《人類(lèi)基因》PPT課件.ppt

1、第二章人基因human gene，第二章人基因、基因的概念基因的化學(xué)本質(zhì)人基因和基因組的結(jié)構(gòu)特征基因的生物學(xué)特性人基因組修訂畫(huà)， 基因概念1865年基因是特殊因子1871年核酸1903年染色體是基因單位1910年染色體是染色體上1913年染色體是包含線(xiàn)性序列的基因1927年突變是基因內(nèi)的物理變化1931年交換重組1944年DNA是基因物質(zhì)1945年基因編碼蛋白質(zhì)1951第一次序列分析1 953年DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)1958年DNA半保留復(fù)制1961年三連體代碼在1977年發(fā)現(xiàn)真核基因不連續(xù)性1977年DNA可以在1995年初對(duì)基因組進(jìn)行定序，基因概念、基因(gene )是決定一定功能產(chǎn)物的DNA序

2、列。 該功能產(chǎn)物主要是蛋白質(zhì)和RNA。 一個(gè)基因的結(jié)構(gòu)中，除了編碼特定功能產(chǎn)物的DNA序列以外，還包括該特定產(chǎn)物表達(dá)所需的鄰近DNA序列。 基因的化學(xué)本質(zhì)是，在整個(gè)生物界中，大部分生物(包括人)基因的化學(xué)本質(zhì)是DNA，在只包括RNA和蛋白質(zhì)的某些病毒中，基因的化學(xué)本質(zhì)是RNA。 另一方面，由DNA分子構(gòu)成的DNA分子的基本單位是脫氧核苷酸，根據(jù)各自所具有的堿基，可以分為a、g、c、t 4種。 把這些按一定的順序排列連接起來(lái)構(gòu)成DNA單鏈。 它們的排列順序是DNA遺傳的核心。 二、DNA分子結(jié)構(gòu)雙螺旋結(jié)構(gòu)模型、基因的化學(xué)本質(zhì)、人類(lèi)基因組、人類(lèi)基因組是人所有遺傳信息的總和。 其中包括核基因組和線(xiàn)粒

3、體基因組兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的相互關(guān)聯(lián)的基因組。 一般來(lái)說(shuō)，人類(lèi)基因組是核基因組。 人類(lèi)基因組的組織結(jié)構(gòu)、人類(lèi)基因或人類(lèi)基因組中的功能序列可分為單一基因、基因家族、模擬基因和串聯(lián)重復(fù)基因4種。 基因家族是指一個(gè)祖先基因反復(fù)變異而形成的一系列基因。 (1)一個(gè)基因簇：由一個(gè)基因生成多次拷貝(幾乎相同的序列)，簇排列在同一染色體上。 (2)多基因簇(圖35 ) :簇分布在幾個(gè)不同的染色體上。 例如，編碼珠蛋白的基因： 5個(gè)相關(guān)基因排列在16p染色體上。 偽基因或偽基因是指多基因家族的一部分成員不起作用的基因產(chǎn)物。 基因的分類(lèi)、基因的構(gòu)造、真核生物基因的編碼序列被非編碼序列分割，多呈斷裂狀的構(gòu)造，所以也稱(chēng)為

4、斷裂基因(split gene )。 另一方面，外顯子和內(nèi)顯子(exon):代碼排列內(nèi)顯子(intron):非代碼排列、外顯子內(nèi)顯子的連接器區(qū)域是非常保守的一致順序，被稱(chēng)為外顯子內(nèi)顯子連接器。 從每個(gè)內(nèi)含子的5個(gè)末端開(kāi)始的2個(gè)堿基是GT，3個(gè)末端的最后2個(gè)堿基是AG，通常將該接頭的形狀稱(chēng)為GT-AG規(guī)律(GT-AG rule )。 這兩個(gè)序列非常保守，各種真核基因的內(nèi)含子都是共同的。 在各切斷基因中最初的外顯子的上游和最后的外顯子的下游，存在被稱(chēng)為側(cè)翼順序的不轉(zhuǎn)錄的非編碼區(qū)域?；蚪Y(jié)構(gòu)、第二節(jié)遺傳的分子基礎(chǔ)、二、真核基因的分子結(jié)構(gòu)特征、基因組組成、人基因組按DNA序列分為單拷貝序列和重復(fù)頻率不

