基因的分子生物学

1、核酸的化学,21基因的分子生物学,NucleicAcid,R型细菌：无毒型肺炎球菌S型细菌：有毒型肺炎球菌,OswaldAvery（1877-1955）,肺炎球菌转化实验,什么是转化?,一种遗传型细胞的DNA进入另一不同遗传型细胞中,从而引起稳定遗传变异的过程.,一.核酸的概念,核酸（nucleicacid)是以核苷酸为基本组成单位的生物信息大分子。,核酸,核糖核酸（ribonucleicacid,RNA）,脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA）,DNA存在于细胞核与线粒体内，携带遗传信息，决定着细胞与个体的遗传型。,RNA存在于细胞质、细胞核与线粒体内，参与遗传信息

2、的复制与表达。病毒中，RNA也可作为遗传信息的载体。,二.核酸的组成成分,核酸,核苷酸,磷酸,核苷,戊糖,碱基,(核糖或脱氧核糖),(嘌呤或嘧啶),水解,水解,水解,DNA的基本组成单位:,脱氧核糖核苷酸（deoxyribonucleotide或deoxynucleotide),RNA的基本组成单位:,核糖核苷酸（ribonucleotide),(一)核糖和脱氧核糖,RNA和DNA两类核酸是因所含的戊糖不同而分类的.,RNA含D-核糖,DNA含D-2-脱氧核糖,镜象对映体中的两种构型，一个为D-型，一个为L型。,O,H,1,OH,H,2,OH,3,OH,H,4,H,5,-D-核糖,O,4,3,

3、2,1,HOCH2,H,H,H,H,OH,H,-D-2-脱氧核糖,HOCH2,5,、为糖的两种不同旋光率的存在形式。在构型上，仅头部不同，互为异头物。,OH,(二)嘌呤碱和嘧啶碱,碱基（base),嘌呤(purine)嘧啶（pyrimidine),嘧啶,嘌呤,碱基,嘌呤,嘧啶,腺嘌呤（adenine,A）,鸟嘌呤（guanine,G）,胞嘧啶（cytosine,C）,尿嘧啶（uracil,U）,胸腺嘧啶（thymine,T）,RNA中主要含有A、G、C、U这四种碱基；DNA中主要含有A、G、C、T这四种碱基。,腺嘌呤(A),鸟嘌呤(G),胞嘧啶(C),胸腺嘧啶(T),DNA,尿嘧啶(U),RN

4、A,HN,N,N,NH,N,N,N,N,NH,H2N,O,N,NH,N,NH2,腺嘌呤（6-氨基嘌呤）,鸟嘌呤（2-氨基-6-氧嘌呤）,嘌呤,1,2,3,4,5,6,7,8,9,N,N,NH,N,NH2,O,HN,NH,O,O,HN,NH,O,O,CH3,嘧啶,1,2,3,4,5,6,胞嘧啶（2-氧-4-氨基嘧啶）,尿嘧啶（2,4-二氧嘧啶）,胸腺嘧啶（5-甲基尿嘧啶）,(三)核苷,碱基与核糖或脱氧核糖通过糖苷键连接而成的化合物称为核苷或脱氧核苷。,构成核苷酸的戊糖有两种，因此核苷又可分为核糖核苷及脱氧核糖核苷。,腺嘌呤核苷（腺苷）,胞嘧啶脱氧核苷（脱氧胞苷）,1,1,9,1,1,5,2,6,

5、3,5,4,7,8,4,5,6,2,3,4,3,2,5,4,3,2,糖苷键,(四)核苷酸,参与构成核酸的主要碱基、核苷及相应的核苷酸,命名：,根据磷酸基团数目的不同：,核苷一磷酸（NMP）核苷二磷酸（NDP）核苷三磷酸（NTP）,AMP（腺苷一磷酸）ADP（腺苷二磷酸）ATP（腺苷三磷酸）,例：,dAMPdGMPdTMPdCMP,AMPGMPUMPCMP,两种核酸分子组成的比较,ATP与UTP在能量代谢中均为重要的底物或中间产物。,（五）核苷酸的连接方式,链中每个核苷酸的3-羟基和相邻核苷酸的戊糖上的5-磷酸相连。因此，核苷酸间的连接键是3，5-磷酸二酯键.,由相间排列的戊糖和磷酸构成核酸大分

