第一章基因的结构与功能

第一章基因的结构与功能第一页，共七十六页，编辑于2023年，星期一

Chapter1

基因的结构与功能第二页，共七十六页，编辑于2023年，星期一基因的活动是分子水平的核心内容核酸与蛋白质的结构与功能基因组的结构与功能基因的复制与表达基因表达的调控及其生物学效应生物大分子间的相互作用细胞间通讯和细胞内信号转导总之，人体的生长发育衰老死亡等生命现象，人体各种疾病的发生，都与一种基因或几种基因的结构与功能有关。第三页，共七十六页，编辑于2023年，星期一第一节基因的概念一基因的生物学概念与历史回顾分子生物学最初的发展是从遗传学开始,时间应该是1860’年代，也就是鸦片战争后期。基因理论的奠基人是孟德尔（GregorMendel）。第四页，共七十六页，编辑于2023年，星期一孟德尔的实验孟德尔用碗豆研究性状与遗传因子之间的关连，获得的结论是生物的性状是由看不到的遗传因子所决定的。这种遗传因子是独立的，存在多重形式。现在我们知道孟德尔描述的遗传因子就是等位基因（allele）。第五页，共七十六页，编辑于2023年，星期一孟德尔遗传模式孟德尔分离律：来自父本或母本的等位基因在它们遗传的个体中保持着分离性和完整性，能够各自分离地完整地由亲代传递到子代。第六页，共七十六页，编辑于2023年，星期一孟德尔的贡献每个等位基因都是成对存在的。一个生物的性状（特性和类型）由其遗传单位所控制。某些基因对另一些基因是显性（dominant），另一些是隐性的（recessive），如种子的饱满与皱缩，植株的高与矮等。对等位基因的认识表明,在等位基因缺陷(例如遗传病)的治疗中,只需要纠正一个基因就可以让机体功能恢复正常。第七页，共七十六页，编辑于2023年，星期一继续孟德尔的研究当两个隐性基因都传递到子代时，其代表的性状才显露出来，这种状态称为纯合性（homozygous），反之就是杂合性（heterozygous）。也可以说，带有完全相同的等位基因的个体是纯合性，反之为杂合性。在细胞分裂的过程中，一对等位基因是独立地传递的，子细胞对等位基因的选择是随机的独立的。第八页，共七十六页，编辑于2023年，星期一另一个重要的遗传规律

—基因连锁

在不发生交换事件的前提下，某个染色体上的基因是全部连锁的，其中一个基因在减数分裂中进入到那个配子细胞，那么这个染色体上的全部基因也就一起到了那里。第九页，共七十六页，编辑于2023年，星期一摩尔根的发现ThomasHuntMorgan果蝇实验研究发现果蝇（fluitfly）眼睛的颜色与X染色体有关，而不是与Y染色体有关。因此，孟德尔所说的遗传因子似应当就在染色体上。第十页，共七十六页，编辑于2023年，星期一分离细胞核内物质幸运地找到最合适的研究材料—鲑鱼精子（salmonsperm）。从鲑鱼精子分离到的物质中很少蛋白质。大部分是酸性的物质。后来证明它就是核酸。核内大部分物质都是核酸这一结果说明只有核酸才像是遗传信息的载体。第十一页，共七十六页，编辑于2023年，星期一基因化学本质的证明证明基因化学本质的第一个成功实验——肺炎双球菌感染小白鼠实验：只有核物质具有转化能力，此物质对蛋白酶不敏感，且有抗性。第二个成功实验-噬菌体感染细菌。核酸进入细菌细胞，并制造出成千上万的子代。第十二页，共七十六页，编辑于2023年，星期一二基因的分子生物学定义

