遺傳的分子基礎(chǔ)ppt.ppt

第五章遺傳的分子基礎(chǔ) 第一節(jié)核酸的結(jié)構(gòu)第二節(jié)DNA復(fù)制第三節(jié)遺傳信息的表達(dá)與調(diào)控第四節(jié)基因的概念與發(fā)展第五節(jié)遺傳工程簡介 第一節(jié)核酸的結(jié)構(gòu) 一 DNA的一級結(jié)構(gòu)二 DNA的二級結(jié)構(gòu)三 從DNA到染色體四 RNA的分子結(jié)構(gòu) 兩種核酸的化學(xué)組成以核苷酸為單元構(gòu)成的多聚體 是一種高分子化合物 五碳糖 脫氧核糖 核糖核苷酸磷酸鳥嘌呤 腺嘌呤環(huán)狀的含氮堿基胞嘧啶 胸腺嘧啶和尿嘧啶 核酸的分布 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 一 核酸的一級結(jié)構(gòu) 一 賈格夫準(zhǔn)則及其意義 二 核苷酸序列及其測定 一 賈格夫準(zhǔn)則及其意義 E Chargaff于1946 1950年根據(jù)紙層析 離子交換層析和紫外分光光度試驗(yàn)結(jié)果提出賈格夫定則 四種堿基的數(shù)量不是等量的 同一物種DNA堿基組成不變 而物種間則有很大不同 嘌呤堿基總量與嘧啶堿基的總量 克分子總量 相等 A G T C 且A T G C 二 核苷酸序列及其測定 賈格夫準(zhǔn)則表明 核酸并不是四核苷酸結(jié)構(gòu)的簡單重復(fù) 核酸的堿基序列信息可能具有重要意義 堿基序列正是核酸生物學(xué)功能的基礎(chǔ) 是遺傳信息的內(nèi)在形式 核苷酸序列測定 DNA及RNA分子序列分析技術(shù)也是最重要的分子遺傳學(xué)研究技術(shù) Sanger雙脫氧法 Maxam Gillbert化學(xué)法 基于化學(xué)法的DNA序列自動(dòng)分析儀已成為常規(guī)實(shí)驗(yàn)設(shè)備 二 DNA的二級結(jié)構(gòu) DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型 右手螺旋反向平行堿基互補(bǔ) A T G C每螺旋為3 4nm長 含10個(gè)堿基 直徑為2nm表面分布有大溝和小溝交替出現(xiàn) DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn) 三 從DNA到染色體 染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)核小體的組成染色質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)從DNA到染色體 真核細(xì)胞的染色質(zhì)結(jié)構(gòu) 高度有序的DNA 蛋白質(zhì)復(fù)合體構(gòu)成真核染色體 其質(zhì)量50 以上為蛋白質(zhì) 染色體DNA的長度是以cm為單位 而直徑是以mm為單位 細(xì)胞核中DNA溶度大約為200mg ml Chromatin染色質(zhì) 染色質(zhì)結(jié)構(gòu) 染色質(zhì)結(jié)構(gòu)在細(xì)胞周期中隨染色體螺旋化程度發(fā)生改變 中期 高度濃縮 染色體 間期 解旋 染色質(zhì) Histones 組蛋白 帶正電氨基酸核心組蛋白 H2A H2B H3andH4 分子量約為10 20kDa位于nucleosome 核小體 核心 octamer八聚體core H2A 2 H2B 2 H3 2 H4 2同一組蛋白在不同物種之間高度保守 組蛋白八聚體Histoneoctamer Topview Sideview Nucleosomecore 核小體核心 Nucleosomecore146bp 1 8superhelicalturn Chromatosome166bp 2superhelicalturn DNA Histoneoctamer HistoneH1 組蛋白H1 大小為23kDa位于核小體核心外側(cè) 與DNA連接松散 其序列保守性較低組蛋白H1的作用 在DNA出入核小體核心顆粒處對DNA起穩(wěn)定作用 染色質(zhì)結(jié)構(gòu) 核小體是組成染色質(zhì)的最基本的亞結(jié)構(gòu)單元 包含約200bp的DNA和組蛋白八聚體 DNA Histoneoctamer 組蛋白八聚體 Nucleosomecore 核小體核心146bp H1 Chromatosome 染色小體166bp linkerDNA Nucleosome 核小體 200bp 核小體組成 StepstomakeaNucleosome 