分子遗传学绪论概述.ppt

1、分子遗传学,授课教师：刘自强 ,2011年2月,授课要求：通过本课程的学习，掌握分子遗传学的基本概念、原理、技术和方法，为以后的学习和工作打下基础。 32学时，16次课，无实验 考试方式：关于分子遗传某一领域的研究进展 考试成绩：平时成绩(考查迟到、早退，课堂提问、讨论及遵守课堂纪律等方面)，上讲台做研究性报告，综述。,第一章 绪论,遗传学（genetics）是于1909年由Batesons首先提出的，Gene是希腊字根，有出生与祖先之意，Genetics含义是出生与祖先的关系。 遗传学主要研究遗传物质的结构与功能，以及遗传信息的传递与表达。,遗传学有以下特点。 推理性 根据自然现象和实验结果

2、提出一种假说，再通过实验加以验证。 综合性 是与生物科学领域的学科、自然科学乃至社会科学交叉和融合产生的。 发展迅速 是生物科学的核心学科，是自然科学发展的前沿学科。 应用性强 转化为巨大的生产力，关系到人类的健康长寿。,一. 遗传学的建立和发展 1. 遗传学的建立 人类在生产实践中对遗传和变异的感性认识 18世纪中叶西欧资本主义经济发展对农牧业提出新要求 孟德尔的卓越贡献 19世纪细胞学和胚胎学的发展 孟德尔定律的重新发现,Gregor Mendel 1864 年,遗传因子假说（Hypothesis of the inherited factor 1866）,生物性状由遗传因子控制 亲代传给

3、子代的是遗传因子（A,a） 遗传因子在体细胞内成双（AA,aa），在生殖细胞内为单（A,a） 杂合子体细胞内具有成双的遗传因子（Aa） 等位的遗传因子独立分离 非等位遗传因子间自由组合地分配到配子中,插曲：临终时,2. 遗传学的发展 2.1 细胞遗传学时期 （19001939） 从个体水平进入细胞水平，建立了遗传的染色体学说。主要是研究生物性状的遗传规律。 Boveri and Sutton（1902）发现遗传因子与染色体行为的平行关系 Morgan（1910）提出遗传学第三个基本定律连锁交换定律 Muller (1927) and Stadler (1928) 对动植物诱发突变成功 遗传学、

4、基因、基因型、表现型等概念的提出,在孟德尔遗传学的基础上，美国著名的遗传学家Morgan又提出了基因学说-基因在染色体上。连锁遗传规律（1933年诺贝尔奖）,2.2 微生物遗传学和生化遗传学时期 （19401952） 以微生物为材料，采用生化方法开始探索遗传物质的本质和功能 Griffith (1928) 发现肺炎球菌的转化现象 Avery (1944) 证明DNA是转化因子（遗传物质） Beadle (1941) 提出“一基因一酶”假说 Hershey (1952) 用噬菌体证明DNA是遗传物质,奥斯瓦德艾弗里 Oswald Avery 的历史贡献,1948年退休。 诺贝尔委员会因未在他死前

5、颁给他诺贝尔奖而备受指责,（1877-1955）,1928-1944 进行16年的肺炎链球菌遗传转化研究 证明DNA是遗传因子 一生的遗憾是由于 科学家对核酸的了解还知之甚少 DNA分子的功能也就更不为人知 蛋白质可能是遗传专一性的决定分子 DNase失活实验中未能完全排除对蛋白酶的失活 内向，缺少讨论 第一个动摇了“蛋白质是基因”的理念 奠定了“DNA是遗传物质”的理论基础,尽管Avery的实验未引起概念的变革,但他的研究工作引起了Er-Win Chargaff的极大兴趣 为提出DNA双螺旋结构模型器到了非常重要的作用 1952年（8年后） M.Delbruck, S.E. Luria, A

6、. Hershey 对噬菌体繁殖过程开展了深入的研究 证明了DNA是主要的遗传物质 （1969年诺贝尔奖）,D.H.L成功的因素,人们已经认识到DNA可能在遗传过程中有重要作用 他们的科学论文几乎与Watson和Crick的论文同时发表，从而得到了媒体的广泛宣传 Avery是孤立的研究者，较少参加学术交流与科学讨论，研究结果未能引起人们的注意 D.H.L的结果通过“噬菌体研究组”的学术关系和网络得到了迅速的传播和广泛的理解,1941年，Georage Beadle和Edward Tatum 提出的“一个基因一个酶”的假说（1958年诺贝尔奖）说明了基因的生化作用本质是控制着酶的合成,生物化学和