核酸是遗传信息的载体,基因是核酸分子上一段具有编码功能和调控功能的序列。遗传信息按功能可以分为两类：

1.为RNA和蛋白质一级结构编码的信息

2.作为转录的调控信息第十三页，共七十六页，编辑于2023年，星期一基因的功能（1）

基因携带遗传信息，以DNA或RNA的形式存在。基因在适当的时候，在调控信号（主要是蛋白质）的作用下，按照一定的规律转录/并表达出多肽链，行使其功能。因此可以把基因分为结构部分和调控部分两个功能不同的序列。

第十四页，共七十六页，编辑于2023年，星期一基因的功能（2）

近年来，发现细胞内存在为数众多的小分子RNA，有特殊功能，它们也是转录产物，但不翻译成蛋白质。有人主张，编码这些RNA的DNA序列也应该叫做基因。按此理解，基因就是染色体上具有转录功能的DNA序列。（至于转录物RNA是进一步翻译或是就以RNA的形式行使功能，是RNA的问题）第十五页，共七十六页，编辑于2023年，星期一基因的结构特点

由上可知，一个基因不仅包含编码蛋白质肽链或RNA的核苷酸序列（结构基因），还包括保证转录所必需的调控序列，以及编码区上游5′端的非编码序列和3′端的非编码序列

第十六页，共七十六页，编辑于2023年，星期一结构基因的结构特点由于DNA是双链，因此基因的编码信息只能在其中一条链上，这条链称为有意义链，与其互补的链为反意义链。第十七页，共七十六页，编辑于2023年，星期一反意义链是

基因表达的模板链

在基因表达中，合成的中间物（即转录得到的RNA）并不是以有意义链（又称为编码链）为模板，而是以反意义链为模板。反意义链是基因表达的模板链。编码链和RNA（mRNA)都与模板链互补，遗传信息才得以从DNA向RNA传递。第十八页，共七十六页，编辑于2023年，星期一‘有义链(sensestrand)’

和‘反义链(antisensestrand)’

的概念和定义问题《生物化学》（人民卫生出版社，第6版与《医学分子生物学》（人民卫生出版社,第2版）在这个问题上出现了矛盾。《生命的化学》主编祁国荣认为：这是一个容易混淆的问题，显然有的介绍是不对的。我现在简单图示如下，供大家参考。第十九页，共七十六页，编辑于2023年，星期一

反义（DNA）链

DNA

TAC――――――――――――――ACT――ATG――――――――――――――TGA――

有义（DNA）链

转录/转录后加工

mRNA

AUG――――――――――――UGA

有义（RNA）链

翻译/翻译后加工蛋白质第二十页，共七十六页，编辑于2023年，星期一上图的说明带有可读框的mRNA[白色链]是‘有义链’，显然，它也叫‘编码链’；基因（DNA）中[白色链]，与mRNA序列相同的哪条链（只是U/T之别），就叫‘有义链’或‘编码链’；基因（DNA）中[红色链]，与‘有义链’或‘编码链’互补的那条链，即‘反义链’或‘模板链’；在描述双链病毒中，‘有义链’常被称作‘正链’（能编码），而‘反义链’就叫‘负链’。第二十一页，共七十六页，编辑于2023年，星期一结构基因中的遗传信息

分为两类

1编码RNA（tRNA,rRNA等)2蛋白质编码信息第二十二页，共七十六页，编辑于2023年，星期一基因结构变异

及与疾病的关系变异的原因：错配和诱发突变，后者是最主要的因素类型：点突变（转换与颠换）缺失插入倒位（反向插入）第二十三页，共七十六页，编辑于2023年，星期一基因变异与

