分子生物学第一章基因

基因的研究简史:1909年,Johannsen首先使用基因(gene)一词;1926年,Morgan发表了基因论;20世纪40年代,Bendle和Tatum提出了一个基因,一个酶的学说;20世纪50年代,Benzer提出了顺反子的概念;20世纪60年代,遗传密码的破译使人们对基因表达的机理有了更多的了解;20世纪90年代,形成了基因的现代概念;当前1页，总共56页。本章要点:基因的基本概念及基因的结构特点;结构基因中储存的遗传信息;基因结构变异及其与疾病的关系;当前2页，总共56页。基因的基本概念:基因的现代生物学概念:基因决定遗传性状的表达,基因存在于染色体及线粒体DNA上,呈直线排列,并世代相传;基因的现代分子生物学概念:基因是核酸分子中储存遗传信息的遗传单位,是RNA和蛋白质相关遗传信息的基本存在形式;是指储存RNA序列信息和有功能的蛋白质多肽链序列信息以及表达这些信息所必须的全部核苷酸序列;大部分生物中构成基因的核酸物质是DNA,少数生物(如RNA病毒)中是RNA;当前3页，总共56页。核酸是遗传信息的载体核酸（nucleicacid)是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子。天然存在的核酸有两类，一类为脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA)，另一类为核糖核酸（ribonuleicacidRNA);DNA存在细胞核和线粒体内，携带和传递遗传信息，决定细胞和个体的基因型（genetype);RNA存在于细胞质和细胞核内，参入细胞内DNA遗传信息的表达;病毒中，RNA也可作为遗传信息的载体;当前4页，总共56页。近三十年来因从事这方面的研究而获得诺贝尔奖金的科学家列表如下：科学家年份种类成果A.R.Tood(英）1957化学确定核苷酸结构，合成二核苷酸等G.W.Beadle（美）E.L.Tatum（美）19581958生理学、医学生理学、医学化学试剂对基因的控制和影响J.Lederberg（美）1958生理学、医学提出新的遗传论点S.Ochoa（美）1959生理学、医学酶促合成核糖多核苷酸A.Kornberg（美）1959生理学、医学酸促合成DNAJ.D.Watson（美）1962生理学、医学DNA的双螺旋结构F.H.C.Crick（英）1962生理学、医学M.H.F.Wilkins（英）1962生理学、医学DNA的X射线衍射研究F.Jacob（法）A.M.Lwoff（法）J.L.Monod（法）196519651965生理学、医学生理学、医学生理学、医学基因对酶和病毒合成的控制R.W.Holley（美）1968生理学、医学酵母tRNAAla一级结构测定H.G.Khorana（美）1968生理学、医学合成遗传密码M.W.Nirenberg（美）1968生理学、医学发现遗传密码当前5页，总共56页。M.Delbruck(美）A.D.Hershey（美）S.E.Luria（美）196919691969生理学、医学生理学、医学生理学、医学基面结构和病毒复制机制E.W.Sutherland（美）1971生理学、医学发现3’,5’-环AMP和激素作用机制R.Dulbecco（意）1975生理学、医学肿瘤病毒和细胞遗传物质之间的相互作用W.Arber（瑞士）1978生理学、医学发现细菌限制性内切酶H.O.Smith（美）1978生理学、医学发现限制性内切酶作用方式的特点D.Nathans（美）1978生理学、医学用限制性内切酶制成肿瘤病毒的基因图谱P.Berg（美）1981化学建立DNA重组技术W.Gilbert（美）1981化学DNA一级结构测定方法F.Sanger(英）1981化学DNA一级结构测定方法A.Klug（英）1982化学建立晶体电子显微技术测定核酸-蛋白质复合体的构造当前6页，总共56页。DNA:DNA结构:DNA一级结构:是指DNA分子中核苷酸的排列顺序;DNA二级结构:是指两条DNA单链形成的双螺旋结构,三股螺旋结构以及四股螺旋结构;DNA三级结构:是指双链DNA进一步扭曲盘旋形成的超螺旋结构;DNA主要携带两类遗传信息:

