基因工程原理與技術(shù)（第四版）課件 第1、2章 基因工程緒論、基因與基因表達(dá)調(diào)控

基因工程第一章緒論一、為什么學(xué)習(xí)基因工程？（人類面臨的問題）二、基因工程的四大里程碑三、基因工程的三大技術(shù)發(fā)明四、基因工程的研究內(nèi)容《荷塘月色》基因工程技術(shù)版紫外光如流水一般，靜靜地瀉在這一塊瓊脂糖凝膠和PE手套上，細(xì)細(xì)的亮亮的PCR產(chǎn)物條帶呈現(xiàn)在眼前，仿佛在Running緩沖液中洗過一樣。雖然是白天，但是因?yàn)橛幸恢话迪?，所以沒有朗照，紫外光是隔著石英玻璃照過來的，除了引物DNA在溴酚藍(lán)前有微弱的亮帶外，紅紅PCR產(chǎn)物如少女亭亭玉立般等著你的賞析、拍照。

基因之《大話西游版》曾經(jīng)有一段真誠的目的基因放在我質(zhì)粒的面前，我沒有珍惜,等到失去的時候才追悔莫及。基因工程中最痛苦的事情莫過于此。如果實(shí)驗(yàn)員能夠給我一個重新來過的機(jī)會，我會對那段基因說三個字，克隆吧。如果非要給這份技術(shù)加上一個方法，我希望是，PCR?；蚬こ膛c夢想西方傳說中的美人魚人類對新生物的構(gòu)想意大利人的頭發(fā)埃及人的眼睛希臘人的鼻子美國人的牙齒泰國人的脖子澳洲人的胸部瑞士人的手斯堪的納維亞人的腿中國人的腳奧地利人的聲音日本人的笑容英國人的皮膚法國人的曲線西班牙人的步態(tài)克莉絲汀-戴維斯夢想中完美女性一、為什么學(xué)習(xí)基因工程？（人類面臨的問題）人口問題人類面臨重大問題與我們息息相關(guān)人口問題人口問題糧食問題人類面臨重大問題與我們息息相關(guān)為什么要學(xué)習(xí)生命科學(xué)？人口問題糧食問題健康問題人類面臨重大問題與我們息息相關(guān)為什么要學(xué)習(xí)生命科學(xué)？健康問題《2019國民健康洞察報告》《報告》從國民的健康現(xiàn)狀、健康素養(yǎng)、健康生活訴求、醫(yī)療服務(wù)訴求、健康消費(fèi)訴求五個角度分析。人口問題糧食問題健康問題為什么要學(xué)習(xí)生命科學(xué)？環(huán)境問題人類面臨重大問題與我們息息相關(guān)解決之道？基因工程技術(shù)人口糧食環(huán)境醫(yī)療資源…二、基因工程的四大里程碑四大里程碑遺傳物質(zhì)的明確——DNADNA雙螺旋結(jié)構(gòu)理論（半保留復(fù)制及其中心法則）基因遺傳密碼子的破譯基因轉(zhuǎn)移載體的發(fā)現(xiàn)里程碑之一

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遺傳物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)基因的化學(xué)本質(zhì)經(jīng)典試驗(yàn)---肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化試驗(yàn)（1928年）（I）FrederickGriffith(1879–1941)肺炎鏈球菌是一類能夠引起肺炎等疾病的革蘭氏陽性菌。它存在兩種類型：R型：rough，菌體無莢膜，菌落粗糙，無致病性，不致死。S型：smooth，菌體具有莢膜，菌落光滑，致病性強(qiáng)，致死。基因的化學(xué)本質(zhì)經(jīng)典試驗(yàn)---肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化試驗(yàn)（1928年）（I）FrederickGriffith(1879–1941)實(shí)驗(yàn)證明，在S型中有一種“轉(zhuǎn)化因子”(transformingprinciple)促成了R型的轉(zhuǎn)化。R型S型？1944年，Avery精確重復(fù)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，確定了轉(zhuǎn)化因子。經(jīng)典試驗(yàn)---肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化試驗(yàn)（II）OswaldAvery（1877-1955）RockefellerInstituteforMedicalResearch（I）加S型菌的DNA長出S型菌1944年，Avery精確重復(fù)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，確定了轉(zhuǎn)化因子。經(jīng)典試驗(yàn)---肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化試驗(yàn)（II）（1）從活的S型菌中抽提各種細(xì)胞成分（DNA，RNA，蛋白質(zhì)，莢膜多糖等）（2）對各種生化組分進(jìn)行轉(zhuǎn)化試驗(yàn)活R型菌（II）加S型菌的DNA和DNA酶以外的酶（III）加S型菌的DNA和DNA酶只長R型菌（IV）加S型菌的RNA（V）加S型菌的蛋白質(zhì)（VI）加S型菌的莢膜多糖實(shí)驗(yàn)證明，S型菌轉(zhuǎn)移給R型菌的轉(zhuǎn)化因子是DNA。噬菌體的遺傳物質(zhì)是DNA的實(shí)驗(yàn)里程碑之二---DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)理論里程碑之二---DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)理論40年代末，英國科學(xué)家莫里斯·威爾金斯等用X射線衍射技術(shù)對DNA結(jié)構(gòu)潛心研究了3年，意識到DNA是一種螺旋結(jié)構(gòu)。1951年底，女物理學(xué)家羅莎琳德·富蘭克林拍到了一張十分清晰的DNA的X射線衍射照片。照片51號里程碑之二---DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)理論威爾金斯出示了富蘭克林在一年前拍下的DNAX射線衍射照片，沃森看出了DNA的內(nèi)部是一種螺旋形的結(jié)構(gòu)，他立即產(chǎn)生了一種新概念：DNA不是三鏈結(jié)構(gòu)而應(yīng)該是雙鏈結(jié)構(gòu)。照片51號1953年，J.Watson和F.Crike創(chuàng)立DNA雙螺旋模型，證實(shí)基因是具有一定遺傳效應(yīng)的DNA片段。里程碑之二---DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)理論1958年，富蘭克林因支氣管肺炎及卵巢癌逝世于英國倫敦。1963年，沃森、克里克和威爾金斯榮獲諾貝爾生物學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。被遺忘的英格蘭玫瑰：羅莎琳德·富蘭克林（RosalindFranklin）（1920年7月25日-1958年4月16日）DNA二級結(jié)構(gòu)的多態(tài)性A型，右手螺旋，外形粗短，常見的是dsRNA，A-DNA，DNA-RNA；B型，典型的

Watson-Crick雙螺旋DNA，是生理條件下有機(jī)序列，DNA分子中最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，也是研究的參照標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)；Z型，左手螺旋，外形細(xì)長，可以與B型DNA之間互相轉(zhuǎn)換。里程碑之三---遺傳密碼的發(fā)現(xiàn)遺傳密碼是通用的，將DNA或RNA序列以三個核苷酸為一組的密碼子轉(zhuǎn)譯為蛋白質(zhì)的氨基酸序列，以用于蛋白質(zhì)合成，在所有生物中都是相同的。里程碑之三---遺傳密碼的發(fā)現(xiàn)遺傳密碼是通用的，將DNA或RNA序列以三個核苷酸為一組的密碼子轉(zhuǎn)譯為蛋白質(zhì)的氨基酸序列，以用于蛋白質(zhì)合成，在所有生物中都是相同的。

1961年，美國國家衛(wèi)生院的海因里希·馬太與馬歇爾·沃倫·尼倫伯格在無細(xì)胞系統(tǒng)環(huán)境下，把一條只由尿嘧啶（U)組成的RNA翻譯成一條只有苯丙氨酸（Phe）的多肽，由此破解了首個密碼子（UUU->Phe）。里程碑之三---遺傳密碼的發(fā)現(xiàn)遺傳密碼是通用的，將DNA或RNA序列以三個核苷酸為一組的密碼子轉(zhuǎn)譯為蛋白質(zhì)的氨基酸序列，以用于蛋白質(zhì)合成，在所有生物中都是相同的。

