遗传学与表观遗传学之遗传的分子基础与基因表达调控

1遗传的分子基础与基因表达调控2第一节真核基因的结构

第二节真核基因的表达

第三节真核基因的表达调控

第四节基因突变和DNA多态

目录3重点内容提示:断裂基因、顺式作用元件、反式作用元件、转录、翻译、假基因、基因家族、基因突变和DNA多态真核生物基因结构真核生物基因表达调控特点基因突变，突变热点，突变类型，动态突变DNA多态类型4第一节真核基因的基本结构一、基因的概念与一般特性1.基因的概念从遗传学角度看：

基因是生物的遗传物质，是遗传的基本单位→突变单位、重组单位和功能单位。从分子生物学角度看：

基因是负载着特定遗传信息的DNA片段，在一定条件下能够表达这种遗传信息，执行特定的生理功能。52.基因的一般特性从分子水平看，基因有以下基本特性：

1、自我复制→半保留复制

2、基因决定性状：

Gene→mRNA→Protein

淘汰

3、基因突变生物进化保留遗传病63.基因的类别依其功能可分为：1、结构基因：编码蛋白质；2、调控基因：调节结构基因表达；3、转录而不翻译的基因：

rDNA基因（NOR）→rRNA→组成核糖体。

tRNA基因→tRNA→转运氨基酸。74.原核与真核生物基因比较原核生物基因：无核膜，散在于细胞质；基因是连续的，只有1个染色体/DNA/RNA分子；多数是双链环状，少数为单链线状。真核生物基因：有核膜，在细胞核/线粒体中；基因结构复杂（又称断裂基因）；基因大小差别很大，如:β珠蛋白基因为1.7kb（3个外显子+2个内含子）DMD基因为2300kb（79个外显子+78个内含子）。8二、真核生物基因结构真核生物结构基因的DNA序列由编码序列和非编码序列两部分组成，编码序列是不连续的，被非编码序列分割开来，故又称为断裂基因（splitgene）。1.外显子和内含子2.侧翼序列与调控序列2.1启动子、2.2增强子、2.3终止子91.外显子和内含子结构基因中:编码序列称为外显子（exon），表达多肽部分；非编码序列称为内含子（intron），又称插入序列。内含子和外显子不是固定不变的，因此，同一基因可以有多种不同的转录产物；某些真核生物结构基因没有内含子，如组蛋白基因和干扰素基因，它们常以基因簇形式存在。10GT-AG法则

每个外显子和内含子的接头区都是一段高度保守的共有序列；内含子的5´端是GT，3´端是AG，这种接头方式称为GT-AG法则；其普遍存在于真核生物中，是RNA剪接的识别信号。112.旁侧与调控序列

每个结构基因的第一个和最后一个外显子的外侧，都有一段不被转录的非编码区，称为旁侧（flankingsequence）；是基因的调控序列，对基因的有效表达起调控作用；包括：启动子、增强子、终止子等，均属于基因的顺式作用调控元件。122.1启动子（

Promoter）

是位于基因转录起始点上游的100～200bp范围内一段特定的核苷酸序列，为RNA聚合酶的结合部位，并相互作用启动基因转录。其决定DNA中的转录链。TATA框（TATABox）是位于转录起始点上游25～30bp的一段高度保守序列，长7个bp，保守序列为TATAA/TAA/T，TATA框与转录因子TFII结合，再与RNA聚合酶II形成复合物，从而准确地识别转录起始位置，激活转录。13CAAT框（CAATBox）:是位于转录起始点上游-75～80bp的一段保守序列，长9bp，保守序列为GGGC/TCAATAC,转录因子CTF识别位点并与之结合，对转录水平有定量效应。GC框（GCBox）:顺序为GGCGGG,有两个拷贝，位于CAATBox两侧，与转录因子SP1结合。（SP1有锌指区可以与DNA结合，在N端有激活转录的作用）GC框有激活转录的功能。142.2增强子（Enhancer）

包括启动子上游或下游的一段DNA序列，可以增强启动子发动转录，提高转录效率。特点：在任意位置都有效无方向性有组织特异性

例如：Beta珠蛋白基因增强子是由串联重复的两个72bp长的相同序列组成，位于转录起点上游-1400bp或下游3300bp处，均可增强转录效率（活性）200倍。增强子在转录起始点的上下游一定范围内增强转录效率。作用可以是5´

