第01章-基因課件

第01章基因第一節(jié)基因的基本概念及基因的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)第二節(jié)結(jié)構(gòu)基因中貯存的遺傳信息第三節(jié)基因結(jié)構(gòu)變異及其與疾病的關(guān)系2024/1/62第一節(jié)基因的基本概念及基因的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一、基因的研究簡史二、基因的現(xiàn)代分子生物學(xué)概念三、核酸是遺傳信息的載體四、基因的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2024/1/63一、基因的研究簡史

●1909年W.Johannsen首先使用基因（gene）一詞●1926年Morgan發(fā)表了“基因論”●20世紀(jì)40年代Bendle和Tatum提出了“一個基因，一個酶”的學(xué)說

●20世紀(jì)50年代Benzer提出了“順反子”概念●20世紀(jì)60年代遺傳密碼的破譯使人們對基因表達(dá)的機(jī)理有了更多的了解

●20世紀(jì)90年代形成了基因的現(xiàn)代概念2024/1/64基因決定遺傳性狀的表達(dá)，基因存在于染色體及線粒體DNA上，呈直線排列，并世代相傳，基因的顆粒性主要表現(xiàn)在世代相傳的行為和功能表達(dá)上具有相對的獨(dú)立性基因的現(xiàn)代生物學(xué)概念二、基因的概念2024/1/65

基因是核酸分子中貯存遺傳信息的遺傳單位，是RNA和蛋白質(zhì)相關(guān)遺傳信息的基本存在形式，是指貯存RNA序列信息和有功能的蛋白質(zhì)多肽鏈序列信息、以及表達(dá)這些信息所必需的全部核苷酸序列。大部分生物中構(gòu)成基因的核酸物質(zhì)是DNA，少數(shù)生物（如RNA病毒）中是RNA?；虻默F(xiàn)代分子生物學(xué)概念ageneistheentireDNAsequencerequiredforsynthesisofafunctionalproteinorRNAmolecule2024/1/66

大腸桿菌50%病毒95%真核生物5%~10%基因在基因組中的數(shù)量2024/1/67

大約2~2.5萬個基因

↙

↘

20%編碼蛋白質(zhì)80%編碼RNA

↓90%基因?qū)儆诳醇一颍╤ousekeeping)10%基因?qū)儆诮M織細(xì)胞特異基因

（luxurygene，induciblegene)人的基因組2024/1/68●一級結(jié)構(gòu)（primarystructure）

指DNA分子中核苷酸的排列順序

●二級結(jié)構(gòu)（secondarystructure）

指兩條DNA單鏈形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)●三級結(jié)構(gòu)（tertiarystructure）

指雙鏈DNA進(jìn)一步扭曲盤旋形成的超螺旋結(jié)構(gòu)

1.DNA三、核酸是遺傳信息的載體2024/1/69DNA的一級結(jié)構(gòu)形成特點(diǎn)

●組成4種脫氧核糖核苷酸(dAMP、dGMP、dCMP、dTMP)

●連接方式

以3‘,5’-磷酸二酯鍵相連

●形態(tài)

以4種脫氧核糖核苷酸排列為特定的多核苷酸長鏈

2024/1/610DNA的結(jié)構(gòu)端端核苷酸2024/1/611DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的多樣性2024/1/612AGP5

PTPGPCPTPOH3

DNA書寫方法5

pApCpTpGpCpT-OH

3

5

ACTGCT

3

2024/1/613DNA攜帶的遺傳信息

●調(diào)控信息

特定的DNA區(qū)段,與蛋白質(zhì)分子的識別、結(jié)合、

控制基因復(fù)制和基因表達(dá)等有關(guān)●結(jié)構(gòu)信息

DNA→RNA→蛋白質(zhì)2024/1/6142.RNA

●組成4種核糖核苷酸（AMP、GMP、CMP、UMP）

●連接方式

以3‘,5’-磷酸二酯鍵相連

●形態(tài)

