医学遗传学分子基础课件

1、第三章 遗传的分子基础第一节 染色体的化学组成和分子结构一、染色体的化学组成染色质D N A蛋 白 质少量RNA组 蛋 白：H1、H2A、H2B、H3、H4非组蛋白医学遗传学分子基础(1)1第三章 遗传的分子基础染色质D N A组 蛋 白：H1、H核酸的基本单位单核苷酸nucleotide戊糖 脱氧核糖磷酸含氮有机碱嘌呤：（碱基）（一） DNA(deoxyribonucleic acid)嘧啶：嘧 啶嘌 呤胞嘧啶 Ccytosine 胸腺嘧啶 Tthymine鸟嘌呤 Gguanine腺嘌呤 Aadenine碱 基医学遗传学分子基础(1)2核酸的基本单位单核苷酸戊糖 脱氧核糖磷酸含氮核糖脱氧糖苷

2、键核苷酯 键单 核 苷 酸医学遗传学分子基础(1)3核糖脱氧糖苷键核苷酯 键单 核 苷 酸医学遗传学分子基础(35磷酸二酯键53医学遗传学分子基础(1)435磷酸二酯键53医学遗传学分子基础(1)4医学遗传学分子基础(1)5医学遗传学分子基础(1)5（二）组蛋白与非组蛋白 组蛋白：染色体中约1/3是组蛋白，已知有5种，赖氨酸和精氨酸含量比例不同为碱性蛋白；H1、H2A、H2B、 H3、H4 多数带正电荷；与DNA构成核小体。 非组蛋白：酸性蛋白，种类很多，有一类小分子与基因调控有关。医学遗传学分子基础(1)6（二）组蛋白与非组蛋白医学遗传学分子基础(1)6（三）DNA分子中的遗传信息 DNA的

3、两条多核苷酸链以相反方向缠绕，依赖成对碱基的氢键连接，AT、G，其互补原则是DNA复制，转录，逆转录的分子基础。 一个DNA上如有n个核苷酸，其组合几乎为无限：4n(人为43109)，蕴藏大量遗传信息，现已了解，mRNA上每三个相邻碱基构成一个密码子。 医学遗传学分子基础(1)7（三）DNA分子中的遗传信息 医学遗传学分子DNA的双链形成医学遗传学分子基础(1)8DNA的双链形成医学遗传学分子基础(1)8医学遗传学分子基础(1)9医学遗传学分子基础(1)9医学遗传学分子基础(1)10医学遗传学分子基础(1)10U C A G遗 传 密 码 表第一碱基(5,)UCAG第 二 碱 基第三碱基（3，

4、）UCAGUCAGUCAGUCAG苯丙氨酸 丝氨酸 酪 氨 酸 半胱氨酸苯丙氨酸 丝氨酸 酪 氨 酸 半胱氨酸亮 氨 酸 丝氨酸 终止密码 终止密码亮 氨 酸 丝氨酸 终止密码 色 氨 酸亮 氨 酸 脯氨酸 组 氨 酸 精 氨 酸亮 氨 酸 脯氨酸 组 氨 酸 精 氨 酸亮 氨 酸 脯氨酸 谷氨酰胺 精 氨 酸亮 氨 酸 脯氨酸 谷氨酰胺 精 氨 酸异亮氨酸 苏氨酸 天冬酰胺 丝 氨 酸异亮氨酸 苏氨酸 天冬酰胺 丝 氨 酸异亮氨酸 苏氨酸 赖 氨 酸 精 氨 酸 甲硫氨酸 *+合成起步信号 苏氨酸 赖 氨 酸 精 氨 酸 缬 氨 酸 丙氨酸 天冬氨酸 甘 氨 酸缬 氨 酸 丙氨酸 天冬氨酸

5、甘 氨 酸缬 氨 酸 丙氨酸 谷 氨 酸 甘 氨 酸缬 氨 酸 丙氨酸 谷 氨 酸 甘 氨 酸医学遗传学分子基础(1)11U C 1.基因组狭义：单倍体细胞中的全套染色体（人：22条常染色体+X，Y+线粒体DNA）。 某物种单倍体细胞所具有的遗传信息的总和。广义：一物种的全部遗传物质及其携带的遗传信息。二、染色体的分子组成医学遗传学分子基础(1)121.基因组二、染色体的分子组成医学遗传学分子基础(1)12 大小：从几kb几个Mb；结构特点：1、非编码序列很少；2、编码序列是连续的；3、多数编码序列以操作子的形式排列；4、细菌染色体具有拟核结构；5、从功能上可以把编码序列分为核心基因组（cor

6、e genome）和附加成分。2、原核生物基因组的基本结构医学遗传学分子基础(1)13 大小：从几kb几个Mb；结构特点：1、非编码序列很核心基因组中的编码序列为细菌生活周期所必须；附加成分是细菌基因组中一些与细菌生活周期没有关系的编码序列，主要有毒力岛（pathogenicity islands）、可移动成分等；医学遗传学分子基础(1)14核心基因组中的编码序列为细菌生活周期所必须；医学遗传学分子基毒力岛： 近年来,随着分子生物学研究的不断深入,在细菌学领域出现了一些新的概念,毒力岛(pathogenicity island)为其中之一。,一组编码细菌毒力相关基因的基因簇；分子质量比较大长度

