基因工程原理与技术（第四版）课件 第1、2章 基因工程绪论、基因与基因表达调控

基因工程第一章绪论一、为什么学习基因工程？（人类面临的问题）二、基因工程的四大里程碑三、基因工程的三大技术发明四、基因工程的研究内容《荷塘月色》基因工程技术版紫外光如流水一般，静静地泻在这一块琼脂糖凝胶和PE手套上，细细的亮亮的PCR产物条带呈现在眼前，仿佛在Running缓冲液中洗过一样。虽然是白天，但是因为有一只暗箱，所以没有朗照，紫外光是隔着石英玻璃照过来的，除了引物DNA在溴酚蓝前有微弱的亮带外，红红PCR产物如少女亭亭玉立般等着你的赏析、拍照。

基因之《大话西游版》曾经有一段真诚的目的基因放在我质粒的面前，我没有珍惜,等到失去的时候才追悔莫及。基因工程中最痛苦的事情莫过于此。如果实验员能够给我一个重新来过的机会，我会对那段基因说三个字，克隆吧。如果非要给这份技术加上一个方法，我希望是，PCR。基因工程与梦想西方传说中的美人鱼人类对新生物的构想意大利人的头发埃及人的眼睛希腊人的鼻子美国人的牙齿泰国人的脖子澳洲人的胸部瑞士人的手斯堪的纳维亚人的腿中国人的脚奥地利人的声音日本人的笑容英国人的皮肤法国人的曲线西班牙人的步态克莉丝汀-戴维斯梦想中完美女性一、为什么学习基因工程？（人类面临的问题）人口问题人类面临重大问题与我们息息相关人口问题人口问题粮食问题人类面临重大问题与我们息息相关为什么要学习生命科学？人口问题粮食问题健康问题人类面临重大问题与我们息息相关为什么要学习生命科学？健康问题《2019国民健康洞察报告》《报告》从国民的健康现状、健康素养、健康生活诉求、医疗服务诉求、健康消费诉求五个角度分析。人口问题粮食问题健康问题为什么要学习生命科学？环境问题人类面临重大问题与我们息息相关解决之道？基因工程技术人口粮食环境医疗资源…二、基因工程的四大里程碑四大里程碑遗传物质的明确——DNADNA双螺旋结构理论（半保留复制及其中心法则）基因遗传密码子的破译基因转移载体的发现里程碑之一

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遗传物质的发现基因的化学本质经典试验---肺炎链球菌的转化试验（1928年）（I）FrederickGriffith(1879–1941)肺炎链球菌是一类能够引起肺炎等疾病的革兰氏阳性菌。它存在两种类型：R型：rough，菌体无荚膜，菌落粗糙，无致病性，不致死。S型：smooth，菌体具有荚膜，菌落光滑，致病性强，致死。基因的化学本质经典试验---肺炎链球菌的转化试验（1928年）（I）FrederickGriffith(1879–1941)实验证明，在S型中有一种“转化因子”(transformingprinciple)促成了R型的转化。R型S型？1944年，Avery精确重复转化实验，确定了转化因子。经典试验---肺炎链球菌的转化试验（II）OswaldAvery（1877-1955）RockefellerInstituteforMedicalResearch（I）加S型菌的DNA长出S型菌1944年，Avery精确重复转化实验，确定了转化因子。经典试验---肺炎链球菌的转化试验（II）（1）从活的S型菌中抽提各种细胞成分（DNA，RNA，蛋白质，荚膜多糖等）（2）对各种生化组分进行转化试验活R型菌（II）加S型菌的DNA和DNA酶以外的酶（III）加S型菌的DNA和DNA酶只长R型菌（IV）加S型菌的RNA（V）加S型菌的蛋白质（VI）加S型菌的荚膜多糖实验证明，S型菌转移给R型菌的转化因子是DNA。噬菌体的遗传物质是DNA的实验里程碑之二---DNA双螺旋结构理论里程碑之二---DNA双螺旋结构理论40年代末，英国科学家莫里斯·威尔金斯等用X射线衍射技术对DNA结构潜心研究了3年，意识到DNA是一种螺旋结构。1951年底，女物理学家罗莎琳德·富兰克林拍到了一张十分清晰的DNA的X射线衍射照片。照片51号里程碑之二---DNA双螺旋结构理论威尔金斯出示了富兰克林在一年前拍下的DNAX射线衍射照片，沃森看出了DNA的内部是一种螺旋形的结构，他立即产生了一种新概念：DNA不是三链结构而应该是双链结构。照片51号1953年，J.Watson和F.Crike创立DNA双螺旋模型，证实基因是具有一定遗传效应的DNA片段。里程碑之二---DNA双螺旋结构理论1958年，富兰克林因支气管肺炎及卵巢癌逝世于英国伦敦。1963年，沃森、克里克和威尔金斯荣获诺贝尔生物学或医学奖。被遗忘的英格兰玫瑰：罗莎琳德·富兰克林（RosalindFranklin）（1920年7月25日-1958年4月16日）DNA二级结构的多态性A型，右手螺旋，外形粗短，常见的是dsRNA，A-DNA，DNA-RNA；B型，典型的

Watson-Crick双螺旋DNA，是生理条件下有机序列，DNA分子中最稳定的结构，也是研究的参照标准点；Z型，左手螺旋，外形细长，可以与B型DNA之间互相转换。里程碑之三---遗传密码的发现遗传密码是通用的，将DNA或RNA序列以三个核苷酸为一组的密码子转译为蛋白质的氨基酸序列，以用于蛋白质合成，在所有生物中都是相同的。里程碑之三---遗传密码的发现遗传密码是通用的，将DNA或RNA序列以三个核苷酸为一组的密码子转译为蛋白质的氨基酸序列，以用于蛋白质合成，在所有生物中都是相同的。