～3´

，也可以是3´

～5´方向。152.3终止子（Terminator）由一段回文序列以及特定的5´-AATAAA-3´序列组成。回文序列为转录终止信号，PolyA附加信号。终止子为反向重复序列，是RNA聚合酶停止工作的信号，反向重复序列转录后，可以形成发夹式结构，并且形成一串U。发夹式结构阻碍了RNA聚合酶的移动。一串U的U与DNA模板中的A的结合不稳定，从模板上脱落下来，终止转录。16

真核生物基因→不连续编码→断裂基因＝外显子(Exon)＋内含子(Intron)＋侧翼(Flanking)序列17基因家族（genefamily）是指来源相同，结构相似和功能相关的一组基因。属于重复序列。特点：微小差别，行使相同功能。一条染色体上分布几条不同的染色体上18分布于一条染色体上形成基因簇基因簇（Genecluster）：一个基因产生多次拷贝，顺序几乎相同，成簇地排列在一条染色体上，形成一个基因簇。同时发挥作用，合成某些蛋白。如人HLA系统，7个连锁基因座位分布于6p。

A—B—C—D—DR—DQ—DP

19

分布于几条不同的染色体上

一个基因家族中不同成员成簇分布于几条不同的染色体上，编码一组关系密切的蛋白。如：α珠蛋白基因簇，5个相关基因，长800bp。16chr。

5´—ζ—ψζ—ψα1—α2—α1—3´β珠蛋白基因簇，6个相关基因，1700bp。11chr。

5´—ε—Aγ/Gγ—ψβ1—δ—β—3´20假基因（pseudogene）

是指具有部分基因结构，但在进化过程由于突变而不能表达活性产生蛋白产物或产生无功能的蛋白产物，这类基因称为假基因。如：ψζ、ψα、ψβ21第二节基因的表达基因表达：是DNA序列的遗传信息通过转录产生的mRNA再经过翻译最终生成蛋白质的过程。221.中心法则（centraldogma）基因决定性状，性状是以蛋白质形式体现的；遵循生命物质的运动基本规律——中心法则。

1958年，Crick提出，1970年Baltimore和Ternin等修正补充。232.

转录是基因中的遗传信息以DNA双链的反义链为模板合成单链mRNA分子。产生成熟mRNA的加工过程，包括加帽、剪接和加尾24加帽(capping)→mRNA5′端加上一个7-甲基鸟苷(m7′G)，增强mRNA稳定性，促使与核糖体结合和释放；25剪接(splicing)→剪接供体(GT)、剪接受体(AG)和小核RNA蛋白(snRNP)形成剪接体，切除内含子；26加尾加尾(polyadenylation)→mRNA3′端信号“AAUAAA”下游加polyA尾，促进mRNA转运出核，并增强其稳定性。27核内异质RNA(hnRNA)→成熟mRNA：283.翻译是将转录生成的mRNA的碱基顺序解译为蛋白质的氨基酸序列。29翻译成蛋白质

mRNA分子中，每三个相连的核苷酸组成一个三联体，决定一个氨基酸或提供终止信号，这个三联体称为“密码子”，4种碱基随机组成43=64种密码子。UAAUGAUAG为终止密码

AUG为起始密码304.翻译后修饰包括：多肽链N端脱甲酰基、乙酰化、磷酸化、糖基化和链的切割，以及肽链间的连接和进一步折叠等；多肽—蛋白/酶原---生物活性。31第三节人类基因表达调控

人类基因表达遵循生物大分子运动的基本规律---中心法则。

DNA------→mRNA------→protein

转录翻译

在此过程中存在着精密而复杂的调控机制,使生物性状有规律的表达,执行特定的生物学功能。32人类基因表达调控发生在：（1）转录水平（2）转录后水平（3）翻译水平（4）epigenetic机制

33

基因转录成RNA的速度RNA的加工mRNA从细胞核向细胞质转运mRNA降解速度在核糖体中mRNA翻译成蛋白质的速度蛋白质翻译后修饰蛋白质降解速度表观遗传调控：DNA甲基化，RNA干扰，组蛋白修饰，染色体重塑.真核生物基因调控系统比原核生物复杂得多，具体包括：34一、基因调控序列----

