遺傳的分子基礎1第一節 DNA結構第二節 基因組組成與DNA重復序列第三節 基因組的結構解剖第四節 基因的概念及其發展第五節 中心法則2第一節 DNA的結構一、DNA的雙螺旋結構FrancisCrick,MauriceWilkins,JamesWatson,andRosalindFranklin(clockwisefromtop

left)ErwinChagaff’srules3一、DNA的雙螺旋結構B-DNA:

右旋，10.4bp/周。正常狀態DNA分子4二、其它的DNA構型A型：右旋；在脫水狀態、RNA-RNA、DNA-RNA分子；旋轉一圈11個bp，每一螺旋高28.2?；Z型：左旋DNA；高鹽溶液，存在于富含G-C的區域；直徑18?，旋轉一圈12個bp，每一螺旋44.52?。5第二節 基因組組成與DNA重復序列6一、基因組的組成真核基因組中編碼蛋白質的序列大概只占0.5%~5%。有大量的非編碼序列，這種現象稱DNA冗余現象。非編碼蛋白質的序列主要有：重復序列（repetitive

sequence）核糖體RNA基因（rDNA）,

轉運RNA基因（tDNA）假基因（pseudogene）基因間的間隔序列（spacer

sequence）內含子（intron）調控序列第二節 基因組組成與DNA重復序列二、DNA的變性和復性變性（

denaturation

）

：

也叫熔解（melting），在溫度、pH等因素作用下，DNA分子的氫鍵受到破壞，雙鏈分開成為單鏈的過程。復

性

（

renaturation)

：

也

叫

退

火（annealing），是變性的逆過程，DNA互補配對成為雙鏈的過程。7第二節 基因組組成與DNA重復序列二、DNA的變性和復性DNA熔解溫度（Tm）：指把DNA的雙螺旋結構降解一半時的溫度，亦即DNA

變性過程中，紫外吸收值達到最大值的50%時的溫度，也稱為

DNA的解鏈溫度。8第二節 基因組組成與DNA重復序列二、DNA的變性和復性馬默多蒂（Marmur-Doty）關系式（GC）%=（Tm–69.3）

x2.449第二節 基因組組成與DNA重復序列二、DNA的變性和復性DNA復性的快慢與DNA重復次數成正比，通過DNA復性動力學的研究可以大致的推測基因組的組成；隨著基因組測序技術的發展，根據基因組序列數據可以直接的得到DNA重復序列的種類、數目的相關數據。10第二節 基因組組成與DNA重復序列11三、DNA的重復序列

（repetitive

sequence）基因組DNA根據在基因組中拷貝數的多寡，可分為：單拷貝序列：1個拷貝或2～3個拷貝，約占基因組的40~70%，大部分的基因；中度重復序列：10～105拷貝，約占基因組的10%~40%，典型的有rDNA，tDNA，β球蛋白基因；Tandem

repeat

sequences（串聯重復序列）Interspersed

repeat

sequences（散在重復序列）SINEs、LINEs高度重復序列：106拷貝以上，約占基因組的10%~20%，主要是衛星DNA。第二節 基因組組成與DNA重復序列12二、DNA的重復序列

（repetitive

sequence）Alu序列，也稱Alu家族（family）：中度重復序列，

長度

300bp

，

屬短散在重復序列型（10~300bp），散在分布于整個基因組；在人基因組中占11%，重復次數達>1000k/c；300bp的Alu序列有一個AluI的酶切位點，被切為130bp及170bp，故名Alu序列；Alu成員有80%~88%序列相同；Alu序列的兩側有7~10bp的正向重復序列（DR，directedrepeat），可以轉座，是靈長類兩類高拷貝的轉座因子之一。第二節 基因組組成與DNA重復序列13二、DNA的重復序列

（repetitive

sequence）2.

