2h-緒論真核與基因組

分子生物學-緒論李冬民Email：西安交通大學醫(yī)學部基礎(chǔ)醫(yī)學院生物化學與分子生物學系廣義：以核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子的結(jié)構(gòu)及其在遺傳信息和細胞信息傳遞中的作用為研究對象，從分子水平闡明生命現(xiàn)象和生物學規(guī)律。狹義：偏重于核酸（基因）的分子生物學，主要研究基因或DNA的復制、轉(zhuǎn)錄、表達和調(diào)控等過程，也涉及與這些過程相關(guān)的蛋白質(zhì)和酶的結(jié)構(gòu)與功能的研究。一、分子生物學的定義二、分子生物學發(fā)展歷史1、分子生物學誕生的準備和醞釀階段

19世紀后期至20世紀50年代，是分子生物學誕生的準備和醞釀階段，這一時期產(chǎn)生了對生命本質(zhì)的兩點認識上的重大突破。

①確定了蛋白質(zhì)是生命的主要基礎(chǔ)物質(zhì)。

19世紀末Buchner兄弟證明了酵母細胞提取液能使糖發(fā)酵產(chǎn)生酒精，第一次提出了酶的名稱，酶是催化劑。20世紀40年代，提純和結(jié)晶了一些酶如：尿素酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶等，通過X射線衍射技術(shù)，從而證明了酶是蛋白質(zhì)。隨后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)生命的許多現(xiàn)象都與酶和蛋白質(zhì)相聯(lián)系。

②確定了生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)是DNA1868年F.米歇爾發(fā)現(xiàn)了核素；

20世紀20-30年代確認了自然界有DNA和RNA兩類核酸，并闡明了核苷酸組成；

1944年Avery通過肺炎球菌轉(zhuǎn)化實驗證明了DNA是遺傳物質(zhì)；

1952年Hershey等人用同位素示蹤技術(shù)標記T2噬菌體的蛋白質(zhì)和核酸，感染大腸桿菌的實驗進一步證明了DNA是遺傳物質(zhì)；光滑型（S）的肺炎雙球菌多糖莢膜患敗血癥而死亡粗糙型（R）的肺炎雙球菌噬菌體的結(jié)構(gòu)Proteincoat

DNA噬菌體標記實驗2、現(xiàn)代分子生物學建立

1953年Watson和Crick提出的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型是現(xiàn)代分子生物學誕生的里程碑，開創(chuàng)了分子遺傳學基本理論建立和發(fā)展的黃金時期；

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)（DoubleHelixModel）1953年Watson和Crick（英）遺傳信息傳遞的中心法則（CentralDogma）DNARNA轉(zhuǎn)錄蛋白質(zhì)翻譯復制Crick（英）1954年2、現(xiàn)代分子生物學建立1956年發(fā)現(xiàn)DNA聚合酶；1958年用同位素標記和超速離心實驗為DNA半保留復制模型提供證據(jù)；1968年岡畸提出不連續(xù)復制模型；1972年證實了DNA復制開始需要RNA作為引物，從而逐步完善了對DNA復制機理認識。同時先后發(fā)現(xiàn)依賴于DNA的RNA聚合酶及RNA-DNA雜交實驗證明了mRNA與DNA序列互補，逐步闡明RNA轉(zhuǎn)錄合成的機理。與此同時認識到蛋白質(zhì)是接受RNA遺傳信息而合成。1950年代發(fā)現(xiàn)微粒體是蛋白質(zhì)合成場所；1957年首先分離出tRNA，并提出了其在蛋白質(zhì)合成中轉(zhuǎn)運氨基酸功能的假說；