6、子的主链，而代表其特性的碱基则可以看成是有次序地连接在其主链上的侧链基团。,三.DNA的结构,（一）DNA的一级结构,四种脱氧核苷酸按照一定的排列顺序以磷酸二酯键相连形成的多聚脱氧核苷酸链称为DNA。多聚核苷酸链则称RNA。,垂线表示戊糖的碳链，斜线代表，磷酸二酯键。,两种核酸分子组成的比较,核酸分子的骨架由核糖（脱氧核糖）和磷酸组成，不参与遗传信息的贮存和表达。DNA和RNA对遗传信息的携带和传递是依靠碱基序列的变化来实现的。,核酸分子的大小表示：碱基数目（base,kilobase)碱基对数目（basepair,bp或kilobasepair,kbp),（二）DNA的双螺旋二级结构,DNA

7、的空间结构,1953年，Watson和Crick发现了DNA双螺旋（doublehelix)结构模型。,1、,Chargaffsrule：A%T%G%C%,ErwinChargaff（19051995）,夏格夫法则Chargaffsrules：,所有DNA中腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔含量相等（A=T），鸟嘌呤和胞嘧啶的摩尔含量相等（G=C），既嘌呤碱总量=嘧啶碱总量（A+G=T+C）。DNA的碱基组成具有种的特异性，但没有组织和器官的特异性。生长和发育阶段营养状态和环境的改变都不影响DNA的碱基组成,RosalindFranklin,DNA分子X射线衍射照片,JamesWatson,rRNA,蛋白

8、质生物合成的场所;,mRNA,蛋白质生物合成的模板.,(一)tRNA(转运RNA),转运RNA（transferRNA,tRNA)约占细胞总RNA的15%,由核内形成并迅速加工后进入细胞质;tRNA的主要功能是将氨基酸转运到核糖体-mRNA复合物的相应位置用于蛋白质合成.,tRNA的三叶草型结构,转运RNA约占细胞中RNA总量的10%15%，是分子量最小的一类核酸，由7495个核苷酸构成。tRNA的功能是转运氨基酸，按照mRNA上的遗传密码的顺序将特定的氨基酸运到核糖体进行蛋白质的合成。,DHU环,反密码环,TC环,额外环(可变的),tRNA的二级结构三叶草形,反密码子,氨基酸臂,(二)信使R

9、NA的结构与功能,MessengerRNA,DNA决定蛋白质合成的作用是通过一类特殊的RNA实现的，这种作用类似于信使，因此这类RNA被命名为信使RNA（messengerRNA,mRNA).,在细胞内合成的mRNA初级产物比成熟的mRNA分子大得多，这种初级的RNA分子大小不一，被称为核内不均一RNA（heterogeneousnuclearRNA,hnRNA),hnRNA在细胞核内存在时间极度短，经过剪接成为成熟的mRNA,并依靠特殊的机制转移到细胞质中。,真核细胞的基因结构,hnRNA,成熟mRNA,成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成。,真核生物的mRNA的结构特点是含有特殊的5

10、末端的帽和3末端的多聚A尾结构。,mRNA分子从5-末端的AUG开始，每3个核苷酸为一组，决定肽链上的一个氨基酸，称为三联体密码(tripletcode)或密码子（codon)。,遗传密码子的特点无标点、不重叠密码子是不重叠的，每个三联体中的三个核苷酸只编码一个氨基酸，核苷酸不重叠使用噬菌体x174中某些基因之间有重叠现象简并几种密码子对应于相同一种氨基酸。这些密码子为同义密码子摇摆性密码第三位上的碱基发生变化密码的意思常常不变.如UUA和UUG都是甲硫氨酸的密码.通用性绝大多数密码子对各种生物都适用，某些线粒体中遗传密码有例外终止信号和起始信号UAG、UAA、UGA.AUG,核蛋白体是细胞合

11、成蛋白质的场所：核蛋白体中的rRNA和蛋白质共同为肽链合成所需要的mRNA、tRNA以及多种蛋白因子提供了相互结合的位点和相互作用的空间环境。,Reversetranscription,中心法则(CentralDogma),Replication,复制,转录,逆转录,翻译,氨基酸活化的总反应式是：,氨基酰-tRNA合成酶氨基酸+ATP+tRNA+H2O氨基酰-tRNA+AMP+PPi每一种氨基酸至少有一种对应的氨基酰-tRNA合成酶。它既催化氨基酸与ATP的作用,也催化氨基酰基转移到tRNA。氨基酰-tRNA合成酶具有高度的专一性。每一种氨基酰-tRNA合成酶只能识别一种相应的tRNA。tRN

