第二章基因

基因,生物亲代与子代之间，在形态、结构和生理功能上常常相似，这就是遗传现象。 生物的遗传特性，使生物界的物种能够保持相对稳定。,金丝猴的后代仍然是金丝猴,牛的后代仍然是牛,生物遗传的物质基础是什么呢？,基因型(genotype)；表现型(phenotype)。,1865年Mendal提出“factor” 1909年丹麦学者Johannson提出“gene“,对遗传物质的早期推测,20世纪20年代：,氨基酸 多肽 蛋白质,认为蛋白质是生物体的遗传物质,20世纪30年代：,脱氧核苷酸,DNA,基因的化学本质: 在整个生物界中，绝大部分生物（包括人类）基因的化学本质是DNA；在某些仅含有RNA和蛋白质的病毒中，基因的化学本质是RNA。,DNA的分布,主要在染色体上,细胞质内,细胞核遗传,细胞质遗传,染色体是DNA的主要载体,第一节 基因的结构和功能,DNA的分子结构与组成 DNA存在的形式 基因及其结构 多基因家族和假基因,脱氧核苷酸,组成DNA的基本单位：,一、DNA的分子结构与组成,脱氧核苷酸的种类,一、DNA的分子结构与组成,(一） DNA sequence,1、多聚核苷酸链 主链是核糖和磷酸 侧链为碱基,由3,5磷酸二酯键连接,2、链的方向 同一个磷酸基的3酯键到5酯键的方向 (53),5-TCAGGCTACGTACC-3 3-AGTCCGATGCATGG-5 默认书写顺序53,一、DNA的分子结构与组成,C-G,T-A,碱基互补,（二）DNA的双螺旋结构,每一单链具有 5 3极性，两条单链极性相反,反向平行 两条单链间形成A-T,G-C碱基对，以氢键连接 以中心为轴，向右盘旋,直径2nm，螺距3.4nm 双螺旋中存在大、小沟,一、DNA的分子结构与组成,1953年，美国科学家沃森（J.D.Watson，1928 ）和英国科学家克里克（F.Crick，19162004），共同提出了DNA分子的双螺旋结构模型。,一、DNA的分子结构与组成,占基因组DNA的6065%，为单拷贝/单一序列，在基因组中只出现一次或很少几次，一般由8001000bp组成，构成编码蛋白和酶的基因，称为结构基因（structure gene）。人类基因组约含有3.54万个结构基因。 其中一部分可以形成有几个或几十个拷贝的基因家族。 单一序列常常被重复序列分割开来。,二、DNA存在的形式_单一顺序,单一序列DNA(unique sequence),二、DNA存在的形式_高度重复顺序,卫星DNA（satellite DNA）,大卫星DNA，总长度100kb几个Mb 小卫星DNA，串联的短片段重复序列（TTAGGGG)n 微卫星DNA，以(AC)n和(TG)n为重复单位,反向重复序列,两个顺序相同的互补拷贝在DNA链上呈反向排列。 1、两个反向排列的拷贝之间隔着一段间隔顺序如： 5AAACCACCGCTGGTAGCGGTGGTTT3 3TTTGGTGGCGACCATCGCCACCAAA5 2、两个拷贝反向串联在一起，也称为回文结构。,二、DNA存在的形式_中度重复顺序,短散在核元件（short interspersed nuclear elements SINEs), 主要是Alu 重复序列家族。序列中有限制酶Alu的酶切位点（AGCT）而得名。重复次数3050万，散在分布于基因组中，与基因表达调控有关。 长散在核元件（long interspersed nuclear elements,LINEs):Kpn重复顺序。,三、基因及其结构,基因：是编码RNA或一条多肽链所必需的全部核酸序列（通常指DNA序列）。包括编码序列、两侧的侧翼序列及插入序列。,割裂基因(断裂基因）：基因的编码序列在DNA上不是连续的，而是被不编码的序列隔开。 外显子Exon ：基因中编码序列，与mRNA的序列相对应。 内含子Intron ：基因中不编码的序列。,三、基因及其结构,启动子 DNA分子上能与RNA聚合酶特异性识别结合的部位,位于基因转录起始点100bp范围内，启动并促进转录 TATA框:转录起始点上游-19bp27bp，与TF和RNA聚合酶形成转录起始复合物，准确识别转录起始点 CAAT框:转录起始点上游-70bp80bp，转录因子与之结合，提高转录效率 GC框:保守序列GGGCGG，有两个拷贝，位于CAAT框两侧，与转录因子Sp1结合，控制转录效率,三、基因及其结构,增强子和终止子 增强子(enhancer) 调节启动子活性的远端调节序列。 