2019-2020年高二生物基因的结构 人教版.doc

2019-2020年高二生物基因的结构 人教版教案示例第三章 第二节 基因的结构教学模式：小组讨论探究学习。课时安排：一课时教学手段：实物投影仪，印制相关的文字资料。教学过程：1基因的概念，何谓遗传效应？2基因的分子结构。1）原核细胞的基因结构教师展示原核细胞的基因结构，引导学生认识其中分为编码区和非编码区，在编码区重要的一个结合位点是RNA聚合酶结合点。2）真核细胞的基因结构教师展示真核细胞的基因结构，引导学生发现其中的特点，并将它与原核细胞进行对比。总结真核细胞编码区的特点是编码区是间隔的，不连续的。3思考：唾液淀粉酶和胃蛋白酶的基因存在于人体的什么细胞中？为什么细胞含基本相同的基因，但只有唾液腺细胞中合成唾液淀粉酶、胃腺细胞中合成胃蛋白酶呢？能明白基因的结构不仅包括能转录成信使RNA的片段，还应具有调控序列。4分析材料，了解人类基因组研究教师指导学生活动提供材料，学生分组讨论这些资料。材料一人类基因组计划是人类历史上第一次由全世界各国不分大小、不分强弱，所有科学家一起执行的科研项目。实施人类基因组计划伊始，发达国家具有远见的科学家即号召全球各个国家的政府都重视这一项目，并号召全世界科学家共同参与，建议所有的进展、所有的数据、所有的实验资源应随时公布于众，让全世界所有国家兔费享用。在实施过程中，各国科学家精诚合作、共享材料、共享数据，共同攻关。这在人类自然科学史上，是史无前例的。人类基因组计划与另两个有全球性意义的项目，即曼哈顿原子弹计划和阿波罗登月计划相比，更显示了人类的谐同与进步。材料二人类基因组计划（Human Genome Project， HGP）也称人类基因测序计划，主要目标是完成对人类的基因组的所有碱基序列的测定，阐明人体中全部基因的位置、结构、功能、表达、调控方式及致病突变的全部信息。材料三20世纪70年代的人类疾病的“基因论”之说，无疑是人类基因组计划的主要思路。不仅疾病与基因有关，人类的生存、出生、生长都与基因有关，都与DNA的序列有关。正如著名的诺贝尔奖获得者、意大利的杜伯克在他发表的一篇文章，即后来被称为“人类基因组计划”的“标书”之中写的：人类的DNA序列是人类的真谛。这个世界上发生的一切，都与之息息相关。正如杜伯克说的：既然大家都知道基因的重要性，那我们就只有两种选择，一是“零敲碎打”，大家都去“个体作业”，去研究自己“喜欢”的，认为是重要的基因。而另一种选择呢？则是前所未有的大胆说法：从整体上来搞清楚人类的整个基因组，集中力量先认识人类的所有基因。资料四1989年美国成立“国家人类基因组研究中心”。诺贝尔奖获得者、 DNA分子双螺旋模型提出者沃森（Jwaston）出任第一任主任。1990年，历经5年辩论之后，美国国会批准美国的“人类基因组计划”于同年10月1日正式启动。美国的人类基因组计划总体规划是：拟在15年内至少投入30亿美元，进行对人类全基因组的分析。此计划在1993年作了修改，其主要内容包括：人类基因组的基因图构建与序列分析；人类基因的鉴定；基因组研究技术的建立；人类基因组研究的模式生物；信息系统的建立。此外，还有人类基因组研究的社会、法律与伦理问题，交叉学科的技术训练，技术的转让，研究计划外延等共9方面的内容。资料五：人类基因组草图也仅仅是草图1990年首先在美国启动的“人类基因组计划”是为了测定组成人类基因组的核苷酸序列。人类基因组大约由30亿个碱基对组成，打个比方，就像是一部由30亿个由ATCG四个字母交替组成的大书。这个计划的目的，就是要知道这四个字母的排列顺序。但是由于技术的原因，在测序之前，需要先把这本书撕成许多个片断分别阅读，然后再把这些片断拼接起来恢复成一本完整的书。所谓完成了“工作草图”，这仅仅指的是初步把这些片断拼凑了起来，里面还有空白和错误，并不是一本完整准确的书。即使在两三年以后得到了完整的书，也绝不意味着就读懂了这本书。知道了基因组序列并不是就破译人类基因的奥秘。人类基因组绝大部分是没有功能意义的DNA序列，只有少部分是有意义的，包括了大约十万个基因。在获得基因组完整序列之后，下一步的工作，是把其中的全部基因找出来。只有找到了这十万个基因，了解了其编码的蛋白质的结构和基本功能以及基因调控的机制，才可以说初步破译了人类基因的奥秘，这是极其艰巨的工作，目前已从基因组序列找出来的人类基因已有三万多个，但是能跟被编码的蛋白质对上号的，也不过数千个。最乐观的估计，没有几十年的时间，不可能初步完成这项破译，而如果要把所有蛋白质的相互关系研究透彻，那要花上更长久的时间。即使到了这个遥遥无期的时刻，也绝不意味着我们完全掌握了人类遗传的奥秘。人类基因组计划是源于一个并不恰当的观念，以为存在着一种典型的纯粹的人，可以用少数几个人（塞来拉公司用的是5个不同种族的人）的基因组来代表人类基因组。但是人类的遗传有着无限多的变异性。基因的变异远多于蛋白质的变异，并不存在一本单一的基因标准“密码本”。如果将某些个特定个体的遗传当成了人类遗传的标准而忽视了人类遗传的多样性，是极其危险的。人类基因组的完整序列，无疑能成为遗传学研究的重要工具，至少，它有助于我们更快速地鉴定、克隆人类基因，特别是那些已先在别的生物中发现的基因。但是，人类基因组序列所起的作用是相当有限的。就像一张地图，它能给旅行者带来很大的便利，却不能保证就能达到目的地。何况还存在着无数不尽相同的地图。人类基因组序列的获得，只是全面破译人类遗传奥秘的起点，而不是结束。自叩问基因时代的争论方舟子著 P35。