1、第一章第一章 緒論緒論 一一. 基本含義基本含義 一一. 分子生物學的基本含義分子生物學的基本含義 是人類從分子水平上研究細胞活動的規是人類從分子水平上研究細胞活動的規律，揭開生命本質的一門基礎學科。律，揭開生命本質的一門基礎學科。 第一章第一章 緒論緒論 一一. 基本含義基本含義 - 分子水平分子水平是是指指 攜帶遺傳信息的核酸和在遺傳信息傳遞及細胞內、攜帶遺傳信息的核酸和在遺傳信息傳遞及細胞內、細胞間通訊過程中發揮著重要作用的蛋白質等生物細胞間通訊過程中發揮著重要作用的蛋白質等生物大分子。大分子。- 分子水平上研究分子水平上研究生命的本質生命的本質主要是指主要是指 對遺傳、生殖、生長和發育

2、等生命基本特征的分對遺傳、生殖、生長和發育等生命基本特征的分子機理的闡明子機理的闡明, 從而為利用和改造生物奠定理論基從而為利用和改造生物奠定理論基礎和提供新的手段。礎和提供新的手段。第一章第一章 緒論緒論 一一. 基本含義基本含義 分子生物學：分子生物學： 是研究核酸等生物大分子的功能、是研究核酸等生物大分子的功能、 形態結構特形態結構特 征及其重要性和規律性的學科，是人類從分子征及其重要性和規律性的學科，是人類從分子 水平上真正揭開生物世界的奧秘，由被動適應水平上真正揭開生物世界的奧秘，由被動適應 自然界轉向主動地改造和重組自然界的基礎學自然界轉向主動地改造和重組自然界的基礎學 科。科。

3、分子生物學是目前現代生物學領域里最具有活分子生物學是目前現代生物學領域里最具有活 力和發展最為迅速的學科之一。力和發展最為迅速的學科之一。第一章第一章 緒論緒論 二二. 分子生物學發展簡史分子生物學發展簡史 二二. . 分子生物學發展簡史分子生物學發展簡史 分子生物學的發展大致可分為兩個階段分子生物學的發展大致可分為兩個階段 1. 1. 準備和醞釀階段準備和醞釀階段 1919世紀后期世紀后期-20-20世紀世紀5050年代年代 產生了兩點對生命本質的認識上的重大突破產生了兩點對生命本質的認識上的重大突破: : 確定了生物遺傳的物質基礎是核酸確定了生物遺傳的物質基礎是核酸, 解決了遺解決了遺 傳

4、的物質基礎問題。傳的物質基礎問題。 確定了蛋白質是生命的主要基礎物質。確定了蛋白質是生命的主要基礎物質。第一章第一章 緒論緒論 二二. 分子生物學發展簡史分子生物學發展簡史 2. 分子生物學的建立和發展階段分子生物學的建立和發展階段 主要進展主要進展: 50年代提出了年代提出了DNA分子的雙螺旋結構模型和半保分子的雙螺旋結構模型和半保留復制機制留復制機制, 解決了解決了遺傳物質的自我復制和世代交遺傳物質的自我復制和世代交替問題替問題; 50年代末至年代末至60年代年代, 提出了提出了“中心法則中心法則”和操縱和操縱子學說子學說, 成功地破譯了遺傳密碼成功地破譯了遺傳密碼, 闡明了遺傳信息的闡明

5、了遺傳信息的流動與表達機制。流動與表達機制。 P. 11第一章第一章 緒論緒論 二二. 分子生物學發展簡史分子生物學發展簡史 1957 年年, A. Kornberg 在大腸桿菌中發現了在大腸桿菌中發現了 DNA 聚合酶聚合酶;1965 年年, 證明了細菌的抗藥性通常由證明了細菌的抗藥性通常由“質粒質粒”DNA所決定；所決定；1967 年年, 第一次發現第一次發現 DNA 連接酶連接酶; 1970 年年, Smith, Wilcox 和和 Kelley 分離出第一種限制性核酸內切分離出第一種限制性核酸內切 酶酶, Temin 和和Baltimore 從從RNA腫瘤病毒中發現反轉錄腫瘤病毒中發現

6、反轉錄 酶。酶。1972-73 年年, Boyer, Berg等人發等人發明了明了DNA重組技術重組技術, 1972年獲得第一個重組年獲得第一個重組 DNA 分子；分子； 1973年完成第一例細菌基因克隆。年完成第一例細菌基因克隆。1978年年, 首次在大腸桿菌中生產由人工合成基因表達的人腦激首次在大腸桿菌中生產由人工合成基因表達的人腦激 素和人胰島素。素和人胰島素。第一章第一章 緒論緒論 二二. 分子生物學發展簡史分子生物學發展簡史 1981年年, Palmiter和和Brinster 獲得轉基小鼠獲得轉基小鼠, Spradliing和和Rubin得到轉基因果蠅。得到轉基因果蠅。1982年年

7、, 美、英批準使用第一例基因工程藥物美、英批準使用第一例基因工程藥物胰島素。胰島素。1983年年, 獲得第一例轉基因植物。獲得第一例轉基因植物。1994年年, 第一批基因工程西紅柿在美國上市。第一批基因工程西紅柿在美國上市。1996年年, 完成了酵母基因組完成了酵母基因組(1.25 107bp)全序列測定。全序列測定。1997年年, 英國愛丁堡羅斯林研究所獲得克隆羊。英國愛丁堡羅斯林研究所獲得克隆羊。2000年年, 完成第一個高等植物擬南芥的全序列測定完成第一個高等植物擬南芥的全序列測定 (3.2 108bp)。2001年年, 完成人類基因組全序列測定完成人類基因組全序列測定(3.5 109b