7、遗传学之间的联合迈出的第一步,G. Beadle & E. Tatum,2.3 分子遗传学时期 （1952 ） Watson and Crick (1953) 提出DNA双螺旋结构模型 Benzer (1955) 研究基因的精细结构 Crick (1958) 提出中心法则 Monod and Jacob (1961) 提出操纵子学说 Nirenbeng (1965) 破译遗传密码,DNA双螺旋结构的揭示,分子生物学的重要里程碑,Francis Crick (35y) James Watson(23y),1951 James Watson,（Luria的第一个研究生 23y）,丹麦 哥本哈根 K

8、alckar Lab. 博士后,1951年，剑桥大学 Cavendish Lab.,访问意大利那不勒斯动物研究所时,Kings Lab. London University Maurice Wilkins,性格不同，专业互补 紧密合作，锁定目标,在确定DNA分子结构的研究 中，没有用DNA分子做任何 一个实验,开创了一种研究风格 “对文章和实验进行讨论交流是重中之重，理论和讨论比实验和观察更为重要”。 “研究与讨论，分析与推论是建立在大量实验数据和科学论文的基础上的”,优秀女科学家 在双螺旋结构发现几年后，因癌症而病逝，对揭示DNA双螺旋结构做出过重要贡献，却受到歧视和不公正待遇,助手！待遇！

9、 背景！交流！,高质量的DNA X射线衍射图谱，核糖与磷酸连接成的扭曲绳子，每一节上都有配对的碱基,Rosalind Franklin Kings Lab. London University UK,James Watson (34y) Francis Crick (46y) Maurice Wilkins (46y),DNA 双螺旋模型 1953,1962年诺贝尔奖,乳糖操纵子模型开辟了分子遗传学研究新天地,退役军医，被Andre Lwoff招聘，从事生物学研究，利用Hfr的结合实验，对原噬菌体在细菌染色体上的整合位点进行了非常准确的定位,Jacques Monod,Francois Joc

10、ob,出生于一个传统的教徒家庭，在Andre Lwoff的带领下，开始了微生物营养的研究生涯，发现了细菌的“二次生长”(diuaxy)现象,乳糖操纵子模型,1960年，他们在对大肠杆菌乳糖代谢的研究中发现半乳糖苷酶在有乳糖存在的条件下才表达的一种“诱导酶”,Francois Jacob (44y) Jacques Monod (55y) (French),Lac. Operon Theory,1965年诺贝尔奖,信使的发现,破译遗传密码,破解遗传密码,DNA双螺旋结构揭示之后的又一研究热点 遗传学家：根据DNA的结构和基因在细胞中的作用进行推断 生物化学家：建立体外的蛋白质合成系统,生物化学家

11、在破译遗传密码中所做出的贡献成为分子遗传学最卓越的发现之一,同在美国华盛顿国家关节炎和代谢疾病研究所工作的两位名不经传的德国生物学家,Marshall Nirenberg,约翰马太(Johann Heinrich Matthaei)和马歇尔尼伦伯格(Marshall Nirenberg)的成功全是靠运气！,1968年诺贝尔奖,R. Holley H.G. Khorana M. Nirenberg pakistan,H. Gobind Khorana(46y),How to synthesize triplet RNA,Marshall Nirenberg(41y),遗传密码,Robert Ho

12、lley (46y),tRNAphe 三叶草结构e,Gobind Khorana 建立了合成具有特定碱基序列的OligoNt的有效方法 简便快速促进了在随后5年内所有密码的破译, 70年代 DNA重组技术(1980 ，Berg)，DNA测试技术(1977，Sanger),逆转录酶发现(1970，Temin),限制内切酶发现(1978，Smith),内含子发现(1977，Sharp),Paul Berg Stanford University,1926 -,Frederick Sanger,MRC Laboratory of Molecular Biology Cambridge, Great