一类是为RNA和蛋白质一级结构编码的信息;另一类信息为调控信息,是一些特定的DNA片段,能被各种蛋白质分子特异性识别和结合,控制基因复制,基因表达等分子水平的生命活动;当前7页，总共56页。（一）DNA的一级结构与功能1.DNA一级结构中贮存的生物遗传信息DNA是双螺旋的生物大分子。生物信息绝大部分都贮存在DNA分子中。这些信息以核苷酸不同的排列顺序编码在DNA分子上，核苷酸排列顺序变了，它的生物学含义也就不同了。DNA的一级结构就是指核苷酸在DNA分子中的排列顺序。因此测定DNA的碱基排列顺序是分子生物学的基本课题之一。当前8页，总共56页。DNA序列测定即核酸DNA分子一级结构的测定，是现代分子生物学一项重要技术。序列分析的目的有二：1）确证性测序通过测序对突变进行定位和鉴定，应用时测定野生型基因上同源区和突变体的相应序列，直接在一张胶片上比较二者序列差异（已知基因序列）。2）从头测序目的是提供一段DNA准确的核苷酸序列（未知基因序列）。当前9页，总共56页。测序在生物医学领域应用2个方面：

1）对已知基因序列检查特别是有遗传倾向的病例，检测相关基因有无突变，有助于阐明疾病发病机理及建立相应诊疗方案。

2）对已经克隆的未知基因序列进行测定从而阐明该基因的一级结构，如人类基因组计划中大量的工作是要阐明克隆片段的核苷酸排列顺序。当前10页，总共56页。DNA序列测定方法:1)Sanger法(双脱氧链末端终止法)在DNA聚合酶催化下,以单链或双链DNA为模板,采用DNA引物引导新链DNA的合成;DNA链中核苷酸是以5’-3’磷酸二酯键相连,2’脱氧核苷三磷酸(dNTP)是合成DNA的底物;当在底物中加入2’,3’-双脱氧核苷三磷酸(ddNTP),可造成新生链的延伸终止;通过聚丙烯酰胺凝胶电泳可分辨出具有特定末端不同长短的DNA片段;当前11页，总共56页。DNA序列测定方法:2)Maxam-Gilbert法(化学裂解法)将待测DNA片段3’或5’端进行放射性同位素标记,并分为四组,每组用不同的化学试剂处理;每组分别形成以特异性碱基为结尾的长度不同的DNA片段;四组产物经变性聚丙烯酰胺凝胶电泳及放射自显影后可读出样品的序列;当前12页，总共56页。DNA序列测定方法:Maxam-Gilbert法(化学裂解法)的优点:所测序列是原待测DNA分子;可以分析甲基化等DNA修饰的情况;可以研究DNA二级结构及蛋白质与DNA的相互作用;当前13页，总共56页。2、DNA一级结构的基本特点4种dNTP以3’、5’磷酸二酯键相连构成一个没有分支的线性大分子。它们的两个末端分别称5’末端（游离磷酸基）和3’末端（游离羟基）。当前14页，总共56页。当前15页，总共56页。3、DNA的甲基化DNA的一级结构中，有一些碱基可以通过加上一个甲基而被修饰，称为DNA的甲基化(mythylationofDNA)。1）原核生物（细菌）有限制一修饰系统（见第三章）①对自身DNA产生保护作用。②抵御外源DNA（噬菌体）的入侵。2）真核生物中的DNA甲基化在基因表达调控中有重要作用（见第六章）当前16页，总共56页。（二）DNA的二级结构1.双螺旋的基本特征

1）主链脱氧核糖和磷酸基相互连接构成DNA的主链。从化学键的方向来看，双螺旋中两条多核苷酸链是反向平行的。二条主链处于螺旋的外侧，碱基处于螺旋的内部，由于糖和磷酸根的化学性质，主链是亲水的。两条链形成右手螺旋，有共同的螺旋轴，螺旋的直径是20A。2）碱基对

