遺傳的分子基礎(chǔ)

1、第二章:遺傳的分子基礎(chǔ)第一節(jié)第一節(jié) DNADNA作為主要遺傳物質(zhì)的證據(jù)作為主要遺傳物質(zhì)的證據(jù)第二節(jié)第二節(jié) 核酸的化學結(jié)構(gòu)與核酸的化學結(jié)構(gòu)與DNADNA復制復制第三節(jié)第三節(jié) 遺傳信息的表達與調(diào)控遺傳信息的表達與調(diào)控第四節(jié)第四節(jié) 現(xiàn)代分子遺傳學關(guān)于基因的概現(xiàn)代分子遺傳學關(guān)于基因的概念念第五節(jié)第五節(jié) 基因突變的分子機制基因突變的分子機制第六節(jié)第六節(jié) 基因組基因組P34-58第一節(jié) DNA作為主要遺傳物質(zhì)的證據(jù) 一、 DNA是遺傳物質(zhì)的間接證據(jù) 二、 DNA是遺傳物質(zhì)的直接證據(jù) (一)、 細菌轉(zhuǎn)化試驗 (二)、 噬菌體侵染與繁殖試驗 (三)、 煙草花葉病毒拆合實驗(RNA) *三、非核酸類的遺傳物質(zhì)一

2、、一、 DNADNA是遺傳物質(zhì)的間接證據(jù)是遺傳物質(zhì)的間接證據(jù) 1.DNA1.DNA分布在染色體內(nèi)分布在染色體內(nèi), ,是染色體的主要成分是染色體的主要成分, ,而染色而染色體體 是直接與遺傳有關(guān)的。是直接與遺傳有關(guān)的。 2.2.細胞核內(nèi)細胞核內(nèi)DNADNA的含量十分穩(wěn)定的含量十分穩(wěn)定, ,而且與染色體的數(shù)目而且與染色體的數(shù)目 存在著平行關(guān)系在同一種生物的細胞中存在著平行關(guān)系在同一種生物的細胞中, ,體細胞體細胞( (二二 倍體倍體) )中中DNADNA的含量是生殖細胞的含量是生殖細胞( (單倍體單倍體) )中中DNADNA含量含量 的的2 2倍體倍體, ,細胞中染色體的數(shù)量也正好是生殖細胞的細胞

3、中染色體的數(shù)量也正好是生殖細胞的 2 2倍。倍。 3.DNA3.DNA在代謝中較穩(wěn)定在代謝中較穩(wěn)定, ,不受生物體的營養(yǎng)條件、年齡不受生物體的營養(yǎng)條件、年齡 等因素的影響。等因素的影響。 4.4.作用于作用于DNADNA的一些物理和化學因素的一些物理和化學因素, ,如紫外線、如紫外線、 X X射射 線、氮芥等都可以引起生物體遺傳特性的改變。線、氮芥等都可以引起生物體遺傳特性的改變。 1.1928年肺炎球菌轉(zhuǎn)化試驗二、二、 DNADNA是遺傳物質(zhì)的直接證據(jù)是遺傳物質(zhì)的直接證據(jù)1928年Oswald Theodore Avery （ 18771955 ）1944年年2.噬菌體侵染與繁殖試驗噬菌體侵

4、染與繁殖試驗Alfred Day Hershey（19081997）1952年年3.3.煙草花葉病毒拆合實驗煙草花葉病毒拆合實驗(RNA)(RNA)三、非核酸類的遺傳物質(zhì)三、非核酸類的遺傳物質(zhì) 19571957年，哈佛大學畢業(yè)生年，哈佛大學畢業(yè)生GajdusekGajdusek發(fā)現(xiàn)神發(fā)現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)綜合征經(jīng)系統(tǒng)綜合征庫魯病庫魯病; ;其病原體既不具其病原體既不具備備RNARNA和和DNADNA的特征，在電子顯微鏡下也見的特征，在電子顯微鏡下也見不到病毒體的結(jié)構(gòu)。不到病毒體的結(jié)構(gòu)。GajdusekGajdusek以其起病極以其起病極慢的特點，取名為慢的特點，取名為“慢病毒慢病毒”。 美國學者美國學者

5、PrusinerPrusiner發(fā)現(xiàn)克雅氏病發(fā)現(xiàn)克雅氏病 , ,羊瘙癢羊瘙癢病病; ;并確認這種病原體與并確認這種病原體與GajdusekGajdusek探知的慢探知的慢病毒為同一類，并命名為病毒為同一類，并命名為“朊病毒朊病毒”或或“朊毒體朊毒體”(Prion(Prion) )。 圖示為圖示為PrPcPrPc分子（圓圈左側(cè)）與分子（圓圈左側(cè)）與PrPScPrPSc分子（圓圈右側(cè)）相互作用，并轉(zhuǎn)分子（圓圈右側(cè)）相互作用，并轉(zhuǎn)化為后者的循環(huán)過程?；癁楹笳叩难h(huán)過程。PrPScPrPSc分子通過形分子通過形成長纖維（右）的方式破壞正常的腦組成長纖維（右）的方式破壞正常的腦組織（左）?？棧ㄗ螅?P

6、rionPrion 是一類沒有是一類沒有DNADNA和和RNARNA，小得連電，小得連電子顯微鏡也看不到的子顯微鏡也看不到的生命物質(zhì)，廣泛存在生命物質(zhì)，廣泛存在于人類和周圍的生物于人類和周圍的生物體內(nèi)，具有體內(nèi)，具有較強的傳較強的傳染性染性，可以引發(fā)多種，可以引發(fā)多種致死性致死性神經(jīng)系統(tǒng)疾病神經(jīng)系統(tǒng)疾病。在正常情況下無害，在正常情況下無害，但它具有把自身的結(jié)但它具有把自身的結(jié)構(gòu)改變成有害粒子的構(gòu)改變成有害粒子的能力，從而導致人類能力，從而導致人類和動物患有許多種與和動物患有許多種與癡呆有關(guān)的致命性腦癡呆有關(guān)的致命性腦病。病。 第二節(jié)第二節(jié) 核酸的化學結(jié)構(gòu)與核酸的化學結(jié)構(gòu)與DNADNA復制復制

