分子遺傳學(xué)講義

Chapter1

緒論

1、分子遺傳學(xué)的涵義遺傳學(xué)是以基因作為研究的核心，是研究基因的結(jié)構(gòu)、功能、變異、傳遞和表達規(guī)律的學(xué)科。分子遺傳學(xué)是遺傳學(xué)的一個分支學(xué)科，是在分子水平上研究基因的結(jié)構(gòu)與功能以揭示生物遺傳和變異以及表達的分子機制。它研究的范疇包含基因在生命系統(tǒng)中的儲存、組織結(jié)構(gòu)、基因的復(fù)制與傳遞的分子機制、基因表達與調(diào)控規(guī)律、基因表達產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)與功能、基因變異的分子機制、基因在控制細(xì)胞分裂、生長和分化以及形態(tài)發(fā)生與個體發(fā)育中的作用機制

2、分子遺傳學(xué)研究的任務(wù)（1）研究遺傳物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)與傳遞機制遺傳物質(zhì)必須具備的特性是：①貯存并表達遺傳信息；②.能把遺傳信息傳遞給子代；③.物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；④.含有遺傳重組和變異的信息。DNA；RNA；半保留復(fù)制，（2）研究遺傳信息表達的分子機制中心法則一、分子遺傳學(xué)及其研究任務(wù)（3）、研究基因表達調(diào)控的分子機制

a.基因表達（

geneexpression）是指基因通過轉(zhuǎn)錄和翻譯最終產(chǎn)生功能產(chǎn)物（蛋白質(zhì)或RNA）的過程。不同內(nèi)外條件下生物或不同發(fā)育時期盡管具有相同的基因組，但其表達產(chǎn)物是不同的。

以至不同組織或器官中

顯然基因表達過程受到一系列精確的調(diào)控，調(diào)控可以發(fā)生在基因表達的任何階段。

b.乳糖操縱子（operon）20世紀(jì)60年代，Jacob和Monod在大腸桿菌中提出。

表明：遺傳信息的表達與調(diào)控是統(tǒng)一的，基因不僅是遺傳信息的載體，同時又具有調(diào)控基因表達活性的功能。

這一套相互制約的基因使生物在不同環(huán)境條件下表現(xiàn)出不同的遺傳特性。（4）、研究基因和基因組的結(jié)構(gòu)與功能任何一種生物的基因組都具有單倍體細(xì)胞內(nèi)所含的整套染色體（chromosome）隨著研究的進展，基因結(jié)構(gòu)和類型也愈加豐富，如斷裂基因（splitgene）、重疊基因（overlappinggene）、可移動基因（movablegene）、超基因（supergene）和基因家族（genefamily）及假基因(pseudogene)等等。分子遺傳學(xué)的研究任務(wù):不僅是研究單個基因的結(jié)構(gòu)與功能，（人類基因組和多種生物基因組測序完成）同時還要關(guān)注生物整個基因組的結(jié)構(gòu)與功能，從全新的視角探討遺傳與變異，結(jié)構(gòu)與功能以及健康與疾病等的分子機制。

原核生物基因：一般成簇排列，構(gòu)成一個操縱子，一個操縱子中的幾個基因都受同一個啟動子的調(diào)控真核生物基因的結(jié)構(gòu)不同，真核基因則多半是獨立存在，各有自己的啟動子。因此，真核基因與原核基因表達調(diào)控機（5）、研究生物遺傳變異的分子機理

a、基因突變、染色體數(shù)目和結(jié)構(gòu)的變異、遺傳重組是導(dǎo)致基因或基因組不斷變化的主要因素，但其分子機制是各不相同的。b、基因組中轉(zhuǎn)座因子（transpositionelement）的位置移動和插入也帶來各種效應(yīng)的突變。c、三核苷酸擴增急劇增加的動態(tài)突變（dynamicmutation）也是導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定（genomicinstability）的重要因素之一。

不同：引起遺傳變異的各種類型的機理不完全相同，相同：共同的分子基礎(chǔ)是相同的，那就是改變了基因組DNA序列表觀遺傳變異（epigeneticvariation）

另一種類型的遺傳性的變化，它是指基因組中的DNA序列不發(fā)生改變，而在基因表達時發(fā)生的可遺傳的變化，造成基因產(chǎn)物的改變，最終導(dǎo)致表型的改變，如堿基的甲基化（methylation），基因組印記（genomicimprinting），RNA編輯（RNAediting）等。（6）、研究基因控制細(xì)胞分化和發(fā)育的分子機制

