生物化学第九章遗传信息的传递

第一节　遗传信息传递的概述

　　
　　考点：概念
　　复制：DNA→DNA
　　转录：DNA →RNA
　　逆转录：RNA →DNA
　　翻译：RNA →蛋白质
　　基因表达：转录+翻译

第二节　DNA的生物合成

　　（一）DNA生物合成的概念
　　母链为模板，合成子链的过程。
　　（二）半保留复制
　　考点：
　　1.母链解为单链，两个单链分别为模板合成新的子链的过程，叫做半保留复制。
　　2.DNA合成需要：模板、酶、引物（单链RNA）
　　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。
　　底物（dATP、dGTP、dCTP和dTTP，总称dNTP）； 
　　依赖DNA的DNA聚合酶（DNA-pol）；
　　模板（解开成单链的DNA母链）；
　　引物（提供3’-OH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-polⅠ、DNA-polⅡ和DNA-pol Ⅲ。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-polⅢ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 α、β、γ、δ、ε。此5种DNA-pol均有5’→3’核酸外切酶活性。在DNA复制延长中起发挥催化作用的是DNA-polδ，相当于原核生物的DNA -polⅢ。
　　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。

　　4.DNA复制的过程
　　（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 Ⅲ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逐个加入至引物的或延长中子链的3’-OH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。
　　随从链上的冈崎片段，其引物RNA片段被去除，由后复制的片段延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分子末端的结构一端粒，在维持DNA复制的完整性和染色体的稳定性起着重要作用。
　　小结和重点
　　合成的方向：5’ →3’
　　酶有两种活性： 5’ →3’聚合活性（合成）
　　　　　　　　　 3’ →5’外切活性（校对）
　　子链与母链完全互补
　　举例：母链是5’–TAGA-3’
　　　　　子链应该是3’–ATCT- 5’
　　但需要注意的是书写的规范总是从5’到3’端，因此应该写为5’-TCTA-3’
　　
　　（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作模板的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RNaseH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的损伤和修复
　　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。
　　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。
　　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、插入和重排等几种类型。
　　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Hb功能异常而致病。
　　缺失或插入都可导致框移突变。框移突变是指三联体密码的阅读方式改变，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。该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：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。
　　考点小结：
　　1.紫外线可以引起DNA链上相邻的两个嘧啶碱基发生聚合，生成嘧啶二聚体。
　　2.突变的类型：错配、缺失、插入和重排
　　3.修复的类型：
　　直接修复，切除修复，重组修复，SOS修复

第三节　RNA的生物合成

　　（一）RNA生物合成的概念
　　转录：DNA→RNA（DNA依赖的RNA聚合酶）
　　RNA复制：RNA→RNA（RNA依赖的RNA聚合酶）
　　（二）真核转录体系的组成及转录过程
　　考点：
　　1.真核生物DNA依赖的RNA聚合酶
　　RNA聚合酶Ⅰ：rRNA
　　RNA聚合酶Ⅱ：mRNA
　　RNA聚合酶Ⅲ：tRNA
　　重点：RNA聚合酶的结构
　　四种亚基组成的五聚体
　　α2：决定哪些基因被转录（最重要，所以有两个）
　　β：与转录全过程有关（催化）
　　β’：结合DNA模板（开链）
　　δ：辨认起始点（像个小勾子，挂在DNA模板上）
　　RNA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Ⅲ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-polⅡ是真核生物中最活跃的RNA聚合酶。
　　RNA polⅡ催化基因转录的过程，可以分为3个期：起始期（RNA-polⅡ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-polⅡ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-polⅡ启动转录时，需要一些称为转录因子的蛋白质，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-polⅡ不与DNA分子直接结合，而需依靠众多的转录因子。转录因子——TFⅡD 的TBP亚基结合TATA；在TFⅡA和ⅡB的促进和配合下，形成ⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA复合体。通过多种转录因子参与的复杂过程，使RNA-polⅡ靶向结合启动子，形成闭合复合体，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,在下游还有相当多的GT序列。转录越过修饰点后,mRNA在修饰点处被切断，随即加入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-polⅡ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。此过程由加帽酶和甲基转移酶催化完成。
　　真核mRNA，除了组蛋白的mRNA，在3’端都有poly A尾结构，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，然后加入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止同时进行的过程。
　　2.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，甚至数十倍，称为不均一核内RNA（heteronuclear RNA，hnRNA）。DNA模板链与hnRNA可以完全配对。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蛋白体组成。
　　3.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apoB-100（分子质量513kDa），由肝细胞合成；另一种是apoB-48（分子质量250kDa）由小肠黏膜细胞合成。
　　4.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。45SrRNA经剪接后，分出属于核蛋白体小亚基的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，与核蛋白体蛋白质一起形成核蛋白体，输出胞浆。
　　5.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（Ψ）、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。