分子遺傳學(xué)-1

1、分分 子子 遺遺 傳傳 學(xué)學(xué)主講人：路鐵剛主講人：路鐵剛參考書參考書1.1.路鐵剛，丁毅路鐵剛，丁毅 。分子遺傳學(xué)，高等教。分子遺傳學(xué)，高等教育出版社，育出版社，200820082.2.Gene VIII LewinGene VIII Lewin3.3.分子克隆實(shí)驗(yàn)（冷泉港）分子克隆實(shí)驗(yàn)（冷泉港）1.1.緒論緒論 2.2.基因與基因組基因與基因組 3.3.基因表達(dá)：基因表達(dá)：DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯 4.4.基因表達(dá)的調(diào)控基因表達(dá)的調(diào)控 5.5.基因突變、損傷與修復(fù)基因突變、損傷與修復(fù) 6.6.遺傳重組與轉(zhuǎn)座遺傳重組與轉(zhuǎn)座 7.7.基因與發(fā)育基因與發(fā)育 8.8.基因與免疫多樣性基

2、因與免疫多樣性 9.9.表觀遺傳學(xué)表觀遺傳學(xué) 10.10.重要疾病發(fā)生的分子機(jī)制重要疾病發(fā)生的分子機(jī)制 11.11.基因組學(xué)與后基因組學(xué)基因組學(xué)與后基因組學(xué) 12.12.分子遺傳學(xué)研究常用技術(shù)的原理分子遺傳學(xué)研究常用技術(shù)的原理 第一章第一章分子遺傳學(xué)緒論分子遺傳學(xué)緒論1.1.1 1.1.1 分子遺傳學(xué)的涵義分子遺傳學(xué)的涵義遺傳學(xué)是以基因作為研究的核心，是研遺傳學(xué)是以基因作為研究的核心，是研究基因的結(jié)構(gòu)、功能、變異、傳遞和表達(dá)究基因的結(jié)構(gòu)、功能、變異、傳遞和表達(dá)規(guī)律的學(xué)科。分子遺傳學(xué)是在分子水平上規(guī)律的學(xué)科。分子遺傳學(xué)是在分子水平上研究基因的結(jié)構(gòu)與功能以揭示生物遺傳和研究基因的結(jié)構(gòu)與功能以揭示生

3、物遺傳和變異以及表達(dá)的分子機(jī)制。變異以及表達(dá)的分子機(jī)制。1.1.2 1.1.2 分子遺傳學(xué)研究的任務(wù)分子遺傳學(xué)研究的任務(wù) （1）研究遺傳物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)與傳遞機(jī)制研究遺傳物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)與傳遞機(jī)制 （2）研究遺傳信息表達(dá)的分子機(jī)制）研究遺傳信息表達(dá)的分子機(jī)制 （）研究基因表達(dá)調(diào)控的分子機(jī)制（）研究基因表達(dá)調(diào)控的分子機(jī)制 （）研究基因和基因組的結(jié)構(gòu)與功能（）研究基因和基因組的結(jié)構(gòu)與功能 （）研究生物遺傳變異的分子機(jī)理（）研究生物遺傳變異的分子機(jī)理 （）研究細(xì)胞分化和發(fā)育的分子機(jī)制（）研究細(xì)胞分化和發(fā)育的分子機(jī)制 Gregor Mendel （1822-1884）是遺傳學(xué)的創(chuàng)始人）是遺傳學(xué)的創(chuàng)始人18

4、651865年豌豆雜種后代形性狀分離實(shí)驗(yàn)，年豌豆雜種后代形性狀分離實(shí)驗(yàn)，3535年后又年后又被重新發(fā)現(xiàn)被重新發(fā)現(xiàn)1.1. 荷蘭荷蘭Hugo de Vires(1848-1935)Hugo de Vires(1848-1935)月見草雜交月見草雜交F2F2分離分離2.2. 德國(guó)德國(guó)Carl Correns(1864-1933)Carl Correns(1864-1933)雜種后代表現(xiàn)方式的雜種后代表現(xiàn)方式的MendelMendel法則法則3.3. 奧地利奧地利Erich von TschermakErich von Tschermak Seysenegg(1871-1962) Seysenegg

5、(1871-1962)關(guān)于豌豆的人工雜交關(guān)于豌豆的人工雜交 德國(guó)植物學(xué)會(huì)雜志，德國(guó)植物學(xué)會(huì)雜志，19001900年年1818卷卷分子遺傳學(xué)的孕育階段分子遺傳學(xué)的孕育階段1871年年 Miescher核素核素1902年，年，Sutton 和和Bover在觀察蝗蟲減數(shù)分裂在觀察蝗蟲減數(shù)分裂過程中的染色體時(shí)發(fā)現(xiàn)，遺傳因子的行為與過程中的染色體時(shí)發(fā)現(xiàn)，遺傳因子的行為與配子形成和受精過程中的染色體行為是完全配子形成和受精過程中的染色體行為是完全平行的平行的，并由此認(rèn)為控制性狀的遺傳因子位，并由此認(rèn)為控制性狀的遺傳因子位于細(xì)胞核內(nèi)染色體上，從而奠定了遺傳的染于細(xì)胞核內(nèi)染色體上，從而奠定了遺傳的染色體學(xué)說（