资料六：六国科学家公布人类基因组细节研究成果新华网华盛顿2月11日专电（记者吴伟农）人类基因计划、美国塞莱拉遗传信息公司、美国科学杂志和英国自然杂志联合宣布，继科学家去年绘制成功人类基因组工作框架图之后，他们又绘制出了更加准确、清晰、完整的人类基因组图谱，对人类基因的面貌有了新的发现：一、基因数量少得惊人。一些研究人员曾经预测人类约有14万个基因，但塞莱拉公司将人类基因总数定在26383万到39114万个之间。如果最终确定出的基因数在这个范围内，比如3万个左右，那么，人类只比果蝇多大约1.3万个基因。塞莱拉公司的科学家测出的序列准确地覆盖了基因组的95，并已经确定了所有基因的2/3，平均测序精度为99.96。二、人类基因组中存在“热点”和大片“荒漠”，人类基因组序列中所谓的“荒漠”就是包含极少或根本不包含基因的部分，基因组上大约14的区域是长长的、没有基因的片段。基因密度在第17、第19和第22号染色体上最高，在X染色体，第4、第18号和Y染色体上相对贫瘠。三、35.3的基因组包含重复的序列。这意味着所有这些重复序列，即原来被认为的“垃圾DNA”应该被进一步研究。事实上，第19号染色体57是重复的。除了重复片段，科学家还鉴定了210万个人与人之间不同的基因序列，这些序列被称为“单核苷酸多态性”，它们通常是无害的。四、地球上人与人之间99.99的基因密码是相同的。研究发现，来自不同人种的人比来自同一人种的人在基因上更为相似。在整个基因组序列中，人与人之间的变异仅为万分之一。在谈到这一发现的意义时，科学杂志总编肯尼迪说，塞莱拉科学家揭示的人类基因组面貌是一项出色的成就，它代表了所有迄今完成的最准确的人类基因组，也为人类医学新发展提供了崭新的、激动人心的前景。学生活动学生分组阅读、讨论上述资料。教师活动教师提出具体问题，并用实物投影仪投射在大屏幕上。1.人类基因组计划于哪年启动？耗资多少？有哪些国家参与？2.人类基因组计划的研究对象是什么？3.耗此巨资意义何在？我国有什么必要参与其中？4. 2000年6月26日宣布的“人类基因组草图”完成的是什么？是不是如同中国青年报（2000年6月27日）所言“人类基因密码破译”？5.某报道说，当某科学家被记者问到，以后是否可能用转基因技术创造出从事特殊服务的“新人类”，如不吃不拉埋头苦干的转基因奴隶时，他断言“这是可能的！”（南方周未2000年7月7日）你的意见呢？6.由于人类基因组计划的实施，某科学家预言：“不久的几年内，人们将看到一份描述人类自身的说明书，它是一本完整地讲述人体构造和运转情况的指南，届时危害人类健康的5 000种遗传病以及与遗传密切相关的癌症、心血管疾病、关节炎、糖尿病、高血压、精神病等，都可以得到早期诊断和治疗。你同意此种说法吗？ 重点提示：1基因是有遗传效应的DNA片段，此中遗传效应是指能转录为mRNA，继而翻译为蛋白质，或转录为核糖体RNA、转运RNA的功能。2原核生物的基因结构包括编码区与非编码区（即调控序列）。3编码区上游的非编码区中有重要的RNA聚合酶结合位点。4真核生物的基团结构与原核生物的基因结构基本相似，只是编码区是间隔的、不连续的，可编码蛋白质的序列（即外显子）被不能编码蛋白质的序列（即内含子）隔开。而且外显子序列在整个基因中所占的比例较小。5关于人类基因组计划要明确：研究对象是人体的22对常染色体和两条性染色体上的全部基因，研究内容是得到四张图，启动时间是1990年，共有美英法德日中六个参与国，我国承担其中1的测序任务。2000年6月26日颁布的基因组草图不等于人类基因组的全部碱基序列。6了解我国科学家除了积极参与国际人类基因组的研究外，还积极开展水稻与家猪基因序列的研究以及中华民族基因组若干位点基因结构的研究。 板书设计：教案点评：21世纪是生物技术的世纪，其中基因的概念频繁出现在各种媒体中，学生已经可以通过互联网接触到较多的关于生物技术与基因的多方面资料，本节的教学可以让学生认真地阅读教材，并补充较多的阅读资料可以帮助学生复习关于DNA与基因。 DNA的转录与翻译的知识，增加课堂内的信息量。教师提出具体的教学目标，也能较好地保证教学效果。关于人类基因组计划应给学生一个科学的概念，不能满足于报纸上的宣传，不能仅让学生有一个含糊的了解，要纠正媒体宣传上的某些错误，要让学生了解基因组计划的艰巨性，充分估计人类基因组计划完成以后对人类生活可能造成的影响，理性思考科学进步的意义与价值。扩展资料基因概念的发展基因作为遗传学中的专用术语，其概念每发展一步都意味着遗传学乃至整个生物学的一次革命和突破，其内容的每次丰富和充实都凝聚着生物学家的滴滴心血。基因概念的提出遗传学的奠基人孟德尔（Gregor Johann Mendel 18221884），在布尔诺的奥古斯丁教派修道院的菜园里，挥洒了8年的汗水，于1865年2月在奥地利自然科学学会会议上报告了自己植物杂交研究结果，第二年在奥地利自然科学学会年刊上发表了著名的植物杂交试验的论文。文中指出，生物每一个性状都是通过遗传因子来传递的，遗传因子是一些独立的遗传单位。这样把可观察的遗传性状和控制它的内在的遗传因子区分开来了，遗传因子作为基因的雏形名词诞生了。可以说，遗传因子实际上是孟德尔根据其实验结果所虚拟假想的某种东西，从那时起遗传学家踏上了寻找基因实体的艰难历程。1903年萨顿（W.S. Sutton 18771916）和鲍维里（T.Boveri 18621915）两人注意到在杂交试验中遗传因子的行为与减数分裂和受精中染色体的行为非常吻合，他们作出遗传因子位于染色体上的萨顿-鲍维里假想。