Kpn序列，也稱Kpn家族僅次于Alu的第二大家族，6.4kb，拷貝數3k~4.8k/c，占基因組的3%~6%

，

屬長散在重復序列，

可被KpnI

切成四段（1.2，1.5，1.8，1.9kb）；Kpn

序列的兩側也有正向重復序列（

DR

，

directedrepeat），可以轉座，通過反轉錄自我復制并插入到基因組的其他位置。第二節 基因組組成與DNA重復序列二、DNA的重復序列

（repetitive

sequence）3.

衛星（satellite）DNA各種DNA在氯化銫梯度離心中，平衡時的浮力密度取決于它們的GC含量。真核細胞DNA中一般含有30%~50%的GC含量，有些DNA片段含有異常高或低的GC含量，密度梯度離心的密度曲線中在主帶DNA的前或后出現，稱衛星DNA。衛星DNA通常是串聯重復序列，按其重復單元的核苷酸的多少：小衛星（minisatellite）DNA：有幾百個核苷酸對的單元重復組成；微衛星（microsatellite

）DNA：2～20個左右的核苷酸對的單元重復衛星DNA主要存在于異染色質區，可能在染色體的配對、分離過程中有重要作用。14第三節

基因（組）的結構解剖15第三節

基因組的結構解剖16（一）

原核生物的基因組解剖一、操縱子（Operon）二、轉座因子（Transposable

Element）三、重疊基因（Overlapping

gene）（一）原核生物的基因組解剖一、操縱子（Operon）1961年由Jacob

&

Monod提出，由操縱基因和啟動基因以及緊密連鎖著的若干個結構基因所組成的功能單位，其中結構基因的轉錄為操縱基因所控制。Ｉ：調節基因；Ｐ：啟動基因；Ｏ：操縱基因；Ｚ：半乳糖苷酶基因；Ｙ：半乳糖苷透性酶基因；Ａ：轉乙酰基酶基因。17（一）原核生物的基因組解剖乳糖操縱子18（一）原核生物的基因組解剖乳糖操縱子：19（一）原核生物的基因組解剖20二、轉座因子（Transposable Element）可在染色體內或染色體間及染色體與質粒（plasmid）間，從一個位置轉移到另一位置的一段脫氧核糖核酸序列。原核生物的轉座因子，根據分子結構和遺傳學特性分4種：插入序列（insertion

sequence，IS）復合轉座子（Compositetransposons）非復合轉座子（Noncomposite

transposons）轉座噬菌體（一）原核生物的基因組解剖1. 插入序列（insertion

sequence，IS）一類比較小的轉座因子，除帶有轉座作用有關的基因外，不帶有任何其它基因；大小在768（IS1）~1531（IS50-R）bp，兩端有9~41bp反向重復序列（IR）。末端反向重復序列靶重復序列21（一）原核生物的基因組解剖1. 插入序列（insertion

sequence，IS）含有插入序列的質粒DNA變性后慢慢冷卻，復性后形成啞鈴狀結構，頸的部分是IS的IR序列，大環是質粒DNA，小環是IS的中間序列。22（一）原核生物的基因組解剖1. 插入序列（insertion

sequence，IS）轉座與末端靶重復序列的形成23（一）原核生物的基因組解剖1. 插入序列（insertion

sequence，IS）幾種常見插入序列的結構24（一）原核生物的基因組解剖2. 復合轉座子（Composite

transposons）一類較大的轉座因子，大小在2000（Tn1）~205000（Tn4）bp；除帶有轉座作用有關的基因外，還有其它一些基因，例抗藥性基因；它的兩端就是IS，構成左臂和右臂，兩個臂可以正向重復，也可以反向重復。25（一）原核生物的基因組解剖2. 復合轉座子（Composite

transposons）幾種常見復合轉座子的結構氯霉素抗性基因26四環素抗性基因卡那霉素抗性基因（一）原核生物的基因組解剖3. 非復合轉座子（Noncomposite

transposons）攜帶抗性基因，不含IS；末端含反向重復序列，如Tn3。Tn3的結構27轉座酶解離酶β-內酰胺酶（一）原核生物的基因組解剖4. 轉座噬菌體大腸桿菌的Mu噬菌體（Mutator

