医学分子生物学课件

2024-3-11

緒論

Introduction2024-3-12

一、分子生物學的定義2024-3-13從整體水準到分子水準示意圖分子水準細胞水準整體水準

生命科學的發展過程：RobertHooke,1665Watson,Crick,19532024-3-14生命科學的前沿領域：分子生物學、分子遺傳學、細胞生物學、發育生物學和神經生物學，而分子生物學是生命科學的核心前沿。

生命科學是研究生命現象和生命活動規律的一門綜合性學科。

生命科學的研究內容：生命物質的結構與功能，生物與生物之間及生物與環境之間相互關係。2024-3-15

分子生物學——從分子水準研究生命現象及其規律的一門新興學科。它是生命科學中發展最快並且與其他學科廣泛交叉和滲透的前沿領域。2024-3-161950年，Astbury在一次講演中首先使用“分子生物學(MolecularBiology)”這一術語,用以說明它是研究生物大分子的化學和物理學結構。現代分子生物學的建立2024-3-17FurberyS等（1949～1952年）應用X線衍射分析闡明了核苷酸並非平面的空間構象，提出了DNA是螺旋型結構。核酸結構研究的重大進展Chargaff等（1948～1953年）用新的層析和電泳技術分析了組成DNA的堿基和核苷酸量，積累了大量的數據，提出了DNA堿基組成含量比A=T、G=C的Chargaff規則，為堿基配對的DNA結構打下了基礎。2024-3-18DNA的X光衍射照片1952年5月拍攝羅沙琳德·弗蘭克林（RosalindFranklin，1920－1958）英國

DNA雙螺旋結構模型的建立2024-3-19DNA雙螺旋結構模型的建立諾貝爾醫學與生理學獎1962年2024-3-110Watson和Crick的“雙螺旋結構模型”啟動了現代分子生物學及重組DNA技術的發展。確立了核酸作為資訊分子的結構基礎；提出了堿基配對是核酸複製、遺傳資訊傳遞的基本方式，最終確定了核酸是遺傳的物質基礎。2024-3-111

分子生物學技術：

例如：DNA及RNA的印跡轉移、核酸分子雜交、基因克隆、基因體外擴增、DNA測序等，形成了獨特的重組DNA技術及其相關技術。

由生物化學、生物物理學、細胞生物學、遺傳學、應用微生物學及免疫學等各專業技術的滲透、綜合而成，並在此基礎上發明和創造了一系列新的技術。2024-3-112分子克隆(molecularcloning)

重組DNA(recombinantDNA)技術是近代分子生物學技術的核心。

基因操作(genemanipulation)

基因克隆(genecloning)基因工程(geneengineering)2024-3-113分子醫學（molecularmedicine）：由於分子生物學滲透進入生物學和醫學的每一分支領域，全面推動了生命科學和醫學的發展，如疾病的發病機理研究、疾病的診斷和治療，使醫學進入了一個嶄新的時代。

2024-3-114☻遺傳性狀改變或治療疾病可能從某一生物體的基因組中分離出某一特定功能基因，導入到另一種生物的基因組。

☻基因工程和蛋白質工程外源DNA與載體在體外進行連接，或在基因水準上進行有目的的定向誘變。

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按照自己的意願和社會需求改造基因，製備各種具有生物活性的大分子。

DNA、RNA和蛋白質成為人類治病、防病的一類新型的生物製品或藥物。生物技術在農業上用於快速育種，改良品種，提高農作物的產量、品質以及抗病蟲害，抗乾旱等能力。2024-3-116二、分子生物學的研究內容2024-3-117分子生物學的主要研究內容

生物大分子的結構、功能，生物大分子之間的相互作用及其與疾病發生、發展的關係。主要包含三個方面的內容：（一）核酸分子生物學（二）蛋白質分子生物學（三）細胞信號轉導機制研究

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核酸的分子生物學主要研究核酸的結構與功能。核酸的主要作用是攜帶和傳遞遺傳資訊，因此形成了分子遺傳學。（一）核酸分子生物學：

分子遺傳學：形成了比較完整的理論體系和研究技術，它是目前分子生物學中內容最豐富、研究最活躍的一個領域。2024-3-1191.核酸的發現1868年，Miescher從膿細胞中分離出細胞核，用稀堿抽提再加入酸，得到了一種含氮和磷特別豐富的物質，當時稱其為核素（nuclein）。

1872年，他又在鮭魚精子細胞核中發現了這類物質，而且呈酸性，故稱之為核酸（nucleicacid）。FriedeichMiescher

核酸的生物學功能？

1928年以後，核酸功能研究取得了重大進展2024-3-120In1928,anexperimentofFrederickGriffithusingpneumoniabacteriaandmice2024-3-1211952年，HersheyAD和ChaseM用35S和32p分別標記T2噬菌體的蛋白質和核酸，感染大腸桿菌。在大腸桿菌細胞內增殖的噬菌體中都只含有32P而不含35S,這表明噬菌體的增殖直接取決於DNA而不是蛋白質。2.核酸功能研究的重大進展1944年，AveryOT等首次證明肺炎雙球菌的DNA與其轉化和遺傳有關。2024-3-122In1952,AlfredHersheyandMarthaChasedidanexperimentwhichissosignificant,ithasbeennicknamedthe“Hershey-ChaseExperiment”.2024-3-123In1952,AlfredHersheyandMarthaChasedidanexperimentwhichissosignificant,ithasbeennicknamedthe“Hershey-ChaseExperiment”.2024-3-124TheMeselson-Stahlexperiment（1958）showedthatDNAisreplicatedsemi-conservativelyDNAsemi-conservativeduplication

3.DNA複製模型2024-3-125DNA複製模型2024-3-1261961年，Nirenberg、Ochoa以及Khorana等幾組科學家的共同努力，破譯了RNA上編碼合成蛋白質的遺傳密碼，證明DNA分子中的遺傳資訊是以三聯密碼的形式貯存。

遺傳密碼在生物界具有通用性。2024-3-1272024-3-1282024-3-1294.

