分子生物學(xué)課件

分子生物學(xué)

節(jié)分子生物學(xué)的定義和研究?jī)?nèi)容一、定義分子生物學(xué)是從分子水平研究生命現(xiàn)象及其規(guī)律的一門新興、前沿學(xué)科。它以核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子的結(jié)構(gòu)、功能及其在信號(hào)傳遞中的作用為研究對(duì)象，其發(fā)展非常迅速。分子生物學(xué)以其嶄新的觀點(diǎn)和技術(shù)向其他學(xué)科的全面滲透，推動(dòng)了許多學(xué)科向分子水平發(fā)展。2021/6/271使細(xì)胞生物學(xué)、遺傳學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)和生態(tài)學(xué)由原來(lái)的經(jīng)典學(xué)科變成了生命科學(xué)的真正前沿科學(xué)，形成了一系列交叉學(xué)科，如分子遺傳學(xué)、分子生態(tài)學(xué)、分子免疫學(xué)、分子病毒學(xué)、分子病理學(xué)、分子腫瘤學(xué)和分子藥理學(xué)等。分子生物學(xué)是生命科學(xué)的核心前沿。不同種屬生物的表現(xiàn)形式多種多樣和千姿百態(tài)，但是，生命活動(dòng)的本質(zhì)卻是高度一致的。例如絕大多數(shù)生物遺傳取決于DNA；除少數(shù)例外，遺傳密碼在整個(gè)生命世界中都是一致的。又如核酸一級(jí)結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及蛋白質(zhì)的有序合成，也表現(xiàn)出高度一致性。2021/6/272

因此，分子生物學(xué)開辟了研究各種不同種屬生物的生命現(xiàn)象最基本、最重要的途徑。分子生物學(xué)的發(fā)展為人類認(rèn)識(shí)生命現(xiàn)象帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇，也為人類利用和改造生物創(chuàng)造了極為廣闊的前景。

2021/6/273由于生物化學(xué)、生物物理學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、遺傳學(xué)、應(yīng)用微生物學(xué)及免疫學(xué)以及數(shù)學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息學(xué)等專業(yè)技術(shù)的滲透，分子生物學(xué)已發(fā)明和創(chuàng)造了一系列新的技術(shù)。例如DNA及RNA的印跡轉(zhuǎn)移、核酸分子雜交、DNA克隆或重組DNA、基因體外擴(kuò)增、DNA測(cè)序等等，以及研究蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)、二級(jí)結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)與功能的分析技術(shù)。2021/6/274其中重組DNA(recombinantDNA)技術(shù)是現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的核心。重組DNA技術(shù)又稱為基因操作(genemanipulation)、分子克隆(molecularcloning)、基因克隆(genecloning)或基因工程（geneengineering）等。這些名詞彼此間存在某些微小的差別，在不同情況和不同條件下常常交換使用。“基因操作”定義為：通過任何方法將細(xì)胞外構(gòu)建的DNA分子(或片段)插入病毒、質(zhì)?；蚱渌d體系統(tǒng)，形成遺傳物質(zhì)的重新組合，使它們能夠進(jìn)入宿主細(xì)胞內(nèi)，并能在其中繼續(xù)擴(kuò)增。2021/6/275而“重組DNA技術(shù)”狹義上具“基因操作”相同的含義，但它涉及范圍更廣泛，甚至泛指分子生物學(xué)中與DNA水平研究有關(guān)的技術(shù)。因此，分子生物學(xué)技術(shù)已成為推動(dòng)生物科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域向分子水平發(fā)展的重要工具或手段，也是服務(wù)于人類和社會(huì)，推動(dòng)醫(yī)藥和工、農(nóng)業(yè)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。2021/6/276二、分子生物學(xué)的研究?jī)?nèi)容分子生物學(xué)的研究?jī)?nèi)容主要包括以下三個(gè)方面。1、核酸分子生物學(xué)：主要研究核酸的結(jié)構(gòu)及其功能。2、蛋白質(zhì)分子生物學(xué)：主要研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能。盡管人類對(duì)蛋白質(zhì)的研究比對(duì)核酸研究的歷史要長(zhǎng)得多，但由于其研究難度較大，與核酸分子生物學(xué)相比發(fā)展緩慢。

3.細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)：細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子生物學(xué)主要研究細(xì)胞內(nèi)、細(xì)胞間信息傳遞的分子基礎(chǔ)。