这种假想可以很好地解释孟德尔的两大规律，在以后的科学实验中也得到了证实，即被称为遗传的染色体理论。1909年丹麦遗传学家约翰逊（W.Johansen 18591927）在精密遗传学原理一书中提出基因概念，以此来替代孟德尔假定的遗传因子。从此，基因一词一直伴随着遗传学发展至今。基因结构和功能的探索摩尔根（Thoman Hunt Morgan 18661945）和他的学生们利用果蝇作了大量的潜心研究。1926年他的巨著基因论出版，从而建立了著名的基因学说，他还绘制了著名的果蝇基因位置图，首次完成了当时最新的基因概念的描述，即基因以直线形式排列，它决定着一个特定的性状，而且能发生突变并随着染色体同源节段的互换而交换，它不仅是决定性状的功能单位，而且是一个突变单位和交换单位。至此，人们对基因概念的理解更加具体和丰富了。但基因到底是何物?其物质结构和化学组成怎样?它是怎样决定遗传性状的?当时一无所知。自从1900年孟德尔定律重新发现后，基因怎样控制性状的问题引起了许多遗传学家的浓厚兴趣。经过他们孜孜以求的努力，又出现了一批重要成果。如1941年比德尔（G.W. Beadle 1903）和塔特姆（E.L. Tatum 19091975）提出一个基因一个酶学说，证明基因通过它所控制的酶决定着代谢中生化反应步骤，进而决定生物性状。1949年鲍林（L.C.Pauling1901）与合作者在研究镰刀型细胞贫血症时推论基因决定着多肽链的氨基酸顺序，这样20世纪40年代末至20世纪50年代初，基因是通过控制合成特定蛋白质以控制代谢决定性状原理变得清晰起来。1944年艾弗里（O.T. Avery 18771955）、麦卡蒂（M.McCarty 1911）等人发表了关于转化因子的重要论文，首次用实验明确证实：DNA是遗传信息的载体。1952年赫尔希（A.D. Hershey）和蔡斯（M.M. Chase 1927）进一步证明遗传物质是DNA而不是蛋白质。1953年美国分子生物学家沃森（J.D. Watson）和英国分子生物学家克里克（F.H.C. Crick）通力协作，根据X射线衍射分析，提出了著名的DNA双螺旋结构模型，进一步说明基因成分就是DNA，它控制着蛋白质合成。基因本质的确定为分子遗传学发展拉开了序幕。1957年法国遗传学家本滋尔（Benzer）以T4噬菌体作为研究材料分析了基因内部的精细结构，提出了顺反子学说。这个学说打破了过去关于基因是突变、重组、决定遗传性状的三位一体概念及基因是最小的不可分割的遗传单位的观点，从而认为基因为DNA分子上一段核苷酸顺序，负责着遗传信息传递，一个基因内部仍可划分若干个起作用的小单位，即可区分成顺反子、突变子和重组子。一个作用子通常决定一种多肽链合成，一个基因包含一个或几个作用子。突变子指基因内突变的最小单位，而重组子为最小的重组合单位，只包含一对核苷酸。所有这些均是基因概念的伟大突破。关于基因的本质确定后，人们又把研究视线转移到基因传递遗传信息的过程上。在20世纪50年代初人们已懂得基因与蛋白质间似乎存在着相应的联系，但基因中信息怎样传递到蛋白质上这一基因功能的关键课题在20世纪60年代至20世纪70年代才得以解决。从1961年开始，尼伦伯格（M.W. Nirenberg）和科拉纳（H.G. Khorana）等人逐步搞清了基因以核苷酸三联体为一组编码氨基酸，并在1967年破译了全部64个遗传密码，这样把核酸密码和蛋白质合成联系起来。然后，沃森和克里克等人提出的中心法则更加明确地揭示了生命活动的基本过程。1970年特明（H.M. Temin）以在劳斯肉瘤病毒内发现逆转录酶这一成就进一步发展和完善了中心法则，至此，遗传信息传递的过程已较清晰地展示在人们的眼前。过去人们对基因的功能理解是单一的即作为蛋白质合成的模板。但是1961年法国雅各布（F. Jacob）和莫诺（J.L. Monod）的研究成果，又大大扩大了人们关于基因功能的视野。他们在研究大肠杆菌乳糖代谢的调节机制中发现了有些基因不起合成蛋白质模板作用，只起调节或操纵作用，提出了操纵子学说。从此根据基因功能把基因分为结构基因、调节基因和操纵基因。基因概念的进一步发展70年代后，基因的概念随着多学科渗透和实验手段日新月异又有突飞猛进的发展，主要有以下几个方面。1、基因具重叠性。1977年桑格（F. Sanger）领导的研究小组，根据大量研究事实绘制了共含有5375个核苷酸的X174噬菌体DNA碱基顺序图，第一次揭示了遗传的一种经济而巧妙的编排-B和E基因核苷酸顺序分别与A和D基因的核苷酸顺序的一部分互相重叠。当然它们各有一套读码结构，且基因末端密码也有重叠现象（A基因终止密码子TGA和C基因起始密码子ATG重叠2个核苷酸；D基因的终止密码子TAA与J基因起始密码子ATG互相重叠1个核苷酸，顺序为TAATG）2、内含子和外显子。人们在研究小鸡卵清蛋白基因时发现其转录形成的mRNA只有该基因长度的1/4，其原因是基因中一些间隔序列的转录物在RNA成熟过程中被切除了。这些间隔序列叫内含子，基因中另一些被转录形成RNA的序列叫外显子。小鸡的卵清蛋白基因中至少含7个内含子。因而从基因转录效果看，基因由外显子和内含子构成。3、管家基因和奢侈基因。具有相同遗传信息的同一个体细胞间其所利用的基因并不相同，有的基因活动是维持细胞基本代谢所必须的，而有的基因则在一些分化细胞中活动，这正是细胞分化、生物发育的基础。前者称为管家基因，而后者被称为奢侈基因。4、基因的游动性。