基因控制著發(fā)育的圖式形成，發(fā)育是基因按照特定的時間和空間差異表達的結(jié)果，是生物體基因型與內(nèi)外環(huán)境因子相互作用并逐步轉(zhuǎn)化為表型的過程1物理學(xué)的滲透物理學(xué)家關(guān)心生物學(xué)問題，并跨入生物學(xué)研究領(lǐng)域。其中最為突出的是：①

Bohr于1931年發(fā)表了“光和生命”的演講②Delbruck由于他們主要研究的是生物信息的物理學(xué)基礎(chǔ)，所以被稱為信息學(xué)派。③Schroodinger是量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一，他也是第一個用熱力學(xué)和量子力學(xué)理論來闡明生命的本質(zhì)。

2遺傳物質(zhì)是核酸1865年，Mendel就提出生物性狀的遺傳是受細(xì)胞內(nèi)顆粒性遺傳因子（inheritancefacter）所控制。

1902年，Sutton和Bover通過觀察蝗蟲減數(shù)分裂過程中的染色體，認(rèn)為控制性狀的遺傳因子位于細(xì)胞核內(nèi)染色體

上，從而奠定了遺傳的染色體學(xué)說（chromosometheoryofinheritance）的基礎(chǔ)。

1909年，Johansen提出用“基因”（gene）一詞代替Mende“遺傳因子”。

Morgan提出連鎖定律。它與孟德爾的分離定律和獨立分配定律合稱為遺傳學(xué)三大定律。

1926年，Morgan于發(fā)表了著名的《基因論》，論述了基因在上下代之間的傳遞規(guī)律，認(rèn)為基因控制相應(yīng)的性狀，基因可以發(fā)生突變、交換和重組。由此提出，基因既是一個功能單位，一個突變單位，也是一個交換單位的“三位一體”的概念。1923年，英國醫(yī)生，生物化學(xué)家Garrod根據(jù)對人體的一種先天性代謝疾病尿黑酸(alkapton或

homogentisicacid)的研究發(fā)現(xiàn)該病是一種隱性遺傳病，當(dāng)這種純合隱性基因存在時就不能產(chǎn)生尿黑酸氧化酶

(homogentisicacidoxidase)，使蛋白質(zhì)代謝產(chǎn)物尿黑酸不能最終分解為二氧化碳和水而積累于血液中。一部分尿黑酸多聚物沉積于軟骨及其它結(jié)締組織中，使患者年老時發(fā)生褐黃?。╫chronosis）；

還有一部分尿黑酸則隨尿液排出，暴露于空氣中氧化成黑色素，使尿迅速轉(zhuǎn)為黑色，故稱為尿黑癥（alkaptonuria）。Garrod的這種一個突變基因決定一種代謝障礙（onemutantgene–onemetabolicblock）的觀點在當(dāng)時并未受到關(guān)注二、

