2h-绪论真核与基因组

分子生物学-绪论李冬民Email：西安交通大学医学部基础医学院生物化学与分子生物学系广义：以核酸和蛋白质等生物大分子的结构及其在遗传信息和细胞信息传递中的作用为研究对象，从分子水平阐明生命现象和生物学规律。狭义：偏重于核酸（基因）的分子生物学，主要研究基因或DNA的复制、转录、表达和调控等过程，也涉及与这些过程相关的蛋白质和酶的结构与功能的研究。一、分子生物学的定义二、分子生物学发展历史1、分子生物学诞生的准备和酝酿阶段

19世纪后期至20世纪50年代，是分子生物学诞生的准备和酝酿阶段，这一时期产生了对生命本质的两点认识上的重大突破。

①确定了蛋白质是生命的主要基础物质。

19世纪末Buchner兄弟证明了酵母细胞提取液能使糖发酵产生酒精，第一次提出了酶的名称，酶是催化剂。20世纪40年代，提纯和结晶了一些酶如：尿素酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶等，通过X射线衍射技术，从而证明了酶是蛋白质。随后陆续发现生命的许多现象都与酶和蛋白质相联系。

②确定了生物遗传的物质基础是DNA1868年F.米歇尔发现了核素；

20世纪20-30年代确认了自然界有DNA和RNA两类核酸，并阐明了核苷酸组成；

1944年Avery通过肺炎球菌转化实验证明了DNA是遗传物质；

1952年Hershey等人用同位素示踪技术标记T2噬菌体的蛋白质和核酸，感染大肠杆菌的实验进一步证明了DNA是遗传物质；光滑型（S）的肺炎双球菌多糖莢膜患败血症而死亡粗糙型（R）的肺炎双球菌噬菌体的结构Proteincoat

DNA噬菌体标记实验2、现代分子生物学建立

1953年Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构模型是现代分子生物学诞生的里程碑，开创了分子遗传学基本理论建立和发展的黄金时期；

DNA双螺旋结构（DoubleHelixModel）1953年Watson和Crick（英）遗传信息传递的中心法则（CentralDogma）DNARNA转录蛋白质翻译复制Crick（英）1954年2、现代分子生物学建立1956年发现DNA聚合酶；1958年用同位素标记和超速离心实验为DNA半保留复制模型提供证据；1968年冈畸提出不连续复制模型；1972年证实了DNA复制开始需要RNA作为引物，从而逐步完善了对DNA复制机理认识。同时先后发现依赖于DNA的RNA聚合酶及RNA-DNA杂交实验证明了mRNA与DNA序列互补，逐步阐明RNA转录合成的机理。与此同时认识到蛋白质是接受RNA遗传信息而合成。1950年代发现微粒体是蛋白质合成场所；1957年首先分离出tRNA，并提出了其在蛋白质合成中转运氨基酸功能的假说；

1961年观察到蛋白质合成过程中mRNA与核糖体结合；同期科学工作者还破译了合成蛋白质的遗传密码，并在随后研究发现遗传密码具有通用性，从而认识了蛋白质翻译合成的基本过程。通过上述重要发现，共同建立了以“中心法则”为基础的遗传学基本理论体系。1970年代发现以RNA为模板合成DNA的反转录酶，进一步补充和完善了“中心法则”。遗传信息传递的中心法则（CentralDogma）DNARNA转录蛋白质翻译复制Crick（英）1954年反转录3、20世纪70年代以来分子生物学飞速发展①、逆转录酶的发现；②、一些工具酶的先后发现；③、断裂基因的发现；④、DNA测序方法建立；⑤、核酶的发现；⑥、PCR技术建立；⑦、基因的上游调控序列发现；⑧、显微注射技术运用；⑨、基因重组技术发展、基因治疗技术发展；⑩、人类基因组计划实施分子生物学：从分子水平理解生命活动生物化学：从化学组成角度来理解生物大分子和生物代谢。细胞生物学：从细胞水平理解生命活动遗传学：从遗传角度理解生命活动普通生物学（动物&植物）&微生物学：不同生物类型的特点。生物物理学：从物理学角度理解生物大分子结构和功能。三、分子生物学与其他学科的关系分子生物学是生物化学、生物物理学、遗传学、微生物学、细胞生物学等多学科相互渗透、综合融会而产生并发展起来的。生命活动的一致性，是生物学范围内所有学科在分子水平上的统一。分子结构生物学分子发育生物学分子神经生物学分子育种学分子肿瘤学分子细胞生物学分子免疫学分子病毒学分子生理学分子考古学分子数量遗传学分子生态学分子进化学…………….分子生物学的延伸分子生物学已经渗透到生物学的几乎所有领域分子生物学已经成为生命科学领域的前沿学科四、分子生物学的研究内容生物大分子结构和功能的研究（又称结构分子生物学）：结构分子生物学就是研究生物大分子（蛋白质和核酸）的空间结构以及结构变化与其生物学功能之间关系的学科。基因表达及调控的研究DNA重组技术：又称基因工程，是指将目的基因转入宿主细胞，使其能够在宿主细胞中稳定遗传。基因组学、转录物组学以及蛋白质组学的研究。五、医学分子生物学

