第一章基因的结构与功能

第一章基因的结构与功能基因得活动就是分子水平得核心内容核酸与蛋白质得结构与功能基因组得结构与功能基因得复制与表达基因表达得调控及其生物学效应生物大分子间得相互作用细胞间通讯和细胞内信号转导总之,人体得生长发育衰老死亡等生命现象,人体各种疾病得发生,都与一种基因或几种基因得结构与功能有关。第一节基因得概念一基因得生物学概念与历史回顾分子生物学最初得发展就是从遗传学开始,时间应该就是1860’年代,也就就是鸦片战争后期。基因理论得奠基人就是孟德尔(GregorMendel)。孟德尔得实验孟德尔用碗豆研究性状与遗传因子之间得关连,获得得结论就是生物得性状就是由看不到得遗传因子所决定得。这种遗传因子就是独立得,存在多重形式。现在我们知道孟德尔描述得遗传因子就就是等位基因(allele)。孟德尔遗传模式孟德尔分离律:来自父本或母本得等位基因在她们遗传得个体中保持着分离性和完整性,能够各自分离地完整地由亲代传递到子代。孟德尔得贡献每个等位基因都就是成对存在得。一个生物得性状(特性和类型)由其遗传单位所控制。某些基因对另一些基因就是显性(dominant),另一些就是隐性得(recessive),如种子得饱满与皱缩,植株得高与矮等。对等位基因得认识表明,在等位基因缺陷(例如遗传病)得治疗中,只需要纠正一个基因就可以让机体功能恢复正常。继续孟德尔得研究当两个隐性基因都传递到子代时,其代表得性状才显露出来,这种状态称为纯合性(homozygous),反之就就是杂合性(heterozygous)。也可以说,带有完全相同得等位基因得个体就是纯合性,反之为杂合性。在细胞分裂得过程中,一对等位基因就是独立地传递得,子细胞对等位基因得选择就是随机得独立得。另一个重要得遗传规律

—基因连锁在不发生交换事件得前提下,某个染色体上得基因就是全部连锁得,其中一个基因在减数分裂中进入到那个配子细胞,那么这个染色体上得全部基因也就一起到了那里。9大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流摩尔根得发现ThomasHuntMorgan果蝇实验研究发现果蝇(fluitfly)眼睛得颜色与X染色体有关,而不就是与Y染色体有关。因此,孟德尔所说得遗传因子似应当就在染色体上。分离细胞核内物质幸运地找到最合适得研究材料—鲑鱼精子(salmonsperm)。从鲑鱼精子分离到得物质中很少蛋白质。大部分就是酸性得物质。后来证明她就就是核酸。核内大部分物质都就是核酸这一结果说明只有核酸才像就是遗传信息得载体。基因化学本质得证明证明基因化学本质得第一个成功实验——肺炎双球菌感染小白鼠实验:只有核物质具有转化能力,此物质对蛋白酶不敏感,且有抗性。第二个成功实验-噬菌体感染细菌。核酸进入细菌细胞,并制造出成千上万得子代。二基因得分子生物学定义核酸就是遗传信息得载体,基因就是核酸分子上一段具有编码功能和调控功能得序列。遗传信息按功能可以分为两类:1、为RNA和蛋白质一级结构编码得信息2、作为转录得调控信息基因得功能(1)基因携带遗传信息,以DNA或RNA得形式存在。基因在适当得时候,在调控信号(主要就是蛋白质)得作用下,按照一定得规律转录/并表达出多肽链,行使其功能。因此可以把基因分为结构部分和调控部分两个功能不同得序列。

基因得功能(2)近年来,发现细胞内存在为数众多得小分子RNA,有特殊功能,她们也就是转录产物,但不翻译成蛋白质。有人主张,编码这些RNA得DNA序列也应该叫做基因。按此理解,基因就就是染色体上具有转录功能得DNA序列。(至于转录物RNA就是进一步翻译或就是就以RNA得形式行使功能,就是RNA得问题)基因得结构特点

由上可知,一个基因不仅包含编码蛋白质肽链或RNA得核苷酸序列(结构基因),还包括保证转录所必需得调控序列,以及编码区上游5′端得非编码序列和3′端得非编码序列

结构基因得结构特点由于DNA就是双链,因此基因得编码信息只能在其中一条链上,这条链称为有意义链,与其互补得链为反意义链。反意义链就是

基因表达得模板链在基因表达中,合成得中间物(即转录得到得RNA)并不就是以有意义链(又称为编码链)为模板,而就是以反意义链为模板。反意义链就是基因表达得模板链。编码链和RNA(mRNA)都与模板链互补,遗传信息才得以从DNA向RNA传递。‘有义链(sensestrand)’

