导读编译者谢雍 ( 香港科技大学生物学系 ) 张博 ( 北京大学生命科学学院 ) 高宇英 ( 北京大学生命科学学院 ) 黄鹏 ( 北京大学生命科学学院 ) 肖安 ( 北京大学生命科学学院 ) 高巍 ( 北京大学生命科学学院 ) 徐琳杰 ( 北京大学生命科学学院 ) 夏梽丹 ( 北京大学生命科学学院

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玳杨
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1 导读编译者谢雍 ( 香港科技大学生物学系 ) 张博 ( 北京大学生命科学学院 ) 高宇英 ( 北京大学生命科学学院 ) 黄鹏 ( 北京大学生命科学学院 ) 肖安 ( 北京大学生命科学学院 ) 高巍 ( 北京大学生命科学学院 ) 徐琳杰 ( 北京大学生命科学学院 ) 夏梽丹 ( 北京大学生命科学学院 ) 梁巍 ( 北京大学生命科学学院 ) 王展翔 ( 北京大学生命科学学院 ) 张莹 ( 北京大学生命科学学院 )

3 目录前言缩略词 A B C 分子遗传学 A1 DNA 结构 A2 A3 A4 基因遗传密码基因转录 (1) (1) (7) (11) (14) A5 转移 RNA (22) A6 核糖体 RNA (27) A7 信使 RNA (31) A8 翻译 (37) A9 DNA 复制 (45) A10 原核生物基因表达调控 (52) A11 真核生物基因表达调控 (59) A12 表观遗传学与染色质修饰 (67) 基因组 (75) B1 B2 B3 B4 染色体细胞分裂原核生物基因组真核生物基因组 (75) (84) (87) (92) B5 DNA 突变 (99) B6 B7 B8 B9 B10 遗传机制 C1 诱变剂和 DNA 修复 (105) 重组 (114) 噬菌体 (121) 真核生物的病毒 (127) 基因组分析 (134) (139) 基础孟德尔遗传学 (139) C2 孟德尔遗传学 ( 续 ) (146) C3 C4 C5 减数分裂和配子形成 (154) 连锁 (161) 细菌间的基因转移 (168) C6 真核生物细胞器中的基因 (175) C7 C8 C9 C10 C11 数量遗传 (179) 性别决定 (190) 性别和遗传 (195) 近交 (198) 概率 (203)

4 D E F G C12 适合度检验 : 卡方和精确度检验 (208) 群体遗传学与进化 D1 D2 (215) 简介 (215) 通过自然选择的进化 (219) D3 群体中的基因 : 哈迪 G 温伯格平衡 (226) D4 遗传多样性 (235) D5 新达尔文进化论 : 选择作用于等位基因 (240) D6 染色体在进化中的变化 (246) D7 D8 D9 D10 物种和物种形成 (257) 多倍性 (264) 进化 (269) 人类的进化 (275) 重组 DNA 技术 (281) E1 DNA 研究技术 E2 RNA 研究技术 E3 DNA 克隆和转染 E4 (281) (290) (294) 生物信息学 (304) 人类遗传学 F1 F2 F3 F4 (311) 遗传病 (311) 遗传筛选 (321) 基因与癌症 (325) 基因治疗 (330) 遗传学的应用 (335) G1 遗传学在法医学中的应用 (335) G2 G3 G4 生物技术 (342) 转基因学 (348) 伦理学问题 (354) 进一步阅读的文献和有用的网站 (363) 索引 (371) 注 : 英文目录 E2 之后的页码错误.

7 前言自本书第二版出版以来, 人们对遗传学的研究取得了一些重的进展. 虽然基因组测序不再属于前沿领域, 但是从中所获得的数据促进了诸多的研究工作. 人类基因组仅有个基因被鉴定出来, 估计上限为个基因 ; 这远远低于先前的预测, 将人类跟其他大多数的多细胞生物紧紧地联系在一起. 人类的基因数目似乎比卷心菜的还少. 基因组比对结果还显示, 有 67~83 个在黑猩猩体内依然活跃的基因, 由于在进化过程中产生突变而在人类中成为没有活性的假基因. 更令人惊异的是, 人类基因组的某些部分与黑猩猩的差异比其余部分大得多. 这表明当祖先群体向这两个不同的物种趋异进化时经历了很长一段时间, 期间发生了一些遗传交换. 另一个新进展是发现 RNA 在控制染色质结构方面的作用, 以及组蛋白 N 末端的共价修饰在调节染色体结构方面的重性. 某些组蛋白修饰 ( 例如位特异性甲基化 ) 能够促使核小体紧密堆积, 导致形成致密的染色质, 造成转录装置难以接近, 从而使其中的基因的表达受到限制. 双链 RNA 能够引导特异的 DNA 序列发生这种修饰, 使 CpG 序列 ( 在植物中为 CpNpG) 中的胞嘧啶被甲基化, 并且这种修饰与组蛋白的去乙酰化相关. 随着用以鉴定组蛋白特异修饰的单克隆抗体不断增多, 人们对所谓的组蛋白密码的认识将会越来越清晰. 为了反映上述变化, 我们减少了介绍基因组测序技术的篇幅, 同时将表观遗传学移到了 A 单元中的分子遗传学部分, 因为这样看起来更为恰当. 人类的进化作为单独的一个单元出现. 人类在地球上定居与迁移的地理学越来越清楚, 而随着类人猿基因组的信息逐渐明朗, 人们才刚刚开始认识人类与类人猿之间在分子水平上的差异. 有很多审稿人对本书的前一个版本提出了评论和修改建议, 我们在此表示感谢. 在力所能及的范围内, 我们尽可能采纳了他们的建议. 我们希望至少有一些审稿人对某些改动会感到满意.

