现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能培训课件

现代分子生物学代分子生物学遗传物物质的性的性质结构与功构与功能能第一节第一节 核酸是遗传物质核酸是遗传物质第二节第二节 核酸的结构核酸的结构第三节第三节 基因与基因组基因与基因组第四节第四节 核酸的功能核酸的功能第五节第五节 核酸的变性、复性和杂交核酸的变性、复性和杂交2现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能遗传的细胞学基础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染色体遗传物质的载体3现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能 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？遗传物质是蛋白质？4现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能遗传物质必须具有以下特性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，适合作为遗传物质具有上述特性，适合作为遗传物质遗传物质是什么呢？遗传物质是什么呢？5现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能遗传的物质基础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。第一节第一节 核酸是遗传物质核酸是遗传物质6现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能Friedrich Miescher1879 picture of the laboratory where Miescher isolated nuclein.The lab was run by Felix Hoppe-Seyler,and located in the vaults of an old castle.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。7现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能3.证明DNA是遗传物质的两个实验(1)肺炎球菌转化实验肺炎球菌转化实验 1928年年 Griffith(2)噬菌体感染实验噬菌体感染实验 1944年年Avery8现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能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。9现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能遗传的物质基础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)。10现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能第二节第二节 核酸的结构核酸的结构（Structure of Nucleic Acid）一、一、DNA的结构的结构核酸中核苷酸的排列顺序即称核酸中核苷酸的排列顺序即称碱基序列碱基序列。（一）一）DNA的一级结构的一级结构u DNA一级结构的不同是物种差异的根本原因。一级结构的不同是物种差异的根本原因。11现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能55端端3端端CGA核苷酸的连接核苷酸的连接 核苷酸之间以核苷酸之间以磷酸二酯键磷酸二酯键连接形连接形成多核苷酸链，即成多核苷酸链，即核酸。核酸。12现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能核酸的组成核酸的组成分子分子 分子组成分子组成 碱基碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱：嘌呤碱，嘧啶碱 戊糖戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖：核糖，脱氧核糖 磷酸磷酸(phosphate)碱基碱基戊糖戊糖 磷酸磷酸核酸酶核酸核酸DNARNA核苷酸核苷酸(ribonucleoside)13现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能A G P5 P T PG PC PT P OH 3 书写方法书写方法5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 14现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能（二）（二）DNA的二级结构的二级结构 双螺旋模型双螺旋模型u DNA的二级结构是的二级结构是指两条脱氧多核苷酸链指两条脱氧多核苷酸链反向平行盘绕所形成的反向平行盘绕所形成的双螺旋结构。双螺旋结构。15现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能1、DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）uDNADNA分分子子由由两两条条反反向向平平行行的的右右手手双双螺螺旋旋的的脱脱氧氧多多核核苷苷酸酸链链组组成成，两两链链以以-脱脱氧氧核核糖糖-磷磷酸酸-为为骨骨架架排排列列在在外外侧侧，绕绕同同一一公公共共轴轴盘盘旋旋。螺螺旋旋直直径径为为2nm2nm，形形成成了了相相间间的的大大沟沟(major(major groove)groove)及及 小小 沟沟(minor groove)。16现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能 DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson,Crick,1953）u碱碱基基垂垂直直螺螺旋旋轴轴居居双双螺螺旋旋内内側側，与与对对側側碱碱基基形形成成氢氢键键互互补补配对配对（A=T;G C）。u相邻碱基平面距离相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距螺旋一圈螺距3.4nm，一圈，一圈10对碱基。对碱基。17现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能 DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson,Crick,1953）u氢键氢键维持双链维持双链横向稳定性横向稳定性.u碱碱基基堆堆积积力力维维持持双双链链纵纵向向稳稳定定性性。对对双双螺螺旋旋的的稳稳定定由为重要由为重要.18现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能2、DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性19现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能v DNA双螺旋结构不同构型的意义：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：结构的改变，进而影响其生物学功能。如：B型型DNA表面有大沟和小沟；表面有大沟和小沟；A型型DNA也有两个沟；也有两个沟；Z型型DNA仅有一个很深很窄的沟。仅有一个很深很窄的沟。DNA双螺旋的这种表面结构有助于双螺旋的这种表面结构有助于DNA结合结合 蛋白识别并结合特定的蛋白识别并结合特定的DNA序列。序列。而这种表面构型的变化对于基因组而这种表面构型的变化对于基因组DNA与其与其DNA结合蛋白的特异性相互作用具有重要的意义。结合蛋白的特异性相互作用具有重要的意义。20现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能（三）（三）DNA的拓扑结构的拓扑结构DNA的拓扑结构的拓扑结构超螺旋结构超螺旋结构(superhelix 或或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。主要指主要指正超螺旋正超螺旋(positive supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方同相同双螺旋方同相同 负超螺旋负超螺旋(negative supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方向相反双螺旋方向相反 21现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能超螺旋超螺旋DNA比松弛型比松弛型DNA更紧密，使更紧密，使DNA分子分子体积变得更小，对其在细胞的包装过程更为有利。