7、1、DNA的一級結(jié)構(gòu)的一級結(jié)構(gòu) 2、DNA的二級結(jié)構(gòu)的二級結(jié)構(gòu) * 3、RNA的分子結(jié)構(gòu)的分子結(jié)構(gòu) *4、DNA的復制的復制1 1、DNADNA的一級結(jié)構(gòu)的一級結(jié)構(gòu) A.堿基種類及結(jié)構(gòu)堿基種類及結(jié)構(gòu): A,T,C,G,U B. P.A.T.Levene(1930)P.A.T.Levene(1930)提出提出“四核苷酸四核苷酸”假說，認為：假說，認為：核苷酸是核酸的基本組成單位；核苷酸是核酸的基本組成單位；核酸是核酸是“磷酸磷酸核糖核糖( (堿基堿基)磷酸磷酸”的核苷多聚的核苷多聚體。體。 四核苷酸假說奠定了核酸化學基礎(chǔ)。但同時認為：四核苷酸假說奠定了核酸化學基礎(chǔ)。但同時認為：核酸多聚體是由核酸

8、多聚體是由“四核苷酸結(jié)構(gòu)四核苷酸結(jié)構(gòu)”重復形成；重復形成；每個四核苷酸結(jié)構(gòu)包含四種堿基各一個；每個四核苷酸結(jié)構(gòu)包含四種堿基各一個；所以事實上認為在任何所以事實上認為在任何DNADNA中，四種堿基是等量中，四種堿基是等量的，的，DNADNA是四核苷酸結(jié)構(gòu)的簡單重復。是四核苷酸結(jié)構(gòu)的簡單重復。這種觀念影響了人們對核酸生物學功能的進一步這種觀念影響了人們對核酸生物學功能的進一步認識。認識。 E.ChargaffE.Chargaff于于1946-19501946-1950年根據(jù)紙層析、離子交換層析年根據(jù)紙層析、離子交換層析和紫外分光光度試驗結(jié)果提出查伽夫定則：和紫外分光光度試驗結(jié)果提出查伽夫定則：四種

9、堿基的數(shù)量不是等量的；四種堿基的數(shù)量不是等量的；同一物種同一物種DNADNA堿基組成不變，而物種間則有很大不堿基組成不變，而物種間則有很大不同；同；嘌呤堿基總量與嘧啶堿基的總量嘌呤堿基總量與嘧啶堿基的總量( (克分子總量克分子總量) )相等相等(A+G=T+C)(A+G=T+C)，且，且A=TA=T、G=CG=C。 核酸并不是四核苷酸結(jié)構(gòu)的簡單重復，核酸并不是四核苷酸結(jié)構(gòu)的簡單重復，核酸的核酸的堿基序列信息堿基序列信息可能具有重要意義。可能具有重要意義。以后的研究表明：堿基序列正是核酸生物以后的研究表明：堿基序列正是核酸生物學功能的基礎(chǔ)，是遺傳信息的內(nèi)在形式。學功能的基礎(chǔ)，是遺傳信息的內(nèi)在形式

10、。查伽夫定則表明：查伽夫定則表明： DNA及及RNA分子序列分析技術(shù)也是最重分子序列分析技術(shù)也是最重要的分子遺傳學研究技術(shù)：要的分子遺傳學研究技術(shù)： Sanger雙脫氧終止法雙脫氧終止法； Maxam&Gillbert化學降解法化學降解法；2 2、DNADNA的二級結(jié)構(gòu)的二級結(jié)構(gòu) * *( (一一) )、DNADNA分子結(jié)構(gòu)的研究分子結(jié)構(gòu)的研究1. 1. 鮑林研究小組鮑林研究小組2. 2. 威爾金斯、富蘭克林研究小組威爾金斯、富蘭克林研究小組3. 3. 沃生、克里克研究小組沃生、克里克研究小組 ( (二二) )、 DNADNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型1. 1. DNADNA

11、分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點2. 2. DNADNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的意義雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的意義3. 3. DNADNA分子構(gòu)型的多態(tài)性分子構(gòu)型的多態(tài)性* *2.12.1、DNADNA分子結(jié)構(gòu)的研究分子結(jié)構(gòu)的研究 2.1.1. 2.1.1. 鮑林研究小組鮑林研究小組 主要工作：主要工作：鮑林鮑林(Pauling)(Pauling)等等19511951年年( (提出蛋白質(zhì)提出蛋白質(zhì)- -螺旋模型螺旋模型后后) )開始研究開始研究DNADNA分子結(jié)構(gòu)。分子結(jié)構(gòu)。根據(jù)阿斯伯利根據(jù)阿斯伯利AstburyAstbury等等19381938年獲得的年獲得的DNADNA分子晶體分子晶體X X射線

12、衍射圖像射線衍射圖像( (顯示顯示DNADNA分子晶體呈螺旋結(jié)構(gòu)分子晶體呈螺旋結(jié)構(gòu)) )進行進行研究。研究。提出提出DNADNA分子三鏈螺旋結(jié)構(gòu)分子三鏈螺旋結(jié)構(gòu)模型模型：引入：引入多鏈多鏈、螺旋螺旋和和氫鏈氫鏈等概念。等概念。 評價：評價：雖然他們提出的模型并不正確，但是其研究方向和雖然他們提出的模型并不正確，但是其研究方向和所采用的方法卻為所采用的方法卻為DNADNA分子結(jié)構(gòu)模型研究確立了方分子結(jié)構(gòu)模型研究確立了方向。向。 注：注：19541954年鮑林因研究物質(zhì)聚合力而獲得諾貝爾化學年鮑林因研究物質(zhì)聚合力而獲得諾貝爾化學獎。獎。2.1.2. 2.1.2. 威爾金斯、富蘭克林研究小組威爾金斯

