第三章遗传的分子基础

第三章

遗传的分子基础戴和剧脱氧核糖核苷酸（DNA）4种碱基：腺嘌呤A、鸟嘌呤G、胞嘧啶C和胸腺嘧啶T脱氧核糖磷酸4种碱基A、G、C和尿嘧啶U核糖磷酸核糖核苷酸（RNA）核酸：第一节遗传物质的结构一、DNA的结构：

双螺旋结构第三章遗传的分子基础1953年，沃森(WatsonJ.D.)和克里克(CrickF.H.C.)提出DNA双螺旋结构模型。主要依据为：

碱基互补配对的规律以及DNA分子的X射线衍射结果。

沃森和克里克与维尔肯斯(Wilkins)一起获得诺贝尔奖(1962)。DNA的立体结构特点磷酸、脱氧核糖交替连接——构成基本骨架；碱基；2条链上的碱基通过氢键形成碱基对3.内侧:2.外侧：1.由2条链按反向平行方式盘绕成双螺旋结构；－A－A－C－C－G－G－A－T－－T－T－G－G

－C－C－T－A－A－T之间形成2个氢键C－G之间形成3个氢键DNA碱基互补配对情况图解二、RNA的结构1、RNA的组成单位：核糖核苷酸AC腺嘌呤核糖核苷酸胞嘧啶核糖核苷酸U尿嘧啶核糖核苷酸G鸟嘌呤核糖核苷酸核糖核糖核糖核糖2、RNA和DNA的比较DNARNA基本单位五碳糖含N碱基单双链？分子大小

脱氧核苷酸脱氧核糖A、T、G、C双链核糖核苷酸核糖A、U、G、C单链很大比较小3、RNA种类和功能根据RNA功能RNA有三种：信使RNA，也叫mRNA；转运RNA，也叫tRNA；核糖体RNA，也叫rRNA。第二节基因的结构与功能一、基因（gene）（一）定义生物学定义：——具有遗传功能的DNA片段。分子生物学定义：——DNA分子中含有特定遗传信息的核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。合成有功能的多肽链或RNA所必需的全部核酸序列（通常是DNA序列）。（二）基因的组成一个基因应包含不仅是编码蛋白质肽链或RNA的核酸序列，还包括为保证转录所必需的调控序列、5′非翻译序列、内含子以及3′非翻译序列等所有的核酸序列（蛋白质基因和RNA基因）。真核细胞的基因结构编码区非编码区非编码区编码区下游调控遗传信息的表达(调控序列)外显子(能编码蛋白质)内含子(不能编码蛋白质)1．真核细胞的基因结构：包括a________和b_______。2．特点(1)编码区是________、__________。(2)编码区都含有若干个c________和d__________。(3)不同的基因所含的c外显子与d内含子数目不同。真核细胞基因结构非编码区编码区间隔的不连续的外显子内含子据基因组重复次数高低：单拷贝序列（单一序列）

轻度重复序列2~101重复序列

中度重复序列10~102

高度重复序列102~106基因家族(三)分类1.单拷贝序列：只有一个拷贝，占基因组的60-65%.主要是功能基因。单拷贝序列又称为单一序列或非重复序列，在一个基因组中只有一个拷贝，在DNA复性曲线中，它是最慢速复性的部分。含有800~1000bp。大多数结构基因都属于这一类型，但单拷贝序列并不都执行遗传功能。真核生物的单拷贝基因是分散分布于整条染色体或不同染色体之中的。一个蛋白质基因也常分成几段相隔排列。由几个肽段的基因组成一个蛋白质的全部基因，有些肽段的基因仅由内含子隔开，而另一些肽段的基因则分布于几条染色体上。例如，珠蛋白有2条α链和2条β链，在人类中，α链基因位于16号染色体上，β链基因则位于11号染色体上。在β链基因中，又由几个内含子隔开，串联在11号染色体上。单拷贝基因的另一个特点是普遍存在着内含子。2.轻度重复序列基因组中有2-10个拷贝，是慢速复性的一部分。主要是组蛋白和rRNA基因、tRNA基因等。

