人類遺傳的分子基礎(chǔ),很全面很詳細(xì)~

1、第三章 人類遺傳物質(zhì)的分子根底第一節(jié) 核酸的結(jié)構(gòu)、特性和功能第二節(jié) 基因第三節(jié) 基因突變及對人類的影響【內(nèi)容要求】1掌握內(nèi)容：基因的概念、基因的突變概念、基因突變的種類2熟悉內(nèi)容：結(jié)構(gòu)基因的結(jié)構(gòu)、線粒體基因組3了解內(nèi)容：核酸的特性、人類基因組、基因的復(fù)制與表達(dá)、基因的突變結(jié)果第一節(jié) 核酸的結(jié)構(gòu)、特性和功能 一、核酸的化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)二、核酸的特性和功能 一、核酸的化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)1 核酸的化學(xué)組成核酸： 以核苷酸為單元構(gòu)成的多聚體，是一種高分子化合物。 五碳糖： 脫氧核糖、核糖核苷酸 磷酸 環(huán)狀的含氮堿基 鳥嘌呤、腺嘌呤 胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶 核糖 脫氧核糖 DNA 核苷酸 RNA 核

2、苷酸五碳糖：脫氧核糖 五碳糖：核糖堿基：A、T、C、G 堿基：A、U、C、G2 .核酸的分子結(jié)構(gòu) DNA的結(jié)構(gòu) 1953年Watson和Crick提出了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型 該模型認(rèn)為DNA分子由兩條相互平行而方向相反的多核苷酸鏈組成，雙螺旋結(jié)構(gòu)。螺旋的主鏈由位于外側(cè)的間隔相連的脫氧核糖和磷酸組成，雙螺旋的內(nèi)側(cè)由堿基構(gòu)成，堿基互補(bǔ)原那么 A-T相連， G-C相連 X射線下的DNA螺旋結(jié)構(gòu)RNA三維結(jié)構(gòu) 二、 DNA的主要功能 DNA的主要功能是儲存、復(fù)制和傳遞遺傳信息。 DNA分子中所攜帶的遺傳信息傳遞給后代細(xì)胞靠DNA復(fù)制來實(shí)現(xiàn)： DNA半保存復(fù)制semiconservative re

3、plication。 半保存復(fù)制示意圖 第二節(jié) 基因一、基因的概念二、基因的化學(xué)本質(zhì)及組織形式三、基因的結(jié)構(gòu)四、基因的表達(dá) 一、基因的概念 基因的概念隨著分子遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、生物化學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)展而不斷完善。從遺傳學(xué)角度看： 基因是生物的遺傳物質(zhì)，是遺傳的根本單 位-突變單位、重組單位和功能單位。從分子生物學(xué)角度看： 基因是負(fù)載著特定遺傳信息的DNA分子片段，在一定條件下能夠表達(dá)這種遺傳信息，執(zhí)行特定的生理功能。 一 基因的一般特性從分子水平看，基因有以下根本特性： 1.Gene自我復(fù)制-半保存復(fù)制 2.基因決定性狀： Protein GenemRNA enzyme 淘汰 3.Gene突變 生

4、物進(jìn)化 保存 遺傳病二 Gene類別 依其功能分為：1.結(jié)構(gòu)Gene-編碼蛋白和酶分子結(jié)構(gòu)；2.調(diào)控Gene-調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)基因表達(dá)；3.轉(zhuǎn)錄而不翻譯的Gene： rRNA GenerRNA核仁形成區(qū)， 核糖體組成。 tRNA GenetRNA轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸。 二、基因的化學(xué)本質(zhì)及組織形式一基因的化學(xué)本質(zhì) DNA序列二組織形式基因根據(jù)某一段核苷酸順序在DNA分子中出現(xiàn)的頻率不同可分以下幾種組織形式：1.單一序列DNA2.重復(fù)序列DNA 3.多基因家族4.基因簇Gene cluster1. 單一序列DNA單一序列DNA(unique sequence)占6065%，為單拷貝/單一序列，在基因組中只出現(xiàn)一次

