基礎(chǔ)分子生物學(xué)

基礎(chǔ)分子生物學(xué)第1頁/共77頁Abriefhistoryofgenetics.

遺傳簡史1.1Introduction簡介第2頁/共77頁Ageneisacodingunit.基因是編碼單元第3頁/共77頁細(xì)菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)為DNA是遺傳物質(zhì)提供了首要證據(jù).從第一個(gè)菌株抽提DNA,然后加入到第二個(gè)菌株中,能使遺傳特性從一個(gè)細(xì)菌菌株傳到另一個(gè)菌株.

1.2DNAisthegeneticmaterialforbacterium.DNA是細(xì)菌的遺傳物質(zhì)第4頁/共77頁

熱滅活的S型或活的R型細(xì)菌都不能殺死老鼠,但兩者的同時(shí)感染卻能與活的S型細(xì)菌感染一樣,能同樣有效地殺死老鼠.

S型菌的DNA能轉(zhuǎn)化R型菌,使之成為相同的S型.第5頁/共77頁1.3DNAisthegeneticmaterialforvirus.DNA是病毒的遺傳物質(zhì)噬菌體感染實(shí)驗(yàn)證明DNA是病毒的遺傳物質(zhì).當(dāng)噬菌體的DNA和蛋白質(zhì)組分被標(biāo)記上不同的放射性同位素時(shí),僅有DNA被傳遞到感染細(xì)菌所產(chǎn)生的子代噬菌體中.

第6頁/共77頁T2噬菌體的遺傳物質(zhì)是DNA

第7頁/共77頁1.4DNAisthegeneticmaterialforanimalcell.DNA是動(dòng)物細(xì)胞的遺傳物質(zhì)利用DNA可引入新的特性給動(dòng)物細(xì)胞或整個(gè)動(dòng)物.一些病毒的遺傳物質(zhì)是RNA.第8頁/共77頁

外加DNA轉(zhuǎn)染的結(jié)果使真核生物細(xì)胞獲得新的表型第9頁/共77頁1.5Polynucleotidehasasugar-phosphatebackbonewhichconnectsbases.多聚核苷酸鏈含有連接堿基的糖-磷酸骨架核苷包含連接于戊糖1位的嘌呤堿或嘧啶堿.核糖的位置用“

”區(qū)分.DNA和RNA的區(qū)別在于糖的2位基團(tuán)，DNA的這個(gè)基團(tuán)是脫氧核糖(2H),

RNA

則是核糖(2OH).第10頁/共77頁鏈的一個(gè)末端有一個(gè)游離的5端,另一端有一個(gè)游離的3端.DNA含有4種堿基:腺嘌呤(A),鳥嘌呤(G),胞嘧啶(C),胸腺嘧啶(T).RNA中則是尿嘧啶(U)代替了胸腺嘧啶.第11頁/共77頁在一系列由53核糖磷酸連接而成的骨架上,堿基從糖環(huán)突出,這樣便形成了一條多核苷酸鏈.

第12頁/共77頁1.6DNAisadoublehelix.DNA是雙鏈螺旋B型DNA是由兩條方向相反的平行多聚核苷酸鏈組成的雙螺旋.每條鏈的堿基是扁平的嘌呤或嘧啶環(huán),面向內(nèi)部,通過氫鍵和另一堿基配對(duì),它們僅形成AT或GC對(duì).雙螺旋的直徑是20A,每34A

為一整圈,每一圈含有10個(gè)堿基對(duì).雙螺旋形成一大(寬)溝和一小(窄)溝.第13頁/共77頁雙螺旋保持恒定的寬度,因?yàn)猷堰屎袜奏た偸且曰パa(bǔ)的AT和GC堿基配對(duì).第14頁/共77頁堿基之間的配對(duì)平面與核糖磷酸骨架垂直.

第15頁/共77頁DNA兩條鏈形成雙螺旋.第16頁/共77頁1.7DNAreplicationissemiconservativeDNA的復(fù)制是半保留的Meselson-Stahl實(shí)驗(yàn)使用密度標(biāo)記證明:單一多聚核苷酸鏈?zhǔn)荄NA單位,在復(fù)制過程中,它是保守的.DNA螺旋的每一條鏈可充當(dāng)合成子鏈的模板.子鏈序列根據(jù)堿基互補(bǔ)原則,由分開的親鏈決定.