1961年觀察到蛋白質(zhì)合成過程中mRNA與核糖體結(jié)合；同期科學工作者還破譯了合成蛋白質(zhì)的遺傳密碼，并在隨后研究發(fā)現(xiàn)遺傳密碼具有通用性，從而認識了蛋白質(zhì)翻譯合成的基本過程。通過上述重要發(fā)現(xiàn)，共同建立了以“中心法則”為基礎(chǔ)的遺傳學基本理論體系。1970年代發(fā)現(xiàn)以RNA為模板合成DNA的反轉(zhuǎn)錄酶，進一步補充和完善了“中心法則”。遺傳信息傳遞的中心法則（CentralDogma）DNARNA轉(zhuǎn)錄蛋白質(zhì)翻譯復制Crick（英）1954年反轉(zhuǎn)錄3、20世紀70年代以來分子生物學飛速發(fā)展①、逆轉(zhuǎn)錄酶的發(fā)現(xiàn)；②、一些工具酶的先后發(fā)現(xiàn)；③、斷裂基因的發(fā)現(xiàn)；④、DNA測序方法建立；⑤、核酶的發(fā)現(xiàn)；⑥、PCR技術(shù)建立；⑦、基因的上游調(diào)控序列發(fā)現(xiàn)；⑧、顯微注射技術(shù)運用；⑨、基因重組技術(shù)發(fā)展、基因治療技術(shù)發(fā)展；⑩、人類基因組計劃實施分子生物學：從分子水平理解生命活動生物化學：從化學組成角度來理解生物大分子和生物代謝。細胞生物學：從細胞水平理解生命活動遺傳學：從遺傳角度理解生命活動普通生物學（動物&植物）&微生物學：不同生物類型的特點。生物物理學：從物理學角度理解生物大分子結(jié)構(gòu)和功能。三、分子生物學與其他學科的關(guān)系分子生物學是生物化學、生物物理學、遺傳學、微生物學、細胞生物學等多學科相互滲透、綜合融會而產(chǎn)生并發(fā)展起來的。生命活動的一致性，是生物學范圍內(nèi)所有學科在分子水平上的統(tǒng)一。分子結(jié)構(gòu)生物學分子發(fā)育生物學分子神經(jīng)生物學分子育種學分子腫瘤學分子細胞生物學分子免疫學分子病毒學分子生理學分子考古學分子數(shù)量遺傳學分子生態(tài)學分子進化學…………….分子生物學的延伸分子生物學已經(jīng)滲透到生物學的幾乎所有領(lǐng)域分子生物學已經(jīng)成為生命科學領(lǐng)域的前沿學科四、分子生物學的研究內(nèi)容生物大分子結(jié)構(gòu)和功能的研究（又稱結(jié)構(gòu)分子生物學）：結(jié)構(gòu)分子生物學就是研究生物大分子（蛋白質(zhì)和核酸）的空間結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)變化與其生物學功能之間關(guān)系的學科?；虮磉_及調(diào)控的研究DNA重組技術(shù)：又稱基因工程，是指將目的基因轉(zhuǎn)入宿主細胞，使其能夠在宿主細胞中穩(wěn)定遺傳?；蚪M學、轉(zhuǎn)錄物組學以及蛋白質(zhì)組學的研究。五、醫(yī)學分子生物學

醫(yī)學分子生物學是分子生物學的一個重要分支，它是一門新興交叉學科，是從分子水平研究人體和疾病相關(guān)生物在正常和疾病狀態(tài)下生命活動及其規(guī)律；從分子水平開展人類疾病的預防、診斷和治療研究的科學。醫(yī)學分子生物學研究內(nèi)容：1、研究人體發(fā)育、分化和衰老的分子生物學基礎(chǔ)2、細胞增殖調(diào)控的分子基礎(chǔ)3、人體三大調(diào)控系統(tǒng)（神經(jīng)、內(nèi)分泌、免疫）的

