遗传的分子基础-PPT课件

1、第三章 遗传的分子基础The molecular basis of genetic 教学要求 掌握：基因、多基因家族的概念；基因结构和表达；基因突变的类型和遗传效应。熟悉: 单一序列和重复序列，假基因；基因突变的特性；基因突变的诱因；了解: 基因表达的调控。第一节 基 因 的 概 念 基因是遗传学的一个基本概念，在遗传学的不同发展时期，人们对基因的理解也随着学科的发展不断深化。“基因”概念的发展19世纪60年代初，孟德尔提出“遗传因子”(genetic factor) 1909年，Johansen提出了“基因”(gene)1910年，摩尔根等证明基因位于染色体上，并呈直线排列。基因既是一个结构

2、单位，又是一个功能单位(重组单位和突变单位)遗传的染色体理论1941年，Beadle和Tatum提出了“一个基因一个酶”的学说1944年，Avery证明DNA是遗传物质 1953年，Watson和Crick提出了DNA双螺旋结构模型，明确了DNA在活体内的复制方式1957年，Crick提出中心法则，并于1961年提出三联遗传密码“基因”概念的发展1955年，Benzer提出顺反子(cistor)、突变子(muton)、重组子(recon)概念 50年代初-60年代末，提出跳跃基因(jumping gene) 70年代后期，发现断裂基因(split gene) 1978年，发现重叠基因(over

3、lapping genes)1961年，J,acob和Monod提出操纵子模型学说(operon theory)。 一个基因不仅包括编码蛋白质多肽链或RNA的核酸序列，而且包括为保证转录所必需的调控序列，5非编码序列、内含子及3非翻译序列等所有核苷酸序列。基因(gene)：是合成有功能的蛋白质多肽链及RNA所需的全部核苷酸序列。 基因分为3类： 1、结构基因(structural genes)与调节基因(regulatory genes) 2、核糖体RNA基因(rRNA基因)与转运RNA基因(tRNA基因) 3、启动子(promoter)和操纵基因(operator) 基因(gene)：是合成

4、有功能的蛋白质多肽链及RNA所需的全部核苷酸序列。 第二节 人 类 基 因 组 DNA一、基因组的概念人类基因组(genome)：是指人类细胞的DNA分子所包含的储藏有人类全部遗传信息的一整套基因。包括核基因组和线粒体基因组。 二、基因组DNA的存在形式是指基因组中仅有单个或少数拷贝的(仅出现一次或少数几次的)DNA序列，一般由800bp1000bp组成 ，约占基因组的60%-65%。功能： 1、构成结构基因(编码蛋白和酶的基因)。 2、大部分单一序列的功能尚不清楚 。 (一)单一序列 重复序列是在基因组中重复出现的DNA序列，占30%以上。包括高度重复序列、中度重复序列和反向重复序列。 (二

5、)重复序列 1、高度重复序列由很短的碱基序列重复而成，长度300 bp以下，重复次数106108。功能：高度重复顺序不转录，主要参与染色体结构的维持、形成结构基因的间隔并可能在减数分裂过程中同染色体的联会有关。 (二)重复序列 如：卫星DNA(satellite DNA)串联排列，约占基因组的5%-6%。如(GT)n、(CA)n、(GATA)n 小卫星DNA (minisatellite DNA) 十几个几百个碱基对重复组成，又称可变数目串联重复序列(VNTR)，有多态性。 微卫星DNA (microsatellite DNA) 2-6碱基对，重复成百上千次，又称为短串联重复(STR)。具有高

6、度多态性。 卫星DNA(satellite DNA) 以散在的或成簇的形式存在于基因组中，序列的长度和拷贝数很不一致，长度为300-7000bp，拷贝数几十个至105个。 2、中度重复序列 短分散序列 长分散序列短分散序列DNA序列长度300-500bp，拷贝数可达105以上，但无编码作用，散在分布于人类基因组中，平均间隔距离约2.2kb。如：Alu家族(Alu family) 长达300bp，在一个基因组中重复30万50万次。 Alu家族 长分散序列DNA序列长5-7kb，拷贝数在102-104之间。 如：Kpn家族(Kpn family) Kpn家族( Kpn酶) 6.4kb 1.2kb