第17頁/共77頁堿基配對(duì)是DNA復(fù)制的機(jī)制.第18頁/共77頁DNA復(fù)制是半保留的.第19頁/共77頁1.8DNAseparateatreplicationforkDNA在復(fù)制叉處分離DNA的復(fù)制由一組酶復(fù)合物來執(zhí)行,這些酶分子具有分開親鏈和合成子鏈的功能.復(fù)制叉是親鏈分開的點(diǎn).核酸酶降解核酸,包括DNA酶和RNA酶,可分為核酸內(nèi)切酶和核酸外切酶.

第20頁/共77頁復(fù)制叉是指從未解旋的母鏈向新復(fù)制的子鏈過渡的DNA區(qū)域.第21頁/共77頁核酸內(nèi)切酶作用于核酸內(nèi)部的鍵,這個(gè)例子顯示一種作用于DNA一條鏈的酶.第22頁/共77頁核酸外切酶在某一時(shí)刻,通過切開多核苷酸的最后一個(gè)鍵,并移去堿基,圖示降解RNA鏈的酶.第23頁/共77頁1.9Nucleicacidshybridizebybasepairing.核酸通過堿基配對(duì)進(jìn)行雜交加熱可使DNA的兩條鏈分開.Tm是變性溫度范圍的中點(diǎn).降低溫度,互補(bǔ)單鏈可以復(fù)性.變性和復(fù)性可發(fā)生在DNA-DNA,DNA-RNA,或RNA-RNA間,也可為分子內(nèi)或分子間的組合.兩條待測單鏈核酸雜交的能力衡量了它們的互補(bǔ)能力.第24頁/共77頁堿基配對(duì)發(fā)生在雙螺旋DNA間,也發(fā)生在單鏈RNA(或DNA)的分子內(nèi)和分子間.

第25頁/共77頁變性的DNA單鏈能復(fù)性產(chǎn)生雙螺旋形式.

第26頁/共77頁通過濾膜雜交,我們可以確認(rèn)變性的DNA(或RNA)溶液與濾膜上吸附的DNA是否含有互補(bǔ)的序列.第27頁/共77頁1.10MutationschangethesequenceofDNA突變改變DNA序列所有突變都包含DNA序列的改變.突變可自發(fā)產(chǎn)生,或者由誘變劑誘導(dǎo).第28頁/共77頁

堿基突變率是每代10-9_10-10,

即1000bp的基因以每代10-6的概率突變,細(xì)菌基因組的突變率是每代3X10-3.第29頁/共77頁1.11Mutationseffectsinglebasepairorlongersequence.突變影響單個(gè)堿基對(duì)或更長的序列點(diǎn)突變改變單一堿基.一種堿基通過化學(xué)方法轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粔A基或復(fù)制錯(cuò)誤都可引起點(diǎn)突變.轉(zhuǎn)換是指A_T變?yōu)镚_C或反之.顛換是指嘧啶代替嘌呤,如A_T變?yōu)門_A.插入是突變最常見的類型,來源于可轉(zhuǎn)移元件的移動(dòng).第30頁/共77頁堿基的化學(xué)修飾可以引起突變.

第31頁/共77頁堿基的類似物的插入也可以引起突變.

第32頁/共77頁1.12Mutationsarereversible.突變的效應(yīng)可以逆轉(zhuǎn)正向突變使基因失活,反向突變(或回復(fù)體)可逆轉(zhuǎn)其效應(yīng).插入突變可由插入物質(zhì)的缺失而回復(fù),但缺失不能回復(fù).當(dāng)?shù)诙l基因的突變禰補(bǔ)第一條基因的突變效應(yīng)時(shí),就會(huì)發(fā)生抑制作用.第33頁/共77頁點(diǎn)突變和插入突變可以逆轉(zhuǎn),但缺失不能逆轉(zhuǎn).

