分子生物学第三章
分子生物学 第3章 DNA复制
DNA helicase (DNA解旋酶)
利用ATP供能，解开DNA双链, 可随复制叉 的伸展向前移动
大肠杆菌中解旋酶的种类
种 类
DnaA DnaB DnaC
功 能
辨认起始点，并结合到复制起始部位 解开DNA双链 运送和协同DnaB
single-stranded binding protein (SSB, 单链结合蛋白)
是一类调节DNA分子的超螺旋水平，可改变DNA拓扑性 质的酶。对DNA分子的作用是既能水解、又能连接磷酸 二酯键。 • 拓扑异构酶 I: 切开DNA双链中的一股，使DNA在解链旋 转中不打结，DNA变为松弛状态再封闭切口。 同转录有 关 • 拓扑异构酶 II: 能切断DNA双链，使螺旋松弛。在ATP参 与下，松弛的DNA进入负超螺旋，再连接断端。同复制
3´→5´外切酶活性： 切除错配的核苷酸
5'
3' C T T C A G G A G A A G T C C G G C G 5'
3'
DNA ligase
连接DNA链3-OH末端和相邻DNA链5-P末端，形成磷 反应需要ATP。
酸二酯键，从而把两段相邻的DNA链连接成完整的链。
二、 DNA复制的过程
E. Coli DNA在15N-标记的营养液中生
长多代，使DNA双链充分标记
将15N-标记
细胞在
14N中
细胞在
14N中复
细胞在
14N中复
的E.Coli 加入14N 培 养液中
万有引力
复制1 次
制第2次
制第3次
单林娜 制作
11
DNA半保留复制的生物学意义：
DNA的半保留复制表明DNA在代谢上的稳定性，
《分子生物学教学》第三章可移动的遗传因子
探讨可移动遗传因子在基因工程、基因治疗、生物 育种等领域的应用前景，以及相关的伦理和安全问 题。
02
可移动遗传因子的类型和特性
转座子的类型和特性
80%
插入序列（IS）
是细菌中最简单的转座子，能够 编码自身转座所需的酶，并能在 基因组中随机插入。
100%
转座噬菌体（Tn）
是一种复杂的转座子，带有与噬 菌体相关的基因，能够在细菌之 间水平转移。
分子生物学教学第三章可移动 的遗传因子
目
CONTENCT
录
• 引言 • 可移动遗传因子的类型和特性 • 可移动遗传因子的机制 • 可移动遗传因子的生物学意义 • 研究方法和实验技术 • 实际应用和未来展望
01
引言
目的和背景
阐述可移动遗传因子的概念
本章旨在介绍可移动遗传因子的概念，包括其定义、分类、功能 以及在生物学领域的重要性。
转录调控
可移动遗传因子如转座子和逆转 录病毒可通过插入或删除基因序 列，影响转录因子的结合和基因 表达的调控。
表观遗传学调控
某些可移动遗传因子能够影响染 色质结构和组蛋白修饰，从而参 与表观遗传学调控，改变基因的 表达模式。
在基因组进化和多样性中的作用
基因重组
可移动遗传因子通过介导基因重组事 件，促进基因组的重排和多样性产生 。
对核酸和蛋白质序列进行比对，找出同源序列和保守区域，并进行功能
注释。
02
基因表达与调控分析
利用高通量测序技术分析基因表达谱，研究基因表达的时空特异性和调
控机制。
03
生物信息学数据库与工具
利用生物信息学数据库（如GenBank、UniProt等）和在线分析工具
分子生物学第三章核酸的结构与功能
分子生物学第三章核酸的结构与功能核酸是生物体内重要的生物大分子，在维持遗传信息传递、调控基因表达和蛋白质合成等生物学过程中起着重要的作用。
本文将介绍核酸的结构和功能，包括DNA和RNA的结构、功能以及细胞中的DNA重复序列和嵌合DNA的现象。
核酸是由核苷酸单元组成的大分子。
核苷酸由一糖分子（核糖或脱氧核糖），一个含有一键磷酸基的磷酸基团和一个含有碱基的碱基组成。
DNA的碱基包括腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C），而RNA的碱基包括腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、尿嘧啶（U）和胞嘧啶（C）。
DNA（去氧核糖核酸）是双链结构，由两条互补的单链以互补碱基配对（A和T，G和C）的方式相互连接而成。
这种双链结构被称为双螺旋结构，其中的两个链通过氢键相互链接。