8、p)。第一章第一章 緒論緒論 二二. 分子生物學發展簡史分子生物學發展簡史 2002年年, 英、美、德等國的上百位科學家在英、美、德等國的上百位科學家在Nature 雜志上聯合宣布他們成功破譯了小鼠的基因組。雜志上聯合宣布他們成功破譯了小鼠的基因組。 2004年，年，科學科學雜志發表了中國科學家的雜志發表了中國科學家的家蠶基因組框家蠶基因組框 架圖架圖。 2005年，年， 2005年年8月月11日中、美、日、法等日中、美、日、法等10個國家和地區個國家和地區 的科學家在的科學家在 Nature 雜志發表了水稻基因組雜志發表了水稻基因組“精細精細 圖圖”，覆蓋率達，覆蓋率達95.3。 我國對國際

9、水稻基因組計劃的貢獻率達我國對國際水稻基因組計劃的貢獻率達20。共定。共定 位了位了37,500個基因，還率先在動植物中完成了對著個基因，還率先在動植物中完成了對著 絲粒的測序絲粒的測序 。第一章第一章 緒論緒論 二二. 分子生物學發展簡史分子生物學發展簡史 2009年，年， 由中國農科院蔬菜花卉研究所和深圳華大基因研由中國農科院蔬菜花卉研究所和深圳華大基因研 究院領銜、究院領銜、14國科學家組成的國際馬鈴薯基因組國科學家組成的國際馬鈴薯基因組 測序協作組，分別在北京、阿姆斯特丹、倫敦、測序協作組，分別在北京、阿姆斯特丹、倫敦、 紐約、利馬等地同時宣布：紐約、利馬等地同時宣布： 馬鈴薯基因組序

10、列框架圖完成馬鈴薯基因組序列框架圖完成 馬鈴薯基因組有馬鈴薯基因組有12條染色體、條染色體、8.4億個堿基對億個堿基對 該框架圖覆蓋了該框架圖覆蓋了: 馬鈴薯馬鈴薯95以上的基因以上的基因 共發現共發現3.5萬多個基因萬多個基因 第一章第一章 緒論緒論 二二. 分子生物學發展簡史分子生物學發展簡史 2009年，年， 中國頒發了具有自主知識產權的中國頒發了具有自主知識產權的: 一個轉植酸酶基因玉米品種一個轉植酸酶基因玉米品種 生產應用安全證書生產應用安全證書 兩個轉抗蟲基因水稻品種兩個轉抗蟲基因水稻品種 第一章第一章 緒論緒論 二二. 分子生物學發展簡史分子生物學發展簡史 轉植酸酶基因玉米轉植酸

11、酶基因玉米: 可以提高飼料的利用效率，減少飼料中磷酸氫可以提高飼料的利用效率，減少飼料中磷酸氫 鈣的添加量，降低飼養成本；減少動物糞、尿中植鈣的添加量，降低飼養成本；減少動物糞、尿中植 酸磷的排泄，減輕環境污染，有利于環境保護酸磷的排泄，減輕環境污染，有利于環境保護. 此外，利用農業種植方式生產植酸酶，還具有此外，利用農業種植方式生產植酸酶，還具有 節能、環保、低成本的優勢。節能、環保、低成本的優勢。 植酸酶植酸酶: 是催化植酸及其鹽類水解為肌醇與磷酸（鹽）的是催化植酸及其鹽類水解為肌醇與磷酸（鹽）的 一類酶的總稱一類酶的總稱 第一章第一章 緒論緒論 二二. 分子生物學發展簡史分子生物學發展簡

12、史 轉抗蟲基因水稻轉抗蟲基因水稻: 能有效控制螟蟲等鱗翅目害蟲危害，保障水能有效控制螟蟲等鱗翅目害蟲危害，保障水 稻增產，還能減少稻增產，還能減少80%的化學農藥用量。的化學農藥用量。 第一章第一章 緒論緒論 三三. 分子生物學的主要研究內容分子生物學的主要研究內容 分子生物學的基本原理分子生物學的基本原理 （p 11) 構成生物體各類有機大分子的單體在不同生物中構成生物體各類有機大分子的單體在不同生物中 都是相同的。都是相同的。(2) (2) 生物體內一切有機大分子的建成都遵循共同的規生物體內一切有機大分子的建成都遵循共同的規 則。則。 (3) (3) 某一特定生物體所擁有的核酸及蛋白質分子

13、決定某一特定生物體所擁有的核酸及蛋白質分子決定 了它的屬性。了它的屬性。第一章第一章 緒論緒論 三三. 主要研究內容主要研究內容 2.2. 主要研究內容主要研究內容 (1(1） DNA重組技術重組技術 （2）基因表達調控研究）基因表達調控研究 （3 3）結構分子生物學）結構分子生物學 （4）基因組、功基因組與生物信息學研究）基因組、功基因組與生物信息學研究 分子生物學的研究內容分子生物學的研究內容 DNA重組技術重組技術 （1）DNA 重組技術（重組技術（基因工程基因工程/遺傳工程遺傳工程/基因操作基因操作/基因克隆基因克隆/分子克隆分子克?。?在體外將不同的在體外將不同的 DNA 片段片段

14、(整個基因或基因的整個基因或基因的 一個部分一個部分) 按照人們的設計定向連接起來后，轉入按照人們的設計定向連接起來后，轉入 特定的受體細胞，使重組基因在受體細胞中與載體特定的受體細胞，使重組基因在受體細胞中與載體 同時復制并得到表達，從而賦予生物體新的遺傳特同時復制并得到表達，從而賦予生物體新的遺傳特 性性, 創造出更符合人們需要的新的生物類型和生物創造出更符合人們需要的新的生物類型和生物 產品。產品。 基因（基因（gene）：）： 產生一條多肽鏈或功能產生一條多肽鏈或功能RNA所需要的全部所需要的全部DNA序列序列.G AATTCCTTAA GSV40G AATTCCTTAA GSV40病

