醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)課件

2024/4/61

緒論

Introduction2024/4/62

一、分子生物學(xué)的定義2024/4/63從整體水平到分子水平示意圖分子水平細(xì)胞水平整體水平

生命科學(xué)的發(fā)展過程：RobertHooke,1665Watson,Crick,19532024/4/64生命科學(xué)的前沿領(lǐng)域：分子生物學(xué)、分子遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)，而分子生物學(xué)是生命科學(xué)的核心前沿。

生命科學(xué)是研究生命現(xiàn)象和生命活動(dòng)規(guī)律的一門綜合性學(xué)科。

生命科學(xué)的研究內(nèi)容：生命物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能，生物與生物之間及生物與環(huán)境之間相互關(guān)系。2024/4/65

分子生物學(xué)——從分子水平研究生命現(xiàn)象及其規(guī)律的一門新興學(xué)科。它是生命科學(xué)中發(fā)展最快并且與其他學(xué)科廣泛交叉和滲透的前沿領(lǐng)域。2024/4/661950年，Astbury在一次講演中首先使用“分子生物學(xué)(MolecularBiology)”這一術(shù)語,用以說明它是研究生物大分子的化學(xué)和物理學(xué)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代分子生物學(xué)的建立2024/4/67FurberyS等（1949～1952年）應(yīng)用X線衍射分析闡明了核苷酸并非平面的空間構(gòu)象，提出了DNA是螺旋型結(jié)構(gòu)。核酸結(jié)構(gòu)研究的重大進(jìn)展Chargaff等（1948～1953年）用新的層析和電泳技術(shù)分析了組成DNA的堿基和核苷酸量，積累了大量的數(shù)據(jù)，提出了DNA堿基組成含量比A=T、G=C的Chargaff規(guī)則，為堿基配對的DNA結(jié)構(gòu)打下了基礎(chǔ)。2024/4/68DNA的X光衍射照片1952年5月拍攝羅沙琳德·弗蘭克林（RosalindFranklin，1920－1958）英國

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立2024/4/69DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立諾貝爾醫(yī)學(xué)與生理學(xué)獎(jiǎng)1962年2024/4/610Watson和Crick的“雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”啟動(dòng)了現(xiàn)代分子生物學(xué)及重組DNA技術(shù)的發(fā)展。確立了核酸作為信息分子的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；提出了堿基配對是核酸復(fù)制、遺傳信息傳遞的基本方式，最終確定了核酸是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。2024/4/611

分子生物學(xué)技術(shù)：

例如：DNA及RNA的印跡轉(zhuǎn)移、核酸分子雜交、基因克隆、基因體外擴(kuò)增、DNA測序等，形成了獨(dú)特的重組DNA技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)。

由生物化學(xué)、生物物理學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、遺傳學(xué)、應(yīng)用微生物學(xué)及免疫學(xué)等各專業(yè)技術(shù)的滲透、綜合而成，并在此基礎(chǔ)上發(fā)明和創(chuàng)造了一系列新的技術(shù)。2024/4/612分子克隆(molecularcloning)

重組DNA(recombinantDNA)技術(shù)是近代分子生物學(xué)技術(shù)的核心。

基因操作(genemanipulation)

基因克隆(genecloning)基因工程(geneengineering)2024/4/613分子醫(yī)學(xué)（molecularmedicine）：由于分子生物學(xué)滲透進(jìn)入生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的每一分支領(lǐng)域，全面推動(dòng)了生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)的發(fā)展，如疾病的發(fā)病機(jī)理研究、疾病的診斷和治療，使醫(yī)學(xué)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代。

2024/4/614?遺傳性狀改變或治療疾病可能從某一生物體的基因組中分離出某一特定功能基因，導(dǎo)入到另一種生物的基因組。

?基因工程和蛋白質(zhì)工程外源DNA與載體在體外進(jìn)行連接，或在基因水平上進(jìn)行有目的的定向誘變。

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按照自己的意愿和社會需求改造基因，制備各種具有生物活性的大分子。

DNA、RNA和蛋白質(zhì)成為人類治病、防病的一類新型的生物制品或藥物。生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)上用于快速育種，改良品種，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量、質(zhì)量以及抗病蟲害，抗干旱等能力。2024/4/616二、分子生物學(xué)的研究內(nèi)容2024/4/617分子生物學(xué)的主要研究內(nèi)容

生物大分子的結(jié)構(gòu)、功能，生物大分子之間的相互作用及其與疾病發(fā)生、發(fā)展的關(guān)系。主要包含三個(gè)方面的內(nèi)容：（一）核酸分子生物學(xué)（二）蛋白質(zhì)分子生物學(xué)（三）細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制研究

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核酸的分子生物學(xué)主要研究核酸的結(jié)構(gòu)與功能。核酸的主要作用是攜帶和傳遞遺傳信息，因此形成了分子遺傳學(xué)。（一）核酸分子生物學(xué)：

分子遺傳學(xué)：形成了比較完整的理論體系和研究技術(shù)，它是目前分子生物學(xué)中內(nèi)容最豐富、研究最活躍的一個(gè)領(lǐng)域。2024/4/6191.核酸的發(fā)現(xiàn)1868年，Miescher從膿細(xì)胞中分離出細(xì)胞核，用稀堿抽提再加入酸，得到了一種含氮和磷特別豐富的物質(zhì)，當(dāng)時(shí)稱其為核素（nuclein）。

1872年，他又在鮭魚精子細(xì)胞核中發(fā)現(xiàn)了這類物質(zhì)，而且呈酸性，故稱之為核酸（nucleicacid）。FriedeichMiescher

核酸的生物學(xué)功能？

1928年以后，核酸功能研究取得了重大進(jìn)展2024/4/620In1928,anexperimentofFrederickGriffithusingpneumoniabacteriaandmice2024/4/6211952年，HersheyAD和ChaseM用35S和32p分別標(biāo)記T2噬菌體的蛋白質(zhì)和核酸，感染大腸桿菌。在大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)增殖的噬菌體中都只含有32P而不含35S,這表明噬菌體的增殖直接取決于DNA而不是蛋白質(zhì)。2.核酸功能研究的重大進(jìn)展1944年，AveryOT等首次證明肺炎雙球菌的DNA與其轉(zhuǎn)化和遺傳有關(guān)。2024/4/622In1952,AlfredHersheyandMarthaChasedidanexperimentwhichissosignificant,ithasbeennicknamedthe“Hershey-ChaseExperiment”.2024/4/623In1952,AlfredHersheyandMarthaChasedidanexperimentwhichissosignificant,ithasbeennicknamedthe“Hershey-ChaseExperiment”.2024/4/624TheMeselson-Stahlexperiment（1958）showedthatDNAisreplicatedsemi-conservativelyDNAsemi-conservativeduplication

3.DNA復(fù)制模型2024/4/625DNA復(fù)制模型2024/4/6261961年，Nirenberg、Ochoa以及Khorana等幾組科學(xué)家的共同努力，破譯了RNA上編碼合成蛋白質(zhì)的遺傳密碼，證明DNA分子中的遺傳信息是以三聯(lián)密碼的形式貯存。

遺傳密碼在生物界具有通用性。2024/4/6272024/4/6282024/4/6294.