DNA在细胞中起着存储遗传信息的作用，是遗传物质的主要组成部分。
DNA通过转录过程产生RNA分子，进而通过翻译过程合成蛋白质。
RNA（核糖核酸）有多种类型，包括信使RNA（mRNA）、核糖体RNA （rRNA）和转运RNA（tRNA）。
mRNA是由DNA转录得到的，其中的密码子序列编码蛋白质的氨基酸序列。
rRNA是核糖体的组成部分，参与蛋白质合成的过程。
tRNA将氨基酸带入核糖体与mRNA相匹配的密码子上，完成蛋白质合成的过程。
在细胞中，存在许多DNA重复序列。
其中，基因是密集编码蛋白质的DNA序列，它们在核酸的遗传信息传递和基因表达中起着重要作用。
除了基因，还存在大量的非编码DNA序列，如内含子和调控序列，它们对基因表达的调控起着重要作用。
此外，DNA重复序列还包括微卫星、线粒体DNA和细胞质DNA等。
总之，核酸是生物大分子，在维持遗传信息传递和调控基因表达等生物学过程中起着重要作用。
DNA和RNA具有不同的结构和功能，包括存储遗传信息、编码蛋白质序列、调控基因表达和蛋白质合成等。
此外，细胞中存在多种形式的DNA重复序列和嵌合DNA现象，对维持细胞功能和遗传多样性具有重要作用。
分子生物学第三章蛋白质大分子结构与功能
49
4.蛋白质四级构造
一个蛋白质由几条多肽链组成1个活性单 位。亚基的相互关系，空间排布，亚基 间通过非共价键聚合成的特定构象。单 一亚基无活性，只有聚合后才有生物活 性。如血红蛋白。
50
51
蛋白质预测网站
Compute pI/WM ://expasy.hcuge.ch Predictprotein :// embl-heidelberg.de/predictprotein/ SOPMA :// ibcp.fr/predict.html Unpredict ://www /
43
44
45
46
构造域
• 多肽链在超二级构造根底上进一步卷 曲折叠成严密的近似球状的构造。对 较小蛋白质分子，构造域往往就是三 级构造，即这些蛋白质是单构造域。
• 许多蛋白质是多构造域。
47
构造域
48
3.蛋白质三级构造
• 多肽链的某些区域氨基酸形成二级构造: α螺旋、β-折叠、 β-转角、无规那么卷曲等构 象单元, 然后相邻二级构造集装成超二级构 造, 进而折叠绕曲成构造域, 由2个或2个以上 的构造域组装成三级构造。
30
二 硫 键
31
一级构造确定的原那么
• 测定蛋白质中氨基酸组成 • 蛋白质N端和C端的测定 • 2种以上方法水解蛋白质，得到一系列
肽段 • 别离提纯所得肽，测其序列 • 从有重叠构造的肽序列中推断蛋白质
的全部氨基酸的排列顺序
32
〔二〕蛋白质的空间构造
• 肽平面：肽腱中的4个原子以及相邻的 2个α-碳原子处在同一平面，使肽链具 有一定的稳定性
20
氨基酸与异硫氰酸苯酯的反响
• AA的氨基可与异硫氰酸苯酯(PITC)反 响,生成苯氨基硫甲酰氨基酸(PTC-AA)。 所得PTC-AA经乙酸乙酯抽提→层析鉴 定→ 确定N端氨基酸的种类。 “多肽 顺序自动分析仪〞据此原理。
分子生物学基础第三章遗传与变异 第三节基因、基因组与基因突变
第三节 基因、基因组与基因突变
2．基因的命名 （1）用三个小写英文斜体字母表示基因的名称 （2）在三个小写英文斜体字母后面加上一个大写英文 斜体字母表示其不同的基因座，全部用正体时表示其相应 的蛋白产物和表型。 （3）对于质粒和其他染色体外成分，如果是自然产生 的质粒，用三个英文正体字母表示，第一个字母大写；但 如果是重组质粒，则在两个大写字母之前加一个p，大写 字母表示构建该质粒的研究者或单位。 （4）对果蝇基因命名的例子最繁多，特别是在发育生 物学中。对突变表型的表示用1－4个字母代表。
第三节 基因、基因组与基因突变
图3-23 化学修饰剂改变碱基的配对性质
第三节 基因、基因组与基因突变
3．诱变剂和致癌剂的检测 许多化合物需在体内经过代谢活化才有诱变作用，在 测试时可将待测物与肝提取物一起保温，使其转化，这样 可使潜在的诱变剂也能被检测出来。大肠杆菌的SOS反应 可以使处于溶源状态的λ噬菌体激活，从而裂解宿主细胞 产生噬菌斑。通常引起细菌SOS反应的化合物对高等动物 都是致癌的。Devoret根据此原理，利用溶源菌被诱导产
第三节 基因、基因组与基因突变
三、基因突变
1．基因突变的类型