5、同的多拷貝序列。 單拷貝序列：基因組中只有單拷貝或少數(shù)拷貝，長(zhǎng)度在8001000bp之間，其中有編碼細(xì)胞中各種蛋白質(zhì)和酶的結(jié)構(gòu)基因，占人類(lèi)基因組的大多數(shù)。 重復(fù)多拷貝序列：分散插入整個(gè)基因組，根據(jù)復(fù)原性的速度，可分為簡(jiǎn)單序列DNA和中度重復(fù)DNA。 以單純序列DNA(simple-sequence DNA )或衛(wèi)星DNA :小于105bp的小片段為單位多次串聯(lián)重復(fù)，占基因組整體的約1015，大部分長(zhǎng)度達(dá)到105bp，多位于染色體的異染色質(zhì)區(qū)域。以蔗糖或氯化銫的密度梯度超離心圖案觀(guān)察到的染色體DNA的主帶附近的小帶DNA，重復(fù)多拷貝序列，重復(fù)多拷貝序列，有由小衛(wèi)星DNA(minisatellit

6、eDNA):15100BP組成的重復(fù)單元，20-50 中度重復(fù)DNA(intermediate repeat DNA ) :占基因組整體的約2540，以不同量分布于基因組整體的不同部位。 短分布元素(short interspersed element):DNA的長(zhǎng)度最短為100bp500bp，復(fù)制數(shù)為105以上。 例如，Alu族長(zhǎng)分散元件(長(zhǎng)間隔元件) :最大6000bp7000bp，復(fù)印件數(shù)102 10。 如KpnI家族、重復(fù)多拷貝序列、基因生物學(xué)特性、DNA分子中堿基對(duì)的序列隱藏著遺傳信息，決定著基因的基本功能和特性。 基因的復(fù)制和表達(dá)構(gòu)成了基因的主要功能。 遺傳編碼：在DNA的脫氧核苷

7、酸長(zhǎng)鏈上，每三個(gè)鄰接的堿基序列組成一個(gè)三聯(lián)體，每三聯(lián)體編碼一個(gè)氨基酸，因此三聯(lián)體(triplet )是遺傳信息的具體表達(dá)形式。 因此，三聯(lián)體也被稱(chēng)為三聯(lián)體代碼、遺傳代碼或密碼子。 遺傳信息的存儲(chǔ)單位，編碼鏈：5 - ATG AAA CGA GTC TTA TGA -3，反編碼鏈： mRNA :3-tactttgctcagaaatact-5，5-augaaacgaga但線(xiàn)粒體DNA有3個(gè)遺傳編碼簡(jiǎn)并性除少數(shù)氨基酸只有一個(gè)密碼子外，其佗氨基酸分別編碼為26個(gè)密碼子，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為遺傳編碼的簡(jiǎn)并性(degeneracy )。 如果起始碼和起始碼AUG位于mRNA的5端起始，則是蛋白質(zhì)合成的起始信號(hào)，

8、被稱(chēng)為起始密碼子(initiation codon )，如果不位于同時(shí)對(duì)蛋氨酸和蛋氨酸進(jìn)行編碼的mRNA的起始端，則是蛋白質(zhì)合成的起始信號(hào)密碼子UAA、UAG和UGA不編碼任何氨基酸，作為肽鏈合成的終止信號(hào)被稱(chēng)為終止密碼子。 基因通過(guò)自我復(fù)制保持遺傳連續(xù)性，基因具有自我復(fù)制(self-replication )的重要特性。 復(fù)制發(fā)生在細(xì)胞分裂周期的s期，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)解旋為兩條多核苷酸鏈，以DNA分子自身的一條一條為模板進(jìn)行自我復(fù)制合成新的DNA分子。 復(fù)制的起點(diǎn)由特定的堿基序列組成。 真核生物的復(fù)制從多個(gè)部位同時(shí)開(kāi)始。 新鏈的復(fù)制過(guò)程具有一定的特征互補(bǔ)性：半保留性：反向平行性：非對(duì)稱(chēng)性：不

9、連續(xù)性：基因通過(guò)自我復(fù)制保持遺傳連續(xù)性，基因表達(dá)(gene expression ) :將基因中積累的遺傳信息轉(zhuǎn)化為由特定氨基酸種類(lèi)和序列組成的多肽鏈， 由多肽鏈構(gòu)成的基因表達(dá)包括以DNA為模板轉(zhuǎn)錄合成mRNA的工序和以DNA為模板轉(zhuǎn)錄合成mRNA的工序兩個(gè)工序，將遺傳信息轉(zhuǎn)錄到多肽鏈中對(duì)應(yīng)的氨基酸的種類(lèi)和序列、基因表達(dá)、轉(zhuǎn)錄(transcription 以DNA的35單鏈(反碼鏈)為模板，遵循堿基互補(bǔ)對(duì)的原則(其中RNA為u和DNA的a對(duì)，其協(xié)同轉(zhuǎn)錄的最終產(chǎn)物為mRNA、tRNA、rRNA等。 基因表達(dá)、轉(zhuǎn)錄過(guò)程：將mRNA的合成分為開(kāi)始、延長(zhǎng)、終止3個(gè)連續(xù)步驟。 在初始階段，RNA聚合酶可

