遗传物质的性质结构与功能

关于遗传物质的性质结构与功能遗传的细胞学基础原核生物和真核生物、细胞的结构和功能：染色体－遗传物质的载体第2页,共161页，星期六，2024年，5月

因为遗传物质是通过表达多种多样的蛋白质实现其功能的，而早期人们错误地认为遗传物质的结构必然与其表达的蛋白质的结构同样复杂，所以在很长一段时间内人们认为，只有蛋白质才具有足够的多样性来确定其它的蛋白质，直到人们意识到遗传物质携带的是以密码形式存在并确定蛋白质的遗传信息时，才抛弃了这个错误的看法。遗传物质是蛋白质？第3页,共161页，星期六，2024年，5月遗传物质必须具有以下特性：（1）贮存并表达遗传信息；（2）能把遗传信息传递给子代；（3）物理和化学性质稳定；（4）有遗传变化的能力。DNA具有上述特性，适合作为遗传物质遗传物质是什么呢？第4页,共161页，星期六，2024年，5月遗传的物质基础遗传物质的本质一、DNA是遗传物质1.核酸是遗传信息的载体2.核酸的发现1968年，瑞士科学家F.Miescher从外科绷带上的脓细胞核中首次分离到。第一节核酸是遗传物质第5页,共161页，星期六，2024年，5月FriedrichMiescher

1879pictureofthelaboratorywhereMiescherisolatednuclein.ThelabwasrunbyFelixHoppe-Seyler,andlocatedinthevaultsofanoldcastle.

F.Miescher从外科绷带上脓细胞的细胞核中分离出了一种有机物质，它的含磷量之高超过任何当时已经发现的有机化合物，并且有很强的酸性。由于这种物质是从细胞核中分离出来的，当时就称它为核素(nuclein)。Miescher所分离到的核素就是我们今天所指的脱氧核糖核蛋白。第6页,共161页，星期六，2024年，5月3.证明DNA是遗传物质的两个实验(1)肺炎球菌转化实验1928年Griffith(2)噬菌体感染实验1944年Avery第7页,共161页，星期六，2024年，5月4.1950年以前，流行四核苷酸结构学说，认为核酸分子由等摩尔的4种核苷酸组成，因此核酸不大可能有重要功能。仍认为蛋白质是转化因子。5.1950年以后，Chargaff、Markham等应用纸层析及分光光度法测定各种生物DNA碱基组成，认为A=T，G=C，提示了A-T、G-C之间的互补关系。6.1953年DNA双螺旋结构模型的提出,解释了DNA怎样携带遗传信息,为分子遗传学的研究奠定了基础。第8页,共161页，星期六，2024年，5月遗传的物质基础遗传物质的本质一、DNA是遗传物质二、RNA也可以作为遗传物质

1.RNA病毒以RNA作为遗传物质

2.类病毒以RNA作为遗传物质三、核酸以外的其他遗传物质

引起羊搔痒病、库鲁病、克-雅氏病和疯牛病的感染性粒子是蛋白质。这种蛋白质样的感染性粒子称为朊病毒(prion)。第9页,共161页，星期六，2024年，5月第二节核酸的结构（StructureofNucleicAcid）一、DNA的结构核酸中核苷酸的排列顺序即称碱基序列。（一）DNA的一级结构MolBiologyDNA一级结构的不同是物种差异的根本原因。第10页,共161页，星期六，2024年，5月5′端3′端CGA核苷酸的连接核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。第11页,共161页，星期六，2024年，5月核酸的组成分子

分子组成——碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱——戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖——磷酸(phosphate)碱基戊糖

磷酸核酸酶核酸DNARNA核苷酸(ribonucleoside)第12页,共161页，星期六，2024年，5月AGP5

PTPGPCPTPOH3

书写方法5

pApCpTpGpCpT-OH

3

5

ACTGCT

3

第13页,共161页，星期六，2024年，5月（二）DNA的二级结构

——双螺旋模型DNA的二级结构是指两条脱氧多核苷酸链反向平行盘绕所形成的双螺旋结构。第14页,共161页，星期六，2024年，5月1、DNA双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）DNA分子由两条反向平行的右手双螺旋的脱氧多核苷酸链组成，两链以-脱氧核糖-磷酸-为骨架排列在外侧，绕同一公共轴盘旋。螺旋直径为2nm，形成了相间的大沟(majorgroove)及小沟(minorgroove)

。第15页,共161页，星期六，2024年，5月DNA双螺旋结构模型要点

（Watson,Crick,1953）碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键互补配对（A=T;G

C）。相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。第16页,共161页，星期六，2024年，5月DNA双螺旋结构模型要点

（Watson,Crick,1953）氢键维持双链横向稳定性.碱基堆积力维持双链纵向稳定性。对双螺旋的稳定由为重要.第17页,共161页，星期六，2024年，5月2、DNA双螺旋结构的多样性第18页,共161页，星期六，2024年，5月DNA双螺旋结构不同构型的意义：由于双螺旋结构的不同构型，引起螺旋表面结构的改变，进而影响其生物学功能。如：

B型DNA表面有大沟和小沟；

A型DNA也有两个沟；

Z型DNA仅有一个很深很窄的沟。DNA双螺旋的这种表面结构有助于DNA结合蛋白识别并结合特定的DNA序列。而这种表面构型的变化对于基因组DNA与其DNA结合蛋白的特异性相互作用具有重要的意义。第19页,共161页，星期六，2024年，5月（三）DNA的拓扑结构DNA的拓扑结构超螺旋结构(superhelix或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。主要指正超螺旋(positivesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同负超螺旋(negativesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反第20页,共161页，星期六，2024年，5月①超螺旋DNA比松弛型DNA更紧密，使DNA分子体积变得更小，对其在细胞的包装过程更为有利。

人每条染色体的平均长度约5cm，而细胞核的直径仅约5μm，所以DNA分子压缩近万倍。②超螺旋能影响双螺旋的解链程序，因而影响DNA分子与其它分子（如酶、蛋白质）之间的相互作用。对基因表达的调控有重要意义。