以4種核糖核苷酸排列為特定的多核苷酸鏈RNA的一級結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2024/1/615RNA的種類、分布、功能核蛋白體RNA信使RNA轉(zhuǎn)運(yùn)RNA核內(nèi)不均一RNA核內(nèi)小RNA胞漿小RNA細(xì)胞核和胞液線粒體功能

rRNAmRNAmtrRNAtRNAmttRNAmtRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA

核蛋白體組分蛋白質(zhì)合成模板轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸成熟mRNA的前體

參與hnRNA的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)

rRNA的加工、修飾

蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成的信號識別體的組分核仁小RNA2024/1/616(一)結(jié)構(gòu)基因●定義

在基因片段中，貯存著一個特定的轉(zhuǎn)錄RNA分子的DNA序列，這段序列決定該RNA分子的一級結(jié)構(gòu)，就稱為結(jié)構(gòu)基因

四、基因的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)●組成一個編碼特定多肽鏈的DNA序列+與蛋白質(zhì)編碼無關(guān)的DNA序列(調(diào)控序列)2024/1/6172024/1/618●

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.原核生物結(jié)構(gòu)基因的特點(diǎn)

結(jié)構(gòu)基因在DNA上是連續(xù)的2.真核生物結(jié)構(gòu)基因的特點(diǎn)

結(jié)構(gòu)基因在DNA上是不連續(xù)的（斷裂基因）有的是連續(xù)的，有的是間斷的,取決于其能夠侵染的宿主

3.病毒結(jié)構(gòu)基因的特點(diǎn)2024/1/619真核生物結(jié)構(gòu)基因2024/1/620

●外顯子（exon）指結(jié)構(gòu)基因中與成熟RNA分子中的保留序列相對應(yīng)的序列

●內(nèi)含子（intron）

指與RNA分子剪接時刪除部分相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)基因序列2024/1/621定義:與轉(zhuǎn)錄相關(guān)的、結(jié)構(gòu)基因以外的序列(二)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列

●

原核生物基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列

1.啟動子（promoter）

是RNA聚合酶特異性識別和結(jié)合的DNA序列。位于結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的上游，啟動子本身并不被轉(zhuǎn)錄2024/1/622包括三個部分:轉(zhuǎn)錄起始部位（＋1bp）、－10bp區(qū)和－35bp區(qū)。RNA聚合酶全酶中的σ因子識別并結(jié)合在－35bp區(qū)和－10bp區(qū)

2024/1/623終止子是結(jié)構(gòu)基因3′端下游的一段DNA序列，其中有GC富集區(qū)組成的反向重復(fù)序列，轉(zhuǎn)錄后在RNA分子中形成特殊的結(jié)構(gòu)以終止RNA鏈的延伸2.終止子2024/1/624

3.操縱元件（operator）操縱元件是被阻遏蛋白識別與結(jié)合的一小段DNA序列(阻遏蛋白與操縱元件結(jié)合后抑制下游結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄)2024/1/625操縱元件位于－7bp至＋28bp區(qū)2024/1/626

4.正調(diào)控蛋白結(jié)合位點(diǎn)

在弱啟動子附近有一些特殊的DNA序列，轉(zhuǎn)錄激活蛋白可以識別并結(jié)合這種DNA序列，該蛋白可與RNA聚合酶作用，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄的啟動。這種DNA序列就是正調(diào)控蛋白結(jié)合位點(diǎn)2024/1/627啟動子的上游有CAP蛋白識別位點(diǎn)，CAP被cAMP激活后，能夠結(jié)合于該識別位點(diǎn)，激活下游結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄

2024/1/628

●真核生物的轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列與轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)的DNA序列稱為順式作用元件（cis-actingelements）。包括啟動子、上游啟動子元件、增強(qiáng)子、加尾信號和一些反應(yīng)元件等2024/1/629

1.啟動子RNA聚合酶特異性識別和結(jié)合的DNA序列。多數(shù)位于結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的上游，啟動子本身不被轉(zhuǎn)錄。但有一些啟動子（如tRNA啟動子）可以位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的下游，這些DNA序列可以被轉(zhuǎn)錄2024/1/630RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄因子啟動子類型啟動子構(gòu)成含有該類啟動子的基因