中心法則的建立

1958年，Crick提出了分子生物學(xué)的中心法則（centraldogma）。

中心法則是分子遺傳學(xué)基本理論體系。2024/4/6302024/4/631

1970年，Temin和Baltimore從雞Rous肉瘤病毒(Roussarcomavirus，RSV)顆粒中發(fā)現(xiàn)了以RNA為模板合成DNA的逆轉(zhuǎn)錄酶，進(jìn)一步補(bǔ)充了遺傳信息傳遞的中心法則。

2024/4/6325．DNA序列分析技術(shù)：

雙脫氧末端終止法:1977年，劍橋大學(xué)SangerF等發(fā)明。

化學(xué)裂解法:

美國MaxamI和GilbertW發(fā)明。GATC2024/4/633GATC

測序反應(yīng)

電泳AACGTGGACTAACGTGGACAACGTGGAAACGTGGAACGTGAACGTAACGAACAAA5'

3'

正極負(fù)極ddGddAddTddC末端合成終止法測定DNA序列的原理2024/4/634DNA序列自動(dòng)分析原理2024/4/635

對DNA片段的一級結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，導(dǎo)致一系列重大發(fā)現(xiàn)：4.從cDNA序列推導(dǎo)出蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)；

1.斷裂基因(splitgene)的發(fā)現(xiàn)，證明真核細(xì)胞的基因不是連續(xù)的DNA片段；2.前體mRNA分子的拼接，去除內(nèi)含子序列，連接成成熟mRNA；3.發(fā)現(xiàn)單基因遺傳病的基因結(jié)構(gòu)的變異；5.根據(jù)DNA序列合成基因，并與載體連接，使之在細(xì)菌中表達(dá)，合成活性蛋白質(zhì)，開創(chuàng)了基因工程。2024/4/6366.基因的人工合成

1978年體外首次成功地人工合成第一個(gè)完整基因。直接證實(shí)了MendelG在1865年發(fā)現(xiàn)的遺傳因子(基因)的化學(xué)本質(zhì)，就是DNA分子。

2024/4/6377.基因組研究的進(jìn)展

基因組（genome）:一個(gè)物種遺傳信息的總和?；蚪Y(jié)構(gòu)與功能研究已經(jīng)從單個(gè)基因發(fā)展到生物體整個(gè)基因組?；蚪M研究已從簡單的低等生物到真核生物，從多細(xì)胞生物到人類。2024/4/638

1977年:Sanger測定了ΦX174DNA全部5375bp核苷酸序列；

1978年:Fiers等測出環(huán)狀SV40DNA全部5243bp核苷酸序列；1980年代:λ噬菌體DNA全部48502堿基對的序列被測出；一些小的病毒包括乙型肝炎病毒、艾滋病毒等基因組的全序列也陸續(xù)被測定;1996年底:完成了大腸桿菌基因組DNA的全部序列測定；

1996年底:完成了真核生物酵母（Saccharomyceserevisiae）的基因組全序列測定；1998年底:長達(dá)100Mb的線蟲的基因組序列測定全部完成。這是第一個(gè)完成的多細(xì)胞生物體的全基因組序列測定。2024/4/639

人類基因組計(jì)劃（humangenomeproject,HGP）美國科學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者DulbeccoR于1986年在美國《Science》雜志上發(fā)表的短文中率先提出，并認(rèn)為這是加快癌癥研究進(jìn)程的一條有效途徑。主要的目標(biāo)是繪制遺傳連鎖圖、物理圖、轉(zhuǎn)錄圖，并完成人類基因組全部核苷酸序列測定。測出人體細(xì)胞中24條染色體上全部30億對核苷酸的序列，把所有人類基因都明確定位在染色體上，破譯人類的全部遺傳信息。

HGP是人類自然科學(xué)史上與曼哈頓原子彈計(jì)劃和阿波羅登月計(jì)劃相媲美的偉大科學(xué)工程。2024/4/640

研究結(jié)果表明，人類基因數(shù)量僅有3萬個(gè)左右，比此前估計(jì)的要少得多。通過研究還發(fā)現(xiàn)男女可能存在巨大遺傳差異，男性染色體減數(shù)分裂的突變率是女性的兩倍。在已經(jīng)分析的序列中，找到很多與遺傳病有關(guān)的基因，包括乳腺癌、遺傳性耳聾、中風(fēng)、癲癇癥、糖尿病和各種骨骼異常的基因。2024/4/641

8.基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制的研究操縱子學(xué)說(1961年，Jacob和Monod提出)2024/4/64280年代開始，人們逐步認(rèn)識到真核基因組結(jié)構(gòu)和調(diào)控的復(fù)雜性。真核基因的順式調(diào)控元件與反式作用因子、核酸與蛋白質(zhì)間的分子識別與相互作用。小分子反義RNA、核酶、siRNA等。2024/4/643

1981年，AltmanS和CechTR同時(shí)發(fā)現(xiàn)了稱之為核酶具有催化自我剪接活性的RNA，參與基因表達(dá)的調(diào)節(jié)。無蛋白質(zhì)存在時(shí)，核酶的內(nèi)含子RNA能使RNA鏈本身在一特殊部位切斷和連接起來，本身并無消耗。這一重大發(fā)現(xiàn)為生物催化劑增添了一個(gè)RNA成員，打破了“酶必定是蛋白質(zhì)”傳統(tǒng)的觀念,同時(shí)為生命起源的假說提供新的證據(jù)。

核酶2024/4/644Ribozyme作用機(jī)制示意圖2024/4/645

1993年，Lee等發(fā)現(xiàn)線蟲(C.elegans)lin-4基因編碼的小分子RNA，其長度為22～61個(gè)核苷酸，能與lin-14mRNA的3′非翻譯區(qū)（UTR）反義互補(bǔ)結(jié)合,阻斷l(xiāng)in-14的翻譯，降低線蟲早期發(fā)育階段lin-14蛋白的水平。這是繼核酶以后，內(nèi)源性RNA參與基因調(diào)節(jié)的又一證據(jù)。小分子RNA2024/4/646RNA干擾（RNAi）是一種由雙鏈RNA誘發(fā)的基因沉默現(xiàn)象。在此過程中，與雙鏈RNA有同源序列的mRNA被降解，從而抑制了該基因的表達(dá)。RNA干擾過程主要有2個(gè)步驟：（1）長雙鏈RNA(dsRNA)被細(xì)胞內(nèi)Dicer切成21～25個(gè)堿基對的短雙鏈RNA，稱為小干擾性RNA(siRNA)。（2）siRNA與細(xì)胞內(nèi)的某些酶和蛋白質(zhì)形成復(fù)合體—RISC，RISC可識別與siRNA有同源序列的mRNA，并在特異的位點(diǎn)將該mRNA切斷或者抑制蛋白質(zhì)翻譯。

siRNA2024/4/6472024/4/648（二）蛋白質(zhì)分子生物學(xué)：

DNA→儲存生命活動(dòng)的各種信息。

蛋白質(zhì)→生命活動(dòng)的執(zhí)行者。蛋白質(zhì)的分子生物學(xué)主要研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能。2024/4/649

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的研究進(jìn)展

1956年，Anfinsen和White根據(jù)對酶蛋白的變性和復(fù)性實(shí)驗(yàn)，提出蛋白質(zhì)的三維空間結(jié)構(gòu)是由其氨基酸序列來確定的。

1958年，Ingram證明正常的血紅蛋白與鐮狀細(xì)胞溶血癥病人的血紅蛋白之間，在其亞基的肽鏈上僅有一個(gè)氨基酸殘基的差別。1969年，Weber開始應(yīng)用SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳測定蛋白質(zhì)分子量；20世紀(jì)60年代先后分析了血紅蛋白、核糖核酸酶A等一批蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。