结构：正向重复序列，核心序列：TGGAAG 特点：双向性，组织特异性，具有短的串联重复序列 作用：提高启动子发动转录的效率 终止子(terminator) 3端非编码区下游提示转录终止的序列 结构特征：特殊的双重对称结构，由15-20个核苷酸组成，并以一串6-8个A/T结束 机理：对称结构经转录为RNA后，形成发夹结构，3端以6-8个U结束,该结构与模板DNA模板结合不稳定，导致转录复合物分离，终止转录,三、基因及其结构,GT-AG法则:高等真核生物中，每个内含子5开始的为GT，3末尾的为AG，3端上游约2050核苷酸处有CURAY(R为嘌呤，Y为嘧啶)序列，称之为分支点，三者对剪接的发生是必须的。,三、基因及其结构,多基因家族（multigene famly）,由一个祖先基因经过重复和变异所形成的一组基因。 特点：微小差别，行使相同功能。 分布：一条染色体上 或 几条不同的染色体上,四、基因分类,基因簇（Gene cluster）一个基因产生多次拷贝，顺序几乎相同，成簇地排列在一条染色体上，形成一个基因簇。同时发挥作用，合成某些蛋白。如人HLA系统，7个连锁基因座位分布于6p 。 ABCDDRDQDP,一个多基因家族中不同成员成簇分布于几条不同的染色体上，编码一组关系密切的蛋白。如： 珠蛋白基因簇，5个相关基因，长800bp。16chr。 51213 珠蛋白基因簇，6个相关基因，1700bp。11chr。 5A/G1-3,多基因家族（multigene famly）,四、基因分类,假基因（pseudogene）,在多基因家族中，某些成员在进化过程中获得一个或多个突变而丧失了产生蛋白产物的能力，这类基因称为假基因。 如：、,HS-40 2 1 2 1 ,四、基因分类,第二节 基因的复制与表达,基因复制 基因表达,1、半保留复制：子代DNA双链中的一条来自亲代，另一条是新合成的 2、复制的半不连续性,一、基因的复制,转录：以DNA为模板，在RNA聚合酶作用下合成RNA的过程,二、基因表达,外显子,内含子,DNA,mRNA,转录,形成套索RNA，外显子靠近,剪接体,去除套索RNA，外显子连接,成熟mRNA,mRNA的剪接,一、基因表达,5加帽,O,H,O,H,N,N,N,N,O,H,2,N,C,H,3,+,O,H,H,C,H,2,H,O,P,O,P,O,P,O,P,P,P,N,1,N,2,N,3,O,O,H,O,O,H,O,O,H,O,C,H,3,O,C,H,3,2,O,H,7,9,H,甲基鸟苷5，5-三磷酸,一、基因表达,3加尾,AAUAAA,AAAAAAAAA.,加尾,AATAAA,GTGTGTG,-,AAUAAA,GUGUGUG,AAUAAA,GUGUGUG,酶切,转录的终止,加尾信号,GC丰富序列,polyA尾（约20200个A）,A,A,A,A,A,A,一、基因表达,转录后修饰：剪接、戴帽、加尾 翻译：mRNA指导下，蛋白质的生物合成,二、基因表达,mRNA与遗传密码 遗传密码（genetic code)-共64个遗传密码 （DNA）mRNA 5AUG UCC ACC GUA UAA 3 蛋白质 Ser Thr Val 三联体= 一个密码子/暗码子/一个氨基酸 起始密码-AUG 终止密码-UAA/UGA/UAG,一、基因表达,1967年，遗传密码表问世：DNA的4种核苷酸碱基的序列代表了基因的遗传信息，64(43)种遗传密码的含义全部得到了破译,决定着蛋白质的20种氨基酸的组成和排列顺序, 具通用性、简并性等特性,生命的奥秘蕴藏于 “四字天书”之中,GCTTCTTCCTCATTTTCTCTTGCCGCCACCATGCCGCCACCATCATTTTCTCTTGCCGCCACCATGCTTCTTCCTCATTTTCTCTCCACCATGCCGCCACCACGCCACCATGCTTCTTCCTCATCTCGCTTTCTTGCCGCCACCATGCCGCCACCGCTTCTTCCtTCTCT,基因突变,生物的变异性状,白化病患者,短腿安康羊（右）,鹦鹉体色的变异,基因突变概说,突变(mutation)：包括基因突变和染色体畸变 基因突变(gene mutation)：是指DNA分子中的核苷酸顺序发生改变，使遗传密码编码产生相应的改变，导致组成蛋白质的氨基酸发生变化，以致引起表型的改变。