分子生物學 基因與基因組

1、1編輯ppt 物質(zhì)： 特定核苷酸序列 功能： 遺傳遺傳 2編輯ppt 一、概念 基因是分子上具有遺傳效應的特定核苷 酸序列的總稱，是具有遺傳效應的分子片 段。 是遺傳物質(zhì)的最小功能單位 3編輯ppt 多數(shù)生物的基因由（DNA）構(gòu)成，并在 上作線狀排列。除某些的基因由 （RNA）構(gòu)成。 基因一詞通常指染色體基因。在中，由于染色 體都在內(nèi)，所以又稱為。 位于線粒體和等細胞器中的基因則稱為染色體外 基因、核外基因或基因，也可以分別稱為 基因、和葉綠體基因。 脫氧核糖核酸染 色體病毒核糖核酸 真核生物 細胞核核基因 葉綠體 細胞質(zhì)線粒體 質(zhì)粒 4編輯ppt 在通常的二倍體的細胞或個體中，能維持配子或配

2、子體正常 功能的最低數(shù)目的一套染色體稱為染色體組或基因組，一個 基因組中包含一整套基因。相應的全部細胞質(zhì)基因構(gòu)成一個 細胞質(zhì)基因組，其中包括線粒體基因組和葉綠體基因組等。 原核生物的基因組是一個單純的DNA或RNA分子，因此又稱為 基因帶，通常也稱為它的染色體. 5編輯ppt 基因在染色體上的位置稱為座位，每個基因都有自己特定的 座位。在同源染色體上占據(jù)相同座位相同座位的不同形態(tài)不同形態(tài)的基因都稱 為等位基因。在自然群體中往往有一種占多數(shù)的（因此常被 視為正常的）等位基因，稱為野生型基因；同一座位上的其 他等位基因一般都直接或間接地由野生型基因通過突變產(chǎn)生， 相對于野生型基因，稱它們?yōu)橥蛔冃突?/p>

3、因。 6編輯ppt 在二倍體的細胞或個體內(nèi)有兩個同源染 色體，所以每一個座位上有兩個等位基 因。如果這兩個等位基因是相同的，那 么就這個基因座位來講，這種細胞或個 體稱為純合體；如果這兩個等位基因是 不同的，就稱為雜合體。在雜合體中， 兩個不同的等位基因往往只表現(xiàn)一個基 因的性狀，這個基因稱為顯性基因，另 一個基因則稱為隱性基因。在二倍體的 生物群體中等位基因往往不止兩個，兩 個以上的等位基因稱為復等位基因。 7編輯ppt 在細菌中編碼同一生物合成途徑中有關(guān)酶的一系列基因常排 列在一起，構(gòu)成一個操縱子. 基因結(jié)構(gòu) 8編輯ppt 9編輯ppt 現(xiàn)代分子生物學認為，基因是核酸分子中儲存遺傳信息的遺

4、儲存遺傳信息的遺 傳單位傳單位，是核酸分子中由特定的核苷酸按一定的堿基順序排列特定的核苷酸按一定的堿基順序排列 而成的有功能的一個片段。有功能的一個片段。 是RNA序列和蛋白質(zhì)多肽鏈序列相關(guān)遺傳信息的基本存在形式， 以及表達這些信息所需要的全部核苷酸序列表達這些信息所需要的全部核苷酸序列。 基因是基因組序列上的遺傳單位，有調(diào)節(jié)區(qū)、轉(zhuǎn)錄區(qū)和基因是基因組序列上的遺傳單位，有調(diào)節(jié)區(qū)、轉(zhuǎn)錄區(qū)和( (或或) )其他其他 功能序列區(qū)。功能序列區(qū)?；虻幕瘜W本質(zhì)是DNA(RNA病毒除外)。在細胞中 基因是含有編碼序列和非編碼序列的含有編碼序列和非編碼序列的DNADNA序列。序列。（P 1 ） 10編輯ppt