核小體與微球菌核酸酶Nucleosomesandmicrococcalnucleasetreatment 微球菌核酸酶是一種切割雙鏈DNA的內(nèi)切酶 用微球菌核酸酶處理染色質(zhì) 會(huì)分離出長度為200bp不同倍數(shù)的片段 連接DNA10to100bpaverage55bp 染色質(zhì)串珠結(jié)構(gòu) 核小體 組蛋白H1 核小體重復(fù)單元核心顆粒 連接DNA 200bp 30nm纖絲 高度有序左手螺旋6個(gè)核小體 圈 30nmfiber 30nmindiameter NucleosomerepeatCore linkerDNAca200bp Nuclearmatrix 核基質(zhì) 蛋白質(zhì)復(fù)合體 30nm纖絲 300nm 染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)loopeddomainstructure 1個(gè)環(huán)約含100kb StepsfromDNAtochromosome 四 RNA的分子結(jié)構(gòu) tRNA結(jié)構(gòu) 四 RNA的分子結(jié)構(gòu) 單鏈U代替T核糖代替脫氧核糖 與DNA的區(qū)別 第二節(jié) DNA的復(fù)制 一 DNA復(fù)制的特點(diǎn) 二 復(fù)制的起點(diǎn)與方向 一 DNA復(fù)制的一般特點(diǎn) 半保留復(fù)制1 瓦特森 WatsonJ D 等提出的DNA半保留復(fù)制方式 其方法為 一端沿氫鍵逐漸斷開 以單鏈為模板 堿基互補(bǔ) 氫鍵結(jié)合 聚合酶等連接 形成新的互補(bǔ)鏈 形成了兩個(gè)新DNA分子 DNA的這種復(fù)制方式對保持生物遺傳的穩(wěn)定性是非常重要的 半保留復(fù)制 半不連續(xù)復(fù)制 DNA聚合酶 以5 3 方向發(fā)揮作用 從3 5 合成方向的一條鏈 就會(huì)遇到困難 Kornberg 1967 提出不連續(xù)復(fù)制假說 在3 5 方向鏈上 仍按從5 3 的方向一段段地合成DNA單鏈小片段 岡崎片段 1000 2000bp 由連接酶連接這些片段 形成一條連續(xù)的單鏈 二 復(fù)制起點(diǎn)和復(fù)制方向1 原核生物 絕大多數(shù)細(xì)菌和病毒 只有一個(gè)復(fù)制起點(diǎn) 控制整個(gè)染色體的復(fù)制 且為雙向復(fù)制 噬菌體P2 其DNA的復(fù)制是沿一個(gè)方向進(jìn)行的 復(fù)制子 在同一個(gè)復(fù)制起點(diǎn)控制下的一段DNA序列 2 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 三 原核生物DNA合成 DNA聚合酶種類與特點(diǎn)DNA聚合酶 共性 只有5 3 聚合酶的功能 DNA鏈只能由5 向3 延伸 DNA合成必須在引物引導(dǎo)下進(jìn)行 具有外切酶的活性 合成過程中的錯(cuò)誤校正功能 DNA復(fù)制過程1 DNA雙螺旋的解鏈 DNA解旋酶 在ATP供能下 每分鐘旋轉(zhuǎn)3000次解開雙螺旋 單鏈DNA結(jié)合蛋白 以避免產(chǎn)生單鏈內(nèi)配對 DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶 釋放超螺旋應(yīng)力 2 DNA合成的開始合成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 DNA聚合酶才開始起作用合成DNA片段 復(fù)制叉的結(jié)構(gòu) 第三節(jié)遺傳信息的表達(dá)與調(diào)控 一 遺傳信息的轉(zhuǎn)錄 RNA的合成 與RNA的加工二 遺傳密碼及其特性三 遺傳信息的翻譯四 中心法則及其發(fā)展 一 RNA的轉(zhuǎn)錄及加工 以DNA為模板合成RNA的過程稱為轉(zhuǎn)錄 轉(zhuǎn)錄是生物界RNA合成的主要方式 是遺傳信息從DNA向RNA傳遞過程 也是基因表達(dá)的開始 轉(zhuǎn)錄也是一種酶促的核苷酸聚合過程 所需的酶叫做依賴DNA的RNA聚合酶 DNA dependentRNApolymerase DDRP 與RNA復(fù)制比較 轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生初級轉(zhuǎn)錄物為RNA前體 RNAprecursor 它們必須經(jīng)過加工過程變?yōu)槌墒斓腞NA maturedRNA 才能表現(xiàn)其生物活性 轉(zhuǎn)錄Transcription 