單元三：遺傳物質(zhì)的分子基礎(chǔ).ppt

單元三、遺傳物質(zhì)的分子基礎(chǔ),本單元重點(diǎn)1核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)（DNA、RNA）；2原核生物和真核生物染色體的分子結(jié)構(gòu)；3DNA的半保留復(fù)制和特點(diǎn)；4三種RNA分子的合成、轉(zhuǎn)錄及加工；5遺傳密碼與蛋白質(zhì)翻譯。,3-1核酸的分子組成及結(jié)構(gòu)3-2基因的表達(dá)3-3基因工程,3-1核酸的分子組成及結(jié)構(gòu)一、核酸的分子組成及結(jié)構(gòu)(一)兩種核酸及其分布：1.核酸：以核苷酸為單元構(gòu)成的多聚體，是一種高分子化合物。五碳糖：脫氧核糖、核糖核苷酸磷酸鳥(niǎo)嘌呤G、腺嘌呤A環(huán)狀的含氮堿基胞嘧啶C、胸腺嘧啶T或尿嘧啶U,核酸有兩種：脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。兩種核酸的主要區(qū)別如下：,DNA通常是雙鏈一般較長(zhǎng)。RNA主要為單鏈，分子鏈較短。,圖構(gòu)成核苷酸分子的堿基和核糖,DNA核苷酸,五碳糖：脫氧核糖堿基：A、T、C、G,RNA核苷酸,五碳糖：核糖堿基：A、U、C、G,DNA四種脫氧核苷酸,DNA分子,2分布：高等植物：DNA存在于染色體，葉綠體、線粒體中；RNA在核（核仁、染色體）、細(xì)胞質(zhì)中。細(xì)菌：DNA和RNA。噬菌體：多數(shù)只有DNA。植物病毒：多數(shù)只有RNA。動(dòng)物病毒：有些含RNA、有些含DNA。,(二)DNA的分子結(jié)構(gòu)：1.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)：1953年，沃森（WatsonJ.D.）和克里克（CrickF.H.C.）提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。主要依據(jù)為：堿基互補(bǔ)配對(duì)的規(guī)律以及DNA分子的X射線衍射結(jié)果。沃森和克里克與維爾肯斯(Wilkins)一起獲得諾貝爾獎(jiǎng)(1962)。,雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)(1953),模型建立者:JamesWATSON:生物學(xué)家FrancisCRICK:化學(xué)家雙螺旋模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重要貢獻(xiàn)者：RosalindFRANKLIN:KingsCollageLondon的MRC生物物理單位物理化學(xué)家，首先將磷酸原子定位于DNA外表面并發(fā)現(xiàn)了“B”型DNAMauriceWILKINS:“A”型DNA的發(fā)現(xiàn)者,電子顯微鏡下的人類DNA,特點(diǎn)：(1)兩條互補(bǔ)多核酸鏈、在同一軸上互相盤(pán)旋；(2)雙鏈具有反向平行的特點(diǎn)；(3)堿基配對(duì)原則為：A=T、G=C，雙螺旋直徑約20A，螺距為34A(10個(gè)堿基對(duì))。,遺傳信息載體：脫氧核糖核酸（DNA）雙螺旋分子；長(zhǎng)度單位：堿基對(duì)(bp)，千堿基對(duì)(Kb)，百萬(wàn)堿基對(duì)(Mb),(4)A-T、G-C排列方法有以下四種：A-TG-CG-CA-TC-GA-TA-TC-G設(shè)某一段DNA分子鏈有1000對(duì)堿基,則有41000種不同排列組合，就可能有41000種不同性質(zhì)的基因。,(5)物種：同物種中的DNA的堿基含量不同：a.DNA分子上的堿基順序是一致的，一般保持不變才能保持該物種的遺傳特性的穩(wěn)定；b在特殊條件下，堿基順序改變，出現(xiàn)遺傳變異。,2.DNA構(gòu)型：B-DNA：生理狀態(tài)下，每螺圈10.4個(gè)堿基對(duì)，右手螺旋；A-DNA：高鹽濃度下，每螺圈11個(gè)堿基對(duì)，右手螺旋；Z-DNA：序列富含GC，嘌呤和嘧啶交替出現(xiàn)，每螺圈12個(gè)堿基對(duì)，左手螺旋。,(三)RNA分子結(jié)構(gòu)：U代替T；與DNA的區(qū)別核糖代替脫氧核糖；一般以單鏈存在。,(四)DNA的復(fù)制1.DNA復(fù)制的一般特點(diǎn)：(1)半保留復(fù)制：瓦特森(WatsonJ.D.)等提出的DNA半保留復(fù)制方式。其方法為：a.一端沿氫鍵逐漸斷開(kāi)；b.以單鏈為模板，堿基互補(bǔ)；c.氫鍵結(jié)合，聚合酶等連接；d.形成新的互補(bǔ)鏈；e.形成了兩個(gè)新DNA分子。DNA的這種復(fù)制方式對(duì)保持生物遺傳的穩(wěn)定性是非常重要的。