分子遗传学.ppt

1、分子遗传学Molecular Genetics,参考书,李振刚。分子遗传学（第三版）。北京：科学出版社。2008。 张玉静。分子遗传学。北京：科学出版社。2000。 孙乃恩等。分子遗传学。南京：南京大学出版社。1990。,第一章 遗传的物质基础-DNA,第二章 有机体、染色体和基因,第三章 DNA的复制,第四章 以修复为中心的DNA的安全保障系统,第五章 突变,第六章 转录,第七章 翻译,第八章 原核生物基因表达的调控,第九章 真核生物基因表达的调控,第十章 基因表达调控的分子机制,第十一章 遗传重组,第十二章 基因工程导论,孙乃恩等。分子遗传学。南京大学出版社,第一章 引论,第二章 基因,第

2、三章 染色质,第四章 基因的复制、转录和表达,第五章 基因的调控,第六章 蛋白质遗传,第七章 RNA 遗传,第八章 发育的分子生物学,第九章 癌变的分子遗传学,第十章 植物分子遗传学,第十一章 中心法则导论,李振刚。分子遗传学（第三版）。北京：科学出版社。2008。,第一讲 分子遗传学概论,一、分子遗传学的含义 二、分子遗传学的产生 三、分子遗传学的展望 四、分子遗传学技术新进展 五、基因工程的发展趋势,一、分子遗传学的含义,1、什麽是分子遗传学? 分子遗传学是研究遗传信息大分子的结构与功能的一门科学。它依据物理、化学的原理来解释遗传现象，并在分子水平上研究遗传机制及遗传物质对代谢过程的调控。

3、 传统的遗传学“主要研究遗传单元在各世代的分布情况”，而分子遗传学则着重研究遗传信息大分子在生命系统中的储存、复制、表达及调控过程。,分子遗传学的研究范畴：,2、分子遗传学不等于中心法则的演绎,分子生物学家把分子遗传学理解为“DNA和RNA的复制与转录以及RNA的翻译”，也就是中心法则的全过程。其实，分子遗传学的研究范畴要比中心法则广泛得多，也深刻得多。他首先是遗传学，其坚实的理论基础仍然是摩尔根的基因论，而不是中心法则。 中心法则只是对DNA编码序列（基因）及其表达在分子水平上的解释。从中心法则到性状的形成，仍然是一个复杂的、语焉不详的生物学过程，它不是中心法则所能解释清楚的。,2、分子遗传

4、学不等于中心法则的演绎,DNA双螺旋结构的发现是我们在理解突变方面的巨大飞跃，但这既不是突变研究的开始也不是突变研究的终结；突变是在活细胞内发生的一种过程，这样的过程不能用DNA的简单化学反应来说明。 分子遗传学家把目光紧紧盯在DNA上的时间已经太久，他们应该研究活细胞内与遗传变异有关的一切分子事件，把目光扩展到RNA、蛋白质甚至糖分子上面。,3、分子遗传学不是核酸及其产物（蛋白质）的生物化学,分子遗传学研究的对象是分子水平上的生物学过程 遗传与变异的过程。它研究的是动态的生命过程，而不是在试管里或电泳仪上孤立地研究生物大分子的结构与功能的简单因果关系。 要真正地在分子水平上了解遗传变异的本质

5、，仅仅研究核酸或蛋白质的生物化学是远远不够的。对于那些从活细胞中分离出来的、干燥了的生物大分子的化学研究是必要的，但绝不是分子遗传学研究的中心内容，更不是它的全部内容。分子遗传学所研究的应该是细胞中动态的遗传变异过程，以及与此相关的所有的分子事件。这些事件绝不限于中心法则，也不限于核酸、蛋白质。,二、分子遗传学的产生,1、物理学的介入分子遗传学的物理学语言 2、微生物学向遗传学靠拢 3、生化遗传学的出现 4、从生化遗传学到分子遗传学,1、物理学的介入分子遗传学的物理学语言,物理学家进入生物界的目的主要有二：了解传统的物理定律是否已足以阐明遗传学问题；从分析遗传过程中能否发现一些新的物理定律。

