分子生物学：1-3

1、Lets work together Lets work together to make this course a great to make this course a great experience in your life.experience in your life.I am looking forward to have a I am looking forward to have a wonderful semester with all of you. wonderful semester with all of you. Hope that you all enjoy

2、the course.Hope that you all enjoy the course.多元化考核多元化考核 ：1. 考勤：考勤： 10% （ 课堂测验课堂测验）2. 文献阅读及分析文献阅读及分析：10% （ 一篇一篇SCI论文论文）3. 实验实验: 30% （ 操作技能和实验报告）操作技能和实验报告）4. 期末考试：期末考试： 50% （ 闭卷闭卷）a.技术路线；技术路线；b.结果和方法上有何创新；结果和方法上有何创新；c.有何不足，请提出改进方案；有何不足，请提出改进方案；5月月14日，第日，第11周周五上交周周五上交References Instant Notes in Molecu

3、lar Biology, by P. C. Turner et al Gene VII, Gene VIII, by B. Lewin Molecular Biology by Robert F. Weaver Journals on Plant Molecular Biology 现代分子生物学现代分子生物学，朱玉贤著，朱玉贤著 基础分子生物学基础分子生物学，郑用琏郑用琏 著著课程内容课程内容:一、基础理论一、基础理论1. 绪论绪论2. 细胞与生物大分子细胞与生物大分子3. 基因基因和基因组学和基因组学 二、基因组的保持二、基因组的保持1. 核酸核酸的结构的结构和性质和性质2. DNA的复制

4、的复制3. DNA的限制和修复的限制和修复4. DNA的重组的重组三、基因组表达和调控三、基因组表达和调控 1. 原核生物的转录原核生物的转录和和调控调控2. 真核生物真核生物的的转录转录和和调控调控3. RNA剪接和转录后加工剪接和转录后加工4. 遗传密码遗传密码5. 蛋白质的合成与加工蛋白质的合成与加工四、分子生物学常用实验技术四、分子生物学常用实验技术五、分子生物学在农业生产中的应用五、分子生物学在农业生产中的应用第一章第一章绪论绪论一、分子生物学的基本含义一、分子生物学的基本含义二二、分子生物学的主要研究内容、分子生物学的主要研究内容三、分子生物学与其他学科的关系三、分子生物学与其他学

5、科的关系四、分子生物学发展简史四、分子生物学发展简史一、分子生物学的基本含义一、分子生物学的基本含义 分子生物学是从分子生物学是从分子水平分子水平研究研究生命本质生命本质为目的的一门为目的的一门新兴学科，它以新兴学科，它以核酸核酸和和蛋白质蛋白质等生物大分子的结构及等生物大分子的结构及其在遗传信息和细胞信息传递中的作用为其在遗传信息和细胞信息传递中的作用为研究对象研究对象，是当前生命科学中发展最快并正与其它学科广泛是当前生命科学中发展最快并正与其它学科广泛交叉交叉与渗透与渗透的重要前沿领域的重要前沿领域。 分子生物学的发展为人类认识生命现象带来了前所未分子生物学的发展为人类认识生命现象带来了前

6、所未有的机会，也为人类有的机会，也为人类利用和改造生物利用和改造生物创造了极为广泛创造了极为广泛的前景。的前景。二二、分子生物学的主要研究内容、分子生物学的主要研究内容1. 1.核酸的分子生物学核酸的分子生物学研究研究核酸核酸的结构及其功能的结构及其功能。研究内容包括核基因组的结构。研究内容包括核基因组的结构、遗传、遗传信息的复制信息的复制，突变与修复，突变与修复、转录与翻译、转录与翻译，基因表达调控和基基因表达调控和基因工程技术的发展和应用等。因工程技术的发展和应用等。遗传信息传递的遗传信息传递的中心法则中心法则是其理论体系的核心。是其理论体系的核心。RNAProteinDNAreplica

7、tiontranscriptiontranslation2. 蛋白质的分子生物学蛋白质的分子生物学研究各种生命功能的主要大分子研究各种生命功能的主要大分子蛋白质蛋白质的结构与功能。的结构与功能。由于其由于其研究难度较大研究难度较大，近年来虽然在认识蛋白质的结构及其与功能关近年来虽然在认识蛋白质的结构及其与功能关系方面取得了一些进展系方面取得了一些进展，但是对其基本规律的认识尚缺乏突破但是对其基本规律的认识尚缺乏突破性的进展。性的进展。3. 细胞信号转导的分子生物学细胞信号转导的分子生物学 细胞外信号通过与细胞表面的细胞外信号通过与细胞表面的受体受体相互作用转变为胞内相互作用转变为胞内信号并在细

8、胞内传递的过程称为信号并在细胞内传递的过程称为信号转导信号转导。在。在外源信外源信号号的刺激下的刺激下，细胞可以将这些信号转变为一系列细胞可以将这些信号转变为一系列生物生物化学变化化学变化。信号转导研究的信号转导研究的目标目标是是阐阐明这些变化的明这些变化的分分子机理子机理，明确每一种信号转导与传递的明确每一种信号转导与传递的途径途径及参与该及参与该途径的所有分子的途径的所有分子的作用和调节方式作用和调节方式以及认识各种途径以及认识各种途径间的间的网络控制系统网络控制系统。信号转导机理的研究是当前分子。信号转导机理的研究是当前分子生物学发展最迅速的领域之一。生物学发展最迅速的领域之一。分子生物

