醫(yī)學(xué)第五章人類遺傳分子學(xué)基礎(chǔ)

1、第四章 人類遺傳的分子基礎(chǔ) 核酸的結(jié)構(gòu)、功能；基因、基因突變的類型 DNA and RNA are molecular repositories of genetic information. When?Who?What? 1868F. MiescherDiscovery of “nuclein” (核素) 1889R. AltmannFirst use of the name “nucleic acid” 1940sChargaffChargaffs rules 1944O.T. Avery et al.First evidence that DNA is the bearer of gen

2、etic infomation 1952J. Watson & F. CrickDNA double helix model (DNA雙螺旋模型) 1958F. Crick“Central dogma” ( 中心法則) 1970sDNA recombinant technology (DNA重組技術(shù)) 1981T. CechRibozyme (核酶) 1986H. DulbeccoHuman Genome Project (人類基因組計(jì)劃) History of the nucleic acid research (核酸研究的歷史) 基因的本質(zhì) DNA（RNA） ? 1928年英國(guó)細(xì)菌學(xué)家Fr

3、cdrick Griffith利用肺類雙球菌 (Streptcoccus pneumoniae )的光滑型（有莢膜，毒性強(qiáng)，可引 起動(dòng)物發(fā)生肺炎，簡(jiǎn)稱S型）和粗糙型（無(wú)莢膜，不引起疾 病，簡(jiǎn)稱R型）分別給小鼠注射，S型使小鼠死亡，R型不使 小鼠致死；若將S型加熱殺死再注入小鼠體內(nèi)，小鼠不死； 若將加熱殺死后的S型與R型混合，并給小鼠注入，則小鼠死 亡并在小鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)S型。他們的結(jié)論是：可能是死細(xì)菌中 的某一成分（轉(zhuǎn)化源,transforming principle）將無(wú)致病能力的 細(xì)菌轉(zhuǎn)化為病原細(xì)菌。 ? 1944年，美O.T. Avery等為了尋找導(dǎo)致細(xì)菌轉(zhuǎn)化的原因，他們 發(fā)現(xiàn)從S 型肺炎球

4、菌中提取的DNA與R型肺炎球菌混合后， 能使某些R型菌轉(zhuǎn)化為S型菌，且轉(zhuǎn)化率與DNA純度呈正相關(guān)， 若將DNA預(yù)先用DNA酶降解，轉(zhuǎn)化就不發(fā)生。結(jié)論是:S型菌 的DNA將其遺傳特性傳給了R型菌，DNA就是遺傳物質(zhì)。從 此核酸是遺傳物質(zhì)的重要地位才被確立，人們把對(duì)遺傳物質(zhì) 的注意力從蛋白質(zhì)移到了核酸上。 The Avery- MacLeod- McCarty experiment (1944) DNA stores genetic information ? 1952年美國(guó)冷泉港卡內(nèi)基遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)室 的Hershey及其學(xué)生Chase利用噬菌體同位 素標(biāo)記感染實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步證明了DNA是 遺傳物質(zhì)（

5、如圖8-3-2，8-3-3）。他們將 噬菌體外殼的蛋白質(zhì)用35S標(biāo)記，核酸用 32P標(biāo)記，結(jié)果進(jìn)入宿主細(xì)胞能復(fù)制的是 32P標(biāo)記的核酸，35S蛋白質(zhì)外殼留在宿主 細(xì)胞的外面。 The Hershey-Chase experiment (1952) ? 1956年德國(guó)科學(xué)家Fraenkel-Conrot將煙 草花葉病病毒的蛋白質(zhì)和RNA分別提取 出來(lái)，分別涂抹在健康的煙草葉子上， 結(jié)果只有涂抹RNA的葉片的病，而涂抹 蛋白質(zhì)組分的葉片不得病。這就證明在 不具有DNA的病毒中，RNA是遺傳物 質(zhì)。 ? 1953年,Watson和Crick以非凡的洞察力, 得出了DNA 的分子模型-DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)

6、模型，是分子遺傳學(xué)誕 生的標(biāo)志。 ? 提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)： (1)Chatgaff 對(duì)DNA堿基組成的研究結(jié)果 1949-1951年間，Chatgaff應(yīng)用紫外分光光度法結(jié)合 紙層析等技術(shù)，對(duì)不同來(lái)源的 DNA進(jìn)行了堿基定量 分析, 得出了組成DNA的四種堿基的比例關(guān)系。從中 可發(fā)現(xiàn)堿基組成的共同規(guī)律。 這些發(fā)現(xiàn)不僅為DNA 能攜帶遺傳信息的論點(diǎn)提供了依據(jù)，而且為 DNA 結(jié) 構(gòu)模型中的堿基配對(duì)原則奠定了基礎(chǔ)。 (2)Wilkins及其同事Franklin等用X射線衍射方法獲得 的DNA結(jié)構(gòu)資料。這些資料對(duì) Watson和Crick構(gòu)建 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型起了關(guān)鍵性作用。 第一節(jié)