ITFII核心元件，上游調(diào)控元件rRNA

IITFIIIITATA盒（TATAbox）、幾個上游啟動子元件和轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)mRNA

IIITFIIIIIIA盒和B盒,轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)SrRNAtRNA等

真核生物RNA聚合酶及其對應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子、啟動子類型2024/1/6312.上游啟動子元件

指TATA盒上游的一些特定的DNA序列

（1）與TATA盒共同組成啟動子（2）是反式作用因子（轉(zhuǎn)錄激活蛋白）識別與結(jié)合的位點(diǎn)

2024/1/632

CAAT盒：含有5‘GGNCAATCT3’核心序列－80bp～－90bp

CACA盒:含有5‘GCCACACCC3’核心序列－80bp～－90bp(大多數(shù)真核生物基因具有)

GC盒:含有5‘CCGCC3’核心序列－70bp和－120bp(組成型基因具有)●

常見的上游啟動子元件2024/1/6333.增強(qiáng)子(enhancer）

是一種較短的DNA序列，能夠被反式作用因子識別與結(jié)合。與增強(qiáng)子元件結(jié)合后能夠增強(qiáng)鄰近基因轉(zhuǎn)錄。位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游－100～－300bp處

2024/1/6344.反應(yīng)元件

一類能介導(dǎo)基因?qū)?xì)胞外的某種信號產(chǎn)生反應(yīng)的特異的DNA序列

●特點(diǎn)

具有較短的保守序列

通常位于啟動子附近、啟動子內(nèi)或增強(qiáng)子區(qū)域2024/1/6355.poly(A)信號

II類基因除了調(diào)控轉(zhuǎn)錄起始的序列外，在結(jié)構(gòu)基因的3‘端下游還有加尾信號。由AATAAA序列和GT豐富區(qū)，或T豐富區(qū)組成。

作用:終止mRNA轉(zhuǎn)錄和為其加上poly(A)尾2024/1/636(三)基因的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.原核生物基因的基本結(jié)構(gòu)

5′-啟動子－結(jié)構(gòu)基因－轉(zhuǎn)錄終止子-3′

●操縱子（operon）

功能上相關(guān)聯(lián)的數(shù)個結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起，由一套轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列控制其轉(zhuǎn)錄，構(gòu)成的基因表達(dá)單位.

2024/1/637

操縱子轉(zhuǎn)錄出的RNA為多順反子(多個結(jié)構(gòu)基因)

2024/1/638●組成

一個結(jié)構(gòu)基因+轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列●特點(diǎn)

mRNA多是單順反子（monocistron）●例外rRNA基因結(jié)構(gòu)是多順反子2.真核生物基因的基本結(jié)構(gòu)2024/1/639轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列2024/1/6403.病毒基因的基本結(jié)構(gòu)

●

特點(diǎn)

●

很小(和真核基因相比)

●

一般沒有內(nèi)含子

●

調(diào)控序列較少

●有不規(guī)則基因2024/1/641第二節(jié)結(jié)構(gòu)基因中貯存的遺傳信息一、RNA的結(jié)構(gòu)信息二、結(jié)構(gòu)基因中貯存的蛋白質(zhì)序列信息2024/1/642

●編碼區(qū)

一個特定蛋白質(zhì)多肽鏈的序列信息，也稱為開放閱讀框（openreadingframe，ORF）

功能決定蛋白質(zhì)分子的一級結(jié)構(gòu)1．mRNA（1）一般結(jié)構(gòu)2024/1/643●非編碼區(qū)

開放閱讀框的5′端上游和3′’端下游的核苷酸序列,也稱為非翻譯區(qū)（untranslatedregion,UTR）

功能

參與翻譯起始調(diào)控2024/1/644*mRNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.大多數(shù)真核mRNA的5′末端均在轉(zhuǎn)錄后加上一個7-甲基鳥苷，同時第一個核苷酸的C′2也是甲基化的，形成帽子結(jié)構(gòu)：m7GpppNm-2.大多數(shù)真核mRNA的3′末端有一個多聚腺苷酸（polyA）結(jié)構(gòu)，稱為多聚A尾。帽子結(jié)構(gòu)AAA-OH3

