藥學分子生物學：第一章 基因與基因組

1、藥學分子生物學基礎藥學分子生物學基礎 第一篇第一篇 第一章第一章 基因與基因組基因與基因組 第一節(jié)第一節(jié) 基基 因因 轉(zhuǎn)錄區(qū)轉(zhuǎn)錄區(qū) 其他功能序列其他功能序列 調(diào)節(jié)區(qū)調(diào)節(jié)區(qū) 其結(jié)構為其結(jié)構為 轉(zhuǎn)錄區(qū)轉(zhuǎn)錄區(qū) 調(diào)節(jié)區(qū)調(diào)節(jié)區(qū) 是儲存特定遺傳信息的是儲存特定遺傳信息的DNA片段片段。 ( (一一) )基因的概念基因的概念 一、基因的概念及分類一、基因的概念及分類 是是RNA序列序列和蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)多肽鏈順序多肽鏈順序相關遺傳信息的基本相關遺傳信息的基本 形式，以及表達這些信息所需要的形式，以及表達這些信息所需要的全部核苷酸序列全部核苷酸序列。 編碼區(qū)編碼區(qū) 非編碼區(qū)非編碼區(qū) （ RNA 、蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)）

2、 1866年，孟德爾在年，孟德爾在植物的雜交試驗植物的雜交試驗文中提出：文中提出： “生物體的某一特定性狀是受一個生物體的某一特定性狀是受一個遺傳因子遺傳因子(genetic factor)所控制的，也就是一個因子決定一個所控制的，也就是一個因子決定一個性狀性狀”。 1926年，年，Morgan在在基因論基因論中提出：中提出：“基因既基因既 是攜帶生物體遺傳信息的結(jié)構單位，又是控制一個是攜帶生物體遺傳信息的結(jié)構單位，又是控制一個 特定性狀的功能單位特定性狀的功能單位”。 1944年，年，Avery通過實驗證實通過實驗證實 基因的化學本質(zhì)是基因的化學本質(zhì)是DNA。 基因基因是是1909年，由年，

3、由Johannsen創(chuàng)造的一個名詞，創(chuàng)造的一個名詞， 取代遺傳因子。取代遺傳因子。 1953年年 Watson和和Crick發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構。的雙螺旋結(jié)構。 顯示了顯示了DNA的空間結(jié)構的空間結(jié)構，揭示了，揭示了DNA分子具有分子具有自我復制功能自我復制功能。 DNA RNA 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 錄錄翻翻 譯譯 復復 制制 1958年年 Crick證明了生物遺傳的中心法則。證明了生物遺傳的中心法則。 在在mRNA的開放閱讀框架區(qū)，以的開放閱讀框架區(qū)，以每每3個相鄰個相鄰的的核苷酸核苷酸 為一組，為一組，代表代表一種一種氨基酸氨基酸(或其他信息或其他信息)，這種，這種三聯(lián)體三聯(lián)體形式形

4、式 的核苷酸序列稱為的核苷酸序列稱為密碼子密碼子。 起始密碼子起始密碼子(initiation codon)： 密碼子（密碼子（codon） 終止密碼子終止密碼子(termination codon) ： Start of genetic message Cap End Tail 5-端非翻譯區(qū)端非翻譯區(qū) 5 3 3-端非翻譯區(qū)端非翻譯區(qū) 開放閱讀框架開放閱讀框架 AUG UAA、UAG、UGA 1961年年 Crick又提出了又提出了遺傳密碼遺傳密碼（66年）年） 遺傳信息蘊藏于遺傳信息蘊藏于DNA鏈上鏈上4種堿基的不同組合中。種堿基的不同組合中。(RNA, Pr，生物性狀，生物性狀) 真核

5、生物結(jié)構基因，由若干個編碼區(qū)和非真核生物結(jié)構基因，由若干個編碼區(qū)和非 編碼區(qū)編碼區(qū)互相間隔開互相間隔開但又但又連續(xù)鑲嵌連續(xù)鑲嵌而成，去除非而成，去除非 編碼區(qū)再連接后，可編碼區(qū)再連接后，可翻譯翻譯出由連續(xù)氨基酸組成出由連續(xù)氨基酸組成 的完整蛋白質(zhì)，這些基因稱為的完整蛋白質(zhì)，這些基因稱為斷裂基因斷裂基因。 斷裂基因斷裂基因(splite gene): CABD 編碼區(qū)編碼區(qū) A、B、C、D 非編碼區(qū)非編碼區(qū) （1977年）年） 1963年年Nass等首次發(fā)現(xiàn)線粒體中存在等首次發(fā)現(xiàn)線粒體中存在DNA。 1981年年Anderson等發(fā)表了完整的人線粒體等發(fā)表了完整的人線粒體DNA序列。序列。 19

6、72年年Fiers等測定了噬菌體等測定了噬菌體MS2衣殼蛋白的基因序列。衣殼蛋白的基因序列。 某些某些RNA病毒則以病毒則以RNA作為遺傳信息的載體。作為遺傳信息的載體。 中心法則的補完。中心法則的補完。 ( (二二) )基因的分類基因的分類 核基因核基因 核外基因核外基因 1. 編碼蛋白質(zhì)的基因編碼蛋白質(zhì)的基因 2. 編碼編碼RNA的基因的基因 按部位分按部位分 按功能和性質(zhì)分按功能和性質(zhì)分 5 5 3 3 3 3 5 5 模板鏈模板鏈 編碼鏈編碼鏈 編碼鏈編碼鏈 模板鏈模板鏈 結(jié)構基因結(jié)構基因 轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向 轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向 (在在雙鏈雙鏈DNA中轉(zhuǎn)錄出中轉(zhuǎn)錄出RNA的區(qū)段的區(qū)段) 1