1961年，美國國家衛(wèi)生院的海因里希·馬太與馬歇爾·沃倫·尼倫伯格在無細(xì)胞系統(tǒng)環(huán)境下，把一條只由尿嘧啶（U)組成的RNA轉(zhuǎn)釋成一條只有苯丙氨酸（Phe）的多肽，由此破解了首個密碼子（UUU->Phe）。隨后科拉納（HarGobindKhorana）破解了其它密碼子，接著霍利（RobettW.Holley）發(fā)現(xiàn)了負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄過程的tRNA。里程碑之三---遺傳密碼的發(fā)現(xiàn)1968年，科拉納、霍利和尼倫伯格分享了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。里程碑之三---遺傳密碼的發(fā)現(xiàn)霍利（1922-1993），科拉納（1922-2011），尼倫伯格（1927-2010）里程碑之四---基因轉(zhuǎn)運(yùn)載體的發(fā)現(xiàn)Fig.4.-ElectronmicrographstakenofColE1DNApurifiedbyMAKcolumnchromatography.(a)OpenandsupercoiledcircularDNAofthe2.3-jclass.X49,000.(b)Anopen2.3-ucircularmoleculejuxtaposedtoitssupercoiledallomorph.X56,000.(c)Supercoiledforms(2.3uand4.7u).X56,000.(d)Opencircularforms(2.3pand4.7IA).X56,000'(e)SupercoiledcircularformofColElDNA,4.7-tt,extractedbytheMarmurproceduresSuper-coiledformsthusextractedappearedmoretightlytwisted.X56,000.1967年，羅思和海林斯基發(fā)現(xiàn)細(xì)菌染色體DNA之外的質(zhì)粒有自我復(fù)制的能力，并可以在細(xì)菌細(xì)胞間轉(zhuǎn)移，這一發(fā)現(xiàn)為基因轉(zhuǎn)移找到一種運(yùn)載工具。Roth

TF,

Helinski

DR.PNAS.

1967;58(2):650–657里程碑之四---基因轉(zhuǎn)運(yùn)載體的發(fā)現(xiàn)（1）FIG.1.GeneralprotocolforproducingcovalentlyclosedSV40dimercirclesfromSV40(I)DNA.1972年斯坦福大學(xué)的PaulBerg小組完成了首次體外重組實(shí)驗(yàn)：將SV40的DNA片斷與大腸桿菌的DNA片斷連接起來。標(biāo)志著基因工程技術(shù)的誕生Jackson,D.A.,Symons,R.H.andBerg,P.PNAS。1972。69:2904-2909里程碑之四---基因轉(zhuǎn)運(yùn)載體的發(fā)現(xiàn)（2）1980NobelPrizeinChemistryBoyer-Cohen實(shí)驗(yàn)1973年斯坦福大學(xué)的S.

Cohen小組將含有卡那霉素抗性基因的大腸桿菌pSC101質(zhì)粒與含有四環(huán)素抗性基因的另一種大腸桿菌質(zhì)粒pSC102連接成重組質(zhì)粒，具有雙重抗藥性。StanleyN.Cohen,AnnieC.Y.Chang,HerbertW.Boyer,andRobertB.Helling.PNAS。197370(11)3240-3244里程碑之四---基因轉(zhuǎn)運(yùn)載體的發(fā)現(xiàn)（3）KanamycinandTetracyclinresistantE.coliTetracyclinresistantgeneKanamycinresistantgeneEcoRIEcoRI三、基因工程的三大技術(shù)發(fā)明三大技術(shù)發(fā)明工具酶的發(fā)明：內(nèi)切酶、合成酶、連接酶PCR技術(shù)（PCR擴(kuò)增儀）基因合成和測序（合成儀、測序儀）技術(shù)發(fā)現(xiàn)之一---工具酶技術(shù)發(fā)現(xiàn)之一---工具酶（1）人們發(fā)現(xiàn)侵染大腸桿菌的噬菌體都存在著一些功能性障礙，即所謂寄主控制的限制與修飾現(xiàn)象的簡稱（Restriction/Modification,R/M體系）。細(xì)菌的R/M體系類似于免疫系統(tǒng)，能辨別自身的DNA與外來的DNA，并能使后者降解掉。大多數(shù)限制性內(nèi)切酶常常伴隨有1~2種修飾酶（DNA甲基化酶），后者能保護(hù)細(xì)胞自身的DNA不被限制性內(nèi)切酶破壞。技術(shù)發(fā)現(xiàn)之一---工具酶（2）1968年，M.Meselson和R.Yuan在E.coli

B和E.coli

K中分離出的核酸內(nèi)切酶EcoB和EcoK，是I型的，沒有實(shí)用價值。技術(shù)發(fā)現(xiàn)之一---工具酶（3）1970年，H.O.Smith和K.W.Wilcox在流感嗜血Rd株中分離出的限制酶HindII，是特異性切割的II型。工具酶種類核糖核酸酶（Rnase）

脫氧核糖核酸酶（Dnase）DNA連接酶、RNA連接酶(ligase)

DNA聚合酶（DNApolymerase）

RNA聚合酶（RNApolymerase）

反轉(zhuǎn)錄酶（reversetranscriptase）

限制性核酸內(nèi)切酶（restrictionendonucease）技術(shù)發(fā)現(xiàn)之二---PCR技術(shù)

（PCR擴(kuò)增儀）在1983年，美國Cetus公司人類遺傳研究室的科學(xué)家K.B.Mullis發(fā)明的PCR技術(shù)。PCR是一種在體外快速擴(kuò)增特定基因或DNA序列的方法，有稱之為體外擴(kuò)增法。技術(shù)發(fā)現(xiàn)之二---PCR技術(shù)（PCR擴(kuò)增儀）技術(shù)發(fā)現(xiàn)之二---PCR技術(shù)（PCR擴(kuò)增儀）技術(shù)發(fā)現(xiàn)之二---PCR技術(shù)（PCR擴(kuò)增儀）技術(shù)發(fā)現(xiàn)之二---PCR技術(shù)（PCR擴(kuò)增儀）技術(shù)發(fā)現(xiàn)之二---PCR技術(shù)（DNA聚合酶）技術(shù)發(fā)現(xiàn)之三---基因合成儀和測序儀DNA測序技術(shù)（1）第一代測序，Sanger法（鏈終止法）、化學(xué)降解法，凝膠電泳；技術(shù)發(fā)現(xiàn)之三---基因合成儀和測序儀（1）DNA測序技術(shù)（1）第一代測序，Sanger法（鏈終止法）、化學(xué)降解法，凝膠電泳；（2）第二代測序，Roche公司的454技術(shù)（焦磷酸測序）、ABI公司的SOLiD技術(shù)和Illumina公司的Solexa技術(shù)，高通量測序技術(shù)；技術(shù)發(fā)現(xiàn)之三---基因合成儀和測序儀（1）DNA測序技術(shù)（1）第一代測序，Sanger法（鏈終止法）、化學(xué)降解法，凝膠電泳；（2）第二代測序，Roche公司的454技術(shù)（焦磷酸測序）、ABI公司的SOLiD技術(shù)和Illumina公司的Solexa技術(shù)，高通量測序技術(shù)；（3）第三代測序，PacBio的SMRT技術(shù)和OxfordNanoporeTechnologies公司的納米孔單分子技術(shù)，單分子測序。技術(shù)發(fā)現(xiàn)之三---基因合成儀和測序儀（1）PacBio的SMRT技術(shù)DNA測序技術(shù)（1）第一代測序，Sanger法（鏈終止法）、化學(xué)降解法，凝膠電泳；（2）第二代測序，Roche公司的454技術(shù)（焦磷酸測序）、ABI公司的SOLiD技術(shù)和Illumina公司的Solexa技術(shù)，高通量測序技術(shù)；（3）第三代測序，PacBio的SMRT技術(shù)和OxfordNanoporeTechnologies公司的納米孔單分子技術(shù)，單分子測序。技術(shù)發(fā)現(xiàn)之三---基因合成儀和測序儀（1）DNA合成技術(shù)，按照預(yù)定核苷酸的順序，將脫氧核苷酸逐個進(jìn)行人工連接合成DNA鏈的方法。目前多是采用固相合成法，即是在多聚體支持物上從3′端延伸核苷酸，可自動化操作。技術(shù)發(fā)現(xiàn)之三---基因合成儀和測序儀（2）以上研究成果綜合，催生了基因工程

