医学分子生物学课件

2024/4/61

绪论

Introduction2024/4/62

一、分子生物学的定义2024/4/63从整体水平到分子水平示意图分子水平细胞水平整体水平

生命科学的发展过程：RobertHooke,1665Watson,Crick,19532024/4/64生命科学的前沿领域：分子生物学、分子遗传学、细胞生物学、发育生物学和神经生物学，而分子生物学是生命科学的核心前沿。

生命科学是研究生命现象和生命活动规律的一门综合性学科。

生命科学的研究内容：生命物质的结构与功能，生物与生物之间及生物与环境之间相互关系。2024/4/65

分子生物学——从分子水平研究生命现象及其规律的一门新兴学科。它是生命科学中发展最快并且与其他学科广泛交叉和渗透的前沿领域。2024/4/661950年，Astbury在一次讲演中首先使用“分子生物学(MolecularBiology)”这一术语,用以说明它是研究生物大分子的化学和物理学结构。现代分子生物学的建立2024/4/67FurberyS等（1949～1952年）应用X线衍射分析阐明了核苷酸并非平面的空间构象，提出了DNA是螺旋型结构。核酸结构研究的重大进展Chargaff等（1948～1953年）用新的层析和电泳技术分析了组成DNA的碱基和核苷酸量，积累了大量的数据，提出了DNA碱基组成含量比A=T、G=C的Chargaff规则，为碱基配对的DNA结构打下了基础。2024/4/68DNA的X光衍射照片1952年5月拍摄罗沙琳德·弗兰克林（RosalindFranklin，1920－1958）英国

DNA双螺旋结构模型的建立2024/4/69DNA双螺旋结构模型的建立诺贝尔医学与生理学奖1962年2024/4/610Watson和Crick的“双螺旋结构模型”启动了现代分子生物学及重组DNA技术的发展。确立了核酸作为信息分子的结构基础；提出了碱基配对是核酸复制、遗传信息传递的基本方式，最终确定了核酸是遗传的物质基础。2024/4/611

分子生物学技术：

例如：DNA及RNA的印迹转移、核酸分子杂交、基因克隆、基因体外扩增、DNA测序等，形成了独特的重组DNA技术及其相关技术。

由生物化学、生物物理学、细胞生物学、遗传学、应用微生物学及免疫学等各专业技术的渗透、综合而成，并在此基础上发明和创造了一系列新的技术。2024/4/612分子克隆(molecularcloning)

重组DNA(recombinantDNA)技术是近代分子生物学技术的核心。

基因操作(genemanipulation)

基因克隆(genecloning)基因工程(geneengineering)2024/4/613分子医学（molecularmedicine）：由于分子生物学渗透进入生物学和医学的每一分支领域，全面推动了生命科学和医学的发展，如疾病的发病机理研究、疾病的诊断和治疗，使医学进入了一个崭新的时代。

2024/4/614☻遗传性状改变或治疗疾病可能从某一生物体的基因组中分离出某一特定功能基因，导入到另一种生物的基因组。

☻基因工程和蛋白质工程外源DNA与载体在体外进行连接，或在基因水平上进行有目的的定向诱变。

2024/4/615

按照自己的意愿和社会需求改造基因，制备各种具有生物活性的大分子。

DNA、RNA和蛋白质成为人类治病、防病的一类新型的生物制品或药物。生物技术在农业上用于快速育种，改良品种，提高农作物的产量、质量以及抗病虫害，抗干旱等能力。2024/4/616二、分子生物学的研究内容2024/4/617分子生物学的主要研究内容

生物大分子的结构、功能，生物大分子之间的相互作用及其与疾病发生、发展的关系。主要包含三个方面的内容：（一）核酸分子生物学（二）蛋白质分子生物学（三）细胞信号转导机制研究

2024/4/618

核酸的分子生物学主要研究核酸的结构与功能。核酸的主要作用是携带和传递遗传信息，因此形成了分子遗传学。（一）核酸分子生物学：

分子遗传学：形成了比较完整的理论体系和研究技术，它是目前分子生物学中内容最丰富、研究最活跃的一个领域。2024/4/6191.核酸的发现1868年，Miescher从脓细胞中分离出细胞核，用稀碱抽提再加入酸，得到了一种含氮和磷特别丰富的物质，当时称其为核素（nuclein）。

1872年，他又在鲑鱼精子细胞核中发现了这类物质，而且呈酸性，故称之为核酸（nucleicacid）。FriedeichMiescher

核酸的生物学功能？

1928年以后，核酸功能研究取得了重大进展2024/4/620In1928,anexperimentofFrederickGriffithusingpneumoniabacteriaandmice2024/4/6211952年，HersheyAD和ChaseM用35S和32p分别标记T2噬菌体的蛋白质和核酸，感染大肠杆菌。在大肠杆菌细胞内增殖的噬菌体中都只含有32P而不含35S,这表明噬菌体的增殖直接取决于DNA而不是蛋白质。2.核酸功能研究的重大进展1944年，AveryOT等首次证明肺炎双球菌的DNA与其转化和遗传有关。2024/4/622In1952,AlfredHersheyandMarthaChasedidanexperimentwhichissosignificant,ithasbeennicknamedthe“Hershey-ChaseExperiment”.2024/4/623In1952,AlfredHersheyandMarthaChasedidanexperimentwhichissosignificant,ithasbeennicknamedthe“Hershey-ChaseExperiment”.2024/4/624TheMeselson-Stahlexperiment（1958）showedthatDNAisreplicatedsemi-conservativelyDNAsemi-conservativeduplication

3.DNA复制模型2024/4/625DNA复制模型2024/4/6261961年，Nirenberg、Ochoa以及Khorana等几组科学家的共同努力，破译了RNA上编码合成蛋白质的遗传密码，证明DNA分子中的遗传信息是以三联密码的形式贮存。

遗传密码在生物界具有通用性。2024/4/6272024/4/6282024/4/6294.