7、在20100 kb；两侧一般具有重复序列和插入元件,也可以没有；具有附加成分特点（非必需, GC含量，密码使用频率，不稳定可移动）基因产物多为分泌性蛋白或表面蛋白.医学遗传学分子基础(1)15毒力岛：医学遗传学分子基础(1)15毒力岛具有以下特点:1. 编码细菌毒力基因簇的一个相对分子质量较大的(20100kb左右)染色体DNA片段；2.一些毒力岛的两侧具有重复序列和插入元件, 但是也可以没有；3.毒力岛往往位于细菌染色体的tRNA基因位点内或附近, 或者位于与噬菌体整合有关的位点；4.毒力岛DNA片段的G+C mol % 、密码使用和宿主细菌染色体有明显差异， 有的比宿主细胞的G+C mol

8、% 明显高， 有的明显低； 5.毒力岛编码的基因产物许多是分泌性蛋白和细胞表面蛋白, 如溶血素、菌毛和血红素结合因子， 一些毒力岛编码细菌的分泌系统（如型分泌系统）、信息传导系统和调节系统； 6. 一种病原菌可以有一个或几个毒力岛； 7. 部分学者认为, 细菌的毒力岛应该包括位于噬菌体和质粒上的、与细菌的毒力有关、其G+C百分比和密码使用与宿主细胞明显不同的DNA片段；8.毒力岛可能与新发现的病原性细菌有关; 医学遗传学分子基础(1)16毒力岛具有以下特点:医学遗传学分子基础(1)163、质粒染色体外遗传物质双链DNA分子，几kb几百kb；位置相对游离；独立复制（松弛与严谨）；携带致育基因和耐

9、药基因；F因子（接合性质粒）质粒的不相容性：在没有选择压力的情况下两种质粒不能共存于同一个宿主细胞内的现象 医学遗传学分子基础(1)173、质粒染色体外遗传物质双链DNA分子，几kb几百kb医学遗传学分子基础(1)18医学遗传学分子基础(1)18断裂基因；主要由大量的非编码序列和少量的编码序列构成；存在多基因家族。含有多种类型的重复序列；4、人类基因组的基本特点医学遗传学分子基础(1)19断裂基因；4、人类基因组的基本特点医学遗传学分子基础(1)1人类基因组概况最长的染色体2（240 Mbp）最短的染色体Y（19Mbp）基因最多的染色体1（2453）基因最少的染色体Y（104）基因密度最大的染

10、色体19（23/Mb）基因密度最小的染色体13，Y（5/Mb）重复序列含量最高的染色体19（57%）重复序列含量最低的染色体2，8，10，13，18（36%）医学遗传学分子基础(1)20人类基因组概况最长的染色体2（240 Mbp）最短的染色体Y 每个基因组（genome)含3.0109bp, 根据基因组DNA碱基排列顺序重复出现的 程度不同，把基因组DNA序列分为单一序列，重复序列。医学遗传学分子基础(1)21 每个基因组（genome)含3.0109b基因组DNA单一序列（unique sequence）：重复序列（repetitive sequence）： 60%65%单拷贝或很少几次的

11、序列、由8001000bp组成、结构基因,一个基因组中，约有10万个结构基因(33.5万) 30%以上。 DNA序列在基因组中有多个拷贝，可有几十份，几百份，甚至几十万份有些重复序列与染色体结构有关，大多数生物学功能有待进一步研究。医学遗传学分子基础(1)22基因组单一序列（unique sequence）：重复序列（重复序列高度重复序列：中度重复序列： 由很短的碱基序列组成，长度2200bp，重复次数106108。一般占DNA碱基对的10%30%。由一些短的DNA序列呈串联重复排列。 在长度和拷贝数目上有很大差别。重复次数10104,一般占DNA碱基对的10%,有些中度重复序列DNA具有编码

12、功能;大多数无编码功能，主要是一些分散重复DNA序列 .医学遗传学分子基础(1)23重复序列高度重复序列：中度重复序列： 高度重复序列卫星DNA 小卫星DNA 微卫星DNA 回文序列 医学遗传学分子基础(1)24高度重复序列卫星DNA 医学遗传学分子基础(1)24卫星DNA DNA在CsCl密度梯度离心中，由于GC的含量少于AT，当重复序列的GC与AT的比率有差异时，可在DNA主峰旁形成卫星DNA。卫星DNA构成着丝粒，端粒和Y染色体长臂上的异染色质区。称为卫星DNA。 医学遗传学分子基础(1)25卫星DNA DNA在CsCl密度梯度离心中，由于GC的含量少浮力密度主带 卫星带1.701 1.

13、690吸光度卫星DNA医学遗传学分子基础(1)26浮力密度主带 卫星带吸光度卫星DNA医学遗传学分子基础小卫星DNA指端粒DNA和高变小卫星DNA两种。在染色体末端由6bp序列(TTAGGG)重复串联组成的1015kbDNA序列称为端粒DNA。它是在端粒酶作用下加到染色体末端，保持染色体的完整性。高变小卫星DNA是由964bp序列重复串联组成的，每个小卫星区重复序列的拷贝数是高度可变的，因此常用DNA指纹技术作个体鉴定。 医学遗传学分子基础(1)27小卫星DNA指端粒DNA和高变小卫星DNA两种。医学遗传学分1231/2121122小鼠卫星DNA的EcoRII切割的电泳扫描图 医学遗传学分子基

14、础(1)281231/2121122小鼠卫星DNA的EcoRII切割微卫星DNA微卫星DNA重复单位序列最短，只有15bp，串联成簇长度50100bp的微卫星序列。人类基因组至少有30000个不同的微卫星位点，具高度微卫星多态性，不同个体间有明显差别，但在遗传上却是高度保守的，因此可作为重要的遗传标志，用于基因定位的连锁分析。 医学遗传学分子基础(1)29微卫星DNA微卫星DNA重复单位序列最短，只有15bp，串回文序列是两个顺序相同的互补拷贝在同一条DNA链上反向排列而成的，形成链内碱基配对，形成发夹结构。医学遗传学分子基础(1)30回文序列医学遗传学分子基础(1)305AGACCACCAG