9、学的热点研究内容：分子生物学的热点研究内容：v1 DNA重组技术重组技术v2 基因表达调控研究基因表达调控研究v3 生物大分子的结构功能研究结构分子生物学生物大分子的结构功能研究结构分子生物学v4 基因组、功能基因组与生物信息学研究基因组、功能基因组与生物信息学研究DNADNA重组技术：重组技术：DNADNA重组技术又称基因工程，目的是将不同的重组技术又称基因工程，目的是将不同的DNADNA片段按照人片段按照人们的设计定向连接起来，在特定的受体细胞中与载体同时复制并们的设计定向连接起来，在特定的受体细胞中与载体同时复制并得到表达，产生影响受体细胞的遗传性状。得到表达，产生影响受体细胞的遗传性状

10、。大量生产某些在正常细胞代谢中产量很低的多肽，如：激素、大量生产某些在正常细胞代谢中产量很低的多肽，如：激素、抗生素、酶类及抗体等：农杆菌抗生素、酶类及抗体等：农杆菌定向改造某些生物的基因组结构，使其具有的特殊经济价值或定向改造某些生物的基因组结构，使其具有的特殊经济价值或功能得到成千上万倍的提高：分解石油成分的重组功能得到成千上万倍的提高：分解石油成分的重组DNADNA进行基础研究：启动子，转录元件进行基础研究：启动子，转录元件基因表达调控研究：基因表达调控研究：蛋白质参与并控制了细胞的一切代谢活动，但是决定蛋白质结构的蛋白质参与并控制了细胞的一切代谢活动，但是决定蛋白质结构的合成时序的信息

11、都是由核酸分子编译，因此，基因表达实质上就是合成时序的信息都是由核酸分子编译，因此，基因表达实质上就是遗传信息的转录和翻译。基因表达调控主要表现在信号传导研究、遗传信息的转录和翻译。基因表达调控主要表现在信号传导研究、转录因子研究以及转录因子研究以及RNARNA剪辑。剪辑。v信号传导是指外部信号通过细胞膜上的受体蛋白传导细胞内部，信号传导是指外部信号通过细胞膜上的受体蛋白传导细胞内部，并激发诸如例子通透性、细胞形状或其他细胞功能的应答过程。并激发诸如例子通透性、细胞形状或其他细胞功能的应答过程。v转录因子是一群能与基因转录因子是一群能与基因55端上游特定序列专一结合，从而保证端上游特定序列专一

12、结合，从而保证目的基因以特定的强度在特定的时间与空间表达的蛋白质分子。目的基因以特定的强度在特定的时间与空间表达的蛋白质分子。vRNARNA的选择性剪切不牵扯遗传信息的永久性改变，所以是真核基的选择性剪切不牵扯遗传信息的永久性改变，所以是真核基因表达调控中一种比较灵活的方式。、因表达调控中一种比较灵活的方式。、生物大分子的结构功能研究：生物大分子的结构功能研究：结构分子生物学就是研究生物大分子特定的空间结构及结构的运结构分子生物学就是研究生物大分子特定的空间结构及结构的运动变化与其生物学功能关系的科学。动变化与其生物学功能关系的科学。结构的测定结构的测定结构运动变化规律的探索结构运动变化规律的

13、探索结构与功能相互关系的建立结构与功能相互关系的建立基因组、功能基因组与生物信息学：基因组、功能基因组与生物信息学：人类基因组计划蛋白组计划、后基因组计划、功能基因组计划海量数据统计分类和结构功能预测 三、分子生物学与其他学科的关系三、分子生物学与其他学科的关系 分子生物学是由分子生物学是由生物化学生物化学、生物物理学、生物物理学、遗传学遗传学、微生物、微生物学、学、细胞细胞生物生物学学以以及及信息科学等多学科相互渗透、综信息科学等多学科相互渗透、综合融会而产生并发展起来的合融会而产生并发展起来的，凝聚了不同专长的科学凝聚了不同专长的科学家的共同努力。家的共同努力。 由于分子生物学涉及认识生命

14、的本质由于分子生物学涉及认识生命的本质，它也就广泛它也就广泛地地渗透渗透到医学各学科领域中到医学各学科领域中，成为成为现代医学现代医学重要的基础。重要的基础。四、分子生物学发展简史四、分子生物学发展简史1. 准备和酝酿阶段准备和酝酿阶段（19世纪后期到世纪后期到20世纪世纪50年代初年代初）在这一阶段产生了两点对生命本质的认识上的重大突破在这一阶段产生了两点对生命本质的认识上的重大突破： 确定了蛋白质是生命的主要物质基础。确定了蛋白质是生命的主要物质基础。( (酶酶) ) 确定了生物遗传的物质是确定了生物遗传的物质是DNA。2. 现代分子生物学的建立和发展阶段现代分子生物学的建立和发展阶段（5

15、0年代初到年代初到70年代初年代初）1953年年Watson和和Crick提出提出了了DNADNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型标准着现代分子生标准着现代分子生物学诞生物学诞生。在些期间的主要进展包括在些期间的主要进展包括： 遗传信息传递中心法则的建立遗传信息传递中心法则的建立 对蛋白质结构与功能的进一步认识对蛋白质结构与功能的进一步认识（氨基酸、分子量、空间结构）（氨基酸、分子量、空间结构）1973年年，我国科学家，我国科学家用用X射射线衍射分析法测定了线衍射分析法测定了牛胰岛素牛胰岛素的空间结构的空间结构，为认识蛋为认识蛋白质的结构做出了重要贡献。白质的结构做出了重要贡献。3. 初步认识生命

16、本质并开始改造生命的深入发展阶段初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展阶段70年代后，以年代后，以基因工程技术基因工程技术的出现作为新的里程碑，标志着人类的出现作为新的里程碑，标志着人类认识生命本质并能主动认识生命本质并能主动改造改造生命的新时期开始。其间的重大成生命的新时期开始。其间的重大成就包括：就包括： 重组重组DNA技术的建立和发展技术的建立和发展（限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶） 基因组研究的发展基因组研究的发展 （基因组图谱的构建、全基因组序列的测定基因组图谱的构建、全基因组序列的测定） 单克隆抗体及基因工程抗体的建立和发展单克隆抗体及基因工程抗体的建立和发展（疾病的诊断和治疗

