基因MicrosoftPowerPoint演示文稿

1、第一章 基因第一节 基因是遗传的基本单位一、基因一词的由来及其含义的演变（一）从遗传因子到基因1865年Mendel提出了遗传因子学说30年代发现染色体是由核酸和蛋白质组成的1903年Sutton和Bovery提出遗传因子就在染色体上。1909年Johansen将遗传因子改称为基因，并提出基因型和表现型的概念。基因型：逐代传递下去的成对因子的集合，因子中一个来源于父本, 另一个来源于母本。表现型：一些容易区分的个体特征的总和。1910年Morgan发现有些基因的传代在不同性别的果蝇有着不同的方式，表现为与“性染色体”的传递方式一致。 证实了性染色体在性别决定中的作用 遗传因子是由染色体携带的假

2、说 发现基因的连锁、交换和不分离现象Oswald Avery （1877-1955）R型细菌：无毒型肺炎球菌S型细菌：有毒型肺炎球菌肺炎球菌转化实验肺炎球菌转化实验DNA是遗传的物质基础是遗传的物质基础1997年Wilmut做出了克隆羊Dolly1952年Chase等利用病毒也证实了DNA是 遗传物质的携带者。1982年Palmiter等建立了转基因小鼠基因是编码RNA或多肽链的核酸片段，是遗传结构和功能的基本单位。 （二）基因含义的演变1941年，Beadle和Tatum以链孢霉菌为材料进行生化遗传研究，提出了“一个基因一种酶”的假说 。“一个基因一条多肽链” 的概念。 脱氧核糖核酸（脱氧核

3、糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA）遗传信息的贮存和携带者遗传信息的贮存和携带者 核糖核酸（核糖核酸（ribonucleic acid，RNA） 参与遗传信息的表达参与遗传信息的表达一、 核酸的基本组成单位核苷酸核酸的构成核酸的构成(一)、核苷酸的组成 1. 碱基碱基嘌呤（嘌呤（purine）: 腺嘌呤（腺嘌呤（adenine，A） 鸟嘌呤（鸟嘌呤（guanine，G）嘧啶（嘧啶（pyrimidine）: 胞嘧啶（胞嘧啶（cytosine，C） 胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（thymine，T） 尿嘧啶（尿嘧啶（uracil，U）构成核苷酸的主要碱基构成核苷酸的主要碱基核酸中的

4、部分稀有碱基碱基的互变异构碱基的互变异构嘌呤和嘧啶碱基都嘌呤和嘧啶碱基都是含氮杂环化合物，是含氮杂环化合物，分子中的酮基或氨分子中的酮基或氨基均位于杂环上氮基均位于杂环上氮原子的邻位，受介原子的邻位，受介质中质中pH的影响，的影响，会发生酮式会发生酮式-烯醇烯醇式互变异构，或氨式互变异构，或氨基基-亚氨基互变异亚氨基互变异构构碱基的紫外吸收性质 嘌呤环和嘧啶环中含有共轭双键，因而都嘌呤环和嘧啶环中含有共轭双键，因而都有吸收紫外光的性质，吸收高峰在波长有吸收紫外光的性质，吸收高峰在波长260nm左右。左右。 在研究核酸、核苷酸、核苷及碱基时，可在研究核酸、核苷酸、核苷及碱基时，可以此对核酸进行定

5、性及定量分析。另外，紫以此对核酸进行定性及定量分析。另外，紫外线照射可引起外线照射可引起DNA突变，也是由于存在于突变，也是由于存在于DNA中的核苷酸吸收紫外光所造成的。中的核苷酸吸收紫外光所造成的。一、核苷酸的组成 2. 戊糖戊糖 一、核苷酸的组成 3. 核苷与核苷酸核苷与核苷酸 不同类型的核苷酸不同类型的核苷酸构成DNA及RNA的碱基、核苷和核苷酸构成DNA及RNA的碱基、核苷和核苷酸(二) 核苷酸的连接方式二、 DNA的结构(一) DNA的一级结构 组成组成DNA分子的脱氧核糖核苷酸主要有分子的脱氧核糖核苷酸主要有四种，即脱氧腺苷酸（四种，即脱氧腺苷酸（dAMP）、脱氧鸟苷酸）、脱氧鸟苷

