第一章基因分子結構.doc

高級遺傳學教案遺傳學是研究生物遺傳與變異的規(guī)律的科學，也是生命科學領域發(fā)展最為迅速的前沿學科。隨著新技術、新方法、新成果的層出不窮，遺傳學的研究范疇更是大幅度拓寬，研究內容不斷深化。高級遺傳學是在學習普通遺傳學的基礎上開設的一門提高性課程。本課程涉及基因的分子結構、基因的表達與調控、不同生物的基因組以及DNA操作的基本技術，例如核酸雜交，DNA克隆，多聚酶鏈式反應（PCR），DNA測序技術等。通過本課程學習，學生不僅可以掌握遺傳與變異的規(guī)律、而且更深入地了解遺傳信息在分子水平上的傳遞、表達和調控機理，以及遺傳學在生產實踐和科學研究中的應用。學生可以在群體水平、個體水平、細胞水平和分子水平的不同層次對遺傳學有更加完整和深入的認識。教學課型：理論課教學方法：以理論講授為主，配合多媒體教學、課堂討論、學生自學等方法進行教學?？倢W時數(shù)：51 學分：3 教材：現(xiàn)代遺傳學 趙壽元 喬守怡 主編，高等教育出版社,2001主要參考書：1、遺傳學（英文影印本） P.C.Winter,G.I.Hickey and H.L.Fletcher2、分子遺傳學 張玉靜等，科學出版社, 20003、高級分子遺傳學 李明剛編著，科學出版社, 20044、人類基因組計劃研究概論 郭曉華主編，遼寧大學出版社 第一章 基因的概念和結構（6學時） 本章介紹分子遺傳學的相關知識，包括基因的分子結構、基因概念的發(fā)展以及基因的分子生物學定義等。講解的重點內容是轉座因子、RNA的剪接機理等。1.教學目的：（1）使學生掌握基因概念的發(fā)展；（2）了解基因的分子結構，以及在分子水平對基因的定義。2.教學重點：（1）隔裂基因（2）轉座因子2.教學難點：（1）RNA的剪接機理；（2）轉座因子的類型及轉座的機制。第一節(jié) 基因的分子結構一、孟德爾遺傳因子(factor)是決定生物性狀遺傳的符號植物雜交試驗: Mendel,1866二、基因(gene)是位于染色體上的遺傳功能單位基因論: Morgan，1926三、順反子(cistron)一個基因一條多肽細菌噬菌體遺傳區(qū)的精細結構: Benzer,1955順反子(cistron) ：是指通過順反測驗所確定的遺傳物質的功能單位（又稱作用子），它含有若干個突變子和重組子.一個順反子是核酸分子上一段能夠表達,產生有功能的基因產物(蛋白質或RNA)的特定核苷酸序列，它決定特定多肽鏈的氨基酸順序.突變子（muton）：是突變的最小單位重組子（recon）：是重組的最小單位四、操縱子(operon)遺傳信息傳遞和表達調控的統(tǒng)一體 蛋白質合成的遺傳調節(jié)機制: Jacob 和 Monod, J. Mol. Biol.,1961五、外顯子和內含子真核基因的結構是斷裂的隔裂基因（interrupted gene）是指基因內部包含有無編碼意義的核苷酸順序。1977年，F(xiàn)lavell和Jeffreys發(fā)現(xiàn)兔的珠蛋白基因含有1個內含子1977年,Chambon等發(fā)現(xiàn)雞的卵清蛋白基因包含7個內含子外顯子（exon）：是指轉錄產物存在于mRNA分子中的基因核苷酸序列內含子（intron）：是指轉錄產物不存在于mRNA分子中的基因核苷酸序列舉例：果蠅的28S rRNA基因：含1個內含子（5400bp） (Glover,1977) 雞的卵清蛋白基因：含7個內含子（5828bp）和8個外顯子（1872bp），共有7700bp（Chambon,1977） 人的DMD基因: 全長約2400kb，含有79個內含子（1992）。（一）RNA剪接1.與RNA剪接有關的保守順序(1) 內含子兩端的二核苷酸一致順序邊界順序 5GT AG 3(GT-AG法則) 或者 5ATAC 3 （供體位點） （受體位點） （2）內含子中與套馬索剪接有關的一致順序：酵母菌： UACUAAC高等生物：PyNPyPyPuAPy2.