轉(zhuǎn)錄Transcription Thesynthesisofasingle strandedRNAfromadouble strandedDNAtemplate RNAsynthesisoccursinthe5 3 directionanditssequencecorrespondstothatoftheDNAstrandwhichisknownasthesensestrand 有義鏈 ThetemplateofRNAsynthesisistheantisensestrand 反義鏈 Necessarycomponents promoter template RNApolymerase NTPs terminator template strandisantisensestrand strandissensestrand 有義鏈 sensestrand 與反義鏈 antisensestrand 相同點(diǎn) 合成方向都是以5 3 的方向 在3 OH末端加入核苷酸 不同點(diǎn) 1 對于一個(gè)基因組來說 轉(zhuǎn)錄只發(fā)生在一部分基因 而且每個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄都受到相對獨(dú)立的控制 2 轉(zhuǎn)錄是不對稱的 僅以DNA的一條鏈為模板而進(jìn)行 3 轉(zhuǎn)錄時(shí)不需要引物 而且RNA鏈的合成是連續(xù)的 轉(zhuǎn)錄的特點(diǎn) 與DNA復(fù)制比較 三種RNA分子信使RNA mRNA 轉(zhuǎn)移RNA tRNA 核糖體RNA rRNA ATACGTATGC 1 promoter terminator Transcribedregion RNA DNA Transcription Antisensestrand AUACG 轉(zhuǎn)錄單位的結(jié)構(gòu)Structureofatranscriptionunit Whatisapromoter 啟動(dòng)子 ThesequenceofDNAneededforRNApolymerasetobindtothetemplateandaccomplishtheinitiationreaction 轉(zhuǎn)錄起始Initiation RNApolymerase與dsDNA結(jié)合 在鏈上滑動(dòng)尋找啟動(dòng)子 DNAhelix解螺旋 在起始位點(diǎn)startsite initiationsite 合成RNA鏈 該位點(diǎn)稱為 1 轉(zhuǎn)錄泡Transcriptionbubble 延伸Elongation Addribonucleotidestothe3 endTheRNApolymeraseextendthegrowingRNAchaininthedirectionof5 3 Theenzymeitselfmovesin3 to5 alongtheantisenseDNAstrand 延伸Elongation 終止Termination 轉(zhuǎn)錄復(fù)合體transcriptioncomplex從模板鏈解離 RNA鏈與DNA分離 發(fā)生在終止子terminator部位 通常為頸環(huán) 發(fā)卡結(jié)構(gòu)stem looporhairpinstructure 有些需要輔助蛋白 RNAhairpin 發(fā)卡 structure 5 NNNNAAGCGCCGNNNNCCGGCGCUUUUUU OH N NN NC G C C G C G G C C G G C A U A U NNNNUUUU OH mRNA轉(zhuǎn)錄后加工 5 端戴帽 3 端加尾 內(nèi)含子剪切 堿基修飾 1 Additionofnucleotidesto5 or3 endsoftheprimarytranscriptsortheircleavageproducts Addacapto5 endandapoly A tailto3 endofpre mRNA AAAAAA 甲基鳥嘌呤核苷mG7 多聚腺感苷化 2 Removalofnucleotides endonucleasestocutatspecificsiteswithinaprecursorRNA 前體RNA exonucleasestotrimtheendsofaprecursorRNABothinprokaryotesandineukaryotes andforalltypesofRNA 內(nèi)含子intron剪切與外顯子exon拼接 3 Modificationofcertainnucleotides Addamethylgroupto2 OHofriboseinmRNA