1961年，美国国家卫生院的海因里希·马太与马歇尔·沃伦·尼伦伯格在无细胞系统环境下，把一条只由尿嘧啶（U)组成的RNA翻译成一条只有苯丙氨酸（Phe）的多肽，由此破解了首个密码子（UUU->Phe）。里程碑之三---遗传密码的发现遗传密码是通用的，将DNA或RNA序列以三个核苷酸为一组的密码子转译为蛋白质的氨基酸序列，以用于蛋白质合成，在所有生物中都是相同的。

1961年，美国国家卫生院的海因里希·马太与马歇尔·沃伦·尼伦伯格在无细胞系统环境下，把一条只由尿嘧啶（U)组成的RNA转释成一条只有苯丙氨酸（Phe）的多肽，由此破解了首个密码子（UUU->Phe）。随后科拉纳（HarGobindKhorana）破解了其它密码子，接着霍利（RobettW.Holley）发现了负责转录过程的tRNA。里程碑之三---遗传密码的发现1968年，科拉纳、霍利和尼伦伯格分享了诺贝尔生理学或医学奖。里程碑之三---遗传密码的发现霍利（1922-1993），科拉纳（1922-2011），尼伦伯格（1927-2010）里程碑之四---基因转运载体的发现Fig.4.-ElectronmicrographstakenofColE1DNApurifiedbyMAKcolumnchromatography.(a)OpenandsupercoiledcircularDNAofthe2.3-jclass.X49,000.(b)Anopen2.3-ucircularmoleculejuxtaposedtoitssupercoiledallomorph.X56,000.(c)Supercoiledforms(2.3uand4.7u).X56,000.(d)Opencircularforms(2.3pand4.7IA).X56,000'(e)SupercoiledcircularformofColElDNA,4.7-tt,extractedbytheMarmurproceduresSuper-coiledformsthusextractedappearedmoretightlytwisted.X56,000.1967年，罗思和海林斯基发现细菌染色体DNA之外的质粒有自我复制的能力，并可以在细菌细胞间转移，这一发现为基因转移找到一种运载工具。Roth

TF,

Helinski

DR.PNAS.

1967;58(2):650–657里程碑之四---基因转运载体的发现（1）FIG.1.GeneralprotocolforproducingcovalentlyclosedSV40dimercirclesfromSV40(I)DNA.1972年斯坦福大学的PaulBerg小组完成了首次体外重组实验：将SV40的DNA片断与大肠杆菌的DNA片断连接起来。标志着基因工程技术的诞生Jackson,D.A.,Symons,R.H.andBerg,P.PNAS。1972。69:2904-2909里程碑之四---基因转运载体的发现（2）1980NobelPrizeinChemistryBoyer-Cohen实验1973年斯坦福大学的S.

Cohen小组将含有卡那霉素抗性基因的大肠杆菌pSC101质粒与含有四环素抗性基因的另一种大肠杆菌质粒pSC102连接成重组质粒，具有双重抗药性。StanleyN.Cohen,AnnieC.Y.Chang,HerbertW.Boyer,andRobertB.Helling.PNAS。197370(11)3240-3244里程碑之四---基因转运载体的发现（3）KanamycinandTetracyclinresistantE.coliTetracyclinresistantgeneKanamycinresistantgeneEcoRIEcoRI三、基因工程的三大技术发明三大技术发明工具酶的发明：内切酶、合成酶、连接酶PCR技术（PCR扩增仪）基因合成和测序（合成仪、测序仪）技术发现之一---工具酶技术发现之一---工具酶（1）人们发现侵染大肠杆菌的噬菌体都存在着一些功能性障碍，即所谓寄主控制的限制与修饰现象的简称（Restriction/Modification,R/M体系）。细菌的R/M体系类似于免疫系统，能辨别自身的DNA与外来的DNA，并能使后者降解掉。大多数限制性内切酶常常伴随有1~2种修饰酶（DNA甲基化酶），后者能保护细胞自身的DNA不被限制性内切酶破坏。技术发现之一---工具酶（2）1968年，M.Meselson和R.Yuan在E.coli

B和E.coli

K中分离出的核酸内切酶EcoB和EcoK，是I型的，没有实用价值。技术发现之一---工具酶（3）1970年，H.O.Smith和K.W.Wilcox在流感嗜血Rd株中分离出的限制酶HindII，是特异性切割的II型。工具酶种类核糖核酸酶（Rnase）

脱氧核糖核酸酶（Dnase）DNA连接酶、RNA连接酶(ligase)

DNA聚合酶（DNApolymerase）

RNA聚合酶（RNApolymerase）

反转录酶（reversetranscriptase）

限制性核酸内切酶（restrictionendonucease）技术发现之二---PCR技术

（PCR扩增仪）在1983年，美国Cetus公司人类遗传研究室的科学家K.B.Mullis发明的PCR技术。PCR是一种在体外快速扩增特定基因或DNA序列的方法，有称之为体外扩增法。技术发现之二---PCR技术（PCR扩增仪）技术发现之二---PCR技术（PCR扩增仪）技术发现之二---PCR技术（PCR扩增仪）技术发现之二---PCR技术（PCR扩增仪）技术发现之二---PCR技术（DNA聚合酶）技术发现之三---基因合成仪和测序仪DNA测序技术（1）第一代测序，Sanger法（链终止法）、化学降解法，凝胶电泳；技术发现之三---基因合成仪和测序仪（1）DNA测序技术（1）第一代测序，Sanger法（链终止法）、化学降解法，凝胶电泳；（2）第二代测序，Roche公司的454技术（焦磷酸测序）、ABI公司的SOLiD技术和Illumina公司的Solexa技术，高通量测序技术；技术发现之三---基因合成仪和测序仪（1）DNA测序技术（1）第一代测序，Sanger法（链终止法）、化学降解法，凝胶电泳；（2）第二代测序，Roche公司的454技术（焦磷酸测序）、ABI公司的SOLiD技术和Illumina公司的Solexa技术，高通量测序技术；（3）第三代测序，PacBio的SMRT技术和OxfordNanoporeTechnologies公司的纳米孔单分子技术，单分子测序。技术发现之三---基因合成仪和测序仪（1）PacBio的SMRT技术DNA测序技术（1）第一代测序，Sanger法（链终止法）、化学降解法，凝胶电泳；（2）第二代测序，Roche公司的454技术（焦磷酸测序）、ABI公司的SOLiD技术和Illumina公司的Solexa技术，高通量测序技术；（3）第三代测序，PacBio的SMRT技术和OxfordNanoporeTechnologies公司的纳米孔单分子技术，单分子测序。技术发现之三---基因合成仪和测序仪（1）DNA合成技术，按照预定核苷酸的顺序，将脱氧核苷酸逐个进行人工连接合成DNA链的方法。目前多是采用固相合成法，即是在多聚体支持物上从3′端延伸核苷酸，可自动化操作。技术发现之三---基因合成仪和测序仪（2）以上研究成果综合，催生了基因工程