15、毒病毒DNA 噬菌體噬菌體DNAEcoR IDNA ligase連接連接SV40GAATTCCTTAAGSV40 DNAGAATTCCTTAAG DNAVS40GAATTCCTTAAGGAATTCCTTAAGSV405353切割切割圖圖: SV40 病毒病毒DNA 和和 噬菌體噬菌體 DNA 的重組的重組例1:例2:分子生物學的研究內容分子生物學的研究內容 DNA重組技術重組技術 DNA重組操作主要包括重組操作主要包括: DNA (基因組和質粒DNA) 提取和純化 PCR (聚合酶鏈反應) 基因擴增 DNA聚合酶 DNA分子切割 限制性內切酶限制性內切酶 DNA片段與載體載體連接 DNA連接酶

16、連接酶 DNA凝膠電泳 細胞轉化及重組子的篩選與鑒定等 分子生物學的研究內容分子生物學的研究內容 DNA重組技術重組技術 三大基本工具三大基本工具: “分子手術刀” 限制性核酸內切酶 “分子縫合針” DNA連接酶 “分子運輸車” 基因進入受體細胞的載體 分子生物學的研究內容分子生物學的研究內容 DNA重組技術重組技術 DNA 重組技術應用前景重組技術應用前景 可用來進行基因功能的研究。如利用 反義技術、 RNA干擾等技術。 可用于定向改造某些生物的基因組結構。如：轉 基因Bt抗蟲棉，將蘇云金芽孢桿菌編碼Bt毒蛋白 的抗蟲基因轉入棉花后獲得的。 可用于大量生產某些在正常細胞代謝中產量很低或 不能

17、 產生的多肽，如激素、抗生素、酶類和抗體 等，提高產量，降低成本。分子生物學的研究內容分子生物學的研究內容 基因表達調控研究 基因表達基因表達 (gene expression): 從從DNA到蛋白質或功能到蛋白質或功能RNA的過程被稱為基因表達。的過程被稱為基因表達。 實質上就是遺傳信息的轉錄和翻譯實質上就是遺傳信息的轉錄和翻譯 基因表達調控基因表達調控(gene regulation)： 對基因表達過程的調節就稱為基因表達的調控。對基因表達過程的調節就稱為基因表達的調控。 (2) 基因表達調控研究基因表達調控研究分子生物學的研究內容分子生物學的研究內容 基因表達調控研究 DNA RNA反饋

18、(?)轉錄復制 翻譯 蛋白質生理功能圖圖: 遺傳信息傳遞的遺傳信息傳遞的“中心法則中心法則”示意圖示意圖 （21世紀后修正的世紀后修正的 ）tRNA和rRNA 小RNA（microRNAs） 非編碼RNA（Non-codingRNA）P.11分子生物學的研究內容分子生物學的研究內容 基因表達調控研究 基因表達調控類型基因表達調控類型: 時序調控 (遺傳特性) 區域調控 (遺傳特性) 環境調控 (內外環境變化)基因表達過程中的調控主要發生在：基因表達過程中的調控主要發生在： DNA的轉錄水平 ( 原核生物和真核生物) RNA的翻譯水平 (此調控僅發生在真核生物的基因表 達中)分子生物學的研究內容

19、分子生物學的研究內容 結構分子生物學結構分子生物學 （3）生物大分子的結構功能研究）生物大分子的結構功能研究結構分子結構分子生生物學物學 一個生物大分子，無論是核酸、蛋白質等在發揮其生物功一個生物大分子，無論是核酸、蛋白質等在發揮其生物功能時，必須具備兩個提：能時，必須具備兩個提： 擁有特定的空間結構擁有特定的空間結構 （三維結構）；（三維結構）； 發揮生物學功能的過程中必定存在著結構和構象的變發揮生物學功能的過程中必定存在著結構和構象的變 化。化。分子生物學的研究內容分子生物學的研究內容 結構分子生物學結構分子生物學 結構分子生物學就是研究生物大分子特定的空間結結構分子生物學就是研究生物大分

20、子特定的空間結構及結構的運動變化與其生物學功能關系的科學。構及結構的運動變化與其生物學功能關系的科學。 主要包括三個研究方向：主要包括三個研究方向： 結構的測定結構的測定 采采用用X射線衍射、二維或多維核磁共振等方法射線衍射、二維或多維核磁共振等方法 結構運動變化規律的探索結構運動變化規律的探索 結構與功能相互關系的建立結構與功能相互關系的建立分子生物學的研究內容分子生物學的研究內容 基因組、功能基因組與生物信息學研究 （4）基因組、功基因組與生物信息學研究）基因組、功基因組與生物信息學研究 基因組（基因組（genome): 生物有機體的單倍體細胞中的所有DNA，包括 核中的染色體DNA和線粒

21、體、葉綠體等亞細胞器中 的DNA。 P. 456 分子生物學的研究內容分子生物學的研究內容 基因組、功能基因組與生物信息學研究 基因組計劃基因組計劃: 測定基因組序列。 - 人類基因組計劃 目的是揭開人類所有的遺傳結構, 包括所有的基因(尤其是與疾病相關的基因)和基因外 序列的結構。1990年-2001年，美、英、法、德、 日、中 6 國的合作已完成人類基因的全部序列測定工 作。見表2-1, P. 19. - 小家鼠、果蠅、線蟲、擬南芥、水稻、啤酒酵母，以 及多種真菌、細菌的基因組研究相繼展開，其中擬南 芥基因組的全序列測定已完成。 分子生物學的研究內容分子生物學的研究內容 基因組、功能基因組

