1、Mol Biology,第 二 章 遗传物质的分子结构、性质和功能,第一节 核酸是遗传物质 第二节 核酸的结构 第三节 基因与基因组 第四节 核酸的功能 第五节 核酸的变性、复性和杂交,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,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？,遗传物质必须具有以
2、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,遗传物质是什么呢？,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 核酸是遗传物质,Friedrich Miescher,1879 picture of the laboratory where Miescher isolated nuclein. The lab was run by Felix H
3、oppe-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。,3.证明DNA是遗传物质的两个实验 (1)肺炎球菌转化实验 1928年 Griffith (2)噬菌体感染实验 1944年Avery,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
4、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。,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
5、毒(prion)。,第二节 核酸的结构,（Structure of Nucleic Acid）,一、DNA的结构,核酸中核苷酸的排列顺序即称碱基序列。,（ 一）DNA的一级结构,Mol Biology,DNA一级结构的不同是物种差异的根本原因。,核酸的组成分子,书写方法,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A C T G C T 3,（二） DNA的二级结构双螺旋模型,DNA的二级结构是 指两条脱氧多核苷酸链 反向平行盘绕所形成的 双螺旋结构。,1、 DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）,DNA分子由两条反向平行的右手双螺旋的脱氧多核苷酸链组成，两链以-
6、脱氧核糖-磷酸-为骨架排列在外侧，绕同一公共轴盘旋。螺旋直径为2nm，形成了相间的大沟(major groove)及小沟(minor groove) 。,DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）,碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键互补配对（A=T; GC） 。 相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。,DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）,氢键维持双链横向稳定性. 碱基堆积力维持双链纵向稳定性。对双螺旋的稳定由为重要.,2、DNA双螺旋结构的多样性,DNA双螺旋结构不同构型的意义：由于双螺旋结
7、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：B型DNA表面有大沟和小沟；A型DNA也有两个沟；Z型DNA仅有一个很深很窄的沟。,DNA双螺旋的这种表面结构有助于DNA结合蛋白识别并结合特定的DNA序列。而这种表面构型的变化对于基因组DNA与其 DNA结合蛋白的特异性相互作用具有重要的意义。,（三）DNA的拓扑结构,超螺旋DNA比松弛型DNA更紧密，使DNA分子 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5cm，而细胞核的 直径仅约5m，所以DNA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DNA 分子与其它分子（如酶、蛋白质）之间的相互
8、作用。 对基因表达的调控有重要意义。,超螺旋结构的生物学意义：,DNA拓扑异构体的相互转化由 拓扑异构酶（型和型）催化完成。,（四）DNA的四级结构,真核生物中核酸与蛋白质相互作用形成的核糖体、剪接体，即可看成核酸的四级结构。,另外DNA缠绕组蛋白构成核小体。,二、RNA的结构 （Structure of RNA）,RNA的种类、分布、功能,RNA单链结构 环状结构（loop） 局部双螺旋结构,具有催化活性的RNA 称为核酶。,第三节 基因与基因组,一 、基因概念的历史演变 1.基因概念 Gene 2.表型与基因型 phenotype & genotype 3.基因突变mutation、突变体
9、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,孟德尔及所使用的实验材料-豌豆和性状,Gregor Mendel, Austrian Monk (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:控制性状的一对等位基因在产生配子时彼此分离
10、，并独立地分配到不同的性细胞中。 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。,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”,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(Fruit Fly), Drosophila melanogaster, (SEM X60).,
11、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.,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
12、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
13、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。,二、DNA与基因,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)。DNA分子中除了编码区外，还含有调控区和间隔序列
14、。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。,三、真核生物的割裂基因,1、割裂基因的发现,(1)割裂基因split 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DNA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 通过对DNA和相应的mRNA进行杂交,杂交后
15、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,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。,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
16、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。,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。 内含子通常比外显子大很多。各种内含子大小差
17、异很大，大小在200bp到10kb之间，有的甚至达50至60kb。,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。,表3-1 不同生物的平均基因大小,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B位于基因A*内 基因E位于基因D内 基因K与基因A*和C重叠,2、真核生物的重叠基因,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
18、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,病毒基因组一般结构特点,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。 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。 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。 常