由于几何形状的限制，只能由嘧啶和嘌呤配对才能使碱基对合适地安置在双螺旋内。若两个嘧啶配对则几何形状太小，两个嘌呤配对则几何形状又太大，为双螺旋所容纳不下。只有A-T碱基和G-C碱基对的几何形状正适合双螺旋的大小。·当前17页，总共56页。3）大沟和小沟

沿螺旋轴方向观察，配对的碱基并不充满双螺旋的空间。由于碱基对的方向性，使得碱基对占据的空间是不对称的，因此在双螺旋的表面形成二个凹下去的槽，一个槽大些，一个槽小些分别称为大沟和小沟。双螺旋表面的沟对DNA和蛋白质的相互识别是很重要的，因为在沟内才能觉察到碱基的顺序，而在双螺旋的表面，是脱氧核糖和磷酸重复结构，没有信息可言。（蛋白质核酸，核酸核酸）当前18页，总共56页。当前19页，总共56页。2.三股螺旋DNA（tsDNA）tsDNA是在DNA双螺旋结构碱基上形成的。三条链均为同型嘌呤或同型嘧啶，即整段的碱基均为嘌呤或嘧啶，其中两条链为正常双螺旋，第三条链位于双螺旋的大沟中。根据三链的组成和相对位置分为两种基本类型：（1）Pu（代表嘌呤链）—Pu—Py（代表嘧啶链）型，在碱性介质中稳定；（2）Py—Pu—Py型，较多见，在偏酸性PH中稳定。第三碱基在Py—Pu—Py型中为T=A=T，C+=G三C（第三位点的“C”必须质子化）配对；在Pu—Pu—Py型中存在G=G三C，A=A=T配对。当前20页，总共56页。（三）DNA的三级结构DNA的三级结构指双螺旋链的扭曲。超螺旋是DNA三级结构的一种形式，DNA在核小体中的扭曲方式也是一种超螺旋结构。超螺旋的生物学意义可能是：1.使DNA分子体积变小，对其在细胞的包装过程有利。（2.2×1011公里,2.2×109公里,100倍）2.影响双螺旋的解链过程,从而影响DNA分子与其它分子(如酶、蛋白质、核酸)之间的相互作用。当前21页，总共56页。当前22页，总共56页。不同生物基因的结构特点:·原核生物基因的基本结构特点:原核生物基因的基本结构是:5’-启动子-结构基因-转录终止子-3’;原核生物中,功能上相关联的数个结构基因常常串联在一起,由一套转录调控序列控制其转录,构成基本表达单位,这种组合单位称为操纵子,由操纵子转录出的RNA为多顺反子;操纵子：是由操纵基因以及相邻的若干结构基因所组成的功能单位，其中结构基因的转录受操纵基因所控制；在不同的基因或操纵子中,可以含有其他转录调控单位,如操纵元件或正调控蛋白结合位点,或两者兼有;当前23页，总共56页。·原核生物结构基因的特点:原核生物结构基因是连续的,这是因为原核RNA合成后,通常无须剪接加工,结构基因的序列是连续地保留于成熟的RNA分子中;当前24页，总共56页。·原核生物基因的转录调控序列:当前25页，总共56页。·原核生物基因的转录调控序列:启动子:是RNA聚合酶特异性识别和结合的DNA序列;启动子有方向性,位于结构基因转录起始点的5’端,即上游区;原核生物基因的启动子本身并不被转录;E.Coli基因的启动子区长约40—60bp,至少包括三个部分:转录起始部位(＋1bp),-10bp区和-35bp区;RNA聚合酶全酶中的ó因子识别并结合在-35bp区和-10bp区,全酶结合DNA后覆盖的区域是-40bp～＋20bp;终止子:是结构基因3’端下游的一段DNA序列,其中有GC富集区组成的反向重复序列,转录后在RNA分子中形成特殊的结构以终止RNA链的延伸;当前26页，总共56页。·原核生物基因的转录调控序列:操纵元件:是被阻遏蛋白识别与结合的一小段DNA序列,转录过程存在阻遏调控机制的操纵子中均含有这样的序列;操纵元件常紧接在启动子下游,通常与启动子有部分重叠;阻遏蛋白与操纵元件结合后,抑制下游结构基因的转录;当前27页，总共56页。·原核生物基因的转录调控序列:正调控蛋白结合位点:有些原核基因的启动子是弱启动子,RNA聚合酶与之结合的作用很弱,在这些启动子附近有一些特殊的DNA序列,转录激活蛋白可以识别并结合这种DNA序列;当前28页，总共56页。不同生物基因的结构特点:·真核生物基因的基本结构特点:绝大部分真核基因都由一个结构基因和与之相关的转录的mRNA调控序列组成,转录的多是单顺反子，即一种mRNA分子只能翻译成一种蛋白质,其结构基因是不连续的,属于断裂基因;但rRNA基因结构是个例外,18SrRNA,5.8SrRNA,28SrRNA等3个结构基因是串联在一起的,转录成一个RNA分子,然后剪切成为成熟的RNA分子;当前29页，总共56页。·真核生物结构基因的特点:真核生物的结构基因在DNA上是不连续的,称断裂基因;从结构基因转录而成的RNA,需要经过适当的剪接,并不是全部的结构基因序列都保留在成熟的RNA分子中;结构基因由外显子和内含子组成,外显子=内含子+1;在不同的结构基因中外显子数量不同,少则数个,多则数十个;内含子和外显子的划分不是绝对的;当前30页，总共56页。·真核生物转录调控序列:启动子:真核生物基因的启动子也含有RNA聚合酶特异性识别和结合的DNA序列,大部分基因中构成启动子的DNA序列位于结构基因转录起始点的上游,启动子本身通常不被转录;一些启动子(如tRNA基因启动子)的DNA序列可以位于转录起始点的下游,这些DNA序列可以被转录;真核生物RNA聚合酶有三种,这些RNA聚合酶与启动子的亲和力都很弱,需要有转录因子与启动子结合形成DNA-蛋白质复合物,RNA聚合酶才能与之有效结合;三种RNA聚合酶各有一套转录因子(TF)与之相配合;

