分子生物学基因的结构和功能

第一章 基因的结构与功能Chapter 1 Structure and Function of Gene第一篇 分子生物学基本原理n 基因（ gene） 是指核酸分子中贮存与表达遗传信息的单位。n 大多数生物的遗传信息贮存于 DNA分子。在某些生物，如 RNA病毒以 RNA作为遗传信息的载体。DNA的化学 结 构一 级结 构（ primary structure）指 DNA分子中核苷酸的排列 顺 序 二 级结 构（ secondary structure）指两条 DNA单链 形成的双螺旋 结 构三 级结 构（ tertiary structure）指双 链 DNA进 一步扭曲 盘 旋形成的超螺旋 结 构在原核生物中， 染色体 DNA通常为双链环状，与蛋白质构成复合体，以 类核（nucleoid） 结构存在于细胞中。在真核生物细胞中，双螺旋的 DNA分子与蛋白质组装，形成称为 染色质 (chromatin)的高级结构。染色质的基本结构单位 核小体由 4种核心组蛋白各 2分子形成八聚体DNA双链缠绕在组蛋白八聚体上形成核心颗粒，每圈 80bp，约 146bp核心颗粒之间由约60bp的 DNA与组蛋白 H1构成连接区连接每个核小体单位包含约 200bp的 DNA链n 一次折叠：核小体形成；n 二次折叠：核小体卷曲（每周 6个）形成直径 30nm的襻状结构；n 三次折叠： 30nm的纤维折叠成柱状结构。n 参与染色质形成的蛋白质主要包括 组蛋白 和非组蛋白 两大类。组蛋白： 属于碱性蛋白质，富含 Arg和 Lys残基，共有 5种。核心 组 蛋白 H2A， H2B， H3， H4连 接 组 蛋白 H1核心组蛋白在结构上非常保守，且均由球形部和尾部组成。球形部借 Arg残基与 DNA分子作用，参与形成核小体。尾部是无序的，从两圈DNA中伸展至核小体外，与各种翻译后修饰有关。非组蛋白： 是染色体上结合特异 DNA序列的蛋白质，又称为序列特异 DNA结合蛋白。非组蛋白的特点有：富含酸性氨基酸残基，属于酸性蛋白质；在整个细胞周期中都可合成；能识别并结合特异的 DNA序列；其主要功能是参与 DNA复制和基因表达调控。n 根据基因产物不同，分为蛋白质基因和RNA基因。n 根据基因的功能，分为 结构基因 和 调节基因。一、 结构基因n概念：n 结构基因（ structural gene） 是指能够编码特定 RNA分子或蛋白质分子的遗传单位。n结构基因的特点：n原核生物结构基因编码序列是连续的。n真核生物结构基因编码序列是不连续的，称为 断裂基因 （split gene）。通常需要进行转录后剪接加工。n 在真核结构基因中，能够在成熟 RNA分子 中保留的序列称为 外显子 （ exon）， 而不能在成熟RNA分子中保留的序列称为 内含子（ intron） 。n 高等真核生物内绝大部分编码蛋白质的结构基因都有内含子，只有组蛋白编码基因例外。 内含子数目 =外显子 -1二、基因的调控序列n 与结构基因转录表达调控相关的非编码序列称为 调控基因（ regulating gene） 或 调控序列（ regulating sequence） 。n 原核生物的调控基因启动子（ promoter） ：指位于结构基因上游，并与 RNA聚合酶识别、结合和启动转录有关的一段特殊 DNA序列。 启动子序列不出现于 RNA产物中，仅提供转录起始信号。n 原核生物启动子，如 E.coli启动子，通常长约4060bp，可分为 转录起始部位 （ +1bp）、 Pribnow盒 （ -10bp）和 转录起始识别部位（ -35bp）三部分。原核生物启动子的共有序列强弱每个人的基因里都有一段幸福因子，当我 们 相遇 时 ， 启 动 子开 始启 动 ，因 为 没有 终 止子，所以会一直 转录 、翻 译 下去，并不断地表达，于是我 们拥 有了无 穷 无尽的幸福。DNARNA-pol终止子（ terminater） ：指位于结构基因下游的一段富含 GC的具有回文特征的特殊DNA序列，该序列转录生成的 RNA能够形成特殊的发卡结构并导致 RNA聚合酶从 DNA模板上脱离，促使转录过程终止 。操纵元件（ operator） ：指位于结构基因上游的一段 DNA序列 ，该序列能够被阻遏蛋白识别并结合，从而阻止结构基因的转录。正调控蛋白结合位点：指 常出现于弱启动子附近的一段特殊的 DNA序列，能与 某些具有转录激活作用的正调控蛋白识别结合，从而 加快转录的启动。大肠杆菌乳糖操纵子的基因序列n 真核生物的调控基因启动子（ promoter） ：与原核生物类似，也是指位于结构基因上游，并与RNA聚合酶识别、结合和启动转录有关的一段特殊DNA序列。由于真核生物中存在三种不同的 RNA聚合酶，因此相应的启动子也被分为 、 、 三类，这三类启动子在结构上存在差异。真核生物启动子的种类和性质 类 启 动 子 类 启 动 子 类 启 动 子结 合的 RNA聚合 酶 聚合 酶 聚合 酶 聚合 酶 组 分 核心元件和上游 调 控元件 TATA盒、上游启动 子元件和 转录 起始位点A盒、 B盒和 C盒转录产 物 rRNA mRNA和miRNA5S rRNA、 tRNA、snRNA增强子（ enhancer） ：是位于结构基因上游（ -100 -300bp）、基因之外或内含子中的特殊 DNA序列 ，该序列能被蛋白因子识别结合，促进邻近基因的转录表达。n 沉默子 (silencer)：负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。poly(A)信号 ：位于结构基因下游的加尾信号，其保守序列为 AATAAA。该序列也参与 RNA转录终止。增 强 子 启 动 子 poly(A)信号结 构基因依据底物不同分类DNA酶 (deoxyribonuclease, D