自基因工程問世以的三十幾年，是基因工程迅速發(fā)展的階段。如果說20世紀(jì)八九十年代是基因工程基礎(chǔ)研究趨向成熟，那么二十一世紀(jì)初將是基因工程應(yīng)用研究的鼎盛時期?；蚬こ痰难杆侔l(fā)展階段二、基因克隆的概念與基本步驟1．基因克隆的概念1972年，以P.Berg等人為代表的一批科學(xué)家發(fā)展了有關(guān)重組DNA的技術(shù)；1973年，H.Boyer和Cohen完成了第一個基因的克隆，由此宣告了基因克隆技術(shù)的誕生。“克隆”（clone）一詞作名詞使用時是指從一個共同祖先無性繁殖下來的一群遺傳上同一的DNA分子、細(xì)胞或個體所組成的特殊的群體；作動詞使用時，是指產(chǎn)生這一群體的過程?；蚩寺∈侵冈隗w外，借助于能自我復(fù)制的載體分子，將目的基因引入到宿主細(xì)胞中進(jìn)行增殖，以獲得大量純一的特定DNA片段的過程。同義詞包括：重組DNA，分子克隆，遺傳工程,基因工程等A重組DNA技術(shù)的基本定義

重組DNA技術(shù)是指將一種生物體（供體）的基因與載體在體外進(jìn)行拼接重組，然后轉(zhuǎn)入另一種生物體（受體）內(nèi)，使之按照人們的意愿穩(wěn)定遺傳并表達(dá)出新產(chǎn)物或新性狀的DNA體外操作程序，也稱為分子克隆技術(shù)。因此，供體、受體、載體是重組DNA技術(shù)的三大基本元件。B基因工程的基本定義

基因工程是指重組DNA技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化設(shè)計與應(yīng)用，包括上游技術(shù)和下游技術(shù)兩大組成部分。上游技術(shù)指的是基因重組、克隆和表達(dá)的設(shè)計與構(gòu)建（即重組DNA技術(shù)）；下游技術(shù)則涉及到基因工程菌或細(xì)胞的大規(guī)模培養(yǎng)以及基因產(chǎn)物的分離純化過程。C重組DNA技術(shù)與基因工程的基本用途

分離、擴(kuò)增、鑒定、研究、整理生物信息資源大規(guī)模生產(chǎn)生物活性物質(zhì)設(shè)計、構(gòu)建生物的新性狀甚至新物種大規(guī)模生產(chǎn)生物活性物質(zhì)工程細(xì)胞基因工程蛋白質(zhì)工程途徑工程發(fā)酵工程細(xì)胞工程分離工程酶酶工程分離工程天然細(xì)胞天然細(xì)胞生物活性物質(zhì)生物活性物質(zhì)D基因工程的基本形式第一代基因工程蛋白多肽基因的高效表達(dá)經(jīng)典基因工程第二代基因工程蛋白編碼基因的定向誘變蛋白質(zhì)工程第三代基因工程代謝信息途徑的修飾重構(gòu)途徑工程第四代基因工程基因組或染色體的轉(zhuǎn)移基因組工程第五代基因工程基因編輯基因組工程四、基因工程的研究內(nèi)容（1）基因工程載體的研究

原核載體和真核載體；克隆載體和表達(dá)載體；質(zhì)粒載體、噬菌體載體、病毒載體及其他載體等?；蚬こ梯d體的研究是基因工程研究的重要內(nèi)容之一。1．基因克隆工具的研究（2）工具酶的研究主要包括：限制性核酸內(nèi)切酶DNA連接酶DNA聚合酶各種修飾酶

1．基因克隆工具的研究（3）基因工程受體系統(tǒng)的研究受體是載體的宿主，是外源基因表達(dá)的場所。受體可以是單個細(xì)胞，也可以是組織、器官、甚至是個體。目前最常用的受體系統(tǒng)是大腸桿菌受體系統(tǒng)和酵母受體系統(tǒng)。其他受體系統(tǒng)：鏈霉菌、芽孢桿菌、絲狀真菌及動物細(xì)胞。利用動物的組織（如：乳腺組織、胚胎組織等）作為受體進(jìn)行基因表達(dá)的研究等1．基因克隆工具的研究以PCR為基礎(chǔ)的差異篩選技術(shù)長片段的DNA序列測定技術(shù)高通量的基因芯片技術(shù)高通量測序技術(shù)借助計算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的生物信息技術(shù)，等等……2．基因克隆技術(shù)的研究基因是一種有限的重要戰(zhàn)略性資源人類基因組計劃中科學(xué)家們的最新研究結(jié)果，人類基因總數(shù)比預(yù)期的低得多，初步定位在3.0萬個左右，如此少的基因自然成為激烈競爭的對象。3．克隆對象——目的基因的研究我國科學(xué)家完成的水稻基因組測序研究成果發(fā)表在國際權(quán)威的SCIENCE雜志2014年全球轉(zhuǎn)基因作物在各國的種植面積（百萬公頃）

基因工程藥物——高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)——新的藥業(yè)革命1982年美國Lily公司首先將重組胰島素投放市場。已有50多種基因工程藥物上市，近千種處于研發(fā)狀態(tài)美國生物技術(shù)公司已有2000多家，歐洲共有約1000家2000年，基因工程藥品全世界年銷售額600億美元。2022年全球生物藥市場將達(dá)3260億美元。前九位的分別是：單克隆抗體、疫苗、基因治療、白介素、干擾素、生長因子、重組可溶性受體，反義藥物和人生長激素。2013年，中國生物醫(yī)藥2.1萬億4．基因工程產(chǎn)品的研究4．基因工程產(chǎn)品的研究基因克隆操作基因工程的應(yīng)用英國愛丁堡羅斯林研究所—伊恩·維爾穆特多利和它的孩子1996年多利誕生兩頭體細(xì)胞克隆?！按舐　薄ⅰ岸　卑汛笫笊L因子轉(zhuǎn)入小鼠得到巨大型的轉(zhuǎn)基因小鼠。體細(xì)胞克隆大熊貓無冰晶細(xì)菌幫助草莓抗霜凍工程菌在環(huán)境工程中應(yīng)用

美國GE公司構(gòu)造成功具有巨大烴類分解能力的工程菌，并獲專利，用于清除石油污染。噴灑工程菌清除石油污染在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

基因工程被用于大量生產(chǎn)過去難以得到或幾乎不可能得到的蛋白質(zhì)－肽類藥物。傳統(tǒng)生成方法與基因工程比較基因治療簡而言之，用基因治病就是基因治療，實(shí)際上指的是把功能基因?qū)牖颊唧w內(nèi)使之表達(dá)，并因表達(dá)產(chǎn)物---蛋白質(zhì)發(fā)揮了功能使疾病得以治療。1.基因療法治愈ada缺乏癥2.基因療法首次在血友病B患者身上取得明確成功N.

Engl.J.Med.