17、疾病的诊断和治疗） 基因表达调控机理基因表达调控机理（顺式顺式作用作用元件与反式元件与反式作用作用因子、因子、参与参与蛋白蛋白质质间识别间识别与相互作用的分子与相互作用的分子） 细胞信号转导机理研究成为新的前沿领域细胞信号转导机理研究成为新的前沿领域以部分诺贝尔生理医学奖和化学奖作为以部分诺贝尔生理医学奖和化学奖作为纽带的分子生物学发展简史纽带的分子生物学发展简史19101910年，德国科学家年，德国科学家KosselKossel获得了获得了诺贝尔生理医学奖诺贝尔生理医学奖，他首先分离出腺嘌呤、他首先分离出腺嘌呤、 胸腺嘧啶、和组氨酸。胸腺嘧啶、和组氨酸。 19591959年，美籍西班牙裔科学

18、家年，美籍西班牙裔科学家OchoaOchoa和美国和美国KornbergKornberg发现了发现了DNADNA和和RNARNA的生物合成机理而分的生物合成机理而分享了诺贝尔生理医学奖。享了诺贝尔生理医学奖。 1962年WatsonWatson、 Crick Crick与Wilkins共享诺贝尔生理医学奖通过对通过对DNADNA分子的分子的X X射线衍射研究证实了前射线衍射研究证实了前两者提出的两者提出的DNADNA的模型的模型同年，英国科学家同年，英国科学家KendrewKendrew和和PerutzPerutz由于测定了肌红由于测定了肌红蛋白和血红蛋白的高级结构而荣获诺贝尔化学奖。蛋白和血

19、红蛋白的高级结构而荣获诺贝尔化学奖。1965年获得诺贝尔生理医学奖19681968年，年，NirenbergNirenberg、HolleyHolley和和KhoranaKhorana解读了遗传密码解读了遗传密码及其在蛋白质合成方面的技能而分享诺贝尔生理医学奖。及其在蛋白质合成方面的技能而分享诺贝尔生理医学奖。1975年，获诺贝尔生理医学奖 桑格(Sanger） 吉尔伯特( Gilbert） 伯格（Berg） 1980年，与Gilbert和Berg共享诺贝尔化学奖Sanger还由于测定了牛胰岛素的一级结构而获得1958年诺贝尔化学奖。1983年，美国遗传学家McClintoc因发现可移动的遗传

20、因子而获得诺贝尔生理医学奖。1984年，Kohler、Milstein和Jerne由于发展了单克隆抗体技术，完善了极微量蛋白质的检测技术 而 分 享 了 诺 贝 尔 生 理 医 学 奖 。 1988年，McClintock由于在20世纪50年代提出并发展了可移动的遗传因子而获得诺贝尔生理医学奖。1989年，Altman和Cech由于发现某些RNA具有酶的功能（称为核酶）而共享诺贝尔化学奖。 Bishop和Varmus由于发现正常的细胞同样带有原癌基因而分享当年的诺贝尔生理医学奖。 凯利凯利穆利斯穆利斯1 9 9 31 9 9 3 年 ， 美 国 科 学 家年 ， 美 国 科 学 家Robert

21、sRoberts和和SharpSharp因发现断裂因发现断裂基因基因(introns)(introns)而获得而获得NobelNobel奖；奖；MullisMullis由于发明由于发明PCRPCR仪仪而与加拿大学者而与加拿大学者SmithSmith（第（第一个设计基因定点突变）一个设计基因定点突变）共享共享NobelNobel化学奖。化学奖。1994年，Gilman和Rodbell由于发现了G蛋白在细胞内信息传导中的作用而分享诺贝尔生理医学奖。 1995年，Lewis、Nusslei-Volhard和Wieschaus由于在20世纪4070年代先后独立鉴定了控制果蝇体节发育基因而分享诺贝尔生理

22、医学奖。 19991999年，年，BlobelBlobel（美）（美）由于阐述了蛋白质在细胞间由于阐述了蛋白质在细胞间的运转机制的运转机制而获而获NobelNobel生理医学奖；生理医学奖； 20012001年，年，Hartwell(Hartwell(美美)Hunt & Nurse()Hunt & Nurse(英英) )因对细胞周期因对细胞周期调控因子的研究调控因子的研究分享分享NobelNobel生理医学奖生理医学奖; ; 20062006年年, ,美国科学家美国科学家R. KornbergR. Kornberg由于在揭示真核细胞由于在揭示真核细胞转录机制转录机制方面的杰出贡献获得诺贝尔化学

23、奖。方面的杰出贡献获得诺贝尔化学奖。儿子：儿子：Roger D. KornbergRoger D. Kornberg （19471947？）？）2006 2006 年年Nobel Nobel Laureates of ChemistryLaureates of Chemistry父亲：父亲：Arthur KornbergArthur Kornberg（1918191820072007）19591959年年 Nobel Prize in Physiology Nobel Prize in Physiology or Medicineor Medicine 20072007年，美国科学家年，美国科

24、学家FireFire和和MelloMello由于在揭示控制遗由于在揭示控制遗传信息流动的基本机制传信息流动的基本机制RNARNA干扰方面的杰出贡干扰方面的杰出贡献而获得诺贝尔生理医学奖。献而获得诺贝尔生理医学奖。 1944年，美国微生物学家Avery证明基因就是DNA分子，提出 DNA是遗传信息的载体。 1958年，年，Meselson 和和Stahl证明证明 DNA半保留复制。半保留复制。 半保留复制是遗传消息能准确传代的保证。是物质稳性半保留复制是遗传消息能准确传代的保证。是物质稳性的分子基础。的分子基础。 StahlMeselson展望本章重点、难点：本章重点、难点：理解理解分子生物学的