1.2分子遺傳學(xué)的建立1941年，

Beadle和Tatum對粗糙脈孢菌（Neurosporacrassa）的進化突變型進行研究時才發(fā)現(xiàn)了Garrod的工作，明確提出了“一個基因一個酶”（onegene-oneenzyme）的理論。后來將“一個基因一個酶”改為“一個基因一種多肽”（onegene-onepolypeptide）。這表明基因是通過控制多肽的合成而影響生物遺傳性狀的發(fā)育和表達（圖1-4）。Griffith于1928年用細(xì)菌轉(zhuǎn)化實驗來證明遺傳物質(zhì)是DNA，他將活的無致病力的RII型肺炎球菌與滅活的SⅢ型肺炎球菌（存活時有致病力）分別注入小白鼠體后，小鼠仍然健康，但是當(dāng)用RII型活菌與滅活的SⅢ型死菌共同注入鼠體后，則小鼠被感染死亡，在死鼠體中發(fā)現(xiàn)大量活的SⅢ型肺炎球菌。這意味著SⅢ型死菌的遺傳物質(zhì)使RII型轉(zhuǎn)化為SⅢ型（圖1－5a）。1944年Avery的單因子細(xì)菌轉(zhuǎn)化實驗進一步證實了使RII型轉(zhuǎn)化為SⅢ型的遺傳物質(zhì)正是SⅢ菌體的DNA，而不是RNA、蛋白質(zhì)或多糖等（圖1－5b）。Hershey和Chase于1952用放射性同位素35S和32P分別標(biāo)記噬菌體T2的蛋白質(zhì)與核心DNA，發(fā)現(xiàn)在感染過程中，蛋白質(zhì)外殼留在宿主細(xì)菌體外，只有DNA進入菌體。在感染后約25min菌體被裂解，產(chǎn)生出100-150個完整的T2噬菌體。這個實驗令人信服的表明，只有DNA是聯(lián)系親代與子代之間的遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)當(dāng)帶有某種特定基因的DNA轉(zhuǎn)染（transfaction）培養(yǎng)生長的單一真核生物細(xì)胞群，被引入受體細(xì)胞的DNA可成為該細(xì)胞遺傳物質(zhì)的一部分，并以相同方式遺傳和表達，同時賦予了細(xì)胞新的特性，如胸腺嘧啶激酶的合成（圖1-8）。該實驗不僅直接證明了DNA是真核生物的遺傳物質(zhì)，而且它能在不同物種中轉(zhuǎn)移，并仍然保持特定的功能?？傊?，以上實驗都證明了遺傳物質(zhì)是核酸。事實上除了RNA病毒外，其余生物的遺傳物質(zhì)都是DNA。Conrat于1956年用一種RNA病毒－煙草花葉病毒（tobaccomosaicvirus,TMV）作為實驗材料。TMV有一個圓筒狀蛋白質(zhì)外殼，由很多相同的蛋白質(zhì)亞基組成。外殼內(nèi)由一條單鏈的RNA分子沿其內(nèi)壁在蛋白質(zhì)亞基間盤旋。TMV中94％是蛋白質(zhì)，6%是RNA。如用RNA和蛋白質(zhì)分別感染煙草，結(jié)果TMV的RNA可以感染，并形成完整的TMV。而TMV的蛋白質(zhì)則無法感染煙草（圖1-7）。TMV有許多株系，他們可以感染不同的宿主植物細(xì)胞，并在宿主植株葉片上形成不同類型的病斑。用不同核酸和蛋白質(zhì)外殼重組實驗，如當(dāng)用HR的蛋白質(zhì)與TMV的RNA，或HR的RNA與TMV的蛋白質(zhì)重建成雜種病毒，再感染的結(jié)果證明決定雜種病毒遺傳性狀的是RNA而不是蛋白質(zhì)。由此也證實了RNA是遺傳物質(zhì)。3、分子遺傳學(xué)的誕生DNA和RNA都是由4種堿基、核糖和磷酸組成，

堿基+核糖-----構(gòu)成核糖核酸，再和磷酸構(gòu)成核糖核苷酸，

并通過磷酸二酯鍵把核糖核苷酸連接成長鏈。DNA由：腺嘌呤（adenine,A），鳥嘌呤（guanine,G），胞嘧啶（cytosine,C）和胸腺嘧啶（thymidine,T）,五碳糖是脫氧核糖RNA由:腺嘌呤（adenine,A），鳥嘌呤（guanine,G），胞嘧啶（cytosine,C）尿嘧啶(uracilU)，核糖?！昂怂岬姆肿咏Y(jié)構(gòu)——脫氧核糖核酸的結(jié)構(gòu)”Franklin用含有較多水的DNA做X射線衍射分析。她從得到的圖像中判定DNA是雙螺旋結(jié)構(gòu)。在DNA長鏈上，每個核苷酸相距0.34nm，每個螺距為3.4nm，由10個核苷酸組成。根據(jù)已測定的DNA分子寬度為2nm，推測DNA分子不止由一條鏈所構(gòu)成。①X射線衍射數(shù)據(jù)表明DNA具有規(guī)則的螺旋形式，每34?（3.4nm）形成一整圈，其直徑為20?（2.0nm）,由于臨近核苷酸的間距是3.4?。由此每圈必定是10個核苷酸；②糖－磷酸組成的骨架處在DNA分子外側(cè)，嘌呤和嘧啶堿基位于DNA內(nèi)側(cè)，雙螺旋中的兩條多聚核苷酸鏈依賴堿基之間的氫鍵相連，而且嘌呤總是與嘧啶配對。因而DNA直徑保持不變；③

DNA分子中G＝C，A＝T。④兩條通過堿基間連接的DNA鏈稱為互補鏈（complementarychain）。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的提出揭開了分子遺傳學(xué)乃至分子生物學(xué)的序幕，正是該模型可以很準(zhǔn)確地說明遺傳物質(zhì)的復(fù)制和傳遞以及表達等，從而可在分子水平上闡明遺傳機制問題。遺傳物質(zhì)能正確地復(fù)制（replication）這是生物遺傳的關(guān)鍵問題。DNA兩條多聚核苷酸鏈僅靠氫鍵相連，因此不需要破壞共價鍵就可使之分開。堿基配對的專一性表明每一分開的親鏈（parentalchain）可作為模板，通過復(fù)制產(chǎn)生兩條完全相同的DNA雙鏈分子(圖1-11a)。從DNA編碼鏈上5’端到3’端方向的三聯(lián)體核苷酸密碼子（tripletcodon）序列與蛋白質(zhì)的N端到C端的氨基酸序列相對應(yīng)，這種對應(yīng)關(guān)系稱為遺傳密碼（geneticcodon）。DNA中的遺傳信息是由信使RNA（messengerRNA,mRNA）介導(dǎo)而決定蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。其中61個密碼子編碼各種氨基酸，3個密碼子使蛋白質(zhì)合成終止，故稱終止密碼子（terminationcodon）。幾種密碼子編碼同一種氨基酸，這稱為密碼子的簡并性（degeneracyofthecodon）。編碼同一種氨基酸的兩種以上的密碼子稱為簡并密碼子（degeneratecodon）或稱同義密碼子（synonym）。密碼子最后一位堿基因特異性降低的現(xiàn)象稱為第三堿基的簡并性（third-basedegeneracy）。除極少數(shù)例外，所有生物的遺傳密碼都是相同的，這種密碼子的通用性（universality）表明生物是從共同祖先而來的

