遗传基础课件

1医学遗传学基础二、细胞基础三、遗传规律基础一、分子基础2

一、遗传的分子基础(二)DNA结构(一)DNA是遗传物质(三)人类基因组(四)基因结构(五)基因功能31868年，F.Miesher从外科绷带上的脓细胞中分离提取出一种富含磷的有机物，称为核素。后来证实核素是由一种酸性物质和蛋白组成，因其来源于细胞核，称为核酸。之后，人们认识到所有生物细胞内都有核酸，并发现核酸可分为脱氧核糖核酸(deoxyribonucleicacid,DNA)和核糖核酸(ribonucleicacid,RNA)，DNA主要存在于细胞核内，少量存在与线粒体中。RNA主要存在于细胞质中。(一)DNA是遗传物质5

普遍存在

DNA普遍存在于自然界除RNA病毒以外的各种生物细胞中。RNA病毒中的RNA起到DNA类似的作用。

DNA特征

结构稳定

同一物种各组织的DNA结构相对稳定，能改变DNA结构的因素可引起遗传性状的相应改变。6

数量恒定

同一物种各组织细胞中，DNA数量基本一致。数量变化也表现出恒定规律。细胞有丝分裂前DNA含量加倍，分裂后又恢复到原来水平。生殖细胞经过减数分裂形成配子，DNA含量为体细胞一半，雌雄配子结合后DNA数量又恢复到原来水平。71944年，Avery等人用实验证明DNA是遗传物质活肺炎球菌S型感染小鼠小鼠死亡活肺炎球菌R型感染小鼠小鼠正常高温杀死S型感染小鼠小鼠正常高温杀死S型+R型

感染小鼠小鼠死亡

将致病菌的DNA、蛋白质、荚膜多糖提取出来，分别与非致病菌混合，只有DNA具有转化作用，使非致病菌变成致病菌。转化效率与DNA纯度正相关。若事先用DNA酶处理提取物，则不能实现转化。9

戊糖C-1所连的羟基是与碱基形成糖苷键的基团，糖苷键的连接都是β型。

这种结构上的微小差异使DNA和RNA的理化性质出现很大差异，DNA更加坚硬，在碱性条件下不易水解。

戊糖两种戊糖结构示意图10

碱基(base)构成核苷酸的碱基分为嘌呤(purine)和嘧啶(pyrimidine)二类。

碱基(含氮有机碱)

嘌呤有腺嘌呤(adenine，A)和鸟嘌呤(guanine,G)，DNA和RNA中均含有这二种碱基。

嘧啶有胞嘧啶(cytosine,C)，胸腺嘧啶(thymine,T)和尿嘧啶(uracil,U)。胞嘧啶存在于DNA和RNA中，胸腺嘧啶只存在于DNA中，尿嘧啶则只存在于RNA中。11五种碱基的结构示意图

嘌呤环上的N-9或嘧啶环上的N-1是构成核苷酸时与核糖(或脱氧核糖)形成糖苷键的位置。13

核苷(nucleoside)由D-核糖或D-脱氧核糖与嘌呤或嘧啶通过糖苷键连接组成的化合物。核酸中的主要核苷有八种。

核苷14

核苷酸(nucleotide)是核苷与磷酸残基构成的化合物，即核苷的磷酸酯。核苷酸是核酸分子的结构单元。核酸分子中的磷酸酯键是在戊糖C-5’和C-3’所连的羟基上形成的，故构成核酸的核苷酸可视为5’-核苷酸或3’-核苷酸。DNA分子中含有A,G,C,T四种碱基的脱氧核苷酸；RNA分子中含A,G,C,U四种碱基的核苷酸。不同核苷酸的主要差别在于碱基。

核苷酸155’核苷酸结构模式图17

磷酸二酯键核酸是由众多核苷酸聚合而成的多聚核苷酸(polynucleotide)链式线性分子，相邻二个核苷酸之间的连接键即3’,5’-磷酸二酯键。2.分子结构一级结构18