蛋白质活性改变（1）遗传密码改变：错义突变（氨基酸改变）无义突变（转变为终止密码子）同义突变（氨基酸不发生改变）移码突变（阅读框架改变）

第二十四页，共七十六页，编辑于2023年，星期一基因变异与

蛋白质活性改变（2）蛋白质肽片段缺失mRNA剪接错误其他错误（识别信号错误或顺式元件错误引起的表达的质和量的错误）第二十五页，共七十六页，编辑于2023年，星期一基因的转录调控序列原核生物基因的转录调控序列启动子终止子操纵元件正调控蛋白结合位点真核生物基因的转录调控序列（顺式元件）启动子上游启动子元件增强子反应元件第二十六页，共七十六页，编辑于2023年，星期一原核生物基因的特点原核生物即无细胞核结构的生物，其染色体为环状双链DNA，裸露于细胞内，形成致密区，只有一个复制起始点；结构基因串联，以操纵子形式（一个调控区控制几个基因）出现；基因连续，有重叠现象，无内含子，转录后的mRNA不剪切，以多顺反子的形式直接翻译蛋白质。第二十七页，共七十六页，编辑于2023年，星期一原核生物基因组其他特点

编码区比例（约50%）大于真核生物，小于病毒少有重复序列，结构基因多是单拷贝具有编码同工酶的基因细胞内存在可移动的DNA序列多种识别区序列特殊第二十八页，共七十六页，编辑于2023年，星期一真核生物结构基因的结构特点

结构基因大都为断裂基因（编码序列被不编码序列隔开）转录产物为单顺反子基因所占区域远小于非编码区域（如人的蛋白质编码序列只有基因组的2%左右）第二十九页，共七十六页，编辑于2023年，星期一真核基因与原核基因

结构差异真核基因有内含子，原核基因无（据此，国内学者将真核基因（英文spliting）译为“断裂基因”真核基因转录初始物需要剪接加工，原核基因不需要真核基因转录产物（加工后）为单顺反子，原核为多顺反子第三十页，共七十六页，编辑于2023年，星期一与转录有关的调控序列真核基因中的调控序列一般称为顺式作用元件（cis-actingelement），包括：启动子和上游启动子元件增强子反应元件（responseelement）Poly(A)加尾信号第三十一页，共七十六页，编辑于2023年，星期一启动子（promoter）

①概念：启动子是促进DNA转录的DNA序列，是DNA分子上可与RNApol特异性识别结合并使之转录的部位，但启动子本身不被转录。

②功能特点：启动子位于结构基因上游,启动子有方向性,决定转录方向及那一条DNA链作模板转录（以信息链的互补链作模板转录，转录的mRNA与信息链一致）。

③真核生物的启动子元件是TATAboxTATA盒与TATA因子的转录因子结合后即成为完整的启动子。第三十二页，共七十六页，编辑于2023年，星期一上游启动子元件（upstreampromoterelementsups）①UPS是TATA盒上游的一些特定的DNA序列。②反式作用因子可与这些元件结合，通过调节TATA因子与TATAbox的结合、RNApol与启动子结合及转录起始复合物形式来调控基因转录效率。第三十三页，共七十六页，编辑于2023年，星期一反应元件（responseelements）一些信息分子的受体被细胞外信息分子激活后，能与特异的DNA序列结合，调控基因的表达。

这种DNA序列实际上也是顺式元件，由于能介导基因对细胞外的某种信号产生反应，被称为反应元件。反应元件都具有较短的保守序列。这些元件通常位于启动子附近和增强子内，有不少是回文序列。第三十四页，共七十六页，编辑于2023年，星期一增强子（enhancer）和沉默子（silencer）增强子是一段DNA序列，其中含有多个能被反式作用因子识别与结合的顺式作用元件。反式作用因子与这些元件结合后,通常为增强邻近基因的转录。增强子一般位于转录起始点上游-100～-300bp处，但在基因之外或某些内含子中也有增强子序列。增强子作用特点：①可在5’端或3’端发挥作用；②不受序列方向制约；③通过增强启动子发挥作用。沉默子负调控序列、负增强子；第三十五页，共七十六页，编辑于2023年，星期一加尾信号在结构基因的最后一个外显子中有一个保守的AATAAA序列，此位点下游有一段GT丰富区或T丰富区，这两部分序列共同构成poly(A)加尾信号。

mRNA转录到此部位后，产生AAUAAA和随后的GU（或U）丰富区。与RNApol结合的终止因子可以识别这种结构并与之结合，然后在AAuAAA下游10-30个碱基的部位切断RNA,并加上poly(A)尾.第三十六页，共七十六页，编辑于2023年，星期一第二节遗传物质的结构和特点一DNA的双螺旋结构及意义（略）二DNA的理化性质与应用第三十七页，共七十六页，编辑于2023年，星期一1一般理化性质晶形