7、.編碼蛋白質(zhì)的基因編碼蛋白質(zhì)的基因 調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因 可轉(zhuǎn)錄成可轉(zhuǎn)錄成mRNA，翻譯成，翻譯成阻遏蛋白阻遏蛋白或或激活蛋白激活蛋白， 從而從而調(diào)控調(diào)控其他基因的活性其他基因的活性 2. 編碼編碼RNA的基因的基因 rRNA基因基因 tRNA基因基因 小分子小分子RNA基因基因 核酶基因核酶基因 還有一類不稱為基因的還有一類不稱為基因的DNA序列，它們是序列，它們是不轉(zhuǎn)錄的不轉(zhuǎn)錄的 DNA區(qū)段區(qū)段，但對基因起調(diào)控作用，如，但對基因起調(diào)控作用，如啟動子啟動子和和增強子增強子等。等。 （酶的功能）（酶的功能） （調(diào)節(jié)基因表達）（調(diào)節(jié)基因表達） 原核生物：原核生物： PPP5 3 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) 多個功

8、能相關的結(jié)構基因串聯(lián)在一起構成一多個功能相關的結(jié)構基因串聯(lián)在一起構成一 個轉(zhuǎn)錄單位，依賴個轉(zhuǎn)錄單位，依賴同一調(diào)控序列同一調(diào)控序列對其進行轉(zhuǎn)對其進行轉(zhuǎn) 錄調(diào)節(jié)，使這些相關基因?qū)崿F(xiàn)協(xié)調(diào)表錄調(diào)節(jié)，使這些相關基因?qū)崿F(xiàn)協(xié)調(diào)表達。 這樣一個這樣一個多順反子多順反子轉(zhuǎn)錄單位與其轉(zhuǎn)錄單位與其調(diào)控序列調(diào)控序列即構成即構成操縱子操縱子。 調(diào)控序列調(diào)控序列 信息區(qū)信息區(qū)調(diào)控區(qū)調(diào)控區(qū) 原核基因的原核基因的協(xié)調(diào)表達協(xié)調(diào)表達就是通過調(diào)控就是通過調(diào)控同一啟動基因同一啟動基因的活性來實現(xiàn)的。的活性來實現(xiàn)的。 二、基因的結(jié)構與功能二、基因的結(jié)構與功能 （一）基因的結(jié)構（一）基因的結(jié)構 真核生物結(jié)構基因，由若干個編碼區(qū)和非真核生

9、物結(jié)構基因，由若干個編碼區(qū)和非 編碼區(qū)編碼區(qū)互相間互相間隔開隔開但又但又連續(xù)鑲嵌連續(xù)鑲嵌而成，去除非而成，去除非 編碼區(qū)再連接后，可編碼區(qū)再連接后，可翻譯翻譯出由連續(xù)氨基酸組成出由連續(xù)氨基酸組成 的完整蛋白質(zhì)，這些基因稱為的完整蛋白質(zhì)，這些基因稱為斷裂基因斷裂基因。 斷裂基因斷裂基因(splite gene): CABD 編碼區(qū)編碼區(qū) A、B、C、D 非編碼區(qū)非編碼區(qū) * * 真核生物：真核生物： 1.外顯子外顯子(exon)和內(nèi)含子和內(nèi)含子(intron) 外顯子外顯子（編碼區(qū)編碼區(qū)） 在斷裂基因及其初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，并在斷裂基因及其初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，并 表達為成熟表達為成熟RNA的核酸

10、序列。的核酸序列。 隔斷基因的線性表達而在剪接過程中被除隔斷基因的線性表達而在剪接過程中被除 去的核酸序列。去的核酸序列。 內(nèi)含子內(nèi)含子（非編碼區(qū)）（非編碼區(qū)） 外顯子外顯子-內(nèi)含子內(nèi)含子接頭接頭（邊界序列）（邊界序列）： 5 GT.AG 3 編碼編碼組蛋白的基因組蛋白的基因是一例外，無內(nèi)含子。是一例外，無內(nèi)含子。 編碼編碼rRNA和和個別個別tRNA的結(jié)構基因也都含有的結(jié)構基因也都含有內(nèi)含子內(nèi)含子。 轉(zhuǎn)錄起始點轉(zhuǎn)錄起始點 TATA盒盒(II) CAAT盒盒 GC盒盒(I) 增強子增強子 AATAAA 切離加尾切離加尾 轉(zhuǎn)錄終止點轉(zhuǎn)錄終止點 修飾點修飾點 外顯子外顯子 翻譯起始點翻譯起始點 內(nèi)

11、內(nèi) 含含 子子 OCT-1 OCT-1：ATTTGCAT八聚體八聚體 結(jié)構基因結(jié)構基因 -25bp 啟動子的啟動子的 核心序列核心序列 上游啟動子元件上游啟動子元件 2. 調(diào)控序列調(diào)控序列 （啟動子、（啟動子、增強子、終止子）增強子、終止子） 順式調(diào)節(jié)（同一個順式調(diào)節(jié)（同一個DNA分子中）分子中） 順式作用元件順式作用元件 （DNA序列）序列） 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄開始開始 1-30-5010-10-40-20 5 3 3 5 5 5 RNA聚合酶保護區(qū)聚合酶保護區(qū)結(jié)構基因結(jié)構基因 3 3 第一個外顯子的第一個外顯子的 第一個堿基為第一個堿基為+1 上游上游下游下游 0 0不用于標記堿基位置不用于標記堿基