6、生命是什么一书可以说是分子生物学研究开始的雏形。薛定谔是第一个用物理和化学语言对生命进行系统描述的物理学家。 薛定谔用物理和化学的语言为我们提供了现代分子生物学完整的理论框架，把生命、遗传、基因彻底分子化，并把信息论、量子力学的概念引入生命过程之中。如果把他的“非周期性晶体”换成DNA，那就是一个现代分子生物学的宣言。,生命之本 负熵,熵=k logD (k是波尔兹曼常数，D是有关物质的原子无序状态的数量量度） 问题的提出： 根据热力学第二定律，自然界演化的方向是从有序到无序，而生命的发生、演化、分化、生长等过程，显然是从组织程度低的无序到组织程度较高的有序。这是无生命世界中难以实现的。 问题

7、的解决： 负熵=k log(1/D) (1/D代表有序的度量，负熵就是取负号的熵，它本身是有序的一个量度） 生命是以负熵为生。有机体本身吸引了一连串的负熵去抵消它的生命活动中增加的熵，从而使它自身维持在一个稳定的而又很低的熵的水平上，生命因此得以继续： S=Se+ Si (Si0) Se是外部引入的熵，可以是负的。 Si 是内部产生的熵，不能小于零。因此系统的总熵S可正可负,2、微生物学向遗传学的靠拢,微生物实验中的问题： 在含致死药物的培养基上很容易分离出对各种致死药物有抗性的微生物品系。细菌的抗药性是后天获得的定向变异，还是早已发生的变异而被药物所筛选？ 实验表明： 病原菌的一种耐药性，在

8、没有该药物存在的情况下随机地发生了。利用影印培养，可以在从来没有接触过该种致死药物（如青霉素）的培养基中分离出耐该药的菌落。说明耐药性的产生并不是微生物在某种药物作用下的后天获得性遗传，而是随机发生的自发突变经过药物的筛选作用，使不具有耐药性的菌体死亡，使具有耐药性的变异菌体大量繁殖起来。 结论：拉马克学说遭到摒弃，人们开始转向摩尔根的基因突变理论,3、生化遗传学的出现,既然性状的差别是由基因突变引起的，基因又是怎样发生作用的呢？生物化学家很自然地把性状的差别与不同的生化反应联系起来，把支配性状的基因与控制生化反应的酶联系起来 如1923年发现人类的黑尿症是一种隐性遗传病。当这种纯合隐性基因存

9、在时，就不能产生尿黑酸酶，使尿黑酸（蛋白质的代谢产物）不能分解而在血液中积累。一部分尿黑酸随尿排出，暴露在空气中氧化成黑色素，使尿迅速转为黑色，故称黑尿症。 表明基因通过对酶合成的控制而影响遗传性状的发育,“一个基因一个酶”的假说,一个专一的基因控制一个特异的生化反应，而每一个特异的生化反应都涉及一个特异酶的催化作用。表明一个基因控制着一个酶的形成。酶是蛋白质，它第一次暗示在基因的分子结构与其产物（蛋白质）之间存在着对应关系,三类突变体生长时培养基中所必须加入的氨基酸,突变体1,突变体2,突变体3,精氨酸形成中的酶反应与基因控制,谷氨酸,鸟氨酸,瓜氨酸,精氨酸,基因3,基因2,基因1,酶3,酶

10、2,酶1,+,+,+,+,+,+,粗糙脉胞霉精氨酸缺陷型三类突变体的遗传控制,4、从生化遗传学到分子遗传学,1）遗传的物质基础是DNA： T2噬菌体侵染细菌试验中，噬菌体的蛋白质外壳留在菌体外，只有DNA进入菌体，进入菌体的DNA通过利用细菌的复制、转录等机制形成新的噬菌体。表明DNA是遗传物质。 2）分子水平上的遗传机制： 1953年Watson和Crick提出DNA双螺旋模型：双螺旋的两条链以氢键相连，碱基配对的原则是A与T,G与C。它合理解释了DNA复制和转录过程，解决了DNA的自我复制，巩固了DNA作为遗传物质的地位。 3）解决了遗传密码问题： 1955年Sanger测定了牛胰岛素中氨