A andrRNAExtensivechangesofbasesintRNA primarytranscript matureRNA NucleusorNucleolus Cytoplasm RNAprocessing Romovalofnucleotides additionofnucleotidestothe5 or3 ends modificationofcertainnucleotides 二 遺傳密碼及其特性 一 遺傳密碼的來歷 二 遺傳密碼字典 三 遺傳密碼的特點(diǎn) 一 遺傳密碼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應(yīng) 1 41 4種 缺16種氨基酸 2 42 16種 比現(xiàn)存的20種氨基酸還缺4種 3 43 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 2020 3 12 64 可編輯 二 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 找到了相對應(yīng)的氨基酸 1966 1967年 完成了全部遺傳密碼表 如UGG為色氨酸 三 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)為無意密碼 UAA UAG UGA為蛋白質(zhì)合成終止信號 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 遺傳密碼間無逗號 AUGGUACUGUCALL甲硫氨酸纈氨酸亮氨酸絲氨酸 密碼子與密碼子之間無逗號 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 AUGUACUGUCA甲硫氨酸酪氨酸半胱氨酸 4 簡并性 簡并現(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)為有義密碼 起始密碼為GUG AUG 甲硫氨酸 3個(gè)為無意密碼 UAA UAG UGA為蛋白質(zhì)合成終止信號 簡并現(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)基本堿基符號所有氨基酸所有蛋白質(zhì)生物種類 生物體性狀 通用性的例外 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 遺傳信息的翻譯 蛋白質(zhì)合成 1 核糖體的組成 核糖體是蛋白質(zhì)生物合成的工廠 其上有兩個(gè)與tRNA結(jié)合的位點(diǎn) 各占一個(gè)密碼子空間 A位 acceptersite 氨酰 tRNA結(jié)合位點(diǎn)P位 peptinesite 肽酰 tRNA結(jié)合位點(diǎn)功能 小亞基單獨(dú)或與大亞基一起與mRNA結(jié)合 大亞基單獨(dú)不能與mRNA結(jié)合 但可與tRNA非專一結(jié)合 大 小亞基共有P A位 大 小亞基組成核糖體與mRNA結(jié)合 并按5 3 方向沿mRNA移動(dòng) 每次移動(dòng)一個(gè)密碼子距離 1 2核糖體 每個(gè)核糖體獨(dú)立完成一條多肽鏈的合成 多個(gè)核糖體可以同時(shí)在一個(gè)mRNA分子上進(jìn)行多條多肽鏈的合成 大大提高了翻譯效率 由一個(gè)mRNA分子與一定數(shù)目的單核糖體形成的念珠狀結(jié)構(gòu)稱為多核糖體 Multipleribosomescannotbepositionedcloserthan80nt 多核糖體處于工作狀態(tài) 游離的單個(gè)核糖體則是貯備狀態(tài) 核糖體亞基無疑是剛從mRNA上釋放的 它們通常很快結(jié)合成非活性狀態(tài)單體或很快參與下一輪蛋白質(zhì)合成 核糖體在這三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換稱為核糖體循環(huán) 多核糖體Polysomes Polysomes Electronmicrographsofribosomesactivelyengagedinproteinsynthesisrevealedby beadsonastring appearance 2 在核糖體中合成蛋白質(zhì) 多肽鏈的起始 多肽鏈的延伸 多肽鏈的終止 多聚核糖體提高蛋白質(zhì)的合成效率 蛋白質(zhì)合成 動(dòng)畫 四 中心法則及其發(fā)展 中心法則 centraldogma 闡述生物世代 個(gè)體以及從遺傳物質(zhì)到性狀的遺傳信息流向 