15、TACAACGTTATTGTACTGGAACAAG33TCTGGTGGTCATGTTGCAATAACATGACCTTGTTC5 T G TC ATTGTACTGG AACAAG3 A A C A T G A C C5 AGACCAG T C A A3TCTGGT G G T C A T G T T TTGTTC5CCAGTACAA医学遗传学分子基础(1)315AGACCACCAGTACAACGTTATTGTACT分 类长 度重复单位分 布卫星DNA100kb-MbI2548异染色质II、III类5染色体全长a 171着丝粒 （Sau3A）68部分着丝粒小卫星DNA0.1-20kb端粒DNA6端

16、粒高变924染色体全长微卫星DNA150bp14染色体全长人类基因组中的串联重复序列医学遗传学分子基础(1)32分 类长 度重复单位分 布卫星DNA100kb-MbI短分散元件(SINEs)：长度300500bp，散在分布在基因组中，拷贝数目可达到105以上，两个片段间隔约1000bp的单拷贝序列. 例如人类Alu家族，占人类基因组的36，由300bp构成，在第170位附近都AGCT顺序，可被内切酶Alu。重复达3070万次，平均4kbDNA就有一个Alu顺序。长分散元件(LINEs)：长度10007000bp，重复次数为10104,重复序列之间间隔10-30bp单拷贝序列。在人类基因组可重复

17、几十次串联在一起形成基因簇有称串联重复基因,如KpnI家族。中度重复序列医学遗传学分子基础(1)33短分散元件(SINEs)：长度300500bp，散在分布在人类基因组中的散布重复序列类型家族单位长度拷贝数总长度比例SINEAlu0.13 kb1百万288 Mb9.9MIR40万66 Mb2.3LINELINE10.8 kb35万466 Mb16.1LINE20.25 kb27万LTRHERV1.3 kb5万155 Mb5.3RTLV，LTR0.5 kb20万DNA TnMER,THE等0.25 kb20万50 Mb1.7总记1025 Mb35.3医学遗传学分子基础(1)34人类基因组中的散布

18、重复序列类型家族单位长度拷贝数总长度比例S多基因家族(multigeng family) 一个祖先基因(ancestral gene)经过重复和变异所形成的一组基因。基因家族也就是真核基因组中有许多来源相同、结构相似、功能相关的基因称为基因家族。医学遗传学分子基础(1)35多基因家族(multigeng family) 一个祖先基因有两种存在形式：一类是一个基因的多次拷贝成簇排列在同一条染色体上，形成一个基因簇（gene cluster） ；另一类是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，但是编码一组关系密切的蛋白质。医学遗传学分子基础(1)36有两

19、种存在形式：医学遗传学分子基础(1)36直向同源（ortholog):不同物种，甚 至真核生物与原核生物之 间。结构相似、功能相关 的基因，起源于同一祖先。横向同源（paralog):同一生物体内。 结构相似、功能相关的基 因，源于基因的复制 。医学遗传学分子基础(1)37直向同源（ortholog):不同物种，甚横向同源（para假基因 在多基因家族中，某些成员不产生有功能的基因产物，这类基因成为假基因。假基因的核苷酸顺序与相应的活性基因极为相似，但不能表达，不具有正常功能。它们与有功能的基因有同源性，起初可能是有功能的基因，以后由于发生突变，失去了活性，变成了无功能的基因。 医学遗传学分子

20、基础(1)38假基因 在多基因家族中，某些成员不产生有功能的基因产物，这类GC框：调节转录的活动。CAAT框增强子尾部区第二节 真核基因的分子结构人类珠蛋白基因结构图内含子1（I1）内含子2（I2）外显子 3（E3）105 146外显子 2 （E2）31 10453 转录起始点 TATA框RNA聚合酶结合决定转录起始点CAAT框RNA聚合酶结合控制转录频率外显子 1 （E1）1 30AATAAA 回文顺序 结构基因编 码 区非编码区调 控 区外显子：具有编码意义内含子：无编码意义（ 5GT、 3AG； GT -AG法则）前导区启动子终止子TATA框mRNA裂解信号(AATAAA)回文结构GC框

21、 GC框 转录终止信号医学遗传学分子基础(1)39GC框：调节转录的活动。CAAT框增强子尾部区第二节 真核基5AGACCACCAGTACAACGTTATTGTACTGGAACAAG33TCTGGTGGTCATGTTGCAATAACATGACCTTGTTC53AGACCACCAGUACAACGUUAUUGUACUGGAACAAG5 U G UC AUUGUACUGG AACAAG5 A A C A U G A C C3 AGACCA医学遗传学分子基础(1)405AGACCACCAGTACAACGTTATTGTACT第三节 DNA的复制 DNA复制(replication ): DNA分子合成一

22、个与自己相同的DNA分子的过程。其结果DNA含量增加一倍。医学遗传学分子基础(1)41第三节 DNA的复制 DNA复制(replicatioTAATGCCGTAA-TA-TATCGGCGCA-TT AT AA T C GG CT AT AAACGCTTGCG一.半保留复制（semi-conservative replication)解旋2条单链C GG CA TA TAACGCTTGCG分别以2条单链为模板按碱基配对原则形成与亲代DNA分子相同的两条子链。每条子链中一条多核苷酸链是亲代DNA分子即模板链，另一条是互补合成的。ATGCAAA-TA-TATCGCGGCGCATTTATGCCGA-T