9 缩略词 3D threedimensional 三维的 5BU 5Gbromouracil 5G 溴尿嘧啶 ADA adeninedeaminase 腺嘌呤脱氨酶 AIDS acquiredimmunedeficiencysyndrome 艾滋病 / 获得性免疫缺陷综合征 ATP adenosinetriphosphate 腺苷三磷酸 ( 三磷酸腺苷 ) BAC bacterialartificialchromosome 细菌人工染色体 bp basepairs 碱基对 BrdU bromodeoxyuridine 溴脱氧尿苷 bzip 1 basicleucinezipper 碱性亮氨酸拉链 CAP cataboliteactivatorprotein 分解物激活蛋白 camp cyclicadenosinemonophosphate 环腺苷酸 cdk cyclindependentkinase 依赖细胞周期蛋白的激酶 cdna complementaryorcopydna 互补 DNA CFTR cysticfibrosistransmembrane 囊性纤维化跨膜传导调节蛋白 conductanceregulator cm centimorgan 厘摩 DIG digoxigenin 地高辛 DNA deoxyribonucleicacid 脱氧核糖核酸 datp 2 Gdeoxyadenosine5 Gtriphosphate 2 G 脱氧腺苷 5 G 三磷酸 dctp 2 Gdeoxycytosine5 Gtriphosphate 2 G 脱氧胞苷 5 G 三磷酸 ddntp dideoxynucleotidetriphosphate 双脱氧核苷三磷酸 dgtp 2 Gdeoxyguanosine5 Gtriphosphate 2 G 脱氧鸟苷 5 G 三磷酸 dntp deoxynucleotidetriphosphate 脱氧核苷三磷酸 dttp 2 Gdeoxythymidine5 Gtriphosphate 2 G 脱氧胸苷 5 G 三磷酸 ds doublestranded 双链 ES embryonicstem 胚胎干 ( 细胞 ) EST expressedsequencetags 表达序列标签 ETS externaltranscribedspacers 外部转录间隔区 F fertility 致育 FISH fluorescentinsituhybridization 荧光原位杂交 GDP guanosinediphosphate 鸟苷二磷酸 GTP guanosinetriphosphate 鸟苷三磷酸 Hfr 2 highfrequencyrecombination 高频重组 HIV humanimmunodeficiencyvirus 人类免疫缺陷病毒 HLH helixgloopghelix 螺旋 G 环 G 螺旋 HnRNA heterogeneousnuclearrna 核内不均一 RNA HUGO humangenomeorganization 人类基因组组织 ICR internalcontrolregion ( 序列 ) 内部控制区 ITS internaltranscribedspacers 内部转录间隔区 kb kilobase 千碱基

10 kbp kilobasepairs 千碱基对 LINE longinterpersednuclearelements 长散在核元件 LTR longterminalrepeat 长末端重复 MCS multiplecloningsite 多克隆位 mdna mitrochondrialdna 线粒体 DNA mrna messengerrna 信使 RNA NOR nuclearorganizerregion 核仁组织区 ORF openreadingframe 可读框 PAC P1artificialchromosome P1 人工染色体 PCR polymerasechainreaction 聚合酶链式反应 PKU phenylketonuria 苯丙酮尿症 pms postmeioticsegregation 减数后分离 QTL quantitativetraitloci 数量性状基因座 R resistance 抗性耐受性 RF replicativeform 复制型 RFLP restrictionfragmentlength 限制性片段长度多态性 polymorphism RNA ribonucleicacid 核糖核酸 RNAi RNAinterference RNA 干扰 ROS reactiveoxygenspecies 活性氧组分 rrna ribosomalrna 核糖体 RNA RTGPCR 3 reversetranscriptionpolymerase 反转录 G 聚合酶链式反应 chainreaction SAR scafoldatachmentregions 支架附着区 SCE sisterchromatidexchanges 姐妹染色单体交换 SINE shortinterspersednuclearelements 短散在核元件 sirna smalinterferingrna 小干扰 RNA SNP singlenucleotidepolymorphism 单核苷酸多态性 snrnp smalnuclearribonucleoproteins 核内小核糖核蛋白 ss singlestranded 单链 SSB singlestrandbinding 单链结合 STS sequencetaggedsites 序列标签位 TF transcriptionfactor 转录因子 trna transferrna 转移 RNA TIC transcriptioninitiationcomplex 转录起始复合体 VNTR variablenumbertandemrepeats 可变数目串联重复 YAC yeastartificialchromosome 酵母人工染色体注 1: 原文为 bzlp. 注 2: 原文为 HFr. 注 3: 原文为 RTPCR.