早在20世纪40年代美国遗传学家麦克林托克（B.McClintock）在玉米研究中发现转座因子，直至1980年夏皮罗（J.Shapiro）等人证实了可移位的遗传基因存在，说明某些基因具有游动性。为此，这位玉米夫人荣获了1983年度诺贝尔奖。所有这些成果无疑给基因概念中注入鲜活科学的内容，帮助人们揭开层层面纱去更加全面了解基因的真面目。时代在发展，科学在进步，基因概念的深入发展，必将对人类的文明进步产生强大的推动作用。结构基因的结构人类结构基因4个区域：编码区，包括外显子与内含子；前导区，位于编码区上游，相当于RNA5末端非编码区（非翻译区）；尾部区，位于RNA3编码区下游，相当于末端非编码区（非翻译区）；调控区，包括启动子和增强子等。基因编码区的两侧也称为侧翼顺序。1外显子和内含子 大多数真核生物的基因为不连续基因（interruptesd或discontinuous gene）。所谓不连续基因就是基因的编码顺序在DNA分子上是不连续的，被非编码顺序所隔开。编码的顺序称为外显子（exon），是一个基因表达为多肽链的部分；非编码顺序所称为内含子（intron）,又称插入顺序（intervening sequence,IVS）。内含子只转录，在前mRNA(pre-mNRA)时被剪切掉。如果一个基因有几个内含子，一般总是把基因的外显子分隔成n+1部分。内含子的核苷酸数量可比外显子多许多倍。2外显子内含子接头每个外显子和内含子接头区都有一段高度保守的一致顺序（consensus seqence）,即内含了5末端大多数是GT开始，3末端大多是AG结束，称为GT-AG法则，是普遍存在于真核基因中RNA剪接的识别信号。3侧翼顺序在第一个外显子和最末一个外显子的外侧是一段不被翻译的非编码区，称为侧翼顺序（flanking sequence）。侧翼顺序含有基因调控顺序，对该基因的活性有重要影响。4启动子 启动子（promoter）包括下列几种不同顺序，能促进转录过程：（1）TATA框（TATA box）：其一致顺序为TATAATAAT。它约在基因转录起始点上游约-30-50bp处，基本上由A-T碱基对组成，是决定基因转录始的选择，为RNA聚合酶的结合处之一，RNA聚合酶与TATA框牢固结合之后才能开始转录。（2）CAAT框（CAAT box）：其一致顺序为GGGTCAATCT，是真核生物基因常有的调节区，位于转录起始点上游约-80-100bp处，可能也是RNA聚合酶的一个结合处，控制着转录起始的频率。（3）GC框（GC box）：有两个拷贝，位于CAAT框的两侧，由GGCGGG组成，是一个转录调节区，有激活转录的功能。此外，RNA聚合酶负责转录tRNA的DNA和5SrDNA，其启动子位于转录的DNA顺序中，称为下游启动子。5增强子在真核基因转录起始点的上游或下游，一般都有增强子（enhancer）,它不能启动一个基因的转录，但有增强转录的作用。此外，增强子顺序可与特异性细胞因子结合而促进转录的进行。研究表明，增强子通常有组织特异性，这是因为不同细胞核有不同的特异因子与增强子结合，从而对基因表达有组织、器官、时间不同的调节作用。例如人类单拷贝胰岛素基因5末端上游约250 bp处有一组织特异性增强子，在胰岛细胞中有一特异因子可作用于该区以增强胰岛素基因的转录和翻译，其它组织中无此因子，这是何以胰岛素基因只有在胰岛细胞中才得以很好表达的原因。6终止子在一个基因的末端往往有一段特定顺序，它具有转录终止的功能，这段终止信号的顺序称为终止子（termianator）。终止子的共同顺序特征是在转录终止点之前有一段回文顺序，约7-20核苷酸对。回文顺序的两个重复部分分由几个不重复碱基对的不重复节段隔开，回文顺序的对称轴一般距转录终止点16-24bp。在回文顺序的下游有6-8个A-T对，因此，这段终止子转录后形成的RNA具有发夹结构，并具有与A互补的一串U，因为A-U之间氢健结合较弱，因而RNA/DNA杂交部分易于拆开，这样对转录物从DNA模板上释放出来是有利的，也可使RNA聚合酶从DNA上解离下来，实现转录的终止。人类基因组计划的概述一、人类基因组计划的由来在人类刚刚进入 世纪的时候，回顾过去一百年中所取得的辉煌成就，最激动人心的伟大创举之一就是和曼哈顿原子弹计划、人类登月计划一起被誉为本世纪科学史上三个里程碑的人类基因组计划 (Human Genome Project, HGP)。这一人类历史上最伟大的工程从讨论到实施经历了十几年的时间。1984年, 在美国Alta Utah 召开的专业会议上，一些科学家已开始讨论对人类基因组 进行全序列分析的前景。1985 年5 月，在美国加州的 Santa Cruz 由 Robert Sinsheimer 组织的专门会议上，提出了测定人基因组全顺序的动议.1986年，美国生物学家、诺贝尔奖获得者Renato Dulbecco 在Science上发表短文首次提出人类基因组计划的设想，并建议组织国家级和国际级的项目来进行这方面的研究。1986年3月， 美国能源部在召开的一次专门会议上， 正式提出实施测定人类基因组全顺序的计划。1988年4月，国际人类基因组织（HUGO）成立。1988年10月美国能源部和美国国立卫生研究院达成协议，共同管理和实施这一计划。1990年10月由美国国会批准正式启动 研究，随后法国、英国、意大利、德国、日本等也相继宣布开始各自的 研究。中国于1987年在863计划中开始设立人类基因组研究课题。二、人类基因组计划的目标人类基因组计划是一项国际性的研究计划。