7、核酸的結(jié)構(gòu)、特性和功能 ? 核酸的化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu) 1、核酸的化學(xué)組成：C、H、O、N、P 9%10% 核酸核苷酸核苷+磷酸 （脫氧）核糖堿基（CG, AT） （DNA）RNA (C G,AU) 1)Nitrogenous bases (堿基) 2)Pentoses (戊糖) 3)Nucleosides (核苷) 4)Nucleotides (核苷酸) 5)Nucleic acids (核酸) Compositions of nucleic acids (核酸的組成) Nucleic acid (核酸 核酸) Nucleotide (核苷酸) Nucleoside (核苷) Phosphat

8、e (磷酸) Base (堿基) Pentose (戊糖) 2、核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu) ? 組成DNA的脫氧核糖核酸： dAMP、dGMP、dCMP、dTMP ? 組成RNA的核糖核酸： AMP、GMP、CMP、UMP 脫氧核糖核苷酸 核糖核苷酸 腺嘌呤脫氧核苷酸 腺嘌呤核苷酸 Ribonucleotides and deoxyribonucleotides (核苷酸和脫氧核苷酸) DNA RNA 3、核酸的高級(jí)結(jié)構(gòu) ? 二級(jí)結(jié)構(gòu)：DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu) ? 三級(jí)結(jié)構(gòu)：DNA超螺旋化結(jié)構(gòu) ? RNA Watson & Cricks double helix model: ?Two helical DNA

9、 chains wound around the same axis to form a right-handed double helix. (兩條 DNA鏈繞同一中心軸成右手雙螺旋) ?The two DNA strands: ?Held by H-bonds formed between specific base pairs (兩條DNA鏈靠彼此堿基間所成氫 鍵結(jié)合) ?Complementary (兩條DNA鏈互補(bǔ)) ?Antiparallel (兩條DNA鏈反向平行) ?3.4 nm/10 base pairs for each complete turn (3.6 nm/10.5

10、 pairs) (每旋轉(zhuǎn)一周有10個(gè)核苷酸，螺 距3.4 nm) 5 53 3 Watson & Cricks double helix model (DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型) Watson and Cricks model was postulated based on: ? Chargaffs rule: A = T, G = C, A+G = T+C ? Franklin and Wilkins X-ray diffraction studies on the structure of DNA fibers: helical, 3.4 nm Mechanism for the tran

11、smission of genetic information (遺傳信息 的傳遞機(jī)理): a) Separating the two strands (兩股DNA單鏈分開(kāi)) b) Synthesizing a complementary strand for each (每股DNA單鏈作為母 鏈各合成出一條與之互補(bǔ) 的子鏈) Watson & Cricks double helix model (DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型) 核酸的特性和功能 ? 特性：化學(xué)穩(wěn)定性、高度復(fù)雜性、 自我復(fù)制性、可變異性。 （半保留復(fù)制） ? 功能：儲(chǔ)存和傳遞遺傳信息 中心法則：DNA RNA Protein Nu

12、cleic acids (核酸) DNA RNA Storage and transmission of biological information (儲(chǔ)存和傳遞生物信息) rRNA (核糖體RNA) mRNA (信使RNA) tRNA (轉(zhuǎn)移RNA) Structural components of ribosomes (核糖體的結(jié)構(gòu)成分) Carrying genetic information from genes to ribosomes (把遺傳信息從 基因運(yùn)到核糖體) Translating the information in mRNA into a specific sequ

13、ence of amino acids (把mRNA的信息轉(zhuǎn)譯 成氨基酸序列) Functions of nucleic acids (核酸的作用) 第二節(jié)基因 ? 概念 基因是具有特定功能的DNA序列，是染 色體DNA或線粒體DNA上的特定指導(dǎo)合 成RNA的DNA區(qū)段。 一個(gè)基因是編碼一條多肽鏈或功能RNA所 必需的全部核苷酸序列。 基因概念及發(fā)展 ?1909年丹麥遺傳學(xué)家W.Johansen將孟德?tīng)柕逻z傳因子更名為基因(gene)。 從1910年到1925年摩爾根利用果蠅做研究材料，證明基因是在染色體上呈 直線排列的遺傳單位。1941年George Beadle和Edwand Tatum通