6、酸（dGMP）、脱氧胞苷酸（）、脱氧胞苷酸（dCMP）和脱氧胸）和脱氧胸苷酸（苷酸（dTMP）。）。DNA分子的一级结构就是这分子的一级结构就是这四种脱氧核糖核苷酸的排列顺序，或者四种碱四种脱氧核糖核苷酸的排列顺序，或者四种碱基的顺序。基的顺序。 (二) DNA的二级结构Erwin Chargaff （19051995）Chargaff s rule： A%T% G%C%DNA 分子分子X射线衍射照片射线衍射照片 Rosalind Franklin James Watson & & Francis Crick DNA双螺旋结构示意图双螺旋结构示意图碱基互补原则：碱基互补原则：腺

7、嘌呤（腺嘌呤（A）总是跟胸腺嘧啶（）总是跟胸腺嘧啶（T）配对，形成两个）配对，形成两个氢键；鸟嘌呤（氢键；鸟嘌呤（G）总是跟胞嘧啶（）总是跟胞嘧啶（C）配对，形成）配对，形成三个氢键三个氢键碱基互补原则碱基互补原则（三）DNA二级结构的多样性 上述上述DNA的二级结构特征是以的二级结构特征是以B-DNA为为模型。模型。B-DNA是是DNA分子在生理条件下最稳定分子在生理条件下最稳定的结构，如果改变溶液的离子强度或相对湿度，的结构，如果改变溶液的离子强度或相对湿度，DNA螺旋结构的上述特征都会发生变化。螺旋结构的上述特征都会发生变化。不同类型的不同类型的DNA双螺旋结构双螺旋结构三股螺旋三股螺旋

8、 DNA(三) DNA的高级结构 所有生物的基因组所有生物的基因组DNA的长度通常比含有的长度通常比含有DNA的细胞直径大得多。因此，的细胞直径大得多。因此，DNA在形成双在形成双螺旋结构的基础上，必须进一步折叠成超级螺螺旋结构的基础上，必须进一步折叠成超级螺旋结构，并且在蛋白质的参与下，再进行精密旋结构，并且在蛋白质的参与下，再进行精密的包装，。这样，的包装，。这样， DNA才能存在于小小的细胞。才能存在于小小的细胞。甚至细胞核中。甚至细胞核中。 1. 原核生物细胞中DNA的组装 绝大部分原核生物的绝大部分原核生物的DNA都是闭合环状都是闭合环状双螺旋结构，裸露而不与蛋白质结合，这种双双螺旋

9、结构，裸露而不与蛋白质结合，这种双螺旋分子还进一步螺旋化形成超螺旋结构。环螺旋分子还进一步螺旋化形成超螺旋结构。环状状DNA分子的生物活性形式为超螺旋结构。分子的生物活性形式为超螺旋结构。 环状环状DNA结构示意图结构示意图2. 真核生物细胞中DNA的组装 在真核细胞内，由于在真核细胞内，由于DNA分子较原核细分子较原核细胞大得多，所以它们压缩得更为致密。真核细胞大得多，所以它们压缩得更为致密。真核细胞的胞的DNA与蛋白质结合，以染色质与蛋白质结合，以染色质（chromatin）或染色体（）或染色体（chromosome）的形）的形式存在于细胞核内。它们的基本结构单位都是式存在于细胞核内。它们