它的目标是通过以美国为主的全球性的国际合作，在大约15年的时间里完成人类24条染色体的基因组作图和DNA全长序列分析，进行基因的鉴定和功能分析。人类基因组计划的科学产品将是一个人类遗传信息数据库，将是一本指导人类进化的说明书。 人类基因组计划的最终目标就是确定人类基因组所携带的全部遗传信息，并确定、阐明和记录组成的人类基因组的全部DNA序列。有人将HGP比作一张20世纪的生命（生物学）周期表，因为它一改经典分子生物学零敲碎打地研究个别基因的习惯，而力求在细胞水平上解决基因组的问题，同时研究10万个基因及其产物，以建立对生命现象的整体认识。三、人类基因组研究的应用人类基因组计划的成果不仅可以揭示人类生命活动的奥秘，而且人类6千多种单基因遗传性疾病和严重危害人类健康的多基因易感性疾病的致病机理有望得到彻底阐明，为这些疾病的诊断、治疗和预防奠定基础。同时，人类基因组计划的实施还将带动医药业、农业、工业等相关行业的发展，产生极其巨大的经济效益和无法估量的社会效益。要想完成这样一个雄心勃勃的计划，必须要发展一系列新的实验技术及手段为科学家、医生及其他研究者所共享，从而使研究成果能够尽快的服务于公众。日新月异的生物医学研究是人类基因组计划的另一受益者。随着计划的不断发展，将培养出能熟练使用研究工具、利用知识资源、从事使整个人类的健康水平不断提高的生物学家。自从人类基因组计划一开始，人们就清楚地认识到获得和利用这些遗传学知识对个人、社会都具有重大意义。社会也形成了许多关于公众和专业讨论的政策机构，参与人类遗传学研究与伦理、法律及社会有关问题的分析。1、 在医学领域的应用（1）对特殊疾病基因的确定人体的各种器官系统和组织常受到各种特殊疾病的侵袭，这些疾病对人类健康关系重大，但通过常规医疗手段无法进行诊断和治疗。通过认识这些疾病的基因序列及确定发生了规律性改变的DNA片段，为这类疾病的诊断和治疗提供了可能。比如，杜兴肌营养不良、慢性肉芽肿、视网膜母细胞瘤、亨廷顿氏舞蹈症和家族性早老年痴呆症等基因就是依赖于人类基因组计划的实施。各种人类基因组图谱会使寻找与特定遗传疾病有关的基因的工作变得容易。以限制性内切酶酶切片段长度多态性（RFLPs）为基础的精细遗传连锁图谱将很快地使与疾病有关的位点定位在染色体亚区上成为可能。利用DNA克隆库和限制酶切图谱，人们可以对正常的患者的DNA进行有效的分析比较，达到对某一疾病的基因进行定位的目的。人类基因组的DNA全序列将有助于证实假定存在的所有基因，可为分析病人DNA样品的序列提供一个数据库。（2）有利于优生和产前诊断人类对基因组的了解会推动对遗传性疾病的诊断和预防。随着分离到的疾病基因的增多，以DNA为基础的诊断会更为普遍。医生和遗传学家可以通过基因检测，识别出带有遗传疾病的胚胎细胞，比如：囊性纤维变性和镰状细胞性贫血。在不久的将来，胎儿期的检测也许能够预测一般的常见病，比如：肥胖症、抑郁症和心脏病等。应用遗传座位专一性的分子探针，可检测出疾病基因的携带者，将使父母了解其子女出现遗传缺陷的危险程度。（3）加强对癌症的认识和治疗癌症的高死亡率严重地威胁着人类生命。癌症是由于细胞生长失控造成的。分子遗传学研究表明，细胞分裂的失控是因为特定基因的异常造成的。遗传的缺陷通常会使人体对特定的癌症具有高的易感性。寻找与癌症相关的基因的研究是当前医学研究的热点之一。人类基因组计划将会大大地促进这方面的研究。一旦确定了易感基因，就可以进行癌前或早期癌症的特殊监护和治疗。尽管，人类对癌症的认识已有很大的进步，但是仍然存在着许多问题。何种正常蛋白质参与了细胞生长？这类蛋白质的改变如何使细胞发展成肿瘤，进而扩散到远处的器官？这些变化的远遗传机制是什么？人体肿瘤的癌基因或癌转移有关基因的类型如何？这些问题的解决将依赖于人类基因组计划的研究。（4）有利于医学生物学的研究确定人类基因组中的转座子（transposon）、逆座子(retroposon)和病毒残余序列的分布,了解有关病毒基因组侵染人类基因组的情况, 可指导人类有效地利用病毒载体进行基因治疗.对染色体和个体之间的多样性的研究结果可被广泛用于基因诊断、个别识别、亲子鉴定、组织配型、发育进化等许多医疗、司法和人类学的研究中.研究DNA的突变、重排和染色体断裂等, 了解疾病的分子机制, 包括遗传性疾病、易感性疾病、放射性疾病和感染性疾病引发的分子病理学改变及其进程, 为这些疾病的预后以及分子水平上的诊断、预防和治疗提供依据.2、在基础理论研究方面的应用（1）确定人类基因组中基因的序列、组织和物理位置，有利于研究基因的功能以及它们相互之间在表达和调控机制方面的联系。（2）了解转录和剪接调控元件的结构与位置，有助于从整个基因组结构的宏观水平上理解基因转录与转录后的调控。（3）从整体上了解染色体结构，包括各种重复序列以及非转录框架序列的大小。了解各种重复序列和非转录序列在染色体结构、DNA复制、基因转录和表达调控中的影响和作用。（4）研究空间结构对基因调控的作用。有些基因表达的调控序列与被调控基因从直线距离上看，似乎相距较远，但若从整个染色体的空间结构上看则恰恰处于最佳的调控位置。因此有必要从三维空间的角度来研究真核基因的调控。（5）研究正常基因与突变基因的差别，会帮助阐明与正常的生理学和疾病发生都有关的新的生化和细胞学机制。尽快地确定出疾病基因，能使研究者对该基因的蛋白产物及其细胞生物学效应进行深入的研究。（6）有利于确立有重要功能意义的基因组组构的特征。 