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人每条染色体的平均长度约5cm5cm，而细胞核的，而细胞核的直径仅约直径仅约5 5mm，所以，所以DNADNA分子压缩近万倍。分子压缩近万倍。超螺旋能影响双螺旋的解链程序，因而影响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。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。对基因表达的调控有重要意义。u 超螺旋结构的生物学意义：超螺旋结构的生物学意义：l DNA拓扑异构体的相互转化由拓扑异构体的相互转化由拓扑异构酶拓扑异构酶（型和型和型）催化完成。型）催化完成。22现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能（四）（四）DNA的四级结构的四级结构真真核核生生物物中中核核酸酸与与蛋蛋白白质质相相互互作作用用形形成成的的核核糖糖体体、剪剪接接体体，即即可可看看成成核核酸酸的四级结构。的四级结构。另外另外DNADNA缠绕组蛋白构成核小体。缠绕组蛋白构成核小体。23现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能二、二、RNA的结构的结构 （Structure of RNA）24现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能RNA的种类、分布、功能的种类、分布、功能25现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能RNA单链结构单链结构环状结构（环状结构（loop）局部双螺旋结构局部双螺旋结构三级结构三级结构折叠折叠分子伴侣分子伴侣 生物活性分子生物活性分子具有催化活性的具有催化活性的RNA称为称为核酶。核酶。26现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能第三节第三节 基因与基因组基因与基因组一、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wild type 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27现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能孟德尔及所使用的实验材料孟德尔及所使用的实验材料-豌豆豌豆和性状和性状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。28现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能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The word Gene was coined in 1909 by Wilhelm johannsen to describe the“fundamental unit of inheritance”29现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能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),Drosophila melanogaster,(SEMX60).30现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能7.1941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.31现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能在遗传学上，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。32现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能二、DNA与基因1.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（Sense strand)。4.DNA分子中除了编码区外，还含有调控区和间隔序列。5.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序列称为转座子转座子。33现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能三、真核生物的割裂基因1、割裂基因的发现(1)割裂基因割裂基因split genesplit gene 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)割裂基因割裂基因DNADNA序列分类序列分类 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割裂基因转录后经剪接除去内含子 34现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能35现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能36现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能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。37现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能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。38现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能四、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。39现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能40现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能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。41现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能42现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能表3-1不同生物的平均基因大小43现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能重叠基因重叠基因 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基因B位于基因位于基因A*内内基因基因E位于基因位于基因D内内基因基因K与基因与基因A*和和C重叠重叠44现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能2、真核生物的重叠基因45现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能真核生物基因组真核生物基因组一、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46现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能病毒基因组一般结构特点1.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。2.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。3.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。4.常见基因重叠现象。47现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能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。7.