第一篇分子生物學(xué)基本原理

第一章基因現(xiàn)在是1頁\一共有57頁\編輯于星期四第一節(jié)

基因的基本概念

及基因的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)現(xiàn)在是2頁\一共有57頁\編輯于星期四一、核酸是遺傳信息的載體DNA的結(jié)構(gòu)：一級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是3頁\一共有57頁\編輯于星期四三級(jí)結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是4頁\一共有57頁\編輯于星期四DNA上主要攜帶兩類遺傳信息：

一類是編碼信息另一類是調(diào)控信息真核細(xì)胞的DNA中存在著大量的非編碼序列現(xiàn)在是5頁\一共有57頁\編輯于星期四RNA

RNA分為三類：

mRNA；rRNA；tRNA。現(xiàn)在是6頁\一共有57頁\編輯于星期四基因(gene):

是核酸分子中貯存遺傳信息的遺傳單位，是指貯存有功能的蛋白質(zhì)多肽鏈或RNA序列信息及表達(dá)這些信息所必須的全部核酸序列。按照此說，基因即包括編碼序列，也包括它的調(diào)控序列及內(nèi)含子和上、下游的非編碼序列。真核生物和原核生物及多數(shù)病毒的基因都以DNA的形式存在，少數(shù)病毒（RNA病毒）的基因是以RNA的形式存在。二、基因的基本概念現(xiàn)在是7頁\一共有57頁\編輯于星期四基因一般特點(diǎn)：多數(shù)生物的基因都是由DNA組成，而少數(shù)病毒的基因是由RNA組成。基因的大多數(shù)都編碼在染色體上，但也有編碼在染色體之外的基因。如質(zhì)粒、線粒體、葉綠體等。原核生物的基因是連續(xù)編碼的，而真核細(xì)胞基因是斷裂基因。在病毒的基因組中存在著重疊基因的現(xiàn)象現(xiàn)在是8頁\一共有57頁\編輯于星期四基因組(Genome)的概念：

Genome最早由德國植物遺傳學(xué)家溫克勒爾于1920年提出，它由gene和chromosome組合而成。基因組是指一個(gè)細(xì)胞中核酸的全部核苷酸排列序列，即一個(gè)細(xì)胞中蘊(yùn)藏著的全部遺傳自信。現(xiàn)在是9頁\一共有57頁\編輯于星期四第二節(jié)

結(jié)構(gòu)基因中貯存的遺傳信息現(xiàn)在是10頁\一共有57頁\編輯于星期四結(jié)構(gòu)基因中貯存的遺傳信息RNA的結(jié)構(gòu)信息蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息RNA的特點(diǎn)：mRNA：原核與真核的區(qū)別tRNA：rRNA：結(jié)構(gòu)基因與蛋白質(zhì)信息之間的關(guān)系遺傳密碼：蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：現(xiàn)在是11頁\一共有57頁\編輯于星期四遺傳密碼表現(xiàn)在是12頁\一共有57頁\編輯于星期四現(xiàn)在是13頁\一共有57頁\編輯于星期四現(xiàn)在是14頁\一共有57頁\編輯于星期四第三節(jié)結(jié)構(gòu)基因變異及其與疾病的關(guān)系現(xiàn)在是15頁\一共有57頁\編輯于星期四基因突變及發(fā)生機(jī)制:自發(fā)突變與誘變基因突變的類型：轉(zhuǎn)換；顛換基因突變的后果：基因突變與疾病的關(guān)系：

基因突變導(dǎo)致蛋白質(zhì)功能降低或喪失基因突變導(dǎo)致蛋白質(zhì)活性異常增高基因表達(dá)量過高導(dǎo)致某種蛋白質(zhì)過量基因突變導(dǎo)致蛋白質(zhì)產(chǎn)生過少而不能形成正常功能

現(xiàn)在是16頁\一共有57頁\編輯于星期四第二章基因組的結(jié)構(gòu)與功能現(xiàn)在是17頁\一共有57頁\編輯于星期四第二節(jié)原核生物基因組一、原核生物基因組結(jié)構(gòu)與功能的特點(diǎn)⒈基因組為一個(gè)環(huán)狀雙鏈DNA分子：原核生物的DNA與一個(gè)大的支架蛋白結(jié)合形成一個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)，習(xí)慣上仍稱為染色體。細(xì)菌細(xì)胞沒有細(xì)胞核，但它的染色體DNA在細(xì)胞中形成一個(gè)致密的區(qū)域，稱為類核(nucleoid)?，F(xiàn)在是18頁\一共有57頁\編輯于星期四現(xiàn)在是19頁\一共有57頁\編輯于星期四⒉基因組中只有一個(gè)復(fù)制起始點(diǎn)。⒊具有操縱子的結(jié)構(gòu)：