11、基酸残基的准确位置；1958年Crick提出中心法则，这些工作鼓舞着人们把核酸与蛋白质的线性结构联系起来，导致1967年“遗传密码字典”的问世,三、分子遗传学的展望,1、基因的概念 2、真核细胞的基因调控 3、遗传与发育 4、自我组合过程 5、遗传工程 6、朊病毒与蛋白质工程 7、RNA干扰 8、生物分子信息学/基因组学（Genomics）的诞生 9、克隆动物研究简史,1、基因的概念,遗传学自诞生以来，经历了100多年的发展，取得了近代自然科学发展史上空前辉煌的成果，并正显示出极富活力的强劲的发展势头。遗传学正在从研究生物体形态、生理、行为特征的遗传和变异规律的学科，逐步演变为研究基因和基因组

12、的结构和功能的学科。 基因不仅可以重叠，而且可被分隔，使得基因是功能单位的顺反子概念不能成立 基因是转录单位的概念不能令人满意，因为有的基因并不转录或不完全转录，而作为一个单位转录下来的mRNA往往不是一个基因 基因和基因型的稳定性一直是传统遗传学的重要概念，但目前已认识到可移动DNA序列（转座子）的存在是生物界的普遍现象,基因概念的变迁,1) 孟德尔的遗传因子（factor） 2) 基因位于染色体上的遗传功能单位 3) 基因的化学本质 4) 一个基因一个酶的假说 5) 顺反子cistron （一个基因一条多肽） 6) 操纵子（operon） 7) 断裂基因（interrupted gene）

13、（外显子、内含子） 8) 重叠基因（overlapping gene） 9) 可动基因或转座元件,基因概念正经历着从稳定到动态的重大突破，随着分子遗传学的发展，新的基因概念必将出现。基因概念的演变必将促进遗传学的发展,2、真核细胞的基因调控,操纵子模型使我们对原核生物的基因调控有了比较彻底的了解。 这种模型在复杂的真核细胞中不适用： 1) 这种简单的模型无法解释高等生物体中复杂性状的分化与发育过程。 2）这种模型的调控灵敏度决定于mRNA很快地被制造又很快地被消耗，能够对外界的生存条件作出快速反应。而真核细胞中mRNA长达几十小时甚至数日的半衰期，使这种应变性的模型大大失去了调控意义。 3）真

14、核细胞中许多协同作用的基因是分散在若干不同的染色体上，不像原核生物那样只有一条染色体。真核生物如何协调地控制这些分散基因的活动，目前仍知之甚少,3、遗传与发育,问题：发育和遗传如何在基因水平上统一？ 在发育过程中，每个基因是通过怎样的调控系统来参与分化的？ 在细胞分裂中不仅DNA精确地复制，基因活动的形式也同样精确地遗给子代细胞。这种活动形式的发生与遗传的分子机制是什么？ 在发育过程中存在控制结构表达的时序基因，时序基因表达的遗传基础是什么？ 我们能通过遗传物质的分子活动来控制生物的发育分化吗？ 对人类来说，生男生女、体质、容貌是可控的吗？ 遗传病、癌症能消灭吗？,4、自我组合过程,什么是自我

15、组合：将生物体或组织的各个“部件”拆散后，当将它们重新混合在一起时，它们能自动地装配成完整的生物体或有功能的组织 当把T4噬菌体的各个部件混合在溶液中，它们能自动地装配成完整的T4噬菌体 把分离的心脏胚胎细胞放在一起，能自动组合成心脏组织并有搏动功能 把海绵粉碎为细胞悬液后，仍能重新组合成完整的海绵,5、遗传工程,遗传工程是以分子遗传学为理论基础，以分子生物学、微生物遗传学的手段来改造或重组生物遗传特性的一门新技术。它主要是指基因重组技术，多数以原核生物的质粒为载体。但最近的染色体工程（以人工染色体为载体，如YAC，BAC等）也崭露头角。 植物方面：苏云金杆菌毒蛋白基因（Bt）转入棉花，培育出