5、或很少幾次，一般由8001000bp組成，構(gòu)成編碼蛋白和酶的基因，稱為結(jié)構(gòu)基因structure gene。人類基因組約含有33.5萬個(gè)結(jié)構(gòu)基因。其中一局部可以形成有幾個(gè)或幾十個(gè)拷貝的基因家族。單一序列常常被重復(fù)序列分割開來。 2. 重復(fù)序列DNA 重復(fù)序列(repetitive sequence指在基因組中有多個(gè)拷貝的DNA序列，30%，有些與染色體結(jié)構(gòu)有關(guān)，如：端粒(TAAGGG)n ，但大多數(shù)生物學(xué)功能有待研究。高度重復(fù)序列 衛(wèi)星DNA (2200bp,106108,10-30%) 反向重復(fù)序列 中度重復(fù)序列 短分散元件(short interspersing element, SINE

6、) 長分散元件(Long interspersing element ,LINE) 2.1高度重復(fù)序列 (2200bp,106108,10-30%) 衛(wèi)星DNA 反向重復(fù)序列 衛(wèi)星DNA (satellite DNA) 是指DNA在氯化銫CsCl密度梯度離心中，當(dāng)重復(fù)序列的GC與AT的比例有差異，GC的含量少于AT時(shí)，可在DNA 主峰旁形成一個(gè)伴隨峰，即衛(wèi)星DNA。 小衛(wèi)星 (6-25bp，串聯(lián)重復(fù)) 微衛(wèi)星(2-6bp， 串聯(lián)重復(fù))作用：構(gòu)成染色體的著絲粒、端粒、Y染色體長臂上的異染色質(zhì)區(qū)；高度重復(fù)序列不能轉(zhuǎn)錄，形成結(jié)構(gòu)基因的間隔；參與維持染色體的結(jié)構(gòu)，與減數(shù)分裂聯(lián)會有關(guān)。 2.1.2 反向

7、重復(fù)序列 反向重復(fù)序列 (inveted repeat sequence )是兩個(gè)順序相同的互補(bǔ)拷貝在同一條DNA 鏈上反向排列而成的，兩個(gè)互補(bǔ)拷貝可以形成鏈內(nèi)堿基互補(bǔ)配對，形成十字狀結(jié)構(gòu)，這是兩個(gè)互補(bǔ)序列之間有一段間隔序列所致。如果兩個(gè)互補(bǔ)序列之間沒有間隔， 而是 串聯(lián)，稱為回文結(jié)構(gòu) palindrome占5%。長約300bp，間隔12kb功能： 構(gòu)成終止子，參與結(jié)構(gòu)基因 的 調(diào)控。2.2中度重復(fù)序列中度重復(fù)序列 短分散元件(short interspersing element, SINE)長分散元件(Long interspersing element ,LINE) 短分散元件 (SIN

8、E)300500bp，105 如：Alu序列: 300bp，序列中含有一個(gè)Alu酶切位點(diǎn)AGG，能將其切為兩個(gè)片段，故稱 Alu序列。是人類基因組特有的含量豐富的中度重復(fù)序列，3050萬拷貝。功能： 可能與基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)有關(guān)； hnRNA的加工有關(guān)； DNA復(fù)制的啟動(dòng)有關(guān)。2.2.2 長分散元件LINE 50007000bp，102104如：Kpnl家族3. 多基因家族多基因家族multigene famly：是指由一個(gè)祖先基因經(jīng)過重復(fù)和變異所形成的一組基因。特點(diǎn)：微小差異，行使相同功能。 一條染色體上分布 幾條不同的染色體上4.基因簇Gene cluster 一個(gè)基因產(chǎn)生屢次拷貝，順序幾乎相

9、同，成簇地排列在一條染色體上，形成一個(gè)基因簇。 同時(shí)發(fā)揮作用，合成某些蛋白。如人HLA系統(tǒng)，7個(gè)連鎖基因座位分布于6p 。 ABCDDRDQDP 分布于幾條不同的染色體上 一個(gè)多基因家族中不同成員成簇分布于幾條不同的染色體上，編碼一組關(guān)系密切的蛋白。如：珠蛋白基因簇，5個(gè)相關(guān)基因，長800bp。16chr。 51213珠蛋白基因簇，6個(gè)相關(guān)基因，1700bp。11chr。 5A/G1-3 三、結(jié)構(gòu)基因的結(jié)構(gòu) 真核生物的結(jié)構(gòu)基因的DNA序列由編碼序列和非編碼序列兩局部組成，編碼序列是不連續(xù)的，被非編碼序列分割開來，稱為斷裂基因split gene。1、外顯子和內(nèi)含子2、側(cè)翼序列與調(diào)控序列 2.1

