基因与染色体

关于基因与染色体第一节基因的结构与功能

一、DNA的分子结构第2页,共95页，2024年2月25日，星期天二、DNA存在的形式

基因组

细胞或生物体的全套遗传物质，由每个染色体组的DNA组成，人体体细胞有两个染色体组，DNA全长3.2×109bp。第3页,共95页，2024年2月25日，星期天高度重复顺序

特点：由很短的碱基序列组成，长度2-200bp，重复次数106-108。一般占DNA碱基对的10%-30%。由一些短的DNA序列呈串联重复排列。第4页,共95页，2024年2月25日，星期天卫星DNA

DNA在CsCl密度梯度离心中，由于GC的含量少于AT，当重复序列的GC与AT的比率有差异时，可在DNA主峰旁形成卫星DNA。卫星DNA构成着丝粒，端粒和Y染色体长臂上的异染色质区。称为卫星DNA。

第5页,共95页，2024年2月25日，星期天反向重复顺序

是两个顺序相同的互补拷贝在同一条DNA链上反向排列而成的，形成链内碱基配对，形成发夹结构。

第6页,共95页，2024年2月25日，星期天中度重复顺序

特点：在长度和拷贝数目上有很大差别。有些中度重复序列DNA具有编码功能，如编码rRNA和tRNA以及组蛋白的基因,大多数无编码功能，主要是一些分散重复DNA序列。

第7页,共95页，2024年2月25日，星期天分两类短分散元件（SINE）长度300-500bp，散在分布在基因组中，拷贝数目可达到105以上。如Alu家族,人基因组中大量分散存在,约有50万-70万份拷贝，相当于平均4kb就有一个Alu序列。2.长分散元件（LINE）长度5000-7000bp，重复次数为102-104。如KpnI家族。第8页,共95页，2024年2月25日，星期天单一序列

单一序列是单拷贝或很少几次的序列，一般800-1000bp组成。其中有部分是构成编码细胞中的蛋白质的基因（结构基因）。

第9页,共95页，2024年2月25日，星期天三、基因及其结构原核生物：DNA分子的一个片段，连续编码。真核生物：（断裂基因splitgene）大多真核生物的基因包括编码序列和非编码序列两部分，编码序列DNA分子中是不连续的被非编码序列隔开，形成镶嵌排列的断裂形式。第10页,共95页，2024年2月25日，星期天外显子(exon):编码序列

例如：人类血红蛋白β珠蛋白3个；基因全长1700bp,编码146个氨基酸。

DMD基因有75个基因，全长300kb，编码3685个氨基酸。第11页,共95页，2024年2月25日，星期天内含子(intron)：两个外显子之间无编码作用的DNA序列。

例如：人类血红蛋白β珠蛋白有2个；

MDM基因有74个。（外显子和内含子在不同的基因中互变）第12页,共95页，2024年2月25日，星期天外显子-内含子接头在每个外显子和内含子之间的接头区高度保守的一致序列；每个内含子的5‘端为GT；3’端为AG。以上接头也称GT-AG法则。第13页,共95页，2024年2月25日，星期天有义链(编码链)

一个结构基因的5'-3'链；反义链(反编码链)

一个结构基因的3'-5'链，与5'-3'链互补，指导mRNA转录。侧翼序列每个基因的第一个外显子和最后一个外显子外侧的不编码的DNA序列。第14页,共95页，2024年2月25日，星期天启动子：位于基因转录起始点上游100bp内的与RNA聚合酶结合，启动转录。TATA框：位于转录起始点上游-19～27bp处；序列为TATAA/TAA/T；与TFⅡ结合准确辨认转录起始点。CAAT框：位于转录起始点上游-70～80bp处；序列为GGC/TCAATCA；与CTF结合，促进转录。GC框：两个拷贝，分别位于CAAT框的两侧；序列为GGCGGG；与转录因子SP1结合，增强转录。第15页,共95页，2024年2月25日，星期天增强子：

位于启动子的上游或下游3kb以上，增强转录，作用方向3'-5'或5'-3'。例如：人类珠蛋白基因的增强子由72bp串联重复组成，位于转录起始点上游-1400bp处或下游3300bp处，增强转录200倍。多聚腺苷酸化附加信号：

位于3’端非编码区下游的一段DNA序列。第16页,共95页，2024年2月25日，星期天断裂基因结构模式图第17页,共95页，2024年2月25日，星期天四、多基因家族和假基因