25、含义、研究对象分子生物学的含义、研究对象第二章第二章细胞与生物大分子细胞与生物大分子1. 细胞分类细胞分类2. 亚细胞器亚细胞器3.3.生物大分子生物大分子Biosphere (the sum of all Earths ecosystems) 生物圈生物圈 Ecosystem (biological community+environment) 生态系统生态系统 Biological community (populations of different species in same area)Population (localized group of organisms of same

26、 species) 群体群体 Organisms (Units of life) 有机体有机体 Organ systems 器官系统器官系统 Organs 器官器官 Tissue 组织组织Cells (1-100 m, Units of organisms) 细胞细胞 Organelles (ribosomes ca. 20 nm) 细胞器细胞器Macromolecule complex 生物大分子生物大分子 Molecules (nm, atoms bonded chemically)Atoms (, chemical building 原子原子 blocks of all matter)T

27、he hierarchy of living world: Biological organizations at various levels生物群生物群分子分子1. 细胞分类细胞分类原核生物原核生物(prokaryote)真真核生物核生物(eukaryote)真细菌：大肠杆菌古细菌：甲烷球菌动物动物植物植物原生生物原生生物：藻类和原生动物藻类和原生动物真菌真菌生化性质的差异是否具有明显的亚细胞器最简单的活细胞，直径最简单的活细胞，直径1-10um1-10um( (类核体类核体) )( (纤毛纤毛) )( (鞭毛鞭毛) )( (核糖体核糖体) )( (细胞壁细胞壁) )( (质膜质膜) )r

28、RNA序列比较得到的系统发育树（真细菌）（真细菌）（古细菌）（古细菌）（真核生物）（真核生物）基因组间比较表明，在能量产生和新陈代谢方面古细菌和真基因组间比较表明，在能量产生和新陈代谢方面古细菌和真细菌较为相似，而在复制、转录和翻译上更接近真核生物。细菌较为相似，而在复制、转录和翻译上更接近真核生物。分化分化 细胞分裂时，子细胞几乎与亲本细胞完全一细胞分裂时，子细胞几乎与亲本细胞完全一样，它们功能上的差异主要由于样，它们功能上的差异主要由于基因表达模基因表达模式式发生了改变。发生了改变。 在原核生物和低等真核生物中，在原核生物和低等真核生物中，孢子形成孢子形成是是这类细胞分化的一个例子。这类细

29、胞分化的一个例子。 在复杂的多细胞真核生物中，胚胎细胞高度在复杂的多细胞真核生物中，胚胎细胞高度分化成特定细胞，如肌肉、神经、肝和肾。分化成特定细胞，如肌肉、神经、肝和肾。 分化是由控制分化是由控制发育发育的基因来调控的。的基因来调控的。2. 亚细胞器亚细胞器细胞核细胞核：DNA转录、转录、RNA加工加工线粒体线粒体：呼吸作用呼吸作用内质网内质网：微体微体：叶绿体叶绿体：光合作用光合作用高尔基体高尔基体：蛋白质修饰蛋白质修饰溶酶体溶酶体：含有各类能降解蛋白质、核酸、脂类和糖类的消化酶：含有各类能降解蛋白质、核酸、脂类和糖类的消化酶过氧化物酶体过氧化物酶体：产生高活性自由基和氢过氧化物的代谢反应

30、：产生高活性自由基和氢过氧化物的代谢反应乙醛酸循环体乙醛酸循环体：特定的过氧化物酶体：特定的过氧化物酶体可以通过可以通过差速离心差速离心和和密度梯度离心密度梯度离心相结相结合的方法将各细胞器分离纯化。合的方法将各细胞器分离纯化。光面：脂类生物合成、生物异源物质代谢光面：脂类生物合成、生物异源物质代谢粗面：膜蛋白和分泌蛋白的合成，糖基化粗面：膜蛋白和分泌蛋白的合成，糖基化核仁：核仁：rRNA合成和核糖体部分组装的场所合成和核糖体部分组装的场所动物细胞和植物细胞的区别动物细胞和植物细胞的区别3. 生物大分子生物大分子 蛋白质蛋白质：氨基酸的聚合体：氨基酸的聚合体 核酸核酸（DNA&RNA）：核苷酸

31、的聚合体）：核苷酸的聚合体 多糖多糖：单糖以：单糖以糖苷糖苷键共连接成的聚合体键共连接成的聚合体 （纤维素、淀粉、糖原、几丁质、黏多糖）（纤维素、淀粉、糖原、几丁质、黏多糖） 脂类脂类：甘油三酯、磷脂、鞘脂：甘油三酯、磷脂、鞘脂 复杂大分子复杂大分子：一种以上的大分子以共价或非共价键：一种以上的大分子以共价或非共价键相结合。相结合。核蛋白：核酸和蛋白质的结合体（核蛋白：核酸和蛋白质的结合体（端粒酶、核糖核酸酶端粒酶、核糖核酸酶P）糖蛋白：糖和蛋白质的结合体糖蛋白：糖和蛋白质的结合体，是细胞膜的重要组分，并是细胞膜的重要组分，并介导细胞与细胞间的识别。介导细胞与细胞间的识别。本章重点、难点：本章

32、重点、难点：原核生物与真核生物细胞的主要区别；原核生物与真核生物细胞的主要区别；亚细胞器的功能亚细胞器的功能；糖蛋白，核蛋白糖蛋白，核蛋白分子生物学分子生物学: :由遗传学和生物化学发展而来由遗传学和生物化学发展而来是一个从是一个从遗传学遗传学向向基因组学基因组学发展的历史。发展的历史。遗传学遗传学研究单一或少数基因的作用。研究单一或少数基因的作用。基因组学基因组学将所有基因以及基因产物（将所有基因以及基因产物（RNA和蛋白质）作和蛋白质）作为一个动态系统研究它们的相互作用及其影响。为一个动态系统研究它们的相互作用及其影响。第第三三章章基因基因和基因组学和基因组学一、一、 基因基因 (gene

