1、2018/11/3,1,第一章,基因,2,2018/11/3,第一节 基因的基本概念及基因的结构特点第二节 结构基因中贮存的遗传信息第三节 基因结构变异及其与疾病的关系,3,2018/11/3,第一节 基因的基本概念及基因的结构特点,一、基因的研究简史 二、基因的现代分子生物学概念 三、核酸是遗传信息的载体 四、基因的结构特点,2018/11/3,4,一、基因的研究简史, 1909年 W. Johannsen首先使用基因（gene）一词 1926年 Morgan发表了“基因论” 20世纪40年代 Bendle和Tatum提出了“一个基因，一个酶”的学说 20世纪50年代 Benzer提出了“顺
2、反子”概念 20世纪60年代 遗传密码的破译使人们对基因表达的机理有了更多的了解 20世纪90年代 形成了基因的现代概念,基因决定遗传性状的表达，基因存在于染色体及线粒体DNA上，呈直线排列，并世代相传，基因的颗粒性主要表现在世代相传的行为和功能表达上具有相对的独立性,基因的现代生物学概念,二、基因的概念,基因是核酸分子中贮存遗传信息的遗传单位，是RNA和蛋白质相关遗传信息的基本存在形式，是指贮存RNA序列信息和有功能的蛋白质多肽链序列信息、以及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列。大部分生物中构成基因的核酸物质是DNA，少数生物（如RNA病毒）中是RNA。,基因的现代分子生物学概念,a gen
3、e is the entire DNA sequence required for synthesis of a functional protein or RNA molecule,大肠杆菌 50%病毒 95% 真核生物 5%10%,基因在基因组中的数量,大约22.5万个基因 20%编码蛋白质 80%编码RNA 90%基因属于看家基因（house keeping) 10%基因属于组织细胞特异基因（luxury gene，inducible gene),人的基因组,9,2018/11/3, 一级结构（primary structure）指DNA分子中核苷酸的排列顺序 二级结构（secondar
4、y structure）指两条DNA单链形成的双螺旋结构 三级结构（tertiary structure）指双链DNA进一步扭曲盘旋形成的超螺旋结构,1.DNA,三、核酸是遗传信息的载体,2018/11/3,10,DNA的一级结构形成特点, 组成4种脱氧核糖核苷酸(dAMP、dGMP、dCMP、dTMP) 连接方式 以3,5-磷酸二酯键相连 形态 以4种脱氧核糖核苷酸排列为特定的多核苷酸长链,11,2018/11/3,DNA的结构,端,端,核苷酸,12,2018/11/3,DNA双螺旋结构结构的多样性,13,2018/11/3,DNA书写方法,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A C
5、 T G C T 3,2018/11/3,14,DNA携带的遗传信息, 调控信息特定的DNA区段,与蛋白质分子的识别、结合、控制基因复制和基因表达等有关, 结构信息DNARNA蛋白质,2018/11/3,15,2.RNA, 组成4种核糖核苷酸（AMP、GMP、CMP、UMP） 连接方式 以3,5-磷酸二酯键相连 形态 以4种核糖核苷酸排列为特定的多核苷酸链,RNA的一级结构特点,16,2018/11/3,RNA的种类、分布、功能,2018/11/3,17,(一) 结构基因, 定义在基因片段中，贮存着一个特定的转录RNA分子的DNA序列，这段序列决定该RNA分子的一级结构，就称为结构基因,四、基
6、因的结构特点, 组成一个编码特定多肽链的DNA序列+与蛋白质编码无关的DNA序列(调控序列),18,2018/11/3,2018/11/3,19, 结构特点,1.原核生物结构基因的特点结构基因在DNA上是连续的2.真核生物结构基因的特点结构基因在DNA上是不连续的（断裂基因）,有的是连续的，有的是间断的,取决于其能够侵染的宿主,3.病毒结构基因的特点,20,2018/11/3,真核生物结构基因,21,2018/11/3,外显子（exon）指结构基因中与成熟RNA分子中的保留序列相对应的序列内含子（intron） 指与RNA分子剪接时删除部分相对应的结构基因序列,2018/11/3,22,定义:
7、 与转录相关的、结构基因以外的序列,(二) 基因的转录调控序列, 原核生物基因的转录调控序列 1.启动子（promoter）是RNA聚合酶特异性识别和结合的DNA序列。位于结构基因转录起始点的上游，启动子本身并不被转录,23,2018/11/3,包括三个部分:转录起始部位（1 bp）、10 bp区和35 bp区。RNA聚合酶全酶中的因子识别并结合在35 bp区和10 bp区,2018/11/3,24,终止子是结构基因3端下游的一段DNA序列，其中有GC富集区组成的反向重复序列，转录后在RNA 分子中形成特殊的结构以终止RNA链的延伸,2. 终止子,2018/11/3,25,3.操纵元件（ope
