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华东理工大学《分子生物学》上课讲义
第一章 中心法则导论
科学预见→分子生物学诞生
一、中心法则的提出和修正
遗传物质：⑴能独立的自我复制，⑵对细胞的特异性有高度影响。
1958 年 Crick 提出：
要点：⑴遗传信息；
⑵信息的流动是单程
的；⑶序列假说。
1970 Temin：Nature 《Central Dogma Reverse 》
二、挑战
㈠蛋白质的遗传信息不一定来自核酸
⑴以蛋白质为模板的肽链合成
⑵遗传信息的翻译后加工
① 切割，糖基化；②两段C 端均切去一段小肽；③原来的N 端和C 端连接。
非DNA 信息的加工过程
⑶朊病毒(Prion)
Kuru. CJD Scrapie mad cow disease 引起动物神经系统软化，共济失调
蛋白质性质
PrP 两种形式：
PrPc 正常 PrPsc 异常
被蛋白酶降解抗蛋白酶
可溶不溶
α螺旋40% α螺旋 20% ，β螺旋50%
相互关系：PrPc ↓→PrPsc↑（转化）
种间障碍：
正常内源性PrPc 是病毒作用的靶位点，体外PrPsc 不能将PrPc 完全转化为PrPsc
同一宿主能被多种菌株感染
㈡RNA 的信息不完全来自DNA―― 模糊基因
Eg：锥虫的cox Ⅲ中167 个位点上398 个U 插入,9 个删除.
探针．60%RNA 编辑．gRNA．
三、中心法则在生命系统中的地位
细胞模板：细胞膜
DNA 参与一切，但不是决定一切
Eg：朊病毒：成核依赖的蛋白质多聚化模型
开放式中心法则：如下页图所示。
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第二章 遗传的物质基础
第一节 什么是遗传物质
一、DNA 是遗传信息的携带者
转化实验：捣碎实验：
基因：编码一条有功能的多肽链或RNA 所需的DNA 序列
DNA 作为遗传信息的原因：⑴信息量大,分子量大；
⑵双螺旋结构,能自我复制；⑶2’脱氧,稳定性好；
⑷易突变；⑸有T,无U。（如右图所示）
第二节 DNA结构
一、. DNA 的一级结构
定义：核苷酸排列顺序，或称碱基排列顺序。
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5’-ATCGGCTAAGGCTCCGACGA--3’
3’-TAGCCGATTCCGA GGCTGCT--5’
人类基因组计划――20 世纪生物学最宏伟计划：人类基因组的作图与测序。
人类基因组计划（1990-2005）；计划耗资30 亿美元。人类基因组有30 亿碱基对的测序。
二、DNA 的二级结构
DNA 的二级结构就是双螺旋结构。
受环境因素, 如平衡离子类型、离子强度、特异结合蛋白、水合状态等的影响, 以及DNA
分子碱基的组成都可促使DNA 分子取不同的构象。
DNA 分子存在多种构象――二级结构的动态结构
㈠B 型结构（右手双螺旋）
B-型结构也称右手双螺旋结构。1953 年由Watson 和Crick 首先提出。
这是水溶液（或相对湿度92%以上）中的主要构象。
提出双螺旋构象的根据：
B-型DNA 构象的主要内容：⑴右手双螺旋；⑵两条链反平行；⑶磷酸,核糖在外侧,碱基在
内侧；⑷一周螺旋,10 个碱基,螺距3.4nm； ⑸遵守AT,CG 配对规律；⑹双螺旋分子存在大沟,
小沟。
㈡A 型结构
相对湿度<75%，矮胖型，直
径大。
㈢Z 型结构
Wang 等人在研究人工合成
的d(CGCGCG)单晶的X-射
线衍射
图谱发现主链呈锯齿排列。
Z 型结构实验依据：
Z-型构象的主要特征：⑴糖
-磷酸主链的走向呈之字形,
分子呈左手螺旋构象每一
螺圈含12 对碱基, 距离为
4.46nm 。⑵糖环折叠不同于A 或B 型DNA, 鸟嘌呤碱基绕糖苷键旋转呈顺式构型,而嘧啶碱
基仍是反式构型, 前者的糖环折叠是C3-endo，后者是C2-endo 。
Z-DNA 仅有一条小沟, 且
较深, 含有较高的负电荷密
度。
Z-DNA 较B-DNA 细而“舒
展”, 螺旋直径为1.8nm 。
翻板假说：
影响因素：
DNA 构象家族：