phage）感染大腸桿菌后使大腸桿菌產生約2%的突變而得名。Mu可發生轉座，但結構與IS或Tn有一定區別，其末端不含有重復序列而是左端帶有宿主染色體的1500bp，右端帶有100bp。28（一）原核生物的基因組解剖29轉座因子的遺傳學特點：（１）引起插入突變；（２）插入位置上出現新的基因；（３）造成插入位置上出現受體DNA的少數核苷酸對的重復；（４）某些轉座因子轉座后原來位置上保持原有的轉座因子，僅是其拷貝的轉座；（5）轉座排它性：一質粒上如有一個Tn3，能排斥另一Tn3轉座到該質粒上，可控制一個細胞內的轉座因子總數；（一）原核生物的基因組解剖30轉座因子的遺傳學特點：插入位點的專一性：Mu可以插入到大腸桿菌染色體的任何位置，但有些轉座因子如Tn10則只能在特定的位點（GCTNAGC）插入促使插入位點染色體發生缺失：缺失發生率比自發缺失高102~103倍。打開臨近的沉默基因；切離（Excision）：轉座因子可以從原來的位置上消失，這種現象稱為切離。準確的切離可帶來和回復突變一樣的遺傳學效應；不準確切離則會帶來多種效應，包括缺失，倒位，易位等。（一）原核生物的基因組解剖三、重疊基因（Overlapping

gene）重疊基因：具有部分公用核苷酸序列的基因，即同一段DNA攜帶了兩種或兩種以上不同蛋白質的編碼信息。ΦX174噬菌體：1977年Sanger等人對ΦX174噬菌體的核苷酸序列進行分析時，發現了基因重疊現象。31ABCDEJFGHK起始3973506413339056884510012386292351終止13348390845840961227529113903218（一）原核生物的基因組解剖32三、重疊基因（Overlapping

gene）（一）原核生物的基因組解剖33三、重疊基因（Overlapping

gene）3種方式：完全重疊：B基因落在A基因內，E基因落在D基因內，這種方式的重疊也可稱為套疊基因

nestedgenes；部分重疊：K基因與A及C基因

；少數核苷酸重疊：A基因與C基因。（一）原核生物的基因組解剖三、重疊基因（Overlapping

gene）34（一）原核生物的基因組解剖三、重疊基因（Overlapping

gene）G4噬菌體：基因Ｋ全長都與其它基因重疊，5’端區與基因Ａ的最后86個堿基重疊，3’端與基因Ｃ的開頭89個堿基重疊，在①和②兩個位點上，DNA閱讀框的3種方式都得到應用終止、起始、編碼。35（一）原核生物的基因組解剖三、重疊基因（Overlapping

gene）Qβ噬菌體：與ΦX174及G4的重疊不同，

其重疊基因按相同閱讀框閱讀，即通讀（read

through）；如外殼蛋白基因完全落在A1基因內。36（一）原核生物的基因組解剖37三、重疊基因（Overlapping

gene）果蠅蛹角質蛋白基因（pupal

cuticle

protein，PCP）落在參與嘌呤代謝的Gart基因的第一內含子內；Dopa脫羧酶基因Ddc與臨近基因有一個88bp的重疊，兩個重疊基因是以不同的模板鏈反向轉錄的。基因重疊的意義：用有限的核苷酸儲存最大的信息量

；與基因的表達調控有關

：重疊基因中不僅有編碼序列也有調控序列，說明基因的重疊不僅是為了節約堿基，能經濟和有效地利用DNA遺傳信息量，更重要的可能是參與對基因的調控；與進化相關。第三節

基因組的結構解剖38（二）

真核生物的基因組結構一、斷裂基因二、多基因家族（multigene

family）三、基因復合體（genecomplex）四、假基因五、轉座因子（二）

真核生物的基因組結構一、斷裂基因：(split

gene)含有可轉譯區段和不轉譯區段的一類結構基因；斷裂基因的發現：1977年美國生化學家Sharp和英國生化學家Roberts以腺病毒為材料，發現基因在排列上由一些不相關的片斷隔開，呈現不連續狀態，發現了斷裂基因，1993年兩人獲因此諾貝爾獎金。Crick稱之為分子遺傳學的一次“微型革命”。39（二）