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構(gòu)成生物體的每一個(gè)細(xì)胞的分裂與分化及其他各種生物學(xué)功能，均依賴于外界環(huán)境所產(chǎn)生的各種信號。在這些外源信號的刺激下，細(xì)胞可以將這些信號通過第二信使轉(zhuǎn)變成一系列的生物化學(xué)變化。

主要研究內(nèi)容：研究細(xì)胞內(nèi)、細(xì)胞間信息傳遞的分子基礎(chǔ)。闡明這些變化的分子機(jī)制，明確每一條信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑及參與該途徑的所有分子間的相互作用和調(diào)節(jié)方式。（三）細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制研究2024/4/651

1965年又提出第二信使學(xué)說。

1977年，Ross等用重組實(shí)驗(yàn)證實(shí)G蛋白的存在和功能，將G蛋白與腺苷環(huán)化酶的作用聯(lián)系起來。

癌基因、抑癌基因和酪氨酸蛋白激酶的發(fā)現(xiàn)及其結(jié)構(gòu)與功能的深入研究，使得細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究有了很大的進(jìn)展。

1957年，Sutherland發(fā)現(xiàn)了cAMP。細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制研究的進(jìn)展2024/4/6522024/4/653ERK/MAPK(extracellularsignal-regulatedkinase/mitogen-activatedproteinkinase)

signaling2024/4/654三、分子生物學(xué)與生物技術(shù)2024/4/655生物技術(shù)的定義：

按照美國生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)組織下的定義，生物技術(shù)(biotechnology)是指“利用細(xì)胞和分子過程來解決問題或制造產(chǎn)品的技術(shù)”。2024/4/656古代生物技術(shù)

釀酒、制醋、制酪、面包發(fā)酵；人畜排泄物循環(huán)利用；動(dòng)、植物雜交育種，嫁接等。2024/4/657

20世紀(jì)以來，分子生物學(xué)的發(fā)展，產(chǎn)生了重組DNA技術(shù)，推動(dòng)生物技術(shù)深入發(fā)展，而導(dǎo)致現(xiàn)代生物技術(shù)作為一門交叉學(xué)科的產(chǎn)生。各種重組蛋白、轉(zhuǎn)基因細(xì)胞、轉(zhuǎn)基因動(dòng)物和基因剔除動(dòng)物的出現(xiàn)，是現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)在生物技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。2024/4/6581972年，SV40病毒DNA片段轉(zhuǎn)化大腸桿菌，使本來在真核細(xì)胞中合成的蛋白質(zhì)能在細(xì)菌中合成，打破了種屬界限，開創(chuàng)了利用基因工程技術(shù)在原核細(xì)胞中表達(dá)真核基因產(chǎn)物的時(shí)代。人工合成的生長激素釋放抑制因子14肽的DNA片段與質(zhì)粒重組，在大腸桿菌中合成得到這種14肽。

1978年，人生長激素191肽在大腸桿菌中表達(dá)成功。

1979年，人工合成的人胰島素基因經(jīng)過重組后導(dǎo)入大腸桿菌，在大腸桿菌中合成了人胰島素。運(yùn)用基因定向誘變技術(shù)和重組DNA技術(shù)改造酶或蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使其具有更高的效能和更好的穩(wěn)定性，以滿足人類社會的需求。生物技術(shù)進(jìn)展2024/4/659

用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物獲取治療人類疾病的重要蛋白質(zhì)。如，導(dǎo)入了凝血因子Ⅸ基因的轉(zhuǎn)基因綿羊分泌的乳汁中含有豐富的凝血因子Ⅸ，能有效地用于血友病的治療。

轉(zhuǎn)基因動(dòng)物和基因剔除動(dòng)物2024/4/660

在轉(zhuǎn)基因植物方面取得重大進(jìn)展，比普通西紅柿保鮮時(shí)間更長的轉(zhuǎn)基因西紅柿投放市場。轉(zhuǎn)基因玉米、轉(zhuǎn)基因大豆相繼投入商品生產(chǎn)。我國科學(xué)家將蛋白酶抑制劑基因轉(zhuǎn)入棉花，獲得抗棉鈴蟲的棉花株。

轉(zhuǎn)基因植物和轉(zhuǎn)基因食品2024/4/661四、分子生物學(xué)與醫(yī)學(xué)2024/4/662

1.從機(jī)體表型來認(rèn)識疾病,即根據(jù)現(xiàn)象和檢查所獲知的癥狀與體征。

2.從組織細(xì)胞的病理、生理變化來分析和診斷疾病。使人類積累了十分豐富的醫(yī)學(xué)資料，但都不能從本質(zhì)上真正認(rèn)識疾病發(fā)生的根本原因，更不能從根本上治愈疾病和闡明疾病的發(fā)病機(jī)制。人類對疾病的認(rèn)識：2024/4/663

現(xiàn)代分子生物學(xué)已經(jīng)對醫(yī)學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生了全面而深刻的影響，并逐步形成了一系列以分子冠名的交叉學(xué)科。

如分子遺傳學(xué)、分子免疫學(xué)、分子病理學(xué)、分子血液學(xué)、分子腫瘤學(xué)、分子病毒學(xué)、分子流行病學(xué)等。

由于生命本質(zhì)的高度一致性，使得這些學(xué)科可以使用同一套理論、同一套技術(shù)，來解釋和研究不同的病理、生理現(xiàn)象，甚至治療不同的疾病。2024/4/664

由于分子生物學(xué)的發(fā)展和滲透，各種生理和病理現(xiàn)象都可能從基因水平找到答案。

腫瘤發(fā)生與癌基因和腫瘤抑制基因。

表明生物機(jī)體各種各樣的生命現(xiàn)象及生理和病理表現(xiàn)，幾乎無一不與基因有關(guān)。

藥物的耐藥性與抗藥基因。2024/4/665(一)分子生物學(xué)與醫(yī)學(xué)和生物學(xué)

分子生物學(xué)理論及其技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛滲透對醫(yī)學(xué)的影響尤為巨大，從基因或DNA水平來探討多種多樣的生命現(xiàn)象，基因診斷和基因治療的開展是分子生物學(xué)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用的典范。借助重組DNA技術(shù)而迅猛發(fā)展起來的醫(yī)藥工業(yè)和其他生物高技術(shù)產(chǎn)業(yè)正不斷占領(lǐng)醫(yī)藥市場。2024/4/666（二）分子生物學(xué)與基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)

基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)是整個(gè)醫(yī)學(xué)科學(xué)的基石，分子生物學(xué)不僅是生命科學(xué)的前沿，也是基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的前沿。今后總的發(fā)展趨勢仍然是分子生物學(xué)向醫(yī)學(xué)，特別是基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)廣泛交叉、滲透和影響。2024/4/667

1.對人的生理功能和疾病機(jī)制的研究,已由整體水平、器官水平進(jìn)入到細(xì)胞和分子水平；對生命的了解，由表面現(xiàn)象觀察進(jìn)入了本質(zhì)的探討。2024/4/668

2.基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)中不斷出現(xiàn)新的邊緣學(xué)科，如分子病理學(xué)、分子遺傳學(xué)、分子免疫學(xué)、分子病毒學(xué)、分子生理學(xué)、分子腫瘤學(xué)、分子藥理學(xué)、分子神經(jīng)生物學(xué)等等。

2024/4/6693.傳統(tǒng)上按“形態(tài)”和“機(jī)能”來進(jìn)行基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)各個(gè)學(xué)科劃分的界限已日益模糊,出現(xiàn)了各學(xué)科在分子水平上進(jìn)行整合的趨勢。2024/4/670