剪接體(spliceosome) 剪接體的沉降系數(shù)60S，由5種小核RNA（snRNA）和多種蛋白質組成，snRNA和蛋白質形成的小分子核RNA蛋白(small nuclear RNAproteins,RNP)參與剪接反應。3.剪接的途徑（1）直接剪接直接剪接是RNA前體剪接時由核酸酶在兩個剪接位點上切割，切端在RNA連接酶作用下彼此連接，形成成熟RNA分子。（2）套馬索剪接通過轉酯作用發(fā)生剪接第一階段：在內含子 5剪切位置上切割，其5端通過5-2鍵同內含子的一個嘌呤堿基（A）連接，于是內含子-外顯子分子形成”套馬索”；另一端生成的外顯子呈線狀.。第二階段：在內含子3剪切位置上切割，釋放套馬索狀的游離內含子, 左右兩個外顯子連接。（3）特殊的RNA剪接 (1) 可變剪接(alternative splicing)可變剪接是指一個基因的mRNA前體通過不同的剪接方式產生多個mRNA。 例如：黑腹果蠅的tra、dsx基因在不同的位置剪接,產生兩種基因產物。(2)反式剪接(trans splicing) 反式剪接是指不同的RNA的外顯子通過剪接產生mRNA分子4. 內含子的類型： GU-AG內含子：是含有5GUAG 3二核苷酸一致序列的內含子AU-AC內含子：是含有5AUAC 3二核苷酸一致序列的內含子Group I：是指轉錄產物RNA具有自我剪接能力,且有特定的分子構型的內含子.GroupII：是指內含子的轉錄產物RNA具有自我剪接能力,但其二級結構不同于GroupI的內含子.Group III：該內含子更小，轉錄產物RNA具有自我剪接能力，有其特定的二級結構.孿生內含子：由兩個或更多個GroupII或GroupIII內含子組成的內含子.tRNA前體內含子：存在tRNA前體中，序列較短，位于反密碼子環(huán)中的同一位置。剪接時由核酸酶切割和RNA連接酶連接古細菌內含子：存在于古細菌的tRNA和rRNA基因中，剪接時通過直接剪接途徑切除。六、重疊基因（overlapped gene）重疊基因：是指兩個或兩個以上的基因共有一段核苷酸順序。例如：噬菌體Q：外殼蛋白基因和連續(xù)蛋白基因有共同起始位置（Weiner,1973）噬菌體：基因B包含在基因A之內，基因E包含在基因D之內 (Sanger,1978)噬菌體G4：基因B,基因A和基因K共用一個腺嘌呤核苷酸（Shaw,1978）七、轉座因子（轉座元件或可動基因）（transposable element）轉座因子：是細胞中能夠改變自身位置的DNA順序轉座（transposition）轉座因子改變自身位置的行為（一）玉米的轉座子Ds-Ac系統(tǒng)1. Ds-Ac系統(tǒng)的作用 （1）Ac存在時，Ds可發(fā)生轉座，引起插入突變；（2）在Ac作用下，Ds可以離開轉座位點，引起回復突變；（3）如果Ac丟失，Ds不能發(fā)生轉座；（4）Ac也能夠轉座，引起插入突變。2.Ds和Ac的分子特性（1）Ds和Ac具有同源性；（2）Ds是Ac發(fā)生缺失的產物。 （二）插入序列（inserted sequence，IS）1967年，Starlinger首先發(fā)現(xiàn)了插入序列。 IS的結構特點：序列較小：768-5700bp只含有轉座酶基因兩端有相同或相近的反向重復順序（inverted repeat sequence，IR）（三）轉座子 (transposon，Tn)1.結構特點：序列較大：2-25kb；含有轉座酶基因以及其他具有特定表型效應的基因復合型轉座因子；兩端有相同的順向或反向重復順序。2.轉座途徑復制轉座：指轉座因子將復制的拷貝轉座到插入位置，而在原先的位置上仍保留原有的轉座因子。非復制轉座：轉座因子直接從原來位置轉座插入新的位置，在原先的位置上不保留原有的轉座因子。3.