現(xiàn)代分子生物學(xué)第三章

現(xiàn)代分子生物學(xué)第三章第1頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)基因第2頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一一、基因概念的發(fā)展（一）經(jīng)典遺傳學(xué)1、1865,Mendel:

控制性狀的因子---遺傳因子2、1909,Johannsen

提出基因（gene）的概念，取代遺傳因子3、1910,1916,Morgan：

將基因定位在染色體上第3頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一1、In1941,

BeadleandTatum

一基因一酶學(xué)說闡明了基因是通過對酶的控制來決定性狀的一基因一蛋白一基因一多肽鏈2、In1944，Avery

DNA是生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)（二）分子遺傳學(xué)對基因概念的新發(fā)展第4頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一第5頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一3、In1961,JacobandMonod

乳糖操縱子模型（1）結(jié)構(gòu)基因（structuralgene）

指可編碼非調(diào)控RNA或蛋白質(zhì)的一段DNA序列血紅蛋白編碼核糖體RNA基因第6頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一(2)調(diào)節(jié)基因(regulatory

gene)

指其表達(dá)產(chǎn)物參與調(diào)控其它基因表達(dá)的基因。

lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacImRNA第7頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一第8頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一小結(jié)基因可控制生物的性狀基因位于染色體上基因的物質(zhì)基礎(chǔ)是DNA（或RNA）基因是通過指導(dǎo)合成蛋白質(zhì)或RNA來決定性狀的基因有結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因之分第9頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一（三）基因概念的進(jìn)一步發(fā)展1、重疊基因(Overlappinggenes)

指在同一段DNA序列上，由于閱讀框架不同或終止早晚不同，可同時編碼兩個以上多肽。

Sanger（1977）年發(fā)現(xiàn)了ΦΧ174單鏈DNA病毒中有6個基因是重疊的。第10頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一Overlappinggenesinphage?X174采蓮人在綠楊津，在綠楊津一闕新；一闕新歌聲漱玉，歌聲漱玉采蓮人。采蓮人在綠楊津一闕新歌聲漱玉第11頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一第12頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一2、斷裂基因（SplitGenes）指基因內(nèi)部被一個或更多不編碼順序所隔裂第13頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一（1）內(nèi)含子(intron)：

DNA序列中不出現(xiàn)在成熟mRNA的片段；（2）外顯子(extron)：

DNA序列中出現(xiàn)在成熟mRNA中的片段。第14頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一DiscoveryIn1977,RobertsandSharp第15頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一第16頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一3、跳躍基因：JumpingGenes

(Transposons)

存在于染色體DNA上可自主轉(zhuǎn)移座位的基本單位，可在同一染色體內(nèi)或不同染色體之間移動Transposonsinmaize第17頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一40年代初，McClintock研究玉米花斑糊粉層和植株色素產(chǎn)生的遺傳基礎(chǔ)時發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)座因子第18頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一第19頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一4、管家基因(組成型基因)

Housekeepinggenes

：

是那些(理論上)在所有細(xì)胞中都表達(dá)的基因，因?yàn)?/p>

其功能對任何細(xì)胞型都是必要的。（維持細(xì)胞生存不可缺少）

5、奢侈基因（Luxurygenes）：

在特殊的細(xì)胞類型中大量表達(dá)并編碼特殊功能

產(chǎn)物的基因。（與細(xì)胞分化有關(guān)，與組織特異性表達(dá)有關(guān)）第20頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一二、基因的定義產(chǎn)生一條多肽鏈或功能性RNA所必須的全部核苷酸序列第21頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一1、RNA基因（RNAgenes）編碼功能性的RNA分子

RNA產(chǎn)物有很多參與基因表達(dá)的調(diào)控，如MicroRNA第22頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一2、蛋白質(zhì)編碼基因（protein-codinggenes）（1）編碼區(qū)（codingregion）指在翻譯時對應(yīng)于多肽的氨基酸序列的一段核苷酸序列（2）非編碼區(qū)（Untranslatedregions，UTR)