真核生物的基因組結構40一、斷裂基因：(split

gene)斷裂基因的發現：用限制性酶酶切得到含有腺病毒外殼蛋白六聚體基因A的DNA片斷，利用此基因的mRNA與該DNA片斷雜交，在5′端出現出現3個環，在3′端則二者互補，沒有出現環狀結構，因此，認為該基因存在割裂現象。同時Berget小組也發現了這種現象。（二）

真核生物的基因組結構41一、斷裂基因：(split

gene)斷裂基因的發現：在Sharp和Roberts的實驗發現割裂基因之前法國的Chambon小組已經在研究雞卵清蛋白基因的表達和激素的關系時也發現了類似現象。但是，他們不能解釋這種現象。1977年Berget在美國冷泉港作了一個關于斷裂基因的報告，Chambon受到啟發，對他們的實驗進一步研究，在真核生物發現了斷裂基因。1978年，Gilbert把出現在成熟的mRNA中的片段叫做外顯子（exon)，把不出現在成熟的

mRNA中的片段叫做內含子（intron）。（二）

真核生物的基因組結構42一、斷裂基因：(split

gene)（二）

真核生物的基因組結構43二、多基因家族（multigene

family）也稱基因家族（gene

family）：來源相同、結構相似、功能相關的一組基因。家族成員可以排列在一起構成所謂的基因簇（gene

cluster)，也可以分散排列。基因家族可分為三種類型：簡單的多基因家族復雜的多基因家族不同場合表達的復雜的多基因家族海膽的組蛋白基因44果蠅的組蛋白基因果蠅的tRNA基因β珠蛋白基因簇二、多基因家族（multigene

family）（二）

真核生物的基因組結構45三、基因復合體（gene

complex），也稱超基因（supergene）：緊密連鎖在一起的共同決定某一性狀的一組基因。有人認為超基因就是一個大的基因簇，其成員可達幾百個。人類的主要基因復合體有：免疫球蛋白基因復合體主要組織相容性復合體（major

histocompatibilitycomplex，MHC）次要組織相容性復合體（minor

histocompatibility

complex）（二）

真核生物的基因組結構46三、基因復合體（genecomplex）在人類中，MHC是一組決定體細胞表面抗原的基因，這些抗原稱為同源白細胞抗原（homologousleucocytic

antigen HLA）。HLA復合體位于6p21~6pter，長度約4000kb，已知有35個基因座位，有幾百個基因。決定了3類抗原。（二）

真核生物的基因組結構三、基因復合體（genecomplex）單倍型（haplotype）：若干個決定同一性狀的緊密連鎖的基因構成的基因型。47（二）

真核生物的基因組結構48四、假基因（pseudogene）多基因家族中，與編碼某一蛋白質的結構基因在結構上相似、并不產生有功能的基因產物----假基因。2類假基因：由正常基因的突變、缺失、重復等原因導致基因不能正常表達。缺少正常基因的部分元件、內含子等，更象正常基因經反轉錄后產生的，有人稱其為加工基因(processed

gene)、反轉錄基因（retrogene）及反轉錄轉座子（retrotrsansposon）四、假基因（pseudogene）人類類α、β珠蛋白基因家族分別組成基因簇，每個基因簇都包括有功能的基因和假基因（二）

真核生物的基因組結構49（二）

真核生物的基因組結構五、轉座因子轉座因子最早在真核生物中發現：30年代，McClintock發現玉米籽粒顏色不穩定，有時出現斑點。而且與色素合成有關的基因突變和回復突變的頻率很高。這些突變與染色體內一些位置不確定的因子有關。由此提出了轉座因子的概念。50（二）