10、 啟動(dòng)子 2.2 增強(qiáng)子 2.3 終止子 1.外顯子和內(nèi)含子在結(jié)構(gòu)基因中，編碼序列稱為外顯子(exon)，表達(dá)多肽鏈局部。非編碼序列稱為內(nèi)含子(Intron)，又稱插入序列。珠蛋白 基因1700bp=3個(gè)外顯子+2個(gè)內(nèi)含子。DMD基因2300kb=79個(gè)外顯子+ 78 個(gè)內(nèi)含子。迄今認(rèn)識的最大的基因 外顯子和內(nèi)含子真核生物內(nèi)含子和外顯子 不是完全固定不變的，有時(shí)同一DNA 鏈上的某一段DNA序列，當(dāng)它作為編碼某一多肽鏈的基因時(shí)是外顯子，而作為編碼另一多肽鏈時(shí)，那么是內(nèi)含子。這樣，同一基因卻可以轉(zhuǎn)錄兩種或兩種以上的mRNA。真核生物某些結(jié)構(gòu)Gene沒有內(nèi)含子，如組蛋白Gene，干擾素Gene等。

11、它們多以基因簇形式存在，大多數(shù)的酵母結(jié)構(gòu)Gene也沒有內(nèi)含子。 5GTAG3 法那么 在每個(gè)外顯子和內(nèi)含子的接頭區(qū)都是一段高度保守的共有序列，內(nèi)含子的5 端是GT，3 端是AG，這種接頭方式稱為GT-AG法那么，普遍存在于真核生物中，是RNA剪接的識別信號，轉(zhuǎn)錄后的前體RAN中的內(nèi)含子剪接位點(diǎn)。2.側(cè)翼序列與調(diào)控序列 每個(gè)結(jié)構(gòu)基因的第一個(gè)和最后一個(gè)外顯子的外側(cè)，都有一段不被轉(zhuǎn)錄的非編碼區(qū)，稱為側(cè)翼序列Flanking sequence。 它是基因的調(diào)控序列，對基因的有效表達(dá)起調(diào)控作用，包括：啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、終止子等。2.1 啟動(dòng)子 啟動(dòng)子 Promoter是一段特定的核苷酸序列，位于Gene轉(zhuǎn)

12、錄起始點(diǎn)上游的100bp 范圍內(nèi)，是RNA聚合酶的結(jié)合部位，能促進(jìn)轉(zhuǎn)錄過程。Promoter決定DNA中的轉(zhuǎn)錄鏈。TATA框TATA Box是一段高度保守序列，7個(gè)bp，TATAA/ TAA/T，位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游2530 bp-3050。TATA框與轉(zhuǎn)錄因子TFII 結(jié)合，再與RNA 聚合酶II形成復(fù)合物，從而準(zhǔn)確地識別轉(zhuǎn)錄起始位置，對轉(zhuǎn)錄水平有定量效應(yīng)。CAAT框CAAT Box:是一段保守序列，9bp,GGC/TCAATAC, 位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游-70-80bp,轉(zhuǎn)錄因子CTF識別位點(diǎn)并與之結(jié)合，激活轉(zhuǎn)錄。GC框GC Box:順序?yàn)镚GCGGG,有兩個(gè)拷貝，位于CAAT Box兩側(cè)，與轉(zhuǎn)

13、錄因子SP1結(jié)合。SP1有鋅指區(qū)可以與DNA結(jié)合，在N端有激活轉(zhuǎn)錄的作用GC框有激活轉(zhuǎn)錄的功能。2.2 增強(qiáng)子增強(qiáng)子Enhancer包括啟動(dòng)子上游或下游的一段DNA序列，可以增強(qiáng)啟動(dòng)子發(fā)動(dòng)轉(zhuǎn)錄，提高轉(zhuǎn)錄效率。 特點(diǎn)：在任意位置都有效無方向性有組織特異性例如：Beta珠蛋白Gene增強(qiáng)子是由串聯(lián)重復(fù)的兩個(gè)72bp長的相同序列組成，位于轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)上游-1400bp或下游3300bp處，均可增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄效率活性200倍。增強(qiáng)子在轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的上下游一定范圍內(nèi)增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄效率。作用可以是53，也可以是35方向。 2.3 終止子終止子Terminator由一段回文序列以及特定的序列PolyA5-AATAAA-3組成

