药研20分子串讲 课件

1、分子生物学串讲 中南大学 陈汉春 9/15/20221第一讲核酸与基因、DNA复制、损伤与修复含第一、三、四章内容9/15/20222第一章 基因的结构与功能9/15/20223一、核酸的分类 (deoxyribonucleic acid, DNA)(ribonucleic acid, RNA)脱氧核糖核酸 核糖核酸9/15/20224二、核酸的化学组成 1. 主要元素组成C、H、O、N、P2. 分子组成 碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱 戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖 磷酸(phosphate)9/15/20225核苷酸(ribonucleotide)的结构核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸

2、酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。 9/15/20226三、核酸的一级结构定义核酸中核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。5端3端CGA9/15/20227四、DNA的二级结构双螺旋结构9/15/20228DNA双螺旋结构模型要点 Watson, Crick, 1953DNA分子由两条相互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成，两链以-脱氧核糖-磷酸-为骨架，以右手螺旋方式绕同一公共轴盘。目 录9/15/20229碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键配对互补配对形式：A=T; GC 。目 录9/15/202210碱基互补配对 TAGC9/15/20221

3、1五、RNA动物细胞内有4大类RNA: 1. rRNA (80%-85%) 2. tRNA 3.小分子RNA 4. mRNA (1%-5%)(10%-15%)9/15/202212* mRNA结构特点1. 大多数真核mRNA的5末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C2也是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。2. 大多数真核mRNA的3末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚A尾。一信使RNA的结构与功能9/15/202213* tRNA的一级结构特点 含 1020% 稀有碱基，如 DHU 3末端为 CCA-OH 5末端大多数为G 具有 TC 二转运RNA的结构与

4、功能9/15/202214* tRNA的二级结构三叶草形 氨基酸臂 DHU环 反密码环 额外环 TC环氨基酸臂额外环* tRNA的功能活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。9/15/202215* rRNA的结构三核蛋白体RNA的结构与功能* rRNA的功能参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。9/15/202216四、核 酶具有酶促活性的RNA称为核酶。核酶(ribozyme)9/15/202217第三章 DNA的生物合成基因组复制9/15/202218复制(replication)是指遗传物质的传代，以母链DNA为模板合成子链DNA的过程。复制亲代DNA子代DNA9/15/20

5、2219半保存复制(semi-conservative replication)复制的高保真性(high fidelity) 双向复制(bidirectional replication)半不连续复制(semi-discontinuous replication) 一、复制的根本规律9/15/2022201. 半保存复制 DNA生物合成时，母链DNA解开为两股单链，各自作为模板(template)按碱基配对规律，合成与模板互补的子链。子代细胞的DNA，一股单链从亲代完整地接受过来，另一股单链那么完全重新合成。两个子细胞的DNA都和亲代DNA碱基序列一致。这种复制方式称为半保存复制。半保存复制的

6、概念9/15/202221原核生物复制时，DNA从起始点(origin)向两个方向解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，称为双向复制。 2. 双向复制原核生物DNA复制中的放射自显影图象9/15/2022223535direction of unwinding35335(leading strand)(lagging strand)okazaki fragment3. 复制的半不连续性9/15/202223 二、DNA复制的酶学The Enzymology of DNA Replication9/15/202224参与DNA复制合成的物质四要素： 模板(template) : 解开成单链的DNA

7、母链引物(primer): 提供3-OH末端使dNTP可以依次聚合底物(substrate): dATP, dGTP, dCTP, dTTP聚合酶(polymerase): 依赖DNA的DNA聚合酶，简写 为 DNA-pol其他的酶和蛋白质因子9/15/2022251. 复制的化学反响 (dNMP)n + dNTP (dNMP)n+1 + PPi 目 录9/15/2022262. DNA聚合酶全称：依赖DNA的DNA聚合酶 (DNA-dependent DNA polymerase)简称：DNA-pol活性：1. 53 的聚合活性 3 5外切酶活性2. 核酸外切酶活性 5 3外切酶活性9/15

8、/2022275 A G C T T C A G G A T A 3 | | | | | | | | | | |3 T C G A A G T C C T A G C G A C 5 3 5外切酶活性 5 3外切酶活性?能切除突变的 DNA片段。能识别错配的碱基对，并将其水解。 核酸外切酶活性 目 录9/15/202228(1) 遵守严格的碱基配对规律；(2)聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能 DNA-pol ；(3) 复制出错时DNA-pol的及时校读功能(DNA- pol, DNA-pol 。3. 复制保真性的酶学依据9/15/2022294. DNA的复制过程： 起始 延长 终止9/15