超螺旋结构的生物学意义：DNA拓扑异构体的相互转化由拓扑异构酶（Ⅰ型和Ⅱ型）催化完成。第21页,共161页，星期六，2024年，5月（四）DNA的四级结构真核生物中核酸与蛋白质相互作用形成的核糖体、剪接体，即可看成核酸的四级结构。另外DNA缠绕组蛋白构成核小体。第22页,共161页，星期六，2024年，5月二、RNA的结构

（StructureofRNA）第23页,共161页，星期六，2024年，5月RNA的种类、分布、功能第24页,共161页，星期六，2024年，5月RNA单链结构环状结构（loop）局部双螺旋结构三级结构折叠分子伴侣

生物活性分子具有催化活性的RNA称为核酶。第25页,共161页，星期六，2024年，5月第三节基因与基因组一、基因概念的历史演变1.基因概念Gene2.表型与基因型phenotype&genotype3.基因突变mutation、突变体mutant与野生型wildtype

基因突变是指基因发生的可遗传的变异。携带突变基因的生物体叫突变体。携带正常基因的生物体叫野生型。4.孟德尔使用遗传粒子描述基因,并总结了两条基本遗传定律:即遗传因子的分离定律和自由组合定律第26页,共161页，星期六，2024年，5月孟德尔及所使用的实验材料-豌豆和性状GregorMendel,AustrianMonk(奥地利和尚)Mendel对豌豆等植物杂交实验研究后提出基因是颗粒状的分散的独立遗传因子，可以从亲代忠实地传递给子代。1865年发表论文，在论文中确立了两条基本遗传学定律：遗传因子的分离定律和自由组合定律。遗传因子的分离定律:控制性状的一对等位基因在产生配子时彼此分离，并独立地分配到不同的性细胞中。自由组合定律：在配子形成时各对等位基因彼此分离后，独立自由地组合到配子中。第27页,共161页，星期六，2024年，5月5.1909年丹麦遗传学家约翰逊(Johannsen)首次使用基因术语一、基因概念的历史演变ThewordGenewascoinedin1909byWilhelmjohannsentodescribethe“fundamentalunitofinheritance”第28页,共161页，星期六，2024年，5月6.摩尔根1910的果蝇突变体实验确定基因在染色体上一、基因概念的历史演变果蝇(FruitFly),Drosophilamelanogaster,(SEMX60).

第29页,共161页，星期六，2024年，5月1941年Beade和Tatum提出“一个基因一个酶”学说,后到1957年被Ingram的实验证明,镰刀状贫血的病因是编码血红蛋基因发生了突变,证实了此学说,,并修证为:“一个基因一条多肽链”。8.顺反互补测验中确定的一个顺反子(不可分割的遗传单位)在本质上与一个基因相同,可编码一条多肽链.第30页,共161页，星期六，2024年，5月在遗传学上，可用顺反子的概念来表示基因。当两个突变具有相同的表型效应而且其遗传图距很接近时，它们既可能属于一个基因，也可能位于不同的基因上。互补实验可精确确定两个突变间的关系，确定是同一基因还是不同基因。互补实验确定两个突变是否一个基因的原理当两个纯合的亲代突变体杂交时，产生的杂合子后代将遗传两个亲本的突变。如果两个突变位于同一个基因上，杂合子中就不存在野生型的基因，所以具有突变的表型；如果突变位于不同的基因上，在杂合子的每条染色体上相邻的两个基因中，将有一个基因是野生型而另一个基因是突变型，即在杂合子中每个基因都有一个野生型拷贝，因此杂合子表现为野生型的表型，两个基因之间的这种关系称为互补。杂合子有顺式构型和反式构型两种顺式构型两个突变位于同一条染色体上反式构型两个突变分别位于同源的两条染色体两种构型的相对效果取决于两个突变是否位于同一个基因上。当突变位于同一个基因上时，杂合子的表型取决于构型。反式构型中基因在两条同源染色体都有突变，因此表型是突变体。在顺式构型中，一条染色体的基因上有两处突变，而另一条染色体上的基因正常，因此表型是野生型。而当两个突变位于不同的基因上时，表型与杂合子的构型无关。两种情况下，两种基因都有一个野生型的拷贝，表型是野生型。第31页,共161页，星期六，2024年，5月二、DNA与基因基因是遗传的基本单位,是染色体上的一段DNA序列2.突变的分子基础是DNA序列发生变化，相应地导致蛋白质氨基酸序列改变，使蛋白质的生物功能产生变化。3.基因中DNA序列并不直接翻译成蛋白质，而是通过产生信使RNA(mRNA）来合成蛋白质。DNA以其中的一条链为模板转录出mRNA，与mRNA序列相同的链称为信息链（Sensestrand)。

DNA分子中除了编码区外，还含有调控区和间隔序列。除了编码蛋白质的基因，还有最终产物是RNA的基因。6.有些DNA序列具有可移动性，不但可以在染色体上移动，而且还可以从一个染色体上跳到另一个染色体上。这些可以自由移动的DNA序列称为转座子。第32页,共161页，星期六，2024年，5月三、真核生物的割裂基因1、割裂基因的发现(1)割裂基因splitgene

是指基因的编码序列在DNA分子上不是连接排列的，而是被不编码的序列所隔开。(2)割裂基因DNA序列分类分为外显子exon和内含子intron。外显子是基因中编码的序列，是基因中对应于mRNA序列的区域。内含子是不编码的序列，是从mRNA中消失的区域。(3)割裂基因的证据通过对DNA和相应的mRNA进行杂交,杂交后用电镜进行观察,如果基因中含有内含子,在所形成的RNA-DNA杂交双链的某一部位就会出现不能配对的单链环。(4)割裂基因转录后经剪接除去内含子