DNA为白色纤维状固体

RNA为白色粉末状固体两性解离呈酸性在中性溶液中带负电荷溶解性均溶于水不溶于一般有机溶剂,在70%乙醇中形成沉淀

0.14MNacl1-2MNaclDNA-蛋白溶解度低溶解度高

RNA-蛋白溶解度高溶解度低第三十八页，共七十六页，编辑于2023年，星期一粘度

DNA粘度大

RNA粘度小旋光性均很强密度

RNA>双链DNA；环状DNA>开环、线状DNA

单链DNA>双链DNA沉降速度：

RNA>环状DNA>开环、线状DNA第三十九页，共七十六页，编辑于2023年，星期一核酸的紫外吸收

碱基、核苷、核苷酸和核酸在240~290nm的紫外波段有强烈的光吸收，λmax=260nm

1OD260dsDNA=50μg/ml1OD260ssDNA=33μg/ml1OD260RNA=40μg/ml

纯DNAOD260/OD280=1.8

纯RNAOD260/OD280=2.0取5μl双链DNA样品,加水稀释至1ml,以1ml纯水作为参照测定波长在260nm处的吸光度值(Ａ260),假如测得稀释样品的Ａ260值为0.500，那么原液中DNA的浓度是？μg/ml第四十页，共七十六页，编辑于2023年，星期一核酸的颜色反应

1.钼蓝反应（核酸中磷酸的反应）

Pi+(NH4)3MoO4+Vc钼蓝（蓝色）2.苔黑酚反应（RNA中核糖的反应）

RNA+浓HCl+苔黑酚蓝绿色3.二苯胺反应（DNA中脱氧核糖的反应）

DNA+二苯胺+浓H2SO4

蓝色物第四十一页，共七十六页，编辑于2023年，星期一2DNA的变性复性与分子杂交定义：在理化因素作用下，DNA双螺旋的两条互补链松散而分开成为单链，从而导致DNA的理化性质及生物学性质发生改变的现象影响因素：高温：加热强酸强碱：极端的pH

有机溶剂：甲醇、乙醇、尿素及甲酰胺第四十二页，共七十六页，编辑于2023年，星期一变性后的性质改变增色效应粘度降低生物学功能丧失或改变第四十三页，共七十六页，编辑于2023年，星期一DNA的变性温度加热DNA溶液，使其对260nm紫外光的吸收度突然增加，达到其最大值一半时的温度，就是DNA的变性温度（融解温度，Tm）第四十四页，共七十六页，编辑于2023年，星期一第四十五页，共七十六页，编辑于2023年，星期一第四十六页，共七十六页，编辑于2023年，星期一第四十七页，共七十六页，编辑于2023年，星期一离子强度低，Tm值低，变性温度范围较宽

离子强度高，Tm值高，变性温度范围较窄第四十八页，共七十六页，编辑于2023年，星期一DNA的复性将变性DNA经退火处理，使其重新形成双螺旋结构的过程，称为DNA的复性第四十九页，共七十六页，编辑于2023年，星期一分子杂交的应用第五十页，共七十六页，编辑于2023年，星期一M1210×SSC

