醫(yī)學(xué)遺傳學(xué) 王培林傅松濱主編 第二章基因與染色體 教案

第二章

基因和染色體（geneandchromosome)第一節(jié)基因的結(jié)構(gòu)與功能

一、DNA的分子結(jié)構(gòu)二、DNA存在的形式

基因組

細胞或生物體的全套遺傳物質(zhì)，由每個染色體組的DNA組成，人體體細胞有兩個染色體組，DNA全長3.2×109bp。高度重復(fù)順序

特點：由很短的堿基序列組成，長度2-200bp，重復(fù)次數(shù)106-108。一般占DNA堿基對的10%-30%。由一些短的DNA序列呈串聯(lián)重復(fù)排列。衛(wèi)星DNA

DNA在CsCl密度梯度離心中，由于GC的含量少于AT，當重復(fù)序列的GC與AT的比率有差異時，可在DNA主峰旁形成衛(wèi)星DNA。衛(wèi)星DNA構(gòu)成著絲粒，端粒和Y染色體長臂上的異染色質(zhì)區(qū)。稱為衛(wèi)星DNA。

反向重復(fù)順序

是兩個順序相同的互補拷貝在同一條DNA鏈上反向排列而成的，形成鏈內(nèi)堿基配對，形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)。

中度重復(fù)順序

特點：在長度和拷貝數(shù)目上有很大差別。有些中度重復(fù)序列DNA具有編碼功能，如編碼rRNA和tRNA以及組蛋白的基因,大多數(shù)無編碼功能，主要是一些分散重復(fù)DNA序列。

分兩類短分散元件（SINE）

長度300-500bp，散在分布在基因組中，拷貝數(shù)目可達到105以上。如Alu家族,人基因組中大量分散存在,約有50萬-70萬份拷貝，相當于平均4kb就有一個Alu序列。2.長分散元件（LINE）

長度5000-7000bp，重復(fù)次數(shù)為102-104。如KpnI家族。

單一序列單一序列是單拷貝或很少幾次的序列，一般800-1000bp組成。其中有部分是構(gòu)成編碼細胞中的蛋白質(zhì)的基因（結(jié)構(gòu)基因）。

三、基因及其結(jié)構(gòu)原核生物：DNA分子的一個片段，連續(xù)編碼。真核生物：（斷裂基因splitgene）大多真核生物的基因包括編碼序列和非編碼序列兩部分，編碼序列DNA分子中是不連續(xù)的被非編碼序列隔開，形成鑲嵌排列的斷裂形式。外顯子(exon):編碼序列

例如：人類血紅蛋白β珠蛋白3個；基因全長1700bp,編碼146個氨基酸。DMD基因有75個基因，全長300kb，編碼3685個氨基酸。內(nèi)含子(intron)：兩個外顯子之間無編碼作用的DNA序列。

例如：人類血紅蛋白β珠蛋白有2個；MDM基因有74個。（外顯子和內(nèi)含子在不同的基因中互變）外顯子-內(nèi)含子接頭在每個外顯子和內(nèi)含子之間的接頭區(qū)高度保守的一致序列；每個內(nèi)含子的5‘端為GT；3’端為AG。以上接頭也稱GT-AG法則。有義鏈(編碼鏈)一個結(jié)構(gòu)基因的5'-3'鏈；反義鏈(反編碼鏈)一個結(jié)構(gòu)基因的3'-5'鏈，與5'-3'鏈互補，指導(dǎo)mRNA轉(zhuǎn)錄。側(cè)翼序列每個基因的第一個外顯子和最后一個外顯子外側(cè)的不編碼的DNA序列。啟動子：位于基因轉(zhuǎn)錄起始點上游100bp內(nèi)的與RNA聚合酶結(jié)合，啟動轉(zhuǎn)錄。TATA框：位于轉(zhuǎn)錄起始點上游-19～27bp處；序列為TATAA/TAA/T；與TFⅡ結(jié)合準確辨認轉(zhuǎn)錄起始點。CAAT框：位于轉(zhuǎn)錄起始點上游-70～80bp處；序列為GGC/TCAATCA；與CTF結(jié)合，促進轉(zhuǎn)錄。GC框：兩個拷貝，分別位于CAAT框的兩側(cè)；序列為GGCGGG；與轉(zhuǎn)錄因子SP1結(jié)合，增強轉(zhuǎn)錄。增強子：

位于啟動子的上游或下游3kb以上，增強轉(zhuǎn)錄，作用方向3'-5'或5'-3'。例如：人類珠蛋白基因的增強子由72bp串聯(lián)重復(fù)組成，位于轉(zhuǎn)錄起始點上游-1400bp處或下游3300bp處，增強轉(zhuǎn)錄200倍。多聚腺苷酸化附加信號：

