第一章基因分子結(jié)構.doc

高級遺傳學教案遺傳學是研究生物遺傳與變異的規(guī)律的科學，也是生命科學領域發(fā)展最為迅速的前沿學科。隨著新技術、新方法、新成果的層出不窮，遺傳學的研究范疇更是大幅度拓寬，研究內(nèi)容不斷深化。高級遺傳學是在學習普通遺傳學的基礎上開設的一門提高性課程。本課程涉及基因的分子結(jié)構、基因的表達與調(diào)控、不同生物的基因組以及DNA操作的基本技術，例如核酸雜交，DNA克隆，多聚酶鏈式反應（PCR），DNA測序技術等。通過本課程學習，學生不僅可以掌握遺傳與變異的規(guī)律、而且更深入地了解遺傳信息在分子水平上的傳遞、表達和調(diào)控機理，以及遺傳學在生產(chǎn)實踐和科學研究中的應用。學生可以在群體水平、個體水平、細胞水平和分子水平的不同層次對遺傳學有更加完整和深入的認識。教學課型：理論課教學方法：以理論講授為主，配合多媒體教學、課堂討論、學生自學等方法進行教學。總學時數(shù)：51 學分：3 教材：現(xiàn)代遺傳學 趙壽元 喬守怡 主編，高等教育出版社,2001主要參考書：1、遺傳學（英文影印本） P.C.Winter,G.I.Hickey and H.L.Fletcher2、分子遺傳學 張玉靜等，科學出版社, 20003、高級分子遺傳學 李明剛編著，科學出版社, 20044、人類基因組計劃研究概論 郭曉華主編，遼寧大學出版社 第一章 基因的概念和結(jié)構（6學時） 本章介紹分子遺傳學的相關知識，包括基因的分子結(jié)構、基因概念的發(fā)展以及基因的分子生物學定義等。講解的重點內(nèi)容是轉(zhuǎn)座因子、RNA的剪接機理等。1.教學目的：（1）使學生掌握基因概念的發(fā)展；（2）了解基因的分子結(jié)構，以及在分子水平對基因的定義。2.教學重點：（1）隔裂基因（2）轉(zhuǎn)座因子2.教學難點：（1）RNA的剪接機理；（2）轉(zhuǎn)座因子的類型及轉(zhuǎn)座的機制。第一節(jié) 基因的分子結(jié)構一、孟德爾遺傳因子(factor)是決定生物性狀遺傳的符號植物雜交試驗: Mendel,1866二、基因(gene)是位于染色體上的遺傳功能單位基因論: Morgan，1926三、順反子(cistron)一個基因一條多肽細菌噬菌體遺傳區(qū)的精細結(jié)構: Benzer,1955順反子(cistron) ：是指通過順反測驗所確定的遺傳物質(zhì)的功能單位（又稱作用子），它含有若干個突變子和重組子.一個順反子是核酸分子上一段能夠表達,產(chǎn)生有功能的基因產(chǎn)物(蛋白質(zhì)或RNA)的特定核苷酸序列，它決定特定多肽鏈的氨基酸順序.突變子（muton）：是突變的最小單位重組子（recon）：是重組的最小單位四、操縱子(operon)遺傳信息傳遞和表達調(diào)控的統(tǒng)一體 蛋白質(zhì)合成的遺傳調(diào)節(jié)機制: Jacob 和 Monod, J. Mol. Biol.,1961五、外顯子和內(nèi)含子真核基因的結(jié)構是斷裂的隔裂基因（interrupted gene）是指基因內(nèi)部包含有無編碼意義的核苷酸順序。1977年，F(xiàn)lavell和Jeffreys發(fā)現(xiàn)兔的珠蛋白基因含有1個內(nèi)含子1977年,Chambon等發(fā)現(xiàn)雞的卵清蛋白基因包含7個內(nèi)含子外顯子（exon）：是指轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物存在于mRNA分子中的基因核苷酸序列內(nèi)含子（intron）：是指轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物不存在于mRNA分子中的基因核苷酸序列舉例：果蠅的28S rRNA基因：含1個內(nèi)含子（5400bp） (Glover,1977) 雞的卵清蛋白基因：含7個內(nèi)含子（5828bp）和8個外顯子（1872bp），共有7700bp（Chambon,1977） 人的DMD基因: 全長約2400kb，含有79個內(nèi)含子（1992）。（一）RNA剪接1.與RNA剪接有關的保守順序(1) 內(nèi)含子兩端的二核苷酸一致順序邊界順序 5GT AG 3(GT-AG法則) 或者 5ATAC 3 （供體位點） （受體位點） （2）內(nèi)含子中與套馬索剪接有關的一致順序：酵母菌： UACUAAC高等生物：PyNPyPyPuAPy2.剪接體(spliceosome) 剪接體的沉降系數(shù)60S，由5種小核RNA（snRNA）和多種蛋白質(zhì)組成，snRNA和蛋白質(zhì)形成的小分子核RNA蛋白(small nuclear RNAproteins,RNP)參與剪接反應。3.