2021/6/277第二節(jié)分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史一、生物遺傳物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)早在1868年，MiescherF從膿細(xì)胞中分離出細(xì)胞核，用稀堿抽提再加入酸，得到了一種含氮和磷特別豐富的物質(zhì)，當(dāng)時(shí)稱其為核素(nuclein)。1872年，他又在鮭魚精子細(xì)胞核中發(fā)現(xiàn)了大量的這類物質(zhì)。由于這類物質(zhì)都是從細(xì)胞核中提取出來(lái)的，而且又是酸性，故稱其為核酸(nucleicacid)。2021/6/278二、現(xiàn)代分子生物學(xué)的建立1950年AstburyWT在一次題為“Adventuresinmolecularbiology”講演中首先使用“分子生物學(xué)”這一術(shù)語(yǔ),用以說(shuō)明它是研究生物大分子的化學(xué)和物理學(xué)結(jié)構(gòu)。1953年WatsonJD和CrickFH提出“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)”（生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)），是分子生物學(xué)創(chuàng)建的里程碑。該學(xué)說(shuō)啟動(dòng)了分子生物學(xué)及重組DNA技術(shù)，開創(chuàng)了分子遺傳學(xué)基本理論的黃金時(shí)代。2021/6/279其主要進(jìn)展有：

1953年，Watson和Crick《Nature》雜志上發(fā)表一篇震動(dòng)生物學(xué)界的論文“脫氧核糖核酸的結(jié)構(gòu)”。Watson和Crick的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)已被普遍地視為分子生物學(xué)發(fā)展的最主要里程碑，也是分子生物學(xué)及其技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。2021/6/27101956年Kornberg,A.,首先發(fā)現(xiàn)DNA聚合酶（生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)）；1957年，HoaglandMB等分離出tRNA，并對(duì)它們?cè)诤铣傻鞍踪|(zhì)中轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的功能提出了假設(shè)；1958年，MeselsonM及StahlFW提出了DNA半保留復(fù)制模型；1958年，WeissSB及HurwitzJ等發(fā)現(xiàn)依賴于DNA的RNA聚合酶；1961年HallBD等用RNA-DNA雜交證明mRNA與DNA序列互補(bǔ)；這些工作使RNA轉(zhuǎn)錄合成的機(jī)制得以逐步闡明。2021/6/27111963年，HolleyRW從酵母中提取丙氨酰轉(zhuǎn)移核糖核酸（tRNA），1965年，Holley測(cè)定了tRNA核苷酸序列(生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng))。1968年，OkazakiR（岡崎）等提出了DNA不連續(xù)復(fù)制模型；20世紀(jì)70年代初獲得DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶，并對(duì)真核DNA聚合酶特性作了分析研究。這些都逐漸完善了對(duì)DNA復(fù)制機(jī)制的認(rèn)識(shí)。2021/6/2712三、現(xiàn)代分子生物學(xué)的深入發(fā)展(一)重組DNA技術(shù)的發(fā)明1．基因克隆工具酶的發(fā)現(xiàn)：1970年，SmithHO在微生物中發(fā)現(xiàn)一組目前稱之為限制性核酸內(nèi)切酶的酶類，簡(jiǎn)稱限制酶(restrictionenzyme)。（生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)）Temin等從肉瘤病毒(一種逆轉(zhuǎn)錄病毒)中發(fā)現(xiàn)了一種逆轉(zhuǎn)錄酶(reversetranscriptase)（生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)）2．DNA片段的體外連接：1972年，BergP和JacksonDA等首次將兩個(gè)不同生物體來(lái)源的DNA片段，在DNA連接酶的作用下進(jìn)行連接(或重組)，產(chǎn)生了第一個(gè)重組DNA分子。2021/6/27133．質(zhì)粒的構(gòu)建：1973年，CohenS構(gòu)建了第一個(gè)可用于DNA分子克隆的載體——質(zhì)粒（plasmid）。

4．核酸雜交技術(shù)：1969年，PardueML等首先建立了細(xì)胞原位雜交技術(shù)。1975年，SouthernEM發(fā)明一種印跡雜交技術(shù)，被稱為Southern印跡或Southern轉(zhuǎn)移技術(shù)。

5．DNA序列分析技術(shù)：1977年，劍橋大學(xué)SangerF等創(chuàng)建了雙脫氧末端終止法測(cè)定DNA序列，與此同時(shí)，美國(guó)MaxamI和GilbertW發(fā)明了化學(xué)裂解法或部分降解法測(cè)定DNA序列（化學(xué)獎(jiǎng)）。2021/6/27146．聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerasechainreaction，PCR)：1985年，MullisK首創(chuàng)聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)技術(shù)（化學(xué)獎(jiǎng)）。該技術(shù)在體外模擬細(xì)胞內(nèi)DNA的復(fù)制過程，進(jìn)行體外“基因擴(kuò)增”。(二)分子生物學(xué)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展由于分子生物學(xué)的廣泛滲透和應(yīng)用，反過來(lái)又推動(dòng)了重組DNA技術(shù)和分子生物學(xué)本身的發(fā)展。有關(guān)這方面的研究進(jìn)展事例不勝枚舉?，F(xiàn)僅就具有重大歷史意義、影響廣泛深遠(yuǎn)的主要事件簡(jiǎn)述如下。2021/6/27151．癌基因的發(fā)現(xiàn)：1975年，BishopJM和VermusHE在Rous肉瘤病毒(一種逆轉(zhuǎn)錄病毒)中首次發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)癌基因－src。同時(shí)證明src基因不是Rous肉瘤病毒所固有、而是來(lái)自宿主細(xì)胞基因組，在所有小雞細(xì)胞中都有其同源副本。