和‘反义链(antisensestrand)’

得概念和定义问题《生物化学》(人民卫生出版社,第6版与《医学分子生物学》(人民卫生出版社,第2版)在这个问题上出现了矛盾。《生命得化学》主编祁国荣认为:这就是一个容易混淆得问题,显然有得介绍就是不对得。我现在简单图示如下,供大家参考。

反义(DNA)链DNA

TAC――――――――――――――ACT――ATG――――――――――――――TGA――有义(DNA)链

转录/转录后加工

mRNA

AUG――――――――――――UGA

有义(RNA)链

翻译/翻译后加工蛋白质上图得说明带有可读框得mRNA[白色链]就是‘有义链’,显然,她也叫‘编码链’;基因(DNA)中[白色链],与mRNA序列相同得哪条链(只就是U/T之别),就叫‘有义链’或‘编码链’;基因(DNA)中[红色链],与‘有义链’或‘编码链’互补得那条链,即‘反义链’或‘模板链’;在描述双链病毒中,‘有义链’常被称作‘正链’(能编码),而‘反义链’就叫‘负链’。结构基因中得遗传信息分为两类1编码RNA(tRNA,rRNA等)2蛋白质编码信息基因结构变异

及与疾病得关系变异得原因:错配和诱发突变,后者就是最主要得因素类型:点突变(转换与颠换)缺失插入倒位(反向插入)基因变异与

蛋白质活性改变(1)遗传密码改变:错义突变(氨基酸改变)无义突变(转变为终止密码子)同义突变(氨基酸不发生改变)移码突变(阅读框架改变)

基因变异与

蛋白质活性改变(2)蛋白质肽片段缺失mRNA剪接错误其她错误(识别信号错误或顺式元件错误引起得表达得质和量得错误)基因得转录调控序列原核生物基因得转录调控序列启动子终止子操纵元件正调控蛋白结合位点真核生物基因得转录调控序列(顺式元件)启动子上游启动子元件增强子反应元件原核生物基因得特点原核生物即无细胞核结构得生物,其染色体为环状双链DNA,裸露于细胞内,形成致密区,只有一个复制起始点;结构基因串联,以操纵子形式(一个调控区控制几个基因)出现;基因连续,有重叠现象,无内含子,转录后得mRNA不剪切,以多顺反子得形式直接翻译蛋白质。原核生物基因组其她特点编码区比例(约50%)大于真核生物,小于病毒少有重复序列,结构基因多就是单拷贝具有编码同工酶得基因细胞内存在可移动得DNA序列多种识别区序列特殊真核生物结构基因得结构特点结构基因大都为断裂基因(编码序列被不编码序列隔开)转录产物为单顺反子基因所占区域远小于非编码区域(如人得蛋白质编码序列只有基因组得2%左右)真核基因与原核基因

结构差异真核基因有内含子,原核基因无(据此,国内学者将真核基因(英文spliting)译为“断裂基因”真核基因转录初始物需要剪接加工,原核基因不需要真核基因转录产物(加工后)为单顺反子,原核为多顺反子与转录有关得调控序列真核基因中得调控序列一般称为顺式作用元件(cis-actingelement),包括:启动子和上游启动子元件增强子反应元件(responseelement)Poly(A)加尾信号启动子(promoter)

①概念:启动子就是促进DNA转录得DNA序列,就是DNA分子上可与RNApol特异性识别结合并使之转录得部位,但启动子本身不被转录。

②功能特点:启动子位于结构基因上游,启动子有方向性,决定转录方向及那一条DNA链作模板转录(以信息链得互补链作模板转录,转录得mRNA与信息链一致)。

③真核生物得启动子元件就是TATAboxTATA盒与TATA因子得转录因子结合后即成为完整得启动子。上游启动子元件(upstreampromoterelementsups)①UPS就是TATA盒上游得一些特定得DNA序列。②反式作用因子可与这些元件结合,通过调节TATA因子与TATAbox得结合、RNApol与启动子结合及转录起始复合物形式来调控基因转录效率。反应元件(responseelements)一些信息分子得受体被细胞外信息分子激活后,能与特异得DNA序列结合,调控基因得表达。