自基因工程问世以的三十几年，是基因工程迅速发展的阶段。如果说20世纪八九十年代是基因工程基础研究趋向成熟，那么二十一世纪初将是基因工程应用研究的鼎盛时期。基因工程的迅速发展阶段二、基因克隆的概念与基本步骤1．基因克隆的概念1972年，以P.Berg等人为代表的一批科学家发展了有关重组DNA的技术；1973年，H.Boyer和Cohen完成了第一个基因的克隆，由此宣告了基因克隆技术的诞生。“克隆”（clone）一词作名词使用时是指从一个共同祖先无性繁殖下来的一群遗传上同一的DNA分子、细胞或个体所组成的特殊的群体；作动词使用时，是指产生这一群体的过程。基因克隆是指在体外，借助于能自我复制的载体分子，将目的基因引入到宿主细胞中进行增殖，以获得大量纯一的特定DNA片段的过程。同义词包括：重组DNA，分子克隆，遗传工程,基因工程等A重组DNA技术的基本定义

重组DNA技术是指将一种生物体（供体）的基因与载体在体外进行拼接重组，然后转入另一种生物体（受体）内，使之按照人们的意愿稳定遗传并表达出新产物或新性状的DNA体外操作程序，也称为分子克隆技术。因此，供体、受体、载体是重组DNA技术的三大基本元件。B基因工程的基本定义

基因工程是指重组DNA技术的产业化设计与应用，包括上游技术和下游技术两大组成部分。上游技术指的是基因重组、克隆和表达的设计与构建（即重组DNA技术）；下游技术则涉及到基因工程菌或细胞的大规模培养以及基因产物的分离纯化过程。C重组DNA技术与基因工程的基本用途

分离、扩增、鉴定、研究、整理生物信息资源大规模生产生物活性物质设计、构建生物的新性状甚至新物种大规模生产生物活性物质工程细胞基因工程蛋白质工程途径工程发酵工程细胞工程分离工程酶酶工程分离工程天然细胞天然细胞生物活性物质生物活性物质D基因工程的基本形式第一代基因工程蛋白多肽基因的高效表达经典基因工程第二代基因工程蛋白编码基因的定向诱变蛋白质工程第三代基因工程代谢信息途径的修饰重构途径工程第四代基因工程基因组或染色体的转移基因组工程第五代基因工程基因编辑基因组工程四、基因工程的研究内容（1）基因工程载体的研究

原核载体和真核载体；克隆载体和表达载体；质粒载体、噬菌体载体、病毒载体及其他载体等。基因工程载体的研究是基因工程研究的重要内容之一。1．基因克隆工具的研究（2）工具酶的研究主要包括：限制性核酸内切酶DNA连接酶DNA聚合酶各种修饰酶

1．基因克隆工具的研究（3）基因工程受体系统的研究受体是载体的宿主，是外源基因表达的场所。受体可以是单个细胞，也可以是组织、器官、甚至是个体。目前最常用的受体系统是大肠杆菌受体系统和酵母受体系统。其他受体系统：链霉菌、芽孢杆菌、丝状真菌及动物细胞。利用动物的组织（如：乳腺组织、胚胎组织等）作为受体进行基因表达的研究等1．基因克隆工具的研究以PCR为基础的差异筛选技术长片段的DNA序列测定技术高通量的基因芯片技术高通量测序技术借助计算机和互联网的生物信息技术，等等……2．基因克隆技术的研究基因是一种有限的重要战略性资源人类基因组计划中科学家们的最新研究结果，人类基因总数比预期的低得多，初步定位在3.0万个左右，如此少的基因自然成为激烈竞争的对象。3．克隆对象——目的基因的研究我国科学家完成的水稻基因组测序研究成果发表在国际权威的SCIENCE杂志2014年全球转基因作物在各国的种植面积（百万公顷）

基因工程药物——高新技术产业——新的药业革命1982年美国Lily公司首先将重组胰岛素投放市场。已有50多种基因工程药物上市，近千种处于研发状态美国生物技术公司已有2000多家，欧洲共有约1000家2000年，基因工程药品全世界年销售额600亿美元。2022年全球生物药市场将达3260亿美元。前九位的分别是：单克隆抗体、疫苗、基因治疗、白介素、干扰素、生长因子、重组可溶性受体，反义药物和人生长激素。2013年，中国生物医药2.1万亿4．基因工程产品的研究4．基因工程产品的研究基因克隆操作基因工程的应用英国爱丁堡罗斯林研究所—伊恩·维尔穆特多利和它的孩子1996年多利诞生两头体细胞克隆牛“大隆”、“二隆”把大鼠生长因子转入小鼠得到巨大型的转基因小鼠。体细胞克隆大熊猫无冰晶细菌帮助草莓抗霜冻工程菌在环境工程中应用

美国GE公司构造成功具有巨大烃类分解能力的工程菌，并获专利，用于清除石油污染。喷洒工程菌清除石油污染在医学上的应用

基因工程被用于大量生产过去难以得到或几乎不可能得到的蛋白质－肽类药物。传统生成方法与基因工程比较基因治疗简而言之，用基因治病就是基因治疗，实际上指的是把功能基因导入患者体内使之表达，并因表达产物---蛋白质发挥了功能使疾病得以治疗。1.基因疗法治愈ada缺乏症2.基因疗法首次在血友病B患者身上取得明确成功N.