即遺傳信息在遺傳物質(zhì)復(fù)制 性狀表現(xiàn)過程中的信息流向 最初由Crick提出 并經(jīng)過了多次修正 RNA的反轉(zhuǎn)錄RNA腫瘤病毒 反轉(zhuǎn)錄酶 以RNA為模板來合成DNA 如 HIV病毒RNA經(jīng)反轉(zhuǎn)錄成DNA 然后整合到人類染色體中 對于遺傳工程上基因的酶促合成 致癌機(jī)理研究有重要作用 增加中心法則中遺傳信息的流向 豐富了中心法則內(nèi)容 RNA的自我復(fù)制 大部分RNA病毒還可以把RNA直接復(fù)制成RNA DNA指導(dǎo)的蛋白質(zhì)合成 60年代中期 麥克斯 McCarthy 和荷勒 Holland 試驗(yàn)體系中加入抗生素等 變性的單鏈DNA在離體條件下可以直接與核糖體結(jié)合 指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成 中心法則的發(fā)展 中心法則的發(fā)展 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 第四節(jié)基因的表達(dá)調(diào)控 一 經(jīng)典遺傳學(xué)中基因的概念二 現(xiàn)代遺傳學(xué)基因的概念三 分子遺傳學(xué)對基因概念的新發(fā)展四 基因的作用與性狀表達(dá)五 基因表達(dá)調(diào)控 一 經(jīng)典遺傳學(xué)基因的概念 孟德爾 把控制性狀的因子稱為遺傳因子 如 豌豆紅花 C 白花 c 植株高 H 矮 h 約翰生 提出基因 gene 取代遺傳因子 摩爾根 對果蠅 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) 基因是化學(xué)實(shí)體 以念珠狀直線排列在染色體上 基因共性 按照經(jīng)典遺傳學(xué)關(guān)于基因的概念 基因具有染色體的主要特性 自我復(fù)制和相對穩(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 二 現(xiàn)代遺傳學(xué)關(guān)于基因的概念 一 現(xiàn)代基因概念基因是DNA分子上帶有遺傳信息的特定核苷酸序列區(qū)段 基因由重組子 突變子序列構(gòu)成的 重組子是DNA重組的最小可交換單位 突變子是產(chǎn)生突變的最小單位 重組子和突變子都可以是一個(gè)核苷酸對或堿基對 bp 基因可以包含多個(gè)功能單位 順反子 突變子 muton 性狀突變時(shí)產(chǎn)生突變的最小單位 一個(gè)突變子可以小到只有一個(gè)堿基對 如移碼突變 重組子 recon 性狀重組時(shí) 可交換的最小單位 一個(gè)交換子可以只包含一個(gè)堿基對 順反子 cistron 表示一個(gè)作用的單位 基本符合通常所述基因的大小或略小 所包括的一段DNA與一個(gè)多肽鏈合成相對應(yīng) 平均為500 1500個(gè)堿基對 三 分子遺傳學(xué)對基因概念的新發(fā)展 結(jié)構(gòu)基因 structuralgene 指可編碼RNA或蛋白質(zhì)的一段DNA序列 調(diào)控基因 regulatorgene 指其表達(dá)產(chǎn)物參與調(diào)控其它基因表達(dá)的基因 重疊基因 overlappinggene 指在同一段DNA順序上 由于閱讀框架不同或終止早晚不同 同時(shí)編碼兩個(gè)以上基因的現(xiàn)象 隔裂基因 splitgene 指基因內(nèi)部被一個(gè)或更多不翻譯的編碼順序即內(nèi)含子所隔裂 內(nèi)含子 intron DNA序列中不出現(xiàn)在成熟mRNA的片段 外顯子 extron DNA序列中出現(xiàn)在成熟mRNA中的片段 外顯子 參加蛋白質(zhì)編碼的DNA片段 內(nèi)含子 不參加蛋白質(zhì)編碼的DNA片段 跳躍基因 jumpinggene 即轉(zhuǎn)座因子 指染色體組上可以轉(zhuǎn)移的基因 實(shí)質(zhì) 能夠轉(zhuǎn)移位置的DNA片斷 功能 在同一染色體內(nèi)或不同染色體之間移動(dòng) 引起插入突變 DNA結(jié)構(gòu)變異 如重復(fù) 缺失 畸變 通過表現(xiàn)型變異得到鑒別 遺傳工程 轉(zhuǎn)座子標(biāo)簽法 假基因 pseudogene 同已知的基因相似 處于不同的位點(diǎn) 因缺失或突變而不能轉(zhuǎn)錄或翻譯 是沒有功能的基因 真核生物中的血紅素蛋白基因家族中就存在假基因現(xiàn)象 四 基因的作用與性狀的表現(xiàn)rRNA如發(fā)生致死突變 不能形成核糖體 