中心法則的建立

1958年，Crick提出了分子生物學的中心法則（centraldogma）。

中心法則是分子遺傳學基本理論體系。2024-3-1302024-3-131

1970年，Temin和Baltimore從雞Rous肉瘤病毒(Roussarcomavirus，RSV)顆粒中發現了以RNA為範本合成DNA的逆轉錄酶，進一步補充了遺傳資訊傳遞的中心法則。

2024-3-1325．DNA序列分析技術：

雙去氧末端終止法:1977年，劍橋大學SangerF等發明。

化學裂解法:

美國MaxamI和GilbertW發明。GATC2024-3-133GATC

測序反應

電泳AACGTGGACTAACGTGGACAACGTGGAAACGTGGAACGTGAACGTAACGAACAAA5'

3'

正極負極ddGddAddTddC末端合成終止法測定DNA序列的原理2024-3-134DNA序列自動分析原理2024-3-135

對DNA片段的一級結構進行分析，導致一系列重大發現：4.從cDNA序列推導出蛋白質的一級結構；

1.斷裂基因(splitgene)的發現，證明真核細胞的基因不是連續的DNA片段；2.前體mRNA分子的拼接，去除內含子序列，連接成成熟mRNA；3.發現單基因遺傳病的基因結構的變異；5.根據DNA序列合成基因，並與載體連接，使之在細菌中表達，合成活性蛋白質，開創了基因工程。2024-3-1366.基因的人工合成

1978年體外首次成功地人工合成第一個完整基因。直接證實了MendelG在1865年發現的遺傳因數(基因)的化學本質，就是DNA分子。

2024-3-1377.基因組研究的進展

基因組（genome）:一個物種遺傳資訊的總和。基因結構與功能研究已經從單個基因發展到生物體整個基因組。基因組研究已從簡單的低等生物到真核生物，從多細胞生物到人類。2024-3-138

1977年:Sanger測定了ΦX174DNA全部5375bp核苷酸序列；

1978年:Fiers等測出環狀SV40DNA全部5243bp核苷酸序列；1980年代:λ噬菌體DNA全部48502堿基對的序列被測出；一些小的病毒包括乙型肝炎病毒、愛滋病毒等基因組的全序列也陸續被測定;1996年底:完成了大腸桿菌基因組DNA的全部序列測定；

1996年底:完成了真核生物酵母（Saccharomyceserevisiae）的基因組全序列測定；1998年底:長達100Mb的線蟲的基因組序列測定全部完成。這是第一個完成的多細胞生物體的全基因組序列測定。2024-3-139

人類基因組計畫（humangenomeproject,HGP）美國科學家、諾貝爾獎獲得者DulbeccoR於1986年在美國《Science》雜誌上發表的短文中率先提出，並認為這是加快癌症研究進程的一條有效途徑。主要的目標是繪製遺傳連鎖圖、物理圖、轉錄圖，並完成人類基因組全部核苷酸序列測定。測出人體細胞中24條染色體上全部30億對核苷酸的序列，把所有人類基因都明確定位在染色體上，破譯人類的全部遺傳資訊。

HGP是人類自然科學史上與曼哈頓原子彈計畫和阿波羅登月計畫相媲美的偉大科學工程。2024-3-140

研究結果表明，人類基因數量僅有3萬個左右，比此前估計的要少得多。通過研究還發現男女可能存在巨大遺傳差異，男性染色體減數分裂的突變率是女性的兩倍。在已經分析的序列中，找到很多與遺傳病有關的基因，包括乳腺癌、遺傳性耳聾、中風、癲癇症、糖尿病和各種骨骼異常的基因。2024-3-141

8.基因表達調控機制的研究操縱子學說(1961年，Jacob和Monod提出)2024-3-14280年代開始，人們逐步認識到真核基因組結構和調控的複雜性。真核基因的順式調控元件與反式作用因數、核酸與蛋白質間的分子識別與相互作用。小分子反義RNA、核酶、siRNA等。2024-3-143

1981年，AltmanS和CechTR同時發現了稱之為核酶具有催化自我剪接活性的RNA，參與基因表達的調節。無蛋白質存在時，核酶的內含子RNA能使RNA鏈本身在一特殊部位切斷和連接起來，本身並無消耗。這一重大發現為生物催化劑增添了一個RNA成員，打破了“酶必定是蛋白質”傳統的觀念,同時為生命起源的假說提供新的證據。

核酶2024-3-144Ribozyme作用機制示意圖2024-3-145

1993年，Lee等發現線蟲(C.elegans)lin-4基因編碼的小分子RNA，其長度為22～61個核苷酸，能與lin-14mRNA的3′非翻譯區（UTR）反義互補結合,阻斷lin-14的翻譯，降低線蟲早期發育階段lin-14蛋白的水準。這是繼核酶以後，內源性RNA參與基因調節的又一證據。小分子RNA2024-3-146RNA干擾（RNAi）是一種由雙鏈RNA誘發的基因沉默現象。在此過程中，與雙鏈RNA有同源序列的mRNA被降解，從而抑制了該基因的表達。RNA干擾過程主要有2個步驟：（1）長雙鏈RNA(dsRNA)被細胞內Dicer切成21～25個堿基對的短雙鏈RNA，稱為小干擾性RNA(siRNA)。（2）siRNA與細胞內的某些酶和蛋白質形成複合體—RISC，RISC可識別與siRNA有同源序列的mRNA，並在特異的位點將該mRNA切斷或者抑制蛋白質翻譯。

siRNA2024-3-1472024-3-148（二）蛋白質分子生物學：

DNA→儲存生命活動的各種資訊。

蛋白質→生命活動的執行者。蛋白質的分子生物學主要研究蛋白質的結構與功能。2024-3-149

蛋白質結構與功能的研究進展

1956年，Anfinsen和White根據對酶蛋白的變性和複性實驗，提出蛋白質的三維空間結構是由其氨基酸序列來確定的。

1958年，Ingram證明正常的血紅蛋白與鐮狀細胞溶血症病人的血紅蛋白之間，在其亞基的肽鏈上僅有一個氨基酸殘基的差別。1969年，Weber開始應用SDS-聚丙烯醯胺凝膠電泳測定蛋白質分子量；20世紀60年代先後分析了血紅蛋白、核糖核酸酶A等一批蛋白質的一級結構。

