药学分子生物学：第一章 基因和基因组-3

1、第一章 基因与基因组Gene & GenomeShen Y温州医科大学 检验医学院 生命科学学院第一节 基因 (gene)2一、基因的概念及分类（一）基因的概念基因的概念是不断发展和更新的在遗传学/分子生物学发展的不同阶段，基因有着不同的定义和内涵，基因概念的每次更新和丰富均是遗传学和生物学的一次革命和飞跃。1865年，遗传学奠基人 Mendel 遗传因子，认为遗传因子是一个遗传单位，可以决定从亲代遗传给子代的性状；1909年，丹麦遗传学家Johanson 用基因取代了Mendel的遗传因子，认为遗传因子就是基因；331910年，Morgan 果蝇杂交实验 果蝇眼睛颜色（白色）与性别（雄性）相

2、互连锁-认识到基因在染色体上，是位于染色体上的实体物质；基因是遗传的基本单位。4特定的基因（控制白眼的基因w）和一条特定的染色体（X）联系起来，从而证明了基因在染色体上。41941年，Beadle和Taturm提出“一个基因一种酶”学说。（推测阶段）1944年，美国微生物学家Avery证明肺炎球菌转化因子就是DNA分子，提出 DNA是遗传信息的载体。（对本质的认识）1953年Watson和Crick DNA双螺旋结构模型全面揭示了DNA的化学性质，并解决了当时困扰生物学家的基因复制和遗传的难题。1958年， Crick提出生物遗传的中心法则。55现代分子生物学关于基因的概念 现代基因概念基因是

3、核酸分子中储存遗传信息的基本单位，是核酸分子中由特定的核苷酸按一定的碱基顺序排列而成的具有一定功能的片段，是RNA和蛋白质多肽链相关遗传信息的基本存在形式，以及表达这些信息所需要的全部核酸序列，即一个基因不仅包括编码蛋白质或RNA的核苷酸序列，还包括为保证转录所必需的调控序列。66（1）具有转录和翻译功能，编码蛋白质的基因。包括结构基因和调节基因；结构基因可被转录形成 mRNA，并转译成多肽链，构成各种结构蛋白质，催化各种生化反应的酶和激素等。调节基因某些可调节控制结构基因表达的基因。其突变可影响一个或多个结构基因的功能，或导致一个或多个蛋白质（或酶）量的改变。 （二） 基因的分类7根据基因的

4、功能和性质分为：78（2）只有转录功能而没有翻译功能，编码RNA的基因，如tRNA基因和rRNA基因。8原核生物基因结构：二、 基因的结构与功能9（一）基因的结构Cregulatory regionInhibitor geneGene ZGene YGene Astructural genes regionOp35i gene region1000bp100bp3520bp760bp810bpbase pair:操纵子：编码功能相关的结构基因成簇排列，共用一个启动子，转录成为一个mRAN分子，然后翻译成几种蛋白质，操纵元件与这几个结构基因相邻并控制该mRNA分子的转录。10（二）真核生物基因结

5、构真核生物结构基因由编码序列和非编码序列两部分组成（断裂基因）：1. 外显子和内含子（GT-AG法则）2. 调控序列10调控序列顺式作用元件（ cis-acting elements ），包括启动子，增强子，沉默子，终止子等。enhancersilencerenhancersilencerpromoter35exon intron exon RNA polymerase顺式作用元件：DNA序列反式作用因子：酶、蛋白因子11具有与RNA聚合酶、系列转录因子相结合的位点；决定基因转录起始与否；启动子具有严格的方向性；一般位于基因转录起始点上游100-200bp处，启动子本身通常不被转录； 不同的启

6、动子序列组成有所不同，活性也有所差异；最简单的启动子可包括一个TATA框和转录起始点；但是，一般最典型的启动子还包括一个GC盒/CAAT盒。启动子12 TATA盒 CAAT盒 GC盒 增强子 结构基因-GCGC-CAAT-TATA转录起始真核生物启动子(promoter)保守序列顺式作用元件(cis-acting element)13增强子增强子是一段与转录有关的短DNA序列；特异性与转录因子结合，以增加转录结构基因的RNA聚合酶分子数，增加启动子发动转录的能力；增强子的作用与其与转录序列的距离无关，作用也可以累加。 geneenhancer5372bp72bpenhancercore seq