能夠轉(zhuǎn)錄但不被翻譯的核苷酸序列

功能：蛋白質(zhì)合成的調(diào)控

5’-UTR；3’-UTRATG5’TAA3’第23頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一3、順反子：等同于基因，是編碼一條完整多肽鏈的一段核苷酸序列。多順反子：原核生物中數(shù)個結(jié)構(gòu)基因常串聯(lián)在一起，受同一調(diào)節(jié)區(qū)控制，轉(zhuǎn)錄生成的mRNA可編碼幾種功能相關(guān)的蛋白質(zhì)。lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacIUAAAUGAUGUAA…...5’3’第24頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一單順反子：一個編碼基因轉(zhuǎn)錄只生成一個mRNA分子，經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈。UAAA……AAAAUG5’3’第25頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)遺傳信息的傳遞第26頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一一、中心法則（Thecentraldogma）In1958,Crick1.DNA是自身復(fù)制的模板；2.DNA通過轉(zhuǎn)錄作用將遺傳信息傳遞給中間物質(zhì)RNA；3.RNA通過翻譯作用將遺傳信息表達(dá)成蛋白質(zhì)。中心法則揭示了遺傳信息的傳遞方向，反映了DNA、RNA和蛋白質(zhì)之間的相互關(guān)系。DNARNAProteinTranscription

Translationreplication第27頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一二、中心法則的挑戰(zhàn)1、反轉(zhuǎn)錄（Reversetranscription）

In1970,BaltimoreandTemin

發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶

（reversetranscriptase）第28頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一第29頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一2、RNA復(fù)制3、RNA編輯（RNAediting）是指轉(zhuǎn)錄后的RNA在編碼區(qū)發(fā)生堿基的加入，丟失或轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象第30頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一4、表觀遺傳（EpigeneticInheritance）

是指在DNA序列沒有發(fā)生變化的情況下，基因表達(dá)的可遺傳的改變ThecalicophenotypeshowseffectsofmosaicismofX-linkedtraitsinfemalemammals–anepigeneticphenomenon.第31頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一（1）表觀遺傳修飾（Epigeneticmodification）DNA甲基化;組蛋白修飾;microRNA（2）表觀遺傳學(xué)補(bǔ)充了“中心法則”忽略的兩個問題：

a、哪些因素決定了基因的正常轉(zhuǎn)錄和翻譯

b、對基因組而言，不僅僅是序列包含遺傳信息，而且其修飾也可以記載遺傳信息。第32頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一5、朊病毒（Prion）

瘋牛病,學(xué)名為牛海綿狀腦病(BSE)

人和動物的可轉(zhuǎn)移性神經(jīng)退化疾病

In1982,Prusiner,discoveringprion

PrPC→

PrPSc第33頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一第34頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一三、修改后的中心法則proteinDNARNAreplicationtranscriptionReversetranscription

RNAeditingRNAreplication

translation第35頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)基因組（Genome）一、概述：1、概念：

是指細(xì)胞或生物體單倍體染色體上的所有遺傳物質(zhì)的總稱（包括所有的遺傳信息）（1）細(xì)菌和病毒基因組：是指染色體上所含的全部DNA（2）二倍體及多倍體真核生物的基因組：

一個物種單倍體所有染色體上的遺傳物質(zhì)的總稱。

如人類基因組：包括24條染色體第36頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一2、基因組大?。℅enomesize）

haploidgenome C值（C-value）：sizeofthehaploidgenome

一種生物單倍體基因組DNA的總量討論：C值大小與生物遺傳復(fù)雜性是否成正相關(guān)？第37頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一C值在低等真核生物中與遺傳復(fù)雜性有一定的正相關(guān)，但在高等真核生物中卻并非如此，它們的C值變化不定。第38頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一Insects 4.7107~1.2107

Amphibians 9.5108~1.01011

Floweringplants 9.5107~1.21011

C值矛盾（C-valueparadox）

生物基因組的大小同生物在進(jìn)化上所處地位的高低無關(guān)

第39頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一3.基因密度是指每Mb基因組DNA上基因的平均數(shù)目。生物體的復(fù)雜度與基因密度存在大致負(fù)相關(guān)的關(guān)系。Why？第40頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一二、真核生物基因組（一）非編碼DNA