10、的基本结构单位都是核小体（核小体（nucleosome）。）。 核小体结构示意图核小体结构示意图 DNA的高级结构从核小体至染色体 三、 DNA的理化性质(一)核酸的一般性质 核酸溶液的黏度比较大核酸溶液的黏度比较大 ，核酸粘度降低或消失，即意味着变性或降解。，核酸粘度降低或消失，即意味着变性或降解。 DNA分子的长度与直径之比达到分子的长度与直径之比达到107，极易在机械力的作用下发生断裂。，极易在机械力的作用下发生断裂。(二)核酸的紫外吸收 嘌呤和嘧啶碱基具有共轭双键，这使核苷、嘌呤和嘧啶碱基具有共轭双键，这使核苷、核苷酸及核酸可以吸收紫外光，最大吸收峰位于核苷酸及核酸可以吸收紫外光，最大

11、吸收峰位于波长波长260nm附近，因此经常用附近，因此经常用A260（在（在260nm处的处的吸光度）或吸光度）或OD260（260nm处的光密度值）表示核处的光密度值）表示核酸的浓度。利用核酸的紫外吸收特性，可以用紫酸的浓度。利用核酸的紫外吸收特性，可以用紫外分光光度法对外分光光度法对DNA和和RNA进行定性和定量分析。进行定性和定量分析。 (三)核酸的变性与复性1.变性（变性（denaturation） 核酸的变性是指核酸的互补配对碱基之间的氢键断裂，而构成磷酸核酸的变性是指核酸的互补配对碱基之间的氢键断裂，而构成磷酸-戊糖骨架的戊糖骨架的3,5-磷酸二酯键并未发生变化。磷酸二酯键并未发生

12、变化。 温度升高，溶液的盐浓度降低，或者溶液的酸碱度改变，都可以使核酸发生变性。温度升高，溶液的盐浓度降低，或者溶液的酸碱度改变，都可以使核酸发生变性。实验室中最常用的使实验室中最常用的使DNA分子变性的方法之一是加热。分子变性的方法之一是加热。 DNA的增色效应（的增色效应（hyperchromic effect） DNA变性时，变性时，A260随之增高的现象随之增高的现象 DNA的解链曲线的解链曲线 在加热在加热DNA的过程中，以温度为横坐标，的过程中，以温度为横坐标，测得的测得的A260为纵坐标作图，所得到的曲线为纵坐标作图，所得到的曲线DNA的解链曲线的解链曲线DNA的融解温度（的融解

13、温度（melting temperature） DNA的变性作用发生在一个相当窄的的变性作用发生在一个相当窄的温度范围内，通常将温度范围内，通常将A260达到最大值的一半时达到最大值的一半时的温度称为的温度称为DNA的融解温度（的融解温度（melting temperature），以），以Tm表示。表示。 Tm值计算公式为：值计算公式为： Tm69.3+41(G+C)% ，少于，少于20个碱基个碱基的寡核苷酸的的寡核苷酸的Tm4(G+C)+2(A+T) 2. 复性与杂交复性与杂交 变性变性DNA在适当条件下，两条互补的单链重在适当条件下，两条互补的单链重新缔合，恢复天然的双螺旋结构，这个过程称

14、为复新缔合，恢复天然的双螺旋结构，这个过程称为复性（性（renaturation） 将不同来源的将不同来源的DNA分子放在同一溶液里，经分子放在同一溶液里，经热变性后缓慢冷却，使其复性。若这些变性的热变性后缓慢冷却，使其复性。若这些变性的DNA单链之间在某些区域有碱基互补的序列，则单链之间在某些区域有碱基互补的序列，则复性时，它们之间会形成双链，该过程称为核酸分复性时，它们之间会形成双链，该过程称为核酸分子杂交（子杂交（hybridization） 核酸分子杂交原理示意图核酸分子杂交原理示意图A. 不同来源的不同来源的DNA分子（分别用粗线和细线表示）分子（分别用粗线和细线表示）在加热变性后的