16、的转基因棉花对鳞翅目昆虫产生特异抗性。 动物方面：将大白鼠生长素基因注入小白鼠受精卵内，培育出超级鼠，体重比一般高两倍。又如生产活性多肽药物的转基因羊等 微生物方面：生产抗病毒疫苗的各种工程菌,6、朊病毒与蛋白质遗传,导致疯牛病的阮病毒是一种能够迅速繁殖、传染的蛋白质病原体，迄今为止，发现它只含蛋白质，不含核酸。 病原体PrPsc以其本身为模板，把细胞中具有正常功能的PrPc转变为病原体PrPsc。 这两种蛋白质分子的一级结构是相同的，但它们的立体构象不同， PrPsc比PrPc具有高得多的折叠结构。可是PrPsc能做模板，把PrPc转变为PrPsc，而PrPc却不能作为模板把PrPsc转变为

17、PrPc。 PrPsc是不折不扣的外来细胞质的遗传模板，能把来自细胞核基因的蛋白质改造为细胞质的遗传模板 蛋白质作为一种遗传物质向DNA作为唯一遗传物质的统治理论提出挑战,7、RNA干扰,生物体中由双链RNA断裂而来的小RNA分子由21 25个核苷酸组成，它们能够在细胞质中以及在基因组水平上触发后成的基因沉默。 在细胞质中，这种小RNA分子能够与其互补的mRNA结合，使mRNA链的某一段落成为双链，阻碍了核糖体的翻译进程，并导致mRNA链的降解。 在细胞核中，它们能使转录基因中与其同源的DNA序列甲基化而使基因陷于沉默 RNA干涉（DNA甲基化或mRNA降解）是后成的、遗传的，但不涉及基因突变

18、。称之为表观遗传学,8、生物分子信息学/基因组学,基因组是指细胞或生物体的一套完整的单倍体遗传物质，它包括单倍体遗传物质中编码的和非编码的全部DNA序列。 基因组是一个稳定的体系，同一种系不同个体之间的染色体数目是相同的，各染色体上有相同数目的基因和基因分布，也有基本相同的核苷酸顺序。 核基因组是单倍体细胞核内的全部DNA序列； 线粒体基因组是一个线粒体所包含的全部DNA序列 叶绿体基因组是一个叶绿体所包含的全部DNA序列 基因组计划已测序和正在测序的生物有： 动物：人类、线虫、果蝇、小鼠、蚊子、疟原虫、大鼠、黑猩猩、家蚕、蜜蜂、家猪、狗、牛、鸡、海胆等 植物：拟南芥、水稻、玉米、白杨、小立完

19、藓等 微生物：大肠杆菌、酵母等60种微生物等,HGP计划推动了生物产业和新兴学科的产生与发展,当前国际上一批大型制药公司和化学公司大规模地向基因研究领域进军，标志基因组研究可转化为巨大生产力。由于基因组研究与制药、生物技术、农业、食品、化学、环境、能源和计算机等部门密切相关，因此形成了一个新兴产业即生命科学工业。 人类基因组计划的实施带动了“基因组学”的发展。基因组学是从整体上研究一种物种基因组的结构、功能及其调控的新学科。基因组学最初由Thomas Roderik提出，现在又将其分为两个分支：即结构基因组学和功能基因组学。前者着重于基因组的基因定位和序列分析，后者侧重在基因功能研究。基因组学