14、過(guò)對(duì)粗糙脈 孢霉?fàn)I養(yǎng)缺陷型的研究， 他們認(rèn)為基因決定或編碼一個(gè)酶，提出了“一 個(gè)基因一個(gè)酶”的學(xué)說(shuō)。1957年S. Benzer用大腸桿菌T4噬菌體為材料，在 DNA分子結(jié)構(gòu)水平上，通過(guò)互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)， 分析了基因內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)，提 出順?lè)醋?cistan)的概念。證明基因是DNA分子上的一個(gè)特定區(qū)段，其功 能是獨(dú)立的遺傳單位，并提出了一個(gè)順?lè)醋右粭l多肽鏈的概念， 然而實(shí) 際情況并不是每條多肽鏈都能在互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)中被檢測(cè)出來(lái)。在一段特定 DNA片段內(nèi)可能有許多突變點(diǎn)，突變后可以產(chǎn)生出變異的最小單位 突變子(muton)。這些突變位點(diǎn)之間可以發(fā)生重組，故一個(gè)基因內(nèi)可能含 有多個(gè)重組單位，是不能由重組再分開(kāi)

15、的最小單位，又稱為重組子(recon)。 理論上講，基因的內(nèi)部每一對(duì)核苷酸的改變即可導(dǎo)致一個(gè)突變的發(fā)生，每 兩個(gè)核苷酸之間就可以發(fā)生重組。順?lè)醋訉W(xué)說(shuō)的提出，把基因具體化為 DNA分子上特定的一段順序，即負(fù)責(zé)編碼特定的遺傳信息的功能單位， 也就是順?lè)醋樱鋬?nèi)部包含突變和重組單位。 基因的化學(xué)本質(zhì)和組織形式 ? 化學(xué)本質(zhì)：具有一定功能的一段DNA序列。 ? 生物學(xué)本質(zhì)：遺傳信息的基本單位，其功能 就是決定性狀。 ? 組織形式：?jiǎn)慰截愴樞?、中等重?fù)順序、高 重復(fù)順序 基因的結(jié)構(gòu) ? 基因=轉(zhuǎn)錄區(qū) + 非轉(zhuǎn)錄區(qū)（調(diào)控基因表達(dá)） 外顯子 內(nèi)含子（切除） 啟動(dòng)子 增強(qiáng)子 翻譯區(qū) 非翻譯區(qū)（5-帽，3-AA

16、A尾） 基因的表達(dá) ? 遺傳信息從DNA RNA 蛋白質(zhì) 產(chǎn)生相應(yīng)的性狀 ? 這一過(guò)程包括基因轉(zhuǎn)錄、RNA加工、翻 譯等步驟 ? 基因轉(zhuǎn)錄：是指以DNA為模板合成單鏈 RNA的過(guò)程。 通過(guò)轉(zhuǎn)錄，遺傳信息轉(zhuǎn)移到了mRNA。 mRNA加工過(guò)程：不能直接作為模板翻譯成 蛋白質(zhì)，還需要加工和成熟過(guò)程。 ? 翻譯：以成熟mRNA 為模板，在核糖體上將 堿基序列轉(zhuǎn)變成氨基酸序列，形成多肽。 翻譯過(guò)后，遺傳信息再次轉(zhuǎn)移到蛋白質(zhì)。 基因表達(dá)過(guò)程：基因表達(dá)過(guò)程： 基因表達(dá)調(diào)控 ? 從DNA到蛋白質(zhì)的過(guò)程叫基因表達(dá) (gene expression)， 對(duì)這個(gè)過(guò)程的調(diào)節(jié)即為基因表達(dá)調(diào)控 (regulation o

17、f gene expression or gene control) 。 ? 基因表達(dá)調(diào)控主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 轉(zhuǎn)錄水 平上的調(diào)控； mRNA加工、成熟水平上的調(diào)控； 翻譯水平上的調(diào)控； ? 基因表達(dá)調(diào)控的指揮系統(tǒng)有很多種，不同生物使用 不同的信號(hào)來(lái)指揮基因調(diào)控。原核生物和真核生物 之間存在著相當(dāng)大差異。原核生物中，營(yíng)養(yǎng)狀況、 環(huán)境因素對(duì)基因表達(dá)起著十分重要的作用；而真核 生物尤其是高等真核生物中，激素水平、發(fā)育階段 等是基因表達(dá)調(diào)控的主要手段，營(yíng)養(yǎng)和環(huán)境因素的 影響則為次要因素。 基因突變 ? 遺傳物質(zhì)的改變：遺傳物質(zhì)本身發(fā)生了質(zhì)的變化， 導(dǎo)致生物性狀改變，成為突變 (mutation)

