分子遺傳學第1章引言2013.10.14課件

農(nóng)學院作物遺傳育種系李志坤Tel:7520154-mail:lzhk@分子遺傳學MolecularGenetics1分子遺傳學課程號:BX0901214-02

課程性質(zhì):業(yè)務(wù)素質(zhì)課

課程總學時:48學時課程學分:3學分2第一章引言（2學時）第二章遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)（4學時）第三章基因與基因組（6學時）第四章DNA復(fù)制（4學時）第五章轉(zhuǎn)錄（10學時）第六章翻譯（4學時）第七章突變和遺傳重組（6學時）第八章原核生物基因表達調(diào)控（7學時）第九章真核生物基因表達調(diào)控（3學時）第十章分子標記技術(shù)（2學時）34主要參考書1.《基礎(chǔ)分子生物學》，鄭用璉主編，高等教育出版社，2007（普通高等教育十五國家級規(guī)劃教材）2.《MolecularBiology》(Third):RobetF.Weaver

McGraw-HillCompanies,Inc.20043.《GenesVIII》BenjaminLewinPrenticeHall20044.《分子遺傳學》，孫乃恩主編，南京大學出版社，19965.《現(xiàn)代分子生物學》（第二版），朱玉賢、李毅，高等教育出版社，19976.《分子生物學》，閻隆飛、張玉麟，農(nóng)業(yè)大學出版社，19977.《分子遺傳學》，張玉靜主編，科學出版社，200251.廣義的分子生物學：研究蛋白質(zhì)（Protein）及核酸(Nucleicacid)等生物大分子的結(jié)構(gòu)、功能和生物大分子之間的互作，即從分子水平上闡明生命現(xiàn)象和生物學規(guī)律。2.狹義的分子生物學：即分子遺傳學或核酸（基因）的分子生物學

研究基因的概念、結(jié)構(gòu)、復(fù)制、表達、調(diào)控、遺傳、突變及交換的分子基礎(chǔ)。一、分子生物學及分子遺傳學的含義7結(jié)構(gòu)生物學基因分子生物學生物技術(shù)理論與應(yīng)用3.分子生物學研究的三大主要領(lǐng)域生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能生物大分子之間的互作DNA—proteinHormone—receptorEnzyme—substrate.基因的概念基因的結(jié)構(gòu)基因的表達基因的重組基因的交換基因工程細胞工程酶工程發(fā)酵工程蛋白質(zhì)工程狹義的分子生物學81864年MendelGeneticsMolecularGeneticsGenestructureGeneduplicationGeneexpressionGenerecombinationGenemutation