易死亡 DNAtRNA發(fā)生突變后 多肽鏈改變 mRNA翻譯蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)蛋白直接性狀表達(dá)生物酶間接 五基因表達(dá)調(diào)控 基因組 genome 一個(gè)細(xì)胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或整套基因 基因表達(dá) geneexpression 在一定調(diào)節(jié)機(jī)制控制下 基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄及翻譯 產(chǎn)生具有特異生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)分子的過程 rRNAtRNA的合成也屬于基因表達(dá) 時(shí)間特異性 temporalspecificity 空間特異性 spatialspecificity 基因表達(dá)特性 基因表達(dá)的方式 組成性表達(dá)誘導(dǎo)和阻遏表達(dá) 基因表達(dá)的多級調(diào)控 基因激活轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄后加工及轉(zhuǎn)運(yùn)翻譯翻譯后加工 第五節(jié)遺傳工程 一 遺傳工程的含義二 染色體工程三 細(xì)胞工程四 基因工程 一 遺傳工程的含義 生物技術(shù)生物工程 遺傳工程 蛋白質(zhì)工程 酶工程 微生物工程 遺傳工程 在分子遺傳理論 技術(shù)的基礎(chǔ)上 通過工程設(shè)計(jì)與施工方式 從細(xì)胞 分子水平改造生物遺傳特性 作為一個(gè)綜合性的技術(shù)群體系 廣義的遺傳工程包含許多相關(guān)的組成部分 其主要的部分有三個(gè) 1 染色體工程 2 細(xì)胞工程 3 基因工程 狹義的遺傳工程指的是基因工程 二 染色體工程 染色體工程是物種間遺傳轉(zhuǎn)移的最傳統(tǒng)的方式 也是目前廣泛進(jìn)入生產(chǎn)應(yīng)用的遺傳工程 一 種間有性雜交 生殖隔離是物種形成的原因之一 也是染色體工程面臨的第一個(gè)難題 獲得種間有性雜種的難易直接影響外源基因?qū)朐耘嘧魑?種間雜交障礙的機(jī)制可能截然不同 其表現(xiàn)階段也各不相同 目前認(rèn)為 種間雜交產(chǎn)生雜種的障礙可能表現(xiàn)在以下幾個(gè)階段 受精前柱頭和花柱中的障礙 受精過程中的障礙 受精后胚與種子發(fā)育過程中的障礙 受精前障礙與克服 障礙機(jī)制 物種間花粉管與雌蕊不親和 在花粉管到達(dá)胚珠之前 停止伸長而不能受精 主要克服辦法 主要是選擇適當(dāng)?shù)氖诜蹠r(shí)期 采用正反雜交 蒙導(dǎo)授粉 植物生長調(diào)節(jié)劑等 另外 有明確試驗(yàn)證據(jù)表明 栽培物種和野生種內(nèi)均存在可雜交性遺傳變異 并受簡單遺傳控制 利用可雜交性基因 能提高種間雜交的效率 受精過程的障礙與克服 被子植物受精過程屬于雙受精 對種間雜交受精過程的生殖生物學(xué)研究表明 種間雜交的失敗往往是由于雙受精之一失敗引起的 訖今為止 人們對受精的控制機(jī)制知之甚少 所以這一領(lǐng)域明顯是一個(gè)有風(fēng)險(xiǎn) 但又極可能富有成效的研究領(lǐng)域 受精后發(fā)育障礙與克服 受精過程的障礙機(jī)制 受精胚珠發(fā)育過程中也經(jīng)常由于胚 胚乳和母本組織發(fā)育異?；虬l(fā)育不平衡而最終不能產(chǎn)生種間雜種種子 克服方法 常用技術(shù)是從生理角度進(jìn)行調(diào)節(jié) 如 采用植物生長調(diào)節(jié)劑或去除母本植株的營養(yǎng)生長中心 近年研究表明 提高親本倍性水平 可能有利于胚珠發(fā)育 通過離體培養(yǎng)方法可以挽救可能 即將 敗育的雜種胚 一般而言 達(dá)到心形期或以后的胚更易于培養(yǎng)成功 二 染色體操作 染色體微切割 染色體置換 三 細(xì)胞工程 細(xì)胞工程的主要技術(shù)和研究領(lǐng)域包括 細(xì)胞 原生質(zhì)體的分離 培養(yǎng) 細(xì)胞 原生質(zhì)體植株再生 體細(xì)胞無性系變異的誘導(dǎo) 篩選與應(yīng)用 以細(xì)胞 原生質(zhì)體作為基因工程受體 細(xì)胞 原生質(zhì)體融合 雜種細(xì)胞篩選 鑒定與應(yīng)用 一 細(xì)胞 原生質(zhì)體植株再生 