22、與生物信息學研究 功能基因組計劃功能基因組計劃 ( 蛋白組計劃或后基因組計劃): 揭 示基因產物和功能之間的關系。通過 利用各種模式植物體基因的剔除和轉 基因來研究基因的功能。 生物信息學生物信息學: 將基因的結構、蛋白質功能以及物種的 進化在基因信息的基礎上統一起來。 p. 15第一章第一章 緒論緒論 四四. 課程學習目的和內容課程學習目的和內容 學習目的學習目的: 掌握分子生物學的基本掌握分子生物學的基本概念、基本原理概念、基本原理 、基本操作技術、基本操作技術等。等。學習內容學習內容: 重點講授重點講授 第三章第三章 生物信息的傳遞生物信息的傳遞 (上上)- 從從DNA到到RNA 第四章

23、第四章 生物信息的傳遞生物信息的傳遞 (下下)- 從從RNA到蛋白質到蛋白質 第五章第五章 分子生物學研究法（上）分子生物學研究法（上） 第六章第六章 分子生物學研究法（下）分子生物學研究法（下） 第七章第七章 基因的表達與調控基因的表達與調控 (上上)-原核基因表達調節模式原核基因表達調節模式 第八章第八章 基因的表達與調控基因的表達與調控 (下下)-真核基因表達調控的一真核基因表達調控的一 般規律般規律第一章第一章 緒論緒論 四四. 課程的學習目的和內容課程的學習目的和內容 參考書參考書: 吳乃虎主編吳乃虎主編 楊岐生主編楊岐生主編 浙江大學出版社浙江大學出版社3. 吳乃虎主編吳乃虎主編第

24、一章第一章 緒論緒論 當你進入實驗室時當你進入實驗室時, 要像脫去外衣那樣放下要像脫去外衣那樣放下你的想像力你的想像力, 因為實驗操作中不能有一丁點的因為實驗操作中不能有一丁點的想像想像, 否則否則, 你對事物的觀察就會受影響你對事物的觀察就會受影響; 而當而當你翻開書本的時候你翻開書本的時候, 你又必須盡可能展開想像你又必須盡可能展開想像的的 “翅膀翅膀” , 否則否則, 你就不可能走在別人前面。你就不可能走在別人前面。 朱玉賢朱玉賢第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 染色體染色體: 細胞細胞(核核)中由中由DNA、蛋白質組成的易被堿性染、蛋白質組成的易被堿性染 料著

25、色的一種絲狀或桿狀物料著色的一種絲狀或桿狀物。 親代是以染色體的形式將自己的遺傳物質親代是以染色體的形式將自己的遺傳物質DNA 傳給子代，保持了物種的穩定性和連續性。因此，傳給子代，保持了物種的穩定性和連續性。因此， 染色體在遺傳上起著主要作用。染色體在遺傳上起著主要作用。 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 染色體的特征染色體的特征: (1) 分子結構相對穩定分子結構相對穩定; (2) 能夠自我復制，能夠自我復制，親代能夠將自己的遺親代能夠將自己的遺 傳物質傳物質DNA以染色體的形式傳給子代以染色體的形式傳給子代,使使 親、子代之間保持親、子代之間保持了物種的穩定性和

26、了物種的穩定性和 連續性連續性; (3) 能夠指導蛋白質的合成，從而控制能夠指導蛋白質的合成，從而控制 整個生命過程整個生命過程; (4) 能夠產生可遺傳的變異。能夠產生可遺傳的變異。第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 2. 染色體的組成染色體的組成 (1) 原核細胞染色體原核細胞染色體 由 DNA與非組蛋白質組成，兩者結合呈松散狀態。 參與DNA 折疊 染色體中的蛋白質 參與DNA 復制、重組及轉錄 原核生物染色體一般位于類核體上。 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 原核生物類核的結構原核生物類核的結構 p. 22第二章第二章 染色體和染色體

27、和DNA 一一. 染色體染色體 原核生物基因組的特點：原核生物基因組的特點： 多數只有一條染色體 基因組小 大腸桿菌基因組僅含4000 多個基因。 DNA含量少 大腸桿菌DNA的相對分子 質量只有2.4109 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 原核生物原核生物DNA的主要特點的主要特點: p. 30 結構簡練結構簡練 大多數為單拷貝基因, 只有很少數基因（rRNA）是以多拷貝形態存在。原核DNA分子的絕大部分是用來編碼蛋白質的，只有非常小的一部分不轉錄。而且，這些不轉錄DNA序列通常是控制基因表達的序列。 存在轉錄單元（操縱子）存在轉錄單元（操縱子） 原核DNA序列中

28、功能相關的RNA和蛋白質基因，往往叢集在基因組的特定部位，形成功能單位或轉錄單元，它們可被一起轉錄為可翻譯多個蛋白質的mRNA分子，這種mRNA叫多順多順反子反子mRNAmRNA。第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 有重疊基因有重疊基因 具有部分共用核苷酸序列的基因，也就是說，同一段DNA攜帶了兩種不同蛋白質的編碼信息。這樣的兩個基因稱之為重疊基因重疊基因。 重疊的部分可以在基因的調控區， 也可以在結構基因區。 重疊基因主要有以下幾種情況:一個基因完全在另一個基因里面; 部分重疊;兩個基因只有一個堿基對的重疊。第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體

29、噬菌體噬菌體 X174 P. 31第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 真核細胞染色體的組成真核細胞染色體的組成 組蛋白組蛋白 蛋白質蛋白質 染色體染色體 非組蛋白非組蛋白DNA 少量RNA （主要是尚未完成轉錄而仍與模板 DNA相連的那些RNA）(2) 真核細胞染色質與染色體真核細胞染色質與染色體第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 n 蛋白質蛋白質 組蛋白 (histone，H) 染色質中的蛋白質 非組蛋白 (nonhistone chromosomal proteins, NHC) 真核染色質中蛋白質與相應DNA的質量比約為2:1。 第二章第二

