遗传分子基础-2011-方(upload).ppt

分子遗传学部分分子遗传学部分 20201111、0202 方 美 英 四四 部分内容部分内容 遗传的分子基础遗传的分子基础 遗传信息的传递遗传信息的传递 动物基因组学基础动物基因组学基础 动物基因工程概述动物基因工程概述 （前沿讨论）（前沿讨论） 分子遗传学参考书目 1 动物遗传学，吴常信主编 2分子遗传学 (孙乃恩/孙东旭/朱德煦 编著) 3. 遗传学（ S.L.埃尔罗德/ W.斯坦斯菲尔德 著） 4 Genome (Brown TA, 2nd) 5 Molecular Biology (2nd Edition by R Weaver) 6 各类遗传杂志、畜牧兽医杂志、医学杂志等各类遗传杂志、畜牧兽医杂志、医学杂志等 第一章第一章 遗传的分子基础遗传的分子基础 第一节第一节 遗传物质遗传物质 遗传规律的发现（遗传规律的发现（18661866）到遗传物质的发现（）到遗传物质的发现（19441944） 历时历时8080年年 遗传学遗传学生物化学生物化学细胞学细胞学 遗传物质 生物物理学生物物理学 遗传物质的基本特征遗传物质的基本特征 能够自我复制，使前后代保持一定的连续性 能控制物质性状和代谢过程 分子结构具有相对的稳定性 有贮存巨大数量遗传信息的潜在能力 能引起可遗传的变异。 DNADNA作为主要遗传物质的间接证据作为主要遗传物质的间接证据 DNA的分布： DNADNA聚集的地方就是遗传物质大量集中聚集的地方就是遗传物质大量集中 的地方。的地方。DNADNA主要存在于细胞核染色体，遗传物质也主要存在于细胞核染色体，遗传物质也 主要存在于细胞核染色体；主要存在于细胞核染色体； DNA的含量：同一种生物，不论年龄和组织，在一定同一种生物，不论年龄和组织，在一定 条件下，每个细胞核的条件下，每个细胞核的DNADNA含量基本相同。配子里含量基本相同。配子里 DNADNA的含量一般是体细胞里的含量一般是体细胞里DNADNA含量的一半，即含量的一半，即 DNADNA含量与染色体倍数是一致的。含量与染色体倍数是一致的。 DNADNA作为主要遗传物质的间接证据作为主要遗传物质的间接证据 DNA的代谢稳定： DNADNA分子代谢稳定，一旦合成分子代谢稳定，一旦合成 不再分解；其它物质既有合成，也有分解。不再分解；其它物质既有合成，也有分解。 DNA对紫外线的反应：紫外线可引起生物变异，其紫外线可引起生物变异，其 最有效的波长是最有效的波长是260nm260nm（诱变作用效果最强）。（诱变作用效果最强）。 这个波段也是这个波段也是DNADNA对紫外线的吸收峰，引起对紫外线的吸收峰，引起DNADNA 变异从而引起生物性状变异。变异从而引起生物性状变异。 DNADNA是遗传物质的直接证据是遗传物质的直接证据 多糖多糖 脂类脂类 RNA RNA DNA DNA 蛋白质蛋白质 肺炎双球菌的遗传发生了改变肺炎双球菌的遗传发生了改变 1细菌的转化 Frederick Frederick GriffthGriffth (1928) (1928) Oswald Avery, et al. (1944)Oswald Avery, et al. (1944) DNADNA是病毒的是病毒的 遗传物质遗传物质 Hershey and Chase (1952)Hershey and Chase (1952) 2.噬菌体的侵染与繁殖 用32P和35S验证了DNA是遗传物质 -35S -32P 蛋白质有硫而蛋白质有硫而 没有磷没有磷 DNADNA有磷而有磷而 没有硫没有硫 RNARNA是遗传物质是遗传物质 烟草花叶病毒侵染实验烟草花叶病毒侵染实验 HeinazHeinaz Fraenki-ConratFraenki-Conrat & & B. B. SingreSingre (1957) (1957) SARSSARS： 单链单链RNARNA病毒病毒 结论：RNA决定子代性状。在没有DNA的TMV中，RNA是遗传物质。 蛋白质蛋白质是遗传物质是遗传物质？ 19351935年，法国研究人员经接种发现羊瘙痒病可在羊群中传染。