分子生物學基礎(chǔ)4、基因的結(jié)構(gòu)異?；蛘{(diào)控異常與疾病發(fā)生發(fā)展之

間關(guān)系5、應用分子生物學理論和技術(shù)體系開展疾病的基

因診斷和基因治療、生物制藥及衛(wèi)生防疫。第13章：真核基因與基因組2h第18章：基因表達調(diào)控4h第20章：常用分子生物學技術(shù)4h第21章：DNA重組及重組DNA技術(shù)4h第22章：基因結(jié)構(gòu)與功能分析2h第23章：癌基因、腫瘤抑制基因與生長因子2h第24章：疾病相關(guān)基因的鑒定與功能2h第25章：基因診斷與基因治療2h生物化學與分子生物學講授內(nèi)容預習+復習，理解記憶；加強實踐，增加感性認識和學習興趣；基本的專業(yè)詞匯（英文）要求掌握；閱讀英文文獻。學習方法及要求真核基因與基因組

第十三章EukaryoteGeneandGenome基因概念的發(fā)展：經(jīng)典遺傳學階段：1865年Mendel的“遺傳因子”學說為基因概念的提出了基礎(chǔ)1900年，Veris，Tschermak和Correns重新證實Mendel工作1903年Sutton和Boveri分別注意到Mendel的“遺傳因子”行為與生殖細胞形成和受精過程中的染色體為完全平行，于是兩人分別提出遺傳因子就在染色體上；1909年Johannsen將遺傳因子改稱為基因，并提出基因型和表現(xiàn)型的概念?；蚋拍畹陌l(fā)展：經(jīng)典遺傳學階段：1910年，摩爾根等在果蠅、以及埃默森等在玉米工作中證明基因在染色體上呈直線排列。這樣就形成了一套經(jīng)典的遺傳學理論體系，以遺傳的染色體學說為核心的基因論。Morgan及他的學生的著作《基因論》；“三位一體學說”：功能單位,突變單位,重組單位。1941年Beadle,G.w.等人對紅色鏈孢霉進行了大量研究，提出一個基因一個酶的觀點基因概念的發(fā)展：分子遺傳學階段：基因的化學本質(zhì)主要是DNA，有時是RNA：1944年艾佛里與格里菲斯通過肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實驗，首次證明了基因的本質(zhì)--DNA是遺傳物質(zhì)。1956年，康蘭特煙草花葉病毒的研究中，證明了在不具有DNA的病毒中，RNA是遺傳物質(zhì)。基因不是最小的遺傳單位，基因是可分的：1955年,Benzer,S.用大腸桿菌T4噬菌體為材料,分析了基因的精細結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了基因內(nèi)部還存在著可分的精細結(jié)構(gòu)，從而提出了提出了順反子、突變子和重組子的概念。發(fā)展為“一個基因一種多肽鏈”的假說；3.基因概念的現(xiàn)代發(fā)展：20世紀70年代,DNA體外重組技術(shù)和基因工程技術(shù)成熟,人們對基因的結(jié)構(gòu)和功能上的特征有了更多的認識,涌現(xiàn)出斷裂基因、重疊基因、假基因、跳躍基因等基因的多元概念（見表）。除了某些以RNA為基因組的RNA病毒外，基因通常是指染色體或基因組的一段DNA序列?；虬ň幋a序列（外顯子）、調(diào)控序列和間隔序列（內(nèi)含子）?；颍╣ene）：編碼蛋白質(zhì)或RNA等具有特定功能產(chǎn)物的、負載遺傳信息的基本單位?；蚪M（genome）：一個生物體內(nèi)所有遺傳信息的總和。人類基因組包含了細胞核染色體DNA（常染色體和性染色體）及線粒體DNA所攜帶的所有遺傳物質(zhì)。真核基因的結(jié)構(gòu)與功能

第一節(jié)TheStructureandFunctionofEukaryoteGene利用堿基的不同排列荷載遺傳信息。通過復制將遺傳信息穩(wěn)定、忠實地遺傳給子代細胞，在這一過程中為適應環(huán)境變化，可能會發(fā)生基因突變。作為基因表達（geneexpression）的模板，使其所攜帶的遺傳信息通過各種RNA和蛋白質(zhì)在細胞內(nèi)有序合成而表現(xiàn)出來。

基因的功能

與基因功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)編碼區(qū)序列（codingregionsequence