2．基因診斷：1976年，KanYW應(yīng)用分子雜交技術(shù)，用cDNA探針進(jìn)行溶液雜交，檢測(cè)α-珠蛋白基因有無(wú)缺失，首次成功地進(jìn)行了一例α珠蛋白合成障礙性貧血（又稱為α-地貧）純合子胎兒(胎兒水腫)的產(chǎn)前診斷。這也是首例單基因遺傳疾病的基因診斷。2021/6/27163．基因組文庫(kù)的建立：1978年，SmithiesO等建立了第一個(gè)人類基因組文庫(kù)(genomiclibrary)。4．基因工程生產(chǎn)人胰島素：1979年，GoeddelDV及其同事詳細(xì)報(bào)道了他們成功地用化學(xué)合成的人胰島素基因在大腸桿菌中進(jìn)行了表達(dá)。隨后EliLilly公司在1982年獲準(zhǔn)銷售基因工程生產(chǎn)的胰島素。2021/6/27175．轉(zhuǎn)基因動(dòng)物：

1981年，PalmiterR和BrinsterR利用基因轉(zhuǎn)移技術(shù)成功地建立第一個(gè)轉(zhuǎn)基因小鼠，轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型的建立，為研究基因功能及遺傳病的基因治療提供了活體模型。6.人類基因治療研究：

1990年4月，美國(guó)NIH的BlaeseRM和AndersonWF等首次將腺苷脫氨酶(ADA)基因?qū)胫烈晃换紘?yán)重復(fù)合免疫缺陷癥(SCID)的4歲小孩體內(nèi)，并取得一定療效，開創(chuàng)了人類基因治療（humangenetherapy）的先河，并為20世紀(jì)90年代以來(lái)基因治療研究蓬勃開展奠定了基礎(chǔ)。2021/6/27187．基因工程抗體技術(shù)的建立和發(fā)展：人們利用細(xì)胞工程技術(shù)研制出多種單克隆抗體，為許多疾病的診斷和治療提供了有效的手段。8．DNA芯片（基因芯片、生物芯片）技術(shù)：是指將大量探針分子固定于固體支持物上，與標(biāo)記的樣品分子進(jìn)行雜交，通過檢測(cè)每個(gè)探針分子的雜交信號(hào)強(qiáng)度而獲取樣品分子的數(shù)量和序列信息。2021/6/2719（三）基因組研究的進(jìn)展基因組（genome）是指一個(gè)物種遺傳信息的總和。2001年2月11日，參加人類基因組計(jì)劃的六國(guó)科學(xué)家、美國(guó)塞萊拉遺傳信息公司、美國(guó)《科學(xué)》雜志和英國(guó)《自然》雜志聯(lián)合宣布，繼科學(xué)家于2000年繪制成功人類基因組工作框架圖之后，又繪制出了更加準(zhǔn)確、清晰、完整的人類基因組圖譜，對(duì)人類基因組的面貌有了新的發(fā)現(xiàn)。人類基因數(shù)量遠(yuǎn)比預(yù)計(jì)的少，人類基因數(shù)量?jī)H有2.5～3萬(wàn)個(gè)左右，比以前估計(jì)的8萬(wàn)至10萬(wàn)個(gè)要少得多。2021/6/2720通過進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)，男女可能存在巨大遺傳差異，男性染色體減數(shù)分裂的突變率是女性的兩倍。并找到了很多與遺傳病有關(guān)的基因，包括乳腺癌、遺傳性耳聾、中風(fēng)、癲癇癥、糖尿病和各種骨骼異常的基因。