13、、富蘭克林研究小組 主要工作成就：主要工作成就：WilkinsWilkins和和FranklinFranklin改進了改進了DNADNA分子晶體分子晶體X X射射線衍射圖譜技術(shù)；線衍射圖譜技術(shù)；于于19511951年獲得了更為清晰的圖像；年獲得了更為清晰的圖像；結(jié)果表明：結(jié)果表明：堿基位于螺旋內(nèi)側(cè)而磷酸基團在外側(cè)，堿基位于螺旋內(nèi)側(cè)而磷酸基團在外側(cè)，同時測得了同時測得了DNADNA螺旋的直徑和螺距。螺旋的直徑和螺距。2.1.3. 2.1.3. 沃生、克里克研究小組沃生、克里克研究小組WastonWaston Crick( Crick(1951-19531951-1953) )：研究手段非常簡單：

14、用紙研究手段非常簡單：用紙板等做磷酸、核糖和堿基板等做磷酸、核糖和堿基模型，拼湊模型，拼湊DNADNA分子的三維分子的三維結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 理論知識深厚、富于創(chuàng)造理論知識深厚、富于創(chuàng)造性；視野廣闊、收集信息性；視野廣闊、收集信息全面并善于分析利用。全面并善于分析利用。 主要基于主要基于ChargaffChargaff、PaulingPauling和和WilkinsWilkins等三個方研究成果，等三個方研究成果，WastonWaston和和CrickCrick于于19531953年提出了他們的第三個年提出了他們的第三個DNADNA雙螺旋結(jié)構(gòu)雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。模型。 現(xiàn)在人們公認這是分子遺傳學建立的標

15、志?，F(xiàn)在人們公認這是分子遺傳學建立的標志。 為此為此WastonWaston，CrickCrick和和WilkinsWilkins于于19621962年獲得了諾貝爾生理學年獲得了諾貝爾生理學及醫(yī)學獎。及醫(yī)學獎。2.22.2、 DNADNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型 .1. DNA1. DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(1) (1) 兩條多核苷酸鏈以右手螺旋的形式，彼此以一定的空間距兩條多核苷酸鏈以右手螺旋的形式，彼此以一定的空間距 離，離，平行地環(huán)繞于同一軸上，很象一個扭曲起來的梯子平行地環(huán)繞于同一軸上，很象一個扭曲起來的梯子( (圖圖) )(2) (

16、2) 兩條多核苷酸鏈走向為反向平行。即一條鏈磷酸二脂鍵為兩條多核苷酸鏈走向為反向平行。即一條鏈磷酸二脂鍵為5533方向，而另一條為方向，而另一條為3355方向，二者剛好相反。亦即一條方向，二者剛好相反。亦即一條鏈對另一條鏈是顛倒過來的，這稱為反向平行。鏈對另一條鏈是顛倒過來的，這稱為反向平行。(3) (3) 每條長鏈的外側(cè)由核糖和磷酸交替連接每條長鏈的外側(cè)由核糖和磷酸交替連接, , 內(nèi)側(cè)是扁平的盤狀堿內(nèi)側(cè)是扁平的盤狀堿基，堿基一方面與脫氧核糖相聯(lián)系，另一方面通過氫鍵基，堿基一方面與脫氧核糖相聯(lián)系，另一方面通過氫鍵(hydrogen bond)(hydrogen bond)與它互補的堿基相聯(lián)系，

17、相互層疊宛如一級一與它互補的堿基相聯(lián)系，相互層疊宛如一級一級的梯子橫檔?；パa堿基對級的梯子橫檔?；パa堿基對A A與與T T之間形成兩對氫鍵，而之間形成兩對氫鍵，而C C與與G G之間之間形成三對氫鍵形成三對氫鍵 (4) (4) 上下堿基對之間的距上下堿基對之間的距離為離為3.43.4。每個螺旋為。每個螺旋為34(3.4nm)34(3.4nm)長，剛好含長，剛好含有有1010個堿基對，其直徑個堿基對，其直徑約為約為2020。(5)(5)在雙螺旋分子的表面大在雙螺旋分子的表面大溝溝(major groove)(major groove)和小和小溝溝(minor groove)(minor groo

18、ve)交替交替出現(xiàn)。出現(xiàn)。2.2.2. DNA2.2.2. DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的意義雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的意義DNADNA雙螺旋模型結(jié)構(gòu)同時表明：雙螺旋模型結(jié)構(gòu)同時表明：DNADNA復制的明顯方式復制的明顯方式半保留復制半保留復制。WastonWaston和和CrickCrick在在19531953年就指出：年就指出：DNADNA可以按堿基互補配對原可以按堿基互補配對原則進行半保留復制。而在此之前對復制方式人們對則進行半保留復制。而在此之前對復制方式人們對一無所知。一無所知。基因和多肽成線性對應(yīng)的一個可能的理由：基因和多肽成線性對應(yīng)的一個可能的理由：DNADNA核核苷酸順序規(guī)定該基因編碼蛋白質(zhì)的氨