这种连接可理解为核苷酸糖基上3’位羟基与下游相邻核苷酸5’位磷酸残基之间，以及核苷酸糖基上的5’位磷酸残基与上游相邻核苷酸的3’羟基之间形成的两个酯键。多个核苷酸残基以这种方式连接而成的链式分子就是核酸。无论是DNA还是RNA，其基本结构都是如此，故又称DNA链或RNA链。分子链是有方向的，5’末端为磷酸，3’末端为羟基。19磷酸二酯键21DNA和RNA单链都是由一个一个的核苷酸头尾相连而形成的。RNA多聚核苷酸链一般以单链形式存在，而DNA多聚核苷酸链则一般以双链形式存在。RNA平均长度大约为2000个核苷酸，而人的DNA却是很长的，人DNA全长约有3X109个核苷酸对，每条染色体含一个DNA分子链，含5千万致5亿不等的核苷酸对。22DNA分子是由2条平行的多核苷酸链围绕同一中心轴构成的右手双螺旋结构(B型)。链的骨架由糖-磷酸重复单位构成，碱基向螺旋内部延伸，位于螺旋内部。多核苷酸的方向由磷酸二酯健的走向决定，一条从5’3’，另一条从3’5’，两条链呈反向平行排列(antiparallel)。平行链上伸向内部的碱基彼此形成氢键相连，碱基间严格遵循G与C配对(G≡C)，A与T配对(A=T)的原则。二级结构23DNA双螺旋结构示意图25碱基配对及氢键26DNA链上不同核苷酸分子差异部位是碱基，不同碱基的排列组合包含了相应的遗传信息，碱基位于骨架双链的内部，使遗传信息免受各种理化因素的影响。3.双链互补结构的意义29

核酸呈酸性，粘度大，能吸收紫外光，最大吸收峰为260nm。4.分子特性30

具有变性复性能力，DNA双链分子碱基间的氢键结合是可逆结合。碱基间氢键被解开，互补DNA双链变为两条单链的过程称为变性。解链后的DNA单链与互补序列通过碱基间氢键形成互补双链的过程称为复性。DNA分子上的磷酸二酯键断裂，使DNA链断裂，DNA被降解。31

引起DNA变性的因素主要有高温、强酸强碱、有机溶剂等。DNA变性后，性质发生改变，如电泳行为改变，对260nm紫外光的吸收度增加(增色效应)，旋光性下降，粘度降低，生物学功能丧失或改变等。32

对DNA溶液进行加热，DNA溶液对260nm波长光的吸收度随温度升高而变化，在低温区和高温区变化都慢。使DNA溶液吸光度达到最大值一半时的温度，称为DNA的变性温度或融解温度(Tm)。33Tm的高低与DNA分子中G+C的含量有关，G+C的含量越高，则Tm越高。34

两条来源不同的单链核酸(DNA或RNA)，当它们的碱基序列互补或接近互补时，在一定条件下可互补结合成双链，形成新的杂种双螺旋，这一现象称为核酸的分子杂交。核酸分子杂交可以是DNA-DNA，也可以是DNA-RNA杂交。不同来源的，具有互补碱基顺序的核酸片段称为同源序列。利用核酸的分子杂交，可以用已知序列的寡核苷酸确定或寻找不同物种中具有同源顺序的DNA或RNA片段。所用的已知序列寡核苷酸一般要标记上示踪物，称为探针。35

生物单个成熟生殖细胞(单倍体细胞)DNA分子上的全部基因总和称为基因组(geneome)，人类DNA分为核内DNA和线粒体DNA，人类基因组包含核基因组和线粒体基因组。人单个体细胞含有来自父源和母源的两个基因组。(三)人类基因组36

人类核基因组由约30亿个碱基对按一定排列方式构成。DNA分子中的碱基排列顺序称DNA序列，人基因组中约有60%-70是单拷贝或低拷贝序列，30%-40%是中度或高度重复的序列。编码蛋白的序列主要是单拷贝或低拷贝序列。

