核酸的分子结构

关于核酸的分子结构第1页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三第1章核酸的分子结构、性质和功能一、DNA的一级结构与种属的差异DNA的一级结构就是指脱氧核糖核苷酸通过3’，5’磷酸二酯键连接起来的线性多聚体以及脱氧核糖核苷酸的排列顺序。第一节DNA的结构和功能第2页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三第1章核酸的分子结构、性质和功能不同物种的DNA差异就在于各自DNA的一级结构不同，即组成DNA的脱氧核苷酸的数目和排列顺序不同。基因组计划就是测定不同物种DNA含有的核苷酸数量和排列顺序。第3页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三第1章核酸的分子结构、性质和功能二、DNA的二级结构----双螺旋模型就是指两条脱氧多核苷酸链反向平行排列所形成的双螺旋结构。第4页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三第1章核酸的分子结构、性质和功能核酸的二级结构有多种形式ABZ第5页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三第1章核酸的分子结构、性质和功能这些不同的形态均是DNA的结构发生改变的结构，以适应DNA行使不同的功能。第6页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三第1章核酸的分子结构、性质和功能DNA的结构的变化，一般都发生在染色体DNA正在行使其功能的局部区域，而不是全部。第7页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三第1章核酸的分子结构、性质和功能单链核酸还可以形成一些特殊的二级结构发卡结构(茎环结构)第8页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三第1章核酸的分子结构、性质和功能十字型结构第9页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三第1章核酸的分子结构、性质和功能三、DNA的三级结构DNA的三级结构是指在DNA双螺旋的结构基础上，DNA进一步扭曲所形成的特定的空间结构。第10页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三第1章核酸的分子结构、性质和功能超螺旋是DNA三级结构的主要形式。超螺旋又有正、负之分。第11页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三正常细胞内有一种酶叫做“拓扑异构酶”，专门负责改变DNA的拓扑结构。DNA在复制、转录等的时候，其空间拓扑结构均要发生变化。再次强调，DNA这些空间结构的变化都是属于局部变化！不是整条DNA链都超螺旋！第1章核酸的分子结构、性质和功能第12页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三四、DNA的三链结构是指DNA中单链与双链之间、双链与双链之间的相互作用而形成的三链或四链结构。这时碱基之间的配对方式不是常见的Watson-Crick式的。最常见的是分子内的局部H-DNA结构。三链核酸（H-DNA）第1章核酸的分子结构、性质和功能第13页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三另外在DNA重组时候也可能发生局部的三链结构，线形染色体的末段的回折也会形成四链结构等。第1章核酸的分子结构、性质和功能第14页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三这种DNA的三级结构在细胞中是天然存在的，确切的生理功能还不十分清楚，有待于进一步研究。第1章核酸的分子结构、性质和功能第15页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三第二节RNA的结构RNA的一级结构概念与DNA的一级结构概念相同，不同的是RNA是一种单链分子，分子量也比较小。第1章核酸的分子结构、性质和功能第16页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三RNA的二级结构主要是分子内的局部双链，形成类似A-DNA的二级结构，这种结构有助于保持RNA分子的结构稳定；不能形成双链的区域则形成环状突起。第1章核酸的分子结构、性质和功能第17页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三不同的RNA分子的三级结构是不同的。RNA分子的单链、环状结构与双螺旋结构之间的相互作用产生了RNA复杂的三级结构。第1章核酸的分子结构、性质和功能第18页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三另外，在一些复杂的超分子结构中，RNA分子和蛋白质结合，执行一定的生理功能，其中的RNA分子还要与蛋白质分子相互作用，如核糖体、核酶。第1章核酸的分子结构、性质和功能第19页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三目前发现RNA分子的种类和功能都比以前所想象的要丰富的多。