11 A 分子遗传学 A1 DNA 结构核苷酸 DNA 多聚核苷酸双螺旋碱基互补配对 RNA 的结构 DNA 是由核苷酸单体构成的链状聚合物, 每个核苷酸由一个糖基一个碱基和一个磷酸基团组成.DNA 的糖基是 2 G 脱氧核糖, 含有五个碳原子, 分别称为 1 2 碳原子.DNA 的碱基分为四种 : 腺嘌呤和鸟嘌呤含有两个碳氮杂环, 属于嘌呤碱 ; 胸腺嘧啶和胞嘧啶只含有一个碳氮杂环, 属于嘧啶碱. 这些碱基与脱氧核糖的 1 碳原子相连, 构成核苷. 糖基的 5 碳原子可以与一个两个或三个磷酸基团相连, 构成一个核苷酸. 核苷酸能够以单个分子或多聚体 ( 如 DNA 或 RNA) 的形式存在. 分别对应四种碱基的核苷三磷酸相连接而形成了 DNA 多聚核苷酸链. 核苷酸聚合时, 其中的两个磷酸基团脱落, 余下的 5 磷酸基与下一个核苷酸的 3 羟基形成磷酸二酯键. 多聚核苷酸的一端为游离的 5 磷酸基 (5 端 ), 另一端为游离的 3 羟基 (3 端 ). 遗传信息由碱基的顺序编码, 其阅读方向为从 5 到 3. 多聚核苷酸链很长, 可以产生 4 n (n 为核苷酸数 ) 种不同的序列. DNA 分子由两条互相缠绕成双螺旋结构的多聚核苷酸链组成. 其中的糖基和磷酸基构成 DNA 分子的骨架, 碱基则面向内部重叠排列. 两条多聚核苷酸链走向相反.DNA 双螺旋结构是右旋的, 每 10 对碱基构成一个螺旋周期. 双螺旋结构的大沟可与蛋白质相互作用. 目前已发现了各种不同的 DNA 结构, 包括具有左旋结构的 ZGDNA. 两条 DNA 链上碱基之间形成的氢键维持了双螺旋结构的稳定性. 由于受到双链内的空间限制, 碱基配对只能发生在嘌呤和嘧啶之间, 其中 A 只能与 T 配对,G 只能与 C 配对. 这就是碱基互补配对原则. 碱基配对的限制意味着两条链上的碱基顺序是相互关联的, 一条链的顺序决定了另一条链的顺序. 这样能够使遗传信息在 DNA 复制和基因表达的过程中得以维持. 加热化学物质或酶的作用能够导致 DNA 碱基间氢键的断裂, 使双螺旋的两条链分开变成单链. 在 RNA 中, 胸腺嘧啶被尿嘧啶取代,2 脱氧核糖被核糖取代.RNA 通常以单链多聚核苷酸的形式存在, 但在互补的序列之间有可能产生短片段的碱基配对. 基因转录 (A4) DNA 复制 (A9) DNA 突变 (B5) A2 基因基因的结构基因是遗传信息的基本单位, 它对应于 DNA 上一个不连续的区段, 编码一个多肽的氨基酸序列. 1 人类细胞约含有个基因, 分布于 23 条染色体上. 基因是不连续的, 被非编码的基因间 DNA 分开. 遗传信息由模板链编码, 用于指导 RNA 分子的合成. 2 两条 DNA 链都能成为模板链.DNA 分子具有庞大的储存遗传信息的能力. 1

12 基因家族基因表达基因启动子内含子和外显子有些基因成簇排列, 称为操纵子或多基因家族. 操纵子存在于细菌中, 含有被共同调控功能相关的基因. 多基因家族存在于高等生物中, 它含有一组相同或类似的基因, 但是这些基因并不受协同调控. 简单的多基因家族含有相同的基因, 以满足细胞对该基因产物的大量需. 复杂的多基因家族则含有非常类似的基因, 这些基因往往编码功能相关的蛋白质. 编码于基因中的生物信息通过基因表达而得以表现. 在这个过程中, 基因首先指导合成 RNA, 然后由 RNA 指导合成蛋白质. 基因表达的中心法则指出 :( 遗传 ) 信息总是由 DNA 传递给 RNA, 再由 RNA 传递给蛋白质. 细胞的功能通过许多蛋白的协同作用而实现. 基因的表达保证了蛋白质在合适的位置和合适的时间被合成. 基因表达是受到高度调节的. 细胞中并非所有的基因都处于活化状态, 不同类型的细胞表达不同的基因. 基因的表达受到位于编码区上游的一段 DNA 序列调控, 称为启动子. 它能够与 RNA 聚合酶以及有关的转录因子相结合, 从而启动 RNA 分子的合成. 基因中的编码序列被分割成一系列的片段, 称为外显子 ; 它被称为内含子的非编码序列分开. 内含子通常占据大部分的基因序列, 其大小和数量因不同的基因而异. 在蛋白质合成之前, 内含子将被从 RNA 转录本中去除, 这个过程称为剪接. 细菌的基因中通常不存在内含子. 假基因某些基因的拷贝含有在进化过程中获得的序列错误, 使它们无法产生蛋白. 这些基因被称为假基因, 它们代表原始基因的进化遗迹. 珠蛋白假基因即为一例. 原核生物基因表达调控 (A10) 真核生物基因表达调控 (A11) 表观遗传学与染色质修饰 (A12) 原核生物基因组 (B3) 真核生物基因组 (B4) 注 1: 关于基因的概念, 更为普遍的看法是 : 基因是指一段特殊的 DNA, 这一段 DNA 能够作为一个完整的功能单位指导合成一条多肽链或一个 RNA 分子. 注 2: 应为 : 遗传信息由有义链编码, 与之互补的为模板链, 该链用于指导 RNA 分子的合成. A3 遗传密码遗传表达遗传信息由一系列基因的 DNA 碱基序列所编码. 基因表达作为一个术语, 是用来描述细胞如何将遗传信息解码, 以合成细胞活动所必需的蛋白质. 基因表达指合成互补的 RNA 链, 这条 RNA 的序列决定了蛋白质的氨基酸序列. 基因的 DNA 序列与多肽的氨基酸序列呈现线性相关. 遗传密码 20 种氨基酸由 64 种碱基三联体编码, 称为密码子. 大多数氨基酸具有一种以上的密码子. 遗传密码的这种简并性能够减少突变的影响. 编码同一个氨基酸的密码子称为同义密码子, 它们通常在第三个碱基上有差异, 这个碱基位置被称为摆动位置.AUG 编码甲硫氨酸, 同时也是起始密码子. 有三种终止密码子 :UAG UGA 和 UAA. 2

