遗传信息的传递

第三部分遗传信息的传递复制、转录、翻译、基因表达调控及基因工程第十章DNA的生物合成——复制要求：掌握遗传信息传递的中心法则及其补充；掌握DNA的半保留复制方式、复制的原料、模板、参与复制的酶类；掌握逆转录的概念及逆转录酶的功能。熟悉DNA复制的过程。提要：遗传信息的传递在医学生物学中具有重要作用，在这里主要讨论遗传的分子基础，即基因的分子生物学基本知识。DNA是遗传的物质基础。DNA分子中碱基（核苷酸）的排列顺序即是贮藏的遗传信息。所谓基因，实质上是DNA大分子中的各功能片段。虽然DNA分子中只有A、G、C、T四种碱基，但由于DNA分子很大，含有的碱基数量极多（如人的基因组DNA含有约3×109个碱基对），可以有多种多样不同的排列方式。不同的基因，其碱基的序列不同，携带着千变万化的遗传信息。细胞有丝分裂之前，细胞中的DNA分子必须进行自我复制，将亲代DNA的遗传信息准确地传递到子代DNA分子中，这一过程称为DNA复制(replication)。由此，子代细胞则具有一套与亲代细胞完全相同的DNA分子，这就是遗传作用。另一方面，DNA是信息分子，其分子中贮藏的信息必须要通过由它指导合成的特定蛋白质，表现特异的功能，才能体现出来。如前所述，蛋白质是生命的物质基础，蛋白质功能的复杂性依赖于蛋白质分子内氨基酸的排列顺序及其空间结构。蛋白质的结构不同，功能也各异，从而影响机体的各种生命活动。现已证明，体内蛋白质分子合成时，其氨基酸的排列顺序最终是由DNA分子中核苷酸（碱基）顺序所决定的。但是，DNA本身并不能直接指导蛋白质的合成，而是首先以DNA分子为模板，在细胞内合成与其结构相应的RNA，将DNA的遗传信息抄录到mRNA（信使RNA）分子中，这种将DNA遗传信息传递给RNA的过程，称为转录(transcription)。通过转录，DNA的碱基序列按互补配对的原则转变成RNA分子中的相应碱基序列。然后，再以mRNA为模板，按照其碱基(A、G、C、U)的排列顺序，以三个相邻碱基序列为一种氨基酸的密码子形式，来决定蛋白质合成时氨基酸的序列。这一过程称为翻译(translation)。通过转录和翻译，基因遗传信息指导合成各种功能的蛋白质，这就是基因表达（geneexpression）。遗传信息传递方向的这种规律，即复制—转录—翻译，称为遗传信息传递的中心法则。进一步研究发现，某些病毒中RNA也可以作为模板，指导DNA的合成。这种信息传递方向与转录过程相反，称为逆（反向）转录。另外，还发现，某些病毒中的RNA亦可自身复制。这就是中心法则的补充。学习基因分子生物学的基本知识具有重要意义。一方面它可以使我们对生命的本质有更深刻的认识，并且在此基础上有利于生物体的改造；另一方面，随着研究工作的深入，愈来愈多地发现某些疾病的发生与基因及表达异常有关。例如遗传病、恶性肿瘤、心血管疾病、某些神经性疾病等。为了更好地理解这些疾病发病的分子机理及相应的防治措施，学习遗传信息传递的基本知识是十分必要的。在DNA复制过程中，首先是原DNA双螺旋的两条多核苷酸链之间的氢键断裂，双链解开并分为两股单链。然后，每条单链DNA各自作为模板，以三磷酸脱氧核糖核苷(dNTP)为原料，按照碱基配对规律(A与T配对，G与C配对)，合成新的互补链。这样形成的两个子代DNA分子与原来的亲代DNA分子的核苷酸顺序是完全相同的。在此过程中，每个子代DNA分子的双链，一条链来自亲代DNA，而另一条链则是新合成的。这种复制方式称为半保留复制。由于DNA在代谢上的稳定性和复制的忠实性，经过许多代的复制，DNA分子上的遗传信息仍可准确地传给子代。DNA的复制过程极为复杂，但其速度极快，这是由于许多酶和蛋白质因子参与了复制过程。其中，DNA聚合酶起着重要作用。在原有DNA模板链存在情况下，DNA聚合酶催化四种脱氧核苷酸(dATP、dTTP、dGTP、dCTP)，通过与模板链的碱基互补配对，合成新的对应DNA链，故此酶又称为DNA指导的DNA聚合酶(DNAdirectedDNApolymerase，缩写为DDDP)。