重组修复:DNA双链断裂损伤且损伤面太大又不能及时修复的DNA也可进行复 制。但由错误的模板复制的子链带有错误序列甚至缺口，这种损伤需以重组方式修复。在 DNA复制过程中，重组蛋白RecA的核酸酶活性将另一股健康母链与缺口部分进行交换，以 填补缺口。健康母链是指同一细胞内已完成复制的链，或可来自亲代的一股DNA链。损伤 链移到已完成复制的链上，如果损伤又只发生在双链DNA中的一股单链，则下一轮的复制 中,损伤链就只占DNA的1/4。经不断复制，损伤链的比例就越来越低。
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SOS修复:当DNA损伤广泛以致难以继续复制时，体内启用SOS修复系统。SOS 修复系统包括了切除、重组修复系统。通过SOS修复，复制如能继续，细胞即可存活。若经修 复后,DNA保留的错误较多，可导致较广泛、长期的突变。
三、RNA的生物合成
(_) RNA的生物合成的概念
RNA的生物合成存在两种方式:①DNA指导的RNA合成，称为转录;②RNA指导的 RNA合成，称为RNA复制。转录是以DNA为模板合成RNA的过程，即把DNA的碱基序 列转录成RNA的碱基序列。RNA复制是由RNA依赖的RNA聚合酶催化,常见于病毒。
(二）真核转录体系的组成及转录过程
真核细胞RNA合成过程不同于原核生物，特别是具有编码功能的mRNA分子。原核细 胞mRNA可边合成边进行翻译，但哺乳动物细胞等真核细胞中的大多数RNA是以前体分子 的形式被合成,必须经过加工才能形成成熟且具有活性的RNA。真核生物和原核生物的 RNA聚合酶种类不同，结合模板的特性不一样。原核生物RNA聚合酶可直接结合DNA模 板，而真核生物RNA聚合酶需与辅助因子结合后才结合模板，所以两者的转录起始过程有较 大区别,转录终止也不相同。
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真核生物DNA依赖性RN$聚合酶真核生物有3种不同的RNA聚合酶:RNA聚
合酶WW.
guokaow.
comR]
聚合酶I位于细胞核的核仁，催化合成rRNA的前体，rRNA的前体再加工成28S、5. 8S及 18S rRNA。RNA聚合酶II位于核内，催化转录生成hnRNA,然后加工成mRNA并输送给胞 质的蛋白质合成体系。RNA聚合酶DI位于核仁外，催化转录编码tRNA、5SrRNA和小RNA 分子的基因。mRNA是各种RNA中寿命最短、最不稳定的，需经常重新合成。在此意义上 说，RNA-pollI是真核生物中最活跃的RNA聚合酶。
RNA-poin催化基因转录的过程，可以分为3个期：起始期（RNA-poin和通用转录因子 形成闭合复合体)、延长期和终止期，起始期和延长期都有相关的蛋白质参与。
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转录起始与延长转录起始需要启动子、RNA-pol和转录因子的参与。基因转录起始 点上游存在DNA序列，包括启动子、启动子上游元件或等近端调控元件和增强子等远隔序 列，这些序列都可统称为顺式作用元件。
真核生物转录起始也需要RNA-pol对起始区上游DNA序列作辨认和结合，生成起始复 合物。RNA-poin启动转录时，需要一些称为转录因子(transcription factors)的蛋白质，才能 形成具有活性的转录复合体。能直接、间接辨认和结合转录上游区段DNA的蛋白质，现已发 现数百种，统称为反式作用因子。反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的，则称为 转录因子。
真核生物转录起始时，RNA-
P〇in不与DNA分子直接结合，而需依靠众多的转录因子。 转录因子一TF n D的TBP亚基结合TATA;在TF n A和n B的促进和配合下，形成n 1> II A-IIB-DNA复合体。通过多种转录因子参与的复杂过程，使RNA-poin靶向结合启动子，转 录起始复合物，开始转录过程。