6、色體學(xué)說（chromosome theory of inheritance）的基礎(chǔ)。的基礎(chǔ)。Johansen于于1909年提出用年提出用“基因基因”（gene）一詞代替一詞代替Mendel “遺傳因子遺傳因子” 1910年，年，Morgan (1866-1945) ：果蠅近交實(shí)驗(yàn)：果蠅近交實(shí)驗(yàn)：Gene 存在于染色體上存在于染色體上Morgan于于1926年發(fā)表了著名的年發(fā)表了著名的基因論基因論，論，論述了基因在上下代之間的傳遞規(guī)律，認(rèn)為基因述了基因在上下代之間的傳遞規(guī)律，認(rèn)為基因控制相應(yīng)的性狀，基因可以發(fā)生突變、交換和控制相應(yīng)的性狀，基因可以發(fā)生突變、交換和重組。由此提出，基因既是一個(gè)功能單

7、位，一重組。由此提出，基因既是一個(gè)功能單位，一個(gè)突變單位，也是一個(gè)交換單位的個(gè)突變單位，也是一個(gè)交換單位的“三位一體三位一體”的概念。并預(yù)言基因是一個(gè)有機(jī)的化學(xué)實(shí)體。的概念。并預(yù)言基因是一個(gè)有機(jī)的化學(xué)實(shí)體。顯然顯然基因論基因論對(duì)遺傳學(xué)的研究產(chǎn)生了巨大的對(duì)遺傳學(xué)的研究產(chǎn)生了巨大的影響，也為分子遺傳學(xué)的建立奠定了理論基礎(chǔ)。影響，也為分子遺傳學(xué)的建立奠定了理論基礎(chǔ)。1923年，英國(guó)醫(yī)學(xué)與生物化學(xué)家年，英國(guó)醫(yī)學(xué)與生物化學(xué)家Garrod根據(jù)對(duì)人體的根據(jù)對(duì)人體的一種先天性代謝疾病尿黑酸的研究發(fā)現(xiàn)該病是一種隱性一種先天性代謝疾病尿黑酸的研究發(fā)現(xiàn)該病是一種隱性遺傳病。遺傳病。GarrodGarrod的這種一個(gè)

8、突變基因決定一種代謝障礙的這種一個(gè)突變基因決定一種代謝障礙的觀點(diǎn)在當(dāng)時(shí)并未受到關(guān)注。的觀點(diǎn)在當(dāng)時(shí)并未受到關(guān)注。19411941年，年， BeadleBeadle和和TatumTatum對(duì)粗糙脈孢菌（對(duì)粗糙脈孢菌（Neurospora Neurospora crassacrassa）的進(jìn)化突變型進(jìn)行研究時(shí)才發(fā)現(xiàn)了）的進(jìn)化突變型進(jìn)行研究時(shí)才發(fā)現(xiàn)了GarrodGarrod 的的工作，明確提出了工作，明確提出了“一個(gè)基因一個(gè)酶一個(gè)基因一個(gè)酶”（one gene-one gene-one enzymeone enzyme）的理論。后來將）的理論。后來將“一個(gè)基因一個(gè)酶一個(gè)基因一個(gè)酶”改改為為 “一個(gè)基因

9、一種多肽一個(gè)基因一種多肽”（one gene-one one gene-one polypeptidepolypeptide）。這表明基因是通過控制多肽的合成而）。這表明基因是通過控制多肽的合成而影響生物遺傳性狀的發(fā)育和表達(dá)。影響生物遺傳性狀的發(fā)育和表達(dá)。 這些成果盡管證明了基因與蛋白質(zhì)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但仍未揭示基因究竟是什么物質(zhì)組成的。其實(shí)， Griffith于1928年用細(xì)菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)來證明遺傳物質(zhì)是DNA，他將活的無(wú)致病力的R II型肺炎球菌與滅活的S型肺炎球菌（存活時(shí)有致病力）分別注入小白鼠體后，小鼠仍然健康，但是當(dāng)用R II型活菌與滅活的S型死菌共同注入鼠體后，則小鼠被感染死亡，在死鼠

10、體中發(fā)現(xiàn)大量活的S型肺炎球菌。這意味著S型死菌的遺傳物質(zhì)使R II型轉(zhuǎn)化為S型Hershey 和和Chase 于于1952用放射性同位素用放射性同位素35S和和32P分別標(biāo)分別標(biāo)記噬菌體記噬菌體T2的蛋白質(zhì)與核心的蛋白質(zhì)與核心DNA，發(fā)現(xiàn)在感染過程中，發(fā)現(xiàn)在感染過程中，蛋白質(zhì)外殼留在宿主細(xì)菌體外，只有蛋白質(zhì)外殼留在宿主細(xì)菌體外，只有DNA進(jìn)入菌體。在進(jìn)入菌體。在感染后約感染后約25min菌體被裂解，產(chǎn)生出菌體被裂解，產(chǎn)生出100-150個(gè)完整的個(gè)完整的T2噬菌體。這個(gè)實(shí)驗(yàn)令人信服的表明，只有噬菌體。這個(gè)實(shí)驗(yàn)令人信服的表明，只有DNA是聯(lián)系親是聯(lián)系親代與子代之間的遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)代與子代之間的遺傳物