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構成生物體的每一個細胞的分裂與分化及其他各種生物學功能，均依賴於外界環境所產生的各種信號。在這些外源信號的刺激下，細胞可以將這些信號通過第二信使轉變成一系列的生物化學變化。

主要研究內容：研究細胞內、細胞間資訊傳遞的分子基礎。闡明這些變化的分子機制，明確每一條信號轉導途徑及參與該途徑的所有分子間的相互作用和調節方式。（三）細胞信號轉導機制研究2024-3-151

1965年又提出第二信使學說。

1977年，Ross等用重組實驗證實G蛋白的存在和功能，將G蛋白與腺苷環化酶的作用聯繫起來。

癌基因、抑癌基因和酪氨酸蛋白激酶的發現及其結構與功能的深入研究，使得細胞信號轉導的研究有了很大的進展。

1957年，Sutherland發現了cAMP。細胞信號轉導機制研究的進展2024-3-1522024-3-153ERK/MAPK(extracellularsignal-regulatedkinase/mitogen-activatedproteinkinase)

signaling2024-3-154三、分子生物學與生物技術2024-3-155生物技術的定義：

按照美國生物技術產業組織下的定義，生物技術(biotechnology)是指“利用細胞和分子過程來解決問題或製造產品的技術”。2024-3-156古代生物技術

釀酒、制醋、制酪、麵包發酵；人畜排泄物迴圈利用；動、植物雜交育種，嫁接等。2024-3-157

20世紀以來，分子生物學的發展，產生了重組DNA技術，推動生物技術深入發展，而導致現代生物技術作為一門交叉學科的產生。各種重組蛋白、轉基因細胞、轉基因動物和基因剔除動物的出現，是現代分子生物學技術在生物技術領域的應用與發展。2024-3-1581972年，SV40病毒DNA片段轉化大腸桿菌，使本來在真核細胞中合成的蛋白質能在細菌中合成，打破了種屬界限，開創了利用基因工程技術在原核細胞中表達真核基因產物的時代。人工合成的生長激素釋放抑制因數14肽的DNA片段與質粒重組，在大腸桿菌中合成得到這種14肽。

1978年，人生長激素191肽在大腸桿菌中表達成功。

1979年，人工合成的人胰島素基因經過重組後導入大腸桿菌，在大腸桿菌中合成了人胰島素。運用基因定向誘變技術和重組DNA技術改造酶或蛋白質的結構，使其具有更高的效能和更好的穩定性，以滿足人類社會的需求。生物技術進展2024-3-159

用轉基因動物獲取治療人類疾病的重要蛋白質。如，導入了凝血因數Ⅸ基因的轉基因綿羊分泌的乳汁中含有豐富的凝血因數Ⅸ，能有效地用於血友病的治療。

轉基因動物和基因剔除動物2024-3-160

在轉基因植物方面取得重大進展，比普通番茄保鮮時間更長的轉基因番茄投放市場。轉基因玉米、轉基因大豆相繼投入商品生產。我國科學家將蛋白酶抑制劑基因轉入棉花，獲得抗棉鈴蟲的棉花株。

轉基因植物和轉基因食品2024-3-161四、分子生物學與醫學2024-3-162

1.從機體表型來認識疾病,即根據現象和檢查所獲知的症狀與體征。

2.從組織細胞的病理、生理變化來分析和診斷疾病。使人類積累了十分豐富的醫學資料，但都不能從本質上真正認識疾病發生的根本原因，更不能從根本上治癒疾病和闡明疾病的發病機制。人類對疾病的認識：2024-3-163

現代分子生物學已經對醫學的各個領域產生了全面而深刻的影響，並逐步形成了一系列以分子冠名的交叉學科。

如分子遺傳學、分子免疫學、分子病理學、分子血液學、分子腫瘤學、分子病毒學、分子流行病學等。

由於生命本質的高度一致性，使得這些學科可以使用同一套理論、同一套技術，來解釋和研究不同的病理、生理現象，甚至治療不同的疾病。2024-3-164

由於分子生物學的發展和滲透，各種生理和病理現象都可能從基因水準找到答案。

腫瘤發生與癌基因和腫瘤抑制基因。

表明生物機體各種各樣的生命現象及生理和病理表現，幾乎無一不與基因有關。

藥物的耐藥性與抗藥基因。2024-3-165(一)分子生物學與醫學和生物學

分子生物學理論及其技術的迅猛發展和廣泛滲透對醫學的影響尤為巨大，從基因或DNA水準來探討多種多樣的生命現象，基因診斷和基因治療的開展是分子生物學在醫學領域中應用的典範。借助重組DNA技術而迅猛發展起來的醫藥工業和其他生物高技術產業正不斷佔領醫藥市場。2024-3-166（二）分子生物學與基礎醫學

基礎醫學是整個醫學科學的基石，分子生物學不僅是生命科學的前沿，也是基礎醫學的前沿。今後總的發展趨勢仍然是分子生物學向醫學，特別是基礎醫學廣泛交叉、滲透和影響。2024-3-167