RNA聚合酶I和TF1:I类启动子（rRNA基因）;RNA聚合酶II和TFII:II类启动子（mRNA基因,snRNA）;RNA聚合酶III和TFIII:III类启动子（5SrRNA基因,tRNA基因,U6基因）;当前31页，总共56页。·II类启动子:II类启动子:由TATA盒，几个上游启动子元件和转录起始位点组成；TATA盒位于转录起始点上游-25bp处，其核心序列是TATA(A/T)A(A/T);TATA盒与一种称为TATA因子的转录因子结合后即称为完整的启动子，精确地决定RNA合成的起始位点；有些II类基因并不含有TATA盒，如管家基因盒发育同源盒基因；当前32页，总共56页。·真核生物转录调控序列:上游启动子元件:是TATA盒上游的一些特定的DNA序列,其中一些与TATA盒共同组成启动子;另一些是反式作用因子(转录激活蛋白)识别和结合的位点,反式作用因子与之结合后,通过调节TATA因子与TATA盒的结合,RNA聚合酶与启动子的结合及转录起始复合物的形成来调控基因的转录效率;常见的上游启动子元件有CAAT盒,CACA盒及GC盒;CAAT盒：是位于转录起始点上游-70～-80碱基对位置的一段保守序列，由9个碱基组成，即GGNCAATCT(N=C或T);CACA盒：位于上游-80～-90碱基对位置，其核心序列为GCCACACCC;GC盒：转录起始点上游-35碱基对的位置有富含GC的核苷酸序列（GGCGG),常见于一些组成型基因；当前33页，总共56页。·真核生物转录调控序列::增强子:是一种较短的DNA序列,能够被反式作用因子识别与结合;反式作用因子与增强子结合后能够调控(通常为增强)邻近基因的转录;增强子序列通常是数个形成一族，位于转录起始点上游-３００bp～-100bp处，但在基因之外或某些内含子中也有增强子序列；当前34页，总共56页。·真核生物转录调控序列:反应元件（顺式作用元件）:反应元件都具有较短的保守序列反应元件通常位于启动子附近，启动子内或增强子区域；与反应元件结合的信息分子是一些反式作用因子；当前35页，总共56页。·真核生物转录调控序列:Poly(A)信号:含有II类启动子的基因（II类基因）除了调控转录起始的序列外，在结构基因的３’端下游还有加尾信号；结构基因的最后一个外显子中有一个保守的ＡＡＴＡＡＡ序列；ＡＡＴＡＡＡ序列下游有一段ＧＴ丰富区，或Ｔ丰富区，此区与ＡＡＴＡＡＡ序列共同构成Poly(A)加尾信号；mＲＮＡ转录到此部位后，产生ＡＡＵＡＡＡ和随后的ＧＵ（或Ｕ）丰富区，与ＲＮＡ聚合酶结合的延长因子可以识别这种结构并与之结合，然后在ＡＡＵＡＡＡ下游１０～３０个碱基的部位剪断ＲＮＡ，并加上Poly(A)尾；当前36页，总共56页。不同生物基因的结构特点:·病毒结构基因的特点:病毒的结构基因有的是连续的，有的是间断的，一般取决于其能够侵染的宿主；感染细菌的病毒（噬菌体）的基因与细菌基因的结构特征相似，结构基因是连续的；感染真核细胞的病毒的基因结构与真核生物基因结构特征相似，部分结构基因由于含有内含子而间断；当前37页，总共56页。不同生物基因的结构特点:·病毒结构基因的基本结构特点:感染原核生物的病毒(噬菌体)的基因结构与原核基因具有相同的特征;感染真核细胞的病毒的基因与真核细胞的基因在结构上则有较大的区别;真核基因组很大,每个基因也很长,通常都含有许多内含子和外显子,并且有许多复杂的顺式作用元件;病毒基因组很小,一般没有内含子(有些病毒基因含有内含子),调控序列也较少,而且还有一些不规则的基因;有的病毒基因组中的几个结构基因串联相接,编码区无间隔；有的结构基因甚至没有翻译起始序列,需要经mRNA剪接后从别的结构基因中获得。当前38页，总共56页。·结构基因中储存的遗传信息:在构成基因的特定DNA片段中,一段DNA序列储存着一个特定RNA分子的序列信息,此段DNA的一级结构决定该RNA分子的一级结构,这一段DNA称为结构基因;有的结构基因仅编码一些特定功能的RNA,如rRNA,tRNA及其他小分子RNA;大多数结构基因是通过mRNA进一步编码蛋白质;DNA为双链,结构基因是由信息链和与之互补的反义链组成;互补链是转录时的模板链,RNA分子是依据与模板链互补的原则合成的;RNA分子的碱基序列与结构基因的信息链一致,只是以U取代了T;当前39页，总共56页。结构基因中储存的遗传信息几种主要RNA的结构与功能特点;