11、質(zhì)基礎(chǔ) Conrat 于于1956年用一種年用一種RNA病毒煙草花葉病病毒煙草花葉病毒（毒（tobacco mosaic virus,TMV）作為實(shí)驗(yàn)材料。）作為實(shí)驗(yàn)材料。TMV有一個(gè)圓筒狀蛋白質(zhì)外殼，由很多相同的有一個(gè)圓筒狀蛋白質(zhì)外殼，由很多相同的蛋白質(zhì)亞基組成。蛋白質(zhì)亞基組成。 外殼內(nèi)由一條單鏈的外殼內(nèi)由一條單鏈的RNA分分子沿其內(nèi)壁在蛋白質(zhì)亞基間盤旋。子沿其內(nèi)壁在蛋白質(zhì)亞基間盤旋。TMV中中94是蛋白質(zhì)，是蛋白質(zhì)，6%是是RNA。如用。如用RNA和蛋白質(zhì)分別和蛋白質(zhì)分別感染煙草，結(jié)果感染煙草，結(jié)果TMV的的RNA可以感染，并形成可以感染，并形成完整的完整的TMV。而。而TMV的蛋白質(zhì)則無(wú)

12、法感染煙草的蛋白質(zhì)則無(wú)法感染煙草 二十年代，二十年代，Levene研究了核酸的結(jié)構(gòu)，并提出研究了核酸的結(jié)構(gòu)，并提出了四核苷酸假說。了四核苷酸假說。 Erwin Chargaff 1949 DNA是由四種脫氧核是由四種脫氧核苷酸苷酸(nucleotide)，就是腺嘌呤，就是腺嘌呤(adenine)、鳥嘌、鳥嘌呤呤(guanine)、胸腺嘧啶、胸腺嘧啶(thymidine)和胞嘧啶和胞嘧啶(cytocine)組成的，且在不同物種中四種核苷酸組成的，且在不同物種中四種核苷酸的比率不同。但的比率不同。但A 與與T的量相等，的量相等，G與與C 的量的量相等，即相等，即A=T；G=C，這就是所謂的，這就是

13、所謂的Chargaff規(guī)則（規(guī)則（Chargaffs rules）。）。 不同來源不同來源DNA分子中四種堿基的含量比較分子中四種堿基的含量比較分子遺傳學(xué)的創(chuàng)立階段分子遺傳學(xué)的創(chuàng)立階段1950年，年， Wilkins用用DNA晶體做晶體做X射線衍射分析，射線衍射分析，表明表明DNA有很精細(xì)的結(jié)構(gòu)。就在此時(shí)，有很精細(xì)的結(jié)構(gòu)。就在此時(shí)，Wilkins的同事的同事Franklin用含有較多水的用含有較多水的DNA做做X射線衍射線衍射分析。她從得到的圖像中判定射分析。她從得到的圖像中判定DNA是雙螺旋結(jié)是雙螺旋結(jié)構(gòu)。在構(gòu)。在DNA長(zhǎng)鏈上，每個(gè)核苷酸相距長(zhǎng)鏈上，每個(gè)核苷酸相距0.34nm，每，每個(gè)螺距為

14、個(gè)螺距為3.4nm，由，由10個(gè)核苷酸組成。個(gè)核苷酸組成。 根據(jù)已測(cè)根據(jù)已測(cè)定的定的DNA分子寬度為分子寬度為2nm，推測(cè)，推測(cè)DNA分子不止由分子不止由一條鏈所構(gòu)成（圖一條鏈所構(gòu)成（圖1-10）。以上各項(xiàng)成果為）。以上各項(xiàng)成果為DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的提出奠定了重要的工作基礎(chǔ)。的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的提出奠定了重要的工作基礎(chǔ)。Rosalind Franklin（19201958）: The Dark Lady of DNA（Harper Collins Publishers，2002）布藍(lán)妲布藍(lán)妲 麥多克斯（麥多克斯（Brenda Maddox）2011年新諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給她，以表彰她在年新諾貝

15、爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給她，以表彰她在DNA雙螺旋上的貢獻(xiàn)，但是對(duì)她已是太晚雙螺旋上的貢獻(xiàn)，但是對(duì)她已是太晚Watson和和Crick在在1953年年Nature雜志上雜志上（Vol 171, pp737-738）發(fā)表發(fā)表“核酸的分子結(jié)構(gòu)核酸的分子結(jié)構(gòu)- -脫氧核脫氧核糖核酸的結(jié)構(gòu)糖核酸的結(jié)構(gòu)”（圖（圖1-91-9），這標(biāo)志著遺傳學(xué)乃），這標(biāo)志著遺傳學(xué)乃至整個(gè)生物學(xué)進(jìn)入分子水平的新時(shí)代。至整個(gè)生物學(xué)進(jìn)入分子水平的新時(shí)代。在同一期在同一期3 3篇：篇：Watson，Wilkins，F(xiàn)ranklinDNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型與X射線衍射提供的螺旋構(gòu)型的參數(shù)相吻合。其主要內(nèi)容是： X射線衍射數(shù)據(jù)表明DNA具有規(guī)則的