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。8.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。48现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能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。49现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能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。50现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能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。5.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。51现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能人的基因组组成52现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能二、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3.3109。3.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。4.4.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。53现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能54现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能55现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能五、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。56现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能表3-3不同生物的基因数目57现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能真核生物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/k58现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能59现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能真核生物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。60现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能61现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能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。62现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能真核生物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。63现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能真核生物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。64现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能三、真核生物的重复序列三、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。65现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能三、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。66现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能67现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能68现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能三、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。69现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能（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。70现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能三、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。71现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能72现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能比较典型的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Alu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73现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能人类主要的散布的重复序列74现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能1、DNA的基本功能：的基本功能：是是以以基基因因的的形形式式荷荷载载遗遗传传信信息息，并并作作为为基基因因复复制制和和转转录录的的模模板板。它它是是生生命命遗遗传传的的物物质质基础，也是个体生命活动的信息基础。基础，也是个体生命活动的信息基础。第四节第四节 核酸的功能核酸的功能一、一、DNA的功能及基因治疗的功能及基因治疗75现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能v 基因的分子定义：基因的分子定义：基因就是贮存基因就是贮存RNA序列信息及表达这些序列信息及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列。信息所必需的全部核苷酸序列。v 大多数生物的大多数生物的遗传信息以特定的核苷酸遗传信息以特定的核苷酸 排列顺序储存在排列顺序储存在DNA分子中。分子中。76现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能u DNA分子携带两类遗传信息：分子携带两类遗传信息：编码信息：编码编码信息：编码RNA（mRNA、tRNA、rRNA）或蛋白质的遗传信息，为有功能活性）或蛋白质的遗传信息，为有功能活性的的DNA序列所携带。序列所携带。调控信息，是一些特定的调控信息，是一些特定的DNA区段。决定区段。决定有关基因选择性表达的信息。有关基因选择性表达的信息。77现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能2、基因治疗：、基因治疗：定义：定义：指应用指应用DNADNA重组技术，将外源正常基因重组技术，将外源正常基因导入靶细胞，以纠正或补偿因基因缺陷和导入靶细胞，以纠正或补偿因基因缺陷和异常引起的疾病异常引起的疾病,以达到治疗的目的。以达到治疗的目的。目前目前广义上来讲是指将某种遗传物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。作用，以达到治疗疾病目的的方法。