19、基酸順序；苷酸順序規(guī)定該基因編碼蛋白質(zhì)的氨基酸順序；DNADNA中的中的遺傳信息就是堿基序列遺傳信息就是堿基序列；并存在某種遺傳并存在某種遺傳密碼密碼(genetic code)(genetic code)，將核苷酸序列譯成蛋白質(zhì)氨，將核苷酸序列譯成蛋白質(zhì)氨基酸順序?；犴樞颉Ｔ谄浜蟮膸资曛?，科學家們沿著這兩條途徑前進，探在其后的幾十年中，科學家們沿著這兩條途徑前進，探明了明了DNADNA復制、遺傳信息表達與中心法則等內(nèi)容。復制、遺傳信息表達與中心法則等內(nèi)容。2.2.3. DNA2.2.3. DNA分子構(gòu)型的多態(tài)性分子構(gòu)型的多態(tài)性 近來發(fā)現(xiàn)近來發(fā)現(xiàn)DNADNA的構(gòu)型并不是固定不變的，的構(gòu)型并

20、不是固定不變的，除主要以瓦特森和克里克提出的右手雙螺旋構(gòu)除主要以瓦特森和克里克提出的右手雙螺旋構(gòu)型存在外，還有許多變型。所以現(xiàn)在一般將瓦型存在外，還有許多變型。所以現(xiàn)在一般將瓦特森和克里克提出的雙螺旋構(gòu)型稱為特森和克里克提出的雙螺旋構(gòu)型稱為B BDNADNA。B BDNADNA是是DNADNA在生理狀態(tài)下的構(gòu)型。生活細胞在生理狀態(tài)下的構(gòu)型。生活細胞中極大多數(shù)中極大多數(shù)DNADNA以以B BDNADNA形式存在。但當外界形式存在。但當外界環(huán)境條件發(fā)生變化時，環(huán)境條件發(fā)生變化時，DNADNA的構(gòu)型也會發(fā)生變的構(gòu)型也會發(fā)生變化。實際上在生活細胞內(nèi)，化。實際上在生活細胞內(nèi)，B BDNADNA一螺圈也并

21、一螺圈也并不是正好不是正好1010個核苷酸對，而平均一般為個核苷酸對，而平均一般為10.410.4對。對。 當當DNADNA在高鹽濃度下時，則以在高鹽濃度下時，則以A ADNADNA形式存在形式存在( (圖圖) )。 A ADNADNA是是DNADNA的脫水構(gòu)型，它也是右手螺旋，但每的脫水構(gòu)型，它也是右手螺旋，但每螺圈含有螺圈含有1111個核苷酸對。個核苷酸對。A ADNADNA比較短和密，其比較短和密，其平均直徑為平均直徑為2323。大溝深而窄，小溝寬而淺。在活。大溝深而窄，小溝寬而淺。在活體內(nèi)體內(nèi)DNADNA并不以并不以A A構(gòu)型存在，但細胞內(nèi)構(gòu)型存在，但細胞內(nèi)DNADNARNARNA或或

22、RNARNARNARNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，卻與雙螺旋結(jié)構(gòu)，卻與A ADNADNA非常相似。非常相似。 現(xiàn)在還發(fā)現(xiàn)，某些現(xiàn)在還發(fā)現(xiàn)，某些DNADNA序列可以以左手螺旋的形式序列可以以左手螺旋的形式存在，稱為存在，稱為Z ZDNA(DNA(圖圖) )。 當某些當某些DNADNA序列富含序列富含G GC C，并且在嘌呤和嘧啶交替，并且在嘌呤和嘧啶交替出現(xiàn)時，可形成出現(xiàn)時，可形成Z ZDNADNA。Z ZDNADNA除左手螺旋外，除左手螺旋外，其每個螺圈含有其每個螺圈含有1212個堿基對。分子直徑為個堿基對。分子直徑為1818，并，并只有一個深溝。現(xiàn)在還不知道，只有一個深溝。現(xiàn)在還不知道，Z ZDNADNA

23、在體內(nèi)是在體內(nèi)是否存在。否存在。 * 3、RNA的分子結(jié)構(gòu) 至于至于RNA的分子結(jié)構(gòu)，就其化學組成上看，的分子結(jié)構(gòu)，就其化學組成上看，也是由四種核苷酸組成的多聚體。它與也是由四種核苷酸組成的多聚體。它與DNA的的不同，首先在于以不同，首先在于以U代替了代替了T，其次是用核糖，其次是用核糖代替了脫氧核糖，此外，還有一個重要的不同代替了脫氧核糖，此外，還有一個重要的不同點，就是絕大部分點，就是絕大部分RNA以單鏈形式存在，但可以單鏈形式存在，但可以折疊起來形成若干雙鏈區(qū)域。在這些區(qū)域內(nèi)，以折疊起來形成若干雙鏈區(qū)域。在這些區(qū)域內(nèi)，凡互補的堿基對間可以形成氫鍵凡互補的堿基對間可以形成氫鍵(圖圖)。但有

24、一。但有一些以些以RNA為遺傳物質(zhì)的動物病毒含有雙鏈為遺傳物質(zhì)的動物病毒含有雙鏈RNA。RNA分子種類及結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)1、mRNA 編碼蛋白質(zhì)信息載體，通常無次級結(jié)構(gòu)！ 原核生物中可以形成多順反子 真核生物中則需要剪接加工形成成熟mRNA過程 (a) 原核生物mRNA)為多順反子(b) 真核生物mRNA為單順反子2、tRNA 分子量相對較小80b左右，每個細胞中約4060種不同tRNA，主要功能：轉(zhuǎn)運氨基酸左邊二維結(jié)構(gòu)，右邊三維結(jié)構(gòu)3、rRNA 核糖體大小亞基的組成成分，與蛋白質(zhì)合成有關(guān)！ 原核中有三類 （5S，16S，23 SrRNA） 真核中有四類 （5S， 5.8S， 18S，28SrRNA

