第01章基因 ppt课件

第一章 基因 * 1 第一节 基因的基本概念及基因的结构特点 第二节 结构基因中贮存的遗传信息 第三节 基因结构变异及其与疾病的关系 Date 2 第一节 基因的基本概念及基因的结构特点 一、 基因的研究简史 二、 基因的 现代 分子生物学概念 三、核酸是遗传信息的载体 四、 基因的结构特点 Date 3 一、基因的研究简史 1909年 W. Johannsen首先使用基因（ gene） 一词 1926年 Morgan发表了 “基因论 ” 20世纪 40年代 Bendle和 Tatum提出了 “一个基因，一个酶 ”的学说 20世纪 50年代 Benzer提出了 “顺反子 ”概念 20世纪 60年代 遗传密码的破译使人们对基因表达的机理有了更多的了解 20世纪 90年代 形成了基因的现代概念 * 4 基因决定遗传性状的表达，基因存在于染色体 及线粒体 DNA上，呈直线排列，并世代相传，基因 的颗粒性主要表现在世代相传的行为和功能表达上 具有相对的独立性 基因的现代生物学概念 二、基因的概念 Date 5 基因是核酸分子中贮存遗传信息的遗传单位 ，是 RNA和蛋白质相关遗传信息的基本存在形式 ，是指贮存 RNA序列信息和有功能的蛋白质多肽 链序列信息、以及表达这些信息所必需的全部核 苷酸序列。大部分生物中构成基因的核酸物质是 DNA，少数生物（如 RNA病毒）中是 RNA。 基因的现代分子生物学概念 a gene is the entire DNA sequence required for synthesis of a functional protein or RNA molecule Date 6 大肠杆菌 50% 病毒 95% 真核生物 5%10% 基因在基因组中的数量 Date 7 大约 22.5万个基因 20%编码蛋白质 80%编码 RNA 90%基因属于看家基因 （ house keeping) 10%基因属于组织细胞特异基因 （ luxury gene， inducible gene) 人的基因组 Date 8 一级结构（ primary structure） 指 DNA分子中核苷酸的排列顺序 二级结构（ secondary structure） 指两条 DNA单链形成的双螺旋结构 三级结构（ tertiary structure） 指双链 DNA进一步扭曲盘旋形成的超螺旋结构 1.DNA 三、核酸是遗传信息的载体 Date 9 DNA的一级结构形成特点 组成 4种脱氧核糖核苷酸 (dAMP、 dGMP、 dCMP、 dTMP) 连接方式 以 3,5-磷酸二酯键相连 形态 以 4种脱氧核糖核苷酸排列为特定的多核苷酸长链 * 10 DNA的结构 端 端 核苷酸 Date 11 DNA双螺旋结构结构的多样性 Date 12 A G P5 P T P G P C P T P OH 3 DNA书写方法 5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 Date 13 DNA携带的遗传信息 调控信息 特定的 DNA区段 ,与蛋白质分子的识别、结合、 控制基因复制和基因表达等有关 结构信息 DNA RNA 蛋白质 * 14 2.RNA 组成 4种核糖核苷酸（ AMP、 GMP、 CMP、 UMP） 连接方式 以 3,5-磷酸二酯键相连 形态 以 4种核糖核苷酸排列为特定的多核苷酸链 RNA的一级结构特点 * 15 RNA的种类、分布、功能 核蛋白体 RNA 信使 RNA 转运 RNA 核内不均一 RNA 核内小 RNA 胞浆小 RNA 细胞核和胞液 线粒体 功能 rRNA mRNA mt rRNA tRNA mt tRNA mtRNA HnRNA SnRNA SnoRNA scRNA/7SL-RNA 核蛋白体组分 蛋白质合成模板 转运氨基酸 成熟 mRNA的前体 参与 hnRNA的剪接、转运 rRNA的加工、修饰 蛋白质内质网定位合成的信 号识别体的组分 核仁小 RNA Date 16 (一 ) 结构基因 定义 在基因片段中，贮存着一个特定的转录 RNA分子的 DNA序列，这段序列决定该 RNA分子的一级结构，就 称为结构基因 四、基因的结构特点 组成 一个编码特定多肽链的 DNA序列 +与蛋白质编码 无关的 DNA序列 (调控序列 ) * 17 Date 18 结构特点 1.原核生物结构基因的特点 结构基因在 DNA上是连续的 2.真核生物结构基因的特点 结构基因在 DNA上是不连续的（断裂基因） 有的是连续的，有的是间断的 ,取决于其能够侵 染的宿主 3.