√microRNA（miRNA）：小RNA√smallinterferingRNAs(siRNAs)：小干扰RNA，√核酶催化RNA√反义RNA（antisenseRNA）mRNAtRNArRNA第1章核酸的分子结构、性质和功能第20页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三√tmRNA√核内不均一RNA（heterogeneousnuclearRNA，hnRNA）√核内小RNA（smallnuclearRNA,snRNA）√胞浆小RNA(smallcytoplasmicRNA,scRN)主要存在于细胞质内。√snoRNA(snoRNA)：核仁小RNA，√引物RNA√指导RNA（guideRNA，gRNA）√端粒RNA第1章核酸的分子结构、性质和功能第21页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三一、mRNA、tRNA、rRNA(一)mRNA和hnRNA1961年，Jacob和Monod首先提出了mRNA的概念。在真核细胞中，基因DNA位于细胞核内，而蛋白质是在细胞质中合成的，因此要有一个中间物将DNA上的遗传信息传递至细胞质中。后来的研究发现证实，这种中间物就是mRNA。第1章核酸的分子结构、性质和功能第22页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三mRNA是细胞内合成蛋白质的模板，但真核细胞和原核细胞的mRNA在组成核特点上有很大不同。第1章核酸的分子结构、性质和功能第23页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三在真核生物中，最初由DNA转录生成的RNA(称为mRNA前体)不能直接作为蛋白质合成的模板，经过加工后才能做模板使用的mRNA称为成熟mRNA，只有成熟的mRNA才被运输到细胞质中指导蛋白质的合成。第1章核酸的分子结构、性质和功能第24页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三在对前体mRNA进行加工的过程中，会产生一系列大小不同的mRNA，这些中间产物称为核内不均一RNA(heterogeneousnuclearRNA,hnRNA)。第1章核酸的分子结构、性质和功能第25页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三原核细胞的mRNA结构第1章核酸的分子结构、性质和功能第26页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三真核细胞的mRNA结构第1章核酸的分子结构、性质和功能第27页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三真核与原核的mRNA差异还体现在：mRNA的5'端的特殊结构－－帽子结构mRNA的3'端的特殊结构－－尾巴结构mRNA刚被转录出来时内含子的有无？一条mRNA中包含几个开放阅读框(ORF)?第1章核酸的分子结构、性质和功能第28页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三(二)tRNA1957年由Crick提出假说，认为在蛋白质合成过程中，应该有一种小分子在氨基酸和mRNA模板之间起着接头作用，后来在实验中的确发现。第1章核酸的分子结构、性质和功能第29页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三tRNA分子有100多种，各携带一种氨基酸，将其转运到核糖体中参与蛋白质的合成。tRNA由70～120个核苷酸构成，各种tRNA无论在一级结构上，还是在二、三级结构上均有一些共同特点。第1章核酸的分子结构、性质和功能第30页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三tRNA典型的三叶草结构第1章核酸的分子结构、性质和功能第31页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三tRNA几个特点♥携带氨基酸的氨基酸臂－3'末端♥反密码子臂－反密码子环♥含有较多的稀有密码子♥额外环是分类的重要指标♥同功tRNA－携带同种氨基酸的tRNA♥副密码子(第二套遗传密码)－决定tRNA携带何种氨基酸的序列特征第1章核酸的分子结构、性质和功能第32页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三(三)核糖体RNA(rRNA)核糖体RNA(ribosomalRNA)是细胞内含量最多的RNA，约占细胞总RNA的80%以上。核糖体的另外一个主要成分是蛋白质，有几十种，核糖体大亚基中的蛋白称为rpl，在小亚基中的称rps。第1章核酸的分子结构、性质和功能第33页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三核糖体的组成第1章核酸的分子结构、性质和功能第34页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三小核RNA(smallnuclearRNA，snRNA)存在于真核细胞的细胞核内，是一类称为小核核蛋白体复合体(snRNP)的组成成分，有U1，U2，U4，U5，U6snRNA等，均为小分子核糖核酸，其功能是在hnRNA成熟转变为mRNA的过程中，参与RNA的剪接，并且在将mRNA从细胞核运到细胞浆的过程中也起着十分重要的作用。