操縱子(operon)：指數(shù)個(gè)功能上相關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起，構(gòu)成一個(gè)信息區(qū)，它共用一個(gè)上游的調(diào)控區(qū)和下游的終止信號(hào)，上游的調(diào)控區(qū)包括啟動(dòng)子(promoter)和操縱基因(operator)在轉(zhuǎn)錄時(shí)將幾個(gè)相聯(lián)的結(jié)構(gòu)基因一同轉(zhuǎn)錄成RNA，形成的RNA也為多順反子。現(xiàn)在是20頁\一共有57頁\編輯于星期四⒋編碼順序不會(huì)重疊⒌結(jié)構(gòu)基因的序列是連續(xù)編碼的，不存在內(nèi)含子，轉(zhuǎn)錄后不需剪切。⒍編碼區(qū)在基因組中占的比例（約50%）多于真核細(xì)胞，但小于病毒基因組。非編碼區(qū)主要是一些調(diào)控序列。⒎重復(fù)序列少：原核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)基因多為單拷貝，但編碼rRNA的基因往往是多拷貝的。⒏存在編碼同功酶的基因。⒐細(xì)菌基因組存在著可移動(dòng)的DNA序列，包括插入序列和轉(zhuǎn)座子。⒑含有多種功能的識(shí)別區(qū)域，如復(fù)制起始區(qū)、復(fù)制終止區(qū)、轉(zhuǎn)錄起動(dòng)區(qū)和終止區(qū)等?，F(xiàn)在是21頁\一共有57頁\編輯于星期四大腸桿菌染色體基因組的結(jié)構(gòu)和功能

大腸桿菌染色體基因組是研究最清楚的基因組。估計(jì)大腸桿菌基因組含有3500個(gè)基因，已被定位的有900個(gè)左右。在這900個(gè)基因中，有260個(gè)基因已查明具有操縱子結(jié)構(gòu)，定位于75個(gè)操縱子中。在已知的基因中8％的序列具有調(diào)控作用。大腸桿菌染色體基因組中已知的基因多是編碼一些酶類的基因，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、脂肪酸和維生素合成代謝的一些酶類的基因，以及大多數(shù)碳、氮化合物分解代謝的酶類的基因。另外，核糖體大、小亞基中50多種蛋白質(zhì)的基因也已經(jīng)鑒定了?，F(xiàn)在是22頁\一共有57頁\編輯于星期四二、質(zhì)粒㈠質(zhì)粒的一般特性：1.質(zhì)粒是存在于細(xì)菌細(xì)胞中獨(dú)立于染色體之外的自主復(fù)制的遺傳成分。絕大多數(shù)的質(zhì)粒都是由環(huán)形雙鏈DNA組成，極少發(fā)現(xiàn)線性質(zhì)粒和RNA成分的質(zhì)粒。質(zhì)粒的大小差別很大，小的質(zhì)粒分子量約為106，僅編碼2-3個(gè)蛋白質(zhì)，而最大的分子可比它大100倍。2.質(zhì)粒與宿主菌是寄生的關(guān)系，質(zhì)粒離開細(xì)菌不能獨(dú)立的復(fù)制和生存，而細(xì)菌離開質(zhì)粒仍能正常生存。3.質(zhì)粒的存在可以賦予細(xì)菌新的遺傳特性，這包括抗性特征、代謝特征、修飾宿主生活方式的因子等，其中對(duì)抗菌素的抗性是質(zhì)粒最重要的特性?，F(xiàn)在是23頁\一共有57頁\編輯于星期四現(xiàn)在是24頁\一共有57頁\編輯于星期四㈡質(zhì)粒的遺傳控制

