第一章基因分子结构.doc

高级遗传学教案遗传学是研究生物遗传与变异的规律的科学，也是生命科学领域发展最为迅速的前沿学科。随着新技术、新方法、新成果的层出不穷，遗传学的研究范畴更是大幅度拓宽，研究内容不断深化。高级遗传学是在学习普通遗传学的基础上开设的一门提高性课程。本课程涉及基因的分子结构、基因的表达与调控、不同生物的基因组以及DNA操作的基本技术，例如核酸杂交，DNA克隆，多聚酶链式反应（PCR），DNA测序技术等。通过本课程学习，学生不仅可以掌握遗传与变异的规律、而且更深入地了解遗传信息在分子水平上的传递、表达和调控机理，以及遗传学在生产实践和科学研究中的应用。学生可以在群体水平、个体水平、细胞水平和分子水平的不同层次对遗传学有更加完整和深入的认识。教学课型：理论课教学方法：以理论讲授为主，配合多媒体教学、课堂讨论、学生自学等方法进行教学。总学时数：51 学分：3 教材：现代遗传学 赵寿元 乔守怡 主编，高等教育出版社,2001主要参考书：1、遗传学（英文影印本） P.C.Winter,G.I.Hickey and H.L.Fletcher2、分子遗传学 张玉静等，科学出版社, 20003、高级分子遗传学 李明刚编著，科学出版社, 20044、人类基因组计划研究概论 郭晓华主编，辽宁大学出版社 第一章 基因的概念和结构（6学时） 本章介绍分子遗传学的相关知识，包括基因的分子结构、基因概念的发展以及基因的分子生物学定义等。讲解的重点内容是转座因子、RNA的剪接机理等。1.教学目的：（1）使学生掌握基因概念的发展；（2）了解基因的分子结构，以及在分子水平对基因的定义。2.教学重点：（1）隔裂基因（2）转座因子2.教学难点：（1）RNA的剪接机理；（2）转座因子的类型及转座的机制。第一节 基因的分子结构一、孟德尔遗传因子(factor)是决定生物性状遗传的符号植物杂交试验: Mendel,1866二、基因(gene)是位于染色体上的遗传功能单位基因论: Morgan，1926三、顺反子(cistron)一个基因一条多肽细菌噬菌体遗传区的精细结构: Benzer,1955顺反子(cistron) ：是指通过顺反测验所确定的遗传物质的功能单位（又称作用子），它含有若干个突变子和重组子.一个顺反子是核酸分子上一段能够表达,产生有功能的基因产物(蛋白质或RNA)的特定核苷酸序列，它决定特定多肽链的氨基酸顺序.突变子（muton）：是突变的最小单位重组子（recon）：是重组的最小单位四、操纵子(operon)遗传信息传递和表达调控的统一体 蛋白质合成的遗传调节机制: Jacob 和 Monod, J. Mol. Biol.,1961五、外显子和内含子真核基因的结构是断裂的隔裂基因（interrupted gene）是指基因内部包含有无编码意义的核苷酸顺序。1977年，Flavell和Jeffreys发现兔的珠蛋白基因含有1个内含子1977年,Chambon等发现鸡的卵清蛋白基因包含7个内含子外显子（exon）：是指转录产物存在于mRNA分子中的基因核苷酸序列内含子（intron）：是指转录产物不存在于mRNA分子中的基因核苷酸序列举例：果蝇的28S rRNA基因：含1个内含子（5400bp） (Glover,1977) 鸡的卵清蛋白基因：含7个内含子（5828bp）和8个外显子（1872bp），共有7700bp（Chambon,1977） 人的DMD基因: 全长约2400kb，含有79个内含子（1992）。（一）RNA剪接1.与RNA剪接有关的保守顺序(1) 内含子两端的二核苷酸一致顺序边界顺序 5GT AG 3(GT-AG法则) 或者 5ATAC 3 （供体位点） （受体位点） （2）内含子中与套马索剪接有关的一致顺序：酵母菌： UACUAAC高等生物：PyNPyPyPuAPy2.