78现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能u 基因治疗的基本程序基因治疗的基本程序治疗性基因的选择和制备治疗性基因的选择和制备基因载体的选择基因载体的选择靶细胞的选择靶细胞的选择基因导入方式选择基因导入方式选择外源基因表达的筛选外源基因表达的筛选 利用在体中的标记基因利用在体中的标记基因病毒载体（逆转录病毒、腺病毒）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）非病毒载体（脂质体、直接注射等）体细胞（造血体细胞（造血c c、肝、肝c c、淋巴、淋巴c c等）等）生殖细胞（国际上严禁使用）生殖细胞（国际上严禁使用）间接体内疗法（回输法）间接体内疗法（回输法）体外途径体外途径直接体内疗法直接体内疗法体内途径体内途径基因克隆定位表达评价表达基因克隆定位表达评价表达情况情况79现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能u 基因治疗的主要策略基因治疗的主要策略基因矫正基因矫正(gene correction)基因置换基因置换(gene replacement)基因增补基因增补(gene augmentation)基因失活基因失活(gene inactivation)直接基因治疗直接基因治疗间接基因治疗间接基因治疗80现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能反义核酸技术反义核酸技术核酶技术核酶技术三链技术三链技术RNA干扰干扰技术技术u 基因失活技术基因失活技术81现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能基因治疗实例基因治疗实例1、复合免疫缺陷综合征的基因治疗复合免疫缺陷综合征的基因治疗 （人类（人类Gene治疗成功例子）治疗成功例子）ADA缺乏症缺乏症-致死性疾病，患者由于致死性疾病，患者由于腺腺苷酸脱氨酶（苷酸脱氨酶（ADA）缺乏。缺乏。82现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能ADA-Gene +vector（逆转录病毒）（逆转录病毒）重组分子重组分子 患者患者T Ly C IL-2刺激刺激C分裂分裂 导入导入 细胞生长分裂细胞生长分裂 10天天 Gene表达表达 回输患儿体内回输患儿体内 12月治疗一次月治疗一次,10个月个月患儿体内患儿体内ADA水平达正常人的水平达正常人的25%83现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能2、乙型血友病、乙型血友病XR，患者，患者凝血因子凝血因子缺乏缺乏，因子基因定位因子基因定位在在Xq26.3q27.2。临床表现，易出血，凝血临床表现，易出血，凝血时间长，轻伤、小手术后常出血不止。发病时间长，轻伤、小手术后常出血不止。发病率为率为1/30000。例如：我国学者薛京伦实施的例如：我国学者薛京伦实施的F的基因治疗。的基因治疗。84现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能逆转录病毒载体逆转录病毒载体+FcDNA 重组体 5 LTR F neo SV PSO LTR 3导入仓鼠细胞（导入仓鼠细胞（CHO）F表达；表达；导入乙型血友病患者皮肤成纤维细胞（体外培养）导入乙型血友病患者皮肤成纤维细胞（体外培养）F表达；表达；91年，导入乙型血友病患者皮肤成纤维细胞（体外年，导入乙型血友病患者皮肤成纤维细胞（体外培养）培养）回植病人皮下回植病人皮下F基因表达，基因表达，F基表达基表达水平达正常人的水平达正常人的5%。是我国基因治疗成功的例子。是我国基因治疗成功的例子。85现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能3、黑色素瘤的基因治疗、黑色素瘤的基因治疗肿瘤肿瘤Gene治疗治疗是人们十分关注的问题，进行了是人们十分关注的问题，进行了广泛的探索。研究发现广泛的探索。研究发现，肿瘤浸润淋巴细胞肿瘤浸润淋巴细胞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。无副作用，利用此特点协助治疗肿瘤。86现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能例：细胞因子基因治疗和肿瘤坏死因子基因例：细胞因子基因治疗和肿瘤坏死因子基因治疗治疗IL-2 Gene TNF-Gene（白介（白介2）（肿瘤坏死因子）（肿瘤坏死因子）逆转录病毒载体逆转录病毒载体 导入导入 TIL（体外培养的自体细胞）（体外培养的自体细胞）回植患者体内回植患者体内 TIL进入自体肿瘤部位，提高细胞因子杀伤肿瘤细进入自体肿瘤部位，提高细胞因子杀伤肿瘤细胞胞 的作用。的作用。87现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能4、自杀基因的基因治疗、自杀基因的基因治疗 原理：原理：即用（逆转录）病毒载体将编码某种即用（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，此酶的基因（自杀基因）转染到肿瘤细胞中，此酶可将一种酶可将一种无害无害的药物前体转变为的药物前体转变为细胞毒复合细胞毒复合物物，进而杀伤肿瘤细胞（肿瘤细胞不能复制而，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死亡）。这种基因载体只能在特定的组织或肿特定的组织或肿瘤瘤中表达，而正常细胞中不表达。中表达，而正常细胞中不表达。88现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能如如：自杀基因自杀基因 +病毒载体病毒载体 转染转染 重组载体重组载体药物前体药物前体 无毒无毒Gene酶酶 药物复合物药物复合物 有毒有毒 细胞死亡细胞死亡89现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能例如：例如：单纯疱疹病毒单纯疱疹病毒 HSV Gene-TK （在肿瘤细胞中表达，正常细胞中不表达）（在肿瘤细胞中表达，正常细胞中不表达）GCV（胸苷类似物）（胸苷类似物）P GCV-p 抑制抑制DNA合成合成 肿瘤细胞死亡肿瘤细胞死亡 邻近细胞死亡邻近细胞死亡/凋亡（旁观者效应）凋亡（旁观者效应）90现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能u 基因治疗的临床应用基因治疗的临床应用肿瘤的基因治疗（肿瘤的基因治疗（61%61%病例病例）感染性疾病的基因治疗感染性疾病的基因治疗 艾滋病（艾滋病（24%24%病例病例）乙型肝炎乙型肝炎遗传病的基因治疗遗传病的基因治疗 心血管疾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神经系统疾病的基因治疗l 全球临床方案数达全球临床方案数达300多项，病例数超过多项，病例数超过 3500人，其中人，其中美国病例占美国病例占80%。91现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能二、二、RNA的功能的功能hnRNA mRNA （一）（一）mRNA 及及hnRNA的功能的功能内含子内含子(intron)外显外显子子(exon)断裂基因断裂基因 (DNA)92现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能u mRNA的功能的功能 把把DNA所所携携带带的的遗遗传传信信息息，按按碱碱基基互互补补配配对对原原则则抄抄录录下下来来，以以三三联联体体密密码码的的形形式式决决定定蛋蛋白质的氨基酸排列顺序。白质的氨基酸排列顺序。DNAmRNA蛋白蛋白转录转录翻译翻译原核细胞原核细胞 细胞质细胞质细胞核细胞核DNA内含子内含子外显子外显子转录转录转录后剪接转录后剪接转运转运mRNAhnRNA翻译翻译蛋白蛋白真核细胞真核细胞 93现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能u tRNA的一级结构特点：的一级结构特点：1.含有稀有碱基，如含有稀有碱基，如 DHU 甲基化嘌呤甲基化嘌呤 假尿假尿嘧啶嘧啶2.含有茎环结构含有茎环结构3末端为末端为 CCA-OH4.tRNA序列中有反密码子序列中有反密码子（二）（二）tRNA的功能的功能94现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能u tRNA的二级结构的二级结构三叶草形三叶草形氨基酸臂氨基酸臂DHU环环反密码环反密码环额外环额外环TC环环氨基酸氨基酸臂臂额外环额外环95现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能u tRNA的三级结构的三级结构 倒倒L形形96现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能u tRNAtRNA的功能：的功能：2.2.活化氨基酸；活化氨基酸；1.1.搬运氨基酸；搬运氨基酸；3.3.在在密码子密码子与对应与对应氨基酸氨基酸之间起接合体之间起接合体 (adaptoradaptor)的作用。的作用。