2017;

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2215-2227“十二五”普通高等教育國家級規(guī)劃教材1、《基因工程原理與技術(shù)》（第三版、第四版），劉志國主編，化學(xué)工業(yè)出版社出版參考書目2、《基因工程原理》上，下冊，第二版，吳乃虎著，科學(xué)出版社，1999。3、《分子克隆》，第一版，第三版MolecularCloning，2001年由冷泉港實(shí)驗(yàn)室出版社(ColdSpringHarborLaboratoryPress)出版，共三卷。其翻譯版由科學(xué)出版社于2003年出版，分上下冊。第二章基因與基因表達(dá)調(diào)控本章內(nèi)容一、基因的結(jié)構(gòu)與功能二、基因組的結(jié)構(gòu)與功能三、基因的表達(dá)與調(diào)控第一節(jié)

基因的結(jié)構(gòu)與功能基因是DNA(deoxyribonucleicacid，脫氧核糖核酸)分子中的一段特定的核苷酸序列，它包括編碼蛋白質(zhì)肽鏈或可轉(zhuǎn)錄但不翻譯的RNA的核苷酸序列，以及保證轉(zhuǎn)錄所必需的調(diào)控序列。根據(jù)基因是否轉(zhuǎn)錄和翻譯可將其分為三類：①既能轉(zhuǎn)錄又能翻譯的編碼蛋白質(zhì)的基因，它包括結(jié)構(gòu)蛋白、蛋白酶、信號分子及轉(zhuǎn)錄因子等結(jié)構(gòu)基因；②可轉(zhuǎn)錄但不翻譯的基因，它包括tRNA、rRNA和micRNA等非編碼RNA(non-codingRNA)的基因；③不轉(zhuǎn)錄的基因，主要包括對基因表達(dá)起調(diào)控作用的啟動子、增強(qiáng)子、衰減子和絕緣子等。生物體內(nèi)的基因按其自身的規(guī)律開啟或關(guān)閉，基因開啟后即可轉(zhuǎn)錄，合成各種RNA或進(jìn)一步翻譯出蛋白質(zhì)，這一過程被稱為基因表達(dá)(geneexpression)。一．基因的分子基礎(chǔ)現(xiàn)代分子生物學(xué)研究已經(jīng)證實(shí)DNA是遺傳信息的主要載體，基因的化學(xué)本質(zhì)就是一段DNA分子片段。DNA組成與結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)堿基的排列順序二級結(jié)構(gòu)DNA的雙螺旋形式高級結(jié)構(gòu)DNA的超螺旋形式DNA的分子結(jié)構(gòu)（一）核酸的分類90%以上分布于細(xì)胞核，其余分布于核外如線粒體，葉綠體，質(zhì)粒等。分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脫氧核糖核酸核糖核酸攜帶遺傳信息，決定細(xì)胞和個體的基因型(genotype)。參與細(xì)胞內(nèi)DNA遺傳信息的表達(dá)。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體。１.戊糖（構(gòu)成RNA）1′2′3′4′5′

-D-呋喃核糖(ribose)（構(gòu)成DNA）

-D-2-脫氧呋喃核糖(deoxyribose)2.堿基嘌呤(purine)嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)5′端3′端2.核苷酸的連接3’-5’磷酸二酯鍵CGA基因作為一個遺傳功能單位，它所對應(yīng)的一段核苷酸序列被稱為順反子（cistron）。顯然，一個順反子編碼一種完整多肽鏈。因此，順反子是一個功能單位?；蚝晚樂醋舆@兩個術(shù)語常被等同使用，但仔細(xì)分析，兩者是有區(qū)別的：在原核細(xì)胞和低等真核細(xì)胞中，基因和順反子是等價的；而在高等真核細(xì)胞中，由于基因中內(nèi)含子的存在，此時順反子等價于真核基因的外顯子。二．基因的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)上，基因由多個不同的區(qū)域組成。無論是原核基因還是真核基因，都可劃分為轉(zhuǎn)錄區(qū)和調(diào)控區(qū)兩個基本組成部分。（1）轉(zhuǎn)錄區(qū)為從轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)至轉(zhuǎn)錄終止子的區(qū)域，其中，從5′端至3-端順序排列依次為:5-端非翻譯區(qū)(5'-UTR)、翻譯起始密碼(通常是AUG)、連續(xù)排列的密碼子區(qū)(真核生物基因的該區(qū)域?yàn)榭煞g的外顯子和不可翻譯的內(nèi)含子間隔排列)、終止密碼(UAA或UAG或UGA)、3′-端非翻譯區(qū)(3'-UTR)。典型的編碼蛋白質(zhì)的原核基因結(jié)構(gòu)示意圖二．基因的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)上，基因由多個不同的區(qū)域組成。無論是原核基因還是真核基因，都可劃分為轉(zhuǎn)錄區(qū)和調(diào)控區(qū)兩個基本組成部分。（1）轉(zhuǎn)錄區(qū)為從轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)至轉(zhuǎn)錄終止子的區(qū)域，其中，從5′端至3-端順序排列依次為:5-端非翻譯區(qū)(5'-UTR)、翻譯起始密碼(通常是AUG)、連續(xù)排列的密碼子區(qū)(真核生物基因的該區(qū)域?yàn)榭煞g的外顯子和不可翻譯的內(nèi)含子間隔排列)、終止密碼(UAA或UAG或UGA)、3′-端非翻譯區(qū)(3'-UTR)。（2）轉(zhuǎn)錄的調(diào)控區(qū)位于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)5上游，包含核心啟動子、上游啟動元件以及增強(qiáng)子等序列。啟動子(promoter)，有時也稱為核心啟動子，是位于基因5′端非翻譯區(qū)(5UTR)與轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)上游緊鄰的一段非轉(zhuǎn)錄序列，其功能是募集RNA聚合酶并令其識別和結(jié)合轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)，啟動基因的轉(zhuǎn)錄。典型的編碼蛋白質(zhì)的原核基因結(jié)構(gòu)示意圖啟動子(promoter)，有時也稱為核心啟動子，是位于基因5′端非翻譯區(qū)(5UTR)與轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)上游緊鄰的一段非轉(zhuǎn)錄序列，其功能是募集RNA聚合酶并令其識別和結(jié)合轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)，啟動基因的轉(zhuǎn)錄。終止子(terminator)，為基因3′-端非翻譯區(qū)(3′UTR)與轉(zhuǎn)錄終點(diǎn)下游緊鄰的一段非轉(zhuǎn)錄的核苷酸短序列，具有終止轉(zhuǎn)錄的功能，即一旦RNA聚合酶完全通過了基因的轉(zhuǎn)錄序列后，終止子可阻止RNA聚合酶繼續(xù)向前移動并促使RNA聚合酶、DNA、RNA復(fù)合體的解體，釋放出mRNA，使轉(zhuǎn)錄活動終止。典型的編碼蛋白質(zhì)的原核基因結(jié)構(gòu)示意圖其核生物基因結(jié)構(gòu)更復(fù)雜一些，其編碼序列往往是不連續(xù)排列的，由外顯子(exon)和內(nèi)含子(Intron)間隔排列。

典型的編碼蛋白質(zhì)的真核基因結(jié)構(gòu)示意圖真核生物基因結(jié)構(gòu)更復(fù)雜一些，其編碼序列往往是不連續(xù)排列的，由外顯子(exon)和內(nèi)含子(Intron)間隔排列。

（1）外顯子是指基因內(nèi)編碼蛋白質(zhì)的DNA序列或可被翻譯的序列或與成熟mRNA對應(yīng)的序列。（2）內(nèi)含子是指基因內(nèi)不編碼蛋白質(zhì)的DNA序列或可轉(zhuǎn)錄但不被翻譯的序列或與成熟mRNA不對應(yīng)的序列。三．原核生物基因結(jié)構(gòu)與調(diào)控模式——操縱子(operon)

機(jī)制編碼序列

啟動序列

操縱序列

其他調(diào)節(jié)序列(promoter)(operator)由P序列、O序列和CAP結(jié)合位點(diǎn)共同構(gòu)成lac操縱子的調(diào)控區(qū)，他們相互協(xié)調(diào)，共同控制著信息區(qū)中三個酶的編碼基因的表達(dá)。I:lacI,represser；P:lacP,promoter；O:LacO

operator；CAP:cataboliteactivatorprotein)--分解代謝基因激活蛋白，又稱為CRP(cAMPreceptorprotein).TheLacOperon四．真核生物基因結(jié)構(gòu)與調(diào)控模式上游區(qū)域轉(zhuǎn)錄區(qū)域下游區(qū)域啟動子(TATA盒)上游增強(qiáng)子起始點(diǎn)ATG有義鏈外顯子外顯子外顯子內(nèi)含子內(nèi)含子終止子Poly(A)TAA下游增強(qiáng)子四．真核生物基因結(jié)構(gòu)與調(diào)控模式1)順式作用元件(cis-actingelement)BADNA編碼序列轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)順式作用元件或稱順式調(diào)控元件(cis-actingelements)，即指那些與結(jié)構(gòu)基因表達(dá)調(diào)控相關(guān)、能夠被調(diào)控蛋白特異性識別和結(jié)合的DNA序列，包括增強(qiáng)子、上游啟動子元件、啟動子、加尾信號和一些能與調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合的應(yīng)答元件等。