Engl.J.Med.

2017;

377:

2215-2227“十二五”普通高等教育国家级规划教材1、《基因工程原理与技术》（第三版、第四版），刘志国主编，化学工业出版社出版参考书目2、《基因工程原理》上，下册，第二版，吴乃虎著，科学出版社，1999。3、《分子克隆》，第一版，第三版MolecularCloning，2001年由冷泉港实验室出版社(ColdSpringHarborLaboratoryPress)出版，共三卷。其翻译版由科学出版社于2003年出版，分上下册。第二章基因与基因表达调控本章内容一、基因的结构与功能二、基因组的结构与功能三、基因的表达与调控第一节

基因的结构与功能基因是DNA(deoxyribonucleicacid，脱氧核糖核酸)分子中的一段特定的核苷酸序列，它包括编码蛋白质肽链或可转录但不翻译的RNA的核苷酸序列，以及保证转录所必需的调控序列。根据基因是否转录和翻译可将其分为三类：①既能转录又能翻译的编码蛋白质的基因，它包括结构蛋白、蛋白酶、信号分子及转录因子等结构基因；②可转录但不翻译的基因，它包括tRNA、rRNA和micRNA等非编码RNA(non-codingRNA)的基因；③不转录的基因，主要包括对基因表达起调控作用的启动子、增强子、衰减子和绝缘子等。生物体内的基因按其自身的规律开启或关闭，基因开启后即可转录，合成各种RNA或进一步翻译出蛋白质，这一过程被称为基因表达(geneexpression)。一．基因的分子基础现代分子生物学研究已经证实DNA是遗传信息的主要载体，基因的化学本质就是一段DNA分子片段。DNA组成与结构一级结构碱基的排列顺序二级结构DNA的双螺旋形式高级结构DNA的超螺旋形式DNA的分子结构（一）核酸的分类90%以上分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。参与细胞内DNA遗传信息的表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。１.戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´

-D-呋喃核糖(ribose)（构成DNA）

-D-2-脱氧呋喃核糖(deoxyribose)2.碱基嘌呤(purine)嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)5´端3´端2.核苷酸的连接3’-5’磷酸二酯键CGA基因作为一个遗传功能单位，它所对应的一段核苷酸序列被称为顺反子（cistron）。显然，一个顺反子编码一种完整多肽链。因此，顺反子是一个功能单位。基因和顺反子这两个术语常被等同使用，但仔细分析，两者是有区别的：在原核细胞和低等真核细胞中，基因和顺反子是等价的；而在高等真核细胞中，由于基因中内含子的存在，此时顺反子等价于真核基因的外显子。二．基因的结构结构上，基因由多个不同的区域组成。无论是原核基因还是真核基因，都可划分为转录区和调控区两个基本组成部分。（1）转录区为从转录起始点至转录终止子的区域，其中，从5′端至3-端顺序排列依次为:5-端非翻译区(5'-UTR)、翻译起始密码(通常是AUG)、连续排列的密码子区(真核生物基因的该区域为可翻译的外显子和不可翻译的内含子间隔排列)、终止密码(UAA或UAG或UGA)、3′-端非翻译区(3'-UTR)。典型的编码蛋白质的原核基因结构示意图二．基因的结构结构上，基因由多个不同的区域组成。无论是原核基因还是真核基因，都可划分为转录区和调控区两个基本组成部分。（1）转录区为从转录起始点至转录终止子的区域，其中，从5′端至3-端顺序排列依次为:5-端非翻译区(5'-UTR)、翻译起始密码(通常是AUG)、连续排列的密码子区(真核生物基因的该区域为可翻译的外显子和不可翻译的内含子间隔排列)、终止密码(UAA或UAG或UGA)、3′-端非翻译区(3'-UTR)。（2）转录的调控区位于转录起始位点5上游，包含核心启动子、上游启动元件以及增强子等序列。启动子(promoter)，有时也称为核心启动子，是位于基因5′端非翻译区(5UTR)与转录起点上游紧邻的一段非转录序列，其功能是募集RNA聚合酶并令其识别和结合转录起点，启动基因的转录。典型的编码蛋白质的原核基因结构示意图启动子(promoter)，有时也称为核心启动子，是位于基因5′端非翻译区(5UTR)与转录起点上游紧邻的一段非转录序列，其功能是募集RNA聚合酶并令其识别和结合转录起点，启动基因的转录。终止子(terminator)，为基因3′-端非翻译区(3′UTR)与转录终点下游紧邻的一段非转录的核苷酸短序列，具有终止转录的功能，即一旦RNA聚合酶完全通过了基因的转录序列后，终止子可阻止RNA聚合酶继续向前移动并促使RNA聚合酶、DNA、RNA复合体的解体，释放出mRNA，使转录活动终止。典型的编码蛋白质的原核基因结构示意图其核生物基因结构更复杂一些，其编码序列往往是不连续排列的，由外显子(exon)和内含子(Intron)间隔排列。

典型的编码蛋白质的真核基因结构示意图真核生物基因结构更复杂一些，其编码序列往往是不连续排列的，由外显子(exon)和内含子(Intron)间隔排列。

（1）外显子是指基因内编码蛋白质的DNA序列或可被翻译的序列或与成熟mRNA对应的序列。（2）内含子是指基因内不编码蛋白质的DNA序列或可转录但不被翻译的序列或与成熟mRNA不对应的序列。三．原核生物基因结构与调控模式——操纵子(operon)