DNA聚合酶的特点是不能自行从头合成DNA链，而必须有一个多核苷酸链作为引物，DNA聚合酶只能在此引物的端催化dNTP与末端作用，形成,-磷酸二酯键，从而逐步合成DNA链。因此，DNA链的合成是有方向性的，即从端→端方向进行。这一特点在DNA复制过程中具有重要意义。无论在原核细胞或真核细胞中，都存在多种DNA聚合酶，它们的性质和作用不完全相同。在真核细胞中至少有5种DNA聚合酶，即DNA聚合酶a、b、g、d和e。其中DNA聚合酶a在细胞中活性最强，在复制中起关键作用，而DNA聚合酶b主要在DNA损伤的修复中起作用。在DNA复制过程中，若有dNTP与亲代DNA链中相应碱基错误配对时，某些DNA聚合酶还具有核酸外切酶的活性，切去错误配对的核苷酸，以保证DNA复制的忠实性，称为“校对”作用。DNA复制的这一特性也具有重要意义。引物酶是DNA复制的另一种重要的酶。如上所述，DNA聚合酶不能自行从头合成DNA链，因此，在复制过程中首先需要合成一小段多核苷酸链作为引物（Primer）。实验证明，这段引物是RNA链片段，在这段引物的3’端引导DNA链的合成。催化引物链合成的酶称为引物酶，实际上它是一种特殊的RNA聚合酶。此酶以相应复制起始部位的DNA链为模板，合成短片段的RNA引物。DNA连接酶也是DNA复制过程中不可缺少的酶。因为复制过程中DNA链的合成方向只能由端→端方向进行，因此其中有一条新链的合成是不连续的，起初生成的只是许多短链的DNA片段（对这点的理解十分重要）。此种片段须在DNA连接酶的催化下，首尾相连，才能成为一条完整的DNA长链。实际上，DNA连接酶是将一片段DNA链上的-OH末端与相邻另一片段DNA链上的-P末端连接起来，使二者生成磷酸二酯键，从而将两个片段的DNA链连接起来。除了上述的三种酶，DNA复制还需要一些其它的酶和蛋白质因子，它们主要参与DNA的解旋和解链过程。因为DNA具有超螺旋结构，复制时必然要松弛DNA模板的超螺旋结构，并使DNA的双链分开，暴露碱基，才能发挥模板作用。松弛DNA超螺旋结构的酶是拓扑异构酶，解开DNA双链的酶是解链酶。还有一些蛋白质因子结合在解开的单链DNA链上，保持模板链处于单链状态，便于复制，称为DNA结合蛋白。DNA的复制过程十分复杂，大体可分为几个阶段：1．起始与引物的合成。DNA复制有固定的起始部位，原核细胞中只有一个复制起始部位，而真核细胞DNA有多个复制起始部位。在起始部位首先起作用的是DNA拓扑异构酶和解链酶，它们分别松弛DNA超螺旋结构和解开一段双链，并由DNA结合蛋白保护和稳定解开的DNA单链，形成复制点，又称复制叉。在此基础上，进一步由引物酶起作用，合成引物RNA片段。引物的长短约为十多个至数十个核苷酸。2．DNA片段的合成。这是DNA复制的核心内容。在细胞内，DNA的两条链都可以作为模板，分别合成两条新的DNA子链。由于DNA的两条链是反向平行的，即一条链是→，而另一条链则是→。但是，如上所述，DNA聚合酶催化DNA链的合成只能沿着→方向进行，因此，解开双链以后，在→，方向的模板上可以反向平行的方式顺利地按→方向合成新的DNA链。这条链是连续合成的（以→方向链为模板，称为前导链；而另一条链是不连续合成的（以→方向链为模板），称为随从链。即在随从链合成过程中，首先仍以→方向合成较短的DNA片段（由冈崎发现，故称为“冈崎片段”），然后在DNA连接酶作用下，再将这些片段连接起来，形成完整的DNA链。虽然随从链的合成从总体来看是→方向，但每个冈崎片段的合成方向仍然是→。只有这样才能使合成随从链成为可能。正确理解随从链合成在DNA复制中的作用，是本章的难点所在。3．RNA引物的水解。DNA片段合成到一定长度后，链中的RNA引物即被核酸酶水解而除去。由此出现的缺口通过DNA片段的继续延长而填补。4．完整子代DNA分子的形成。