7、uencecore sequenceTGTGGAATTAGTGTGGAATTAG14（二）基因的功能遗传信息的储存：4种碱基的不同排列荷载遗传信息；遗传信息传递：基因的复制遗传性状的表达：基因表达(转录、翻译、基因表达的调控)15基因表达的多级调控DNA水平的调控：DNA分子的甲基化等；转录水平的调控transcriptional level: 转录激活、转录起始;转录后水平的调控post-transcriptional level： 转录后加工、运输、mRNA降解;翻译水平的调控translation level： 翻译的起始;翻译后水平的调控post-translation level 翻

8、译后的加工、转运、多肽链的分解.16（三）基因突变与疾病1、单基因病；2、线粒遗传病；3、多基因病；4、基因诊断与基因治疗。17常染色体显性遗传（家族性高胆固醇血症Ia型）；常染色体隐性遗传（苯丙酮尿症）；X连锁显性遗传（遗传性肾炎）；X连锁隐形遗传（白化病）；Y连锁遗传（Y连锁视网膜色素变性）1、单基因病（monogenic disease）由单个基因缺陷引发的疾病；根据该基因所在的染色体和等位基因显隐性关系分为以下5种：18（1）苯丙酮尿症（常染色体隐性遗传） PKU型（99%） 苯丙氨酸羟化酶缺陷 BH4型（1%） 鸟苷三磷酸环化水合酶（GTPCH）苯丙酮尿症怪味：尿和汗液有鼠尿臭味；(

9、怪味宝宝)智力发育低下，神经行为异常，多动或有肌痉挛、癫痫 小发作，甚至惊厥，少数肌张力增高和腱反射亢进；出生数月后因黑色素合成不足，毛发、皮肤和虹膜色泽变浅。Chromosome 12pq12q22 - q24.2 【Mechanism】 苯丙氨酸羟化酶类缺陷有关。 酶缺陷主要原因是基因的错义突变、缺失以及剪接突变造成的。苯丙酮尿症患者19正常的红细胞镰刀型红细胞（2）镰型红细胞贫血20镰形红细胞贫血病人Hb (HbS) 亚基N-val his leu thr pro val glu C 肽链CAC GTG基因正常成人Hb (HbA)亚基N-val his leu thr pro glu g

10、lu C 肽链CTC GAG基因21男性女性（5）性染色体病性染色体病是性染色体(X或Y）出现异常而应起的一类遗传病。除Turner综合征(45，X)及个别病人外，大多在婴幼儿期无明显临床表现，要到青春期才出现第二性征发育障碍或异常。22由线粒体DNA突变引起的疾病。2、线粒体遗传病母系遗传异质性23临床症状双侧视神经萎缩、坏死引起中央视力迅速丧失.主要症状伴随症状神经传导缺陷、震颤、肌张力降低.男性患者是女性患者的5倍；但仅通过女性传递。（1）Leber遗传性视神经病变2411778bp位点突变GA高度保守精氨酸组氨酸还原型辅酶异常First discovery能量生成受阻多种mtDNA突变

11、都与Leber遗传性视神经萎缩的发生有关。mtDNA第11778位G转为A面使NADH脱氢酶第四亚单位ND4的第340位精氨酸残基被组氨酸残基取代 25（2）线粒体脑肌病(encephalomyopathies, ME)线粒体脑肌病是一组由于线粒体功能缺陷造成的以神经肌肉系统病变为主的多系统疾病。线粒体脑肌病分为：伴有破碎红纤维的肌阵挛癫痫（MERRF)、线粒体脑疾病合并乳酸血症及卒中样发作(MELAS) 、Kearns-Sayer综合征（KSS) 、慢性进行性眼外肌瘫痪（CEPO) 、神经源性肌软弱、共济失调并发色素性视网膜炎（NARP)和Leigh综合征（LS)等几种。264977 位点缺