25、） 基因成簇，含多個轉(zhuǎn)錄單位，每個轉(zhuǎn)錄單位由非編碼序列隔開，在特定時期有基因擴增現(xiàn)象等特征。此外，可利用rDNA高度保守序列特征鑒定物種種屬關(guān)系！4、snRNA 相對分子量較小，存在于真核生物細胞核中，加工剪接其他RNA的初級轉(zhuǎn)錄物。往往和大約10種不同蛋白質(zhì)結(jié)合形成核內(nèi)小核糖核蛋白顆粒。5、miRNA 分子量小（21-25核苷酸），由Dicer（RNAase 家族中對雙鏈RNA具有特異性的酶）加工而成。SiRNA是siRISC（RNA-induced silencing complex ）的主要成員，激發(fā)與之互補的目標mRNA的沉默。 第三節(jié)第三節(jié) 遺傳信息的表達與調(diào)控遺傳信息的表達與調(diào)控中

26、心法則中心法則第四節(jié)第四節(jié) 現(xiàn)代分子遺傳學關(guān)于現(xiàn)代分子遺傳學關(guān)于基因的概念基因的概念 1 1、 現(xiàn)代基因概念現(xiàn)代基因概念 2 2、 基因的功能類別基因的功能類別 3 3、 基因的幾種特殊形式基因的幾種特殊形式1、 現(xiàn)代基因概念現(xiàn)代基因概念 DNADNA分子中含有特定遺傳信息的核苷酸序分子中含有特定遺傳信息的核苷酸序列，是遺傳物質(zhì)的最小功能單位。合成有功能列，是遺傳物質(zhì)的最小功能單位。合成有功能的蛋白質(zhì)或的蛋白質(zhì)或RNARNA所必需的全部所必需的全部DNADNA序列（除部分序列（除部分病毒病毒RNARNA）, , 即一個基因不僅包括編碼蛋白質(zhì)即一個基因不僅包括編碼蛋白質(zhì)或或RNARNA的核苷酸序

27、列，還包括為保證轉(zhuǎn)錄所必的核苷酸序列，還包括為保證轉(zhuǎn)錄所必需的調(diào)控序列。需的調(diào)控序列。2 2、 基因的功能類別基因的功能類別（1 1）蛋白質(zhì)基因：其最終產(chǎn)物為蛋白質(zhì)）蛋白質(zhì)基因：其最終產(chǎn)物為蛋白質(zhì) 結(jié)構(gòu)基因（結(jié)構(gòu)基因（structure genestructure gene） ：編碼酶蛋白、血紅編碼酶蛋白、血紅蛋白、膠原蛋白或晶體蛋白等蛋白質(zhì)的基因都稱為結(jié)蛋白、膠原蛋白或晶體蛋白等蛋白質(zhì)的基因都稱為結(jié)構(gòu)基因構(gòu)基因。 調(diào)節(jié)基因（調(diào)節(jié)基因（regulator generegulator gene） ：凡是編碼阻遏或凡是編碼阻遏或激活結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)的基因都稱為調(diào)節(jié)基因。激活結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)

28、的基因都稱為調(diào)節(jié)基因。( (或指某些可調(diào)節(jié)控制結(jié)構(gòu)基因表達的基因。或指某些可調(diào)節(jié)控制結(jié)構(gòu)基因表達的基因。) )調(diào)控基調(diào)控基因的突變可以影響一個或多個結(jié)構(gòu)基因的功能，或?qū)б虻耐蛔兛梢杂绊懸粋€或多個結(jié)構(gòu)基因的功能，或?qū)е乱粋€或多個蛋白質(zhì)（或酶）量的改變。致一個或多個蛋白質(zhì)（或酶）量的改變。（2 2）RNARNA基因基因( (沒有翻譯產(chǎn)物的基因沒有翻譯產(chǎn)物的基因 ) )：其其最終產(chǎn)物是最終產(chǎn)物是tRNAtRNA和和rRNArRNA （3 3）不轉(zhuǎn)錄的基因：）不轉(zhuǎn)錄的基因：不產(chǎn)生任何產(chǎn)物，對不產(chǎn)生任何產(chǎn)物，對基因表達起調(diào)節(jié)控制作用基因表達起調(diào)節(jié)控制作用 啟動基因（啟動子，啟動區(qū)）：轉(zhuǎn)錄啟動基因（啟動子

29、，啟動區(qū)）：轉(zhuǎn)錄時時RNARNA多聚酶與多聚酶與DNADNA結(jié)合的部位。結(jié)合的部位。 操縱基因：位于結(jié)構(gòu)基因（一個或多操縱基因：位于結(jié)構(gòu)基因（一個或多個）的前端，與阻遏蛋白或激活蛋白結(jié)個）的前端，與阻遏蛋白或激活蛋白結(jié)合，控制結(jié)構(gòu)基因活動的合，控制結(jié)構(gòu)基因活動的DNADNA區(qū)段。是操區(qū)段。是操縱結(jié)構(gòu)基因的基因。縱結(jié)構(gòu)基因的基因。 http:/ 基因的幾種特殊形式基因的幾種特殊形式 （1 1）重復基因：）重復基因： 指在基因組中有多份拷貝的基因，往往指在基因組中有多份拷貝的基因，往往是生命活動中最基本、最重要的基因。是生命活動中最基本、最重要的基因。 （2 2）重疊基因重疊基因： 指兩個或兩個以