9、/2022305. 端粒酶与端粒复制9/15/20223153355335+5333355目 录9/15/202232(1) 端粒(telomere)指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。功能 维持染色体的稳定性 维持DNA复制的完整性结构特点 由末端单链DNA序列和蛋白质构成。 末端DNA序列是多次重复的富含T、 G碱基的短 序列。TTTTGGGGTTTTGGGG9/15/202233(2) 端粒酶(telomerase)端粒酶RNA (human telomerase RNA, hTR)端粒酶协同蛋白(human telomerase associated protein 1, hTP

10、1)端粒酶逆转录酶(human telomerase reverse transcriptase, hTRT) 组成(含RNA和蛋白质，三局部)9/15/202234三、逆转录Reverse Transcription9/15/202235逆转录酶(reverse transcriptase) 逆转录(reverse transcription) RNADNA 逆转录酶9/15/202236逆转录酶 A AA A T T T TAAAASI核酸酶 DNA聚合酶碱水解 T T T T分子生物学研究可应用逆转录酶作为获取基因工程目的基因的重要方法之一，此法称为cDNA法。 以mRNA为模板，经逆转

11、录合成的与mRNA碱基序列互补的DNA链。 试管内合成cDNAcDNA complementary DNA9/15/202237DNA损伤与修复DNA Damage and Repair第四章9/15/202238遗传物质的结构改变而引起的遗传信息改变，均可称为突变。在复制过程中发生的DNA突变称为DNA损伤(DNA damage)。突变是与遗传保守性对立而又统一的自然现象，既危害生命，又有积极意义。从分子水平来看，突变就是DNA分子上碱基的改变。 9/15/202239一、突变的意义一突变是进化、分化的分子根底： 进化过程是突变不断发生与积累所 造成的。 9/15/202240二突变导致基因

12、型改变： DNA多态性(polymorphism)导致个体间 基因型的差异，用于个体识别和疾病易 感性预测等。9/15/202241三突变导致死亡：某些重要基因的突变可导致个体死亡，如杜氏肌营养不良症Ducheme muscular dystrophy，DMD DMD基因突变： 缺失、重复、点突变。 突变热点区：外显子320及外显子4445区域 表型：一般6岁前出现进行性严重肌无力，伴有 小腿假性肥大，中度至重度智力障碍和 心脏病。 预后：12岁前丧失行走能力，20岁左右死于呼 吸系统疾病或心力衰竭。9/15/202242四突变是某些疾病的发病根底：1. 单基因病 甲型血友病： 因子基因缺陷

13、因子活性缺乏 出血。 -地中海贫血： 珠蛋白基因缺失、插入或点突变 珠蛋白 链合成减少或缺乏。2. 多因素病 肿瘤： 癌基因和/或抑癌基因突变 细胞增殖加速、分化及凋亡受阻9/15/202243二、引发突变的因素物理因素 紫外线(ultra violet, UV)、各种辐射 UV9/15/202244化学因素水、空气、食物中的环境致癌物目 录9/15/202245四、DNA损伤的修复修复(repairing) 是对已发生分子改变的补偿措施，使其回复为原有的天然状态。光修复(light repairing)切除修复(excision repairing)重组修复(recombination re

14、pairing)SOS修复 修复的主要类型9/15/202246一光修复光修复酶(photolyase) UV9/15/202247UvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶OHP 二切除修复是细胞内最重要和有效的修复机制，主要由DNA-pol和连接酶完成。DNA连接酶ATPE.coli的切除修复机制目 录9/15/202248三重组修复9/15/202249四SOS修复当DNA损伤广泛难以继续复制时，由此而诱发出一系列复杂的反响。在E. coli，各种与修复有关的基因，组成一个称为调节子(regulon)的网络式调控系统。这种修复特异性低，对碱基的识别、选择能力差。通过SOS修复，复制如能继

15、续，细胞是可存活的。然而DNA保存的错误较多，导致较广泛、长期的突变。9/15/202250第 二 讲 基 因 表 达第五章9/15/202251基因表达DNA RNA蛋白质转录翻译转录Transcription翻译Translation9/15/202252转录RNADNA mRNAtRNArRNA第一节 RNA的生物合成转录RNA Biosynthesis, Transcription9/15/202253转录 (transcription) 生物体以DNA为模板合成RNA的过程 。 9/15/202254参与转录的物质原料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板: DN