第33页,共161页，星期六，2024年，5月第34页,共161页，星期六，2024年，5月第35页,共161页，星期六，2024年，5月2、割裂基因的分布分布于各种核基因中编码蛋白质的核基因、编码rRNA的核基因，以及编码tRNA的核基因存在割裂基因。分布于低等真核生物的线粒体及叶绿体基因中某些原核生物如古细菌和大肠杆菌的噬菌体中也存在割裂基因。真细菌中不存在割裂基因。真核基因不一定都是割裂基因，真核生物也有一些结构基因不含内含子，如组蛋白基因和干扰素基因都没有内含子。第36页,共161页，星期六，2024年，5月3、割裂基因的性质割裂基因的外显子在基因中的排列顺序与在成熟mRNA产物中的排列顺序相同特定的割裂基因在所有组织中都有相同的内含子成分核基因的内含子通常在所有的可读框中都含有无义密码子，因此一般没有编码功能。内含子上发生的突变不影响蛋白质的结构，所以内含子突变一般对生物体没有影响。但一些发生在内含子上的突变可通过抑制外显子的相互剪接阻止mRNA的产生。割裂基因在进化过程中，内含子比外显子变化更快。第37页,共161页，星期六，2024年，5月四、基因大小由于割裂基因的存在，基因比实际编码蛋白质所需的序列要大很多。外显子的大小与基因的大小没有必然的联系。在整个基因中，编码蛋白质的外显子占很小的比例。一个外显子编码的氨基酸数一般小于100。基因的大小取决于它所包含的内含子的长度。内含子通常比外显子大很多。各种内含子大小差异很大，大小在200bp到10kb之间，有的甚至达50至60kb。第38页,共161页，星期六，2024年，5月第39页,共161页，星期六，2024年，5月由于基因的大小取决于内含子的长度和数目，导致低等真核生物较高等生物的基因大小差异很大。大多数酵母基因小于2kb，很少超过5kb。蝇类和哺乳动物基因很少小于2kb,大多数长度在5-100kb之间。第40页,共161页，星期六，2024年，5月第41页,共161页，星期六，2024年，5月表3-1不同生物的平均基因大小第42页,共161页，星期六，2024年，5月重叠基因

同一段DNA序列上转录出不同的mRNA产物，编码多种蛋白质，这段DNA就是重叠基因。1、原核生物的重叠基因基因B位于基因A*内基因E位于基因D内基因K与基因A*和C重叠第43页,共161页，星期六，2024年，5月2、真核生物的重叠基因第44页,共161页，星期六，2024年，5月真核生物基因组一、真核生物的基因组概念一个细胞单倍体或病毒颗粒所包含的全部遗传物质的总和就是该物种的基因组genome。特点：也就是与病毒、原核生物比较各有什么特点第45页,共161页，星期六，2024年，5月病毒基因组一般结构特点不同病毒基因组大小相差较大与细菌或真核细胞相比，病毒基因组很小，但不同的病毒基因组相差很大。如乙肝病毒DNA为3.2kb,只编码4种蛋白质,而痘病毒基因组DNA长300kb，可编码几百种蛋白质。病毒基因组可由DNA组成，也可由RNA组成，但每种病毒颗粒只含1种核酸，可能是单链，也可能是双链，可能是闭合环状分子，也可能是线性分子。DNA病毒基因组均由连续的DNA分子组成。多数RNA病毒基因组也由连续的RNA组成，有些则以不连续的RNA链组成。如流感病毒由8条单链RNA分子构成。常见基因重叠现象。第46页,共161页，星期六，2024年，5月5.病毒基因组的大部分是用来编码蛋白质的，只有很小的一部分不编码蛋白质。6.病毒基因组DNA序列中功能上相关的蛋白质基因往往丛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，它们可被一起转录成含有多个mRNA的分子（称为多顺反子mRNA）,然后加工成多种蛋白质的mRNA模板。除逆转录病毒基因组有两个拷贝外，至今发现的病毒的基因组都是单倍体，每个基因在病毒颗粒中只出现一次。噬菌体(细菌病毒)的基因都是连续的，而多数真核细胞病毒常含不连续基因。除正链RNA病毒外，真核细胞病毒的基因都是先转录成mRNA前体，再经加工切除内含子成为成熟为mRNA。第47页,共161页，星期六，2024年，5月细菌基因组一般特点1.细菌染色体基因组通常仅由一条环状双链DNA分了组成。2.基因组中只有一个复制起点3.具有操纵子结构。其中的结构基因为多顺反子。如大肠杆菌260个基因有操纵子结构，定位于75个操纵子中。4.在大多数情况下，编码蛋白质的结构基因在细菌染色体基因组中是单拷贝的，但编码rRNA的基因是多拷贝的，这可能可利于核糖体的快速组装。5.和病毒基因组相似，不编码的DNA部分所占比例比真核基因组少得多。第48页,共161页，星期六，2024年，5月6.具有编码同工酶的同基因。如大肠杆菌基因组中有两个编码分支酸变位酶的基因，两个编码乙酰乳酸合成酶的基因。7.编码顺序一般不会重叠。这和病毒基因组是不同的。8.在DNA分子中具有多种功能的识别区域。这些区域往往具有特殊的序列，并且含有反向重复序列。如复制起始区、复制终止区、转录启动子和终止区。9.在基因或操纵子的终末往往具有特殊的终止序列，可导致转录终止和使RNA聚合酶从DNA链上脱落。10.细菌基因组中存在着可移动的DNA，这种移动是DNA介导的。有两类可移动的序列，为插入序列和转座子。第49页,共161页，星期六，2024年，5月真核生物基因组的总体特征1.真核生物基因组远大于原核生物基因组，也比较复杂2.基因组中常具有许多复制起点。3.基因组DNA与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞核内。4.基因组中不编码的区域远多于编码区域。真核生物的转录产物一般为单顺反子，即一个结构基因经转录生成一个mRNA分子，并且此mRNA分子仅翻译成一个多肽分子。6.大部分基因有内含子，因此基因编码区是不连续的。7.存在重复序列，重复次数可以是几次，甚至高达百万次。8.真核生物基因组中存在一些可移动的DNA。第50页,共161页，星期六，2024年，5月人的基因组组成第51页,共161页，星期六，2024年，5月二、基因组大小与C值矛盾1.C值某物种一个单倍体基因组的全部DNA含量称为该物种的C值。2.C值大小不同物种的C值差异很大，最小的枝原体只有106，而最大的可达1011。人类基因组大小是3.3×109。C值与物种复杂程度的关系一般来说，物种越复杂，需要的基因产物的种类越多，C值越大。4.C值矛盾有些亲缘关系很近的物种，C值相差数十倍乃至上百倍。如两栖动物，C值小的为109，大的可达1011。C值矛盾Cvalueparadox表现在两个方面，(1)与预期的编码蛋白质的基因的数量相比，基因组DNA的含量过多。(2)一些物种之间的复杂性变化范围并不大，但是C值却有很大的变化。第52页,共161页，星期六，2024年，5月第53页,共161页，星期六，2024年，5月第54页,共161页，星期六，2024年，5月五、基因组的基因数目