30、上的基因共有一段指兩個或兩個以上的基因共有一段DNADNA序序列，或是指一段列，或是指一段DNADNA序列為兩個或兩個以序列為兩個或兩個以上基因的組成部分。上基因的組成部分。 （3 3）斷裂基因）斷裂基因 指基因的編碼序列在指基因的編碼序列在DNADNA分子上是不連續(xù)分子上是不連續(xù)排列的，而是被不編碼的序列所隔開。排列的，而是被不編碼的序列所隔開。 編碼的序列稱為外顯子，對應(yīng)于編碼的序列稱為外顯子，對應(yīng)于mRNAmRNA序列序列的區(qū)域，是一個基因表達為多肽鏈的部分。的區(qū)域，是一個基因表達為多肽鏈的部分。 不編碼的間隔序列稱為內(nèi)含子，內(nèi)含子只不編碼的間隔序列稱為內(nèi)含子，內(nèi)含子只轉(zhuǎn)錄，在前轉(zhuǎn)錄，在

31、前mRNAmRNA（premRNApremRNA）時被剪切掉。）時被剪切掉。 大多數(shù)真核生物的基因為不連續(xù)基因大多數(shù)真核生物的基因為不連續(xù)基因（interruptedinterrupted或或discontinuous genediscontinuous gene）或斷）或斷裂基因（裂基因（split genesplit gene）。）。（4）跳躍基因）跳躍基因(jumping gene) 指可在指可在DNA分子間進行轉(zhuǎn)移的分子間進行轉(zhuǎn)移的DNA片段。片段。 也稱為轉(zhuǎn)座遺傳因子（也稱為轉(zhuǎn)座遺傳因子（transposable genetic element），轉(zhuǎn)座元件或轉(zhuǎn)座基（），轉(zhuǎn)座元件或轉(zhuǎn)座

32、基（transposable element，TE），可動基因），可動基因(mobile gene)。Barbara McClintock1902-1992 http:/ 即與正常功能基因順序基本相同卻即與正常功能基因順序基本相同卻不具有控制蛋白質(zhì)合成的功能的基不具有控制蛋白質(zhì)合成的功能的基因。因。 在真核生物中是很普遍存在，在真核生物中是很普遍存在， 形成的主要原因是堿基對缺失或插形成的主要原因是堿基對缺失或插入以致不能正常編碼。入以致不能正常編碼。第五節(jié) 基因突變的分子機制 一、一、locus與與site 二、二、基因突變的類型基因突變的類型 三、三、基因突變的特點基因突變的特點 *四、四

33、、DNA的防護機制的防護機制 *五、五、 DNA修復與突變的產(chǎn)生修復與突變的產(chǎn)生 *六、化學因素誘變的分子機制六、化學因素誘變的分子機制一、locus與site 經(jīng)典遺傳學認為：經(jīng)典遺傳學認為： 基因是染色體上的一個點，稱位點基因是染色體上的一個點，稱位點(site)。 現(xiàn)代基因概念認為：現(xiàn)代基因概念認為： 基因是基因是DNA分子帶有遺傳信息的堿基序列分子帶有遺傳信息的堿基序列區(qū)段；區(qū)段； 基因是由眾多堿基對構(gòu)成，此時將一個堿基基因是由眾多堿基對構(gòu)成，此時將一個堿基對稱為基因的一個位點對稱為基因的一個位點(site)； 而將基因在染色體上的位置則稱為座位而將基因在染色體上的位置則稱為座位(lo

34、cus)。二、 基因突變的類型1. 1. 根據(jù)突變所引起的表型改根據(jù)突變所引起的表型改變分為：變分為：形態(tài)突變型；形態(tài)突變型；生化突變型；生化突變型；致死突變型；致死突變型；條件致死突變型。條件致死突變型。2. 2. 根據(jù)基因結(jié)構(gòu)的改變方式：根據(jù)基因結(jié)構(gòu)的改變方式：堿基替換突變；堿基替換突變；堿基倒位；堿基倒位；移碼移碼( (插入與缺失插入與缺失) )突變突變。3. 從DNA堿基序列改變的多少： 單點突變(替換)；與經(jīng)典遺傳學的點突變point mutation比較. 多點突變(移碼)。4. 從突變所引起的遺傳信息意義的改變： 同義突變； 錯義突變； 無義突變。錯義突變 是指DNA分子中的核苷

35、酸置換后改變了mRNA上遺傳密碼，從而導致合成的多肽鏈中一個氨基酸被另一氨基酸所取代，這種情況稱為錯義突變（missense mutation）。錯義突變結(jié)果產(chǎn)生異常蛋白質(zhì)和酶。 同義突變由于密碼子具有兼并性，因此，單個堿基置換后使mRNA上改變后的密碼子與改變前所編碼的氨基酸一樣，肽鏈中出現(xiàn)同一氨基酸。例如DNA分子模板鏈中GCG的第三位G被A取代而成GCA，則mRNA中相應(yīng)的密碼子CGC就被轉(zhuǎn)錄為CGU，CGC和CGU都是精氨酸的密碼子，翻譯成的多肽鏈沒有變化，這種突變稱為同義突變（same-sense or synonymous mutation）。同義突變不易檢出。據(jù)估計，自然界中這樣

36、的突變頻度占相當高比例。無義突變 當單個堿基置換導致出現(xiàn)終止密碼子（UAG、UAA、UGA）時，多肽鏈將提前終止合成，所產(chǎn)生的蛋白質(zhì)（或酶）大都失去活性或喪失正常功能，此種突變稱為無義突變（non-sense mutation）。 1 1、基因突變的自發(fā)性及不對應(yīng)性、基因突變的自發(fā)性及不對應(yīng)性 2、 基因突變的稀有性 3、 因突變的獨立性 4、 基因突變的可誘變性 5 、基因突變的穩(wěn)定性 6、 基因突變的可逆性 各種性狀的突變都可以在沒有任何人為誘變因素的作用下自發(fā)產(chǎn)生，這就是基因突變的自發(fā)性。基因突變的性狀與引起突變的因素之間無直接的對應(yīng)關(guān)系。任何誘變因素或通過自發(fā)突變過程都能獲得任何性狀的