医学分子生物学是分子生物学的一个重要分支，它是一门新兴交叉学科，是从分子水平研究人体和疾病相关生物在正常和疾病状态下生命活动及其规律；从分子水平开展人类疾病的预防、诊断和治疗研究的科学。医学分子生物学研究内容：1、研究人体发育、分化和衰老的分子生物学基础2、细胞增殖调控的分子基础3、人体三大调控系统（神经、内分泌、免疫）的

分子生物学基础4、基因的结构异常或调控异常与疾病发生发展之

间关系5、应用分子生物学理论和技术体系开展疾病的基

因诊断和基因治疗、生物制药及卫生防疫。第13章：真核基因与基因组2h第18章：基因表达调控4h第20章：常用分子生物学技术4h第21章：DNA重组及重组DNA技术4h第22章：基因结构与功能分析2h第23章：癌基因、肿瘤抑制基因与生长因子2h第24章：疾病相关基因的鉴定与功能2h第25章：基因诊断与基因治疗2h生物化学与分子生物学讲授内容预习+复习，理解记忆；加强实践，增加感性认识和学习兴趣；基本的专业词汇（英文）要求掌握；阅读英文文献。学习方法及要求真核基因与基因组

第十三章EukaryoteGeneandGenome基因概念的发展：经典遗传学阶段：1865年Mendel的“遗传因子”学说为基因概念的提出了基础1900年，Veris，Tschermak和Correns重新证实Mendel工作1903年Sutton和Boveri分别注意到Mendel的“遗传因子”行为与生殖细胞形成和受精过程中的染色体为完全平行，于是两人分别提出遗传因子就在染色体上；1909年Johannsen将遗传因子改称为基因，并提出基因型和表现型的概念。基因概念的发展：经典遗传学阶段：1910年，摩尔根等在果蝇、以及埃默森等在玉米工作中证明基因在染色体上呈直线排列。这样就形成了一套经典的遗传学理论体系，以遗传的染色体学说为核心的基因论。Morgan及他的学生的著作《基因论》；“三位一体学说”：功能单位,突变单位,重组单位。1941年Beadle,G.w.等人对红色链孢霉进行了大量研究，提出一个基因一个酶的观点基因概念的发展：分子遗传学阶段：基因的化学本质主要是DNA，有时是RNA：1944年艾佛里与格里菲斯通过肺炎双球菌的转化实验，首次证明了基因的本质--DNA是遗传物质。1956年，康兰特烟草花叶病毒的研究中，证明了在不具有DNA的病毒中，RNA是遗传物质。基因不是最小的遗传单位，基因是可分的：1955年,Benzer,S.用大肠杆菌T4噬菌体为材料,分析了基因的精细结构，发现了基因内部还存在着可分的精细结构，从而提出了提出了顺反子、突变子和重组子的概念。发展为“一个基因一种多肽链”的假说；3.基因概念的现代发展：20世纪70年代,DNA体外重组技术和基因工程技术成熟,人们对基因的结构和功能上的特征有了更多的认识,涌现出断裂基因、重叠基因、假基因、跳跃基因等基因的多元概念（见表）。除了某些以RNA为基因组的RNA病毒外，基因通常是指染色体或基因组的一段DNA序列。基因包括编码序列（外显子）、调控序列和间隔序列（内含子）。基因（gene）：编码蛋白质或RNA等具有特定功能产物的、负载遗传信息的基本单位。基因组（genome）：一个生物体内所有遗传信息的总和。人类基因组包含了细胞核染色体DNA（常染色体和性染色体）及线粒体DNA所携带的所有遗传物质。真核基因的结构与功能

第一节TheStructureandFunctionofEukaryoteGene利用碱基的不同排列荷载遗传信息。通过复制将遗传信息稳定、忠实地遗传给子代细胞，在这一过程中为适应环境变化，可能会发生基因突变。作为基因表达（geneexpression）的模板，使其所携带的遗传信息通过各种RNA和蛋白质在细胞内有序合成而表现出来。

基因的功能

与基因功能相关的结构编码区序列（codingregionsequence

）非编码序列（non-codingsequence）基因表达需要的调控区（regulatoryregion）序列，包括启动子（promoter）、增强子（enhancer）等。在细胞内表达为蛋白质或功能RNA的DNA序列。单个基因的组成结构及一个完整的生物体内基因的组织排列方式统称为基因组构（geneorganization）。