根据基因组大小，基因的密度及基因的平均大小，可确定基因组中基因的数目。第55页,共161页，星期六，2024年，5月表3-3不同生物的基因数目第56页,共161页，星期六，2024年，5月真核生物DNA序列组织一、真核生物DNA序列的复性动力学1.复性过程是一个复杂的多步反应过程，基本上符合二级反应动力学，故称复性动力学reassociationkinetics。2.C0t曲线3.复性进行一半时的C0t值称为C0t1/2,C0t1/2=1/k第57页,共161页，星期六，2024年，5月第58页,共161页，星期六，2024年，5月真核生物DNA序列组织4.DNA序列的复杂性(complexity)X:最长没有重复序列的核苷酸对数(bp)值。复杂性与C0t1/2成正比,X=kC0t1/2

。对于在DNA中不含重复序列的有机体来说，X就是以核苷酸对所表示的基因组的大小。两种不同复杂性的DNA序列，当DNA的绝对含量相同时，复杂性小的DNA分子浓度高，复性就快，需要的时间t就短，因而C0t1/2值就小。第59页,共161页，星期六，2024年，5月第60页,共161页，星期六，2024年，5月5.真核生物的DNA复性动力学曲线不同，常常跨越78个数量级。序列的复杂性(complexity)X:最长没有重复序列的核苷酸对数(bp)值。复杂性与C0t1/2成正比,X=kC0t1/2

。对于在DNA中不含重复序列的有机体来说，X就是以核苷酸对所表示的基因组的大小。两种不同复杂性的DNA序列，当DNA的绝对含量相同时，复杂性小的DNA分子浓度高，复性就快，需要的时间t就短，因而C0t1/2值就小。第61页,共161页，星期六，2024年，5月真核生物DNA序列组织一、真核生物DNA序列的复性动力学根据DNA复性动力学的研究，真核生物的DNA序列可以分为四种类型：(1)单拷贝序列又称非重复序列，在一个基因组中只有一个拷贝，真核生物的大多数基因都是单拷贝的。

(2)轻度重复序列在一个基因组中有2-10个拷贝(但2-3个拷贝常常被视为非重复序列)，如组蛋白基因和酵母tRNA基因。以上二者对应于慢复性组分。

(3)中度重复序列对应于中间复性组分，有10-几百个拷贝。中度重复序列一般是不编码的序列，它们可能在基因调控中起重要的作用，包括开启或关闭基因的活性、促进或终止转录、DNA复制的起始等。这些重复序列的平均长度大约300bp。它们在一起构成了序列家族。与非重复序列相间排列。其中有代表性的是人类的Alu序列家族(Alufamily)。

(4)高度重复序列对应于快复性组分，有几百个到几百万个拷贝。其中，有一些是重复数百次的基因，如rRNA基因和某些tRNA基因；大多数是重复程度更高的序列。第62页,共161页，星期六，2024年，5月真核生物DNA序列组织二、真核生物的单一序列

绝大多数mRNA，可能高达80%，是同非重复DNA组分结合的。表明大多数结构基因位于非重复DNA序列上，即基因组中的非重复DNA序列决定生物体的复杂性。三、真核生物的重复序列

基因组的很大一部分是由一系列紧密相关的非同源DNA序列构成，称为DNA序列家族或重复DNA。其中包括有编码功能的基因家族，也包括没有编码功能的重复DNA序列家族。第63页,共161页，星期六，2024年，5月三、真核生物的重复序列（一）基因家族1.基因家族和基因簇基因家族(genefamily)

是真核生物基因组中来源相同，结构相似，功能相关的一组基因。基因家族成员关系

尽管基因家族各成员序列上具有相关性。但它们序列相似的程度以及组织方式不同。其中大部分有功能的家族成员之间相似程度很高。但也有些家族成员间的差异很大，甚至还有无功能的假基因(pseudogene)。基因家族的成员在染色体上的分布形式不同

一些基因家族的成员在特殊的染色体区域上成簇存在，而另一些基因家族的成员在整个染色体上广泛地分布，甚至可存在于不同的染色体上。第64页,共161页，星期六，2024年，5月三、真核生物的重复序列（一）基因家族1.基因家族和基因簇根据家族成员的分布形式可把不同的基因家族分为成簇存在的基因家族(clusteredgenefamily)或基因簇以及分散的基因家族(interspersedgenefamily)。

基因簇(genecluster)

基因家族的各成员紧密成簇排列成大段的串联重复单位，定位于染色体的特殊区域。它们是同一个祖先基因扩增的产物。通常基因簇内各序列间的同源性大于基因簇间的序列同源性。

第65页,共161页，星期六，2024年，5月第66页,共161页，星期六，2024年，5月第67页,共161页，星期六，2024年，5月三、真核生物的重复序列（一）基因家族1.基因家族和基因簇分散的基因家簇