16、A酶: RNA聚合酶(RNA-pol) (DNA dependent RNA polymerase)其他蛋白质因子9/15/2022555335模板链编码链编码链模板链转录方向转录方向一、转录模板 结构基因(structural gene): DNA分子上转录出RNA的区段 不对称转录9/15/202256二、RNA聚合酶一原核生物的RNA聚合酶 (480kD,五聚体蛋白质)29/15/202257核心酶 (core enzyme)全酶 (holoenzyme)9/15/202258二真核生物的RNA聚合酶 9/15/202259三、模板上酶的识别、结合原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，

17、称为操纵子(operon)，包括假设干个结构基因及其上游(upstream)的调控序列。 5335结构基因调控序列RNA-polRNA聚合酶结合模板DNA的部位(启 动子，promoter)9/15/202260原核生物RNApol可直接结合DNA模板；真核生物RNA-pol需与辅助因子结合后才结合DNA模板。转录过程The Process of Transcription9/15/2022612. DNA双链解开1. RNA聚合酶全酶(2)与模板结合 3. 在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反响，形成转录起始复合物RNApol (2) - DNA - pppGpN- OH 3转录起始复合物:

18、5-pppG -OH + NTP 5-pppGpN - OH 3 + ppi一、原核生物的转录过程一转录起始9/15/202262二转录延长1. 亚基脱落，RNApol核心酶变构，与模板结合松弛，沿着DNA模板(向5端)前移； 2. 在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链不断延长。(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi9/15/202263转录空泡(transcription bubble)：RNA-pol 核心酶 DNA RNA9/15/202264依赖Rho ()因子的转录终止非依赖Rho因子的转录终止三转录终止指RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来不再前进，转录产物R

19、NA链从转录复合物上脱落下来。 分类9/15/202265A T P1. 依赖 Rho因子的转录终止Rho因子(同源六聚体，ATP酶+解螺旋酶活性结合RNA链3 端poly C序列Rho因子和RNA-pol都变构，RNA-pol停止前进、DNA/RNA杂化双链拆离。9/15/2022662. 非依赖 Rho因子的转录终止DNA模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列，使转录出的RNA产物形成特殊的局部茎环或发夹二级结构来终止转录。9/15/202267茎环结构使转录终止的机理 使RNA聚合酶变构，转录停顿； 使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。5pppG5 335RNA-pol9/15/2022

20、68二、真核生物的转录过程一转录起始真核生物的转录起始上游区段比原核生物多样化，转录起始时，RNA-pol不直接结合模板，而是与辅助因子结合后才结合DNA模板。真核生物的转录起始过程比原核生物复杂。9/15/202269POL-TFFAB由RNA-Pol 催化转录的PIC POL-TFFHETBPTAFTFD-A-B-DNA复合物TATAABTBPTAFTATAHECTD-PPIC组装完成，TFH使CTD磷酸化9/15/202270二转录延长真核生物转录延长过程与原核生物大致相似，但因有核膜相隔，转录与翻译不同步。 9/15/2022715AAUAAA-5 AAUAAA-核酸酶-GUGUGUG

21、RNA-polAATAAA GTGTGTG转录终止的修饰点55333加尾AAAAAAA 3 mRNA三转录终止 和转录后修饰密切相关。9/15/202272真核生物的转录后修饰Post-transcriptional Modification9/15/202273真核生物mRNA的转录后加工一、 首、尾的修饰 5端形成 帽子结构(m7GpppGp ) 3端加上多聚腺苷酸尾巴(poly A tail)9/15/202274真核生物结构基因，由假设干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。 1. 断裂基因(sp

22、lite gene)CBD编码区非编码区二、mRNA的剪接9/15/2022752. mRNA的剪接 除去hnRNA中的内含子，将外显子连接。snRNP与hnRNA结合成为剪接体splicesome； 剪接体是mRNA剪接的场所。9/15/2022763. mRNA的编辑(mRNA editing) 9/15/202277 RNA编辑作用说明，基因的编码序列经过转录后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分化加工(differential RNA processing)。人类apo B基因 mRNA（14 500个核苷酸）肝脏apo B100（分子量为500 000）肠道细胞apo B48（分子

23、量为240 000）转录后CU使CAAUAA9/15/202278蛋白质的生物合成翻译Protein Biosynthesis，Translation 第 二 节9/15/202279蛋白质的生物合成，即翻译，就是将核酸中由 4 种核苷酸序列编码的遗传信息，通过遗传密码破译的方式解读为蛋白质一级结构中20种氨基酸的排列顺序 。9/15/20228020种氨基酸(AA)作为原料酶及众多蛋白因子，如IF、eIF ATP、GTP、无机离子参与蛋白质生物合成的物质包括 三种RNAmRNAmessenger RNA, 信使RNArRNAribosomal RNA, 核蛋白体RNAtRNAtransfer