二、其他RNA分子(一)核内小RNA和细胞质中的小RNA第1章核酸的分子结构、性质和功能第35页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三核仁小RNA(snoRNA)，它们与rRNA前体的加工有关，包括断裂、甲基化、假尿嘧啶核苷的形成。另一特点是，snoRNA不是由其单独的基因所编码，而是由切除的内含子片段加工而成，有近200种类型。第1章核酸的分子结构、性质和功能第36页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三小胞浆RNA(scRNA,smallcytosolRNA)又称为7SLRNA，长约300个核苷酸，主要存在于细胞浆中，是蛋白质定位于粗面内质网上所需的信号识别体(signalrecognizationparticle)的组成成分。第1章核酸的分子结构、性质和功能第37页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三(二)引物RNA和指导RNA引物RNA是指DNA复制时作为聚合酶起始引物而合成的一段RNA。指导RNA是指mRNA在转录后的编辑中负责核苷酸插入或删除的RNA分子。第1章核酸的分子结构、性质和功能第38页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三(三)端粒RNA和核酶RNA端粒RNA端粒RNA，是端粒酶的重要组成部分，参与线性染色体的末端复制。端粒酶与细胞的衰老死亡有一定的关系。第1章核酸的分子结构、性质和功能第39页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三核酶,

有催化功能的RNA，20世纪80年代由Cech和Altman首先发现RNA具有催化功能。自然界存在的核酶既可以催化分子内反应，也可以催化分子间反应。目前在实验室中也可以通过“分子进化”手段产生“人工核酶”。还产生自然界不存在的“DNA核酶”。第1章核酸的分子结构、性质和功能第40页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三反义RNA（antisenseRNA）：对基因表达和细胞功能具有重要的调节功能。反义RNA通过与靶基因序列互补而结合，或直接阻止其功能，或改变靶部位的构象而影响其功能。(四)其他种类的RNA分子第1章核酸的分子结构、性质和功能第41页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三microRNA（miRNA）：小RNAsmallinterferingRNAs(siRNAs)：小干扰RNA，这两类RNA分子都是长度为21-25个核苷酸的RNA分子，可以调节细胞内mRNA的翻译。这种调节是通过降解目标mRNA分子或不降解RNA分子但是减弱或阻止其翻译来进行的。第1章核酸的分子结构、性质和功能第42页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三tmRNA存在于细菌内，发现于20世纪80年代。tmRNA同时具备信使RNA和转录RNA的功能，它是细菌体内蛋白质合成中起“质量控制”的重要分子之一。第1章核酸的分子结构、性质和功能第43页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三现在认为RNA分子在生物体中的作用主要有以下几种：（1）在遗传信息的翻译中起着非常重要的作用。有3种RNA分子共同完成：mRNA、tRNA和rRNA。（2）具有催化功能和其他的持家功能。如发现了许多的具有催化活性的核酶，染色体的结构RNA，噬菌体的装配RNA等。第1章核酸的分子结构、性质和功能第44页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三（3）RNA转录后的加工和修饰要依赖于各类小RNA和其蛋白质复合物。RNA转录后的信息加工过程十分复杂，包括切割、修饰、异构、附加、拼接、编辑和再编辑等等，这些过程一般都需要一些特殊的RNA分子参与。第1章核酸的分子结构、性质和功能第45页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三（4）对基因的表达和细胞功能具有重要的调节功能。如反义RNA、microRNA等。这方面的进展很快，发现了RNA的许多重要的生理功能。第1章核酸的分子结构、性质和功能第46页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三（5）在生物的进化中起重要的作用。“RNA世界”的假说提出对“DNA中心”的观点是一个非常大的冲击。这种学说认为世界上首先出现的大分子是RNA，它同时具有DNA和蛋白质两种分子的功能。后来才慢慢产生了DNA分子和蛋白质分子。第1章核酸的分子结构、性质和功能第47页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三一、核酸分子杂交的基本原理第三节核酸分子的杂交将不同的DNA分子混合在一起，复性时不同DNA分子之间序列相同或相似的部分也可以结合在一起，形成杂种的DNA分子（整体或局部），这种DNA的复性叫做杂交。