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三种构象特征的比较：
㈣沟信息的识别
大沟和小沟的信息区别：氢键O,N,受体a, NH2 供体d
大沟(a-d-a) A-T 小沟(a-a)
小沟( a-a-d,d-a-a) G-C 小沟(a-d-a)
㈤DNA 二级结构的其他构象
⑴十字型――反向重复序列
生物学功能：
⑵DNA 的四链结构
特征：①鸟嘌呤四联体；②G-G 首
尾相接，异常氢键；③片层堆积，
所有的方向一致。
生物体中可能存在G 四联体的依
据：
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⑶三螺旋DNA
存在条件：一条全嘌呤,另一条全嘧啶。
特征：①两条全嘧啶链和一条全嘌呤链组成三螺旋结构；②氢键为Hoogsten 氢键；③第三
条链位于正常双螺旋的大沟中。
三、DNA 的三级结构—超螺旋结构
形成条件：
类型：
性质的变化：
生物学意义：
拓扑性质：
通常以链环数（Linking number) 表示
超螺旋的的拓扑性质。
是指一个环状封闭双螺旋DNA 分子
两条链彼此交叉的次数。
L = W+T（T：代表双螺旋中的罗圈数，
数量=总碱基数/每一罗圈的碱基数。
W：超螺旋的程度，双螺旋中心轴盘
绕的圈数。松弛分子的W 值等于零。）
举例：一个200bp 的环状闭合双链
DNA
松弛型，没有超螺旋 W=0
L= W+T = 0+ 200bp/10 bp=20
负超螺旋，形成1 个超螺旋 W=-1
L=W+T = -1+ 200bp/10 bp=19
正超螺旋，形成1 个超螺旋 W=+1
L=W+T = 1+ 200bp/10 bp=21
具有完全相同顺序，而L 值不同的
DNA 称拓扑异构体(Topological isomers) 。
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拓扑异构体的互变由拓扑异构酶催化。发生一条链或两条链的断开和连接。
拓扑异构体：具有完全相同的碱基顺序,但L 值不同的超螺旋。分为I, II 型
两种拓扑异构酶：Topoisomerase I , II
第三节 DNA双螺旋的呼吸作用
甲醛的变性实验
呼吸作用的定义
碱基对的稳定性
生物学作用
第四节 DNA的变性复性和分子杂交
一、变性(溶解)
在某些物理化学因子的作用下，DNA 双链间的氢键断裂，双链解离形成单链。
㈠性质变化
增色效应；黏度降低；沉
降速度增加。
㈡因素
⑴温度：温度升高引起的
DNA 变性称热变性。加热
使氢键断裂。
可用热变性曲线描述热变
性过程。见下图
融点Tm：50%DNA 分子解链时的温度。
融点与DNA 分子中的GC 有关，随（G+C）%
的含量呈线性增加
⑵化学：甲酰胺破坏氢键
二、复性
去除变性条件后，单链DNA 在适当条件下重新形成双链，回复到原有的物理和生物学特性。
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㈠复性动力学
复性过程是两条单链DNA 碰撞形成双链DNA 的过程，是双分子反应。服从二级反应动力
学规律。
控制复性反应的两个参数是C0 和t
Rate of reaction
The reaction follows the second order equation
C is the concerntration of DNA that is single-stranded at time t
k is a reassociation rate constant.
Progress of reaction
Integrate the rate equation between the limits;
Initial concerntration of DNA=C0 at time t=0;
Concentration remaining single stranded=C after time t
Critical parameter is C0t1/2
When the reaction is half complete at the time t=1/2
Therefore C0t1/2=1/k.