24、 RNA, 转移RNA9/15/202281一、翻译模板mRNA及遗传密码 mRNA是遗传信息的携带者遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子(cistron)。原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白质，为多顺反子(polycistron) 。真核mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子(single cistron) 。 9/15/202282 mRNA上存在遗传密码mRNA分子上从5至3方向，由AUG开始，每3个核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，称为三联体密码(triplet coden)。起始密码(initiat

25、ion coden): AUG 终止密码(termination coden): UAA，UAG，UGA 9/15/202283遗传密码表密 码 子 的 第 三 个 碱 基UCAGUCAGUCAGUCAG9/15/2022841. 连续性(commaless)遗传密码的特点编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码间既无间断也无交叉。 9/15/2022852. 简并性(degeneracy)遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有2、3、4个或多至6个三联体为其编码。9/15/2022869/15/2022873. 通用性(universal)蛋白质生物合成的整套

26、密码，从原核生物到人类都通用。 已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。 通用密码 线粒体密码AUA 异亮 蛋、起始AGA 精 终止AGG 精 终止UGA 终止 色9/15/2022884. 摆动性(wobble)转运氨基酸的tRNA的反密码需要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码反向配对结合，但反密码与密码间不严格遵守常见的碱基配对规律，称为摆动配对。 9/15/202289密码子、反密码子配对的摆动现象tRNA反密码子第1位碱基IUGACmRNA密码子第3位碱基U, C, AA, GU, CUG9/15/202290二、核蛋白体是多

27、肽链合成的装置9/15/202291原核生物真核生物核蛋白体小亚基大亚基核蛋白体小亚基大亚基S70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA5S-rRNA23S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNA蛋白质rpS 21种rpL 36种rpS 33种rpL 49种 不同细胞核蛋白体的组成 9/15/202292原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:9/15/202293三、tRNA与氨基酸的活化反密码环氨基酸臂9/15/202294氨基酸 + tRNA氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰-tRNA合成酶一氨基酰-tRNA合成酶(aminoac

28、yl-tRNA synthetase) 氨基酸的活化9/15/202295真核生物： Met-tRNAiMet原核生物： fMet-tRNAfMet二起始肽链合成的氨基酰-tRNA9/15/202296蛋白质生物合成过程 The Process of Protein Biosynthesis 9/15/202297翻译的起始(initiation)翻译的延长(elongation)翻译的终止(termination )整个翻译过程可分为 ：翻译过程从阅读框架的5-AUG开始，按mRNA模板三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码出现。 9/15/202298一、肽链合成起始指mRNA和起始氨基酰

29、-tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物 (translational initiation complex)。9/15/202299原核、真核生物各种起始因子的生物功能 IF-3IF-29/15/2022100一原核生物翻译起始复合物形成核蛋白体大小亚基别离；mRNA在小亚基定位结合；起始氨基酰-tRNA的结合； 核蛋白体大亚基结合。9/15/2022101IF-3IF-11. 核蛋白体大小亚基别离9/15/2022102AUG53IF-3IF-12. mRNA在小亚基定位结合9/15/2022103IF-3IF-1IF-2GTP3. 起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet

30、 )结合到小亚基AUG539/15/2022104IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4. 核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成AUG539/15/2022105二真核生物翻译起始复合物形成核蛋白体大小亚基别离；起始氨基酰-tRNA结合；mRNA在核蛋白体小亚基就位；核蛋白体大亚基结合。9/15/2022106met40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3、 eIF-6 elF-3GDP+Pi各种elF释放elF-5ATPADP+PielF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PABMetMet-tRNAiMet-elF-2 -GTP真核生物翻译起始复合

31、物形成过程9/15/2022107二、肽链合成的延长指根据mRNA密码序列的指导，次序添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。 肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为核蛋白体循环(ribosomal cycle)，每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步：进位(entrance)成肽(peptide bond formation)转位(translocation)9/15/2022108延伸过程所需蛋白因子称为延长因子(elongation factor, EF)原核生物：EF-T (EF-Tu, EF-Ts)EF-G真核生物：eEF-1 、eEF-2 9/15/2022109原