23、A-TATCGGCGCA-TATGCTACGTAA-TA-TATCGGCG-C医学遗传学分子基础(1)42TAATGCCGTAA-TA-TATCGGC二. DNA复制的过程复制起点、方式和方向复制起点（origin ori或 o 复制原点）复制开始处DNA分子的特定位置医学遗传学分子基础(1)43二. DNA复制的过程复制起点、方式和方向医学遗传学分子基础 原核生物（Prokaryote）：单复制起点即整个染色体只有一个复制单位 复制子（Replicon）；又称复制单位 或复制元医学遗传学分子基础(1)44 原核生物（Prokaryote）：单复制起点即整 真核生物（Eukaryote）:多复

24、制起点即一个genome中有多个复制单位医学遗传学分子基础(1)45 真核生物（Eukaryote）:多复制起点即DNA中含有一定复制起点和复制终点的复制单位1.3万90万不等医学遗传学分子基础(1)46DNA中含有一定复制起点和复制终点的复制单位1.3万90万5353复制起始点复制体（Replisome）复制叉处的许多酶和蛋白组成的复合体，协同动作合成DNA复制叉医学遗传学分子基础(1)475353复制起始点复制体（Replisome）复制叉 富含AT “呼吸作用”十分明显,许多酶的结合位点, 发夹结构也有同样作用 300bp真核生物的复制原点AT rich医学遗传学分子基础(1)48 富含

25、AT “呼吸作用”十分明显,许多酶的结合位点, 发夹 复制眼（replication eye）：电子显微镜下观察正在复制的DNA，复制的区域形如一只眼睛医学遗传学分子基础(1)49 复制眼（replication eye）：电子显微53535353复制起始点复制叉先导链后导链（延迟链）RNA引物岗崎片段复制方式医学遗传学分子基础(1)5053535353复制起始点复制叉先导链后导链三.DNA复制所需的引物、酶和某些蛋白DNA复制所需的引物RNA引物：长度一般为412个核苷酸。引物的出现可能提高DNA复制的无差错性。医学遗传学分子基础(1)51三.DNA复制所需的引物、酶和某些蛋白医学遗传学分子

26、基础(1(1)、引发酶和引发体：引发酶作用：催化RNA引物的合成。引发酶催化前要与多种蛋白质结合共同构成一个复合体引发体。引发体有三种蛋白质dnaAdnaBdnaCDNA复制所需的酶和蛋白质医学遗传学分子基础(1)52(1)、引发酶和引发体：引发酶作用：催化RNA引物的合成。引DNA复制简单起始过程 a、涉及主要酶系： DnaA、RNApol是必不可少的，此外涉及到 DnaB（解旋酶）、DnaC、Hu、Gyrase、SB、 DnaG、Top和 DNApol 全酶医学遗传学分子基础(1)53DNA复制简单起始过程 a、涉及主要酶系：医学遗传学分子基础简单步骤：* 转录激活* DnaA 识别并结合

27、复制起点，DnaBDnaC六聚体与oriC 形成预引发体* DnaG加入形成引发体（oriC引发体），合成引物RNA* 引物合成后，DNApol 组装到引发的RNA上，完成复制体的组装医学遗传学分子基础(1)54简单步骤：医学遗传学分子基础(1)54DNA双链大肠杆菌DNA复制的起始ATP. dnaA300C300C ATP300C dnaB dnaC ATP200C医学遗传学分子基础(1)55DNA双链大肠杆菌DNA复制的起始ATP. dnaA300C(2)、DNA聚合酶：作用是将脱氧核苷酸连接成DNA。聚合反应： 底物dNTPPoly(核苷酸)n3-OH dNTP Poly(核苷酸)n+1

28、3-OH 2PiDNA聚合酶活性条件模板、引物医学遗传学分子基础(1)56(2)、DNA聚合酶：作用是将脱氧核苷酸连接成DNA。医学遗大肠杆菌 聚合酶DNADNA聚合酶IDNA聚合酶IIDNA聚合酶III：将岗崎片段5端上的RNA引物切除。此外对DNA复制起校正作用，并在DNA损伤修复中也起重要作用。：作用机制不详。：DNA复制所必须的酶， DNA链的延长，作用除与DNA聚合酶 I有类似作用外，还有一些其它独特的机能。医学遗传学分子基础(1)57大肠杆菌 聚合酶DNADNA聚合酶IDNA聚合酶IIDDNA复制校正作用免错机制改错机制（失配修复机制） 免错机制:的代表是与DNA聚合酶连接的核酸外

29、切校对酶。DNA复制时首先DNA聚合酶进行“核苷酸选择”，但并非100选择正确，有十万分之一选择错误，核酸外切校对酶可清除选择错误的核苷酸。如果还有错误级既使用改错机制。 改错机制（失配修复机制）：在新合成的核苷酸中找出错配的核苷酸并将其清除。医学遗传学分子基础(1)58DNA复制校正作用免错机制 免错机制:的代表是与DNA哺乳动物 聚合酶DNADNA聚合酶 DNA聚合酶 DNA聚合酶 DNA聚合酶 DNA聚合酶 ：DNA复制时所需要的酶。： DNA损伤修复时起作用。：存在线粒体，线粒体DNA复制起作用。：作用机制不详。 在复制的DNA链中如何辨别亲本链和新合成的链。亲本链顺序上甲基化程度较高

30、，新合成顺序则无。医学遗传学分子基础(1)59哺乳动物 聚合酶DNADNA聚合酶 ：DNA复制时所延伸过程 进入的标志：DNApol 把第一个核苷酸加到引物的3OH端后随链合成的起始（前体片段的起始） 后随链的第一个冈崎片段起始于 先导链进入延伸之后 x174 phage后随链的起始 （负链合成、不连续合成）医学遗传学分子基础(1)60延伸过程医学遗传学分子基础(1)60(3)、DNA连接酶:能催化一段DNA链的5磷酸根与另一段DNA的3OH形成磷酸二酯键，使两段DNA连接起来。此外，在DNA修复中亦起重要作用。(4)、DNA解链酶：解开DNA双链。解链时需ATP供能。医学遗传学分子基础(1)