,(2)復(fù)制起點(diǎn)和復(fù)制方向：真核生物每條染色體的DNA復(fù)制都是多起點(diǎn)，多個(gè)復(fù)制起點(diǎn)共同控制整個(gè)染色體的復(fù)制；每條染色體有多個(gè)復(fù)制子；且為雙向復(fù)制；,2.DNA復(fù)制過(guò)程1）DNA雙螺旋的解鏈*DNA解旋酶在ATP供能下，每分鐘旋轉(zhuǎn)3000次解開(kāi)雙螺旋；*單鏈DNA結(jié)合蛋白馬上結(jié)合在分開(kāi)的單鏈上，以避免產(chǎn)生單鏈內(nèi)配對(duì)；*DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶來(lái)解決由于復(fù)制叉的推進(jìn)而產(chǎn)生超螺旋的問(wèn)題。,2）DNA合成的開(kāi)始合成DNA片段之前，先由RNA聚合酶合成一小段RNA引物(約有20個(gè)堿基對(duì))DNA聚合酶才開(kāi)始起作用合成DNA片段。,3）后隨鏈的不連續(xù)復(fù)制DNA聚合酶，以53方向發(fā)揮作用；從35合成方向的一條鏈，就會(huì)遇到困難。考恩伯格(KornbergA.,1967)提出不連續(xù)復(fù)制假說(shuō)：在35方向鏈上，仍按從53的方向一段段地合成DNA單鏈小片段“岡崎片段”(10002000bp)由連接酶連接這些片段形成一條連續(xù)的單鏈。,Helicase:解旋酶primosme,復(fù)制叉結(jié)構(gòu):,圖DNA合成模型,32基因的表達(dá),基因作為遺傳信息單位，位于染色體上，控制生物的性狀發(fā)育。DNA是攜帶生物遺傳信息的載體，是遺傳的分子基礎(chǔ)。基因表達(dá)就是將基因攜帶的生物信息釋放出來(lái)，供細(xì)胞利用的過(guò)程，或?qū)⑸锏倪z傳信息作為性狀或特征表現(xiàn)出來(lái)的過(guò)程。通常所說(shuō)的基因表達(dá)指基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的過(guò)程。原核生物或真核生物為了適應(yīng)外界環(huán)境條件及自身的需要，都必須不斷調(diào)控各種不同基因的表達(dá)方式。,一、基因的概念及其發(fā)展：、經(jīng)典遺傳關(guān)于基因的概念：孟德?tīng)枺喊芽刂菩誀畹囊蜃臃Q為遺傳因子。如：豌豆紅花(C)、白花(c)、植株高(H)、矮(h)。約翰生：提出基因(gene)這個(gè)名詞，取代遺傳因子。摩爾根：對(duì)果蠅、玉米等的大量遺傳研究，建立了以基因和染色體為主體的經(jīng)典遺傳學(xué)?；蚴腔瘜W(xué)實(shí)體，以念珠狀直線排列在染色體上。,基因的共性（按照經(jīng)典遺傳學(xué)對(duì)基因的概念）：染色體特性：自我復(fù)制能力和相對(duì)穩(wěn)定性，在分裂時(shí)有規(guī)律地進(jìn)行分配。交換單位：基因間能進(jìn)重組，而且是交換的最小單位。突變單位：一個(gè)基因能突變?yōu)榱硪粋€(gè)基因。功能單位：控制有機(jī)體的性狀。經(jīng)典遺傳學(xué)認(rèn)為：基因是一個(gè)最小的單位，不能分割；既是結(jié)構(gòu)單位，又是功能單位。,分子遺傳學(xué)關(guān)于基因的概念：,揭示遺傳密碼的秘密：基因具體物質(zhì)。具體內(nèi)容：一個(gè)基因DNA分子上一定區(qū)段，攜帶有特殊的遺傳信息轉(zhuǎn)錄成RNA(包括mRNA、tRNA、rRNA)或?qū)ζ渌虻幕顒?dòng)起調(diào)控作用(如調(diào)節(jié)基因、啟動(dòng)基因、操縱基因)?；虿皇亲钚∵z傳單位更復(fù)雜的遺傳和變異單位：例如：在一個(gè)基因區(qū)域內(nèi)，仍可以劃分出若干起作用的小單位。,現(xiàn)代遺傳學(xué)上認(rèn)為：突變子：指性狀突變時(shí)產(chǎn)生突變的最小單位，一個(gè)突變子可以小到一個(gè)核苷酸對(duì)。如移碼突變。重組子：指發(fā)生性狀重組時(shí)，產(chǎn)生重組的最小單位，可小到只包含一個(gè)核苷酸對(duì)。順?lè)醋樱壕褪且粋€(gè)基因，是一個(gè)完整的不可分割的功能單位。包括與一個(gè)多肽鏈的合成相對(duì)應(yīng)的一段DNA，平均大小為5001500bp,可有若干交換子和突變子。,基因概念：可轉(zhuǎn)錄一條完整的RNA分子或編碼一個(gè)多肽鏈；功能上被順?lè)礈y(cè)驗(yàn)或互補(bǔ)測(cè)驗(yàn)所規(guī)定。分子遺傳學(xué)保留了功能單位的解釋，而拋棄了最小結(jié)構(gòu)單位說(shuō)法。基因：相當(dāng)于一個(gè)順?lè)醋?，包含許多突變子和重組子。,紫外燈下的DNA,二、遺傳密碼：密碼子與氨基酸DNA分子堿基只有4種，而蛋白質(zhì)氨基酸有20種。堿基與氨基酸之間不可能一一對(duì)應(yīng)。141=4種：缺16種氨基酸；242=16種：比現(xiàn)存的20種氨基酸還缺4種；343=64種：由三個(gè)堿基一起組成的密碼子能夠形成64種組合，20種氨基酸多出44種。