12、位置 調(diào)控序列調(diào)控序列 編碼序列編碼序列 啟動子啟動子 增強子增強子 沉默子沉默子 終止子終止子 1) 1)真核生物的順式作用元件：真核生物的順式作用元件： 真核基因啟動子是真核基因啟動子是RNA聚合酶結(jié)合位聚合酶結(jié)合位 點周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至少包括一點周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至少包括一 個個轉(zhuǎn)錄起始點轉(zhuǎn)錄起始點以及一個以上的以及一個以上的功能組件功能組件。 啟動子啟動子 TATA盒盒 GC盒盒 CAAT盒盒 功能組件功能組件 （啟動子具有方向性，啟動子本身通常不被轉(zhuǎn)錄。）（啟動子具有方向性，啟動子本身通常不被轉(zhuǎn)錄。） 轉(zhuǎn)錄起始點轉(zhuǎn)錄起始點 TATA盒盒(II) CAAT盒盒 GC盒盒(

13、I) 增強子增強子 AATAAA 切離加尾切離加尾 轉(zhuǎn)錄終止點轉(zhuǎn)錄終止點 修飾點修飾點 外顯子外顯子 翻譯起始點翻譯起始點 內(nèi)內(nèi) 含含 子子 OCT-1 OCT-1：ATTTGCAT八聚體八聚體 結(jié)構基因結(jié)構基因 -25bp 啟動子的啟動子的 核心序列核心序列 TFD（轉(zhuǎn)錄起始的準確性及頻率）（轉(zhuǎn)錄起始的準確性及頻率） 上游啟動子元件上游啟動子元件 最簡單最簡單 啟動子啟動子 啟動子圖示啟動子圖示: 真核生物主要有三類啟動子：真核生物主要有三類啟動子： 類啟動子類啟動子：富含：富含GC堿基對，主要啟動堿基對，主要啟動rRNA基因的轉(zhuǎn)錄?；虻霓D(zhuǎn)錄。 類啟動子類啟動子：通常由：通常由TATA盒、

14、幾個上游啟動子元件和轉(zhuǎn)盒、幾個上游啟動子元件和轉(zhuǎn) 錄起始點組成。主要啟動蛋白質(zhì)和一些小錄起始點組成。主要啟動蛋白質(zhì)和一些小RNA基因的轉(zhuǎn)錄?；虻霓D(zhuǎn)錄。 類啟動子類啟動子：主要啟動：主要啟動tRNA基因、基因、5SRNA基因和基因和 U6snRNA基因等基因等RNA基因的轉(zhuǎn)錄?；虻霓D(zhuǎn)錄。 （對應三種對應三種RNA聚合酶）聚合酶） 轉(zhuǎn)錄起始點轉(zhuǎn)錄起始點 TATA盒盒 CAAT盒盒 GC盒盒 AATAAA 轉(zhuǎn)錄終止點轉(zhuǎn)錄終止點 外顯子外顯子 翻譯起始點翻譯起始點 內(nèi)內(nèi) 含含 子子 OCT-1 結(jié)構基因結(jié)構基因 -25bp 增強子增強子(enhancer) 指指遠離遠離轉(zhuǎn)錄起始點、決定基因的時間、

15、空間特異轉(zhuǎn)錄起始點、決定基因的時間、空間特異 性、增強啟動子轉(zhuǎn)錄活性的性、增強啟動子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列序列。 增強效應明顯增強效應明顯,與方向、距離與方向、距離無關無關 沒有基因特異性沒有基因特異性,受受外部外部信號的調(diào)控信號的調(diào)控 大多為大多為重復序列重復序列,組織和細胞特異性組織和細胞特異性 活性與其在活性與其在DNA雙螺旋結(jié)構中雙螺旋結(jié)構中 的空間方向性有關的空間方向性有關. 特點特點 增強子增強子 沉默子沉默子(silencer) 某些基因的負性調(diào)節(jié)元件，當其結(jié)合特異某些基因的負性調(diào)節(jié)元件，當其結(jié)合特異 蛋白因子時，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。蛋白因子時，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。 有時有時,

16、同一同一DNA元件可以既有增強子活元件可以既有增強子活 性又有沉默子活性性又有沉默子活性,這取決于與之結(jié)合的蛋這取決于與之結(jié)合的蛋 白質(zhì)性質(zhì)白質(zhì)性質(zhì). 5 -AAUAAA- 5 -AAUAAA- 核酸酶核酸酶 -GUGUGUG RNA-pol AATAAA GTGTGTG 轉(zhuǎn)錄終止的修飾點轉(zhuǎn)錄終止的修飾點 5 5 3 3 5 5加帽加帽 3 3 加尾加尾 AAAAAAA 3 mRNA 終止子終止子 和轉(zhuǎn)錄后修飾密切相關。和轉(zhuǎn)錄后修飾密切相關。 與順式作用元件直接或間接結(jié)合的酶或與順式作用元件直接或間接結(jié)合的酶或 蛋白質(zhì)因子，結(jié)合后發(fā)揮對基因表達的蛋白質(zhì)因子，結(jié)合后發(fā)揮對基因表達的 調(diào)節(jié)作用。調(diào)