32、核延长因子生物功能对应真核延长因子EF-Tu促进氨基酰-tRNA进入A位，结合分解GTPEF-1-EF-Ts调节亚基EF-1-EFG有转位酶活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由A位前移到P位，促进卸载tRNA释放EF-2肽链合成的延长因子 9/15/2022110又称注册(registration)一进位指根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核蛋白体A位。 9/15/2022111TuTsGTPGDPAUG53TuTsGTP9/15/2022112二成肽是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽键形成过程。9/15/2022113三转位延长因子EF-G有转位酶(

33、translocase )活性，可结合并水解1分子GTP，促进核蛋白体向mRNA的3侧移动 。9/15/2022114fMetAUG53fMetTuGTP9/15/2022115真核生物肽链合成的延长过程与原核根本相似，但有不同的反响体系和延长因子。另外，真核细胞核蛋白体没有E位，转位时卸载的tRNA直接从P位脱落。四真核生物肽链合成的延长过程9/15/2022116 三、肽链合成的终止当mRNA上终止密码出现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体等别离，这些过程称为肽链合成终止。 9/15/2022117终止相关的蛋白因子称为释放因子 (release facto

34、r, RF) 一是识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。二是诱导转肽酶改变为酯酶活性，相当于催化肽酰基转移到水分子-OH上，使肽链从核蛋白体上释放。 释放因子的功能原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物释放因子：eRF 9/15/2022118原核肽链合成终止过程 9/15/2022119蛋白质合成后加工和输送Posttranslational Processing & Protein Transportation9/15/2022120从核蛋白体释放出的新生多肽链不具备蛋白质生物活性，必需经过不同的翻译后复杂加工过程才转变为天然构象

35、的功能蛋白。主要包括多肽链折叠为天然的三维结构 肽链一级结构的修饰高级结构修饰 9/15/2022121一、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新生肽链N端在核蛋白体上一出现，肽链的折叠即开始。可能随着序列的不断延伸肽链逐步折叠，产生正确的二级结构、模序、结构域到形成完整空间构象。 一般认为，多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白质折叠的信息，即一级结构是空间构象的根底。细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，而需要其他酶、蛋白辅助。 9/15/2022122几种有促进蛋白折叠功能的大分子1. 分子伴侣 (molecular chaperon) 2. 蛋白二硫键异

36、构酶 (protein disulfide isomerase, PDI)3. 肽-脯氨酰顺反异构酶 (peptide prolyl cis-trans isomerase, PPI)9/15/2022123二、一级结构的修饰一肽链N端的修饰二个别氨基酸的修饰三多肽链的水解修饰9/15/2022124鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修饰NC信号肽PMOCKRKR103肽 ( ？)ACTH-LT-MSH-MSHEndophin9/15/2022125三、高级结构的修饰一亚基聚合 二辅基连接三疏水脂链的共价连接 9/15/2022126蛋白质合成后需要经过复杂机制，定向输送到最终发挥生物功能的细

37、胞靶部位，这一过程称为蛋白质的靶向输送。 四、蛋白质合成后的靶向输送蛋白质的靶向输送(protein targeting)9/15/2022127所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要为N末端特异氨基酸序列，可引导蛋白质转移到细胞的适当靶部位，这一序列称为信号序列 。 信号序列(signal sequence)9/15/2022128一分泌蛋白的靶向输送真核细胞分泌蛋白等前体合成后靶向输送过程首先要进入内质网。 信号肽(signal peptide) 各种新生分泌蛋白的N端有保守的氨基酸序列称信号肽。 9/15/2022129信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网 9/15/2022130第三

38、讲 基因组结构与功能、基因组学与蛋白质组学基因表达及其调控第二、六、七章9/15/2022131 基因组(Genome):泛指一个有生命体、病毒或细胞器的全部遗传物质,即一个物种遗传信息的总和。在真核生物，基因组是指一套染色体(单倍体)DNA。9/15/2022132第一节 原核生物基因组9/15/2022133一、原核生物基因组结构与功能的特点1、基因组为双链环状DNA。 集中分布于拟核，习惯称为染色体。2、一个复制起点(Ori)3、操纵子结构，转录产物为多顺反子。9/15/20221344、编码区无重叠5、基因是连续的，无内含子。6、基因组编码区约占50%，远大于真核基因 组，小于病毒基因

39、组。9/15/20221359、存在可移动的DNA序列，包括插入序列 和转座子。7、重复序列很少，一般为单拷贝，但出现多 拷贝基因rRNA基因。8、出现同工酶基因。10、 出现具有调控功能的DNA序列9/15/2022136 操纵子(operon) 概念：功能上相关的结构基因串联在一起构成信息区，连同上游的调控区和下游的转录终止信号所构成的基因表达单位。9/15/2022137乳糖操纵子(lac operon) 调控区CAP结合位点启动序列操纵序列ZYAOPDNA9/15/2022138二、质粒plasmid)概念： 细菌细胞内位于染色体外的能够独立复制的共价闭合环状DNA分子。9/15/20