30、章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 組蛋白組蛋白 一類小分子量的堿性蛋白質，是構成真核染色質 的主要蛋白質。 真核生物的染色質中有H2A、H2B、H3、H4和H1(鳥類、魚類及兩棲類紅細胞染色體不含H1而帶有H5) 等5種主要類型的組蛋白。 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 表表 真核細胞染色質上的組蛋白成分分析真核細胞染色質上的組蛋白成分分析 see P.23. 表2-5._ 種類 相對分子質量 氨基酸數目 分離難易度 保守性 染色質中比例 染色質中位置_ H1 21 000 223 易 不保守 0.5 接頭 H2A 14 500 129 較難 較保守

31、 1 核心 H2B 13 800 125 較難 較保守 1 核心 H3 15 300 135 最難 最保守 1 核心 H4 11 300 102 最難 最保守 1 核心_ - H3、H4富含精氨酸 H1 富含賴氨酸 H2A、H2B介于兩者之間 - 用 2 mol/L NaCl 或 0.25 mol/L 的HCl/H2SO4 處理染色 質，可將 組蛋白與DNA 分離。第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 組蛋白的特性組蛋白的特性： p. 24 進化上的極端保守性, 組成相似, 特別是H3、H4. 對穩定 染色體結構起作用。 無組織特異性, 僅有兩個列外。 肽鏈上氨基酸分布的

32、不對稱性, 堿性AA集中分布在N-端 的半條鏈上, 與DNA的負電荷區結合, 大部分疏水基團集 中分布在C-端的半條鏈上, 與其它組蛋白、非組蛋白結合. 組蛋白的修飾作用, 主要為甲基化、乙?；?、磷酸化等, 可調控基因表達。 H5的磷酸化對染色質失活起作用。第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 非組蛋白非組蛋白: 是一類多種蛋白質的群體, 大約100種, 常見15-20種, 占染色體蛋白總量的60-70%. HMG 蛋白蛋白 (high mobility group protein, 高速泳動蛋白高速泳動蛋白) 特性: - 小分子量，高電荷; - 通常與有能力進行轉錄的活

33、性染色質特異性結合; - 可用 0.35 mol/L NaCl 溶液提取，能溶于2% 的三氯乙 酸。 功能: 與DNA 的超螺旋結構有關。DNA 結合蛋白結合蛋白 特性: - 能與 DNA 緊密結合; - 只有用高濃度鹽液提取，通常采用 2 mol/L NaCl 或 5 mol/L 尿素溶液。 功能: 參與DNA 的復制或轉錄。第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 A24非組蛋白 小鼠肝臟中分離到一種蛋白質。氨基酸序列測定發現A24的C端與H2A相同，A24它有兩個N端，一個N端的序列與H2A相同，另一個N端與泛蛋白相同，A24位于核小體內，功能不詳。 泛蛋白泛蛋白：在真

34、核細胞中普遍存在的小分子量的蛋白質?？梢孕?飾核小體結構，與H2A組蛋白發生共價連接，形成修 飾的uH2A組蛋白。第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 n真核細胞基因組的特點真核細胞基因組的特點 p. 29- 真核基因組寵大, 人類基因組的總長度為2907Mb， 含39114個基因。 - 含有大量重復序列。- 含有大量的非編碼序列，占整個基因組序列的90% （C值-一種生物單倍體基因組DNA的總量。p25 ）。- 真核基因絕大多數為斷裂基因。- 真核基因的轉錄產物為單順反子。- 真核基因組中存在大量的順式作用元件.包括啟動子、增強子、沉默子等。- 真核基因組中存在大量的D

35、NA多態性。- 真核基因組具有端粒結構。是真核生物線性基因組DNA末端的一種特殊結構，是一段DNA序列和蛋白質形成的復合體，具有保護線性DNA的完整復制等功能。第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 真核生物真核生物DNA序列序列 真核生物DNA序列可分為三類: 不重復序列不重復序列 (unique sequence): 在單倍體基因組內, 這些序列僅 出現一次或少數幾次。占DNA總量的40-80%, 在 人類基因組中占 60-65%。結構基因屬于不重復 序列。 中度重復序列中度重復序列 (moderately repetitive sequence): 序列的重復次 數為

36、103-105, 占DNA總量的15%。各種 rRNA、 tRNA 和一些結構基因，如非洲爪蟾的rRNA基 因都屬于這類。 P. 26第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 高度重復序列高度重復序列 (high repetitive sequence): 序列的 重復次數 在105以上, 不轉錄。主要 為衛星DNA (又稱隨體DNA)。 衛星衛星DNA: 因為這種DNA含大量的A、T堿基，浮 力密度小, 在CsCl 密度梯度超離心時形 成一條與DNA主帶相伴的小帶, 形似衛 星而得名。僅存在于真核生物DNA列。第二章第二章 染色體和染色體和DNA 真核生物的DNA序列 C

37、值值 (C-value): 一種生物單倍體基因組的DNA總量 (P. 25)。C 值反常現象值反?，F象 ( C 值悖理, C-value paradox): 物種的 C 值和它進化 復雜性之間不存在嚴格的對應關系, 這一現稱為C 值反?，F象。* C 值反?，F象暗示著真核生物基因組中必然存在大量的不編碼基因產物的 DNA 序列。 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 斷裂基因斷裂基因 (split gene): 真核基因是不連續排列的，在編碼多 肽鏈的DNA序列中間插入與氨基酸無 關的DNA序列。一個基因編碼序列被 分隔成不連續的若干區段。 編碼序列: 外顯子外顯子 (ex

38、on) 編碼序列中間的插入的非編碼序列: 內含子內含子 (intron)不連續基因是由外顯子和內含子交替排列組成。內含子存在于轉錄的初始產物中，在基因產物成熟翻釋之前必須被切除，切除的過程稱為RNA的剪接的剪接。一般說來，剪接包括從初始轉錄產物精確地去掉內含子，然后切點兩側的RNA末端重新連接，外顯子形成共價的完整分子。第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 圖: 雞蛋清蛋白基因的不連續性及與mRNA 形成R-環。第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 染色體的結構染色體的結構 核小體結構核小體結構 在細胞生活周期的大部分時間里都以染色質的 形式存在。