）非編碼序列（non-codingsequence）基因表達需要的調(diào)控區(qū)（regulatoryregion）序列，包括啟動子（promoter）、增強子（enhancer）等。在細胞內(nèi)表達為蛋白質(zhì)或功能RNA的DNA序列。單個基因的組成結(jié)構(gòu)及一個完整的生物體內(nèi)基因的組織排列方式統(tǒng)稱為基因組構(gòu)（geneorganization）。

與基因功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)一、真核基因的基本結(jié)構(gòu)編碼蛋白質(zhì)或RNA的編碼序列。非編碼序列，包括編碼區(qū)兩側(cè)的調(diào)控序列和編碼序列間的間隔序列。真核基因結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)錄起始點TATA盒CAAT盒GC盒增強子AATAAA剪接加尾轉(zhuǎn)錄終止點修飾點外顯子翻譯起始點內(nèi)含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚體+1結(jié)構(gòu)基因啟動子順式作用元件順式作用元件：指可影響自身基因表達活性的DNA序列。真核基因結(jié)構(gòu)內(nèi)含子的發(fā)現(xiàn)1977年美國的Sharp和Roberts兩組科學家別同時發(fā)現(xiàn)了斷裂基因(splitgene)1978年Gilbort創(chuàng)用了內(nèi)含子(intron)和外顯子(exon)