位于3’端非編碼區(qū)下游的一段DNA序列。斷裂基因結(jié)構(gòu)模式圖四、多基因家族和假基因

多基因家族由某一祖先基因經(jīng)過重復(fù)、突變所產(chǎn)生的一組基因。它們在基因組中的拷貝只有微小的差別，并行使相關(guān)的功能。所以是一組來源相同、結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的基因。有兩種存在形式：一類是一個基因的多次拷貝成簇排列在同一條染色體上，形成一個基因簇。另一類是一個多基因家族中的不同成員成簇分布于幾條不同的染色體上，這些成員的序列雖然有些不同，但是編碼一組關(guān)系密切的蛋白質(zhì)。如超基因家族。假基因

在多基因家族中，某些成員不產(chǎn)生有功能的基因產(chǎn)物，這類基因成為假基因。假基因的核苷酸順序與相應(yīng)的活性基因極為相似，但不能表達，不具有正常功能。它們與有功能的基因有同源性，起初可能是有功能的基因，以后由于發(fā)生突變，失去了活性，變成了無功能的基因。第二節(jié)基因的復(fù)制與表達一、基因的復(fù)制原核生物一個起始點，向兩個方向復(fù)制，呈θ形兩個復(fù)制叉匯于一點，復(fù)制成兩個DNA分子。真核生物多個起始點，向兩個方向復(fù)制。二、基因的表達（geneexpression）

基因表達是DNA分子中所存在的遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄和翻譯形成具有生物活性蛋白質(zhì)或通過轉(zhuǎn)錄形成RNA發(fā)揮功能作用的過程。原核生物：轉(zhuǎn)錄和翻譯同步進行。真核生物：轉(zhuǎn)錄在核中進行；翻譯在細胞質(zhì)中進行。1.轉(zhuǎn)錄(transcription)：

按照生物基因的堿基序列合成RNA的過程。在細胞核中，以DNA的反編碼鏈為模板，從轉(zhuǎn)錄起始點開始，以堿基互補的形式，合成RNA，即hnRNA:包括外顯子、內(nèi)含子和部分側(cè)翼序列。過程：hnRNA剪接戴帽加尾mRNA剪接：

在酶的作用下，按GT-AG法則，將hnRNA的內(nèi)含子切掉，把各個外顯子按照一定的順序準確地拼節(jié)起來形成可以編碼的mRNA的過程。戴帽：在第一個外顯子的第一個核苷酸（G）上以5’-5’連接的方式連接上一個G，并在其7位上甲基化，形成m7G.在第一、二個G上的2'位氧甲基化。加尾：

mRNA在5’端戴帽的同時，3'端在腺苷酸聚合酶的作用下加接100～200個腺苷酸，形成多聚腺苷酸（polyA）的過程。剪接供體部位

剪接受體部位

分支部位剪接信號剪接體：識別剪接信號的RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體。翻譯(translation)

mRNA把轉(zhuǎn)錄的遺傳信息“解讀”成為多肽鏈的不同氨基酸和氨基酸排列順序的過程。實質(zhì)是以mRNA為模板合成蛋白質(zhì)多肽鏈的過程。蛋白質(zhì)合成的過程起始：16SrRNA3’端與AUG上游堿基互補，AUG與tRNA的反密碼子結(jié)合，占據(jù)P位。延伸：進位：氨酰tRNA進入A位。轉(zhuǎn)肽：肽鍵形成。移位：沿5’-3’移動一個密碼子位置。終止：A位出現(xiàn)UAA、UGA、UAG時，合成停止。通用遺傳密碼及相應(yīng)氨基酸第三節(jié)染色質(zhì)與染色體一、染色體的形成與染色質(zhì)螺旋化染色體構(gòu)建的四級結(jié)構(gòu)模型

一級結(jié)構(gòu)：由DNA與組蛋白包裝成核小體，在組蛋白H1的介導(dǎo)下，核小體彼此連接形成直徑10nm的核小體串珠結(jié)構(gòu)，這就是染色體構(gòu)建的一級結(jié)構(gòu)。

一級結(jié)構(gòu)----核小體二級結(jié)構(gòu)----螺旋管三級結(jié)構(gòu)----超螺旋管

四級結(jié)構(gòu)----染色單體

二、常染色質(zhì)和異染色質(zhì)常染色質(zhì)異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)螺旋化程度低，結(jié)構(gòu)松散，直徑10nm螺旋化程度高，結(jié)構(gòu)緊密，直徑20-30nm染色淺深分布常位于核中央核膜邊緣功能復(fù)制和轉(zhuǎn)錄活躍轉(zhuǎn)錄不活躍三、性染色質(zhì)X染色質(zhì)：1949年Barr發(fā)現(xiàn)