5、 基因包括: 1.具有轉(zhuǎn)錄和翻譯功能的基因 2.只有轉(zhuǎn)錄功能沒有翻譯功能的基因，包括tRNA基 因和rRNA 基因。 3.不轉(zhuǎn)錄的基因，對基因表達其調(diào)控作用，包括啟 動基因和操縱基因等。 11編輯ppt ( (一一) )基因的結(jié)構(gòu)基因的結(jié)構(gòu) 12編輯ppt 1.原核生物基因結(jié)構(gòu) 13編輯ppt 大多數(shù)真核生物的基因為不連續(xù)基因（interruptesd或discontinuous gene）。所謂不連續(xù)基因就是基因的編碼順序在DNA分子上是不連續(xù)的， 被非編碼順序所隔開。 14編輯ppt 編碼區(qū)，包括外顯子（exon）與內(nèi)含子（intron）,又稱 插入順序（intervening seque

6、nce,IVS）。 外顯子（exon），是一個基因表達多肽鏈的部分；內(nèi)含子只轉(zhuǎn)錄， 在前mRNA(pre-mNRA)時被剪切掉。 前導區(qū)，位于編碼區(qū)上游，相當于RNA5末端非編碼區(qū) （非翻譯區(qū)） 尾部區(qū)，位于RNA3編碼區(qū)下游，相當于末端非編碼區(qū) （非翻譯區(qū)） 調(diào)控區(qū)，包括啟動子和增強子等。 15編輯ppt 啟動子啟動子（promoter）包括下 列幾種不同順序，能促進 轉(zhuǎn)錄過程： TATA框（TATA box） CAAT框（CAAT box） GC框（GC box） 調(diào)控區(qū) 16編輯ppt 2增強子（增強子（enhancerenhancer）在真核 基因轉(zhuǎn)錄起始點的上游或下游, 它不能啟動一

7、個基因的轉(zhuǎn)錄， 但有增強轉(zhuǎn)錄的作用。此外， 增強子順序可與特異性細胞因 子結(jié)合而促進轉(zhuǎn)錄的進行。 3終止子在一個基因的末端 往往有一段特定順序，它具有 轉(zhuǎn)錄終止的功能 17編輯ppt 沉默子(silencer) 參與基因表達負調(diào)控的一種元件 18編輯ppt 19編輯ppt 儲存，傳遞，表達遺傳信息（中心法則） 基因表達活性調(diào)節(jié) 20編輯ppt 目的：發(fā)現(xiàn)基因的功能 隨著人類基因組計劃的計劃的完成，許多新基因被發(fā) 現(xiàn)?；蚬δ苎芯砍蔀樯茖W領(lǐng)域匯總的重大課題， 這是后基因組時代功能基因組學的研究內(nèi)容。 目前基因功能研究方法主要有基因轉(zhuǎn)導、反義技術(shù)、 轉(zhuǎn)基因和基因剔除、染色體轉(zhuǎn)導、RNA干涉，微

8、陣列 等 21編輯ppt 微陣列（微陣列（microarray) 大規(guī)?？焖贆z測基因差異表達、基因組表達譜、 DNA序列多態(tài)性、致病基因或疾病相關(guān)基因的一項 研究基因功能的新技術(shù)。 包括cDNA微陣列（cDNA microarray)和DNA芯片。 方法 22編輯ppt 原理：將成千上萬條DNA片段 （cDNA、表達序列標簽 （expressed sequence tag, EST)或特異的寡核苷酸片段） 按橫行縱裂方式有序點樣在固 相支持物上。支持物為硝基纖 維素膜或尼龍膜時稱為微陣列， 為玻片或硅片時稱為DNA芯片。 100000個cDNA, 3.6cm2 23編輯ppt 24編輯ppt

9、分析：用來自不同生理狀態(tài)和發(fā)育階段的mDNA作為 模板，以放射性同位素或熒光標記的dNTP為底物反 轉(zhuǎn)錄合成cDNA。再用所得cDNA 與微陣列或DNA芯片 進行雜交，然后通過計算機對結(jié)果進行判讀和處理， 這樣就可以知道芯片中哪些基因在細胞里表達，哪 些基因不表達，或哪些基因表達水平高，哪些低。 25編輯ppt 基因敲除（基因敲除（Gene knockout)又稱基因打又稱基因打 靶（靶（gene targeting). 基因敲入（基因敲入（Gene knock in），轉(zhuǎn)基），轉(zhuǎn)基 因（基因過表達）因（基因過表達） 26編輯ppt 基因敲除：用外源DNA與受體細胞基因組中順序相同或 者非常相