13 阅读框如果可以选择不同位置的碱基开始读码, 任何 DNA 序列都可以有三种不同的读码方式. 每一种读码方式产生的一套密码子序列称为一个阅读框. 起始密码子决定哪一种阅读框真正成为蛋白编码序列, 其他阅读框往往包含终止密码子, 无法用于指导蛋白质合成. 阅读框是一段由起始密码子和终止密码子所限定的范围内的密码子序列. 遗传密码的普遍性遗传密码普遍适用于所有生物, 同样的密码子编码同一个氨基酸. 但是, 在线粒体基因组和一些单细胞生物中存在一些与标准密码子用法不同的例外. 转移 RNA(A5) 翻译 (A8) A4 基因转录转录原核生物的转录转录起始转录延伸转录终止转录是基因表达的第一阶段, 指的是以 DNA 为模板, 在 RNA 聚合酶的催化下合成 RNA 的过程.RNA 根据 DNA 模板链合成, 具有与非模板链 ( 即有义 / 编码链 ) 相同的碱基序列. 在 RNA 合成过程中, 核苷三磷酸的聚合方向为 5 3, 而 DNA 模板链的方向则是 3 5. 原核生物的转录可分为三个阶段 : 起始延伸和终止. 大肠杆菌只有一种 RNA 聚合酶, 称为全酶. 全酶由五个亚基 ( 两个 α 一个 β 一个 β 和一个 σ 亚基 ) 构成.σ 亚基可以脱离全酶, 而剩余的亚基则构成核心酶. 转录从基因的启动子开始. 大肠杆菌的 RNA 聚合酶可以识别 -10 区和 -35 区的两段序列,σ 可以结合到 -35 区上. 最初形成一个闭合的启动子复合体, 然后 DNA 双螺旋在 -10 区发生解离, 形成一个开放的启动子复合体.σ 亚基脱离 RNA 聚合酶后,RNA 合成开始. 在延伸过程中,RNA 聚合酶依照 DNA 模板的序列, 把核苷酸依次添加到 RNA 分子的 3 端.RNA 聚合酶沿着 DNA 链向前移动并破坏碱基间的氢键 ( 熔解 ), 从而使 DNA 双链解旋. 为避免 DNA 链上的张力太大, 每次只有一小段 DNA 链 (12~17 个碱基 ) 会被解旋. 新合成的 RNA 最初与 DNA 模板链配对结合, 随后即被释放, 以便重新形成 DNA 双链. RNA 中的回文序列可形成茎环结构, 作为转录的终止信号. 一般认为,RNA 聚合酶遇到一个茎环结构后会中止活动, 随后茎环结构后面的一段较弱的 AGU 碱基对分开, 从而释放出转录产物. 另一种情况是因 ρ 蛋白破坏碱基配对而释放转录产物. 转录终止以后,RNA 聚合酶从 DNA 模板上释放出来, 并与 σ 亚基重新结合. 真核生物的转录真核生物的转录起始很复杂, 其终止并不需茎环结构. 三种不同的 RNA 聚合酶 (I I I) 转录不同的基因. RNA 聚合酶 I RNA 聚合酶 I 负责转录编码蛋白质的基因.RNA 聚合酶 I 的启动子序列通常包含一个 TATA 框, 大约位于转录起始位上游 25 碱基对处 ;TATA 框可以与 RNA 聚合酶 I 结合. 相关的转录因子 (TFIA B 等 ) 在 TATA 框附近按一定的顺序与 DNA 结合, 为 RNA 聚合酶 I 的结合创造一个平台. 缺乏 TATA 框的基因可能会含有一个起始元件, 也可能两者都没有. 其他启动子元件, 例如 CAT 框, 可以跟其他转录因子结合, 从而影响转录起始的效率. 增强子和沉默子等远端调控元件也能够影响转录效率. 介导转录终止的信号尚不清楚. 3

14 RNA 聚合酶 I RNA 聚合酶 I RNA 聚合酶 I 转录 18S 28S 和 5 8S 核糖体 RNA(rRNA). 这类基因的启动子包含两个转录必需的元件. 一个是与转录起始位重叠的核心元件, 另一个是在 -100bp 附近的上游控制序列. 在距离基因 3 端约 600bp 之后的位置有一个 18bp 的终止信号. RNA 聚合酶 I 转录转移 RNA(tRNA) 和 5S 核糖体 RNA(rRNA) 等小基因. 这类基因的启动子位于编码序列内, 因而被称为内部控制区 (ICR).tRNA 基因有两个重的序列元件, 分别称为 Abox 和 Bbox;5SrRNA 基因的转录需的一段称为 Cbox 的序列, 还有一段称为 Abox 的序列也很重. 一段连续的 A 核苷酸残基是转录的终止信号. 转移 RNA(A5) 核糖体 RNA(A6) 信使 RNA(A7) 原核生物基因表达调控 (A10) 真核生物基因表达调控 (A11) 表观遗传学与染色质修饰 (A12) RNA 研究技术 (E2) A5 转移 RNA trna 在翻译中的作用 trna 的结构 trna 的合成与加工 trna 中核苷酸的修饰转移 RNA(tRNA) 是一类小分子, 它以信使 RNA(mRNA) 为模板, 将氨基酸按顺序转运到一起, 从而使蛋白质得以合成. 细胞内 trna 的种类很多, 每种 trna 都结合一种特定的氨基酸. 每种 trna 可以与 mrna 中特异的密码子结合, 从而将其携带的氨基酸放在正确的位置. trna 通过分子内碱基配对形成三叶草形的结构. 由碱基配对形成的茎环结构称为臂. 这些臂包括 : 接纳臂, 是氨基酸的结合位 ; 反密码子臂, 识别 mrna 中的密码子 ; 二氢尿嘧啶 (DHU) 臂, 含二氢尿嘧啶 ; 额外臂和含有假尿嘧啶的胸苷 G 假尿苷 G 胞苷臂 (TΨC 臂 ).trna 的碱基配对区具有保守的核苷酸序列. 根据三级结构预测的碱基配对情况与二维的三叶草结构类似, 并显示接纳臂与反密码子臂分别位于 trna 分子的两端. trna 基因以多拷贝的形式存在, 每一个拷贝编码多个 trna.trna 首先由 RNA 聚合酶 I 转录成前 trna, 之后被核糖核酸酶加工成为成熟的 trna.rna 酶 P 含有核酶活性. 转录结束后,CCA 序列被加到真核生物的 trna 上. trna 分子被转录出来后还进行修饰. 修饰的类型包括 : 甲基化碱基重排双键饱和脱氨硫酸盐化和添加大基团. 这些修饰的功能还不清楚. 基因转录 (A4) 核糖体 RNA(A6) 翻译 (A8) A6 核糖体 RNA 核糖体核糖体是由核糖体 RNA(rRNA) 和蛋白质组成的大分子结构. 它们在细胞质中大量存在, 以信使 RNA 为模板合成蛋白质. 核糖体由特定大小的大小亚基组成, 它们的沉降系数 (S) 不同. 原核生物核糖体沉降系数为 70S, 由 50S 和 30S 亚基组成, 包括三种 rrna(23s 16S 和 5S), 真核生物核糖体沉降系数为 80S, 由 60S 和 40S 亚基组成, 包括四种 rrna(28s 18S 5 8S 和 5S). 4