39、染色質染色質是一種纖維狀結構的細絲, 又稱為染色質絲染色質絲, 它的基本結構單位是核小體核小體。 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 l核小體中由各兩個分子的組蛋白H2A、H2B、H3和H4組成的一種圓盤狀的蛋白質核心, 這個核心被稱之為組蛋白八聚體組蛋白八聚體或 核小體核心核小體核心。 H2A、H2B、H3、H4稱為核心組蛋白核心組蛋白 (core histone)l DNA雙螺旋分子以146bp的長度盤旋1.8圈的形式纏繞在組蛋白八聚體的外周，形成核小體核心顆核小體核心顆粒粒。 H1 (H5) 稱為連接連接組蛋白組蛋白 (linker histone)l 相鄰的兩個

40、核小體核心顆粒之間，有一段長60bp的連接DNA，連接DNA加上核小體核心顆粒便構成了核小體核小體。MOV：MCB4.0three dimensional packing of nuclear chromosomes2(H2A、H2B、H3、H4)第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 核小體結構的修飾核小體結構的修飾 在細胞周期特定時間，核小體中的組蛋白可發生甲基化、乙酰化（p28，圖2-7）、磷酸化、 ADP核糖基化等修飾。H3、H4修飾作用較普遍，H2B有乙酰化作用、H1和H5有磷酸化作用。 修飾作用的共同特點：是降低組蛋白所攜帶的正電荷。 組蛋白修飾的意義： 一是改

41、變染色體的結構，直接影響轉錄活性； 二是核小體表面發生改變，使其他調控蛋白易于和染色質相 互接觸，從而間接影響轉錄活性。第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 染色質與轉錄活性染色質與轉錄活性: 染色質的類型 根據染色質的活性狀態，可分為： 真核基因組DNA被蛋白質包裝形成染色質，其中的基因組處于完全抑制的狀態，DNA不能夠進行復制和轉錄。這種狀態下的染色質稱為非活性染色質非活性染色質。 在DNA的復制和轉錄過程中，染色質的結構受到暫時性的破壞，使得聚合酶等特異因子能夠識別DNA序列中的結合位點，并阻止其裝配成核小體，從而導致DNA的復制和轉錄。這種狀態下的染色質稱為活性染

42、色質活性染色質。 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 根據染色質的壓縮程度的不同，在真核生物細胞分裂間期可以觀察到兩種不同類型的染色質： 常染色質：常染色質：壓縮程度較低，其中的基因可以表達； 異染色質：異染色質：壓縮程度高，其中的基因不表達。第二章第二章 染色體和染色體和DNA 一一. 染色體染色體 染色體染色體 染色體是染色質包裝壓縮形成的一種高級的染色質結構。 典型的真核細胞的直徑約為1m，但卻含有總長度達1-2m 的DNA分子。它們必須被有序地包裝，才能保證遺傳信息的 有效儲藏與表達。 6.8:140:11000:18000:1DNA double helixN

43、ucleosome (10 nm fiber)30 nm FiberLoops ILoops IIchromosome第二章第二章 染色體和染色體和DNA 二二. DNA的結構的結構 二二 . DNA的結構的結構1. DNA 的一級結構的一級結構: 是DNA分子內堿基的排列順序。 在結構上，DNA是由單核苷酸通過 3，5-磷酸二酯鍵連接 而形成的高分子聚合物。從同一個磷酸基的3酯鍵到5酯鍵 的方向定義為鏈的方向。DNA 鏈的方向總是從5-P 端到3- OH 端 (p.33)。 DNA 分子中的核糖的2位總是 H (RNA 中為 OH)，所以 DNA分子對堿的作用具有抗性，在pH 11.5時，鏈

44、的一級結 構幾乎沒有變化，穩定性很強，不易斷裂。而RNA很容易 被堿水解。第二章第二章 染色體和染色體和DNA DNA結構結構-二級結構二級結構 2. DNA 的二級結構的二級結構: 兩條多核苷酸鏈反向平行盤繞所形成的雙 螺旋結構。 DNA 的二級結構分為兩類:右手螺旋 A-DNA 和 B-DNA構象構象 A-DNA: 當 DNA 處于轉錄狀態時, DNA模板鏈與由它轉錄 所形成的 DNA-RNA 雙鏈。 B-DNA: 最常見的 DNA 雙鏈構象, 富含 A 和 T 堿基。左手螺旋 Z-DNA構象構象，富含 C 和 G 堿基. 與基因轉錄起始活性有關. 圖圖: A-, B-, Z-型型 DNA

45、 三種結構比較三種結構比較 p. 34第二章第二章 染色體和染色體和DNA DNA結構結構-二級結構二級結構 Z-DNA調控基因轉錄的兩種模式調控基因轉錄的兩種模式:- ZDNA構象在轉構象在轉錄區上游離轉錄區錄區上游離轉錄區近時，抑制轉錄。近時，抑制轉錄。- 若離轉錄區遠，可若離轉錄區遠，可以增加轉錄區的負以增加轉錄區的負超螺旋程度促使轉超螺旋程度促使轉錄。錄。ZDNA構象有構象有轉錄起始的調節活轉錄起始的調節活性。性。Z-DNA的生物功能：Zig-zag之字與基因表達、基因調控有關。 第二章第二章 染色體和染色體和DNA DNA結構結構-高級結構高級結構 3. DNA的高級結構的高級結構:

46、 DNA雙螺旋進一步扭曲盤繞所形成的特定 空間結構. DNA高級結構的主要形式-超螺旋結構 正超螺旋正超螺旋負超螺旋負超螺旋負超螺旋負超螺旋拓撲異構酶溴乙錠松馳DNA正超螺旋正超螺旋拓撲異構酶溴乙錠MOV : PBCA0267501supercoiling of DNA第二章第二章 染色體和染色體和DNA DNA結構結構-高級結構高級結構 圖: 環狀 DNA 分子的鏈環數 (L)、盤繞數 (T)和扭曲數(W)之間的相互關系。L = T + W其中 L 為常量, T 和W是變量。第二章第二章 染色體和染色體和DNA DNA結構結構-高級結構高級結構 超螺旋結構的形成超螺旋結構的形成 是在拓撲異構

47、酶的催化下進行鏈的切斷-縫合反應。 根據酶的作用機理可分為: 拓撲異構酶拓撲異構酶 I 拓撲異構酶拓撲異構酶 II 第二章第二章 染色體和染色體和DNA DNA結構結構-高級結構高級結構 拓撲異構酶拓撲異構酶 I 共同特點共同特點: o 僅切斷雙鏈DNA中的一條鏈, 隨后進行連接；o 不需要能量輔助因子如ATP和NDP等, 因而不能催化需能 的超螺旋化結構的形成。 I 型酶一般是使高度超螺旋的DNA松弛。 第二章第二章 染色體和染色體和DNA DNA結構結構-高級結構高級結構 拓撲異構酶拓撲異構酶 I 使雙螺旋DNA減少一圈, 超螺旋DNA放松 圖圖: 拓撲異構酶拓撲異構酶 I 的作用機理的作

48、用機理第二章第二章 染色體和染色體和DNA DNA結構結構-高級結構高級結構 E.coli的旋轉酶的旋轉酶 (只有原核生物中有) 圖圖: E. coli DNA 旋轉酶導入負超螺旋的作用機理旋轉酶導入負超螺旋的作用機理細菌質粒細菌質粒DNA (環狀雙鏈環狀雙鏈 DNA)第二章第二章 染色體和染色體和DNA DNA結構結構-高級結構高級結構 拓撲異構酶拓撲異構酶 II 共同特點: o 雙鏈DNA同時切斷, 隨后進行連接；o 需要能量輔助因子如ATP和NDP等, 催化需能的超螺旋化結構。 第二章第二章 染色體和染色體和DNA DNA結構結構-高級結構高級結構 超螺旋結構的生物學意義超螺旋結構的生物

49、學意義: 負超螺旋DNA在轉錄時起重要作用, 在轉錄時, RNA聚合酶 首先要與DNA特異性位點結合, DNA為負超螺旋對RNA聚合酶- DNA 復合物形成速率、穩定性以及酶的轉錄活性都會大大提高。 RNA聚合酶- DNA結合后，要解開12bp, 而正超螺旋有利于鏈 的解開。 在轉錄時, DNA超螺旋形成和解旋是 必不可少的, 拓撲異構酶是轉錄過程必要的組分之一。 第二章第二章 染色體和染色體和DNA DNA結構結構-高級結構高級結構 圖圖: 大腸桿菌的大腸桿菌的RNA 轉錄過程圖示轉錄過程圖示第二章第二章 染色體和染色體和DNA 三三. DNA 的復制 DNA 的半保留復制的半保留復制: 子

50、代的DNA雙鏈中一條來自親代 (模板)，又一條是新合成的，這種復制方式被稱為DNA的半保留復制。 復制的起點、方向和速度 復制點 (Ori): 是復制功能起始的特定位置。復制叉 復制方向和速度: 復制從Ori開始以雙向等速復制方向進行的。 復制的幾種主要方式: 線性DNA雙鏈的復制 先導鏈、滯后鏈、 岡崎片段 環狀DNA雙鏈的復制 可分為: 型 大腸桿菌 滾環型 X174 D-型 線粒體第二章第二章 染色體和染色體和DNA 三三. DNA 的修復 1. DNA 的錯配修復的錯配修復( DNA mismatch repair): 在DNA復制時，錯配修復系統修復復制酶沒能檢出的錯 配堿基，或者由

51、于化學修飾產生的錯配，從而保證了遺傳物 質復制的高保真，確保 遺傳的穩定性。 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 三三. DNA 的修復 目前，細菌的錯配修復系統已經研究得比較透徹。 在大腸桿菌錯配修復系統中包含十多種蛋白： - 錯配矯正蛋白： Mut S 、Mut L、MutH - 單鏈結合蛋白 (SSB) - DNA 解旋酶I I (DNA helicaseII，UvrD，35解旋酶) - DNA 聚合酶III全酶 (DNA polymeraseIII holoenzyme) - DNA 連接酶 (DNA ligase) - 核酸外切酶I (exonuclease I) - 核酸外切酶V

52、II (exonuclease VII) - 核酸外切酶X (exonuclease X) - RecJ第二章第二章 染色體和染色體和DNA 三三. DNA 的修復 啟始啟始修復過程可以分為步驟 切除切除 修復修復（p 52）根據母鏈甲基化原則進行錯配修復過程示意圖根據母鏈甲基化原則進行錯配修復過程示意圖啟始啟始： 根據模板鏈上GATC中腺嘌（A） 的甲基化原則- 錯配校正蛋白MutS二聚體識別 并結合錯配位點；- MutL蛋白在水解ATP的作用 的調節下，與MutS結合, MutS- MutL在DNA雙鏈上移動，發現 離錯配位點最近的甲基化堿基；- 發現甲基化堿基后，MutL-MutS- 錯

53、配復合物激活MutH蛋白的內 切酶活性，在對應于母鏈甲基化 腺苷酸上游鳥苷酸的5位置切開 非甲基化的子鏈。 Dam甲基化酶甲基化酶 甲基化指導的錯配修復示意圖甲基化指導的錯配修復示意圖錯配堿基位于切口3下游端錯配堿基位于切口5上游端，切除切除：- DNA解旋酶II從缺口 向錯配方向解開雙 鏈；- 由核酸外切酶將距離 GATC到錯配區域間 的DNA鏈切除。 為了防止剩下的暴露 的單鏈遭到降解，需 要有單鏈結合蛋白 SSB）將其保護起來。修復修復：-由DNA聚合酶全 酶進行合成，連接酶 對缺口進行連接?！炯谆ㄏ蝈e配修復(methyl-directed mismatch repair , MMR)

