第九节遗传信息的传递

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
XU⁷、 ^
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。

1. 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。
2. 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。

3. 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。

1. 复制起始:DNA解链形成引发体。
2. 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。
3. 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。

4. 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

1. 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。
2. 逆转录过程

1. 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。
2. 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。
3. 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。

3. 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。

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。

1. 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.^com_R]
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。

2. 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。

3. 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„