四．真核生物基因結(jié)構(gòu)與調(diào)控模式2)反式作用因子(trans-actingelements)BADNA編碼序列轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)一些蛋白質(zhì)因子可通過與順式作用元件結(jié)合調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄，這些蛋白質(zhì)因子稱為反式作用因子(trans-actingelements)或轉(zhuǎn)錄因子。

四．真核生物基因結(jié)構(gòu)與調(diào)控模式四．真核生物基因結(jié)構(gòu)與調(diào)控模式（1）啟動子（promoter）啟動子是RNA聚合酶特異性識別和結(jié)合的DNA序列。啟動子有方向性，位于結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的上游，本身并不被轉(zhuǎn)錄。TATA盒（TATAbox）是主要的真核生物的啟動子元件，它位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游-30bp處，幾乎所有已發(fā)現(xiàn)的真核生物基因的啟動子都有此序列。TATA盒與一種稱為TATA因子的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合后即成為完整的啟動子，精確地決定RNA合成的起始位點(diǎn)。四．真核生物基因結(jié)構(gòu)與調(diào)控模式（1）啟動子（promoter）真核生物中有三種不同的類型的啟動子，分別由RNA聚合酶I、II、III進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，其中以II類啟動子最為復(fù)雜。I類啟動子，只控制rRNA前體基因的轉(zhuǎn)錄，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物經(jīng)切割和加工后生成各種成熟rRNA。II類啟動子，涉及眾多編碼蛋白質(zhì)的基因表達(dá)的控制。III類啟動子，涉及一些小分子RNA的轉(zhuǎn)錄。四．真核生物基因結(jié)構(gòu)與調(diào)控模式（2）上游啟動子元件（upstreampromoterelements）是TATA盒上游的一些特定的DNA序列。反式作用因子可與這些元件結(jié)合，通過調(diào)節(jié)TATA因子與TATA盒的結(jié)合、RNA聚合酶與啟動子的結(jié)合及轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成（轉(zhuǎn)錄起始因子與RNA聚合酶結(jié)合）來調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄效率。包括CAAT盒、CACA盒及GC盒等。四．真核生物基因結(jié)構(gòu)與調(diào)控模式（3）反應(yīng)元件（responseelements）又稱應(yīng)答元件，是一類能介導(dǎo)基因?qū)?xì)胞外的某種信號產(chǎn)生反應(yīng)的DNA序列。反應(yīng)元件都具有較短的保守序列。這些元件通常位于啟動子附近和增強(qiáng)子內(nèi)，如熱休克反應(yīng)元件（heatshockresponseelement，HSE）、糖皮質(zhì)激素反應(yīng)元件（glucocorticoidresponseelement，GRE）。四．真核生物基因結(jié)構(gòu)與調(diào)控模式（3）反應(yīng)元件（responseelements）四．真核生物基因結(jié)構(gòu)與調(diào)控模式（4）增強(qiáng)子（enhancer）是一段DNA序列，其中含有多個能被反式作用因子識別與結(jié)合的順式作用元件。反式作用因子與這些元件結(jié)合后能夠調(diào)控（通常為增強(qiáng)）鄰近基因的轉(zhuǎn)錄。增強(qiáng)子一般位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游-100～-300bp處，但在基因之外或某些內(nèi)含子也有增強(qiáng)子序列。增強(qiáng)子主要通過改變DNA模板的螺旋結(jié)構(gòu)，為DNA模板提供特定的局部微環(huán)境或?yàn)镽NA聚合酶和反式作用因子提供一個與某些順式元件聯(lián)系的結(jié)構(gòu)等方式發(fā)揮作用。四．真核生物基因結(jié)構(gòu)與調(diào)控模式（4）增強(qiáng)子（enhancer）五．特殊結(jié)構(gòu)與功能的基因五．特殊結(jié)構(gòu)與功能的基因（1）轉(zhuǎn)位基因轉(zhuǎn)位基因，也稱轉(zhuǎn)位因子（transposableelements），是指可以從染色體基因組上的一個位置轉(zhuǎn)移到另一個位置，甚至在不同的染色體之間躍遷的基因成分，因此有些文獻(xiàn)形象地稱之為跳躍基因（jumpinggenes）。五．特殊結(jié)構(gòu)與功能的基因（1）轉(zhuǎn)位基因原核生物的轉(zhuǎn)位因子分三種不同的類型：插入序列：分子量小于2000bp轉(zhuǎn)座子：大于2000bp可轉(zhuǎn)座的噬菌體：如，噬菌體Mu和D108一般來說，按照轉(zhuǎn)座方式的不同，可將轉(zhuǎn)座子分為三大類：I型轉(zhuǎn)座子（ClassIelements），II型轉(zhuǎn)座子（ClassIIelements）以及Helitron轉(zhuǎn)座子。I型轉(zhuǎn)座子，為“復(fù)制-粘貼”型；II型轉(zhuǎn)座子為“剪切-粘貼”型；

Helitrons

轉(zhuǎn)座子，滾環(huán)（rollingcircle）的方式。五．特殊結(jié)構(gòu)與功能的基因（2）假基因（pseudogene）假基因是多基因家族中的成員，因其堿基順序發(fā)生缺失、倒位或點(diǎn)突變等失去活性，成為無功能基因，它們或者不能轉(zhuǎn)錄，或者轉(zhuǎn)錄后可合成無功能的異常多肽。假基因的4個顯著特點(diǎn)：

①沒有啟動子，沒有內(nèi)含子；②具有與成熟mRNA相同的poly(A)尾序列；③兩側(cè)具有DNA插入后形成的“足跡”順向重復(fù)序列；④隨機(jī)出現(xiàn)在非正常的位置，故有人據(jù)此提出假基因并非來自真基因的突變，很可能與反轉(zhuǎn)錄病毒的感染有關(guān)。五．特殊結(jié)構(gòu)與功能的基因（3）重疊基因（overlappinggenes）或稱嵌套基因（nestedgenes），其基因的核苷酸序列是彼此重疊。不僅在細(xì)菌、噬菌體及病毒等低等生物基因組中存在有重疊基因，而且在些真核生物中還發(fā)現(xiàn)了不同于原核生物的其他類型的重疊基因。五．特殊結(jié)構(gòu)與功能的基因（4）基因家族（genefamily）就是指核苷酸序列或編碼產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)具有一定程度同源性的一組基因。主要有以下幾種類型：

（1）核酸序列相同，即多拷貝基因。如rRNA基因，tRNA基因等。（2）核酸序列高度同源，如人類生長激素基因家族：人生長激素(hGH)、人胎盤促乳素(hCS)和催乳素(prolactin)。（3）編碼產(chǎn)物具有同源功能區(qū)：如src癌基因家族，基因產(chǎn)物都含有250個氨基酸順序的同源蛋白激酶結(jié)構(gòu)域。五．特殊結(jié)構(gòu)與功能的基因（4）編碼產(chǎn)物具有小段保守基序：如DEAD盒基因家族的產(chǎn)物都具有解旋酶的功能，其結(jié)構(gòu)特征是8個氨基酸序列，內(nèi)含DEAD序列：Asp-Glu-Ala-Asp。（5）基因超家族（genesuperfamily）是指一組由多基因家族及單基因組成的更大的基因家族。它們可能起源于相同的祖先基因，但是它們的功能并不一定相同(區(qū)別于多基因家族）。第二節(jié)