31、61(3)、DNA连接酶:能催化一段DNA链的5磷酸根与另一段(5)、单链DNA结合蛋白（SSB）:与被解开的DNA单链结合，使其不再缠结而便于作模板去螺旋稳定蛋白（HDP)。医学遗传学分子基础(1)62(5)、单链DNA结合蛋白（SSB）:与被解开的DNA单链结与复制有关的另外两种酶拓扑异构酶端粒酶（端粒末端转移酶）拓扑异构酶I拓扑异构酶II：切断DNA双链中的一股,使DNA解链旋转时不致缠结，待张力解除后又把切口封闭。：稳定螺旋结构；当复制完毕时，使着丝粒处连锁着的两个DNA分子分离。：保证真核细胞内线性DNA的复制进行得彻底和完善。医学遗传学分子基础(1)63与复制有关的另外两种酶拓扑异

32、构酶端粒酶（端粒末端转移酶）拓扑5335大肠杆菌 复制叉中各种酶和蛋白质的作用模型DNA解链酶解链酶35解链酶35引发体引发酶SSBSSBSSBSSBRNA引物聚合酶II35聚合酶II解链酶35聚合酶II3SSBSSBSSBSSB5RNA引物引发体引发酶RNA引物SSBSSBSSBSSB聚合酶IIDNA聚合酶I和连接酶医学遗传学分子基础(1)645335大肠杆菌 复制叉中各种酶和蛋白质的作复制终止1、环形DNA复制的终止a、终止序列 E.coli 有两个终止区域，分别结合专一性的终止蛋白序列一：terE terD terA序列二：terF terB terC每个区域只对一个方向的复制叉起作用

33、医学遗传学分子基础(1)65复制终止1、环形DNA复制的终止医学遗传学分子基础(1)65医学遗传学分子基础(1)66医学遗传学分子基础(1)66 b、专一性终止蛋白 E.coli 中由tus gene 编码（terminus utilization substance） 通过抑制DNA螺旋酶而发挥终止作用,每次复制时只使用一个终止位点ter医学遗传学分子基础(1)67 b、专一性终止蛋白ter医学遗传学分子基础(1)67医学遗传学分子基础(1)68医学遗传学分子基础(1)68 线性DNA的末端复制的问题医学遗传学分子基础(1)69 线性DNA的末端复制的问题医学遗传学分子基础(1)69? 环状

34、DNA复制是否存在这样的问题,为什么?医学遗传学分子基础(1)70? 环状DNA复制是否存在这样的问题,为什么?医学遗传学分子线状DNA的复制5末端短缩的解决模式a、从开始就采取环化的形式 噬菌体b、象T7噬菌体一样采取连环分子的形式利用自身线性DNA末端的重复序列通过末端互补形成连环分子c、最直接的办法引入蛋白质直接从末端起始复制如腺病毒2、phage29、脊髓灰质炎病毒d、痘病病毒的末端由发夹结构连接复制完成后错切连接医学遗传学分子基础(1)71线状DNA的复制5末端短缩的解决模式a、从开始就采取环化的?二聚体3-OHATCGTAGCATCGTAGC3-OHT7噬菌体的末端复制专一性核酸内

35、切酶医学遗传学分子基础(1)72?二聚体3-OHATCGTAGCATCGTAGC3-O 腺病毒（Adnovirus-2） DNA的复制 35937 bp TP C G IR 103-162 IR ; 包括 50bp的复制原点、富含A/T、有一个高 度保守的GC对pTP ; 末端蛋白的前体 80 kd TP 55 kdSSB ; 单链DNA结合蛋白 72 kd Ad2 DNA polymerase ; 140 kd 医学遗传学分子基础(1)73 腺病毒（Adnovirus-2） DNA的复制 3593复制起始复合体 引发复制 （不需引物） 避免5-end shortent pTp-Ser-dCM

36、P CG 过程 SSB + ATP DNA 末端解链 TP pTP-Ser + dCTP pTP-Ser-dCMP 3 OH医学遗传学分子基础(1)74复制起始复合体 腺病毒 DNA 复制起始G医学遗传学分子基础(1)75腺病毒 DNA 复制起始G医学遗传学分子基础(1)75IRIR长的发夹结构 痘病病毒末端复制的解决方式医学遗传学分子基础(1)76IRIR长的发夹结构 痘病病毒末端复制的解决方式医学遗传学分真核生物染色体 DNA末端补齐模式 (1) 端粒DNA (Telomer) TTGGGG(T2G4)序列高度重复的末端 5 TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGG 3 (富含 G

37、 链) 3 AACCCC AACCCC AACCCC 5 (富含 C 链) 医学遗传学分子基础(1)77真核生物染色体 DNA末端补齐模式 (1) 端粒DNA (端粒酶（ Telomerase）四膜虫：Telomerase 将T2G4 末端重复延伸 游扑虫：Telomerase = RNA CAAAACCCC链 + 末端结合蛋白 （TBP）医学遗传学分子基础(1)78端粒酶（ Telomerase）医学遗传学分子基础(1)78端粒酶逆转录酶a、核蛋白（ ribonucleoprotein RNP）b、含约长150NT的RNA，其中含 15 拷贝的CxAy重复序列，是合成端粒T2G4的模板c、延