mRNAtRNArRNA小分子RNA核酶结构基因中储存的蛋白质序列信息;当前40页，总共56页。（一）mRNAmRNA的功能是携带蛋白质的序列信息,在翻译过程中作为模板指导蛋白质的合成;mRNA的序列组成:编码区和非编码区:ORF:开放阅读框,是指在mRNA的核苷酸序列中,有一段序列是一个特定蛋白质多肽链的序列信息,这一段核苷酸序列称为蛋白质编码区或开放阅读框;此段核苷酸序列决定蛋白质分子的一级结构;UTR:非翻译区,指在开放阅读框的5’端上游和3’端下游的核苷酸序列没有编码功能,此段区域称为非翻译区;UTR的功能主要是参与翻译起始调控,是将开放阅读框中的多肽链序列信息转变成为多肽链所必需的序列;当前41页，总共56页。当前42页，总共56页。原核生物mRNA特点:原核生物mRNA往往是多顺反子;一个操纵子中的几个结构基因共同转录出一条mRNA链,即一条mRNA链含有几个开放阅读框,分别指导合成各自编码的肽链;在各开放阅读框之间有间隔序列,可能是核糖体识别和结合的部位；在mRNA的5’端和3’端也有非编码区;原核生物mRNA的5’端没有帽子结构,3’端没有多聚尾;当前43页，总共56页。真核生物mRNA特点:真核细胞的核内不均一RNA(hnRNA)是mRNA的前体,分子中含有从内含子转录而来的序列,经过剪接等处理后成熟为mRNA;成熟mRNA的5’端有帽子结构;帽子结构是指mRNA的5’端在转录后增加了一个甲基化鸟嘌呤核苷酸,其以5’端三磷酸酯键与第二个核苷酸的5’端相连,而不是通常的3’,5’磷酸二酯键;帽子结构有三种类型,即帽子0型m7G5’ppp5’Np,帽子1型m7G5’ppp5’NmpNp和帽子2型m7G5’ppp5’NmpNmpNp;帽子结构可保护mRNA不被核酸外切酶水解,并能被翻译起始因子识别结合,与翻译起始有关;真核生物mRNA的3’端有多聚腺苷酸尾巴,其长度为20～200个腺苷酸;多聚腺苷酸尾巴与mRNA寿命及翻译效率有关;当前44页，总共56页。