(四)基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制的研究1961年，JacobF和MonodJ最早提出操縱子學(xué)說(shuō)（生理醫(yī)學(xué)），打開了人類認(rèn)識(shí)基因表達(dá)調(diào)控的窗口。從80年代開始，人們逐步認(rèn)識(shí)到真核基因的順式調(diào)控元件與反式作用因子、核酸與蛋白質(zhì)間的分子識(shí)別與相互作用是真核基因表達(dá)調(diào)控的根本所在。2021/6/27211981年，AltmanS和CechTR同時(shí)發(fā)現(xiàn)了具有催化自我剪接活性的RNA，稱之為ribozyme(核酶)（化學(xué)獎(jiǎng)），參與基因表達(dá)的調(diào)節(jié)。（五）小分子RNA研究進(jìn)展1993年，LeeRC等發(fā)現(xiàn)線蟲(C.elegans)lin-4基因編碼的小分子RNA，其長(zhǎng)度為22～61個(gè)核苷酸——反義RNA。反義RNA能與lin-14mRNA的3ˊ非翻譯區(qū)（untranslatedregion，UTR）反義互補(bǔ)結(jié)合，阻斷l(xiāng)in-14的翻譯，降低線蟲早期發(fā)育階段lin-14蛋白的水平。2021/6/2722小干擾性RNA(smallinterferingRNA，siRNA)系21～25個(gè)堿基對(duì)的短雙鏈RNA，是長(zhǎng)雙鏈RNA(dsRNA)被細(xì)胞內(nèi)Dicer切割而成。siRNA能誘發(fā)細(xì)胞內(nèi)基因沉默，使那些與雙鏈RNA有同源序列的mRNA被降解，從而抑制了該基因的表達(dá)，這一現(xiàn)象稱為RNA干擾（RNAi）。2021/6/2723（六）細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制研究1957年，SutherlandEW發(fā)現(xiàn)了cAMP，1965年又提出第二信使學(xué)說(shuō)，這是人們認(rèn)識(shí)受體介導(dǎo)的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的第一個(gè)里程碑。1977年，RossEM等用重組實(shí)驗(yàn)證實(shí)G蛋白的存在和功能，G蛋白參與偶聯(lián)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。2021/6/2724從1957年到2000年從事分子生物學(xué)研究的科學(xué)家共獲得了31項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)。2021/6/2725第三節(jié)分子生物學(xué)與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系一、分子生物學(xué)與生物化學(xué)生物化學(xué)與分子生物學(xué)關(guān)系最為密切。兩者在我國(guó)教育部和科技部頒布的二級(jí)學(xué)科中，稱為“生物化學(xué)與分子生物學(xué)”，兩者并重。分子生物學(xué)雖然主要起源于生物化學(xué)，但它又不同于生物化學(xué)。生物化學(xué)主要是從化學(xué)角度研究生命現(xiàn)象的科學(xué)，它著重研究生物體內(nèi)各種生物分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)化和新陳代謝。分子生物學(xué)則著重闡明生命物質(zhì)（核酸與蛋白質(zhì)）的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系、細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途經(jīng)和基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)制。2021/6/2726二、細(xì)胞生物學(xué)與分子生物學(xué)細(xì)胞生物學(xué)與分子生物學(xué)關(guān)系十分密切。傳統(tǒng)上，細(xì)胞生物學(xué)主要是利用光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡研究細(xì)胞和亞細(xì)胞器的形態(tài)、結(jié)構(gòu)與功能。細(xì)胞是由許多分子組成的復(fù)雜體系，探討組成細(xì)胞的生物大分子結(jié)構(gòu)與功能，比單純觀察細(xì)胞形態(tài)更能深入了解細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能，因此，現(xiàn)代細(xì)胞生物學(xué)越來(lái)越多地應(yīng)用分子生物學(xué)的理論和方法。2021/6/2727分子生物學(xué)則是從生物大分子的結(jié)構(gòu)入手，主要研究細(xì)胞整體反應(yīng)的分子機(jī)制。這反映了分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)的交叉與融合，因此，產(chǎn)生了細(xì)胞分子生物學(xué)。三、分子生物學(xué)與遺傳學(xué)遺傳學(xué)是研究生物體遺傳和變異的科學(xué)。由于分子生物學(xué)的興起和發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)確認(rèn)生物遺傳信息攜帶者——基因就是DNA分子中的一個(gè)片段。

隨著分子生物學(xué)向遺傳學(xué)深入滲透，經(jīng)典遺傳學(xué)已進(jìn)入分子水平，因而誕生了分子遺傳學(xué)。2021/6/2728分子遺傳學(xué)是分子生物學(xué)和遺傳學(xué)相互交叉和滲透的結(jié)果。分子遺傳學(xué)和分子生物學(xué)的研究界線越來(lái)越模糊，但并不能說(shuō)分子遺傳學(xué)就等于分子生物學(xué),因?yàn)榉肿由飳W(xué)研究范圍更廣泛，幾乎包括生命科學(xué)各領(lǐng)域的分子水平研究。四、分子生物學(xué)與生物技術(shù)根據(jù)美國(guó)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)組織的定義：生物技術(shù)(biotechnology)是指“利用細(xì)胞和分子過程來(lái)解決問題或制造產(chǎn)品的技術(shù)”。2021/6/2729現(xiàn)代生物技術(shù)主要包括兩個(gè)方面：基因（核酸）工程和蛋白質(zhì)（酶）工程。這兩方面的生物技術(shù)又統(tǒng)稱為分子生物學(xué)工程。2021/6/2730練習(xí)題（1）一、名詞解釋1、基因表達(dá)；2、操縱子3、反式作用因子；

