医学]05第五章人类遗传的分子学基础.ppt

第四章 人类遗传的分子基础 核酸的结构、功能；基因、基因突变的类型 DNA and RNA are molecular repositories of genetic information. When?Who?What? 1868F. MiescherDiscovery of “nuclein” (核素) 1889R. AltmannFirst use of the name “nucleic acid” 1940sChargaffChargaffs rules 1944O.T. Avery et al.First evidence that DNA is the bearer of genetic infomation 1952J. Watson & F. Crick DNA double helix model (DNA双螺旋模型) 1958F. Crick“Central dogma” (中心法则) 1970sDNA recombinant technology (DNA重组技术 ) 1981T. CechRibozyme (核酶) 1986H. DulbeccoHuman Genome Project (人类基因组计划) History of the nucleic acid research (核酸研究的历史) 基因的本质DNA（RNA） 1928年英国细菌学家Frcdrick Griffith利用肺类双球菌 (Streptcoccus pneumoniae )的光滑型（有荚膜，毒性强，可 引起动物发生肺炎，简称S型）和粗糙型（无荚膜，不引起 疾病，简称R型）分别给小鼠注射，S型使小鼠死亡，R型 不使小鼠致死；若将S型加热杀死再注入小鼠体内，小鼠不 死；若将加热杀死后的S型与R型混合，并给小鼠注入，则 小鼠死亡并在小鼠体内发现S型。他们的结论是：可能是死 细菌中的某一成分（转化源,transforming principle）将无致 病能力的细菌转化为病原细菌。 1944年，美O.T. Avery等为了寻找导致细菌转化的原因，他 们发现从S 型肺炎球菌中提取的DNA与R型肺炎球菌混合后 ，能使某些R型菌转化为S型菌，且转化率与DNA纯度呈正 相关，若将DNA预先用DNA酶降解，转化就不发生。结论 是:S型菌的DNA将其遗传特性传给了R型菌，DNA就是遗 传物质。从此核酸是遗传物质的重要地位才被确立，人们 把对遗传物质的注意力从蛋白质移到了核酸上。 The Avery- MacLeod- McCarty experiment (1944) DNA stores genetic information 1952年美国冷泉港卡内基遗传学实验室 的Hershey及其学生Chase利用噬菌体同 位素标记感染实验，进一步证明了DNA 是遗传物质（如图8-3-2，8-3-3）。他 们将噬菌体外壳的蛋白质用35S标记， 核酸用32P标记，结果进入宿主细胞能 复制的是32P标记的核酸，35S蛋白质外 壳留在宿主细胞的外面。 The Hershey-Chase experiment (1952) 1956年德国科学家Fraenkel-Conrot将烟 草花叶病病毒的蛋白质和RNA分别提取 出来，分别涂抹在健康的烟草叶子上， 结果只有涂抹RNA的叶片的病，而涂抹 蛋白质组分的叶片不得病。这就证明在 不具有DNA的病毒中，RNA是遗传物 质。 1953年,Watson和Crick以非凡的洞察力, 得出了DNA 的分子模型-DNA双螺旋结构模型，是分子遗传学 诞生的标志。 提出DNA双螺旋结构的主要依据： (1)Chatgaff 对DNA碱基组成的研究结果 1949-1951年间，Chatgaff应用紫外分光光度法结 合纸层析等技术，对不同来源的DNA进行了碱基定 量分析, 得出了组成DNA的四种碱基的比例关系。 从中可发现碱基组成的共同规律。 这些发现不仅 为DNA能携带遗传信息的论点提供了依据，而且为 DNA 结构模型中的碱基配对原则奠定了基础。 (2)Wilkins及其同事Franklin等用X射线衍射方法获 得的DNA结构资料。这些资料对Watson和Crick构 建DNA双螺旋结构模型起了关键性作用。 