緒論、基因、基因組課件

緒論、基因、基因組分子生物學(xué)（molecularbiology)

是從分子水平研究生命現(xiàn)象、生命本質(zhì)、生命活動及其規(guī)律的科學(xué)。

醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)（medicalmolecularbiology）

是研究人體及人類疾病相關(guān)生物的生物大分子的結(jié)構(gòu)、功能、相互作用及其同疾病發(fā)生、發(fā)展的關(guān)系，是從分子水平開展人類疾病的預(yù)防、診斷和治療研究的科學(xué)。研究對象

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核酸

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蛋白質(zhì)一、醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)的定義及其研究對象二、醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)發(fā)展過程中的重要事件

1956年，第一次將一種疾病的發(fā)病機制確認為一個分子的一個特定改變。如鐮狀細胞貧血

1959年鑒定出第一個染色體病——Down綜合征

1961年第一次對新生兒代謝缺陷作出診斷。如苯丙酮酸尿癥

1972年第一個重組DNA分子在實驗室制造成功。

1976年發(fā)現(xiàn)癌基因。

1978年美籍華裔KanYM第一次利用DNA多態(tài)性與致病基因的關(guān)聯(lián)性，成功地對鐮狀細胞貧血進行了產(chǎn)前診斷。三、醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)的現(xiàn)狀與未來人類基因組學(xué)、功能基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)1.對各種疾病發(fā)生發(fā)展的分子機制的認識會有相當(dāng)大的進步；新的診斷方法將為疾病的轉(zhuǎn)歸、預(yù)后及疾病在個體發(fā)生的風(fēng)險性作出預(yù)測；在疾病的治療方面：新藥物的發(fā)現(xiàn)和開發(fā)；個體的最佳用藥方案；新基因工程藥物和疫苗；基因治療；細胞分化和器官形成——器官置換四、醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)主要內(nèi)容生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能基因組的結(jié)構(gòu)與功能基因的復(fù)制、表達、調(diào)控細胞通訊與細胞內(nèi)信號傳導(dǎo)；基因工程的各種技術(shù)體系（克隆、測序、雜交、PCR、轉(zhuǎn)基因、DNA芯片）基因與疾病基因診斷與基因治療Thecentraldogma

ofmolecularbiology一、基因與“遺傳因子”對遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)的認識有個發(fā)展過程，孟德爾（G.Menodel）在1857～1864年以豌豆為材料進行雜交實驗的研究中,提出“遺傳因子”決定和控制著生物體的各種性狀。1909年丹麥生物學(xué)家W.Johannsen為了強調(diào)“遺傳因子”與生命的關(guān)系,他根據(jù)希臘“給予生命”之義的詞“gene”（基因）創(chuàng)造性地用“gene”這個術(shù)語來代替“遺傳因子”?；蜻@個詞當(dāng)時被用來描述遺傳性狀，但對基因的物質(zhì)概念還未能認識，只是遺傳的一個符號。二、基因與染色體1910年～1926年,美國的摩爾根（T.H.Morgan）選用果蠅做研究材料，發(fā)現(xiàn)了基因連鎖和交換現(xiàn)象，創(chuàng)立了遺傳的染色體理論（Chromosomoltheoryofinheritance），繪制了基因連鎖圖,接受了孟德爾的遺傳原理,指出遺傳物質(zhì)必須由某種獨立的要素組成,即遺傳因子或叫做基因。從而證明了基因是位于染色體上呈直線按順序排列的遺傳單位，基因是攜帶遺傳信息的結(jié)構(gòu)單位，又是控制遺傳性狀的功能單位。摩爾根果蠅雜交試驗有4對染色體，一對小粒狀，2對V形，一對呈棒狀XX或XY（性染色體）

X1X2（紅眼）+XWY（白眼）（野生型）（突變型）雜交子一代（雌雄均為紅眼）

X1XW，X1Y，X2XW，X2YX1X1，X1Y，XWX1，XWY，X2X1，X2Y，XWX2，XWY?為紅眼雄性及白眼雄性四、基因與DNA1928年美國O.T.Avery首次證明了控制遺傳特性的物質(zhì)是DNA,而不是蛋白質(zhì),染色體上的基因為DNA分子。1953年J.watson和F.Crick根據(jù)堿基配對規(guī)律和DNA分子的X射線衍射圖譜等實驗,提出了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)。1958年證明了DNA半保留復(fù)制和DNARNA蛋白質(zhì)合成的中心法則（如圖）。Thecentraldogma

ofmolecularbiology5335模板鏈編碼鏈編碼鏈模板鏈結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向遺傳學(xué)將編碼一個多肽的遺傳單位稱為順反子(cistron)。原核細胞中數(shù)個結(jié)構(gòu)基因常串聯(lián)為一個轉(zhuǎn)錄單位，轉(zhuǎn)錄生成的mRNA可編碼幾種功能相關(guān)的蛋白質(zhì)，為多順反子(polycistron)

。真核mRNA只編碼一種蛋白質(zhì)，為單順反子(singlecistron)

。

結(jié)構(gòu)基因的特點：遺傳密碼在mRNA的開放閱讀框架區(qū)，以每3個相鄰的核苷酸為一組，代表一種氨基酸(或其他信息)，這種三聯(lián)體形式的核苷酸序列稱為密碼子。起始密碼子(initiationcodon)：AUG終止密碼子(terminationcodon)：UAA、UAG、UGA密碼子（codon）起始密碼子和終止密碼子：遺傳密碼表

