医学分子生物学-dna-1课件.ppt
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1、第五章第五章 DNA及基因组及基因组12BREAKTHROUGH OF THE YEAR 2013:Runners up 恐龙向鸟类进化The birth of birds 年轻血液助推返老还童Young blood fixes old 机器人自主合作Robots that cooperate 仿人脑芯片Chips that mimic the brain 印尼洞穴艺术Europes cave art has a rival 治愈糖尿病的细胞Cells that might cure diabetes 操控记忆Manipulating memories 立方体卫星Rise of the Cub
2、eSat 扩充生命遗传密码 Giving life a bigger genetic alphabet3BREAKTHROUGH OF THE YEAR 2014:Landing on a CometCombination therapies that help harness T cells and other immune cells in the cancer fight are a key area to watch.American Association for the Advancement of Science Science 2014;346:14505BREAKTHROUG
3、H OF THE YEAR 2015:Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats成簇的、规律间隔的短回文重复序列成簇的、规律间隔的短回文重复序列Runner Upthe year of the dwarf planetKenna wake human skeletonthe regeneration of Psychologythe discovery of new racefocused on the deep mantle flowthe successful development of the Ebola vacc
4、ine yeast production of opioid drugs the brain has lymphatic channels Baer no loopholes in the experiment to confirm the quantum strange characteristics7基因组编辑技术可以实现三种基因组改造,即基因敲除,特异突变的引入和定点转基因8Areas to Watch in 2016 A physics satellite Dog evolution Gravitational waves一、核酸研究简史一、核酸研究简史 第一阶段:核酸的发现第一阶段:
5、核酸的发现第二阶段:发现核酸是遗传物质第二阶段:发现核酸是遗传物质第三阶段:为分子生物学奠定基第三阶段:为分子生物学奠定基 础的时期础的时期第四阶段:分子生物学高速发展时期第四阶段:分子生物学高速发展时期第一节 DNA的结构与功能918891889年年 R.Altman R.Altman 从动物细胞与酵母从动物细胞与酵母 菌中制备了菌中制备了核酸核酸 18691869年年 F.Miescher F.Miescher 从脓细胞中得到从脓细胞中得到 核质核质“NucleinNuclein”第一阶段:核酸的发现第一阶段:核酸的发现18941894年年 A.Kossel A.Kossel 和和A.Ne
6、umann A.Neumann 从胸腺从胸腺 中提取核酸中提取核酸1019301930年年 正式提出核酸分为两大类:正式提出核酸分为两大类:核糖核酸核糖核酸(RNARNA)脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸(DNADNA)19041904年年 Hammars Hammars 证明核酸中的糖是戊糖证明核酸中的糖是戊糖.19091909年年 LeveneLevene和和JacobsJacobs鉴定核酸中的糖鉴定核酸中的糖 是是D-D-核糖核糖.19121912年年 Levene Levene 认为核酸由认为核酸由4 4种核苷酸种核苷酸 组成组成19291929年年 Levene Levene 和和Jacob