年，法国研究人员经接种发现羊瘙痒病可在羊群中传染。 19851985年，首例疯牛病在英国被发现，次年，在英国迅速蔓延。年，首例疯牛病在英国被发现，次年，在英国迅速蔓延。 病原体朊粒病原体朊粒( (prionprion) ) ：不含核酸的蛋白质颗粒。：不含核酸的蛋白质颗粒。 蛋白异构体间的转换。蛋白异构体间的转换。PrPPrP sc sc定向生成，体内 定向生成，体内 堆积。堆积。 PrPPrPsc sc进入宿主细胞并不是自我复制，而是将细胞内基因编码产生的 进入宿主细胞并不是自我复制，而是将细胞内基因编码产生的PrPPrP c c 变成变成PrPPrPsc sc。 。 第二节第二节 核酸的结构核酸的结构 DNADNA RNARNA 一级结构一级结构化学组成化学组成 高级结构高级结构物理构象物理构象 核苷酸是DNA基本结构单元，它由戊糖与 碱基和磷酸脱水缩合而成。 DNADNA的化学组成的化学组成 碱基及其异构体碱基及其异构体 氨基、亚氨基互变氨基、亚氨基互变 酮式、烯醇式互变酮式、烯醇式互变 碱基通常的化学结构碱基通常的化学结构 OH 单核苷酸通过单核苷酸通过3-53-5磷磷 酸二酯键按线性顺序酸二酯键按线性顺序 连接连接 磷酸基团和戊糖在双磷酸基团和戊糖在双 螺旋骨架的外侧螺旋骨架的外侧 碱基面向骨架内侧碱基面向骨架内侧 DNADNA一级结构一级结构 DNADNA一级结构特点一级结构特点 uuDNADNA的一级结构指的一级结构指DNADNA分子中分子中4 4种核苷酸的链接方种核苷酸的链接方 式和排列顺序。式和排列顺序。 uu A=TA=T、G=CG=C，A+G=C+TA+G=C+T，这一规律称为这一规律称为 ChargaffChargaff当量规律。（当量规律。（第一定律第一定律局部或全基因局部或全基因 组均适用；第二定律组均适用；第二定律适用于双链适用于双链DNADNA基因组基因组） uuDNADNA分子碱基序列的排列方式极其多样，碱基序列分子碱基序列的排列方式极其多样，碱基序列 的变化可能引起遗传信息的很大改变。（的变化可能引起遗传信息的很大改变。（多样性与多样性与 基因组结构的特异性基因组结构的特异性） AA AA AA T T T T T T GG GG GG GG CC CC CC AA T T CC 你注意到了吗？你注意到了吗？ 两条长链上的脱两条长链上的脱 氧核糖与磷酸交氧核糖与磷酸交 替排列的顺序是替排列的顺序是 稳定不变的。稳定不变的。 长链中的碱基对长链中的碱基对 的排列顺序是千的排列顺序是千 变万化的。变万化的。 Figure legend: A polynucleotide chain consists of a series of 5-3 sugar-phosphate links that form a backbone from which the bases protrude DNA序列的编写方式 5 3 DNA DNA 序序 列列 DNADNA的二级结构的二级结构 Watson and Crick, 1953 DNADNA双螺旋结构的提出双螺旋结构的提出 ChatgaffChatgaff 对对DNADNA碱基组成的研究结果：碱基组成的研究结果： 1949-1951 1949-1951年，年，ChargaffChargaff 应用紫外分光光度法应用紫外分光光度法 结合纸层析等技术结合纸层析等技术, ,对不同来源的对不同来源的DNADNA进行了进行了 碱基定量分析碱基定量分析, , 发现了碱基组成的共同规律：发现了碱基组成的共同规律： (1) (1)以摩尔含量表示，不同来源的以摩尔含量表示，不同来源的DNADNA都存在都存在 着这种关系，即着这种关系，即A=TA=T和和C=GC=G； (2) (2) 嘌呤碱基的总和与嘧啶碱基的总和相等。嘌呤碱基的总和与嘧啶碱基的总和相等。 5050年代初，人们已普遍承认年代初，人们已普遍承认DNADNA是最重要的遗传物质，遗传是最重要的遗传物质，遗传 信息存储在信息存储在DNADNA分子多核苷酸链上分子多核苷酸链上4 4种碱基的特定序列中。种碱基的特定序列中。 