40、22139第二节 真核生物基因组一、真核生物基因组结构与功能的特点双倍体基因组多个复制起点转录产物为单顺反子含有大量重复序列非编码序列有90%以上断裂基因含有基因家族9/15/2022140二、真核生物基因组结构结构基因顺式调控元件基因家族重复序列转座子端粒9/15/2022141真核生物的结构基因由编码序列外显子和非编码序列内含子两局部构成，编码序列是不连续的，被非编码序列分隔开来，称为断裂基因。结构基因9/15/2022142调控序列9/15/20221431) 顺式作用元件(cis-acting element)概念：能够被调控蛋白特异性识别和结合，从而调控结构基因表达的DNA序列。9/

41、15/2022144 TATA盒 CAAT盒 GC盒 增强子 顺式作用元件 结构基因-GCGCCAATTATA转录起始启动子上游启动子元件9/15/2022145基因家族来自某一祖先基因，并且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。多基因家族基因超家族9/15/2022146第三节 基因组学 基因组研究已经从单个基因开展到研究生物体整个基因组的结构与功能。基因组研究已从简单的低等生物到真核生物，从多细胞生物到人类。测定一个生物基因组核酸的全序列无疑对了解这一生物的生命信息及其功能有极大的意义。9/15/2022147基因组学指开展和应用DNA制图、测序新技术及计算机程序，分析生

42、命体(包括人类)全部基因的结构与功能。函盖内容：人类基因组方案 转录组学 蛋白质组学 生物信息学9/15/2022148基因组学包括三个不同的亚领域：结构基因组学(Structural genomics)功能基因组学(Functional genomics)比较基因组学(Comparative genomics) 9/15/2022149人类基因组方案HGP: 属于结构基因组学范畴； 指制作高分辨率的遗传图和物理图, 最 终完成人类和其它重要模式生物 的全部基因组DNA序列测定。 9/15/2022150HGP的研究任务:物理制图遗传制图基因组DNA序列测定创立计算机分析管理系统 9/15/2

43、022151第四节 功能基因组学详尽分析基因序列、描述基因组所有基因的功能,包括研究基因的表达及其调控模式。 9/15/2022152功能基因组学的研究内容:鉴定DNA序列中的基因同源性分析预测基因的功能实验研究证实基因的功能描述基因表达及调控模式 9/15/2022153第五节 蛋白质组学 研究在不同时间和空间发挥功能的特定蛋白质群体，揭示和说明生命活动的根本规律。9/15/2022154蛋白质组(proteome)：一个细胞或组织在特定生理或病理状态下表达的所有种类的蛋白质。 转录子组和蛋白质组是动态的，即个体的不同组织细胞及生理或病理状态时的转录子组及蛋白质组均不同；相同状态下的转录子组

44、与蛋白质组也并不完全匹配。9/15/20221552DE for separating proteins:第一向: 等电聚焦第二向: SDS蛋白质组学的研究技术9/15/20221562D电泳图谱及图像分析: 对照组 实验组9/15/2022157蛋白质点定位及匹配结果: 实验组和对照组蛋白点匹配图9/15/2022158基质辅助激光解 吸飞行时间质谱MALDITOFMS: 通过专门的蛋白质点切割系统，可以将蛋白质点所在的胶区域进行精确切割。接着对胶中蛋白质进行酶切消化，酶切后的消化物经脱盐/浓缩处理后点样，进行质谱分析MALDI-TOF。根据质谱分析数据构建数据库或和已有的数据库进行比较分析

45、。9/15/2022159差异蛋白质点的肽质量指纹图:9/15/2022160串联质谱MS/MS: 即在第一级质谱得到肽的分子离子，最后形成N端碎片离子系列和C端碎片离子系列，将这些离子碎片系列综合分析，可得出肽段的氨基酸序列。 9/15/2022161 第六节 基因表达调控 机体的各种细胞中含有相同的遗传信息(相同的结构基因)，但并非在所有细胞中同时表达，而必须根据机体的不同发育阶段、不同的组织细胞及不同的功能状态，选择性、程序性地表达特定数量的特定基因，这就是基因表达的调控。 9/15/2022162一、基因表达的特异性基因表达具有时间特异性和空间特异性；基因的特异性表达由特异基因的调控序