轉座的機制（1）非復制轉座的機制切割與粘接供體轉座子兩端發(fā)生雙鏈斷裂，釋放出的轉座子在受體分子上產生的交錯接口處插入。 （2）復制轉座的機制轉座酶分別切割轉座子的供體和受體DNA分子，然后轉座子末端與受體DNA上產生的交錯末端連接；復制轉座子，形成共整合體；轉座子的兩份拷貝之間發(fā)生交換，供體和受體分子分離。受體DNA出現(xiàn)靶序列正向重復。4.轉座的遺傳效應引起插入突變插入位點出現(xiàn)新的基因引起靶序列正向重復原來位置上保留原有的轉座子轉座子能夠脫離插入位點稱為切離轉座容易改變染色體結構（四）反轉錄轉座子 反轉錄轉座子（retrotranspson or retroposon）是指通過RNA為中介，反轉錄成DNA后進行轉座的轉座因子。這樣的轉座過程稱為反轉座作用。1.反轉錄轉座子的類型：（1）反轉錄病毒（2）病毒超家族（viral super family）：這類轉座子編碼反轉錄酶或整合酶，自主進行轉座，兩端有長末端重復序列（long terminal repeats, LTR）.不能獨立感染細胞.（3）非病毒超家族（nonviral super family）：不能編碼反轉錄酶或整合酶，利用細胞內的酶系進行轉座，兩端沒有LTR。2.反轉錄病毒與反轉錄轉座(1)反轉錄病毒: 基因組是單鏈RNA,長度約5000-9000核苷酸, 通常由兩個完全相同的亞基組成.含有三個基因,即gag,pol 和env.。RNA基因組的5端是帽核苷酸, 3端有poly(A).5端和 3端各有一個重復順序(10-80核苷酸), 以及與之鄰接的U5和U3序列。RNA基因組反轉錄成的DNA基因組的兩端生成“長末端重復順序”(long terminal repeat sequence,LTR)，LTR包括U3-R-U5三個DNA序列。(2)反轉錄病毒的反轉錄轉座反轉錄病毒的DNA插入寄主染色體時,5LTR的U3左端和3LTR的U5右端各丟失2bp,而插入位點上生成4-6bp的重復序列。每個受感染細胞一般有1-10份前病毒拷貝。3. LINES L1重復序列長散在重復序列(long interspersed nuclear elements, LINE)是哺乳動物基因組中的一類重復序列, 該重復序列較長。 LINE L1長約6 500 bp, 在哺乳動物基因組中的拷貝數(shù)達10萬份。LINE是自主轉座的反轉座因子, 來源于RNA聚合酶II的轉錄產物。 4.SINE 和 Alu家族短散在重復序列(short interspersed nuclear elements, SINE)是基因組中較短的一類重復序列, 長度為130-300bp。SINE來源于RNA聚合酶的轉錄產物。人類Alu順序長300bp，基因組中拷貝數(shù)35105，呈散在分布。八、染色體外基因（一） 人體線粒體DNA的結構1.人的線粒體DNA(mtDNA) 人的線粒體DNA是cccDNA，共16569bp（Anderson，1981）。它的一條鏈是重鏈（H鏈），另一條鏈是輕鏈（L鏈），在G2期以半保留方式復制。2.人線粒體基因組的基因人的mtDNA含有37個基因，其中： 2 個rRNA基因 22個tRNA基因 13個結構基因 這些結構基因編碼細胞色素C氧化酶的3個亞基（COX、），2個ATP酶（ATPase 6和ATPase 8），1個細胞色素b（Cyt b）和7個NADH脫氫酶亞基（ND1、ND2、ND3、ND4、ND4L ND5、ND6）。（二）人的mtDNA的特點1.核苷酸組成的不對稱性：兩條鏈分別為H鏈和L鏈2.mtDNA利用的高效性：表現(xiàn)在基因中無內含子，基因間極少基因間區(qū)，ATPase6 基因包含ATPase8 基因。3. 密碼子的特殊性：核DNAmtDNAUGA終止TrpAUALeuMetAGA & AGGArg終止4.半自主性遺傳系統(tǒng) 第二節(jié) 基因的定義和結構一、基因的分子生物學定義 基因(ge