第01章-基因课件

第01章基因第一节基因的基本概念及基因的结构特点第二节结构基因中贮存的遗传信息第三节基因结构变异及其与疾病的关系2024/1/62第一节基因的基本概念及基因的结构特点一、基因的研究简史二、基因的现代分子生物学概念三、核酸是遗传信息的载体四、基因的结构特点2024/1/63一、基因的研究简史

●1909年W.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”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2024/1/64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，基因的颗粒性主要表现在世代相传的行为和功能表达上具有相对的独立性基因的现代生物学概念二、基因的概念2024/1/65

基因是核酸分子中贮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，是指贮存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需的全部核苷酸序列。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。基因的现代分子生物学概念ageneistheentireDNAsequencerequiredforsynthesisofafunctionalproteinorRNAmolecule2024/1/66

大肠杆菌50%病毒95%真核生物5%~10%基因在基因组中的数量2024/1/67

大约2~2.5万个基因

↙

↘

20%编码蛋白质80%编码RNA

↓90%基因属于看家基因（housekeeping)10%基因属于组织细胞特异基因

（luxurygene，induciblegene)人的基因组2024/1/68●一级结构（primarystructure）

指DNA分子中核苷酸的排列顺序

●二级结构（secondarystructure）

指两条DNA单链形成的双螺旋结构●三级结构（tertiarystructure）

指双链DNA进一步扭曲盘旋形成的超螺旋结构

1.DNA三、核酸是遗传信息的载体2024/1/69DNA的一级结构形成特点

●组成4种脱氧核糖核苷酸(dAMP、dGMP、dCMP、dTMP)

●连接方式

以3‘,5’-磷酸二酯键相连

●形态

以4种脱氧核糖核苷酸排列为特定的多核苷酸长链

2024/1/610DNA的结构端端核苷酸2024/1/611DNA双螺旋结构结构的多样性2024/1/612AGP5

PTPGPCPTPOH3

DNA书写方法5

pApCpTpGpCpT-OH

3

5

ACTGCT

3

2024/1/613DNA携带的遗传信息

●调控信息

特定的DNA区段,与蛋白质分子的识别、结合、

控制基因复制和基因表达等有关●结构信息

DNA→RNA→蛋白质2024/1/6142.RNA

●组成4种核糖核苷酸（AMP、GMP、CMP、UMP）

●连接方式

以3‘,5’-磷酸二酯键相连

●形态

以4种核糖核苷酸排列为特定的多核苷酸链RNA的一级结构特点2024/1/615RNA的种类、分布、功能核蛋白体RNA信使RNA转运RNA核内不均一RNA核内小RNA胞浆小RNA细胞核和胞液线粒体功能

rRNAmRNAmtrRNAtRNAmttRNAmtRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA

核蛋白体组分蛋白质合成模板转运氨基酸成熟mRNA的前体

参与hnRNA的剪接、转运

rRNA的加工、修饰

蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分核仁小RNA2024/1/616(一)结构基因●定义

在基因片段中，贮存着一个特定的转录RNA分子的DNA序列，这段序列决定该RNA分子的一级结构，就称为结构基因

四、基因的结构特点●组成一个编码特定多肽链的DNA序列+与蛋白质编码无关的DNA序列(调控序列)2024/1/6172024/1/618●

结构特点

1.原核生物结构基因的特点

结构基因在DNA上是连续的2.真核生物结构基因的特点

结构基因在DNA上是不连续的（断裂基因）有的是连续的，有的是间断的,取决于其能够侵染的宿主

3.病毒结构基因的特点2024/1/619真核生物结构基因2024/1/620

●外显子（exon）指结构基因中与成熟RNA分子中的保留序列相对应的序列

●内含子（intron）

指与RNA分子剪接时删除部分相对应的结构基因序列2024/1/621定义:与转录相关的、结构基因以外的序列(二)基因的转录调控序列

●

原核生物基因的转录调控序列

1.启动子（promoter）

是RNA聚合酶特异性识别和结合的DNA序列。位于结构基因转录起始点的上游，启动子本身并不被转录2024/1/622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σ因子识别并结合在－35bp区和－10bp区