中心法则的建立

1958年，Crick提出了分子生物学的中心法则（centraldogma）。

中心法则是分子遗传学基本理论体系。2024/4/6302024/4/631

1970年，Temin和Baltimore从鸡Rous肉瘤病毒(Roussarcomavirus，RSV)颗粒中发现了以RNA为模板合成DNA的逆转录酶，进一步补充了遗传信息传递的中心法则。

2024/4/6325．DNA序列分析技术：

双脱氧末端终止法:1977年，剑桥大学SangerF等发明。

化学裂解法:

美国MaxamI和GilbertW发明。GATC2024/4/633GATC

测序反应

电泳AACGTGGACTAACGTGGACAACGTGGAAACGTGGAACGTGAACGTAACGAACAAA5'

3'

正极负极ddGddAddTddC末端合成终止法测定DNA序列的原理2024/4/634DNA序列自动分析原理2024/4/635

对DNA片段的一级结构进行分析，导致一系列重大发现：4.从cDNA序列推导出蛋白质的一级结构；

1.断裂基因(splitgene)的发现，证明真核细胞的基因不是连续的DNA片段；2.前体mRNA分子的拼接，去除内含子序列，连接成成熟mRNA；3.发现单基因遗传病的基因结构的变异；5.根据DNA序列合成基因，并与载体连接，使之在细菌中表达，合成活性蛋白质，开创了基因工程。2024/4/6366.基因的人工合成

1978年体外首次成功地人工合成第一个完整基因。直接证实了MendelG在1865年发现的遗传因子(基因)的化学本质，就是DNA分子。

2024/4/6377.基因组研究的进展

基因组（genome）:一个物种遗传信息的总和。基因结构与功能研究已经从单个基因发展到生物体整个基因组。基因组研究已从简单的低等生物到真核生物，从多细胞生物到人类。2024/4/638

1977年:Sanger测定了ΦX174DNA全部5375bp核苷酸序列；

1978年:Fiers等测出环状SV40DNA全部5243bp核苷酸序列；1980年代:λ噬菌体DNA全部48502碱基对的序列被测出；一些小的病毒包括乙型肝炎病毒、艾滋病毒等基因组的全序列也陆续被测定;1996年底:完成了大肠杆菌基因组DNA的全部序列测定；

1996年底:完成了真核生物酵母（Saccharomyceserevisiae）的基因组全序列测定；1998年底:长达100Mb的线虫的基因组序列测定全部完成。这是第一个完成的多细胞生物体的全基因组序列测定。2024/4/639

人类基因组计划（humangenomeproject,HGP）美国科学家、诺贝尔奖获得者DulbeccoR于1986年在美国《Science》杂志上发表的短文中率先提出，并认为这是加快癌症研究进程的一条有效途径。主要的目标是绘制遗传连锁图、物理图、转录图，并完成人类基因组全部核苷酸序列测定。测出人体细胞中24条染色体上全部30亿对核苷酸的序列，把所有人类基因都明确定位在染色体上，破译人类的全部遗传信息。

HGP是人类自然科学史上与曼哈顿原子弹计划和阿波罗登月计划相媲美的伟大科学工程。2024/4/640

研究结果表明，人类基因数量仅有3万个左右，比此前估计的要少得多。通过研究还发现男女可能存在巨大遗传差异，男性染色体减数分裂的突变率是女性的两倍。在已经分析的序列中，找到很多与遗传病有关的基因，包括乳腺癌、遗传性耳聋、中风、癫痫症、糖尿病和各种骨骼异常的基因。2024/4/641

8.基因表达调控机制的研究操纵子学说(1961年，Jacob和Monod提出)2024/4/64280年代开始，人们逐步认识到真核基因组结构和调控的复杂性。真核基因的顺式调控元件与反式作用因子、核酸与蛋白质间的分子识别与相互作用。小分子反义RNA、核酶、siRNA等。2024/4/643

1981年，AltmanS和CechTR同时发现了称之为核酶具有催化自我剪接活性的RNA，参与基因表达的调节。无蛋白质存在时，核酶的内含子RNA能使RNA链本身在一特殊部位切断和连接起来，本身并无消耗。这一重大发现为生物催化剂增添了一个RNA成员，打破了“酶必定是蛋白质”传统的观念,同时为生命起源的假说提供新的证据。

核酶2024/4/644Ribozyme作用机制示意图2024/4/645

1993年，Lee等发现线虫(C.elegans)lin-4基因编码的小分子RNA，其长度为22～61个核苷酸，能与lin-14mRNA的3′非翻译区（UTR）反义互补结合,阻断lin-14的翻译，降低线虫早期发育阶段lin-14蛋白的水平。这是继核酶以后，内源性RNA参与基因调节的又一证据。小分子RNA2024/4/646RNA干扰（RNAi）是一种由双链RNA诱发的基因沉默现象。在此过程中，与双链RNA有同源序列的mRNA被降解，从而抑制了该基因的表达。RNA干扰过程主要有2个步骤：（1）长双链RNA(dsRNA)被细胞内Dicer切成21～25个碱基对的短双链RNA，称为小干扰性RNA(siRNA)。（2）siRNA与细胞内的某些酶和蛋白质形成复合体—RISC，RISC可识别与siRNA有同源序列的mRNA，并在特异的位点将该mRNA切断或者抑制蛋白质翻译。

siRNA2024/4/6472024/4/648（二）蛋白质分子生物学：

DNA→储存生命活动的各种信息。

蛋白质→生命活动的执行者。蛋白质的分子生物学主要研究蛋白质的结构与功能。2024/4/649

蛋白质结构与功能的研究进展

1956年，Anfinsen和White根据对酶蛋白的变性和复性实验，提出蛋白质的三维空间结构是由其氨基酸序列来确定的。

1958年，Ingram证明正常的血红蛋白与镰状细胞溶血症病人的血红蛋白之间，在其亚基的肽链上仅有一个氨基酸残基的差别。1969年，Weber开始应用SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳测定蛋白质分子量；20世纪60年代先后分析了血红蛋白、核糖核酸酶A等一批蛋白质的一级结构。