真核生物基因组DNA在双螺旋结构的基础上，与多种组蛋白组成核小体高级结构，因 此，在转录延长过程中，RNA-pol会遇上核小体。转录延长时可以观察到核小体移位和解聚 现象，而且RNA聚合酶不断打开DNA双链，产生单链模板，合成RNA链。
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转录终止当RNA聚合酶到达基因末端的终止子时，合成的RNA链被释放，RNA 聚合酶从模板上脱落。真核生物的转录终止，是和转录后修饰密切相关的。真核生物mRNA 有聚腺苷酸（poly A)尾巴结构，在转录后加上。在读码框架的下游，常有一组共同序列 AATAAA，再下游还有相当多的GT序列。转录越过修饰点后，mRNA在修饰点处被切断， 随即加人poly A尾及5'-帽子结构。
(三）转录后加工过程
真核生物转录生成的RNA分子是初级RNA转录物，几乎所有的初级RNA转录物都要 经过加工,才能成为具有功能的成熟的RNA。加工主要在细胞核中进行。
1•首、尾修饰RNA-poin催化合成新生RNA长度达25〜30个核苷酸时，其5'-末端的 核苷酸就与7-甲基鸟嘌呤核苷通过不常见的5'，5'-三磷酸连接键相连，形成mRNA的5'-末 端有7-甲基鸟嘌呤的帽结构。此过程由加帽酶(capping enzyme)和甲基转移酶(methyltrans- f erase)催化完成。
真核mRNA，除了组蛋白的mRNA，在3'端都有poly A尾结构，约含80〜250个腺苷酸。 加poly A之前，先由核酸外切酶切去前体mRNA 3'末端的一些核苷酸，然后加人poly A。在 hnRNA上也发现poly A尾巴，推测这一过程也应在核内完成，而且先于mRNA中段的剪接。 尾部修饰是和转录终lh同时进行的过程„
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前体mRNA的剪接核内转录初级产物的分子量常比胞浆内成熟mRNA大几倍，甚
至数十彳版；
以完全配对;而与成熟的mRNA配对时，出现部分的配对双链区域和中间相当多鼓泡状突出 的单链区段。而真核生物基因中最终出现于mRNA中的序列为外显子，不出现于mRNA中 的序列为内含子。去除初级转录产物上的内含子，把外显子连接为成熟的RNA，称为剪接。 mRNA前体剪接的场所发生在剪接体，剪接体由小分子核糖核糖体组成。
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mRNA编辑有些基因编码的蛋白质产物的氨基酸序列与基因初级转录物的序列并 不完全对应，是由mRNA上的一些序列经编辑而形成。例如人类基因组上只有一个载脂蛋白 B基因，转录后发生RNA编辑，编码产生的载脂蛋白B有两种形式，一种是ap〇B-100(分子质 量513kD)，由肝细胞合成;另一种是aP〇B-48(分子质量250kD)由小肠黏膜细胞合成。
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rRNA前体加工真核细胞的18S RNA基因、5.8S RNA基因和28S RNA基因 串联在一起构成一个转录单位，称rDNA。每个rDNA单位先转录产生45S的rRNA前 体。45S rRNA经剪接后，分出属于核糖体小亚基的18S rRNA。余下的部分再剪接成 5. 8S及28S的rRNA。rRNA成熟后，就在核仁上装配，与核糖体蛋白质一起形成核糖 体，输出胞浆。
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tRNA前体加工真核生物前体tRNA的加工包括把核苷酸的碱基修饰为稀有碱 基，经加工后的tRNA才成为有活性的tRNA。此加工过程包括:切除前体中5'端的一部分 序列；切除3'端的两个核苷酸，再由核苷酸转移酶加上CCA;特殊核苷酸的碱基经化学修饰 为稀有碱基，包括某些嘌呤甲基化生成甲基嘌呤、某些尿嘧啶还原为二氢尿嘧啶（DHU)、尿 嘧啶核苷转变为假尿嘧啶核苷(平)、某些腺苷酸脱氨成为次黄嘌呤核苷酸(I);通过剪接切除 内含子。