顺式作用元件

人类基因具有一套复杂顺式作用转录控制DNA或RNA序列，并与特异蛋白质转录因子——反式作用元件识别和特异地结合。

顺式作用元件：是指与靶基因处在同一条染色体（DNA）上，起调控作用的DNA序列。通常不编码蛋白质，位于基因的旁侧或内含子中。

人类基因有三类以上的cis作用调节元件，由几百bp的短序列元件构成，包括启动子、增强子、终止子、反应元件和沉默子等。35Cis作用元件（1）启动子（promoter）通常位于基因上游区，转录起始点的200bp内，具有启动转录作用。组成：CAATbox、TATAbox、GCbox等36Cis作用元件

（2）反应元件（responseelement,RE）

位于启动子上游短距离只见于选择性基因（受内外因子控制，使有关基因高水平表达）37Cis作用元件（3）增强子（enhancer）

正调节元件，位于转录起始点上游或下游一定范围起作用。可被任意转录因子和组织特异转录因子所识别，提高转录水平。（4）沉默子（silencer）

负调节元件在基因中紧靠启动子，在内含子上游或其内。38

二、基因调控序列------

反式作用元件/因子一个基因编码的产物----蛋白质或RNA（microRNA，piRNA)等）调控另一个基因表达，称为反式作用。这些转录因子为反式作用元件，能特异地结合靶基因的顺式调控元件，如启动子等。编码反式作用因子的基因与受调控的基因多半不在同一条染色体上，转录因子含有与DNA结合的保守结构基序。转录因子识别并结合于蛋白质表面和双螺旋表面结合区之间，用-螺旋（偶有-片层）结合到DNA的大沟。39RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ是转录需要的通常转录因子。RNA聚合酶Ⅰ：位于核仁编码18S、5.8S和28SrRNA基因RNA聚合酶Ⅱ：位于核质编码大多数基因、小RNA如5SrRNA。RNA聚合酶Ⅲ：位于核质编码tRNA、snRNA的看家基因转录因子40顺式和反式作用元件4142（1）亮氨酸拉链基序（Leucinezipper）

为一富含亮氨酸的氨基酸拉链。典型的为每七个氨基酸组成一个单体，两个单体形成双聚体呈Y形结构。转录因子识别并结合顺式作用元件的方式43（2）螺旋-环-螺旋基序（Helix-Loop-Helix，HLH）

HLH：两个-Helix（一长一短）由可塑性的环结合，环可使两个螺旋折叠而相反结合，亦可形成异源的二聚体。这一结构可与特异基因调节蛋白相互作用。44（3）螺旋-转-螺旋（Helix-Turn-Helix，HTH）基序HTH基序见于同源盒和另外一些转录因子的共同基序。由一短氨基酸分开的两个-Helix组成。两个-Helix朝不同方向转，故与HLH不同，在不同平面，主要由其C-末端helix特异识别并结合于DNA大沟，控制所识别的DNA序列。45（4）锌指（ZincFinger）基序

由四个保守的氨基酸结合一个锌离子形成一个环，通常是串联重复。一般由2个丝氨酸和2个组氨酸或4个丝氨酸结合一个Zn2+。组成一-Helix和一-片层或2个螺旋，由Zn2+协调，结合于DNA大沟。46ZincFinger47三、外界刺激与基因表达的调控（1）配体可诱导转录因子

类固醇激素、甲状腺素和视黄酸等受体的反应元件，均含有六核苷酸——AGNNCA（NN：GT、AA或AC）（2）由信号传导激活转录因子

信号由细胞表面受体传递到细胞核，蛋白质磷酸化（3）通过cAMP途径的信号激活：G蛋白（4）由蛋白激酶C信号激活NF-B（转录因子）48糖皮质激素介导的转录调控49通过cAMP途径的激素信号CREB(cAMPresponseelementbinding)50由蛋白激酶C信号激活NF-B磷脂酰肌醇4,5二磷酸

三磷酸肌醇

甘油二酯钙离子释放51四、转录与选择加工---转录水平单个基因或转录单位,在转录中特异活动将产生不同的基因产物。一般认为一个基因编码单一RNA或单一多肽，人类基因组中大多数的基因是单个被转录。此外，在转录中有各种选择加工事件，产生不同的基因产物52选择启动子某些人类基因含2个或更多的选择启动子，具有细胞的特异表达模式。如人的抗肌营养不良蛋白基因有不同的基因产物，就是不同的选择启动子的作用结果。53五、后转录加工形式—转录后水平（1）选择剪接和多聚腺苷化人的许多单个基因进行选择剪接产生不同的mRNA序列，编码组织特异性的蛋白，并与多聚腺苷化结合产生不同的蛋白。如：降钙素基因在甲状腺合成降钙素在下丘脑合成降钙素基因相关肽——CGRP54选择剪接和多聚腺苷化