2024/4/650

构成生物体的每一个细胞的分裂与分化及其他各种生物学功能，均依赖于外界环境所产生的各种信号。在这些外源信号的刺激下，细胞可以将这些信号通过第二信使转变成一系列的生物化学变化。

主要研究内容：研究细胞内、细胞间信息传递的分子基础。阐明这些变化的分子机制，明确每一条信号转导途径及参与该途径的所有分子间的相互作用和调节方式。（三）细胞信号转导机制研究2024/4/651

1965年又提出第二信使学说。

1977年，Ross等用重组实验证实G蛋白的存在和功能，将G蛋白与腺苷环化酶的作用联系起来。

癌基因、抑癌基因和酪氨酸蛋白激酶的发现及其结构与功能的深入研究，使得细胞信号转导的研究有了很大的进展。

1957年，Sutherland发现了cAMP。细胞信号转导机制研究的进展2024/4/6522024/4/653ERK/MAPK(extracellularsignal-regulatedkinase/mitogen-activatedproteinkinase)

signaling2024/4/654三、分子生物学与生物技术2024/4/655生物技术的定义：

按照美国生物技术产业组织下的定义，生物技术(biotechnology)是指“利用细胞和分子过程来解决问题或制造产品的技术”。2024/4/656古代生物技术

酿酒、制醋、制酪、面包发酵；人畜排泄物循环利用；动、植物杂交育种，嫁接等。2024/4/657

20世纪以来，分子生物学的发展，产生了重组DNA技术，推动生物技术深入发展，而导致现代生物技术作为一门交叉学科的产生。各种重组蛋白、转基因细胞、转基因动物和基因剔除动物的出现，是现代分子生物学技术在生物技术领域的应用与发展。2024/4/6581972年，SV40病毒DNA片段转化大肠杆菌，使本来在真核细胞中合成的蛋白质能在细菌中合成，打破了种属界限，开创了利用基因工程技术在原核细胞中表达真核基因产物的时代。人工合成的生长激素释放抑制因子14肽的DNA片段与质粒重组，在大肠杆菌中合成得到这种14肽。

1978年，人生长激素191肽在大肠杆菌中表达成功。

1979年，人工合成的人胰岛素基因经过重组后导入大肠杆菌，在大肠杆菌中合成了人胰岛素。运用基因定向诱变技术和重组DNA技术改造酶或蛋白质的结构，使其具有更高的效能和更好的稳定性，以满足人类社会的需求。生物技术进展2024/4/659

用转基因动物获取治疗人类疾病的重要蛋白质。如，导入了凝血因子Ⅸ基因的转基因绵羊分泌的乳汁中含有丰富的凝血因子Ⅸ，能有效地用于血友病的治疗。

转基因动物和基因剔除动物2024/4/660

在转基因植物方面取得重大进展，比普通西红柿保鲜时间更长的转基因西红柿投放市场。转基因玉米、转基因大豆相继投入商品生产。我国科学家将蛋白酶抑制剂基因转入棉花，获得抗棉铃虫的棉花株。

转基因植物和转基因食品2024/4/661四、分子生物学与医学2024/4/662

1.从机体表型来认识疾病,即根据现象和检查所获知的症状与体征。

2.从组织细胞的病理、生理变化来分析和诊断疾病。使人类积累了十分丰富的医学资料，但都不能从本质上真正认识疾病发生的根本原因，更不能从根本上治愈疾病和阐明疾病的发病机制。人类对疾病的认识：2024/4/663

现代分子生物学已经对医学的各个领域产生了全面而深刻的影响，并逐步形成了一系列以分子冠名的交叉学科。

如分子遗传学、分子免疫学、分子病理学、分子血液学、分子肿瘤学、分子病毒学、分子流行病学等。

由于生命本质的高度一致性，使得这些学科可以使用同一套理论、同一套技术，来解释和研究不同的病理、生理现象，甚至治疗不同的疾病。2024/4/664

由于分子生物学的发展和渗透，各种生理和病理现象都可能从基因水平找到答案。

肿瘤发生与癌基因和肿瘤抑制基因。

表明生物机体各种各样的生命现象及生理和病理表现，几乎无一不与基因有关。

药物的耐药性与抗药基因。2024/4/665(一)分子生物学与医学和生物学

分子生物学理论及其技术的迅猛发展和广泛渗透对医学的影响尤为巨大，从基因或DNA水平来探讨多种多样的生命现象，基因诊断和基因治疗的开展是分子生物学在医学领域中应用的典范。借助重组DNA技术而迅猛发展起来的医药工业和其他生物高技术产业正不断占领医药市场。2024/4/666（二）分子生物学与基础医学

基础医学是整个医学科学的基石，分子生物学不仅是生命科学的前沿，也是基础医学的前沿。今后总的发展趋势仍然是分子生物学向医学，特别是基础医学广泛交叉、渗透和影响。2024/4/667