14、?；匚男蛄袨檗D(zhuǎn)錄終止號。PolyA為附加信號。終止子為反向重復(fù)序列，是RNA聚合酶停止工作的信號，反向重復(fù)序列轉(zhuǎn)錄后，可以形成發(fā)夾式結(jié)構(gòu)，并且形成一串U。發(fā)夾式結(jié)構(gòu)阻礙了RNA聚合酶的移動(dòng)。一串U與DNA模板中的A的結(jié)合不穩(wěn)定，從模板上脫落下來，終止轉(zhuǎn)錄。2.4 調(diào)控序列調(diào)控序列Regulator Sequence包括啟動(dòng)子，增強(qiáng)子和終止子均屬于基因的順式調(diào)控因子順式作用元件，是人類Gene組中的一些特殊序列，起調(diào)控基因表達(dá)的作用。反式作用元件：TFII、CTF、SP1。 四、Gene的復(fù)制與表達(dá)Gene的復(fù)制是以DNA的復(fù)制為根底的，或者說就是DNA復(fù)制。將遺傳信息準(zhǔn)確復(fù)制后分配到子細(xì)胞中去

15、。特點(diǎn)：1.半保存復(fù)制 證實(shí)：梯度密度離心，細(xì)胞遺傳學(xué)-SCE。2.半不連續(xù) 前導(dǎo)鏈：連續(xù)復(fù)制，早復(fù)制，快。 后隨鏈：不連續(xù)，晚復(fù)制，慢。RNA引物，崗崎片段， DNA-Ligase。3.復(fù)制方向 5-34.多個(gè)起點(diǎn) 形成復(fù)制子，雙向復(fù)制。 一中心法那么Central dogma Gene決定性狀，性狀是以蛋白質(zhì)形式表達(dá)的；遵循生命物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)根本規(guī)律-中心法那么。 1958年，Crick提出，1970年Baltimore和Ternin等修正補(bǔ)充。二 基因表達(dá)基因表達(dá)gene expression：是遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄生mRNA再經(jīng)翻譯生成蛋白質(zhì)的過程。1.轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工和修飾： 由RNA聚合酶催

16、化所形成的初始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，僅僅是mRNA的前體，必須經(jīng)過加工和修飾，才能形成有功能的mRNA。主要包括“加帽capping5端加“7-甲基鳥嘌吟核苷酸； “加尾tailing3端加“多聚腺苷酸 poly A和剪接 按GT-AG法那么將內(nèi)含子切除，再將外顯子由連接酶逐段連接起來，形成成熟的mRNA分子。轉(zhuǎn)錄及其加工過程 2.翻譯成蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄生成的mRNA轉(zhuǎn)移到核外的核糖體，被翻譯成蛋白質(zhì)。mRNA分子中，每三個(gè)相連的核苷酸組成一個(gè)三聯(lián)體，決定一個(gè)氨基酸或提供終止信號，這個(gè)三聯(lián)體稱為“密碼子4種堿基隨機(jī)組成43=64種密碼子 兼并性 共有64個(gè)遺傳密碼 UAA UGA 為終止密碼 UAG AUG 為

17、起始密碼三聯(lián)體密碼子1肽鏈延長，2終止 UAA、UAG、UGA，3加工：多肽蛋白/酶原-生物活性 3.翻譯后加工postranslational processing 胰島素的加工 Insulin processing；4翻譯后加工postranslational processing 三外顯子與內(nèi)含子表達(dá)過程中的相對性 小鼠的淀粉酶基因?yàn)槔?E1 I1 E2 I2 E3 I3 E4 肝淀粉酶基因 E2 I2 E3 I3 E4 唾液腺淀粉酶gene: 50bp E3 I3 E4四同一基因在不同組織能生成不同的基因產(chǎn)物 基因突變Gene mutation: 是指基因組DNA分子某些堿基或序列發(fā)生

18、改變。 生物進(jìn)化的根底Gene突變 產(chǎn)生新的基因 遺傳病產(chǎn)生的原因第三節(jié) 基因突變及對人類的影響 DNA分子結(jié)構(gòu)的改變DNA分子中的一個(gè)或一對堿基的改變，稱為點(diǎn)突變point mutant。涉及多個(gè)堿基突變?nèi)笔?、重?fù)、插入。攜帶突變Gene的細(xì)胞或個(gè)體，稱為突變體mutant。未突變Gene的細(xì)胞或個(gè)體，稱為野生型Wild type。突變熱點(diǎn) (Hot spots of mutation)：DNA分子中某些部位的突變頻率大大高于平均數(shù)，這些部位稱為突變熱點(diǎn)。 編碼序列突變發(fā)生于 啟動(dòng)子區(qū) 遺傳病的發(fā)生 剪接區(qū) 內(nèi)含子區(qū)一、突變類型 1. 堿基替換點(diǎn)突變，Point mutation 2. 插入