19、见基因重叠现象。,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。 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。 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。,细菌基因组一
20、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。,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
21、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。,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。 真核生物的转录产物一般为单顺反子，即一个结构基因经
22、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。,人的基因组组成,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。,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.C值矛盾 有些亲缘关系很近的物种，C值相差数十倍乃至
23、上百倍。如两栖动物，C值小的为109，大的可达1011。C值矛盾 C value paradox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。,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。,表3-3 不同生物的基因数目,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 reassociation kinetics。 2.C0t曲线 3. 复性进行一半时的C0
24、t 值称为C0t1/2, C0t1/2=1/k,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=k C0t1/2 。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。,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,
25、X=k C0t1/2 。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。,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
26、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(Alu family)。(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。,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D
27、NA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。,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(gene family) 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
28、族成员间的差异很大，甚至还有无功能的假基因(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。,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(clusteredgene family)或基因簇以及分散的基因家族(interspersedgene family)。 基因簇(gene cluster) 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
29、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。,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。,（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
30、;(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，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。,三、真核生物的重复序列,（二）基因外的重复D
31、NA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DN
32、A、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
33、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。,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
34、之间。,Alu家族,人类主要的散布的重复序列,1、DNA的基本功能： 是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。,第四节 核酸的功能,一、DNA的功能及基因治疗,Mol Biology,基因的分子定义：,基因就是贮存RNA序列信息及表达这些 信息所必需的全部核苷酸序列。,大多数生物的遗传信息以特定的核苷酸排列顺序储存在DNA分子中。,DNA分子携带两类遗传信息： 编码信息：编码RNA（mRNA、tRNA、rRNA）或蛋白质的遗传信息，为有功能活性的DNA序列所携带。 调控信息，是一些特定的DNA区段。决定有关基因选择性表达的信息
35、。,2、基因治疗：,定义： 指应用DNA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异常引起的疾病,以达到治疗的目的。,目前广义上来讲是指将某种遗传物质转移到患者细胞内，使其在体内发挥作用，以达到治疗疾病目的的方法。,基因治疗的基本程序,治疗性基因的选择和制备,基因载体的选择,靶细胞的选择,基因导入方式选择,外源基因表达的筛选 利用在体中的标记基因,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）,体细胞（造血c、肝c、淋巴c等） 生殖细胞（国际上严禁使用）,间接体内疗法（回输法） 体外途径 直接体内疗法体内途径,基因克隆定位表达评价表达情况,基因治疗的主要策略
36、,基因矫正 (gene correction) 基因置换 (gene replacement) 基因增补 (gene augmentation) 基因失活 (gene inactivation),反义核酸技术 核酶技术 三链技术 RNA干扰技术,基因失活技术,基因治疗实例,1、复合免疫缺陷综合征的基因治疗 （人类Gene治疗成功例子）ADA缺乏症-致死性疾病，患者由于腺苷酸脱氨酶（ADA）缺乏。,ADA-Gene + vector （逆转录病毒）重组分子 患者T Ly C IL-2刺激C分裂 导入 细胞生长分裂10天Gene表达 回输患儿体内12月治疗一次, 10个月 患儿体内ADA水平达正常
37、人的25%,2、乙型血友病,XR ，患者凝血因子缺乏，因子基因定位在Xq26.3q27.2。临床表现，易出血，凝血时间长，轻伤、小手术后常出血不止。发病率为1/30000。 例如：我国学者薛京伦实施的F的基因治疗。,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（CHO ）F表达； 导入乙型血友病患者皮肤成纤维细胞（体外培养）F表达； 91年，导入乙型血友病患者皮肤成纤维细胞（体外培养）回植病人皮下F基因表达，F基表达水平达正常人的5%。是我国基因治疗成功的例子。,3、黑色素瘤的基因治疗,肿瘤Gene治疗是人们十分关注的问题，进行了广泛的探索。研