家族成员在DNA上没有明显的物理联系，甚至分散在多条染色体上。各成员间在序列上有明显差别。其中也含有假基因。但这种假基因与基因簇中的假基因不同，它们来源于RNA介导的转座过程。第68页,共161页，星期六，2024年，5月（一）基因家族1.基因家族和基因簇2.广义的基因家族经典的基因家族

家族中各基因的全序列或至少编码序列具有高度的序列同源性。例如rRNA基因家族和组蛋白。基因家族特点是:(1)各成员间有高度的序列一致性，甚至完全相同。(2)拷贝数高，常有几十个甚至几百个;(3)非转录的间隔区短而且一致。基因家族各成员的编码产物上具有大段的高度保守氨基酸顺序。这对基因发挥功能是必不可少的。这些基因家族的各基因中有部分十分保守的序列。但家族成员间总的序列相似性却很低。基因家族各成员的编码产物之间只有一些很短的保守氨基酸顺序，从DNA水平上看，这些基因家族的成员之间的序列同源性更低。但其基因编码产物具有相同的功能，因为在蛋白质中存在发挥生物功能所必不可少的保守区域。超基因家族

各基因序列间没有同源性，但其基因产物的功能相似。蛋白质产物中虽没有明显保守的氨基酸顺序，但从整体上看却有相同的结构特征。如免疫球蛋白家族。第69页,共161页，星期六，2024年，5月三、真核生物的重复序列（二）基因外的重复DNA序列基因外的重复DNA序列

除了基因家族外，在染色体上还有大量无转录活性的重复DNA序列家族。两种组织形式(1)串联重复DNA，成簇存在于染色体的特定区域。(2)分散的重复DNA。这些重复单位并不成簇存在，而是分散于染色体的各个位点上。来源

RNA介导的转座过程。分散的重复序列家族的许多成员是可转移的元件。它们是不稳定的，可转移到基因组的不同的位置。卫星DNA

概念

高度重复DNA序列的碱基组成和浮力密度同主体DNA有区别，在浮力密度梯度离心时，可形成不同于主DNA带的卫星带。卫星DNA由许多简单的重复单位组成。这些序列一般对应于染色体上的异染区域。卫星DNA分类

分为卫星DNA、小卫星DNA和微卫星DNA三类卫星DNA长的串联重复序列组成，这些序列一般对应于染色体上的异染区域。小卫星DNA

由中等大小的串联重复序列组成。它们位于靠近染色体末端的区域，也可分散在核基因组的多个位置上，一般没有转录活性。其中有一些高变的小卫星DNA。它们的重复单位之间的序列有很大不同。但都含有一个基本的核心序列:GGGCAGGAXG，这些序列多数靠近端粒。还有一些位于其他的位点。端粒DNA小卫星DNA

主要成分是六核苷酸的串联重复单位TTAGGG，它们作为一种缓冲成分，在真核生物染色体末端的复制中起重要作用。微卫星DNA

由更简单的重复单位组成的小序列，分散于基因组中。大多数重复单位是二核苷酸，也有少量含有三核苷酸和四核苷酸的重复单位。分散的重复DNA序列家族

在高度分散的重复DNA家族中含有少量的转座元件.根据其大小不同，可分为短散布元件和长散布元件。第70页,共161页，星期六，2024年，5月第71页,共161页，星期六，2024年，5月

比较典型的SINE是人的Alu重复序列家族。在其他哺乳动物中也有类似的序列，如鼠的B1家族。Alu家族成员众多，大约有300000个，平均每6kb就有一个，每个长度约300bp，在其序列中有AGCT序列，可被限制性内切酶AluⅠ所切割，所以得名。Alu家族的各个成员之间有很大的同源性，从Alu家族序列的长度和重复频率上看，Alu序列都更象高度重复序列，但它们不同于高度重复序列的串联集中分布，而是广泛地在非重复序列之间。Alu家族第72页,共161页，星期六，2024年，5月人类主要的散布的重复序列第73页,共161页，星期六，2024年，5月1、DNA的基本功能：是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。第四节核酸的功能一、DNA的功能及基因治疗MolBiology第74页,共161页，星期六，2024年，5月

基因的分子定义：

基因就是贮存RNA序列信息及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列。

大多数生物的遗传信息以特定的核苷酸排列顺序储存在DNA分子中。第75页,共161页，星期六，2024年，5月DNA分子携带两类遗传信息：⑴编码信息：编码RNA（mRNA、tRNA、rRNA）或蛋白质的遗传信息，为有功能活性的DNA序列所携带。⑵调控信息，是一些特定的DNA区段。决定有关基因选择性表达的信息。第76页,共161页，星期六，2024年，5月2、基因治疗：定义：指应用DNA重组技术，将外源正常基因导入靶细胞，以纠正或补偿因基因缺陷和异常引起的疾病,以达到治疗的目的。目前广义上来讲是指将某种遗传物质转移到患者细胞内，使其在体内发挥作用，以达到治疗疾病目的的方法。第77页,共161页，星期六，2024年，5月

基因治疗的基本程序治疗性基因的选择和制备基因载体的选择靶细胞的选择基因导入方式选择外源基因表达的筛选

利用在体中的标记基因病毒载体（逆转录病毒、腺病毒）非病毒载体（脂质体、直接注射等）体细胞（造血c、肝c、淋巴c等）生殖细胞（国际上严禁使用）间接体内疗法（回输法）——体外途径直接体内疗法——体内途径基因克隆－定位－表达－评价表达情况第78页,共161页，星期六，2024年，5月

基因治疗的主要策略基因矫正(genecorrection)基因置换(genereplacement)基因增补(geneaugmentation)基因失活(geneinactivation)直接基因治疗间接基因治疗第79页,共161页，星期六，2024年，5月反义核酸技术核酶技术三链技术RNA干扰技术