8、rator）,操纵元件是被阻遏蛋白识别与结合的一小段DNA序列 (阻遏蛋白与操纵元件结合后抑制下游结构基因的转录),26,2018/11/3,操纵元件位于7 bp至28 bp 区,2018/11/3,27,4.正调控蛋白结合位点,在弱启动子附近有一些特殊的DNA序列，转录激活蛋白可以识别并结合这种DNA序列，该蛋白可与RNA聚合酶作用，促进转录的启动。这种DNA序列就是正调控蛋白结合位点,28,2018/11/3,启动子的上游有CAP蛋白识别位点，CAP被cAMP激活后，能够结合于该识别位点，激活下游结构基因的转录,2018/11/3,29,真核生物的转录调控序列,与转录调控有关的DNA序列称
9、为顺式作用元件（cis-acting elements）。包括启动子、上游启动子元件、增强子、加尾信号和一些反应元件等,2018/11/3,30,1.启动子,RNA聚合酶特异性识别和结合的DNA序列。多数位于结构基因转录起始点的上游，启动子本身不被转录。但有一些启动子（如tRNA启动子）可以位于转录起始点的下游，这些DNA序列可以被转录,2018/11/3,31,真核生物RNA聚合酶及其对应的转录因子、启动子类型,2018/11/3,32,2.上游启动子元件 指TATA盒上游的一些特定的DNA序列 （1）与 TATA盒共同组成启动子（2）是反式作用因子（转录激活蛋白）识别与结合的位点,2018
10、/11/3,33,CAAT盒：含有5GGNCAATCT3核心序列80 bp90 bpCACA盒: 含有5GCCACACCC3核心序列80 bp90 bp(大多数真核生物基因具有)GC盒: 含有5CCGCC 3 核心序列70 bp和120 bp(组成型基因具有), 常见的上游启动子元件,2018/11/3,34,3.增强子(enhancer）是一种较短的DNA序列，能够被反式作用因子识别与结合。与增强子元件结合后能够增强邻近基因转 录。位于转录起始点上游100300 bp处,2018/11/3,35,4. 反应元件一类能介导基因对细胞外的某种信号产生反应的特异的DNA序列特点具有较短的保守序列通
11、常位于启动子附近、启动子内或增强子区域,2018/11/3,36,5.poly(A)信号II类基因除了调控转录起始的序列外，在结构 基因的3端下游还有加尾信号。由AATAAA序列和GT丰富区，或T丰富区组成。作用: 终止mRNA转录和为其加上poly(A)尾,2018/11/3,37,(三) 基因的基本结构特点1.原核生物基因的基本结构5-启动子结构基因转录终止子-3 操纵子（operon） 功能上相关联的数个结构基因串联在一起，由一套转录调控序列控制其转录，构成的基因表达单位.,38,2018/11/3,操纵子转录出的RNA为多顺反子(多个结构基因),2018/11/3,39, 组成一个结构
12、基因+转录调控序列 特点mRNA多是单顺反子（monocistron） 例外rRNA基因结构是多顺反子,2.真核生物基因的基本结构,40,2018/11/3,转录调控序列,2018/11/3,41,3.病毒基因的基本结构 特点 很小(和真核基因相比) 一般没有内含子 调控序列较少 有不规则基因,42,2018/11/3,第二节 结构基因中贮存的遗传信息,一、 RNA的结构信息二、 结构基因中贮存的蛋白质序列信息,43,2018/11/3,编码区一个特定蛋白质多肽链的序列信息，也称为开放阅读框（open reading frame，ORF）功能 决定蛋白质分子的一级结构,1mRNA,（1）一般结
13、构,2018/11/3,44,非编码区 开放阅读框的5端上游和3 端下游的核苷酸序列,也称为非翻译区（untranslated region,UTR）功能 参与翻译起始调控,45,2018/11/3,* mRNA结构特点,1. 大多数真核mRNA的5末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C2也是甲基化的，形成帽子结构：m7GpppNm-,2. 大多数真核mRNA的3末端有一个多聚腺苷酸（polyA）结构，称为多聚A尾。,帽子结构,2018/11/3,46,（2）功能携带蛋白质的序列信息，在翻译过程中作为模板指导蛋白质的合成,47,2018/11/3,原核生物与真核生物mRNA结
14、构的比较,顺反子,5端 帽子结构,3多聚 腺苷酸尾,原核生物,多顺反子,无,无,真核生物,单顺反子,有,有,48,2018/11/3,2.tRNA 结构特点含有很多稀有碱基或修饰碱基 3端是CCA-OH，连接激活的氨基酸含有7个碱基组成的一个反密码环 功能在蛋白质生物合成时运输氨基酸,49,2018/11/3,N,N二甲基鸟嘌呤,N6-异戊烯腺嘌呤,双氢尿嘧啶,4-巯尿嘧啶,稀有碱基,50,2018/11/3,起始tRNA识别翻译起始信号，并结合到核蛋白体的肽位（P位）上。,原核细胞的起始tRNA为tRNAfmet 真核生物的起始tRNA是tRNAimet,注意,51,2018/11/3,3.