簡(jiǎn)并：一個(gè)氨基酸由二個(gè)或二個(gè)以上的三聯(lián)體密碼所決定的現(xiàn)象。三聯(lián)體或密碼子：代表一個(gè)氨基酸的三個(gè)一組的核苷酸。,遺傳密碼字典每一個(gè)三聯(lián)體密碼所翻譯的氨基酸是什么呢?從1961年開(kāi)始，在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分別利用64個(gè)已知三聯(lián)體密碼，找到了相對(duì)應(yīng)的氨基酸。19661967年，完成了全部遺傳密碼表，如UGG為色氨酸。,遺傳密碼字典,遺傳密碼的基本特征：1遺傳密碼為三聯(lián)體：三個(gè)堿基決定一種氨基酸；61個(gè)為有意密碼，起始密碼為GUG、AUG(甲硫氨酸)；3個(gè)為無(wú)意密碼，UAA、UAG、UGA為蛋白質(zhì)合成終止信號(hào)。2.遺傳密碼間不能重復(fù):在一個(gè)mRNA上每個(gè)堿基只屬于一個(gè)密碼子；均以3個(gè)一組形成氨基酸密碼。,3.遺傳密碼間無(wú)逗號(hào)：AUGGUACUGUCA甲硫氨酸纈氨酸亮氨酸絲氨酸密碼子與密碼子之間無(wú)逗號(hào)，按三個(gè)三個(gè)的順序一直閱讀下去，不漏讀不重復(fù)。如果中間某個(gè)堿基增加或缺失后，閱讀就會(huì)按新的順序進(jìn)行下去，最終形成的多肽鏈就與原先的完全不一樣(稱為移碼突變)。AUG（G）UACUGUCA甲硫氨酸酪氨酸半胱氨酸,4簡(jiǎn)并性：簡(jiǎn)并現(xiàn)象：色氨酸(UGG)和甲硫氨酸(AUG)例外，僅一個(gè)三聯(lián)體密碼；其余氨基酸都有一種以上的密碼子。61個(gè)為有意密碼，起始密碼為GUG、AUG(甲硫氨酸)。3個(gè)為無(wú)意密碼，UAA、UAG、UGA為蛋白質(zhì)合成終止信號(hào)。簡(jiǎn)并現(xiàn)象的意義：同義的密碼子越多，生物遺傳的穩(wěn)定性也越大。如：UCU、UCC或UCA或UCG，均為絲氨酸。,5遺傳密碼的有序性：決定同一個(gè)氨基酸或性質(zhì)相近的不同氨基酸的多個(gè)密碼子中，第1個(gè)和第2個(gè)堿基的重要性大于第3個(gè)堿基，往往只是最后一個(gè)堿基發(fā)生變化。例如：脯氨酸（pro）：CCU、CCA、CCC、CCG。,6通用性：在整個(gè)生物界中，從病毒到人類，遺傳密碼通用。4個(gè)基本堿基符號(hào)所有氨基酸所有蛋白質(zhì)生物種類、生物體性狀。1980年以后發(fā)現(xiàn)：具有自我復(fù)制能力的線粒體tRNA(轉(zhuǎn)移核糖核酸)在閱讀個(gè)別密碼子時(shí)有不同的翻譯方式。如：酵母、鏈孢霉與哺乳動(dòng)物的線粒體。,三、蛋白質(zhì)的合成DNA對(duì)性狀的控制作用并不是直接的，遺傳密碼到蛋白質(zhì)的合成過(guò)程包括遺傳密碼的轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個(gè)步驟。轉(zhuǎn)錄：就是以DNA雙鏈之一的遺傳密碼為模板，把遺傳密碼以互補(bǔ)的方式轉(zhuǎn)錄到mRNA（信使核糖核酸）上。,翻譯：就是mRNA攜帶著轉(zhuǎn)錄的遺傳密碼，附著在核糖體上，把tRNA（轉(zhuǎn)移核糖核酸）運(yùn)來(lái)的各種氨基酸，按照mRNA的密碼順序，相互連接起來(lái)成為多肽鏈，并進(jìn)一步折疊起來(lái)成為立體蛋白質(zhì)分子。,（一）RNA的轉(zhuǎn)錄與RNA的種類1.RNA的種類（1）信使RNA(messengerRNA，mRNA)（2）轉(zhuǎn)移RNA(transferRNA，tRNA)（3）核糖體RNA(ribosomalRNA，rRNA)三種不同的RNA分子在基因的表達(dá)過(guò)程中起重要的作用。,（1）信使RNA(mRNA)：mRNA的功能就是把DNA上的遺傳信息精確無(wú)誤地轉(zhuǎn)錄下來(lái)，然后，由mRNA的堿基順序決定蛋白質(zhì)的氨基酸順序，是基因表達(dá)過(guò)程中遺傳信息傳遞的中介。它起著傳遞信息的作用，因而稱為信使RNA(mRNA)。,（2）轉(zhuǎn)移RNA（tRNA)如果說(shuō)mRNA是合成蛋白質(zhì)的藍(lán)圖，則核糖體是合成蛋白質(zhì)的工廠。由于合成蛋白質(zhì)的原材料20種氨基酸與mRNA的堿基之間缺乏特殊的親和力。因此，必須用一種特殊的RNA轉(zhuǎn)移RNA(tRNA)把氨基酸搬運(yùn)到核糖體上，能根據(jù)mRNA的遺傳密碼依次準(zhǔn)確地將它攜帶的氨基酸連結(jié)成多肽鏈。每種氨基酸可與14種tRNA相結(jié)合，現(xiàn)在已知的tRNA的種類在40種以上。,1969年以來(lái)，研究了來(lái)自各種不同生物，如：酵母、大腸桿菌、小麥、鼠等的十幾種tRNA的結(jié)構(gòu)，證明它們的堿基序列都能折疊成三葉草葉型(圖)。