基因失活技术第80页,共161页，星期六，2024年，5月基因治疗实例1、复合免疫缺陷综合征的基因治疗

（人类Gene治疗成功例子）ADA缺乏症-——致死性疾病，患者由于腺苷酸脱氨酶（ADA）缺乏。第81页,共161页，星期六，2024年，5月ADA-Gene+vector（逆转录病毒）

重组分子患者TLyCIL-2刺激C分裂

导入细胞生长分裂

10天

Gene表达

回输患儿体内

1~2月治疗一次,10个月患儿体内ADA水平达正常人的25%

第82页,共161页，星期六，2024年，5月2、乙型血友病XR，患者凝血因子Ⅸ缺乏，Ⅸ因子基因定位在Xq26.3~q27.2。临床表现，易出血，凝血时间长，轻伤、小手术后常出血不止。发病率为1/30000。例如：我国学者薛京伦实施的FⅨ的基因治疗。第83页,共161页，星期六，2024年，5月逆转录病毒载体

+FⅨcDNA

重组体

5`LTRFⅨneoSVPSOLTR3`①导入仓鼠细胞（CHO）→FⅨ表达；②导入乙型血友病患者皮肤成纤维细胞（体外培养）→FⅨ表达；③91年，导入乙型血友病患者皮肤成纤维细胞（体外培养）→回植病人皮下→FⅨ基因表达，FⅨ基表达水平达正常人的5%。是我国基因治疗成功的例子。第84页,共161页，星期六，2024年，5月3、黑色素瘤的基因治疗肿瘤Gene治疗是人们十分关注的问题，进行了广泛的探索。研究发现，肿瘤浸润淋巴细胞——TIL，它积聚肿瘤部位，并在该处持续存在而无副作用，利用此特点协助治疗肿瘤。第85页,共161页，星期六，2024年，5月例：细胞因子基因治疗和肿瘤坏死因子基因治疗

①IL-2Gene②TNF-Gene

（白介2）

（肿瘤坏死因子）

逆转录病毒载体导入

TIL（体外培养的自体细胞）回植患者体内

TIL进入自体肿瘤部位，提高细胞因子杀伤肿瘤细胞的作用。第86页,共161页，星期六，2024年，5月4、自杀基因的基因治疗

原理：即用（逆转录）病毒载体将编码某种酶的基因（自杀基因）转染到肿瘤细胞中，此酶可将一种无害的药物前体转变为细胞毒复合物，进而杀伤肿瘤细胞（肿瘤细胞不能复制而死亡）。这种基因载体只能在特定的组织或肿瘤中表达，而正常细胞中不表达。第87页,共161页，星期六，2024年，5月如：自杀基因+病毒载体

转染重组载体

药物前体无毒Gene→酶→↓

药物复合物有毒

细胞死亡第88页,共161页，星期六，2024年，5月例如：

单纯疱疹病毒

HSVGene-TK

（在肿瘤细胞中表达，正常细胞中不表达）

GCV（胸苷类似物）

PGCV---p

抑制DNA合成

肿瘤细胞死亡邻近细胞死亡/凋亡（旁观者效应）第89页,共161页，星期六，2024年，5月

基因治疗的临床应用肿瘤的基因治疗（61%病例）感染性疾病的基因治疗艾滋病（24%病例）乙型肝炎遗传病的基因治疗心血管疾病的基因治疗神经系统疾病的基因治疗

全球临床方案数达300多项，病例数超过3500人，其中美国病例占80%。第90页,共161页，星期六，2024年，5月二、RNA的功能hnRNAmRNA（一）mRNA及hnRNA的功能内含子(intron)

外显子(exon)断裂基因

(DNA)第91页,共161页，星期六，2024年，5月

mRNA的功能

把DNA所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则抄录下来，以三联体密码的形式决定蛋白质的氨基酸排列顺序。DNAmRNA蛋白转录翻译原核细胞细胞质细胞核DNA内含子外显子转录转录后剪接转运mRNAhnRNA翻译蛋白真核细胞第92页,共161页，星期六，2024年，5月

tRNA的一级结构特点：1.含有稀有碱基，如DHU甲基化嘌呤假尿嘧啶2.含有茎环结构3´末端为—CCA-OH4.tRNA序列中有反密码子（二）tRNA的功能第93页,共161页，星期六，2024年，5月tRNA的二级结构——三叶草形氨基酸臂DHU环反密码环额外环TΨC环氨基酸臂额外环第94页,共161页，星期六，2024年，5月tRNA的三级结构——倒L形第95页,共161页，星期六，2024年，5月tRNA的功能：2.活化氨基酸；1.搬运氨基酸；3.

在密码子与对应氨基酸之间起接合体 (adaptor)的作用。如：密码子GGU--携带反密码子ACC的tRNA--Gly密码子—tRNA反密码子—氨基酸是对号入座的。第96页,共161页，星期六，2024年，5月rRNA的结构（三）rRNA的功能

rRNA的功能：参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。第97页,共161页，星期六，2024年，5月

rRNA的种类（根据沉降系数）真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA第98页,共161页，星期六，2024年，5月原核生物16S21种23S5S31种真核生物49种28S5.85S5S18S33种rRNA蛋白质小亚基大亚基

(50S)(30S)(40S)(60S)小亚基大亚基第99页,共161页，星期六，2024年，5月（四）其他小分子RNA除了上述三种RNA外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为非mRNA小RNA(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs)。snmRNAs:第100页,共161页，星期六，2024年，5月snmRNAs的种类:核内小RNA(smallnuclearRNA,snRNA)核仁小RNARNA(smallnucleolarRNA,snoRNA)胞质小RNA(smallcytoplasmicRNA,scRNA)催化性小RNA(smallcatalyticRNA)小片段干涉RNA