采用體細(xì)胞雜交在物種間進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)移與應(yīng)用的必要條件是 細(xì)胞 原生質(zhì)體遺傳全能性能充分實(shí)現(xiàn) 再生成新的生物個(gè)體 對植物而言 細(xì)胞和原生質(zhì)體再生技術(shù)已經(jīng)比較成熟 對動(dòng)物而言 克隆羊 多利 的誕生表明 動(dòng)物細(xì)胞 包括人體細(xì)胞 再生成為個(gè)體都是可能 其技術(shù)實(shí)現(xiàn)需要的僅僅是時(shí)間 二 植物原生質(zhì)體作為基因工程的受體 最初常用的轉(zhuǎn)基因受體有葉圓片 幼胚 愈傷組織等植物組織器官 在這些組織 器官中 細(xì)胞壁的存在會(huì)增加操作的難度 產(chǎn)生細(xì)胞嵌合體現(xiàn)象 難以篩選轉(zhuǎn)化子 因此原生質(zhì)體是最具潛力的植物基因工程受體 轉(zhuǎn)化效率高 篩選方便 三 細(xì)胞 原生質(zhì)體融合 采用細(xì)胞 原生質(zhì)體融合產(chǎn)生雜種細(xì)胞 通過誘導(dǎo)再生獲得雜種個(gè)體 雙二倍體 可避免有性雜交障礙 植物細(xì)胞融合由于細(xì)胞壁的存在而受到極大的限制 因此 去除細(xì)胞壁分離原生質(zhì)體的技術(shù)是植物細(xì)胞雜交的基礎(chǔ) 獲得雜種細(xì)胞及其再生植株后 即可進(jìn)行物種間細(xì)胞核 染色體以及細(xì)胞器的轉(zhuǎn)移 四 基因工程 基因工程的基本步驟可以概括為 目的基因的獲得 基因克隆 目的基因與載體連接 DNA分子重組 重組DNA分子導(dǎo)入受體 轉(zhuǎn)化子的篩選 鑒定 限制性內(nèi)切酶與DNA連接酶 細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)特異性降解外源 異源 核酸分子的核酸酶 其作用特點(diǎn)是 特異性降解異源DNA分子 甲基化修飾差異 I類限制酶隨機(jī)切割雙鏈DNA分子 II類限制酶識(shí)別 切割特殊的回文 對稱 序列 II類限制酶交錯(cuò)切割DNA雙鏈 產(chǎn)生粘性單鏈末端 來源不同 具有相同粘性末端DNA片段在DNA連接酶的作用下可準(zhǔn)確連接形成重組DNA分子 通常使用來自T4噬菌體DNA連接酶 重組DNA技術(shù)是基因工程最核心的技術(shù) 貫穿于整個(gè)基因工程各個(gè)步驟中 載體 vector 用于承載 克隆 轉(zhuǎn)移目的基因 DNA片段 能自我復(fù)制的DNA分子 在基因克隆時(shí) 將目的片段轉(zhuǎn)移到宿主細(xì)胞中進(jìn)行復(fù)制克隆 克隆載體 在基因?qū)胧荏w時(shí) 將目的片段轉(zhuǎn)移到受體細(xì)胞中并進(jìn)行使之表達(dá) 轉(zhuǎn)化載體或表達(dá)載體 常用基因工程載體有 細(xì)菌質(zhì)粒 克隆 噬菌體 克隆 柯斯質(zhì)粒 克隆 穿梭質(zhì)粒 克隆 表達(dá) 細(xì)菌人工染色體 克隆 表達(dá) 酵母人工染色體 克隆 表達(dá) Ti質(zhì)粒及其衍生載體 轉(zhuǎn)化 一 目的基因的獲得 基因工程最主要的特點(diǎn)是其定向性 也就是對特定的基因進(jìn)行操作 因此分離目的基因并獲得足夠的拷貝數(shù) 基因克隆 是基因工程及相關(guān)研究工作的前提 1 基因庫構(gòu)建與目的基因分離 2 PCR擴(kuò)增 克隆基因 3 化學(xué)法合成基因 獲得目的基因后可進(jìn)行的研究還包括 序列分析 結(jié)構(gòu)分析 表達(dá)機(jī)制以及表達(dá)機(jī)制研究 克隆 clone 的含義 名詞 clones 克隆 無性系 生物個(gè)體 細(xì)胞的無性系 同一基因或DNA片段的多份拷貝 動(dòng)詞 cloning 克隆 細(xì)胞克隆 從單個(gè)細(xì)胞產(chǎn)生一組具有同樣遺傳組成的細(xì)胞 分子克隆 獲得單個(gè)基因 DNA片段多份拷貝 常用的方法有 將帶有目的片段的重組DNA分子導(dǎo)入到特定宿主細(xì)胞中 利宿主細(xì)胞DNA復(fù)制系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)制 利用DNA聚合酶在無細(xì)胞系統(tǒng)中復(fù)制 PCR 聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 基因庫構(gòu)建與目的基因分離 基因庫 基因文庫 包含特定基因組所有基因 DNA區(qū)段的全部