33、)1. 基因概念的发展基因概念的发展2. 基因概念的多样性基因概念的多样性3. 原核生物的基因原核生物的基因4. 真核生物的基因真核生物的基因1. 基因概念的发展基因概念的发展Mondel奥地利神父孟德尔奥地利神父孟德尔18651865年根据年根据7 7个豌豆性状的实验提出了个豌豆性状的实验提出了遗传遗传因子因子假说，认为每个性状由遗传因子控制，并提出了遗传因假说，认为每个性状由遗传因子控制，并提出了遗传因子的子的分离分离与与自由组合自由组合两大遗传规律。两大遗传规律。a. 孟德尔的孟德尔的“遗传因子遗传因子” 奥地利学者奥地利学者孟德尔孟德尔以以豌豆豌豆为实验材料为实验材料，建立了经典遗传学

34、。在孟，建立了经典遗传学。在孟德尔的工作和假说中，对德尔的工作和假说中，对”遗传因子遗传因子”即即”基因基因”的认识还只是一种的认识还只是一种逻辑推理的产物，是作为一种遗传性状的符号，并没有任何物质逻辑推理的产物，是作为一种遗传性状的符号，并没有任何物质的内容。的内容。1909年丹麦学者约翰森提出了年丹麦学者约翰森提出了“基因基因”一词来代替盂德尔一词来代替盂德尔的遗传因子。的遗传因子。b. 基因位于染色体上基因位于染色体上-摩尔根的染色体摩尔根的染色体-基因学说基因学说 美国实验胚胎学家摩尔根和他的学生以果蝇为材料证明了基因位美国实验胚胎学家摩尔根和他的学生以果蝇为材料证明了基因位于染色体上

35、于染色体上并呈线性排列并呈线性排列。他于。他于1926年发表了基因论，建立年发表了基因论，建立了遗传的染色体学说，为细胞遗传学的建立奠定了重要的基础。了遗传的染色体学说，为细胞遗传学的建立奠定了重要的基础。摩尔根还给出了第一个果蝇染色体连锁图，从而确立了基因作为摩尔根还给出了第一个果蝇染色体连锁图，从而确立了基因作为遗传遗传基本单位基本单位的概念。的概念。基因不仅是基因不仅是遗传上最小遗传上最小的的结构和结构和功能单位，功能单位，而且是一个而且是一个最小最小的突变单位和交换单位。的突变单位和交换单位。 基因在染色体上基因在染色体上 染色体的成分染色体的成分: : DNA 27% RNA 6%

36、蛋白质蛋白质 66% 无机离子无机离子 少量少量 遗传物质是什么遗传物质是什么? ?遗传物质必须具有的特点：遗传物质必须具有的特点：（1 1）分子结构具有相对的）分子结构具有相对的稳定性稳定性；（2 2）能够产生可遗传的变异。）能够产生可遗传的变异。（3 3）能够）能够自我复制自我复制，使前后代保持一定的（性状）连续性。，使前后代保持一定的（性状）连续性。（4 4）能够指导蛋白质的合成，从而控制新陈代谢的过程和性状。）能够指导蛋白质的合成，从而控制新陈代谢的过程和性状。蛋白质不是遗传物质蛋白质不是遗传物质1941年，年，比德尔和塔图姆比德尔和塔图姆在在脉孢霉生化突变型脉孢霉生化突变型实实验中提

37、出一个基因一个酶的关系。验中提出一个基因一个酶的关系。酶不可能确定蛋白质中的氨基酸顺序。酶不可能确定蛋白质中的氨基酸顺序。氨基酸的排序可以在模板指导下进行，但多肽链氨基酸的排序可以在模板指导下进行，但多肽链不能自我复制，因此不能作为不能自我复制，因此不能作为遗传物质遗传物质。c. c. 核酸核酸是遗传物质是遗传物质一个生物的所有二倍体细胞的一个生物的所有二倍体细胞的DNA含量相同。含量相同。 单倍体细胞单倍体细胞DNA含量是二倍体细胞的一半。含量是二倍体细胞的一半。 紫外光可引起突变，而染色体中的核酸是最可能的靶子。紫外光可引起突变，而染色体中的核酸是最可能的靶子。 DNA代谢稳定，蛋白质则一

38、边合成，一边分解。代谢稳定，蛋白质则一边合成，一边分解。证明遗传物质是核酸证明遗传物质是核酸(DNA或或RNA)有有3 3个著名的实验个著名的实验：肺炎双球菌的转化试验肺炎双球菌的转化试验；噬菌体感染实验噬菌体感染实验；烟草花叶病毒的烟草花叶病毒的感染感染实验。实验。1) 1) 19281928年，年，荷兰细菌学家格里菲斯（荷兰细菌学家格里菲斯（GriffithGriffith）的的肺炎双球菌肺炎双球菌转化转化实验实验(1)(2)(3)(4)这表明无毒性的这表明无毒性的R型活细菌在与被加热杀死的型活细菌在与被加热杀死的S型细菌混合型细菌混合后，转化成了有毒性的后，转化成了有毒性的S型活细菌。这