4.2分子生物學發(fā)展的三大支撐學科之二遺傳因子假說Genetics10111214AGAATTTTCTAACTAAAAGTTCATAAGACAAACCCAAACATTGTCATGTTTCTCGGTTCTTTCTTACAACCCAAGCTGACCCTTAACATCATCGAAGAGTCCCCCCCACCGAAAGCCCTCCCCTCTGCTCTTAAAGTCCCCTTCATTCCATTACAAAAATGTCCGAACTCTGATATCCCTTCACTTATCTTTCCACCACCACAATTCCACCAGTTCCAAGCTTCTTTTCAAACAACAAAACCCCACATGTCTTCCTTTTCGGTCCGTTTCTTTGCTCCACAACAGCCGTTACTGCCGTCCACAGCTTCCTCTTTCAAGCCCAAAACATGGGTTATGGCAGCTCCCACGACGGCGCCAGCGACTTCGGTGGATGTCGACGGGCAGAGGTTGGAACCCCGAGTTGAAGAACGAGAGGGGTACTTCGTGTTGAAAGAGAAGTTCAGAGATGGCATCAACCCTCAAGAGAAAATAAAGATCGAGAAAGACCCTTTGAAGCTTTTCATGGAAGCTGGGATTGATGAACTCGCTAAGATGTCGTTCGAGGATATTGATAAAGCTAAGGCTACAAAGGACGACATTGATGTTAGACTTAAATGGCTCGGCTTGTTCCATAGGAGAAAACATCAATATGGGAGATTTATGATGAGATTAAAACTACCAAATGGTGTAACAACAAGTGCACAAACACGGTACTTAGCCAGTGTGATAAGGAAATACGGCAAAGAAGGGTGTGCAGATGTTACGACAAGGCAAAACTGGCAAATCCGTGGAGTGGTGTTGCCTGATGTGCCTGAAATACTTAAGGGTCTCGACGAAGTAGGCTTGACGAGCCTACAGAGTGGCATGGACAATGTGAGGAACCCTGTTGGTAATCCTCTTGCCGGCATCGACCCCGAAGAGATTGTCGATACTCGACCTTATACCAACTTGTTATCTCAGTTCATCACCGCCAATTCCCGCGGCAATCCGGCTTTTGCCAACTTGCCTAGGAAATGGAATGTCTGTGTCGTGGGGTCTCATGATCTTTACGAACATCCCCATATCAATGATCTCGCTTATATGCCGGCGACGAAAAACGGACGATTTGGGTTTAATTTGCTGGTTGGTGGGTTCTTTAGTGCCAAGAGATGTGATGAGGCCATTCCTCTTGATGCTTGGGTCTCAGCTGATGATGTGATTCCATTGTGCAAAGCTGTGTTAGAAGCCTATAGGGATCTTGGATACAGGGGCAATAGGCAAAAGACTAGAATGATGTGGCTGATTGATGAACTGGGTATTGAAGTGTTCAGATCAGAAGTAGCCAAAAGAATGCCTCAGAAAGAGTTGGAGAGAGCATCTGATGAAGATTTGGTTCAAAAGCAATGGGAAAGGAGAGACTACCTTGGTGTCCATCCGCAAAAGCAAGAAGGTTTCAGCTACATCGGCATTCACATCCCAGTCGGTCGAGTCCAAGCCGACGACATGGACGAACTAGCCCGGTTAGCCGACACGTATGGCTCGGGCGAATTCAGACTCACTGTGGAGCAAAACATCATAATCCCCAACGTTGAGAACTCGAAACTAGAAGCATTACTAAACGAGCCTCTATTGAAAGACCGGTTTTCACCCCAACCAAGTATTCTCATGAAAGGGCTAGTAGCTTGTACTGGTAACCAGTTTTGCGGACAAGCCATTATTGAAACAAAAGCTAGAGCCTTGAAGGTGACGGAAGAGGTTGAAAGGCTAGTGTCGGTGAGCCGGCCGGTGAGGATGCATTGGACCGGTTGCCCCAACACGTGTGGTCAAGTCCAAGTGGCGGATATAGGTTTCATGGGGTGCATGGCAAGGGATGAGAATGGGAAACCATGTGAAGGGGCAGACATATTTTTGGGAGGGAGAATTGGGAGTGACTCCCATTTAGGAGAGCTTTATAAGAAGGGTGTCCCTTGTAAGAACTTGGTACCTGTAGTTGCTGACATTTTGGTGGAACCCTTTGGAGCTGTCCCTAGGCAAAGGGAAGAAGGGGAAGATTGATTCAAAATCAACTTCATTTCATTCCATTACTTTTATATTTGTTTTATTTTTTTTTTTTAATAACCAAGAAAAA1517BiochemistryNucleicAcidChemistryProteinChemistry(1936年Sumner)4.3分子生物學發(fā)展的三大支撐學科之三Enzyme→ProteinBiochemistry18(一)分子遺傳學的先驅(qū)者及其貢獻(1935~1953)圍繞基因的化學組成和功能兩個重大問題1.遺傳物質(zhì)的化學組成和結(jié)構(gòu)方面1944年Avery肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化試驗首次證明遺傳信息的載體是DNA，而不是蛋白質(zhì)1949年Hotchkiss證明極純的DNA制劑（蛋白質(zhì)含量0.02％）對細菌的轉(zhuǎn)化仍然有效，而且DNA的純度愈高，轉(zhuǎn)化效率也越高二、分子遺傳學發(fā)展簡史19TheAveryexperiment

肺炎球菌有兩種不同的品系：*光滑型（S型）：有莢膜、致病*粗糙型（R型）：無莢膜、不致病20

1952年Hershey和Chase用放射性同位素35S和32P雙標記法標記T2噬菌體，也得出遺傳信息的載體是DNA，而不是蛋白質(zhì)