37、變異。就是說，在紫外線誘變下可以出現(xiàn)抗紫外線菌株，通過自發(fā)或其它誘發(fā)因素也可以獲得同樣的抗紫外線菌株，紫外線誘發(fā)的突變菌株也有不抗紫外線的，也可以是抗青霉素的，或是出現(xiàn)其它任何變異性狀的突變。基因突變的自發(fā)性和不對應(yīng)性已被波動測驗、涂布試驗和影印培養(yǎng)實驗這三個著名的實驗所證實。 突變對每個細胞是隨機的，對每個基因也是隨機的。每個基因的突變是獨立的，既不受其它基因突變的影響，也不會影響其它基因的突變。例如巨大芽孢桿菌（Bac.megaterium）抗異煙肼的突變率是510-5，而抗氨基柳酸的突變率是110-6，對兩者雙重抗性突變率是810-10，與兩者的乘積相近。雖然自發(fā)突變隨時都可能發(fā)生，但自

38、發(fā)突變發(fā)生的頻率是很低的。人們把每個細胞在每一世代中發(fā)生某一性狀突變的概率稱為突變率(Mutation ratio)，自發(fā)突變率一般在10-610-9之間。突變率為10-8表示細胞繁殖成1108細胞時，平均產(chǎn)生一個突變體。 通過人為的誘變劑作用，可以提高菌體的突變率，一般可以將突變率提高10105倍。因為誘變劑僅僅是提高突變率，所以自發(fā)突變與誘發(fā)突變所獲得的突變株并沒有本質(zhì)區(qū)別。因為基因突變的原因是遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，所以，突變產(chǎn)生新的變異性狀是穩(wěn)定的，也是可遺傳的。由原始的野生型基因變異成為突變型基因的過程稱為正向突變(Forward mutation)，相反的過程稱為回復突變(Bac

39、k mutation或Reverse mutation)。實驗證明，任何遺傳性狀都可發(fā)生正向突變，也可發(fā)生回復突變?；蛲蛔兊奶攸c基因突變的特點 第六節(jié)第六節(jié) 基因組基因組 基因組基因組狹義：單倍體細胞中的全套染色體（人：狹義：單倍體細胞中的全套染色體（人：22條常染色體條常染色體+X，Y+線粒體線粒體DNA）廣義：一物種的全部遺傳物質(zhì)及其攜帶廣義：一物種的全部遺傳物質(zhì)及其攜帶的遺傳信息。的遺傳信息。人類基因組人類基因組 斷裂基因；斷裂基因； 主要由大量的非編碼序列和少量的編碼序列構(gòu)主要由大量的非編碼序列和少量的編碼序列構(gòu)成；成； 存在多基因家族。存在多基因家族。 含有多種類型的重復序列；含有

40、多種類型的重復序列；一、人類基因組的基本特點一、人類基因組的基本特點人類基因組概況基因組大小基因組大小2.91Gbp2.91GbpA+TA+T含量含量54%54%G+CG+C含量含量38%38%重復序列（不含異染色質(zhì)）重復序列（不含異染色質(zhì)）35%35%編碼序列數(shù)目編碼序列數(shù)目2658826588功能未知基因比例功能未知基因比例42%42%外顯子最多的基因外顯子最多的基因TitinTitin（234234）SNPSNP數(shù)量數(shù)量300300萬個萬個SNPSNP密度密度1/1250bp1/1250bp人類基因組概況人類基因組概況最長的染色體最長的染色體2（240 Mbp）最短的染色體最短的染色體Y

41、（19Mbp）基因最多的染色體基因最多的染色體1（2453）基因最少的染色體基因最少的染色體Y（104）基因密度最大的染色體基因密度最大的染色體19（23/Mb）基因密度最小的染色體基因密度最小的染色體13，Y（5/Mb）重復序列含量最高的染色體重復序列含量最高的染色體19（57%）重復序列含量最低的染色體重復序列含量最低的染色體2，8，10，13，18（36%）第五節(jié) 基因突變的分子機制 一、基因突變概念一、基因突變概念 二、二、基因突變的類型基因突變的類型 三、三、基因突變的特點基因突變的特點 *四、突變的分子基礎(chǔ)四、突變的分子基礎(chǔ) *五、五、 DNA損傷修復損傷修復 *六、基因突變檢出六

42、、基因突變檢出一、基因突變概念 經(jīng)典遺傳學認為：經(jīng)典遺傳學認為： 基因是染色體上的一個點，稱位點基因是染色體上的一個點，稱位點(site)。 現(xiàn)代基因概念認為：現(xiàn)代基因概念認為： 基因是基因是DNA分子帶有遺傳信息的堿基序列分子帶有遺傳信息的堿基序列區(qū)段；區(qū)段； 基因是由眾多堿基對構(gòu)成，此時將一個堿基基因是由眾多堿基對構(gòu)成，此時將一個堿基對稱為基因的一個位點對稱為基因的一個位點(site)； 而將基因在染色體上的位置則稱為座位而將基因在染色體上的位置則稱為座位(locus)?；蛲蛔?指基因內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，并產(chǎn)生可遺傳的變異，也稱點突變；廣義：突變包括基因突變、染色體結(jié)構(gòu)變 異和染色體數(shù)目的

43、改變；狹義：指基因突變；等位基因（allele ）：位于一對同源染色體的相同位置上控制某一性狀的不同形態(tài)的基因 。二、 基因突變的類型1.1.突變發(fā)生的細胞類型突變發(fā)生的細胞類型 - - 體細胞突變體細胞突變 - - 性細胞突變性細胞突變2.2.根據(jù)突變所引起的表型改變分為：根據(jù)突變所引起的表型改變分為：形態(tài)突變型；形態(tài)突變型；生化突變型；生化突變型；致死突變型；致死突變型；條件致死突變型。條件致死突變型。3. 3. 根據(jù)基因結(jié)構(gòu)的改變方式根據(jù)基因結(jié)構(gòu)的改變方式：堿基替換突變；堿基替換突變；堿基倒位；堿基倒位；移碼移碼( (插入與缺失插入與缺失) )突變突變。4. 從DNA堿基序列改變的多少：