基因突变有以下多种类型：碱基对置换指DNA错配碱 基在复制后被固定下来，由原来的一个碱基对被另一个碱 基对所取代，又称为点突变。碱基对置换有两种类型：即 转换是在两种嘧啶或两种嘌呤之间的互换；颠换发生在嘧 啶与嘌呤或嘌呤与嘧啶之间的互换。碱基替换通常仅发生 在一个碱基上，偶尔也有几个碱基同时被替换。转换发生 的频率一般比颠换高1倍左右。插入突变指在基因的序列 中插入了一个碱基或一段外来DNA导致的突变。例如，大 肠杆菌的噬菌体Mu-1、插入序列（IS）或转座子都可能诱 发插入突变。插入突变有两种方式：①拷贝或复制移动， 指一个位点上的序列被复制后插入到另一位点。②非拷贝 移换，DNA序列从一个位点直接移动到另一位点。
分子生物学第三章RNA转录
分⼦⽣物学第三章RNA转录第三章 RNA 转录(RNA transcription)3.1. Basic concept3.2. Trancription survey3.3. Promoter in Eukaryotes and Prokaryotes3.4. Transcription Termination3.5. Pre-RNA processing in Eukaryotes3.1. 基本概念（P64） Basic concept●基因表达的第⼀步●以D. S. DNA 中的⼀条单链作为转录的模板某⼀基因只以⼀条单链DNA 为模板进⾏转录（不对称转录）●在依赖DNA 的RNA 聚合酶的作⽤下●按A U ，C G 配对的原则，合成RNA 分⼦●模板单链 DNA 的极性⽅向为3’ → 5’, ⽽⾮模板单链DNA 的极性⽅向与RNA 链相同，均为5’ → 3’.● RNA 的转录包括promotion, elongation, termination 三个阶段●从启动⼦（promoter ）到终⽌⼦（terminator ）的DNA序列称为转录单位（transcriptional unit ）●原核⽣物中的转录单位多为 polycistron in operon真核⽣物中的转录单位多为monocistron, No operon●转录原点记为+1，其上游记为负值，下游记为正值● RNA 的主要种类及功能：mRNA ——携带编码多肽的遗传信息tRNA ——将核苷酸信息转化为aa 信息转运aa 进⼊核糖体rRNA ——参与多肽合成3.2.RNA 转录概况3.2.1转录的基本过程1. 模板识别：RNApol 与启动⼦相互识别并结合的过程（形成封闭的⼆元复合物）启动⼦（promoter ）：DNA 分⼦上结合RNApol 并形成转录起始复合物的区域，通常也包括促进这⼀过程的调节蛋⽩结合位点rich A/T ，易发⽣DNA 呼吸现象形成单链区2转录起始：启动⼦区解链，转录起始（封闭的⼆元复合物开放的⼆元复合物三元复合物）通常在这⼀过程中RNApol 移动较慢，且易发⽣脱落——流产式起始 ——决定启动⼦的强弱3延伸：延伸过程中的延宕现象（Eukaryotes ）：Euk genome G/C 分布不均匀σ脱离全酶（Pro ）/RNApol 脱离转录起始复合物（Euk ）4终⽌：在终⽌⼦（terminator ）处停⽌转录3.2.2 RNApolymerase1 RNA polymerase in Prokaryotes （以E.coli 为例）1）构成核⼼酶(core enzyme)：2αββ’DNA3’----TACTCAT----5’ RNA 5’----AUGAGUA----3’5’---ATGAGTA----3’ Non-template (sense strand)template (antisense strand)全酶（holoenzyme)2αββ’σα：核⼼酶组建因⼦/ 启动⼦识别β：RNA合成的活性中⼼β’：与β共同构成活性中⼼σ：识别启动⼦，增加酶与DNA的亲和⼒σ因⼦可减少RNApol与⾮启动⼦DNA序列的亲和⼒，⽽增加RNApol与启动⼦的亲和⼒，⼀旦转录起始，σ因⼦将脱离RNApol再次引导新的RNApol进⾏转录ρ：参与转录终⽌2）Rifamycin（利福霉素）及Streptolydigin（利链菌素）对Pro转录的影响Rif可结合β，阻⽌NTP的进⼊I位点（Initiation site )（⼀旦形成三元复合物Rif不再起抑制作⽤）；利链菌素结合β的延伸位点(Elongation site)，抑制延伸。