4.改變了傳統(tǒng)生物學(xué)的研究方法和策略，直接從基因水平入手,研究基因型和表型的相互關(guān)系。2024/4/671（三）分子生物學(xué)與病理學(xué)

由于分子生物學(xué)向病理學(xué)的滲透,出現(xiàn)“分子病理學(xué)”這樣一個(gè)新學(xué)科。

分子生物學(xué)理論和技術(shù)徹底改變了病理學(xué)和實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)的面貌,開始從基因水平來進(jìn)行疾病診斷。應(yīng)用于分子病理學(xué)的基因檢測技術(shù)，揭示了疾病發(fā)生的分子事件。2024/4/672（四）基因診斷

由于重組DNA技術(shù)的問世,人們對于許多疾病的認(rèn)識,已經(jīng)深入到基因水平。一種從基因水平對疾病進(jìn)行診斷的新技術(shù)──基因診斷技術(shù)得以誕生和發(fā)展。

基因診斷：在DNA水平或RNA水平,應(yīng)用核酸分子雜交技術(shù)、限制性內(nèi)切酶長度多態(tài)性（RFLP）連鎖分析、PCR技術(shù)、DNA序列分析技術(shù)以及近年發(fā)展起來的DNA芯片技術(shù)等,對人類疾病進(jìn)行診斷。2024/4/673

★基因診斷技術(shù)——核酸分子雜交：

Southern印跡雜交技術(shù)：1975年，SouthernEM發(fā)明。從生物體的細(xì)胞中提取基因組DNA，并從中鑒別出某一特異的核苷酸序列。

Northern印跡雜交技術(shù)：1977年AlwineJC等發(fā)明。用于樣品中某種mRNA分子的定量，分子量大小的測定。原理：RNA分子在變性瓊脂糖凝膠中電泳，按分子量大小不同而相互分離，其原理與Southern轉(zhuǎn)移技術(shù)的方法類似。細(xì)胞原位雜交技術(shù)：1969年，Pardue等建立。2024/4/6742024/4/675★基因診斷技術(shù)——聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerasechainreaction,PCR)：1985年，MullisK首創(chuàng)。體外模擬細(xì)胞內(nèi)DNA復(fù)制過程，進(jìn)行體外基因擴(kuò)增。2024/4/676★基因診斷技術(shù)——基因芯片（Genechips）技術(shù)：

基因芯片技術(shù):將大量探針固定于支持物上，與標(biāo)記的樣品進(jìn)行雜交。可一次性對樣品中大量序列進(jìn)行檢測和分析。解決了傳統(tǒng)核酸雜交技術(shù)操作繁雜、檢測效率低的問題。

通過設(shè)計(jì)不同的探針陣列和使用特定的分析方法，使該技術(shù)具有多種不同的應(yīng)用價(jià)值。如基因表達(dá)譜分析、基因突變檢測、多態(tài)性分析、基因診斷等。2024/4/677基因芯片雜交流程示意圖2024/4/678綠色表示下調(diào)；紅色表示上調(diào)；黃色表示無差異多發(fā)性骨髓瘤的基因表達(dá)譜分析2024/4/6792024/4/6802024/4/681★基因診斷的其它技術(shù)：DNA序列分析技術(shù)（DNAsequencing）；限制性內(nèi)切酶長度多態(tài)性（RFLP）分析；PCR-SSCP等。2024/4/682

在法醫(yī)學(xué)中利用DNA指紋圖譜技術(shù)進(jìn)行刑事偵破和親子鑒定。

臨床上對遺傳病、傳染病及常見疾?。ㄈ缒[瘤、心血管疾病等）的診斷。

基因分型。

基因診斷是通過直接檢測目的基因（或該基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物）的存在狀態(tài)對疾病作出診斷的方法?；蛟\斷的用途2024/4/683

基因診斷技術(shù)不僅用于出生后人群的疾病診斷,而且還應(yīng)用于產(chǎn)前基因診斷，這樣可大大減少有先天性疾病或攜帶遺傳性疾病基因的胎兒出世，促進(jìn)優(yōu)生優(yōu)育，提高人口素質(zhì)。產(chǎn)前基因診斷2024/4/684(五)基因治療(genetherapy)

基因治療是分子生物學(xué)理論與技術(shù)的飛速發(fā)展給醫(yī)學(xué)帶來的新的治療手段，開辟了治療學(xué)(therapeutics)的新紀(jì)元?；蛑委熓桥R床醫(yī)學(xué)中發(fā)展起來的新領(lǐng)域，發(fā)展十分迅速。2024/4/685基因轉(zhuǎn)移的兩種途徑載體目的基因invivoexvivo受體細(xì)胞2024/4/686

基因治療技術(shù)的發(fā)展與整個(gè)醫(yī)學(xué)科學(xué)的發(fā)展以及許多分子生物學(xué)新理論、新技術(shù)、新方法的應(yīng)用密切相關(guān)。

臨床基因治療研究已經(jīng)得到了迅速發(fā)展，基因治療的范圍從單基因缺陷遺傳病擴(kuò)大到多基因遺傳?。◥盒阅[瘤、心血管病、免疫性疾病等）以及傳染性疾病（如肝炎、艾滋病等）。2024/4/687

狹義基因治療：目的基因?qū)氚屑?xì)胞后與宿主細(xì)胞內(nèi)的基因發(fā)生整合、成為宿主基因組的一部分，目的基因表達(dá)產(chǎn)物起治療疾病的作用。

廣義基因治療：通過基因轉(zhuǎn)移技術(shù)，使目的基因在細(xì)胞內(nèi)得到表達(dá)，封閉、剪切致病基因的mRNA，或自殺基因產(chǎn)物催化藥物前體轉(zhuǎn)化為細(xì)胞毒性物質(zhì)，殺死腫瘤細(xì)胞，從而達(dá)到治療疾病的目的。2024/4/688

隨著人類基因組遺傳信息的全部破譯和基因功能的澄清，臨床醫(yī)生有可能根據(jù)病人的需要，將外源基因?qū)牖疾〉募?xì)胞，替換有缺陷的基因以治療疾病。

在新的世紀(jì)，可以預(yù)期基因治療將會有一個(gè)更大的發(fā)展。

2024/4/689第一節(jié)基因一、基因概念的發(fā)展二、基因的結(jié)構(gòu)2024/4/690一、基因概念的發(fā)展1909，W.L.Johannsen1910，T.H.Morgan

將遺傳因子改稱為基因（gene）提出基因型和表型的概念證實(shí)基因在染色體上2024/4/6911941，G.W.Beadle&

E.L.Tatum

提出“一個(gè)基因一種酶”學(xué)說

1944，M.McCarty&O.Avery

肺炎球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)1952，A.Hershey&.Chase

T4噬菌體感染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)

證實(shí)DNA是遺傳物質(zhì)鏈孢霉中生化反應(yīng)的遺傳控制2024/4/692異源多聚體

Hemoglobin一個(gè)基因，一條多肽鏈2024/4/693基因的概念：

儲存有功能的蛋白質(zhì)多肽鏈或RNA序列信息，以及表達(dá)這些信息所必需的全部核苷酸序列所構(gòu)成的遺傳單位。2024/4/694(一)結(jié)構(gòu)基因(structuregene)(二)非結(jié)構(gòu)基因二、基因的結(jié)構(gòu)

基因中編碼RNA或蛋白質(zhì)的DNA序列。

結(jié)構(gòu)基因兩側(cè)的一段不編碼的DNA片段(側(cè)翼序列)，參與基因表達(dá)調(diào)控。2024/4/695原核生物的結(jié)構(gòu)基因是連續(xù)的，