1950～1953年Chargaff發(fā)現(xiàn)DNA中堿基的等量關(guān)系并提出堿基配對原則，對以后DNA空間結(jié)構(gòu)模型的確立具有很大的啟發(fā)作用211952A.DHershey和M.Chase

噬菌體感染實驗32P標記DNA,感染后放射標記進入大腸桿菌細胞35S標記外殼蛋白質(zhì),感染后放射標記不進入大腸桿菌細胞22對基因控制蛋白質(zhì)的合成有很大啟發(fā)，促進了基因和蛋白質(zhì)線性對應(yīng)關(guān)系的研究，從而促進了遺傳密碼的破譯以及遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄和翻譯決定蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)過程的研究。24（二）分子遺傳學的誕生和確立（1953～1970）1953年Watson和CrickX射線的衍射結(jié)合Chargaff的堿基配對原則標志分子遺傳學的誕生發(fā)現(xiàn)了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)提出了半保留復(fù)制的設(shè)想25豐富了人們對基因結(jié)構(gòu)和功能的多樣性的認識，誕生了一個嶄新的應(yīng)用領(lǐng)域－－遺傳工程對基因的本質(zhì)、基因的非孟德爾遺傳、基因的相互影響和基因的表達過程、基因復(fù)制形式的多樣性有了更全面而深入的了解（三）分子遺傳學的充實和發(fā)展（1968年～至今）DNA的半不連續(xù)復(fù)制；反轉(zhuǎn)錄和反轉(zhuǎn)錄酶的發(fā)現(xiàn)；左旋DNA（Z-DNA）和突變熱點(hotspot)；基因重疊現(xiàn)象；重復(fù)序列和插入序列；轉(zhuǎn)錄后和翻譯后的加工；致癌基因和抑癌基因；新的遺傳密碼；跳躍基因；核酶的發(fā)現(xiàn)(Ribozyme)……27（四）分子遺傳學發(fā)展的方向1.真核生物的分子遺傳學正在蓬勃發(fā)展遺傳物質(zhì)的驗證;遺傳密碼、mRNA、核糖體和tRNA的發(fā)現(xiàn)；基因轉(zhuǎn)錄和翻譯過程的闡明；基因表達調(diào)控機制的探索等原核生物細菌和噬菌體真核生物人類基因組作圖和測序計劃(HGP)（HumanGenomeProject1989年美國）水稻基因組作圖和測序計劃(RGP)（RiceGenomeProject1992年中國）28基因組(genome)：1920年德國遺傳學家H.Winkler將gene和chromosome兩個詞縮合而創(chuàng)造的一個新詞，指染色體上的全部基因隨著分子生物學的發(fā)展，其含義擴展為在個體水平代表一個個體所有遺傳性狀的總和；在細胞水平代表一個細胞所有不同染色體（單倍體）的總和；在分子水平代表一個物種所有DNA分子的總和29基因組學(genomics)是發(fā)展和應(yīng)用DNA制圖、測序新技術(shù)以及計算機程序，分析生命體（包括人類）全部基因組結(jié)構(gòu)及功能的科學30基因組學包括3個不同的亞領(lǐng)域：結(jié)構(gòu)基因組學(structuralgenomics)功能基因組學(functionalgenomics)比較基因組學(comparativegenomics)基因組學31序列圖譜物理圖譜遺傳圖譜基因圖譜“人類基因組計劃”(HGP)含義：闡明30億個堿基對的序列；發(fā)現(xiàn)所有人類基因；搞清其在染色體上的位置；破譯人類全部遺傳信息；32HGP主要任務(wù)及內(nèi)容33人類基因組計劃發(fā)展史1989年美國成立“國家人類基因組研究中心”。DNA分子雙螺旋模型提出者J.Waston出任第一任主任1990年10月美國國會批準美國的“人類基因組計劃”于10月1日正式啟動，預(yù)計需耗資30億美元，在2005年完成。被譽為生命科學“阿波羅登月計劃”、曼哈頓“原子彈計劃”341992年人類基因組低分辨率遺傳連鎖圖構(gòu)建完成1995年