10、近的基因發(fā)生同源重組，整合，使特定的基因 失活或缺失的技術(shù)。 優(yōu)點：整合位點確定，精確，可以用正?；蚯贸蛔?的基因，進行性狀改良和遺傳病的治療，又可以用突變 的基因敲除正常的基因一研究此基因在發(fā)育和調(diào)控方面 的作用。 如基因敲除動物模型 27編輯ppt 基因敲入：對于許多基因來說，簡單的失活常導 致令人費解的無改變的表型。最常見的解釋是某 些其他基因取代了靶基因的功能，但要在普通基 因敲除小鼠中證明這十分困難，基因敲入即通過 基因打靶用一種基因替換另一種基因以確定它們 是否具有相同功能。 28編輯ppt 基因敲除一般應用于鼠。 29編輯ppt 30編輯ppt 31編輯ppt 基因轉(zhuǎn)導技術(shù)

11、通過載體將目的基因?qū)肽骋患毎?，通過觀察細胞生物學 行為的變化來認識基因的功能，是目前應用最多、技術(shù)最成 熟的基因功能研究方法。 常用的基因轉(zhuǎn)導 系統(tǒng)分為非病毒性表達系統(tǒng)非病毒性表達系統(tǒng)和病毒性表達病毒性表達 系統(tǒng)系統(tǒng)。 非病毒性表達載體：DNA直接注射或多聚賴氨酸、陽離子脂 類，是目的基因穿過細胞膜。 32編輯ppt 33編輯ppt 病毒表達載體 病毒為載體介導的基因轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)染效率高，目的基因可穩(wěn)定表達等優(yōu) 勢被廣泛應用。 逆轉(zhuǎn)錄病毒載體可攜帶外源基因整合進靶細胞的基因組中，從而實現(xiàn) 目的基因的穩(wěn)定持久表達，但缺點是只能感染正在分裂的細胞，有插 入突變和激活癌基因的危險，并且繁殖滴度較低。

12、 人腺病毒載體具有宿主范圍廣、滴度高、 裝載量大（重組腺病毒最 大包裝容量為野生型腺病毒的105%）等優(yōu)點，是對分裂細胞和靜息細 胞均有效的基因傳遞系統(tǒng)。如以門靜脈注射的方式用腺病毒載體介導 入LDLR基因，在90%以上的肝細胞中得到表達。但不能將外源基因整 合到細胞染色體上，所介導的基因只能短暫表達。 34編輯ppt 反義技術(shù) 反義技術(shù)是通過人工合成或構(gòu)建的反義表達載體表達的 寡核苷酸片段，長度多為15-30個核苷酸，通過堿基互 補原理，干擾基因的解旋、復制、轉(zhuǎn)錄、mRNA的剪接加 工乃至輸出和翻譯等各個環(huán)節(jié)，從而調(diào)節(jié)細胞的生長、 分化等。 反義DNA（asDNA), 反義RNA（asRNA

13、),自催化性核酶 （ribozyme) 35編輯ppt 突變絕大多數(shù)會導致疾病，另外的一小部分是非致病突變。非致病突變使生物可 以在自然選擇中被選擇出最適合自然的個體。 基因有兩個特點，一是能忠實地復制自己，以保持 生物的基本特征；二是基因能夠“突變”。 因有毒物質(zhì)的作用、傳染或暴露于放射性物質(zhì)下而 導致基因結(jié)構(gòu)本身發(fā)生的變化。 36編輯ppt 基因突變（gene mutation） 從分子水平上看，基因突變是指基因在結(jié)構(gòu)上發(fā)生 堿基對組成或排列順序的改變。 由于DNA堿基對的置換、增添或缺失而引起的基因 結(jié)構(gòu)的變化，亦稱點突變（point mutationpoint mutation）。 （