基因組的結(jié)構(gòu)與功能一、病毒基因組二、原核生物基因組三、真核生物基因組四、線粒體基因組五、人類基因組*基因組(genome)，是指在特定的細(xì)胞或生物體中，一套完整單倍體的遺傳物質(zhì)的總和，它包含了特定生物的全部遺傳信息。一、病毒基因組的結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn)1．病毒基因組的分子特征（1）不同病毒基因組大小相差較大300kb乙肝病毒（HBV）DNA為3.2

kb一、病毒基因組的結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn)1．病毒基因組的分子特征（1）不同病毒基因組大小相差較大單股正鏈RNA病毒，基因組有30kb一、病毒基因組的結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn)1．病毒基因組的分子特征（2）在分子種類和結(jié)構(gòu)上，病毒基因組之間差別也很大，包括雙鏈DNA（dsDNA）、單鏈DNA（ssDNA）、雙鏈RNA（dsRNA）、正單鏈RNA（+ssRNA）、負(fù)單鏈RNA（-ssRNA）五種不同類型。乳頭瘤病毒為閉環(huán)雙鏈DNA腺病毒為線性雙鏈DNA噬菌體M13為單鏈環(huán)狀DNA呼腸孤病毒為雙鏈RNA脊髓灰質(zhì)炎病毒為單股正鏈RNA艾滋病病毒是逆轉(zhuǎn)錄病毒（正鏈RNA病毒）流感病毒為單股負(fù)鏈RNA一、病毒基因組的結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn)1．病毒基因組的分子特征（3）病毒基因組有連續(xù)的也有不連續(xù)的流感病毒由8條單鏈RNA分子構(gòu)成；呼腸孤病毒由10條雙鏈RNA片段組成。一、病毒基因組的結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn)2．病毒基因組的遺傳與表達(dá)特征（1）主要為單倍體基因組，每個基因在病毒顆粒中只出現(xiàn)一次；（2）病毒基因組的大部分序列是用來編碼蛋白質(zhì)的，約占基因組的90%以上，只有很小的一部分不編碼蛋白質(zhì)；（3）病毒基因組中的基因構(gòu)上有連續(xù)的和不連續(xù)的兩種類型。一、病毒基因組的結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn)3．病毒基因組的功能基因特征（1）相關(guān)基因叢集，功能相關(guān)的蛋白質(zhì)基因往往聚集在基因組的一個或幾個特定部位，形成一個功能單位或轉(zhuǎn)錄單元；（2）病毒基因組的大部分序列是用來編碼蛋白質(zhì)的，約占基因組的90%以上，只有很小的一部分不編碼蛋白質(zhì)；（3）病毒基因組中的基因構(gòu)上有連續(xù)的和不連續(xù)的兩種類型。一、病毒基因組的結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn)3．病毒基因組的功能基因特征（1）相關(guān)基因叢集，功能相關(guān)的蛋白質(zhì)基因往往聚集在基因組的一個或幾個特定部位，形成一個功能單位或轉(zhuǎn)錄單元；一、病毒基因組的結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn)3．病毒基因組的功能基因特征（2）基因重疊，有些病毒核酸分子很小，又需要裝入盡可能多的基因，因此在進(jìn)化過程中形成了重疊基因，即同一段核酸序列能夠編碼2種或2種以上蛋白質(zhì)。一、病毒基因組的結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn)3．病毒基因組的功能基因特征（3）病毒基因組含有不規(guī)則結(jié)構(gòu)基因，主要類型有：①幾個結(jié)構(gòu)基因的編碼區(qū)無間隔，而是連續(xù)的、不間斷的。②mRNA沒有5’-端的帽結(jié)構(gòu)。③結(jié)構(gòu)基因本身沒有翻譯起始序列。二、原核生物基因組的結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn)1．原核基因組的編碼序列特征原核生物基因的編碼序列在基因組中約占50%，遠(yuǎn)大于真核生物基因組，但又少于病毒基因組；其基因的編碼順序不重疊，不存在病毒基因組特有的基因重疊現(xiàn)象。原核生物基因組中很少有重復(fù)序列，其結(jié)構(gòu)基因多為單拷貝，只有編碼rRNA的基因是多拷貝的。原核生物基因組內(nèi)，執(zhí)行同一代謝功能的相關(guān)結(jié)構(gòu)基因通常串聯(lián)排列，并以多順反子的操縱子結(jié)構(gòu)進(jìn)行表達(dá)，基因內(nèi)無內(nèi)含子，因此轉(zhuǎn)錄后也不會發(fā)生選擇性剪接事件?；蚪M中存在插入序列、轉(zhuǎn)座子等可移動的DNA序列。二、原核生物基因組的結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn)2．原核生物基因組的操縱子表達(dá)結(jié)構(gòu)原核生物基因組具有操縱子的表達(dá)結(jié)構(gòu)，操縱子由調(diào)控區(qū)和信息區(qū)組成。編碼序列

啟動序列

操縱序列

其他調(diào)節(jié)序列(promoter)(operator)三、真核生物基因組結(jié)構(gòu)與功能的特點(diǎn)1．真核基因組結(jié)構(gòu)龐大、復(fù)雜真核基因組遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原核生物的基因組，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，基因數(shù)龐大，具有許多復(fù)制起點(diǎn)。

哺乳類動物基因組DNA

約3×109

堿基對編碼基因約有40000個，占總長的6%rDNA等重復(fù)基因約占5%~10%三、真核生物基因組結(jié)構(gòu)與功能的特點(diǎn)2．真核生物基因組含有大量的重復(fù)序列真核生物基因組內(nèi)非編碼的序列占有絕大部分，其中含有大量重復(fù)順序。非編碼序列約占基因組的90%以上。三、真核生物基因組結(jié)構(gòu)與功能的特點(diǎn)3．真核生物基因組的結(jié)構(gòu)基因?yàn)閱雾樂醋咏Y(jié)構(gòu)，存在選擇性剪接。單順反子結(jié)構(gòu)（monocistron），即一分子mRNA只能翻譯成一種蛋白質(zhì)。大多數(shù)真核生物的結(jié)構(gòu)基因具有內(nèi)含子結(jié)構(gòu)，是斷裂基因，基因轉(zhuǎn)錄后的前體RNA還存在著選擇性剪接。四、線粒體基因組一個細(xì)胞里有許多個線粒體，而且一個線粒體里也有幾份基因組拷貝，所以一個細(xì)胞里也就有許多個線粒體基因組。真核細(xì)胞內(nèi)存在兩個遺傳系統(tǒng)，一個在細(xì)胞核內(nèi)，一個在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，各自合成一些蛋白質(zhì)和基因產(chǎn)物，造成了細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)對遺傳的相互作用；但是，核基因在生物體的遺傳控制中仍起主宰作用。五、人類基因組1．人類基因組DNA的多態(tài)性DNA序列存在著多態(tài)性(polymorphism)，這種多態(tài)性可以分為兩類，即DNA位點(diǎn)多態(tài)性和長度多態(tài)性。2．人類基因組的重復(fù)序列（1）反向重復(fù)序列，是指兩個順序相同的拷貝在DNA鏈上呈反向排列。人類基因組約含5%的反向重復(fù)序列，散布于整個基因組中，常見于基因組調(diào)控區(qū)內(nèi)，可能與復(fù)制的調(diào)控有關(guān)。（2）串聯(lián)重復(fù)序列（tandemrepeats）其特點(diǎn)是具有一個固定的重復(fù)單位，該重復(fù)單位頭尾相連形成重復(fù)順序片段，約占整個人類基因組的10%。第三節(jié)