,tRNA是最小的RNA。其分子量約為27000(2500030000)，由70到90個(gè)核苷酸組成。,tRNA的結(jié)構(gòu)的共性(圖323)：,5端之末具有G(大部分)或C。3端之末都以ACC的順序終結(jié)。有一個(gè)富有鳥(niǎo)嘌呤的環(huán)。有一個(gè)反密碼子環(huán)，其的頂端有三個(gè)暴露的堿基，稱為反密碼子。這一個(gè)反密碼子可以與mRNA鏈上同自己互補(bǔ)的密碼子配對(duì)。有一個(gè)胸腺嘧啶環(huán)。,(3)核糖體RNA（rRNA）核糖體RNA，它是組成核糖體的主要成分，而核糖體則是合成蛋白質(zhì)的中心。原核生物的核糖體所含的rRNA，有5S、16S及23S等三種真核生物的核糖體，含有4種rRNA和約80種蛋白質(zhì)。四種rRNA為5S、5.8S、18S和28S。S為沉降系數(shù)(sedimentationcoefficient)，當(dāng)用超速離心測(cè)定一個(gè)粒子的沉淀速度時(shí)，此速度與粒子的大小直接成比例。,rRNA是單鏈，它包含不等量的A與U、G與C，但是有廣泛的雙鏈區(qū)域。在雙鏈區(qū)，堿基因氫鍵相連，表現(xiàn)為發(fā)夾式螺旋。rRNA在蛋白質(zhì)合成中的功能尚未完全明了。但16S的rRNA3端有一段核苷酸序列與mRNA的前導(dǎo)序列是互補(bǔ)的，這可能有助于mRNA與核糖體的結(jié)合。,核糖體：蛋白質(zhì)翻譯的場(chǎng)所,2.RNA的轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄,ATGCCGGTACGGGCAAATATGCCCATGCTACGGCCATGCCCGTTTATACGGGTACG,轉(zhuǎn)錄因子,以一條DNA鏈為模板合成RNA尿嘧啶（U）取代了胸腺嘧啶（T）,首先是以DNA的一條鏈為模板合成與它互補(bǔ)的mRNA，根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)的規(guī)律，在這條mRNA鏈上，A變?yōu)閁，T變?yōu)锳，C變?yōu)镚，G變?yōu)镃。因此，這條mRNA上的遺傳密碼與非模板DNA鏈?zhǔn)且粯拥?，所不同的只是U代替了T。然后再由mRNA上的遺傳密碼翻譯成多肽鏈中的氨基酸序列。,（四）蛋白質(zhì)的合成過(guò)程蛋白質(zhì)是由20種不同的氨基酸組成的多肽鏈，每種蛋白質(zhì)都有其特定的氨基酸序列。遺傳信息貯存于DNA里，由DNA所含的堿基序列決定氨基酸序列的過(guò)程即蛋白質(zhì)的合成過(guò)程，也就是基因的表達(dá)過(guò)程，實(shí)際上包括遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個(gè)步驟。,蛋白質(zhì)的合成，也就是遺傳信息的翻譯過(guò)程。翻譯就是mRNA攜帶著轉(zhuǎn)錄的遺傳密碼附著在核糖體(ribosome)上，把由tRNA運(yùn)來(lái)的各種氨基酸，按照mRNA的密碼順序，相互聯(lián)結(jié)起來(lái)成為多肽鏈，并進(jìn)一步折疊成為立體的蛋白質(zhì)分子的過(guò)程。,蛋白質(zhì)合成的過(guò)程概述：在核內(nèi)以DNA的一條鏈作為模板合成的不均DNA穿過(guò)核膜孔，進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)后被酶切割成mRNA。然后核糖體的大小兩個(gè)亞單位在起始密碼子AUG部位結(jié)合成一個(gè)核糖體，細(xì)胞質(zhì)中的tRNA在激活酶和ATP的作用下，攜帶各自的氨基酸進(jìn)入核糖體。最先進(jìn)入的是攜帶甲硫氨酸的tRNA。因?yàn)樗姆疵艽a子UAI和mRNA的密碼子AUG是對(duì)應(yīng)的。同時(shí)第二個(gè)進(jìn)入的攜帶有蘇氨酸的tRNA，在核糖體中甲硫氨酸和蘇氨酸結(jié)合，第一個(gè)tRNA釋放，核糖體向右移動(dòng)一個(gè)密碼子距離，第三個(gè)進(jìn)入的是攜帶有亮氨酸的tRNA，之后亮氨酸和蘇氨酸相結(jié)合，第二個(gè)tRNA釋放。核糖體又向右移動(dòng)一個(gè)密碼子距離以此類推。,當(dāng)一個(gè)核糖體在mRNA上移動(dòng)時(shí)，氨基酸就一個(gè)個(gè)地結(jié)合起來(lái)形成肽鏈。最后這個(gè)核糖體在mRNA的停止信號(hào)處脫落下來(lái)，分解為大小兩個(gè)亞單位。把合成的肽鏈釋放到胞質(zhì)中，以后幾個(gè)肽鏈結(jié)合起來(lái)折疊，形成一個(gè)具有空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子，而且具有一定的生物學(xué)的功能。