16、螺旋形式，每34（3.4nm）形成一整圈，其直徑為20 （2.0nm）,由于臨近核苷酸的間距是3.4 。由此每圈必定是10個(gè)核苷酸； 糖磷酸組成的骨架處在DNA分子外側(cè)，嘌呤和嘧啶堿基位于DNA內(nèi)側(cè)，雙螺旋中的兩條多聚核苷酸鏈依賴堿基之間的氫鍵相連，而且嘌呤總是與嘧啶配對(duì)。因而DNA直徑保持不變； DNA分子中GC，AT。沿著任何一條DNA鏈，這四種堿基有多種多樣的可能排列順序，但任一DNA的組成可通過其堿基比例，即C+G來說明，不同物種比例從26到74不等； 兩條通過堿基間連接的DNA鏈稱為互補(bǔ)鏈（complementary chain）。兩條互補(bǔ)鏈呈反向平行的螺旋結(jié)構(gòu)，堿基成對(duì)連接且垂直于

17、螺旋的軸，每一堿基對(duì)沿著螺旋軸旋轉(zhuǎn)36，所有10個(gè)堿基旋轉(zhuǎn)成一圈完整的360。兩條鏈相互纏繞形成一個(gè)帶有小溝和大溝的雙螺旋。1956年年Kornberg 等，等，1956在大腸桿菌的無(wú)細(xì)胞在大腸桿菌的無(wú)細(xì)胞提取液中提取液中 實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)了DNA的合成。這一工作獲得了的合成。這一工作獲得了1959年的年的Nobel獎(jiǎng)。獎(jiǎng)。1958年，年，MeselsonStahl實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該復(fù)制模實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該復(fù)制模型，他們將大腸桿菌置于含有較重同位素型，他們將大腸桿菌置于含有較重同位素13C和和15N的培養(yǎng)液中生長(zhǎng)，這些細(xì)菌的的培養(yǎng)液中生長(zhǎng)，這些細(xì)菌的DNA中含有中含有13C和和15N。然后將這些細(xì)菌轉(zhuǎn)入只含。然

18、后將這些細(xì)菌轉(zhuǎn)入只含12C和和14N培養(yǎng)培養(yǎng)液中生長(zhǎng)繁殖兩代，每代都從細(xì)菌中抽提液中生長(zhǎng)繁殖兩代，每代都從細(xì)菌中抽提DNA，離心檢測(cè)其密度，結(jié)果每代離心檢測(cè)其密度，結(jié)果每代DNA形成的帶與半形成的帶與半保留復(fù)制的預(yù)期結(jié)果一致保留復(fù)制的預(yù)期結(jié)果一致 1955年，年， Sanger測(cè)定了牛胰島素中氨基酸堿基的測(cè)定了牛胰島素中氨基酸堿基的精確順序精確順序1958年年Crick提出了中心法則，從而將核酸與蛋提出了中心法則，從而將核酸與蛋白質(zhì)之間線性結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，并導(dǎo)致白質(zhì)之間線性結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，并導(dǎo)致1967年年“遺遺傳密碼字典傳密碼字典”的問世。從的問世。從DNA編碼鏈上編碼鏈上5端到端到3端方向的三

19、聯(lián)體核苷酸密碼子（端方向的三聯(lián)體核苷酸密碼子（triplet codon）序列與蛋白質(zhì)的序列與蛋白質(zhì)的N端到端到C端的氨基酸序列相對(duì)應(yīng)，端的氨基酸序列相對(duì)應(yīng)，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系稱為遺傳密碼（這種對(duì)應(yīng)關(guān)系稱為遺傳密碼（genetic codon）。）。DNA中的遺傳信息是由信使中的遺傳信息是由信使RNA（messenger RNA, mRNA）介導(dǎo)而決定蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)。）介導(dǎo)而決定蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)。 1961年年Nirenberg和和Mattheai用酶促合成尿嘧啶核用酶促合成尿嘧啶核苷酸多聚物（苷酸多聚物（poly（u），并將），并將poly加入除去正加入除去正常常mRNA的細(xì)胞抽提物中，的細(xì)胞抽

20、提物中，結(jié)果只合成苯丙氨酸結(jié)果只合成苯丙氨酸連接成的肽鏈，這個(gè)結(jié)果表明連接成的肽鏈，這個(gè)結(jié)果表明UUU一定是苯丙氨一定是苯丙氨酸（酸（Phe）的密碼子。）的密碼子。poly（A）編碼賴氨酸（）編碼賴氨酸（Lys）肽鏈）肽鏈poly（C）編碼脯氨酸（）編碼脯氨酸（Pro）肽鏈）肽鏈隨后，用兩種或多種核苷酸隨機(jī)混合的多核苷酸隨后，用兩種或多種核苷酸隨機(jī)混合的多核苷酸替代替代mRNA，破譯了部分氨基酸的遺傳密碼。到，破譯了部分氨基酸的遺傳密碼。到1966年年Khorana用兩種或三種核苷酸重復(fù)組成的多用兩種或三種核苷酸重復(fù)組成的多核苷酸，如核苷酸，如GUGUGU，AAGAAG和和GUUGUU等做實(shí)驗(yàn)