15、复性过程中可以形成杂化双链在加热变性后的复性过程中可以形成杂化双链 B. 经标记的寡核苷酸（经标记的寡核苷酸（ ）与变性后的单链）与变性后的单链DNA互补结合互补结合第二节 基因的结构特点 基因中编码RNA或蛋白质的部分称为结构基因2、真核细胞中的结构基因是不连续的，编码氨、真核细胞中的结构基因是不连续的，编码氨 基酸的序列被非编码序列所打断基酸的序列被非编码序列所打断,因而被称为因而被称为断裂基因。断裂基因。 在编码序列之间的序列称为内含子在编码序列之间的序列称为内含子( intron ), 被分隔开的编码序列称为外显子。被分隔开的编码序列称为外显子。特点：特点：1、 5/GCATGCACG

16、GCGA/GACTTAG 3 / 编码链编码链3 / CGTACGTGCCGCT/CTGAATC 5/ 模板链模板链3、不同基因的内含子和外显子数目及大小各不相同，内含子的碱 基序列远远大于外显子。IPF1基因 5 kb, 2个外显子（852 bp) 1个内含子MCP基因 5万个 bp , 14个外显子（1125 bp) 13个内含子4、 GT-AG法则。四、基因中含有转录调控相关的序列启动子（启动子（promoter)和和上游启动子元件上游启动子元件 启动子启动子: RNA聚合酶特异性识别和结合的聚合酶特异性识别和结合的DNA序列序列 真核生物启动子元件是真核生物启动子元件是TATA盒盒 上

17、游启动子元件上游启动子元件 CAAT盒盒:-70-80bp,与转录因子与转录因子CTF结合，决定结合，决定启动子转录的效率。启动子转录的效率。 GC盒：盒：-35bp ,与转录因子与转录因子SP1结合，促进转录结合，促进转录的过程的过程某些真核启动子区TATA保守序列真核生物一些启动子顺序，同源顺序用阴影表示 .鸡卵清蛋白GAGGCTATATATTCCCCAGGGCTCAGCCAGTGTCTGTACA晚期腺病毒GGGGCTATAAAAGGGGGTGGGGGCGCGTTCGTCCTCACTC兔珠蛋白TTGGGCATAAAAGGCAGAGCAGGGCACTGCTGCTAACAC小鼠珠蛋白GAGCA

18、TATAAGGTGAGGTAGGATCAGTTGCTCCTCACATTT兔 -珠蛋白小鼠 -珠蛋白真核生物RNA聚合酶的种类和性质种类 I型（或A） II型（或B） III型（或C） 线粒体（Mt型） 分子量 5.5105 6105 6105 6.46.8104 分布 核仁 核质 核质 线粒体 转录产物 5.8S、18S、 mRNA前体 tRNA前体 线粒体RNA 28S rRNA前体 5S rRNA对利福平 不敏感 不敏感 不敏感 敏感 敏感性对鹅膏蕈碱 不敏感 非常敏感 敏感 不敏感的敏感性 类启动子：能够被RNA聚合酶启动子分为类启动子：能够被RNA聚合酶类启动子：能够被RNA聚合酶反应

19、元件反应元件(response elements) 能介导基因对细胞外的某种信号产生反应的顺能介导基因对细胞外的某种信号产生反应的顺 式作用元件式作用元件增强子（增强子（enhancer) 位于结构基因附近，远离转录起始点（位于结构基因附近，远离转录起始点（130kb)，能够增强该基因转录活性的一段碱基序列能够增强该基因转录活性的一段碱基序列5加尾信号加尾信号 AATAAA/GT或或T 基因家族（基因家族（gene family）是指核苷酸序列或编码产物的结构具有一定是指核苷酸序列或编码产物的结构具有一定程度同源性的一组基因。程度同源性的一组基因。 同一个家族的基因成员由同一个祖先基因进化而同