机制编码序列

启动序列

操纵序列

其他调节序列(promoter)(operator)由P序列、O序列和CAP结合位点共同构成lac操纵子的调控区，他们相互协调，共同控制着信息区中三个酶的编码基因的表达。I:lacI,represser；P:lacP,promoter；O:LacO

operator；CAP:cataboliteactivatorprotein)--分解代谢基因激活蛋白，又称为CRP(cAMPreceptorprotein).TheLacOperon四．真核生物基因结构与调控模式上游区域转录区域下游区域启动子(TATA盒)上游增强子起始点ATG有义链外显子外显子外显子内含子内含子终止子Poly(A)TAA下游增强子四．真核生物基因结构与调控模式1)顺式作用元件(cis-actingelement)BADNA编码序列转录起始点顺式作用元件或称顺式调控元件(cis-actingelements)，即指那些与结构基因表达调控相关、能够被调控蛋白特异性识别和结合的DNA序列，包括增强子、上游启动子元件、启动子、加尾信号和一些能与调节蛋白结合的应答元件等。

四．真核生物基因结构与调控模式2)反式作用因子(trans-actingelements)BADNA编码序列转录起始点一些蛋白质因子可通过与顺式作用元件结合调节基因转录，这些蛋白质因子称为反式作用因子(trans-actingelements)或转录因子。

四．真核生物基因结构与调控模式四．真核生物基因结构与调控模式（1）启动子（promoter）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上游，本身并不被转录。TATA盒（TATAbox）是主要的真核生物的启动子元件，它位于转录起始点上游-30bp处，几乎所有已发现的真核生物基因的启动子都有此序列。TATA盒与一种称为TATA因子的转录因子结合后即成为完整的启动子，精确地决定RNA合成的起始位点。四．真核生物基因结构与调控模式（1）启动子（promoter）真核生物中有三种不同的类型的启动子，分别由RNA聚合酶I、II、III进行转录，其中以II类启动子最为复杂。I类启动子，只控制rRNA前体基因的转录，转录产物经切割和加工后生成各种成熟rRNA。II类启动子，涉及众多编码蛋白质的基因表达的控制。III类启动子，涉及一些小分子RNA的转录。四．真核生物基因结构与调控模式（2）上游启动子元件（upstreampromoterelements）是TATA盒上游的一些特定的DNA序列。反式作用因子可与这些元件结合，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（转录起始因子与RNA聚合酶结合）来调控基因的转录效率。包括CAAT盒、CACA盒及GC盒等。四．真核生物基因结构与调控模式（3）反应元件（responseelements）又称应答元件，是一类能介导基因对细胞外的某种信号产生反应的DNA序列。反应元件都具有较短的保守序列。这些元件通常位于启动子附近和增强子内，如热休克反应元件（heatshockresponseelement，HSE）、糖皮质激素反应元件（glucocorticoidresponseelement，GRE）。四．真核生物基因结构与调控模式（3）反应元件（responseelements）四．真核生物基因结构与调控模式（4）增强子（enhancer）是一段DNA序列，其中含有多个能被反式作用因子识别与结合的顺式作用元件。反式作用因子与这些元件结合后能够调控（通常为增强）邻近基因的转录。增强子一般位于转录起始点上游-100～-300bp处，但在基因之外或某些内含子也有增强子序列。增强子主要通过改变DNA模板的螺旋结构，为DNA模板提供特定的局部微环境或为RNA聚合酶和反式作用因子提供一个与某些顺式元件联系的结构等方式发挥作用。四．真核生物基因结构与调控模式（4）增强子（enhancer）五．特殊结构与功能的基因五．特殊结构与功能的基因（1）转位基因转位基因，也称转位因子（transposableelements），是指可以从染色体基因组上的一个位置转移到另一个位置，甚至在不同的染色体之间跃迁的基因成分，因此有些文献形象地称之为跳跃基因（jumpinggenes）。五．特殊结构与功能的基因（1）转位基因原核生物的转位因子分三种不同的类型：插入序列：分子量小于2000bp转座子：大于2000bp可转座的噬菌体：如，噬菌体Mu和D108一般来说，按照转座方式的不同，可将转座子分为三大类：I型转座子（ClassIelements），II型转座子（ClassIIelements）以及Helitron转座子。I型转座子，为“复制-粘贴”型；II型转座子为“剪切-粘贴”型；

Helitrons

转座子，滚环（rollingcircle）的方式。五．特殊结构与功能的基因（2）假基因（pseudogene）假基因是多基因家族中的成员，因其碱基顺序发生缺失、倒位或点突变等失去活性，成为无功能基因，它们或者不能转录，或者转录后可合成无功能的异常多肽。假基因的4个显著特点：

①没有启动子，没有内含子；②具有与成熟mRNA相同的poly(A)尾序列；③两侧具有DNA插入后形成的“足迹”顺向重复序列；④随机出现在非正常的位置，故有人据此提出假基因并非来自真基因的突变，很可能与反转录病毒的感染有关。五．特殊结构与功能的基因（3）重叠基因（overlappinggenes）或称嵌套基因（nestedgenes），其基因的核苷酸序列是彼此重叠。不仅在细菌、噬菌体及病毒等低等生物基因组中存在有重叠基因，而且在些真核生物中还发现了不同于原核生物的其他类型的重叠基因。五．特殊结构与功能的基因（4）基因家族（genefamily）就是指核苷酸序列或编码产物的结构具有一定程度同源性的一组基因。主要有以下几种类型：

（1）核酸序列相同，即多拷贝基因。如rRNA基因，tRNA基因等。（2）核酸序列高度同源，如人类生长激素基因家族：人生长激素(hGH)、人胎盘促乳素(hCS)和催乳素(prolactin)。（3）编码产物具有同源功能区：如src癌基因家族，基因产物都含有250个氨基酸顺序的同源蛋白激酶结构域。五．特殊结构与功能的基因（4）编码产物具有小段保守基序：如DEAD盒基因家族的产物都具有解旋酶的功能，其结构特征是8个氨基酸序列，内含DEAD序列：Asp-Glu-Ala-Asp。（5）基因超家族（genesuperfamily）是指一组由多基因家族及单基因组成的更大的基因家族。它们可能起源于相同的祖先基因，但是它们的功能并不一定相同(区别于多基因家族）。第二节