1.对人的生理功能和疾病机制的研究,已由整体水平、器官水平进入到细胞和分子水平；对生命的了解，由表面现象观察进入了本质的探讨。2024/4/668

2.基础医学中不断出现新的边缘学科，如分子病理学、分子遗传学、分子免疫学、分子病毒学、分子生理学、分子肿瘤学、分子药理学、分子神经生物学等等。

2024/4/6693.传统上按“形态”和“机能”来进行基础医学各个学科划分的界限已日益模糊,出现了各学科在分子水平上进行整合的趋势。2024/4/670

4.改变了传统生物学的研究方法和策略，直接从基因水平入手,研究基因型和表型的相互关系。2024/4/671（三）分子生物学与病理学

由于分子生物学向病理学的渗透,出现“分子病理学”这样一个新学科。

分子生物学理论和技术彻底改变了病理学和实验医学的面貌,开始从基因水平来进行疾病诊断。应用于分子病理学的基因检测技术，揭示了疾病发生的分子事件。2024/4/672（四）基因诊断

由于重组DNA技术的问世,人们对于许多疾病的认识,已经深入到基因水平。一种从基因水平对疾病进行诊断的新技术──基因诊断技术得以诞生和发展。

基因诊断：在DNA水平或RNA水平,应用核酸分子杂交技术、限制性内切酶长度多态性（RFLP）连锁分析、PCR技术、DNA序列分析技术以及近年发展起来的DNA芯片技术等,对人类疾病进行诊断。2024/4/673

★基因诊断技术——核酸分子杂交：

Southern印迹杂交技术：1975年，SouthernEM发明。从生物体的细胞中提取基因组DNA，并从中鉴别出某一特异的核苷酸序列。

Northern印迹杂交技术：1977年AlwineJC等发明。用于样品中某种mRNA分子的定量，分子量大小的测定。原理：RNA分子在变性琼脂糖凝胶中电泳，按分子量大小不同而相互分离，其原理与Southern转移技术的方法类似。细胞原位杂交技术：1969年，Pardue等建立。2024/4/6742024/4/675★基因诊断技术——聚合酶链式反应(polymerasechainreaction,PCR)：1985年，MullisK首创。体外模拟细胞内DNA复制过程，进行体外基因扩增。2024/4/676★基因诊断技术——基因芯片（Genechips）技术：

基因芯片技术:将大量探针固定于支持物上，与标记的样品进行杂交。可一次性对样品中大量序列进行检测和分析。解决了传统核酸杂交技术操作繁杂、检测效率低的问题。

通过设计不同的探针阵列和使用特定的分析方法，使该技术具有多种不同的应用价值。如基因表达谱分析、基因突变检测、多态性分析、基因诊断等。2024/4/677基因芯片杂交流程示意图2024/4/678绿色表示下调；红色表示上调；黄色表示无差异多发性骨髓瘤的基因表达谱分析2024/4/6792024/4/6802024/4/681★基因诊断的其它技术：DNA序列分析技术（DNAsequencing）；限制性内切酶长度多态性（RFLP）分析；PCR-SSCP等。2024/4/682

在法医学中利用DNA指纹图谱技术进行刑事侦破和亲子鉴定。

临床上对遗传病、传染病及常见疾病（如肿瘤、心血管疾病等）的诊断。

基因分型。

基因诊断是通过直接检测目的基因（或该基因的转录产物）的存在状态对疾病作出诊断的方法。基因诊断的用途2024/4/683

基因诊断技术不仅用于出生后人群的疾病诊断,而且还应用于产前基因诊断，这样可大大减少有先天性疾病或携带遗传性疾病基因的胎儿出世，促进优生优育，提高人口素质。产前基因诊断2024/4/684(五)基因治疗(genetherapy)

基因治疗是分子生物学理论与技术的飞速发展给医学带来的新的治疗手段，开辟了治疗学(therapeutics)的新纪元。基因治疗是临床医学中发展起来的新领域，发展十分迅速。2024/4/685基因转移的两种途径载体目的基因invivoexvivo受体细胞2024/4/686

基因治疗技术的发展与整个医学科学的发展以及许多分子生物学新理论、新技术、新方法的应用密切相关。

临床基因治疗研究已经得到了迅速发展，基因治疗的范围从单基因缺陷遗传病扩大到多基因遗传病（恶性肿瘤、心血管病、免疫性疾病等）以及传染性疾病（如肝炎、艾滋病等）。2024/4/687

狭义基因治疗：目的基因导入靶细胞后与宿主细胞内的基因发生整合、成为宿主基因组的一部分，目的基因表达产物起治疗疾病的作用。

广义基因治疗：通过基因转移技术，使目的基因在细胞内得到表达，封闭、剪切致病基因的mRNA，或自杀基因产物催化药物前体转化为细胞毒性物质，杀死肿瘤细胞，从而达到治疗疾病的目的。2024/4/688

随着人类基因组遗传信息的全部破译和基因功能的澄清，临床医生有可能根据病人的需要，将外源基因导入患病的细胞，替换有缺陷的基因以治疗疾病。

在新的世纪，可以预期基因治疗将会有一个更大的发展。

2024/4/689第一节基因一、基因概念的发展二、基因的结构2024/4/690一、基因概念的发展1909，W.L.Johannsen1910，T.H.Morgan

将遗传因子改称为基因（gene）提出基因型和表型的概念证实基因在染色体上2024/4/6911941，G.W.Beadle&

E.L.Tatum

提出“一个基因一种酶”学说

1944，M.McCarty&O.Avery

肺炎球菌转化实验1952，A.Hershey&.Chase

T4噬菌体感染细菌实验

证实DNA是遗传物质链孢霉中生化反应的遗传控制2024/4/692异源多聚体

Hemoglobin一个基因，一条多肽链2024/4/693基因的概念：

储存有功能的蛋白质多肽链或RNA序列信息，以及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列所构成的遗传单位。2024/4/694(一)结构基因(structuregene)(二)非结构基因二、基因的结构