真核生物的基因組結構五、轉座因子真核生物中研究得最清楚的是玉米的激活——解離系統（Activator-Dissociator,

Ac-Ds）：在Ac-Ds系統中，

包括兩個位點，一是激活位點（Ac），一是解離位點（Ds）。Ac和Ds都可轉座，但Ds在轉座有賴于Ac的存在，而Ac則可自主轉座。51（二）

真核生物的基因組結構五、轉座因子Ac全長4500bp，末端有11bp的IR，有兩個基因，即轉座酶基因和阻遏物基因，因此可以自主轉座。Ds是Ac的缺失類型，缺失范圍可以從0.4kb~4kb，甚至只剩下IR也可以在轉座酶作用下發生轉座52玉米的激活——解離系統53（二）

真核生物的基因組結構六、原核基因組與真核基因組的比較真核生物基因組比較大。真核生物的一個基因組包括若干個染色體，一般不呈環狀。真核生物的DNA全長都與蛋白質穩定地結合，構成染色體。原核生物的DNA并不是全長與蛋白質穩定地結合。真核生物DNA上有大量的重復序列。編碼序列僅占基因組的0.5-5%,

而原核生物基因則大多是編碼序列。真核生物基因組存在無功能的假基因。原核生物的基因組中功能相關的基因常聚集在一起構成操縱子。真核生物的基因組雖然作用上密切相關的基因聚集在一起的情況也并不少見，但關于操縱子的確切報道還絕無僅有。54(三) tRNA基因與rRNA基因一、tRNA基因（tDNA）１．原核生物tDNA：（１）以基因簇形式組成多順反子轉錄單位：在E.coli中以基因簇形式組成的多順反子已測定了約60個。例如1981年鑒定的一個操縱子含7個tRNA基因：Met-Leu-Gln-Gln-Met-Glu-Glu，它們可以轉錄出一條RNA，經剪切后形成7個tRNA。（２）tDNA有些與rRNA基因（rDNA）連接在一起，隨rRNA轉錄。2．真核生物tDNA：真核生物tDNA一般是多拷貝，成簇地排列在一起的，與原核生物不同（單順反子轉錄的并且具有內含子）。55(三) tRNA基因與rRNA基因二、rRNA基因（rDNA）背景知識：核糖體組成56(三) tRNA基因與rRNA基因二、rRNA基因（rDNA）１．原核生物rDNA：存在16S，23S和5S三種rRNA基因，它們串聯在一起，在其間又插入一些tRNA組成一個操縱子，轉錄出一條30S

rRNA的前體（多順反子轉錄），經剪切加工后形成3種rRNA。57(三) tRNA基因與rRNA基因58二、rRNA基因（rDNA）2.

真核生物rDNA：有18S，28S，5.8S和5S四種；18S，28S和5.8S

rDNA串聯構成一個基因簇，這一基因復合體位于核仁組織者區。轉錄時18S，28S，5.8S

rDNA一起轉錄（即多順反子轉錄）出一條45SrRNA前體，經剪切加工后形成3種rRNA。位于核仁組織者區的rRNA，由RNA

pol

I轉錄；5S

rRNA位于核仁組織者區之外，是多拷貝重復的，由RNApol

III轉錄。(三) tRNA基因與rRNA基因59二、rRNA基因（rDNA）幾種生物的rRNA基因數目生物種類18S/28S(16S/23S)5S大腸桿菌77酵母140140果蠅150~1500165人2802000非洲爪蟾450*24000第四節

基因的概念及其發展60一、經典遺傳學中基因的概念1866年，G.