必須指出：在mRNA上，同時(shí)有許多的核糖體結(jié)合上去進(jìn)行著蛋白質(zhì)的合成，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)核糖體沿著mRNA的53方向移動(dòng)后，第二個(gè)核糖體又結(jié)合到mRNA上，以后第三個(gè)、第四個(gè)順序結(jié)合上去，這樣一串念珠就構(gòu)成了多核糖體。一個(gè)多核糖體的核糖體數(shù)目的多少和要讀出的mRNA長(zhǎng)度有關(guān)，讀出的信息越長(zhǎng)，用于翻譯的核糖體數(shù)越多。一般5-40個(gè)，每個(gè)成員距離為50-100A。從而可見(jiàn)蛋白質(zhì)的合成過(guò)程即是遺傳密碼的轉(zhuǎn)錄及翻譯過(guò)程。,翻譯是指：mRNA攜帶著轉(zhuǎn)錄來(lái)的遺傳密碼附著在核糖體上，把由轉(zhuǎn)移核糖核酸（tRNA）運(yùn)來(lái)的各種氨基酸按著mRNA的密碼順序，相互連接起來(lái)成為多肽鏈，并進(jìn)一步的疊起來(lái)成為立體蛋白質(zhì)分子。蛋白的合成過(guò)程是mRNA，tRNA、rRNA和核糖體協(xié)同作用的結(jié)果。,圖蛋白質(zhì)合成的起始,圖蛋白質(zhì)合成的肽鏈延伸,圖蛋白質(zhì)合成的終止,DNARNAPROTEIN表型代謝問(wèn)題中心法則生長(zhǎng)、分化個(gè)體發(fā)育表型變異,中心法則,四、中心法則及其發(fā)展,修改后的中心法則,反轉(zhuǎn)錄(逆轉(zhuǎn)錄)：反轉(zhuǎn)錄酶；cDNA。RNA的自我復(fù)制。DNA指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成,五、基因的作用與性狀表達(dá),由于大部分遺傳性狀的表現(xiàn)都是在直接或間接的通過(guò)蛋白質(zhì)表現(xiàn)出來(lái)的，因此深入的揭示Gene在這方面的作用對(duì)于了解Gene的在性狀形成過(guò)程中的作用將是更有意義的事情，gene對(duì)遺傳性狀的表現(xiàn)作用可以分為以下兩種：,1直接作用如果gene能直接的影響到形成某種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)gene的作用，那么gene的變異可以直接的影響蛋白質(zhì)的特性，從而表現(xiàn)出不同的性狀來(lái)，,例如人類鐮形細(xì)胞貧血癥，可以作為這方面的實(shí)例，正常人的紅細(xì)胞是圓形，患有此病的人的紅細(xì)胞呈鐮刀形，這是由于一個(gè)正常gene所產(chǎn)生的兩個(gè)不同的突變體所引起的，即由：HbAHbs，HbAHbC，從而引起此病，HbA,HbS,HbC三個(gè)gene所決定的血紅蛋白區(qū)別在于鏈中第六位上有一個(gè)氨基酸的不同：具體情況如下：鏈上的氨基酸的號(hào)1236146正常的血紅蛋白的氨基酸纈組亮谷,正常氨基酸的密碼GAAHbS氨基酸的密碼GUA（纈）HbC氨基酸的密碼AAA（賴）每個(gè)血紅蛋白分子具有4條鏈，鏈具有2條，每條具有141個(gè)氨基酸，鏈具有2條，每條有146個(gè)氨基酸，可見(jiàn)決定谷氨酸上mRNA的密碼GAA改變成GUA只是第2個(gè)堿基由AU，從而基因由HbAHbS，同理由GAA改寫(xiě)為AAA只是第一個(gè)堿基發(fā)生變化，從而gene由HbAHbC，可見(jiàn)只要gene中的一個(gè)堿基發(fā)生變化，就能引起最后產(chǎn)物血紅蛋白性狀的變化，從而導(dǎo)致患病，以上關(guān)于異常血紅蛋白的產(chǎn)生，表明gene控制肽鏈的形成，因此一個(gè)gene一個(gè)多肽鏈的假說(shuō)是有事實(shí)依據(jù)的，這是gene對(duì)性狀表現(xiàn)的直接作用。,HbA,突變,HbsHbc,鐮刀形紅血球,紅血球碟形,2間接作用生物的性狀是由gene控制的，但gene不等于遺傳性狀，從基因到表現(xiàn)型要經(jīng)過(guò)一系列發(fā)育過(guò)程，任何性狀都是gene控制下通過(guò)一系列發(fā)育過(guò)程才能形成的，也就是說(shuō)必須經(jīng)過(guò)一系列的代謝過(guò)程，每一個(gè)代謝過(guò)程必須有酶的催化，而酶又是一種特殊的蛋白質(zhì)，它的合成是受gene控制的，絕大多數(shù)情況下gene都是通過(guò)酶的合成間接的影響性狀表現(xiàn)的，例如有一種飼料作物白三葉草的某些品種的葉含有氰酸（HCN）易使牲畜中毒，據(jù)分析表明，氰酸的產(chǎn)生是受l和H兩個(gè)顯性gene的互作來(lái)控制的，H、lgene分別來(lái)控制兩種酶的合成，因而控制兩種物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過(guò)程，以致最后控制氰酸的合成。