如：如：密码子密码子GGUGGU-携带反密码子携带反密码子ACCACC的的tRNA-tRNA-GlyGly密码子密码子tRNAtRNA反密码子反密码子氨基酸是对号入座的。氨基酸是对号入座的。97现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能u rRNA的结构的结构（三）（三）rRNA的功能的功能urRNA的功能的功能：参参与与组组成成核核蛋蛋白白体体，作作为为蛋蛋白白质质生生物物合成的场所。合成的场所。98现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能u rRNA的种类的种类（根据沉降系数）（根据沉降系数）真核生物真核生物5S rRNA28S rRNA5.8S rRNA18S rRNA原核生物原核生物5S rRNA23S rRNA16S rRNA99现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能原核生物原核生物16S21种种 23S 5S31种种真核生物真核生物49种种28S 5.85S 5S18S33种种rRNA蛋白质蛋白质小亚基小亚基大亚基大亚基 (50S)(30S)(40S)(60S)小亚基小亚基大亚基大亚基100现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能（四（四）其他小分子）其他小分子RNA除除了了上上述述三三种种RNA外外，细细胞胞的的不不同同部部位位存存在在的的许许多多其其他他种种类类的的小小分分子子RNA，统统称称为为非非mRNA小小RNA(small non-messenger RNAs,snmRNAs)。u snmRNAs:101现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能u snmRNAs的的种类种类:核内小核内小RNA(small nuclear RNA,snRNA)核仁小核仁小RNARNARNA(small nucleolar RNA,snoRNA)胞质小胞质小RNA RNA(small cytoplasmic RNA,scRNA)催化性小催化性小RNA RNA(small catalytic RNA)小片段干涉小片段干涉 RNARNA (small interfering RNA,siRNA)起始起始RNARNA (initiator RNA，iRNA)微小微小RNA（micro RNA,miRNA）102现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能u snmRNAs的的功能：功能：U系列系列snRNA与蛋白质结合构成与蛋白质结合构成snRNP，参与参与hnRNA和和rRNA的加工和转运。的加工和转运。如如U1、U2、U3、U4、U5、U6等。等。多种多样多种多样 siRNA和和miRNA参与某些基因表达调控。参与某些基因表达调控。iRNA作为作为DNA合成的引物。合成的引物。103现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能Topic 2:miRNA in cancerTopic 2:miRNA in cancer微小微小RNA及其功能及其功能104现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能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。105现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能Figure 2.Expression of Expression of miR-124amiR-124a and and miR-1miR-1 in in Zebrafish,Medaka,Mouse,and Fly.Zebrafish,Medaka,Mouse,and Fly.miR-124a is restrictedly expressed in the brain and the spinal cord in fish and mouse or to the ventral nerve cord in the fly.The expression of miR-1 is restricted to the muscles and the heart in the mouse.青鳉青鳉斑马鱼斑马鱼小鼠小鼠果蝇果蝇Learning the miRNA function from its expression pattern106现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能miRNA controls some plant phenotype(控制植物表型特征控制植物表型特征)Jaw-miRNA 控制拟南芥叶形变化(Nature,2003)107现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能(Science2004)3 3种种miRNAmiRNA控制造血干细胞向淋巴细胞的分化过程控制造血干细胞向淋巴细胞的分化过程miRNA controls the differentiation of the hematopoietic stem cell(调控造血干细胞的调控造血干细胞的分化分化)108现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能miRNAs in human:There are about 500 miRNAs from human have been found and annotated.They are named as has-miRhas-miRx.Cell发表哺乳动物发表哺乳动物microRNA表达图谱表达图谱P.Landgrafetal.,AMammalianmicroRNAexpressionatlasbasedonsmallRNAlibrarysequencing,Cell,June29,2007.109现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能miRNA expression pattern changes during oncogenesis,and is unique for each cancer.微小微小RNARNA在癌症发生中表达谱的变化在癌症发生中表达谱的变化110现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能111现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能Figure 3,Comparison between normal and tumor samples reveals global changes in miRNA expression.112现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能Some microRNAs are potential oncogenes 有些微小有些微小RNARNA可能是致癌基因。可能是致癌基因。113现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能B-B-细胞淋巴瘤细胞淋巴瘤114现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能Figure 1.The mir-1792 cluster shows increased Figure 1.The mir-1792 cluster shows increased expression in B-cell lymphoma samples and cell lines.expression in B-cell lymphoma samples and cell lines.The level of mir-1792 pri-miRNA was determined by real-time quantitative RT-PCR in 46 lymphomas and 47 colorectal carcinomas,and compared to levels found in corresponding normal tissues from five individuals.115现代分子生物学遗传物质的性质结构与功能Figure 2.Overexpression of the mir-1719b cluster Figure 2.Overexpression of the mir-1719b cluster accelerates c-myc-induced lymphomagenesis in m