基因的表達(dá)與調(diào)控1.基因表達(dá)的概念是指結(jié)構(gòu)基因所包含的遺傳信息，遵照“中心法則”通過轉(zhuǎn)錄生成RNA，以及轉(zhuǎn)錄后再經(jīng)過翻譯生成蛋白質(zhì)的過程。*基因表達(dá)(geneexpression)基因表達(dá)是受調(diào)控的。2.基因表達(dá)的時間性及空間性（一）時間特異性(temporalspecificity)是指某一基因的表達(dá)遵循特定的時間順序，按功能需要進(jìn)行表達(dá)。（二）空間特異性基因表達(dá)伴隨時間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實(shí)際上是由細(xì)胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱細(xì)胞或組織特異性(cellortissuespecificity)。是指特定基因表達(dá)產(chǎn)物在同一個體不同組織細(xì)胞中的分布特點(diǎn)，也稱為細(xì)胞特異性(cellspecificity)或組織特異性（tissuespecificity）。血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2（ACE2）ACE2是一種功能蛋白，在人體內(nèi)的主要作用是作為腎素血管緊張素調(diào)節(jié)系統(tǒng)（RAS）的重要成員。其編碼基因位于X染色體，ACE2最初被認(rèn)為只在心臟、腎臟和睪丸中表達(dá)，后面發(fā)現(xiàn)在肺、大腦和消化道中也廣泛表達(dá)。3.基因表達(dá)的方式（一）組成型表達(dá)在機(jī)體生長、發(fā)育過中，有些基因在幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)地表達(dá)，這類屬于基礎(chǔ)或組成型表達(dá)(constitutiveexpression)的基因，又被稱為看家基因(housekeepinggene)。（二）誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)有些基因隨細(xì)胞種類的不同及環(huán)境條件的變化而被誘導(dǎo)開啟和關(guān)閉，這類基因?qū)倏烧T導(dǎo)(或可阻遏)基因，其表達(dá)受誘導(dǎo)物(或阻遏物)調(diào)控?？烧T導(dǎo)基因在特定環(huán)境中表達(dá)增強(qiáng)的過程，稱為誘導(dǎo)(induction)。

如果基因?qū)Νh(huán)境信號應(yīng)答是被抑制，這種基因是可阻遏基因?？勺瓒艋虮磉_(dá)產(chǎn)物水平降低的過程稱為阻遏(repression)。4.基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義（一）適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖（二）維持個體發(fā)育與分化一、基因表達(dá)調(diào)控的基本原理（一）基因表達(dá)的多級調(diào)控基因激活轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄后加工mRNA降解蛋白質(zhì)降解等蛋白質(zhì)翻譯翻譯后加工修飾基因水平轉(zhuǎn)錄水平轉(zhuǎn)錄后水平翻譯水平翻譯后水平一、基因表達(dá)調(diào)控的基本原理1．特異DNA序列對基因表達(dá)的影響轉(zhuǎn)錄起始環(huán)節(jié)的調(diào)控始終是調(diào)控中最重要、最基礎(chǔ)的調(diào)控點(diǎn)之一。原核生物

蛋白質(zhì)因子——操縱子(operon)

機(jī)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)是RNA聚合酶結(jié)合并啟動轉(zhuǎn)錄的特異DNA序列。1)

啟動序列RNA轉(zhuǎn)錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACATATAAT共有序列共有序列(consensussequence)

決定啟動序列的轉(zhuǎn)錄活性大小。某些特異因子（蛋白質(zhì)）決定RNA聚合酶對一個或一套啟動序列的特異性識別和結(jié)合能力。2

操縱序列

——阻遏蛋白(repressor)的結(jié)合位點(diǎn)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3)其他調(diào)節(jié)序列、調(diào)節(jié)蛋白例如：激活蛋白(activator)可結(jié)合啟動序列鄰近的DNA序列，促進(jìn)RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合，增強(qiáng)RNA聚合酶活性。有些基因在沒有激活蛋白存在時，RNA聚合酶很少或完全不能結(jié)合啟動序列。DNA上的特定調(diào)控序列可以與相應(yīng)的調(diào)控蛋白結(jié)合。這些蛋白質(zhì)在真核生物中統(tǒng)稱為轉(zhuǎn)錄因子(transcriptionfactor，TF)。在原核生物中，這些蛋白質(zhì)依其作用性質(zhì)分為阻遏蛋白(repressor)、激活蛋白(activator)和特異因子。真核生物中的轉(zhuǎn)錄因子以反式作用方式與順式作用元件結(jié)合，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄活性，所以這些因子也稱為反式作用因子(trans-actingfactor)。（二）DNA與蛋白質(zhì)之間的相互作用一、基因表達(dá)調(diào)控的基本原理上述這種DNA-蛋白質(zhì)之間的結(jié)合通常是以非共價鍵的形式，通過蛋白質(zhì)分子中具有特殊結(jié)構(gòu)的功能域與DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)中的大溝結(jié)合，調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄。這些功能域常見的結(jié)構(gòu)特征有如下兩種。(1)螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋（helix-turn-helix）這種結(jié)構(gòu)模式具有兩個較短的α螺旋片段，它們之間有β轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)聯(lián)系。一個α螺旋被認(rèn)為是對順式元件的識別螺旋，含有較多能與DNA相互作用的氨基酸殘基，此螺旋進(jìn)入DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的大溝。一、基因表達(dá)調(diào)控的基本原理上述這種DNA-蛋白質(zhì)之間的結(jié)合通常是以非共價鍵的形式，通過蛋白質(zhì)分子中具有特殊結(jié)構(gòu)的功能域與DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)中的大溝結(jié)合，調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄。這些功能域常見的結(jié)構(gòu)特征有如下兩種。(1)螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋（helix-turn-helix）這種結(jié)構(gòu)模式具有兩個較短的α螺旋片段，它們之間有β轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)聯(lián)系。一個α螺旋被認(rèn)為是對順式元件的識別螺旋，含有較多能與DNA相互作用的氨基酸殘基，此螺旋進(jìn)入DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的大溝。(2)鋅指結(jié)構(gòu)含有約30個氨基酸殘基，其中4個氨基酸殘基（兩個是半脫氨酸兩個是組氨酸，或4個都是半脫氨酸）以配位鍵與Zn2+相互作用。鋅指能與DNA雙螺旋大溝結(jié)合。一、基因表達(dá)調(diào)控的基本原理不同的調(diào)節(jié)蛋白也可以異源多聚體形式相互結(jié)合后，再與DNA的順式作用因子結(jié)合，調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄，這在真核生物中較為常見。典型結(jié)構(gòu)特征有亮氨酸拉鏈(leucinezippers)和螺旋-環(huán)螺旋(helix-loop-helix)結(jié)構(gòu)。（三）蛋白質(zhì)之間的相互作用一、基因表達(dá)調(diào)控的基本原理酵母雙雜交系統(tǒng)（三）蛋白質(zhì)之間的相互作用一、基因表達(dá)調(diào)控的基本原理二、原核生物的基因表達(dá)調(diào)控（一）基因表達(dá)的多級調(diào)控基因激活轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄后加工mRNA降解蛋白質(zhì)降解等蛋白質(zhì)翻譯翻譯后加工修飾基因水平轉(zhuǎn)錄水平轉(zhuǎn)錄后水平翻譯水平翻譯后水平二、原核生物的基因表達(dá)調(diào)控——調(diào)節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)錄起始（一）原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)1.σ因子決定RNA聚合酶識別特異性2.操縱子模型的普遍性3.阻遏蛋白與阻遏機(jī)制的普遍性特點(diǎn)：二、原核生物的基因表達(dá)調(diào)控——調(diào)節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)錄起始（一）原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)1.σ因子決定RNA聚合酶識別特異性2.操縱子模型的普遍性3.阻遏蛋白與阻遏機(jī)制的普遍性特點(diǎn)：乳糖操縱子調(diào)節(jié)機(jī)制1.乳糖操縱子(lacoperon)的結(jié)構(gòu)

調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn)啟動序列操縱序列

結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透過酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶ZYAOPDNAmRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時2.阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)阻遏基因mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶++++轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時3.CAP的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPmRNA低半乳糖時高半乳糖時

葡萄糖低cAMP濃度高

葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOO4.協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)

※

當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用；

※

如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無轉(zhuǎn)錄活性。單純?nèi)樘谴嬖跁r，細(xì)菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時，細(xì)菌首先利用葡萄糖。葡萄糖對lac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolicrepression)。