14、鐮刀型細胞貧血（ sickle-cell disease） 37編輯ppt 在自然條件下發(fā)生的突變叫自發(fā)突變，由人工利用物 理因素或化學藥劑誘發(fā)的突變叫誘發(fā)突變。 基因突變與DNA復制、DNA損傷與修復、癌變和衰老都 有關(guān)系是生物變異的主要原因，也是生物進化的主要 因素。在生產(chǎn)上人工誘變是產(chǎn)生生物新品種的重要方 法。 38編輯ppt 基因突變特性： 隨機性隨機性：任何時期，任何細胞 低頻性低頻性（稀有性）：自然突變率10-5-10-8。T.H.摩爾根1910年在飼養(yǎng)的 許多紅色復眼的果蠅中偶然發(fā)現(xiàn)了一只白色復眼的果蠅。 可逆性可逆性：可逆性可逆性 野生型基因經(jīng)過突變成為突變型基因的過程稱為正向

15、突變。正向突 變的稀有性說明野生型基因是一個比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。 突變基因又可以通過突變而成為野生型基因，這一過程稱為回復突變。 正向突變率總是高于回復突變率，這是因為一個野生型基因內(nèi)部的許多 位置上的結(jié)構(gòu)改變都可以導致基因突變，但是一個突變基因內(nèi)部只有 一個位置上的結(jié)構(gòu)改變才能使它恢復原狀。 39編輯ppt 少利多害性少利多害性 一般基因突變會產(chǎn)生不利的影響，被淘汰或是死亡， 但有極少數(shù)會使物種增強適應性。 不定向性不定向性 例如控制黑毛A基因可能突變?yōu)榭刂瓢酌腶+或控制 綠毛的a-基因。 40編輯ppt 一般，基因突變后身體會發(fā)出抗體或其他修復體 進行自行修復。可是有一些突變是不可回轉(zhuǎn)性的。

16、 突變可能導致立即死亡，也可以導致慘重后果， 如器官無法正常運作，DNA嚴重受損，身體免疫 力低下等。如果是有益突變，可能會發(fā)生奇跡。 41編輯ppt 基因?。╣ene disease),是指基因突變或其表達 調(diào)控障礙引起的疾病，包括單基因病和多基因病。 人類單基因病6457種。 單基因疾?。?單基因病是指由1對等位基因控制 的疾病或病理性狀。 由于基因是位于染色體上， 而染色體有常染色體和性染色體之分，基因也有 顯性基因與隱性基因之別。 42編輯ppt 常染色體顯性遺傳病，如短指癥等 常染色體隱性遺傳病，如白化病等 x伴性顯性遺傳病，如抗維生素D缺乏病等 x伴性隱性遺傳病，如色盲等 Y伴性遺

17、傳病，如耳廓長毛癥等 43編輯ppt 誘變育種誘變育種 誘發(fā)使生物產(chǎn)生大量而多樣的基因突變，從而可以根據(jù) 需要選育出優(yōu)良品種。 以色列培育“彩色青椒”-把青椒種子送上太空，使其 在完全下發(fā)生基因突變來育種。 害蟲防治害蟲防治 用誘變劑處理雄性害蟲使之發(fā)生致死的或條件致死 的突變，然后釋放這些雄性害蟲，便能使它們和野生的 雄性昆蟲相競爭而產(chǎn)生致死基因突變的或不育的子代。 44編輯ppt 單倍體細胞中的全部基因為一個基因組。單倍體細胞中的全部基因為一個基因組。 包括編碼序列和非編碼序列在內(nèi)的全部DNA分子。 （單倍體細胞中的全套染色體。） 像人類這樣的脊椎動物，基因組通常指的只是染色 體DNA。

18、線粒體有自己的基因組，通常叫做線粒體基因組。 45編輯ppt 一、原核生物基因組特點一、原核生物基因組特點 細菌基因組特點： 1.基因組較小，通常只有一個環(huán)形或線形的DNA分子。 2.基因組的大部分序列是用來編碼蛋白質(zhì)的，基因之 間的間隔序列很短。 3.功能相關(guān)的序列常串連在一起，由共同的調(diào)控元件 調(diào)控，并轉(zhuǎn)錄成同一mRNA分子，可指導多種蛋白質(zhì)的 合成，這種結(jié)構(gòu)稱操縱子。 46編輯ppt 3.一般沒有內(nèi)含子。 4.只有一個復制起點。 5.以RNA為產(chǎn)物的基因往往是多拷貝的，蛋白質(zhì)基因 是單拷貝的。 6.編碼順序一般不會重疊。 7.同基因（isogenez)（編碼同酶,isoenzyme） 如