18、。廣義上講 的突變可分為染色體畸變 (chromosomal aberration, 包 括染色體數(shù)目或結(jié)構(gòu)改變 )和基因(DNA和RNA)的改 變，一般稱為點(diǎn)突變(point mutation)，狹義的突變單 指基因突變。 ? 基因突變：一個(gè)基因內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生細(xì)微改變，而且 這種變化可以遺傳下去，成為基因突變 (gene mutation)?；蛲蛔兪侨旧w上一個(gè)座位內(nèi)的遺傳物 質(zhì)的變化，故又稱點(diǎn)突變（ point mutation）?；蛲?變的發(fā)生和DNA復(fù)制、DNA損傷修復(fù)、癌變、衰老 等有關(guān)，基因突變是生物進(jìn)化的重要因素之一；基 因突變?yōu)檫z傳學(xué)研究提供突變型，為育種提供素材。 附：染色

19、體畸變 ?染色體的畸變：指染色體數(shù)目或結(jié)構(gòu)改變。 ?（一）染色體的數(shù)量畸變 絕大多數(shù)真核生物的體細(xì)胞內(nèi)含有2套染色體組，成為二倍體(2n)。 ?1、非整數(shù)畸變：體細(xì)胞染色體數(shù)目的變異是因配子中個(gè)別染色體的增減 為基礎(chǔ)的變異。主要類型有： (1)單體性(monosomy):（2n-1）, 某同源染色體少一條，絕大多數(shù)生物單體 型畸變不能成活。人類特納氏綜合癥(Turns syndrome)缺少一個(gè)X。 (2)缺體性(nullisomy)：（2n-2）， 缺失一對(duì)染色體，這類畸變的生物不能 存活，但癌細(xì)胞可能存活。 (3)三體性(trisomy)：（2n+1），某同源染色體多一條成為三條染色體的現(xiàn)

20、 象。Down綜合癥（21三體）、Edward三體綜合癥（18三體）和Patau氏綜 合癥(13三體)。 (4)多體性(polysomy):（2n+x）,某同源染色體的數(shù)目在三條以上的現(xiàn)象。 ?2、整數(shù)倍畸變 體細(xì)胞含2n以上整套染色體組的細(xì)胞為多倍體(ploidy chromosome)，包括 3n、4n。 多見(jiàn)于植物中，如無(wú)籽西瓜（3n），普通小麥為6n。 附：染色體畸變 ? （二）染色體結(jié)構(gòu)畸變 1、缺失(dificiency): 染色體少了某一片段，通 常是致死的，例如貓叫綜合癥。 2、重復(fù)(duplication)： 染色體上多出了一段， 例如貓眼綜合癥 3、倒位(inversion

21、)： 染色體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的順序發(fā) 生了顛倒，有臂間倒位和臂內(nèi)倒位兩種類型。 4、易位(translocation)： 染色體斷裂，斷裂片 斷接到了非同源染色體上的現(xiàn)象。如慢性粒細(xì) 胞白血病，是由于22號(hào)染色體中的一條染色體 長(zhǎng)臂斷裂，斷裂片段易到第 9號(hào)染色體中的一 條長(zhǎng)臂上。 基因突變及其對(duì)人類的影響 ? 基因突變的類型 ? 基因突變的特點(diǎn) ? 基因突變產(chǎn)生的后果 基因突變的類型（結(jié)構(gòu)基因改變） ? 基因突變的類型： （1）堿基置換突變：一對(duì)堿基的改變而造成的突變，嘌呤替代嘌 呤（A與G之間的相互替代）、嘧啶替代嘧啶（C與T之間的替代） 稱為轉(zhuǎn)換（transition），嘌呤變嘧啶或嘧啶變嘌呤則

22、稱為顛換 （transvertion）。 （2）移碼突變：在DNA的堿基序列中一對(duì)或少數(shù)幾對(duì)鄰接的核苷 酸的增加或減少，造成該位置后的一系列編碼發(fā)生了變化，稱 為移碼突變（frame shift mutation）。 缺失（deletion）:指DNA鏈上一個(gè)或一段核苷酸的消失。 插入（insertion）:指一個(gè)或一段核苷酸插入到DNA鏈中。在 為蛋白質(zhì)編碼的序列中如缺失及插入的核苷酸數(shù)不是3的整倍數(shù)， 則發(fā)生讀框移動(dòng)（reading frame shift），使其后所譯讀的氨基酸 序列全部混亂，稱為移碼突變（frame-shift mutaion）。 倒位或轉(zhuǎn)位（transposition