12、A分子能接受相应的氨基酸,决定于它特有的碱基顺序,而这种碱基顺序能够被氨基酰-tRNA合成酶所识别。,氨基酸的活化,2.在核糖体上合成肽链,氨基酰-tRNA通过反密码臂上的三联体反密码子识别mRNA上相应的遗传密码，并将所携带的氨基酸按mRNA遗传密码的顺序安置在特定的位置，最后在核糖体中合成肽链。,肽链合成的起始,起始密码的识别首先辨认出mRNA链上的起始点（AUG），核糖体小亚基上的16SrRNA和mRNA的SD序列（位于起始位点上游413个核苷酸）结合N甲酰甲硫氨酸tRNA的活化形成起始复合物的形成（图示）,肽链的延长,进位（氨酰tRNA进入A位点）参与因子：延长因子EFTu（Tu）、E

13、FTs（Ts）、GTP、氨酰tRNA肽链的形成肽酰基从P位点转移到A位点，形成新的肽链移位（translocase）在移位因子（移位酶）EFG的作用下，核糖体沿mRNA（5-3）作相对移动，使原来在A位点的肽酰tRNA回到P位点,肽链的延伸过程,肽链合成的终止与释放识别mRNA的终止密码子，水解所合成肽链与tRNA间的酯键，释放肽链R1识别UAA、UAGR2识别UAA、UGAR3影响肽链的释放速度RR帮助P位点的tRNA残基脱落，而后核糖体脱落,简并(degeneracy)几种密码子对应于相同一种氨基酸。这些密码子为同义密码子,关于中心法则,朊粒(传染性蛋白质颗粒)羊的瘙痒症疯牛病中枢神经系统

14、疾病人的克鲁病(kuru)和克-雅氏症(v-CJD)PrP基因正常糖蛋白PrPc构象变化PrPsc(有感染性)朊粒是正常寄主的PrP基因编码的正常蛋白质PrPc的异构体PrPsc.,五、基因、基因组学与人类基因组计划,多核糖体,在细胞内一条mRNA链上结合着多个核糖体，甚至可多到几百个。蛋白质开始合成时，第一个核糖体在mRNA的起始部位结合，引入第一个蛋氨酸，然后核糖体向mRNA的3端移动一定距离后，第二个核糖体又在mRNA的起始部位结合，现向前移动一定的距离后，在起始部位又结合第三个核糖体，依次下去，直至终止。每个核糖体都独立完成一条多肽链的合成，所以这种多核糖体可以在一条mRNA链上同时合

15、成多条相同的多肽链，这就大大提高了翻译的效率,蛋白质合成过程小结,肽链合成方向NC（同位素证明）以mRNA的5-3方向阅读遗传密码该合成过程是一个耗能过程肽链的起始需要5ATP，延长时只需4ATP，合成一个n肽所需能量4n1ATP，原核生物中，肽链的终止不需GTP，则合成n肽所需能量3n1,（一）DNA与基因,DNA的功能：,DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息,并做为基因复制与转录的模板.它是生命遗传的物质基础,也是个体生命活动的信息基础.,Reversetranscription,中心法则(CentralDogma),Replication,复制,转录,逆转录,翻译,遗传学将DNA分

16、子中最小的功能单位称作基因。基因通常是指位于染色体的特定位置、编码特异的蛋白质或RNA的一段核酸序列（通常是DNA序列），是遗传物质的结构和功能单位。为RNA或蛋白质编码的基因称结构基因；DNA中还有一些只有调节功能，而并不转录生成RNA的片段，称调节基因。,基因组（genome)：某生物体所含的全部基因称该生物体的基因组。它包含了所有编码RNA和蛋白质的序列及所有的非编码序列，也就是DNA分子的全序列。,最简单的生物其基因组仅含几千个碱基对，人的基因组则2.8X109个碱基对。,DNA分子绝非一成不变，它可以发生各种重组和突变，为自然选择提供机会。,（二）原核生物基因组的特点,原核生物基因组