第34頁/共77頁1.13Mutationsareconcentratedathotspots.突變集中在熱點(diǎn)任一特殊堿基的突變頻率測定有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的波動(dòng),而熱點(diǎn)突變頻率增加至少一個(gè)數(shù)量級(jí).第35頁/共77頁自發(fā)突變發(fā)生于整個(gè)大腸桿菌的lacI基因中,但它主要集中于熱點(diǎn).

第36頁/共77頁休息時(shí)間

10分鐘第37頁/共77頁1.14Somehotspotscomefrommodifiedbases.一些熱點(diǎn)來自修飾的堿基熱點(diǎn)突變的一個(gè)主要原因是修飾的堿基,即5-甲胞嘧啶,能脫氨基成胸腺嘧啶.第38頁/共77頁胞嘧啶的脫氨基產(chǎn)生尿嘧啶,而5-甲胞嘧啶的脫氨基則產(chǎn)生胸腺嘧啶.

第39頁/共77頁5-甲胞嘧啶的脫氨基產(chǎn)生胸腺嘧啶(引起C_G至T_A的轉(zhuǎn)換),而胞嘧啶的脫氨基則產(chǎn)生尿嘧啶(通常尿嘧啶被移去,代之以胞嘧啶).第40頁/共77頁1.15AcistronisasinglestretchofDNA.一條基因編碼一條肽鏈一條基因?qū)?yīng)于一種酶的假說概括了現(xiàn)代遺傳學(xué)的基礎(chǔ):即基因是編碼單鏈多肽的一段DNA.大部分突變破壞了基因功能.第41頁/共77頁基因編碼蛋白質(zhì),顯性性狀是由突變蛋白質(zhì)的特性決定的,隱性等位基因?qū)Ρ硇筒黄鹱饔?因?yàn)樗划a(chǎn)生蛋白質(zhì)(或產(chǎn)生的蛋白質(zhì)是沒有功能的).第42頁/共77頁1.16Mutationsonthesamecistroncannotbecompensated.同一基因上的突變不能相互補(bǔ)償.基因突變只影響由突變基因拷貝所編碼的蛋白質(zhì),不影響其他任何基因所編碼的蛋白質(zhì).當(dāng)雜合子中的兩個(gè)突變以反式配置存在時(shí),如果它們不能相互補(bǔ)償(即產(chǎn)生野生表型),則它們應(yīng)該位于同一條基因中.第43頁/共77頁順反子是通過互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)定義的,基因由條狀表示,紅點(diǎn)表示突變位點(diǎn).

第44頁/共77頁1.17Mutationscanbelost-of-function

or

gain-of-function.突變可能引起功能的喪失或獲得.隱性突變(recessivemutation)是由于蛋白質(zhì)產(chǎn)物的功能喪失而造成的.顯性突變(dominantmutation)可獲得新功能.第45頁/共77頁沉默基因突變沒有效應(yīng),這或者是因?yàn)閴A基的變化不改變蛋白質(zhì)的序列或數(shù)量,或者是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)序列的改變不會(huì)產(chǎn)生影響.遺漏突變不影響基因產(chǎn)物的作用,因?yàn)闄C(jī)體依然存在足夠多的相同活性,所以表型不能揭示出它的真相.第46頁/共77頁不影響蛋白質(zhì)序列或功能的突變是沉默突變;破壞了蛋白質(zhì)所有活性的突變是無效突變;引起功能喪失的點(diǎn)突變是隱性突變;引起功能獲得的突變是顯性突變.

第47頁/共77頁1.18Genelocuscanhavedifferentmutatedalleles.基因座可有不同的突變等位基因.復(fù)等位基因的存在可允許雜合子發(fā)生任何形式的等位基因組合.第48頁/共77頁w

基因座上有一系列的等位基因,其表型從野生型(紅眼)到無色.

第49頁/共77頁1.19Genelocusmayhavemorethanonewild-typealleles.基因座可能會(huì)有不止一條野生型等位基因.基因座可能有等位基因的多態(tài)分布,而無任何一條等位基因可以被認(rèn)為是野生型.第50頁/共77頁ABO血型基因座編碼半乳糖基轉(zhuǎn)移酶,其特異性決定了血型的差異.