基因组的结构与功能一、病毒基因组二、原核生物基因组三、真核生物基因组四、线粒体基因组五、人类基因组*基因组(genome)，是指在特定的细胞或生物体中，一套完整单倍体的遗传物质的总和，它包含了特定生物的全部遗传信息。一、病毒基因组的结构与功能特点1．病毒基因组的分子特征（1）不同病毒基因组大小相差较大300kb乙肝病毒（HBV）DNA为3.2

kb一、病毒基因组的结构与功能特点1．病毒基因组的分子特征（1）不同病毒基因组大小相差较大单股正链RNA病毒，基因组有30kb一、病毒基因组的结构与功能特点1．病毒基因组的分子特征（2）在分子种类和结构上，病毒基因组之间差别也很大，包括双链DNA（dsDNA）、单链DNA（ssDNA）、双链RNA（dsRNA）、正单链RNA（+ssRNA）、负单链RNA（-ssRNA）五种不同类型。乳头瘤病毒为闭环双链DNA腺病毒为线性双链DNA噬菌体M13为单链环状DNA呼肠孤病毒为双链RNA脊髓灰质炎病毒为单股正链RNA艾滋病病毒是逆转录病毒（正链RNA病毒）流感病毒为单股负链RNA一、病毒基因组的结构与功能特点1．病毒基因组的分子特征（3）病毒基因组有连续的也有不连续的流感病毒由8条单链RNA分子构成；呼肠孤病毒由10条双链RNA片段组成。一、病毒基因组的结构与功能特点2．病毒基因组的遗传与表达特征（1）主要为单倍体基因组，每个基因在病毒颗粒中只出现一次；（2）病毒基因组的大部分序列是用来编码蛋白质的，约占基因组的90%以上，只有很小的一部分不编码蛋白质；（3）病毒基因组中的基因构上有连续的和不连续的两种类型。一、病毒基因组的结构与功能特点3．病毒基因组的功能基因特征（1）相关基因丛集，功能相关的蛋白质基因往往聚集在基因组的一个或几个特定部位，形成一个功能单位或转录单元；（2）病毒基因组的大部分序列是用来编码蛋白质的，约占基因组的90%以上，只有很小的一部分不编码蛋白质；（3）病毒基因组中的基因构上有连续的和不连续的两种类型。一、病毒基因组的结构与功能特点3．病毒基因组的功能基因特征（1）相关基因丛集，功能相关的蛋白质基因往往聚集在基因组的一个或几个特定部位，形成一个功能单位或转录单元；一、病毒基因组的结构与功能特点3．病毒基因组的功能基因特征（2）基因重叠，有些病毒核酸分子很小，又需要装入尽可能多的基因，因此在进化过程中形成了重叠基因，即同一段核酸序列能够编码2种或2种以上蛋白质。一、病毒基因组的结构与功能特点3．病毒基因组的功能基因特征（3）病毒基因组含有不规则结构基因，主要类型有：①几个结构基因的编码区无间隔，而是连续的、不间断的。②mRNA没有5’-端的帽结构。③结构基因本身没有翻译起始序列。二、原核生物基因组的结构与功能特点1．原核基因组的编码序列特征原核生物基因的编码序列在基因组中约占50%，远大于真核生物基因组，但又少于病毒基因组；其基因的编码顺序不重叠，不存在病毒基因组特有的基因重叠现象。原核生物基因组中很少有重复序列，其结构基因多为单拷贝，只有编码rRNA的基因是多拷贝的。原核生物基因组内，执行同一代谢功能的相关结构基因通常串联排列，并以多顺反子的操纵子结构进行表达，基因内无内含子，因此转录后也不会发生选择性剪接事件。基因组中存在插入序列、转座子等可移动的DNA序列。二、原核生物基因组的结构与功能特点2．原核生物基因组的操纵子表达结构原核生物基因组具有操纵子的表达结构，操纵子由调控区和信息区组成。编码序列

启动序列

操纵序列

其他调节序列(promoter)(operator)三、真核生物基因组结构与功能的特点1．真核基因组结构庞大、复杂真核基因组远远大于原核生物的基因组，结构复杂，基因数庞大，具有许多复制起点。

哺乳类动物基因组DNA

约3×109

碱基对编码基因约有40000个，占总长的6%rDNA等重复基因约占5%~10%三、真核生物基因组结构与功能的特点2．真核生物基因组含有大量的重复序列真核生物基因组内非编码的序列占有绝大部分，其中含有大量重复顺序。非编码序列约占基因组的90%以上。三、真核生物基因组结构与功能的特点3．真核生物基因组的结构基因为单顺反子结构，存在选择性剪接。单顺反子结构（monocistron），即一分子mRNA只能翻译成一种蛋白质。大多数真核生物的结构基因具有内含子结构，是断裂基因，基因转录后的前体RNA还存在着选择性剪接。四、线粒体基因组一个细胞里有许多个线粒体，而且一个线粒体里也有几份基因组拷贝，所以一个细胞里也就有许多个线粒体基因组。真核细胞内存在两个遗传系统，一个在细胞核内，一个在细胞质内，各自合成一些蛋白质和基因产物，造成了细胞核和细胞质对遗传的相互作用；但是，核基因在生物体的遗传控制中仍起主宰作用。五、人类基因组1．人类基因组DNA的多态性DNA序列存在着多态性(polymorphism)，这种多态性可以分为两类，即DNA位点多态性和长度多态性。2．人类基因组的重复序列（1）反向重复序列，是指两个顺序相同的拷贝在DNA链上呈反向排列。人类基因组约含5%的反向重复序列，散布于整个基因组中，常见于基因组调控区内，可能与复制的调控有关。（2）串联重复序列（tandemrepeats）其特点是具有一个固定的重复单位，该重复单位头尾相连形成重复顺序片段，约占整个人类基因组的10%。第三节