39、些转化成的型活细菌。这些转化成的S型细菌的后型细菌的后代也是有毒性的代也是有毒性的S型细菌，可见这种性状的转化是可以遗传的。型细菌，可见这种性状的转化是可以遗传的。1944年，艾弗里从年，艾弗里从S型活细菌中提取了型活细菌中提取了DNA，蛋白质，蛋白质和和多多糖等物质，糖等物质，然后然后分别加入到培养分别加入到培养R型细菌的培养基中。结果发现型细菌的培养基中。结果发现只有加入只有加入DNA时，时， R型细菌才能转化成型细菌才能转化成S型细菌。型细菌。通过上述研究表明，通过上述研究表明，DNA是使是使R型细菌产生转化的物质，型细菌产生转化的物质，所以所以DNA是遗传物质是遗传物质。3) 烟草花叶

40、病毒的烟草花叶病毒的感染感染实验实验 对病毒的研究逐渐深入以后，发对病毒的研究逐渐深入以后，发现现一些植物的病毒仅含有一些植物的病毒仅含有RNA没没有有DNA。 当当用用烟草花叶病毒烟草花叶病毒（TMV）的）的RNA和蛋白质分别进行感染试验，和蛋白质分别进行感染试验，发现只有发现只有RNA才能诱发感染。才能诱发感染。 RNA也是遗传物质也是遗传物质RNA蛋白质蛋白质RNA酶酶处理处理但基因到底是何物但基因到底是何物? ?其物质结构和化学组成怎样其物质结构和化学组成怎样? ?它是怎样它是怎样决定遗传性状的决定遗传性状的? ?d. 一个基因一种酶一个基因一种酶 (one gene-one enzy

41、me)1941年，年，比德尔和塔图姆根据比德尔和塔图姆根据脉孢霉生化突变型脉孢霉生化突变型的研究提出了的研究提出了“一一个基因一种酶个基因一种酶”的假说的假说，认为基因与酶蛋白之间存在一一对应的关，认为基因与酶蛋白之间存在一一对应的关系系。他们的工作在他们的工作在1958年获得诺贝尔奖。年获得诺贝尔奖。一基因一酶学说首先阐明了一基因一酶学说首先阐明了基因是通过对酶的控制来决定生物的基因是通过对酶的控制来决定生物的性状的性状的。现在我们已经知道一基因一酶说并不准确，因为基因现在我们已经知道一基因一酶说并不准确，因为基因所编码的蛋白的功能是多样的，不只是酶这种形式所编码的蛋白的功能是多样的，不只是

42、酶这种形式。而且。而且许多酶是二聚体或四聚体的，许多酶是二聚体或四聚体的，而其中的每一个亚单位都是而其中的每一个亚单位都是由一个基因决定的由一个基因决定的。e. 一个一个顺反子顺反子一条多肽链一条多肽链1957年年，法国遗传学家本泽尔（法国遗传学家本泽尔（Benzer）进一步提出了）进一步提出了一个一个顺顺反子反子一条多肽链一条多肽链的论断。的论断。Benzer以以T4噬菌体作为研究材料分析了基因内部的精细结构，噬菌体作为研究材料分析了基因内部的精细结构，提出了提出了顺反子学说顺反子学说。这个学说打破了过去关于基因是突变、重组、决定遗传性状的这个学说打破了过去关于基因是突变、重组、决定遗传性状

43、的“三位一体三位一体”概念及基因是最小的不可分割的遗传单位的观点，概念及基因是最小的不可分割的遗传单位的观点，从而从而认为认为基因基因是是DNA分子上分子上的的一段核苷酸序一段核苷酸序列列，负责遗传信息，负责遗传信息传递传递。并提出了并提出了顺反子、突变子和重组子顺反子、突变子和重组子的概念的概念。顺反子顺反子（cistron，又叫作用子）是由互补测验定义的，又叫作用子）是由互补测验定义的遗传功能单位，是一个基因遗传功能单位，是一个基因功能功能不可分割的单位。不可分割的单位。突变子突变子（muton）是基因突变时，产生突变的最小单）是基因突变时，产生突变的最小单位。位。一个突变子可以小到只是一

44、个核一个突变子可以小到只是一个核苷苷酸对。酸对。重组子重组子（recon）是基因）是基因重组时，可交换的最小单位重组时，可交换的最小单位。交换有时也只有一个核苷酸对。交换有时也只有一个核苷酸对。一个一个顺反子顺反子一条多肽链一条多肽链的论断比一个基因一种酶的假说更为准确，因的论断比一个基因一种酶的假说更为准确，因为有些蛋白质并不具有酶的性质，而且酶和蛋白质分子既可由一条肽为有些蛋白质并不具有酶的性质，而且酶和蛋白质分子既可由一条肽链构成，也可由两种以上的肽链构成。链构成，也可由两种以上的肽链构成。1966年，一个基因一条多肽链的生物学过程得到充分证明，并于年，一个基因一条多肽链的生物学过程得到

45、充分证明，并于1967年发表了全套的遗传密码表，初步揭开了基因表达之谜。年发表了全套的遗传密码表，初步揭开了基因表达之谜。原来，原来，生物的遗传信息以核苷酸碱基（生物的遗传信息以核苷酸碱基（ATGC）的不同排列贮）的不同排列贮存干存干DNA分子中，每分子中，每3个碱基编码一条多肽链中的一个氨基酸。个碱基编码一条多肽链中的一个氨基酸。在基因表达时，在基因表达时，DNA中的遗传信息先被转录成中的遗传信息先被转录成mRNA，mRNA中每中每3个碱基组成一个密码子，决定一种氨基酸。然后由个碱基组成一个密码子，决定一种氨基酸。然后由mRNA中的核苷碱中的核苷碱酸基（酸基（AUGC）的排列顺序指导多肽链的