复性反应进行到50% 时的C0 .t 为C0 t1/2
C0t 曲线：用已经复性的DNA 浓度，即1－C/C0
对C0t 的对数作图。如右图所示.
C0t 值的意义：C0 t1/2 值可以用来表示反应体系
中DNA 的总长度（单拷贝）。这种总长度称为
DNA 的复杂性。通过测定复性动力学可以预测
基因组的大小。
真核基因组DNA 的复性动力学：
第1 是快复性动力学组分，高度重复序列。
第2 是中复性动力学组分，中度重复序列。
第3 是慢复性动力学组分，单拷贝序列。
X：DNA 的复杂性
C0t 曲线特征：⑴原核生物每种图形的现状
大致相同；⑵重复序列多,复性快。
曲线意义：求DNA 的复杂度。
三、分子杂交
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原理：基于DNA 的变性与复性的特性。双链DNA 加热以后，变成单链，在去除变性条件
后，在一定的条件下，具有互补顺序的DNA
能再形成双链。
探针：一种标记的一段DNA 或RNA，与待
测基因序列的DNA 或RNA 互补
分子杂交技术的种类：⑴固相杂交（待测核
酸固相化）；⑵Southern blot ，待测核酸为DNA；⑶Northern blot ，待测核酸为RNA。
液相原位杂交示意图：⑴Dots hybridization，点状杂交，待测核酸为DNA 或RNA；⑵Colony
or plaque hybridization， 菌落或噬菌班杂交，待测核酸为DNA。⑶Tissue hybridization ，组织
原位杂交，检测mRNA 表达和定位。
研究基因的定位，拷贝数，测序。
菌落原位杂交：
基因文库：染色体DNA 文库，cDNA 文库。
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第三章基因和基因组
一、原核生物基因组
⒈特征
⑵通常含有质粒；
⑶操纵子结构；
⑷顺反子；
⑴只有一个染色体；
⑸有SD 序列；
⑹基因重叠；
⑺一般没有内含子；
⑻只有一个复制起始位点；
⑼以RNA 为产物的基因往
往是多拷贝的，蛋白质基因
单拷贝。
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⒉⑴фX174 ；⑵λ噬菌体
1．染色体、核小体结构
二、真核生物基因组
⑴染色体功能实现三要素：①着丝点；②端粒；③复制起始点。
⑵基因组大小和C 值矛盾
C 值：单倍体基因的全部DNA 含量。
C 值矛盾：①与预期相比，C 值明显过大；②同一物种，C 值相差很大。
⑶基因组的基因数目（下表：不同生物的基因数目）。
种类基因组大小（bp） 基因数目
支原体 1.0×106 750
噬菌体T4 1.6×105 200
大肠杆菌 4.2×106 2350
酵母 1.3×107 6100
果蝇 1.4×108 8750
人 3.3×109 65000-80000
⑷真核生物基因组序列特征：
具有多个复制起始位点；编码序列仅占一小部
分(3%) ，大部分为非编码序列。
单拷贝序列；轻度重复序列；
中度重复序列；高度重复序列。
不同物种中,重复序列/非重复序列的比例相差很大，原核基本不重复。
⑸真核生物的重复序列
①基因家族：Ⅰ.珠蛋白；Ⅱ.rDNA；Ⅲ.tDNA；Ⅳ.组蛋白基因。
rRNA 基因:酵母：140 次；果蝇：130～250 次；人类：300 次。
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tRNA 基因:每种tRNA 基因约有200 个拷贝串联排列。
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组蛋白基因家族：
左图1 为组蛋白
基因家族，箭头
←→表示转录
方向，右侧数字
表示基因组重
复次数。
左图2 为真核生
物基因组中不同
的多基因家族。
②Alu 的重复序列：Ⅰ.AG↓CT；Ⅱ.散布；Ⅲ.Alu 序列；Ⅳ.约90% 相同。
③卫星DNA
Ⅰ.隐蔽卫星DNA
Ⅱ.小卫星DNA
Ⅲ.微卫星DNA
A.单拷贝序列特征
a.含有内含子
内含子(intron)
外显子(exon)
内含子检测:
限制性内切酶图谱
DNA 的杂交
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内含子GT/AG 规则:
内含子与外显子连接处的序列特异: 内含子5’端为GT,3 ’端为AG, GT/AG 规则.