17、節(jié)作用。 2) 2)反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor) （二）基因功能概述（二）基因功能概述 基因攜帶遺傳信息?；驍y帶遺傳信息。 遺傳信息的表達過程是一個基因所攜遺傳信息的表達過程是一個基因所攜 帶的信息轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N具有正常功能產(chǎn)物帶的信息轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N具有正常功能產(chǎn)物 （蛋白質(zhì)、多肽、（蛋白質(zhì)、多肽、RNA）的過程。）的過程。 有意義密有意義密 碼子碼子61個個 1. 遺傳信息的儲備遺傳信息的儲備 64個密碼個密碼 l半保留復制半保留復制(概念概念) l雙向復制雙向復制(復制子）復制子） l復制的半不連續(xù)性復制的半不連續(xù)性 2. 基因的復制基因的復制 3. 基因的

18、表達基因的表達 DNA RNA mRNA指導蛋白質(zhì)多肽鏈的生成指導蛋白質(zhì)多肽鏈的生成 轉(zhuǎn)錄：轉(zhuǎn)錄： 翻譯：翻譯： 基因表達的調(diào)控：基因表達的調(diào)控： nRNARNA的種類、分布、功能的種類、分布、功能 核蛋白體核蛋白體RNA 信使信使RNA 轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)運RNA 核內(nèi)不均一核內(nèi)不均一RNA 核內(nèi)小核內(nèi)小RNA 胞漿小胞漿小RNA 細胞核和胞液細胞核和胞液線粒體線粒體功功能能 rRNA mRNA mt rRNA tRNA mt mRNA mt tRNA HnRNA SnRNA SnoRNA scRNA/7SL-RNA 核蛋白體組分核蛋白體組分 蛋白質(zhì)合成模板蛋白質(zhì)合成模板 轉(zhuǎn)運氨基酸轉(zhuǎn)運氨基酸 成熟成熟

19、mRNA的前體的前體 參與參與hnRNA的剪接、轉(zhuǎn)運的剪接、轉(zhuǎn)運 rRNA的加工、修飾的加工、修飾 蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成 的信號識別體的組分的信號識別體的組分 核仁小核仁小RNA 核蛋白體核蛋白體RNA 信使信使RNA 轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)運RNA 核內(nèi)不均一核內(nèi)不均一RNA 核內(nèi)小核內(nèi)小RNA 胞漿小胞漿小RNA 細胞核和胞液細胞核和胞液線粒體線粒體功功能能 rRNA mRNA mt rRNA tRNA mt mRNA mt tRNA HnRNA SnRNA SnoRNA scRNA/7SL-RNA 核蛋白體組分核蛋白體組分 蛋白質(zhì)合成模板蛋白質(zhì)合成模板 轉(zhuǎn)運氨基酸轉(zhuǎn)運氨基酸 成熟成熟

20、mRNA的前體的前體 參與參與hnRNA的剪接、轉(zhuǎn)運的剪接、轉(zhuǎn)運 rRNA的加工、修飾的加工、修飾 蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成 的信號識別體的組分的信號識別體的組分 核仁小核仁小RNA n蛋白質(zhì)生物合成蛋白質(zhì)生物合成(翻譯翻譯)反應過程反應過程: 氨基酸的活化氨基酸的活化 肽鏈的生物合成肽鏈的生物合成 肽鏈形成后的加工和靶向輸送肽鏈形成后的加工和靶向輸送 起起 始始 延延 長長 終終 止止 轉(zhuǎn)錄后加工轉(zhuǎn)錄后加工 基因激活基因激活 轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始 蛋白質(zhì)翻譯蛋白質(zhì)翻譯 翻譯后加工修飾翻譯后加工修飾 調(diào)控在各個水平上調(diào)控在各個水平上 DNA水平水平 轉(zhuǎn)錄水平轉(zhuǎn)錄水平 翻譯水平翻譯水

21、平 組蛋白乙?；M蛋白乙?；?DNA去甲基化去甲基化 對核酸酶敏感對核酸酶敏感 mRNA （三）基因突變與疾病（三）基因突變與疾病 1.單基因病單基因病 2.線粒體遺傳病線粒體遺傳病 3.多基因病多基因病 4. 基因診斷與治療基因診斷與治療 單基因病的遺傳方式單基因病的遺傳方式 1）常染色體顯性遺傳）常染色體顯性遺傳 2）常染色體隱性遺傳）常染色體隱性遺傳 3）X連鎖顯性遺傳連鎖顯性遺傳 4）X連鎖隱性遺傳連鎖隱性遺傳 5）Y連鎖遺傳連鎖遺傳 單基因病遺傳方式的復雜性：單基因病遺傳方式的復雜性： 1）多效性（）多效性（pleiotropy） 2）遺傳異質(zhì)性（）遺傳異質(zhì)性（genetic het

22、erogeneity） 3）遺傳早現(xiàn)（）遺傳早現(xiàn)（genetic anticipation） 4）從性遺傳和限性遺傳）從性遺傳和限性遺傳 5）遺傳印記（）遺傳印記（genetic imprinting） 基因診斷基因診斷(genetic diagnosis)是利用分利用分 子生物學及分子遺傳的技術和原理，在子生物學及分子遺傳的技術和原理，在 DNA水平分析、鑒定遺傳疾病所涉及基水平分析、鑒定遺傳疾病所涉及基 因的置換、缺失或插入等突變。因的置換、缺失或插入等突變。又稱又稱 DNA診斷診斷 。 （1）基因診斷：）基因診斷： 基本過程：基本過程： 區(qū)分或鑒定區(qū)分或鑒定DNA的異常的異常 分離、擴增