10、以與啟動(dòng)子結(jié)合，發(fā)起RNA的轉(zhuǎn)錄合成。拉伸過(guò)程中RNA聚合酶由全酶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橹髅附Y(jié)構(gòu)，向模鏈的35個(gè)方向移動(dòng)，準(zhǔn)確遵循堿基互補(bǔ)原則，以三磷酸(UTP、CTP、GTP和ATP )為基質(zhì)，在3端各添加一個(gè)氨基酸，使mRNA不斷拉伸。 當(dāng)RNA聚合酶在DNA模板上移動(dòng)到達(dá)終止信號(hào)時(shí)，終止RNA合成。 發(fā)現(xiàn)的啟動(dòng)子中有TATA箱、CAAT箱、GC箱、增強(qiáng)子等，它們是結(jié)構(gòu)基因的側(cè)翼排列轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工和修飾：由RNA聚合酶催化形成的初始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物只是mRNA的前體，經(jīng)過(guò)加工和修飾，形成功能性的mRNA。 主要在“封頂”(capping)5末端加入“7-甲基鳥(niǎo)的部位吟核苷酸”，在“提升”(tailing)3末

11、端加入聚腺苷酸(poly A )和連接，按照GT-AG的規(guī)律切除內(nèi)含子，觸發(fā)外顯子翻譯(translation ) :以mrna為模板指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的過(guò)程。 蛋白質(zhì)合成在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的核糖體上進(jìn)行。 蛋白質(zhì)翻譯時(shí)mRNA攜帶遺傳信息，作為合成蛋白質(zhì)的模板的tRNA輸送活性化的氨基酸和識(shí)別mRNA分子上的遺傳編碼的核糖體在蛋白質(zhì)合成的地方，將各種特定的氨基酸分子與多肽鏈連接。 蛋白質(zhì)分子的最終空間結(jié)構(gòu)由翻譯后修飾決定。 RNA編輯(RNA editing )是所形成的mRNA分子編碼區(qū)中的核苷酸序列與其DNA模板的對(duì)應(yīng)序列不同的過(guò)程，屬于遺傳信息加工。 1 .尿嘧啶核苷酸的添加或刪除2. CU、AG

12、或GA的RNA堿基轉(zhuǎn)化3. CG、GC或UA的RNA堿基轉(zhuǎn)化生物學(xué)意義主要?dú)w編的mRNA具有翻譯活性。 在一些轉(zhuǎn)錄物5的末端，RNA編輯可以生成起始密碼子AUG來(lái)調(diào)節(jié)翻譯活性，以便能夠通讀該mRNA，RNA編輯可能與生物進(jìn)化有關(guān)，RNA編輯不偏離中心定律。 因?yàn)樘峁┚庉嫷男畔⒃慈詠?lái)源于DNA儲(chǔ)藏的遺傳信息。 基因表達(dá)調(diào)控、基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)是在特定時(shí)間和特定細(xì)胞中激活特定基因，實(shí)現(xiàn)“預(yù)約”的有序分化發(fā)育過(guò)程。 真核生物基因的表達(dá)調(diào)控實(shí)現(xiàn)在多層次，分為轉(zhuǎn)錄前、轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后、翻譯和翻譯后5個(gè)水平。 人類(lèi)基因組(genome )通常指核基因組，是人所有遺傳信息的總和。 人類(lèi)基因組、人類(lèi)基因組項(xiàng)目

13、和“人類(lèi)基因組項(xiàng)目(HGP )”是從20世紀(jì)90年代初開(kāi)始在世界范圍內(nèi)全面研究人類(lèi)基因組的重大科學(xué)項(xiàng)目。 HGP是美國(guó)科學(xué)家在1985年首先提出的，揭示了人類(lèi)基因組DNA 3.2109核苷酸的序列，發(fā)現(xiàn)了所有的人基因，揭示了染色體上的位置，解讀了人的所有遺傳信息，人類(lèi)第一次在分子水平上全面認(rèn)識(shí)自我HGP的總體目標(biāo)闡明了人類(lèi)遺傳信息的組成和表達(dá)，為人類(lèi)遺傳多樣性的研究提供基本數(shù)據(jù)，揭示嚴(yán)重危害人類(lèi)單基因異常和人類(lèi)健康的多基因病的病原基因或疾病易感基因，建立各種基因病的新診治方法，推動(dòng)生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。 其基本任務(wù)是制作人類(lèi)基因組的構(gòu)造圖，即遺傳圖、物理圖、轉(zhuǎn)錄圖和序列圖，根據(jù)“制圖測(cè)序”