RNA合成后不需要剪接加工。（一）結(jié)構(gòu)基因ayz

結(jié)構(gòu)基因非結(jié)構(gòu)基因非結(jié)構(gòu)基因2024/4/696

2.真核生物結(jié)構(gòu)基因DNA編碼序列不連續(xù)，稱為斷裂基因（splitgene/interruptedgene）

由外顯子（編碼序列)和內(nèi)

含子（非編碼序列)兩部分組成，

intron

exon

2024/4/697

5′

3′exon3exon1exon2GTAGGTAG真核基因中RNA剪接的識別信號內(nèi)含子的5′端以GT開始，

3′端以AG結(jié)束。3.GT-AG法則intron2intron12024/4/698(二)非結(jié)構(gòu)基因

參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控的順式作用元件

TATAAAATATTT5′3′3′5′

順式作用元件:(cis-actingelement)

能影響基因表達(dá)，但不編碼RNA和

蛋白質(zhì)的DNA序列。2024/4/699

順式作用元件

啟動(dòng)子和上游啟動(dòng)子元件增強(qiáng)子Poly(A)加尾信號反應(yīng)元件2024/4/61001.啟動(dòng)子和上游啟動(dòng)子元件啟動(dòng)子（promoter）：

RNA聚合酶特異性識別結(jié)合和啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的DNA序列。有方向性，位于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游。2024/4/6101

TATA盒（TATAbox）:

位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游-25bp左右，核心序列TATA（A/T）A（A/T），與TATA結(jié)合蛋白結(jié)合，啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄。-25+1β珠蛋白基因啟動(dòng)子突變:TATAA→TGTAA，降低mRNA的轉(zhuǎn)錄效率→β+地貧。transcriptionstartpoint2024/4/6102上游啟動(dòng)子元件：(upstreampromoterelement)

TATA盒上游的一些特定DNA序列，反式作用因子可與這些元件結(jié)合，調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄效率。2024/4/6103

CAAT盒（CAATbox）：位于-70bp左右，核心序列GGNCAATCT。與CTF結(jié)合，調(diào)控轉(zhuǎn)錄效率。-25+1-70transcriptionstartpoint2024/4/6104

GC盒（GCbox）：

位于-120bp左右，核心序列CCGCC，與轉(zhuǎn)錄因子SP1結(jié)合，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄的過程。+1

-120CCGCCtranscriptionstartpoint

2024/4/6105+1

-80CACA

box-90GCCACACCC

CACA盒（CACAbox）：位于-80～-90bp，核心序列GCCACACC。β珠蛋白基因CACA盒-88,-87,-86點(diǎn)突變,

引起β+地貧。transcriptionstartpoint2024/4/61062.反應(yīng)元件(responseelement)CAATboxTATAbox

promoter

5′3′responseelement

與被激活的信息分子受體結(jié)合，并能調(diào)控基因表達(dá)的特異DNA序列。糖皮質(zhì)激素反應(yīng)元件：cccaaagagctctgtgtcctexon

intron

exonintronexon2024/4/61073.增強(qiáng)子（enhancer）CAATbox

與反式作用因子結(jié)合，增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄活性，在基因任意位置都有效、無方向性。TATAbox

enhancerpromoter

5′3′exon

intron

exonintronexonresponseelement凝血酶原基因增強(qiáng)子-922to-897:

5′-GTGTTCCTGCTCTTTGTCCCTCTGTC-3′3′2024/4/61084.沉默子（silencer）

基因表達(dá)負(fù)調(diào)控元件，與反式作用因子結(jié)合，抑制轉(zhuǎn)錄活性。甲胎蛋白基因沉默子：cttcattaacttaattt2024/4/61095′AATAAAGT3′DNA

mRNA

前體5′AAUAAAGU3′5′AAUAAAAAAAAAAA3′mRNA

結(jié)構(gòu)基因末端保守的AATAAA順序及下游GT或T富含區(qū)，被多聚腺苷酸化特異因子識別，在mRNA3′端加約200個(gè)A。β珠蛋白AATAAA→AACAAA，→β+地貧。5.Poly(A)加尾信號2024/4/6110

CAATboxTATAbox

Enhancerpromoter

基因的結(jié)構(gòu)exonexon非翻譯區(qū)：untranslatedregions，UTRUTRUTRPoly(A)加尾信號5′+1Stop3′結(jié)構(gòu)基因intronintronexonTGAATG開放閱讀框：openreadingframe，ORFresponseelement2024/4/6111小結(jié)1.儲存有功能的蛋白質(zhì)多肽鏈或RNA序列信息，以及表達(dá)這些信息所必需的全部核苷酸序列所構(gòu)成的遺傳單位。2.順式作用元件主要有啟動(dòng)子和上游

啟動(dòng)子元件、增強(qiáng)子、沉默子、反

應(yīng)元件、Poly(A)加尾信號。2024/4/6112第二節(jié)基因組(genome)

基因組：細(xì)胞或生物體一套完整單

倍體的遺傳物質(zhì)的總稱。51619xy22xy2024/4/6113130~375kb痘病毒(Poxvirus)1.不同病毒基因組大小相差較大。一、病毒基因組乙型肝炎病毒（HBV）3.2kb2024/4/6114

DNA基因組多數(shù)為雙鏈、環(huán)狀或線性多數(shù)為單鏈、線性RNA基因組

2.不同病毒基因組可以是不同結(jié)構(gòu)的核酸。單鏈線性RNA雙鏈線性DNA雙鏈線性RNA單鏈環(huán)狀DNA2024/4/6115人類免疫缺陷病毒（HIV）

+ssRNA逆轉(zhuǎn)錄酶核心蛋白膜蛋白3.除逆轉(zhuǎn)錄病毒外，通常為單倍體基因組。2024/4/6116+ssRNA翻譯蛋白質(zhì)

病毒

顆粒mRNA

轉(zhuǎn)錄ssDNA反轉(zhuǎn)錄(+ssRNA)

基因組復(fù)制與基因表達(dá)dsDNA整合2024/4/6117+ssRNA

單鏈線性RNA，二倍體；5′端有甲基化帽，3′端有poly(A)尾。有三個(gè)基本的結(jié)構(gòu)基因：gag、pol、env；5′3′gagpolenv核心蛋白逆轉(zhuǎn)錄酶膜蛋白2024/4/6118膜蛋白刺突蛋白核衣殼蛋白+ssRNASARS冠狀病毒(SARScoronavirus)4.有的病毒基因組是連續(xù)的。2024/4/6119甲型流感病毒（

influenza

Avirus)血凝素（H）神經(jīng)氨酸酶（N）8節(jié)段-ssRNA有的病毒基因組分節(jié)段。2024/4/6120

大T抗原和小t抗原的mRNA有不同的剪接方式。5243bpOri猴病毒

(SV40)基因組小t抗原大T抗原5.有的病毒基因有內(nèi)含子。2024/4/6121功能相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄成多順反子mRNA；0102030405060708090100%E4E2BE2AE1AE1BE3L2L3L4L5L16.病毒基因組大部分為編碼序列；腺病毒

(adenovirus)基因組2024/4/6122噬菌體ΦX174基因組利用有限的核酸貯存更多的遺傳信息，提高自身在進(jìn)化過程中的適應(yīng)能力。5386nt編碼2500個(gè)氨基酸5386nt編碼2500個(gè)氨基酸7.基因重疊（geneoverlap）2024/4/6123dsDNA開環(huán)部分雙鏈DNA基因組乙型肝炎病毒（HBV）基因組HBcAg3182bp3182bpHBsAg聚合酶HBcAgHBeAg2024/4/6124dsDNA翻譯蛋白質(zhì)mRNA轉(zhuǎn)錄

