第01章-基因-课件.ppt

1、第一章第一章基因基因第一节第一节 基因的基本概念及基因的结构特点基因的基本概念及基因的结构特点第二节第二节 结构基因中贮存的遗传信息结构基因中贮存的遗传信息第三节第三节 基因结构变异及其与疾病的关系基因结构变异及其与疾病的关系第一节第一节 基因的基本概念及基因的结构特点基因的基本概念及基因的结构特点基因的研究简史基因的研究简史基因的基因的现代现代分子生物学概念分子生物学概念三、核酸是遗传信息的载体三、核酸是遗传信息的载体基因的结构特点基因的结构特点一、基因的研究简史一、基因的研究简史 1909年年 W.Johannsen首先使用基因（首先使用基因（gene）一词一词 1926年年 Morgan

2、发表了发表了“基因论基因论”20世纪世纪40年代年代 Bendle和和Tatum提出了提出了“一个基因，一个酶一个基因，一个酶”的学说的学说 20世纪世纪50年代年代 Benzer提出了提出了“顺反子顺反子”概念概念 20世纪世纪60年代年代 遗传密码的破译使人们对基因表达的机理有了更多的了解遗传密码的破译使人们对基因表达的机理有了更多的了解 20世纪世纪90年代年代 形成了基因的现代概念形成了基因的现代概念 基因决定遗传性状的表达，基因存在于染色体基因决定遗传性状的表达，基因存在于染色体及线粒体及线粒体DNA上，呈直线排列，并世代相传，基因上，呈直线排列，并世代相传，基因的颗粒性主要表现在世

3、代相传的行为和功能表达上的颗粒性主要表现在世代相传的行为和功能表达上具有相对的独立性具有相对的独立性基因的现代生物学概念基因的现代生物学概念二、基因的概念二、基因的概念 基因是核酸分子中贮存遗传信息的遗传单位，基因是核酸分子中贮存遗传信息的遗传单位，是是RNA和蛋白质相关遗传信息的基本存在形式，和蛋白质相关遗传信息的基本存在形式，是指贮存是指贮存RNA序列信息和有功能的蛋白质多肽链序列信息和有功能的蛋白质多肽链序列信息、以及表达这些信息所必需的全部核苷序列信息、以及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列。大部分生物中构成基因的核酸物质是酸序列。大部分生物中构成基因的核酸物质是DNA，少数生物（如，

4、少数生物（如RNA病毒）中是病毒）中是RNA。基因的现代分子生物学概念基因的现代分子生物学概念 a gene is the entire DNA sequence required for synthesis of a functional protein or RNA molecule 大肠杆菌大肠杆菌 50%病毒病毒 95%真核生物真核生物 5%10%基因在基因组中的数量基因在基因组中的数量 大约大约2 22.52.5万个基因万个基因 20%编码蛋白质编码蛋白质 80%编码编码RNA 90%基因属于看家基因基因属于看家基因（house keeping)10%基因属于组织细胞特异基因基因属于

5、组织细胞特异基因 （luxury gene，inducible gene)人的基因组人的基因组 一级结构（一级结构（primary structure）指指DNA分子中核苷酸的排列顺序分子中核苷酸的排列顺序 二级结构（二级结构（secondary structure）指两条指两条DNA单链形成的双螺旋结构单链形成的双螺旋结构 三级结构（三级结构（tertiary structure）指双链指双链DNA进一步扭曲盘旋形成的超螺旋结构进一步扭曲盘旋形成的超螺旋结构 1.DNA三、核酸是遗传信息的载体三、核酸是遗传信息的载体DNA的一级结构形成特点的一级结构形成特点 组成组成 4种脱氧核糖核苷酸种脱