(smallinterferingRNA,siRNA)起始RNA

(initiatorRNA，iRNA)微小RNA（microRNA,miRNA）

第101页,共161页，星期六，2024年，5月snmRNAs的功能：①U系列snRNA与蛋白质结合构成snRNP，参与hnRNA和rRNA的加工和转运。如U1、U2、U3、U4、U5、U6等。多种多样②siRNA和miRNA参与某些基因表达调控。③iRNA作为DNA合成的引物。第102页,共161页，星期六，2024年，5月Topic2:miRNAincancer微小RNA及其功能第103页,共161页，星期六，2024年，5月2006年度的诺贝尔奖授予了AndrewFire和CraigMello。

一般情况下，microRNA帮助调控基因活动以及动植物的协调发育。第104页,共161页，星期六，2024年，5月Figure2.ExpressionofmiR-124aandmiR-1inZebrafish,Medaka,Mouse,andFly.

miR-124aisrestrictedlyexpressedinthebrainandthespinalcordinfishandmouseortotheventralnervecordinthefly.TheexpressionofmiR-1isrestrictedtothemusclesandtheheartinthemouse.青鳉斑马鱼小鼠果蝇LearningthemiRNAfunctionfromitsexpressionpattern第105页,共161页，星期六，2024年，5月miRNAcontrolssomeplantphenotype(控制植物表型特征)Jaw-miRNA控制拟南芥叶形变化(Nature,2003)第106页,共161页，星期六，2024年，5月(Science2004)3种miRNA控制造血干细胞向淋巴细胞的分化过程miRNAcontrolsthedifferentiationofthehematopoieticstemcell(调控造血干细胞的分化)第107页,共161页，星期六，2024年，5月miRNAsinhuman:

Thereareabout500miRNAsfromhumanhavebeenfoundandannotated.Theyarenamedashas-miRx.《Cell》发表哺乳动物microRNA表达图谱P.Landgrafetal.,"AMammalianmicroRNAexpressionatlasbasedonsmallRNAlibrarysequencing,"Cell,June29,2007.第108页,共161页，星期六，2024年，5月miRNAexpressionpatternchangesduringoncogenesis,andisuniqueforeachcancer.微小RNA在癌症发生中表达谱的变化第109页,共161页，星期六，2024年，5月第110页,共161页，星期六，2024年，5月Figure3,ComparisonbetweennormalandtumorsamplesrevealsglobalchangesinmiRNAexpression.第111页,共161页，星期六，2024年，5月SomemicroRNAsarepotentialoncogenes

有些微小RNA可能是致癌基因。第112页,共161页，星期六，2024年，5月B-细胞淋巴瘤第113页,共161页，星期六，2024年，5月Figure1.Themir-17–92clustershowsincreasedexpressioninB-celllymphomasamplesandcelllines.

Thelevelofmir-17–92pri-miRNAwasdeterminedbyreal-timequantitativeRT-PCRin46lymphomasand47colorectalcarcinomas,andcomparedtolevelsfoundincorrespondingnormaltissuesfromfiveindividuals.第114页,共161页，星期六，2024年，5月Figure2.Overexpressionofthemir-17–19bclusteracceleratesc-myc-inducedlymphomagenesisinmice.第115页,共161页，星期六，2024年，5月Nature.2007Oct11;449(7163):682-8.Epub2007Sep26.TumourinvasionandmetastasisinitiatedbymicroRNA-10binbreastcancer.MaL,Teruya-FeldsteinJ,WeinbergRA.Nature：一种microRNA能促使癌症扩散侵略性的乳腺癌细胞（荧光点）转移到了小鼠的肺部。第116页,共161页，星期六，2024年，5月miR-9神经母细胞瘤

miR-10b乳腺癌

miR-15、miR-15a白血病、垂体腺瘤

miR-16、miR-16-1白血病、垂体腺瘤

miR-17-5p、miR-17-92肺癌、淋巴瘤

miR-20a肺癌、淋巴瘤

miR-21乳腺癌、胆管腺癌、头颈癌、白血病、宫颈癌胰腺癌

miR-29、miR-29b白血病，胆管腺癌

miR-31结肠直肠癌

miR-34a胰腺癌神经母细胞瘤

miR-96结肠直肠癌

miR-98头颈癌

miR-103胰腺癌

miR-107白血病、胰腺癌

miR-125a、miR-125b神经母细胞瘤、乳腺癌

miR-128胶质母细胞瘤

miR-133b结肠直肠癌

miR-135b结肠直肠癌

miR-143结肠癌、宫颈癌

miR-145乳腺癌、结肠直肠癌

miR-146甲状腺癌

miR-155乳腺癌、白血病、胰腺癌肺癌

miR-181、miR-181a、

miR-181b、miR-181c白血病、胶质母细胞瘤、甲状腺癌

miR-183直肠结肠癌

miR-184神经母细胞瘤

miR-196a-2胰腺癌

miR-221胶质母细胞瘤、甲状腺癌胰腺癌

miR-222甲状腺癌

miR-223白血病

miR-301胰腺癌

miR-376胰腺癌

let-7、let-7a、let-7a-1、

hsa-let-7a-2、let-7a-3肺癌、结肠癌肺癌microRNA与癌症（见表1microRNA在癌症中的作用）。第117页,共161页，星期六，2024年，5月（五）端粒酶RNA与核酶1、端粒（telomere）：是真核生物染色体末端的一种特殊结构由端粒DNA和端粒蛋白质构成作用：稳定染色体结构

防止染色体末端融合保护染色体结构基因避免遗传信息在复制过程中丢失第118页,共161页，星期六，2024年，5月1930’，著名的遗传学家B.Mcclintock和HJ.Müller发现：染色体的末端可维持染色体的稳定性Müller将它定义为“telomere”，这是由希腊语“末端”（telos）及“部分”（meros）组成的染色体失去了这些片段，就会互相粘连到一块，发生结构及功能上的改变，从而影响到细胞的分裂与生长