基因組復(fù)制與基因表達(dá)-ssDNA反轉(zhuǎn)錄+ssDNA復(fù)制

病毒

顆粒dsDNAcccDNA修復(fù)2024/4/6125病毒基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2.除逆轉(zhuǎn)錄病毒外，為單倍體基因組；1.不同病毒基因組可以是不同結(jié)構(gòu)的核酸；3.病毒基因組有的是連續(xù)的，有的分節(jié)段；4.有的基因有內(nèi)含子；5.病毒基因組大部分為編碼序列；7.功能相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄為多順反子mRNA。6.有基因重疊現(xiàn)象；2024/4/6126二、原核生物基因組細(xì)菌染色體DNA質(zhì)粒DNA以大腸桿菌（Escherichiacoli）為例2024/4/6127類核（nucleoid）：細(xì)菌染色體在

細(xì)胞內(nèi)形成的一個(gè)致密區(qū)域大腸桿菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)nucleoid2024/4/6128（一）由一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成，

通常只有一個(gè)DNA復(fù)制起始點(diǎn)。大腸桿菌染色體DNA大腸桿菌4000K3000K2000K1000K0OriCTerCC-Value:4.6×106bp2024/4/6129(二)結(jié)構(gòu)基因大多組成操縱子乳糖操縱子(lacoperon)tayz

opstructural

genespromoterterminatoroperator半乳糖苷酶z透酶y

半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶a

操縱子(operon):多個(gè)功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因成簇串聯(lián)排列，與上游共同的調(diào)控區(qū)和下游轉(zhuǎn)錄終止信號組成的基因表達(dá)單位。2024/4/6130原核生物的mRNA是多順反子mRNAPromoterGene1Gene2Gene3TerminatorDNATranscriptionmRNA3′1235′TranslationProteins123

多順反子mRNA(polycistronicmRNA):

原核生物的一個(gè)mRNA分子帶有幾個(gè)

結(jié)構(gòu)基因的遺傳信息，利用共同的啟動(dòng)

子及終止信號，組成操縱子的基因表達(dá)

調(diào)控單元。2024/4/6131（三）非編碼區(qū)主要是調(diào)控序列：復(fù)制起始區(qū)（OriC）復(fù)制終止區(qū)（TerC）轉(zhuǎn)錄起動(dòng)區(qū)轉(zhuǎn)錄終止區(qū)2024/4/6132復(fù)制起始區(qū)（OriC）E.colioricregion(250bp)13-mers9-mers2024/4/6133GA

CCGCCGCU

GGCGGCAUUUU-OH3′5′UUC

G

G5′…GCCGCCAGUUCGGCUGGCGGCAUUUU…3′RNA5′…GCCGCCAGTTCGGCTGGCGGCATTTT…3′DNA強(qiáng)終止子：有反向重復(fù)順序，可形成

莖環(huán)結(jié)構(gòu)，其后為poly(T)。轉(zhuǎn)錄終止區(qū)2024/4/6134（四）存在可移動(dòng)的DNA序列

轉(zhuǎn)座（transposition）：轉(zhuǎn)座因子在基因組不同位置間的移動(dòng)。

轉(zhuǎn)座因子（transposableelement）：能夠在一個(gè)DNA分子內(nèi)部或兩個(gè)DNA

分子之間移動(dòng)的DNA片段。2024/4/61351.轉(zhuǎn)座因子的類別

Is3

轉(zhuǎn)座酶(1)插入序列（insertionsequence,Is）

小于2000bp，只有轉(zhuǎn)座相關(guān)基因2kb2024/4/6136Tn3轉(zhuǎn)座酶Tn10

轉(zhuǎn)座酶(2)轉(zhuǎn)座子（transposon，Tn）

2~20kb，常帶有抗性基因等其它基因氨芐青霉素抗性

四環(huán)素抗性2kb2024/4/6137(3)可轉(zhuǎn)座的噬菌體轉(zhuǎn)座酶頭尾部蛋白轉(zhuǎn)座酶結(jié)合位點(diǎn)

轉(zhuǎn)座酶

結(jié)合位點(diǎn)宿主DNA宿主DNA37kbABMu噬菌體2024/4/6138簡單轉(zhuǎn)座是轉(zhuǎn)座因子從原來位置上切除并轉(zhuǎn)移到基因組新的位置復(fù)制性轉(zhuǎn)座是轉(zhuǎn)座因子復(fù)制出一個(gè)新拷貝轉(zhuǎn)移到基因組新的位置2.轉(zhuǎn)座作用的機(jī)制供體DNA轉(zhuǎn)座子受體DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)座新的DNA切除和連接2024/4/6139轉(zhuǎn)座子FEABCD

復(fù)制插入

轉(zhuǎn)座子新拷貝

FEABC

D

引起插入突變

基因F被隔斷而失去功能

攜帶標(biāo)志基因使受體增添新基因2024/4/6140（五）其它結(jié)構(gòu)特點(diǎn)C值：4,639,221bp基因數(shù)：4288基因大?。?50bp/gene基因間隔：118bp/２gene1.基因密度非常高，基因組中編

碼區(qū)大于非編碼區(qū)；2.結(jié)構(gòu)基因沒有內(nèi)含子，多為

單拷貝，結(jié)構(gòu)基因無重疊現(xiàn)象；3.重復(fù)序列很少，重復(fù)片段為

轉(zhuǎn)座子；

4.有編碼同工酶的等基因（isogene）2024/4/6141分支酸別構(gòu)酶ilvBNacetolactatesynthaseⅠilvIHacetolactatesynthaseⅢ乙酰乳酸合酶entCisochorismatesynthaseentBisochorismatase2024/4/6142（六）質(zhì)粒(plasmid)

質(zhì)粒是存在于細(xì)菌染色體外的，具有自主復(fù)制能力的環(huán)狀雙鏈DNA分子。2024/4/6143質(zhì)粒的特性

在宿主細(xì)胞內(nèi)可自主復(fù)制；

所攜帶的遺傳信息能賦予宿主特

定的遺傳性狀；

細(xì)胞分裂時(shí)恒定地傳給子代；

質(zhì)?？梢赞D(zhuǎn)移。2024/4/61441.基因組由一條環(huán)狀雙鏈DNA組成；2.只有一個(gè)復(fù)制起始點(diǎn)；3.大多數(shù)結(jié)構(gòu)基因組成操縱子結(jié)構(gòu)；5.無內(nèi)含子，轉(zhuǎn)錄后不需要剪接；4.結(jié)構(gòu)基因無重疊現(xiàn)象；原核生物基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)6.基因組中編碼區(qū)大于非編碼區(qū)7.重復(fù)基因少，結(jié)構(gòu)基因一般為單拷貝；9.基因組中存在可移動(dòng)的DNA序列；10.非編碼區(qū)主要是調(diào)控序列。8.有編碼同工酶的等基因；2024/4/6145三、真核生物基因組