根据DNA序列的功能、在基因组中的拷贝数、碱基排列特点等可将基因组DNA序列进行人为分类。371.核基因组

单一序列(uniquesequence)在基因组中仅有一个或少数几个拷贝。大多数编码蛋白质(酶)的结构基因属这种结构形式，但只占单一序列中的很少部分。

重复序列(repetitivesequence)在基因组中有许多拷贝数。可把它细分为高度重复序列、中度重复序列、基因家族、基因簇。38

单一序列中，含有编码蛋白质氨基酸序列遗传密码的DNA序列称结构基因，对编码序列的编码蛋白质活动进行调节和控制的序列称为调控基因。基因序列可长可短，可单拷贝或多拷贝存在于基因组中。当在基因组中出现很多个序列结构与功能相同或相近的拷贝时，把这些序列称为多基因家族(基因簇)或基因超家族(基因家族)

。基因家族一般是由一个共同的祖先基因经过重复和变异而形成。39

重复序列的基因家族中，一种类型是一个基因的多个拷贝成簇地排列在同一染色体上，形成一个基因簇，多个拷贝的序列几乎相同。它们同时发挥作用合成某些蛋白质。如珠蛋白基因簇有5个相关基因，排列在16号染色体短臂上，珠蛋白基因簇有6个相关基因，排列在11号染色体短臂上。两种珠蛋白基因序列高度一致，由一个祖先基因经过重复而来。合成的肽链共同构成血红蛋白。40

另一类是多个拷贝成簇地分布在不同的染色体上，这些成员的序列可有些不同，它们编码一组相关的蛋白。如微管蛋白基因家族中，微管蛋白2、微管蛋白T1、微管蛋白T2

的基因分别位于2、17和6号等不同染色体上，功能都是编码微管相关蛋白。41

假基因(pseudogene)多基因家族中，一些拷贝不产生蛋白质，但其序列与产生蛋白质的基因非常相似。相当于基因的无功能拷贝，称为假基因。它们与有功能的基因有同源性，起初可能是有功能的基因，以后由于发生突变丧失了活性。如珠蛋白基因簇的假基因与基因相比，只是失去了内含子。其可能是由于活性基因的mRNA经过逆转录成为cDNA，再整合到基因组而形成。假基因可与功能基因连锁或通过染色体易位或作为转座子的一部分，从一个部位转移到另一部位。42

串联重复序列基因组中局限性或分散存在的由一定DNA序列串联重复排列的重复结构。串联重复序列不编码蛋白质。串联重复序列的重复次数个体差异大，遗传多样性研究与应用中，较多选择测定这类DNA结构。

卫星DNA

长度可达几百kb的串联重复序列，密度梯度离心基因组DNA时，DNA主带旁出现的“卫星”DNA，分布在染色体的着丝粒等。在着丝粒起结构性作用。43

小卫星DNA

长度20kb左右的一类串联重复序列。端粒就是由几百个5’-TTAGGG-3’首尾相连的重复序列构成。在DNA复制中起作用。

微卫星DNA

由1至几个bp重复数十次形成的重复序列。功能尚不清楚。基因组作图中被用来作为遗传和物理标记。每个个体有自己独特的微卫星DNA“遗传图像”，可用来作为识别个体的DNA标记。44

分散重复序列相同的DNA序列分散大量存在于基因组中。其中长度在几百~几千bp，基因组中拷贝数为几十~上百万。其中有一类称为短分散核元件(shortinterspersednuclearelement,SINE)，如Alu序列，300bp长，人基因组中约有50万个拷贝，约隔5kb有一个，其功能与基因表达的调控有关。另一类称为长分散核元件(longinterspersednuclearelement,LINE)，长度在5000-7000bp，基因组中拷贝数几百致几万个，如LINE-1序列(Kpn重复序列)，6000bp长，编码一个逆转录酶。45

反向重复序列(invertedrepeatsequence)也称倒位重复序列。是两个顺序相同的互补拷贝在同一条链上反向排列而成，两个互补拷贝共价相连。当两个互补序列之间有间隔序列时，可以形成链内碱基配对，产生十字形结构。如两个互补序列之间没有间隔序列而直接相串联，称为回文结构(palindrme)。反向重复序列单独或与其它重复序列一起分散在基因组中。每个反向重复序列长约300bp。基因组中约相隔12Kb出现一个。其功能可能与终止子的形成有关。46反向重复序列示意图47