1.對人的生理功能和疾病機制的研究,已由整體水準、器官水準進入到細胞和分子水準；對生命的瞭解，由表面現象觀察進入了本質的探討。2024-3-168

2.基礎醫學中不斷出現新的邊緣學科，如分子病理學、分子遺傳學、分子免疫學、分子病毒學、分子生理學、分子腫瘤學、分子藥理學、分子神經生物學等等。

2024-3-1693.傳統上按“形態”和“機能”來進行基礎醫學各個學科劃分的界限已日益模糊,出現了各學科在分子水準上進行整合的趨勢。2024-3-170

4.改變了傳統生物學的研究方法和策略，直接從基因水準入手,研究基因型和表型的相互關係。2024-3-171（三）分子生物學與病理學

由於分子生物學向病理學的滲透,出現“分子病理學”這樣一個新學科。

分子生物學理論和技術徹底改變了病理學和實驗醫學的面貌,開始從基因水準來進行疾病診斷。應用於分子病理學的基因檢測技術，揭示了疾病發生的分子事件。2024-3-172（四）基因診斷

由於重組DNA技術的問世,人們對於許多疾病的認識,已經深入到基因水準。一種從基因水準對疾病進行診斷的新技術──基因診斷技術得以誕生和發展。

基因診斷：在DNA水準或RNA水準,應用核酸分子雜交技術、限制性內切酶長度多態性（RFLP）連鎖分析、PCR技術、DNA序列分析技術以及近年發展起來的DNA晶片技術等,對人類疾病進行診斷。2024-3-173

★基因診斷技術——核酸分子雜交：

Southern印跡雜交技術：1975年，SouthernEM發明。從生物體的細胞中提取基因組DNA，並從中鑒別出某一特異的核苷酸序列。

Northern印跡雜交技術：1977年AlwineJC等發明。用於樣品中某種mRNA分子的定量，分子量大小的測定。原理：RNA分子在變性瓊脂糖凝膠中電泳，按分子量大小不同而相互分離，其原理與Southern轉移技術的方法類似。細胞原位雜交技術：1969年，Pardue等建立。2024-3-1742024-3-175★基因診斷技術——聚合酶鏈式反應(polymerasechainreaction,PCR)：1985年，MullisK首創。體外模擬細胞內DNA複製過程，進行體外基因擴增。2024-3-176★基因診斷技術——基因晶片（Genechips）技術：

基因晶片技術:將大量探針固定於支持物上，與標記的樣品進行雜交。可一次性對樣品中大量序列進行檢測和分析。解決了傳統核酸雜交技術操作繁雜、檢測效率低的問題。

通過設計不同的探針陣列和使用特定的分析方法，使該技術具有多種不同的應用價值。如基因表達譜分析、基因突變檢測、多態性分析、基因診斷等。2024-3-177基因晶片雜交流程示意圖2024-3-178綠色表示下調；紅色表示上調；黃色表示無差異多發性骨髓瘤的基因表達譜分析2024-3-1792024-3-1802024-3-181★基因診斷的其他技術：DNA序列分析技術（DNAsequencing）；限制性內切酶長度多態性（RFLP）分析；PCR-SSCP等。2024-3-182

在法醫學中利用DNA指紋圖譜技術進行刑事偵破和親子鑒定。

臨床上對遺傳病、傳染病及常見疾病（如腫瘤、心血管疾病等）的診斷。

基因分型。

基因診斷是通過直接檢測目的基因（或該基因的轉錄產物）的存在狀態對疾病作出診斷的方法。基因診斷的用途2024-3-183

基因診斷技術不僅用於出生後人群的疾病診斷,而且還應用於產前基因診斷，這樣可大大減少有先天性疾病或攜帶遺傳性疾病基因的胎兒出世，促進優生優育，提高人口素質。產前基因診斷2024-3-184(五)基因治療(genetherapy)

基因治療是分子生物學理論與技術的飛速發展給醫學帶來的新的治療手段，開闢了治療學(therapeutics)的新紀元。基因治療是臨床醫學中發展起來的新領域，發展十分迅速。2024-3-185基因轉移的兩種途徑載體目的基因invivoexvivo受體細胞2024-3-186

基因治療技術的發展與整個醫學科學的發展以及許多分子生物學新理論、新技術、新方法的應用密切相關。

臨床基因治療研究已經得到了迅速發展，基因治療的範圍從單基因缺陷遺傳病擴大到多基因遺傳病（惡性腫瘤、心血管病、免疫性疾病等）以及傳染性疾病（如肝炎、愛滋病等）。2024-3-187

狹義基因治療：目的基因導入靶細胞後與宿主細胞內的基因發生整合、成為宿主基因組的一部分，目的基因表達產物起治療疾病的作用。

廣義基因治療：通過基因轉移技術，使目的基因在細胞內得到表達，封閉、剪切致病基因的mRNA，或自殺基因產物催化藥物前體轉化為細胞毒性物質，殺死腫瘤細胞，從而達到治療疾病的目的。2024-3-188

隨著人類基因組遺傳資訊的全部破譯和基因功能的澄清，臨床醫生有可能根據病人的需要，將外源基因導入患病的細胞，替換有缺陷的基因以治療疾病。

在新的世紀，可以預期基因治療將會有一個更大的發展。

2024-3-189第一節基因一、基因概念的發展二、基因的結構2024-3-190一、基因概念的發展1909，W.L.Johannsen1910，T.H.Morgan

將遺傳因數改稱為基因（gene）提出基因型和表型的概念證實基因在染色體上2024-3-1911941，G.W.Beadle&

E.L.Tatum

提出“一個基因一種酶”學說

1944，M.McCarty&O.Avery

肺炎球菌轉化實驗1952，A.Hershey&.Chase

T4噬菌體感染細菌實驗

證實DNA是遺傳物質鏈孢黴中生化反應的遺傳控制2024-3-192異源多聚體

Hemoglobin一個基因，一條多肽鏈2024-3-193基因的概念：

儲存有功能的蛋白質多肽鏈或RNA序列資訊，以及表達這些資訊所必需的全部核苷酸序列所構成的遺傳單位。2024-3-194(一)結構基因(structuregene)(二)非結構基因二、基因的結構