第一节 核酸的结构、特性和功能 核酸的化学组成和分子结构 1、核酸的化学组成：C、H、O、N、P 9%10% 核酸 核苷酸 核苷+磷酸 （脱氧）核糖 碱基（CG, AT ） （DNA）RNA (C G,AU) n Nitrogenous bases (碱基) n Pentoses (戊糖) n Nucleosides (核苷) n Nucleotides (核苷酸) n Nucleic acids (核酸) Compositions of nucleic acids (核酸的组成) Nucleic acid (核酸) Nucleotide (核苷酸) Nucleoside (核苷) Phosphate (磷酸) Base (碱基) Pentose (戊糖) 2、核酸的一级结构 组成DNA的脱氧核糖核酸： dAMP、dGMP、dCMP、dTMP 组成RNA的核糖核酸： AMP、GMP、CMP、UMP 脱氧核糖核苷酸 核糖核苷酸 腺嘌呤脱氧核苷酸 腺嘌呤核苷酸 Ribonucleotides and deoxyribonucleotides (核苷酸和脱氧核苷酸) DNA RNA 3、核酸的高级结构 二级结构：DNA分子双螺旋结构 三级结构：DNA超螺旋化结构 RNA Watson & Cricks double helix model: vTwo helical DNA chains wound around the same axis to form a right-handed double helix. (两条 DNA链绕同一中心轴成右手双螺旋) vThe two DNA strands: Held by H-bonds formed between specific base pairs (两条DNA链靠彼此碱基间所成氢 键结合) Complementary (两条DNA链互补) Antiparallel (两条DNA链反向平行) v3.4 nm/10 base pairs for each complete turn (3.6 nm/10.5 pairs) (每旋转一周有10个核苷酸，螺 距3.4 nm) 5 53 3 Watson & Cricks double helix model (DNA分子双螺旋结构模型) Watson and Cricks model was postulated based on: Chargaffs rule: A = T, G = C, A+G = T+CA = T, G = C, A+G = T+C Franklin and Wilkins X-ray diffraction studies on the structure of DNA fibers: helical, 3.4 nm Mechanism for the transmission of genetic information (遗传信息 的传递机理): a) Separating the two strands ( 两股DNA单链分开) b) Synthesizing a complementary strand for each (每股DNA单链作为母 链各合成出一条与之互补 的子链) Watson & Cricks double helix model (DNA分子双螺旋结构模型) 核酸的特性和功能 特性：化学稳定性、高度复杂性、 自我复制性、可变异性。 （半保留复制） 功能：储存和传递遗传信息 中心法则：DNA RNA Protein Nucleic acids (核酸) DNA RNA Storage and transmission of biological information (储存和传递生物信息) rRNA (核糖体RNA) mRNA (信使RNA) tRNA (转移RNA) Structural components of ribosomes (核糖体的结构成分) Carrying genetic information from genes to ribosomes (把遗传信息从 基因运到核糖体) Translating the information in mRNA into a specific sequence of amino acids (把mRNA的信息转译 成氨基酸序列) Functions of nucleic acids (核酸的作用) 第二节 基因 概念 基因是具有特定功能的DNA序列，是 染色体DNA或线粒体DNA上的特定指 导合成RNA的DNA区段。 一个基因是编码一条多肽链或功能RNA 所必需的全部核苷酸序列。 基因概念及发展 1909年丹麦遗传学家W.Johansen将孟德尔德遗传因子更名为基因(gene) 。从1910年到1925年摩尔根利用果蝇做研究材料，证明基因是在染色体 上呈直线排列的遗传单位。