线粒体DNA为16569bp形成一环形结构，结构紧凑，编码呼吸链中的蛋白质、酶、rRNA、tRNA等。2.线粒体基因组48

遗传学角度，基因是遗传信息携带者，是生物的遗传物质，是遗传的基本单位，即突变单位、重组单位和功能单位；

分子生物学角度，基因是负载特定遗传信息的DNA分子片段，在一定条件下能够表达这种遗传信息，产生各种RNA和蛋白质，实现特定的生理功能。(四)基因结构491909年，WilhelmJohansen使用基因来描述传递和表达特定生物性状的可遗传因子，未描述它的遗传理论和物质基础。20世纪上半叶，逐渐认识到，基因的功能是编码酶，一个基因编码一个酶；基因定位于染色体上并且在物理上连锁；DNA是遗传物质。50

进一步的研究发现，不是所有的基因都编码酶，一些基因编码功能性肽链，有些基因编码功能性RNA分子(如tRNA和rRNA)。

病毒中基因是RNA，不是DNA。

基因中的信息可被选择性产生一种以上的产物和功能。一个基因可同时影响多个性状(基因的多效性)，多个基因可相互合作控制同一个性状。51

基因决定性状

基因通过转录和翻译决定多肽链的氨基酸顺序，从而决定某种酶或蛋白质的性质，最终表达为某一性状。

基因可自体复制

基因通过DNA半保留复制而产生与自身相同的基因。1.基因的特性52

基因可突变

基因虽很稳定，但也会发生突变。一般来说，新的突变等位基因一旦形成，就可通过自体复制，在随后的细胞分裂中保留下来。532.基因的类别与结构

调控基因(regulatorandcontrolgene)是指可调节控制结构基因表达的基因。调控基因的突变可以影响一个或多个结构基因的功能，或导致一个或多个蛋白质(或酶)数量的改变。

结构基因(structuralgene)是指能决定多肽链(蛋白质)或酶分子氨基酸顺序的基因。结构基因的突变可导致编码蛋白质(或酶)一级结构的改变或引起蛋白质(或酶)质量的改变。54基因

人类基因包括4个区域

编码区包括外显子与内含子。

前导区位于编码区上游，相当于RNA5’末端非编码区(非翻译区)。

尾部区位于编码区下游，相当于RNA3’末端非编码区(非翻译区)。

调控区包括启动子、增强子、终止子等。基因编码区的两侧也称为侧翼序列。55

外显子和内含子大多数真核生物的基因为不连续基因(interrupted/discontinuousgene)。基因的编码顺序在DNA分子上被非编码顺序所隔开，形成嵌合排列的断裂形式，也称断裂基因(splitegene)。编码的顺序称为外显子(exon)，是基因表达为多肽链的部分；非编码顺序称为内含子(intron)，或称插入顺序(intervencingsequence,IVS)。56

一般每个结构基因都由若干个外显子和内含子组成，但外显子和内含子的关系不是完全固定不变的。内含子可转录为RNA，在形成成熟mRNA过程中被剪切掉，不作为编码蛋白质的序列，其所在位置也被称为非翻译区(untranslatedregion,UTR)。基因的内含子和外显子数量可多可少，内含子的核苷酸数量可比外显子多。如人血红蛋白珠蛋白基因约1700bp，假性肥大型肌营养不良(DMD)的基因全长约230kd，含75个外显子和74个内含子。57

构成基因的两条DNA链中，一条链为编码链(codingstrand)，其碱基序列储存着遗传信息。另一条链为模板链(templatestrand)，是合成RNA的模板，它与编码链互补，也称反密码链。

在显示基因结构时，通常只写编码链，并把5’端放在左边。基因中某结构位点(如转录起始点)的5’端区域称为该位点的上游，3’端区域称为该位点的下游。以该位点为原点(0)，上游碱基以-bp表示，下游碱基以+bp表示。58