,基因突变的类型,根据诱发的原因，基因突变可分为以下两个类型,自发突变或自然突变(spontaneous mutation)：在没有人工特设的诱变条件下，由外界环境的自然作用或生物体内的生理和生化变化而发生的突变。突变频率很低。 诱发突变(induced mutation)：人工运用物理、化学或生物的方法所诱导的突变。突变频率大大提高。,基因突变的类型,形态突变（morphological mutation） 致死突变（lethal mutation） 条件致死突变（conditional lethal mutation) 生化突变（biochemical mutation),根据突变引起的表型特征，可将突变分为,形态突变(morphological mutation)，是泛指能造成外形改变的突变。 普通绵羊的四肢有一定的长度，但安康羊（Ancon sheep）的四肢很短，这类突变可在外观上看到，称为可见突变（visible mutations）,基因突变的类型,生化突变(biochemical mutation) ： 突变主要影响生物的代谢过程，导致一个特定生化功能的改变或丧失。 例：链孢霉的氨基酸突变型某种氨基酸才能生长,致死突变（lethal mutation）：突变主要影响其生活力，导致个体死亡。 显性致死：杂合态即有致死。 隐性致死：纯合态才有致死。,基因突变的类型,条件致死突变（conditional lethal mutation)：指在一定条件下表现致死效应，而在其它条件下可以存活的突变。 例如：噬菌体T4的温度敏感突变型在25时能在E.coli宿主中正常生长，形成噬菌斑，但在42时就不能这样。,生殖细胞突变(germinal mutation) 体细胞突变(somatic mutation) 称为突变体（mutant）：携带突变Gene的细胞或个体。 称为野生型（Wild type）：未突变Gene的细胞或个体。,另外几个基本概念,辐射诱变 紫外线：引起DNA同一条链上的相邻的两个嘧啶碱基共价结合，形成嘧啶二聚体。T=T 电离辐射：引起染色体断裂而产生缺失 化学诱变 碱基类似物:渗入到新合成的子链中，引起碱基的转换 5-溴尿嘧啶(5-BU，与T相似)，2-氨基嘌呤(2-AP，与嘌呤碱基相似) 碱基修饰剂：对碱基进行化学修饰，引起转换。亚硝酸等 DNA插入剂:诱发移码突变。吖啶类染料等,诱发突变的分子机制,突变的分子基础 碱基替换(base substitution) 移码突变(frameshift mutation) 动态突变(dynamic mutation),碱基替换(base substitution) 一种碱基被另一种碱基替换，又叫点突变(point mutation)。有两种形式： 转换(transition)：DNA分子中一个嘌呤被另一个嘌呤替代或一个嘧啶被另一个嘧啶所替代。AG或TC 颠换(transversion)：DNA分子中一个嘌呤被嘧啶替代或一个嘧啶被嘌呤所替代。AT，AC，GT，GC,转换：嘌呤 嘌呤，嘧啶 嘧啶 颠换：嘌呤 嘧啶,突变种类,碱基替换的三类遗传学效应 同义突变(samesense mutation)：碱基替换后的密码子仍然编码同一氨基酸的突变，不影响蛋白质的正常功能。 错义突变(missense mutation)：碱基替换使一种氨基酸的密码子改变为另外一种氨基酸的密码子的突变。氨基酸序列的改变可能使蛋白质失活、部分失活或不影响其正常功能。 无义突变(nonsense mutation)：编码氨基酸的密码子改变为终止密码子的突变。使蛋白质合成提前终止，可能产生无功能的蛋白质。,移码突变(frameshift mutation) 在阅读框内增加或减少一个或几个碱基（不是3或3的倍数），使这一位点后的密码顺序发生改变，最后导致多肽链的氨基酸顺序发生改变。