基因中編碼RNA或蛋白質的DNA序列。

結構基因兩側的一段不編碼的DNA片段(側翼序列)，參與基因表達調控。2024-3-195原核生物的結構基因是連續的，

RNA合成後不需要剪接加工。（一）結構基因ayz

結構基因非結構基因非結構基因2024-3-196

2.真核生物結構基因DNA編碼序列不連續，稱為斷裂基因（splitgene/interruptedgene）

由外顯子（編碼序列)和內

含子（非編碼序列)兩部分組成，

intron

exon

2024-3-197

5′

3′exon3exon1exon2GTAGGTAG真核基因中RNA剪接的識別信號內含子的5′端以GT開始，

3′端以AG結束。3.GT-AG法則intron2intron12024-3-198(二)非結構基因

參與轉錄調控的順式作用元件

TATAAAATATTT5′3′3′5′

順式作用元件:(cis-actingelement)

能影响基因表达，但不编码RNA和

蛋白質的DNA序列。2024-3-199

順式作用元件

啟動子和上游啟動子元件增強子Poly(A)加尾信號反應元件2024-3-11001.啟動子和上游啟動子元件啟動子（promoter）：

RNA聚合酶特異性識別結合和啟動轉錄的DNA序列。有方向性，位於轉錄起始位點上游。2024-3-1101

TATA盒（TATAbox）:

位于转录起始点上游-25bp左右，核心序列TATA（A/T）A（A/T），與TATA結合蛋白結合，啟動基因轉錄。-25+1β珠蛋白基因啟動子突變:TATAA→TGTAA，降低mRNA的轉錄效率→β+地貧。transcriptionstartpoint2024-3-1102上游啟動子元件：(upstreampromoterelement)

TATA盒上游的一些特定DNA序列，反式作用因數可與這些元件結合，調控基因的轉錄效率。2024-3-1103

CAAT盒（CAATbox）：位於-70bp左右，核心序列GGNCAATCT。與CTF結合，調控轉錄效率。-25+1-70transcriptionstartpoint2024-3-1104

GC盒（GCbox）：

位於-120bp左右，核心序列CCGCC，與轉錄因數SP1結合，促進轉錄的過程。+1

-120CCGCCtranscriptionstartpoint

2024-3-1105+1

-80CACA

box-90GCCACACCC

CACA盒（CACAbox）：位於-80～-90bp，核心序列GCCACACC。β珠蛋白基因CACA盒-88,-87,-86點突變,

引起β+地貧。transcriptionstartpoint2024-3-11062.反應元件(responseelement)CAATboxTATAbox

promoter

5′3′responseelement

與被啟動的資訊分子受體結合，並能調控基因表達的特異DNA序列。糖皮質激素反應元件：cccaaagagctctgtgtcctexon

intron

exonintronexon2024-3-11073.增強子（enhancer）CAATbox

與反式作用因數結合，增強轉錄活性，在基因任意位置都有效、無方向性。TATAbox

enhancerpromoter

5′3′exon

intron

exonintronexonresponseelement凝血酶原基因增強子-922to-897:

5′-GTGTTCCTGCTCTTTGTCCCTCTGTC-3′3′2024-3-11084.沉默子（silencer）

基因表達負調控元件，與反式作用因數結合，抑制轉錄活性。甲胎蛋白基因沉默子：cttcattaacttaattt2024-3-11095′AATAAAGT3′DNA

mRNA

前体5′AAUAAAGU3′5′AAUAAAAAAAAAAA3′mRNA

結構基因末端保守的AATAAA順序及下游GT或T富含區，被多聚腺苷酸化特異因數識別，在mRNA3′端加約200個A。β珠蛋白AATAAA→AACAAA，→β+地貧。5.Poly(A)加尾信號2024-3-1110

CAATboxTATAbox

Enhancerpromoter

基因的結構exonexon非翻譯區：untranslatedregions，UTRUTRUTRPoly(A)加尾信號5′+1Stop3′結構基因intronintronexonTGAATG開放閱讀框：openreadingframe，ORFresponseelement2024-3-1111小結1.儲存有功能的蛋白質多肽鏈或RNA序列資訊，以及表達這些資訊所必需的全部核苷酸序列所構成的遺傳單位。2.順式作用元件主要有啟動子和上游

啟動子元件、增強子、沉默子、反

应元件、Poly(A)加尾信號。2024-3-1112第二節基因組(genome)

基因組：細胞或生物體一套完整單

倍體的遺傳物質的總稱。51619xy22xy2024-3-1113130~375kb痘病毒(Poxvirus)1.不同病毒基因組大小相差較大。一、病毒基因組乙型肝炎病毒（HBV）3.2kb2024-3-1114

DNA基因組多數為雙鏈、環狀或線性多數為單鏈、線性RNA基因組

2.不同病毒基因組可以是不同結構的核酸。單鏈線性RNA雙鏈線性DNA雙鏈線性RNA單鏈環狀DNA2024-3-1115人類免疫缺陷病毒（HIV）

+ssRNA逆轉錄酶核心蛋白膜蛋白3.除逆轉錄病毒外，通常為單倍體基因組。2024-3-1116+ssRNA翻譯蛋白質

病毒

顆粒mRNA

轉錄ssDNA反轉錄(+ssRNA)

基因組複製與基因表達dsDNA整合2024-3-1117+ssRNA

單鏈線性RNA，二倍體；5′端有甲基化帽，3′端有poly(A)尾。有三個基本的結構基因：gag、pol、env；5′3′gagpolenv核心蛋白逆轉錄酶膜蛋白2024-3-1118膜蛋白刺突蛋白核衣殼蛋白+ssRNASARS冠狀病毒(SARScoronavirus)4.有的病毒基因組是連續的。2024-3-1119甲型流感病毒（

influenza

Avirus)血凝素（H）神經氨酸酶（N）8節段-ssRNA有的病毒基因組分節段。2024-3-1120

大T抗原和小t抗原的mRNA有不同的剪接方式。5243bpOri猴病毒

(SV40)基因組小t抗原大T抗原5.有的病毒基因有內含子。2024-3-1121功能相關基因轉錄成多順反子mRNA；0102030405060708090100%E4E2BE2AE1AE1BE3L2L3L4L5L16.病毒基因組大部分為編碼序列；腺病毒