DNADNA双螺旋结构的提出双螺旋结构的提出 WilkinsWilkins及其同事及其同事FranklinFranklin等用等用X X射线衍射方射线衍射方 法获得的法获得的DNADNA结构资料结构资料 1952-19531952-1953年，获得了精确反映年，获得了精确反映DNADNA结构特结构特 征的征的X X 射线衍射图片，其影像表明了射线衍射图片，其影像表明了DNADNA 结构的螺旋周期性，碱基相邻叠加，并垂直结构的螺旋周期性，碱基相邻叠加，并垂直 于螺旋轴等空间取向特征。于螺旋轴等空间取向特征。 Watson & Crick Watson & Crick 同时代的研究者同时代的研究者 鲍林，鲍林，19311931年阐明了化学键的本质，年阐明了化学键的本质，19541954年获诺贝尔奖。年获诺贝尔奖。 19501950年，他首先阐明了氨基酸链的年，他首先阐明了氨基酸链的 螺旋状结构。最早认定螺旋状结构。最早认定 DNADNA分子具有与氨基酸链类似的螺旋结构，但他错误地认为分子具有与氨基酸链类似的螺旋结构，但他错误地认为 DNADNA分子是由三股螺旋组成的。分子是由三股螺旋组成的。 富兰克琳（富兰克琳（R RFranklinFranklin，1920192019581958） ，最，最 早认定早认定DNADNA具有双螺旋结构，并且运用具有双螺旋结构，并且运用X X射线射线 衍射技术拍摄到了清晰而优美的衍射技术拍摄到了清晰而优美的DNADNA照片，她照片，她 还精确地计算出还精确地计算出DNADNA分子内部结构的轴向与距分子内部结构的轴向与距 离。离。 威尔金斯（威尔金斯（1916191620042004）则计算出）则计算出DNADNA分子螺分子螺 旋的直径与长度。他们二人还对旋的直径与长度。他们二人还对DNADNA分子的结分子的结 构作出了确切而关键性的描述：磷酸根在螺旋构作出了确切而关键性的描述：磷酸根在螺旋 的外侧，碱基在螺旋内侧。的外侧，碱基在螺旋内侧。 Watson & Crick Watson & Crick 与双螺旋模型与双螺旋模型 克里克在大学学的是物理专业，二战爆发后参军。战后转学生物学。克里克在大学学的是物理专业，二战爆发后参军。战后转学生物学。 沃森沃森1515岁进人芝加哥大学学习；岁进人芝加哥大学学习；2222岁在印第安纳大学获博士学位。岁在印第安纳大学获博士学位。 依据依据X X射线衍射图上的几组数据，先构建出分子模型的大模样，再不断射线衍射图上的几组数据，先构建出分子模型的大模样，再不断 调整其中原子排列的细节，直到其与真实分子的衍射图十分接近为止。调整其中原子排列的细节，直到其与真实分子的衍射图十分接近为止。 得知美国化学家鲍林正是依据结构化学的简单原理，通过构建分子模型得知美国化学家鲍林正是依据结构化学的简单原理，通过构建分子模型 的途径，发现了蛋白质多肽链的的途径，发现了蛋白质多肽链的 螺旋结构。螺旋结构。这更使他们确信：解决这更使他们确信：解决DNADNA分分 子结构之路在于构建模型。子结构之路在于构建模型。 提出了一个三股螺旋的提出了一个三股螺旋的DNA DNA 结构的设想。但当结构的设想。但当 他们请威尔金斯和富兰克琳来讨论这个模型时，他们请威尔金斯和富兰克琳来讨论这个模型时， 富兰克琳当即指出富兰克琳当即指出DNADNA结构应是双螺旋。结构应是双螺旋。 19531953年年2 2月月2828日，第一个日，第一个DNADNA双螺旋模型诞生。双螺旋模型诞生。 沃森和克里克认为： DNA分子的空间结构 是规则的双螺旋结构 。 DNA分子的结构： DNA分子的结构模式图 双螺旋结构的主要特点： .DNA分子是由两条链组成的，这两条链 按反向平行方式盘旋成双螺旋结构。 .DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接 ，排列在外侧，构成基本骨架；碱基排列 在内侧。 .两条链上的碱基通过碱基互补配对原 则、通过氢键连接成碱基对。 （氢键数目的多少与DNA结构的稳定性有关） DNADNA双螺旋模型的描述双螺旋模型的描述 右手螺旋右手螺旋 磷酸基团与脱氧核糖在外侧，碱基磷酸基团与脱氧核糖在外侧，碱基 在螺旋的内侧在螺旋的内侧 两条链以氢键互补配对两条链以氢键互补配对 双螺旋直径双螺旋直径2nm2nm，螺距，螺距3.4nm3.4nm，每个，每个 螺旋螺旋1010个碱基对个碱基对 螺旋表面大沟、小沟交替出现螺旋表面大沟、小沟交替出现 双螺旋模型成为分子生物学的基础，双螺旋模型成为分子生物学的基础，DNADNA双螺旋结构可双螺旋结构可 以完美地解释基因的复制和信息传递。以完美地解释基因的复制和信息传递。 双螺旋的大沟中有丰富的化学信息，是双螺旋的大沟中有丰富的化学信息，是DNADNA结合蛋白所结合蛋白所 处的空间。处的空间。 已知的已知的DNADNA双螺旋构象有双螺旋构象有7 7种，种，A A、B B、C C、D D、E E、T T型为右型为右 手螺旋，而手螺旋，而Z-DNAZ-DNA是左手螺旋。是左手螺旋。 在已知的构象中，在已知的构象中，B-DNAB-DNA是溶液和生物机体最常见的形是溶液和生物机体最常见的形 式，活性最高；式，活性最高；A A型大沟变窄变深，型大沟变窄变深，A-TA-T丰富区常呈丰富区常呈A A型，型， 转录时转录时DNA-RNADNA-RNA杂合链为杂合链为A A型；型；Z Z型不存在深沟，只有一条型不存在深沟，只有一条 浅沟，高浅沟，高G-CG-C区易出现区易出现Z Z型变构，可能与基因的表达调控型变构，可能与基因的表达调控 有关。有关。 DNADNA的二级结构意义的二级结构意义 DNADNA双链构象双链构象 右手螺旋右手螺旋 左手螺旋左手螺旋 DNA的高级结构是指DNA双螺旋进一步扭 曲盘旋所形成的特定空间结构。超螺旋结 构是DNA高级结构的主要形式，超螺旋又 可分为负超螺旋和正超螺旋两种。天然双 螺旋DNA是负超螺旋。 DNADNA的高级结构的高级结构 RNARNA 原核生物和真核生物都含有许多种不同的原核生物和真核生物都含有许多种不同的RNARNA分分 子，其中最主要的有：子，其中最主要的有： 信使信使RNARNA传递传递遗传信息遗传信息。占。占RNARNA总量的总量的5-10%5-10%。 转运转运RNARNA小分子量小分子量RNARNA，转运氨基酸，识别密码，转运氨基酸，识别密码 子。三叶草型二级结构。占子。三叶草型二级结构。占RNARNA总量的总量的10-15%10-15%。 核糖体核糖体RNARNA由大小亚基构成，蛋白质合成装配的由大小亚基构成，蛋白质合成装配的 场所。占场所。占RNARNA总量的总量的75-80%75-80%。 RNARNA的其他种类（的其他种类（small RNAsmall RNA） 核小核小RNARNA（Small nuclear RNA, Small nuclear RNA, snRNAsnRNA） 参与参与mRNAmRNA加工加工 核仁小核仁小RNARNA（Small Small nucleolarnucleolar RNA, RNA, snoRNAsnoRNA） 在在rRNArRNA分子加工中起核心作用分子加工中起核心作用 胞质内小胞质内小RNARNA（Small Small cytoplasmiccytoplasmic RNA, RNA, scRNAscRNA） 有些分子有些分子参与蛋白质的合成和运输参与蛋白质的合成和运输 小分子小分子RNARNA 小分子小分子RNARNA（micromicroRNARNA），是一种大小约），是一种大小约21232123个个 碱基的单链碱基的单链RNARNA，由具有发夹结构的约，由具有发夹结构的约70-9070-90个碱基大个碱基大 小的单链小的单链RNARNA前体经过前体经过DicerDicer酶加工后生成，这些非编酶加工后生成，这些非编 码小分子码小分子RNARNA（miRNAsmiRNAs）参与调控基因表达。）参与调控基因表达。 控制基因表达的两个关键步骤是控制基因表达的两个关键步骤是DNADNA的转录和翻译。的转录和翻译。小小 分子分子RNARNA不会被翻译以合成蛋白质，而是与靶不会被翻译以合成蛋白质，而是与靶mRNAmRNA结结 合，通过调节翻译或降解靶合，通过调