12、失 缺血性心脏病 冠状动脉粥样硬化性心脏病 7436 位点缺失 扩张性心肌病 肥厚性心肌病线粒体心肌病累及心脏和骨骼肌，病人常有严重的心力衰竭，常见临床表现为劳动性呼吸困难，心动过速，全身肌无力伴全身严重水肿，心脏和肝肿大等症状。（3）线粒体心肌病27（4）线粒体DNA突变与家族性耳聋28由多基因的结构或表达调控的改变引发的疾病。【Clinic disease】高血压、糖尿病、自身免疫性疾病和恶性肿瘤。3、多基因病（Multifactor gene disorder）291、血管紧张素原（AGT）基因 2、血管紧张素转化酶（ACE）基因3、2-肾上腺能受体基因5、-内收蛋白基因（ADD1）6、

13、G-蛋白3-亚单位（GN3）原发性高血压相关基因（1）原发性高血压首次在中国汉族人中将原发性高血压易感基因定位在2p14-2p23区域内。 306号、8号和22号染色体区域可能蕴藏精神分裂症的易感基因位点，而5HT2a、DRD3、NOTCH4、COMT、DISCI、DISCII等基因被认为是热点候选基因；6号、16号、18号、21号、22号和 X染色体可能蕴藏双向情感障碍的易感基因位点，而 SERT基因被认为是热点候选基因；1号、10号和19号染色体可能蕴藏迟发性阿尔兹海默病易感基因位点，而A2M、ACE和APOE基因被认为是热点候选基因。 （2）精神疾病314、基因诊断与基因治疗Geneti

14、c Diagnosis and Gene Therapy32 特点针对性强 特异性强灵敏度高 适应性强（1）基因诊断定义利用现代分子生物学和分子遗传学的技术和方法，直接检测基因结构及其表达水平是否正常，从而对疾病作出诊断的方法。33感染性疾病的病原诊断;各种肿瘤的生物学特性的判断;遗传病的基因异常分析。在感染性疾病方面主要有结核病、乙型肝炎病毒（HBV）、丙型肝炎病毒（HCV），甚至艾滋病等。 基因诊断检测的疾病主要有34基因诊断常用技术方法1. 限制性酶切(rescriction enzyme digestiton)2. 聚合酶链反应 (PCR)3. 基因芯片(gene chips)4. 基

15、因测序(DNA sequencing)5. 核酸分子杂交(hybridization)35早期是指用正常的基因整合入细胞基因组，以校正和置换致病基因的一种治疗方法。 目前广义上来讲是指将某种遗传物质转移到患者细胞内，以替代或补偿缺陷基因，或抑制基因的过度表达，使细胞恢复正常功能，达到治疗疾病目的的方法。（1）基因治疗36基因组（genome）：是细胞中一套完整单倍体的遗传物质的总和；对于细菌和噬菌体而言是指单个染色体上所含的全部基因；而对于二倍体真核生物的基因组是指维持配子或配子体正常功能的最基本的一套染色体及其所带的全部基因。基因组（原核生物和真核生物）第二节 基因组 染色体基因组（chro

16、mosomal genome） 染色体外基因组（extrachromosomal genome） 如：细菌的质粒（plasmid）DNA 真核生物的线粒体（mitochondria）DNA 叶绿体（chloroplast）DNA 37基因组大小（DNA含量）用C值表示；C值 (C-value)：一种生物体单倍体基因组DNA的总量，用以衡量基因组的大小。 通常，进化程度越高的生物其基因组越大，但从总体上说，生物基因组的大小同生物在进化上所处地位的高低无关。存在 C-value paradox （C值悖论）。 生物复杂性越高，其基因的密度越低。38基因组大小与C值矛盾C值矛盾：生物体的进化程度与基