7、1.5kb 1.8 kb 1.9kb长6.4kb，拷贝数在3000 4800个。3、反向重复序列(inverted repeat sequence)由两个顺序互补的拷贝在同一条DNA链上反向排列而成。(1)十字结构(2)回文结构(palindrome) N N C C T G A C C G T G T C A G G N NN N G G A C T G G C A C A G T C C N N十字结构3、反向重复序列十字结构GCACCTGACGGACTGCGTN NN NGTCAGGCAGTCCN NN NN N C C T G A C C G T G T C A G G N NN N

8、G G A C T G G C A C A G T C C N NN N C C T G A C G T C A G G N NN N G G A C T G C A G T C C N N回文序列(palindrome)3、反向重复序列十字结构多基因家族(multigene family)是指由一个祖先基因经过重复和变异形成的一组来源相同、结构相似、功能相关的基因。(三)多基因家族在基因组中的分布分类 ：2、一个多基因家族中的不同成员成簇分布于几条不同的染色体上，这些成员的序列虽然有些不同，但它们编码一组关系密切的蛋白质。例如珠蛋白基因家族。 1、基因簇(gene cluster)：也称串联

9、重复基因，是指由一个基因产生的多次拷贝，具有几乎相同的序列，成簇地排列于同一条染色体的特定区域。如组蛋白基因家族就成簇地集中在7q32-q36。(三)多基因家族组蛋白基因家族7q32-q36珠蛋白基因家族(四)假基因假基因 (pseudogene)也称拟基因，是指在多基因家族中，某些成员与有功能的基因在核苷酸顺序组成上非常相似，在进化过程中丧失了产生活性产物的能力。 常用表示。第三节 基因的结构和功能卵清蛋白基因及其与cDNA的杂交图 一、基因的结构断裂基因(split gene)：真核生物基因包含了编码序列和非编码序列，而且编码序列被非编码序列隔开，形成镶嵌排列的断裂形式，这种基因被称为“断

10、裂基因” 或“割裂基因”。 一、基因的结构ExonIntronGT - AG law真核基因的分子结构特征Flanking SequenceTATA boxExonIntronT A T A AHogness boxATAT真核基因的分子结构特征CAAT boxTATA boxExonIntronCAAT box G G C A A T C TCT真核基因的分子结构特征GC box G G C G G GCAAT boxGC boxTATA boxExonIntron真核基因的分子结构特征CAAT boxGC boxEnhancerTATA boxExonIntronCore sequence

11、 GGTGTGG GAAATTT真核基因的分子结构特征Regulator SequenceCAAT boxGC boxAATAAAEnhancerTATA boxExonIntron真核基因的分子结构特征二、基因的表达转录翻译翻译后加工三、基因表达的调控(一)转录前调节(二)转录水平调节(三)转录后调节(四)翻译水平调节(五)翻译后调节第四节 基 因 突 变基因突变(gene mutation)：基因内部碱基对组成或排列顺序发生改变。点突变(point mutation)：基因(或DNA链)中一个或一对碱基改变时。突变基因(mutant gene)：基因突变后在原有基因座上出现的新基因。基因突

12、变的相关概念突变体(mutant)：带有突变基因的细胞或个体。一、基因突变的特性(1)稀有性(2)重演性 (3)可逆性 (4)多向性(5)有害性和有利性 (6)突变的时期稀有性突变率(mutation rate)：指在特定的条件下一个细胞的某一基因在一个世代中发生突变的概率。 表3-1人类中某些遗传病的基因突变频率 遗传病 突变频率 白化病 2810-6苯丙酮尿症 2510-6 血友病 2710-6 色盲 2810-6 鱼鳞病 1110-6肌肉退化症 4310-6小眼球症 510-6一、基因突变的特性(1)稀有性(2)重演性 (3)可逆性 (4)多向性(5)有害性和有利性 (6)突变的时期重演