几个基因都有功能,编码同一个蛋白质或tRNA;分两种

几个拷贝中有的有功能，有的无功能（假基因）

假基因—结构与功能基因相同，但不表达。

原因：突变失活，启动子缺陷。3.中度重复序列中度重复序列对应于中速复性的部分，在基因组中有数十至数百万个拷贝，分散在整个基因组中。一般无RNA转录产物（非编码序列），一般认为与基因的表达调控有关(包括转录调控序列，复制控制序列，转录后的加工等)。在基因组中有数千种中度重复序列，其中有一些构成序列家族。各家族成员有的重复串联在一起，有的分散于非重复序列中相间排列。

这类序列的平均长度是300bp左右。

长周期分散的重复序列5000bp分两种短周期分散的重复序列100~300bp，主要存在于人、爪蟾、海胆等生物中，例如，Alu家族等。

4.高度重复序列高度重复序列对应于快速复性部分。在基因组中有几百到几百万个拷贝（重复次数102~

106），它们的长度差异很大，短的只有几个bp，长的有几十个到几百个bp或更长。这些序列一般不分散，主要集中在异染色质中，特别在端粒和中心粒的附近，由短序列重复多次串联成长长的一大簇，高度重复序列富含A、T碱基，因序列简单，缺乏转录必要的启动子而不具转录能力，其功能至今尚不清楚。在多数真核生物的基因组DNA中，都含有20%以上的高度重复序列，其特征之一是两条链的不对称性，它们构成卫星DNA。卫星DNA（satelliteDNA）卫星DNA(satelliteDNA)是一类高度重复序列，这类重复顺序的重复单位一般由2-10bp组成，成串排列。由于这类序列的碱基组成不同于其他部份（一般富含A/T片断，浮密度较小），可用等密度梯度离心法将其与主体DNA分开，因而称为卫星DNA或随体DNA。卫星DNA通常是串联重复序列，由各种不同的重复序列家族组成。重复单位常存在序列变异，反映卫星DNA可能在经过串联重复后发生突变、重复和缺失而得以进化。在真核生物之间，satelliteDNA总量在2%~5%，甚至在亲缘关系密切相关的两个物种之间，satelliteDNA也会有悬殊的差别。分类卫星DNA按重复单元核苷酸的多少，可分为两类：小卫星DNA(minisatelliteDNA)，由几百个核苷酸对的单元重复组成。微卫星DNA(microsatelliteDNA)，由2-20个左右的核苷酸对的单元重复组成。（占主体）应用：1.生物进化2.DNA指纹图谱（亲子鉴定）3.RFLP分析检测基因缺失、突变、扩增5、基因家族genefamily*（1）概念在真核生物基因组中来源相同、结构相似、功能相关的一组成串排列在一起的基因，称为基因家族（genefamily）。一些基因彼此靠近，成串地排列在一起，这种基因排列结构叫基因簇（genecluster）。在基因家族结构中经常会看到基因簇结构。基因簇——多顺反子结构（2）分类：串联重复多基因家族

组蛋白、tRNA、rRNA分散重复多基因家族

Alu家族不同组织、细胞类型、发育时期表达的多基因家族

同工酶（珠蛋白）（3）真核生物中重要的基因家族（1）Alu基因家族

分散重复序列在单倍体人基因组中有5X105个拷贝，约占人基因组的3-6%。每个重复单元的长度为300bp，含一个Alu酶切位点，因而得名。酶切后生成130bp和170bp两个片段，每个Alu片段两侧有6-20bp的同向重复序列，存在于间隔区（space）和内含子中。功能：可能与基因转录、调控、加工有关。LDLreceptorgeneAlurepeatspresentwithinintronsAlurepeatsinexons444555666AluAluAluAluX46Aluunequalcrossingoveroneproducthasadeletedexon5(theotherproductisnotshown)（2）rRNA基因家族串联重复，有转录活性。大多数真核生物rRNA基因家族集中分布在一条或几条染色体上，以核仁区含量最高。通常编码区较为保守，内间区具有种间特异性，常被用作物种种类鉴定及进化分析。

rRNA基因家族（genecluster）

5SrRNA基因家族在所有染色体上都有，分布频率较高。一般由120bp组成每个重复单元由5sRNA基因和和转录区前的非转录区组成，重复串联形成基因簇。非洲爪蟾卵母细胞的5sRNA基因：富含A-T的序列，由不同的15bp序列重复而成，（CAAAGTTTGAGTTTT）这段序列的串连数不同，非转录的间隔区的长度会有所改变。