質(zhì)粒帶有自己的復(fù)制調(diào)控系統(tǒng)，可有效的控制質(zhì)粒在宿主細(xì)胞中的拷貝數(shù)量。質(zhì)粒還有自己精確的分配拷貝到子細(xì)胞中的能力。質(zhì)粒還有控制宿主細(xì)胞有絲分裂的能力，以便確保每個(gè)子代細(xì)胞中穩(wěn)定的質(zhì)粒數(shù)目。高拷貝質(zhì)粒在細(xì)菌中常形成多聚體的形式，在細(xì)菌分裂時(shí)，這種多聚體又拆散成單體，控制這一過程的諸多因子構(gòu)成了位點(diǎn)特異重組系統(tǒng)。質(zhì)粒的不相容性：現(xiàn)在是25頁\一共有57頁\編輯于星期四現(xiàn)在是26頁\一共有57頁\編輯于星期四㈢質(zhì)粒的類型1.結(jié)合型質(zhì)粒、可移動(dòng)型質(zhì)粒和自傳遞型質(zhì)粒2.嚴(yán)謹(jǐn)型質(zhì)粒和松馳型質(zhì)粒3.窄宿主型質(zhì)粒和廣宿主型質(zhì)?，F(xiàn)在是27頁\一共有57頁\編輯于星期四一、真核生物染色質(zhì)DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)DNA高級(jí)結(jié)構(gòu)中的蛋白質(zhì)

組蛋白與非組蛋白第二節(jié)真核生物基因組現(xiàn)在是28頁\一共有57頁\編輯于星期四DNA與蛋白質(zhì)的結(jié)合與染色體的組裝現(xiàn)在是29頁\一共有57頁\編輯于星期四基因組大，編碼蛋白質(zhì)多，一般編碼蛋白都超過1萬個(gè)以上。在DNA復(fù)制時(shí)，有多個(gè)復(fù)制起始點(diǎn)。真核生物的結(jié)構(gòu)基因都是單順反子。真核生物的基因組中含有大量的重復(fù)序列(45%)。真核生物的基因組中存在大量的非編碼區(qū)。二、真核生物核基因組結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)現(xiàn)在是30頁\一共有57頁\編輯于星期四真核基因?yàn)閿嗔鸦颍谒慕Y(jié)構(gòu)基因中含有外顯子和內(nèi)含子。真核生物的基因組中存在著各種基因家族。真核生物基因組中也存在移動(dòng)基因?；蚪M中結(jié)構(gòu)基因所占區(qū)域遠(yuǎn)小于非編碼區(qū)?，F(xiàn)在是31頁\一共有57頁\編輯于星期四三、真核生物基因組的結(jié)構(gòu)㈠結(jié)構(gòu)基因斷裂基因(splitgene)：真核生物的結(jié)構(gòu)基因是不連續(xù)的編碼氨基酸的序列被非編碼序列所打斷，因此被稱為斷裂基因。外顯子(exon)：在真核生物的結(jié)構(gòu)基因中，編碼氨基酸的序列稱為外顯子，它被數(shù)個(gè)內(nèi)含子分隔成數(shù)個(gè)片段間隔排列。內(nèi)含子(intron)：在真核生物的結(jié)構(gòu)基因中，在編碼氨基酸序列之間存在著數(shù)個(gè)非編碼的序列稱為內(nèi)含子?，F(xiàn)在是32頁\一共有57頁\編輯于星期四㈡順式調(diào)控原件

順式調(diào)控元件(cis-actingelements)：與結(jié)構(gòu)基因表達(dá)調(diào)控相關(guān)，能夠被基因調(diào)控蛋白特異性識(shí)別和結(jié)合的DNA序列。包括：啟動(dòng)子、上游啟動(dòng)元件、增強(qiáng)子、加尾信號(hào)和一些其它反應(yīng)元件。反式作用元件(trans-actingelements)：一些可以通過結(jié)合順式元件二調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄活性的蛋白因子。

現(xiàn)在是33頁\一共有57頁\編輯于星期四⒈啟動(dòng)子(promoter):啟動(dòng)子是DNA分子可以與RNA聚合酶特異識(shí)別和結(jié)合的部位，啟動(dòng)子位于結(jié)構(gòu)基因的上游，每個(gè)結(jié)構(gòu)基因的上游都含有一個(gè)啟動(dòng)子。啟動(dòng)子具有高度的保守性，真核基因的啟動(dòng)子必須與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合后才能被RNA聚合酶識(shí)別與結(jié)合，并啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。這一點(diǎn)與原核細(xì)胞不同。真核細(xì)胞的啟動(dòng)子元件是TATA盒(TATAbox)，位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游-25bp處。現(xiàn)在是34頁\一共有57頁\編輯于星期四⒉上游啟動(dòng)子元件(upstreampromoterelement)：