46、合成。）的排列顺序指导多肽链的合成。遗传信息的这种遗传信息的这种由由DNARNA蛋白质表达方式称为蛋白质表达方式称为中心法则中心法则。2. 基因概念的基因概念的多样性多样性随着分子生物学的迅速发展，人们对基因的认识不断深化随着分子生物学的迅速发展，人们对基因的认识不断深化，其其中最重要的发现是：中最重要的发现是：a. 结构基因结构基因和和调调控控基因基因 过去人们对基因的功能理解是单一的即作为蛋白质合成的模板。过去人们对基因的功能理解是单一的即作为蛋白质合成的模板。但是但是1961年法国年法国人人雅各布（雅各布（Jacob）和莫诺（）和莫诺（Monod）的研究成）的研究成果，又大大扩大了人们关

47、于基因功能的视野。果，又大大扩大了人们关于基因功能的视野。 他们在研究大肠杆菌乳糖代谢的调节机制中发现了有些基因不他们在研究大肠杆菌乳糖代谢的调节机制中发现了有些基因不起合成蛋白质模板作用，只起调节或操纵作用，提出了起合成蛋白质模板作用，只起调节或操纵作用，提出了操纵子操纵子模型模型。该模型将基因划分为该模型将基因划分为结构基因结构基因和和调调控控基因基因。 操纵子操纵子模型解开了模型解开了基因表达的调控机制基因表达的调控机制，开创了分子生物学研，开创了分子生物学研究的新天地。究的新天地。b. 重叠基因重叠基因 1977年年，桑格等在噬菌体桑格等在噬菌体X174中发现重叠基因，即中发现重叠基因

48、，即不同的基不同的基因共用一段相同的因共用一段相同的DNA序列序列。 后来在其它病毒以及细菌和果蝇等生物中也发现了重叠基因，后来在其它病毒以及细菌和果蝇等生物中也发现了重叠基因，一段一段DNA序列为两个或三个基因所共用，或者一个小基因位于序列为两个或三个基因所共用，或者一个小基因位于一个大基因之内。一个大基因之内。 重叠基因是生物体合理而又经济地利用自身重叠基因是生物体合理而又经济地利用自身DNA的一种绝妙方的一种绝妙方式，它的发现打破了基因是彼此分离的传统观念。式，它的发现打破了基因是彼此分离的传统观念。通过不同的阅读框来编码不同的蛋白通过不同的阅读框来编码不同的蛋白c. 断裂基因断裂基因

49、1977年年，道尔等首次发现卵清蛋白基因是不连续的，在基因内部道尔等首次发现卵清蛋白基因是不连续的，在基因内部插入了插入了7个没有编码意义的个没有编码意义的DNA片段。片段。 现已查明，现已查明，原核生物的基因一般是连续的原核生物的基因一般是连续的，在一个基因的内部没，在一个基因的内部没有不编码的有不编码的DNA序列。序列。而而真核生物的绝大多数基因都是不连续的真核生物的绝大多数基因都是不连续的断裂基因断裂基因。 无编码意义的插入片段称为内含子无编码意义的插入片段称为内含子(intron)，有编码意义的基因有编码意义的基因片段称为外显子片段称为外显子(exon)。在基因表达时，内含子与外显子被

50、一起在基因表达时，内含子与外显子被一起转录成转录成mRNA前体前体，然后通过加工除掉与内含子对应的序列，再，然后通过加工除掉与内含子对应的序列，再把与外显子对应的序列拼接起来，形成成熟的把与外显子对应的序列拼接起来，形成成熟的mRNA分子，最后分子，最后翻译成多肽链。翻译成多肽链。 内含子把一个基因分成几个部分，打破了基因是一个不容分割的内含子把一个基因分成几个部分，打破了基因是一个不容分割的功能单位的传统观念。功能单位的传统观念。exon1intron1exon2exon3intron2鸡卵清蛋白鸡卵清蛋白mRNA和和DNA杂交实验示意图杂交实验示意图d. 跳跃基因（转座子）跳跃基因（转座子

51、） 早在早在20世纪世纪40年代年代，美国遗传学家麦克林托克（美国遗传学家麦克林托克（B. McClintock）在玉米研究中在玉米研究中就就发现发现了了“转座子转座子”。 玉米玉米Ac/Ds转座子：转座子：Ac (activator)：激活因子；：激活因子；Ds (dissociation)：解离因子。解离因子。 直至直至1980年夏皮罗（年夏皮罗（Shapiro）等人证实了可移）等人证实了可移动动的遗传基因存在，的遗传基因存在，说明某些基因具有游动性。说明某些基因具有游动性。 转座子转座子除了含有与改变自身除了含有与改变自身位置位置有关的基因以外，还携带与插入有关的基因以外，还携带与插入功

52、能无关的基因功能无关的基因。e. 不编码蛋白质的基因不编码蛋白质的基因 在蛋白质合成过程中需要两类在蛋白质合成过程中需要两类RNA分子的参与，一类是核糖体分子的参与，一类是核糖体RNA简称简称rRNA，它是核糖体的组成部分。另一类是转运，它是核糖体的组成部分。另一类是转运RNA，简称简称tRNA，其功能是把氨基酸搬运到核糖体其功能是把氨基酸搬运到核糖体合合成多肽链的位点成多肽链的位点上。上。 编码这两类编码这两类RNA分子的分子的DNA序列称为序列称为RNA基因基因，或者分别称为，或者分别称为rRNA基因和基因和tRNA基因基因。这样看来，把基因定义为编码一条多肽。这样看来，把基因定义为编码一

53、条多肽链的链的DNA序列显然不够全面。序列显然不够全面。f. 假基因假基因 指具有与功能基因相似的序列，但不能翻译有功能蛋白质的无功指具有与功能基因相似的序列，但不能翻译有功能蛋白质的无功能基因能基因。它往往存在于真核生物的多基因家族中。一般无启动子、。它往往存在于真核生物的多基因家族中。一般无启动子、内含子和终止子。内含子和终止子。基因基因：能够表达出一个有功能的多肽链或功能能够表达出一个有功能的多肽链或功能RNA分子的核酸序列分子的核酸序列。基因家族：一组功能相似且核苷酸序列具有同源性的基因家族：一组功能相似且核苷酸序列具有同源性的基因。它们可以串联排在一起，形成基因簇；也可基因。它们可以