17、较小，没有核膜包裹，通常只有1个超螺旋DNA分子，且DNA分子较小。,原核生物DNA分子超螺旋,原核生物基因组特点为：,1、除调节序列和信号序列外，DNA的大部分是为蛋白质编码的结构基因，且每个基因在DNA分子中只出现一次或几次。只有一小部分是不翻译的，不翻译区(又称间隔区)通常包含控制基因表达的序列。,2、原核生物功能相关的几个结构基因常常串连在一起，受一套调控基因的调节，组成操纵子（operon）结构，并转录生成同一个mRNA分子，称为多顺反子mRNA，作为多种蛋白质合成的模板。,启动子(promoter),结构基因(structuralgene),操纵基因(operator),操纵子(o

18、peron),调节基因(regulatorygene),原核生物的操纵子结构,转录,翻译,蛋白A,蛋白B,蛋白C,多顺反子mRNA,原核生物基因表达,病毒基因组具有重叠基因的结构，即多个基因在同一DNA分子上部分或完全重叠，该DNA序列能够编码两种甚至三种蛋白质分子；而真核基因组及细菌的基因组没有这种结构。,3、有基因重叠现象（overlappinggene）,I,P,O,（三）真核生物基因组的特点,真核生物基因组远大于原核生物的基因组，多是线性双链DNA分子，与蛋白质结合构成染色体，位于细胞核中，除配子细胞外，体细胞内的基因组是双份的(即双倍体，diploid)，即有两份同源的基因组；真核生

19、物基因占整个基因组的比例很小，基因组中非编码序列远远多于编码序列，非编码序列可占8090%。,真核细胞基因转录：转录产物为单顺反子mRNA，即一个结构基因转录生成一个mRNA分子，经翻译生成一条多肽链。,DNA,DNA,转录及加工,翻译,蛋白质,真核生物基因表达,单顺反子mRNA,真核生物的基因一般分布在若干条染色体上,其主要特点有:,1、有重复序列.,2、有断裂基因.,1、重复序列.,真核生物DNA分子中有些序列可重复多次,根据重复次数的多少可分为:,单拷贝序列,中度重复序列,高度重复序列,(1)单拷贝序列,某些基因在整个DNA分子中只出现一次或少数几次,主要是编码蛋白质的结构基因.单拷贝基

20、因在人体的细胞中约占DNA总量的一半.,(2)中度重复序列,某些基因在DNA分子可重复几十次到几千次.rRNA基因、tRNA基因和某些蛋白质基因属中度重复基因。中度重复序列在人体的细胞中约占DNA总量的30%-40%.,某些基因在DNA分子可重复几百万次.高度重复序列一般位于异染色质上，多数不编码蛋白质或RNA，可能与染色体结构的形成及基因的表达调控有关。高度重复序列被称为卫星DNA。,(3)高度重复序列,高度重复序列一般富含A-T对或富含G-C对；进行密度梯度离心时，常在主体DNA密度带附近形成副带，因此被称为卫星DNA。,主DNA带,富含G-C对的卫星DNA带,富含A-T对的卫星DNA带,

21、卫星DNA为异染色质的组成部分,不被转录.,根据核心顺序的长短,卫星DNA分为:,大卫星DNA,小卫星DNA(ministatelliteDNA),微卫星DNA(microstatelliteDNA,MS),2、断裂基因.,原核生物基因和真核生物基因间有一个基本的不同点：原核生物基因是编码DNA的一个完整片段；而大多数真核生物为蛋白质编码的基因都含有“居间序列”，即不为多肽链编码。,基因中不编码的居间序列称为内含子（intron),而编码的片段则称为外显子（extons).,内含子的存在使真核生物基因成为不连续基因或断裂基因（splitgene).即基因内部的编码序列（外显子）被非编码序列（内

22、含子）所分隔；,DNA,DNA,内含子（intron）,外显子（exon）,真核生物断裂基因,5,结构基因,A,B,C,D,E,F,G,1,2,3,4,5,6,7,图示，鸡卵清蛋白基因（示断裂基因）基因总长7700bp,被7个不编码区A-G（内含子，绿色）分割成8个编码片段（外显子，红色）。这个基因的内含子部分比外显子部分长很多。,L,外显子,内含子,内含子的功能还不清楚。它可能含有调节信号；也可能内含子把基因分割成许多“可交换单位”，在生物进化过程中，这些单位可重新组合构成新的基因。,真核细胞的基因结构,hnRNA,成熟mRNA,内含子,外显子,mRNA剪切,四、人类基因组计划（humang