13、Britain,1918 -,Hamilton O. Smith,Johns Hopkins University School of Medicine Baltimore, USA,1931 -,Howard Temin, 80年代 PCR技术(1986，Kary Mullis ), 转座子移动(1983，McClintock),核糖酶发现(1981，Cech),细胞大规模培养，动植物转基因技术,Thomas R. Cech,University of Colorado Boulder, CO, USA,1947-,Barbara McClintock,Kary Mullis, 90年代 人

14、类基因组计划，克隆动物 21世初 人类遗传密码草图面世 其它物种基因组测序,二 分子遗传学的研究内容,分子遗传学不同于一般的遗传学: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。,DNA,RNA,肽链,功能蛋白质,性状（现象型）,信息源,信息模板,工作分子,生长、分化、发育过程中的分子事件,中心法则,分子遗传学的范畴,转录,翻译,分子遗传学不等同于中心法则的演绎：分子遗传学的研究范畴要比中心法则广泛得多，深刻得多。 中心法则只是对DNA编码序列及其表达在分子水平上的解释，但是从中心法则到性状的形成，仍然是一个复杂的

15、、语焉不详的过程，它不是中心法则所能解释清楚的。,分子遗传学也不是核酸及其衍生物（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及变异的过程。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的因果关系,分子遗传学是在分子水平上研究生物遗传信息的组成、传递和表达规律的学科，是细胞中动态的遗传变异过程以及与此相关的所有分子事件。 1 基因的结构与功能 蛋白质是遗传物质吗？ 羊搔痒病（scrapie）的病源体朊粒（prion）,也是人类中枢神经系统退化疾病库鲁病（Kuru）和克杰氏综合症（CTD）的病源体，也可引起疯牛病即牛脑的海绵状病

16、变（BSE）。 朊粒是不含核酸的蛋白质颗粒，但能在宿主细胞内产生与自身相同的分子，并实现相同的功能，这是否意味着蛋白质也可以作为遗传物质呢？,实验证明，朊粒不含核酸，不是遗传信息载体，也不能复制，是由基因编码产生的正常蛋白质的复制品。哺乳动物产生一种糖蛋白PrP, 人的PrP由253氨基酸组成，位于第20号染色体的短臂上。 正常脑组织中的PrP称为PrPc,相对分子质量为33000-35000，对蛋白酶敏感。病变组织中的PrP称为PrPsc,相对分子质量为27000-30000，是PrPc的一段，对蛋白质酶不敏感。,PrPc和PrPsc是异构物,氨基酸组成和排列顺序相同，但三维构象不同。PrP

17、c的4条螺旋会长成部分折叠的单体PrP*,这种中间体可生成PrPc,也可生成PrPsc。外源PrPsc可促使PrP*生成PrPsc,生成PrPsc的过程是不可逆的。PrPsc在神经细胞中大量沉积，引起神经细胞病变，破坏神经细胞功能。 PrPsc进入宿主细胞并不是自我复制，而是将细胞基因编码的PrPc转变为PrPsc 。,核酸具有催化作用吗？,酶性核酸（ribozyme）又称为核酶，是一种能催化RNA前体剪接、催化肽链生成的RNA。Cech和Altman 80年代发现的这种酶改变了“酶就是蛋白质”的传统概念。提示生物进化过程中，RNA 早于DNA和蛋白质出现。 包括核酶和反义DNA、反义RNA在

18、内的反义寡聚核苷酸（ASONs）能与其互补的靶序列互补配对，抑制或封闭靶基因的表达。反义技术的发展被称为生物技术的第二次浪潮，在医学、动植物育种等方面有广阔的应用前景。,基因组研究,基因组学（genomics）是研究基因结构和功能的新学科(1986),可以分为结构基因组学和功能基因组学. 结构基因组学研究基因和基因组的结构,各种遗传元件的序列特性,基因组作图,基因定位等. 1990年,美国能源部和国立卫生研究部合作启动的人类基因组计划,带动了作物、家畜、微生物、模式生物、病源体、药物、环境 等各种基因组的研究，人类基因组计划包括广泛的内容。,基因组作图: 绘制各条染色体的遗传图、物理图、基因图