基因的表达与调控1.基因表达的概念是指结构基因所包含的遗传信息，遵照“中心法则”通过转录生成RNA，以及转录后再经过翻译生成蛋白质的过程。*基因表达(geneexpression)基因表达是受调控的。2.基因表达的时间性及空间性（一）时间特异性(temporalspecificity)是指某一基因的表达遵循特定的时间顺序，按功能需要进行表达。（二）空间特异性基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cellortissuespecificity)。是指特定基因表达产物在同一个体不同组织细胞中的分布特点，也称为细胞特异性(cellspecificity)或组织特异性（tissuespecificity）。血管紧张素转化酶2（ACE2）ACE2是一种功能蛋白，在人体内的主要作用是作为肾素血管紧张素调节系统（RAS）的重要成员。其编码基因位于X染色体，ACE2最初被认为只在心脏、肾脏和睾丸中表达，后面发现在肺、大脑和消化道中也广泛表达。3.基因表达的方式（一）组成型表达在机体生长、发育过中，有些基因在几乎所有细胞中持续地表达，这类属于基础或组成型表达(constitutiveexpression)的基因，又被称为看家基因(housekeepinggene)。（二）诱导和阻遏表达有些基因随细胞种类的不同及环境条件的变化而被诱导开启和关闭，这类基因属可诱导(或可阻遏)基因，其表达受诱导物(或阻遏物)调控。可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导(induction)。

如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏(repression)。4.基因表达调控的生物学意义（一）适应环境、维持生长和增殖（二）维持个体发育与分化一、基因表达调控的基本原理（一）基因表达的多级调控基因激活转录起始转录后加工mRNA降解蛋白质降解等蛋白质翻译翻译后加工修饰基因水平转录水平转录后水平翻译水平翻译后水平一、基因表达调控的基本原理1．特异DNA序列对基因表达的影响转录起始环节的调控始终是调控中最重要、最基础的调控点之一。原核生物

蛋白质因子——操纵子(operon)

机制特异DNA序列编码序列

启动序列

操纵序列

其他调节序列(promoter)(operator)是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。1)

启动序列RNA转录起始-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACATATAAT共有序列共有序列(consensussequence)

决定启动序列的转录活性大小。某些特异因子（蛋白质）决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。2

操纵序列

——阻遏蛋白(repressor)的结合位点当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动，阻碍转录。启动序列编码序列操纵序列pol阻遏蛋白3)其他调节序列、调节蛋白例如：激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性。有些基因在没有激活蛋白存在时，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。DNA上的特定调控序列可以与相应的调控蛋白结合。这些蛋白质在真核生物中统称为转录因子(transcriptionfactor，TF)。在原核生物中，这些蛋白质依其作用性质分为阻遏蛋白(repressor)、激活蛋白(activator)和特异因子。真核生物中的转录因子以反式作用方式与顺式作用元件结合，调节转录活性，所以这些因子也称为反式作用因子(trans-actingfactor)。（二）DNA与蛋白质之间的相互作用一、基因表达调控的基本原理上述这种DNA-蛋白质之间的结合通常是以非共价键的形式，通过蛋白质分子中具有特殊结构的功能域与DNA分子双螺旋结构中的大沟结合，调节基因的转录。这些功能域常见的结构特征有如下两种。(1)螺旋-转角-螺旋（helix-turn-helix）这种结构模式具有两个较短的α螺旋片段，它们之间有β转角结构联系。一个α螺旋被认为是对顺式元件的识别螺旋，含有较多能与DNA相互作用的氨基酸残基，此螺旋进入DNA双螺旋结构的大沟。一、基因表达调控的基本原理上述这种DNA-蛋白质之间的结合通常是以非共价键的形式，通过蛋白质分子中具有特殊结构的功能域与DNA分子双螺旋结构中的大沟结合，调节基因的转录。这些功能域常见的结构特征有如下两种。(1)螺旋-转角-螺旋（helix-turn-helix）这种结构模式具有两个较短的α螺旋片段，它们之间有β转角结构联系。一个α螺旋被认为是对顺式元件的识别螺旋，含有较多能与DNA相互作用的氨基酸残基，此螺旋进入DNA双螺旋结构的大沟。(2)锌指结构含有约30个氨基酸残基，其中4个氨基酸残基（两个是半脱氨酸两个是组氨酸，或4个都是半脱氨酸）以配位键与Zn2+相互作用。锌指能与DNA双螺旋大沟结合。一、基因表达调控的基本原理不同的调节蛋白也可以异源多聚体形式相互结合后，再与DNA的顺式作用因子结合，调节基因转录，这在真核生物中较为常见。典型结构特征有亮氨酸拉链(leucinezippers)和螺旋-环螺旋(helix-loop-helix)结构。（三）蛋白质之间的相互作用一、基因表达调控的基本原理酵母双杂交系统（三）蛋白质之间的相互作用一、基因表达调控的基本原理二、原核生物的基因表达调控（一）基因表达的多级调控基因激活转录起始转录后加工mRNA降解蛋白质降解等蛋白质翻译翻译后加工修饰基因水平转录水平转录后水平翻译水平翻译后水平二、原核生物的基因表达调控——调节的主要环节在转录起始（一）原核基因转录调节1.σ因子决定RNA聚合酶识别特异性2.操纵子模型的普遍性3.阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性特点：二、原核生物的基因表达调控——调节的主要环节在转录起始（一）原核基因转录调节1.σ因子决定RNA聚合酶识别特异性2.操纵子模型的普遍性3.阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性特点：乳糖操纵子调节机制1.乳糖操纵子(lacoperon)的结构

调控区CAP结合位点启动序列操纵序列

结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透过酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNAmRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时2.阻遏蛋白的负性调节阻遏基因mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时3.CAP的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPmRNA低半乳糖时高半乳糖时