21、，終于破譯了所有編碼氨等做實(shí)驗(yàn)，終于破譯了所有編碼氨基酸的密碼子基酸的密碼子 由于密碼子的三個(gè)堿基位置都有由于密碼子的三個(gè)堿基位置都有4種可能，因此有種可能，因此有43=64種可能的三聯(lián)體核苷酸序列，其中種可能的三聯(lián)體核苷酸序列，其中61個(gè)密碼子編碼各種個(gè)密碼子編碼各種氨基酸，氨基酸，3個(gè)密碼子使蛋白質(zhì)合成終止，故稱終止密碼個(gè)密碼子使蛋白質(zhì)合成終止，故稱終止密碼子（子（termination codon）。密碼子編碼何種氨基酸是由）。密碼子編碼何種氨基酸是由與之相應(yīng)與之相應(yīng)tRNA決定的，而終止密碼子的識(shí)別則是由蛋決定的，而終止密碼子的識(shí)別則是由蛋白質(zhì)因子直接決定的。由于編碼氨基酸的密碼子數(shù)量

22、為白質(zhì)因子直接決定的。由于編碼氨基酸的密碼子數(shù)量為61個(gè)，遠(yuǎn)比氨基酸數(shù)量個(gè)，遠(yuǎn)比氨基酸數(shù)量20個(gè)多。所以幾乎所有的氨基酸個(gè)多。所以幾乎所有的氨基酸都由一個(gè)以上的密碼子編碼，只有甲硫氨酸和色氨酸除都由一個(gè)以上的密碼子編碼，只有甲硫氨酸和色氨酸除外。幾種密碼子編碼同一種氨基酸，這稱為密碼子的簡(jiǎn)外。幾種密碼子編碼同一種氨基酸，這稱為密碼子的簡(jiǎn)并性（并性（degeneracy of the codon）。編碼同一種氨基酸的）。編碼同一種氨基酸的兩種以上的密碼子稱為簡(jiǎn)并密碼子（兩種以上的密碼子稱為簡(jiǎn)并密碼子（degenerate codon）或稱同義密碼子（或稱同義密碼子（synonym）從簡(jiǎn)并密碼子可

23、以看出前兩個(gè)核苷酸都是相同的，從簡(jiǎn)并密碼子可以看出前兩個(gè)核苷酸都是相同的，第三個(gè)核苷酸則是變動(dòng)的，一般不是特別重要。第三個(gè)核苷酸則是變動(dòng)的，一般不是特別重要。密碼子最后一位堿基因特異性降低的現(xiàn)象稱為第密碼子最后一位堿基因特異性降低的現(xiàn)象稱為第三堿基的簡(jiǎn)并性（三堿基的簡(jiǎn)并性（third-base degeneracy）。）。 Khorana，證實(shí)了，證實(shí)了Nirenberg 所破譯的遺傳密碼獲所破譯的遺傳密碼獲得了得了1968年的諾貝爾獎(jiǎng)。年的諾貝爾獎(jiǎng)。1961年，年，Jacob 和和Monod操縱子學(xué)說操縱子學(xué)說Robert Holley，tRNA結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 1970年，年，Temin 和和Ba

24、ltimore發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶。發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶。 阿爾伯阿爾伯(Arber)、史密斯、史密斯(Smith)和內(nèi)森斯和內(nèi)森斯(Nathans)，發(fā)現(xiàn)限制性內(nèi)切酶，發(fā)現(xiàn)限制性內(nèi)切酶,獲獲1978年諾貝爾年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。 Sanger 設(shè)計(jì)測(cè)定設(shè)計(jì)測(cè)定DNA分子內(nèi)核苷酸序列，分子內(nèi)核苷酸序列，1980年與年與伯格伯格(Berg)（重組重組DNADNA技術(shù)）分享技術(shù)）分享Nobel 生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。 1989年年Altman、 Cech發(fā)現(xiàn)核酶共享發(fā)現(xiàn)核酶共享Nobel化學(xué)獎(jiǎng)化學(xué)獎(jiǎng). Mullins，1990 發(fā)明發(fā)明PCR技術(shù)技術(shù) Watson等，等，1990 啟動(dòng)人類基因

25、組計(jì)劃啟動(dòng)人類基因組計(jì)劃 1995年，年，Venter and Smith，完成原核生物，完成原核生物Hemophilus influenzae的基因組測(cè)序的基因組測(cè)序 1996年，完成啤酒酵母的基因組測(cè)序年，完成啤酒酵母的基因組測(cè)序 1997年，年，Blattner and Horiuchi等，完成大等，完成大腸桿菌的基因組測(cè)序腸桿菌的基因組測(cè)序 2000年，人基因組草圖測(cè)序完成年，人基因組草圖測(cè)序完成 2001年，擬南芥菜年，擬南芥菜 2002年，水稻年，水稻 此外，果蠅、線蟲及一些微生物的基因組此外，果蠅、線蟲及一些微生物的基因組測(cè)序完成測(cè)序完成顯微注射術(shù)開始轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的研究顯微注射術(shù)開