基因中编码RNA或蛋白质的DNA序列。

结构基因两侧的一段不编码的DNA片段(侧翼序列)，参与基因表达调控。2024/4/695原核生物的结构基因是连续的，

RNA合成后不需要剪接加工。（一）结构基因ayz

结构基因非结构基因非结构基因2024/4/696

2.真核生物结构基因DNA编码序列不连续，称为断裂基因（splitgene/interruptedgene）

由外显子（编码序列)和内

含子（非编码序列)两部分组成，

intron

exon

2024/4/697

5′

3′exon3exon1exon2GTAGGTAG真核基因中RNA剪接的识别信号内含子的5′端以GT开始，

3′端以AG结束。3.GT-AG法则intron2intron12024/4/698(二)非结构基因

参与转录调控的顺式作用元件

TATAAAATATTT5′3′3′5′

顺式作用元件:(cis-actingelement)

能影响基因表达，但不编码RNA和

蛋白质的DNA序列。2024/4/699

顺式作用元件

启动子和上游启动子元件增强子Poly(A)加尾信号反应元件2024/4/61001.启动子和上游启动子元件启动子（promoter）：

RNA聚合酶特异性识别结合和启动转录的DNA序列。有方向性，位于转录起始位点上游。2024/4/6101

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），与TATA结合蛋白结合，启动基因转录。-25+1β珠蛋白基因启动子突变:TATAA→TGTAA，降低mRNA的转录效率→β+地贫。transcriptionstartpoint2024/4/6102上游启动子元件：(upstreampromoterelement)

TATA盒上游的一些特定DNA序列，反式作用因子可与这些元件结合，调控基因的转录效率。2024/4/6103

CAAT盒（CAATbox）：位于-70bp左右，核心序列GGNCAATCT。与CTF结合，调控转录效率。-25+1-70transcriptionstartpoint2024/4/6104

GC盒（GCbox）：

位于-120bp左右，核心序列CCGCC，与转录因子SP1结合，促进转录的过程。+1

-120CCGCCtranscriptionstartpoint

2024/4/6105+1

-80CACA

box-90GCCACACCC

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

引起β+地贫。transcriptionstartpoint2024/4/61062.反应元件(responseelement)CAATboxTATAbox

promoter

5′3′responseelement

与被激活的信息分子受体结合，并能调控基因表达的特异DNA序列。糖皮质激素反应元件：cccaaagagctctgtgtcctexon

intron

exonintronexon2024/4/61073.增强子（enhancer）CAATbox

与反式作用因子结合，增强转录活性，在基因任意位置都有效、无方向性。TATAbox

enhancerpromoter

5′3′exon

intron

exonintronexonresponseelement凝血酶原基因增强子-922to-897:

5′-GTGTTCCTGCTCTTTGTCCCTCTGTC-3′3′2024/4/61084.沉默子（silencer）

基因表达负调控元件，与反式作用因子结合，抑制转录活性。甲胎蛋白基因沉默子：cttcattaacttaattt2024/4/61095′AATAAAGT3′DNA

mRNA

前体5′AAUAAAGU3′5′AAUAAAAAAAAAAA3′mRNA

结构基因末端保守的AATAAA顺序及下游GT或T富含区，被多聚腺苷酸化特异因子识别，在mRNA3′端加约200个A。β珠蛋白AATAAA→AACAAA，→β+地贫。5.Poly(A)加尾信号2024/4/6110

CAATboxTATAbox

Enhancerpromoter

基因的结构exonexon非翻译区：untranslatedregions，UTRUTRUTRPoly(A)加尾信号5′+1Stop3′结构基因intronintronexonTGAATG开放阅读框：openreadingframe，ORFresponseelement2024/4/6111小结1.储存有功能的蛋白质多肽链或RNA序列信息，以及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列所构成的遗传单位。2.顺式作用元件主要有启动子和上游

启动子元件、增强子、沉默子、反

应元件、Poly(A)加尾信号。2024/4/6112第二节基因组(genome)

基因组：细胞或生物体一套完整单

倍体的遗传物质的总称。51619xy22xy2024/4/6113130~375kb痘病毒(Poxvirus)1.不同病毒基因组大小相差较大。一、病毒基因组乙型肝炎病毒（HBV）3.2kb2024/4/6114

DNA基因组多数为双链、环状或线性多数为单链、线性RNA基因组

2.不同病毒基因组可以是不同结构的核酸。单链线性RNA双链线性DNA双链线性RNA单链环状DNA2024/4/6115人类免疫缺陷病毒（HIV）

+ssRNA逆转录酶核心蛋白膜蛋白3.除逆转录病毒外，通常为单倍体基因组。2024/4/6116+ssRNA翻译蛋白质

病毒

颗粒mRNA

转录ssDNA反转录(+ssRNA)

基因组复制与基因表达dsDNA整合2024/4/6117+ssRNA

单链线性RNA，二倍体；5′端有甲基化帽，3′端有poly(A)尾。有三个基本的结构基因：gag、pol、env；5′3′gagpolenv核心蛋白逆转录酶膜蛋白2024/4/6118膜蛋白刺突蛋白核衣壳蛋白+ssRNASARS冠状病毒(SARScoronavirus)4.有的病毒基因组是连续的。2024/4/6119甲型流感病毒（

influenza

Avirus)血凝素（H）神经氨酸酶（N）8节段-ssRNA有的病毒基因组分节段。2024/4/6120

大T抗原和小t抗原的mRNA有不同的剪接方式。5243bpOri猴病毒

(SV40)基因组小t抗原大T抗原5.有的病毒基因有内含子。2024/4/6121功能相关基因转录成多顺反子mRNA；0102030405060708090100%E4E2BE2AE1AE1BE3L2L3L4L5L16.病毒基因组大部分为编码序列；腺病毒

