医学]02遗传的细胞和分子基础4学时.ppt

第二章第二章 基因和染色体基因和染色体 第一节 基因的结构与功能 第二节 基因复制与表达 第三节 染色质与染色体 第四节 细胞增殖有丝分裂 第五节 生殖细胞地发生与减数分裂 第六节 基因突变 第一节 基因的结构与功能 一、基因的概念 二、DNA的分子结构与组成 三、DNA的存在形式 四、基因的结构 五、多基因家族和假基因 基因的概念随着遗传学、分子生物学 、生物化学等领域的发展而不断完善。 从遗传学的角度看，基因是生物的遗传 物质，是遗传的基本单位突变单位 、重组单位和功能单位；从分子生物学 的角度看，基因是负载特定遗传信息的 DNA分子片段，在一定条件下能够表达这 种遗传信息，变成特定的生理功能。有 的生物基因为RNA。 一、DNA的分子结构和组成 Structure of DNAStructure of DNA bp P A T G C Deoxyribose 腺嘌呤(A)鸟鸟嘌呤(G) 胞嘧啶嘧啶 (C) 胸腺嘧啶嘧啶 (T) Structure of DNAStructure of DNA DNA 的 一 级 结 构 DNA的二级结构 Structure of DNAStructure of DNA 1.基因组：某物种单倍体细胞所具 有的遗传信息的总和。 2.根据基因组DNA碱基排列顺序重 复出现的程度不同，把基因组 DNA序列分为单一序列，重复序 列。 二、二、DNADNA的存在形式的存在形式 高度重复序列 中度重复序列 重复序列 (repetitive sequence） 单一序列 (unique sequence) 多基因家族 拟基因 高度重复序列高度重复序列 高度重复序列：由很短的碱基序列重复而成， 长长度2200 bp，重复次数106108。 占基因组组DNA的10 %。 1. 卫卫星DNA(satellite DNA) 2. 小卫星DNA (minisatellite DNA)和微卫星 DNA (microsatellite DNA) or STR 3. 反向重复序列(inverted repeat sequence) G T C C T G A C C G T G T C A G G A T C A G G A C T G G C A C A G T C C T A G T C C T G A C G T C A G G A T C A G G A C T G C A G T C C T A Highly Repetitive Sequence Palindrome 高度重复序列 特点：由很短的碱基序列组成 ，长度2200，重复次数106108 。一般占DNA碱基对的 10%30%。由一些短的DNA序 列呈串联重复排列。 卫星DNA DNA在CsCl密度梯度离心中， 由于GC的含量少于AT，当重复 序列的GC与AT的比率有差异时 ，可在DNA主峰旁形成卫星 DNA。卫星DNA构成着丝粒， 端粒和Y染色体长臂上的异染色 质区。称为卫星DNA。 小卫星DNA 指端粒DNA和高变小卫星DNA两种。 a.在染色体末端由6bp序列(TTAGGG)重复串联组 成的1015kbDNA序列称为端粒DNA。它是在端 粒酶作用下加到染色体末端，保持染色体的完整 性。 b.高变小卫星DNA是由964bp序列重复串联组 成的，每个小卫星区重复序列的拷贝数是高度可 变的，因此常用DNA指纹技术作个体鉴定。 微卫星DNA 微卫星DNA重复单位序列最短，只有 15bp，串联成簇长度50100bp的微卫 星序列。 人类基因组至少有30000个不同的微卫 星位点，具高度微卫星多态性，不同个 体间有明显差别，但在遗传上却是高度 保守的，因此可作为重要的 遗传标志， 用于基因定位的连锁分析。 回文序列 是两个顺序相同的互补拷贝 在同一条DNA链上反向排列 而成的，形成链内碱基配对 ，形成发夹结构。（附图） Back中度重复序列中度重复序列 中度重复序列：由长度300 bp7000 bp的序列重复而 成，重复次数102105。占基因组DNA的20 30 %。 1. 短分散元件(short interspersing element，SINE) 2. 长分散元件(long interspersing element，LINE) 中度重复序列 特点：在长度和拷贝数目上 有很大差别。 有些中度重复序列DNA具有 编码功能，如编码rRNA和 tRNA以及组蛋白的基因 大多数无编码功能，主要是 一些分散重复DNA序列 单一序列是单拷贝或很少几 次的序列，一般800-1000bp 组成。 