14、鑒定人的基因，制作人的基因圖。 同時(shí)，人類(lèi)結(jié)構(gòu)基因組學(xué)集中建立了遺傳圖、物理圖、轉(zhuǎn)錄圖、序列圖基因圖(一)遺傳圖鏈接圖(linkage map )遺傳多態(tài)性是指在一個(gè)遺傳坐標(biāo)上具有一個(gè)以上的等位基因(集體頻率1% )，該坐標(biāo)被稱(chēng)為多態(tài)性坐標(biāo)，可以作為遺傳圖的“坐標(biāo)”。 遺傳學(xué)距離是古典遺傳學(xué)特有的重要概念。 具有遺傳多態(tài)性的標(biāo)記是構(gòu)建遺傳圖的要素：第一代DNA遺傳標(biāo)記RFLP Botstein在1980年首次應(yīng)用的標(biāo)記RFLP的限制性： 1、提供的“多態(tài)性”信息有限2 .現(xiàn)有的限制性酶應(yīng)檢測(cè)所有核苷酸的變化第二代DNA基因標(biāo)記STR: 1、小衛(wèi)星DNA重復(fù)單元6-12個(gè)bp的VNTR 2、微衛(wèi)

15、星或短序列重復(fù)(STR )重復(fù)單元26個(gè)bp的VNTR、STR有兩個(gè)最顯著的優(yōu)點(diǎn)： 1， 作為基因標(biāo)記的“”2 .將重復(fù)序列兩側(cè)的特異性單拷貝序列作為其基因組中的“點(diǎn)”標(biāo)記，通過(guò)PCR技術(shù)操作，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)化以及完全機(jī)器人化。 制作了以6000以上的STR為主體的基因標(biāo)記組成的“連鎖圖”，平均分辨率達(dá)到了0.7cM。 第三代DNA基因標(biāo)記SNP: 1996年由美國(guó)MIT的Lander提出。 1、與RFLP和STR等的主要差異：不是以“長(zhǎng)度”的差異作為檢測(cè)手段，而是以序列的變異作為直接標(biāo)記。 2、SNP在核苷酸水平上有機(jī)統(tǒng)一“序列圖”、“物理圖”和“遺傳圖”。 3、可以排除基因標(biāo)

16、記分析技術(shù)的“瓶頸”凝膠電泳，利用DNA測(cè)序技術(shù)構(gòu)建基因組圖。 (二)物理圖：第一技術(shù)的重要內(nèi)容：一段已知核苷酸序列的DNA片段序列標(biāo)記位點(diǎn)(STS )稱(chēng)為“標(biāo)記”，Mb或kb為映射距離的基因組圖。 STS的要求：1:基因組有明確位置，位于重復(fù)序列兩側(cè)的單拷貝特異性序列忽略其重復(fù)序列。 2 .已知序列。 截止到1996年10月制作了22000個(gè)STS的物理圖，x染色體物理圖的平均分辨率達(dá)到了75kb。 第二重要內(nèi)容是在DNA克隆片段中建立相互重疊的“相鄰克隆群conting”。 “相鄰克隆組”實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：用PCR證明這些片段含有STS的序列表達(dá)陽(yáng)性，確定這些片段在基因組中的位置。 利用酵母人工YAC片段的巨大(0.52Mb )優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建總體展望率幾乎為100%的“YAC鄰接克隆群”。 細(xì)菌人工染色體(BAC )構(gòu)建總體展望率為100%的更高精度的“鄰接克隆群”。 物理圖”的建立應(yīng)歸功于DNA克隆技術(shù)70年代大大突破了DNA克隆技術(shù)(遺傳工程技術(shù)之一):1、質(zhì)粒承載能力，即插入片段10kb 2，噬菌體承載能力達(dá)到20kb。 3 .兼具病毒和質(zhì)粒優(yōu)勢(shì)的粘粒承載能力達(dá)到3040kb。 4、YAC是人類(lèi)認(rèn)識(shí)真核生物染色體的一大飛