(adenovirus)基因組2024-3-1122噬菌體ΦX174基因組利用有限的核酸貯存更多的遺傳資訊，提高自身在進化過程中的適應能力。5386nt編碼2500個氨基酸5386nt編碼2500個氨基酸7.基因重疊（geneoverlap）2024-3-1123dsDNA開環部分雙鏈DNA基因組乙型肝炎病毒（HBV）基因組HBcAg3182bp3182bpHBsAg聚合酶HBcAgHBeAg2024-3-1124dsDNA翻譯蛋白質mRNA轉錄

基因組複製與基因表達-ssDNA反轉錄+ssDNA複製

病毒

顆粒dsDNAcccDNA修復2024-3-1125病毒基因組的結構特點2.除逆轉錄病毒外，為單倍體基因組；1.不同病毒基因組可以是不同結構的核酸；3.病毒基因組有的是連續的，有的分節段；4.有的基因有內含子；5.病毒基因組大部分為編碼序列；7.功能相關基因轉錄為多順反子mRNA。6.有基因重疊現象；2024-3-1126二、原核生物基因組細菌染色體DNA質粒DNA以大腸桿菌（Escherichiacoli）為例2024-3-1127類核（nucleoid）：細菌染色體在

細胞內形成的一個緻密區域大腸桿菌細胞結構nucleoid2024-3-1128（一）由一條環狀雙鏈DNA分子組成，

通常只有一個DNA複製起始點。大腸桿菌染色體DNA大腸桿菌4000K3000K2000K1000K0OriCTerCC-Value:4.6×106bp2024-3-1129(二)結構基因大多組成操縱子乳糖操縱子(lacoperon)tayz

opstructural

genespromoterterminatoroperator半乳糖苷酶z透酶y

半乳糖苷乙醯轉移酶a

操縱子(operon):多個功能相關的結構基因成簇串聯排列，與上游共同的調控區和下游轉錄終止信號組成的基因表達單位。2024-3-1130原核生物的mRNA是多順反子mRNAPromoterGene1Gene2Gene3TerminatorDNATranscriptionmRNA3′1235′TranslationProteins123

多順反子mRNA(polycistronicmRNA):

原核生物的一個mRNA分子帶有幾個

結構基因的遺傳資訊，利用共同的啟動

子及终止信号，组成操纵子的基因表达

调控单元。2024-3-1131（三）非編碼區主要是調控序列：複製起始區（OriC）複製終止區（TerC）轉錄起動區轉錄終止區2024-3-1132複製起始區（OriC）E.colioricregion(250bp)13-mers9-mers2024-3-1133GA

CCGCCGCU

GGCGGCAUUUU-OH3′5′UUC

G

G5′…GCCGCCAGUUCGGCUGGCGGCAUUUU…3′RNA5′…GCCGCCAGTTCGGCTGGCGGCATTTT…3′DNA強終止子：有反向重複順序，可形成

莖環結構，其後為poly(T)。轉錄終止區2024-3-1134（四）存在可移動的DNA序列

轉座（transposition）：轉座因數在基因組不同位置間的移動。

轉座因數（transposableelement）：能夠在一個DNA分子內部或兩個DNA

分子之间移动的DNA片段。2024-3-11351.轉座因數的類別

Is3

轉座酶(1)插入序列（insertionsequence,Is）

小於2000bp，只有轉座相關基因2kb2024-3-1136Tn3轉座酶Tn10

轉座酶(2)轉座子（transposon，Tn）

2~20kb，常帶有抗性基因等其他基因氨苄青黴素抗性

四環素抗性2kb2024-3-1137(3)可轉座的噬菌體轉座酶頭尾部蛋白轉座酶結合位點

轉座酶

結合位點宿主DNA宿主DNA37kbABMu噬菌體2024-3-1138簡單轉座是轉座因數從原來位置上切除並轉移到基因組新的位置複製性轉座是轉座因數複製出一個新拷貝轉移到基因組新的位置2.轉座作用的機制供體DNA轉座子受體DNA複製和轉座新的DNA切除和連接2024-3-1139轉座子FEABCD

複製插入

轉座子新拷貝

FEABC

D

引起插入突變

基因F被隔斷而失去功能

攜帶標誌基因使受體增添新基因2024-3-1140（五）其他結構特點C值：4,639,221bp基因數：4288基因大小：950bp/gene基因間隔：118bp/２gene1.基因密度非常高，基因組中編

碼區大於非編碼區；2.結構基因沒有內含子，多為

單拷貝，結構基因無重疊現象；3.重複序列很少，重複片段為

轉座子；

4.有編碼同工酶的等基因（isogene）2024-3-1141分支酸別構酶ilvBNacetolactatesynthaseⅠilvIHacetolactatesynthaseⅢ乙醯乳酸合酶entCisochorismatesynthaseentBisochorismatase2024-3-1142（六）質粒(plasmid)

質粒是存在於細菌染色體外的，具有自主複製能力的環狀雙鏈DNA分子。2024-3-1143質粒的特性

在宿主細胞內可自主複製；

所攜帶的遺傳資訊能賦予宿主特

定的遺傳性狀；

細胞分裂時恒定地傳給子代；

質粒可以轉移。2024-3-11441.基因組由一條環狀雙鏈DNA組成；2.只有一個複製起始點；3.大多數結構基因組成操縱子結構；5.無內含子，轉錄後不需要剪接；4.結構基因無重疊現象；原核生物基因組的結構特點6.基因組中編碼區大於非編碼區7.重複基因少，結構基因一般為單拷貝；9.基因組中存在可移動的DNA序列；10.非編碼區主要是調控序列。8.有編碼同工酶的等基因；2024-3-1145三、真核生物基因組