7、s Jacobs 确定胸腺核苷酸确定胸腺核苷酸 中的糖是中的糖是2-2-脱氧脱氧-D-D-核糖核糖 11第二阶段:发现核酸是遗传物质第二阶段:发现核酸是遗传物质 1944 1944年年 AveryAvery等揭示了等揭示了DNADNA是细菌的遗传物质是细菌的遗传物质有荚膜的光滑型肺炎球菌(有荚膜的光滑型肺炎球菌(S型)型)致病致病无荚膜的粗糙型肺炎球菌(无荚膜的粗糙型肺炎球菌(R型)型)不致病不致病12 R R型菌型菌 R R型菌型菌 R R型菌型菌 +S S型菌型菌DNA DNA S S型菌型菌DNA DNA S S型菌型菌DNADNA (经蛋白酶水解)(经蛋白酶水解)(经核酸酶水解)(经核
8、酸酶水解)部分克隆变为部分克隆变为 部分克隆变为部分克隆变为 不能变为不能变为 S S型菌型菌 S S型菌型菌 S S型菌型菌1319521952年年 HersheyHersheyChase Chase 通过噬菌通过噬菌体感染细菌的实体感染细菌的实验表明验表明病毒的遗病毒的遗传物质是传物质是DNADNA。141953年年 J.D.Watson 和和 F.Crick建立建立 了了DNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型 第三阶段:为分子生物学奠定基础的时期第三阶段:为分子生物学奠定基础的时期151958年年 *KornbergKornberg等发现了等发现了DNADNA聚合酶聚合酶 (DNA poly
9、merase)(DNA polymerase)*Meselson 等提出半保留复制,等提出半保留复制,阐明阐明DNA复制的机理复制的机理*Crick提出了遗传信息传递的提出了遗传信息传递的 中心法则中心法则161965年年 中国科学家人工合成牛胰岛素中国科学家人工合成牛胰岛素1970年年 Temin等发现了从等发现了从RNADNA反转录现象,反转录现象,使中心法则更完善使中心法则更完善1961年以后年以后Jacob、Nirenberg和和 Monod 等取得三个等取得三个有意义的进展:有意义的进展:1)证实了证实了mRNA携带着携带着DNA到蛋白质合成机制所到蛋白质合成机制所 需要的信息需要的
10、信息 2)发现了遗传密码发现了遗传密码 3)发现了蛋白质依靠发现了蛋白质依靠tRNA和核糖体的帮助翻译和核糖体的帮助翻译17遗传信息传递的中心法则遗传信息传递的中心法则(central dogma)DNAmRNA转录转录多肽链多肽链翻译翻译蛋白质蛋白质翻译后加工翻译后加工DNA复制复制18第四阶段:分子生物学高速发展时期第四阶段:分子生物学高速发展时期1.19711.1971年年 限制性内切酶发现,限制性内切酶发现,DNADNA的的 分离成为可能分离成为可能192.2.直读核苷酸序列方法直读核苷酸序列方法 (1975(1975年年SangerSanger发明发明)203.DNA3.DNA体外重
11、组技术体外重组技术 (1972(1972年年 BergBerg发明发明)2119821982年年 中国科学家人工合成酵母中国科学家人工合成酵母 丙氨酸丙氨酸tRNAtRNA19851985年年 MullisMullis建立建立PCRPCR技术技术19811981年年 T.CechT.Cech发现四膜虫发现四膜虫rRNArRNA前体的前体的 自我拼接自我拼接,称为称为ribozyme.ribozyme.22人类科学史上的三大工程人类科学史上的三大工程 人类基因组计划人类基因组计划曼哈顿原子计划曼哈顿原子计划阿波罗登月计划阿波罗登月计划 19901990年年 美国正式启动人类基因组计划。美国正式启
12、动人类基因组计划。(human genome project,HGP)(human genome project,HGP)2319991999年年7 7月月 中国:中国:3号染色体短臂号染色体短臂30Mb区域(区域(1%项目)项目)。2001年年8月月 26日日,绘制完成绘制完成“中国卷中国卷”人类基因组计划参加国家:人类基因组计划参加国家:美、英、日、法、德、中美、英、日、法、德、中242003年年4月月六国政府首脑联名发表六国政府首脑联名发表六国政府首脑关六国政府首脑关于完成人类基因组序列图的联合声明于完成人类基因组序列图的联合声明。2519971997年年 英国爱丁堡罗斯林研究所首次英国