其中有部分是构成编码细胞 中的蛋白质的基因（结构基 因）。 单一序列单一序列 多基因家族 由某一祖先基因经过重复、突变所 产生的一组基因。它们在基因组中的 拷贝只有微小的差别，并行使相关的 功能。所以是一组来源相同、结构相 似、功能相关的基因。 有两种存在形式： 一类是一个基因的多次拷贝成簇排 列在同一条染色体上，形成一个基因 簇； 另一类是一个多基因家族中的不同 成员成簇分布于几条不同的染色体上 ，这些成员的序列虽然有些不同，但 是编码一组关系密切的蛋白质。 假基因 在多基因家族中，某些成员不产生有功能 的基因产物，这类基因成为假基因。 假基因的核苷酸顺序与相应的活性基因极 为相似，但不能表达，不具有正常功能。 它们与有功能的基因有同源性，起初可能 是有功能的基因，以后由于发生突变，失去 了活性，变成了无功能的基因。 拟基因 拟基因(pseudogene)：也称假 基因，指在多基因家族中，某些 成员不产生有功能的基因产物， 这些基因称为拟基因，常用表 示。 基因的结构 基因：是具有生物学功能的核酸分子片段， 是遗传物质突变、重组和具有特定遗传功能 的基本单位，是遗传信息传递、表达和生物 性状形成的基础。 大多数真核生物基因的编码序列不是连 续排列的，被非编码序列隔开，因此，称为 断裂基因（split gene）。 断裂基因 概念：真核生物的结构基因的DNA序 列由编码序列（外显子）和非编码序 列（内含子）两部分构成，编码序列 是不连续的，被非编码序列分隔开来 ，称为断裂基因。 组成：侧翼序列 ：启动子，增强子， 终止子 编码序列：内含子，外显子 真核基因结构模式图 启动子 增强子 终止子 RNA蛋白质质 复制 翻译 转录 DNA 逆转录 中 心 法 则 第二节、基因的复制和表达第二节、基因的复制和表达 DNA复制的特点 1、多起点、非同步、双向复制：复制子，复制叉 2、半保留复制（Semi conservative replication） 3、半不连续复制（Semi discontinuous replication） ：5 3，RNA作为引物 一 、DNA的复制（DNA ReplicationDNA Replication ） Semi conservative replication Semi discontinuous replication 二、基因表达 基因表达指基因组中某基因在细胞中 转录为mRNA和翻译成蛋白质的过程。 基因表达的改变预示着细胞在分子水平 上的变化。它往往是细胞形态功能变化之 前的变化。 DNARNAProtein 转录翻译 1. DNA转录 转录(Transcription)从基因上游的启动子处开始 转录以DNA双链中3在上游的单链（反义链）为 模板 原始转录本称为异质核RNA(hnRNA)，含有全部 内含子和5与3部分非翻译区 原始转录本通过不同加工方式形成多种指导蛋白 质合成的转录本 mRNA的转录由RNA聚合酶II催化, rRNA由RNA 聚合酶I催化, tRNA由RNA 聚合酶III催化 异质核RNA的加工 1、剪接(Splicing):剪掉内含子，拼接外显子，被 剪内含子的序列为GU-AG 2、戴帽(Capping):在5端连接一个7甲基鸟苷酸， 免受RNA酶消化；利于RNA的转运；便于剪接；有 助于核糖体识别。 3、加尾(Tailing): 在3端加PolyA (200mer)。加 尾信号为AAUAAA，加尾点位于信号下游几十个核 苷酸后。利于RNA的转运；有助于核糖体识别；稳 定RNA。 2. 翻译 在细胞质中，以mRNA为模板，tRNA为运 载工具，将活化氨基酸在核糖体上装配成多 肽链的过程，多肽链经过修饰加工成为有生 物学活性的蛋白质。 人类基因表达调控： 1、转录前调控：组蛋白与DNA结合后，可以抑制基因 表达。非组蛋白可以解除组蛋白对DNA转录的抑制，促进 DNA转录，是转录前调控的重要方式。 2、转录水平调控：是人类基因表达调控的关键，可以 通过启动子、增强子等特异序列与相应的蛋白质结合激活 或抑制转录过程而到达调控基因表达的目的。 3、转录后调控：主要是初级RNA加工过程受到调控。 通过不同的加工可以由一个基因的转录产物产生出不同的 成熟mRNA，从而翻译出不同的蛋白质。 4、翻译水平调控：核糖体数量、mRNA的成熟度、启 动因子、延伸因子、释放因子和各种酶等均能影响蛋白质 合成。 5、翻译后调控：多肽链合成后要通过修饰、加工，才 能成为具有一定生物活性的蛋白质。 （一）染色质的主要化学组成： DNA、蛋白质（组蛋白碱和非组蛋白）、 少量的RNA （二）染色质的结构 染色质的基本结构单位是核小体 第三节 染色质与染色体 核小体的组成 核心颗粒核心颗粒 连接区连接区 八八聚体聚体 （组蛋白组蛋白H2AH2A、H2BH2B、H3H3、H4H4各各2 2分子分子） 140bp DNA140bp DNA，缠绕缠绕1.751.75圈圈 60bp60bp左右左右DNADNA片段片段+H1+H1组蛋白组蛋白 H3 H4 H3 H4 H2A H2A H2B H2B H4 H 3 H3H4 H2A H2A H2B H2B H1 H1 1882，Flemming 染色质与染色体 DNA双链 2nm 核小体细丝 10nm 从DNA到染色体的四级结构模型 一级结构：核小体串珠结构10nm 二级结构：螺线管 外径30nm 三级结构：超螺线管 300nm （18袢环=微带） 四级结构：染色单体 压缩了8000-10000倍 长度 （三 ）染色体的包装 二级结构 螺线管 Packing of DNA ChromotinChromotin & Chromosome & Chromosome H3 H4 H3 H4 H2A H2A H2B H2B H4 H 3 H 3 H4 H2A H2A H2B H2B H1 H1 Packing of DNA DNA 核小体核小体 螺线管螺线管 超螺线管超螺线管 染色单体染色单体 压缩7倍 压缩6倍 压缩40倍 压缩5倍 共计压缩8000倍-10000倍 （四）、染色质的分类 1.常染色质（euchromatin） 细胞间期核内螺旋化程度低，分散度大，染色 较浅且具有转录活性的染色质。 散在细胞核内（居中） 2.异染色质(heterochromatin)：细胞间期核内 纤维折叠盘曲紧密，呈凝集状态，染色较深且 没有转录活性的染色质。 凝集在细胞核内膜边缘处（周缘） 异染色质 常染色质 3. 异染色质的分类 （1）结构异染色质：指各类细胞的全部发 育过程中都处于凝缩状态的染色质。大多位于 着丝粒区和端粒区，不具有转录活性 。 （2）兼性异染色质：指在特定细胞的某一 发育阶段所具有的凝缩状态的染色质。 例如 X染色质 4.性染色质（sex chromatin） 1. X染色质 形态：女性间期细胞的核膜边缘大小约1um 的浓染染色质块。 来源：失活的X染色体 数目：X染色体数-1 临床应用：作为快速性别鉴定的手段一。 性染色体疾病的检测 ChromotinChromotin & Chromosome & Chromosome Sex chromotin Barr body X body X chromatin 2. Y染色质 形态：男性间期细胞被荧光染料染色后在 细胞核内出现的强荧光小体。 来源：Y染色体长臂远端部分异染色质。 数目：与Y染色体数相同。 临床应用：快速性别鉴定。 ChromotinChromotin & Chromosome & Chromosome Sex chromotin Y-chromatin X染色质是X染色体失活形成的 X染色体失活（X chromosome inactivation ） 女性细胞中含有两条X染色体，而男性细胞 中只含有一条X染色体，但女性X染色体基因 的产物并不比男性多。对此，英国遗传学家 Mary Lyon在1961年首先提出了“X失活假说” ，或称为“Lyon假说”， Lyon假说(1961)X染色体失活 雌性哺乳动物体内仅有一条X染色体有活性 ，另一条在遗传上是失活的，在间期细胞核 中异固缩为X染色质。 失活发生在胚胎早期(人胚第16天)，此前2 条X染色体都有活性。 X染色体的失活是随机的，但是是恒定的。 剂 量 补 偿 由于雌性细胞中的两条X染色体中的一条发 生异固缩，失去转录活性，这样保证了雌雄 两性细胞中都只有一条X染色体保持转录活性 ，使两性X连锁基因产物的量保持在相同水平 上，这种效应称为X染色体的剂量补偿 (dosage compensation)。 人类性别决定的染色体机制 性染色体学说性染色体(X和Y)在性别 决定中起核心作用，人类性别是受精时由精 子和卵子中的性染色体决定的。 Y染色体决定睾丸的形成，Y染色体短臂上 有一个决定男性的基因睾丸决定因子 (TDF)。 SRY 一、细胞周期的定义和分期 定义： 细胞从一次分裂结束到下一次分裂结束的 一个周期，称为细胞增殖周期，简称细胞周 期 分为分裂期和静止期两个阶段 第四节 细胞增殖有丝分裂 一、细胞增殖周期 一个细胞周期包括： G1期：为脱氧核糖核酸（DNA）合成前期 脱氧核糖核酸含成迅速进行 S期：为脱氧核糖核酸合成期，利用各种前 体物质合成瞟呤等碱基，并形成脱氧核苷酸 。