多基因家族由某一祖先基因经过重复、突变所产生的一组基因。它们在基因组中的拷贝只有微小的差别，并行使相关的功能。所以是一组来源相同、结构相似、功能相关的基因。第18页,共95页，2024年2月25日，星期天有两种存在形式：一类是一个基因的多次拷贝成簇排列在同一条染色体上，形成一个基因簇。另一类是一个多基因家族中的不同成员成簇分布于几条不同的染色体上，这些成员的序列虽然有些不同，但是编码一组关系密切的蛋白质。如超基因家族。第19页,共95页，2024年2月25日，星期天第20页,共95页，2024年2月25日，星期天假基因

在多基因家族中，某些成员不产生有功能的基因产物，这类基因成为假基因。假基因的核苷酸顺序与相应的活性基因极为相似，但不能表达，不具有正常功能。它们与有功能的基因有同源性，起初可能是有功能的基因，以后由于发生突变，失去了活性，变成了无功能的基因。第21页,共95页，2024年2月25日，星期天第二节基因的复制与表达一、基因的复制原核生物一个起始点，向两个方向复制，呈θ形两个复制叉汇于一点，复制成两个DNA分子。真核生物多个起始点，向两个方向复制。第22页,共95页，2024年2月25日，星期天第23页,共95页，2024年2月25日，星期天

二、基因的表达（geneexpression）

基因表达是DNA分子中所存在的遗传信息通过转录和翻译形成具有生物活性蛋白质或通过转录形成RNA发挥功能作用的过程。原核生物：转录和翻译同步进行。真核生物：转录在核中进行；翻译在细胞质中进行。第24页,共95页，2024年2月25日，星期天1.转录(transcription)：

按照生物基因的碱基序列合成RNA的过程。在细胞核中，以DNA的反编码链为模板，从转录起始点开始，以碱基互补的形式，合成RNA，即hnRNA:包括外显子、内含子和部分侧翼序列。过程：

hnRNA剪接戴帽加尾mRNA第25页,共95页，2024年2月25日，星期天

剪接：

在酶的作用下，按GT-AG法则，将hnRNA的内含子切掉，把各个外显子按照一定的顺序准确地拼节起来形成可以编码的mRNA的过程。戴帽：在第一个外显子的第一个核苷酸（G）上以5’-5’连接的方式连接上一个G，并在其7位上甲基化，形成m7G.在第一、二个G上的2'位氧甲基化。第26页,共95页，2024年2月25日，星期天加尾：

mRNA在5’端戴帽的同时，3'端在腺苷酸聚合酶的作用下加接100～200个腺苷酸，形成多聚腺苷酸（polyA）的过程。第27页,共95页，2024年2月25日，星期天剪接供体部位

剪接受体部位

分支部位剪接信号剪接体：识别剪接信号的RNA-蛋白质复合体。第28页,共95页，2024年2月25日，星期天翻译(translation)

mRNA把转录的遗传信息“解读”成为多肽链的不同氨基酸和氨基酸排列顺序的过程。实质是以mRNA为模板合成蛋白质多肽链的过程。第29页,共95页，2024年2月25日，星期天蛋白质合成的过程起始：16SrRNA3’端与AUG上游碱基互补，

AUG与tRNA的反密码子结合，占据P位。延伸：进位：氨酰tRNA进入A位。转肽：肽键形成。移位：沿5’-3’移动一个密码子位置。终止：A位出现UAA、UGA、UAG时，合成停止。第30页,共95页，2024年2月25日，星期天第31页,共95页，2024年2月25日，星期天通用遗传密码及相应氨基酸第32页,共95页，2024年2月25日，星期天第三节染色质与染色体一、染色体的形成与染色质螺旋化染色体构建的四级结构模型

一级结构：由DNA与组蛋白包装成核小体，在组蛋白H1的介导下，核小体彼此连接形成直径10nm的核小体串珠结构，这就是染色体构建的一级结构。

第33页,共95页，2024年2月25日，星期天一级结构----核小体第34页,共95页，2024年2月25日，星期天二级结构----螺旋管第35页,共95页，2024年2月25日，星期天三级结构----超螺旋管

四级结构----染色单体

第36页,共95页，2024年2月25日，星期天二、常染色质和异染色质常染色质异染色质结构螺旋化程度低，结构松散，直径10nm螺旋化程度高，结构紧密，直径20-30nm染色浅深分布常位于核中央核膜边缘功能复制和转录活跃转录不活跃第37页,共95页，2024年2月25日，星期天第38页,共95页，2024年2月25日，星期天三、性染色质X染色质：1949年Barr发现