剪接的途徑（1）直接剪接直接剪接是RNA前體剪接時由核酸酶在兩個剪接位點上切割，切端在RNA連接酶作用下彼此連接，形成成熟RNA分子。（2）套馬索剪接通過轉(zhuǎn)酯作用發(fā)生剪接第一階段：在內(nèi)含子 5剪切位置上切割，其5端通過5-2鍵同內(nèi)含子的一個嘌呤堿基（A）連接，于是內(nèi)含子-外顯子分子形成”套馬索”；另一端生成的外顯子呈線狀.。第二階段：在內(nèi)含子3剪切位置上切割，釋放套馬索狀的游離內(nèi)含子, 左右兩個外顯子連接。（3）特殊的RNA剪接 (1) 可變剪接(alternative splicing)可變剪接是指一個基因的mRNA前體通過不同的剪接方式產(chǎn)生多個mRNA。 例如：黑腹果蠅的tra、dsx基因在不同的位置剪接,產(chǎn)生兩種基因產(chǎn)物。(2)反式剪接(trans splicing) 反式剪接是指不同的RNA的外顯子通過剪接產(chǎn)生mRNA分子4. 內(nèi)含子的類型： GU-AG內(nèi)含子：是含有5GUAG 3二核苷酸一致序列的內(nèi)含子AU-AC內(nèi)含子：是含有5AUAC 3二核苷酸一致序列的內(nèi)含子Group I：是指轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA具有自我剪接能力,且有特定的分子構型的內(nèi)含子.GroupII：是指內(nèi)含子的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA具有自我剪接能力,但其二級結(jié)構不同于GroupI的內(nèi)含子.Group III：該內(nèi)含子更小，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA具有自我剪接能力，有其特定的二級結(jié)構.孿生內(nèi)含子：由兩個或更多個GroupII或GroupIII內(nèi)含子組成的內(nèi)含子.tRNA前體內(nèi)含子：存在tRNA前體中，序列較短，位于反密碼子環(huán)中的同一位置。剪接時由核酸酶切割和RNA連接酶連接古細菌內(nèi)含子：存在于古細菌的tRNA和rRNA基因中，剪接時通過直接剪接途徑切除。六、重疊基因（overlapped gene）重疊基因：是指兩個或兩個以上的基因共有一段核苷酸順序。例如：噬菌體Q：外殼蛋白基因和連續(xù)蛋白基因有共同起始位置（Weiner,1973）噬菌體：基因B包含在基因A之內(nèi)，基因E包含在基因D之內(nèi) (Sanger,1978)噬菌體G4：基因B,基因A和基因K共用一個腺嘌呤核苷酸（Shaw,1978）七、轉(zhuǎn)座因子（轉(zhuǎn)座元件或可動基因）（transposable element）轉(zhuǎn)座因子：是細胞中能夠改變自身位置的DNA順序轉(zhuǎn)座（transposition）轉(zhuǎn)座因子改變自身位置的行為（一）玉米的轉(zhuǎn)座子Ds-Ac系統(tǒng)1. Ds-Ac系統(tǒng)的作用 （1）Ac存在時，Ds可發(fā)生轉(zhuǎn)座，引起插入突變；（2）在Ac作用下，Ds可以離開轉(zhuǎn)座位點，引起回復突變；（3）如果Ac丟失，Ds不能發(fā)生轉(zhuǎn)座；（4）Ac也能夠轉(zhuǎn)座，引起插入突變。2.Ds和Ac的分子特性（1）Ds和Ac具有同源性；（2）Ds是Ac發(fā)生缺失的產(chǎn)物。 （二）插入序列（inserted sequence，IS）1967年，Starlinger首先發(fā)現(xiàn)了插入序列。 IS的結(jié)構特點：序列較?。?68-5700bp只含有轉(zhuǎn)座酶基因兩端有相同或相近的反向重復順序（inverted repeat sequence，IR）（三）轉(zhuǎn)座子 (transposon，Tn)1.結(jié)構特點：序列較大：2-25kb；含有轉(zhuǎn)座酶基因以及其他具有特定表型效應的基因復合型轉(zhuǎn)座因子；兩端有相同的順向或反向重復順序。2.轉(zhuǎn)座途徑復制轉(zhuǎn)座：指轉(zhuǎn)座因子將復制的拷貝轉(zhuǎn)座到插入位置，而在原先的位置上仍保留原有的轉(zhuǎn)座因子。非復制轉(zhuǎn)座：轉(zhuǎn)座因子直接從原來位置轉(zhuǎn)座插入新的位置，在原先的位置上不保留原有的轉(zhuǎn)座因子。3.轉(zhuǎn)座的機制（1）非復制轉(zhuǎn)座的機制切割與粘接供體轉(zhuǎn)座子兩端發(fā)生雙鏈斷裂，釋放出的轉(zhuǎn)座子在受體分子上產(chǎn)生的交錯接口處插入。 （2）復制轉(zhuǎn)座的機制轉(zhuǎn)座酶分別切割轉(zhuǎn)座子的供體和受體DNA分子，然后轉(zhuǎn)座子末端與受體DNA上產(chǎn)生的交錯末端連接；復制轉(zhuǎn)座子，形成共整合體；轉(zhuǎn)座子的兩份拷貝之間發(fā)生交換，供體和受體分子分離。