23、待測的分離、擴增待測的DNA片斷片斷 基因探針基因探針 組織和分化階段表達特異性的基組織和分化階段表達特異性的基 因及異常進行檢測和診斷因及異常進行檢測和診斷 （2）基因治療）基因治療 定義定義 基因治療基因治療(gene therapy)是向有功能缺是向有功能缺 陷的細胞補充相應功能的基因，以糾正或補陷的細胞補充相應功能的基因，以糾正或補 償其基因的缺陷，從而達到治療的目的。償其基因的缺陷，從而達到治療的目的。 方式方式 體細胞基因治療體細胞基因治療 (somatic cell gene therapy) 生殖細胞基因治療生殖細胞基因治療 (germ line gene therapy) 第

24、二節(jié)第二節(jié) 基基 因因 組組 基因組基因組(genome)廣義：一個細胞或生物廣義：一個細胞或生物 體中的全部體中的全部DNA。 細菌和噬菌體細菌和噬菌體 指單個染色體所含的全指單個染色體所含的全 部部DNADNA。 二倍體真核生物二倍體真核生物指維持生物體正常功能最基本指維持生物體正常功能最基本 的一套染色體及所攜帶的全部遺傳信息的一套染色體及所攜帶的全部遺傳信息。 基因組的定義：基因組的定義： 總長為總長為4.2106個個bp，完全伸展開，其長度約，完全伸展開，其長度約 136mm，為菌體長度的，為菌體長度的1000倍。不形成染色體結(jié)倍。不形成染色體結(jié) 構，只有一個復制起點。構，只有一個復

25、制起點。 大腸桿菌約有大腸桿菌約有3500個基因，已經(jīng)定位個基因，已經(jīng)定位1000多個，多個， 有些基因的有些基因的DNA序列也已測定。序列也已測定。 一般的原核生物基因組都在一般的原核生物基因組都在106水平上，水平上，比病毒比病毒 基因組要大上千倍。基因組要大上千倍。 一、原核生物基因組一、原核生物基因組 1.1.基因組通常僅由一條基因組通常僅由一條環(huán)狀雙鏈環(huán)狀雙鏈DNADNA分子分子組成組成 特點特點 2.2.結(jié)構基因與調(diào)控序列以結(jié)構基因與調(diào)控序列以操縱子操縱子的形式組織在一起的形式組織在一起 5.5.基因是基因是連續(xù)的連續(xù)的 6.6.編碼序列一般編碼序列一般不會重疊不會重疊 4.4.結(jié)

26、構基因多為結(jié)構基因多為單拷貝單拷貝 rRNA基因是多拷貝的?；蚴嵌嗫截惖摹?當基因開放時，這幾個基因轉(zhuǎn)錄在一條當基因開放時，這幾個基因轉(zhuǎn)錄在一條mRNAmRNA鏈上，然鏈上，然 后翻譯成幾條功能相關的蛋白質(zhì)多肽鏈，故稱之為后翻譯成幾條功能相關的蛋白質(zhì)多肽鏈，故稱之為多順多順 反子反子(polycistron)(polycistron)。 細菌的結(jié)構基因中沒有內(nèi)含子細菌的結(jié)構基因中沒有內(nèi)含子(intron)成分，即成分，即 基因序列是連續(xù)的。基因序列是連續(xù)的。 原核生物基因組中只有少數(shù)基因存在基因重疊。原核生物基因組中只有少數(shù)基因存在基因重疊。 3.3.基因組中基因組中重復序列很少重復序列很少

27、 7.7.編碼區(qū)編碼區(qū)在基因組中所占的比例遠遠在基因組中所占的比例遠遠大大于真核于真核 基因組而小于病毒基因組基因組而小于病毒基因組 編碼區(qū)占編碼區(qū)占50%，非編碼區(qū)主要是一些調(diào)控序列。，非編碼區(qū)主要是一些調(diào)控序列。 8.8.細菌基因組中存在可細菌基因組中存在可移動的移動的DNADNA序列序列 包括插入序列和轉(zhuǎn)座子。包括插入序列和轉(zhuǎn)座子。 二、真核生物基因組二、真核生物基因組 真核生物真核生物DNA 染色體染色體DNA 線粒體線粒體DNA 染色體染色體DNA八大特點八大特點 （一）真核生物基因組特點（一）真核生物基因組特點 1.1.真核生物基因組真核生物基因組DNADNA都是都是雙鏈線狀雙鏈線

28、狀且往往不是一條且往往不是一條 配子為單倍體，體細胞一般含兩份同源的基因組。配子為單倍體，體細胞一般含兩份同源的基因組。 2.2.大多數(shù)真核生物的結(jié)構基因組為大多數(shù)真核生物的結(jié)構基因組為斷裂基因斷裂基因，并，并 受一系列順式作用元件的調(diào)控受一系列順式作用元件的調(diào)控 3.3.結(jié)構基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為結(jié)構基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子單順反子 v 與原核生物不同，真核基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子，與原核生物不同，真核基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子， 即一個編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個即一個編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個mRNA分子，翻譯生成一分子，翻譯生成一 條多肽鏈。條多肽鏈。 4.4.真核生物基因組內(nèi)真核生物基因組內(nèi)非編碼非編碼的序列

29、遠遠的序列遠遠多多于編碼區(qū)于編碼區(qū) 90%以上以上 5.5.真核生物基因組中含有大量真核生物基因組中含有大量重復序列和基因家族重復序列和基因家族 v 在真核細胞在真核細胞DNA中發(fā)現(xiàn)某些核苷酸序列大量重復中發(fā)現(xiàn)某些核苷酸序列大量重復 出現(xiàn)，這些核苷酸序列叫重復序列，但在原核細胞出現(xiàn)，這些核苷酸序列叫重復序列，但在原核細胞 基因組中幾乎不存在。核苷酸序列的重復次數(shù)越高，基因組中幾乎不存在。核苷酸序列的重復次數(shù)越高， DNA復性速度就越快。占復性速度就越快。占35%。 6.6.真核基因組真核基因組DNADNA的末端都有一種稱為的末端都有一種稱為端粒端粒的特殊結(jié)構的特殊結(jié)構 由末端由末端單鏈單鏈DN