--------GT--------AG--------
外显子内含子外显子
B.存在不同的转录单位
a.简单转录单位
转录单位的基本组成:
b.复杂转录单位
转录方式不同,拼接方式不同.
三、基因定位
遗传图：基因在染色体上的位
置。
经典方法:
⒈遗传交换定位
⒉接合定位
⒊染色体爬行法
基因鉴定的方法：外显子特征
⒈与RNA 后cDNA 杂交；
⒉Zoo-blot 不同物种杂交；
⒊外显子捕捉；
⒋CG 岛鉴定；
⒌扣除杂交。
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第四章DNA 复制
第一节 复制概论
⒈半保留复制
⒉复制的方向5’→3’
实验证据：在反应物中加入dNTP。
⒊具有固定的起始位
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⒋DNA 聚合酶
⒌半不连续复制
一条链连续合成，称主导链Leading Strand；
另一条链分段合成，称随从链（随后链）Lagging Strand。
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第二节 DNA复制的酶学
复制体系的鉴定
DNA 基因：与DNA 复制有
关的基因
条件型突变体、温度突变
体研究DNA 基因
快停突变体、慢停突变体
1．DNA 聚合酶
3 种klenow 片段
聚合酶I 活性
①5’－3’聚合活性
②3’－5’外切活性
③5’－3’外切活性
聚合酶Ⅲ：主要的复制酶
聚合酶活性
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三种大肠杆菌DNA 聚合酶性质的比较
PolⅠ PolⅡ PolⅢ
功
能
5’→3’聚合 + + +
3’→5’外切 + + +
5’→3’外切 + -+
焦磷酸化和PPi 交换 + +
模
板
｜
引
物
完整双链 ---
有引物的单链 + --
有断口的双链(多聚dAT) + --
有缺口的双链或
5’端突出的单
链
单链长度＜100 核苷酸 + + +
单链长度＞100 核苷酸 + --
分子量×1000U 109 120 140
每个菌体中的分子数(估计值) 400 10-20
结构基因Pol A Pol B Pol C
2．参与DNA 解旋和解链的酶
(1)DNA 回旋酶(Gyrase)
(Topoisomerase II)
(2) DNA 螺旋酶(Helicase)
DNA 结合蛋白
（DNA Dinding Protein，DBP)
单链DNA 结合蛋白（SSB)
⒊连接酶
连接双链上磷酸二酯键,要供能
⒋引发酶
引物合成
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第三节 复制的基本模式
1. θ型
2. 滚环式
3. D 型
第四节 复制过程
一、复制的起始
复制起始示意图
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二、延伸过程
M13、G4 phage
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φx174
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三、回环模型
在oriC 和oriλ上起始涉及相同的反应
阶段 oriC oriλ
Ori 的识别和解链 DnaA O
解旋酶的结合和解链DnaB DnaB
DnaC P
RNA Pol RNA Pol
释放复合体 DnaJ？ DnaJ？
四、线形末端的复制
解决方法：
1. 成环
2. 末端冗余
3. 腺病毒
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五、真核DNA 复制
1．DNA 聚合酶
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DNA 聚合酶α δ ε β γ
位置核核核核线粒体
功能引发延伸修复，合成修复复制
酶活性Pol I 3‘-5’外切核酸酶3‘-5’外切核酸酶3‘-5’外切核酸酶
2.SV40DNA 复制
(1)RNA 引发，起始DNA 合成
(2)DNAδ延伸
功能 E.coli SV40
起始蛋白 DNA A T
螺旋酶 DNA B T
引发 DNA G Polα
聚合 Pol IIIα Polδ
外切酶活性 Pol IIIε Pol I δ
滑动钳 Pol IIIβ PCNA
单链结合蛋白 SSB RPA