20、的重要性就在于它是整个生命科学产业的上游部分，掌握了基因的知识产权，就等于控制了基因工程产业的核心。 目前已进入“后基因组”时代，生命科学的重点将从基因组的研究转向蛋白质组研究。蛋白质组研究指的是基因组所表达的全部蛋白质。蛋白质组学在此形势下应运而生。它将从整体上研究蛋白质组中各种蛋白质的结构、功能及其相互关系。此新学科的发展将使原来的蛋白质学提高到崭新水平。,反向遗传学的兴起与迅猛发展,反向遗传学是在计算生物学基础上发展起来的一门新兴交叉学科，最近也称为生物信息学。近年来许多科学家认为反向遗传学的主要任务是在DNA和RNA中寻找模型，预测蛋白质结构，建立蛋白质模型，并从不断增长的资料库中挖掘

21、新的信息。 反向遗传学的主要内涵包括：建立和发展适于生物信息处理的数学算法和计算模型；建立和发展资料数据库；利用数据库中的DNA序列资料预测编码蛋白质的新基因以及蛋白质的高级结构和功能。,反向遗传学的主要研究热点,发现编码蛋白质的新基因：其基本原理是蛋白质的DNA编码区两端总是可以找到一些特殊序列元件，如启动子成分CAAT盒和TATA盒、SD序列（CCTC）、内含子两端的剪接信号（GUAG）、起始密码子(AUG)和终止密码子（UAA、UAG、UGA）等。 寻找新的蛋白质编码区的方法是：第一步，在许多已知蛋白编码区的序列（C1,CK）逐个检出密码子，统计出每种密码子在这些序列中出现的频率，计算平

22、均值并建立计算模型；第二步，分析寻找新蛋白质编码区序列，分析特定区域是否符合编码区模型要求，从而确定新的编码区。 寻找蛋白质家族成员及预测二级结构：其基本原理是蛋白质家族都存在一类由氨基酸序列所决定的共同三维结构，若将某一类蛋白质家族的典型代表序列作为训练组，检测每种氨基酸在A1，A2；B1，B2，位置出现的概率，由此就可得出一种检测图式作为统计判据。然后将大量未知归属的作为被测试组进行同样测试，若出现与某一训练组很相似的图式，则被测组可归入训练组同一家族。,动物克隆研究进展,克隆意为无性繁殖。克隆动物不经有性过程，通过核移植使体细胞进行后代繁殖，是对传统发育生物学观点的一种挑战，无论在理论上

23、和技术上都带有突破性。 克隆动物核移植研究无疑能在理论上更深入了解细胞分化发育的潜能性、可逆性以及核质相互作用。在实际应用上，可用于大量扩增生产人类药用蛋白的转基因动物，大量繁殖同基因的优良品种，因此克隆动物研究具有重大意义。,克隆动物研究简史,自从1938年Sepemann提出将胚胎细胞核移植到卵母细胞的设想后，1952年Brigg和King等将已发生分化的蛙胚细胞核注入去核的蛙卵构建了核移植胚，1981年Illmensee报道了胚胎细胞核移植获得正常小鼠，1986年Willadsen在Nature撰文报道获得胚胎核移植绵羊，1987年Robl等报道了胚胎核移植牛，随后Stice(1988)

24、克隆兔、Prather克隆猪相继问世。上述均采用胚胎细胞核移植，属第一代细胞核移植技术。 1996年Campbell用培养绵羊的胚盘细胞作供核细胞进行核移植并获得了克隆绵羊。1997年Wilmut用绵羊乳腺上皮细胞作供核细胞进行核移植，首次获得体细胞核移植克隆羊，在克隆动物方面取得了重大突破。这证明已分化的细胞核在去除遗传物质的卵子中可以被卵细胞质所控制，进行重编程，恢复到受精卵合子一样的功能状态，进行正常程序的发育。这标志着哺乳动物的核移植技术进入了一个崭新的阶段。,四、分子遗传学技术新进展,DNA微阵列技术 微粒技术 DNA分子进化研究技术 噬菌体表面呈现技术 遗传分子标记技术 基因治疗新