是TATA盒上游的一些特定的DNA序列，反式作用因子可與這些元件結(jié)合，通過參與促進(jìn)RNA聚合酶與DNA的結(jié)合，調(diào)節(jié)DAN的轉(zhuǎn)錄過程。常見的上游啟動(dòng)元件包括：

CAAT框：位于TATA上游，位置不確定。GC盒：

CACA盒：現(xiàn)在是35頁\一共有57頁\編輯于星期四⒊反應(yīng)元件(responseelement)：也是一種順式作用元件，但它是專門與細(xì)胞的一些信息分子結(jié)合，來調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。反應(yīng)元件一般僅次于啟動(dòng)子內(nèi)或增強(qiáng)子內(nèi)。⒋增強(qiáng)子(enhancer)：為一段DNA序列，它能與反式作用因子識(shí)別、并結(jié)合，起到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄（通常是增強(qiáng)）的作用。增強(qiáng)子可在一個(gè)基因存在多個(gè)，即可分布在啟動(dòng)子的上流，也可存在于結(jié)構(gòu)基因內(nèi)部的內(nèi)含子或下游?，F(xiàn)在又發(fā)現(xiàn)了一些增強(qiáng)子內(nèi)含負(fù)調(diào)控序列，稱為負(fù)增強(qiáng)子?，F(xiàn)在是36頁\一共有57頁\編輯于星期四⒌加尾信號(hào):在結(jié)構(gòu)基因的最后一個(gè)外顯子中有一個(gè)保守的AATAAA序列，這個(gè)序列對(duì)于mRNA轉(zhuǎn)錄終止和加poly(A)尾是必不可少的。

在此位點(diǎn)的下游有一段GT豐富區(qū)或T豐富區(qū)，此區(qū)與AATAAA序列共同構(gòu)成poly(A)

加尾信號(hào)?，F(xiàn)在是37頁\一共有57頁\編輯于星期四㈢基因家族基因家族(genefamily)的概念：指核苷酸序列或編碼產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)具有一定程度同源性的一組基因?；蚣彝タ赡苁怯赏蛔嫦冗M(jìn)化來的。有的基因家族的成員同源性很高，但也有的基因家族很低。假基因(pseudogene)：在多基因家族中，某些成員不能表達(dá)出有功能的產(chǎn)物，這些基因稱為假基因，用ψ來表示?，F(xiàn)在是38頁\一共有57頁\編輯于星期四基因家族在基因組的分布：一類是基因家族成簇地分布在某一條染色體上，它們可同時(shí)發(fā)揮作用，合成某些蛋白質(zhì)，如組蛋白基因家族就成簇地集中在第7號(hào)染色體長臂3區(qū)2帶到3區(qū)6帶區(qū)域內(nèi)；另一類是一個(gè)基因家族的不同成員成簇地分布在不同的染色體上，這些不同成員編碼一組功能上緊密相關(guān)的蛋白質(zhì)，如珠蛋白基因家族現(xiàn)在是39頁\一共有57頁\編輯于星期四基因家族的類型：⒈核酸序列相同

在真核基因組中，編碼rRNA和RNA基因的DNA片段常以這種形式出現(xiàn)。構(gòu)成染色質(zhì)中的組蛋白基因也是一種核苷酸序列相同的DNA序列。⒉核酸序列高度同源

如人生長激素基因家族，包括生長激素、人胎盤促乳素、催乳素的編碼基因。它們之間的同源性很高，編碼蛋白質(zhì)的氨基酸序列的同源性為85%，RNA上的同源性為92%，而各個(gè)基因的也未排列在一起?，F(xiàn)在是40頁\一共有57頁\編輯于星期四⒊編碼產(chǎn)物具有同源功能區(qū)

有的基因家族成員之間的同源性可能不高，但編碼蛋白具有高度的保守區(qū)，如獲至寶src癌基因家族，各成員無明顯的同源性，但每個(gè)基因產(chǎn)物都有一個(gè)250個(gè)氨基酸序列同源，組成相似的結(jié)構(gòu)域。⒋編碼產(chǎn)物具有小段保守基序