病毒结构基因的特点 * 19 真核生物结构基因 Date 20 外显子（ exon） 指结构基因中与成熟 RNA分子中的保留序列相对应的 序列 内含子（ intron） 指与 RNA分子剪接时删除部分相对应的结构基因序列 Date 21 定义 : 与转录相关的、结构基因以外的序列 (二 ) 基因的转录调控序列 原核生物基因的转录调控序列 1.启动子（ promoter） 是 RNA聚合酶特异性识别和结合的 DNA序列。位于 结构基因转录起始点的上游，启动子本身并不被转录 * 22 包括三个部分 :转录起始部位（ 1 bp）、 10 bp区和 35 bp区 。 RNA聚合酶全酶中的 因子识别并结合在 35 bp区和 10 bp区 Date 23 终止子是结构基因 3端下游的一段 DNA序列，其 中有 GC富集区组成的反向重复序列，转录后在 RNA 分子中形成特殊的结构以终止 RNA链的延伸 2. 终止子 * 24 3.操纵元件（ operator） 操纵元件是被阻遏蛋白识别与结合的一小段 DNA 序列 (阻遏蛋白与操纵元件结合后抑制下游结构基因 的转录 ) * 25 操纵元件位于 7 bp至 28 bp 区 Date 26 4.正调控蛋白结合位点 在弱启动子附近有一些特殊的 DNA序列，转录激 活蛋白可以识别并结合这种 DNA序列，该蛋白可与 RNA聚合酶作用，促进转录的启动。这种 DNA序列就 是正调控蛋白结合位点 * 27 启动子的上游有 CAP蛋白识别位点， CAP 被 cAMP激活后，能够结合于该识别位点 ，激活下游结构基因的转录 Date 28 真核生物的转录调控序列 与转录调控有关的 DNA序列称为顺式作用元件 （ cis-acting elements）。 包括启动子、上游启 动子元件、增强子、加尾信号和一些反应元件等 * 29 1.启动子 RNA聚合酶特异性识别和结合的 DNA序列。多数 位于结构基因转录起始点的上游，启动子本身不被 转录。但有一些启动子（如 tRNA启动子）可以位于 转录起始点的下游，这些 DNA序列可以被转录 * 30 RNA 聚合酶 转录因 子 启动子类型 启动子构成 含有该类启 动子的基因 I TFI I 核心元件， 上游调控元件 rRNA II TFII II TATA盒（ TATA box）、 几个上游启动子 元件和转录起始 位点 mRNA III TFIII III A盒和 B盒 , 转录 起始点 SrRNA tRNA等 真核生物 RNA聚合酶及其对应的转录因子、启动子类型 * 31 2.上游启动子元件 指 TATA盒上游的一些特定的 DNA序列 （ 1）与 TATA盒共同组成启动子 （ 2）是反式作用因子（转录激活蛋白）识别与结 合的位点 * 32 CAAT盒： 含有 5GGNCAATCT3核心序列 80 bp 90 bp CACA盒 : 含有 5GCCACACCC3核心序列 80 bp 90 bp (大多数真核生物基因具有 ) GC盒 : 含有 5CCGCC 3 核心序列 70 bp和 120 bp (组成型基因具有 ) 常见的上游启动子元件 * 33 3.增强子 (enhancer） 是一种较短的 DNA序列，能够被反式作用因子识 别与结合。与增强子元件结合后能够增强邻近基因转 录。位于转录起始点上游 100 300 bp处 * 34 4. 反应元件 一类能介导基因对细胞外的某种信号产生反应的 特异的 DNA序列 特点 具有较短的保守序列 通常位于启动子附近、启动子内或增强子区域 * 35 5.poly(A)信号 II类基因除了调控转录起始的序列外，在结构 基因的 3端下游还有加尾信号。由 AATAAA序列和 GT丰富区，或 T丰富区组成。 作用 : 终止 mRNA转录和为其加上 poly(A)尾 * 36 (三 ) 基因的基本结构特点 1.原核生物基因的基本结构 5- 启动子结构基因转录终止子 -3 操纵子 （ operon） 功能上相关联的数个结构基因串联在一起， 由一套转录调控序列控制其转录，构成的基因 表达单位 . * 37 操纵子转录出的 RNA为多顺反子 (多个结构基因 ) Date 38 组成 一个结构基因 +转录调控序列 特点 mRNA多是单顺反子 （ monocistron） 例外 rRNA基因结构是多顺反子 2.真核生物基因的基本结构 * 39 转录调控序列 Date 40 3.