38、长的3-T2G4端（一段cDNA）作为5-端DNA合成的模板医学遗传学分子基础(1)79端粒酶逆转录酶医学遗传学分子基础(1)79补齐过程 通过TG链的回折形成发夹结构（GG氢键）尺蠖模型实现端粒酶位置的调整医学遗传学分子基础(1)80补齐过程 通过TG链的回折形成发夹结构（GG氢键）尺 G G hoogsteen 氢键 三螺旋DNA G链 T2G4-TTGGGG TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGG C链-A2C4- G链 T2G4-TTGGGG t t g g g g t t gC链-A2C4- AACCCCAA g g g g t tgggPrimaseAACCCCAACCC

39、CAACCCCAACCCCAACCCDNA polorG链 T2G4-TTGGGG TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGG C链-A2C4- 医学遗传学分子基础(1)81 G G hoogsteen 氢键G链 人体细胞通过监测失去的端粒的重复数而计数细胞分裂次数，当端粒长度下降到某一临界值时，细胞终止分裂衰老、死亡“多莉”的衰老研究端粒丢失的速率，预测人类的寿命 XX XY why?研究推测端粒酶与肿瘤的关系医学遗传学分子基础(1)82人体细胞通过监测失去的端粒的重复数而计数细胞分裂次数，当端粒复制忠实性的保证1、DNApol的35外切酶活性 2、DNApol只能从引物的3 端延伸D

40、NA（需要RNA引物） a、碱基配对协同性导致最初几个碱基错配率高，且不易校正 b、RNA引物最终被降解而避免错误3、后随链的不连续合成:因其有利于错配碱基的校正 医学遗传学分子基础(1)83复制忠实性的保证1、DNApol的35外切酶活性 医第四节 DNA分子中信息的表达 基因表达:是指生物体基因组种结构基因所携带的遗传信息经过转录及翻译等一系列过程，合成特定的蛋白质，进而发挥其特定生物学功能的全过程。基因表达产物:各种RNA(tRNA、mRNA和rRNA)以及蛋白质、多肽。 医学遗传学分子基础(1)84第四节 DNA分子中信息的表达 基因表达:是指生物一、转录 转录 ：指DNA合成RNA的

41、过程（ DNA 分子的35为模板链也叫反编码链；5 3链叫编码链）。DNA复制转录RNA翻译蛋白质逆转录医学遗传学分子基础(1)85一、转录DNA复制转录RNA翻译蛋白质逆转录医学遗传学分子基转录产物信息RNA(mRNA)转运RNA(tRNA)核糖体RNA(rRNA)核仁以外的常染色质转录的。核仁内的常染色质转录的。转录的阶段粗转录阶段加工阶段医学遗传学分子基础(1)86转录产物信息RNA(mRNA)核仁以外的常染色质转录的。核仁内含子1（I1）内含子2（I2）外显子 3（E3）105 146外显子 2 （E2）31 10453 TATA框RNA聚合酶结合决定转录起始点CAAT框RNA聚合酶结

42、合控制转录频率外显子 1 （E1）1 30AATAAA 回文顺序 内含子1（I1）内含子2（I2）外显子 3（E3）105 146外显子 2 （E2）31 10453 外显子 1 （E1）1 30AATAAA 回文顺序 内含子1（I1）内含子2（I2） 内含子1（I1）内含子2（I2） 内含子1（I1）内含子2（I2） 53外显子 3（E3）105 146外显子 2 （E2）31 104外显子 1 （E1）1 30AATAAA回文顺序 外显子 3（E3）105 146外显子 2 （E2）31 10453外显子 1 （E1）1 30AATAAAAAAAAAAAAAAAAmGmGDNA转录剪接带帽

43、加尾成熟的mRNA hnRNA加工医学遗传学分子基础(1)87内含子1（I1）内含子2（I2）外显子 3外显子 253 (一)剪接： 细胞核内小RNA长约250个核苷酸，是所有真核，高度保守的成分，因富含U，称U族RNA，已知有U1、U2、U3、U4、U5、U6数种，这些，snRNA与约十种Pr，结合形成SnRNP，其通过RNARNA互补，可识别内含子中RNA的特定序列，各种SnRNP在剪接过程中，形成剪接体，使内含子被切掉。医学遗传学分子基础(1)88 (一)剪接： 细胞核内小RNA长约250个核苷酸，是所有UACUGACE11 30AGE231 104G UU1/ U23E231 104I

44、1GUUACUGACAGE11 305U1 U2 U3UACUGAAGG UCE231 104E11 30UACUGAE11 30AGE231 104G UC2、切除内含子、内含子5端的外显子和3端的外显子连接起来，内含子3端剪接部位断裂，将内含子形成的套索式结构切掉。1、在内含子3端UACUGAC中第6位的A攻击剪接部位，使之断裂，内含子5端G断裂后折回，与内含子3端第6位A经52磷酸二酯键相连接。医学遗传学分子基础(1)89UACUGACE1AGE2G UU1/ U23E2I1GU5 5首先，RNA5端起始核苷酸的P与鸟苷三磷酸形成5 5 键。然后，在乌苷酸7位N上甲基化，完成戴帽(帽O)

45、在真核生物中、下一个的2 0位甲基化，形成帽1。(二)戴帽：医学遗传学分子基础(1)905 5首先，RNA5端起始核苷酸的P与鸟苷三磷酸形戴帽作用： (1)戴帽可有效地封闭RNA5末端，使它不再接核苷酸。 (2)同时可保护5末端，使其不受砼酸酶和核酸酶的消化作用，从而增加其稳定性。 (3)帽还能被核糖体小亚基识别，促使mRNA与核糖体结合。医学遗传学分子基础(1)91戴帽作用：医学遗传学分子基础(1)91(三)加尾： 在戴帽同时，3端在在腺苷酸聚合酶作用下加接一连串PolyA，成尾，这过程称多聚腺苷酸化反应。 多聚腺苷酸化是在AAVAAA下游开始的，但在加尾前，需修建3末端，水解掉1015个核