,研究表明只有兩個(gè)gene都為顯性狀時(shí)才能通過(guò)酶的作用而順利的合成氰酸，如果其中有一個(gè)或兩個(gè)基因都為隱性時(shí)，即iiHH、IIhh、iihh引起有關(guān)的酶喪失作用，引起代謝過(guò)程的中斷，不能合成氰酸，不會(huì)表現(xiàn)中毒的性狀，依據(jù)許多的類似的實(shí)驗(yàn)，有人提出“一個(gè)gene一個(gè)酶的假說(shuō)”，一個(gè)gene控制一種酶，同時(shí)又進(jìn)一步的控制一個(gè)生化過(guò)程，從而影響到某一物質(zhì)的合成，而導(dǎo)致某一遺傳性狀的表現(xiàn)。從現(xiàn)代的觀點(diǎn)來(lái)看，一個(gè)gene一個(gè)酶的假說(shuō)過(guò)于簡(jiǎn)單化，因?yàn)橐环N酶和一種蛋白質(zhì)可能受到幾個(gè)基因的作用，新近認(rèn)為“一個(gè)順?lè)醋右粋€(gè)mRNA一條多肽鏈”的假說(shuō)所代替更合情理。應(yīng)該指出的是酶的合成與停止并不永遠(yuǎn)與gene的突變發(fā)生有聯(lián)系的，由于存在有控制基因的作用，必須考慮到酶的合成與停止還要受gene的調(diào)控系統(tǒng)的作用。,廣義遺傳工程包括:生化工程、蛋白質(zhì)工程、細(xì)胞工程、染色體工程、細(xì)胞器工程、基因工程及酶工程等。,狹義遺傳工程是指:基因工程(重組DNA技術(shù))。,一、基因工程概述:,2-3基因工程,.概念：基因工程：在分子水平上，采取工程建設(shè)方式按照預(yù)先設(shè)計(jì)的藍(lán)圖借助于實(shí)驗(yàn)室技術(shù)將某種生物的基因或基因組轉(zhuǎn)移到另一種生物中去使后者定向獲得新遺傳性狀的一門(mén)技術(shù)。基因工程是采用分子生物學(xué)、核酸生物化學(xué)以及微生物遺傳學(xué)的現(xiàn)代方法和手段建立起來(lái)的綜合技術(shù)。基因工程技術(shù)的建立，使所有實(shí)驗(yàn)生物學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的變革。,2.發(fā)展：1971年，Smith等人從細(xì)菌中分離出的一種限制性酶，酶切病毒DNA分子，標(biāo)志著DNA重組時(shí)代的開(kāi)始。1972年，Berg等用限制性酶分別酶切猿猴病毒和l噬菌體DNA，將兩種DNA分子用連接酶連接起來(lái)得到新的DNA分子。1973年，Cohen等進(jìn)一步將酶切后的DNA分子與質(zhì)粒DNA連接起來(lái)，并將重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)入E.cloi細(xì)胞中。,1982年，美國(guó)食品衛(wèi)生和醫(yī)藥管理局批準(zhǔn)，用基因工程在細(xì)菌中生產(chǎn)人的胰島素投放市場(chǎng)。1985年，轉(zhuǎn)基因植物獲得成功。1994年，延熟保鮮的轉(zhuǎn)基因番茄商品生產(chǎn)。1996年，克隆羊誕生。,1996年全世界轉(zhuǎn)基因植物種植面積為170萬(wàn)公頃，1997年為1100萬(wàn)公頃，1998年為2780萬(wàn)公頃，1999年達(dá)到3990萬(wàn)公頃，2000年達(dá)到4420萬(wàn)公頃，2001年達(dá)到5260萬(wàn)公頃，2002年達(dá)到5000萬(wàn)公頃。,2001年種植面積已超過(guò)100萬(wàn)公頃的作物有：大豆（3330萬(wàn)hm2，占全世界轉(zhuǎn)基因作物的63%，均為抗除草劑大豆）、玉米（980萬(wàn)hm2，占19%）、棉花（680萬(wàn)hm2，占13%）、油菜（270萬(wàn)hm2，5%）；其它還有水稻、小麥、花生、向日葵、亞麻、甘藍(lán)、馬鈴薯等，番茄、煙草、南瓜和木瓜等50多種轉(zhuǎn)基因作物已實(shí)現(xiàn)商品化。主要分布在美國(guó)（3570萬(wàn)hm2）、阿根廷（1180萬(wàn)hm2）、加拿大（320萬(wàn)hm2）和中國(guó)（150萬(wàn)hm2）等國(guó)。,2001年全世界轉(zhuǎn)基因作物占相應(yīng)種植總面積的百分率,2001年我國(guó)的轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物和林木已達(dá)22種，其中轉(zhuǎn)基因棉花、大豆、馬鈴薯、煙草、玉米、花生、菠菜、甜椒、小麥等進(jìn)行了田間試驗(yàn)，轉(zhuǎn)基因棉花已經(jīng)大規(guī)模商品化生產(chǎn)。