人类染色体含有许多不是基因的片段， 一些特定片段对细胞分裂前染色体复制和确保染色体组正确地分配到两个子细胞中是不可缺少的。 这些片段的性质及行使功能的机制鲜为人知，人类基因组的物理图谱将为探讨这些特定片段性质及作用的实验打下基础。（7）发现新的基因和蛋白质。迄今仅有少数参与正常和疾病的人类基因被确定。对人类基因组作图和测序将会确定出大量新的人类基因及其编码的蛋白质。另外，物理图谱将有助于对那些已大体定位在染色体上，但尚未分离出的基因进行精确定位。3、在生物学研究领域的应用（1）生物进化研究人类基因组记载着人类的进化史。如果知道了人和其它生物基因组的全序列，就有可能追溯出人类基因的起源。因为所有哺乳动物有着相似的蛋白质谱，所以哺乳动物之间的差异主要表现在受控的基因表达的时间、表达的水平，以及细胞类型专一的调控信号等方面。人胚胎的有序发育需要特定的场所和时间的活化，使多潜能细胞成为新类型的细胞，这一过程至少部分地受控于位于基因附近的调节顺序。这些顺序在其活化的基因中大多是同源的。对人类基因组进行顺序分析，并将与其它哺乳动物进行比较，将使我们能确定出大量的调节顺序。此外，我们将了解基因调控的规律，及其在人从其它哺乳动物分化出来的过程中在分子水平上所发生的变化。人类基因组研究的目的，不是为了单纯地积累数据，而是要揭示大量数据中所蕴藏的内在规律，从而更好地认识和保护生命。对基因和蛋白质结构数据的大量分析表明，生命体基因组所含的基因数量与基因编码的蛋白质的基本结构单位数存在着较大的差距，前者为105，后者仅为103左右。说明数量有限的蛋白质编码区段的倍增、重排和融合，产生了大量含有多个模块的复合基因，构成了庞大而复杂的人类基因组所编码序列。如果把一个基因比作一个个体，那些起源于同一祖先，在不同生物体中行使同一功能的基因群就可比作为一个门类，这些类似的基因被称为直向同源物（Ortholog）。 另一方面，同一生物体中由同一基因复制而产生的多个蛋白质的基因称为横向同源物（Paralog）。-珠蛋白、-珠蛋白和肌红蛋白的基因就是典型的Paralog的例子，它们是由脊椎动物中的祖先珠蛋白基因复制而来的。近年来， 由于基因资料的骤增，人们发现所有生物体中都富含Paralog的关系。（2）分子考古研究真核生物基因组中，编码序列仅占一小部分，而绝大部分的序列是非编码序列。其中相当于转座元件的重复序列家族又占据了相当大的一部分。转座元件可以通过RNA中间产物的逆转录，或DNA自身的切割和整合来完成转座功能。已知的转座因子可分为四类：短散在元件（SINE）、长散在元件（LINE）、长末端重复顺序逆转录病毒样元件和DNA转座子。研究表明，在人类基因组中存在着11x105个Alu顺序（一种SINE）和59x104个Linel顺序（一种LINE）。另外，基因组中某些不确定的系列可能也是由散在的重复系列组成，只是这些重复系列已相当退化而难以识别。有人推测，若能识别出退化的重复系列，则有可能50的人基因组和50以上的鼠基因组是由重复序列组成的。重复序列可能具有以下功能：（1）作为特异组织表达基因调控区内的重复序列；（2）通过易化同源重组、转座或倒位重塑基因组结构；（3）可能与基因组外现象（亲代印迹、位置作用的多样性等）有关。由于重复序列出现和持续的年代可由种系之间的比较来确定，它们可作为一种很有价值的时间标志，用于分子考古学的有关复杂基因位点的研究。真核细胞的基因结构在遗传学上通常将能编码蛋白质的基因称为结构基因。真核生物的结构基因是断裂的基因。一个断裂基因能够含有若干段编码序列，这些可以编码的序列称为外显子。在两个外显子之间被一段不编码的间隔序列隔开，这些间隔序列称为内含子。每个断裂基因在第一个和最后一个外显子的外侧各有一段非编码区，有人称其为侧翼序列。在侧翼序列上有一系列调控序列(图1)。调控序列主要有以下几种：在5端转录起始点上游约2030个核苷酸的地方，有TATA框(TATA box)。 TATA框是一个短的核苷酸序列，其碱基顺序为TATAATAAT。TATA框是启动子中的一个顺序，它是RNA聚合酶的重要的接触点，它能够使酶准确地识别转录的起始点并开始转录。当TATA框中的碱基顺序有所改变时，mRNA的转录就会从不正常的位置开始。在5端转录起始点上游约7080个核苷酸的地方，有CAAT框(CAAT box)。CAAT框是启动子中另一个短的核苷酸序列，其碱基顺序为GGCTCAATCT。CAAT框是RNA聚合酶的另一个结合点，它的作用还不很肯定，但一般认为它控制着转录的起始频率，而不影响转录的起始点。当这段顺序被改变后，mRNA的形成量会明显减少。在5端转录起始点上游约100个核苷酸以远的位置，有些顺序可以起到增强转录活性的作用，它能使转录活性增强上百倍，因此被称为增强子。当这些顺序不存在时，可大大降低转录水平。研究表明，增强子通常有组织特异性，这是因为不同细胞核有不同的特异因子与增强子结合，从而对不同组织、器官的基因表达有不同的调控作用。例如，人类胰岛素基因5末端上游约250个核苷酸处有一组织特异性增强子，在胰岛素细胞中有一种特异性蛋白因子，可以作用于这个区域以增强胰岛素基因的转录。在其他组织细胞中没有这种蛋白因子，所以也就没有此作用。这就是为什么胰岛素基因只有在胰岛素细胞中才能很好表达的重要原因。在3端终止密码的下游有一个核苷酸顺序为AATAAA，这一顺序可能对mRNA的加尾(mRNA尾部添加多聚A)有重要作用。这个顺序的下游是一个反向重复顺序。这个顺序经转录后可形成一个发卡结构(图2)。发卡结构阻碍了RNA聚合酶的移动。