2024/1/645（2）功能

攜帶蛋白質(zhì)的序列信息，在翻譯過程中作為模板指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成2024/1/646原核生物與真核生物mRNA結(jié)構(gòu)的比較

順反子5′端帽子結(jié)構(gòu)3′多聚腺苷酸尾原核生物多順反子無無真核生物單順反子有有2024/1/6472.tRNA

●結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

含有很多稀有堿基或修飾堿基3′端是CCA-OH，連接激活的氨基酸含有7個堿基組成的一個反密碼環(huán)

●功能

在蛋白質(zhì)生物合成時運(yùn)輸氨基酸2024/1/648N,N二甲基鳥嘌呤N6-異戊烯腺嘌呤雙氫尿嘧啶4-巰尿嘧啶

稀有堿基

2024/1/649起始tRNA

識別翻譯起始信號，并結(jié)合到核蛋白體的肽位（P位）上。

原核細(xì)胞的起始tRNA為tRNAfmet真核生物的起始tRNA是tRNAimet

注意2024/1/6503.rRNA

原核生物核蛋白體

30S小亞基:含16S的rRNA和21種蛋白質(zhì)

50S大亞基:含兩種rRNA（23S和5S）及34種蛋白質(zhì)

2024/1/651真核生物核蛋白體

40S小亞基:含18SrRNA及33種蛋白質(zhì)

60S大亞基:含有3種rRNA（28S、5.8S、5S）及45種蛋白質(zhì)。

2024/1/652核蛋白體的組成原核生物（以大腸桿菌為例）真核生物（以小鼠肝為例）小亞基30S40SrRNA16S1542個核苷酸18S1874個核苷酸蛋白質(zhì)21種占總重量的40%33種占總重量的50%大亞基50S60SrRNA23S5S2940個核苷酸120個核苷酸28S5.85S5S4718個核苷酸160個核苷酸120個核苷酸蛋白質(zhì)31種占總重量的30%49種占總重量的35%2024/1/653

●介導(dǎo)rRNA與mRNA的結(jié)合

●rRNA與核蛋白體蛋白的結(jié)合

●rRNA與tRNA的相互識別和相互作用核蛋白體功能2024/1/6544.小分子RNA

●核內(nèi)小分子RNA（smallnuclearRNA，SnRNA）

真核細(xì)胞核內(nèi)的一組小分子RNA

▲特點(diǎn)

300個堿基以下序列中尿嘧啶含量較高，故用U命名(U1～U10)

▲功能

參與mRNA的剪接、加工U3與rRNA加工有關(guān)2024/1/655●反義RNA屬小分子RNA,其堿基序列正好與mRNA互補(bǔ)，從而可與mRNA配對結(jié)合形成雙鏈，抑制mRNA作為模板進(jìn)行翻譯。是一種新的基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制2024/1/6565.核酶（ribozyme）

是一類具有催化活力的RNA

功能

主要參與RNA的加工和成熟應(yīng)用

剪切、破壞特定的RNA分子，如切割RNA的基因組或癌基因的mRNA等，達(dá)到治療疾病的目的2024/1/657二、結(jié)構(gòu)基因中貯存的蛋白質(zhì)序列信息1.遺傳密碼

在mRNA分子中蛋白質(zhì)序列編碼區(qū)內(nèi)，每3個核酸組成一個密碼子（codon），編碼多肽鏈上的一個氨基酸。mRNA中的4種核苷酸通過不同排列組合，可組成64個密碼子，其中有3個是終止密碼子2024/1/6582.遺傳密碼的意義

決定蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)（primarystructure）

3.結(jié)構(gòu)基因的遺傳信息決定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)決定空間結(jié)構(gòu)，而蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)是由結(jié)構(gòu)基因中的遺傳密碼決定的2024/1/659第三節(jié)基因結(jié)構(gòu)變異及其與疾病的關(guān)系一、基因突變機(jī)制二、基因突變類型三、基因變異與蛋白質(zhì)的活性改變的關(guān)系四、基因突變與疾病的關(guān)系

2024/1/660一、基因突變機(jī)制

●自發(fā)突變（spontaneousmutation）