20、一个家族的基因成员由同一个祖先基因进化而来来 基因家族的主要类型：基因家族的主要类型：核苷酸序列相同核苷酸序列相同 多拷贝基因组蛋白多拷贝基因组蛋白tRNA rRNA核苷酸序列高度同源核苷酸序列高度同源具有具有80%90%以上的同源性以上的同源性生长激素和绒毛膜生长催乳激素，氨基酸序列有生长激素和绒毛膜生长催乳激素，氨基酸序列有85%的同的同源性；源性；mRNA有有92%的同源性的同源性编码产物具有同源功能区编码产物具有同源功能区 src基因家族基因家族细胞癌基因src的表达产物Src结构展开图此蛋白是典型的非受体型酪氨酸蛋白激酶，含三个结构域：SH2、SH3和蛋白激酶。其C端含一个可被磷酸化

21、的酪氨酸残基。SH2和SH3可分别识别蛋白质的相关结构，并与之相结合。蛋白激酶结构域具有蛋白激酶活性（见第十九章细胞信号转导）。NCSH3SH2蛋白激酶可被磷酸化酪氨酸残基 基因超家族（基因超家族（gene superfamily) 一组由多基因家族和单基因组成的更大的基一组由多基因家族和单基因组成的更大的基因家族。这些基因在进化上也有亲缘关系，但亲因家族。这些基因在进化上也有亲缘关系，但亲缘关系较远，故将其称为基因超家族。缘关系较远，故将其称为基因超家族。 在多基因家族中，与某些有功能基因的结在多基因家族中，与某些有功能基因的结构相似，但不能表达出有功能的产物的基因称构相似，但不能表达出有功

22、能的产物的基因称为假基因。为假基因。 Mouse Genome Informatics MGI Home Help Search Categories All Search Tools Genes/Markers Phenotypes/Alleles Strains/Polymorphisms Expression Sequences Comparative Maps/Data Mouse Maps/Data Mouse Tumor Biology Probes/Clones References Vocabulary Browsers Anatomical Dictionary Gene O

23、ntology (GO) Human Disease (OMIM) Phenotype Ontology (MP) Protein Superfamily MouseBLAST Mouse GBrowse IMSR (Find Mice) Tools and LinksSearch for in these sections Gene Family Information Gene Family ReportsMGI Links Acyl-CoA Synthetase Long-chain Family A Disintegrin-like and Metalloprotease with T

24、hrombospondin Type 1 Motif Family Adenylate Cyclase Family Alpha Actinin Family Annexin Family Apolipoprotein C Family Aquaporin Family Calcium Channel, Voltage-dependent, Gamma Subunit Family Calpain Family Claudin Family Collagen Family Cyclic Nucleotide Phosphodiesterase Superfamily Dishevelled A

25、ssociated Activator of Morphogenesis Family E2f Transcription Factor Family EH-domain Containing Family Gamma-Aminobutyric Acid Ionotropic Type A Receptor Family Glutamate Receptor, Ionotropic Superfamily Glycine Receptor, Alpha Family Glypican Family Golgi Associated, Gamma Adaptin Ear Containing,

26、ARF Binding Protein Family Iroquois Family Leucine-rich Repeat LGI Family Opsin Family Phosphatidylinositol-4-phosphate 5-Kinase Family Protocadherin Gamma Family Secretory Carrier Membrane Protein Family Synaptotagmin Family Septin Family Tripartite Motif Family External Links Cyp 450 Family Cytoki

27、ne Family High Mobility Group (HMG) Chromosomal Proteins Wnt Family: FRP/FrzB Genes 端粒（端粒（telomere) 以线性染色体形式存在的真核基因组以线性染色体形式存在的真核基因组DNA的的末端有一种特殊的结构，称为端粒。端粒是由末端有一种特殊的结构，称为端粒。端粒是由DNA和蛋白质形成的一种复合体。和蛋白质形成的一种复合体。 端粒的功能：端粒的功能： 保护线形保护线形DNA的完整复制的完整复制 保护染色体的末端保护染色体的末端 决定细胞的寿命决定细胞的寿命 真核生物基因组中非编码序列占整个基因组的真核生物基因组中非编码序列占整个基因组的95%。重复序列重复序列 真核基因组中有大量的重复序列，