1941年George Beadle和Edwand Tatum通过 对粗糙脉孢霉营养缺陷型的研究， 他们认为基因决定或编码一个酶， 提出了“一个基因一个酶”的学说。1957年S. Benzer用大肠杆菌T4噬菌体 为材料，在DNA分子结构水平上，通过互补实验， 分析了基因内部的 精细结构，提出顺反子(cistan)的概念。证明基因是DNA分子上的一个 特定区段，其功能是独立的遗传单位，并提出了一个顺反子一条多肽链 的概念， 然而实际情况并不是每条多肽链都能在互补实验中被检测出 来。在一段特定DNA片段内可能有许多突变点，突变后可以产生出变 异的最小单位突变子(muton)。这些突变位点之间可以发生重组， 故一个基因内可能含有多个重组单位，是不能由重组再分开的最小单位 ，又称为重组子(recon)。理论上讲，基因的内部每一对核苷酸的改变即 可导致一个突变的发生，每两个核苷酸之间就可以发生重组。顺反子学 说的提出，把基因具体化为DNA分子上特定的一段顺序，即负责编码 特定的遗传信息的功能单位， 也就是顺反子，其内部包含突变和重组 单位。 基因的化学本质和组织形式 化学本质：具有一定功能的一段DNA序列 。 生物学本质：遗传信息的基本单位，其功 能就是决定性状。 组织形式：单拷贝顺序、中等重复顺序、 高重复顺序 基因的结构 基因=转录区 + 非转录区（调控基因表达 ） 外显子 内含子（切除） 启动子 增强子 翻译区 非翻译区（5-帽，3-AAA尾） 基因的表达 遗传信息从DNA RNA 蛋白质 产生相应的性 状 这一过程包括基因转录、RNA加工、 翻译等步骤 基因转录：是指以DNA为模板合成单链 RNA的过程。 通过转录，遗传信息转移到了mRNA。 mRNA加工过程：不能直接作为模板翻译 成蛋白质，还需要加工和成熟过程。 翻译：以成熟mRNA 为模板，在核糖体上 将碱基序列转变成氨基酸序列，形成多肽 。 翻译过后，遗传信息再次转移到蛋白质。 基因表达过过程： 基因表达调控 从DNA到蛋白质的过程叫基因表达(gene expression)，对这个过程的调节即为基因表达调控 (regulation of gene expression or gene control)。 基因表达调控主要表现在以下几个方面： 转录 水平上的调控； mRNA加工、成熟水平上的调 控； 翻译水平上的调控； 基因表达调控的指挥系统有很多种，不同生物使 用不同的信号来指挥基因调控。原核生物和真核 生物之间存在着相当大差异。原核生物中，营养 状况、环境因素对基因表达起着十分重要的作用 ；而真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平 、发育阶段等是基因表达调控的主要手段，营养 和环境因素的影响则为次要因素。 基因突变 遗传物质的改变：遗传物质本身发生了质的变化， 导致生物性状改变，成为突变(mutation)。广义上 讲的突变可分为染色体畸变(chromosomal aberration,包括染色体数目或结构改变)和基因(DNA 和RNA)的改变，一般称为点突变(point mutation)， 狭义的突变单指基因突变。 基因突变：一个基因内部结构发生细微改变，而且 这种变化可以遗传下去，成为基因突变(gene mutation)。基因突变是染色体上一个座位内的遗传 物质的变化，故又称点突变（point mutation）。基 因突变的发生和DNA复制、DNA损伤修复、癌变 、衰老等有关，基因突变是生物进化的重要因素之 一；基因突变为遗传学研究提供突变型，为育种提 供素材。 附：染色体畸变 染色体的畸变：指染色体数目或结构改变。 （一）染色体的数量畸变 绝大多数真核生物的体细胞内含有2套染色体组，成为二倍体(2n)。 1、非整数畸变：体细胞染色体数目的变异是因配子中个别染色体的增 减为基础的变异。主要类型有： (1)单体性(monosomy):（2n-1）, 某同源染色体少一条，绝大多数生物单 体型畸变不能成活。人类特纳氏综合症(Turns syndrome)缺少一个X。 (2)缺体性(nullisomy)：（2n-2）， 缺失一对染色体，这类畸变的生物不 能存活，但癌细胞可能存活。 (3)三体性(trisomy)：（2n+1），某同源染色体多一条成为三条染色体的 现象。Down综合症（21三体）、Edward三体综合症（18三体）和Patau 氏综合症(13三体)。 (4)多体性(polysomy):（2n+x）,某同源染色体的数目在三条以上的现象 。 