17、因组大小之间不完全成比例的现象（又称：C值悖论，C value paradox ） 39C-value paradoxequal genome sizetoad Xenopus and human being have genomes of essentially the same size. But we assume that human is more complex in terms of genetic development! 40一、 原核生物基因组原核生物基因组通常比较简单，所包含的基因数目几百个到数千个之间。原核生物基因组通常由一条环状的双链DNA分子组成，在细胞中与蛋白质结

18、合成染色体的形式，在细胞内形成一个致密的区域，称为 类核（nucleoid）.41大肠杆菌的类核结构模型421、基因组通常仅由一条环状双链DNA分子组成。2、结构基因与调控序列以操纵子的形式组织在一起。3、基因组中重复序列很少。4、结构基因多为单拷贝。5、基因是连续的。6、编码序列一般不会重叠。7、编码区在基因组中所占比例远远大于真核基因组。8、细菌基因组中存在可移动的DNA序列。4344大肠杆菌染色体外基因组的结构和功能质粒（plasmid）：一类染色体外具有自主复制能力的环状双链DNA分子，属染色体外基因组。大肠杆菌质粒是双链环状结构的 DNA 分子。可以有共价闭合环状 DNA（coval

19、ently closed circular DNA，cccDNA）、缺口的环状 DNA、线性DNA 三种结构状态。45 质粒对宿主细胞的生存一般不是必需的，但质粒带有某些特殊的不同于宿主细胞的遗传信息，其存在赋予宿主细胞一些遗传性状。 46细菌质粒所控制的一些性状抗性抗生素抗性氨基糖甙类、-内酰胺类、大环内酯类及磺胺类等重金属抗性 汞离子及有机汞制剂、镍、钴、银、铬、铅、锑及铋等阳离子抗性砷酸盐、亚砷酸盐、铬酸盐及硼酸盐等其它抗性紫外线，X射线，细菌素，质粒控制的修饰系统等代谢能力简单糖类的代谢乳糖、蔗糖及绵籽糖等卤化物的代谢2，4-二氯甲苯复杂碳化合物的代谢甲苯、萘、樟脑、苯胺、烟碱及烷烃等

20、蛋白质代谢 明胶及酪蛋白等其他代谢 色素生成，产硫化氢，胞外DNA酶等致病性侵袭力菌毛、夹膜、黏附因子及血浆凝固酶等毒素大肠杆菌肠毒素、破伤风杆菌神经毒素、炭疽杆菌外毒素及鼠疫菌素等结合转移性伞毛的合成，表面排斥，致育性抑制，对信息素的反应和抑制等47二、真核生物基因组真核生物的遗传物质绝大部分存在于细胞核染色体，少部分存在于线粒体或叶绿体中-细胞核基因组和细胞器基因组。48（一）真核生物基因组特点1、真核生物的基因组DNA都是双链线状且往往不是一条。2、大多数真核生物的结构基因为断裂基因，并受顺式元件调控。3、结构基因的产物为单顺反子。4、真核生物内非编码序列远远多于编码区。5、真核生物含大

21、量重复序列和基因家族。6、真核生物基因组DNA末端有端粒结构。7、真核生物内存可移动的遗传因子。8、真核生物基因组包括细胞器基因组。二、真核生物基因组49（二）人类基因组1、人类基因组中的基因数量及分布。2、人类基因组中的重复序列。（1）高度重复序列。（2）中度重复序列。（3）单拷贝序列。3、基因家族包括染色题基因组和线粒体基因组501、人类基因组中基因的数量及分布人染色体组51人类基因组中仅含有2500030000个基因，远低于预期。在人类基因组中只有很少一部份（约2-3）DNA序列用以编码蛋白质和结构RNA。人类基因组中存在大量基因间隔区序列，主要由重复DNA构成。在基因内部含大量内含子。

22、522、人类基因组中的重复序列（1）高度重复基因序列；（2）中度重复序列；（3）单拷贝序列。53高度重复序列 高度重复序列在真核基因组中重复次数可高达百万(106)以上，在基因组中所占比例随种属而异，约占DNA总量10-60，可以集中串联排列在某一区域。典型的高度重复序列DNA有反向重复序列(inverted repeats)和卫星DNA(satellite DNA)。 反向重复序列 ：是指两个相同顺序的互补拷贝在同一DNA链上的反向排列。 卫星DNA： 是另一类高度重复序列，这类重复序列的重复单位一般由2-10bp组成，成串排列。 54Mouse DNA is separated into