46、列顺式作用元件和调节蛋白反式作用因子相互作用而决定。9/15/2022163一基因表达的时间特异性 按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性(temporal specificity)。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stage specificity)。9/15/2022164二基因表达的空间特异性在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。基因表达伴随时间或阶段顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织

47、特异性(cell or tissue specificity)。9/15/2022165细菌能在一定范围内适用于不同碳源、不同环境温度条件而生长，是因为不同的基因对内、外环境信号刺激的反响性不同而致基因表达的方式不同。二、基因表达的方式9/15/2022166一些基因产物在生命全过程都是必需的，这些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，称为管家基因(house keeping gene)。它较少受环境因素的影响，其表达方式为组成性基因表达(constitutive gene expression)，或称根本表达。如细胞骨架蛋白基因的表达。 一组成性表达根本表达9/15/2022167有些

48、基因表达极易受环境变化影响，在特定环境信号刺激下，有些基因的表达表现为开放或增强，这种表达方式称为诱导表达(inducing expression)。相反，有些基因的表达表现为关闭或下降，那么这种表达方式称为阻遏表达(repressing expression) 。例如细菌能在一定范围内适用于不同碳源、不同环境温度条件而生长；经常饮酒者体内醇氧化酶水平活性较高。二诱导和阻遏表达9/15/2022168在生物体内，各种代谢途径能有条不紊地进行，这是因为在一定机制控制下，功能相关的一组基因能协调一致，共同表达，即协调表达(coordinative expression)，这种调节被称为协调调节(c

49、oordinative regulation)。例如物种特性的维持、个体发育的协调。 三协调表达9/15/2022169三、基因表达调控的根本原理整个基因表达的过程分为几个阶段，即基因活化、转录、转录后加工及翻译、翻译后加工等。在上述各个环节中均存在着基因表达调控的控制点。可见，基因表达调控是在多级水平上进行的复杂事件 。9/15/2022170基 因激 活转录起始 转录后加工mRNA降解蛋白质翻译翻译后加工修饰蛋白质降解等一基因表达的多级调控9/15/2022171二基因转录激活调节根本要素基因表达的调节与基因的结构、性质，生物个体或细胞所处的内、外环境，以及细胞内所存在的转录调节蛋白有关。

50、9/15/2022172原核生物 蛋白质因子 操纵子(operon) 机制特异DNA序列编码序列 启动序列 操纵序列 其他调节序列(promoter)(operator)特异DNA序列和调节蛋白质9/15/2022173RNA转录起始-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列9/15/2022174原核基因转录起始时RNA-pol与启动序列结合10区Prib

51、now box-35区9/15/2022175操纵序列 阻遏蛋白(repressor)的结合位点当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录。启动序列编码序列操纵序列pol阻遏蛋白9/15/2022176真核生物1) 顺式作用元件(cis-acting element)可影响自身基因表达活性的DNA序列BADNA编码序列转录起始点不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列即顺式作用元件的核心序列(core sequence) ，如TATA盒、CAAT盒等，这些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。 9/15/2

52、0221772) 真核基因的调节蛋白还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的表达，称顺式作用。 正性调节诱导和负性调节阻遏由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达。 反式作用因子(trans-acting factor) 这种调节作用称为反式作用。 9/15/2022178第 七 节原核生物基因的表达调控the Regulation of Prokaryote Gene Expression9/15/2022179一、原核生物基因表达的特点 1. 只有一种RNA聚合酶。RNA聚合酶识别原核基因的启动序列，催化所有RNA的合成

53、； RNA聚合酶全酶中的亚基又称因子识别特异启动序列，决定特异基因包括mRNA、rRNA和tRNA基因的转录起始。9/15/2022180原核基因转录起始时RNA-pol与启动序列结合9/15/20221812. 基因表达以操纵子为根本单位。原核基因一般不含内含子，其基因是连续的。大多数原核基因转录单位为多顺反子。 9/15/2022182 多顺反子(polycistron) 原核基因中多个功能相关的结构基因串联在一起构成一个转录单位，即包含多个编码多肽链或RNA的序列。通常依赖同一调控序列对其转录进行调节，使这些相关基因实现协同表达。9/15/2022183 单顺反子(monocistron