(adenovirus)基因组2024/4/6122噬菌体ΦX174基因组利用有限的核酸贮存更多的遗传信息，提高自身在进化过程中的适应能力。5386nt编码2500个氨基酸5386nt编码2500个氨基酸7.基因重叠（geneoverlap）2024/4/6123dsDNA开环部分双链DNA基因组乙型肝炎病毒（HBV）基因组HBcAg3182bp3182bpHBsAg聚合酶HBcAgHBeAg2024/4/6124dsDNA翻译蛋白质mRNA转录

基因组复制与基因表达-ssDNA反转录+ssDNA复制

病毒

颗粒dsDNAcccDNA修复2024/4/6125病毒基因组的结构特点2.除逆转录病毒外，为单倍体基因组；1.不同病毒基因组可以是不同结构的核酸；3.病毒基因组有的是连续的，有的分节段；4.有的基因有内含子；5.病毒基因组大部分为编码序列；7.功能相关基因转录为多顺反子mRNA。6.有基因重叠现象；2024/4/6126二、原核生物基因组细菌染色体DNA质粒DNA以大肠杆菌（Escherichiacoli）为例2024/4/6127类核（nucleoid）：细菌染色体在

细胞内形成的一个致密区域大肠杆菌细胞结构nucleoid2024/4/6128（一）由一条环状双链DNA分子组成，

通常只有一个DNA复制起始点。大肠杆菌染色体DNA大肠杆菌4000K3000K2000K1000K0OriCTerCC-Value:4.6×106bp2024/4/6129(二)结构基因大多组成操纵子乳糖操纵子(lacoperon)tayz

opstructural

genespromoterterminatoroperator半乳糖苷酶z透酶y

半乳糖苷乙酰转移酶a

操纵子(operon):多个功能相关的结构基因成簇串联排列，与上游共同的调控区和下游转录终止信号组成的基因表达单位。2024/4/6130原核生物的mRNA是多顺反子mRNAPromoterGene1Gene2Gene3TerminatorDNATranscriptionmRNA3′1235′TranslationProteins123

多顺反子mRNA(polycistronicmRNA):

原核生物的一个mRNA分子带有几个

结构基因的遗传信息，利用共同的启动

子及终止信号，组成操纵子的基因表达

调控单元。2024/4/6131（三）非编码区主要是调控序列：复制起始区（OriC）复制终止区（TerC）转录起动区转录终止区2024/4/6132复制起始区（OriC）E.colioricregion(250bp)13-mers9-mers2024/4/6133GA

CCGCCGCU

GGCGGCAUUUU-OH3′5′UUC

G

G5′…GCCGCCAGUUCGGCUGGCGGCAUUUU…3′RNA5′…GCCGCCAGTTCGGCTGGCGGCATTTT…3′DNA强终止子：有反向重复顺序，可形成

茎环结构，其后为poly(T)。转录终止区2024/4/6134（四）存在可移动的DNA序列

转座（transposition）：转座因子在基因组不同位置间的移动。

转座因子（transposableelement）：能够在一个DNA分子内部或两个DNA

分子之间移动的DNA片段。2024/4/61351.转座因子的类别

Is3

转座酶(1)插入序列（insertionsequence,Is）

小于2000bp，只有转座相关基因2kb2024/4/6136Tn3转座酶Tn10

转座酶(2)转座子（transposon，Tn）

2~20kb，常带有抗性基因等其它基因氨苄青霉素抗性

四环素抗性2kb2024/4/6137(3)可转座的噬菌体转座酶头尾部蛋白转座酶结合位点

转座酶

结合位点宿主DNA宿主DNA37kbABMu噬菌体2024/4/6138简单转座是转座因子从原来位置上切除并转移到基因组新的位置复制性转座是转座因子复制出一个新拷贝转移到基因组新的位置2.转座作用的机制供体DNA转座子受体DNA复制和转座新的DNA切除和连接2024/4/6139转座子FEABCD

复制插入

转座子新拷贝

FEABC

D

引起插入突变

基因F被隔断而失去功能

携带标志基因使受体增添新基因2024/4/6140（五）其它结构特点C值：4,639,221bp基因数：4288基因大小：950bp/gene基因间隔：118bp/２gene1.基因密度非常高，基因组中编

码区大于非编码区；2.结构基因没有内含子，多为

单拷贝，结构基因无重叠现象；3.重复序列很少，重复片段为

转座子；

4.有编码同工酶的等基因（isogene）2024/4/6141分支酸别构酶ilvBNacetolactatesynthaseⅠilvIHacetolactatesynthaseⅢ乙酰乳酸合酶entCisochorismatesynthaseentBisochorismatase2024/4/6142（六）质粒(plasmid)

质粒是存在于细菌染色体外的，具有自主复制能力的环状双链DNA分子。2024/4/6143质粒的特性

在宿主细胞内可自主复制；

所携带的遗传信息能赋予宿主特

定的遗传性状；

细胞分裂时恒定地传给子代；

质粒可以转移。2024/4/61441.基因组由一条环状双链DNA组成；2.只有一个复制起始点；3.大多数结构基因组成操纵子结构；5.无内含子，转录后不需要剪接；4.结构基因无重叠现象；原核生物基因组的结构特点6.基因组中编码区大于非编码区7.重复基因少，结构基因一般为单拷贝；9.基因组中存在可移动的DNA序列；10.非编码区主要是调控序列。8.有编码同工酶的等基因；2024/4/6145三、真核生物基因组