15 原核生物中 rrna 的转录和加工真核生物中 rrna 的转录和加工大肠杆菌 (E coli) 中的三种 rrna 由一个基因转录而来. 在基因组中该基因有 7 个拷贝. 该基因首先转录出一个转录本, 然后经过加工成为成熟的 rrna. 加工过程包括 RNA 的折叠与核糖体蛋白质的结合碱基的甲基化和核糖核酸酶的切割. 真核生物 rrna 从一种基因转录而来, 该基因为多拷贝, 且成簇存在. 这些基因在细胞核仁中由 RNA 聚合酶 I 转录. 首先合成一个单独的 rrna 前体, 然后经过加工, 成为成熟的 28S 18S 和 5 8SrRNA. 真核生物 rrna 的加工包括 rrna 的折叠与核糖体蛋白质的结合由小核糖核蛋白 (snrnp) 介导的核糖的甲基化, 以及在核糖核酸酶作用下间隔序列的去除.5SrRNA 则是在 RNA 聚合酶 Ⅲ 的作用下, 由不连锁的基因转录而来. 转移 RNA(A5) 信使 RNA(A7) 翻译 (A8) A7 信使 RNA mrna 的合成与加工 mrna 剪接 mrna 加帽 mrna 聚腺苷酸化 mrna 的稳定性信使 RNA(mRNA) 是蛋白质合成的模板, 它是在 RNA 聚合酶 I 的作用下, 在细胞核中由蛋白质编码基因转录而来.mRNA 最初被转录成前体分子, 称为前 mrna; 该前体包括非编码的内含子序列, 在随后的剪接过程这些序列会被去掉.mRNA 的 5 端被帽子结构修饰,3 端被多聚腺苷酸修饰. 这类 RNA 由 RNA 聚合酶 I 转录, 以核内不均一 RNA 分子集合体的形式存在于细胞核中. mrna 剪接是指从前 mrna 中切除内含子的过程. 内含子的末端分别为 GT 和 AG 序列, 它们分别是 5 和 3 端剪接信号的一部分. 另一个信号序列位于内含子内部, 称为分支序列. 剪接过程包括内含子的 5 端被切开并被连接到分支序列上, 形成一个有尾环. 随后, 这个内含子在 3 端发生切割, 从 mrna 前体中被释放出来, 相邻的两个外显子被连接到一起. 剪接由核内小核糖核蛋白 (snrnp) 催化 :U1 结合到 5 剪接位上, U2 与分支序列结合, 之后 U5 和 U4/6 跟 U1 和 U2 形成一个复合物, 称为剪接体. 剪接体将 mrna 置于正确的取向, 并提供切除内含子连接外显子的酶活性. 真核 mrna 的 5 端被一种特殊的核苷酸 7G 甲基鸟嘌呤修饰. 这一核苷酸通过一种不寻常的 5 5 三磷酸键连接到 mrna 的第一个核苷酸上. 这种修饰被称为加帽, 它能够保护 mrna 不被 5 核酸外切酶降解. 大多数真核 mrna 的 3 端具有多聚 A 尾巴 ( 聚腺苷酸化 ) 修饰. 前 mrna 在聚腺苷酸化信号 (5 AAUAAA3 ) 下游大约 20 个碱基处被切开, 随后在聚腺苷酸聚合酶的作用下, 加上一段腺苷酸残基. 聚腺苷酸化被认为可保护 mrna 的 3 端不被核酸外切酶降解. 相对而言,mRNA 不如核糖体 RNA 和转运 RNA 稳定. 这使得细胞能够通过改变基因转录的速率来调节蛋白质的水平. 原核生物 mrna 的半衰期较真核生物短得多. 一些真核生物 mrna 的稳定性受短干扰 RNA(siRNA) 的调控, 这些 sirna 结合到 mrna 上, 与蛋白质相互作用, 催化 mrna 的降解. 5