6、氧核糖核苷酸(dAMP、dGMP、dCMP、dTMP)连接方式连接方式 以以3,5-磷酸二酯键相连磷酸二酯键相连 形态形态 以以4种脱氧核糖核苷酸排列为特定的多核苷酸长链种脱氧核糖核苷酸排列为特定的多核苷酸长链 DNA的结构的结构端端核苷酸核苷酸DNA双螺旋结构结构的多样性双螺旋结构结构的多样性DNA书写方法书写方法 pApCpTpGpCpT-OH A C T G C T DNA携带的遗传信息携带的遗传信息 调控信息调控信息 特定的特定的DNA区段区段,与蛋白质分子的识别、结合、与蛋白质分子的识别、结合、控制基因复制和基因表达等有关控制基因复制和基因表达等有关 结构信息结构信息 DNARNA蛋

7、白质蛋白质2.RNA 组成组成 4种核糖核苷酸（种核糖核苷酸（AMP、GMP、CMP、UMP）连接方式连接方式 以以3,5-磷酸二酯键相连磷酸二酯键相连 形态形态 以以4种核糖核苷酸排列为特定的多核苷酸链种核糖核苷酸排列为特定的多核苷酸链 RNA的一级结构特点的一级结构特点RNA的种类、分布、功能的种类、分布、功能 核蛋白体核蛋白体RNA 信使信使RNA转运转运RNA核内不均一核内不均一RNA核内小核内小RNA胞浆小胞浆小RNA 细胞核和胞液细胞核和胞液 线粒体线粒体 功能功能 rRNAmRNA mt rRNA tRNAmt tRNAmtRNAHnRNA SnRNASnoRNA scRNA/7

8、SL-RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分 蛋白质合成模板蛋白质合成模板 转运氨基酸转运氨基酸 成熟成熟mRNA的前体的前体 参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运 rRNA的加工、修饰的加工、修饰 蛋白质内质网定位合成的蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分信号识别体的组分核仁小核仁小RNA(一一)结构基因结构基因 定义定义 在基因片段中，贮存着一个特定的转录在基因片段中，贮存着一个特定的转录RNA分子的分子的 DNA序列，这段序列决定该序列，这段序列决定该RNA分子的一级结构，就分子的一级结构，就 称为结构基因称为结构基因 四、基因的结构特点四、基因的结构特点 组成组成 一个编码特定多肽链

9、的一个编码特定多肽链的DNA序列序列+与蛋白质编码与蛋白质编码 无关的无关的DNA序列序列(调控序列调控序列)结构特点结构特点 1.原核生物结构基因的特点原核生物结构基因的特点 结构基因在结构基因在DNA上是连续的上是连续的 2.真核生物结构基因的特点真核生物结构基因的特点 结构基因在结构基因在DNA上是不连续的（断裂基因）上是不连续的（断裂基因）有的是连续的，有的是间断的有的是连续的，有的是间断的,取决于其能够侵取决于其能够侵染的宿主染的宿主 3.病毒结构基因的特点病毒结构基因的特点真核生物结构基因真核生物结构基因 外显子（外显子（exon）指结构基因中与成熟指结构基因中与成熟RNARNA分

10、子中的保留序列相对应的分子中的保留序列相对应的序列序列 内含子（内含子（intron）指与指与RNARNA分子剪接时删除部分相对应的结构基因序列分子剪接时删除部分相对应的结构基因序列定义定义:与转录相关的、结构基因以外的序列与转录相关的、结构基因以外的序列(二二)基因的转录调控序列基因的转录调控序列 原核生物基因的转录调控序列原核生物基因的转录调控序列 1.启动子（启动子（promoter）是是RNA聚合酶特异性识别和结合的聚合酶特异性识别和结合的DNA序列。位于序列。位于结构基因转录起始点的上游，启动子本身并不被转录结构基因转录起始点的上游，启动子本身并不被转录包括三个部分包括三个部分:转录