第51頁/共77頁1.20RecombinationoccursbyphysicalexchangeofDNA.DNA

的物質(zhì)互換發(fā)生重組.重組是交叉點(diǎn)上發(fā)生交換的結(jié)果,它涉及4條染色單體中的兩條.重組由鏈的斷裂和重鏈產(chǎn)生,在此過程中,有雜合DNA中間體的形成.第52頁/共77頁互換的形成引起產(chǎn)生重組體.

第53頁/共77頁重組涉及兩條親本DNA的互補(bǔ)鏈間的配對(duì).

第54頁/共77頁1.21Thegeneticcodeistriplet.遺傳密碼是三聯(lián)體.遺傳密碼是根據(jù)三個(gè)核苷酸組成的密碼子來閱讀的.三聯(lián)密碼子不重疊,并且從固定點(diǎn)開始讀碼.插入或缺失單個(gè)堿基的突變可導(dǎo)致突變點(diǎn)后的三聯(lián)密碼子序列移碼.同時(shí)插入或缺失三個(gè)堿基(或三的倍數(shù))導(dǎo)致插入或缺失幾個(gè)氨基酸,但不改變剩下的三聯(lián)密碼子的讀框.第55頁/共77頁移碼突變表明遺傳密碼從一個(gè)固定的起始點(diǎn)以三聯(lián)體方式閱讀.

第56頁/共77頁1.22Everysequencehasthreereadingframes.每一序列具有三種可能的閱讀框.通常只有一種閱讀框是可翻譯的,而其他兩種會(huì)受到頻繁的終止信號(hào)的抑制.第57頁/共77頁一個(gè)閱讀框起始于AUG,以三聯(lián)體形式延續(xù)至終止密碼子,而受阻讀框是因?yàn)榻K止密碼的頻繁插入而形成的.

第58頁/共77頁1.23Prokaryoticgeneanditsproteinarecolinear.原核生物基因與其蛋白質(zhì)呈共線性關(guān)系.原核生物基因含有一段長度為3N的連續(xù)核苷酸,它編碼N個(gè)氨基酸.基因,mRNA和蛋白質(zhì)都是共線性的.第59頁/共77頁色氨酸合成酶基因重組圖對(duì)應(yīng)于蛋白質(zhì)的氨基酸序列.

第60頁/共77頁RNA

以

DNA的一條鏈為模板,根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)合成.

第61頁/共77頁1.24Multiplestepsarerequiredforthesynthesisaproteinproductfromagene.表達(dá)一條基因的蛋白質(zhì)產(chǎn)物需要幾個(gè)過程.原核生物基因轉(zhuǎn)錄成mRNA,然后翻譯成蛋白質(zhì).在真核生物中,基因可能含有一些不編碼蛋白質(zhì)的內(nèi)部區(qū)域.這些內(nèi)部區(qū)域通過RNA剪接而從RNA中被去處,隨后形成與蛋白質(zhì)共線性的mRNA.mRNA含有5非翻譯區(qū),編碼區(qū)和3非翻譯區(qū).第62頁/共77頁基因的長度可能比蛋白質(zhì)編碼序列長.

第63頁/共77頁在細(xì)菌中,轉(zhuǎn)錄和翻譯發(fā)生在同一區(qū)域化部位.第64頁/共77頁在真核生物中,轉(zhuǎn)錄發(fā)生在細(xì)胞核中,而翻譯則發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)中.第65頁/共77頁1.25cis-actingsitesandtrans-actingmolecules.蛋白質(zhì)呈反式作用,而DNA上的位點(diǎn)呈順式作用.所有基因產(chǎn)物(RNA或蛋白質(zhì))都是反式作用的,它們可以作用于細(xì)胞內(nèi)基因的任一拷貝上.順式突變可以鑒定出反式作用因子識(shí)別靶點(diǎn)的DNA序列,它們不表達(dá)為RNA或蛋白質(zhì),而只影響相鄰的DNA序列.第66