主要有以下两种情况： 缺失突变(deletion mutation)： 缺失了一个大的DNA片段 插入突变(insertion mutation)： 插入了一个大的DNA片段,突变种类,动 态 突 变,邻近基因或位于基因序列中的三核苷酸重复拷贝数,在一代代传递过程中会发生明显的增加，如(CGG)n、(CAG)n等，从而使（导致）某些遗传病的发病。 该突变可遗传并产生表型效应引起疾病,多为神经系统疾病。 代表疾病：Hutington舞蹈病(CAG)n、强直性肌营养不良,脆性X综合征(CCG)n。,突变种类,三联体重复人类遗传病及基因诊断,疾病(Chrom) 重复顺序 遗传特征 重复次数(N),Huntington disease(4p) CAG(CD) AD 37-121 (10-34) 强直性肌营养不良症(19q) CTG(3UTR) AD 100-几千 (5-37) 脆性X综合症(X ) CGG(5UTR) XR 200-2000 (6-52) 脊髓小脑共济失调1(6p) CAG(CD) AD 41-81 (6-39) Friedreichs共济失调(9) GAA(Intron) AR 200-900 (7-22) 脊髓小脑共济失调3(14q) CAG(CD) AD 68-79 (13-36) 延髓肌萎缩症(X) CAG(CD) XR 40-62 (11-34) 齿状核红核苍白球萎缩(12p) CAG(CD) AD 49-88 (7-25) 脆性位点FRAXE GCC(UK) XR 200 (635),同义突变,同义突变（Synonymous mutation）：由于密码子具有兼并性，单个碱基置换后密码子所编码的是同一种氨基酸 ，表型不改变。 正常 AGT CAG CAG CAG TTT TTA CGT AAC CCG DNA Met Gln Gln Gln Phe Leu Arg Asn Pro 同义突变 AGT CAG CAG CAG TTT TTG CGT AAC CCG DNA Met Gln Gln Gln Phe Leu Arg Asn Pro,突变的分子生物学效应,错义突变,错义突变（Missense mutation ）：DNA分子中的碱基置换后，形成新的密码子，从而导致所编码的氨基酸发生改变，产生活性降低、无活性或无功能的蛋白质。 正常 AGT CAG CAG CAG TTT TTA CGT AAC CCG DNA Met Gln Gln Gln Phe Leu Arg Asn Pro 错义突变 AGT CAG CAG CAG TTT TCA CGT AAC CCG DNA Met Gln Gln Gln Phe Ser Arg Asn Pro,突变的分子生物学效应,无义突变,无义突变（nonsense mutation）：是指DNA中碱基被置换后，使编码一个氨基酸的密码子变为不编码任何氨基酸的终止密码（UAA、UAG、UGA），肽链合成提前终止，产生短的、没有活性的多肽片段。 正常 AGT CAG CAG CAG TTT TTA CGT AAC CCG DNA Met Gln Gln Gln Phe Leu Arg Asn Pro 无义突变 AGT CAG CAG CAG TTT TGA CGT AAC CCG DNA Met Gln Gln Gln Phe 终止Arg Asn Pro,突变的分子生物学效应,终止密码突变 termination codon mutation,当DNA分子中的一个终止密码发生突变编码氨基酸的密码子，使多肽链的合成继续进行下去，一直延长至下一个终止密码子时停止，产生延长的异常多肽链，称延长突变（elongation M）。,突变的分子生物学效应,正常 AGT CAG CAG CAG TTT TGA CGT AAC CCG DNA Met Gln Gln Gln Phe 终止 无义突变 AGT CAG CAG CAG TTT TTA CGT AAC TGA DNA Met Gln Gln Gln Phe Leu Arg Asn 终止,移码突变,DNA编码序列中插入（增加）或缺失一个或几个碱基，其下游阅读框发生改变，导致氨基酸顺序及蛋白质异常或无活性，称为移码突变。 正常 AGT CAG CAG CAG TTT TTA CGT AAC CCG DNA Met Gln Gln Gln Phe Leu Arg Asn Pro 移码突变（一个碱基缺失) AGT CAG CA