分子生物学第三章
Density gradient of sucrose Measure H3-T
H3-T
pulse-labeling
pulse-chase 120’’
60’’
7’’
2’’
(Prok. 400Nt/sec)
15’’
10S (1kb)
40S
DNA replication in Okazaki fragment 1kb
直接证据？
pulse-labeling in dT-H3 ？
Lig (ts)？
(Source:Molecular Biology(2002),Robert F.Weaver,Page643）
DNA semi-discontinuous replication
leading strand , lagging strand 均有 dUMP 的掺入 Okazaki 片段在某种意义上为 dUMP 片段
在富含AT的区域内尤为明显
• replication origin 两侧基因的转导频率高
a c a o o b b d
复制的不同步性 f f h
断裂的随机性
replication origin
g e c a
e
c
a
o o
b b
d d
Most rDNA are located near the origin of replication
( Cairns model , θ form, theda form)
Eukaryote(500-5000bp/min)
Rifampin
有M13 RF
M13
有M13 RF
Conclusion
• M13 RF的形成需要 RNA polymerase发动合成一 段 RNA分子作为引物 • RF启动后，RNA引物已经形成, Rifampin 的抑制无效
分子生物学第三章基因和基因组
第三章基因和基因组第一节基因组的大小与C值矛盾一、相关概念☆基因(gene)是合成一种功能蛋白或RNA分子所必须的全部DNA序列．一个典型的真核基因包括①编码序列—外显子(exon)②插入外显子之间的非编码序列—内合子(intron)③5‘-端和3’-端非翻译区(UTR)④调控序列(可位于上述三种序列中)基因平均由1000个碱基对组成，一个DNA分子可能包含几个或几千个基因。
☆基因组（genome）：一特定生物体的整套(单倍体)遗传物质的总和，即生物体维持配子或配子体正常功能的全套染色体所含的全部基因（DNA）。
基因组的大小用全部DNA的碱基对总数表示。
比如人基因组的全长为大约3×109对碱基，编码3-4万个蛋白分子。
细菌或噬菌体、病毒－－－单个染色体中所含的全部基因（DNA）。
人类基因组计划（human genome project HGP）基因组学（genomics）结构基因组学（structural genomics）功能基因组学（functional genomics）☆C值（C-value）：在真核生物中，每种生物的单倍体基因组的DNA总量总是恒定的，称为C-值低等真核生物中与形态学复杂程度相关，但高等真核生物中变化很大所谓C值(C value)即单倍体基因组的DNA总量。
它是每一种活生物的一个性质。
C 值大小有着巨大差异。
小到象支原体那样的不足106bp，大到一些植物及两栖类的1011bp。
进化中不同门的C值范围。
随着复杂度的增加，基因组大小的最小值是增加的。
但是随着高等真核生物DNA绝对量的增长，有些门的基因组大小出现了很大的变化。
每门的一种生物DNA的最小量要使原核生物比低等真核生物更复杂，增加基因组大小是必要的。
盐沼核菌(pyrenomas salina)是现已证明的含有最小基因组的真核生物，它有6.6×105bp，（然而这些生物可能并不是真正的真核生物，但可能是进化的中间阶段，代表了细胞核与叶绿体的原始存在形式。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
其他RNA聚合酶
T3, T7, … 线粒体 叶绿体
单链, < 10万Da, 单链， 7万Da，与T7同源 多亚基，与细菌的类似
Amanitin-
T3和T7 phase 编码的RNA polymerase只有一条多肽 链，37°C, 200nt/s; But E.