人類第3，11，12，和22染色體中等分辨率物理圖，第16，和19染色體高分辨率物理圖構(gòu)建完成1996年含有30000多STS標記位點的整個人類基因組物理圖構(gòu)建完成1997年人類基因組大規(guī)模測序開始；第7和X染色體高分辨率物理圖構(gòu)建完成35

1998年5月

Celera遺傳公司成立，目標是投入3億美元，到2001年繪制出完整的人體基因圖譜，與國際人類基因組計劃展開競爭1998年12月小線蟲完整基因組序列的測定工作宣告完成，這是科學家第一次繪出多細胞動物的基因組圖譜

1999年9月中國獲準加入HGP，負責測定1％，即3號染色體上的3000萬個堿基對。中國是繼美、英、日、德、法之后第6個國際人類基因組計劃參與國，也是唯一發(fā)展中國家361999年12月1日

國際HGP聯(lián)合研究小組宣布，完整破譯出人體第22對染色體的遺傳密碼2000年3月14日

美國總統(tǒng)克林頓和英國首相布萊爾發(fā)表聯(lián)合聲明，呼吁將人類基因組研究成果公開，以便世界各國的科學家都能自由地使用這些成果2000年4月底

中國科學家完成了1％人類基因組的工作框架圖2000年5月8日

德、日等國科學家宣布，已基本完成了人體第21對染色體的測序工作372000年6月26日各國科學家公布了人類基因組工作草圖，標志著人類在解讀自身“生命之書”的路上邁出了重要一步2000.6.26克林頓宣布人類基因組草圖繪制完成382000年12月14日美英等國科學家宣布繪出擬南芥基因組的完整圖譜，這是人類首次全部破譯出一種植物的基因序列392001年2月12日中、美、日、德、法、英等6國科學家和美國Celera公司聯(lián)合公布人類基因組圖譜及初步分析結(jié)果2003年4月14日美國聯(lián)邦國家人類基因組研究項目負責人弗朗西斯·柯林斯博士在華盛頓隆重宣布，人類基因組序列圖繪制成功，人類基因組計劃的所有目標全部實現(xiàn)。由美、英、日、法、德和中國科學家經(jīng)過13年努力共同繪制完成了人類基因組序列圖，在人類揭示生命奧秘、認識自我的漫漫長路上又邁出了重要的一步。40人類基因組草圖基本信息由31.65億bp組成含3-3.5萬基因與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的基因占2%人類基因組人類蛋白質(zhì)61%與果蠅同源43%與線蟲同源46%與酵母同源41人類基因組研究成果表明基因數(shù)量少得驚人人類基因組中存在“熱點”和大片“荒漠”1/3為“垃圾”DNA種族歧視毫無根據(jù)男性基因突變比例更高42人類基因組序列測完后

（“后基因組時代”）的工作分析所有基因及其編碼產(chǎn)物（主要是蛋白質(zhì)）是如何單獨和共同在生命過程中發(fā)揮作用的在目前階段研究蛋白比研究基因難得多，而成千上萬的結(jié)構(gòu)和功能都復(fù)雜多樣的蛋白分子才是生命過程的最后執(zhí)行者現(xiàn)在還沒有有效的研究手段去揭示蛋白分子在生物體內(nèi)究竟完成什么功能、又是通過何種機制去完成其生物功能等43RiceGenomesequencing1997JapanUSAChinaTaiwanKoreaIndiaFrance1,2,

4,6,7,8,944RiceGenomesequencinginChina

《Science》雜志用封面和前14頁的版面刊登中國科學家關(guān)于水稻基因組研究的結(jié)果

經(jīng)過一年多的艱苦努力，中國科學家完成了秈稻基因組測序，與此同時瑞士Syngenta公司也完成了粳稻基因組測序。2002年4月5日國際自然科學權(quán)威性雜志《Science

》同時發(fā)表了這兩種水稻基因組測序結(jié)果。45中科院遺傳發(fā)育所、生物物理所、基因組中心、計算所、理論物理所及中國雜交水稻中心等12個機構(gòu)百余位科學家的論文"Adrartsequenceofthericegenome(OryzasativaL.sspindica)"2002年在《SCIENCE》雜志296（556）：79～92發(fā)表之后，在國際學術(shù)界產(chǎn)生較大影響。至2004年9月，該論文已被國際同行在139種國際期刊上引用432次，高居1998～2002年發(fā)表的論文累計被引用次數(shù)最多的前10篇論文之首?！端?秈稻)基因組的工作框架序列圖》國際影響高