15、rRNA原核生物核蛋白体30S小亚基: 含16S的rRNA和21种蛋白质50S大亚基: 含两种rRNA（23S 和5S）及34种 蛋白质,52,2018/11/3,真核生物核蛋白体40S小亚基:含18S rRNA及33种蛋白质60S大亚基:含有3种rRNA（28S、5.8S、5S） 及45种蛋白质。,53,2018/11/3,核蛋白体的组成,54,2018/11/3, 介导rRNA与mRNA的结合 rRNA与核蛋白体蛋白的结合 rRNA与tRNA的相互识别和相互作用,核蛋白体功能,55,2018/11/3,4.小分子RNA 核内小分子RNA（small nuclear RNA，SnRNA） 真
16、核细胞核内的一组小分子RNA 特点300个碱基以下序列中尿嘧啶含量较高，故用U命名(U1U10) 功能参与mRNA的剪接、加工 U3与rRNA加工有关,56,2018/11/3,反义RNA属小分子RNA,其碱基序列正好与mRNA互补，从而可与mRNA配对结合形成双链，抑制mRNA作为模板进行翻译。是一种新的基因表达的调控机制,57,2018/11/3,5.核酶（ribozyme）是一类具有催化活力的RNA 功能主要参与RNA的加工和成熟应用剪切、破坏特定的RNA分子，如切割RNA的基 因组或癌基因的mRNA等，达到治疗疾病的目的,58,2018/11/3,二、结构基因中贮存的蛋白质序列信息1.
17、遗传密码在mRNA分子中蛋白质序列编码区内，每3个核酸组成一个密码子（codon），编码多肽链上的一个氨基酸。mRNA中的4种核苷酸通过不同排列组合，可组成64个密码子，其中有3个是终止密码子,59,2018/11/3,2.遗传密码的意义 决定蛋白质的一级结构（primary structure） 3.结构基因的遗传信息决定蛋白质的结构与功能蛋白质一级结构决定空间结构，而蛋白质的一级结构是由结构基因中的遗传密码决定的,60,2018/11/3,第三节 基因结构变异及其与疾病的关系,一、基因突变机制 二、基因突变类型 三、基因变异与蛋白质的活性改变的关系 四、基因突变与疾病的关系,61,2018
18、/11/3,一、基因突变机制 自发突变（spontaneous mutation）复制时碱基的偶然性错配，由此引起的突变诱发突变（induced mutagenesis） 体内代谢过程中产生的自由基、某些环境因素 引起的DNA一级结构改变,62,2018/11/3,二、基因突变类型 点突变 单个碱基的变异 缺 失一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上丢失称为缺失,63,2018/11/3,三、基因变异与蛋白质的活性改变的关系1.遗传密码改变错义突变（missense mutation） 无义突变（nonsense mutation） 同义突变（same sense mutation） 移码突变
19、（frame-shifting mutation）,64,2018/11/3,2.蛋白质肽链中的片段缺失突变引起基因开放读框改变，从而改变了基因序 列，后者又引起了肽链中氨基酸序列发生改变，导 致蛋白质的功能丧失3. mRNA剪接错误突变改变剪接位点，产生异常的mRNA,65,2018/11/3,4.影响RNA修饰 例如，真核基因的3 端有一个AATAAA序列，此序列发生突变时使mRNA不能加上poly(A)尾，从而影响mRNA的稳定性和翻译效率5.影响响基因表达 顺式作用元件发生突变，可以影响反式作用因子与其结合，从而影响基因表达,66,2018/11/3,四、基因突变与疾病的关系 结构基因突变导致蛋白质功能降低或丧失 结构基因突变导致蛋白质活性异常增高 结构基因表达过高导致蛋白质过量而功能异常结构基因突变导致蛋白质产生过少而不能形成正常功能,67,2018/11/3,基因结构和表达调控知识点一览图,