2024/1/623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2.终止子2024/1/624

3.操纵元件（operator）操纵元件是被阻遏蛋白识别与结合的一小段DNA序列(阻遏蛋白与操纵元件结合后抑制下游结构基因的转录)2024/1/625操纵元件位于－7bp至＋28bp区2024/1/626

4.正调控蛋白结合位点

在弱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，该蛋白可与RNA聚合酶作用，促进转录的启动。这种DNA序列就是正调控蛋白结合位点2024/1/627启动子的上游有CAP蛋白识别位点，CAP被cAMP激活后，能够结合于该识别位点，激活下游结构基因的转录

2024/1/628

●真核生物的转录调控序列与转录调控有关的DNA序列称为顺式作用元件（cis-actingelements）。包括启动子、上游启动子元件、增强子、加尾信号和一些反应元件等2024/1/629

1.启动子RNA聚合酶特异性识别和结合的DNA序列。多数位于结构基因转录起始点的上游，启动子本身不被转录。但有一些启动子（如tRNA启动子）可以位于转录起始点的下游，这些DNA序列可以被转录2024/1/630RNA聚合酶转录因子启动子类型启动子构成含有该类启动子的基因

ITFII核心元件，上游调控元件rRNA

IITFIIIITATA盒（TATAbox）、几个上游启动子元件和转录起始位点mRNA

IIITFIIIIIIA盒和B盒,转录起始点SrRNAtRNA等

真核生物RNA聚合酶及其对应的转录因子、启动子类型2024/1/6312.上游启动子元件

指TATA盒上游的一些特定的DNA序列

（1）与TATA盒共同组成启动子（2）是反式作用因子（转录激活蛋白）识别与结合的位点

2024/1/632

CAAT盒：含有5‘GGNCAATCT3’核心序列－80bp～－90bp

CACA盒:含有5‘GCCACACCC3’核心序列－80bp～－90bp(大多数真核生物基因具有)

GC盒:含有5‘CCGCC3’核心序列－70bp和－120bp(组成型基因具有)●

常见的上游启动子元件2024/1/6333.增强子(enhancer）

是一种较短的DNA序列，能够被反式作用因子识别与结合。与增强子元件结合后能够增强邻近基因转录。位于转录起始点上游－100～－300bp处

2024/1/6344.反应元件

一类能介导基因对细胞外的某种信号产生反应的特异的DNA序列

●特点

具有较短的保守序列

通常位于启动子附近、启动子内或增强子区域2024/1/6355.poly(A)信号

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。由AATAAA序列和GT丰富区，或T丰富区组成。

作用:终止mRNA转录和为其加上poly(A)尾2024/1/636(三)基因的基本结构特点1.原核生物基因的基本结构

5′-启动子－结构基因－转录终止子-3′

●操纵子（operon）

功能上相关联的数个结构基因串联在一起，由一套转录调控序列控制其转录，构成的基因表达单位.

2024/1/637

操纵子转录出的RNA为多顺反子(多个结构基因)

2024/1/638●组成

一个结构基因+转录调控序列●特点

mRNA多是单顺反子（monocistron）●例外rRNA基因结构是多顺反子2.真核生物基因的基本结构2024/1/639转录调控序列2024/1/6403.病毒基因的基本结构

●

特点

●

很小(和真核基因相比)

●

一般没有内含子

●

调控序列较少

●有不规则基因2024/1/641第二节结构基因中贮存的遗传信息一、RNA的结构信息二、结构基因中贮存的蛋白质序列信息2024/1/642

●编码区

一个特定蛋白质多肽链的序列信息，也称为开放阅读框（openreadingframe，ORF）

功能决定蛋白质分子的一级结构1．mRNA（1）一般结构2024/1/643●非编码区

开放阅读框的5′端上游和3′’端下游的核苷酸序列,也称为非翻译区（untranslatedregion,UTR）

功能

参与翻译起始调控2024/1/644*mRNA结构特点1.大多数真核mRNA的5´末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C´2也是甲基化的，形成帽子结构：m7GpppNm-2.大多数真核mRNA的3´末端有一个多聚腺苷酸（polyA）结构，称为多聚A尾。帽子结构AAA-OH3