不編碼蛋白質(zhì)的DNA序列（沒有確定功能）如人類：30億對核苷酸，預(yù)計10萬個基因，實(shí)際為2~2.5萬蛋白編碼基因（占整個基因組的2%）內(nèi)含子基因間隔序列（功能未知）第41頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一1、內(nèi)含子物種基因平均長度平均內(nèi)含子個數(shù)/基因mRNA平均長度線蟲4kb3~43kb果蠅11kb3~43kb人類16kb6~72.5kb第42頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一內(nèi)含子的普遍性不僅大多數(shù)蛋白質(zhì)編碼的基因有內(nèi)含子,rRNA,tRNA基因也有內(nèi)含子。大腸桿菌噬菌體T4胸腺嘧啶合成酶基因有內(nèi)含子。某些低等真核生物的線粒體和葉綠體基因中有內(nèi)含子。第43頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一內(nèi)含子的相對性內(nèi)含子有時也編碼蛋白并非真核生物所有的基因都有內(nèi)含子真核生物組蛋白基因,酵母的大多數(shù)基因無內(nèi)含子第44頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一具有編碼功能的內(nèi)含子：如可移動內(nèi)含子編碼3種蛋白質(zhì)：（1）內(nèi)切核酸酶：能切割DNA上的靶序列并且允許內(nèi)含子插入（2）反轉(zhuǎn)錄酶：以自身RNA為模板產(chǎn)生DNA拷貝（3）成熟酶：在將特定內(nèi)含子從前體mRNA中剪除時起作用

內(nèi)含子的移動類似轉(zhuǎn)座機(jī)制第45頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一內(nèi)含子的類型（1）GU-AG內(nèi)含子：真核細(xì)胞核mRNA前體中（2）AU-AC內(nèi)含子：真核細(xì)胞核mRNA前體中（3）Ⅰ型內(nèi)含子：主要在真核細(xì)胞核rRNA前體中自我剪接（4）Ⅱ型內(nèi)含子：細(xì)胞器RNA、某些原核生物RNA

自我剪接第46頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一內(nèi)含子與進(jìn)化（1）特點(diǎn)：外顯子的保守程度遠(yuǎn)高于內(nèi)含子，內(nèi)含子的序列是多變的（2）合理解釋：內(nèi)含子序列最終不出現(xiàn)在mRNA的序列中，即使發(fā)生改變也不會受到自然選擇的壓力（3）在進(jìn)化上的意義

a、有利于生物遺傳的相對穩(wěn)定

b、積累突變的內(nèi)含子可能演化為新的基因

c、擴(kuò)大了生物體的遺傳信息儲量第47頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一2、基因間隔序列（功能未知）

----主要由重復(fù)序列組成串聯(lián)重復(fù)序列：如衛(wèi)星DNA

分散重復(fù)序列：如Alu元件第48頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一（二）重復(fù)序列DNA

單一序列/中度重復(fù)序列/高度重復(fù)序列附:復(fù)性動力學(xué):

根據(jù)序列的拷貝數(shù)不同在基因組DNA復(fù)性過程中的復(fù)性速率不同的原理，來識別不同種類的重復(fù)序列DNA的一種技術(shù)。思考:復(fù)性速度與基因組重復(fù)序列拷貝數(shù)的有什么關(guān)系?第49頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一人類和E.coliDNA的理想復(fù)性動力學(xué)曲線第50頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一(一)單一序列（uniquesequenceDNA）基因組中只有一個或幾個拷貝的DNA序列（真核生物結(jié)構(gòu)基因多屬于單一序列）

第51頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一(二)中度重復(fù)序列（moderatelyrepetitiveDNA）

基因組中重復(fù)次數(shù)在10~105之間的DNA序列如rRNA、tRNA的基因，組蛋白基因

1、串聯(lián)重復(fù)序列（Tandemrepeatsequences）基因簇：基因家族中一組相同或相關(guān)基因串聯(lián)排列在一起如：rDNA---基因簇重復(fù)多次組蛋白基因（5genes）---基因簇重復(fù)多次第52頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一第53頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一第54頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一2、散在重復(fù)序列（dispersedrepetitiveDNA）分散分布在基因組中的中等重復(fù)序列（1）短散在元件

SINE：Alu

元件（~300bp）（2）長散在元件

LINE：L1

元件（6500bp）

Alu

元件和L1

元件占人類基因組的10%

功能：沒有被證明有功能第55頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一（三）高度重復(fù)序列（highlyrepetitiveDNA）基因組中重復(fù)次數(shù)超過106