第1章核酸的分子结构、性质和功能第48页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三核酸杂交可以发生在DNA与DNA之间、DNA与RNA之间、DNA与RNA之间。核酸杂交时，两种核酸分子可以都位于液体中(称为液相杂交),也可以有一种被固定在某种介质上，杂交反应仍在液体中进行(称为固相杂交)。第1章核酸的分子结构、性质和功能第49页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三二、核酸杂交的探针及标记探针(probe)一般是指一段已知序列的核苷酸片段，长度从几十到几千个核苷酸长度不等，能够与靶分子特异性结合。探针的标记就是指探针与能够产生强烈信号的基团或原子或配体结合的过程。第1章核酸的分子结构、性质和功能第50页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三三、核酸杂交的类型和应用常见的几种核酸杂交形式有Southern杂交、Northern杂交、菌落原位杂交、生物芯片等。第1章核酸的分子结构、性质和功能第51页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三菌落原位杂交菌落原位杂交*不需将DNA从细菌中提取出来，直接使菌体裂解，DNA释放出来，并固定在支持介质上，然后进行杂交的方法，适合于大规模筛选。第1章核酸的分子结构、性质和功能第52页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三生物芯片（biochip）是指采用光导原位合成或微量点样等方法，将大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至组织切片、细胞等生物样品有序地固化于支持物（如玻片、硅片、聚丙烯酰胺凝胶、尼龙膜等载体）的表面，组成密集二维分子排列，然后与已标记的待测生物样品中靶分子杂交，通过特定的仪器比如激光共聚焦扫描或电荷偶联摄影像机（CCD）对杂交信号的强度进行快速、并行、高效地检测分析，从而判断样品中靶分子的数量。第1章核酸的分子结构、性质和功能第53页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三根据芯片上的固定的探针不同，生物芯片包括基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片，另外根据原理还有元件型微阵列芯片、通道型微阵列芯片、生物传感芯片等新型生物芯片。如果芯片上固定的是肽或蛋白，则称为肽芯片或蛋白芯片；如果芯片上固定的分子是寡核苷酸探针或DNA，就是DNA芯片。第1章核酸的分子结构、性质和功能第54页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三由于基因芯片（Genechip）这一专有名词已经被业界的领头羊Affymetrix公司注册专利，因而其他厂家的同类产品通常称为DNA微阵列(DNAMicroarray)。第1章核酸的分子结构、性质和功能第55页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三DNA微阵列有寡核苷酸芯片、cDNA芯片和Genomic芯片之分，第1章核酸的分子结构、性质和功能第56页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三基因芯片的应用领域用基因芯片进行的表达水平检测可自动、快速地检测出成千上万个基因的表达情况。（1）基因表达水平的检测第1章核酸的分子结构、性质和功能第57页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三（2）基因诊断从正常人的基因组中分离出DNA，与DNA芯片杂交就可以得出标准图谱。从病人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交就可以得出病变图谱。通过比较、分析这两种图谱，就可以得出病变的DNA信息。这种基因芯片诊断技术以其快速、高效、敏感、经济、平行化、自动化等特点，将成为一项现代化诊断新技术。现在，肝炎病毒检测诊断芯片、结核杆菌耐药性检测芯片、多种恶性肿瘤相关病毒基因芯片等一系列诊断芯片逐步开始进入市场。基因诊断是基因芯片中最具有商业化价值的应用。第1章核酸的分子结构、性质和功能第58页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三(3)药物筛选如何分离和鉴定药的有效成份是目前中药产业和传统的西药开发遇到的重大障碍，基因芯片技术是解决这一障碍的有效手段，它能够大规模地筛选、通用性强，能够从基因水平解释药物的作用机理，即可以利用基因芯片分析用药前后机体的不同组织、器官基因表达的差异。生物芯片技术使得药物筛选，靶基因鉴别和新药测试的速度大大提高，成本大大降低。基因芯片药物筛选技术工作目前刚刚起步。这一技术具有很大的潜在应用价值。第1章核酸的分子结构、性质和功能第59页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三（4）个体化医疗临床上，同样药物的剂量对病人甲有效可能对病人乙不起作用，而对病人丙则可能有副作用。