2、整数倍畸变 体细胞含2n以上整套染色体组的细胞为多倍体(ploidy chromosome)，包 括3n、4n。 多见于植物中，如无籽西瓜（3n），普通小麦为6n。 附：染色体畸变 （二）染色体结构畸变 1、缺失(dificiency): 染色体少了某一片段， 通常是致死的，例如猫叫综合症。 2、重复(duplication)： 染色体上多出了一段 ，例如猫眼综合症 3、倒位(inversion)： 染色体内部结构的顺序 发生了颠倒，有臂间倒位和臂内倒位两种类 型。 4、易位(translocation)： 染色体断裂，断裂片 断接到了非同源染色体上的现象。如慢性粒 细胞白血病，是由于22号染色体中的一条染 色体长臂断裂，断裂片段易到第9号染色体中 的一条长臂上。 基因突变及其对人类的影响 基因突变的类型 基因突变的特点 基因突变产生的后果 基因突变的类型（结构基因改变） 基因突变的类型： （1）碱基置换突变：一对碱基的改变而造成的突变，嘌呤替代 嘌呤（A与G之间的相互替代）、嘧啶替代嘧啶（C与T之间的 替代）称为转换（transition），嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤则称 为颠换（transvertion）。 （2）移码突变：在DNA的碱基序列中一对或少数几对邻接的核 苷酸的增加或减少，造成该位置后的一系列编码发生了变化 ，称为移码突变（frame shift mutation）。 缺失（deletion）:指DNA链上一个或一段核苷酸的消失。 插入（insertion）:指一个或一段核苷酸插入到DNA链中。 在为蛋白质编码的序列中如缺失及插入的核苷酸数不是3的整 倍数，则发生读框移动（reading frame shift），使其后所译读 的氨基酸序列全部混乱，称为移码突变（frame-shift mutaion ）。 倒位或转位（transposition）：指DNA链重组使其中一段核 苷酸链方向倒置、或从一处迁移到另一处。 双链断裂：已如前述，对单倍体细胞一个双链断裂就是致 死性事件。 碱基突变类型（遗传信息的改变） 同义突变：改变的碱基不影响所编码的氨基酸 ，改变前后的密码子编码同一氨基酸。 错义突变：由于一对或几对碱基对的改变而使 翻译的氨基酸变成另外一种氨基酸。 无义突变：由于一对或几对碱基对的改变而使 决定某一氨基酸的密码子变成终止子。 终止密码子突变：由于碱基突变终止密码子（ UAA,UGA,UAG）成为编码氨基酸的密码子。 基因突变的特点 突变或诱变对生物可能产生4种后果：致死性 ；丧失某些功能；改变基因型（genotype ）而不改变表现型（phenotye）；发生了有 利于物种生存的结果，使生物进化。 基因突变在生物界普遍存在 基因突变是随机发生 自然状态下，基因突变频率很低 多数基因突变对生物体有害 基因突变是不定向的 基因突变后果及其对人类的影响 中性突变：同义突变 分子病 先天性代谢病 恶性肿瘤 附：分子病 分子病 （molecular disease）由于遗传上的 原因而造成的蛋白质分子结构或合成量的异 常所引起的疾病。蛋白质分子是由基因编码 的，即由脱氧核糖核酸（DNA）分子上的碱 基顺序决定的。如果DNA分子的碱基种类或 顺序发生变化，那么由它所编码的蛋白质分 子的结构就发生相应的变化，严重的蛋白质 分子异常可导致疾病的发生。实际上任何由 遗传原因引起的蛋白质功能异常所带来的疾 病都是分子病，但习惯上把酶蛋白分子催化 功能异常引起的疾病归属于先天性代谢缺陷 而把除了酶蛋白以外的其他蛋白质异常引起 的疾病称为分子病。 分子病这一名词是1949年美国化学家LC波 林在研究镰形细胞贫血症时提出的，他发现患 者的异常血红蛋白链N端的第6位的谷氨酸被 缬氨酸所替代并把它称为血红蛋白S（HbS）。 迄今已发现的血红蛋白异常达300多种，包括由 于血红蛋白分子结构异常导致的异常血红蛋白 病和血红蛋白肽链合成速率异常导致的血红蛋 白病如地中海贫血。 分子病除了血红蛋白病以外，还有各种血浆白 蛋白异常、球蛋白异常、脂蛋白异常、铜蓝蛋 白异常、转铁蛋白异常、补体异常、受体蛋白 异常等。 诱发基因突变的因素： 常见的诱变剂有：物理诱变，如X射 线、紫外线、电离辐射等；化学诱变 ，如苯、亚硝酸盐等烷化剂、硷基类似 物、修饰剂；生物诱变，如病毒。 损伤修复 细胞内的DNA分子因物理、化学等多种 因素的作用使碱基组成或排列发生变化 ，若这些变化都表现为基因突变，机体 则难以生存。然而生物在长期进化过程 中，细胞或机体形成了多种DNA损伤的 修复系统。DNA损伤修复(repair