受體DNA出現(xiàn)靶序列正向重復。4.轉(zhuǎn)座的遺傳效應引起插入突變插入位點出現(xiàn)新的基因引起靶序列正向重復原來位置上保留原有的轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座子能夠脫離插入位點稱為切離轉(zhuǎn)座容易改變?nèi)旧w結(jié)構（四）反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子 反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子（retrotranspson or retroposon）是指通過RNA為中介，反轉(zhuǎn)錄成DNA后進行轉(zhuǎn)座的轉(zhuǎn)座因子。這樣的轉(zhuǎn)座過程稱為反轉(zhuǎn)座作用。1.反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的類型：（1）反轉(zhuǎn)錄病毒（2）病毒超家族（viral super family）：這類轉(zhuǎn)座子編碼反轉(zhuǎn)錄酶或整合酶，自主進行轉(zhuǎn)座，兩端有長末端重復序列（long terminal repeats, LTR）.不能獨立感染細胞.（3）非病毒超家族（nonviral super family）：不能編碼反轉(zhuǎn)錄酶或整合酶，利用細胞內(nèi)的酶系進行轉(zhuǎn)座，兩端沒有LTR。2.反轉(zhuǎn)錄病毒與反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座(1)反轉(zhuǎn)錄病毒: 基因組是單鏈RNA,長度約5000-9000核苷酸, 通常由兩個完全相同的亞基組成.含有三個基因,即gag,pol 和env.。RNA基因組的5端是帽核苷酸, 3端有poly(A).5端和 3端各有一個重復順序(10-80核苷酸), 以及與之鄰接的U5和U3序列。RNA基因組反轉(zhuǎn)錄成的DNA基因組的兩端生成“長末端重復順序”(long terminal repeat sequence,LTR)，LTR包括U3-R-U5三個DNA序列。(2)反轉(zhuǎn)錄病毒的反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座反轉(zhuǎn)錄病毒的DNA插入寄主染色體時,5LTR的U3左端和3LTR的U5右端各丟失2bp,而插入位點上生成4-6bp的重復序列。每個受感染細胞一般有1-10份前病毒拷貝。3. LINES L1重復序列長散在重復序列(long interspersed nuclear elements, LINE)是哺乳動物基因組中的一類重復序列, 該重復序列較長。 LINE L1長約6 500 bp, 在哺乳動物基因組中的拷貝數(shù)達10萬份。LINE是自主轉(zhuǎn)座的反轉(zhuǎn)座因子, 來源于RNA聚合酶II的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。 4.SINE 和 Alu家族短散在重復序列(short interspersed nuclear elements, SINE)是基因組中較短的一類重復序列, 長度為130-300bp。SINE來源于RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。人類Alu順序長300bp，基因組中拷貝數(shù)35105，呈散在分布。八、染色體外基因（一） 人體線粒體DNA的結(jié)構1.人的線粒體DNA(mtDNA) 人的線粒體DNA是cccDNA，共16569bp（Anderson，1981）。它的一條鏈是重鏈（H鏈），另一條鏈是輕鏈（L鏈），在G2期以半保留方式復制。2.人線粒體基因組的基因人的mtDNA含有37個基因，其中： 2 個rRNA基因 22個tRNA基因 13個結(jié)構基因 這些結(jié)構基因編碼細胞色素C氧化酶的3個亞基（COX、），2個ATP酶（ATPase 6和ATPase 8），1個細胞色素b（Cyt b）和7個NADH脫氫酶亞基（ND1、ND2、ND3、ND4、ND4L ND5、ND6）。（二）人的mtDNA的特點1.核苷酸組成的不對稱性：兩條鏈分別為H鏈和L鏈2.mtDNA利用的高效性：表現(xiàn)在基因中無內(nèi)含子，基因間極少基因間區(qū)，ATPase6 基因包含ATPase8 基因。3. 密碼子的特殊性：核DNAmtDNAUGA終止TrpAUALeuMetAGA & AGGArg終止4.半自主性遺傳系統(tǒng) 第二節(jié) 基因的定義和結(jié)構一、基因的分子生物學定義 基因(ge