1.3.1 分子生物学基础1-为什么人类可以繁殖后代-中心法则的发现在线视频

同学们 大家好

上节课柳老师带大家回顾了

基因工程学科的发展历史

我们知道分子生物学

是基因工程的理论基础

有些同学之前学习过分子生物学

也有些没有学习过

本节课就由我来带领大家

快速地回顾一下分子生物学的基础知识

上节课我们知道了

沃森 克里克和威尔金斯三位科学家

在非常年轻的时候

就发现了DNA双螺旋结构

并因此获得了1962年的诺贝尔生理及医学奖

那么 在此之后

这些科学家又做出了哪些杰出的贡献呢

本节课我们就介绍克里克的贡献之一

大家看克里克身后的黑板上画的是什么

这就是著名的“中心法则”

发现了遗传物质

在决定蛋白质特性上的作用

克里克被誉为“分子生物学之父”

对于中心法则

大家都应该非常熟悉了

这是高中就学过的内容

整个的分子生物学

就是围绕着中心法则来展开的

中心法则包括哪些内容呢

首先 DNA作为遗传物质

可以通过自主复制使得遗传信息得到永存

DNA通过转录生成信使RNA

信使RNA翻译生成蛋白质的过程

来控制生物个体性状

这个过程我们称之为基因表达

要注意信息的流动方向

DNA到RNA称之为转录

RNA到DNA称之为逆转录

RNA到蛋白质称为翻译

信息只能从核酸流到蛋白质

而不能从蛋白质流动到核酸

所以我们本节课的内容就是下面这几个部分

DNA复制及修复

转录及后加工

翻译及翻译后

以及在基因表达过程中的调控

提到复制

大家最熟悉的应该就是两个“半”

第一个就是半保留复制

DNA的两条链分别作为模板

再分别与新合成的子链

形成一条半新半旧的DNA双链

由于核苷酸链的合成方向是固定的

在DNA复制的时候

两条链在复制时一条是持续进行的

另一条链则是向相反方向

一段一段进行的

这就是第二个“半”

半不连续复制

科学家也通过实验验证了这一点

并给这种一段一段的短片段

起名为“冈崎片段”

DNA的复制是从一个特定的位置开始的

通过复制起点

可以在细胞内起始一个复制循坏

还可以控制复制起始反应的频率

一个复制起点连接任意一个DNA片段

都可以驱动复制起始

通过实验得到了大肠杆菌的复制起点

是一个245bp的片段

科学家给它命名叫做OriC

它是能支持任何DNA分子

在大肠杆菌细胞内复制的最小片段

包含4个9 bp的反向重复序列

和3个13 bp的正向重复序列

这些序列都是富含AT的

有利于双链解链

开始进行复制

大肠杆菌的复制起点OriC

在基因工程中得到非常广泛的应用

常用的质粒大多含有这个复制起点

以保证在宿主细胞当中

能够独立稳定地复制

大肠杆菌中有多个DNA聚合酶

其中DNA聚合酶3

是复制过程中主要起作用的酶

聚合酶1是基因工程中常用的工具酶

我们需要学习这两个酶的主要功能

任意一种DNA聚合酶

都有以单链DNA为模板

在引物的引导下

以5’到3’的方向上加上脱氧核苷酸

从3’羟基端延长的功能

DNA聚合酶除了有聚合活性外

还有外切酶的活性

有3’到5’的外切

和5’到3’的外切

3’到5’的外切类似于橡皮擦

在延伸中如果末端出现错配碱基

就可以进行切除

再正确配对

5’到3’的外切活性只能切除配对的

双链区的5’核苷酸

既能切除脱氧核糖核苷酸

也能切除核糖核苷酸

所以

这个活性就使得酶可以切除RNA引物

大肠杆菌的DNA聚合酶III

是主要的复制酶

因此它具有5’到3’的聚合活性

和3’到5’的外切活性

也就是说具有校正活性

而DNA聚合酶I则具有刚才讲到的三种功能

在体内主要的作用是去除冈崎片段

损伤修复

最后DNA复制

还需要DNA连接酶把冈崎片段连接起来

DNA聚合酶I利用切口平移的活性

将RNA引物去除

再由DNA连接酶

将相邻的两个冈崎片段连接起来

DNA复制怎么结束呢

对于原核生物

从复制起点向两个方向延伸

到复制起点对面自然就结束了

虽然也有一些元件来控制复制结束

但是这些元件不是必须的

真核生物就比较麻烦了

复制一次

DNA就会缩短一段RNA引物的长度

总有一段序列无法合成

这个问题如何解决

真核生物的染色体末端

由非常短的 数目精确的

串联重复DNA组成

我们管这个结构叫做端粒

每一次复制端粒DNA都会缩短

缩短到一定程度后

端粒就失去了保护染色体末端的功能

细胞就死亡了

而在癌细胞内

端粒的长度是不会缩短的

癌细胞内有一种自身携带模板的逆转录酶

叫做端粒酶

可以合成端粒DNA

使细胞永生

DNA复制是高度忠实的

错误率大约为10的-9次方

但是 DNA复制并不是不出错的

如果出错了

就有可能造成突变

引起损伤 甚至致死

因此 机体内必须有一种机制来修复错误

尽量减少突变

最简单的一种叫做直接修复

紫外照射可以使相邻的两个胸腺嘧啶

形成嘧啶二聚体

在可见光的照射下

光复活酶利用可见光的能量

使DNA上受损的部位恢复正常

大多数生物都存在这一现象

但是有胎盘哺乳动物

包括我们人类

都不具有光复活反应途径

第二种叫做切除修复

包括碱基切除修复和核苷酸切除修复

将DNA分子中的受损伤部分切除

以完整的那条链为模板再重新合成

损伤小的时候用碱基切除修复

损伤较大使用核苷酸切除修复

根据切除的DNA片段的长度

可分为短补丁修复和长补丁修复

第三种修复的方式是错配修复

修复DNA复制过程中

校正活性所漏校的碱基

那么 怎么判断哪条链是亲本链

哪条链是错误的子链呢

以大肠杆菌为例

修复所用的酶根据甲基化标志来识别

亲本链的GATC短序列中的

腺嘌呤是被甲基化的

当然 新生子链生成一段时间后

也会被甲基化

所以 错配修复会在这之前完成修复工作

最后我们来说一下重组修复

有的时候

细胞对于损伤并不直接修复

也会有一定的机制去绕开它

这些修复机制更应该称为损伤耐受机制

比如重组修复

复制的时候跳过损伤部位

留下一个缺口

复制后有损伤的新链

与另一个子代DNA双螺旋中的同源链

进行重组

我们利用基因工程手段

对基因组进行改造的时候

就可以利用重组修复

比如

我们用基因敲除技术

在基因组上打开一个缺口

就可以利用重组的方式

将我们想要的基因导入基因组

这些内容我们会在以后的课堂中学习

本节内容就先上到这里

再见