第三章 遗传分子基础.ppt

1、第三章 遗传分子基础,第一节 DNA分子结构与特征,DNA是一种双螺旋的生物大分子，其基本组成单位是单核苷酸，每个DNA分子都是由许许多多的核苷酸组成的多聚体。,DNA分子的组成和一级结构,遗传分子基础,碱 基,嘌呤（purine）,腺嘌呤(adenine，A),鸟嘌呤(guanine，G),遗传分子基础,碱 基,嘧啶（pyrimidine）,尿嘧啶(uracil，U),胸腺嘧啶(thymine，T),胞嘧啶(cytosine，C),遗传分子基础,DNA和RNA的化学结构,DNA和RNA都是核酸类高分子化合物，其中DNA为脱氧核糖核酸，RNA为核糖核酸。 他们都是由核苷酸形成的多聚体。 每个核

2、苷酸包括3部分：五碳糖、磷酸、含氮碱基。 含氮碱基又包括双环结构的嘌呤和单环结构的嘧啶,DNA和RNA的区别,1.DNA的含糖分子为脱氧核糖， RNA含的是核糖； 2.DNA含的碱基是：A、G、C、T， RNA含有碱基是：A、G、C、U； 3.DNA通常为双链，分子链较长， RNA主要为单链，分子链较短。,DNA脱氧核酸,RNA核酸,磷酸二脂键,DNA多核酸链,磷酸,脱氧核糖,DNA的双螺旋结构,DNA分子及其结构,DNA (deoxyribonucleic acid),核酸的 基本单位,单核苷酸 nucleotide,核糖 或者 脱氧核糖,磷酸,碱基,嘧啶： ,嘌呤： ,遗传分子基础,DNA

3、的双螺旋结构,DNA分子及其结构,核苷的形成,碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。,核苷：AR, GR, UR, CR 脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR,遗传分子基础,DNA的双螺旋结构,DNA分子及其结构,核苷酸(ribonucleotide)的形成,核苷(脱氧核苷)和磷酸以磷酸二酯键连接形成核苷酸)脱氧核苷酸)。,核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP 脱氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP,遗传分子基础,3，5磷酸二酯键,5,3,遗传分子基础,DNA双螺旋模型特点,DNA分子及其结构,1.两条反向平行(一条35,另一条53)的多

4、聚核苷酸链围绕一个假设的中心轴相互盘绕而形成右手双螺旋结构。 2.糖-磷酸键位于外侧，脱氧核糖平面与螺旋轴平行；碱基对位于内侧，碱基平面与螺旋轴基本垂直。 3.链间碱基按A-T，G-C配对（碱基配对原则）。 4.螺旋直径2nm，相邻碱基平面垂直距离0.34nm，螺旋上升一圈为10bp，间隔即螺距为3.4 nm 5.DNA双螺旋有大沟和小沟的存在。,遗传分子基础,小沟,大 沟,遗传密码,DNA分子的多核苷酸链上有3个相邻的碱基构成的一个三联体，转录后产生的mRNA中每个三联体密码编码一个氨基酸，因而称为密码子或三联体密码。 若A、T、G、C 4种碱基以三联体形式组成密码子，则组合形式可以有43种

5、。现在了解到64个密码子中有61个密码子编码氨基酸，有3个密码子UAA、UGA、UAG（赭石、琥珀、乳石密码子）是肽链合成的终止信号，不编码任何氨基酸终止密码子。,遗传密码,遗传密码的基本特性： 三联性: 4 3 = 64 个 (61 = aa, 3 = term.) 非重叠性: 除少数情况外，一个mRNA上每个碱基只属于一个密码子。 连续性：遗传密码间无逗号，即在翻译过程中，遗传密码的译读是连续的。 简并性：许多氨基酸有两种以上的密码子。 通用性：在生物界几乎是普遍适用的。,起始密码子： AUG (甲硫氨酸/甲酰甲硫氨酸) GUG (缬氨酸) 终止密码子 (无义密码子)：UAA(赭石)、UA

6、G(琥珀)、UGA(乳白),细胞内遗传物质DNA分子的存在形式,作为遗传物质载体的染色体，主要化学组成包括脱氧核糖核酸(DNA)，组蛋白，非组蛋白和少量的RNA ，在各成分含量的比较中发现，DNA和组蛋白的含量接近1:1，比值相对稳定，而非组蛋白和RNA的含量常有较大变化，一般是随细胞的生理状态的不同而发生改变。,遗传分子基础,DNA分子的存在形式,人类每个体细胞内含有两个染色体组，每个染色体组的DNA构成一个基因组(genome)，每个基因组的DNA含有3.2109 bp。,遗传分子基础,单一序列(unique sequence),重复序列(repetitive sequence),多基因家