Lyon假说：女性的两条X染色体在胚胎发育中，一条随机失活，在细胞学图像上显示出X染色质。X染色体失活可在XAXa携带者中表现出部分症状。雌性动物细胞中一条X染色体有活性，另一条失活;X染色质随即来自父母之一;失活发生于胚胎早期。第39页,共95页，2024年2月25日，星期天Y染色质第40页,共95页，2024年2月25日，星期天

第四节细胞增值

(cellproliferation)

细胞通过生长和分裂使细胞数目增加，使子细胞获得和母细胞相同遗传特性的过程,是细胞生命活动的重要体现。第41页,共95页，2024年2月25日，星期天细胞增殖的方式一、无丝分裂：（最早发现)直接分裂过程：1、染色体复制；2、染色体移位；3、细胞形成。特点：遗传物质分配不均第42页,共95页，2024年2月25日，星期天二、有丝分裂1882.Flemming发现出现有丝分裂器.确保遗传的连续性和稳定性。第43页,共95页，2024年2月25日，星期天三、减数分裂1883.VanBeneden发现特殊的分裂分裂两次染色体复制一次分成四个细胞染色体数目减半第44页,共95页，2024年2月25日，星期天

细胞增殖周期一、细胞周期(cellcycle)：

指细胞从一次分裂结束开始生长到下一次分裂终了所经历的过程。所需时间，则称细胞周期时间。第45页,共95页，2024年2月25日，星期天间期：G1期（DNA合成前期，调节时间的关键）S期（DNA合成期）G2期（DNA合成后期）M期：有丝分裂期：前期、中期、后期、末期。细胞周期时间：Tc=TG1+TS+TG2+TM第46页,共95页，2024年2月25日，星期天细胞周期各时期的特点G1期：（2C）大量合成RNA、蛋白质初期：合成三种RNA，cAMP,cGMP;氨基酸和糖的转运加速。后期：合成DNA复制所需酶系，如DNA聚合酶等。组蛋白和非组蛋白，H1组蛋白的磷酸化。第47页,共95页，2024年2月25日，星期天

发展的三种细胞：1）继续增殖细胞如：胚胎细胞，骨髓干细胞，生殖上皮细胞等。2）暂不增殖细胞如：肝、肾、胰实质细胞。3）永不增殖细胞如：红细胞，神经细胞，肌细胞等第48页,共95页，2024年2月25日，星期天2.S期：（2C--4C）

大量合成DNA，组蛋白及非组蛋白；DNA合成所需要的酶。3.G2期：（4C）

合成M期相关的蛋白质。如：有丝分裂促进因子（MPF），微管蛋白中心粒开始分离。第49页,共95页，2024年2月25日，星期天4.有丝分裂(mitosis)（1）前期染色质凝集：染色质---染色丝---染色体。确定分裂极：中心粒移向两极，组织纺锤丝和星体；S期已复制的两对中心粒周围出现星体微管，极间微管增长，向两极移动。核仁解体：核膜破裂。第50页,共95页，2024年2月25日，星期天第51页,共95页，2024年2月25日，星期天第52页,共95页，2024年2月25日，星期天（2）中期有丝分裂器：染色体、星体、中心粒、纺锤体。极微管；染色体微管；区间微管；星体微管。第53页,共95页，2024年2月25日，星期天（3）后期:染色体分离，移向两极。第54页,共95页，2024年2月25日，星期天（4）末期:子细胞核膜、核仁出现，胞质分裂。组蛋白去磷酸化，染色质变成染色体。中体出现：两子细胞间的微管及囊泡组成。收缩环出现：中部质膜下方，肌动蛋白、肌球蛋白的大量聚集而成。分裂沟出现：ATP提供能量；与纺锤体垂直。核分裂和胞质分裂第55页,共95页，2024年2月25日，星期天第56页,共95页，2024年2月25日，星期天第五节

生殖细胞的发生与减数分裂一、生殖细胞的发生1.精子的发生增殖期青春期曲精细管上皮精原细胞（2n)恢复有丝分裂第57页,共95页，2024年2月25日，星期天生长期精原细胞增大分化成初级精母细胞（2n)成熟期初级精母细胞第一次减数分裂2次级精母细胞（n）2次级精母细胞第二次减数分裂4精细胞（n）变形期精细胞成熟精子第58页,共95页，2024年2月25日，星期天2.卵子的发生增殖期