13、爱丁堡罗斯林研究所首次 育成克隆羊。育成克隆羊。26水稻基因组(水稻基因组(Rice Genome)2001年年10月,月,中科院、科技部和国家计委联中科院、科技部和国家计委联合向全世界宣布,中国率先完合向全世界宣布,中国率先完成水稻(籼稻)基因组工作成水稻(籼稻)基因组工作“框架图框架图”的绘制的绘制2002年年4月月5日,日,在在Science 杂志上以封面文章杂志上以封面文章的形式发表。的形式发表。27*后基因组计划(后基因组计划(post-genome projectpost-genome project)又称为功能基因组学又称为功能基因组学 (functional genomicsf
14、unctional genomics)*蛋白质组(蛋白质组(proteomeproteome)计划)计划 又称为蛋白质组学(又称为蛋白质组学(proteomicsproteomics)28*随着许多新的随着许多新的RNARNA功能陆续被发现,功能陆续被发现,20002000年各国科学家提出了年各国科学家提出了RNARNA组的研究,组的研究,称为称为RNARNA组学(组学(RNomicsRNomics)*生物信息学生物信息学(bioinformatics)*系统生物学系统生物学(systems biology)29二、二、DNADNA研究的临床应用研究的临床应用 1.1.疾病发病机理的研究疾病发
15、病机理的研究 1 1)遗传性疾病遗传性疾病 基因变异或基因缺陷是疾病发生的根基因变异或基因缺陷是疾病发生的根 本原因本原因如如:镰刀状红细胞性贫血镰刀状红细胞性贫血的致病因素是由的致病因素是由 于珠蛋白第于珠蛋白第6 6位氨基酸由谷氨酸突变为位氨基酸由谷氨酸突变为 缬氨酸。缬氨酸。30 如:如:心血管疾病心血管疾病 型高脂蛋白血症的形成主要是由于型高脂蛋白血症的形成主要是由于ApoEApoE基因中第基因中第112112位和第位和第158158位的位的G G和和C C发生变异,蛋白质肽链上原来发生变异,蛋白质肽链上原来 Arg Arg 变成变成CysCys,失去与失去与ApoEApoE受体结合的
16、能力,使受体结合的能力,使血脂升高血脂升高312 2)肿瘤肿瘤癌基因激活和癌基因激活和抑癌基因失活抑癌基因失活分化受阻分化受阻肿瘤细胞(永肿瘤细胞(永生型)生型)32 2.2.疾病的基因诊断疾病的基因诊断 DNADNA诊断:诊断:*快速快速DNADNA点杂交点杂交 *限制性内切酶酶谱分析法限制性内切酶酶谱分析法 *DNADNA限制性片段长度多态性限制性片段长度多态性 分析法分析法 (RFLPRFLP)*聚合酶链反应(聚合酶链反应(PCRPCR)产前诊断、植床前诊断产前诊断、植床前诊断 33 A BKb 1 2 3 1 2 3 Kb6.7 hcs-B5.8 hcs-A3.8 hGH-N3.0 h
17、GH-V1.2 hHG-V25.021.817.914.8单纯性生长激素缺乏症单纯性生长激素缺乏症(IGHD)(IGHD)(isolated growth hormone deficience)图中 A为BamHI酶解片段与hGH cDNA探针杂交放射自显影图 B为HindI酶解片段与hGH cDNA探针杂交放射自显影图 1 为正常人.2 为IGHD患者.3 为杂合子DNA hcs 为人绒毛膜促乳素.hGH 为人生长激素8.3 hcs-L34父亲父亲母亲母亲孩子孩子GTCGTACGTGACACACACACACACACACACAGTACGATACGTGTCGTACGTGACACACACACACA
18、CACACACAGTACGATACGTGTCGTACGTGACACACACACACACACACACACAGTACGATACGTGTCGTACGTGACACACACACACACACACAGTACGATACGTGTCGTACGTGACACACACACACACACACACAGTACGATACGTGTCGTACGTGACACACACACACACACACAGTACGATACGT父亲父亲 母亲母亲 孩子孩子46bp42bp40bp42bp42bp46bp40bp42bp40bpPCR结果的凝胶电泳:结果的凝胶电泳:图:某个图:某个CA2核苷酸重复的微卫星在一个家系中的核苷酸重复的微卫星在一个家系中的PCR
19、检测结果示意图检测结果示意图短串联重复短串联重复(short tandem repeat,STR)多态性分析多态性分析35 3.3.疾病的预防与基因治疗疾病的预防与基因治疗 1 1)采用基因工程产生疫苗药物)采用基因工程产生疫苗药物 2 2)基因治疗)基因治疗36构件分子构件分子核苷酸核苷酸nucleotidenucleotide核苷核苷nucleosidenucleoside 磷酸磷酸phosphatephosphate 碱基碱基basesbases 戊糖戊糖pentosepentose 嘧啶嘧啶pyrimidinepyrimidine 嘌呤嘌呤purinepurine 核糖核糖ribose