人類染色體核型由染色體DNA和線粒體DNA組成。人類線粒體DNA2024-3-11461.基因家族（genefamily）

（1）基因超家族（supergenefamily）由多基因家族及單基因組成，成員間有不同程度的同源，但它們的功能不一定相同。

是指一組有類似功能，核苷酸序列又有同源性的基因。2024-3-1147（2）核酸序列相同

組蛋白基因家族多拷貝基因形成的基因簇，

rRNA、tRNA、組蛋白基因家族。

非洲爪蟾的5SRNA基因結構5SRNA基因非轉錄空隔區2024-3-1148（3）核苷酸序列高度同源人生長激素（hGH）與人胎盤催乳素（hCS）序列比對2024-3-1149（4）編碼產物的功能或功能區相同PKCfamilyofproteins(human)2024-3-1150（5）假基因（pseudogene,Ψ）

GA

21Alu10kb珠蛋白基因簇中的假基因

與有功能的基因相似，不表達或表達產物沒有功能。2024-3-1151TranslationTranscriptionmRNADNAProteinPromoterStructureGene3′5′2.單順反子mRNA(monocistronicmRNA)

真核生物的一個編碼基因轉錄生成一個mRNA。2024-3-1152(1)單拷貝序列（低度重複序列）：

在單倍體基因組中只出現一次或數次，結構基因主要是單拷貝序列。3.染色體DNA的類型2024-3-1153(2)中度重複序列:tRNA、rRNA組蛋白、免疫球蛋白可能與基因調控相關序列重複次數10-105。2024-3-1154(3)高度重複序列

（highlyrepetitivesequences）B.串聯重複序列（tandemrepeats）A.反向重複序列

（invertedrepeats)重複次數>106次衛星DNA（satelliteDNA）2024-3-1155A.

反向重複序列5′AAACCACCGCTGGTAGCGGTGGTTT3′

3′TTTGGTGGCGACCATCGCCACCAAA5′5′AAACCACCGCTAGCGGTGGTTT3′3′TTTGGTGGCGATCGCCACCAAA5′回文結構

兩個順序列相同的拷貝在DNA鏈上呈反向排列。2024-3-1156TC

GCCAAGCGGTGGTTT3′GAC

TG5′AAACCC

GTG

GCGACCAAA5′TCA3′TTTGGACCGCT形成髮夾結構2024-3-1157B.串聯重複序列（衛星DNA）

有相同的核心序列,多為2～70bp。

主帶光密度

衛星DNA數浮力密度2024-3-1158a.大衛星（macro-satellite）DNA：

重複單位5~10bp，其多態性不顯著。

光密度260nm果蠅基因組ACAAACTACAAACTATAAACTATAAACTACAAATTACAAATT

衛星帶浮力密度主帶2024-3-1159b.小衛星（mini-satellite）DNA：重複單位9～24bp，呈高度多態性。

可變數目串聯重複序列

（variablenumberoftandemrepeat,VNTR）

端粒DNA：（TTAGGG）n，2～20kb，

染色體複製，末端保護。

核心序列：GGGCAGGAXG2024-3-1160c.微衛星DNA

(micro-satelliteDNA)即短串聯重複(shorttandemrepeat,STR)。重複單位2~6bp，常見為(AC)n和(TG)n；重複次數10~60次，總長度小於150bp；高度多態性，可作遺傳標記。2024-3-1161遺傳資訊傳遞中心法則2024-3-1162

生物基因組中結構基因所攜帶的遺傳資訊，經過轉錄、翻譯等一系列過程，合成具有特定的生物學功能和生物學效應的RNA或蛋白質的全過程。一、基因表達的概念2024-3-1163二、基因表達的特點（一）時間特異性

發育階段特異性

（二）空間特異性

組織細胞特異性2024-3-1164

按對刺激的反應性分為兩大類：（一）基本（組成性）表達

基因較少受環境因素影響，而是在個體各個生長階段的大多數或幾乎全部組織中持續表達，或變化很小。如管家基因。三、基因表達的方式2024-3-1165（二）誘導和阻遏表達誘導表達(inductionexpression)阻遏表達(repressionexpression)協調表達(coordinanceexpression)

在一定機制下，功能相關的一組基因，協調一致，共同表達。2024-3-1166

四、基因表達調控的概念

機體各種細胞中含有的相同遺傳資訊(相同的結構基因)，根據機體的不同發育階段、不同的組織細胞及不同的功能狀態，選擇性、程式性地表達特定數量的特定基因的過程。2024-3-1167五、基因表達的調控因數

蛋白質(主要)

小分子RNA(某些環節)2024-3-1168六、基因表達調控水準

基因組

轉錄

轉錄後

翻譯

翻譯後2024-3-1169

第一節

原核生物基因表達調控

原核生物基因表達調控主要在轉錄水準，其次是翻譯水準。

本節主要以大腸桿菌為例介紹原核生物基因表達的調控。2024-3-1170一、原核生物基因表達的特點

1.只有一種RNA聚合酶2.基因表達以操縱子為基本單位2024-3-1171操縱子學說開創了基因表達調控的研究F.Jacob

J.L.Monod

2024-3-1172操縱子模型ppromoter調控序列結構基因：多個串聯ayzstructuralgene操縱子(operon)

:一個多順反子轉錄單位與其調控序列即構成操縱子。2024-3-1173PromoterGene1Gene2Gene3TerminatorDNATranscriptionmRNA3′1235′TranslationProteins123原核生物的mRNA是多順反子mRNA2024-3-11743.轉錄和翻譯偶聯進行；4.mRNA翻譯起始部位有特殊的堿基序列—SD序列。共有序列為AGGAGG2024-3-1175

5.原核生物基因表達調控主要在轉錄水準，即對RNA合成的調控。

通常有兩種方式：

(1)起始調控，即啟動子調控

(2)終止調控(衰減子調控)2024-3-1176二、原核生物基因表達調控的機制

(一)轉錄起始的調控

(二)轉錄終止的調控

(三)翻譯水準的調控

2024-3-1177(一)轉錄起始的調控

1.б因數與轉錄起始的調控

核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)