19、。 测序:测定全基因组DNA分子的核苷酸排列 基因识别:识别基因序列，设法克隆基因，研究基因功能。 模式生物:大肠杆菌、酵母菌、线虫、果蝇、小鼠、拟南芥、水稻 发展生物信息学和计算生物学。,2 基因的传递规律,2.1 单基因孟德尔式遗传 遗传异质性 （genetics heterogeneity）表现为许多基因中的任何一个发生突变，都会造成相同的表型。视网膜色素沉着病是14个基因中的任何一个发生突变的结果。 等位基因异质性 （allelic heterogeneity）是指同一个基因有多个引起性状改变的突变。,表观遗传变异（epigenetics variation）是指基因DNA序列不发生改

20、变，但基因表达时发生可遗传的变异，造成基因产物改变，导致表型的改变。这些变异不符合孟德尔遗传规律。已发现甲基化、基因组印记、RNA编辑等。,甲基化（methylation）,在甲基化酶作用下，DNA分子上某个碱基添加上甲基，常见的是加在胞嘧啶上，形成5-甲基胞嘧啶。含5-甲基胞嘧啶的位置通常是突变的热点。 DNA甲基化降低基因转录活性，真核生物可相差10 倍，原核生物相差10 倍。 组蛋白甲基化,基因组印记（genomic imprinting）,孟德尔遗传规律认为遗传物质无论来自双亲哪一方，都具有相同的表型效应。但是有些基因的功能受到双亲基因组的影响，打上了基因组的印记，性状的表现可因基因来

21、自父方还是母方而有所不同。 亨廷顿病是常染色体显性遗传病，患者发病年龄与致病基因（HD）来自父亲还是母亲有关。来自父亲的，发病年龄小；来自母亲的，发病年龄大。男患者的HD来自母亲的，本人发病迟，但把HD传给子女，其子女发病早。 基因组印记的机制主要涉及DNA甲基化和染色质结构的变化。,RNA编辑,由于mRNA分子中的核苷酸缺失、插入或置换，使翻译生成的蛋白质的氨基酸序列组成不同于基因序列的编码信息，这种现象称为RNA编辑。 RNA编辑可以使得任何一个基因序列可能产生几种不同的蛋白质，这可能是在长期进化过程中形成的最经济、最有效地利用原有遗传信息的机制。 RNA编辑是mRNA与“引导”RNA (

22、guideRNA,gRNA) 配对后，gRNA通过正常配对或异常的G-U配对而使mRNA的核苷酸序列发生改变。,图1-2 RNA 编辑,2.2 多基因性状的遗传规律,多基因性状包括动植物的经济性状、人类某些疾病（高血压、心脏病、糖尿病等）的易感性，以及一些连续变化的性状，例如舒张血压、免疫球蛋白E的滴度等。多基因性状遗传方式采用遗传连锁分析、相关研究、数量性状座位（QTL）定位等方法进行研究。 2.3 细胞质遗传 线粒体和叶绿体作为一个独立的遗传系统，核外基因有独自的遗传方式，又与核基因有密切的关系。,3 基因表达的调控, 基因表达调控的类型 按表达的层次分：转录水平、转录后水平、翻译水平 的

23、调控。 按表达定向分：组织专一性、非组织专一性、细胞分化阶段调控。 从遗传学角度研究基因表达调控 基因自身结构中的调控元件与调控因子及其作用机制，例如启动子、增强子、弱化子，基因与其他物质分子相互作用而影响其表达活性的机制。 基因表达调控研究举例,细胞程序性死亡,细胞程序性死亡（PCD）是一种生理现象，胚胎发育至一定阶段，一些细胞注定要死亡，胚胎发育才能顺利进行。 细胞程序性死亡不同于细胞坏死，而是细胞凋亡(apoptosis),主要特征是细胞膨大，染色体断裂，细胞破碎而膜不裂解，细胞内含物不外泄，不引起炎症。 细胞程序性死亡受控于基因，在线虫中，ced-3,ced-4 基因使细胞进入PCD, ced-9基因保护细胞不进入PCD。在哺乳动物中，ICE基因与ced-3基因同源，bcl-2基因与ced-9基因同源。这些基因的表达活性是成对比相互诘抗。,生物体形态建成,遗传学与发育生物学结合形成的发育分子遗传学从基因分子水平揭示生物发育的内在规律。 果蝇中有一些基因控制胚胎的空间组织结构，这些基因有相同的180bp序列称为同源框 (homeobox),编码60个氨基酸的肽链，同源框很保守，往往形成基因簇控制生物体的