方向性

連續(xù)性簡并性通用性擺動性

遺傳密碼的特點原核生物的結(jié)構(gòu)基因是連續(xù)的，真核生物的結(jié)構(gòu)基因是斷裂基因（splitegene，discontinuousgene,interruptedgene）斷裂基因是指在真核生物基因的編碼區(qū)內(nèi)含有非編碼的插入序列。

外顯子（exon）

結(jié)構(gòu)基因中的編碼區(qū)。

內(nèi)含子（intron）

結(jié)構(gòu)基因中的非編碼區(qū)。外顯子與內(nèi)含子接頭處的一致序列

GT-AT法則基因中與轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)的序列原核生物：操縱序列真核生物：順式作用元件原核生物

蛋白質(zhì)因子——操縱子(operon)

機制特異DNA序列編碼序列

啟動序列

操縱序列

其他調(diào)節(jié)序列(promoter)(operator)操縱序列

——阻遏蛋白(repressor)的結(jié)合位點當(dāng)操縱序列結(jié)合有阻遏蛋白時，會阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動，阻礙轉(zhuǎn)錄。啟動序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白真核生物1、順式作用元件(cis-actingelement)——可影響自身基因表達活性的DNA序列RNA聚合酶ⅡBADNA編碼序列轉(zhuǎn)錄起始點mRNARNA聚合酶ⅡBADNA轉(zhuǎn)錄起始點mRNA圖13-2順式作用元件轉(zhuǎn)錄起始點TATA盒CAAT盒GC盒增強子順式作用元件(cis-actingelement)AATAAA切離加尾轉(zhuǎn)錄終止點修飾點外顯子翻譯起始點內(nèi)含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚體真核基因順式作用元件包括：啟動子真核基因啟動子是RNA聚合酶結(jié)合位點周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至少包括一個轉(zhuǎn)錄起始點以及一個以上的功能組件。TATA盒GC盒CAAT盒增強子(enhancer)指遠離轉(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DNA序列。其發(fā)揮作用的方式通常與方向、距離無關(guān)。沉默子(silencer)某些基因的負性調(diào)節(jié)元件，當(dāng)其結(jié)合特異蛋白因子時，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。真核基因的調(diào)節(jié)蛋白還有蛋白質(zhì)因子可特異識別、結(jié)合自身基因的調(diào)節(jié)序列，調(diào)節(jié)自身基因的表達，稱順式作用。由某一基因表達產(chǎn)生的蛋白質(zhì)因子，通過與另一基因的特異的順式作用元件相互作用，調(diào)節(jié)其表達。這種調(diào)節(jié)作用稱為反式作用。

反式作用因子(trans-actingfactor)

cDNAaDNA反式調(diào)節(jié)C順式調(diào)節(jié)

mRNAC蛋白質(zhì)CbAmRNA蛋白質(zhì)AA圖13-3反式與順式作用蛋白Thecentraldogma

ofmolecularbiology?RNA編輯作用說明，基因的編碼序列經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后加工，是可有多用途分化的，因此也稱為分化加工(differentialRNAprocessing)。mRNA的編輯(mRNAediting)人類apoB基因mRNA（14500個核苷酸）肝臟apoB100（分子量為500000）腸道細胞apoB48（分子量為240000）mRNA編輯基因突變可改變遺傳信息DNA突變具體指個別dNMP殘基以至片段DNA在構(gòu)成、復(fù)制或表型功能的異常變化，也稱為DNA損傷(DNAdamage)。突變是進化、分化的分子基礎(chǔ)。只有基因型改變的突變形成DNA的多態(tài)性。致死性的突變可導(dǎo)致個體、細胞的死亡。

突變是某些疾病的發(fā)病基礎(chǔ)。鐮形紅細胞貧血病人Hb(HbS)β亞基N-val

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C肽鏈CACGTG基因正常成人Hb(HbA)β亞基N-val

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C肽鏈CTCGAG基因鐮形紅細胞貧血病人引起突變的機制有哪些？物理因素：紫外線(ultraviolet,UV)、各種輻射

UV化學(xué)因素：突變類型有多種錯配(mismatch)缺失(deletion)插入(insertion)重排(rearrangement)

框移(frame-shift)

谷酪蛋絲5’……GCA

GUA

CAU

GUC……丙纈組纈正常5’……GAG

UAC

AUG

UC……缺失C缺失引起框移突變：基因組

一、基因組的基本概念基因組（genome）指細胞或生物體的一套完整單倍體DNA（染色體DNA）和線粒體DNA的全部序列，既包括編碼序列，也包括大量存在的非編碼序列。二、原核生物基因組的結(jié)構(gòu)與功能結(jié)構(gòu)基因連續(xù)編碼、編碼序列不重疊、很少有重復(fù)序列。原核生物的結(jié)構(gòu)基因與調(diào)控序列以操縱子的形式存在。在操縱子結(jié)構(gòu)中，數(shù)個功能上有關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起，共同構(gòu)成信息編碼區(qū)。信息編碼區(qū)的上游是調(diào)控區(qū)。質(zhì)粒是細菌細胞內(nèi)的、染色體外的DNA分子，能夠獨立于細胞的染色質(zhì)DNA而進行復(fù)制。質(zhì)粒

(plasmid)特點:能在宿主細胞內(nèi)獨立自主復(fù)制；帶有某些遺傳信息,會賦予宿主細胞一些遺傳