人类染色体核型由染色体DNA和线粒体DNA组成。人类线粒体DNA2024/4/61461.基因家族（genefamily）

（1）基因超家族（supergenefamily）由多基因家族及单基因组成，成员间有不同程度的同源，但它们的功能不一定相同。

是指一组有类似功能，核苷酸序列又有同源性的基因。2024/4/6147（2）核酸序列相同

组蛋白基因家族多拷贝基因形成的基因簇，

rRNA、tRNA、组蛋白基因家族。

非洲爪蟾的5SRNA基因结构5SRNA基因非转录空隔区2024/4/6148（3）核苷酸序列高度同源人生长激素（hGH）与人胎盘催乳素（hCS）序列比对2024/4/6149（4）编码产物的功能或功能区相同PKCfamilyofproteins(human)2024/4/6150（5）假基因（pseudogene,Ψ）

GA

21Alu10kb珠蛋白基因簇中的假基因

与有功能的基因相似，不表达或表达产物没有功能。2024/4/6151TranslationTranscriptionmRNADNAProteinPromoterStructureGene3′5′2.单顺反子mRNA(monocistronicmRNA)

真核生物的一个编码基因转录生成一个mRNA。2024/4/6152(1)单拷贝序列（低度重复序列）：

在单倍体基因组中只出现一次或数次，结构基因主要是单拷贝序列。3.染色体DNA的类型2024/4/6153(2)中度重复序列:tRNA、rRNA组蛋白、免疫球蛋白可能与基因调控相关序列重复次数10-105。2024/4/6154(3)高度重复序列

（highlyrepetitivesequences）B.串联重复序列（tandemrepeats）A.反向重复序列

（invertedrepeats)重复次数>106次卫星DNA（satelliteDNA）2024/4/6155A.

反向重复序列5′AAACCACCGCTGGTAGCGGTGGTTT3′

3′TTTGGTGGCGACCATCGCCACCAAA5′5′AAACCACCGCTAGCGGTGGTTT3′3′TTTGGTGGCGATCGCCACCAAA5′回文结构

两个顺序列相同的拷贝在DNA链上呈反向排列。2024/4/6156TC

GCCAAGCGGTGGTTT3′GAC

TG5′AAACCC

GTG

GCGACCAAA5′TCA3′TTTGGACCGCT形成发夹结构2024/4/6157B.串联重复序列（卫星DNA）

有相同的核心序列,多为2～70bp。

主带光密度

卫星DNA数浮力密度2024/4/6158a.大卫星（macro-satellite）DNA：

重复单位5~10bp，其多态性不显著。

光密度260nm果蝇基因组ACAAACTACAAACTATAAACTATAAACTACAAATTACAAATT

卫星带浮力密度主带2024/4/6159b.小卫星（mini-satellite）DNA：重复单位9～24bp，呈高度多态性。

可变数目串联重复序列

（variablenumberoftandemrepeat,VNTR）

端粒DNA：（TTAGGG）n，2～20kb，

染色体复制，末端保护。

核心序列：GGGCAGGAXG2024/4/6160c.微卫星DNA

(micro-satelliteDNA)即短串联重复(shorttandemrepeat,STR)。重复单位2~6bp，常见为(AC)n和(TG)n；重复次数10~60次，总长度小于150bp；高度多态性，可作遗传标记。2024/4/6161遗传信息传递中心法则2024/4/6162

生物基因组中结构基因所携带的遗传信息，经过转录、翻译等一系列过程，合成具有特定的生物学功能和生物学效应的RNA或蛋白质的全过程。一、基因表达的概念2024/4/6163二、基因表达的特点（一）时间特异性

发育阶段特异性

（二）空间特异性

组织细胞特异性2024/4/6164

按对刺激的反应性分为两大类：（一）基本（组成性）表达

基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。如管家基因。三、基因表达的方式2024/4/6165（二）诱导和阻遏表达诱导表达(inductionexpression)阻遏表达(repressionexpression)协调表达(coordinanceexpression)

在一定机制下，功能相关的一组基因，协调一致，共同表达。2024/4/6166

四、基因表达调控的概念

机体各种细胞中含有的相同遗传信息(相同的结构基因)，根据机体的不同发育阶段、不同的组织细胞及不同的功能状态，选择性、程序性地表达特定数量的特定基因的过程。2024/4/6167五、基因表达的调控因子

蛋白质(主要)

小分子RNA(某些环节)2024/4/6168六、基因表达调控水平

基因组

转录

转录后

翻译

翻译后2024/4/6169

第一节

原核生物基因表达调控

原核生物基因表达调控主要在转录水平，其次是翻译水平。

本节主要以大肠杆菌为例介绍原核生物基因表达的调控。2024/4/6170一、原核生物基因表达的特点

1.只有一种RNA聚合酶2.基因表达以操纵子为基本单位2024/4/6171操纵子学说开创了基因表达调控的研究F.Jacob

J.L.Monod

2024/4/6172操纵子模型ppromoter调控序列结构基因：多个串联ayzstructuralgene操纵子(operon)

:一个多顺反子转录单位与其调控序列即构成操纵子。2024/4/6173PromoterGene1Gene2Gene3TerminatorDNATranscriptionmRNA3′1235′TranslationProteins123原核生物的mRNA是多顺反子mRNA2024/4/61743.转录和翻译偶联进行；4.mRNA翻译起始部位有特殊的碱基序列—SD序列。共有序列为AGGAGG2024/4/6175

5.原核生物基因表达调控主要在转录水平，即对RNA合成的调控。

通常有两种方式：

(1)起始调控，即启动子调控

(2)终止调控(衰减子调控)2024/4/6176二、原核生物基因表达调控的机制

(一)转录起始的调控

(二)转录终止的调控

(三)翻译水平的调控

2024/4/6177(一)转录起始的调控

1.б因子与转录起始的调控

核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)

2024/4/6178调控RNA聚合酶与特异DNA区域结合：确保RNA聚合酶与特异启动子序列稳定结合，而不是与其它位点结合。(1)б因子2024/4/6179

不同的σ因子决定RNA聚合酶对一个或一套启动子序列的特异性识别和结合能力。最早发现的σ因子：σ70新发现：σ32、σ54

、σ282024/4/6180(2)启动子序列RNA转录起始-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBAD

TTGACA

TATAAT共有序列2024/4/6181

共有序列决定启动子序列的转录活性强弱。

某些特异因子（蛋白质）决定RNA聚合酶对一个或一套启动子序列的特异性识别和结合能力。2024/4/6182

2.转录起始的负调控

乳糖操纵子（lactoseoperon,lac）是原核生物基因转录负调控的最典型模式。2024/4/6183

乳糖操纵子的结构

结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶阻遏基因I

调控区CAP结合位点

启动子操纵元件ZYAOPDNA2024/4/6184mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时阻遏蛋白的负性调节阻遏基因2024/4/6185诱导剂（inducer）乳糖

1,6-别乳糖异丙基硫代半乳糖苷（IPTG）2024/4/6186

操纵元件在操纵子的位置是从-7至+28，RNA聚合酶所占的区域是从-35至+20，两者有部分重叠，因此阻遏蛋白和RNA聚合酶与DNA的结合是相互排斥的。2024/4/6187

与lac阻遏蛋白结合的操纵基因区域具有反向重复序列，能与蛋白质特异结合的DNA特征性结构。

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

2024/4/61883.转录起始的正调控

阿拉伯糖操纵子是正调控的典型例子。

阿拉伯糖操纵子的基因结构图

2024/4/6189AraC对阿拉伯糖操纵子的调节2024/4/6190转录活性提高50倍无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时乳糖操纵子中CAP的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP2024/4/6191

cAMP:环一磷酸腺苷CAP：分解代谢基因激活蛋白质(catabolitegeneactivatorprotein，CAP)

CAP的活性依赖cAMP，形成cAMP-CAP复合物，促进多种操纵子转录起始。cAMP与葡萄糖相关性：

葡萄糖↑，cAMP↓

葡萄糖↓，cAMP↑2024/4/6192

4．转录起始的复合调控

在大肠杆菌的许多操纵子中，基因的转录不是由单一因子调控的，而是通过负调控因子和正调控因子进行复合调控。糖代谢有关的操纵子，如lac操纵子。

2024/4/6193

阻遏蛋白与cAMP-CAP对乳糖操纵子转录的调控2024/4/6194

※单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。※葡萄糖对lac

操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏。

2024/4/6195

（二）转录终止的调控转录终止调控方式分两大类：A.依赖ρ因子的终止调控B.不依赖ρ因子的终止调控例：色氨酸操纵子的表达调控2024/4/6196色氨酸操纵子的结构及其调控方式

2024/4/6197

色氨酸操纵子mRNA引导序列不同区域互补所形成的不同二级结构

2024/4/6198色氨酸丰富时，核蛋白体顺利沿引导序列移动直达最后一个密码子UGA，合成完整的引导肽。RNA聚合酶停止在衰减子部位。2024/4/6199色氨酸缺乏时，核蛋白体终止在1区Trp密码子部位，RNA聚合酶通过衰减子区域而继续转录。

2024/4/6200

(三)翻译水平的调控

翻译一般在起始和终止阶段受到调节。调控分子:RNA、蛋白质

直接或间接决定翻译起始位点能否为核蛋白体所利用。

2024/4/62011.反义RNA的调控作用

反义RNA

能与特定mRNA互补结合的RNA片段。天然的具有功能的反义RNA分子一般在200个碱基以下。2024/4/6202反义RNA有三种作用方式：①与mRNA5ˊ端非翻译区包括SD序列相结合，直接抑制翻译。②与mRNA5ˊ端编码区起始密码子AUG结合，抑制mRNA翻译起始。

③与mRNA的非编码区互补结合，使mRNA构象改变，影响其与核糖体结合，间接抑制了mRNA的翻译。2024/4/6203

反义RNA调控Tn10转位酶基因的表达2024/4/62042.RNA稳定性与调控的关系mRNA稳定性与其序列和结构有关。3.蛋白质合成的自身调控

如：核糖体蛋白2024/4/6205第二节真核生物基因表达的调控

单细胞真核生物，如酵母基因表达的调控和原核生物表达的调控基本相同。多细胞真核生物，遗传信息从细胞核的基因组DNA传递到基因编码的蛋白质均受到多层次的调控。2024/4/6206一、真核生物基因表达的特点

1.细胞的全能性

2.基因表达的时间性和空间性2024/4/6207Gγ

δ

β

Aγ

ζ2α2α1HbGrow1HbPorlandHbGrowⅡ

HbFHbA2HbA胚胎期胎儿期成人期不同发育时期珠蛋白基因表达和血红蛋白分子类型胚胎期胎儿期和成人期ε2024/4/6208

3.转录和翻译分开进行

4.

初级转录产物要经过转录后加工修饰初级转录产物为核不均一RNA（heterogeneousnuclearRNA,

hnRNA）5.部分基因多拷贝

6.不存在操纵子结构

真核生物的mRNA是单顺反子mRNA(monocistronicmRNA)2024/4/6209TranslationTranscriptionmRNADNAProteinPromoterGene3′5′单顺反子mRNA

(monocistronicmRNA)2024/4/6210（一）基因组DNA水平的调控

1.染色质丢失

不可逆调控。如一些低等生物（如线虫）体细胞发育过程中发生染色质丢失。二、真核生物基因表达调控的机制2024/4/62112.基因扩增（geneamplification）

当细胞对某种基因产物需要量剧增，单纯靠调节其表达活性不足以满足需要，只有增加这种基因的拷贝数。2024/4/62123.基因重排：（generearrangement）VJCVJCVJC免疫球蛋白IgG基因重排

指某些基因片段改变原来存在顺序而重新排列组合，