其他轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)機(jī)制1.色氨酸操縱子的轉(zhuǎn)錄衰減調(diào)控TrpTrp高時Trp缺乏時mRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶RNA聚合酶其他轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)機(jī)制1.色氨酸操縱子的轉(zhuǎn)錄衰減調(diào)控色氨酸操縱子UUUU……UUUU……調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因trpROP前導(dǎo)序列衰減子區(qū)域UUUU……前導(dǎo)mRNA1234衰減子結(jié)構(gòu)

形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力強(qiáng)弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4UUUU……UUUU……34UUUU3’34核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA1.當(dāng)色氨酸濃度低時轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制125’trp密碼子衰減子結(jié)構(gòu)就是終止子可使轉(zhuǎn)錄前導(dǎo)DNAUUUU3’RNA聚合酶終止UUUU……342423UUUU……核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA15’trp密碼子

結(jié)構(gòu)基因前導(dǎo)DNARNA聚合酶2.當(dāng)色氨酸缺乏時Trp合成酶系相關(guān)結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄序列3、4不能形成衰減子結(jié)構(gòu)2.沙門菌基因重組調(diào)控H2鞭毛素

阻遏蛋白

倒位酶轉(zhuǎn)位片段hinH2IH1H1鞭毛素hinH2IDNA啟動序列H1啟動序列3.SOS反應(yīng)

SOS基因紫外線激活RecALexA阻遏蛋白

與DNA損傷修復(fù)有關(guān)的酶和蛋白質(zhì)基因表達(dá)LexA阻遏蛋白操縱序列DNA二、原核生物的基因表達(dá)調(diào)控（二）原核基因翻譯水平的調(diào)控調(diào)控作用包括：①SD序列對翻譯的影響；②mRNA的穩(wěn)定性；③翻譯產(chǎn)物對翻譯的影響。原核生物mRNA的5’端起始密碼子AUG的上游3～10堿基處有一個核糖體結(jié)合位點(diǎn)，依發(fā)現(xiàn)者的名字命名為Shine-Da1garno序列，簡稱SD序列。SD順序富含嘌呤核苷酸，能與核糖體小亞基的16srRNA3’末端富含嘧啶的序列互補(bǔ)，而使核糖體與mRNA結(jié)合，將起始密碼子定位在核糖體的P位。SD序列對翻譯的影響——與翻譯起始有關(guān)SD序列對翻譯的影響——與翻譯起始有關(guān)原核生物細(xì)胞mRNA通常是不穩(wěn)定的，極易被降解。如E．coli的許多mRNA在37℃時條件下的平均半衰期大約為2分鐘。mRNA的快速降解使得許多蛋白質(zhì)翻譯的模板在幾分鐘內(nèi)就被全部替換，這意味著，誘導(dǎo)基因表達(dá)的因素一旦消失，蛋白質(zhì)的合成就會迅速停止。

因此，原核生物基因表達(dá)調(diào)控的主要環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)錄水平，通過mRNA迅速合成、迅速降解，來對環(huán)境變化做出快速反應(yīng)進(jìn)而做出快速應(yīng)答。mRNA的穩(wěn)定性有些mRNA編碼的蛋白質(zhì)，本身就是在蛋白質(zhì)翻譯過程中發(fā)揮作用的因子。這些因子可對自身的翻譯產(chǎn)生調(diào)控作用。如：原核生物中的起始因子3（IF-3），當(dāng)它合成過多時，能有效地校正和抑制其自身的起始密碼子與起始tRNA的配對而抑制翻譯的起始。另外還有核糖體蛋白、翻譯終止因子等均可影響翻譯過程。翻譯產(chǎn)物對翻譯的影響三、真核生物的基因表達(dá)調(diào)控（一）基因表達(dá)的多級調(diào)控基因激活轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄后加工mRNA降解蛋白質(zhì)降解等蛋白質(zhì)翻譯翻譯后加工修飾基因水平轉(zhuǎn)錄水平轉(zhuǎn)錄后水平翻譯水平翻譯后水平真核生物基因表達(dá)調(diào)控與原核生物的區(qū)別至少在4個方面不同：①轉(zhuǎn)錄激活與轉(zhuǎn)錄區(qū)染色質(zhì)特定結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)；②以更加靈活、經(jīng)濟(jì)、便捷的正控制調(diào)節(jié)方式為主；③轉(zhuǎn)錄與翻譯在時間與空間上是的分離的；④有更多、更復(fù)雜的調(diào)控蛋白參與調(diào)控過程。三、真核生物的基因表達(dá)調(diào)控染色質(zhì)（chromatin）結(jié)構(gòu)影響基因表達(dá)是真核生物基因的特有現(xiàn)象。真核生物基因通常與組蛋白結(jié)合成核小體結(jié)構(gòu)，經(jīng)高度螺旋壓縮成的染色質(zhì)儲存于細(xì)胞核內(nèi)，維持基因組穩(wěn)定性，保護(hù)DNA免受損傷，關(guān)閉基因的轉(zhuǎn)錄。去除組蛋白后，染色質(zhì)松弛，核小體解體，基因轉(zhuǎn)錄開啟。轉(zhuǎn)錄較為活躍的區(qū)域，組蛋白相對缺乏，對核酸酶（DNaseⅠ）高度敏感，出現(xiàn)DNaseⅠ超敏位點(diǎn)。（1）染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對基因表達(dá)的調(diào)控作用1.DNA水平的調(diào)控三、真核生物的基因表達(dá)調(diào)控組蛋白在維持染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)基因表達(dá)中發(fā)揮重要作用。（1）染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對基因表達(dá)的調(diào)控作用1.DNA水平的調(diào)控三、真核生物的基因表達(dá)調(diào)控（2）基因修飾在真核生物基因表達(dá)中，甲基化起著重要作用。DNA中的胞嘧啶經(jīng)甲基化成為5甲基胞嘧啶（m5C），常出現(xiàn)在基因5’端側(cè)翼序列的CG富含區(qū)。基因的甲基化與基因的表達(dá)負(fù)相關(guān)。因此，轉(zhuǎn)錄活性高的基因CG富含區(qū)中甲基化程度一般較低。甲基化影響基因表達(dá)的機(jī)制，一般認(rèn)為影響DNA與轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合，使基因不能轉(zhuǎn)錄或阻止轉(zhuǎn)錄復(fù)合物的形成。1.DNA水平的調(diào)控基因重排（generearangement）是指某些基因片段改變原有的序列，通過調(diào)整有關(guān)基因片段的銜接序列，重新組成一個完整的轉(zhuǎn)錄單位。免疫球蛋白分子就是由許多基因片段進(jìn)行重排和拼接加工的產(chǎn)物。通過不同的組合方式可以形成約108種不同的免疫球蛋白分子，這也是免疫球蛋白分子的多樣性的分子生物學(xué)基礎(chǔ)?；蛑嘏攀荄NA水平調(diào)控的重要方式之一。三、真核生物的基因表達(dá)調(diào)控（3）基因重排1.DNA水平的調(diào)控細(xì)胞在發(fā)育分化或環(huán)境改變時，由于對某種基因產(chǎn)物的需要量劇增，單純靠調(diào)節(jié)其表達(dá)活性不足以滿足需要時，常通過基因擴(kuò)增（geneampification）的調(diào)節(jié)方式來增加這種基因的拷貝數(shù)，滿足需要。三、真核生物的基因表達(dá)調(diào)控1.DNA水平的調(diào)控（4）基因擴(kuò)增轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控是真核生物基因表達(dá)調(diào)控中最重要的環(huán)節(jié)，主要調(diào)控環(huán)節(jié)是轉(zhuǎn)錄起始。調(diào)控方式主要是通過反式作用因子、順式作用元件和RNA聚合酶相互作用來完成。三、真核生物的基因表達(dá)調(diào)控2.轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)反式作用因子的激活通過以下幾種方式進(jìn)行。三、真核生物的基因表達(dá)調(diào)控2.轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)（1）反式作用因子調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄起始①表達(dá)式調(diào)節(jié)；②反式作用因子的共價修飾；③配體結(jié)合；④蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)復(fù)合物的形成與解離。三、真核生物的基因表達(dá)