16 mrna 的可变加工剪接方式的多样性造成一个前 mrna 产生序列不同的 mrna, 从而产生不同的蛋白质. 剪接方式可以包含或不包含一个或多个外显子. 肿瘤细胞中常出现 mrna 的异常剪接. 聚腺苷酸化信号的变化也可导致生成不同的 mrna.mrna 的序列也可通过 RNA 编辑发生改变, 这种编辑包括通过插入缺失或单个碱基的置换而改变序列. 基因转录 (A4) 转移 RNA(A5) 核糖体 RNA(A6) 翻译 (A8) 真核生物基因表达调控 (A11) 基因与癌症 (F3) A8 翻译转移 RNA 的作用密码子识别翻译转移 RNA(tRNA) 以信使 RNA(mRNA) 为模板, 将氨基酸运送到核糖体上, 从而合成蛋白质. 每种氨基酸可与一种或多种可识别其密码子的 trna 结合, 这些 trna 统称为同工 trna(isoacceptor). 在氨酰 trna 合成酶的作用下, 氨基酸通过氨酰化与 trg NA 接纳臂的末端共价结合. mrna 中的密码子与 trna 中的反密码子之间的碱基互补配对保证了氨基酸在蛋白质合成过程中被放置在正确的位置. 遗传密码具有简并性, 大多数氨基酸被一个以上的密码子编码. 由于反密码子中的 5 碱基能够结合不同密码子的 3 碱基, 因而每个 trna 可以识别多个密码子. 这就是密码子的摆动性. 真核生物和原核生物的翻译过程类似, 都可分为三步 ( 起始延伸和终止 ). 每一步都需许多辅助性的蛋白质. 翻译所需的能量由腺苷三磷酸 (ATP) 和鸟苷三磷酸 (GTP) 的水解提供. 起始在原核生物中, 翻译起始于核糖体小亚基与 mrna 的 SD 序列结合 ; 在真核生物中, 核糖体小亚基与 mrna5 帽子的结合标志着翻译的开始. 小亚基沿 mrna 迁移至 AUG 起始密码子的下游, 起始甲硫氨酸 trna(trnai met ) 结合上去, 形成起始复合物. 在原核生物中,tRNAi met 的甲硫氨酸被甲酰化.IF1 IF2 和 IF3 是细菌的翻译起始因子. 在翻译起始步骤完成前,IF1 和 IF3 阻止大亚基的结合 ;IF2 将 trnai met 引导到起始复合物上. 真核生物至少包含 9 种翻译起始因子, 其中,eIF1 和 eif2 的作用与 IF1 和 IF2 相似. 一些因子能够打开 mrna 的二级结构. 延伸翻译起始步骤完成后, 核糖体大亚基结合到起始复合物上, 形成 A 位和 P 位. P 位与 trnai met 结合. 第二个载有氨基酸的 trna 进入 A 位, 在肽基转移酶的作用下, 两个氨基酸之间形成肽键. 随后,tRNA 脱酰基酶切断甲硫氨酸与 trna 之间的化学键, 使这个二肽结合在第二个 trna 上. 在原核生物中, 延长因子 EFGTu 协助 trna 进入 A 位, 之后 GTP 水解,EFGTu 被释放出来, 与 GDP 结合.EFGTs 可再生成新的 EFGTu. 在真核生物中,eEF1 的作用与 EFGTu 相似. 肽键形成之后, 核糖体移动到下一个密码子上, 与二肽结合的 trna 移至 P 位, 代替起始 trna, 第三个携带氨基酸的 trna 进入 A 位, 如此进行延伸步骤的循环. 在原核生物中, 核糖体的移动需 EFGG 的介导以及 GTP 的水解供能 ; 真核生物中的 eef2 具有类似的作用. 6

17 终止翻译后修饰终止密码子进入 A 位标志着翻译过程的结束. 释放因子进入 A 位, 导致多肽的释放. 在大肠杆菌中,RF1 RF2 和 RF3 负责终止 ; 在真核生物中, 只需 erf 一个蛋白质. 翻译终止后核糖体分离, 释放出 mrna. 翻译完成后, 多肽可被修饰, 例如在氨基酸侧链上 C 末端或 N 末端加上各种化学基团, 或被蛋白水解酶切割. 修饰有可能是某些蛋白质活化所必需的. 遗传密码 (A3) 转移 RNA(A5) 核糖体 RNA(A6) A9 DNA 复制 DNA 复制复制叉细菌 DNA 的复制真核生物 DNA 的复制细胞在分裂前其 DNA 进行自我复制. 复制过程是以单链 DNA 为模板, 在 DNA 聚合酶的作用下以 5 3 的方向进行.DNA 复制是半保留式的. 在大肠杆菌中,DNA 聚合酶 I 和 I 具有 3 5 核酸外切酶的活性, 这些酶因而能够对序列进行校正, 以保证 DNA 复制过程中极低的错误率. DNA 合成发生在复制叉处. 解旋酶分离双螺旋, 单链结合蛋白 (SSB) 维持两条单链处于分离状态.DNA 的合成在先导链中是连续的, 在后随链上则合成不连续的片段 ( 冈崎片段 ). 在大肠杆菌中, 由 DNA 聚合酶 I 参与的 DNA 合成起始于由引发酶 RNA 聚合酶合成短的 RNA 引物. 随后, 引物序列再由 DNA 聚合酶 I 置换为 DNA. 在真核生物中,DNA 聚合酶 α 首先作为引物酶起始 DNA 合成, 随后, 先导链和后随链分别由 DNA 聚合酶 δ 和 α 合成. 冈崎片段在 DNA 连接酶的作用下通过磷酸二酯键相互连接. 环状细菌 DNA 分子和线性真核生物染色体的复制方式不同. 环状 DNA 分子从单一的起复制, 复制叉向两个方向前进, 最后相遇并合并. 环状 DNA 分子在双螺旋解旋过程中形成的超螺旋可以被拓扑异构酶 I 消除. 复制过程中产生的子代分子会互相缠绕在一起, 拓扑异构酶 I 可以将它们分开. 真核生物的细胞分裂称为细胞周期, 包含一系列的事件. 真核生物染色体为多起复制, 先形成复制泡, 最后相遇合并. 转录活跃的区域首先被复制. 复制前 DNA 需从核小体上解离. 染色体的末端需以特殊机制复制, 端粒酶将非编码序列加到染色体末端以便使末端得到复制. DNA 结构 (A1) 染色体 (B1) 原核生物基因组 (B3) 真核生物基因组 (B4) DNA 突变 (B5) 诱变剂和 DNA 修复 (B6) A10 原核生物基因表达调控基因表达调控细菌可以调控其基因的活性, 从而仅产生细胞活动所必需的基因产物. 这使得细菌能够对环境变化作出反应. 调控转录 mrna 更新 mrna 加工或翻译等的速率都能够改变基因产物的数量. 其中改变基因转录的机制研究得最清楚. 7