的DNA序列衛(wèi)星DNA（SatelliteDNA）

1、概念：真核生物基因組中由許多短的基本重復(fù)單位構(gòu)成的連續(xù)重復(fù)的一種高度重復(fù)序列。短重復(fù)單位：2bp至20~30bp5’–ATAAACTATAAACTATAAACT–3’3’–TATTTGATATTTGATATTTGA–5’果蠅的衛(wèi)星DNA重復(fù)單位第56頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一n密度梯度離心，衛(wèi)星DNA與其他DNA分開。形成兩個峰：較大的主峰和高度重復(fù)序列小峰BuoyantdensityOpticalabsorbanceMouseDNA/CsClMainbandsatellite2、特點(diǎn)：GC含量低，因而具有較低的浮力密度第57頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一3、位置：衛(wèi)星DNA位于著絲粒部位是異染色質(zhì)的組成成分4、功能：沒有被證明有功能第58頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一5、微衛(wèi)星DNA(microsatelliteDNA)

簡短串聯(lián)重復(fù)---STR

特點(diǎn)：（1）重復(fù)單位長度在2～6bp之間（2）較為平均地沿染色體分布

第59頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一6、小衛(wèi)星DNA(minisatelliteDNA)

可變串聯(lián)重復(fù)---VNTR

特點(diǎn)：（1）拷貝數(shù)具有高度可變性

（2）重復(fù)單位長度在15～65bp之間（3）一般出現(xiàn)在染色體的末端第60頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一DNAfingerprintingGGGCAGGAXGCCCGTCCTXCProgenyParents56789第61頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一（三）基因家族一個祖先基因經(jīng)重復(fù)或突變所產(chǎn)生的功能相關(guān)的同源基因假基因：基因家族中因突變而失去功能的基因基因簇：基因家族中一組相同或相關(guān)基因串聯(lián)排列在一起而形成如rRNA、tRNA和組蛋白的基因；孤獨(dú)基因：基因家族中在獨(dú)立位點(diǎn)上的單個基因第62頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一典型的基因家族

1．tRNA基因

單倍體人基因組中1300個tRNA基因，tRNA

基因簇．

2．rRNA基因

>l00copy．

rRNA基因簇(重復(fù)單元:28S、18S、5.8s-rRNA)

第63頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一3．組蛋白基因

30-40copy．組蛋白基因簇(重復(fù)單位：H1，H2A，H2B，H3、H4)

特點(diǎn)：無intron，Poly(A)-RNA．

4．珠蛋白基因第64頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一（四）DNA的多態(tài)性

DNA序列發(fā)生變化而導(dǎo)致的個體間核苷酸序列的差異1、RFLP（限制性片段長度多態(tài)性）

DNA序列上的微小變化，甚至1個核苷酸的變化，也能引起限制性內(nèi)切酶切點(diǎn)的丟失或產(chǎn)生，導(dǎo)致酶切片段長度的變化第65頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一2、DNA重復(fù)序列多態(tài)性（RSP）

表現(xiàn)為重復(fù)序列拷貝數(shù)的變異（1）小衛(wèi)星DNA：（可變串聯(lián)重復(fù)---VNTR）重復(fù)單位長度在15-65個核苷酸左右（2）微衛(wèi)星DNA：重復(fù)單位長度在2-6個核苷酸之間，又稱為簡短串聯(lián)重復(fù)（STR、STRP或SSLP）。第66頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一3、單核苷酸的多態(tài)性（SNP）：分散于基因組中的單個堿基的差異，即包括單個堿基的缺失、插入和替換。第67頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一三、原核生物的基因組特點(diǎn)：1、功能相關(guān)的幾個結(jié)構(gòu)基因往往串聯(lián)在—起，受它們上游的共同調(diào)控區(qū)控制，形成操縱子2、結(jié)構(gòu)基因?yàn)槎囗樂醋?、結(jié)構(gòu)基因中沒有內(nèi)含子4、DNA大部分為編碼序列5、重復(fù)序列不多（單拷貝基因）6、有重疊基因第68頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一四、病毒基因組的特點(diǎn)

1．每種病毒只有一種核酸，DNA或RNA；

2．病毒核酸大小差別很大；

3．除逆轉(zhuǎn)錄病毒外，病毒基因都是單拷貝的。

4．