在药物疗效与副作用方面，病人的反应差异很大。这主要是由于病人遗传学上存在差异（单核苷酸多态性，SNP），导致对药物产生不同的反应。在治疗中，很多同种疾病的具体病因是因人而异的，用药也应因人而异。利用基因芯片技术对患者先进行诊断，再开处方，就可对病人实施个体优化治疗第1章核酸的分子结构、性质和功能第60页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三（5）测序基因芯片利用固定探针与样品进行分子杂交产生的杂交图谱而排列出待测样品的序列，这种测定方法快速而具有十分诱人的前景。Markchee等用含135000个寡核苷酸探针的阵列测定了全长为16.6kb的人线粒体基因组序列，准确率达99%。第1章核酸的分子结构、性质和功能第61页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三（6）生物信息学研究人类基因组计划完成后的问题是面对大量的基因或基因片断序列如何研究其功能，后基因组计划、蛋白组计划、疾病基因组计划等概念就是为实现这一目标而提出的。基因的功能并不独立的,基因之间的复杂的相互作用组成了一张交错复杂的立体的关系网。我们现在需要站在更高的层次全面的理解这种相互关系，全面了解不同个体基因变异、不同组织、不同时间、不同生命状态等的基因表达差异信息，并找出其中规律。第1章核酸的分子结构、性质和功能第62页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三在实际应用方面，生物芯片技术可广泛应用于疾病诊断和治疗、药物基因组图谱、药物筛选、中药物种鉴定、农作物的优育优选、司法鉴定、食品卫生监督、环境检测、国防等许多领域。第1章核酸的分子结构、性质和功能第63页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三第1章核酸的分子结构、性质和功能其他形式的杂交，名称各异，如斑点杂交、狭缝杂交、噬菌斑杂交等，只是形式的差异，本质上还是Southern或Northern杂交。第64页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三第1章核酸的分子结构、性质和功能第四节反义核酸及药物一、反义核酸概述反义核酸指根据碱基互补原理，人工合成或细胞中天然存在的特定互补的DNA或RNA片段（或其衍生物），它们可以与特定的基因相互作用，通过空间位阻效应或诱导RNAase活性的降解作用，在基因的复制转录剪接以及mRNA的运输翻译等水平上抑制或封闭目的基因的表达。第65页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三第1章核酸的分子结构、性质和功能反义核酸最初是指可以与mRNA互补结合的一段寡核苷酸片段，所以又叫寡核苷酸。后来发现反义寡核苷酸不仅可以与单链mRNA结合，还可以与双链DNA结合形成三链核酸。第66页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三反义核酸发挥作用一般是作用于目的基因的以下区域：（1）mRNA的5’端非翻译区，核糖体结合位点等（2）mRNA的5’端编码区，起始密码子等（3）mRNA的5’端帽子形成位点（4）前体mRNA外显子和内含子结合位点等（5）mRNA的polyA的形成部位（6）阻止mRNA的成熟和向细胞质中的运输等另外，反义核酸与目的基因形成二聚体后容易被降解，并且二聚体也促进了自身剪辑的修饰。第1章核酸的分子结构、性质和功能第67页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三反义核酸在细胞质和细胞核中均可以发挥作用，但是实际作用效果有所不同。与许多因素有关。第1章核酸的分子结构、性质和功能第68页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三二、反义技术与药物反义核酸技术就是指利用人工合成或细胞天然的与特定基因互补的DNA或RNA片段或其衍生物来抑制或封闭特定基因的表达技术。目前已经发展到第3代。第1章核酸的分子结构、性质和功能第69页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三肽核酸对靶基因的结合能力强，稳定性好，容易吸收，在体内具有内切酶活性和抑制端粒酶的作用。利用肽核酸研制成的药物被称为第三代反义寡核苷酸药物。第1章核酸的分子结构、性质和功能第70页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三反义核酸技术的应用

反义核酸技术的出现是分子生物学中的一项革命，给人们提供了前所未有的新的探索自然、研究生命奥秘的新工具。第1章核酸的分子结构、性质和功能第71页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三(1)为基因的分析提供了更好的研究手段，不需要改变基因的结构，就可以分析简单或复杂生物体内的基因的功能，而常规手段则必须对生物的基因组进行突变改造，过程复杂。而且这种方法的一大优点就是高度特异地抑制某一种mRNA的翻译，不影响其他基因的正常表达。第1章核酸的分子结构、性质和功能第72页，讲稿共80页，2023年5月2日，星期三(2)以标记的反义RNA或反义DNA为探针进行原位杂交，可以在细胞或亚细胞的水平上对基因的表达进行定位研究和定量