甲状腺降钙素下丘脑降钙素基因相关肽55（2）RNA剪辑（RNAediting）是一种在mRNA前体的碱基序列的改变，由酶中介核苷酸的插入、缺失或单核苷酸替换。多见于线粒体和叶绿体系统。亦见于Wilm’s瘤的易感基因WT1和apoB。五、后转录加工形式—转录后水平56RNA剪辑----碱基插入或缺失KTS:赖苏丝57RNA剪辑----碱基替换58

六、某些人类基因表达主要在转译水平调控如：铁蛋白铁水平↑→铁蛋白↑

铁蛋白mRNA水平不变铁水平↓→

运铁蛋白↑

运铁蛋白mRNA水平不变原因：

铁蛋白mRNA的5’非翻译序列运铁蛋白mRNA

3’非翻译序列一个或某些铁反应元件59铁反应元件（IRE）具有高度保守的RNA颈环结构，是细胞质中IRE结合铁蛋白（IRE-BP）的结合位点。IRE与IRE-BP结合受细胞内铁含量的调控，与铁代谢有关。60

在铁蛋白5’UTR和运铁蛋白3’UTR都存在IRE。IRE在

5’UTR调节着翻译的起始。IRE与IRE-BP结合可稳定

mRNA并预防其降解。当铁离子浓度高时，IRE-BP就释放IRE，促进翻译，当铁离子浓度缺乏时，IRE与IRE-BP结合，使核糖体的翻译进程受阻，抑制mRNA的翻译。61七.表遗传（Epigenetics）调控

不涉及DNA序列改变、可以通过有丝分裂和减数分裂进行遗传的基因表达变化的遗传学。机制：DNA甲基化组蛋白修饰染色质重塑非编码RNA调控62

第五节基因突变和DNA多态基因突变：DNA水平遗传物质的变化自发or诱发生物进化遗传病／常见病63DNA分子中的一个或一对碱基的改变，称为点突变（pointmutant）。涉及多个碱基突变——缺失、重复、插入。携带突变基因的细胞或个体，称为突变体（mutant）。未突变基因的细胞或个体，称为野生型（wildtype）。突变热点(hotspotsofmutation)：DNA分子中某些部位的突变频率大大高于平均数，这些部位称为突变热点。64

编码序列突变发生于启动子区遗传病的发生剪接区内含子区突变类型:

1.碱基置换（点突变，Pointmutation）

2.插入和缺失（insertionanddeletion）

3.动态突变（Dynamicmutation）651.碱基置换碱基置换：指DNA分子中一个碱基被另一个不同的碱基所替代。

转换：嘌呤嘌呤，嘧啶嘧啶

颠换：嘌呤嘧啶碱基替换导致mRNA中密码子发生变化，多肽链中氨基酸改变，可能出现几种不同的效应：

661）同义突变

同义突变（Synonymousmutation）：由于密码子具有兼并性，单个碱基置换后密码子所编码的是同一种氨基酸，表型不改变。正常：

AGT

CAG

CAG

CAG

TTT

TTA

CGT

AAC

CCG

…DNAMetGlnGlnGlnPheLeuArgAsnPro同义突变：

AGT

CAG

CAG

CAG

TTT

TTG

CGT

AAC

CCG

…DNAMetGlnGlnGlnPheLeuArgAsnPro672）错义突变

错义突变（Missensemutation）：DNA分子中的碱基置换后，形成新的密码子，从而导致所编码的氨基酸发生改变，产生活性降低或无活性的蛋白质。正常：

AGT

CAG

CAG

CAG

TTT

TTA

CGT

AAC

CCG

…DNAMetGlnGlnGlnPheLeuArgAsnPro错义突变：

AGT

CAG

CAG

CAG

TTT

TCA

CGT

AAC

CCG

…DNAMetGlnGlnGlnPheSerArgAsnPro683）无义突变

无义突变（Nonsensemutation）：是指DNA中碱基被置换后，使编码一个氨基酸的密码子变为终止密码，肽链合成提前终止，产生短的没有活性的多肽片段。正常：