4、啟動(dòng)子5、Southern印跡雜交；

6、轉(zhuǎn)錄圖7、生物信息學(xué)；

8、轉(zhuǎn)化9、α-互補(bǔ)作用；

10、鋅指結(jié)構(gòu)2021/6/2731二、選擇題1、原核生物基因表達(dá)的特點(diǎn)A只有一種RNA聚合酶；B基因以操縱子為基本單位進(jìn)行表達(dá)；C轉(zhuǎn)錄和翻譯過程是偶聯(lián)進(jìn)行的；D轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物需要經(jīng)過加工修飾。2、DNA序列分析的主要應(yīng)用有A分析基因的精細(xì)結(jié)構(gòu)；B用于基因診斷和變異分析；C由基因結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)功能；D用于基因工程和蛋白質(zhì)工程相關(guān)分析。3、提高表達(dá)蛋白的穩(wěn)定性的措施有A讓外源基因和宿主基因一起表達(dá)，形成融合蛋白；

B用酶消化載體；C采用蛋白酶缺陷的突變菌株；

D表達(dá)分泌蛋白2021/6/2732三、問答題1、簡(jiǎn)述PCR定點(diǎn)誘變法的原理與步驟2、簡(jiǎn)述DNA芯片技術(shù)的應(yīng)用2021/6/2733第二章基因與基因組第一節(jié)基因

一、基因概念的起源1865年，現(xiàn)代遺傳學(xué)的奠基人Mendel通過著名的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)提出遺傳因子學(xué)說(shuō)。1909年Johannsen將遺傳因子改稱為基因，并提出基因型和表型的概念?；蛐?genotype)是逐代傳遞下去的成對(duì)因子的集合，因子中一個(gè)來(lái)源于父本，另一個(gè)來(lái)源于母本。表型(phenotype)是指一些容易區(qū)分的個(gè)體特征的集合。2021/6/2734二、基因的化學(xué)本質(zhì)1944年，美國(guó)的生物化學(xué)家OswaldAvery利用滅活的致病肺炎球菌提取DNA，與非致病肺炎球菌混合培養(yǎng)，使后者轉(zhuǎn)化為具有致病性的細(xì)菌，從而證實(shí)遺傳基因的本質(zhì)是DNA。1952年，AlfredHershey和MarthaChase利用病毒證實(shí)了DNA是遺傳物質(zhì)的攜帶者。2021/6/2735三、基因概念的發(fā)展與現(xiàn)代理解Beadle和Tatum在1946年提出了“一個(gè)基因一種酶”的理論，并因此獲得1958年的諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。但是，對(duì)于具有多個(gè)亞單位的蛋白質(zhì)來(lái)說(shuō)，“一個(gè)基因一種酶”的假說(shuō)不夠完善。因此，人們提出了“一個(gè)基因，一條多肽鏈”的概念。然而，在DNA分子中，除了編碼蛋白質(zhì)的基因外，還有編碼RNA的基因，如編碼tRNA、rRNA和snRNA的基因。因此，“一個(gè)基因，一條多肽鏈”的理論也不夠完善。2021/6/2736現(xiàn)代基因的定義為：基因是核酸中貯存遺傳信息的遺傳單位，是貯存有功能的蛋白質(zhì)多肽鏈或RNA序列信息以及表達(dá)這些信息所必需的全部核苷酸序列。簡(jiǎn)單地說(shuō)，基因——指導(dǎo)合成有功能的蛋白質(zhì)多肽鏈或RNA所必需的全部DNA序列。

2021/6/2737四、基因的結(jié)構(gòu)從分子生物學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，基因是DNA雙螺旋分子中含有特定遺傳信息的一段核苷酸序列。在基因中用于編碼RNA或蛋白質(zhì)的DNA序列稱為結(jié)構(gòu)基因（structuregene），結(jié)構(gòu)基因兩側(cè)的側(cè)翼序列是不編碼RNA或蛋白質(zhì)的DNA片段，但含有基因的調(diào)控序列（圖2-1）。2021/6/2738圖2-1基因結(jié)構(gòu)圖2021/6/2739（一）結(jié)構(gòu)基因

