《药学分子生物》PPT课件

第二章第二章 染色质、染色体、基因和基因组染色质、染色体、基因和基因组第一节第一节、染色质和染色体、染色质和染色体一、一、染色质和染色体的形态染色质和染色体的形态（一）染色质（一）染色质存在于细胞核中，由存在于细胞核中，由DNADNA、组蛋白和非组蛋白形成、组蛋白和非组蛋白形成的高度有序的核蛋白质。的高度有序的核蛋白质。常染色质和异染色质常染色质和异染色质常染色质：分布较稀疏，处于活跃状态。常染色质：分布较稀疏，处于活跃状态。异染色质：分布较紧密，处于抑制状态。异染色质：分布较紧密，处于抑制状态。异染色质异染色质常染色质常染色质1.1.核小体核小体核小体（核小体（nucleosome):染色质的基本结构单位。染色质的基本结构单位。核小体的组成核小体的组成2.2.染色质纤维染色质纤维间期染色质呈纤维状。间期染色质呈纤维状。（二）染色体（二）染色体原核染色体：单一环型双链原核染色体：单一环型双链DNADNA分子分子真核染色体：单一线型双链真核染色体：单一线型双链DNADNA分子及结合蛋白形成的分子及结合蛋白形成的 遗传物质单位遗传物质单位 DNA双螺旋压缩7倍压缩6倍压缩40倍压缩5倍共计压缩共计压缩84008400倍倍1.1.染色单体：染色单体：2.2.着着丝粒：丝粒：3.3.次溢痕：次溢痕：次次4.随体：随体：5.5.核仁组织区：核仁组织区：7.7.复制子与起始位点复制子与起始位点6.6.端粒：端粒端粒：端粒(telomeres)是染色体末端的高度保守特是染色体末端的高度保守特异结构，它是由富含鸟嘌呤核苷酸的简单重复序列异结构，它是由富含鸟嘌呤核苷酸的简单重复序列（TTAGGG）n组成组成.染色体结构模式图染色体结构模式图二、染色质和染色体的化学成分及组二、染色质和染色体的化学成分及组成成（一）（一）DNA 1.非重复序列非重复序列2.轻度重复序列轻度重复序列3.中度重复序列中度重复序列4.高度重复序列高度重复序列（二）组蛋白（二）组蛋白含量最高的一种染色体蛋含量最高的一种染色体蛋白质，带大量精氨酸和组白质，带大量精氨酸和组氨酸（碱性氨基酸）分为氨酸（碱性氨基酸）分为，有，有H1、H2A、H2B、H3、H4五种五种（三）非组蛋白：细胞中一类酸（三）非组蛋白：细胞中一类酸性蛋白质，一半为结构蛋白，一性蛋白质，一半为结构蛋白，一半为酶类。半为酶类。作用：作用：1.1.参与染色体构建参与染色体构建 2.2.启动基因复制启动基因复制 3.3.调控基因转录调控基因转录（四）（四）RNA（五）酶（五）酶 三、染色质和染色体的功能三、染色质和染色体的功能（一）染色体在遗传中的作用（一）染色体在遗传中的作用 1.有丝分裂有丝分裂有丝分裂是真核生物细胞分裂的基本形式。有丝分裂是真核生物细胞分裂的基本形式。前期前期中期中期后期后期末期末期2.减数分裂减数分裂 3.染色体畸变染色体畸变1 1）整倍体）整倍体 1.1.多倍体多倍体 2.2.三倍体三倍体2)2)非整倍体非整倍体 1.1.缺体缺体 2.2.单体单体 3.3.三体三体 4.4.双三体双三体 5.5.多体多体3 3）体细胞非整倍体）体细胞非整倍体1）缺失：染色体部分丢失称为缺失）缺失：染色体部分丢失称为缺失2）重复：染色体上个别区段多出一份，称为重复）重复：染色体上个别区段多出一份，称为重复重复重复3）倒位：如果两次断裂形成的片段倒转）倒位：如果两次断裂形成的片段倒转180度重新接度重新接合，那么，虽然没有染色体物质的丢失，但基因顺序合，那么，虽然没有染色体物质的丢失，但基因顺序颠倒，称为倒位颠倒，称为倒位4）易位：染色体片段位置的改变称为易）易位：染色体片段位置的改变称为易位位 染色体相互易位染色体相互易位罗氏易位罗氏易位（二）组蛋白和非组蛋白磷酸化（二）组蛋白和非组蛋白磷酸化（三）组蛋白和非组蛋白的转录调（三）组蛋白和非组蛋白的转录调控控 第二节、基因第二节、基因一、一、基因生物学定义基因生物学定义1.1.