18 细菌基因的结构乳糖操纵子分解物阻遏色氨酸操纵子弱化作用可变 σ 因子的调控细菌的很多基因往往排列成协同调控的操纵子, 这些基因往往编码功能上相关的蛋白质. 可诱导的操纵子, 例如乳糖操纵子, 编码参与代谢途径的酶, 并可被该途径的底物诱导. 可抑制的操纵子, 例如色氨酸操纵子, 编码参与生物合成途径的酶 ; 这些操纵子的基因表达受到该生物合成途径的最终产物或弱化作用的调节. 该操纵子包括三个基因 (lacz,y,a), 编码大肠杆菌乳糖代谢所需的酶. 这些基因由同一个启动子转录, 其表达可被乳糖诱导. 有乳糖时, 异乳糖与乳糖阻遏物结合, 阻止后者跟乳糖操纵基因的结合, 从而使操纵子得以转录. 乳糖消耗完后, 乳糖阻遏物恢复活性, 又结合到乳糖操纵基因上, 使转录受到阻遏. 该调控机制使大肠杆菌可以在有葡萄糖存在的情况下抑制乳糖操纵子. 分解物激活蛋白 (CAP) 与 camp 结合, 并通过结合在乳糖操纵子启动子的上游激活乳糖操纵子的转录. 葡萄糖可通过抑制腺苷酸环化酶来调节 camp 的含量. 当葡萄糖存在时, camp 含量降低,CAP 无法与乳糖操纵子的启动子结合, 操纵子仅有低水平的转录. 葡萄糖含量低时,cAMP 含量上升,CAP 与乳糖操纵子的启动子结合, 激活操纵子转录. 分解物阻遏能够确保在乳糖和葡萄糖同时存在的情况下, 细菌优先利用葡萄糖. 该操纵子包括五个基因, 编码色氨酸生物合成所需的酶, 由同一个启动子转录. 在色氨酸存在的情况下, 色氨酸阻遏物结合在色氨酸操纵基因上, 阻遏操纵子的转录. 在没有色氨酸的情况下, 色氨酸阻遏物无法与操纵子结合, 色氨酸操纵子得以转录. 该调控机制使色氨酸操纵子及其他操纵子的表达得到精确调节. 位于色氨酸启动子和色氨酸操纵子的第一个基因之间的 DNA 序列, 可以形成对转录无影响的大的茎环结构, 也可以形成较小的终止环. 上游一段短的编码区包含色氨酸密码子. 当色氨酸足够时,RNA 聚合酶对该区转录之后, 核糖体紧随其后, 阻止较大的茎环结构形成, 而只形成终止环, 从而使转录停止. 在色氨酸缺乏的情况下, 核糖体停止移动,RNA 聚合酶则向前移动, 从而形成大的茎环结构 ; 由于终止环的形成受到抑制, 操纵子得以继续转录. 该机制能够使基因表达随环境的改变而发生重大变化. 可变 σ 因子改变了细菌 RNA 聚合酶的特异性, 使其能够识别不同基因的启动子. 可变 σ 因子在大肠杆菌的热休克反应及在枯草芽孢杆菌的芽孢形成过程中激活基因转录. 噬菌体也能够合成 σ 因子, 以指导其基因的转录. 基因 (A2) 信使 RNA(A7) 原核生物基因组 (B3) 细菌噬菌体 (B8) A11 真核生物基因表达调控基因表达转录调控真核细胞中的基因具有复杂的调控模式. 不同类型的细胞表达不同的基因, 每个细胞表达的基因大约只占基因总量的 15%. 基因表达的模式决定了细胞的特性及其在生物体中的作用. 基因表达模式的改变导致细胞分化. 基因表达模式的异常与肿瘤的发生有关. 真核细胞主通过改变基因的转录速率来调节基因表达.RNA 聚合酶 I 与基础转录因子之间相互作用, 从而在 TATA 框处形成转录起始复合体 (TIC). 其他转录因子通过与启动子序列结合和影响 TIC 的稳定性来改变转录起始的速率. 被称为增强子和沉默子的远距离调控序列也可影响转录速率. 8

19 转录因子激素和细胞因子对基因表达的调控 RNA 干扰 (RNAi) 介导的转录后调控基因的启动子含有多个可影响转录的转录因子结合位. 对转录的最终影响取决于所结合的转录因子的组合. 转录因子具有模块化的结构特征, 一般包括 DNA 结合域二聚化结构域和反式激活域. 每一个结构域都有各自的特征基序.DNA 结合域包括三种基序 : 螺旋 G 转角 G 螺旋, 锌指以及与二聚化结构域组合而成的碱性结构域. 二聚化结构域包含两种基序 : 亮氨酸拉链和螺旋 G 环 G 螺旋. 二聚化可形成同源二聚体和异源二聚体, 从而使转录因子具有多种功能. 反式激活域没有可识别的基序, 但是经常富含酸性氨基酸谷氨酰胺或脯氨酸. 反式激活域可能与 TIC 中多种不同的蛋白质产生相互作用, 或在不同的转录阶段与各种不同的蛋白质产生相互作用. 转录因子也可通过直接或间接的机制抑制转录. 激素和细胞因子通过激活基因转录来影响靶细胞. 类固醇激素进入细胞内部, 与类固醇激素受体结合, 将其从抑制蛋白中释放出来. 受体二聚化并转移到细胞核内, 与靶基因的启动子结合, 从而激活转录. 多肽类激素以及细胞因子与靶细胞表面的受体结合, 一系列蛋白质通过磷酸化被依次激活, 通过这样的信号转导触发基因的活化. 在 Drosha 和 Dicer 酶的作用下, 双链 RNA 被加工成 22bp 的微 RNA(miRNA) 或短干扰 RNA(siRNA), 这标志着 RNA 干扰 (RNAi) 的开始. 这些 RNA 片段跟包括 ArgoG naute 蛋白在内的蛋白质结合, 形成 RNA 介导的沉默复合物 (RISC). 此后, 这些小 RNA 变成单链形式, 将 RISC 引导到互补的 mrna 上, 进而结合 mrna, 并催化 mrg NA 的切割. 若两条 RNA 的碱基不完全匹配, 则可能不发生切割, 但是会阻止翻译. 基因组的序列信息可以用来设计反义 RNA, 这已成为一个非常有效的通过实验手段降低基因表达以观察表型效应的方法. 分化与发育在多细胞有机体中, 细胞和组织的分化与发育是通过长期的表观遗传调控来完成的. 基因 (A2) 基因转录 (A4) 表观遗传学与染色质修饰 (A12) 人类基因组 (B4) A12 表观遗传学与染色质修饰概述染色质修饰表观遗传效应 (epigeneticefects, 根据目前的用法 ) 是指由于染色质结构修饰而造成的基因表达的长期变化, 并不涉及 DNA 序列的改变. 它们有可能在多细胞生物中维持细胞谱系 ( 眼组织或骨细胞 ) 的分化, 或者将对基因表达的影响传递到下一代. 许多表观遗传效应在配子形成或胚胎发育时被重新设置. 染色体某个区域的凝缩 ( 紧密化 / 异染色质化 ) 能够抑制该区域基因的转录, 究其原因可能是阻止了转录机器 ( 对该区域 ) 的接近 ( 转录抑制 ). 这种凝缩伴随着 DNA 和组蛋白的修饰, 并进而启动了一系列蛋白质的级联式结合, 使染色质得到压缩.DNA 的修饰是通过将胞嘧啶甲基化为 5G 甲基胞嘧啶而实现的, 其中, 在脊椎动物中甲基化主发生在双核苷酸 5 GCpGG3 上, 在植物中甲基化发生在三核苷酸 5 GCNGG3 上 ( 在无脊椎动物中胞嘧啶没有甲基化现象 ).DNA 复制之后, 维持性的甲基化酶识别半甲基化的甲基 G CpG CpG 的回文序列 (CpG 在两条链上的序列相同 ), 将新链中的胞嘧啶甲基化, 以与母链配对. 从头甲基化酶则负责对未甲基化的 DNA 进行甲基化. 组蛋白的修饰主发生在 N 端 ;N 端从核小体中伸出, 与其他蛋白质相结合. 组蛋白的修饰包括赖氨酸的乙酰化或甲基化, 以及丝氨酸的磷酸化 ; 似乎存在一种复杂的修饰密码. 转录失活 ( 抑制 ) 通过双链 RNA 指向特定的序列, 其机制与 RNA 抑制类似 ( 见 A11). 9