胚胎发育早期卵巢中生发上皮卵原细胞（2n)进行有丝分裂生长期

胚胎发育6个月卵原细胞增大成初级卵母细胞（2n)第59页,共95页，2024年2月25日，星期天成熟期初级卵母细胞第一次减数分裂1次级卵母细胞（n）400个停于双线期，性成熟后，排卵+1第一极体（n）1次级卵母细胞第二次减数分裂1卵细胞（n）停于中期Ⅱ+1第二极体（n）1第一极体受精后第二次减数分裂2第二极体（n）3.受精作用(fertilization)

第60页,共95页，2024年2月25日，星期天第61页,共95页，2024年2月25日，星期天第62页,共95页，2024年2月25日，星期天联会复合体(SC)：侧生组分-中央成分（含重组节）-侧生成分第63页,共95页，2024年2月25日，星期天（3）粗线期:重组节形成，交叉出现，交换、重组、P-DNA合成。（4）双线期:同源染色体分离,交叉端移。（5）终变期:

第64页,共95页，2024年2月25日，星期天meosis第65页,共95页，2024年2月25日，星期天2.中期Ⅰ：同源染色体的四分体排列成赤道板。第66页,共95页，2024年2月25日，星期天3.后期Ⅰ：同源染色体分离，非同源染色体自由组合。第67页,共95页，2024年2月25日，星期天4.末期Ⅰ：染色体成丝状，核仁、核膜重新出现，胞质分裂。第68页,共95页，2024年2月25日，星期天第69页,共95页，2024年2月25日，星期天前期Ⅱ第70页,共95页，2024年2月25日，星期天中期Ⅱ后期Ⅱ

第71页,共95页，2024年2月25日，星期天末期Ⅱ第72页,共95页，2024年2月25日，星期天减数分裂同有丝分裂的比较：发生细胞DNA复制与细胞分裂次数过程细胞分裂的结果DNA的变化第73页,共95页，2024年2月25日，星期天减数分裂的意义：使生物染色体数目保持恒定遗传规律的细胞学基础人类遗传基础发生变异的根本机制第74页,共95页，2024年2月25日，星期天fiteraleition第75页,共95页，2024年2月25日，星期天交叉第76页,共95页，2024年2月25日，星期天交叉第77页,共95页，2024年2月25日，星期天第六节基因突变

基因突变是DNA分子中核苷酸序列发生改变，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。第78页,共95页，2024年2月25日，星期天生殖细胞突变：发生在生殖细胞中，引起后代中遗传性质的改变。体细胞突变：突变发生在体细胞中，在有性生殖的个体中，不引起后代的遗传改变，而导致突变细胞在形态和功能上的改变。第79页,共95页，2024年2月25日，星期天体细胞突变突变体细胞有丝分裂突变克隆（细胞恶变基础）野生型突变突变型

等位基因的产生均为基因突变形成。第80页,共95页，2024年2月25日，星期天中性突变：不产生优化效应，也无有害作用；有利突变:给生物进化提供原材料；有害突变：致病基因的产生。自发突变：在细胞正常生活过程中或受环境随机产生；诱发突变：在诱变剂的作用下产生。第81页,共95页，2024年2月25日，星期天基因突变的方式一、碱基替换：

DNA分子中一个碱基对被另一个碱基对替代。也称点突变（一个碱基的改变），最常见。转换：一种嘌呤被另一种嘌呤替代或一种嘧啶被另一种嘧啶替代。最常见。颠换：一种嘌呤被一种嘧啶或一种嘧啶被一种嘌呤替代。诱变剂：亚硝胺（NA）、烷化剂等。第82页,共95页，2024年2月25日，星期天转换第83页,共95页，2024年2月25日，星期天点突变的后果同义突变：由于碱基替换后，一个密码子变成另一个密码子，但决定的氨基酸没变。错义突变：由于密码子突变后，一起密码子的突变，使mRNA中编码某一氨基酸的密码子变成了编码另一氨基酸的密码子。无义突变：碱基的改变使一个密码子不再决定任何一种氨基酸，形成一个终止信号，称之。

第84页,共95页，2024年2月25日，星期天二、移码突变：

DNA组成中增加或减少一个或几个碱基对，造成在缺失或插入点以下的DNA编码框架全部发生改变。如：Hbwayneα链第138位TCC丢失一个C，3’端碱基顺序重排，142位的终止密码变成可读密码，肽链延长至147位。第85页,共95页，2024年2月25日，星期天移码突变第86页,共95页，2024年2月25日，星期天三、动态突变：

在人类基