54、串联排在一起，形成基因簇；也可以位于不同的染色体上。以位于不同的染色体上。3. 原核生物的基因原核生物的基因一个原核生物的基因应包括：调控序列，一个原核生物的基因应包括：调控序列，5-非翻译区，编非翻译区，编码序列，码序列， 3-非翻译区。非翻译区。5-UTR3-UTRORF4. 真核生物的基因真核生物的基因许多真核生物的基因许多真核生物的基因都被内含子所隔断。都被内含子所隔断。RNA剪接：去除内含剪接：去除内含子并连接外显子的过子并连接外显子的过程。程。在原核生物中，基因和在原核生物中，基因和顺反子通常等价顺反子通常等价。在真核生物中，顺反子在真核生物中，顺反子等价于基因的外显子等价于基因的

55、外显子。一个真核生物的基因应包括：调控序列，一个真核生物的基因应包括：调控序列，5-非翻译区，非翻译区，外显子，内含子，外显子，内含子， 3-非翻译区。非翻译区。内含子在进化中的意义内含子在进化中的意义有利于生物遗传的相对稳定。有利于生物遗传的相对稳定。增加变异概率，有利于生物的进化。增加变异概率，有利于生物的进化。遗传重组是生物进化的主要动力；遗传重组容易发生在内遗传重组是生物进化的主要动力；遗传重组容易发生在内含子中。含子中。扩大生物体的遗传信息储量。扩大生物体的遗传信息储量。改变读码框架；可变剪接。改变读码框架；可变剪接。利用内含子进行代谢调节。利用内含子进行代谢调节。本本节节重点、难点

56、：重点、难点：正确理解基因正确理解基因的的内涵内涵、掌握三个实验、基掌握三个实验、基因概念的多样性（名词解释）以及一个典因概念的多样性（名词解释）以及一个典型原型原/真核基因的结构真核基因的结构。原核生物与真核生物细胞的主要区别原核生物与真核生物细胞的主要区别:( (类核体类核体) )( (纤毛纤毛) )( (鞭鞭毛毛) )( (核糖体核糖体) )( (细胞壁细胞壁) )( (质膜质膜) )是否具有明显的亚细胞器！是否具有明显的亚细胞器！原核生物的基因一般是连续的原核生物的基因一般是连续的，在一个基因的内部，在一个基因的内部没有不编码的没有不编码的DNA序列。序列。而而真核生物的绝大多数基真核

57、生物的绝大多数基因都是不连续的断裂基因因都是不连续的断裂基因。无编码意义的插入片段称为内含子无编码意义的插入片段称为内含子(intron)，有编码有编码意义的基因片段称为外显子意义的基因片段称为外显子(exon)。在基因表达时，在基因表达时，内含子与外显子被一起转录成内含子与外显子被一起转录成mRNA前体前体，然后通，然后通过加工除掉与内含子对应的序列，再把与外显子对过加工除掉与内含子对应的序列，再把与外显子对应的序列拼接起来，形成成熟的应的序列拼接起来，形成成熟的mRNA分子，最后分子，最后翻译成多肽链。翻译成多肽链。试讲述你对断裂基因这一概念的理解试讲述你对断裂基因这一概念的理解基因基因：

58、能够表达出一个有功能的多肽链或功能能够表达出一个有功能的多肽链或功能RNA分子的核酸序列分子的核酸序列。基因家族：一组功能相似且核苷酸序列具有同源性的基因家族：一组功能相似且核苷酸序列具有同源性的基因。（它们可以串联排在一起，形成基因簇；也基因。（它们可以串联排在一起，形成基因簇；也可以位于不同的染色体上。）可以位于不同的染色体上。）试述基因与基因家族的概念试述基因与基因家族的概念典型原典型原/真核基因的结构真核基因的结构1. 概述概述2. 基因组图谱的构建基因组图谱的构建3. 基因组测序基因组测序4. 人类基因组计划人类基因组计划5. 水稻基因组计划水稻基因组计划二、基因组学二、基因组学基因

59、组（基因组（Genome）：由德国汉堡大学威克勒教授于）：由德国汉堡大学威克勒教授于1920年首创，指生物的整套染色体所含有的全部年首创，指生物的整套染色体所含有的全部DNA序列。序列。基因组学（基因组学（Genomics）：由罗德里克于）：由罗德里克于1986年首创，指年首创，指研究生物的整个基因组，涉及基因组作图、测序和功能研究生物的整个基因组，涉及基因组作图、测序和功能分析的一门学科。分析的一门学科。1. 概述概述物物种种基基因因组组大大小小/bpT4噬噬菌菌体体5大大肠肠杆杆菌菌(Escherichia coli)6酵酵母母(Sccharom yces cerevisiae)7拟拟南南

60、芥芥(Arabidopsis thaliana)8秀秀丽丽小小杆杆线线虫虫(Caenorhbditis elagans)8果果蝇蝇(Drosophila m elanogaster)8水水稻稻(Oryza sativa)8小小白白鼠鼠(Mus m usculus)9人人类类(Homo sapiens)9玉玉米米(Zea m ays)9普普通通小小麦麦(Triticum aestivum)10A. 基因组基因组C值：值：C值矛盾：生物的复杂性与基因组的大小并不完全值矛盾：生物的复杂性与基因组的大小并不完全成比例增加成比例增加细菌细菌真菌真菌等等动物动物B. 基因组基因组学学基因组学研究的最终目标