重叠基因重叠基因:原核生物和某些病原核生物和某些病毒基因组比较小，为利用有限碱毒基因组比较小，为利用有限碱基编码更多信息，存在重叠基因基编码更多信息，存在重叠基因2.2.断裂基因：真核的基因组形式。断裂基因：真核的基因组形式。编码序列称外显子（编码序列称外显子（exon），非编码序列称），非编码序列称内含子（内含子（intron，or intervening sequence）。）。3.3.复等位基因：复等位基因：位于一对同源染色体上对应位置的一对基因叫等位于一对同源染色体上对应位置的一对基因叫等位基因。由于群体的突变，同一基因座的基因系位基因。由于群体的突变，同一基因座的基因系列称为复等位基因，对某一个体来说一个基因座列称为复等位基因，对某一个体来说一个基因座只有一对等位基因，复等位基因是群体的概念。只有一对等位基因，复等位基因是群体的概念。HLAHLA存在为数众多的复等位基因。存在为数众多的复等位基因。如：人的如：人的ABOABO血型血型4.4.假基因假基因在多基因家族中，不产生有功能基因产物的基在多基因家族中，不产生有功能基因产物的基因。即序列与有功能的基因相似，但或者不能因。即序列与有功能的基因相似，但或者不能转录，或者转录后生成无功能的基因产物。用转录，或者转录后生成无功能的基因产物。用表示。造成原因是基因在进化过程中，发生表示。造成原因是基因在进化过程中，发生突变所致（如缺失、倒位、点突变等）。突变所致（如缺失、倒位、点突变等）。二、二、基因的分子生物学定义基因的分子生物学定义 DNA分子中含有特定遗传信息的核苷酸序列，是分子中含有特定遗传信息的核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。合成有功能的蛋白质多遗传物质的最小功能单位。合成有功能的蛋白质多肽链或肽链或RNA所必需的全部核酸序列（通常是所必需的全部核酸序列（通常是DNA序序列）。故一个基因应包含不仅是编码蛋白质肽链或列）。故一个基因应包含不仅是编码蛋白质肽链或RNA的核酸序列，还包括为保证转录所必需的调控的核酸序列，还包括为保证转录所必需的调控序列、序列、5非翻译序列、内含子以及非翻译序列、内含子以及3非翻译序列等非翻译序列等所有的核酸序列（蛋白质基因和所有的核酸序列（蛋白质基因和RNA基因）。基因）。三、三、基因功能基因功能1.1.基因转录的基本特性基因转录的基本特性2.2.翻译翻译-蛋白质的合成蛋白质的合成 功能上相关的基因高度集中，组成操纵子结构。功能上相关的基因高度集中，组成操纵子结构。编码蛋白的基因大多是是单拷贝的编码蛋白的基因大多是是单拷贝的RNA基因是多拷贝的基因是多拷贝的基因是连续的：结构基因中没有内含子（基因是连续的：结构基因中没有内含子（intron）成分，在转录后不需剪接加工，转录产物的寿成分，在转录后不需剪接加工，转录产物的寿命较短。命较短。6.结构基因重复序列少，基因组中仅有少数基结构基因重复序列少，基因组中仅有少数基因存在基因重叠现象因存在基因重叠现象7.单个染色体呈环状，染色体单个染色体呈环状，染色体DNA并不和蛋白并不和蛋白质固定结合。质固定结合。5.细菌中的细菌中的DNA大部分是用于编码蛋白质，只大部分是用于编码蛋白质，只有一小部分是不翻译的。有一小部分是不翻译的。五、五、真核生物基因特征真核生物基因特征基因的不连续性基因的不连续性 1.1.基因家族基因家族 真核细胞基因组中有许多来源相同，结构相似，真核细胞基因组中有许多来源相同，结构相似，功能相关的基因，这样的一组基因称基因家族功能相关的基因，这样的一组基因称基因家族 (1)(1)串联重复基因簇串联重复基因簇（2 2）分散式基因簇）分散式基因簇（3 3）超基因家族）超基因家族（supergene family）：由多基因家族及）：由多基因家族及单基因组成的更大的基因家族。成员间单基因组成的更大的基因家族。