46完成的框架圖覆蓋整個秈稻基因組92%，草圖顯示：秈稻基因組共包466x106個堿基對，基因數(shù)目在4.6-5.6萬個，約是人類基因組基因數(shù)目的2倍，并已基本確定了其中一萬多個基因的功能打破了過去公眾潛意識中存在的“生命越高級，基因數(shù)越多”的認識誤區(qū)。美國華盛頓大學的王剛博士說：“當我們津津樂道于人類自己基因組的優(yōu)越時，但至少在基因數(shù)目上已輸給了養(yǎng)活人類的水稻”秈稻基因組約70%以上的基因出現(xiàn)重復(fù)。較小基因的大量重復(fù)，可能是植物適應(yīng)性進化所需蛋白質(zhì)多樣性的原因，這也許可以解釋水稻基因為何這么多Accomplishment47《家蠶基因組框架圖》在《Science》上發(fā)表48Nature457,551-556(29January2009)|doi:10.1038/nature07723;TheSorghumbicolorgenomeandthediversificationofgrasses1PlantGenomeMappingLaboratory,UniversityofGeorgia,Athens,Georgia30602,USA2WaksmanInstituteforMicrobiology,RutgersUniversity,Piscataway,NewJersey08854,USA3DOEJointGenomeInstitute,WalnutCreek,California94598,USA4StanfordHumanGenomeCenter,StanfordUniversity,PaloAlto,California94304,USA5MIPS/IBIS,HelmholtzZentrumMünchen,InglostaedterLandstrasse1,85764Neuherberg,Germany6CenterforIntegrativeGenomics,UniversityofCalifornia,Berkeley,California94720,USA7CollegeofSciences,HebeiPolytechnicUniversity,Tangshan,Hebei063000,China49ThedraftgenomeofadiploidcottonGossypiumraimondiiKunboWang1,6,ZhiwenWang2,6,FuguangLi1,6,WuweiYe1,6,JunyiWang2,6,GuoliSong1,6,ZhenYue2,LinCong2,HaihongShang1,ShilinZhu2,ChangsongZou1,QinLi3,YouluYuan1,CairuiLu1,HenglingWei1,CaiyunGou2,ZequnZheng2,YeYin2,XueyanZhang1,KunLiu1,BoWang2,ChiSong2,NanShi2,RussellJKohel4,RichardGPercy4,JohnZYu4,Yu-XianZhu3,JunWang2,5&ShuxunYu1Received11January;accepted5July;publishedonline26August2012;doi:10.1038/ng.2371NaturegeneticsIF3450◆第一代DNA測序技術(shù)第一代測序技術(shù)是雙脫氧鏈末端終止法——根據(jù)核苷酸在某一固定的點開始，隨機在某一個特定的堿基處終止，產(chǎn)生A，T，C，G四組不同長度的一系列核苷酸，然后在尿素變性的PAGE膠上電泳進行檢測，從而獲得DNA序列。在每一輪測序反應(yīng)的引物延伸步驟中，會隨機引入已被四種不同顏色熒光分別標記的ddNTP（ddATP、ddTTP、ddGTP、ddCTP）以終止延伸反應(yīng)。這樣就形成了大量末端被熒光標記的、長短不一（終止位點不同）的延伸產(chǎn)物。接著，再用高分辨率的毛細管凝膠電泳分離這些延伸產(chǎn)物，通過對延伸產(chǎn)物末端四種不同熒光顏色的區(qū)分，計算機軟件會自動“讀出”DNA序列。51第二代測序技術(shù)：第二代測序技術(shù)是焦磷酸測序法——由4種酶催化的同一反應(yīng)體系中的酶級聯(lián)化學發(fā)光反應(yīng)，適于對已知的短序列的測序分析。是邊合成邊測序。在Sanger等測序方法的基礎(chǔ)上，通過技術(shù)創(chuàng)新，用不同顏色的熒光標記四種不同的dNTP，當DNA聚合酶合成互補鏈時，每添加一種dNTP就會釋放出不同的熒光，根據(jù)捕捉的熒光信號并經(jīng)過特定的計算機軟件處理，從而獲得待測DNA的序列信息。52第三代測序技術(shù)：第三代測序技術(shù)則是基于納米孔的單分子讀取技術(shù)，基本原理是新型納米孔測序法（nanoporesequencing），它采用電泳技術(shù)，借助電泳驅(qū)動單個分子逐一通過納米孔來實現(xiàn)測序的。由于納米孔的直徑非常細小，僅允許單個核酸聚合物通過，因而可以在此基礎(chǔ)上使用多種方法來進行高通量檢測。此外，納米級別的孔徑保證了檢測具有良好的持續(xù)性，所以測序的準確度非常高。對于長達1,000個堿基的單鏈DNA分子、RNA分子或者更短的核酸分子而言，根本無需進行擴增或標記就可以使用納米孔測序法進行檢測，這使得便宜、快速地進行DNA測序成為可能。532.從比較簡單的代謝作用和途徑的分子遺傳學研究,逐漸轉(zhuǎn)向復(fù)雜的個體發(fā)育的分子遺傳學研究個體發(fā)育和細胞分化過程中一般不發(fā)生基因型的變化，變化的是不同基因的表達目前，積極探討個體發(fā)生和細胞分化的動態(tài)過程中基因表達調(diào)控問題《真核基因表達調(diào)控》沈栩非，方福德1994TranscriptionalRegulationinEukaryotes:Concepts,Strategies,andTechniques清華大學出版社，冷泉港實驗室出版社543.遺傳工程的興起基因工程是在分子遺傳學的理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，使人類可以直接從DNA分子入手改良生物、創(chuàng)造新物種、生產(chǎn)各種貴重的生物制品、治療疾病、消除環(huán)境污染等如：轉(zhuǎn)基因抗蟲棉；利用反義RNA技術(shù)延長水果、蔬菜的保鮮期改變花卉顏色等；55近半個世紀以來（19世紀50年代)分子生物學中重大突破與成就者