端粒的发现第119页,共161页，星期六，2024年，5月1970’，EH.Blackburn利用四膜虫揭示了端粒DNA的初步结构：由非常短且数目精确的串联重复DNA片段组成，富含嘌呤G。结构：一条链Gn（T/A)m，互补链Cn（A/T)m。

n﹥1，m为1～4。重复次数由几十到数千不等

端粒DNA结构第120页,共161页，星期六，2024年，5月

不同生物端粒DNA序列

人：（TTAGGG）n，联重复，5～15kb酵母：（TTTGGG），

200—400bp尖毛虫：TTTTGGGG，

20bp小鼠：5—80kb大鼠：150kb第121页,共161页，星期六，2024年，5月2、端粒酶(telomerase)是端粒复制所必须的一种特殊的DNA聚合酶。具有逆转录酶活性。能以hTR为模板，向染色体末端添加TTAGGG序列。第122页,共161页，星期六，2024年，5月

端粒酶组成端粒酶RNA(humantelomeraseRNA,hTR)端粒酶协同蛋白(humantelomeraseassociatedprotein1,hTP1)端粒酶逆转录酶(humantelomerasereversetranscriptase,hTRT)

端粒酶RNA的一级结构缺乏保守性，但都有保守的二级结构。第123页,共161页，星期六，2024年，5月

端粒酶的结构第124页,共161页，星期六，2024年，5月●model

TBPisReversetranscriptase-like

RNAcomplementwith3’endofDNA&astemplateforcDNA

ElongatedT2G43’-endasprimerfor5’-endDNAsynthesisG链

–T2G4-----TTGGGGTTGGG

C链--A2C4----

telomerase

3’

aaaAACCCCAACuuac---5’TTG端粒酶与染色体DNA末端的3‘单链区域结合（5’短缩），端粒酶中的RNA与DNA配对结合第125页,共161页，星期六，2024年，5月

telomerase

3’

CCAACCCCAACCCC---5’G链

–T2G4-----TTGGGGTTGGG

C链--A2C4----TTG

telomerase

3’

aaaAACCCCAACuuac---5’GGGTTGG链

–T2G4-----TTGGGGTTGGG

C链--A2C4----TTGGGGTTG-------------

telomerase

3’

CCAACCCCAACCCC---5’

telomerase

3’

CCAACCCCAACCCC---5’

telomerase

3’

CCAACCCCAACCCC---5’

telomerase

3’

aaaAACCCCAACuuac---5’端粒酶中的RNA与DNA配对结合并以CCCCTT序列为模板，以DNA3’OH端为引物，完成GGGGAA一个重复单位的复制，如此循环复始，数十次重复的cDNA端粒末端合成后第126页,共161页，星期六，2024年，5月GGhoogsteenbond

Tetraplexhelix

G链–T2G4-----TTGGGG

TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGG

C链--A2C4-----G链–T2G4-----TTGGGG

ttggggttgC链--A2C4-----AACCCCAAggggttgggPrimaseAACCCCAACCCCAACCCCAACCCCAACCCDNApolor3’单链自行回折并在G-G间以Hoogestin配对方式连接，最后与5‘端结合不仅避免了5’短缩，且形成的封闭式DNA末端保证了染色体DNA结构稳定第127页,共161页，星期六，2024年，5月具有酶促活性的RNA称为核酶。3、核酶(ribozyme)催化性RNA(RNAzyme)

作为序列特异性的核酸内切酶降解mRNA——核酶。催化性DNA(DNAzyme)人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段，也能序列特异性降解RNA。第128页,共161页，星期六，2024年，5月四膜虫rRNA的剪接采用自我剪接方式第129页,共161页，星期六，2024年，5月

第一步：作为辅助因子的鸟苷或鸟苷酸进入内含子IVS的结合位点，鸟苷或鸟苷酸的3’-OH对IVS的5’-磷酸残基进行亲核攻击，进行转磷酸酯反应，生成5’-端外显子以及3’-端外显子—IVS-G复合物。第二步：5’-端外显子的3’-OH对IVS的3’-端外显子进行亲核攻击，通过转磷酸酯反应，使5’-端外显子与3’-端外显子连接，成为成熟的26srRNA以及G-IVS。第130页,共161页，星期六，2024年，5月最简单的核酶二级结构——槌头状结构(hammerheadstructure)除rRNA外，tRNA、mRNA的加工也可采用自我剪接方式。第131页,共161页，星期六，2024年，5月

核酶研究的意义核酶的发现，对中心法则作了重要补充；核酶的发现是对传统酶学的挑战；利用核酶的结构设计合成人工核酶。第132页,共161页，星期六，2024年，5月核酸的变性、复性和杂交denaturation，renaturationandhybridizationofnucleicacid第四节MolBiology第133页,共161页，星期六，2024年，5月一、核酸的变性(denaturation)定义：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。变性后理化性质发生变化：260nm的紫外吸收值增加粘度降低，浮力密度升高二级结构的改变等。第134页,共161页，星期六，2024年，5月例：变性引起紫外吸收值的改变DNA的紫外吸收光谱增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。第135页,共161页，星期六，2024年，5月热变性解链曲线：如果在连续加热DNA的过程中以温度对A260（absorbance，A，A260代表溶液在260nm处的吸光率）值作图，所得的曲线称为解链曲线。第136页,共161页，星期六，2024年，5月Tm：变性是在一个相当窄的温度范围内完成，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度，又称融解温度(meltingtemperature,Tm)。其大小与

DNA分子G+C含量成正比。一般70～85℃.第137页,共161页，星期六，2024年，5月1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相当于50μg/ml双链DNA40μg/ml单链DNA（或RNA）20μg/ml寡核苷酸2.判断核酸样品的纯度DNA纯品:OD260/OD280=1.8RNA纯品:OD260/OD280=2.0OD260的应用第138页,共161页，星期六，2024年，5月二、核酸的复性(renaturation)

定义:在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。减色效应DNA复性时，其溶液OD260降低。热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing)。复性条件：①有足够的