成员间有不同程度的同源，但它们的功能并不有不同程度的同源，但它们的功能并不相似，这是与多基因家族的差别所在。相似，这是与多基因家族的差别所在。如如Ig超家族。超家族。（三）重复基因结构（三）重复基因结构 1.中度重复序列中度重复序列:100-几千几千bp片段的重复，其产物是细片段的重复，其产物是细胞大量需要的。其长度胞大量需要的。其长度3007000bp，一般都是不编，一般都是不编码的顺序。据认为在基因调控中起重要作用，包括开码的顺序。据认为在基因调控中起重要作用，包括开启或关闭基因，促进或终止转录，启或关闭基因，促进或终止转录，DNA复制的起始，复制的起始，参与前参与前mRNA加工等。加工等。rRNA基因：可重复数百次，可作为一种遗传标志。基因：可重复数百次，可作为一种遗传标志。tRNA基因基因 组蛋白基因组蛋白基因 Alu家族：家族：有有3万个成员，平均每万个成员，平均每6kb就有一个，长度约就有一个，长度约300bp，因在，因在170bp处有一处有一Alu位点（位点（AG/CT）而得名。而得名。Alu顺序具有种的特异性，功能：尚顺序具有种的特异性，功能：尚不清楚。可能在不清楚。可能在hnRNA转录和加工中起作用；转录和加工中起作用；遗传重组及染色体不稳定性有关；人类质粒遗传重组及染色体不稳定性有关；人类质粒（humanplasmid）；形成）；形成Z-DNA。Kpn家族：家族：人类和灵长类人类和灵长类DNA经经Kpn酶解后，产生酶解后，产生4个片个片段（、），这些就被命名为段（、），这些就被命名为Kpn家族。人家族。人类基因组中的类基因组中的Kpn序列约在序列约在3-6%，也是散在分，也是散在分布的。功能尚不清楚。布的。功能尚不清楚。2高度重复序列：高度重复序列：高度重复顺序不能转录，它们参与染色体结构高度重复顺序不能转录，它们参与染色体结构的维持，形成结构基因间隔。分布于着丝点、的维持，形成结构基因间隔。分布于着丝点、端粒区、结构基因两侧端粒区、结构基因两侧 反向重复序列反向重复序列(1)卫星卫星DNA：简单串联重复序列：简单串联重复序列六六 细胞器基因细胞器基因1.1.线粒体线粒体-母性遗传母性遗传.线粒体线粒体DNADNA编码的蛋白质占线粒体编码的蛋白质占线粒体全部蛋白质的全部蛋白质的10%10%，其余，其余90%90%由核基由核基因编码因编码Maternal InheritancemtDNA AmtDNA BmtDNA DmtDNA CElectron micrograph of a mitochondrial DNAElectron micrograph of a mitochondrionEncoded by nuclear genes.Encoded by mitochondrial genes.Gene Products Essential to Mitochondrial Function:Map of human mtDNAHypervariable region七七 亚细胞结构的基因特征亚细胞结构的基因特征病毒、噬菌体：病毒、噬菌体：1.1.核酸成分只有一种核酸成分只有一种2.2.单链、双链或者片段单链、双链或者片段3.3.大小很大差别大小很大差别4.4.具有启动子和操纵基因的结构具有启动子和操纵基因的结构5.5.噬菌体基因组没有内含子，真核病毒噬菌体基因组没有内含子，真核病毒基因组有内含子基因组有内含子6.6.病毒中有重叠基因存在病毒中有重叠基因存在噬菌体噬菌体 x174基因图谱基因图谱八、原核和真核细胞中基因和顺反子的关系八、原核和真核细胞中基因和顺反子的关系原核原核-单顺反子单顺反子真核真核-多顺反子多顺反子第三节、基因组第三节、基因组基因组就是一个物种中所有基因的整体组成。人类基因组有两层意义：遗传信息和遗传物质。要揭开生命的奥秘，就需要从整体水平研究基因的存在、基因的结构与功能、基因之间的相互关系。基因组：携带生物体全部遗传信息的核酸量。