基因序列的同源性不高，但編碼產(chǎn)物具有共同的功能。

⒌基因超家族

是指一組由多基因家族及單基因組成的更大基因家族。其代表為免疫球蛋白基因超家族現(xiàn)在是41頁\一共有57頁\編輯于星期四㈣重復(fù)序列(repeatsequence):

在真核生物基因組存在著的大量的堿基序列重復(fù)出現(xiàn)的情況。重復(fù)序列中，除了編碼RNA、RNA和組蛋白的結(jié)構(gòu)基因外，大部分是非編碼序列。但對(duì)它們的功能還不十分清楚。根據(jù)出現(xiàn)頻率的不同，將它們分為三類：

高度重復(fù)序列：重復(fù)出現(xiàn)1010中度重復(fù)序列：重復(fù)出現(xiàn)101-105。單拷貝序列：現(xiàn)在是42頁\一共有57頁\編輯于星期四㈤真核生物基因組中的轉(zhuǎn)座子㈥端粒

端粒(telomere):以線性結(jié)構(gòu)存在于基因組端部的一段特殊DNA序列。序列與蛋白質(zhì)形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，存在于每個(gè)染色體的末端部，端粒的功能主要有保護(hù)DNA在復(fù)制過程的完整性，同時(shí)也是細(xì)胞衰老的重要指標(biāo)?，F(xiàn)在是43頁\一共有57頁\編輯于星期四五、線粒體基因組現(xiàn)在是44頁\一共有57頁\編輯于星期四原核基因組與真核基因組的比較現(xiàn)在是45頁\一共有57頁\編輯于星期四第三節(jié)

病毒基因組一、病毒基因組核酸的主要類型1.雙鏈DNA2.單鏈正股DNA3.雙鏈RNA4.單鏈負(fù)股RNA5.單鏈正股RNA現(xiàn)在是46頁\一共有57頁\編輯于星期四二、病毒基因組的特點(diǎn)1．病毒基因組大小相差較大,與細(xì)菌或真核細(xì)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。

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(fù)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(duì)宿主的依賴性較乙肝病毒小得多。現(xiàn)在是47頁\一共有57頁\編輯于星期四2．病毒基因組可以由DNA組成，也可以由RNA組成，每種病毒顆粒中只含有一種核酸，或?yàn)镈NA或?yàn)镽NA，兩者一般不共存于同一病毒顆粒中。

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，而腺病毒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病毒的基因組雙鏈DNA分子，而大多數(shù)RNA病毒的基因組是單鏈RNA分子?，F(xiàn)在是48頁\一共有57頁\編輯于星期四3．

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(gè)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?，F(xiàn)在是49頁\一共有57頁\編輯于星期四4．

非編碼區(qū)少,編碼序列大于90%：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，這與真核細(xì)胞DNA的冗余現(xiàn)象不同如在ΦX174中不翻譯的部份只占217/5375，G4DNA中占282/5577，都不到5％。不翻譯的DNA順序通常是基因表達(dá)的控制序列。如ΦX174的H基因和A基因之間的序列（3906－3973），共67個(gè)堿基，包括RNA聚合酶結(jié)合位，轉(zhuǎn)錄的終止信號(hào)及核糖體結(jié)合位點(diǎn)等基因表達(dá)的控制區(qū)。乳頭瘤病毒是一類感染人和動(dòng)物的病毒，基因組約8.0Kb,其中不翻譯的部份約為1.0kb,該區(qū)同樣也是其他基因表達(dá)的調(diào)控區(qū)現(xiàn)在是50頁\一共有57頁\編輯于星期四5．

單倍體基因組除了反轉(zhuǎn)錄病毒以外，一切病毒基因組都是單倍體，每個(gè)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(gè)拷貝。6．

基因有連續(xù)的和間斷的噬菌體（細(xì)菌病毒）的基因是連續(xù)的；而真核細(xì)胞病毒的基因是不連續(xù)的，具有內(nèi)含子，除了正鏈RNA病毒之外，真核細(xì)胞病毒的基因都是先轉(zhuǎn)錄成mRNA前體，再經(jīng)加工才能切除內(nèi)含子成