23、enomeproject，HGP）,基因组学(Genomics)是指对所有基因进行基因组作图(包括遗传图谱、物理图谱、转录图谱)，核苷酸序列分析，基因定位和基因功能分析的一门科学。基因组学包括两方面的内容：以全基因组测序为目标的结构基因组学(structuralgenomics)和以基因功能鉴定为目标的功能基因组学(functionalgenomics)。,概念：,（一）人类基因组计划产生的背景：,20世纪70年代，Sanger等开始病毒全基因组测序；1984年，完成了噬菌体X174(5386bp)、人线粒体基因组(16kb)等的全测序；1984年，美国Utah州，能源部召开的会议上讨论了测定

24、整个基因组DNA的意义与前景；1985年，美国能源部的HGP草案形成；1986年，Dulbecco在Science发表HGP的短文；1988年，Watson主持成立美国国家人类基因组研究中心；1990年，美国国会批准本国的HGP，正式启动。,癌症研究的转折点人类基因组的全序列分析RenatoDulbecco，Science1986,回顾了70年代以来癌症研究的进展，使人们认识到包括癌症在人类疾病的发生，都与基因直接、间接有关；同时指出，要么仍处在零打碎敲的方法研究，要么从整体上研究和分析整个人类基因组及其序列。这一计划的意义重大。这样的工作是任何一个实验室难以单独承担的项目。这个世界所发生的一

25、切事情，都与这一人类的DNA序列息息相关。,（二）HGP的研究目标及内容,总体目标：15年内投入30亿美元，完成人类24条染色体的3109bp核苷酸序列分析；1993年马里兰会议上进行修订，内容包括：基因组制图（遗传图谱、物理图谱、转录图谱、序列图谱）基因的定位与分析基因组研究技术的建立、改进模式生物基因组的图谱绘制及测序相关课题的研究,（三）人类基因组作图,遗传图谱（geneticmap）又称连锁图谱（linkagemap），是表示基因或DNA标志在染色体上的相对位置与遗传距离的基因组图，反映染色体上两点之间的连锁关系。遗传图谱是以细胞减数分裂时同源染色体发生交换的DNA区段为标记。遗传距离

26、通常以基因或DNA片段在染色体交换过程中的重组频率cM来表示。,物理图谱（physicalmap）物理图谱指DNA序列上两点之间的实际距离,其目标是在基因组中每100kb设一个标志点（即“路标”）;目前最满意的是以已定位的DNA序列标记位点（sequencingtaggedsite，STS）作为“路标”，以DNA的实际长度为“图距”绘制物理图谱。物理图谱是进行DNA序列分析和基因组织结构研究的基础。,转录图谱（transcriptionmap）转录图谱又称cDNA（complementaryDNA）计划，是以表达序列标签（expressionsequencetag，EST）为标志绘制的图谱。在

27、获得足够多的EST序列后，对这些EST片段进行染色体定位，最终绘制成一张可表达的基因图转录图谱。有了这张转录图谱，我们就可以了解不同基因在不同的时间、不同组织的表达情况；以及正常与异常状况下基因表达的差异。来自不同组织和器官的EST可为基因的功能研究提供有价值的信息，为基因鉴定提供候选基因。,序列图人类基因组计划最终要测定出由3109bp核苷酸组成的人基因组DNA的全部序列。随着全新测序技术与策略的参与，这项工作的进度大大加快，已远远超越了原定计划的时间表。目前已全部完成。,（四）人类基因组计划的步伐,1990年，HGP正式启动；1991年，人类染色体基因组数据库（GDB）建立；1992年，低

28、分辨率人类基因组遗传图谱发表；1993年，对HGP的目标进行了修正；1994年，遗传图谱比原目标提前一年完成；1995年，最小的细菌生殖器支原体测序完成；1996年，真核生物酵母基因组测序完成；1997年，大肠杆菌基因组测序完成；1998年，秀丽线虫基因组测序完成；同年5月，celera公司宣布加入HGP，HGP的进程走了一半；,1999年初，celera公司宣布果蝇的测序完成；1999年9月，中国获准加入该计划，测1的基因组，也就是3号染色体上的30Mb；1999年12月，国际人类基因组计划联合研究小组宣布对第一条人类染色体22号染色体测序完成；2000年4月，中国科学家按照国际人类基因组计划的部署，完成了1%人类基因组的工作框架图；2000年5月，人类第21号染色体的测序完成；2000年6月26日，HGP科学家、美国总统克林顿以及celera公司负责人同时宣布人类基因组序列的“工作框架图”完成。,2001年2月，Science和Nature分别发表了经过整理、分类和排列的基因组“精细图”