不同生物rRNA和tRNA基因的拷贝数物种18S和28S基因5S基因tRNA基因大肠杆菌7760酵母140140250果蝇150(♂),250(♀)165850非洲爪蟾450240001150人类28020001300（3）tRNA基因家族tRNA基因平均长度约140bp，是一类小分子的基因，在基因组中的拷贝数可达10个至数百个。基因之间串联重复排列；多个不同的tRNA基因组成一个串联重复，各重复单元中tRNA基因可以不相同，并单独转录。（4）组蛋白基因家族与细胞DNA复制有关

中度重复序列（几十~几百个重复），不含内含子，无需转录后加工，mRNA产物无3’—polyA基因家族与DNA复制无关的组蛋白组织特异性表达的组蛋白单拷贝在高等真核生物中，

含有3类组蛋白基因：①H2a、H2b、H3、H4和H1基因，这些基因在细胞分裂的S期中表达，与DNA和染色体的复制有关；②与DNA和染色体的复制无关的组蛋白基因，主要存在于不分裂的、已完成分化的细胞或组织中；③组织专一性的组蛋白基因，例如，红细胞中专一的H5组蛋白基因。后两种组蛋白基因是单拷贝的，mRNA有3′-polyA。组蛋白基因家族是指第一类的组蛋白基因。

NucleosomestructureNucleosomecore(left)146bpDNA;13/4turnsofDNADNAisnegativelysupercoiledtwoeach:H2A,H2B,H3,H4(histone

octomer)Nucleosome(right)~200bpDNA;2turnsofDNAplusspaceralsoincludesH1histone

特点：一是组蛋白基因缺乏内含子；二是组蛋白基因的mRNA没有3′polyA尾巴。这两个特点使组蛋白基因能很快地转录，并将产物运输到细胞质中。

组蛋白基因家族是重复序列中唯一已知具有蛋白质编码功能的基因。（5）珠蛋白基因家族珠蛋白基因家族是最早发现和研究得最多的基因家族之一。动物中的血红蛋白分子是珠蛋白的四聚体，由2个α亚基和2个β亚基组成。α亚基基因在16号染色体上，β亚基基因在11号染色体上，珠蛋白基因以基因家族的形式排列。（四）基因的不连续性

—真核基因的重要特征发现：1977年研究病毒mRNA时发现，随后在

—珠蛋白基因、卵清蛋白基因中证实了断裂基因的存在。

证据：1.R—环结构2.限制性内切酶分析(exon-intron-exon)nstructureofvariousgenesb-globinHGPRT(HPRT)total=1,660bp;exons=990bphistonefactorVIIItotal=400bp;exon=400bptotal=42,830bp;exons=1263bptotal=~186,000bp;exons=~9,000bp鸡的卵清蛋白基因用EcoRⅠ和HindⅢ两种酶切，可得到3或4个片段，把该基因的mRNA逆转录产物cDNA（双链）用以上两种酶切，发现cDNA不能被这两种酶切。mRNAcDNA酶切（不能被酶切）DNADNA中有的序列在mRNA中丢失,且丢失部分不影响基因功能,酶切位点在内含子中。酶切1、内含子的概念外显子extron：成熟的mRNA或蛋白质中存在的序列。（在DNA或mRNA中都存在的序列）内含子intron：在DNA上存在，而在mRNA（或cDNA）中不存在的序列，初级转录产物加工成成熟mRNA时被切除的间隔序列。5’3’promoterregionexons(filledandunfilledboxedregions)introns(betweenexons)transcribedregiontranslatedregionmRNAstructure+1Genestructure（一个完整的具有转录功能的单元）(exon-intron-exon)nstructureofvariousgenesb-globinHGPRT(HPRT)total=1,660bp;exons=990bphistonefactorVIIItotal=400bp;exon=400bptotal=42,830bp;exons=1263bptotal=~186,000bp;exons=~9,000bp2、基因内含子的特点：1.内含子是真核生物独有的，但并不是所有真核基因一定有内含子；（组蛋白基因家族）2.内含子的数量和长度对不同的基因不同，一般基因越长，内含子越多；3.在同一基因家族中，编码序列在进化过程中一直比较保守，而内含子变化迅速，差异较大；（内含子变异较外显子大）4.内含子与外显子间的连接处有特殊的序列（序列GT——AG）。高度保守序列不连续基因剪接成mRNA可能遵照一种通用机制。5.一个基因的内含子可以是另一个基因的外显子。（阅读框和剪切方式不同）3、内含子可能的功能:1.调控转录速度；通过与启动子、起始位点的精确碱基配对，阻止或增强RNA聚合酶的活性，从而调控转录。2.内含子具有各种剪接信号，使用不同的剪接方式形成不同的成熟mRNA；（一）、遗传信息的存储DNA通过碱基对的排列顺序（即为脱氧核苷酸的排列顺序）储存大量的遗传信息三、DNA的生物学功能