7、族(multigene family),假基因(pseudogene),DNA分子的存在形式,遗传分子基础,单一序列(unique sequence),在人类基因组中约占DNA的10%，是单拷贝的单一序列，在一个基因组中只出现一次或者几次。它们主要构成编码蛋白质或酶的基因，称为结构基因(structure gene)。,重复序列(repetitive sequence),DNA分子的存在形式,遗传分子基础,是指一个基因组中存在有多个拷贝的DNA序列，约占人类基因组的90%，这些重复序列对于维持染色体的结构和稳定、参与减数分裂时同源染色体的联会配对，甚至对基因功能的调节具有重要的作用。 分为：高

8、度重复序列和中度重复序列,重复序列,高度重复序列(highly repetitive sequence),由很短的碱基序列(200 bp)组成，重复频率很高，可以达106以上，分散在基因组中，占基因组的10%30%。 主要功能：参与维持染色体的结构，如构成着丝粒、端粒等间隔结构基因并参与减数分裂时染色体的配对（一般不进行转录，不编码任何蛋白质）。,遗传分子基础,重复序列,中度重复序列(intermediate repetitive sequence),在人类基因组内散在或成簇存在的、长度大于300 bp的一些顺序，约占基因组总DNA的30%。,短分散元件(SINE)：Alu家族(Alu fam

9、ily) 长分散元件(LINE)：Kpn家族,遗传分子基础,DNA分子的存在形式,遗传分子基础,多基因家族(multigene family),指由一个祖先基因(ancestral gene)经过重复和变异所产生的一组来源相同、结构相似、功能相关的基因。,遗传分子基础,两种类型,多基因家族,一种类型：基因家族的各个成员具有几乎相同的碱基顺序，串联排列集中在一条染色体上，称为基因簇(gene cluster)，同时发挥作用，合成某些蛋白质。,另一种类型：一个基因家族分为若干群，成簇地分布在几条不同的染色体上，编码序列虽有差异，但编码的是一组功能上密切相关的蛋白质 。,DNA分子的存在形式,遗传分

10、子基础,假基因(pseudogene),在多基因家族中，有些基因不具有任何功能，这些基因被称为假基因。假基因是一种核苷酸序列同相应的正常基因基本相同，但不能合成功能蛋白质的失活基因，常用符号表示。,第二节 遗传的基本单位基因结构及其功能,遗传分子基础,遗传分子基础,基因(gene),遗传的基本单位基因,基因是合成一种有功能的多肽链或者RNA分子所必需的一段完整的DNA序列。,按照产物类别：蛋白质基因和RNA基因 按照产物功能：结构基因和调节基因,结构基因：合成对其他基因表达不产生影响的蛋白质和酶 调节基因：合成阻遏蛋白的转录激活因子,原核生物的基因是一个连续编码的DNA分子的一个片段。 真核生

11、物基因的DNA序列包括编码序列和非编码序列。编码序列在DNA分子中是不连续的，被非编码序列分开，形成镶嵌排列的断裂形式，称为断裂基因。 外显子：真核细胞的结构基因中含有的编码序列 内含子：两个外显子之间的无编码功能的序列。,真核生物基因的分子结构特征,遗传分子基础,断裂基因(split gene),真核生物基因的分子结构特征,GT - AG law,侧翼序列：包括启动子、增强子和终止子，他们均属于基因转录的顺式调控因子，亦称为调控序列。 1.启动子：是一段特异的核苷酸序列，通常位于基于转录起点上游100bp的范围内，是RNA聚合酶的结合部位，能促进转录过程。,TATA框，能够准确识别转录起点

12、CAAT框，促进转录 GC框，有两个拷贝分别位于CAAT的两侧，增强转录效率,遗传分子基础,侧翼序列(flanking sequence),真核生物基因的分子结构特征,启动子(promoter),2.增强子：是位于启动子上游或者下游的一段DNA序列，他可以增强启动子转录的能力，提基因转录的效率。,遗传分子基础,侧翼序列(flanking sequence),真核生物基因的分子结构特征,增强子(enhancer),增强子,3.终止子：位于3端非编码区下游的一段碱基序列（AATAAA），在转录中提供转录终止信号。,遗传分子基础,侧翼序列(flanking sequence),真核生物基因的分子结构

13、特征,终止子(terminator),终止子,增强子,启动子,第三节 DNA复制,遗传分子基础,遗传分子基础,DNA复制(replication),DNA复制,DNA分子合成一个与自己相同的DNA分子的过程。其结果DNA含量增加一倍。,实验：姐妹染色单体差别染色方法,BrdU（5溴脱氧尿嘧啶）掺入（两次复制） Giemsa 染色,在BrdU 中合成的DNA链着色浅，与原来的链明显不同。,实验：Cairns的放射自显影实验型复制模式的发现,每个新合成的DNA分子都含有一条热链和冷链,遗传分子基础,DNA复制 特性半保留复制,复制子：复制起始所需的特定核苷酸序列 复制叉：从一个起始点开始能独立进行