2024-3-1178調控RNA聚合酶與特異DNA區域結合：確保RNA聚合酶與特異啟動子序列穩定結合，而不是與其它位點結合。(1)б因數2024-3-1179

不同的σ因數決定RNA聚合酶對一個或一套啟動子序列的特異性識別和結合能力。最早發現的σ因數：σ70新發現：σ32、σ54

、σ282024-3-1180(2)啟動子序列RNA轉錄起始-35區-10區TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBAD

TTGACA

TATAAT共有序列2024-3-1181

共有序列決定啟動子序列的轉錄活性強弱。

某些特異因數（蛋白質）決定RNA聚合酶對一個或一套啟動子序列的特異性識別和結合能力。2024-3-1182

2.轉錄起始的負調控

乳糖操縱子（lactoseoperon,lac）是原核生物基因轉錄負調控的最典型模式。2024-3-1183

乳糖操縱子的結構

結構基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙醯基轉移酶阻遏基因I

調控區CAP結合位點

啟動子操縱元件ZYAOPDNA2024-3-1184mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時阻遏蛋白的負性調節阻遏基因2024-3-1185誘導劑（inducer）乳糖

1,6-別乳糖異丙基硫代半乳糖苷（IPTG）2024-3-1186

操縱元件在操縱子的位置是從-7至+28，RNA聚合酶所占的區域是從-35至+20，兩者有部分重疊，因此阻遏蛋白和RNA聚合酶與DNA的結合是相互排斥的。2024-3-1187

與lac阻遏蛋白結合的操縱基因區域具有反向重複序列，能與蛋白質特異結合的DNA特徵性結構。

-10+1+10+20+30.....5′ATGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACAGGAA3′3′TACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGTCCTT5′

2024-3-11883.轉錄起始的正調控

阿拉伯糖操縱子是正調控的典型例子。

阿拉伯糖操縱子的基因結構圖

2024-3-1189AraC對阿拉伯糖操縱子的調節2024-3-1190轉錄活性提高50倍無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時乳糖操縱子中CAP的正性調節ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP2024-3-1191

cAMP:環一磷酸腺苷CAP：分解代謝基因啟動蛋白質(catabolitegeneactivatorprotein，CAP)

CAP的活性依賴cAMP，形成cAMP-CAP複合物，促進多種操縱子轉錄起始。cAMP與葡萄糖相關性：

葡萄糖↑，cAMP↓

葡萄糖↓，cAMP↑2024-3-1192

4．轉錄起始的複合調控

在大腸桿菌的許多操縱子中，基因的轉錄不是由單一因數調控的，而是通過負調控因數和正調控因數進行複合調控。糖代謝有關的操縱子，如lac操縱子。

2024-3-1193

阻遏蛋白與cAMP-CAP對乳糖操縱子轉錄的調控2024-3-1194

※單純乳糖存在時，細菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時，細菌首先利用葡萄糖。※葡萄糖對lac

操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏。

2024-3-1195

（二）轉錄終止的調控轉錄終止調控方式分兩大類：A.依賴ρ因數的終止調控B.不依賴ρ因數的終止調控例：色氨酸操縱子的表達調控2024-3-1196色氨酸操縱子的結構及其調控方式

2024-3-1197

色氨酸操縱子mRNA引導序列不同區域互補所形成的不同二級結構

2024-3-1198色氨酸豐富時，核蛋白體順利沿引導序列移動直達最後一個密碼子UGA，合成完整的引導肽。RNA聚合酶停止在衰減子部位。2024-3-1199色氨酸缺乏時，核蛋白體終止在1區Trp密碼子部位，RNA聚合酶通過衰減子區域而繼續轉錄。

2024-3-1200

(三)翻譯水準的調控

翻譯一般在起始和終止階段受到調節。調控分子:RNA、蛋白質

直接或間接決定翻譯起始位點能否為核蛋白體所利用。

2024-3-12011.反義RNA的調控作用

反義RNA

能與特定mRNA互補結合的RNA片段。天然的具有功能的反義RNA分子一般在200個堿基以下。2024-3-1202反義RNA有三種作用方式：①與mRNA5ˊ端非翻譯區包括SD序列相結合，直接抑制翻譯。②與mRNA5ˊ端編碼區起始密碼子AUG結合，抑制mRNA翻譯起始。

③與mRNA的非編碼區互補結合，使mRNA構象改變，影響其與核糖體結合，間接抑制了mRNA的翻譯。2024-3-1203

反義RNA調控Tn10轉位酶基因的表達2024-3-12042.RNA穩定性與調控的關係mRNA穩定性與其序列和結構有關。3.蛋白質合成的自身調控

如：核糖體蛋白2024-3-1205第二節真核生物基因表達的調控

單細胞真核生物，如酵母基因表達的調控和原核生物表達的調控基本相同。多細胞真核生物，遺傳資訊從細胞核的基因組DNA傳遞到基因編碼的蛋白質均受到多層次的調控。2024-3-1206一、真核生物基因表達的特點

1.細胞的全能性

2.基因表達的時間性和空間性2024-3-1207Gγ

δ

β

Aγ

ζ2α2α1HbGrow1HbPorlandHbGrowⅡ

HbFHbA2HbA胚胎期胎兒期成人期不同發育時期珠蛋白基因表達和血紅蛋白分子類型胚胎期胎兒期和成人期ε2024-3-1208

3.轉錄和翻譯分開進行

4.

初級轉錄產物要經過轉錄後加工修飾初級轉錄產物為核不均一RNA（heterogeneousnuclearRNA,

hnRNA）5.部分基因多拷貝

6.不存在操縱子結構

真核生物的mRNA是單順反子mRNA(monocistronicmRNA)2024-3-1209TranslationTranscriptionmRNADNAProteinPromoterGene3′5′單順反子mRNA

(monocistronicmRNA)2024-3-1210（一）基因組DNA水準的調控

1.染色質丟失

不可逆調控。如一些低等生物（如線蟲）體細胞發育過程中發生染色質丟失。二、真核生物基因表達調控的機