第1章 基因组-DNA RNA 蛋白质

1、第一章基因组1 什么是基因组学2）遗传的分子基础3 基因组顺序复杂性4 基因与基因家族5 基因组的结构特征什么是基因组（genome ）一词系由德国汉堡大学H. 威克勒教授于1920年首创，用以表示真核生物从其亲代所继承的单套染色体，或称染色体组。准确地说，基因组是指生物整套染色体所含有的全部DNA 序列基因组学基因组学（genomic ）一词系由T. 罗德里克于1986年首创，用于概括涉及基因组作图、测序和整个基因组功能分析的遗传学学科分支，并已用来命名一个学术刊物Genomics 。基因组学的主要特点基因组学与传统遗传学其他学科的差别：基因组学是在全基因组范围研究基因和基因组的结构、组成、

2、功能及其进化。涉及大范围高通量收集和分析有关基因组DNA 的序列组成，染色体分子水平的结构特征，全基因组的基因数目、功能和分类，基因组水平基因表达与调控以及不同物种之间基因组的进化关系。基因组学的研究方法：利用生物信息学技术处理海量的数据。遗传的分子基础1 DNA的化学与生物学2 RNA的化学与生物学3 蛋白质的结构与生物学DNA DNA的结构特点的结构特点1）DNA 由两条具有极性的互补单链组成2 两条互补单链走向相反3 DNA双螺旋大小沟槽交替排列4）碱基配对原则：A-T ，C-G ，A-T 配对形成2对氢键，C-G 配对形成3对氢键. 5）每旋转一圈为10.5 bp (碱基对核苷酸的化学

3、极性与生物学1 DNA的合成具有方向性, 造成前导链与延迟链复制方式的差异;2 DNA的降解具有方向性, 35 和53 的降解由不同的酶执行;3 遗传密码的编排具有方向性, 只有正链才具有编码功能;4 转录也具有方向性，53.DNA 双螺旋链的生物学1 DNA双螺旋互补链极性排列，决定复制的方向;2 DNA双螺旋的大小沟具有结构信息,许多蛋白质都与大沟结合;3）G:C碱基对氢键能量高于A:T碱基对，解链需要更多能量，因而不同功能的序列有特征性的碱基排列；3 DNA双螺旋产生了环状DNA和长链DNA分子的拓扑学构像变化，使复制与转录的物理过程复杂化；4 DNA双螺旋的螺距10.5 bp, 转录因

4、子结合在DNA双螺旋的同一侧，缠绕核小体的DNA序列朝向与此有关；5）长链DNA分子可以弯曲，使二维水平相离很远的序列可以互作，是表达调控的结构基础。 DNA双 螺旋 DNA DNA大小大小沟的结构信息-位于位于DNADNA大小大小沟中的碱基 基团和原子空间位置蓝色圈-H 位置为提供氢键的供体，红色圈(-N为氢键受体。黄色圈(-CH3 为疏水性甲基基团，白色圈(-H不提供氢键的氢原子。DNA 双螺旋大沟提供了更多的空间结构信息。 DNA 双螺旋拓 扑学结构 DNA环化调 控 基因表达Genome Research 22:446-455, 2012碱基同分异构体造成碱基错配 碱基的摇摆错配 在D

5、NA 复制时，由于碱基自然状态的理化特点，会使碱基之间发生摇摆错配。碱基动态互变异构体可引起DNA 复制和mRNA 翻译差错Hashim Al-Hashimi及同事利用核磁共振研究碱基互变异构体（tautomer ）对DNA 复制和mRNA 翻译时碱基配对的影响，发现碱基互变异构体发生的频率与复制和翻译差错频率大致相当。Initial selection of NTPs during replication, and tRNAs during translation, strongly relies on WC stereoche-mical geometry as a means of di

6、scriminating against mispairs. Thelow error rate (-10-3to -10-6 duringinitial selectionaccounts for most of the overall fidelity of replication(-10-6to -10-10 and translation (-10-3to -10-5. Nature, 519:315-319，2015螺距长为10碱基对每一轮双螺旋由10碱基对组成, 这一结构具有多种生物学意义:1 决定了启动子与转录起始点的相对位置。2 转录因子与DNA 结合在同一侧面。3 引起DNA

7、 弯曲-A/T碱基对的平面有点倾斜, G/C较平整. 在周期性重复的(A/T5-6与(G/C4-6序列, DNA分子会发生弯曲。弯曲DNA 在基因表达调控中具有重要意义。4 影响在核小体上DNA 碱基对的朝向。RNA RNA的结构的结构与生物学1 生物体内几乎所有的RNA 分子均为单链。2 RNA分子中对应于DNA 中胸腺嘧啶(T的碱基由尿嘧啶(U取代。3 RNA分子也可形成双链RNA, 即可分子间配对, 也可分子内配内。配对原则与DAN 碱基配对类似, 只是DNA 中的A-T 配对在RNA 中为A-U 配对RNA 分子内配对可形成茎环(或发夹 结构。4 RNA分子易于断裂, 长度有限。5 生