44、 單點突變(替換)；與經(jīng)典遺傳學的點突變point mutation比較. 多點突變(移碼)。5. 從突變所引起的遺傳信息意義的改變： 同義突變； 錯義突變； 無義突變。6.定向突變錯義突變 是指DNA分子中的核苷酸置換后改變了mRNA上遺傳密碼，從而導致合成的多肽鏈中一個氨基酸被另一氨基酸所取代，這種情況稱為錯義突變（missense mutation）。錯義突變結(jié)果產(chǎn)生異常蛋白質(zhì)和酶。 同義突變由于密碼子具有兼并性，因此，單個堿基置換后使mRNA上改變后的密碼子與改變前所編碼的氨基酸一樣，肽鏈中出現(xiàn)同一氨基酸。例如DNA分子模板鏈中GCG的第三位G被A取代而成GCA，則mRNA中相應(yīng)的密碼

45、子CGC就被轉(zhuǎn)錄為CGU，CGC和CGU都是精氨酸的密碼子，翻譯成的多肽鏈沒有變化，這種突變稱為同義突變（same-sense or synonymous mutation）。同義突變不易檢出。據(jù)估計，自然界中這樣的突變頻度占相當高比例。無義突變 當單個堿基置換導致出現(xiàn)終止密碼子（UAG、UAA、UGA）時，多肽鏈將提前終止合成，所產(chǎn)生的蛋白質(zhì)（或酶）大都失去活性或喪失正常功能，此種突變稱為無義突變（non-sense mutation）。 1 1、基因突變的自發(fā)性及不對應(yīng)性、基因突變的自發(fā)性及不對應(yīng)性 2、 基因突變的稀有性 3、 基因突變的獨立性 4、 基因突變的可誘變性 5 、基因突變的

46、穩(wěn)定性 6、 基因突變的可逆性 7、基因突變的普遍性各種性狀的突變都可以在沒有任何人為誘變因素的作用下自發(fā)產(chǎn)生，這就是基因突變的自發(fā)性?；蛲蛔兊男誀钆c引起突變的因素之間無直接的對應(yīng)關(guān)系。任何誘變因素或通過自發(fā)突變過程都能獲得任何性狀的變異。就是說，在紫外線誘變下可以出現(xiàn)抗紫外線菌株，通過自發(fā)或其它誘發(fā)因素也可以獲得同樣的抗紫外線菌株，紫外線誘發(fā)的突變菌株也有不抗紫外線的，也可以是抗青霉素的，或是出現(xiàn)其它任何變異性狀的突變。基因突變的自發(fā)性和不對應(yīng)性已被波動測驗、涂布試驗和影印培養(yǎng)實驗這三個著名的實驗所證實。 突變對每個細胞是隨機的，對每個基因也是隨機的。每個基因的突變是獨立的，既不受其它基因

47、突變的影響，也不會影響其它基因的突變。例如巨大芽孢桿菌（Bac.megaterium）抗異煙肼的突變率是510-5，而抗氨基柳酸的突變率是110-6，對兩者雙重抗性突變率是810-10，與兩者的乘積相近。雖然自發(fā)突變隨時都可能發(fā)生，但自發(fā)突變發(fā)生的頻率是很低的。人們把每個細胞在每一世代中發(fā)生某一性狀突變的概率稱為突變率(Mutation ratio)，自發(fā)突變率一般在10-610-9之間。突變率為10-8表示細胞繁殖成1108細胞時，平均產(chǎn)生一個突變體。 通過人為的誘變劑作用，可以提高菌體的突變率，一般可以將突變率提高10105倍。因為誘變劑僅僅是提高突變率，所以自發(fā)突變與誘發(fā)突變所獲得的突變

48、株并沒有本質(zhì)區(qū)別。因為基因突變的原因是遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，所以，突變產(chǎn)生新的變異性狀是穩(wěn)定的，也是可遺傳的。由原始的野生型基因變異成為突變型基因的過程稱為正向突變(Forward mutation)，相反的過程稱為回復突變(Back mutation或Reverse mutation)。實驗證明，任何遺傳性狀都可發(fā)生正向突變，也可發(fā)生回復突變。三、基因突變的特點三、基因突變的特點 1、自發(fā)突變：包括DNA復制錯誤、堿基的異構(gòu)互變效應(yīng)、自發(fā)的化學變化（脫嘌呤、脫氨基等）和轉(zhuǎn)座因子等多種原因；（1）堿基異構(gòu)互變效應(yīng) A-T 可轉(zhuǎn)變?yōu)镚-C（2）脫氨基 C會自動去氨基變成U，U-G被置換成U-A，然后變成T-A四、突變的分子基礎(chǔ)四、突變的分子基礎(chǔ)2、化學誘變：堿基類似物、堿基修飾劑和插入特變劑；特點：損傷小、誘變率較低，但有利突變較多，并具有一定的特異性；（1）堿基類似物 5-Bu （2）堿基修飾劑 亞硝酸、羥胺、烷化劑等（3）插入突變劑 吖啶類染料 可引起堿基插入或缺失 導致移碼突變TA5-Bu5-Bu（酮式）A復制5-Bu（烯醇式）G復制CGTATG-Me甲基化后復制CG復制3、物理誘變：非電離誘變：紫外線形成嘧啶二聚體電離誘變粒子輻射帶電粒子不帶電粒子：中