兩個名詞，內(nèi)含子是指在成熟的mRNA中不出現(xiàn)的序列，Exon是指在成熟的mRNA中出現(xiàn)的序列。腺病毒外殼蛋白基因的結(jié)構(gòu)斷裂基因:有些真核蛋白質(zhì)編碼基因的核苷酸序列中間插有與氨基酸編碼無關(guān)的DNA間隔區(qū)，使一個基因分隔成不連續(xù)的若干區(qū)段，我們稱這種編碼序列不連續(xù)的基因為斷裂基因。內(nèi)含子是相對的，一個基因的內(nèi)含子可能是另一個基因的外顯子(如大鼠的肌鈣蛋白基因）。內(nèi)含子的相對性真核基因結(jié)構(gòu)不連續(xù)，為斷裂基因（splitgene）外顯子（exon）；在基因序列中，出現(xiàn)在成熟mRNA分子上的序列。內(nèi)含子（intron）：外顯子之間、與mRNA剪接過程中被刪除部分相對應的間隔序列。真核生物絕大部分編碼蛋白質(zhì)的基因都有內(nèi)含子。編碼rRNA和一些tRNA的基因也都有內(nèi)含子。內(nèi)含子的數(shù)量和大小決定了真核基因的大小。不同種屬中，外顯子序列通常比較保守，而內(nèi)含子序列則變異較大。外顯子與內(nèi)含子接頭處有一段高度保守的序列，即內(nèi)含子5’末端大多數(shù)以GT開始，3’端大多數(shù)以AG結(jié)束，這一共有序列（consensussequence）是真核基因中RNA剪接的識別信號?；虻?端稱之為上游，3端稱為下游基因序列中開始RNA鏈合成的第一個核苷酸所對應的堿基記為+1，此堿基上游的序列記為負數(shù)，下游的序列記為正數(shù)。二、基因編碼區(qū)編碼多肽鏈和特定的RNA分子基因編碼區(qū)中的DNA堿基序列決定特定的成熟RNA分子的序列，即DNA的一級結(jié)構(gòu)決定著其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA分子的一級結(jié)構(gòu)?；虻木幋a序列決定其編碼產(chǎn)物的序列和功能。編碼序列中一個堿基的改變或突變，可能使基因功能發(fā)生重要的變化。相同的DNA序列因起始位點的變化或不同的剪接方式而編碼不同的蛋白質(zhì)多肽鏈。鐮刀形紅細胞貧血癥大鼠降鈣素基因轉(zhuǎn)錄本的可變剪接APOB基因的mRNA在肝和腸黏膜編碼不同多肽鏈三、調(diào)控序列參與真核基因表達調(diào)控位于基因轉(zhuǎn)錄區(qū)前后，對基因表達起調(diào)控作用的區(qū)域，因其是緊鄰的DNA序列，又稱旁側(cè)序列（flankingsequence）?；虻恼{(diào)控區(qū)（順式作用元件,Cis-actingsequence）轉(zhuǎn)錄起始點TATA盒CAAT盒GC盒增強子AATAAA剪接加尾轉(zhuǎn)錄終止點修飾點外顯子翻譯起始點內(nèi)含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚體+1結(jié)構(gòu)基因啟動子上游啟動子元件真核基因的一般結(jié)構(gòu)啟動子上游調(diào)控元件增強子沉默子加尾信號細胞信號反應元件順式作用元件1.啟動子提供轉(zhuǎn)錄起始信號啟動子是DNA分子上能夠介導RNA聚合酶結(jié)合并形成轉(zhuǎn)錄起始復合體的序列。多數(shù)啟動子位于真核細胞基因轉(zhuǎn)錄起點的上游，啟動子本身通常不被轉(zhuǎn)錄。少數(shù)啟動子（如編碼tRNA基因的啟動子）位于轉(zhuǎn)錄起始點的下游，這些DNA序列可以被轉(zhuǎn)錄。真核生物有3類啟動子，分別對應于細胞內(nèi)存在的三種不同的RNA聚合酶和相關(guān)蛋白質(zhì)。啟動子類型啟動子構(gòu)成含該類啟動子的基因RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄因子I核糖體起始因子元件（rInr）；上游啟動子元件（UPE）rRNAITFIIITATA盒；幾個上游調(diào)控元件；起始元件mRNA和一些小RNAIITFIIIIIA盒、B盒和C盒；5SRNA、tRNA和U6snRNA等RNA分子的編碼基因；IIITFIII真核生物有3類啟動子，分別對應于細胞內(nèi)存在的三種不同的RNA聚合酶和相關(guān)蛋白質(zhì)。2.增強子增強鄰近基因的轉(zhuǎn)錄增強子是增強真核基因啟動子工作效率的順式作用元件，是真核基因中最重要的調(diào)控序列，決定著每一個基因在細胞內(nèi)的表達水平。能夠在相對于啟動子的任何方向和位置（上游或者下游）上發(fā)揮這種增強作用，大部分位于上游。增強子序列距離所調(diào)控基因距離近者幾十個堿基對，遠的可達幾千個堿基對。通常數(shù)個增強子序列形成一簇。有時增強子序列也可位于內(nèi)含子之中。不同的增強子序列結(jié)合不同的調(diào)節(jié)蛋白。增強子的特點：沉默子（silencer）是抑制基因轉(zhuǎn)錄的特定DNA序列，當其結(jié)合一些反式作用因子時對基因的轉(zhuǎn)錄起阻遏作用，使基因沉默。3.沉默子是負調(diào)節(jié)元件真核基因組的結(jié)構(gòu)與功能

第二節(jié)TheStructureandFunctionofEukaryoteGenome基因組：細胞或生物體的一套完整單倍體遺傳物質(zhì)的總和。一、真核基因組具有獨特的結(jié)構(gòu)基因的編碼序列所占比例遠小于非編碼序列。高等真核生物基因組含有大量的重復序列，真核基因組中存在多基因家族和假基因。大多基因具有可變剪接，80%的可變剪接會使蛋白質(zhì)的序列發(fā)生改變。基因組DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體，儲存于細胞核內(nèi)，除配子細胞外，體細胞的基因組為二倍體。結(jié)構(gòu)特點：二、真核基因組中存在大量重復序列高度重復序列（highlyrepetitivesequence）中度重復序列（moderatelyrepetitivesequence）單拷貝序列（singlecopysequence）或低度重復序列（一）高度重復序列重復頻率可達106以上的短核苷酸重復序列，不編碼蛋白質(zhì)或RNA。20%（1）反向重復序列（invertedrepeatsequence）由兩個相同順序的互補拷貝在同一DNA鏈上反向排列而成，重復單位長度約300bp，多數(shù)散在于基因組中，總長度約占人基因組的5％。1.分類：An

invertedrepeat

(or

IR)isasequenceof

nucleotides

followeddownstreambyits

reversecomplement.