剪接体(spliceosome) 剪接体的沉降系数60S，由5种小核RNA（snRNA）和多种蛋白质组成，snRNA和蛋白质形成的小分子核RNA蛋白(small nuclear RNAproteins,RNP)参与剪接反应。3.剪接的途径（1）直接剪接直接剪接是RNA前体剪接时由核酸酶在两个剪接位点上切割，切端在RNA连接酶作用下彼此连接，形成成熟RNA分子。（2）套马索剪接通过转酯作用发生剪接第一阶段：在内含子 5剪切位置上切割，其5端通过5-2键同内含子的一个嘌呤碱基（A）连接，于是内含子-外显子分子形成”套马索”；另一端生成的外显子呈线状.。第二阶段：在内含子3剪切位置上切割，释放套马索状的游离内含子, 左右两个外显子连接。（3）特殊的RNA剪接 (1) 可变剪接(alternative splicing)可变剪接是指一个基因的mRNA前体通过不同的剪接方式产生多个mRNA。 例如：黑腹果蝇的tra、dsx基因在不同的位置剪接,产生两种基因产物。(2)反式剪接(trans splicing) 反式剪接是指不同的RNA的外显子通过剪接产生mRNA分子4. 内含子的类型： GU-AG内含子：是含有5GUAG 3二核苷酸一致序列的内含子AU-AC内含子：是含有5AUAC 3二核苷酸一致序列的内含子Group I：是指转录产物RNA具有自我剪接能力,且有特定的分子构型的内含子.GroupII：是指内含子的转录产物RNA具有自我剪接能力,但其二级结构不同于GroupI的内含子.Group III：该内含子更小，转录产物RNA具有自我剪接能力，有其特定的二级结构.孪生内含子：由两个或更多个GroupII或GroupIII内含子组成的内含子.tRNA前体内含子：存在tRNA前体中，序列较短，位于反密码子环中的同一位置。剪接时由核酸酶切割和RNA连接酶连接古细菌内含子：存在于古细菌的tRNA和rRNA基因中，剪接时通过直接剪接途径切除。六、重叠基因（overlapped gene）重叠基因：是指两个或两个以上的基因共有一段核苷酸顺序。例如：噬菌体Q：外壳蛋白基因和连续蛋白基因有共同起始位置（Weiner,1973）噬菌体：基因B包含在基因A之内，基因E包含在基因D之内 (Sanger,1978)噬菌体G4：基因B,基因A和基因K共用一个腺嘌呤核苷酸（Shaw,1978）七、转座因子（转座元件或可动基因）（transposable element）转座因子：是细胞中能够改变自身位置的DNA顺序转座（transposition）转座因子改变自身位置的行为（一）玉米的转座子Ds-Ac系统1. Ds-Ac系统的作用 （1）Ac存在时，Ds可发生转座，引起插入突变；（2）在Ac作用下，Ds可以离开转座位点，引起回复突变；（3）如果Ac丢失，Ds不能发生转座；（4）Ac也能够转座，引起插入突变。2.Ds和Ac的分子特性（1）Ds和Ac具有同源性；（2）Ds是Ac发生缺失的产物。 （二）插入序列（inserted sequence，IS）1967年，Starlinger首先发现了插入序列。 IS的结构特点：序列较小：768-5700bp只含有转座酶基因两端有相同或相近的反向重复顺序（inverted repeat sequence，IR）（三）转座子 (transposon，Tn)1.结构特点：序列较大：2-25kb；含有转座酶基因以及其他具有特定表型效应的基因复合型转座因子；两端有相同的顺向或反向重复顺序。2.转座途径复制转座：指转座因子将复制的拷贝转座到插入位置，而在原先的位置上仍保留原有的转座因子。非复制转座：转座因子直接从原来位置转座插入新的位置，在原先的位置上不保留原有的转座因子。3.转座的机制（1）非复制转座的机制切割与粘接供体转座子两端发生双链断裂，释放出的转座子在受体分子上产生的交错接口处插入。 （2）复制转座的机制转座酶分别切割转座子的供体和受体DNA分子，然后转座子末端与受体DNA上产生的交错末端连接；复制转座子，形成共整合体；转座子的两份拷贝之间发生交换，供体和受体分子分离。受体DNA出现靶序列正向重复。4.转座的遗传效应引起插入突变插入位点出现新的基因引起靶序列正向重复原来位置上保留原有的转座子转座子能够脱离插入位点称为切离转座容易改变染色体结构（四）反转录转座子 反转录转座子（retrotranspson or retroposon）是指通过RNA为中介，反转录成DNA后进行转座的转座因子。这样的转座过程称为反转座作用。1.反转录转座子的类型：（1）反转录病毒（2）病毒超家族（viral super family）：这类转座子编码反转录酶或整合酶，自主进行转座，两端有长末端重复序列（long terminal repeats, LTR）.不能独立感染细胞.（3）非病毒超家族（nonviral super family）：不能编码反转录酶或整合酶，利用细胞内的酶系进行转座，两端没有LTR。2.反转录病毒与反转录转座(1)反转录病毒: 基因组是单链RNA,长度约5000-9000核苷酸, 通常由两个完全相同的亚基组成.含有三个基因,即gag,pol 和env.。RNA基因组的5端是帽核苷酸, 3端有poly(A).5端和 3端各有一个重复顺序(10-80核苷酸), 以及与之邻接的U5和U3序列。RNA基因组反转录成的DNA基因组的两端生成“长末端重复顺序”(long terminal repeat sequence,LTR)，LTR包括U3-R-U5三个DNA序列。(2)反转录病毒的反转录转座反转录病毒的DNA插入寄主染色体时,5LTR的U3左端和3LTR的U5右端各丢失2bp,而插入位点上生成4-6bp的重复序列。每个受感染细胞一般有1-10份前病毒拷贝。3. LINES L1重复序列长散在重复序列(long interspersed nuclear elements, LINE)是哺乳动物基因组中的一类重复序列, 该重复序列较长。 LINE L1长约6 500 bp, 在哺乳动物基因组中的拷贝数达10万份。LINE是自主转座的反转座因子, 来源于RNA聚合酶II的转录产物。 4.SINE 和 Alu家族短散在重复序列(short interspersed nuclear elements, SINE)是基因组中较短的一类重复序列, 长度为130-300bp。SINE来源于RNA聚合酶的转录产物。人类Alu顺序长300bp，基因组中拷贝数35105，呈散在分布。八、染色体外基因（一） 人体线粒体DNA的结构1.人的线粒体DNA(mtDNA) 人的线粒体DNA是cccDNA，共16569bp（Anderson，1981）。它的一条链是重链（H链），另一条链是轻链（L链），在G2期以半保留方式复制。2.人线粒体基因组的基因人的mtDNA含有37个基因，其中： 2 个rRNA基因 22个tRNA基因 13个结构基因 这些结构基因编码细胞色素C氧化酶的3个亚基（COX、），2个ATP酶（ATPase 6和ATPase 8），1个细胞色素b（Cyt b）和7个NADH脱氢酶亚基（ND1、ND2、ND3、ND4、ND4L ND5、ND6）。（二）人的mtDNA的特点1.核苷酸组成的不对称性：两条链分别为H链和L链2.mtDNA利用的高效性：表现在基因中无内含子，基因间极少基因间区，ATPase6 基因包含ATPase8 基因。3. 密码子的特殊性：核DNAmtDNAUGA终止TrpAUALeuMetAGA & AGGArg终止4.半自主性遗传系统 第二节 基因的定义和结构一、基因的分子生物学定义 基因(ge