14、复 制的DNA区段。 细菌染色体、质粒和病毒：1个复制子 真核生物 ：一个DN分子有多个复制子 复制由复制起点进行调节，一旦复制开始， 即进行到底。,遗传分子基础,DNA复制,复制子(replicon) 复制叉(replication fork),AACGC,TTGCG,半保留复制,遗传分子基础,DNA复制,复制子(replicon) 复制叉(replication fork),半保留复制,DNA复制方向,真核生物：有多个复制起点，双向等速复制。 原核生物：单个复制起点，双向复制。,复制叉,新链的延伸方向只能53沿模板35），因此 一条链一直从53方向延伸，称前导链，连续合成； 另一条先沿5

15、3 合成冈崎片段，再由连接酶连起来，称后随链，不连续合成。 因此，DNA是半不连续复制。,DNA复制的半不连续性,遗传分子基础,前导链,岗崎片段,后随链,复制叉,复制起点,复制需要RNA 引物,在前导链上，只在起始点合成一次引物RNA，DNA聚合酶III开始DNA的合成。 在后随链上，每个冈崎片段的合成都需要先合成一段引物RNA，然后DNA聚合酶III才能进行DNA的合成。 引物由引发酶（一种特殊的RNA合成酶）合成，几十个核苷酸长。,第四节 基因表达,遗传分子基础,遗传分子基础,基因表达,基因的表达(expression)是DNA分子中所蕴藏的遗传信息通过转录和翻译形成具有生物活性的蛋白质或

16、通过转录形成RNA发挥功能作用的过程。,遗传分子基础,基因表达,在原核生物中，转录和翻译两个过程是同步进行的，随着mRNA的转录，核糖体即与之结合，随着mRNA的逐渐加长而与核糖体相结合成多聚核糖体，并进行翻译产生蛋白质。 在真核生物中，结构基因的转录和翻译是在不同的时间，不同的地点进行的。,遗传信息的传递,遗传分子基础,基因表达,逆转录,DNA,复制,转录,翻译,复制,信息流(information flow),中心法则,遗传分子基础,基因表达,转录(transcription)是指按照基因的核苷酸顺序合成mRNA分子的过程，是基因表达的第一步。 真核生物基因的转录是在细胞核中进行的。,基因

17、的转录,遗传分子基础,基因表达,转录以DNA反编码链为模板，从转录起始点开始，以碱基互补的方式合成一个RNA分子，称为核内异质RNA(hnRNA)。 它包括外显子、内含子和部分侧翼顺序。hnRNA要经过剪接、戴帽、加尾等加工过程才能形成成熟的mRNA。,基因的转录,遗传分子基础,hnRNA加工,剪接(splicing),在酶的作用下，GT-AG法则，剪切内含子，拼接外显子，形成可以连续编码的mRNA的过程。 选择性剪接：在同一个基因中，其剪接位点和拼接方式可以改变，从而导致一个基因能产生多个具有明显差异的相关蛋白产物。,遗传分子基础,hnRNA加工,戴帽(capping),戴帽：在mRNA 5

18、末端连接7甲基鸟嘌呤核苷（m7G）。 戴帽使mRNA的5末端得以保护，使其不再接加核苷酸 戴帽使mRNA能够被核糖体的小亚基识别，并与之结合而进行翻译,遗传分子基础,hnRNA加工,加尾(tailing),多聚腺苷酸化反应：mRNA3端在腺苷酸聚合酶的作用下加100200个腺苷酸，形成多聚腺苷酸尾巴（Poly A）的过程。,Poly A尾可以保持mRNA的3末端稳定，不受酶的破坏 Poly A尾可以促使mRNA由细胞核转运到细胞质中,翻译,翻译：实质是mRNA为模板合成蛋白质多肽链的过程。 多个核糖体可以在同一条模板上，按照不同进度翻译出多条相同的多肽链。 翻译后的初始产物大多数是无功能的，需要进一步加工才能成为有活性的蛋白质。,逆转录过程：,RNA指导的DNA聚合酶活性,RNA水解酶活性,DNA指导的DNA聚合酶活性,逆转录酶催化的DNA合成反应也是53方向。需要的引物是病毒本身的一种tRNA。,第五节 遗传变异分子基础 突变,遗传分子基础,遗传分子基础,基因突变概念,基因突变(gene mutation),指DNA分子中的核苷酸顺序发生改变，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。其结果是形成等位基因。 基因突变普遍存在于自然界中，任何生物其基因都会以一定的频率发生突变。,遗传分子基础