11、起始部位（转录起始部位（1 bp）、）、10 bp区和区和35 bp区区。RNA聚合酶全酶中的聚合酶全酶中的因子识别并结合在因子识别并结合在35 bp区和区和10 bp区区 终止子是结构基因终止子是结构基因3端下游的一段端下游的一段DNA序列，其序列，其中有中有GC富集区组成的反向重复序列，转录后在富集区组成的反向重复序列，转录后在RNA分子中形成特殊的结构以终止分子中形成特殊的结构以终止RNA链的延伸链的延伸2.终止子终止子 3.操纵元件（操纵元件（operator）操纵元件是被阻遏蛋白识别与结合的一小段操纵元件是被阻遏蛋白识别与结合的一小段DNA序列序列(阻遏蛋白与操纵元件结合后抑制下游结

12、构基因阻遏蛋白与操纵元件结合后抑制下游结构基因的转录的转录)操纵元件位于操纵元件位于7 bp至至28 bp 区区 4.正调控蛋白结合位点正调控蛋白结合位点 在弱启动子附近有一些特殊的在弱启动子附近有一些特殊的DNA序列，转录激序列，转录激活蛋白可以识别并结合这种活蛋白可以识别并结合这种DNA序列，该蛋白可与序列，该蛋白可与RNA聚合酶作用，促进转录的启动。这种聚合酶作用，促进转录的启动。这种DNA序列就序列就是正调控蛋白结合位点是正调控蛋白结合位点启动子的上游有启动子的上游有CAP蛋白识别位点，蛋白识别位点，CAP被被cAMP激活后，能够结合于该识别位点，激活后，能够结合于该识别位点，激活下游

13、结构基因的转录激活下游结构基因的转录 真核生物的转录调控序列真核生物的转录调控序列 与转录调控有关的与转录调控有关的DNA序列称为顺式作用元件序列称为顺式作用元件 （cis-acting elements）。）。包括启动子、上游启包括启动子、上游启 动子元件、增强子、加尾信号和一些反应元件等动子元件、增强子、加尾信号和一些反应元件等 1.启动子启动子 RNA聚合酶特异性识别和结合的聚合酶特异性识别和结合的DNA序列。多数序列。多数 位于结构基因转录起始点的上游，启动子本身不被位于结构基因转录起始点的上游，启动子本身不被 转录。但有一些启动子（如转录。但有一些启动子（如tRNA启动子）可以位于启

14、动子）可以位于 转录起始点的下游，这些转录起始点的下游，这些DNA序列可以被转录序列可以被转录RNA聚合酶聚合酶转 录 因转 录 因子子启动子类型启动子类型启动子构成启动子构成含有该类启含有该类启动子的基因动子的基因 I TFI I核心元件，核心元件，上游调控元件上游调控元件 rRNA II TFII IITATA盒盒（TATA box）、）、几个上游启动子几个上游启动子元件和转录起始元件和转录起始位点位点 mRNA III TFIII IIIA盒和盒和B盒盒,转录转录起始点起始点 SrRNA tRNA等等 真核生物真核生物RNA聚合酶及其对应的转录因子、启动子类型聚合酶及其对应的转录因子、启

15、动子类型2.上游启动子元件上游启动子元件 指指TATA盒上游的一些特定的盒上游的一些特定的DNA序列序列 （1）与）与 TATA盒共同组成启动子盒共同组成启动子 （2）是反式作用因子（转录激活蛋白）识别与结）是反式作用因子（转录激活蛋白）识别与结 合的位点合的位点 CAAT盒：盒：含有含有5GGNCAATCT3核心序列核心序列 80 bp90 bp CACA盒盒:含有含有5GCCACACCC3核心序列核心序列 80 bp90 bp (大多数真核生物基因具有大多数真核生物基因具有)GC盒盒:含有含有5CCGCC 3 核心序列核心序列 70 bp和和120 bp (组成型基因具有组成型基因具有)常