25、技术,DNA微阵列技术,DNA微阵列（microarray)指在固体表面（玻璃片或尼龙膜）上固定成千上万DNA克隆片段或人工合成的寡核苷酸片段，用荧光（或其它）标记的mRNA、cDNA或基因组DNA探针进行杂技，从而同时快速检测多个基因表达状况或发现新基因、快速检测DNA序列SNP遗传连锁图、进行DNA序列分析等的一种新技术，其原理是基于Southern杂交或斑点杂交技术，实际是利用DNA互补配对原理。,植物幼嫩叶片与成熟叶片cDNA芯片杂交结果,cDNA芯片软件处理的散点图,经软件处理后的基因差异表达情况,其它分子遗传学新技术,微粒技术 DNA分子进化研究技术 1)DNA改组技术 2）易错P

26、CR技术 噬菌体表面呈现技术 遗传分子标记技术 基因治疗技术,基因工程的发展趋势,蛋白质工程：20世纪80年代初，蛋白质晶体学、计算机与基因工程技术结合，出现了第二代基因工程蛋白质工程。蛋白质工程深入到基因内部基因区段（domain）,一个或数个碱基进行结构与功能分析，基因区段拼接、点突变、盒式突变技术，可随意创造出新的基因、新的蛋白质及新的产品。 值得注意的是，任意修改现有生物种群和特性，极有可能创造出假、恶、丑的生命形态，破坏生态环境，造成基因污染。这种污染很难消除，将会对人类自身安全构成严重威胁。,基因工程的发展趋势,分子生物电子学的兴起：基因工程的发展已超越了生物学的学科范围，同电子学

27、结合形成了一门新的学科分子生物电子学，主要研究生物材料和生命过程的电子特征。当前该学科主要集中研究生物芯片、生物传感器和新型生物材料开发。 1、生物芯片：是以生物高分子（DNA、蛋白质）为骨架制成的具有集成电路功能的电子元件。以生物芯片开发的计算机称为第六代计算机，体积更小、容量更大，将具有学习和自我判断能力，并可用自然语言与人类交流。生物芯片亦可用于医学，植入人体代替人脑部分功能。 2、生物传感器：1996年美国已投资近1亿美元用于糖尿病监测使用的葡萄糖传感器，日本在走向21世纪生物技术规划中，也将开发生物相容性生物传感器列入重点。 3、生物新材料：TDK公司正研究用微生物生产新的磁性材料。

28、美国军方正运用蛋白质工程技术研究一种韧性和强度极高的新蚕丝蛋白，为制造降落伞之用,基因工程的发展趋势,走向海洋、走向宇宙空间 1、走向海洋：海洋比陆地面积大许多，可利用生物种类极多。目前已分离出海洋光合细菌质粒，与大肠杆菌质粒一起构建穿梭质粒。海洋生物育种、海洋生物活性物质提取是目前研究的热点。 2、走向宇宙：1984年美国即利用“挑战者”号航天飞机在太空用基因工程菌生产胰岛素。1987年太空药厂已由航天飞机送入太空。在地球上生产一个疗程的尿激酶要1000美元，而在太空只需75美元。据估计，目前全球生物技术产品销售额可达3500亿美元，其中在太空加工的约147亿美元。,基因工程的发展趋势,大规模研究战略的制定：当前世界各国纷纷制定重大规划，部署具有战略意义的生物技术研究。如人类基因组、脑与思维、遗传发育与进化等。 1、人类基因组计划：人类企图从分子水平认识自身（人类遗传信息如生、老、病、死、思维、意识和行为的本质大都储存在30亿碱基，大约8-10万基因中）。经过世界主流科学家的通力合作和努力，终于在2000年5月10日完成HGP工作草图，并公布上网。目前已有近5000年基因被定位在染色体上。在HGP工作草图基础上，重要基因的定位、功能和相互关系的研究将成为今后热点。 2、植物基因组研究：最近很多国家兴起了植物基因组作图热潮。英国正绘制小麦