NobelPrize生物學發(fā)展的里程碑與主要內(nèi)容1958JoshuaLederberg(33y)PhagetransductionBeadle&TatumOnegene--oneenzyme有關(guān)基因重組和細菌遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)三、分子生物學家獲得Nobel獎情況56RichphosphatebondsofATPEnergy195941yDNAreplicationIsolationDNApolymeraseI實現(xiàn)了DNA分子在細菌細胞和試管內(nèi)的復(fù)制54y57JamesWatson(34y)FrancisCrick(46y)MauriceWilkins(46y)DNADoubleHelixmodel1962

FrancisCrick(1916-2004)58FrancoisJacob(44y)JacquesMonod(55y)(French)Lac.OperonTheory提出并證實了operon作為調(diào)節(jié)細菌代謝的分子機制1965591968R.HolleyH.G.KhoranaM.Nirenberg

PakistanH.GobindKhorana(46y)第一個合成了核酸分子并且人工復(fù)制了酵母基因MarshallNirenberg(41y)破譯遺傳密碼RobertHolley(46y)闡明了酵母丙氨酸t(yī)RNA的核苷酸序列，并證實所有tRNA結(jié)構(gòu)上的相似性6061發(fā)現(xiàn)Reversetranscription62WalterGilbert(48y)蛋白質(zhì)合成的機制乳糖操縱子阻遏蛋白的分離1980FredenickSangerDNA雙脫氧測序法

λDNA+SV40（simianvirus40)→

重組DNAPaulBerg631983.BarbaraMcClintock(86y)transposableelememt跳躍基因、轉(zhuǎn)座子、轉(zhuǎn)位因子64

Altman&Cech→Ribozyme（核酶）Roberts&Sharp→Splittinggene（斷裂基因）Mullis&Smith→PCRtechnique&genemutationinlocus1997年StanleyB.Prusiner發(fā)現(xiàn)朊病毒是作為老年癡呆癥等疾病的病原并能在寄主細胞中繁殖傳播1998年Furchgott,Ignarro&Murad發(fā)現(xiàn)了NO作為信號分子的作用機制1999年Blobel闡述了蛋白質(zhì)在細胞間