随从链中相邻的两个DNA片段在DNA连接酶作用下连接起来，形成大分子DNA链，与其对应的模板DNA链一起生成子代双螺旋DNA，即完整的DNA分子。合成的前导链也与其对应的另一条模板DNA链生成另一个双螺旋子代DNA分子。这两个子代DNA与亲代DNA的结构完全相同，由此遗传信息从亲代传递给子代。DNA复制在细胞分裂周期的S期进行。抑制DNA复制可以抑制细胞分裂，其些抗肿瘤药物则是通过这个途径而达到治疗的目的。DNA的合成除了复制外，还可以RNA为模板合成DNA，这个过程称为逆(反)转录。催化此反应的酶是逆（反）转录酶。逆转录在病毒RNA的致癌过程中起重要作用。第十一章RNA的生物合成——转录要求：掌握转录的原料、模板、酶及转录的基本过程。熟悉编码链、模板链、内含子、外显子的概念。提要：细胞中的RNA是以DNA为模板合成的。这种由DNA向RNA传递信息的过程，称为转录。RNA的转录需要多种成分参与，包括DNA模板、四种三磷酸核糖核苷酸(NTP)，RNA聚合酶及某些蛋白质因子等，总称为转录体系。RNA合成需要DNA做为模板，根据碱基配对规律，按照DNA模板中核苷酸的排列顺序，合成相应核苷酸顺序的RNA分子，即模板DNA分子中的A、G、C、T分别对应合成RNA分子中的U、C、G、A。由此，模板DNA的结构决定着转录RNA的结构，从而将遗传信息传递给RNA(mRNA)。可见，转录是基因表达的重要过程。细胞内DNA的双链中只有一条链可以作为模板转录合成RNA，此链称为模板链。转录本RNA的核苷酸序列与DNA模板链序列互补。DNA的另一条链无转录功能，称为编码链。此链的序列与转录本RNA链的序列基本相同，只是编码链中的T相应在转录本RNA中为U。由于转录本RNA编码合成蛋白质，故DNA的这条链命名为“编码链”。与DNA复制不同，转录是不对称的（即只有一条链转录，而不是象复制中两条链均可以用做模板）。这是转录的重要特点。需要指出的是，在一个包含多个基因的双链DNA分子中，各个基因的模板链并不是全在同一条链上，在某个基因节段以某一条链为模板转录，而在另一个基因节段可由另一条链为模板。正确理解这一特点也十分重要。转录是在DNA模板上的特定部位开始的。转录起始点之前有一段核苷酸序列组成的启动子，是RNA聚合酶的识别和结合部位。启动子在转录的调控中起着重要作用。在DNA模板上，从起始点顺转录方向的区域称为“下游”，从起始点开始与转录方向相反的区域称为“上游”。在转录的DNA模板上，除了启动子外，还有停止转录作用的部位，称为终止信号。能转录出mRNA，然后指导蛋白质合成的基因，称为结构基因。可见，转录过程是在模板的一定范围内进行的，称为转录单位。在模板DNA上，还有一些调节基因转录的区域，例如增强转录作用的增强子和减弱转录作用的抑制子等。DNA指导的RNA聚合酶是转录过程中最重要的酶，它催化核糖核苷酸之间形成磷酸二酯键，合成RNA链。已知大肠杆菌的RNA聚合酶由五个亚基组成，全酶去除亚基(又称因子)后，称为核心酶)。因子的作用是辨认DNA模板上转录的启动子，协助转录的起始。核心酶的作用是延长RNA链。某些药物如利福霉素或利福平能特异抑制细菌的RNA聚合酶，从而发挥药理作用。真核细胞中有三种RNA聚合酶，它们分别催化不同类型RNA的合成。转录过程大体分为三个阶段，即起始、RNA链的延长和终止。与DNA复制不同的是：转录不需要引物；转录时碱基配对的规律是U代替T。转录时RNA链的合成也有方向性，即从端→端进行，这一点与复制类似。值得注意的是，转录生成的是RNA初级产物，即RNA的前体。真核细胞转录的前体RNA均要经过一系列酶的作用，进行修饰加工，才能成为具有生物功能的成熟RNA，这个过程称为转录后加工。mRNA的加工具有特别重要的意义，主要包括：1．剪接，即切去前体RNA中的内含子部分，而将外显子拚接起来。在这里要正确理解内含子和外显子的概念。2．在5’端加一个特殊的“帽”结构。3．在端加多聚腺苷酸的“尾”结构。4．前体RNA链中