外显子-内含子接头每个外显子和内含子接头区都有一段高度保守的一致顺序，即内含子5’端大多数是GT开始，3’端大多是AG结束，称为GT-AG法则，是普遍存在于真核基因中RNA剪接的识别信号。

侧翼序列(flankingsequence)在第一个外显子和最末一个外显子的外侧是一段不被翻译的非编码区，称为侧翼序列。侧翼顺序含有基因调控顺序，对该基因的活性有重要影响。59

启动子(promoter)能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。通常位于转录起始点上游。不同的启动子序列不同，与RNA聚合酶的亲和力不同、启动转录的频率高低不同。有的启动子可被RNA聚合酶直接识别并启动转录。有的启动子在被聚合酶结合时需要有蛋白质辅助因子存在，蛋白质因子能够识别与该启动子顺序相邻或甚至重叠的DNA顺序。60

TATA框(TATAbox)在人类许多基因转录起始点上游-25~-30bp处有一段高度保守序列，TATAA，能与转录因子TFII结合，被RNA聚合酶II识别启动转录。

CAAT框(CAATbox)位于转录起始点上游-70~-80bp处有一段高度保守的序列，GGCAATCT，能与转录因子CTF(CAAT结合因子)结合，提高转录效率。ATATCT61

GC框(GCbox)含有的顺序是GGCGGG，它也是某些启动子中的共同顺序。常有几个拷贝GC盒存在于同一个启动子中，而且方向往往不定。转录因子Sp1则能与GC盒结合，促进转录。

此外，RNA聚合酶Ⅲ负责转录tRNA和5srRNA，等，其启动子位于转录的DNA顺序中，称为下游启动子。62

核心启动子元件(corepromoterelement)指RNA聚合酶起始转录所必需的最小的DNA序列，包括转录起始点及其上游－25~－30bp处的TATA盒等。核心元件单独起作用时只能确定转录起始位点和产生基础水平的转录。

上游启动子元件(upstreampromoterelement)包括通常位于－70bp附近的CAAT盒和GC盒、以及距转录起始点更远的上游元件。这些元件与相应的蛋白因子结合能提高或改变转录效率。63

增强子(enhancer)是一种能够提高转录效率的顺式调控元件，位于真核基因转录起始点的上游或下游，提高同一条DNA链上基因转录效率，可在转录起始点上下游3kb或更远。作用与其序列的正反方向无关，将增强子方向倒置依然能起作用。而将启动子倒置就不能起作用。要有启动子才能发挥作用，没有启动子存在，增强子不能表现活性。但增强子对启动子没有严格的专一性，同一增强子可以影响不同类型启动子的转录。具有组织或细胞特异性。64

终止子(termianator)在一个基因的末端往往有一段特定顺序，它具有转录终止的功能。终止子的共同顺序特征是在转录终止点之前有一段回文顺序，约7-20核苷酸对。回文顺序的两个重复部分由几个非重复碱基对隔开，回文顺序的对称轴一般距转录终止点16-24bp。在回文结构的下游有一个AATAAA的多聚腺苷酸(polyA)附加信号。65AATAAA的多聚腺苷酸(polyA)附加信号在DNA分子中形成A-T对，回文结构和A-T对转录后，形成的RNA具有发夹结构，并具有与A互补的一串U，发夹结构可阻止RNA聚合酶的移动。A-U之间氢健结合较弱，RNA/DNA杂交部分易于拆开，这样对转录物从DNA模板上释放出来是有利的，也可使RNA聚合酶从DNA上解离下来，实现转录的终止。66基因结构示意图转录起始点

转录终止点CAAT框

GC框TATA框

外显子外显子外显子5’非翻译区

内含子内含子

3’非翻译区转录起始密码

转录终止密码

polyA信号

(ATG)

(TAA)5’3‘’GTAGGTAG67

转录终止子序列模式图C—GC—GU—AC—GG—CG—CA—UA—UA—U5’AUUUUUUU3’5’ATTAAAGGCTCCTTTTTTGGAGCCTTTTTTTT3’3’TAATTTCCGAGGAAAAAACCTCGGAAAAAAAA5’