16、见的上游启动子元件常见的上游启动子元件3.增强子增强子(enhancer）是一种较短的是一种较短的DNA序列，能够被反式作用因子识序列，能够被反式作用因子识别与结合。与增强子元件结合后能够增强邻近基因转别与结合。与增强子元件结合后能够增强邻近基因转 录。位于转录起始点上游录。位于转录起始点上游100300 bp处处 4.反应元件反应元件 一类能介导基因对细胞外的某种信号产生反应的一类能介导基因对细胞外的某种信号产生反应的 特异的特异的DNADNA序列序列 特点特点 具有较短的保守序列具有较短的保守序列 通常位于启动子附近、启动子内或增强子区域通常位于启动子附近、启动子内或增强子区域5.poly

17、(A)信号信号 II类基因除了调控转录起始的序列外，在结构类基因除了调控转录起始的序列外，在结构基因的基因的3端下游还有加尾信号。由端下游还有加尾信号。由AATAAA序列和序列和GT丰富区，或丰富区，或T丰富区组成。丰富区组成。作用作用:终止终止mRNA转录和为其加上转录和为其加上poly(A)尾尾(三三)基因的基本结构特点基因的基本结构特点1.原核生物基因的基本结构原核生物基因的基本结构 5-启动子结构基因转录终止子启动子结构基因转录终止子-3 操纵子操纵子（operon）功能上相关联的数个结构基因串联在一起，功能上相关联的数个结构基因串联在一起，由一套转录调控序列控制其转录，构成的基因由一

18、套转录调控序列控制其转录，构成的基因 表达单位表达单位.操纵子转录出的操纵子转录出的RNARNA为多顺反子为多顺反子(多个结构基因多个结构基因)组成组成 一个结构基因一个结构基因+转录调控序列转录调控序列 特点特点 mRNA多是单顺反子多是单顺反子（monocistron）例外例外 rRNA基因结构是多顺反子基因结构是多顺反子2.真核生物基因的基本结构真核生物基因的基本结构转录调控序列转录调控序列3.病毒基因的基本结构病毒基因的基本结构 特点特点 很小很小(和真核基因相比和真核基因相比)一般没有内含子一般没有内含子 调控序列较少调控序列较少 有不规则基因有不规则基因第二节第二节 结构基因中贮存

19、的遗传信息结构基因中贮存的遗传信息一、一、RNA的结构信息的结构信息二、二、结构基因中贮存的蛋白质序列信息结构基因中贮存的蛋白质序列信息 编码区编码区 一个特定蛋白质多肽链的序列信息，也称一个特定蛋白质多肽链的序列信息，也称 为开放阅读框（为开放阅读框（open reading frame，ORF）功能功能 决定蛋白质分子的一级结构决定蛋白质分子的一级结构1mRNA（1）一般结构）一般结构非编码区非编码区 开放阅读框的开放阅读框的5端上游和端上游和3 端下游的核端下游的核苷酸序列苷酸序列,也称为非翻译区（也称为非翻译区（untranslated region,UTR）功能功能 参与翻译起始调控

20、参与翻译起始调控*mRNA结构特点结构特点1.大多数真核大多数真核mRNA的的5末端均在转录后加上一个末端均在转录后加上一个7-甲甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的基鸟苷，同时第一个核苷酸的C 2也是甲基化的也是甲基化的，形成帽形成帽子结构：子结构：m7GpppNm-2.大多数真核大多数真核mRNA的的3末端有一个多聚腺苷酸（末端有一个多聚腺苷酸（polyA）结构，称为多聚结构，称为多聚A尾。尾。帽子结构帽子结构 NNHNN+NH2OC H3H2COO HO HOCH2OPOO-POOO-OO-OOPPOOO-ONAAA-OH 3（2）功能）功能 携带蛋白质的序列信息，在翻译过程携带蛋白质的序列信息