转移缓冲液Whatman滤纸凝胶Whatman滤纸纸巾玻璃板重物支持物500g12与探针同源杂交的基因DNA片段基因组DNADNA酶切片段内切酶NC或尼龙膜NC膜或尼龙膜第五十一页，共七十六页，编辑于2023年，星期一第五十二页，共七十六页，编辑于2023年，星期一利用核酸的分子杂交，可以确定或寻找不同物种中具有同源顺序的DNA或RNA片段。常用的核酸分子杂交技术有：原位杂交、斑点杂交、Southern杂交及Northern杂交等。在核酸杂交分析过程中，常将已知顺序的核酸片段用放射性同位素或生物素进行标记。这种带有一定标记的已知顺序的核酸片段称为探针。第五十三页，共七十六页，编辑于2023年，星期一RFLPRFLP(RestrictionFragmentLengthPolymorphism第五十四页，共七十六页，编辑于2023年，星期一第三节基因的分类第一类是编码蛋白质的基因，它具有转录和翻译功能，包括编码酶和结构蛋白的结构基因以及编码阻遏蛋白的调节基因第二类是只有转录功能而没有翻译功能的基因，包括tRNA基因和rRNA基因第三类是不转录的基因，它对基因表达起调节控制作用，包括启动基因和操纵基因第五十五页，共七十六页，编辑于2023年，星期一原核生物基因组的结构特点基因组很小，且大小相差较大单倍体（逆转录病毒除外）基因重叠结构简练转录单元呈多顺反子结构基因多是连续的（真核细胞病毒除外）第五十六页，共七十六页，编辑于2023年，星期一基因组很小，相差较大

基因组大小编码蛋白质

乙肝病毒3Kb4种痘病毒3000Kb几百种大肠杆菌4600Kb3000-4000第五十七页，共七十六页，编辑于2023年，星期一结构简练紧凑大部分可编码蛋白质,只有非常小的一部份不编码蛋白质(通常是基因表达的控制序列）

ΦX174DNA中不翻译的部份只占217/5375G4DNA中不翻译的部份占282/5577

乳头瘤病毒基因组中不翻译的部份占1.0/8.0Kb第五十八页，共七十六页，编辑于2023年，星期一基因重叠同一段DNA片段能够编码两种甚至三种蛋白质分子

此现象在其它的生物中仅见于线粒体和质粒DNA

较小的基因组能够携带较多的遗传信息ΦX174单链DNA病毒编码11个蛋白质分子，总分子量为25万左右，相当于6078个核苷酸所容纳的信息量DNA本身只有5375个核苷酸，最多能编码总分子量为20万的蛋白质分子第五十九页，共七十六页，编辑于2023年，星期一基因重叠的几种情况：

（1）完全重叠（2）部分重叠（3）两个基因只有一个碱基重叠

一个基因终止密码子的最后一个碱基是另一个基因起始密码子的第一个碱基第六十页，共七十六页，编辑于2023年，星期一5’……GAAGGAGUGAUGUAAUGUCUAAAGGU……3’5’……GAAGGAGUGAUGUAA……3’GluGlyValMetStop基因D5’……AUGUCUAAAGGU……3’MetSetLys基因J5’……GAAGGAGUGA……3’LysGlyStop基因EΦX174mRNAD、J、E基因重叠读框不同5’……GCTGGTGGAAAATGAGGAAATTCAAT……3’DNA序列

LeuValGluAsnGluGluIleGlnK蛋白

AlaGlyGlyLysTerA蛋白

FMetArgLysPheAsnC蛋白

噬菌体G4一段DNA序列内A、C、K基因三重重叠第六十一页，共七十六页，编辑于2023年，星期一基因组DNA序列中功能上相关的蛋白质的基因或rRNA的基因往往丛集在基因组的一个或几个特定的部位，形成一个功能单位或转录单元，即形成多顺反子结构（polycistronie）多顺反子mRNA