20 花斑型位置效应甲基胞嘧啶的脱氨作用 CpG 岛 X 染色体失活印记染色质凝缩能够从失活中心向外扩展, 直到被边界元件或绝缘子终止. 由于染色体重排而被移到失活中心附近的基因有可能由于异染色质扩展到该基因所处的新位置而失活. 受影响细胞的克隆式生长使该基因在表达图谱上呈现 ( 活性区与失活区镶嵌存在的 ) 花斑型分布. 5 甲基胞嘧啶可以自发脱酰胺生成胸腺嘧啶, 从而产生 TG 配对, 这就有可能被错误地修复为 TA, 从而导致突变产生. 据估计, 哺乳动物 DNA 中初始的 CpG 有 80% 是通过这种机制丢失的. 据此可以推测,CpG 只有在以下情况下才得以保存下来, 么在种质细胞中不被甲基化, 么它为编码或为控制基因表达所需, 因而突变体被选择性的除去. 许多哺乳动物基因的的起始区域富含 CpG, 这些区域显然具有调控功能. 这些区域中的 CpG 在转录 RNA 的过程中相对未甲基化, 但是在失活的基因中却可能甲基化. 基因表达的平衡需一种剂量补偿机制, 以便使雌性的两条 X 染色体的转录活性相当于雄性中单条 X 染色体的转录活性. 在哺乳动物中, 只有一条 X 染色体有活性, 其他都处于失活和凝缩状态 ; 每条 X 染色体的活性状态在体细胞的有丝分裂中始终被保持. 在果蝇中, 单条 X 染色体则是以更高的速率转录, 以等同于雌性中的两条染色体的转录活性 ( 见 C8). 印记在哺乳动物和植物中发现, 它源于胚胎对每个等位基因的亲本来源进行识别, 并使其中只有一个等位基因得到表达 ( 单亲或单等位基因表达 ). 哺乳动物中已鉴定出 30 多个印记基因. 小鼠和人类的印记基因图谱相似但不完全相同. 尽管在另一条染色体上有被关闭的正常等位基因, 活化等位基因的丢失将会导致发育缺陷或疾病 ( 例如, 父源 15q12 的丢失导致 PraderGWili 综合征, 而母源 15q12 的丢失则导致 AnG gelman 综合征 ). 进化上的选择因素被认为是来自父本和母本的基因之间或不同的父本基因之间的竞争. 父源有活性的基因趋向于促进该个体后代的生长 ( 例如从母体吸取更多的营养使胎盘生长 ), 而且还可能影响该个体的行为, 促进同胞间的竞争 ; 母源有活性的基因则趋向于相反的作用, 它使资源在后代中均等分配. 散发效应和癌症甲基化的起源癌症通常显示出甲基化的异常以及肿瘤抑制基因的失活. 如果某个基因的启动子中含有转座因子, 则可能会由于转座子的甲基化使基因表达受到修饰 ; 通常具有性别特异性. 哺乳动物和植物中 DNA 的甲基化与细菌中抗病毒性质的限制性系统相似, 这意味着 DNA 甲基化是为了使逆转录病毒和转座因子失活而进化来的. 这与双链 RNA 对抗多拷贝序列的目标相一致, 在植物中尤为有效. 原核生物中基因表达调控 (A10) 真核生物中基因表达调控 (A11) 染色体 (B1) 性别决定 (C8) 癌症中的基因 (F3) 10

未命名-1

未命名-1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 ss a c y e vg 13 14 15 16 17 18 19 H 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 发现生命的螺旋克里克在提出中心法则时曾指出遗传信息是沿ＤＮＡ - ＲＮＡ - 蛋白质的方向流动的遗传信息不可能从ＲＮＡ回到ＤＮ