基因组：携带生物体全部遗传信息的核酸量。Viruses ProcaryotesEucaryotesViral genomeBacterial chromosomePlasmidsChromosomes(Nuclear genome)Mitochondrial genomeChloroplast genomeCapsidNucleus一、一、基因组的结构特点基因组的结构特点原核生物基因组结构原核生物基因组结构 基因组较小基因组较小,平均平均1Kb，大小变化不大，大小变化不大几乎无蛋白质同核酸结合几乎无蛋白质同核酸结合具有操纵子结构具有操纵子结构结构基因是单拷贝，结构基因是单拷贝，rRNA基因是多拷贝。基因是多拷贝。有基因重叠现象。有基因重叠现象。多顺反子多顺反子P OZY A结构基因阻遏物基因启动子操纵基因产生阻遏蛋白 RNA酶结合结合阻遏物I（二）真核生物基因组结构（二）真核生物基因组结构 基因组较大，且大小变化大基因组较大，且大小变化大和蛋白质结合，形成染色体，而且是多条和蛋白质结合，形成染色体，而且是多条有重复序列有重复序列有单拷贝和多拷贝两种形式有单拷贝和多拷贝两种形式基因是不连续的，基因家族化是最显著特征之基因是不连续的，基因家族化是最显著特征之一。并且一。并且DNA片段可以重排片段可以重排转录单位一般是单顺反子的。即基因转录单位一般是单顺反子的。即基因-一种一种蛋白质蛋白质Eucaryotic chromosomeTelomereTelomereCentromerep-armq-armExon 190 bpExon 2222 bpExon 3126 bpIntron A131 bpIntron B851 bpHemoglobin beta subunit geneIntrons:intervening sequences within a gene that are not translatedinto a protein sequence.Collagen has 50 introns.Exons:sequences within a gene that encode protein sequencesSplicing:Removal of introns from the mRNA molecule.Splicing（三）线粒体基因组结构（三）线粒体基因组结构 1人类线粒体的基因排列得非常紧凑，除与人类线粒体的基因排列得非常紧凑，除与mtDNA复制复制及转录有关的一小段区域外，无内含子序列。在及转录有关的一小段区域外，无内含子序列。在37个基因个基因之间，基因间隔区总共只有之间，基因间隔区总共只有87bp,只占只占DNA总长度的的总长度的的0.5%，有些基因之间没有间隔，有时基因有重叠，即前，有些基因之间没有间隔，有时基因有重叠，即前一个基因的最后一段碱基与下一个基因的第一段碱基相衔一个基因的最后一段碱基与下一个基因的第一段碱基相衔接。因此，接。因此，mtDNA的任何突变都会累及到基因组中一个的任何突变都会累及到基因组中一个重要功能区域。重要功能区域。2mtDNA为高效利用为高效利用DNA。有。有5个阅读框架，缺少个阅读框架，缺少终止密码子，仅以终止密码子，仅以U或或UA结尾。结尾。3mtDNA的突变率高于核中的突变率高于核中DNA，并且缺乏修复能，并且缺乏修复能力。力。4mtDNA为母系遗传。为母系遗传。5.部分部分mtDNA的密码子不同于核内的密码子不同于核内DNA的密码子。的密码子。（四）叶绿体基因组结构Electron microscopic image of a circular DNA molecule isolated from a soybean chloroplast(a ctDNA)128 genes,4 of which are rRNA genes,32 are tRNA genes and 55 are open reading frames(ORF)三、基因组的染色体倍数性和数目三、基因组的染色体倍数性和数目一一倍体数目代表基因组一份拷贝的染色体数倍体数目代表基因组一份拷贝的染色体数目目.