大多數(shù)結(jié)構(gòu)基因能通過信使RNA（messengerRNA，mRNA）進(jìn)一步編碼某種多肽或蛋白質(zhì)，但有少數(shù)結(jié)構(gòu)基因僅僅編碼一些具有特定功能的RNA，如轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（transferRNA，tRNA），核糖體RNA（ribosomalRNA，rRNA）和其他小分子RNA。結(jié)構(gòu)基因的DNA雙鏈都有作為模板鏈的可能。攜帶生物信息（RNA序列信息）的那一條DNA鏈稱為信息鏈或有意義鏈（sensestrand）。由結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄所得的RNA分子的核苷酸序列與其信息鏈的核苷酸序列一致，只是以U取代了T。2021/6/27405`-ACGTTCCGA-3`3`-TGCAAGGCT-5`DNA

↓5`-ACGUUCCGA-3`RNA對(duì)于編碼蛋白質(zhì)的基因來(lái)說(shuō)，信息鏈又稱為編碼鏈。與信息鏈互補(bǔ)的DNA單鏈即為轉(zhuǎn)錄模板鏈（templatesstrand）也稱反意義鏈（antisensestrand）?？梢杂脕?lái)合成一條與模板DNA堿基互補(bǔ)的RNA鏈。2021/6/2741原核生物的結(jié)構(gòu)基因是連續(xù)的，其RNA合成后不需要經(jīng)過剪接加工。大多數(shù)真核生物基因則在編碼區(qū)（codingregion）內(nèi)含有非編碼的插入序列，因此被稱為斷裂基因（interruptedgene）斷裂基因——被非編碼序列隔斷了的不連續(xù)的結(jié)構(gòu)基因。其中編碼序列稱為外顯子（exon），非編碼序列稱為內(nèi)含子（intron），2021/6/2742內(nèi)含子和外顯子一起轉(zhuǎn)錄，形成mRNA前體（precursor），但是在加工過程中被剪切掉，故內(nèi)含子不存在于成熟的mRNA序列中。經(jīng)過剪接，由全部外顯子連接而成的mRNA參與指導(dǎo)多肽鏈的合成。在真核生物基因的外顯子與內(nèi)含子接頭處都有一段高度保守的一致序列（consensussequence）。即內(nèi)含子5ˊ端大多數(shù)是以GT開始，3ˊ端大多數(shù)是以AG結(jié)束，這稱為GT-AG法則?？梢杂盟鳛檎婧嘶蛑蠷NA剪接的識(shí)別信號(hào)。2021/6/2743(二)非結(jié)構(gòu)基因

——參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控的順式作用元件這類調(diào)控元件是與結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)、具有調(diào)控轉(zhuǎn)錄作用的特定DNA序列。由于他們和特定功能的基因連鎖在一起，因此稱為順式作用元件（cis-actingelement)。包括：?jiǎn)?dòng)子、增強(qiáng)子、沉默子、終止子等。1.啟動(dòng)子和上游啟動(dòng)子元件（1）啟動(dòng)子啟動(dòng)子（promoter）是指能被RNA聚合酶特異性識(shí)別和結(jié)合，并能啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄過程的DNA序列。

2021/6/2744啟動(dòng)子具有方向性，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。原核生物基因的啟動(dòng)子序列具有較高的同源性。真核基因啟動(dòng)子差別很大，但，幾乎所有已發(fā)現(xiàn)的真核生物基因的啟動(dòng)子都有TATA盒（TATAbox），其核心序列是TATA（A/T）A（A/T），位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游-25bp左右處，TATA盒與一種被稱為TATA因子（轉(zhuǎn)錄因子）結(jié)合后，成為完整的啟動(dòng)子，精確地決定RNA合成的起始位點(diǎn)。啟動(dòng)子的應(yīng)用：一個(gè)好的啟動(dòng)子具有重要應(yīng)用價(jià)值。2021/6/2745（2）上游啟動(dòng)子元件

上游啟動(dòng)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(dòng)子結(jié)合及轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成來(lái)調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄效率。上游啟動(dòng)子元件包括CAAT盒、CACA盒及GC盒等。CAAT盒含有5ˊ-GGNCAATCT-3ˊ核心序列。GC盒含有5ˊ-CCGCC-3ˊ核心序列，兩者位于-70bp和-120bp之間，CACA盒的核心序列為GCCACACCC，位于上游-80bp～-90bp處。2021/6/27462．反應(yīng)元件一些受體被細(xì)胞外信息分子激活后，能與特異的DNA序列結(jié)合。被結(jié)合的DNA序列能調(diào)控基因的表達(dá)。這種能介導(dǎo)基因?qū)?xì)胞外的信號(hào)產(chǎn)生反應(yīng)的DNA序列稱為反應(yīng)元件（responseelements）。能與反應(yīng)元件結(jié)合的信息分子受體叫做反式作用因子，如糖皮質(zhì)激素受體。糖皮質(zhì)激素→～受體（蛋白質(zhì)）活化＋特異的DNA序列（反應(yīng)元件）→調(diào)控基因表達(dá)。2021/6/2747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(dòng)子附近和增強(qiáng)子內(nèi)。糖皮質(zhì)激素反應(yīng)元件在增強(qiáng)子內(nèi)。如熱休克反應(yīng)元件一般在啟動(dòng)子附近。2021/6/27483．增強(qiáng)子