发卡结构末尾的一串U与转录模板DNA中的一串A之间，因形成的氢键结合力较弱，使mRNA与DNA杂交部分的结合不稳定，mRNA就会从模板上脱落下来，同时，RNA聚合酶也从DNA上解离下来，转录终止。AATAAA顺序和它下游的反向重复顺序合称为终止子，是转录终止的信号。真核细胞基因结构功能生物学的前沿课题著名生物学家威尔逊早在世纪年代就提出“一切生物学关键问题必须在细胞中找寻”。细胞是一切生命活动结构与功能的基本单位，细胞生物学是研究细胞生命活动基本规律的科学。 据此间光明日报近日报道，细胞生物学的研究范围广泛，其核心可归结为遗传和发育问题。遗传是在发育中实现的，而发育又要以遗传为基础。当前细胞生物学的主要发展趋势是用分子生物学及物理、化学方法，深入研究真核细胞基因组的结构及其表达的调节和控制，以期从根本上揭示遗传和发育的关系，以及细胞衰老、死亡和癌变的原因等基本生物问题，并为把遗传工程技术应用到高等生物，改变其遗传性提供理论依据。世纪年代以来，分子生物学取得很大进展，这些进展促进了细胞结构和功能调控在分子水平上的研究。 目前对细胞研究在方法学上的特点是高度综合性，使用分子遗传学手段，对新的结构成分、信号或调节因子的基因分离、克隆和测序，经改造和重组后，将基因（或蛋白质产物）导入细胞内，再用细胞生物学方法，如激光共聚焦显微镜、电镜、免疫细胞化学和原位杂交等，研究这些基因表达情况或蛋白质在活细胞或离体系统内的作用。分子遗传学方法和细胞生物学的形态定位方法紧密结合，已成为当代细胞生物学研究方法学上的特点。另一方面，用分子遗传学和基因工程方法，如重组技术、同源重组和转基因动植物等，对高等生物发育的研究也取得出乎意料的惊人进展。对高等动物发育过程，从卵子发生、成熟、模式形成和形态发生等方面，在基因水平的研究正全面展开并取得巨大进展。 自从“人类基因组计划”实施以来，取得了出乎意料的迅速进展。年月，国际人类基因组计划发布了“人类基因组工作框架图”，可称之为“人类基因草图”，这个草图实际上涵盖了人类基因组以上的信息。从“人类基因组工作框架图”中我们可以知道这部“天书”是怎样写的和用什么符号写的。年月，包括中国在内的六国科学家发布人类基因组图谱的“基本信息”，这说明人类现在不仅知道这部“天书”是用什么符号写的，而且已经基本读懂了这部“天书”。其他典型生物的基因组研究有的已经完成，有的正在进行。在对从低等到高等的不同生物门类的基因组、调控基因群，以及发育调控模式比较研究的基础上，已开始对发育和进化的关系进行探索。在基因和细胞水平，对遗传、发育和进化关系的探索已展现出乐观的前景。“后基因组时代”的生物学任务是基因组功能的研究，即对细胞的基因表达谱和蛋白质谱的研究，这些都将从根本上影响未来细胞生物学的发展趋向。正如过去各种生命现象的奥秘都要从细胞的结构和功能活动中寻求解答一样，目前对细胞的结构和功能，也要从基因组的结构和功能活动中寻求解答。基因、细胞和发育将是贯穿细胞生物学研究的主线。 真核细胞基因组结构及其功能调控，是未来细胞生物学研究的核心问题。另一方面是基因产物如何构建细胞结构，以及如何调节和行使细胞功能。细胞生物学和分子生物学将在对这两方面的研究中结合在一起，构成新世纪细胞生物学研究的主要内容分子细胞生物学。典型例题1以下关于基因结构中“与RNA聚合酶结合位点”的说法错误的是（ ）A“与RNA聚合酶结合位点”即是起始密码B“与RNA聚合酶结合位点”是转录RNA时与RNA聚合酶的一个结合点C“与RNA聚合酶结合位点”能够使酶准确地识别转录的起始点并开始转录。D“与RNA聚合酶结合位点”在转录m RNA时，起调控作用。【解析】解答该题需从如下三个方面入手分析：起始密码是m RNA开始的三个相邻碱基，翻译时，对应特定的甲硫氨酸或缬氨酸。启动子是基因中的一段碱基序列，对转录m RNA起调控作用，是RNA聚合酶结合的位点。启动子是RNA聚合酶的重要接触点，当RNA聚合酶与启动子结合后，能准确地识别转录的起始点并开始转录。解答该题时，很容易出现的思维障碍是易把启动子与起始密码混淆。排除障碍可采用下列方法：分清位置。起始密码存在于m RNA中，启动子存在于基因中。区分功能。起始密码是翻译的开始，是肽链的延长时的第一个氨基酸的位点；启动子在转录时，司RNA聚合酶的结合，控制m RNA的形成。【答案】 A2真核细胞的一个基因只能编码一种蛋白质，以下说法正确的是（ ）A它的编码序列只含一个外显子一个内含子B它的编码序列只含一个外显子和多个内含子C它的编码序列只含多个外显子和一个内含子D它的编码序列可含若干个外显子和内含子【解析】解答该题需从如下三个方面入手分析：通常情况下，真核细胞中一个基因只能编码一种蛋白质。真核细胞中基因的编码区是间隔的，不连续的，可分外显子和内含子。外显子与内含子相间存在，外显子比内含子数目多一个，不同的基因其外显子和内含子数目不同。解答该题时，很容易出现的思维障碍是对基因结构中外显子与内含子相间存在，且外显子多于内含子理解不透。排除障碍可采取下列方法：画一个真核细胞基因结构图，理解外显子与内含子存在情况。按照外显子比内含子多一个的规律去分析各选项。【答案】D3基因是由（ ）A编码区和非编码区两部分组成B外显子和内含子两部分组成CRNA聚合酶结合位点、外显子、内含子组成DRNA聚合酶结合位点、外显子组成【解析】此题考查的是基因结构的知识。解答此类题目须从以下三方面分析：明确原核细胞的基因结构，明确真核细胞的基因结构，明确原核细胞和真核细胞基因结构的共同点。