54、】第二章第二章 染色體和染色體和DNA 三三. DNA 的修復 MutS蛋白的應用： 錯配矯正蛋白MutS具有結合錯配堿基的能力，MutS蛋白可以用于檢測 - 突變 - 富集點突變 - SNP（single nucleotide polymorphism ，單核 苷酸多態性） 等方面 SNP 主要是指在基因組水平上由單個核苷酸的變異所引起的DNA序 列多態性. 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 三三. DNA 的修復 2.切除修復切除修復 (excision repair ): DNA切除修復有兩種類型：堿基切除修復 和核苷酸切除修復 （1）堿基切除修復 (base excision re

55、pair ) 研究發現，所有細菌中都帶有不同類型、能識別受損 核苷酸位點的糖苷水解酶。 第二章第二章 染色體和染色體和DNA 三三. DNA 的修復 堿基切除修復堿基切除修復 系統系統 糖苷水解酶 AP核酸內切酶 包括 DNA聚合酶 I DNA連接酶 糖甘水解酶識別受損堿基，把堿基從N-糖 苷鍵處切下來，在DNA鏈上形成去嘌呤或去嘧啶位 點，統稱為APAP位點（無嘌呤嘧啶位點）。由AP核酸內切酶在AP位點附近（5或3位置）將受損核甘酸的糖甘-磷酸鍵切開移去包括移去包括AP位點核苷酸位點核苷酸 在內的小片段在內的小片段DNA（c）移去包括AP位點核苷酸在內的一小段DNA DNA連接酶連接連接酶連

56、接DNA聚合酶聚合酶I將將切切除部位除部位的的核苷酸核苷酸 補齊補齊（d)（e）第二章第二章 染色體和染色體和DNA 三三. DNA 的修復 （2）核苷酸切除修復 (Nucleotide excision repair ) 當DNA鏈上相應位置的核苷酸發生損傷，導致雙鏈之間無法形成氫鍵后，核苷酸切除修復系統將受損的核苷酸切除。 核苷酸損傷發生后 - 先由DNA切割酶在己損傷的核苷酸5 和3 位分別分別切開磷酸 糖苷鍵，產生一個由12-13個核苷酸（原核生物） 或27-29個核苷酸（高等真核生物）組成 的小片段， - 解旋酶解旋，移去小片段 - DNA聚合酶I （原核）或E（真核）合成新的片段，

57、并由 DNA連接酶完成修復。DNA 聚合酶E以母鏈為模板復制合成新子鏈DNA連接酶將切口補平大腸桿菌（左）和人類細胞（右）中的核苷酸切除修復過程示意圖大腸桿菌（左）和人類細胞（右）中的核苷酸切除修復過程示意圖受損傷的核苷酸大腸桿菌DNA切割酶人類DNA切割酶DNA 聚合酶 I第二章第二章 染色體和染色體和DNA 三三. DNA 的修復 3. DNA的直接修復的直接修復(DNA direct repair) DNA的直接修復不需要切除堿基或核苷酸，而是把損傷的堿基回復到原來狀態的一種修復。 例1：在光照或紫外線照射下形成的環丁烷胸腺嘧啶二體或6-4光化物，在DNA光解酶 的作用下還原成為單體的過

58、程。 光或紫外線 光激活酶 (photoreactivating enzyme) 環丁烷胸腺嘧啶二體 DNA光解酶 胸腺嘧啶單體 或6-4光化物第二章第二章 染色體和染色體和DNA 三三. DNA 的修復 例2： O6-甲基轉移酶將O6-甲基鳥嘌呤恢復成鳥嘌呤。在DNA光解酶(photolyase)的作用下將環丁烷胸腺嘧啶二體和6-4光化物還原成為單體甲基轉移酶使O6-甲基鳥嘌呤脫甲基生成鳥嘌呤，防止G-T配對O6-methylguanine DNA methyltransferaes 紫外線誘發形成嘧啶二體紫外線誘發形成嘧啶二體O6-甲基轉移酶將甲基轉移酶將O6-甲基鳥嘌呤恢復成鳥嘌呤甲基鳥

59、嘌呤恢復成鳥嘌呤第二章第二章 染色體和染色體和DNA 四四. DNA的重組的重組 DNA的重組的重組 (DNA recombination) 一個生物個體基因組獲得了外來DNA片段，稱為DNA重組重組。人為的DNA重組屬于基因工程范籌. 根據重組中對DNA序列和所需蛋白質因子的要求把重組分為四類：同源性重組、位點特異性重組、轉座重組和異常重組。第二章第二章 染色體和染色體和DNA DNA的同源重組的同源重組 DNA的同源重組的同源重組 (Homologous recombination ) 同源性重組是指發生在同源DNA序列相同區域之間的重組。 同源染色體上相同區域之間的重組。 第二章第二章

60、染色體和染色體和DNA DNA的同源重組的同源重組 同源性重組的基本條件同源性重組的基本條件 交換區具有相同或相似的序列交換區具有相同或相似的序列 DNA分子中不同部位間的重組有時也會發生, 這種重組稱為異位重組。 異位重組會導致DNA序列的缺失、復制、倒位等現象。 第二章第二章 染色體和染色體和DNA DNA的同源重組的同源重組 雙鏈雙鏈DNA分子之間互補堿基進行配對分子之間互補堿基進行配對 兩個DNA分子的鏈之間互補的堿基配對能確保重組只發生在同樣的基因座之間, 也就是DNA分子的相同的部位。 兩個雙鏈DNA分子通過鏈之間互補的堿基配對被維系在一起稱為聯會聯會. 同源性重組涉及到聯會的形成