全酶中 的数目
功能
β'
RNA β 聚合 酶的 亚基 σ
rpoC，89.5 156kD
1
rpoB，89.5 151kD
1
rpoD，66.5 28 – 70kD 1
与DNA结合(肝素竞争抑 制)；催化(带Zn2+)
催化中心；两个结构 域：利福平抑制起始， 利迪链霉素抑制延伸
识别启动子， 起始转录，最常见σ70
三种酶第二大亚基都与 E. coli的β相似
酶II所专有的亚基与E. coli的α相似。
三种酶的共有亚基 （普遍共有的约5个） 酶I、III共有2个亚基， 各酶所特有的亚基约 4-7个
The general constitution of a eukaryotic RNA polymerase II enzyme as typified in S. cerevisiae is illustrated in this Figure
α
rpoA,72
37kD
2
核心酶组装，DNA识别？
ω
─
11kD
1
细菌中一种 RNA pol 负责所有mRNA、tRNA、rRNA的合成
转录 ρrho
84.5
46kD
6
因子 nusA
65
69kD
1
?
转录终止 转录延长，终止
E. coli has five sigma factors: Sigma 70: Regulate expression of most genes. Sigma 32: Regulate expression of heat shock proteins. Sigma 28: Regulate expression of flagellar operon (involved in cell motion). Sigma 38: Regulate gene expression against external stresses. Sigma 54: Regulate gene expression for nitrogen metabolism.
重要名词：
Pribnow box; Hogness box Transcription unit, Preinitiation transcription complex (PIC) Sense strand, coding strand; antisense strand, template strand Upstream promoter element (UPE) Monocistronic mRNA, polycistronic mRNA Shine-Dalgarno sequence (SD序列) Intron, exon; open reading frame (ORF) hnRNA , snRNA, snoRNA, guide RNA, spliceosome, ribosyme
1963年，Sp8 carries dsDNA, 由于碱基组成不同，两条链重量也 不同，（因为噬菌体的链短，所以 差异显著）。可用平衡密度梯度离 心法分离。
如果用RNA聚合酶在体外对DNA 双螺旋进行转录，则结果取决于 DNA模板受到损伤的程度。例如 将T7DNA变性，使RNA聚合酶能 与单链DNA结合，则两条均能被 转录。但如果用天然的完整双链 DNA为模板，则RNA聚合酶仅能 和称为启动子的顺序结合，从而只 能转录在活体内被转录的那条链。
在有些RNA病毒中，RNA也 可以指导RNA的合成。Fra bibliotek重点问题
什么是基因表达？ 转录的基本原则；转录的基本步骤？ 膜板链/反义链/负链/正链/有义链/编码链； 转录单位；上/下游序列； 转录装置及主要成份； RNA pol ？？ 原核/真核的RNA pol？, 其他 如T7, mt, chl, … 转录因子和元件？ 启动子，各种启动子，？？ 原核生物/真核生物转录比较 原核生物/真核生物 mRNA特征比较 转录终止机制 RNA转录后的加工
大部分rRNA基因： 28S, 18S, 5.8S rRNAs
所有蛋白基因mRNA, 某些snRNAs
tRNA, 5SrRNA, 某些 snRNAs
50～70% 不敏感
20～40% 高度敏感
～10%
中等敏感，物种特异性
三种聚合酶都有10个以 上的亚基(12为典型)
三种酶最大亚基都与 E. coli的β’相似
RNA Pol II 的CTD
最大亚基具有羧基末端结构域（carboxyl-terminal domain，CTD）
（Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser）n
（酪-丝-脯-苏-丝-脯-丝）X倍数 哺乳动物n<52 酵母n<26 对于给定的个体n值是有意义的 CTD 的功能与转录延伸有关，通过磷酸化-去磷酸酸化循环