Theinterveningsequenceofnucleotidesbetweentheinitialsequenceandthereversecomplementcanbeanylengthincludingzero.Whentheinterveninglengthiszero,thecompositesequenceisa

palindromicsequence.

The5base-pairsequenceontheleftis"repeated"and"inverted"toformsequenceontheright.

B.兩互補拷貝間無間隔序列如GGTACCCCATGGA.兩互補拷貝間有間隔序列如GGTNNNNACCCCANNNNTGG

電鏡下，兩種形式都呈十字形結(jié)構(gòu)，有間隔的反向重復序列，在十字型結(jié)構(gòu)兩頭形成兩個小環(huán)。作用：常見于基因組的調(diào)控區(qū)內(nèi)，可能與復制和轉(zhuǎn)錄的調(diào)控有關(guān)。存在兩種形式：

主要存在于染色體的著絲粒區(qū)域，重復單位一般由2～10bp組成，成串排列，在人基因組中約占5%～6%。（2）衛(wèi)星DNA（satelliteDNA）參與復制水平的調(diào)節(jié)

存在于DNA復制起點區(qū)的附近，是一些蛋白質(zhì)（包括酶）的結(jié)合位點。參與基因表達的調(diào)控

可以轉(zhuǎn)錄到核內(nèi)不均一RNA分子中，有些反向重復序列可以形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，有助于穩(wěn)定RNA分子。參與染色體配對

如衛(wèi)星DNA成簇樣分布在染色體著絲粒附近，可能與染色體減數(shù)分裂時染色體配對有關(guān)。2.功能：（二）中度重復序列重復106以下的核苷酸序列,大多數(shù)與單拷貝基因間隔排列。1-30%1.短分散重復片段（shortinterspersedrepeatsegment，SINES）平均長度約300bp～500bp，與長度約為1000bp的單拷貝序列間隔排列?？截悢?shù)可達數(shù)十萬。如Alu家族、KpnI家族、Hinf家族。最豐富：平均每6KbDNA就有1個Alu序列；重復達30~50萬次，約占3-6%；每個成員的長度約300bp。每個單位長度中一個限制性內(nèi)切酶Alu的切點（AG↓CT），將其切成長130bp和170bp的兩段。Alu家族僅次于Alu家族的第二大家族，重復序列中含有限制性內(nèi)切酶KpnⅠ的位點呈散在分布，拷貝數(shù)約為3000～4800個KpnI家族以319bp長度的串聯(lián)重復存在于人基因組中重復序列中含有限制性內(nèi)切酶HinfI的位點。Hinf家族2.長分散重復片段（longinterspersedrepeatsegment，SINES）平均長度為3500bp～5000bp，與長度約為13000bp的單拷貝序列間隔排列。3.rRNA基因重復序列屬于中度重復序列各重復單位中的rRNA基因都是相同的。rRNA基因集中成簇存在，這樣的區(qū)域稱為rDNA區(qū)。人類的rRNA基因位于13、14、15、21和22號染色體的核仁組織區(qū)，每個核仁組織區(qū)平均含有50個rRNA基因的重復單位。5SrRNA基因似乎全部位于1號染色體，每個單倍體基因組約有1000個5SrRNA基因。在單倍體基因組中只出現(xiàn)一次或數(shù)次，大多數(shù)為蛋白質(zhì)編碼的基因。（三）單拷貝序列（低度重復序列）三、真核基因組中存在大量的多基因家族與假基因多基因家族是指由某一祖先基因經(jīng)過重復和變異所產(chǎn)生的一組在結(jié)構(gòu)上相似、功能相關(guān)的基因。基因家族成簇地分布在某一條染色體上，同時發(fā)揮作用，合成某些蛋白質(zhì)。如組蛋白基因家族。基因家族的不同成員成簇地