*顺反子（cistron）一段可供编码的结构基因,是能够编码合成多肽的DNA的最小单位，遗传的功能单位。由结构基因转录生成的RNA序列亦称为顺反子。单顺反子（monocistron）真核的结构基因（及mRNA）是单顺反子，一个蛋白基因为一个转录单位。多顺反子（polycistron）原核的结构基因（mRNA）是多顺反子，多个蛋白基因串在一起为一个转录单位。*帽子结构中的核苷酸大多数为7甲基鸟苷（m7G）.在其后面第2和第3个核苷酸的核糖第2位羟基上有时也甲基化。因此通常帽子的结构可见3种类型： 帽子0型m7G（5’）PPP（5’）NP. 帽子1型m7G（5’）PPP（5’）NmpNP. 帽子2型m7G（5’）PPP（5’）NmPNmPNP.当前45页，总共56页。病毒mRNA特点:噬菌体mRNA与原核生物mRNA结构相似;真核细胞病毒mRNA的结构复杂多样,与具体的病毒基因组结构特点有关;当前46页，总共56页。原核生物mRNA真核生物mRNA1.mRNA编码区多顺反子（几个功能相关蛋白质）单顺反子*（1种蛋白质）2.5’端帽子结构无帽子结构，（有SD序列，RBS位于AUG上游8～13核苷酸处，与翻译起始有关）有帽子结构（0.1.2三种类型）*使mRNA免遭外切核酸酶降解，与翻译起始有关3.3’端poly(A)尾无有，20～200核苷酸4.5’.3’端mRNA非编码区有有

当前47页，总共56页。tRNA特点：tRNA分子含有很多稀有碱基或修饰碱基；tRNA的3’端是CCA-OH,激活的氨基酸连接于此3’末端羟基上；tRNA分子有一个反密码环，由7个碱基组成，其中中间3个碱基构成反密码子；tRNA的三级结构是倒L形，一端是CCA末端结合氨基酸部位，另一端为反密码环；tRNA的功能是在蛋白质生物合成肽链延长阶段发挥运输氨基酸的作用，它们携带特定氨基酸并结合到核糖体的氨基酰位（A位），然后转移到肽位（P位）;有一种tRNA是专门作为起始tRNA发挥作用，此tRNA只识别翻译起始信号，并结合到核糖体的肽位（P位）上；当前48页，总共56页。当前49页，总共56页。rRNArRNA与核糖体蛋白共同构成核糖体，后者是蛋白质合成的场所