46、苷酸后，再加100200个A。医学遗传学分子基础(1)92(三)加尾：医学遗传学分子基础(1)92作用： 可能是使得mRNA3末端稳定，不受酶的破坏，并可促使mRNA由核运转到质中。二、翻译医学遗传学分子基础(1)93作用：医学遗传学分子基础(1)93组成性与诱导性组成性基因始终表达的基因，如能量代谢；诱导性基因诱导表达的基因，如细胞因子正调控和负调控阻遏：基因表达受到抑制的过程和状态；脱阻遏被阻遏的基因重新表达。静息：基因长期不表达的状态。调控的水平转录前，转录水平，转录后第五节 基因的调控医学遗传学分子基础(1)94组成性与诱导性组成性基因始终表达的基因，如能量代谢；诱基因表达的特异性（一

47、）时间特异性 往往与细胞或个体的特定分化、发育阶段相适应，又称阶段特异性。（二）空间特异性 由细胞在各组织器官的分布差异所决定的，故又称为细胞特异性或组织特异性。医学遗传学分子基础(1)95基因表达的特异性医学遗传学分子基础(1)95基因表达的方式（一）组成性表达 管家基因:生命全过程都是必需的、且在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。 组成性基因表达:管家基因较少受环境因素的影响，在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续表达。医学遗传学分子基础(1)96基因表达的方式医学遗传学分子基础(1)96（二）诱导和阻遏表达诱导表达：特定环境信号刺激下，基因表现为开放或增强，表达产物增加。阻

48、遏表达：在特定环境信号刺激下，基因被抑制，从而使表达产物减少。医学遗传学分子基础(1)97（二）诱导和阻遏表达医学遗传学分子基础(1)97（三）协调表达 协调表达：在一定机制控制下，功能相关的一组基因，协调一致，共同表达。医学遗传学分子基础(1)98（三）协调表达医学遗传学分子基础(1)98一、原核细胞的基因表达调控 负调节:负调节蛋白（阻遏物）将基因关闭，使其不能转录的调节方式。医学遗传学分子基础(1)99一、原核细胞的基因表达调控医学遗传学分子基础(1)99大肠杆菌乳糖操纵子LacZ（半乳糖苷酶）3510bpLacY（半乳糖苷通透酶）780bpLacA（半乳糖乙酰酶）825bp 启动子 （

49、P）TGTTGACATTTATTTGTTATAATG CAT 69bp 47bp 操纵基因（O）53调节基因（R）1040bp转录翻译阻 遏物关闭状态医学遗传学分子基础(1)100大肠杆菌乳糖操纵子LacZLacYLacA 启动子 （P） 阻 遏物+转录翻译 RNA聚合酶半乳糖苷酶通透酶乙酰化酶乳糖半乳糖打开状态LacZ（半乳糖苷酶）3510bpLacY（半乳糖苷通透酶）780bpLacA（半乳糖乙酰酶）825bp 启动子 （P）TGTTGACATTTATTTGTTATAATG CAT 69bp 47bp 操纵基因（O）53调节基因（R）1040bp RNA聚合酶医学遗传学分子基础(1)101

50、阻 遏物+转录翻译 RNA聚合酶半乳糖苷酶通 正调节：正调节蛋白（活化物）与启动子结合，增强RNA聚合酶与启动子结合的能力，使转录过程进行的调节方式。医学遗传学分子基础(1)102 正调节：正调节蛋白（活化物）与启动子结合，增强RNA阿拉伯糖（Ara）操纵子转录翻译C 蛋白+ RNA聚合酶阿拉伯糖（Ara） RNA聚合酶53BAD 启动子 （P） 操纵基因（O）调节基因（C）医学遗传学分子基础(1)103阿拉伯糖（Ara）操纵子转录翻译C 二、真核细胞的基因表达调控1.环境因素对基因表达调控的影响2.激素、蛋白质因子等对基因表达调控的影响3.染色质结构的变化医学遗传学分子基础(1)104二、真

51、核细胞的基因表达调控医学遗传学分子基础(1)104（一）DNA、染色体水平的变化特点1对核酸酶极度敏感真核基因表达调控的特点 医学遗传学分子基础(1)105（一）DNA、染色体水平的变化特点真核基因表达调控的特点 医2.活性染色体结构变化当基因被激活时，可观察到染色体相应区域发生某些结构和性质变化。（1）对核酸酶敏感活化基因一个明显特性是对核酸酶极度敏感，当用DNase处理时染色质DNA会也现一些DNase超敏位点（hypersnsitive site）。超敏位点常发生在基因的5侧翼区（5flanking region）、3侧翼区（3flanking region）甚至可转录区内，具体也现在调

52、节蛋白结合位点附近。对DNase敏感状态的出现是转录所必需的，但它并不是只在转录进行时才存在，所以可以认为，DNase敏感状态是转录的必要条件而不是充分条件。（2）DNA拓扑结构变化：当基因活化时，RNA聚合酶前方的转录区DNA拓扑结构为正性超螺旋构象，而在其后面的DNA则为负性超螺旋构象。负性超螺旋构象有利于核小体结构的再形成，而正性超螺旋构象不仅阻碍核小体结构形成，而且促进组蛋白H2AH2B二聚体的释放，使RNA聚合酶有可能向前移动，进行转录。医学遗传学分子基础(1)1062.活性染色体结构变化当基因被激活时，可观察到染色体相应区2DNA拓朴结构变化 天然双链DNA几乎均以负性超螺旋构象存