1、中心法則的涵義中心法則的基本內(nèi)涵是Crick的序列假說（sequenceshypothesis），即“核酸片段的特異性完全由其堿基序列所表達，而且這種序列是相應(yīng)蛋白質(zhì)的氨基酸序列的密碼”。因此中心法則是序列轉(zhuǎn)換的法則，即基因的DNA序列與其轉(zhuǎn)錄的RNA序列和蛋白質(zhì)的氨基酸序列是有嚴(yán)格的共線性，也就是說，遺傳信息的傳遞是通過嚴(yán)格的序列對應(yīng)來實現(xiàn)的1964年Temin等在鳥類發(fā)現(xiàn)一種RNA病毒，稱為勞斯氏肉瘤病毒（Rouassarcomavirus）,它可在寄主細(xì)胞中將其基因組RNA逆轉(zhuǎn)錄（reversetranscription）成DNA。后來在這類RNA病毒中又發(fā)現(xiàn)了反轉(zhuǎn)錄酶（reversetranscriptase），于是Crick對中心法則進行了修改，表明遺傳信息可以在DNA與RNA間相互流動，但共線性和單向性仍然是中心法則的主要內(nèi)涵。1.3.2RNA編輯與中心法則在mRNA水平上發(fā)生遺傳信息變化的過程稱為RNA的編輯（RNAediting）。翻譯該蛋白質(zhì)的mRNA序列和肝臟中這種mRNA序列基本相同，只是在第2153個密碼子上的C變成了U，這個堿基的替換使得編碼谷氨酰胺（glutamine）的CAA變成了終止密碼子UAA1989年Simpson和Shaw將被RNA編輯的基因稱為隱蔽基因（cryptogenes）。三、

中心法則及其發(fā)展1.3.3朊病毒與中心法則朊病毒（prion）一詞是Prusiner于1982年提出的。

Prusiner對朊病毒的創(chuàng)造性研究使其于1997年獲得諾貝爾獎（表１－１）。該病毒是一類感染性蛋白質(zhì)因子（proteinaccousinfectiousagents），它能引起人的庫魯?。↘uru），吉－雅氏?。–reutzfeldt-Jacobdiseas,CJD），吉－斯綜合癥（Gerstmann-Strausslersyndrome,GSS），動物的羊瘙癢?。╯crapie），牛海綿樣腦軟化?。╞ovinspongiformencephalopathy,BSE）即瘋牛?。╩adcowdisease）等。朊病毒不含核酸，是一種蛋白質(zhì)病原體。朊病毒相關(guān)蛋白（prionrelatedprotein,PrP），是由細(xì)胞基因PrP編碼。顯然在這里遺傳信息并未發(fā)生改變，而是通過特殊的蛋白質(zhì)的修飾，或者改變蛋白質(zhì)的構(gòu)象而導(dǎo)致遺傳性狀的改變，這稱為表觀遺傳（epigeneticinheritance）。

這種遺傳信息的流向完全符合中心法則，而朊病毒是不含核酸的蛋白質(zhì)病原體，prpsc的繁殖是將自身的主體構(gòu)型（conformation）信息輸入到prpc的結(jié)果。蛋白質(zhì)都是糖基化的，借助糖肌醇磷脂（glycoinositolphospholipid，GPL）附著于細(xì)胞膜表面，也可通過細(xì)胞內(nèi)吞作用而進入細(xì)胞四、基因概念及其發(fā)展1、

順反子早期的基因概念：生物的每一個性狀的表現(xiàn)與傳遞是由顆粒性“遺傳因子”決定的。摩爾根的“基因論”進一步論證了基因似“念珠一樣串在一起的線狀物，在染色體上占有一定空間的化學(xué)實體，從而賦予基因以物質(zhì)的內(nèi)涵。Benzer利用rⅡ