与基因功能相关的结构一、真核基因的基本结构编码蛋白质或RNA的编码序列。非编码序列，包括编码区两侧的调控序列和编码序列间的间隔序列。真核基因结构转录起始点TATA盒CAAT盒GC盒增强子AATAAA剪接加尾转录终止点修饰点外显子翻译起始点内含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚体+1结构基因启动子顺式作用元件順式作用元件：指可影响自身基因表达活性的DNA序列。真核基因结构内含子的发现1977年美国的Sharp和Roberts两组科学家别同时发现了断裂基因(splitgene)1978年Gilbort创用了内含子(intron)和外显子(exon)

两个名词，内含子是指在成熟的mRNA中不出现的序列，Exon是指在成熟的mRNA中出现的序列。腺病毒外壳蛋白基因的结构断裂基因:有些真核蛋白质编码基因的核苷酸序列中间插有与氨基酸编码无关的DNA间隔区，使一个基因分隔成不连续的若干区段，我们称这种编码序列不连续的基因为断裂基因。内含子是相对的，一个基因的内含子可能是另一个基因的外显子(如大鼠的肌钙蛋白基因）。内含子的相对性真核基因结构不连续，为断裂基因（splitgene）外显子（exon）；在基因序列中，出现在成熟mRNA分子上的序列。内含子（intron）：外显子之间、与mRNA剪接过程中被删除部分相对应的间隔序列。真核生物绝大部分编码蛋白质的基因都有内含子。编码rRNA和一些tRNA的基因也都有内含子。内含子的数量和大小决定了真核基因的大小。不同种属中，外显子序列通常比较保守，而内含子序列则变异较大。外显子与内含子接头处有一段高度保守的序列，即内含子5’末端大多数以GT开始，3’端大多数以AG结束，这一共有序列（consensussequence）是真核基因中RNA剪接的识别信号。基因的5端称之为上游，3端称为下游基因序列中开始RNA链合成的第一个核苷酸所对应的碱基记为+1，此碱基上游的序列记为负数，下游的序列记为正数。二、基因编码区编码多肽链和特定的RNA分子基因编码区中的DNA碱基序列决定特定的成熟RNA分子的序列，即DNA的一级结构决定着其转录产物RNA分子的一级结构。基因的编码序列决定其编码产物的序列和功能。编码序列中一个碱基的改变或突变，可能使基因功能发生重要的变化。相同的DNA序列因起始位点的变化或不同的剪接方式而编码不同的蛋白质多肽链。镰刀形红细胞贫血症大鼠降钙素基因转录本的可变剪接APOB基因的mRNA在肝和肠黏膜编码不同多肽链三、调控序列参与真核基因表达调控位于基因转录区前后，对基因表达起调控作用的区域，因其是紧邻的DNA序列，又称旁侧序列（flankingsequence）。基因的调控区（顺式作用元件,Cis-actingsequence）转录起始点TATA盒CAAT盒GC盒增强子AATAAA剪接加尾转录终止点修饰点外显子翻译起始点内含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚体+1结构基因启动子上游启动子元件真核基因的一般结构启动子上游调控元件增强子沉默子加尾信号细胞信号反应元件顺式作用元件1.启动子提供转录起始信号启动子是DNA分子上能够介导RNA聚合酶结合并形成转录起始复合体的序列。多数启动子位于真核细胞基因转录起点的上游，启动子本身通常不被转录。少数启动子（如编码tRNA基因的启动子）位于转录起始点的下游，这些DNA序列可以被转录。真核生物有3类启动子，分别对应于细胞内存在的三种不同的RNA聚合酶和相关蛋白质。启动子类型启动子构成含该类启动子的基因RNA聚合酶转录因子I核糖体起始因子元件（rInr）；上游启动子元件（UPE）rRNAITFIIITATA盒；几个上游调控元件；起始元件mRNA和一些小RNAIITFIIIIIA盒、B盒和C盒；5SRNA、tRNA和U6snRNA等RNA分子的编码基因；IIITFIII真核生物有3类启动子，分别对应于细胞内存在的三种不同的RNA聚合酶和相关蛋白质。2.增强子增强邻近基因的转录增强子是增强真核基因启动子工作效率的顺式作用元件，是真核基因中最重要的调控序列，决定着每一个基因在细胞内的表达水平。能够在相对于启动子的任何方向和位置（上游或者下游）上发挥这种增强作用，大部分位于上游。增强子序列距离所调控基因距离近者几十个碱基对，远的可达几千个碱基对。通常数个增强子序列形成一簇。有时增强子序列也可位于内含子之中。不同的增强子序列结合不同的调节蛋白。增强子的特点：沉默子（silencer）是抑制基因转录的特定DNA序列，当其结合一些反式作用因子时对基因的转录起阻遏作用，使基因沉默。3.沉默子是负调节元件真核基因组的结构与功能