53、在。当基因激活后，则转录区前方的DNA拓朴结构变为正性超螺旋，有利于RNA聚合酶向前移动，进行转录。3. DNA甲基化 DNA甲基化程度与基因表达呈反比。4染色体结构的变化 组蛋白发生修饰，碱基暴露等原因而引起核小体结构改变，使核小体不稳定性增加。医学遗传学分子基础(1)1072DNA拓朴结构变化医学遗传学分子基础(1)107（3）DNA甲基化修饰在真核生物基因表达调控中，甲基化起着重要作用。一般认为，DNA甲基化范围与基因表达程度呈反比关系。甲基化程度高，基因的表达则降低；去甲基化，又可使基因表达增加。这种甲基化最常发生在某些基因的5侧翼区的CpG序列（又称“CpG岛”），处于转录活化状态的

54、基因CpG序列一般是低甲基化的。（4）组蛋白变化其中包括富含Lys组蛋白水平降低：亦即H1样组蛋白减少，并伴有DNA形成30nm纤维束能力降低。H2AH2B二聚体不稳定性增加：易于从核心组蛋白中被置换出来。组蛋白修饰：最常见的修饰有乙酰化、泛素化，修饰后使核小体结构变得不稳定。H3组蛋白巯基暴露：系核小体结构变化引起。3.正性调节占主导：真核基因组结构庞大，在不适当位点出现特异结合序列机会增多，正性调节大多数基因不结合调节蛋白，只要细胞表达一组激活蛋白时，相关靶基因即可被激活。4.转录与翻译分隔进行真核细胞核及胞浆等区间分布，转录与翻译在不同亚细胞结构进行。.转录后修饰、加工鉴于真核基因结构特

55、点，转录后剪接及修饰等过程比原核复杂。医学遗传学分子基础(1)108（3）DNA甲基化修饰在真核生物基因表达调控中，甲基化起着重基因表达调控原核生物基因表达的调控主要是在转录水平其次是翻译水平进行。真核生物基因表达的调控环节较多，在DNA水平可通过染色质丢失、基因扩增、基因重排、DNA甲基化以及染色质结构改变影响基因表达；在转录水平则主要通过反式作用因子的作用调控转录因子与TATA盒的结合、RNA聚合酶与转录因子-DNA复合物的结合以及转录起始复合物的形成；在转录后水平主要通过RNA修饰、剪接及mRNA运输的控制来影响基因表达；影响翻译水平的因素有影响翻译起始的阻遏蛋白、5AUG、5端非编码区

56、的长度等，有mRNA的稳定性调节，另外还存在小分子反义RNA对翻译的调控；翻译后蛋白质的修饰和定位亦是基因表达调控的一个重要环节。基因表达（gene expression）：是指生物基因组中结构基因所携带的遗传信息经转录、翻译等一系列过程，合成特定的蛋白质，进而发挥其特定的生物学功能和生物学效应的全过程。并非所有基因表达过程都产生蛋白质，rRNA、tRNA的编码基因转录生成RNA的过程也属于基因表达。基因表达的调控是在多极水平上进行的，转录水平是基因表达的基本控制点。基因表达的时间特异性（temporal specificity）：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，这就是

57、基因表达的时间特异性。基因表达的空间特异性（spatial specificity）：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，这就是基因表达的空间特异性。基因表达伴随时间或阶段顺序所表现出的这种空间分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，因此基因表达的空间特异性又称细胞特异性（cell specificity）或组织特异性（tissue specificity）。基因表达的方式有（1）组成性表达。管家基因（ho usekeeping gene）：有些基因产物对生命过程是必需的且在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达或变化很小的基因。组成性基因表达（constitutiv

58、e gene expression）：指管家基因的表达，又称基本的基因表达，只受启动序列或启动子与RNApol抑制作用的影响。诱导表达（induction expression）和阻遏表达（repression expression）：有一些基因表达极易受环境变化的影响，在特定的环境信号刺激下，相应基因的表达表现为开放或增强，这种表达方式称诱导表达；相反有些基因的表达表现为关闭或下降，这种表达方式称阻遏表达。原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控主要是在转录水平其次是翻译水平进行。 基因表达调控的基本原理是1.基因表达子多极调控2.基因转录激活调节基本要素（1）特异DNA序列，主要指具有

59、调节功能的DNA序列，把可影响自身基因表达活性的DNA序列称为顺式作用元件。根据作用性质和后式分为启动子，增强子和沉默子。（2）调节蛋白：分三大类决定RNApol对启动序列的特异性识别和结合能力的顺式作用元件的特异因子。原核基因转录调节具有如下特点，1.因子决定RNApol识别的特异性，不同的因子决定特异基因的转录激活，决定mRNA、rRNA和tRNA基因的转录。2.操种子模型的普遍性，一个操重子只含有一个启动序列及数个可转录的编码基因。3.阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性。转录水平的调控原核生物基因多以操纵子（operon）的形式存在。操纵子由调控区与信息区组成，上游是调控区，包括启动子与操纵基因

60、两部分。启动子是同RNA聚合酶结合并启动转录的特异性DNA序列，操纵基因是特异的阻遏物结合区。乳糖操纵子调控的机制E.coli的乳糖操纵子（lac operon）有三个结构基因Z、Y、A，分别编码-半乳糖苷酶（-galactosidase）、透酶（permease）和半乳糖苷乙酰化酶（galactoside acetylase）,其上游还有一个启动序列(P)和一个操纵基因(O)。在启动序列上游还有一个CAP蛋白的结合位点。由启动子、操纵基因和CAP结合位点共同构成乳糖操纵子的调控区。1.I基因是调节基因，编码产生阻遏蛋白。阻遏蛋白为四聚体，每个亚基相同。在没有乳糖的条件下，阻遏蛋白能与操纵基因