人類染色體核型由染色體DNA和線粒體DNA組成。人類線粒體DNA2024/4/61461.基因家族（genefamily）

（1）基因超家族（supergenefamily）由多基因家族及單基因組成，成員間有不同程度的同源，但它們的功能不一定相同。

是指一組有類似功能，核苷酸序列又有同源性的基因。2024/4/6147（2）核酸序列相同

組蛋白基因家族多拷貝基因形成的基因簇，

rRNA、tRNA、組蛋白基因家族。

非洲爪蟾的5SRNA基因結(jié)構(gòu)5SRNA基因非轉(zhuǎn)錄空隔區(qū)2024/4/6148（3）核苷酸序列高度同源人生長激素（hGH）與人胎盤催乳素（hCS）序列比對2024/4/6149（4）編碼產(chǎn)物的功能或功能區(qū)相同PKCfamilyofproteins(human)2024/4/6150（5）假基因（pseudogene,Ψ）

GA

21Alu10kb珠蛋白基因簇中的假基因

與有功能的基因相似，不表達(dá)或表達(dá)產(chǎn)物沒有功能。2024/4/6151TranslationTranscriptionmRNADNAProteinPromoterStructureGene3′5′2.單順反子mRNA(monocistronicmRNA)

真核生物的一個(gè)編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個(gè)mRNA。2024/4/6152(1)單拷貝序列（低度重復(fù)序列）：

在單倍體基因組中只出現(xiàn)一次或數(shù)次，結(jié)構(gòu)基因主要是單拷貝序列。3.染色體DNA的類型2024/4/6153(2)中度重復(fù)序列:tRNA、rRNA組蛋白、免疫球蛋白可能與基因調(diào)控相關(guān)序列重復(fù)次數(shù)10-105。2024/4/6154(3)高度重復(fù)序列

（highlyrepetitivesequences）B.串聯(lián)重復(fù)序列（tandemrepeats）A.反向重復(fù)序列

（invertedrepeats)重復(fù)次數(shù)>106次衛(wèi)星DNA（satelliteDNA）2024/4/6155A.

反向重復(fù)序列5′AAACCACCGCTGGTAGCGGTGGTTT3′

3′TTTGGTGGCGACCATCGCCACCAAA5′5′AAACCACCGCTAGCGGTGGTTT3′3′TTTGGTGGCGATCGCCACCAAA5′回文結(jié)構(gòu)

兩個(gè)順序列相同的拷貝在DNA鏈上呈反向排列。2024/4/6156TC

GCCAAGCGGTGGTTT3′GAC

TG5′AAACCC

GTG

GCGACCAAA5′TCA3′TTTGGACCGCT形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)2024/4/6157B.串聯(lián)重復(fù)序列（衛(wèi)星DNA）

有相同的核心序列,多為2～70bp。

主帶光密度

衛(wèi)星DNA數(shù)浮力密度2024/4/6158a.大衛(wèi)星（macro-satellite）DNA：

重復(fù)單位5~10bp，其多態(tài)性不顯著。

光密度260nm果蠅基因組ACAAACTACAAACTATAAACTATAAACTACAAATTACAAATT

衛(wèi)星帶浮力密度主帶2024/4/6159b.小衛(wèi)星（mini-satellite）DNA：重復(fù)單位9～24bp，呈高度多態(tài)性。

可變數(shù)目串聯(lián)重復(fù)序列

（variablenumberoftandemrepeat,VNTR）

端粒DNA：（TTAGGG）n，2～20kb，

染色體復(fù)制，末端保護(hù)。

核心序列：GGGCAGGAXG2024/4/6160c.微衛(wèi)星DNA

(micro-satelliteDNA)即短串聯(lián)重復(fù)(shorttandemrepeat,STR)。重復(fù)單位2~6bp，常見為(AC)n和(TG)n；重復(fù)次數(shù)10~60次，總長度小于150bp；高度多態(tài)性，可作遺傳標(biāo)記。2024/4/6161遺傳信息傳遞中心法則2024/4/6162

生物基因組中結(jié)構(gòu)基因所攜帶的遺傳信息，經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯等一系列過程，合成具有特定的生物學(xué)功能和生物學(xué)效應(yīng)的RNA或蛋白質(zhì)的全過程。一、基因表達(dá)的概念2024/4/6163二、基因表達(dá)的特點(diǎn)（一）時(shí)間特異性

發(fā)育階段特異性

（二）空間特異性

組織細(xì)胞特異性2024/4/6164

按對刺激的反應(yīng)性分為兩大類：（一）基本（組成性）表達(dá)

基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個(gè)體各個(gè)生長階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)，或變化很小。如管家基因。三、基因表達(dá)的方式2024/4/6165（二）誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)誘導(dǎo)表達(dá)(inductionexpression)阻遏表達(dá)(repressionexpression)協(xié)調(diào)表達(dá)(coordinanceexpression)

在一定機(jī)制下，功能相關(guān)的一組基因，協(xié)調(diào)一致，共同表達(dá)。2024/4/6166

四、基因表達(dá)調(diào)控的概念

機(jī)體各種細(xì)胞中含有的相同遺傳信息(相同的結(jié)構(gòu)基因)，根據(jù)機(jī)體的不同發(fā)育階段、不同的組織細(xì)胞及不同的功能狀態(tài)，選擇性、程序性地表達(dá)特定數(shù)量的特定基因的過程。2024/4/6167五、基因表達(dá)的調(diào)控因子

蛋白質(zhì)(主要)

小分子RNA(某些環(huán)節(jié))2024/4/6168六、基因表達(dá)調(diào)控水平

基因組

轉(zhuǎn)錄

轉(zhuǎn)錄后

翻譯

翻譯后2024/4/6169

第一節(jié)

原核生物基因表達(dá)調(diào)控

原核生物基因表達(dá)調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平，其次是翻譯水平。

本節(jié)主要以大腸桿菌為例介紹原核生物基因表達(dá)的調(diào)控。2024/4/6170一、原核生物基因表達(dá)的特點(diǎn)

1.只有一種RNA聚合酶2.基因表達(dá)以操縱子為基本單位2024/4/6171操縱子學(xué)說開創(chuàng)了基因表達(dá)調(diào)控的研究F.Jacob

J.L.Monod

2024/4/6172操縱子模型ppromoter調(diào)控序列結(jié)構(gòu)基因：多個(gè)串聯(lián)ayzstructuralgene操縱子(operon)

:一個(gè)多順反子轉(zhuǎn)錄單位與其調(diào)控序列即構(gòu)成操縱子。2024/4/6173PromoterGene1Gene2Gene3TerminatorDNATranscriptionmRNA3′1235′TranslationProteins123原核生物的mRNA是多順反子mRNA2024/4/61743.轉(zhuǎn)錄和翻譯偶聯(lián)進(jìn)行；4.mRNA翻譯起始部位有特殊的堿基序列—SD序列。共有序列為AGGAGG2024/4/6175

5.原核生物基因表達(dá)調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平，即對RNA合成的調(diào)控。

通常有兩種方式：

(1)起始調(diào)控，即啟動(dòng)子調(diào)控

(2)終止調(diào)控(衰減子調(diào)控)2024/4/6176二、原核生物基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)制

(一)轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控

(二)轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)控

(三)翻譯水平的調(diào)控

2024/4/6177(一)轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控

1.б因子與轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控

核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)

2024/4/6178調(diào)控RNA聚合酶與特異DNA區(qū)域結(jié)合：確保RNA聚合酶與特異啟動(dòng)子序列穩(wěn)定結(jié)合，而不是與其它位點(diǎn)結(jié)合。(1)б因子2024/4/6179

不同的σ因子決定RNA聚合酶對一個(gè)或一套啟動(dòng)子序列的特異性識別和結(jié)合能力。最早發(fā)現(xiàn)的σ因子：σ70新發(fā)現(xiàn)：σ32、σ54