23、）：指DNA鏈重組使其中一段核苷 酸鏈方向倒置、或從一處遷移到另一處。 雙鏈斷裂：已如前述，對(duì)單倍體細(xì)胞一個(gè)雙鏈斷裂就是致死 性事件。 堿基突變類型（遺傳信息的改變） ? 同義突變：改變的堿基不影響所編碼的氨基酸， 改變前后的密碼子編碼同一氨基酸。 ? 錯(cuò)義突變：由于一對(duì)或幾對(duì)堿基對(duì)的改變而使翻 譯的氨基酸變成另外一種氨基酸。 ? 無(wú)義突變：由于一對(duì)或幾對(duì)堿基對(duì)的改變而使決 定某一氨基酸的密碼子變成終止子。 ? 終止密碼子突變：由于堿基突變終止密碼子 （UAA,UGA,UAG）成為編碼氨基酸的密碼子。 基因突變的特點(diǎn) 突變或誘變對(duì)生物可能產(chǎn)生 4種后果：致死性； 喪失某些功能；改變基因型（ g

24、enotype）而 不改變表現(xiàn)型（phenotye）；發(fā)生了有利于物 種生存的結(jié)果，使生物進(jìn)化。 ? 基因突變?cè)谏锝缙毡榇嬖?? 基因突變是隨機(jī)發(fā)生 ? 自然狀態(tài)下，基因突變頻率很低 ? 多數(shù)基因突變對(duì)生物體有害 ? 基因突變是不定向的 基因突變后果及其對(duì)人類的影響 ? 中性突變：同義突變 ? 分子病 ? 先天性代謝病 ? 惡性腫瘤 附：分子病 ? 分子病 （molecular disease ）由于遺傳上的原 因而造成的蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)或合成量的異常所 引起的疾病。蛋白質(zhì)分子是由基因編碼的，即 由脫氧核糖核酸（DNA）分子上的堿基順序決 定的。如果DNA分子的堿基種類或順序發(fā)生變 化，那么由

25、它所編碼的蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)就發(fā) 生相應(yīng)的變化，嚴(yán)重的蛋白質(zhì)分子異?？蓪?dǎo)致 疾病的發(fā)生。實(shí)際上任何由遺傳原因引起的蛋 白質(zhì)功能異常所帶來(lái)的疾病都是分子病，但習(xí) 慣上把酶蛋白分子催化功能異常引起的疾病歸 屬于先天性代謝缺陷而把除了酶蛋白以外的其 他蛋白質(zhì)異常引起的疾病稱為分子病。 ? 分子病這一名詞是1949年美國(guó)化學(xué)家LC波林 在研究鐮形細(xì)胞貧血癥時(shí)提出的，他發(fā)現(xiàn)患者的 異常血紅蛋白鏈N端的第6位的谷氨酸被纈氨酸所 替代并把它稱為血紅蛋白 S（HbS）。迄今已發(fā)現(xiàn) 的血紅蛋白異常達(dá)300多種，包括由于血紅蛋白分 子結(jié)構(gòu)異常導(dǎo)致的異常血紅蛋白病和血紅蛋白肽 鏈合成速率異常導(dǎo)致的血紅蛋白病如地中海貧血。 分子病除了血紅蛋白病以外，還有各種血漿白蛋 白異常、球蛋白異常、脂蛋白異常、銅藍(lán)蛋白異 常、轉(zhuǎn)鐵蛋白異常、補(bǔ)體異常、受體蛋白異常等。 誘發(fā)基因突變的因素： ? 常見(jiàn)的誘變劑有：物理誘變，如X射線、 紫外線、電離輻射等；化學(xué)誘變，如 苯、亞硝酸鹽等烷化劑、鹼基類似物、 修飾劑；生物誘變，如病毒。 損傷修復(fù) ? 細(xì)胞內(nèi)的DNA分子因物理、化學(xué)等多種 因素的作用使堿基組成或排列發(fā)生變化， 若這些變化都表現(xiàn)為基因突變，機(jī)體則 難以生存。然而生物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中， 細(xì)胞或機(jī)體形成了多種DNA損傷的修復(fù) 系統(tǒng)。DNA損傷修復(fù)(repair of DNA damage)