38、究发现，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无副作用，利用此特点协助治疗肿瘤。,例：细胞因子基因治疗和肿瘤坏死因子基因治疗,IL-2 Gene TNF-Gene（白介2） （肿瘤坏死因子） 逆转录病毒载体 导入TIL（体外培养的自体细胞）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胞 的作用。,4、自杀基因的基因治疗,原理：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，此酶可将一种无害的药物前体转变为细胞毒复合物，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特定的组织或肿瘤中表达，而正常细胞中不表达。,如： 自杀基因
39、 + 病毒载体 转染重组载体,药物前体 无毒 Gene酶 药物复合物 有毒,细胞死亡,例如：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） GCV（胸苷类似物） P GCV-p抑制DNA合成 肿瘤细胞死亡邻近细胞死亡/凋亡（旁观者效应）,基因治疗的临床应用,肿瘤的基因治疗（ 61%病例） 感染性疾病的基因治疗艾滋病（24%病例）乙型肝炎 遗传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,全球临床方案数达300多项，病例数超过 3500人，其中美国病例占80%。,二、RNA的功能,（一）mRNA 及hnRNA的功能,mRNA的功能 把DNA所携带的遗传信息，
40、按碱基互补配对原则抄录下来，以三联体密码的形式决定蛋白质的氨基酸排列顺序。,tRNA的一级结构特点： 1.含有稀有碱基，如 DHU 甲基化嘌呤 假尿嘧啶 2.含有茎环结构 3末端为 CCA-OH 4. tRNA序列中有反密码子,（二）tRNA的功能,tRNA的二级结构 三叶草形 氨基酸臂 DHU环 反密码环 额外环 TC环,氨基酸臂,额外环,tRNA的三级结构 倒L形,tRNA的功能：,2. 活化氨基酸；,1. 搬运氨基酸；,3. 在密码子与对应氨基酸之间起接合体 (adaptor) 的作用。,如：密码子GGU-携带反密码子ACC的tRNA-Gly,密码子tRNA反密码子氨基酸是对号入座的。,
41、rRNA的结构,（三）rRNA的功能,rRNA的功能： 参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。,rRNA的种类（根据沉降系数）,真核生物 5S rRNA 28S rRNA 5.8S rRNA 18S rRNA,原核生物 5S rRNA 23S rRNA 16S rRNA,原核生物,真核生物,（四 ）其他小分子RNA,除了上述三种RNA外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为非mRNA小RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。,snmRNAs:,snmRNAs的种类: 核内小RNA (small nuclear RNA, snRNA)
42、 核仁小RNARNA (small nucleolar RNA, snoRNA) 胞质小RNA (small cytoplasmic RNA, scRNA) 催化性小RNA (small catalytic RNA) 小片段干涉 RNA (small interfering RNA, siRNA) 起始RNA (initiator RNA，iRNA) 微小RNA（micro RNA, miRNA）,snmRNAs的功能：, U系列snRNA与蛋白质结合构成snRNP， 参与hnRNA和rRNA的加工和转运。 如U1、U2、U3、U4、U5、U6等。,多种多样, siRNA和miRNA参与某些基
43、因表达调控。, iRNA作为DNA合成的引物。,Topic 2: miRNA in cancer,微小RNA及其功能,2006年度的诺贝尔奖授予了Andrew Fire和Craig Mello。,一般情况下，microRNA帮助调控基因活动以及动植物的协调发育。,Figure 2. Expression of miR-124a and miR-1 in Zebrafish, Medaka, Mouse, and Fly. miR-124a is restrictedly expressed in the brain and the spinal cord in fish and mouse o
44、r 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,斑马鱼,小鼠,果蝇,Learning the miRNA function from its expression pattern,miRNA controls some plant phenotype (控制植物表型特征),Jaw-miRNA 控制拟南芥叶形变化,(Nature, 2003),( Science 2004),3种miRNA控制造血干
45、细胞向淋巴细胞的分化过程,miRNA controls the differentiation of the hematopoietic stem cell (调控造血干细胞的分化),miRNAs in human: There are about 500 miRNAs from human have been found and annotated. They are named as has-miRx.,Cell发表哺乳动物microRNA表达图谱,P. Landgraf et al., “A Mammalian microRNA expression atlas based on sma
46、ll RNA library sequencing,“ Cell, June 29, 2007.,miRNA expression pattern changes during oncogenesis, and is unique for each cancer. 微小RNA在癌症发生中表达谱的变化,Figure 3, Comparison between normal and tumor samples reveals global changes in miRNA expression.,Some microRNAs are potential oncogenes 有些微小RNA可能是致癌
47、基因。,B-细胞淋巴瘤,Figure 1. The mir-1792 cluster shows increased 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
48、from five individuals.,Figure 2. Overexpression of the mir-1719b cluster accelerates c-myc-induced lymphomagenesis in mice.,Nature. 2007 Oct 11;449(7163):682-8. Epub 2007 Sep 26. Tumour invasion and metastasis initiated by microRNA-10b in breast cancer. Ma L, Teruya-Feldstein J, Weinberg RA.,Nature：
49、一种microRNA能促使癌症扩散,侵略性的乳腺癌细胞（荧光点）转移到了小鼠的肺部。,miR-9 神经母细胞瘤 miR-10b 乳腺癌 miR-15、miR-15a 白血病、垂体腺瘤 miR-16、miR-16-1 白血病、垂体腺瘤 miR-17-5p、miR-17-92 肺癌、淋巴瘤 miR-20a 肺癌、淋巴瘤 miR-21 乳腺癌、胆管腺癌、头颈癌、白血病、宫颈癌 胰腺癌 miR-29、miR-29b 白血病，胆管腺癌 miR-31 结肠直肠癌 miR-34a 胰腺癌 神经母细胞瘤 miR-96 结肠直肠癌 miR-98 头颈癌 miR-103 胰腺癌 miR-107 白血病、胰腺癌 m
50、iR-125a、miR-125b 神经母细胞瘤、乳腺癌 miR-128 胶质母细胞瘤 miR-133b 结肠直肠癌 miR-135b 结肠直肠癌 miR-143 结肠癌、宫颈癌 miR-145 乳腺癌、结肠直肠癌 miR-146 甲状腺癌 miR-155 乳腺癌、白血病、胰腺癌 肺癌 miR-181、miR-181a、 miR-181b、miR-181c 白血病、胶质母细胞瘤、甲状腺癌 miR-183 直肠结肠癌 miR-184 神经母细胞瘤 miR-196a-2 胰腺癌 miR-221 胶质母细胞瘤、甲状腺癌 胰腺癌 miR-222 甲状腺癌 miR-223 白血病 miR-301 胰腺癌 miR-376 胰腺癌 let-7、let-7a、 let-7a-1、 hsa- let-7a-2、let-7a-3 肺癌、结肠癌 肺癌,