、σ282024/4/6180(2)啟動(dòng)子序列RNA轉(zhuǎn)錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBAD

TTGACA

TATAAT共有序列2024/4/6181

共有序列決定啟動(dòng)子序列的轉(zhuǎn)錄活性強(qiáng)弱。

某些特異因子（蛋白質(zhì)）決定RNA聚合酶對一個(gè)或一套啟動(dòng)子序列的特異性識別和結(jié)合能力。2024/4/6182

2.轉(zhuǎn)錄起始的負(fù)調(diào)控

乳糖操縱子（lactoseoperon,lac）是原核生物基因轉(zhuǎn)錄負(fù)調(diào)控的最典型模式。2024/4/6183

乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶阻遏基因I

調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn)

啟動(dòng)子操縱元件ZYAOPDNA2024/4/6184mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時(shí)阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)阻遏基因2024/4/6185誘導(dǎo)劑（inducer）乳糖

1,6-別乳糖異丙基硫代半乳糖苷（IPTG）2024/4/6186

操縱元件在操縱子的位置是從-7至+28，RNA聚合酶所占的區(qū)域是從-35至+20，兩者有部分重疊，因此阻遏蛋白和RNA聚合酶與DNA的結(jié)合是相互排斥的。2024/4/6187

與lac阻遏蛋白結(jié)合的操縱基因區(qū)域具有反向重復(fù)序列，能與蛋白質(zhì)特異結(jié)合的DNA特征性結(jié)構(gòu)。

-10+1+10+20+30.....5′ATGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACAGGAA3′3′TACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGTCCTT5′

2024/4/61883.轉(zhuǎn)錄起始的正調(diào)控

阿拉伯糖操縱子是正調(diào)控的典型例子。

阿拉伯糖操縱子的基因結(jié)構(gòu)圖

2024/4/6189AraC對阿拉伯糖操縱子的調(diào)節(jié)2024/4/6190轉(zhuǎn)錄活性提高50倍無葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)乳糖操縱子中CAP的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP2024/4/6191

cAMP:環(huán)一磷酸腺苷CAP：分解代謝基因激活蛋白質(zhì)(catabolitegeneactivatorprotein，CAP)

CAP的活性依賴cAMP，形成cAMP-CAP復(fù)合物，促進(jìn)多種操縱子轉(zhuǎn)錄起始。cAMP與葡萄糖相關(guān)性：

葡萄糖↑，cAMP↓

葡萄糖↓，cAMP↑2024/4/6192

4．轉(zhuǎn)錄起始的復(fù)合調(diào)控

在大腸桿菌的許多操縱子中，基因的轉(zhuǎn)錄不是由單一因子調(diào)控的，而是通過負(fù)調(diào)控因子和正調(diào)控因子進(jìn)行復(fù)合調(diào)控。糖代謝有關(guān)的操縱子，如lac操縱子。

2024/4/6193

阻遏蛋白與cAMP-CAP對乳糖操縱子轉(zhuǎn)錄的調(diào)控2024/4/6194

※單純?nèi)樘谴嬖跁r(shí)，細(xì)菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時(shí)，細(xì)菌首先利用葡萄糖?！咸烟菍ac

操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏。

2024/4/6195

（二）轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)控轉(zhuǎn)錄終止調(diào)控方式分兩大類：A.依賴ρ因子的終止調(diào)控B.不依賴ρ因子的終止調(diào)控例：色氨酸操縱子的表達(dá)調(diào)控2024/4/6196色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)及其調(diào)控方式

2024/4/6197

色氨酸操縱子mRNA引導(dǎo)序列不同區(qū)域互補(bǔ)所形成的不同二級結(jié)構(gòu)

2024/4/6198色氨酸豐富時(shí)，核蛋白體順利沿引導(dǎo)序列移動(dòng)直達(dá)最后一個(gè)密碼子UGA，合成完整的引導(dǎo)肽。RNA聚合酶停止在衰減子部位。2024/4/6199色氨酸缺乏時(shí)，核蛋白體終止在1區(qū)Trp密碼子部位，RNA聚合酶通過衰減子區(qū)域而繼續(xù)轉(zhuǎn)錄。

2024/4/6200

(三)翻譯水平的調(diào)控

翻譯一般在起始和終止階段受到調(diào)節(jié)。調(diào)控分子:RNA、蛋白質(zhì)

直接或間接決定翻譯起始位點(diǎn)能否為核蛋白體所利用。

2024/4/62011.反義RNA的調(diào)控作用

反義RNA

能與特定mRNA互補(bǔ)結(jié)合的RNA片段。天然的具有功能的反義RNA分子一般在200個(gè)堿基以下。2024/4/6202反義RNA有三種作用方式：①與mRNA5ˊ端非翻譯區(qū)包括SD序列相結(jié)合，直接抑制翻譯。②與mRNA5ˊ端編碼區(qū)起始密碼子AUG結(jié)合，抑制mRNA翻譯起始。

③與mRNA的非編碼區(qū)互補(bǔ)結(jié)合，使mRNA構(gòu)象改變，影響其與核糖體結(jié)合，間接抑制了mRNA的翻譯。2024/4/6203

反義RNA調(diào)控Tn10轉(zhuǎn)位酶基因的表達(dá)2024/4/62042.RNA穩(wěn)定性與調(diào)控的關(guān)系mRNA穩(wěn)定性與其序列和結(jié)構(gòu)有關(guān)。3.蛋白質(zhì)合成的自身調(diào)控

如：核糖體蛋白2024/4/6205第二節(jié)真核生物基因表達(dá)的調(diào)控

單細(xì)胞真核生物，如酵母基因表達(dá)的調(diào)控和原核生物表達(dá)的調(diào)控基本相同。多細(xì)胞真核生物，遺傳信息從細(xì)胞核的基因組DNA傳遞到基因編碼的蛋白質(zhì)均受到多層次的調(diào)控。2024/4/6206一、真核生物基因表達(dá)的特點(diǎn)

1.細(xì)胞的全能性

2.基因表達(dá)的時(shí)間性和空間性2024/4/6207Gγ

δ

β

Aγ

ζ2α2α1HbGrow1HbPorlandHbGrowⅡ

HbFHbA2HbA胚胎期胎兒期成人期不同發(fā)育時(shí)期珠蛋白基因表達(dá)和血紅蛋白分子類型胚胎期胎兒期和成人期ε2024/4/6208

3.轉(zhuǎn)錄和翻譯分開進(jìn)行

4.

初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物要經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后加工修飾初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為核不均一RNA（heterogeneousnuclearRNA,

hnRNA）5.部分基因多拷貝

6.不存在操縱子結(jié)構(gòu)

真核生物的mRNA是單順反子mRNA(monocistronicmRNA)2024/4/6209TranslationTranscriptionmRNADNAProteinPromoterGene3′5′單順反子mRNA

(monocistronicmRNA)2024/4/6210（一）基因組DNA水平的調(diào)控

1.染色質(zhì)丟失

不可逆調(diào)控。如一些低等生物（如線蟲）體細(xì)胞發(fā)育過程中發(fā)生染色質(zhì)丟失。二、真核生物基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)制2024/4/62112.基因擴(kuò)增（geneamplification）

當(dāng)細(xì)胞對某種基因產(chǎn)物需要量劇增，單純靠調(diào)節(jié)其表達(dá)活性不足以滿足需要，只有增加這種基因的拷貝數(shù)。2024/4/62123.基因重排：（generearrangement）VJCVJCVJC免疫球蛋白IgG基因重排

指某些基因片段改變原來存在順序而重新排列組合，