增強(qiáng)子（enhancer）是一段能增強(qiáng)鄰近基因轉(zhuǎn)錄的DNA序列，其中含有多個(gè)能被反式作用因子識(shí)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)合后能夠增強(qiáng)鄰近基因的轉(zhuǎn)錄。增強(qiáng)子的作用：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種結(jié)構(gòu)，以幫助它們與某些順式元件相聯(lián)系等方式而發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。2021/6/2749增強(qiáng)子在不同的基因中，其位置也不同。

增強(qiáng)子的作用無(wú)方向性和基因特異性，也不受基因之間距離遠(yuǎn)近的影響。增強(qiáng)子是一種正調(diào)控序列。增強(qiáng)子的應(yīng)用：4、衰減子（沉默子）1986年Maniatis等研究干擾素-β（IFN-β）基因轉(zhuǎn)錄時(shí)發(fā)現(xiàn)了負(fù)調(diào)控序列。他們把這種對(duì)基因轉(zhuǎn)錄起負(fù)調(diào)控作用的DNA序列稱為衰減子，或沉默子（silencer）。在真核細(xì)胞中，沉默子對(duì)成簇基因的選擇性表達(dá)起重要作用。2021/6/27504．加尾信號(hào)在結(jié)構(gòu)基因的最后一個(gè)外顯子中有一個(gè)保守的AATAAA序列。這個(gè)序列對(duì)于mRNA轉(zhuǎn)錄終止和加poly(A)尾是必不可少的。

AATAAA序列及其下游的一段GT豐富區(qū)或T豐富區(qū)共同構(gòu)成poly(A)加尾信號(hào)。

poly(A)加尾信號(hào)——由AATAAA序列及其下游的一段GT豐富區(qū)或T豐富區(qū)共同構(gòu)成的、能終止轉(zhuǎn)錄和添加多聚A尾的DNA序列。mRNA轉(zhuǎn)錄到此部位后，會(huì)產(chǎn)生AAUAAA和GU（或U）豐富區(qū)。RNA轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)因子可以識(shí)別這種結(jié)構(gòu)并與之結(jié)合，然后在AAUAAA下游10~30個(gè)堿基的部位切斷RNA，并加上poly(A)尾。2021/6/2751第二節(jié)基因組一個(gè)物種的單倍體染色體數(shù)目及其所包含的全部遺傳物質(zhì)，稱為該物種的基因組(genome)。換句話說(shuō)，基因組是細(xì)胞或生物體中一套完整單倍體所含遺傳物質(zhì)的總稱。人類基因組包括核基因組和線粒體基因組。進(jìn)化程度越高的生物體其基因組越復(fù)雜。一、病毒基因組的結(jié)構(gòu)和功能