病毒基因的基本结构 特点 很小 (和真核基因相比 ) 一般没有内含子 调控序列较少 有不规则基因 * 41 第二节 结构基因中贮存的遗传信息 一、 RNA的结构信息 二、 结构基因中贮存的蛋白质序列信息 Date 42 编码区 一个特定蛋白质多肽链的序列信息，也称 为开放阅读框（ open reading frame， ORF） 功能 决定蛋白质分子的一级结构 1 mRNA （ 1）一般结构 Date 43 非编码区 开放阅读框的 5端上游和 3 端下游的核苷 酸序列 ,也称为非翻译区（ untranslated region,UTR） 功能 参与翻译起始调控 * 44 * mRNA结构特点 1. 大多数真核 mRNA的 5末端均在转录后加上一个 7-甲 基鸟苷，同时第一个核苷酸的 C2也是甲基化的 ， 形成帽 子结构： m7GpppNm- 2. 大多数真核 mRNA的 3末端有一个多聚腺苷酸（ polyA ） 结构，称为多聚 A尾。 帽子结构 AAA-OH 3Date 45 （ 2）功能 携带蛋白质的序列信息，在翻译过程 中作为模板指导蛋白质的合成 * 46 原核生物与真核生物 mRNA结构的比较 顺反子 5 端帽子结构 3 多聚腺苷酸尾 原核生物 多顺反子 无 无 真核生物 单顺反子 有 有 Date 47 2.tRNA 结构特点 含有很多稀有碱基或修饰碱基 3端是 CCA-OH， 连接激活的氨基酸 含有 7个碱基组成的一个反密码环 功能 在蛋白质生物合成时运输氨基酸 Date 48 N,N二甲基鸟嘌呤 N6-异戊烯腺嘌呤 双氢尿嘧啶 4-巯尿嘧啶 稀有碱基 Date 49 起始 tRNA 识别翻译起始信号，并结合到核蛋白 体的肽位（ P位）上。 原核细胞的起始 tRNA为 tRNAfmet 真核生物的起始 tRNA是 tRNAimet 注意 Date 50 3.rRNA 原核生物核蛋白体 30S小亚基 : 含 16S的 rRNA和 21种蛋白质 50S大亚基 : 含两种 rRNA（ 23S 和 5S） 及 34种 蛋白质 Date 51 真核生物核蛋白体 40S小亚基 :含 18S rRNA及 33种蛋白质 60S大亚基 :含有 3种 rRNA（ 28S、 5.8S、 5S） 及 45种蛋白质 。 Date 52 核蛋白体的组成 原核生物（以大肠杆菌为例） 真核生物（以小鼠肝为例） 小亚基 30S 40S rRNA 16S 1542个核苷酸 18S 1874个核苷酸 蛋白质 21种 占总重量的 40% 33种 占总重量的 50% 大亚基 50S 60S rRNA 23S 5S 2940个核苷酸 120个核苷酸 28S 5.85S 5S 4718个核苷酸 160个核苷酸 120个核苷酸 蛋白质 31种 占总重量的 30% 49种 占总重量的 35% Date 53 介导 rRNA与 mRNA的结合 rRNA与核蛋白体蛋白的结合 rRNA与 tRNA的相互识别和相互作用 核蛋白体功能 Date 54 4.小分子 RNA 核内小分子 RNA（ small nuclear RNA， SnRNA） 真核细胞核内的一组小分子 RNA 特点 300个碱基以下 序列中尿嘧啶含量较高，故用 U命名 (U1 U10) 功能 参与 mRNA的剪接、加工 U3与 rRNA加工有关 Date 55 反 义 RNA 属小分子 RNA,其碱基序列正好与 mRNA互补 ，从而可与 mRNA配对结合形成双链，抑制 mRNA作为模板进行翻译。是一种新的基因表达 的调控机制 Date 56 5.核酶 （ ribozyme） 是一类具有催化活力的 RNA 功能 主要参与 RNA的加工和成熟 应用 剪切、破坏特定的 RNA分子，如切割 RNA的基 因组或癌基因的 mRNA等，达到治疗疾病的目的 Date 57 二、结构基因中贮存的蛋白质序列信息 1.遗传密码 在 mRNA分子中蛋白质序列编码区内，每 3个 核酸组成一个密码子（ codon）， 编码多肽链上 的一个氨基酸。 mRNA中的 4种核苷酸通过不同排 列组合，可组成 64个密码子，其中有 3个是终止 密码子 Date 58 2.遗传密码的意义 决定蛋白质的一级结构 （ primary structure） 3.结构基因的遗传信息决定蛋白质的结构与功能 蛋白质一级结构决定空间结构，而蛋白质的 一级结构是由结构基因中的遗传密码决定的 Date 59 第三节 基因结构变异及其与疾病的关系 一、 基因突变机制 二、基因突变类型 三、基因变异与蛋白质的活性改变的关系 四、基因突变与疾病的关系 Date 60 一、基因突变机制 自发突变（ spontaneous mutation） 复制时碱基的偶然性错配，由此引起的突变 诱发突变（ indu