21、，在翻译过程中作为模板指导蛋白质的合成中作为模板指导蛋白质的合成原核生物与真核生物原核生物与真核生物mRNA结构的比较结构的比较 顺反子顺反子5端端帽子结构帽子结构3多聚多聚腺苷酸尾腺苷酸尾原核生物原核生物多顺反子多顺反子无无无无真核生物真核生物单顺反子单顺反子有有有有2.tRNA 结构特点结构特点 含有很多稀有碱基或修饰碱基含有很多稀有碱基或修饰碱基 3端是端是CCA-OH，连接激活的氨基酸连接激活的氨基酸 含有含有7个碱基组成的一个反密码环个碱基组成的一个反密码环 功能功能 在蛋白质生物合成时运输氨基酸在蛋白质生物合成时运输氨基酸NNHNHNNOCH3CH3NNNHNNHCH2CHCCH3

22、CH3NHNHOOHHHHNHNHSON,N二甲基鸟嘌呤二甲基鸟嘌呤N6 6-异戊烯腺嘌呤异戊烯腺嘌呤双氢尿嘧啶双氢尿嘧啶4-巯尿嘧啶巯尿嘧啶 稀有碱基稀有碱基 起始起始tRNA 识别翻译起始信号，并结合到核蛋白识别翻译起始信号，并结合到核蛋白体的肽位（体的肽位（P位）上。位）上。原核细胞的起始原核细胞的起始tRNA为为tRNAfmet真核生物的起始真核生物的起始tRNA是是tRNAimet 注意注意3.rRNA 原核生物核蛋白体原核生物核蛋白体 30S小亚基小亚基:含含16S的的rRNA和和21种蛋白质种蛋白质 50S大亚基大亚基:含两种含两种rRNA（23S 和和5S）及及34种种 蛋白质

23、蛋白质 真核生物核蛋白体真核生物核蛋白体 40S小亚基小亚基:含含18S rRNA及及33种蛋白质种蛋白质 60S大亚基大亚基:含有含有3种种rRNA（28S、5.8S、5S）及及45种蛋白质种蛋白质。核蛋白体的组成核蛋白体的组成原核生物（以大肠杆菌为例）原核生物（以大肠杆菌为例）真核生物（以小鼠肝为例）真核生物（以小鼠肝为例）小亚基小亚基30S40SrRNA 16S 1542个核苷酸个核苷酸 18S 1874个核苷酸个核苷酸蛋白质蛋白质 21种种 占总重量的占总重量的40%33种种 占总重量的占总重量的50%大亚基大亚基50S60SrRNA 23S 5S 2940个核苷酸个核苷酸 120个核

24、苷酸个核苷酸 28S 5.85S 5S 4718个核苷酸个核苷酸 160个核苷酸个核苷酸 120个核苷酸个核苷酸蛋白质蛋白质31种种占总重量的占总重量的30%49种种 占总重量的占总重量的35%介导介导rRNA与与mRNA的结合的结合 rRNA与核蛋白体蛋白的结合与核蛋白体蛋白的结合 rRNA与与tRNA的相互识别和相互作用的相互识别和相互作用核蛋白体功能核蛋白体功能4.小分子小分子RNA 核内小分子核内小分子RNA（small nuclear RNA，SnRNA）真核细胞核内的一组小分子真核细胞核内的一组小分子RNA 特点特点 300个碱基以下个碱基以下 序列中尿嘧啶含量较高，故用序列中尿嘧

25、啶含量较高，故用U命名命名(U1U10)功能功能 参与参与mRNA的剪接、加工的剪接、加工 U3与与rRNA加工有关加工有关反反义义RNA 属小分子属小分子RNA,其碱基序列正好与其碱基序列正好与mRNA互补，互补，从而可与从而可与mRNA配对结合形成双链，抑制配对结合形成双链，抑制mRNA作为模板进行翻译。是一种新的基因表达的调控作为模板进行翻译。是一种新的基因表达的调控机制机制5.核酶核酶（ribozyme）是一类具有催化活力的是一类具有催化活力的RNA 功能功能 主要参与主要参与RNA的加工和成熟的加工和成熟应用应用 剪切、破坏特定的剪切、破坏特定的RNA分子，如切割分子，如切割RNA的