第二节TheStructureandFunctionofEukaryoteGenome基因组：细胞或生物体的一套完整单倍体遗传物质的总和。一、真核基因组具有独特的结构基因的编码序列所占比例远小于非编码序列。高等真核生物基因组含有大量的重复序列，真核基因组中存在多基因家族和假基因。大多基因具有可变剪接，80%的可变剪接会使蛋白质的序列发生改变。基因组DNA与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞核内，除配子细胞外，体细胞的基因组为二倍体。结构特点：二、真核基因组中存在大量重复序列高度重复序列（highlyrepetitivesequence）中度重复序列（moderatelyrepetitivesequence）单拷贝序列（singlecopysequence）或低度重复序列（一）高度重复序列重复频率可达106以上的短核苷酸重复序列，不编码蛋白质或RNA。20%（1）反向重复序列（invertedrepeatsequence）由两个相同顺序的互补拷贝在同一DNA链上反向排列而成，重复单位长度约300bp，多数散在于基因组中，总长度约占人基因组的5％。1.分类：An

invertedrepeat

(or

IR)isasequenceof

nucleotides

followeddownstreambyits

reversecomplement.

Theinterveningsequenceofnucleotidesbetweentheinitialsequenceandthereversecomplementcanbeanylengthincludingzero.Whentheinterveninglengthiszero,thecompositesequenceisa

palindromicsequence.

The5base-pairsequenceontheleftis"repeated"and"inverted"toformsequenceontheright.

B.两互补拷贝间无间隔序列如GGTACCCCATGGA.两互补拷贝间有间隔序列如GGTNNNNACCCCANNNNTGG

电镜下，两种形式都呈十字形结构，有间隔的反向重复序列，在十字型结构两头形成两个小环。作用：常见于基因组的调控区内，可能与复制和转录的调控有关。存在两种形式：

主要存在于染色体的着丝粒区域，重复单位一般由2～10bp组成，成串排列，在人基因组中约占5%～6%。（2）卫星DNA（satelliteDNA）参与复制水平的调节

存在于DNA复制起点区的附近，是一些蛋白质（包括酶）的结合位点。参与基因表达的调控

可以转录到核内不均一RNA分子中，有些反向重复序列可以形成发夹结构，有助于稳定RNA分子。参与染色体配对

如卫星DNA成簇样分布在染色体着丝粒附近，可能与染色体减数分裂时染色体配对有关。2.功能：（二）中度重复序列重复106以下的核苷酸序列,大多数与单拷贝基因间隔排列。1-30%1.短分散重复片段（shortinterspersedrepeatsegment，SINES）平均长度约300bp～500bp，与长度约为1000bp的单拷贝序列间隔排列。拷贝数可达数十万。如Alu家族、KpnI家族、Hinf家族。最丰富：平均每6KbDNA就有1个Alu序列；重复达30~50万次，约占3-6%；每个成员的长度约300bp。每个单位长度中一个限制性内切酶Alu的切点（AG↓CT），将其切成长130bp和170bp的两段。Alu家族仅次于Alu家族的第二大家族，重复序列中含有限制性内切酶KpnⅠ的位点呈散在分布，拷贝数约为3000～4800个KpnI家族以319bp长度的串联重复存在于人基因组中重复序列中含有限制性内切酶HinfI的位点。Hinf家族2.长分散重复片段（longinterspersedrepeatsegment，SINES）平均长度为3500bp～5000bp，与长度约为13000bp的单拷贝序列间隔排列。3.rRNA基因重复序列属于中度重复序列各重复单位中的rRNA基因都是相同的。rRNA基因集中成簇存在，这样的区域称为rDNA区。人类的rRNA基因位于13、14、15、21和22号染色体的核仁组织区，每个核仁组织区平均含有50个rRNA基因的重复单位。5SrRNA基因似乎全部位于1号染色体，每个单倍体基因组约有1000个5SrRNA基因。在单倍体基因组中只出现一次或数次，大多数为蛋白质编码的基因。（三）单拷贝序列（低度重复序列）三、真核基因组中存在大量的多基因家族与假基因多基因家族是指由某一祖先基因经过重复和变异所产生的一组在结构上相似、功能相关的基因。基因家族成簇地分布在某一条染色体上，同时发挥作用，合成某些蛋白质。如组蛋白基因家族。基因家族的不同成员成簇地