如：如：2C2C四、四、遗传图谱、物理图谱、基因图遗传图谱、物理图谱、基因图谱谱（一）遗传图谱（一）遗传图谱 指基因或指基因或DNADNA标志在染色体上的相对位置与遗传标志在染色体上的相对位置与遗传距离。距离。CMCM表示（基因或表示（基因或DANDAN片段在染色体交换过片段在染色体交换过程中分离的频率）。通过该图谱可分清各基因或程中分离的频率）。通过该图谱可分清各基因或DNADNA片段之间的相对距离与方向，如靠近着丝粒片段之间的相对距离与方向，如靠近着丝粒或端粒。或端粒。Genetic MapCytogenetic MapPhysical MapRH MapClone-based MapSequence MapGATCTGCTA TACTACCGC ATTATTCCGRestriction Map150255075100125MbcM2030302025ProbeRestriction digestionSouthern Blot&HybridizationRE 1RE 2RE 3Allele 1Allele 2AB.CTAGACACTCCAGGC.CTAGACAATCCAGGCIntact chromosome50-260 Mb5-10 MbCytogenetic bandLong-rangeLandmark map50-2500 kb50-1500 kb100-200 kb60-1000 bp1bpYAC cloneBAC cloneSTSDNA sequenceGGATTCCGACTAGGTCGGTCTTGGATTAGCTAGG.GTCGGTC.Adapted from Rossiter&Caskey（二）、物理图谱（二）、物理图谱 指指DNADNA序列上两点间的实际距离。用于确定各遗传序列上两点间的实际距离。用于确定各遗传标志间的物理距离有两种物理图谱：（标志间的物理距离有两种物理图谱：（1 1）以已定）以已定位的位的DNADNA序列标记位点（序列标记位点（STSSTS）为位标，以）为位标，以DNADNA实际实际长度为图谱距离的基因组图谱。（长度为图谱距离的基因组图谱。（2 2）由）由YACYAC和和/或或细菌人工染色体（细菌人工染色体（BACBAC）连续克隆重叠群组成的物）连续克隆重叠群组成的物理图谱。理图谱。（三）基因图谱（三）基因图谱 五、人类基因组五、人类基因组（一）（一）人类基因组定义人类基因组定义（二）人类基因组计划研究的意义（二）人类基因组计划研究的意义（三）（三）人类基因组计划研究的内容人类基因组计划研究的内容（四）人类基因组的多态性与基因组药物四）人类基因组的多态性与基因组药物（五）（五）后基因组研究计划后基因组研究计划（六）人类基因组的生物信息在药物研究（六）人类基因组的生物信息在药物研究中的作用中的作用 人类基因组计划人类只有一个基因组，大约有人类只有一个基因组，大约有5-105-10万个万个基因。人类基因组计划是美国科学家于基因。人类基因组计划是美国科学家于19851985年率先提出的，旨在阐明人类基因年率先提出的，旨在阐明人类基因组组3030亿个碱基对的序列，发现所有人类亿个碱基对的序列，发现所有人类基因并搞清其在染色体上的位置，破译基因并搞清其在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息，使人类第一次在分人类全部遗传信息，使人类第一次在分子水平上全面地认识自我。计划于子水平上全面地认识自我。计划于19901990年正式启动，这一价值年正式启动，这一价值3030亿美元的计划亿美元的计划的目标是，为的目标是，为3030亿个碱基对构成的人类亿个碱基对构成的人类基因组精确测序，从而最终弄清楚每种基因组精确测序，从而最终弄清楚每种基因制造的蛋白质及其作用。