26、始轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的研究轉(zhuǎn)基因植物的誕生轉(zhuǎn)基因植物的誕生基因治療技術(shù)基因治療技術(shù)克隆技術(shù)克隆技術(shù)人類基因組計(jì)劃人類基因組計(jì)劃植物基因組計(jì)劃植物基因組計(jì)劃功能基因組學(xué)功能基因組學(xué)1.3 1.3 中心法則及其發(fā)展中心法則及其發(fā)展19581958年，年，CrickCrick在在“論蛋白質(zhì)合成論蛋白質(zhì)合成”一文中又一文中又提出了中心法則來說明遺傳信息的傳遞方向和提出了中心法則來說明遺傳信息的傳遞方向和途 徑 。途 徑 。 基 本 內(nèi) 涵 是基 本 內(nèi) 涵 是 C r i c k 的 序 列 假 說的 序 列 假 說（sequences hypothesis），即），即“核酸片段核酸片段的特異性完全由其堿基序

27、列所表達(dá)，而且這種的特異性完全由其堿基序列所表達(dá)，而且這種序列是相應(yīng)蛋白質(zhì)的氨基酸序列的密碼序列是相應(yīng)蛋白質(zhì)的氨基酸序列的密碼”。因。因此中心法則是序列轉(zhuǎn)換的法則，即基因的此中心法則是序列轉(zhuǎn)換的法則，即基因的DNA序列與其轉(zhuǎn)錄的序列與其轉(zhuǎn)錄的RNA序列和蛋白質(zhì)的氨基酸序序列和蛋白質(zhì)的氨基酸序列是有嚴(yán)格的共線性，也就是說，遺傳信息的列是有嚴(yán)格的共線性，也就是說，遺傳信息的傳遞是通過嚴(yán)格的序列對(duì)應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的傳遞是通過嚴(yán)格的序列對(duì)應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的 1.3.2 RNA1.3.2 RNA編輯與中心法則編輯與中心法則 某些某些mRNA前體的核苷酸序列尚需加以改編，前體的核苷酸序列尚需加以改編，方能變成有活性的正確

28、的翻譯模板。結(jié)果使方能變成有活性的正確的翻譯模板。結(jié)果使成熟成熟mRNA的核苷酸序列不同于前體，也不的核苷酸序列不同于前體，也不同于模板，使遺傳信息在同于模板，使遺傳信息在mRNA水平上發(fā)生水平上發(fā)生改變。改變。 廣泛存在于原生動(dòng)物及植物細(xì)胞的線粒體。廣泛存在于原生動(dòng)物及植物細(xì)胞的線粒體。 編輯過程包括編輯過程包括mRNA前體分子中插入、剔前體分子中插入、剔除或置換。除或置換。 方向：方向：35 指導(dǎo)指導(dǎo)RNA（guide RNA) 和酶參與和酶參與RNA編輯說明生物體不僅以基因組編輯說明生物體不僅以基因組DNA為中心為中心復(fù)制、傳遞和表達(dá)遺傳信息，而且還可以在復(fù)制、傳遞和表達(dá)遺傳信息，而且還

29、可以在RNA水平上對(duì)水平上對(duì)DNA編碼的遺傳信息再加工，編編碼的遺傳信息再加工，編輯產(chǎn)生新的遺傳信息或校正發(fā)生差錯(cuò)的遺傳信輯產(chǎn)生新的遺傳信息或校正發(fā)生差錯(cuò)的遺傳信息。息。1.3.3 1.3.3 朊病毒與中心法則朊病毒與中心法則 朊病毒（朊病毒（prion）一詞是）一詞是Prusiner于于1982年提出年提出的。的。 Prusiner對(duì)朊病毒的創(chuàng)造性研究使其于對(duì)朊病毒的創(chuàng)造性研究使其于1997年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。該病毒是一類感染性蛋白質(zhì)因年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。該病毒是一類感染性蛋白質(zhì)因子，它能引起人的庫(kù)魯病，吉雅氏病，吉斯子，它能引起人的庫(kù)魯病，吉雅氏病，吉斯綜合癥，動(dòng)物的羊瘙癢病，牛海綿樣腦軟化病即綜

30、合癥，動(dòng)物的羊瘙癢病，牛海綿樣腦軟化病即瘋牛病等。朊病毒不含核酸，是一種蛋白質(zhì)病原瘋牛病等。朊病毒不含核酸，是一種蛋白質(zhì)病原體。朊病毒相關(guān)蛋白，是由細(xì)胞基因體。朊病毒相關(guān)蛋白，是由細(xì)胞基因PrP編碼。編碼。 遺傳信息并未發(fā)生改變，而是通過特殊的蛋白質(zhì)遺傳信息并未發(fā)生改變，而是通過特殊的蛋白質(zhì)的修飾，或者改變蛋白質(zhì)的構(gòu)象而導(dǎo)致遺傳性狀的修飾，或者改變蛋白質(zhì)的構(gòu)象而導(dǎo)致遺傳性狀的 改 變 ， 這 稱 為 表 觀 遺 傳 （的 改 變 ， 這 稱 為 表 觀 遺 傳 （ e p i g e n e t i c inheritance）。）。這種蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的遺傳信息的傳遞對(duì)中這種蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)