30、A序列序列和和蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)構成。構成。 7.7.真核生物基因組中也存在一些可移動的遺傳因子真核生物基因組中也存在一些可移動的遺傳因子 8.8.真核生物基因組還包括真核生物基因組還包括細胞器基因組細胞器基因組 線粒體基因組、葉綠體基因組線粒體基因組、葉綠體基因組 果蠅中發(fā)現(xiàn)的果蠅中發(fā)現(xiàn)的DNADNA轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座子 端粒端粒(telomere) 指指真核真核生物染色體生物染色體線性線性DNA分子分子末端的結(jié)構末端的結(jié)構。 功能功能 維持染色體的維持染色體的穩(wěn)定性穩(wěn)定性 維持維持DNA復制的復制的完整性完整性 * * 結(jié)構特點結(jié)構特點: 由末端由末端單鏈單鏈DNA序列序列和和蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)構成。構成。

31、TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTGGGGTTTTGGGG 末端末端DNA序列是多次重復的富含序列是多次重復的富含T、G堿基的短序列堿基的短序列。 (膨大成顆粒狀膨大成顆粒狀) 3 3 5 5 哺乳類動物基因組哺乳類動物基因組DNA 約約 3109bp。 人編碼基因人編碼基因約約2萬萬2.9萬萬個個， 60%的基因存在著可變剪接，的基因存在著可變剪接， 編碼序列僅占總長的編碼序列僅占總長的1%。 tRNA等重復基因等重復基因約占約占5%10%, 80%90%無編碼功能無編碼功能，（內(nèi)含子、調(diào)控序列、重復序列，（內(nèi)含子、調(diào)控序列、重復序列)。 染色質(zhì)在核內(nèi)，時空隔開、加工、轉(zhuǎn)運染色質(zhì)在核內(nèi)

32、，時空隔開、加工、轉(zhuǎn)運 （二）人類基因組 1.人類基因組中的基因數(shù)量及分布 將基因組將基因組DNA切成數(shù)百個片斷進行超速離心時，切成數(shù)百個片斷進行超速離心時， 常會在常會在DNA主峰主峰旁形成一個旁形成一個次要的小峰次要的小峰。這些小峰。這些小峰 在主峰邊上就象在主峰邊上就象衛(wèi)星一樣衛(wèi)星一樣，故命名為衛(wèi)星，故命名為衛(wèi)星DNA， 也叫隨機也叫隨機DNA、隨體。、隨體。 躍進式復制成串聯(lián)重復序列是形成衛(wèi)星躍進式復制成串聯(lián)重復序列是形成衛(wèi)星DNA的基礎。的基礎。 衛(wèi)星衛(wèi)星DNA分三類：分三類：大衛(wèi)星、小衛(wèi)星、微衛(wèi)星大衛(wèi)星、小衛(wèi)星、微衛(wèi)星DNA （1 1）高度高度重復序列重復序列4-20bp4-20b

33、p，重復頻率大于，重復頻率大于10105 5。 2.2.人類基因組中的重復序列人類基因組中的重復序列 1） 衛(wèi)星衛(wèi)星DNA (satellite DNA) ： 大衛(wèi)星大衛(wèi)星DNA： DNA的浮力密度與它的的浮力密度與它的GC堿基對堿基對含量有關，含量有關， G C含量高，浮力密度大，反之亦然。含量高，浮力密度大，反之亦然。 當當DNA分子的分子的GC含量變化超過含量變化超過5%時，即可通過密時，即可通過密 度梯度離心將其區(qū)分開來。度梯度離心將其區(qū)分開來。 小衛(wèi)星小衛(wèi)星DNA： 由中等大小的串聯(lián)重復序列構成，分布在所有染色體。由中等大小的串聯(lián)重復序列構成，分布在所有染色體。 微衛(wèi)星微衛(wèi)星DNA

34、短串聯(lián)重復序列（短串聯(lián)重復序列（STR） u 小衛(wèi)星和微衛(wèi)星小衛(wèi)星和微衛(wèi)星DNA呈高度多態(tài)性，可作為呈高度多態(tài)性，可作為遺傳標記遺傳標記。 概念：概念：是指兩個順序相同的拷貝在是指兩個順序相同的拷貝在DNADNA鏈上呈反向鏈上呈反向 排列；即按一定方向讀排列；即按一定方向讀反向重復序列反向重復序列的兩條鏈，其的兩條鏈，其 堿基序列一樣。堿基序列一樣。 有時兩個反向重復的有時兩個反向重復的DNADNA序列不一定鄰接，中間序列不一定鄰接，中間 可以夾雜一些非重復的可以夾雜一些非重復的DNADNA序列，稱為間斷的反向序列，稱為間斷的反向 重復序列。重復序列。 反向重復序列占人類基因組的反向重復序列占