J.孟德爾提出了遺傳因子的概念。1909年，丹麥遺傳學家約翰遜提出基因，并提出了基因型和表現型這個術語。1910年，美國遺傳兼胚胎學家T.H.摩爾根：(1)基因可以發生突變；(2)證實基因位于染色體上，呈直線排列；(3)非等位基因間可以發生交換。提出基因是一個功能單位，也是一個突變和交換單位的“三位一體”的概念；并把基因看成是不可分割的最小的遺傳單位。61一、經典遺傳學中基因的概念按照經典遺傳學對基因的概念，基因具有下列共性：基因可自我復制并具有相對穩定性，在減數分裂和有絲分裂中有規律地進行分配——這是染色體的主要特征之一；基因在染色體上占有一定的位置（位點），并且是交換的最小單位，即在重組時不能再分割的單位（即基因是一個重組單位）；基因是一個突變單位，是以整體進行突變的；基因是一個功能單位，它控制著有機體生長和發育中的一個或某些性狀，如紅花、白花等。62二、順反子1955年Benzer以T4噬菌體為材料，在T4噬菌體rⅡ基因研究中發現基因不是最小的不可分割的單位，其內部還有精細結構，提出順反子（cistron）的概念。r，快速溶菌突變型（rapid

lysismutant）。決定這個突變的DNA區域有3個不同區段，其中研究的比較多的是II區，我們簡稱為rII區。63二、順反子64二、順反子互補測驗方法：觀察處于反式結構的兩個突變之間是否可以互補：互補，兩個突變處于不同的功能單位；反之，突變處于相同的功能單位。反式（trans）排列：兩個突變分別在兩條染色體上；順式（cis）排列：兩個突變同時排在一條染色體上，另一條染色體上兩個位點均正常。65二、順反子Benzer將順式、反式結構的遺傳學效應不同的現象稱為順反位置效應；將具有順反位置效應的功能單位稱為順反子（cistron，或在反式構型中不能互補的各個突變型在染色體上所占的一個區域）。66按照現代遺傳學的概念，

基因的突變、重組，功能三個單位應分別是：1、突變子（muton）一個順反子內部能發生突變的最小單位，一個突變子可以小到只有一對堿基。2、重組子（recon）基因內不能由重組分開的遺傳單位，即基因內出現重組的最小區間。重組子的單位可以小到核苷酸對3、順反子（cistron）Benzer把在反式構型中不能互補的各個突變型在染色體上所占的一個區域稱為一個順反子。三、分子遺傳學關于基因的概念基因是DNA（RNA）分子上一段特定的核苷酸序列，它具有突變、重組、轉錄并產生基因產物（RNA或蛋白質）的遺傳學功能單位。67第五節 中心法則68一、中心法則（central

dogma）的提出：1953年Watson

&

Crick提出DNA雙螺旋結構后，1958年Crick在此基礎上對細胞內遺傳信息流向進行了總結，提出了中心法則：信息流向是單向的，不可逆的。69二、中心法則的修正1961年Temin等人發現了反轉錄酶，1970年又為MIT的Baltimore獨立發現，以及隨后的RNA復制酶的發現，實驗室中DNA的翻譯，Crick將中心法則修改為：70三、對中心法則的挑戰中心法則明確指出遺傳信息流只能從核酸到核酸，從核酸到蛋白質。那么能不能從蛋白質到核酸，能不能從蛋白質到蛋白質呢？DNA71RNAProtein三、對中心法則的挑戰朊病毒（Prion）：感染性蛋白質粒子Theword"prion"fromacombinationofthewords"proteinaceousinfectiousparticle".Prionswerefirsthypothesizedin

1982

by

StanleyB.

Prusiner

ofUCSF,whowasawardedthe

NobelPrizein

physiologyormedicine

in

1997

forthe

discovery.引起人類Kuru病，克雅氏(CJD)病；動物的瘋牛病（mad

cow

disease)

，羊瘙癢病72三、對中心法則的挑戰朊病毒（Prion）特點是一類非正常病毒，不含核酸，僅有蛋白質的蛋白感染因子。主成份是蛋白酶抗性蛋白。對蛋白酶具有抗性。強致病力和不誘發抗體強傳染性（從一類動物傳染給另一類動物后，即這種病毒跨物種傳播后，其毒性更強，潛伏期更短）73三、對中心法則的挑戰人類Kuru病Creutzfeldt–JakobdiseaseBovineS