31、之間的遺傳信息的傳遞對(duì)中心法則的蛋白質(zhì)不能輸出遺傳信息的概念是一個(gè)心法則的蛋白質(zhì)不能輸出遺傳信息的概念是一個(gè)挑戰(zhàn)。當(dāng)然在正常人體內(nèi)，挑戰(zhàn)。當(dāng)然在正常人體內(nèi)，PrP基因的表達(dá)形成基因的表達(dá)形成prpc的程序仍然是符合中心法則的，因此，的程序仍然是符合中心法則的，因此，prpsc的產(chǎn)生是對(duì)中心法則的補(bǔ)充或修正。的產(chǎn)生是對(duì)中心法則的補(bǔ)充或修正。1.4 1.4 基因概念及其發(fā)展基因概念及其發(fā)展孟德爾：遺傳因子（孟德爾：遺傳因子（inherited factor）Johannsen：基因：基因Garrod的的“一個(gè)突變基因一個(gè)代謝障礙一個(gè)突變基因一個(gè)代謝障礙”的觀點(diǎn)的觀點(diǎn)表明了基因的功能表明了基因的功能

32、 Beadle和和Tatum提出的提出的“一個(gè)基因一個(gè)酶一個(gè)基因一個(gè)酶”的理論，的理論，補(bǔ)充為補(bǔ)充為 “一個(gè)基因一個(gè)多肽一個(gè)基因一個(gè)多肽”順反子：是遺傳上的一個(gè)不容分割的功能單位。順反子：是遺傳上的一個(gè)不容分割的功能單位。一個(gè)順反子就是一個(gè)功能水平上的基因，故順反一個(gè)順反子就是一個(gè)功能水平上的基因，故順反子也就是基因的同義語(yǔ)，每個(gè)順反子在染色體上子也就是基因的同義語(yǔ)，每個(gè)順反子在染色體上的區(qū)域稱為基因座（的區(qū)域稱為基因座（gene locusgene locus）。順反子既有）。順反子既有功能上的完整性，又具有結(jié)構(gòu)上的可分割性功能上的完整性，又具有結(jié)構(gòu)上的可分割性 1.4.2 1.4.2 操縱

33、子與基因家族操縱子與基因家族1961年法國(guó)遺傳學(xué)家年法國(guó)遺傳學(xué)家Jacob和和Monod提出了大腸桿菌乳提出了大腸桿菌乳糖操縱子模型來闡明原核生物基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制。根糖操縱子模型來闡明原核生物基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制。根據(jù)該模型，基因又分為：據(jù)該模型，基因又分為：結(jié)構(gòu)基因（結(jié)構(gòu)基因（structure gene），即編碼產(chǎn)生多肽鏈或，即編碼產(chǎn)生多肽鏈或RNA產(chǎn)物的基因；產(chǎn)物的基因；操縱基因（操縱基因（operator），該基因有阻遏物結(jié)合的位點(diǎn)，當(dāng)阻遏物與），該基因有阻遏物結(jié)合的位點(diǎn)，當(dāng)阻遏物與操縱基因的結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合時(shí)，三個(gè)結(jié)構(gòu)基因就失去轉(zhuǎn)錄操縱基因的結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合時(shí)，三個(gè)結(jié)構(gòu)基因就失去轉(zhuǎn)錄活性，不

34、合成三種酶分子；活性，不合成三種酶分子；起始基因（起始基因（initiator），），系系RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)，起始聚合酶結(jié)合位點(diǎn)，起始RNA的合成；的合成；調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因（regulatory gene），它編碼阻遏物、調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)基因的），它編碼阻遏物、調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)基因的活性。操縱基因與由它操縱的幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因連鎖在一起活性。操縱基因與由它操縱的幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因連鎖在一起，并由一個(gè)啟動(dòng)子（，并由一個(gè)啟動(dòng)子（promoter）轉(zhuǎn)錄成為一個(gè)）轉(zhuǎn)錄成為一個(gè)mRNA分分子，然后翻譯出各自的蛋白質(zhì)，這樣的結(jié)構(gòu)稱為一個(gè)操子，然后翻譯出各自的蛋白質(zhì)，這樣的結(jié)構(gòu)稱為一個(gè)操縱子（縱子（operon），），1965年獲得

35、諾貝爾獎(jiǎng)。年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。原核生物中的操縱子結(jié)構(gòu)在真核生物中很少發(fā)現(xiàn)，原核生物中的操縱子結(jié)構(gòu)在真核生物中很少發(fā)現(xiàn)，真核生物的結(jié)構(gòu)基因一般是單獨(dú)調(diào)控的。但真核真核生物的結(jié)構(gòu)基因一般是單獨(dú)調(diào)控的。但真核生物中存在基因家族（生物中存在基因家族（gene family），即真核生物），即真核生物基因組中有一些來源相同，即通過某一個(gè)祖先基基因組中有一些來源相同，即通過某一個(gè)祖先基因的復(fù)制和變異而傳遞下來的、結(jié)構(gòu)相似、功能因的復(fù)制和變異而傳遞下來的、結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的基因，這樣一組基因稱為一個(gè)基因家族。相關(guān)的基因，這樣一組基因稱為一個(gè)基因家族?；蚣易逯械母鱾€(gè)成員可以聚集成簇，也可以分基因家族中的各個(gè)成