26、基的基 因组或癌基因的因组或癌基因的mRNA等，达到治疗疾病的目的等，达到治疗疾病的目的二、结构基因中贮存的蛋白质序列信息二、结构基因中贮存的蛋白质序列信息1.遗传密码遗传密码 在在mRNA分子中蛋白质序列编码区内，每分子中蛋白质序列编码区内，每3个个核酸组成一个密码子（核酸组成一个密码子（codon），），编码多肽链上编码多肽链上的一个氨基酸。的一个氨基酸。mRNA中的中的4种核苷酸通过不同种核苷酸通过不同排列组合，可组成排列组合，可组成64个密码子，其中有个密码子，其中有3个是终个是终止密码子止密码子2.遗传密码的意义遗传密码的意义 决定蛋白质的一级结构决定蛋白质的一级结构（primary

27、 structure）3.结构基因的遗传信息决定蛋白质的结构与功能结构基因的遗传信息决定蛋白质的结构与功能 蛋白质一级结构决定空间结构，而蛋白质的蛋白质一级结构决定空间结构，而蛋白质的一级结构是由结构基因中的遗传密码决定的一级结构是由结构基因中的遗传密码决定的第三节第三节 基因结构变异及其与疾病的关系基因结构变异及其与疾病的关系基因突变机制基因突变机制 二、基因突变类型二、基因突变类型三、基因变异与蛋白质的活性改变的关系三、基因变异与蛋白质的活性改变的关系四、基因突变与疾病的关系四、基因突变与疾病的关系 一、基因突变机制一、基因突变机制 自发突变（自发突变（spontaneous mutati

28、on）复制时碱基的偶然性错配，由此引起的突变复制时碱基的偶然性错配，由此引起的突变 诱发突变（诱发突变（induced mutagenesis）体内代谢过程中产生的自由基、某些环境因素体内代谢过程中产生的自由基、某些环境因素 引起的引起的DNA一级结构改变一级结构改变二、基因突变类型二、基因突变类型 点突变点突变 单个碱基的变异单个碱基的变异 缺缺 失失 一个碱基或一段核苷酸链从一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分大分子上丢失称为缺失子上丢失称为缺失三、基因变异与三、基因变异与蛋白质的活性改变的关系蛋白质的活性改变的关系 1.遗传密码改变遗传密码改变 错义突变（错义突变（missense mut

29、ation）无义突变（无义突变（nonsense mutation）同义突变（同义突变（same sense mutation）移码突变（移码突变（frame-shifting mutation）2.蛋白质肽链中的片段缺失蛋白质肽链中的片段缺失 突变引起基因开放读框改变，从而改变了基因序突变引起基因开放读框改变，从而改变了基因序列，后者又引起了肽链中氨基酸序列发生改变，导列，后者又引起了肽链中氨基酸序列发生改变，导致蛋白质的功能丧失致蛋白质的功能丧失3.mRNA剪接错误剪接错误 突变改变剪接位点，产生异常的突变改变剪接位点，产生异常的mRNA4.影响影响RNA修饰修饰 例如，真核基因的例如，真

30、核基因的3 端有一个端有一个AATAAA序序列，此序列发生突变时使列，此序列发生突变时使mRNA不能加上不能加上poly(A)尾，从而影响尾，从而影响mRNA的稳定性和翻译效率的稳定性和翻译效率5.影响响基因表达影响响基因表达 顺式作用元件发生突变，可以影响反式作用因顺式作用元件发生突变，可以影响反式作用因子与其结合，从而影响基因表达子与其结合，从而影响基因表达 四、基因突变与疾病的关系四、基因突变与疾病的关系 结构基因突变导致蛋白质功能降低或丧失结构基因突变导致蛋白质功能降低或丧失 结构基因突变导致蛋白质活性异常增高结构基因突变导致蛋白质活性异常增高 结构基结构基因表达过高导致蛋白质过量而功能异常因表达过高导致蛋白质过量而功能异常 结构基因结构基因突变导致蛋白质产生过少而不能形成正突变导致蛋白质产生过少而不能形成正 常功能常功能