,3內(nèi)容：從細(xì)胞和組織中分離DNA；限制性內(nèi)切酶酶切DNA分子，制備DNA片段；將酶切DNA分子與載體DNA連接構(gòu)建能在宿主細(xì)胞內(nèi)自我復(fù)制的重組DNA分子；把重組DNA分子引入宿主受體細(xì)胞復(fù)制；重組DNA隨宿主細(xì)胞的分裂而分配到子細(xì)胞建立無(wú)性繁殖系(Clone)或發(fā)育成個(gè)體；從細(xì)胞群體中選出所需要的無(wú)性繁殖系并使外源基因在受體細(xì)胞中正常表達(dá)，翻譯成蛋白質(zhì)等基因產(chǎn)物、回收；或篩選出獲得定向的性狀變異的個(gè)體。,4.基因工程的操作過(guò)程基因工程技術(shù)包括三個(gè)基本要素：載體、工具酶和表達(dá)系統(tǒng)（原核或真核宿主細(xì)胞），其技術(shù)路線大致包括以下幾個(gè)操作程序：準(zhǔn)備材料。包括載體和工具酶的準(zhǔn)備以及目的基因的分離和制備；構(gòu)建重組DNA分子。把目的基因與載體結(jié)合成重組DNA分子，即進(jìn)行基因的體外重構(gòu)；外源DNA導(dǎo)入受體細(xì)胞。把含外源DNA片段的重組DNA分子引入宿主受體細(xì)胞，建立分子無(wú)性繁殖系；篩選重組DNA分子、鑒定目的基因表達(dá)。從細(xì)胞群體中選出所需要的無(wú)性繁殖系，并使外源基因在受體細(xì)胞中正確表達(dá)。,(一)準(zhǔn)備材料1.工具酶工具酶指在重組DNA技術(shù)中用于切割、連接、修飾DNA或RNA的一系列酶。它們是基因工程中的基本工具，其中最重要的是限制性核酸內(nèi)切酶和DNA連接酶，其它常用工具酶包括DNA多聚酶、反轉(zhuǎn)錄酶、核酸酶H、堿性磷酸酶等。下面扼要介紹限制性核酸內(nèi)切酶。DNA是巨大分子，進(jìn)行DNA操作時(shí)，必須加以切割，這就需要限制性核酸內(nèi)切酶把DNA鏈在特定部位切斷。1970年開(kāi)始分離得到的限制性核酸內(nèi)切酶，是開(kāi)拓基因操作新領(lǐng)域的關(guān)鍵。限制性核酸內(nèi)切酶能識(shí)別DNA的特定堿基序列，并把DNA鏈在特定位點(diǎn)切斷。,限制性內(nèi)切酶的類別：第類酶:每隔一段DNA序列隨機(jī)切割雙鏈DNA分子，沒(méi)有序列特異性,酶切位點(diǎn)不定。如EcoB(大腸桿菌B株)、EcoK(大腸桿菌K株)分子量較大(約300000)，作用時(shí)需ATP、Mg+等輔助因子。第類酶:能識(shí)別一段特異的DNA序列，準(zhǔn)確地酶切雙鏈DNA的特異序列。如EcoRI(大腸桿菌)、Hind(嗜血桿菌)，分子量較小(約20000-100000)，作用時(shí)需Mg2+存在。,2.載體載體（vector）是指能將目的基因的DNA片段帶入宿主細(xì)胞并能進(jìn)行擴(kuò)增的一類DNA分子?？勺鳛镈NA載體的有質(zhì)粒、噬菌體、病毒、細(xì)菌或酵母菌人工染色體（BAC、YAC）等。作為運(yùn)載工具，載體必須具備以下條件：在宿主細(xì)胞中能自我復(fù)制，并能穩(wěn)定地保存；有多種限制性內(nèi)切酶的切點(diǎn)，每種酶的切點(diǎn)最好只有一個(gè)，且酶切后并不損壞其復(fù)制能力及選擇標(biāo)志基因（genemarker）的能力，并能嵌入外源DNA片段；能較自由地進(jìn)入受體細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化；具有可作為重組DNA分子選擇的遺傳標(biāo)志。,目前作為轉(zhuǎn)入原核細(xì)胞宿主的載體主要有兩大類：-噬菌體和細(xì)菌質(zhì)粒。而作為轉(zhuǎn)入真核細(xì)胞宿主的載體，在動(dòng)物方面主要有類人猿病毒SV40（SimianVirus40），在植物方面主要有農(nóng)桿菌的Ti質(zhì)粒。,質(zhì)粒是染色體外能夠進(jìn)行自主復(fù)制的遺傳單位，包括真核生物的細(xì)胞器和細(xì)菌細(xì)胞中染色體以外的脫氧核糖核酸(DNA)分子。現(xiàn)在習(xí)慣上用來(lái)專指細(xì)菌、酵母菌和放線菌等生物中染色體以外的DNA分子。在基因工程中質(zhì)粒常被用做基因的載體。,（二）目的基因的分離：工具酶和載體備好了，下一步就是要獲取目的基因。目的基因（target）是指準(zhǔn)備導(dǎo)入受體細(xì)胞內(nèi)的、以研究或應(yīng)用為目的所需要的外源基因。獲得目的基因是進(jìn)行DNA重組最重要的一步，也是十分困難的一步。,獲得目的基因的方法很多，（1）可采用從生物基因組群體中分離目的基因。一般用限制性核酸內(nèi)切酶把一個(gè)基因組DNA分成很多片段。原核生物基因組較小，基因容易定位，用限制性內(nèi)切酶將基因組切成若干段后，直接用帶有標(biāo)記的核酸探針，從中選出目的基因。對(duì)于基因組較大的真核生物，則可先制作基因文庫(kù)，然后釣取所需要的帶有目的基因的DNA片段而獲得目的基因。,（2）人工合成目的基因DNA片段。人工合成目的基因DNA片段有化學(xué)合成法和酶促合成法兩條途徑。一般是采用DNA合成儀來(lái)合成長(zhǎng)度不是很大的DNA片段。（3）PCR技術(shù)合成DNA。聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（polymerasechainreaction，PCR）是一種簡(jiǎn)單的酶促反應(yīng)，它以DNA變性、復(fù)制的某些特性為原理設(shè)計(jì)的。通過(guò)PCR技術(shù)獲取所需要的特異DNA片段在實(shí)際應(yīng)用用得非常多，但是前提條件是必須對(duì)目的基因有一定的了解，需要設(shè)計(jì)引物?，F(xiàn)代分子生物學(xué)發(fā)展到今天，人類基因組全序列已經(jīng)測(cè)出，并且越來(lái)越多的模式生物的基因組全序列正在被測(cè)出，PCR法已經(jīng)成為分離目的基因的主要手段。,（三）構(gòu)建重組DNA分子外源基因（DNA片段）很難直接透過(guò)受體細(xì)胞的細(xì)胞膜進(jìn)入受體細(xì)胞，即使進(jìn)入，也會(huì)受到細(xì)胞內(nèi)限制性酶的作用而分解。要將外源DNA片段導(dǎo)入受體細(xì)胞，選擇適當(dāng)?shù)妮d體是關(guān)鍵步驟之一。含有目的基因的DNA片段和載體DNA的連接技術(shù)即DNA重組技術(shù)，其核心步驟是DNA片段之間的體外連接，其本質(zhì)是涉及限制酶、連接酶等工具酶的酶促反應(yīng)過(guò)程。重組DNA即將載體DNA與引入的DNA連接，把目的基因連接到載體上去。根據(jù)DNA末端性質(zhì)不同，形成重組體DNA分子的方法也有所不同。,1.黏性末端的連接。用同一種限制性內(nèi)切酶或者用能夠產(chǎn)生相同黏性末端的兩種限制性內(nèi)切酶分別消化外源DNA分子和載體，所形成的DNA末端彼此互補(bǔ)，用DNA連接酶共價(jià)連接起來(lái)，形成重組體DNA分子。2.平齊末端的連接?？上壬绅ば阅┒?，在帶平頭末端的DNA片段的3-末端加上多聚核苷酸的尾巴，在載體上加上互補(bǔ)的尾巴，然后用DNA連接酶連接。,(四)重組體的轉(zhuǎn)化(五)克隆子的鑒定(六)目的基因的表達(dá),二、基因工程的應(yīng)用：目前，基因工程研究發(fā)展迅速，已取得一系列重大突破。基因工程技術(shù)已廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、醫(yī)學(xué)、法學(xué)等領(lǐng)域，為人類創(chuàng)造了巨大的財(cái)富。,具有生長(zhǎng)激素的轉(zhuǎn)基因鼠,轉(zhuǎn)基因的方法和技術(shù)：,基因工程工業(yè)：最早應(yīng)用基因工程生產(chǎn)人的蛋白質(zhì)的方法是在細(xì)菌中表達(dá)人的胰島素(1982)。胰島素是一種控制糖代謝的蛋白質(zhì)激素。不能產(chǎn)生胰島素的患者會(huì)有糖尿病，患者必須每天注射胰島素?，F(xiàn)已在細(xì)菌中生產(chǎn)10多種醫(yī)藥產(chǎn)品，如表皮生長(zhǎng)因子、人生長(zhǎng)激素因子、干擾素、乙型肝類工程疫苗等。,有些真核細(xì)胞的蛋白質(zhì)需要糖基化等修飾加工以后才具有活性，而細(xì)菌細(xì)胞缺少真核細(xì)胞的這些修飾系統(tǒng)真核生物細(xì)胞更適合于表達(dá)真核生物蛋白質(zhì)基因。目前，酵母菌、植物懸浮細(xì)胞、植株和動(dòng)物培養(yǎng)細(xì)胞成功地均應(yīng)用于表達(dá)外源蛋白。,基因工程應(yīng)用大腸桿菌生產(chǎn)人類生長(zhǎng)激素,植物基因工程：植物基因轉(zhuǎn)化是指將外源基因轉(zhuǎn)移到植物細(xì)胞內(nèi)、并整合到植物基因組中穩(wěn)定遺傳和表達(dá)的過(guò)程。許多植物基因已經(jīng)被分離、克隆。植物基因轉(zhuǎn)化技術(shù)也得到不斷發(fā)展和完善。應(yīng)用最多的為農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法和基因槍轉(zhuǎn)化法。,抗蟲(chóng)稻,對(duì)照,根癌農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化技術(shù)：根癌農(nóng)桿菌介導(dǎo)的植物轉(zhuǎn)化是應(yīng)用得最早而廣泛的植物轉(zhuǎn)化方法（雙子葉植物、單子葉植物）。過(guò)程：將目的基因與啟動(dòng)子（花椰菜病毒35S）及終止子組成嵌合DNA分子插入到Ti衍生質(zhì)粒RB與LB內(nèi)構(gòu)成重組質(zhì)粒再轉(zhuǎn)化到農(nóng)桿菌細(xì)胞將重組農(nóng)桿菌去感染植物細(xì)胞使質(zhì)粒的部分DNA包括目的基因，整合到植物染色體，實(shí)現(xiàn)遺傳轉(zhuǎn)化。利用從抗草甘磷(glyphosate)E.coli中分離克隆的EPSP合成酶基因，已培育出高抗除草劑轉(zhuǎn)基因