葡萄糖低cAMP浓度高

葡萄糖高cAMP浓度低RNA-polOOOO4.协调调节

※

当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；

※

如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏(catabolicrepression)。

其他转录调节机制1.色氨酸操纵子的转录衰减调控TrpTrp高时Trp缺乏时mRNAOPtrpR调节区结构基因RNA聚合酶RNA聚合酶其他转录调节机制1.色氨酸操纵子的转录衰减调控色氨酸操纵子UUUU……UUUU……调节区结构基因trpROP前导序列衰减子区域UUUU……前导mRNA1234衰减子结构

形成发夹结构能力强弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4UUUU……UUUU……34UUUU3’34核糖体前导肽前导mRNA1.当色氨酸浓度低时转录衰减机制125’trp密码子衰减子结构就是终止子可使转录前导DNAUUUU3’RNA聚合酶终止UUUU……342423UUUU……核糖体前导肽前导mRNA15’trp密码子

结构基因前导DNARNA聚合酶2.当色氨酸缺乏时Trp合成酶系相关结构基因被转录序列3、4不能形成衰减子结构2.沙门菌基因重组调控H2鞭毛素

阻遏蛋白

倒位酶转位片段hinH2IH1H1鞭毛素hinH2IDNA启动序列H1启动序列3.SOS反应

SOS基因紫外线激活RecALexA阻遏蛋白

与DNA损伤修复有关的酶和蛋白质基因表达LexA阻遏蛋白操纵序列DNA二、原核生物的基因表达调控（二）原核基因翻译水平的调控调控作用包括：①SD序列对翻译的影响；②mRNA的稳定性；③翻译产物对翻译的影响。原核生物mRNA的5’端起始密码子AUG的上游3～10碱基处有一个核糖体结合位点，依发现者的名字命名为Shine-Da1garno序列，简称SD序列。SD顺序富含嘌呤核苷酸，能与核糖体小亚基的16srRNA3’末端富含嘧啶的序列互补，而使核糖体与mRNA结合，将起始密码子定位在核糖体的P位。SD序列对翻译的影响——与翻译起始有关SD序列对翻译的影响——与翻译起始有关原核生物细胞mRNA通常是不稳定的，极易被降解。如E．coli的许多mRNA在37℃时条件下的平均半衰期大约为2分钟。mRNA的快速降解使得许多蛋白质翻译的模板在几分钟内就被全部替换，这意味着，诱导基因表达的因素一旦消失，蛋白质的合成就会迅速停止。

因此，原核生物基因表达调控的主要环节在转录水平，通过mRNA迅速合成、迅速降解，来对环境变化做出快速反应进而做出快速应答。mRNA的稳定性有些mRNA编码的蛋白质，本身就是在蛋白质翻译过程中发挥作用的因子。这些因子可对自身的翻译产生调控作用。如：原核生物中的起始因子3（IF-3），当它合成过多时，能有效地校正和抑制其自身的起始密码子与起始tRNA的配对而抑制翻译的起始。另外还有核糖体蛋白、翻译终止因子等均可影响翻译过程。翻译产物对翻译的影响三、真核生物的基因表达调控（一）基因表达的多级调控基因激活转录起始转录后加工mRNA降解蛋白质降解等蛋白质翻译翻译后加工修饰基因水平转录水平转录后水平翻译水平翻译后水平真核生物基因表达调控与原核生物的区别至少在4个方面不同：①转录激活与转录区染色质特定结构相关联；②以更加灵活、经济、便捷的正控制调节方式为主；③转录与翻译在时间与空间上是的分离的；④有更多、更复杂的调控蛋白参与调控过程。三、真核生物的基因表达调控染色质（chromatin）结构影响基因表达是真核生物基因的特有现象。真核生物基因通常与组蛋白结合成核小体结构，经高度螺旋压缩成的染色质储存于细胞核内，维持基因组稳定性，保护DNA免受损伤，关闭基因的转录。去除组蛋白后，染色质松弛，核小体解体，基因转录开启。转录较为活跃的区域，组蛋白相对缺乏，对核酸酶（DNaseⅠ）高度敏感，出现DNaseⅠ超敏位点。（1）染色质结构对基因表达的调控作用1.DNA水平的调控三、真核生物的基因表达调控组蛋白在维持染色质结构、调节基因表达中发挥重要作用。（1）染色质结构对基因表达的调控作用1.DNA水平的调控三、真核生物的基因表达调控（2）基因修饰在真核生物基因表达中，甲基化起着重要作用。DNA中的胞嘧啶经甲基化成为5甲基胞嘧啶（m5C），常出现在基因5’端侧翼序列的CG富含区。基因的甲基化与基因的表达负相关。因此，转录活性高的基因CG富含区中甲基化程度一般较低。甲基化影响基因表达的机制，一般认为影响DNA与转录因子的结合，使基因不能转录或阻止转录复合物的形成。1.DNA水平的调控基因重排（generearangement）是指某些基因片段改变原有的序列，通过调整有关基因片段的衔接序列，重新组成一个完整的转录单位。免疫球蛋白分子就是由许多基因片段进行重排和拼接加工的产物。通过不同的组合方式可以形成约108种不同的免疫球蛋白分子，这也是免疫球蛋白分子的多样性的分子生物学基础。基因重排是DNA水平调控的重要方式之一。三、真核生物的基因表达调控（3）基因重排1.DNA水平的调控细胞在发育分化或环境改变时，由于对某种基因产物的需要量剧增，单纯靠调节其表达活性不足以满足需要时，常通过基因扩增（geneampification）的调节方式来增加这种基因的拷贝数，满足需要。三、真核生物的基因表达调控1.DNA水平的调控（4）基因扩增转录水平的调控是真核生物基因表达调控中最重要的环节，主要调控环节是转录起始。调控方式主要是通过反式作用因子、顺式作用元件和RNA聚合酶相互作用来完成。三、真核生物的基因表达调控2.转录水平的调节反式作用因子的激活通过以下几种方式进行。三、真核生物的基因表达调控2.转录水平的调节（1）反式作用因子调节转录起始①表达式调节；②反式作用因子的共价修饰；③配体结合；④蛋白质-蛋白质复合物的形成与解离。三、真核生物的基因表达