20、ribose 脱氧核糖脱氧核糖deoxyribosedeoxyribose 三、核酸三、核酸的结构的结构核酸核酸(多核苷酸(多核苷酸PolynucleotidePolynucleotide)(一)分子组成(一)分子组成373839 碱基上有修饰:碱基上有修饰:核苷的大写字母前加上代表修饰基团核苷的大写字母前加上代表修饰基团 的小写字母右上方写明碱基的第几位的小写字母右上方写明碱基的第几位 m2G 表示表示 2-N-甲基鸟苷甲基鸟苷 位置位置 m32 2 7G 表示表示 N2,N2,7-三甲鸟苷三甲鸟苷 数量数量 S4U 表示表示 4-硫代尿嘧啶硫代尿嘧啶甲基甲基(3)稀有碱基稀有碱基40R苷苷
21、412.戊糖戊糖42顺式腺苷顺式腺苷反式腺苷反式腺苷嘌呤碱嘌呤碱N9嘧啶碱嘧啶碱N1戊糖戊糖C143假尿苷假尿苷(C5C1)1 OHOCH2OHOH1NHCOO5HN444.核苷酸核苷酸4512345464753环核苷酸环核苷酸 cAMP、cGMP 表示磷酸与表示磷酸与3、5核苷核苷 羟基相接羟基相接 48(二)游离核苷酸的功能(二)游离核苷酸的功能 ATP、GTP、UTP、CTP 参于代谢参于代谢 5-FU(5-氟尿嘧啶)氟尿嘧啶)抗癌药物抗癌药物 6-MP(6-巯基嘌呤)巯基嘌呤)抗癌药物抗癌药物 AZT 抗抗AIDS病毒病毒(Azido thymidine 叠氮胸苷)叠氮胸苷)cAMP、
22、cGMP 第二信使第二信使 49胸腺嘧啶胸腺嘧啶(T)5-氟尿嘧啶氟尿嘧啶(5-FU)50次黄嘌呤次黄嘌呤(H)6-巯基嘌呤巯基嘌呤(6-MP)6-巯基嘌呤的结构巯基嘌呤的结构651甲酰甘氨酰甲酰甘氨酰胺核苷酸胺核苷酸(FGAR)PRPP谷氨酰胺谷氨酰胺(Gln)=PRA甘氨酰胺甘氨酰胺核苷酸核苷酸(GAR)甲酰甘氨甲酰甘氨脒核苷酸脒核苷酸(FGAM)5-氨基异咪唑氨基异咪唑-4-甲酰胺核苷酸甲酰胺核苷酸(AICAR)5-甲酰胺基咪唑甲酰胺基咪唑-4-甲酰胺核苷酸甲酰胺核苷酸(FAICAR)IMP次黄嘌呤次黄嘌呤(H)PRPPPPi=AMP=PRPPPPi=腺嘌呤(腺嘌呤(A)GMP=PRPP
23、PPi鸟嘌呤鸟嘌呤(G)6-MP6-MP6-MP6-MP6-MP6-MP52AZT53(三)(三)DNA的一级结构的一级结构 1.DNA的一级结构是指脱氧核苷酸的一级结构是指脱氧核苷酸 (碱基)在(碱基)在DNA分子中的排列顺序分子中的排列顺序 2.DNA分子中脱氧核苷酸的连接方式:分子中脱氧核苷酸的连接方式:3,5磷酸二酯键磷酸二酯键 3.直线形直线形DNA有二个末端:有二个末端:5磷酸末端磷酸末端 3羟基末端羟基末端 54 A.分子结构式分子结构式 B线条式线条式 C字母式字母式55 4.端粒(端粒(telomere)DNA结构与功能结构与功能56n线性线性DNA复复制的末端制的末端 57
24、荧光原位杂交显示端粒和端粒序列荧光原位杂交显示端粒和端粒序列58 端粒端粒DNA的功能的功能 a 保证线性保证线性DNA的完整复制的完整复制 b 维持染色体的稳定维持染色体的稳定 c 决定细胞的寿命决定细胞的寿命5960正常体细胞缺乏端粒酶活性,故染色体随细胞正常体细胞缺乏端粒酶活性,故染色体随细胞分裂而变短,细胞随之衰老。分裂而变短,细胞随之衰老。人的生殖细胞,部分干细胞染色体,肿瘤细胞人的生殖细胞,部分干细胞染色体,肿瘤细胞和永生细胞系具有端粒酶活性。和永生细胞系具有端粒酶活性。端粒酶和衰老、肿瘤有关:端粒酶和衰老、肿瘤有关:612009诺贝尔生理学或医学奖-端粒酶(telomerase)
25、Elizabeth Blackburn UCSFJack SzostakHHMI Carol GreiderJHU62DNA末端末端1.RNA和和DNA单链单链互补序列识别结合互补序列识别结合2.以以RNA为模板为模板 的逆转录过程的逆转录过程3.再发动新一轮的合成延长再发动新一轮的合成延长,合成较长的重复序列合成较长的重复序列634.以延长的以延长的DNA单链为模板单链为模板,3-OH为引物合成富含为引物合成富含C的的互补链互补链645.哺乳动物中端粒末端形成大的环状结构哺乳动物中端粒末端形成大的环状结构,环状环状DNA+蛋白质蛋白质 保护染色体保护染色体3端的稳定端的稳定 端粒的环状结构端
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