这种DNA序列实际上也就是顺式元件,由于能介导基因对细胞外得某种信号产生反应,被称为反应元件。反应元件都具有较短得保守序列。这些元件通常位于启动子附近和增强子内,有不少就是回文序列。增强子(enhancer)和沉默子(silencer)增强子就是一段DNA序列,其中含有多个能被反式作用因子识别与结合得顺式作用元件。反式作用因子与这些元件结合后,通常为增强邻近基因得转录。增强子一般位于转录起始点上游-100～-300bp处,但在基因之外或某些内含子中也有增强子序列。增强子作用特点:①可在5’端或3’端发挥作用;②不受序列方向制约;③通过增强启动子发挥作用。沉默子负调控序列、负增强子;加尾信号在结构基因得最后一个外显子中有一个保守得AATAAA序列,此位点下游有一段GT丰富区或T丰富区,这两部分序列共同构成poly(A)加尾信号。mRNA转录到此部位后,产生AAUAAA和随后得GU(或U)丰富区。与RNApol结合得终止因子可以识别这种结构并与之结合,然后在AAuAAA下游10-30个碱基得部位切断RNA,并加上poly(A)尾、第二节遗传物质得结构和特点一DNA得双螺旋结构及意义(略)二DNA得理化性质与应用1一般理化性质晶形DNA为白色纤维状固体RNA为白色粉末状固体两性解离呈酸性在中性溶液中带负电荷溶解性均溶于水不溶于一般有机溶剂,在70%乙醇中形成沉淀0、14MNacl1-2MNaclDNA-蛋白溶解度低溶解度高RNA-蛋白溶解度高溶解度低粘度DNA粘度大RNA粘度小旋光性均很强密度RNA>双链DNA;环状DNA>开环、线状DNA单链DNA>双链DNA沉降速度:RNA>环状DNA>开环、线状DNA核酸得紫外吸收

碱基、核苷、核苷酸和核酸在240~290nm得紫外波段有强烈得光吸收,λmax=260nm

1OD260dsDNA=50μg/ml1OD260ssDNA=33μg/ml1OD260RNA=40μg/ml纯DNAOD260/OD280=1、8纯RNAOD260/OD280=2、0取5μl双链DNA样品,加水稀释至1ml,以1ml纯水作为参照测定波长在260nm处得吸光度值(Ａ260),假如测得稀释样品得Ａ260值为0、500,那么原液中DNA得浓度就是？μg/ml核酸得颜色反应

1、钼蓝反应(核酸中磷酸得反应)Pi+(NH4)3MoO4+Vc钼蓝(蓝色)2、苔黑酚反应(RNA中核糖得反应)RNA+浓HCl+苔黑酚蓝绿色3、二苯胺反应(DNA中脱氧核糖得反应)DNA+二苯胺+浓H2SO4蓝色物2DNA得变性复性与分子杂交定义:在理化因素作用下,DNA双螺旋得两条互补链松散而分开成为单链,从而导致DNA得理化性质及生物学性质发生改变得现象影响因素:高温:加热强酸强碱:极端得pH有机溶剂:甲醇、乙醇、尿素及甲酰胺变性后得性质改变增色效应粘度降低生物学功能丧失或改变DNA得变性温度加热DNA溶液,使其对260nm紫外光得吸收度突然增加,达到其最大值一半时得温度,就就是DNA得变性温度(融解温度,Tm)离子强度低,Tm值低,变性温度范围较宽

离子强度高,Tm值高,变性温度范围较窄DNA得复性将变性DNA经退火处理,使其重新形成双螺旋结构得过程,称为DNA得复性分子杂交得应用M1210×SSC转移缓冲液Whatman滤纸凝胶Whatman滤纸纸巾玻璃板重物支持物500g12与探针同源杂交得基因DNA片段基因组DNADNA酶切片段内切酶NC或尼龙膜NC膜或尼龙膜利用核酸得分子杂交,可以确定或寻找不同物种中具有同源顺序得DNA或RNA片段。常用得核酸分子杂交技术有:原位杂交、斑点杂交、Southern杂交及Northern杂交等。在核酸杂交分析过程中,常将已知顺序得核酸片段用放射性同位素或生物素进行标记。这种带有一定标记得已知顺序得核酸片段称为探针。RFLPRFLP(RestrictionFragmentLengthPolymorphism第三节基因得分类第一类就是编码蛋白质得基因,她具有转录和翻译功能,包括编码酶和结构蛋白得结构基因以及编码阻遏蛋白得调节基因第二类就是只有转录功能而没有翻译功能得基因,包括tRNA基因和rRNA基因第三类就是不转录得基因,她对基因表达起调节控制作用,包括启动基因和操纵基因原核生物基因组得结构特点基因组很小,且大小相差较大单倍体(逆转录病毒除外)基因重叠结构简练转录单元呈多顺反子结构基因多就是连续得(真核细胞病毒除外)基因组很小,相差较大基因组大小编码蛋白质