35、人類基因組的5%5%，主要位于基，主要位于基 因調(diào)控區(qū)。因調(diào)控區(qū)。 2）反向重復序列）反向重復序列 又稱為又稱為回文結(jié)構回文結(jié)構 l 較短的回文結(jié)構常作為一種特別信號，如限制較短的回文結(jié)構常作為一種特別信號，如限制 性內(nèi)切酶的性內(nèi)切酶的識別位點識別位點； l 較長的回文結(jié)構其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物易形成發(fā)夾結(jié)構，較長的回文結(jié)構其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物易形成發(fā)夾結(jié)構， 在在DNA中可能形成十字形結(jié)構。中可能形成十字形結(jié)構。 5 GGAATCGATCTT AAGATCGATTCC 3 3 CCTTAGCTAGAA TTCTAGCTAAGG 5 注意：注意： 每個重復序列長約每個重復序列長約150300bp，在單倍體基因組中重

36、復，在單倍體基因組中重復 30萬萬50萬次。可作為天然的萬次?？勺鳛樘烊坏倪z傳標志遺傳標志。 （2 2）中度中度重復序列重復序列： 拷貝數(shù)小于拷貝數(shù)小于106，多為，多為103104。每個重復序列為數(shù)百至。每個重復序列為數(shù)百至 幾千個堿基對大小，分布于單拷貝的幾千個堿基對大小，分布于單拷貝的DNA大片段之間。大片段之間。 1）短散在核元件）短散在核元件 2）長散在核元件）長散在核元件 重復片段長度可長達重復片段長度可長達35005000bp，分散（或分布）于，分散（或分布）于 整個基因組的不同部位。整個基因組的不同部位。 （3）單單拷貝序列：拷貝序列： 單拷貝序列在整個基因組中僅出現(xiàn)一次或少數(shù)

37、幾次，單拷貝序列在整個基因組中僅出現(xiàn)一次或少數(shù)幾次， 在人類基因組中有在人類基因組中有60%65%的的DNA序列是單拷貝序列是單拷貝 的。的。 rRNA、tRNA、組蛋白免疫球蛋白、組蛋白免疫球蛋白 是指一組結(jié)構類似、功能相關、核苷酸序列又有同源性的基是指一組結(jié)構類似、功能相關、核苷酸序列又有同源性的基 因。家族成員在核酸序列上的同源性提示它們是由同一個祖先因。家族成員在核酸序列上的同源性提示它們是由同一個祖先 基因進化而來的?；蜻M化而來的。 l 多基因家族是真核生物基因組織中最顯著的特征之一。多基因家族是真核生物基因組織中最顯著的特征之一。 多基因家族分類多基因家族分類 一類是編碼一類是編

38、碼RNA的的 一類是編碼蛋白質(zhì)的一類是編碼蛋白質(zhì)的 串聯(lián)重復基因串聯(lián)重復基因 在不同染色體上分散排列在不同染色體上分散排列 (如干擾素、珠蛋白、生長激素如干擾素、珠蛋白、生長激素) 按基因的終產(chǎn)物分按基因的終產(chǎn)物分 在基因組中的分布在基因組中的分布 基因家族同源性程度基因家族同源性程度 核酸序列相同核酸序列相同 核酸序列高度同源核酸序列高度同源 超超基因家族基因家族 假基因假基因 3.3.基因家族基因家族 基因串聯(lián)排列在同一條染色體上，形成基因簇基因串聯(lián)排列在同一條染色體上，形成基因簇 (gene cluster)(gene cluster)，每個重復的基因單元間由非轉(zhuǎn)錄，每個重復的基因單元間

39、由非轉(zhuǎn)錄 的間隔區(qū)分開。如的間隔區(qū)分開。如rRNArRNA、tRNAtRNA、組蛋白基因，它們、組蛋白基因，它們 的表達產(chǎn)物是為細胞所大量需要的。的表達產(chǎn)物是為細胞所大量需要的。 rRNA基因基因28S、18S、5.8S構成一重復單位；構成一重復單位； 同種的同種的tRNA串聯(lián)在一起，形成串聯(lián)在一起，形成基因簇基因簇； 組蛋白組蛋白H1、H2A、H2B、H3、H4串聯(lián)在一起串聯(lián)在一起 形成一個重復單位，多個重復單位再串聯(lián)。形成一個重復單位，多個重復單位再串聯(lián)。 （1 1）核酸序列相同或幾乎相同）核酸序列相同或幾乎相同 如：干擾素（三種，如：干擾素（三種，、基因）基因） 珠蛋白（珠蛋白（ 和和

40、兩類基因族）、兩類基因族）、 生長激素（三種基因）生長激素（三種基因） 它們均在不同染色體上分散排列。它們均在不同染色體上分散排列。 （3 3）超基因家族）超基因家族 是由基因家族與單基因組成的較大的基因家族。是由基因家族與單基因組成的較大的基因家族。 超基因家族的結(jié)構有不等的同源性，雖然它們超基因家族的結(jié)構有不等的同源性，雖然它們 起源于相同的祖先基因，功能卻并不相同。起源于相同的祖先基因，功能卻并不相同。 如：免疫球蛋白超基因家族。如：免疫球蛋白超基因家族。 （2 2）核酸序列高度同源：）核酸序列高度同源： （4 4）假基因）假基因 是指基因家族中那些不產(chǎn)生有功能基因產(chǎn)物的一是指基因家族中

41、那些不產(chǎn)生有功能基因產(chǎn)物的一 類基因，用類基因，用表示。表示。 假基因的核苷酸序列與相應的活性基因極為相假基因的核苷酸序列與相應的活性基因極為相 似，即假基因與相應的基因是同源的。似，即假基因與相應的基因是同源的。 假基因可能是一種進化遺跡，提示基因組不斷經(jīng)假基因可能是一種進化遺跡，提示基因組不斷經(jīng) 歷著改變。歷著改變。 4 4 線粒體基因組線粒體基因組 核外染色體核外染色體 每個線粒體內(nèi)含有每個線粒體內(nèi)含有210個線粒體個線粒體DNA （mitochondrial DNA， mtDNA） 全長全長1659bp，編碼，編碼37個基因個基因 基基 因因 組組 學學 第三節(jié)第三節(jié) 一、基因組概述一