DNA分子的特性：①多样性：DNA分子碱基对的排列顺序千变万化。一个最短的DNA分子也有4000个碱基对，可能的排列方式就有44000种。②特异性：特定的DNA分子具有特定的碱基排列顺序。不同的生物，碱基对的数目可能不同，碱基对的排列顺序肯定不同。③稳定性：概念：时间：（二）、自我复制是指以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。细胞有丝分裂的间期和减数第一次分裂的间期场所：细胞核(主要)DNA分子复制的过程：解旋：

碱基配对：(复制)螺旋化:DNA利用能量,在解旋酶的作用下，把两条螺旋的双链解开。以解开的每一段母链为模板，在DNA聚合酶等酶的作用下,利用细胞中游离的4种脱氧核苷酸为原料,按碱基互补配对原则，各自合成与母链互补的一段子链。随着模板链的解旋,新合成的子链不断延伸。同时，每条新链与对应的模板链盘绕成双螺旋结构。一个DNA形成两个完全相同的子代DNA分子。1.过程

模板：2.条件（亲代DNA分子的）两条母链。细胞中游离的4种脱氧核苷酸。ATP。DNA解旋酶，DNA聚合酶等。能量：酶：原料：3.复制的特点1.半保留复制2.边解旋边复制4.DNA精确复制的原因⑴独特的双螺旋结构为复制提供了精确的模板;⑵碱基互补配对原则保证复制准确无误地完成。5.DNA复制的意义1.精确的复制，保持了遗传信息的连续性，保证了物种的相对稳定性。2.复制若发生“差错”(机率很小)，导致生物产生可遗传的变异。2、遗传信息的翻译（1）概念：游离在细胞质中的各种氨基酸，以mRNA为模板合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程。问题：那么，RNA上的碱基序列如何决定肽链中氨基酸的种类、数量和排列顺序呢？mRNA：碱基的数量排列顺序种类蛋白质：氨基酸的数量排列顺序种类决定决定决定?种?种4种20种

密码子

密码子

密码子UCAUGAUUAmRNA

密码子：mRNA上决定氨基酸的三个相邻的碱基。（2）密码子AAU亮氨酸ACU天门冬氨酸AUG异亮氨酸转运RNA氨基酸AAU亮氨酸ACU天门冬氨酸AUG异亮氨酸AAU亮氨酸ACU天门冬氨酸AUG异亮氨酸（3）反密码子AAU

亮氨酸ACU

天门冬酰氨AUG

异亮氨酸

tRNA的一端运载着氨基酸tRNA——“搬运工”UCAUGAUUAmRNA细胞质UCAUGAUUAAAU亮氨酸ACU天门冬氨酸核糖体UCAUGAUUAAAU亮氨酸ACU天门冬氨酸UCAUGAUUAAAU亮氨酸ACU天门冬氨酸AUG异亮氨酸UCAUGAUUAAAU亮氨酸ACU天门冬氨酸AUG异亮氨酸肽键UCAUGAUUAAAU亮氨酸ACU天门冬氨酸AUG异亮氨酸UCAUGAUUAAAU亮氨酸ACU天门冬氨酸AUG异亮氨酸肽键UCAUGAUUAAAU亮氨酸ACU天门冬氨酸AUG异亮氨酸UCAUGAUUAAAUACUAUG亮氨酸天门冬氨酸异亮氨酸中心法则第三节基因突变（genemutation）遗传分子基础一、基因突变的概念1、基因突变(genemutation)指DNA分子中的核苷酸顺序发生改变，导致遗传密码编码信息改变，造成基因的表达产物——蛋白质的氨基酸变化，从而引起表型的改变。基因突变