2024/1/645（2）功能

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2024/1/646原核生物与真核生物mRNA结构的比较

顺反子5′端帽子结构3′多聚腺苷酸尾原核生物多顺反子无无真核生物单顺反子有有2024/1/6472.tRNA

●结构特点

含有很多稀有碱基或修饰碱基3′端是CCA-OH，连接激活的氨基酸含有7个碱基组成的一个反密码环

●功能

在蛋白质生物合成时运输氨基酸2024/1/648N,N二甲基鸟嘌呤N6-异戊烯腺嘌呤双氢尿嘧啶4-巯尿嘧啶

稀有碱基

2024/1/649起始tRNA

识别翻译起始信号，并结合到核蛋白体的肽位（P位）上。

原核细胞的起始tRNA为tRNAfmet真核生物的起始tRNA是tRNAimet

注意2024/1/6503.rRNA

原核生物核蛋白体

30S小亚基:含16S的rRNA和21种蛋白质

50S大亚基:含两种rRNA（23S和5S）及34种蛋白质

2024/1/651真核生物核蛋白体

40S小亚基:含18SrRNA及33种蛋白质

60S大亚基:含有3种rRNA（28S、5.8S、5S）及45种蛋白质。

2024/1/652核蛋白体的组成原核生物（以大肠杆菌为例）真核生物（以小鼠肝为例）小亚基30S40SrRNA16S1542个核苷酸18S1874个核苷酸蛋白质21种占总重量的40%33种占总重量的50%大亚基50S60SrRNA23S5S2940个核苷酸120个核苷酸28S5.85S5S4718个核苷酸160个核苷酸120个核苷酸蛋白质31种占总重量的30%49种占总重量的35%2024/1/653

●介导rRNA与mRNA的结合

●rRNA与核蛋白体蛋白的结合

●rRNA与tRNA的相互识别和相互作用核蛋白体功能2024/1/6544.小分子RNA

●核内小分子RNA（smallnuclearRNA，SnRNA）

真核细胞核内的一组小分子RNA

▲特点

300个碱基以下序列中尿嘧啶含量较高，故用U命名(U1～U10)

▲功能

参与mRNA的剪接、加工U3与rRNA加工有关2024/1/655●反义RNA属小分子RNA,其碱基序列正好与mRNA互补，从而可与mRNA配对结合形成双链，抑制mRNA作为模板进行翻译。是一种新的基因表达的调控机制2024/1/6565.核酶（ribozyme）

是一类具有催化活力的RNA

功能

主要参与RNA的加工和成熟应用

剪切、破坏特定的RNA分子，如切割RNA的基因组或癌基因的mRNA等，达到治疗疾病的目的2024/1/657二、结构基因中贮存的蛋白质序列信息1.遗传密码

在mRNA分子中蛋白质序列编码区内，每3个核酸组成一个密码子（codon），编码多肽链上的一个氨基酸。mRNA中的4种核苷酸通过不同排列组合，可组成64个密码子，其中有3个是终止密码子2024/1/6582.遗传密码的意义

决定蛋白质的一级结构（primarystructure）

3.结构基因的遗传信息决定蛋白质的结构与功能蛋白质一级结构决定空间结构，而蛋白质的一级结构是由结构基因中的遗传密码决定的2024/1/659第三节基因结构变异及其与疾病的关系一、基因突变机制二、基因突变类型三、基因变异与蛋白质的活性改变的关系四、基因突变与疾病的关系

2024/1/660一、基因突变机制

●自发突变（spontaneousmutation）