Lyon假說：女性的兩條X染色體在胚胎發(fā)育中，一條隨機失活，在細胞學(xué)圖像上顯示出X染色質(zhì)。X染色體失活可在XAXa攜帶者中表現(xiàn)出部分癥狀。雌性動物細胞中一條X染色體有活性，另一條失活;X染色質(zhì)隨即來自父母之一;失活發(fā)生于胚胎早期。Y染色質(zhì)第四節(jié)細胞增值(cellproliferation)細胞通過生長和分裂使細胞數(shù)目增加，使子細胞獲得和母細胞相同遺傳特性的過程,是細胞生命活動的重要體現(xiàn)。細胞增殖的方式一、無絲分裂：（最早發(fā)現(xiàn))直接分裂過程：1、染色體復(fù)制；2、染色體移位；3、細胞形成。特點：遺傳物質(zhì)分配不均二、有絲分裂1882.Flemming發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)有絲分裂器.確保遺傳的連續(xù)性和穩(wěn)定性。三、減數(shù)分裂1883.VanBeneden發(fā)現(xiàn)特殊的分裂分裂兩次染色體復(fù)制一次分成四個細胞染色體數(shù)目減半細胞增殖周期一、細胞周期(cellcycle)：

指細胞從一次分裂結(jié)束開始生長到下一次分裂終了所經(jīng)歷的過程。所需時間，則稱細胞周期時間。間期：G1期（DNA合成前期，調(diào)節(jié)時間的關(guān)鍵）S期（DNA合成期）G2期（DNA合成后期）M期：有絲分裂期：前期、中期、后期、末期。細胞周期時間：Tc=TG1+TS+TG2+TM細胞周期各時期的特點G1期：（2C）大量合成RNA、蛋白質(zhì)初期：合成三種RNA，cAMP,cGMP;氨基酸和糖的轉(zhuǎn)運加速。后期：合成DNA復(fù)制所需酶系，如DNA聚合酶等。組蛋白和非組蛋白，H1組蛋白的磷酸化。

發(fā)展的三種細胞：1）繼續(xù)增殖細胞如：胚胎細胞，骨髓干細胞，生殖上皮細胞等。2）暫不增殖細胞如：肝、腎、胰實質(zhì)細胞。3）永不增殖細胞如：紅細胞，神經(jīng)細胞，肌細胞等2.S期：（2C--4C）

大量合成DNA，組蛋白及非組蛋白；DNA合成所需要的酶。3.G2期：（4C）

合成M期相關(guān)的蛋白質(zhì)。如：有絲分裂促進因子（MPF），微管蛋白中心粒開始分離。4.有絲分裂(mitosis)（1）前期染色質(zhì)凝集：染色質(zhì)---染色絲---染色體。確定分裂極：中心粒移向兩極，組織紡錘絲和星體；S期已復(fù)制的兩對中心粒周圍出現(xiàn)星體微管，極間微管增長，向兩極移動。核仁解體：核膜破裂。（2）中期有絲分裂器：染色體、星體、中心粒、紡錘體。極微管；染色體微管；區(qū)間微管；星體微管。（3）后期:染色體分離，移向兩極。（4）末期:子細胞核膜、核仁出現(xiàn)，胞質(zhì)分裂。組蛋白去磷酸化，染色質(zhì)變成染色體。中體出現(xiàn)：兩子細胞間的微管及囊泡組成。收縮環(huán)出現(xiàn)：中部質(zhì)膜下方，肌動蛋白、肌球蛋白的大量聚集而成。分裂溝出現(xiàn)：ATP提供能量；與紡錘體垂直。核分裂和胞質(zhì)分裂第五節(jié)

生殖細胞的發(fā)生與減數(shù)分裂一、生殖細胞的發(fā)生1.精子的發(fā)生增殖期青春期曲精細管上皮精原細胞（2n)恢復(fù)有絲分裂生長期精原細胞增大分化成初級精母細胞（2n)成熟期初級精母細胞第一次減數(shù)分裂2次級精母細胞（n）2次級精母細胞第二次減數(shù)分裂4精細胞（n）變形期精細胞成熟精子2.卵子的發(fā)生增殖期

胚胎發(fā)育早期卵巢中生發(fā)上皮卵原細胞（2n)進行有絲分裂生長期

胚胎發(fā)育6個月卵原細胞增大成初級卵母細胞（2n)成熟期初級卵母細胞第一次減數(shù)分裂1次級卵母細胞（n）400個停于雙線期，性成熟后，排卵+1第一極體（n）1次級卵母細胞第二次減數(shù)分裂1卵細胞（n）停于中期Ⅱ+1第二極體（n）1第一極體受精后第二次減數(shù)分裂2第二極體（n）3.受精作用(fertilization)

二、減數(shù)分裂減數(shù)分裂前間期（一）第一次減數(shù)分裂

1.前期Ⅰ：（1）細線期:染色質(zhì)---染色粒（2）偶線期:二價體、四分體出現(xiàn)，Z-DNA合成。

聯(lián)會復(fù)合體(SC)：側(cè)生組分-中央成分（含重組節(jié)）-側(cè)生成分（3）粗線期:重組節(jié)形成，交叉出現(xiàn)，交換、重組、P-DNA合成。（4）雙線期:同源染色體分離,交叉端移。（5）終變期:

meosis2.中期Ⅰ：同源