在该期中，脱氧核糖核酸含量增加1倍，与 染色体复制有关的组蛋白也在此期中合成。 G2期：为脱氧核糖核酸（DNA）合成后期 ，作为丝裂期中纺锤丝原料的微管蛋白则在 此期合成。细胞在G2期完成分裂的准备，以 后便进入丝裂期。 二、细胞周期各期特点 .11. 间间 期期 2. 有丝分裂期(mitosis，简称M) 前期：每个染色体实际上含有2个并列的染色单体 (chromatids) 两个星体被推向相反的两极，和其间的 微管共同形成具两极的纺锤体。 中期：染色体都排列到纺锤的中央，它们的着丝粒 都位于细胞中央的同一个平面，即赤道面 (equatorialplane)上 后期：各对染色单体上的着丝粒彼此分开，而成2 个独立的染色体，它们以相同的速度分别向两极移 动。 末期：细胞分割成为2个子细胞 有丝分裂的意义: 核均等分裂：遗传物质 质分裂不均一：组织分化 减数分裂（Meiosis）的特点是DNA复制一 次，而细胞连续分裂两次，形成单倍体的精 子和卵子，通过受精作用又恢复二倍体，减 数分裂过程中同源染色体间发生交换，使配 子的遗传多样化，增加了后代的适应性，因 此减数分裂不仅是保证生物种染色体数目稳 定的机制，同且也是物种适应环境变化不断 进化的机制。 一、减数分裂（meiosis）： 第五节 生殖细胞地发生与减数分裂 减数分裂分期 间期 分裂期 减数分裂II 减数分裂I 减数分裂（meiosis）：是生殖细胞发生过 程中的一种特殊分裂方式，DNA复制一次， 细胞连续分裂两次，因此，由一个细胞形成 4个子细胞，子细胞的遗传物质是母细胞的 一半。减数分裂由两次连续分裂构成。 Synaptonemal complex (联会复合体) Homologous chromosome Synapsis(联联会) Bivalent(二价体) 减数分裂II 可分为前、中、后、末四个四期，与有丝 分裂相似。通过减数分裂一个精母细胞形成4 个精子。而一个卵母细胞形成一个卵子及2-3 个极体。 同有丝分裂 Sister chromatid Nonsister chromatid Tetrad(四分体) Metaphase IAnaphase IInterphase Metaphase II Telophase I Telophase II Prophase II 精子的发生 二、配子发发生和减数分裂 成熟期 生长长期 生长长期 成熟期 变变形期 增殖期 卵子的发生 增殖期 减数分裂(Meiosis)的意义 配子产生过程中的特殊的有丝分裂，遗 传物质减半并重新组合。 同源染色体联会，非姐妹染色单体等位 交换。 染色体随机分配。 人类23对染色体将形成223=8388608种组合，如果交换则更多。 减数分裂（Meiosis）的特点是DNA复制一次，而细胞连续分裂两次，形成单倍 体的精子和卵子（图13-12），通过受精作用又恢复二倍体，减数分裂过程中同 源染色体间发生交换，使配子的遗传多样化，增加了后代的适应性，因此减数 分裂不仅是保证生物种染色体数目稳定的机制，同且也是物种适应环境变化不 断进化的机制。 第六节 基因突变 基因突变(gene mutation)：基因在结构上 发生碱基对组成或排列顺序的改变。 点突变(point mutation)：基因(或DNA链) 中一个或一对碱基改变时。 突变基因(mutant gene)：基因突变后在原 有基因座上出现的新基因。 （一）基因突变的概念 基因突变的结果 中性突变(neutral mutation 造成个体化学组分的遗传学差异 有益突变 有害突变 遗传 致死突变(lethal mutation 基因突变发生的原因 （二）基因突变的方式及分子机制 1. 碱基替换：指一个碱基对被另一个不同的 碱基对所替换，为DNA分子中单个碱基的改 变，即点突变。包括转换和颠换 转换(transition)：指嘌呤取代嘌呤，或嘧 啶取代嘧啶 颠换(tranversion)：指嘌呤取代嘧啶，或 嘧啶取代嘌呤 2. 移码突变： 3. 动态突变： 2.2.移移码码码码突突变变变变： 是指在是指在DNADNA编码顺编码顺编码顺编码顺 序中插入或序中插入或 缺失一个或几个（不是缺失一个或几个（不是3 3的倍数），造成着一位的倍数），造成着一位 置以后的一系列置以后的一系列编码发编码发编码发编码发 生移位生移位错误错误错误错误 。效。效应应应应：使：使 氨基酸氨基酸发发发发生改生