病毒(virus)是一種具有比較原始的生命形態(tài)和生命特征的非細(xì)胞生物。完整的病毒顆粒包括衣殼蛋白和內(nèi)部的基因組DNA或RNA，2021/6/2752（一）病毒基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1．不同病毒基因組大小相差較大與細(xì)菌或真核細(xì)胞相比，病毒的基因組很小，但是不同的病毒之間其基因組相差甚大。如乙肝病毒（HBV）DNA只有3.2kb，所含信息量也較小，只能編碼4種蛋白質(zhì)，而痘病毒的基因組有300kb之大，可以編碼幾百種蛋白質(zhì)。2.不同病毒的基因組可以是不同結(jié)構(gòu)的核酸病毒基因組可以由DNA組成，也可以由RNA組成。每種病毒顆粒中只含有一種核酸，DNA或RNA，DNA或RNA可以是單鏈的，也可以是雙鏈的，可以是閉環(huán)分子，也可以是線性分子。2021/6/27533．單倍體基因組所有病毒基因組都是單倍體，每個(gè)基因在病毒顆粒中只出現(xiàn)一次。但逆轉(zhuǎn)錄病毒基因組例外，它有兩個(gè)拷貝（其基因組由兩個(gè)相同的線狀正鏈RNA發(fā)展組成，稱為二倍體RNA基因組）。4．病毒基因組有連續(xù)的也有不連續(xù)的。DNA病毒基因組均由連續(xù)的DNA分子組成；多數(shù)RNA病毒的基因組是由連續(xù)的核糖核酸鏈組成，但有些是由不連續(xù)的核糖核酸鏈組成，形成所謂分段基因組（segmentedgenome）。如流感病毒的基因組有8個(gè)節(jié)段。2021/6/27545．基因有連續(xù)的和間斷的：感染細(xì)菌的病毒（噬菌體）基因組與細(xì)菌基因組結(jié)構(gòu)特征相似，基因是連續(xù)的；而感染真核細(xì)胞的病毒基因組與真核生物基因組結(jié)構(gòu)特征相似，有的基因具有內(nèi)含子，基因是間斷的。有些真核病毒的一部分，對(duì)某一個(gè)基因來(lái)說(shuō)是內(nèi)含子，而對(duì)另一個(gè)基因卻是外顯子。如SV40的早期基因即大T和小t抗原的基因都是從5146位開始，沿逆時(shí)針方向進(jìn)行，大T抗原基因進(jìn)行到2676位終止，而小t抗原進(jìn)行到4624位終止。但是，從4900到4555之間有一段346bp的片段是大T抗原基因的內(nèi)含子，而該內(nèi)含子是小t抗原的編碼基因（圖2-2）。2021/6/27552021/6/27566．病毒基因組的大部分是用來(lái)編碼蛋白質(zhì)的病毒基因組的編碼序列大于90%，只有很小的一部分不編碼蛋白質(zhì)。7．相關(guān)基因叢集病毒基因組DNA序列中功能上相關(guān)的蛋白質(zhì)的基因或rRNA的基因往往叢集在基因組的一個(gè)或幾個(gè)特定的部位,形成一個(gè)功能單位或轉(zhuǎn)錄單元。8．基因重疊重疊基因（overlappinggene）即同一段DNA片段能夠以兩種或兩種以上的閱讀方式進(jìn)行閱讀，因而可編碼2種或2種以上多肽。2021/6/2757(二)特殊病毒基因組介紹1．乙型肝炎病毒：HBV基因組復(fù)制與其它雙鏈DNA病毒不同，是以基因組RNA為模板，在逆轉(zhuǎn)錄酶作用下合成DNA。

2021/6/27582．逆轉(zhuǎn)錄病毒逆轉(zhuǎn)錄病毒屬于RNA病毒。所有逆轉(zhuǎn)錄病毒的共同特點(diǎn)是能夠攜帶或編碼合成逆轉(zhuǎn)錄酶（RT）。與其它RNA病毒復(fù)制不同的是，當(dāng)病毒感染細(xì)胞后，首先以自身的基因組RNA為模板，在RT催化下合成DNA中間體，即前病毒DNA（provirusDNA）。該DNA可以整合到宿主細(xì)胞染色體DNA上，并且能夠作為細(xì)胞基因組的一部分，隨細(xì)胞基因組復(fù)制和細(xì)胞分裂而傳遞下去；在宿主RNA聚合酶的作用下，原病毒DNA可以重新轉(zhuǎn)錄形成子代病毒RNA。2021/6/2759二、原核生物基因組（一）原核生物基因組結(jié)構(gòu)與功能的特點(diǎn)1．基因組通常僅由一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成。2．基因組中只有1個(gè)復(fù)制起點(diǎn)。3．具有操縱子結(jié)構(gòu)。操縱子（operon）是指數(shù)個(gè)功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起，構(gòu)成信息區(qū)（多順反子），連同其上游的調(diào)控區(qū)（包括啟動(dòng)子和操縱基因）及其下游的轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)構(gòu)成的基因表達(dá)單位?！啥囗樂醋蛹捌湔{(diào)控序列構(gòu)成的基因表達(dá)單位。2021/6/27604．結(jié)構(gòu)基因無(wú)重疊現(xiàn)象。5．基因序列是連續(xù)的，無(wú)內(nèi)含子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄后不需要剪接。6．編碼區(qū)和非編碼區(qū)（主要是調(diào)控序列）在基因組中約各占50%。7．基因組多為單拷貝基因，重復(fù)基因很少。

8．具有編碼同功酶的基因（isogene）。9．細(xì)菌基因組中存在可移動(dòng)的DNA序列，包括插入序列和轉(zhuǎn)座子。10．在DNA分子中具有多種功能識(shí)別區(qū)域，如復(fù)制起始區(qū)、復(fù)制終止區(qū)、轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)區(qū)和終止區(qū)。2021/6/2761(二)染色體外的遺傳物質(zhì)——質(zhì)粒質(zhì)粒（plasmid）是獨(dú)立于許多細(xì)菌及某些真核細(xì)胞（如：酵母等）染色體外的共價(jià)閉合環(huán)狀DNA分子（cccDNA），是能夠獨(dú)立復(fù)制的最小遺傳單位。盡管質(zhì)粒不是細(xì)菌生長(zhǎng)、繁殖所