13、性 重演性：相同的基因突变可以重复出现在同一种生物的不同个体上。一种生物不同群体中发生同一基因突变的频率相近。一、基因突变的特性(1)稀有性(2)重演性 (3)可逆性 (4)多向性(5)有害性和有利性 (6)突变的时期可逆性野生型突变型正向突变 反向突变(回复突变)一、基因突变的特性(1)稀有性(2)重演性 (3)可逆性 (4)多向性(5)有害性和有利性 (6)突变的时期多向性野生型突变型N突变型1突变型2突变型3复等位基因一、基因突变的特性(1)稀有性(2)重演性 (3)可逆性 (4)多向性(5)有害性和有利性 (6)突变的时期有害性和有利性基因突变有害性有利性中性突变一、基因突变的特性(1

14、)稀有性(2)重演性 (3)可逆性 (4)多向性(5)有害性和有利性 (6)突变的时期突变的时期基因突变可发生在生物个体发育任何时期(体细胞、生殖细胞)，突变时期不同，其表现也不相同。 生殖细胞突变形成突变配子，后代出现突变型个体；体细胞突变形成突变体细胞，引起组织器官变异。 (1)自发突变二、基因突变的诱因物理因素化学因素生物因素(2)诱发突变 碱基类似物碱基的修饰剂DNA插入剂抗生素 5-溴尿嘧啶掺入引起DNA碱基对的改变 亚硝酸引起碱基配对错误 碱基替换：指一个碱基对被另一个不同的碱基对所替换，为DNA分子中单个碱基的改变，即点突变。转换(transition)：同类碱基之间的替换，即嘌

15、呤取代嘌呤、嘧啶取代嘧啶。颠换(tranversion)：不同类碱基之间的替换，即嘌呤取代嘧啶、嘧啶取代嘌呤。三、基因突变的类型和遗传效应(一)碱基替换三、基因突变的类型和遗传效应(一)碱基替换同义突变(same sense mutation)碱基替换发生在编码区可出现的效应： 例：DNA GCG GCA m RNA CGC CGU (精氨酸)(精氨酸)三、基因突变的类型和遗传效应(一)碱基替换同义突变(same sense mutation)错义突变(missense mutation)例：正常血红蛋白链的第6位氨基酸 GAA或GAGGUA或GUG 谷氨酸 缬氨酸 HbA HbS (导致镰形

16、细胞性贫血) 碱基替换发生在编码区可出现的效应： 三、基因突变的类型和遗传效应(一)碱基替换同义突变(same sense mutation)错义突变(missense mutation)碱基替换发生在编码区可出现的效应： 无义突变(nonsense mutation)例：DNA ATG ATT m RNAUAC UAA (酪氨酸)(终止信号)三、基因突变的类型和遗传效应(一)碱基替换同义突变(same sense mutation)错义突变(missense mutation)碱基替换发生在编码区可出现的效应： 无义突变(nonsense mutation)终止密码突变(terminatio

17、n codon mutation)三、基因突变的类型和遗传效应(一)碱基替换碱基替换发生在编码区可出现的效应： 碱基替换发生在非编码区可出现的效应:1、突变改变内含子外显子接头序列，会影响初级RNA剪接；2、突变改变侧翼序列的保守序列，会影响RNA转录；3、突变改变非翻译区的保守序列，会影响肽链合成。三、基因突变的类型和遗传效应(一)碱基替换(二)移码突变(frame shift mutation) 移码突变：指DNA分子中插入或缺失一个或几个碱基对，从而使该碱基对下游的DNA 读码顺序发生改变所造成的突变。 三、基因突变的类型和遗传效应(一)碱基替换移码突变 酪 丝 脯 苏 谷 色 谷UAC AGU CCU ACA GAA UGG GAGUAC AAG UCC UAC AGA AUG GGA G 酪 精 丝 酪 精 亮 甘UAC GUC CUA CAG AAU GGG AG 酪 缬 亮 谷酰 天酰 甘A(二)移码突变(frame shift mutation) 动态突变：是指存在于基因编码区或非翻译区中的短串联重复序列(尤其是三核苷酸重复序列)的重复次数在一代一代传递过程中明显增加的现象，其结果将导致某种遗传病的发生。 (