23、a main band (92%) and a satellite (8%) by centrifugation through a density gradient of CsClA quantitative scan of the bands formed when mouse DNA is centrifuged through a cesium chloride density gradient. （双链DNA分子中的GC含量，两者相差5%以上就可以被分离）CsCl密度梯度离心法分离卫星DNA55图 反向重复序列发夹式结构反向重复序列 ：两个相同顺序的互补拷贝在同一DNA链上的反向排列

24、。 其总长度约占人类基因组的5%。56中度重复序列：重复次数10105，如rRNA、tRNA、组蛋白以及免疫球蛋白的基因等，另有部分可能与基因的调控有关。单拷贝序列：占 60%-65%，结构基因基本上属于单拷贝序列。57573、基因家族（gene family）真核细胞的基因组中来源相同、结构相似、功能相关的一组基因，称为基因家族；根据基因家族内各成员同源程度及家族成员的功能特点，可将基因家族分为：58（1）核酸序列相同或几乎相同家族中各基因的核苷酸序列相同，这些基因家族也被称为单纯多基因家庭(如rRNA，tRNA家族等）59人类生长激素基因家族 包括人生长激素（hGh）、人胎盘促乳素和催乳素

25、（prolactin）。它们之间的同源性很高，尤其是hGh和hcs之间，蛋白质氨基酸序列有85%的同源性，mRNA上序列上有92%的同源性，说明它们是来自一个共同祖先基因。3种基因并不都排列在一起，hGh和hcs基因位于第17号染色体长臂，催乳素基因位于第6号染色体。（2）核酸序列高度同源60（3）超基因家族（supergene family） 是指一群结构相关的基因，尽管它们现在的功能可能不同，但可能来源于共同的祖先。61表达产物都有免疫球蛋白样的结构域结构。有2个微球蛋白、MHCI类抗原的链,类抗原的链和链, CD4、CD8等与免疫有关的分子。在后又陆续发现了许多免疫系统内以及与免疫无关的

26、家族成员。免疫球蛋白超基因家族62假基因(pseudogene)具有与功能基因相似的序列，但由于有许多突变以致失去了原有的功能，不能转录或转录后生成无功能的蛋白质的基因，常用表示。假基因63假基因常用符号表示，如1 表示与1 相似的假基因.假基因与有功能的基因同源,原来也可以是有功能的基因,由于发生缺失(deletion)、例位(inversion)或点突变（point mutaion）等，成为无功能的基因，即形成了假基因，哺乳动物基因组中的1/4基因为假基因。64加工假基因可在由RNA向DNA的反转录过程中产生并整合到基因组中A processed pseudogene is an inac

27、tive gene copy that lacks introns, contrasted with the interrupted structure of the active gene. Such genes originate by reverse transcription of mRNA and insertion of a duplex copy into the genome 图 加工的假基因654、线粒体基因组真核生物细胞中有两种细胞器能够携带遗传物质：线粒体和叶绿体，它们均含有各自的基因组，独立于核基因组进行复制，但其复制的酶和蛋白质却由核基因编码，在细胞质中合成后运输到细

28、胞器。66人类线粒体（mitochondrion）基因组67 2个ATP酶复合体 成分基因22个tRNA基因2个rRNA基因7个NADH脱氢酶亚单位的基因3个细胞色素c氧化酶亚单位基因1个细胞色素b基因16569bp编码37 个基因13个线粒体氧化磷酸化有关的蛋白质基因 Mitochondrial DNA 68核基因组和线粒体基因组的协同作用核基因组编码了近千个线粒体蛋白线粒体基因组只编码了13条多肽链，22个tRNA和2个rRNA?69 高等动物线粒体基因组具有独特的特点： 母系遗传。子代线粒体基因组来自母亲，父系的线粒体基因组在精卵结合时一般不能进入卵细胞。 线粒体DNA损伤后不易修复，突