19、和缺失 insertion and deletion 3. 動(dòng)態(tài)突變 Dynamic mutation 1.堿基替換堿基替換:指DNA分子中一個(gè)堿基被另一個(gè)不同的堿基所替換。 轉(zhuǎn)換：嘌呤 嘌呤，嘧啶 嘧啶 顛換：嘌呤 嘧啶堿基替換導(dǎo)致mRNA中密碼子的改變，多肽鏈中氨基酸發(fā)生影響，可能出現(xiàn)幾種不同的效應(yīng)： 1) 同義突變 同義突變 Synonymous mutation ：由于密碼子具有兼并性，單個(gè)堿基置換后密碼子所編碼的是同一種氨基酸 ，表型不改變。正常 AGT CAG CAG CAG TTT TTA CGT AAC CCG DNA Met Gln Gln Gln Phe Leu Arg A

20、sn Pro 同義突變 亮 AGT CAG CAG CAG TTT TTG CGT AAC CCG DNA Met Gln Gln Gln Phe Leu Arg Asn Pro 亮2 ) 錯(cuò)義突變 錯(cuò)義突變 Missense mutation ：DNA分子中的堿基置換后，形成新的密碼子，從而導(dǎo)致所編碼的氨基酸發(fā)生改變，產(chǎn)生活性降低、無活性或無功能的蛋白質(zhì)。正常 AGT CAG CAG CAG TTT TTA CGT AAC CCG DNA Met Gln Gln Gln Phe Leu Arg Asn Pro 錯(cuò)義突變 亮 AGT CAG CAG CAG TTT TCA CGT AAC CC

21、G DNA Met Gln Gln Gln Phe Ser Arg Asn Pro 絲3 無義突變當(dāng)DNA分子中的一個(gè)編碼A A的密碼子突變終止密碼，使多肽鏈的合成終止。合成的多肽鏈變短。 4) 終止密碼突變 終止密碼突變(termination codon mutation):當(dāng)DNA分子中的一個(gè)終止密碼發(fā)生突變編碼A A的密碼子，使多肽鏈的合成繼續(xù)進(jìn)行下去，一直延長至下一個(gè)終止密碼子時(shí)停止，產(chǎn)生 延長的異常多肽鏈，稱延長突變elongation M。5) 抑制基因突變 抑制基因突變 (suppressor gene mutation): Gene內(nèi)部不同位置上的不同堿基發(fā)生了兩次突變，其中

22、一次抑制了另一次突變的遺傳效應(yīng)， 如：血紅蛋白病單純6谷氨酸纈氨酸 產(chǎn)生Hbs病，致死。同時(shí)6谷氨酸纈氨酸、73天冬氨酸天冬酰胺，產(chǎn)生Hb Harlem，臨床病癥輕，原因是73突變抑制了6的突變效應(yīng)。2. 插入和缺失 1)移碼突變 DNA編碼序列中插入增加或缺失一個(gè)或幾個(gè)堿基，其下游閱讀框發(fā)生改變，導(dǎo)致氨基酸順序及蛋白質(zhì)異?；驘o活性，稱為移碼突變。正常 AGT CAG CAG CAG TTT TTA CGT AAC CCG DNA Met Gln Gln Gln Phe Leu Arg Asn Pro 移碼突變一個(gè)堿基缺失) AGT CAG CAG CAG TTT TAC GTA ACC CG

23、T DNA Met Gln Gln Gln Phe Tyr Val Thr Argloss2) 整碼突變(codon mutation) 是指DNA鏈的密碼之間插入或缺失一個(gè)或幾個(gè)密碼子，導(dǎo)致肽鏈增加了或減少一個(gè)或幾個(gè)氨基酸，但插入或缺失點(diǎn)以后的氨基酸序列不變，稱整碼突變或稱密碼子插入或缺失。如：AAG GAC CCG GCG - 正常密碼 子順序 AAG GAC AAA CCG GCG-插入 AAG GAC GCG- 缺失3. 動(dòng)態(tài)突變動(dòng)態(tài)突變:鄰近基因或位于基因序列中的三核苷酸重復(fù)拷貝數(shù),在一代代傳遞過程中會發(fā)生明顯的增加，如(CGG)n、(CAG)n等，從而使導(dǎo)致某些遺傳病的發(fā)病。該突變可遺傳