8、物体内几乎没有任何双链环化RNA 分子。为何为何RNA RNA 分子中尿嘧啶 （U ）取代胸腺嘧啶(T 从生化起源看，RNA 世界在前，DNA 世界在后。胞嘧啶脱氨基可生成尿嘧啶，现存细胞中发生许多C 脱氨基生成U 的事件。如果DNA 中也是尿嘧啶，将无法区分C 脱氨基生成的U 和自然状态的U 。配对并不严谨, 可与A 优先配对，但也可与其它碱基甚至自身配对。DNA 中胸腺嘧啶取代尿嘧啶可保证复制时碱基配对的忠实性。 RNA核苷酸单体都 有2-OHRNA 分子的4种单体腺苷酸（A ）, 鸟苷酸（G ）, 尿苷酸（U ）和胞苷酸（U ）的核糖基与DNA 不同。在核糖基的2-位置连接的是羟基-OH

9、 ，而非氢原子-H 。 RNA分子的不稳定性 RNA 分子核苷酸残基中2-OH非常靠近连接两个核苷酸的磷酸二脂键位置，使RNA 的磷酸二脂键对碱性环境变得十分敏感，即使在正常细胞内略微徧碱的pH 条件下RNA 也很容易降解。这是RNA 分子不能太长的原因。 RNA分子 的高极结构 RNA 分子核甘酸残基的2-OH的化学作用使RNA 构型的选择范围受到很大限制，通常RNA 双螺旋区段均在数十碱基对以下。2-OH可参于同磷酸或碱基的互作从而稳定RNA 分子的折叠构型，所以RNA 分子比DNA 分子更易形成稳定而紧凑的三级结构，使RNA 分子获得了某些重要的催化功能。环状环状RNARNA 环状RNA

10、 的生成模式某些RNA 分子具有催化功能 这是与核糖体大亚基蛋白质结合的rRNA, 有6个结构域，其中第6个结构域可催化肽键合成。 RNA的高级 结构具有重要的生物学功能 mRNA 前体的剪接体中U snRNA是催化pre-mRNA 断裂的主要成分。前体mRNA 剪接中, 需借助2-OH进行脂键转移.RNA RNA分子不能成为分子不能成为主要遗传物质的原因？1）RNA 因而长度有限，不能储存大量遗传信息。2 RNA复制酶缺少校读机制，不能及时消除复制时产生的错配碱基，很易积累突变。3 RNA分子的胞嘧啶残基脱氨基可生成尿嘧啶，这种自发突变产生的尿嘧啶很难与RNA 分子中正常的尿嘧啶加以区分。4

11、）现存生物细胞中缺少RNA 分子突变修复机制。蛋白质结构域生物学 蛋白质的二级结构1 -螺旋2 -折叠3 转角(turn 基序或模体图解多肽链具有 3 类二级结构：-螺旋，-折叠和转环。这些基础结构是搭 建蛋白质复杂构象的元件，不同的元件组合构成基序或模体（motif 蛋白质的 基序或模体 模体是功能蛋白质的结构部件。许多保守的转录因子蛋白含有锌指结构（zinc finger），是十分常见的蛋白质基序。锌指基序含个二级结构：一个-螺旋，一对反向平行的链。-螺旋的组氨酸和链的半胱氨酸与锌指中的金属离子（锌）螯合，形成“指状”结构。指状结构可与DNA 螺旋的大沟结合，具有识别DNA 序列的功能。蛋

12、白质域的定义蛋白质的三级结构中结构和功能上相对独立的区域，称为域（domain） 。蛋白质域介于二级结构与三级结构之间。如RNA聚合酶大亚基羧基端具有特别的功能，称为羧基端域（- terminal domain,CTD）。具有催化活性的激酶区称为激酶域，转录因子含有DNA结合域，跨膜蛋白具有膜结合域。蛋白质域的特点 蛋倍质域（protein domain）是Wetlaufe 在1973年研究溶菌酶的蛋白质结晶时提出的一种概念，系指一类保守的具有特定结构的蛋白质组成成分，具有以下特点：1）蛋白质的结构单元；2）蛋白质中相对独立的功能与进化单元；3）蛋白质折叠单元。一个蛋白质可以具有多个蛋白质结构

13、域，一 个蛋白质结构域也可出现在多种蛋白质中。蛋白质分子进化的特点是，可将蛋白质域作为建筑模块，彼此按不同的方式排列组合，具有不同的生物学功能。蛋倍质结构域的长度在25-500个氨基酸之间，90%的结构域小于200 aa, 平均大小为100 aa。最短的蛋白质域如锌指结构域，在一些转录因子中可独立于特定DNA 序列互作结合。蛋白质域的起源与进化蛋倍质域网站CATH （Class- Architecture-Topology-Homologous superfamily）收集了173 536个蛋白质域，可分为大约800个折叠家族。单细胞生物中约2/3，后生生物（metazoa ）中约80%的蛋白 质均为基因经重复产生的多结构域蛋白质。多结构域蛋白质中绝大多数的结构域曾经是作为独立蛋白质存在的。真核生物中许多多结构域蛋白质的结构域在原核生物中是独立的蛋白质。转录因子转录因子DNADNA结合域结合域 蛋白质构象与活性钙调素是一个调控开关蛋白 可以4个钙离子结合转变 为活性状态。无钙离子结合时，钙调素为舒展构象，无活性(a 。当第