模板链转录多G/C多A/T68基因的基本功能包括

遗传信息(密码)的储存通过特定的核苷酸组合来实现。

遗传信息的倍增和传代通过DNA分子的自我复制及在子细胞中的再分配实现。

遗传信息的表达通过将DNA分子上的遗传信息转录成mRNA；再由mRNA信息翻译成蛋白质(酶)；最后，由这些具有各种生物活性的蛋白质实现生物功能和性状。(五)基因的功能69

依赖于DNA复制的从DNA转录为RNA，再由RNA翻译为蛋白质的过程称为遗传信息传递的“中心法则”。DNARNA蛋白质转录翻译反转录复制复制701.遗传信息(密码)的储存1961年，Crick用遗传学方法证明，DNA分子上的三个相邻核苷酸构成一个三联体，决定多肽上的一个氨基酸。特定的核苷酸三联体构成了遗传密码。1966年，Nirenberg和khorana等用人工合成的不同核苷酸组合的RNA片断，研究破译了全部遗传密码(geneticcode)，也称密码子(codon)。71

遗传密码表第1个核苷酸第2个核苷酸第3个核苷酸

(5’端)UCAG(3’端)

UUUUCUUAUUGUUUUCUCCUACUGCCUUA

UCA

UAAUGA终止

AUUGUCG

UAGUGG色

GCUUCCUCAUCGUUCUCCCCCACCGCCCUACCA

CAACGAACUGCCG

CAGCGGG

AUUACUAAUAGUUAUCACCAACAGCCAUAACA

AAAAGA

AAUGACGAAGAGG

GGUUGCUGAUGGUUGUCGCCGACGGCCGUAGCAGAAGGAAGUGGCG

GAG

GGG

GC亮脯精G缬丙甘A苏

U丝

苯丙酪半光亮终止

天酰丝

赖精

组谷酰

天冬谷

异亮*蛋72

对遗传密码的研究表明，遗传密码具有4个特点

通用性上述的遗传密码几乎通用于整个生物届，包括低等的病毒、细菌以及高等生物和人类。有几个例外。线粒体中，AUA(异亮)编码蛋氨酸、CUA(亮)编码苏氨酸、UGA不是终止密码而编码色氨酸，AUG在原核生物和真核生物中的含义不同，分别编码甲酰蛋氨酸和蛋氨酸。73

遗传密码表第1个核苷酸第2个核苷酸第3个核苷酸

(5’端)UCAG(3’端)

UUUUCUUAUUGUUUUCUCCUACUGCCUUA

UCA

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GAG

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苯丙酪半光亮终止

天酰丝

赖精

组谷酰

天冬谷

异亮*蛋74

兼并性某些氨基酸可由两种以上的密码子编码，称为兼并性(degenerate)。遗传密码的头两个核苷酸起决定作用，第3位核苷酸C和U互换不会导致氨基酸改变；A和G互换只有两组氨基酸变化，AUA(异亮氨酸)AUG(蛋氨酸)，UGA(终止密码)UGG(色氨酸)。75

遗传密码表第1个核苷酸第2个核苷酸第3个核苷酸

(5’端)UCAG(3’端)

UUUUCUUAUUGUUUUCUCCUACUGCCUUA

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苯丙酪半光亮终止

天酰丝

赖精

组谷酰

天冬谷

异亮*蛋76

方向性

mRNA中的密码子是由5’3’方向排列的，翻译过程沿mRNA5’3’进行。

起始密码和终止密码

64个密码子中，AUG除代表蛋氨酸或甲酰蛋氨酸外，当其位于mRNA5’端启动部位时，兼有蛋白合成启动信号的作用。UAA、UGA、UAG均不编码特定的氨基酸，是肽链合成的终止信号，称终止密码。77

遗传密码表第1个核苷酸第2个核苷酸第3个核苷酸

(5’端)UCAG(3’端)

UUUUCUUAUUGUUUUCUCCUACUGCCUUA

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UAAUGA终止

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UAGUGG色

GCUUCCUCAUCGUUCUCCCCCACCGCCCUACCA

CAACGAACUGCCG

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