AGT

CAG

CAG

CAG

TTT

TTA

CGT

AAC

CCG

…DNAMetGlnGlnGlnPheLeuArgAsnPro无义突变：

AGT

CAG

CAG

CAG

TTT

TGA

CGT

AAC

CCG

…DNAMetGlnGlnGlnPhe终止

ArgAsnPro694）终止密码突变终止密码突变：DNA分子中的一个终止密码发生突变成编码氨基酸的密码子，使多肽链的合成继续进行下去，一直延长至下一个终止密码子时停止，产生延长的异常多肽链，又称延长突变。705）抑制基因突变

抑制突变：基因内部不同位置上的不同碱基发生了突变，其中一次抑制了另一次突变的遗传效应。举例：血红蛋白病单纯6谷氨酸→缬氨酸：产生HbS病，致死。

6谷氨酸→缬氨酸+73天冬氨酸→天冬酰胺：产生HbHarlem，临床症状轻。712.插入和缺失

移码突变：DNA编码序列中插入或缺失一个或几个碱基，使其下游阅读框发生改变，导致蛋白质活性异常或无活性。正常：

AGT

CAG

CAG

CAG

TTT

TTA

CGT

AAC

CCG

…DNA

MetGlnGlnGlnPhe

LeuArgAsnPro移码突变：

AGT

CAG

CAG

CAG

TTT

TAC

GTA

ACC

CGT

…DNA

MetGlnGlnGlnPhe

TyrValThrArg缺失72

整码突变：DNA链的密码之间插入或缺失一个或几个密码子，导致肽链增加或减少一个或几个氨基酸，但插入或缺失点以后的氨基酸序列不变。正常：

AAG

GAC

CCG

GCG

密码子插入：

AAG

GAC

AAA

CCG

GCG密码子缺失：

AAG

GAC

GCG73染色体错配对/不等交换减数分裂时同源染色错误配对→不等交换→基因重复／缺失举例：

HbLepore&Hbanti-LeporeHbLepore:＋-

-

Hbanti-Lepore:＋＋

＋743.动态突变

动态突变：邻近基因或位于基因序列中的三核苷酸重复拷贝数，如(CGG)n、(CAG)n等，在一代代传递过程中发生明显的增加。该突变可遗传并产生表型效应→引起疾病，多为神经系统疾病。举例：(CAG)n→Hutington舞蹈病

(GCT)n/(CTG)n→强直性肌营养不良

(CCG)n→脆性X综合征75正常：AGT

CAG

CAG

CAG

TTT

TTA

CGT

AAC

CCG

…DNAMetGlnGlnGlnPheLeuArgAsnPro动态突变：AGT

CAG

CAG

CAG

CAG

CAG

CAG

CAG

CAG

…DNAMetGlnGlnGln

GlnGlnGlnGlnGln

正常人：n=5-35；受累个体：n>50或几百至上千拷贝；长度增加；随着世代传递：发病年龄提前；病情加重。

76

4.基因突变的后果1）中性突变：轻微，对机体效应不明显；2）造成个体间的生化组成的遗传学差异，一般对机体无影响。如ABO血型，HLA和同工酶等；3）有利于个体生存生育。如Hbs突变基因杂合子比正常纯合子抗疟疾能力强；4）产生遗传易感性。如：肿瘤的易感性；5）引起遗传病。每个健康个体均有5-6个有害突变；6）致死突变：造成死胎、自然流产和生后夭折。775.突变与DNA多态性DNA多态（DNAPolymorphism）：

在一个群体中存在由遗传决定的两种或两种以上的基因型，其中频率最低的形式也远远高于依赖突变所能维持的频率。对于同一基因座上的两个或两个以上的等位基因，等位基因频率至少为0.01,携带该等位基因的杂合子的频率大于2%，认为该基因座具有多态性，称DNA多态。它通过孟德尔方式遗传。常用做遗传分析中的标记---DNA遗传标记。除一卵双生子外，没有两个个体的基因组DNA是完全相同的。遗传标记第一代：RFLP（限制性片段长度多态）第二代：VNTR（可变数目串联重复多态）第三代：SNP（单核苷酸多态）78DNA分析中常用的多态性标记有3类：1）RFLP：称限制性片段长度多态性，为第一代多态性标记；2）重复序列多态性（VNTR）：如短串联重复序列（STR），为第二代多态性标记；3）单碱基多态性（SNP）：DNA序列的单个核苷酸的差别，为第三代多态性标记。79一、限制性片段长度多态性

Restriction