29、变率较高，可能与衰老及某些疾病有关。 遗传密码与通用遗传密码存在差别，如UGA（终止密码子）编码Trp，AGA/AGG（Arg）为终止密码子等。7070第三节 基因组学(genomics)一、基因组学概述以分子生物学、电子计算机和信息网络技术为研究手段，以生物体内全部基因为研究对象，在全基因组背景下和整体水平上探索生命活动的内在规律及内外环境对机体影响机制的科学。根据研究重点的 不同，基因组学可分为结构基因组学和功能基因组学。根据研究的对象不同，还可以分为疾病基因组学、比较基因组学、药物基因组学和环境基因组学。71基因组学的意义改变生物学研究的模式72No responseAdverse Dr

30、ug ResponseRespondersGenotype can directRight drug Right doseRight patient基因组学的意义PHARMACOGENOMICS73（一）结构基因组学以全基因组测序为目标的基因组研究，弄清楚基因组中全部基因的位置和结构。74遗传图谱（genetic map）：又称连锁图谱(linkage map)，它是以具有遗传多态性的遗传标记为“路标”，以遗传学距离为图距的基因组图。遗传多态性：在一个遗传位点上具有一个以上的等位基因，在群体中的出现频率皆高于1%遗传学距离：在减数分裂中，两个位点之间进行交换、重组的百分率，1%的重组率称为1c

31、M遗传图谱的建立为基因识别和完成基因定位创造了条件三代遗传标记：RFLP、microsatellite、SNPDNA分子标记：遗传图绘制需要应用多态性标志。最早应用的标记是限制性酶切片段长度多态性（RFLP）到80年代后期应用短串联重复序列（short tandem repeat, STR）标记，又称微卫星（microsatellite,MS）第三代的多态性标记，即单个核苷酸多态性（ SNPs）标志近期被大量使用76遗传图谱77School of Laboratory Medicine, Wenzhou Medical College78物理图谱（physical map）：利用限制性内切酶将

32、大分子DNA切成片段，再根据重叠序列确定片段间连接顺序，以及遗传标志之间物理距离碱基对(bp) 或千碱基(kb)或兆碱基(Mb)为路标的图谱。物理图谱的完成是一个里程碑式的成功，它准确地得出了基因的相对位置。79序列图谱：是分子水平上最高层次，最为详尽的物理图谱，可得到全部的DNA序列。实际上是一场串由4个字母（A、G、C、T）组成的碱基序列，是由30亿个字母写成的“天书”。School of Laboratory Medicine, Wenzhou Medical College80转录图谱：在识别基因组所包含的蛋白质编码序列的基础上绘制的结合有关基因序列、位置及表达模式等信息的图谱。 此图

33、的目的是找出基因顺序与具体遗传现象的一一对应关系，是真正意义的实际应用。二、人类基因组（一）人类基因组定义 指生物体一个细胞所包含DNA结构的一整套基因，即为人体单倍体染色体中DNA的总数，人体基因组有3109bp。81（一）什么是人类基因组计划1986年诺贝尔奖获得者R.Dulbecco在科学杂志上发表一篇短文肿瘤研究的转折点人类基因组研究，提出人类基因组计划，也即测出人类基因组全部碱基的序列（1n3109）。82基因组计划（genome progect）：以获得某物种基因组全序列为主要目标的科学计划。人类基因组计划 (human genome project, HGP) 821990年，美国政府决定正式启动HGP，预计用15年时间，投入30亿美元完成HGP；由美国国立卫生研究院和能源部共同组成“人类基因组研究所；逐渐地，HGP扩展为多国协作计划，主要由6个国家，20个研究所，2000多位科学工作者组成；这6个国家对HGO地贡献依次是：美（67%）、英（22%）、日（6%）、法（2%） 、德（2%） 、中（1%）；83831994年，我国HGP在吴旻、强伯勤、陈竺、杨焕明的倡导下启动。最初由国家自然科学基金会