42、、基因組概述 即即：human genome projecthuman genome project，HGPHGP （一）結(jié)構基因組學（一）結(jié)構基因組學 人類基因組計劃：人類基因組計劃： 一個細胞所包含一個細胞所包含DNA結(jié)構的一整套基因，結(jié)構的一整套基因， 即記錄基因組全部即記錄基因組全部DNA序列。序列。 人類基因組計劃研究的內(nèi)容：人類基因組計劃研究的內(nèi)容： 1 1、遺傳圖譜、遺傳圖譜 2 2、物理圖譜、物理圖譜 3 3、序列圖譜、序列圖譜 4 4、轉(zhuǎn)錄圖譜、轉(zhuǎn)錄圖譜 n 核心內(nèi)容是繪制四張圖譜：核心內(nèi)容是繪制四張圖譜： 又稱基因又稱基因連鎖圖連鎖圖或染色體圖。是以具有多態(tài)性的遺或染色體圖

43、。是以具有多態(tài)性的遺 傳標記為界標，以遺傳學距離為圖距的基因組圖。傳標記為界標，以遺傳學距離為圖距的基因組圖。 通過計算在細胞減數(shù)分裂過程中，由于同源染色體通過計算在細胞減數(shù)分裂過程中，由于同源染色體 間交換所導致的遺傳標記間發(fā)生重組的頻率，來確定間交換所導致的遺傳標記間發(fā)生重組的頻率，來確定 這兩個標記在染色體上相對位置的圖譜。這兩個標記在染色體上相對位置的圖譜。 1.1.遺傳圖遺傳圖 是以一段已知的特異是以一段已知的特異DNA序列為界標，以序列為界標，以MbMb或或kbkb為為 圖距所展示的基因組圖。它能反映生物基因組中基因或標圖距所展示的基因組圖。它能反映生物基因組中基因或標 記間的實際

44、距離。記間的實際距離。 這段已知的特異這段已知的特異DNA序列稱為序列標記位點，序列稱為序列標記位點， Sequence tagged site，STS。 2.2.物理圖物理圖 3.3.序列圖序列圖 4.4.轉(zhuǎn)錄圖轉(zhuǎn)錄圖 最高層次和最詳盡的物理圖，獲得人類最高層次和最詳盡的物理圖，獲得人類 全基因組的序列圖譜。全基因組的序列圖譜。 cDNA圖譜或表達序列標記圖譜，是一種以圖譜或表達序列標記圖譜，是一種以 表達序列標簽為表達序列標簽為“位標位標”繪制的分子遺傳圖。繪制的分子遺傳圖。 （二）功能基因組學（二）功能基因組學 后后功能基因組學，基因組功能基因組學，基因組動態(tài)動態(tài)的生物學功能的研究。的生

45、物學功能的研究。 蛋白質(zhì)組、轉(zhuǎn)錄組、代謝組、癌基因組、疾病基因蛋白質(zhì)組、轉(zhuǎn)錄組、代謝組、癌基因組、疾病基因 組、藥物基因組、環(huán)境基因組、行為基因組等。組、藥物基因組、環(huán)境基因組、行為基因組等。 （三）比較基因組學（三）比較基因組學 在基因組層次上，比較不同基因組之間的異同。在基因組層次上，比較不同基因組之間的異同。 對于人類的健康、疾病的診斷、預防和個體化治療對于人類的健康、疾病的診斷、預防和個體化治療 都是很重要的。都是很重要的。 不同的人種、族群、群體、以及不同的個體等。不同的人種、族群、群體、以及不同的個體等。 （四）藥物基因組學（四）藥物基因組學 藥物基因組學是主要以闡明藥物代謝、藥物

46、轉(zhuǎn)運和藥物藥物基因組學是主要以闡明藥物代謝、藥物轉(zhuǎn)運和藥物 靶分子的基因多態(tài)性與藥物作用包括療效和毒副作用之間靶分子的基因多態(tài)性與藥物作用包括療效和毒副作用之間 關系的一門科學，是一門新興的研究領域。關系的一門科學，是一門新興的研究領域。 1.藥物基因組學研究的分子基礎藥物基因組學研究的分子基礎： 藥物代謝酶的多態(tài)性；藥物代謝酶的多態(tài)性； 藥物轉(zhuǎn)運蛋白的多態(tài)性；藥物轉(zhuǎn)運蛋白的多態(tài)性； 藥物作用靶點的多態(tài)性。藥物作用靶點的多態(tài)性。 是基因的多態(tài)性，包括：是基因的多態(tài)性，包括： 藥物基因組學是以提高藥物的療效及安全性為目標，藥物基因組學是以提高藥物的療效及安全性為目標， 研究影響藥物吸收、轉(zhuǎn)運、代謝、消除等個體差異的基研究影響藥物吸收、轉(zhuǎn)運、代謝、消除等個體差異的基 因特性，并根據(jù)不同病人的基因差異選擇更加科學優(yōu)化因特性，并根據(jù)不同病人的基因差異選擇更加科學優(yōu)化 的治療方案與劑量，以此為平臺開發(fā)新藥，最終達到藥的治療方案與劑量，以此為平臺開發(fā)新藥，最終達到藥 物治療