19、大腸桿菌基因組中有兩個編碼分支酸變位酶基因， 兩個編碼乙酰乳酸合成酶的基因。 47編輯ppt 48編輯ppt 病毒是最簡單的生物，完整的病毒顆粒包括外殼蛋白和內(nèi)部的基因組 DNA或RNA。 （有些病毒的外殼蛋白外面有一層由宿主細胞構(gòu)成的被膜 （envelope），被膜內(nèi)含有病毒基因編碼的糖蛋白。） 病毒不能獨立地復制，必需進入宿主細胞中借助細胞內(nèi)的一些酶類和 細胞器才能使病毒得以復制。外殼蛋白（或被膜）的功能是識別和侵 襲特定的宿主細胞并保護病毒基因組不受核酸酶的破壞。 49編輯ppt 1.病毒基因組大小相差較大,與細菌或真核細胞相比， 病毒的基因組很小，但是不同的病毒之間其基因組相差亦甚 大

20、。 如乙肝病毒DNA只有3kb大小，所含信息量也較小，只能編碼 4種蛋白質(zhì)，而痘病毒的基因組有300kb之大，可以編碼幾百 種蛋白質(zhì)，不但為病毒復制所涉及的酶類編碼，甚至為核苷 酸代謝的酶類編碼，因此，痘病毒對宿主的依賴性較乙肝病 毒小得多。 50編輯ppt 2.病毒基因組可以由DNA組成，也可以由RNA組成。 組成病毒基因組的DNA和RNA可以是單鏈的，也可以 是雙鏈的，可以是閉環(huán)分子，也可以是線性分子。 如乳頭瘤病毒是一種閉環(huán)的雙鏈DNA病毒，而的基 因組則是線性的雙鏈DNA,脊髓灰質(zhì)炎病毒是一種單鏈的 RNA病毒，而呼腸孤病毒的基因組是雙鏈的RNA分子。 一般說來，大多數(shù)DNA病毒的基因

21、組雙鏈DNA分子， 而大多數(shù)RNA病毒的基因組是單鏈RNA分子。 51編輯ppt 3.多數(shù)RNA病毒的基因組是由連續(xù)的核糖核酸鏈組 成。 但也有些病毒的基因組RNA由不連續(xù)的幾條核酸鏈 組成如流感病毒的基因組RNA分子是節(jié)段性的，由 八條RNA分子構(gòu)成，每條RNA分子都含有編碼蛋白質(zhì) 分子的信息；而呼腸孤病毒的基因組由雙鏈的節(jié)段 性的RNA分子構(gòu)成，共有10個雙鏈RNA片段，同樣每 段RNA分子都編碼一種蛋白質(zhì)。目前，還沒有發(fā)現(xiàn) 有節(jié)段性的DNA分子構(gòu)成的病毒基因組。 52編輯ppt 4.基因重疊（overlapping gene）即同一段DNA片 段能夠編碼兩種甚至三種蛋白質(zhì)分子。 這種結(jié)構(gòu)

22、使較小的基因組能夠攜帶較多的遺傳信息。 指兩個或兩個以上的基因共有一段DNA序列。 大基因內(nèi)包含小基因；前后兩個基因首尾 重疊一個或兩個核苷酸；幾個基因的重疊， 幾個基因有一段核苷酸序列重疊在一起，等 等。重疊基因中不僅有編碼序列也有調(diào)控序 列。 53編輯ppt 5.病毒基因組的大部分是用來編碼蛋白質(zhì)的，只有 非常小的一份不被翻譯。 不翻譯的DNA順序通常是基因表達的控制序列。 乳頭瘤病毒是一類感染人和動物的病毒，基因組約 8.0Kb,其中不翻譯的部份約為1.0kb。 54編輯ppt 6.病毒基因組DNA序列中功能上相關(guān)的蛋白質(zhì)的基因 或rRNA的基因往往叢集在基因組的一個或幾個特定的 部位,