The Sense strand (coding strand) of DNA has the same sequence as the mRNA and is related by the genetic code to the protein sequence that it represents. The antisense strand (Template strand) of DNA is complementary to the sense strand, and is the one that acts as the template for synthesis of mRNA. RNA polymerases are enzymes that synthesize RNA using a DNA template (formally described as DNA-dependent RNA polymerases). A promoter is a region of DNA where RNA polymerase binds to initiate transcription. Startpoint (startsite) (Startsite) refers to the position on DNA corresponding to the first base incorporated into RNA. A terminator is a sequence of DNA that causes RNA polymerase to terminate transcription. A transcription unit is the distance between sites of initiation and termination by RNA polymerase; may include more than one gene. Upstream identifies sequences proceeding in the opposite direction from expression; for example, the bacterial promoter is upstream of the transcription unit, the initiation codon is upstream of the coding region. Downstream identifies sequences proceeding farther in the direction of expression; for example, the coding region is downstream of the initiation codon. A primary transcript is the original unmodified RNA product corresponding to a transcription unit.
真核生物三种RNA聚合酶
真核生物不同的RNA Pol 转录不同的RNA产物，可以依据色谱柱层析的洗 脱盐浓度和对α-鹅膏蕈碱(α-amanitin)的敏感性来区分。
RNA Pol 位置 pol Ⅰ 核仁 pol Ⅱ 核质 pol Ⅲ 核质
真核生物的三种RNA聚合酶的特点
功能产物
相对活性 对α-鹅膏蕈的敏感性
3.1 RNA转录的基本过程
基本原则： 是以DNA为模板的RNA的酶促合成。 是基因表达全过程的第一步。 RNA分子合成的延伸方向总是从5ˊ—〉3ˊ。 RNA聚合酶催化RNA合成的底物是ATP、GTP、CTP和UTP。 相应基因的双链DNA片断上只有一条链转录为RNA，此DNA链称为有义链(+ 链， 编码链)；另一DNA链作为模板指导合成RNA,称为反义链（- 链，模板链）。
编码链 有义链
反义链
转录单元Transcription unit
-1 +1
A transcription unit includes a promoter, an RNA-coding region and a terminator
Only a Strand are transcript2
以及新链延长的方向
抑制剂 利福霉素 链霉溶菌素 放射线素D α-鹅膏蕈
转录的抑制剂
靶酶
抑制作用
细菌全酶
和β亚基结合，抑制起始
细菌核心酶
和β亚基结合，抑制起始
真核PolⅠ
和DNA结合，阻止延伸
真核PolⅡ
和RNA PolⅡ结合
•所有RNA Pol （DNA Pol）催化新链延伸的方向都是5’—〉3’。 •RNA Pol 的底物是NTP （DNA Pol：dNTP）。 •RNA Pol 无需引物，无校对功能（DNA Pol 需引物，一般兼有校对） •真核生物的RNA Pol不能直接与启动子形成起始复合体，需一些蛋白 质(转录因子)的帮助。而原核生物的RNA Pol则能直接与启动子结合。