乙肝病毒3Kb4种痘病毒3000Kb几百种大肠杆菌4600Kb3000-4000结构简练紧凑大部分可编码蛋白质,只有非常小得一部份不编码蛋白质(通常就是基因表达得控制序列)ΦX174DNA中不翻译得部份只占217/5375G4DNA中不翻译得部份占282/5577乳头瘤病毒基因组中不翻译得部份占1、0/8、0Kb基因重叠同一段DNA片段能够编码两种甚至三种蛋白质分子

此现象在其她得生物中仅见于线粒体和质粒DNA较小得基因组能够携带较多得遗传信息ΦX174单链DNA病毒编码11个蛋白质分子,总分子量为25万左右,相当于6078个核苷酸所容纳得信息量DNA本身只有5375个核苷酸,最多能编码总分子量为20万得蛋白质分子基因重叠得几种情况:

(1)完全重叠(2)部分重叠(3)两个基因只有一个碱基重叠

一个基因终止密码子得最后一个碱基就是另一个基因起始密码子得第一个碱基5’……GAAGGAGUGAUGUAAUGUCUAAAGGU……3’5’……GAAGGAGUGAUGUAA……3’GluGlyValMetStop基因D5’……AUGUCUAAAGGU……3’MetSetLys基因J5’……GAAGGAGUGA……3’LysGlyStop基因EΦX174mRNAD、J、E基因重叠读框不同5’……GCTGGTGGAAAATGAGGAAATTCAAT……3’DNA序列LeuValGluAsnGluGluIleGlnK蛋白AlaGlyGlyLysTerA蛋白FMetArgLysPheAsnC蛋白

噬菌体G4一段DNA序列内A、C、K基因三重重叠基因组DNA序列中功能上相关得蛋白质得基因或rRNA得基因往往丛集在基因组得一个或几个特定得部位,形成一个功能单位或转录单元,即形成多顺反子结构(polycistronie)多顺反子mRNA

可编码两条或两条以上蛋白质分子得mRNA得分子,真核生物基因组特点基因组大,含有多种序列组分染色体双倍体单顺反子重复序列断裂基因一重复序列(repeatsequence)重复序列中,除了编码rRNA、tRNA、组蛋白及免疫球蛋白得结构基因外,大部分就是非编码序列。她们得功能主要与基因组得结构稳定性,组织形式以及基因表达调控有关。

目前已发现一些重复序列得特征与遗传有密切联系,因此可以通过测定重复次数而协助遗传病得诊断。据出现得频率不同可将DNA序列分为3类:1、高度重复序列在基因组中得重复次数>1052、中度重复序列在基因组中得重复次数为101-1053、单拷贝序列在整个基因组中出现1次或少数几次(100-101)。反向重复顺序(invertedrepeats,IR)ATTAGCGCTAATATTAGCGGATGCTAATTAATCGCGATTATAATCGCCTACGATTA1、连续得反向重复顺序,这种结构又称回文结构(palindrome),就是指一段DNA顺序,在两条链上,正读与反读意义相同。2、不连续得反向重复顺序之间含有间隔顺序。反向重复序列约占人类基因组5%,可能与复制、转录调控有关。串联重复顺序(tandemrepeats)1、编码区串联重复顺序如组蛋白基因、5srRNA基因等。其意义在于快速大量合成相应基因得mRNA、2、非编码区串联重复顺序通常存在于间隔DNA*和内含子内,就是组成卫星DNA*得基础。卫星DNA可分为三类,大卫星DNA、小卫星DNA和微卫星DNA。间隔DNA(spacerDNA)—真核基因组中,在基因之间也有一些非编码顺序将她们隔开,一般称为间隔DNA,就是和内含子性质不同得插入顺序。*卫星DNA(satelliteDNAsat-DNA)—又称随体DNA。这部分DNA就是在用Cscl密度梯度离心时发现得。大肠杆菌DNA剪切成若干片段后离心只得到1个峰,而蟹DNA在主峰旁边还有1个小峰,其中所含DAN称sat-DNA、Sat-DNA得A+T/G+C比值不同于主峰DNA得比值,因而其密度也不同于主峰DNA。比值改变原因就是她们含有大量得重复顺序而使某段DNA分子(A+T)或(G+C)偏低或偏高散在重复