打个比方，基因制造的蛋白质及其作用。打个比方，这一过程就好像以步行的方式画出从北这一过程就好像以步行的方式画出从北京到上海的路线图，并标明沿途的每一京到上海的路线图，并标明沿途的每一座山峰与山谷。虽然很慢，但非常精确。座山峰与山谷。虽然很慢，但非常精确。l美国美国：WASHMIT等等7 7家研究中心，贡献率为家研究中心，贡献率为5454。l英国英国：SANGER一家研究中心，贡献率为一家研究中心，贡献率为3333。l日本：日本：RIKEN等两家研究中心，贡献率为等两家研究中心，贡献率为7 7。l法国：法国：GENOSCOPE研究中心，贡献率为。研究中心，贡献率为。l德国：德国：IMB等等3 3家研究中心，贡献率为。家研究中心，贡献率为。l中国：北京华大研究中心、国家南北方基因研究中国：北京华大研究中心、国家南北方基因研究 中心等三家，贡献率为中心等三家，贡献率为1 1。二二000000年六月二十六日克林顿宣布年六月二十六日克林顿宣布人类基因组草图绘制完成人类基因组草图绘制完成l由亿由亿bp组成组成l含万基因含万基因l与蛋白质合成有关与蛋白质合成有关 的基因占的基因占2%2%人类基因组人类基因组人类蛋白质人类蛋白质 61%61%与果蝇同源与果蝇同源 43%43%与线虫同源与线虫同源 46%46%与酵母同源与酵母同源基因数量少得惊人基因数量少得惊人人类基因组中存在人类基因组中存在“热点热点”和大片和大片“荒荒漠漠”三分之一为三分之一为“垃圾垃圾”DNA种族歧视毫无根据种族歧视毫无根据男性基因突变比例更高男性基因突变比例更高l基因组:人类细胞中的全部基因 l蛋白组:由全套基因组编码控制 的蛋白质 l药物基因组:即为一个病人的基 因组对单个药物反应的相互关系l人类基因组、蛋白组和药物基因组 是生命科学研究路上的三个阶段 遗传因素和环境因素共同作用导致了药物反应的个体差遗传因素和环境因素共同作用导致了药物反应的个体差异。异。药物遗传学药物遗传学从单个基因出发，研究药物与遗传之间的从单个基因出发，研究药物与遗传之间的关系。关系。1959年，年，Vogel提出了药物遗传学概念提出了药物遗传学概念(pharmacogenetics)，指出药物代谢与酶和受体的遗传，指出药物代谢与酶和受体的遗传学关系。学关系。药物基因组学药物基因组学从基因组出发，研究药物与基因组结构从基因组出发，研究药物与基因组结构之间之间的关系，根据不同人群设计和制造药物，达到的关系，根据不同人群设计和制造药物，达到个体化治个体化治疗疗目标。目标。随着人类基因组逐渐被破译，随着人类基因组逐渐被破译，一张生命之图将被绘就，人们一张生命之图将被绘就，人们的生活也将发生巨大变化。人的生活也将发生巨大变化。人类基因研究的意义在于它可以类基因研究的意义在于它可以支持和推动生命科学中一系列支持和推动生命科学中一系列重要的基础性研究。如基因组重要的基础性研究。如基因组遗传语言的破译，基因的结构遗传语言的破译，基因的结构与功能关系，生命的起源和进与功能关系，生命的起源和进化，细胞发育、生产、分化的化，细胞发育、生产、分化的分子机理，疾病发生的机理等。分子机理，疾病发生的机理等。人类基因组计划的意义 后人类基因组计划 伴随着人类基因组计划的迅伴随着人类基因组计划的迅速进展，基因的全序列逐步被速进展，基因的全序列逐步被完整的测出，会出现大量的不完整的测出，会出现大量的不知道任何功能信息的序列。因知道任何功能信息的序列。因此，在此，在HGPHGP完成之后即全部人完成之后即全部人类基因被定序之后，还需要继类基因被定序之后，还需要继续发展能对大量的基因进行功续发展能对大量的基因进行功能分析的方法，还要继续分析能分析的方法，还要继续分析大量未知功能基因的具体生物大量未知功能基因的具体生物学功能。包括基因克隆计划、学功能。包括基因克隆计划、蛋白质计划以及细胞计划等。蛋白质计划以及细胞计划等。