题干中并未明确是原核细胞的基因，还是真核细胞的基因，实际要考查的就是原核细胞同真核细胞基因结构的共同点，选项中B、C、D均不是原核细胞同真核细胞基因结构的共同点，应选A。解答此类题目易出现的障碍：不能准确掌握基础知识。排除障碍的方法是：准确掌握基础知识运用比较的方法，在同中求异、在异中求同。【答案】A4人的一种凝血因子基因，有186000个碱基对，能够编码2552个氨基酸，试计算，凝血因子基因中外显子的碱基对在整个基因碱基对中所占的比例？从此比例中可以得出什么结论？【解析】此题涉及到真核细胞的基因结构和基因表达的知识。解答此类题目须从以下三方面分析：mRNA上的三个相邻碱基（密码子）决定一个氨基酸，mRNA是由DNA（基因）的一条链为模板转录来的，通过计算，只能计算出基因中编码区的外显子所含核苷酸数目，而非编码区和内含子中的核苷酸数目是计算不出来的。根据题意：mRNA上的碱基数为255237656，基因中的核苷酸数为7656215312个，即为7656对，外显子中碱基对所占的比例就为7656/1860001004。凝血因子基因中有186000个碱基对，而编码蛋白质的却仅占4，说明调控序列所占的比例较大，反映出真核细胞基因结构和功能的复杂性。解答此类题目易出现的障碍：（1）审题不清，易把碱基对数当成碱基个数。（2）不能从计算比例中得出正确结论。排除障碍的方法是：（1）认真审题；（2）灵活运用所学基础知识。【答案】4 在真核细胞中，编码序列所占比例很小，调控序列所占比例较大，说明了真核细胞基因结构及功能的复杂性。【选题角度】本题是一道综合分析题，涉及到真核细胞的基因结构和基因表达的知识，包括有高二学习到的mRNA上的三个相邻碱基（密码子）决定一个氨基酸，mRNA是由DNA（基因）的一条链为模板转录来的，以及这节内容讲到的真核细胞基因结构。本题的解答需要在已有的知识基础上进行推断，考查学生的推理能力和表达能力。习题精练第二节 基因的结构一、选择题1典型的原核细胞中的基因不含有（ ）A启动子 B编码区C内含子 D终止子2下面对基因结构的认识中，不正确的是（ ）A编码区能够转录为相应的信息RNA，参与蛋白质的完成B启动子、终止子包含在非编码区C真核细胞与原核细胞的基因结构完全一样D内含子是不能够编码蛋白质的序列3原核细胞的基因结构和真核细胞基因结构的不同之处是（ ）A原核细胞的基因结构没有编码区 B原核细胞的基因结构没有调控遗传信息表达的核苷酸序列C原核细胞的基因结构没有RNA聚合酶的结合点D原核细胞的基因结构中没有外显子和内含子4对真核细胞内的一个基因叙述正确的是（ ）A每一个基因中的外显子和内含子数目相同B不同基因的内含子长度相同C不同基因的外显子长度相同D不同基因中外显子和内含子的数目、长度均不相同5以下关于基因结构中“与RNA聚合酸结合位点”的作用的说法错误的是（ ）A“与RNA聚合酶结合位点”即是起始密码B“与RNA聚合酶结合位点”是转录RNA时与RNA聚合酶的一个结合点C“与RNA聚合酶结合位点”能够使酶准确地识别转录的起始点并开始转录D“与RNA聚合酶结合位点”在转录mRNA时，起调控作用6人们对基因的结构有所认识是在20世纪70年代中期，随着DNA分析技术的发展开始的。DNA分子结构的发现者是（ ）A孟德尔 B沃森和克里克C白春礼 D萨顿和鲍维里7真核细胞的一个基因只能编码一种蛋白质，以下说法正确的是（ ）A它的编码序列只含一个外显子和一个内含子B它的编码序列只含一个外显子和多个内含子C它的编码序列只含多个外显子和一个内含子D它的编码序列可含若干个外显子和内含子8基因对性状的控制是靠（ ）A基因直接作用于性状而实现的B基因通过控制蛋白质的编码而实现的C基因通过控制RNA的合成而实现的D基因通过反转录的途径而实现的9下列关于外显子和内含子说法正确的是（ ）A外显子和内含子在转录过程中都能转录成成熟的信使RNAB只有外显子能转录成mRNA、tRNA、rRNA，而内含子不能C原核细胞的基因中也有外显子和内含子D由于内含子不能编码蛋白质，故它属于非编码区10人体研究发现，在真核细胞中，编码序列在整个基因中所占的比例较小，调控序列所占的比例比较大。而原核细胞中编码序列在整个基因中所占的比例比真核细胞大得多。这一点从某种意义上不能说明的是（ ）A真核细胞基因结构的复杂性B真核细胞基因功能的复杂性C真核生物比原核生物高等D真核细胞中基因编码的蛋白质长度要短11基因是由（ ）A编码区和非编码区两部分组成B外显子和内含子两部分组成C与RNA聚合酶结合位点、外显子、内含子组成D与RNA聚合酶结合位点、外显子组成12人类基因组是指DNA分子所携带的全部遗传信息。人类基因组计划就是分析测定人类基因组的核苷酸序列。其主要内容包括绘制人类基因的遗传图、物理图、序列图和转录图。工作艰巨可见一斑。科学家应对多少条染色体进行分析（ ）A46条 B23条 C24条 D22条13以下说法正确的是（ ）A原核细胞的基因结构中没有外显子，只有内含子B启动子是一种转录开始的信号，即是起始密码C基因结构中的非编码序列通常具有调控作用D基因结构中的非编码序列是位于编码区上游和下游的核苷酸序列14某基因有碱基1200个，则它控制合成的蛋白质所具有氨基酸数目最多为（ ）A100个 B200个 C300个 D400个二、简答题1比较原核细胞的基因结构和真核细胞的基因结构，回答下列问题：（1）原核细胞的基因结构与真核细胞的基因结构共同点都是由 和 两部分组成的。在 上都具有调控遗传信息表达的核苷酸序列，原核细胞中，在此序列中最重要的是位于