23、形成一個功能單位或轉(zhuǎn)錄單元。它們可被一起 轉(zhuǎn)錄成為含有多個mRNA的分子，稱為多順反子mRNA （polycistroniemRNA），然后再加工成各種蛋白質(zhì) 的模板mRNA。 X174基因組中的D-E-J-F-G-H基因也轉(zhuǎn)錄在同一 mRNA中，然后再翻譯成各種蛋白質(zhì)，其中、F、G及 H都是編碼外殼蛋白的，D蛋白與病毒的裝配有關(guān)，E 蛋白負責細菌的裂解，它們在功能上也是相關(guān)的。 55編輯ppt 7.除了反轉(zhuǎn)錄病毒以外，一切病毒基因組都是單 倍體，每個基因在病毒顆粒中只出現(xiàn)一次。反轉(zhuǎn) 錄病毒基因組有兩個拷貝。 8.噬菌體（細胞病毒）的基因是連續(xù)的；而 真核細胞病毒的基因是不連續(xù)的，具有內(nèi)含子

24、56編輯ppt 噬菌體遺傳圖 57編輯ppt 1.基因組較大。的基因組由多條線形的 構(gòu)成，每條染色體有一個線形的DNA分子， 每個DNA分子有多個復制起點。 2.不存在操縱子結(jié)構(gòu)。真核生物的同一個基 因簇的基因，不會像原核生物的操縱子結(jié)構(gòu)那樣， 轉(zhuǎn)錄到同一個mRNA上。 58編輯ppt 3.存在大量的重復序列。真核生物的基因組里存在 大量重復序列，通過其重復程度可將其分成高度 重復序列、中度重復序列、輕度重復序列和單一 序列。 重復序列中，除了編碼rRNA ,tRNA,組蛋白及免疫 球蛋白的結(jié)構(gòu)基因外，大部分是非編碼序列。 59編輯ppt 根據(jù)出現(xiàn)的頻率不同將DNA序列分為3類： 1. 高度重

25、復序列 在基因組中的重復次數(shù)105。衛(wèi)星DNA，反向重復序列。 2. 中度重復序列 在基因組中的重復次數(shù)為101-105. 編碼rRNA, tRNA,組蛋白及免疫球蛋白的結(jié)構(gòu)基因。 3. 單拷貝序列 在整個基因組中出現(xiàn)1次或少數(shù)幾次，大多數(shù)編碼蛋白質(zhì)的基因。 小鼠DNA經(jīng)CsClMI度梯度離心顯示出主帶和衛(wèi)星 DNA帶 60編輯ppt 61編輯ppt 62編輯ppt 63編輯ppt 4.有斷裂基因。大多數(shù)真核生物為蛋白質(zhì)編碼 的基因都含有“間隔序列”，即不為多肽編碼， 其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物在mRNA前體的加工過程中被切除的成 分。 64編輯ppt 5. 有許多來源相同、結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的 基因組成為單

26、一基因簇或基因家簇(Gene family)， 如血紅蛋白基因家簇 65編輯ppt 66編輯ppt 67編輯ppt 68編輯ppt 珠蛋白基因家族 69編輯ppt 70編輯ppt 71編輯ppt (Pseudogenes)， 72編輯ppt 6. 細胞器基因 核生物除具有核基因外，還有細胞器基 因，細胞器基因主要存在于線粒體和葉綠體中。 動物沒有葉綠體，所以動物細胞器基因只存在于 線粒體中。 73編輯ppt 7.端粒（telommere) 以線性染色體形式存在的真核基因組DNA末端膨 大結(jié)構(gòu)，稱為端粒。 74編輯ppt 基因在基因組中分布不均勻。 有些染色體基因分布很少，25%的序列不含任何 基因。即使基因最豐富的染色體，也有10%是“荒 漠”。 編碼蛋白質(zhì)的基因僅占基因組極少部分3%，人類約 翰3-4萬個基因。 7