可编码两条或两条以上蛋白质分子的mRNA的分子，第六十二页，共七十六页，编辑于2023年，星期一真核生物基因组特点基因组大，含有多种序列组分染色体双倍体单顺反子重复序列断裂基因第六十三页，共七十六页，编辑于2023年，星期一一重复序列（repeatsequence）重复序列中，除了编码rRNA、tRNA、组蛋白及免疫球蛋白的结构基因外，大部分是非编码序列。它们的功能主要与基因组的结构稳定性，组织形式以及基因表达调控有关。

目前已发现一些重复序列的特征与遗传有密切联系,因此可以通过测定重复次数而协助遗传病的诊断。第六十四页，共七十六页，编辑于2023年，星期一据出现的频率不同可将DNA序列分为3类：1.高度重复序列在基因组中的重复次数>1052.中度重复序列在基因组中的重复次数为101-1053.单拷贝序列在整个基因组中出现1次或少数几次（100-101）。第六十五页，共七十六页，编辑于2023年，星期一反向重复顺序（invertedrepeats,IR）ATTAGCGCTAATATTAGCGGATGCTAATTAATCGCGATTATAATCGCCTACGATTA1.连续的反向重复顺序，这种结构又称回文结构（palindrome)，是指一段DNA顺序，在两条链上，正读与反读意义相同。2.不连续的反向重复顺序之间含有间隔顺序。反向重复序列约占人类基因组5%，可能与复制、转录调控有关。第六十六页，共七十六页，编辑于2023年，星期一串联重复顺序（tandemrepeats）1.编码区串联重复顺序如组蛋白基因、5srRNA基因等。其意义在于快速大量合成相应基因的mRNA.2.非编码区串联重复顺序通常存在于间隔DNA*和内含子内，是组成卫星DNA*的基础。卫星DNA可分为三类，大卫星DNA、小卫星DNA和微卫星DNA。第六十七页，共七十六页，编辑于2023年，星期一间隔DNA(spacerDNA)—真核基因组中，在基因之间也有一些非编码顺序将它们隔开，一般称为间隔DNA，是和内含子性质不同的插入顺序。*卫星DNA（satelliteDNAsat-DNA）—又称随体DNA。这部分DNA是在用Cscl密度梯度离心时发现的。第六十八页，共七十六页，编辑于2023年，星期一大肠杆菌DNA剪切成若干片段后离心只得到1个峰，而蟹DNA在主峰旁边还有1个小峰，其中所含DAN称sat-DNA.Sat-DNA的A+T/G+C比值不同于主峰DNA的比值，因而其密度也不同于主峰DNA。比值改变原因是它们含有大量的重复顺序而使某段DNA分子（A+T）或（G+C）偏低或偏高第六十九页，共七十六页，编辑于2023年，星期一第七十页，共七十六页，编辑于2023年，星期一散在重复顺序（intersprersedrepeats）散在重复顺序是人类基因组中非串联非反向的重复顺序，包括少数活跃的转位因子，根据重复序列的长度可将该家族分为2个主要类型，短散在核元件和长散在核元件。1.SINEs(shortinterspersednuclearelements)2.LINES(longinterspersednuclearelements)

代表Alu家族(逆转录转座子)

KpnI家族（1）序列中含Alu限制酶位点（1）序列中含KpnⅠ限制酶位点（2）基因组中重复数3-5×105

（2）全长6-7kb（3）Alu顺序之间间隔:3-5kb（3）KnpⅠ消化后可见4条带（4）相对集中在染色体R带（4）集中分布在染色体G或Q带

逆转录转座子

RNA介导转座,合成cDNA→基因组第七十一页，共七十六页，编辑于2023年，星期一二基因家族(genefamily)基因家族是指核苷酸序列或编码产物具有一定程度同源性的一组基因.

基因家族中各个基因之间的关系:1.家族中各基因的核苷酸序列相同这些基因族也被称为单纯多基因家庭(如rRNA,tRNA家族)和复合多基因家族(如组蛋白基因家族).tRNA基因:

人类基因约有1300个tRNA基因，编码50多种tRNA。每种tRNA可有