36、員可以聚集成簇，也可以分散在不同染色體上，或者兩種情況兼而有之。散在不同染色體上，或者兩種情況兼而有之。 1.4.3 1.4.3 外顯子與內(nèi)含子外顯子與內(nèi)含子自從自從1977年年Berger、Broker和和Sharp等人發(fā)現(xiàn)某等人發(fā)現(xiàn)某些基因編碼序列是不連續(xù)的，故稱不連續(xù)基因（些基因編碼序列是不連續(xù)的，故稱不連續(xù)基因（discontinuous genes），或稱為斷裂基因（），或稱為斷裂基因（interrupted genes），即在一個(gè)基因內(nèi)被不編碼），即在一個(gè)基因內(nèi)被不編碼蛋白質(zhì)的蛋白質(zhì)的DNA序列分割成幾個(gè)不連續(xù)的部分。將序列分割成幾個(gè)不連續(xù)的部分。將編碼蛋白質(zhì)的序列稱為外顯子（編碼

37、蛋白質(zhì)的序列稱為外顯子（exon），非編碼），非編碼序列稱為內(nèi)含子（序列稱為內(nèi)含子（intron）。現(xiàn)已知絕大多數(shù)真）?，F(xiàn)已知絕大多數(shù)真核生物基因都是斷裂基因，而原核生物的基因結(jié)核生物基因都是斷裂基因，而原核生物的基因結(jié)構(gòu)大多數(shù)是連續(xù)的，只有少數(shù)細(xì)菌基因中發(fā)現(xiàn)有構(gòu)大多數(shù)是連續(xù)的，只有少數(shù)細(xì)菌基因中發(fā)現(xiàn)有內(nèi)含子序列內(nèi)含子序列 “ 跳躍基因跳躍基因”和和“斷裂基因斷裂基因”McClintock B玉米轉(zhuǎn)座子；絕大多數(shù)真核生物基因玉米轉(zhuǎn)座子；絕大多數(shù)真核生物基因是不連續(xù)的是不連續(xù)的-斷裂基因；斷裂基因；1978年在噬菌體中發(fā)現(xiàn)重疊年在噬菌體中發(fā)現(xiàn)重疊基因，一個(gè)基基因，一個(gè)基 因序列可以被包含在另一個(gè)

38、基因中，因序列可以被包含在另一個(gè)基因中，兩個(gè)基因序列可能部分重疊兩個(gè)基因序列可能部分重疊1. 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因 (Structural genes)與調(diào)節(jié)基因與調(diào)節(jié)基因(regulatory genes)：這類基因不僅可以轉(zhuǎn)錄為：這類基因不僅可以轉(zhuǎn)錄為mRNA，而且可以翻，而且可以翻譯成多肽鏈，從而構(gòu)成各種結(jié)構(gòu)蛋白或催化各種生化反譯成多肽鏈，從而構(gòu)成各種結(jié)構(gòu)蛋白或催化各種生化反應(yīng)的酶。調(diào)節(jié)基因的作用是調(diào)控其它基因的活性，調(diào)節(jié)應(yīng)的酶。調(diào)節(jié)基因的作用是調(diào)控其它基因的活性，調(diào)節(jié)基因可以轉(zhuǎn)錄成基因可以轉(zhuǎn)錄成 mRNA，然后再翻譯成阻遏蛋白或激活，然后再翻譯成阻遏蛋白或激活蛋白蛋白2. 核糖體核糖體RN

39、A基因：只轉(zhuǎn)錄成相應(yīng)的基因：只轉(zhuǎn)錄成相應(yīng)的RNA，不翻譯成多肽，不翻譯成多肽鏈。鏈。rDNA專門轉(zhuǎn)錄核糖體專門轉(zhuǎn)錄核糖體RNA (rRNA)，rRNA與相應(yīng)與相應(yīng)的蛋白質(zhì)結(jié)合形成核糖體，為的蛋白質(zhì)結(jié)合形成核糖體，為mRNA翻譯成多肽鏈提供翻譯成多肽鏈提供場(chǎng)所；場(chǎng)所；tDNA專門轉(zhuǎn)錄成轉(zhuǎn)移專門轉(zhuǎn)錄成轉(zhuǎn)移RNA (tRNA)，tRNA的作用的作用是激活和轉(zhuǎn)移氨基酸是激活和轉(zhuǎn)移氨基酸3. 啟動(dòng)子與操縱子：前者是轉(zhuǎn)錄時(shí)啟動(dòng)子與操縱子：前者是轉(zhuǎn)錄時(shí)RNA聚合酶啟始與聚合酶啟始與DNA結(jié)合的部位，后者是調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物阻遏蛋白或激活蛋結(jié)合的部位，后者是調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物阻遏蛋白或激活蛋白與白與DNA結(jié)合的部位。結(jié)合的部位。基因的類別及其相互關(guān)系基因的類別及其相互關(guān)系外顯子與內(nèi)含子外顯子與內(nèi)含子1977年由法國(guó)的年由法國(guó)的Chambon等和美國(guó)的等和美國(guó)的Berget等首次報(bào)等首次報(bào)道了基因內(nèi)部有間隔序列，就是一個(gè)基因往往由幾個(gè)道了基因內(nèi)部有間隔序列，就是一個(gè)基因往往由幾個(gè)互不相鄰的段落組成，內(nèi)部則被長(zhǎng)短不一的核苷酸對(duì)互不相鄰的段落組成，內(nèi)部則被長(zhǎng)短不一的核苷酸對(duì)的間隔序列所隔開。由的間隔序列所隔開。由DNA序列中被轉(zhuǎn)錄成為序列中被轉(zhuǎn)錄成為mRNA片段的序