3.端粒酶
端粒 TTGGGG
富含TG 结构，
不同生物重复次数不同
端粒酶性质
真核生物复制过程中的核小
体结构
亲本八聚体
全保留装配
图示详见武汉大学出版社
《分子生物学》第91 页。
图7－23 新产生的组蛋白
八聚体装配的三种模式
图7－24 亲代组蛋白八聚
体和新合成的组蛋白八聚体
与DNA 结合的可能方式，Ⅱ
是正确的。
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第五章转录
第一节 原核生物的转录
一、转录的一般概念
1．转录是不对称的
模板链/非模板链；有义链/无义链；
正链/负链；编码链。
病毒的分类：
(1)RNA 病毒:RNA→mRNA(＋链病毒)；
RNA→互补RNA→翻译(－链病毒)。
(2)DNA 病毒
2．DDRP
3．5’；3’
4．pppA；pppG
5．RNApol 忠实性
6．转录泡
二、RNA 聚合酶
holoenzyme:σ起始因子，核心酶
真核生物三种RNA 聚合酶的特点
RNA Pol 位置产物相对活性对α-鹅膏蕈的敏感性
Pol Ⅰ 核仁 28S，18S，5.8S rRNAs 50％～70％ 不敏感
Pol Ⅱ 核质 hnRNA，mRNA，某些snRNAs 20％～40％ 高度敏感
Pol Ⅲ 核质 tRNA，5S rRNA，某些snRNAs ～10％ 片段特异,中度敏感
转录的抑制剂
抑制剂靶酶抑制作用
利福霉素细菌全酶和β亚基结合,抑制起始
链霉溶菌素细菌核心酶和β亚基结合,抑制起始
放射线素D 真核 PolⅠ 和DNA 结合,阻止延伸
α-鹅膏蕈真核 PolⅡ 和 RNA PolⅡ 结合
三、转录过程
原核生物基因的转录：
启动子高度保守
足迹法突变法硫酸二甲酯法
(足迹法图见下页起始过程左边图)
CAP 位点正调节位点
G 敏感性操纵子
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起始过程
1. 模板结合,扫描式SCAN
2. 起始识别
3. 活化
4. 进入起始位点
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延伸
终止
P 因子依赖型终止子
P 因子非依赖型终止子
通读效应
第二节 RNA反转录
64 年：抑制DNA 复制的放
线菌素能抑制RNA 病毒。
逆转录酶RDDP
RDDP RNA 病毒编码
活性: cDNA 制备
乙肝病毒
☆由逆转录病毒基因组中pol 基因
编码。是一种多功能酶。
☆有以RNA 为模板和以DNA 为模板合
成DNA 的DNA 聚合酶活性。
☆需要RNA 或DNA 做引物；
☆有核糖核酸酶 H 的活性（在逆转
录酶的C 端），能从3’→5’和从5’
→3’水解RNA，使RNA 与DNA 的杂
交体分离。
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逆向转录酶的生物学意义：
1.用于合成cDNA。建立cDNA 文库(cDNA Library)，获得基因或探针。
2.与PCR 连用 RT-PCR。
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第三节 真核生物基因的转录
真核与原核基因转录的区别：课件讲义第25 页两张表和下表所示：
一、真核生物的启动子
RNA pol Ⅱ
二、启动子特征和转录因子
1. RNA 聚合酶Ⅰ效率最高
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2. RNA 聚合酶Ⅱ
3. RNA 聚合酶Ⅲ
基因内启动子/基因外启动子
1. RNA pol Ⅱ
核心元件上游调控元件远端调控区
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2. RNA pol Ⅰ
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3. RNA pol Ⅲ
第四节 转录后产物加工
一、真核的mRNA
帽子结构
poly A
剪接
编辑
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二、基因间隔序列的去除
mRNA；tRNA；rRNA。
实验证据：
三、tRNA
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四、rRNA
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