54、) 编码一个多肽链的DNA的序列区域。相当于真核细胞的一个基因，包括独立的结构基因和调控序列。9/15/20221843. 转录和翻译偶联：原核生物染色体DNA是裸露的环形DNA，在细胞内转录成mRNA后，直接在胞浆中与核糖体结合翻译为蛋白质。4. 普遍存在阻遏蛋白与操纵序列结合阻遏或解聚去阻遏的开关调节机制。 5. mRNA翻译起始部位有特殊的碱基序列 SD序列。 9/15/2022185转录水平的调控 影响转录的因素 转录的调控机制翻译水平的调控 SD序列的调控作用 mRNA的稳定性 翻译产物的调控作用 小分子RNA的调控作用 二、原核生物基因表达的调控 9/15/20221861. 操纵

55、子模型的普遍性操纵子：原核生物细胞中多个功能相关基因成簇地串联、密集于染色体上，共同组成一个转录单位。即多个结构基因受同一启动序列控制，转录出多顺贩子mRNApolycistronic mRNA)。原核生物基因的协调表达即是通过调控单个启动基因的活性来完成的。9/15/2022187 一个多顺反子转录单位与其调控序列即构成操纵子operon。 乳糖操纵子lactose operon, lac是原核生物基因转录负调控的最典型模式,也称Jacob-Monod模式。 9/15/20221882. 阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性阻遏蛋白与操纵序列结合：特异基因的表达被阻遏；阻遏蛋白与操纵序列解聚：特异基因

56、的表达去阻遏。9/15/2022189启动序列编码序列操纵序列pol阻遏蛋白阻遏蛋白与操纵序列的结合9/15/2022190二、乳糖操纵子调节机制1. 乳糖操纵子(lac operon)的结构 调控区CAP结合位点启动序列操纵序列 结构基因Z： 编码-半乳糖苷酶Y： 编码透酶A：编码乙酰基转移酶ZYAOPDNA9/15/2022191mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时阻遏基因2. 阻遏蛋白的负性调节9/15/2022192mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖半乳糖-半乳糖苷酶9/15/2022193CAP: catabolite gene

57、 activator protein 代谢物基因激活蛋白 在启动序列P上游有一个CAP结合位点，由P序列、O序列和CAP结合位点共同构成lac 操纵子的调控区。3. CAP的正性调节9/15/2022194代谢物基因激活蛋白CAP能将葡萄糖饥饿信号传递给很多操纵子，使细菌在缺乏葡萄糖的环境中利用其它碳源。 CAP的作用有cAMP依赖性，又称其为cAMP受体蛋白cAMP receptor protein，CRP。9/15/2022195+ + + + 转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP9/15/2022196 在大肠杆菌的

58、许多操纵子中，基因的转录不是由单一因子调控的，而是通过负调控因子和正调控因子进行复合调控。4. 协调调节9/15/2022197mRNA低半乳糖时高半乳糖时 葡萄糖低 cAMP浓度高 葡萄糖高cAMP浓度低RNA-polOOOO9/15/2022198第 八 节真核生物基因的表达调控the Regulation of Eukaryote Gene Expression9/15/2022199 单细胞真核生物，如酵母基因表达的调控和原核生物基因表达的调控根本相同。 多细胞真核生物中，遗传信息从细胞核的基因组DNA传递到基因编码的蛋白质均受到多层次的调控，包括DNA水平、转录水平、转录后水平、翻译

59、水平和翻译后水平的调控。9/15/2022200一、基因组DNA水平的调控 染色质的丧失 基因扩增gene amplification 基因重排gene rearrangementDNA甲基化 染色质结构改变9/15/2022201二、转录水平的调控 主要通过反式作用因子与顺式作用元件及RNA聚合酶RNA polymerase, RNA pol的相互作用完成。 调控作用主要表现为反式作用因子影响转录起始复合物的形成。9/15/2022202三、翻译水平的调控翻译起始阻遏蛋白、翻译起始因子、起始密码、mRNA5-UTR长度mRNA稳定性自身结构、RNase、反式作用因子、激素、生长因子、离子 小

60、分子RNA9/15/2022203五、翻译后水平的调控 (posttranslational control)新生肽链水解个别氨基酸的共价修饰 靶向输送9/15/2022204第四讲 基因与疾病第十、十一章9/15/2022205第一节 基因变异与疾病一、基因 gene 是核酸分子中贮存遗传信息的遗传单位，一个基因不仅仅包括编码蛋白质肽链或RNA的核酸序列，还包括保证转录所必需的调控序列及位于编码区5端上游的非编码序列、内含子和位于编码区3端下游的非编码序列。9/15/2022206二、基因突变点突变缺失插入重排融合9/15/2022207基因突变类型：1. 碱基置换突变(substituti