1、2 基因工程的分子生物学基础,2.1 核酸的结构与功能 2.2 基因与基因组 2.3 中心法则与基因表达调控 2.4 自然界的基因转移和重组目的要求：掌握基因工程的分子生物学基础自然界的基因转移和重组,2.1 核酸的结构与功能,2.1 核酸的结构与功能,核酸：就是由许多核苷酸按照一定的顺序连接所组成的多核苷酸，它的主要功能是充当遗传信息的载体。,脱氧核糖核酸DNA,核糖核酸RNA,戊糖,碱基,DNA和RNA多核苷酸片段及其缩写式,（1）遗传因子孟德尔认为生物的性状是由“遗传因子”决定的。,孟德尔（Johann Gregor Mendel）,2.1.1 遗传物质与DNA,经典遗传学关于基因的概念
2、,（2）1909年，丹麦生物学家约翰逊根据希腊文“给予生命”之义，创造了基因（gene）一词，并用这个术语代替孟德尔的“遗传因子”。,约翰逊 （W. L. Johannsen,1857-1927）,基因工程理论依据,不同基因具有相同的物质基础 基因是可切割的 基因是可转移的 多肽与基因之间存在对应关系 遗传密码是通用的 基因可以通过复制把遗传信息传递给下一代,经典实验一：Griffith、Avery肺炎球菌转化小鼠实验,DNA是遗传物质,噬菌体侵染大肠杆菌,经典实验二： 1952年，Hershey和Chase,主要成分1、核酸 ( DNA 、RNA )2、蛋白( 组蛋白、非组蛋白 ),染色质（
3、chromatin）：间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构，是间期细胞遗传物质存在的形式。 染色体（chromosome）：细胞在有丝分裂或减数分裂的特定阶段，由染色质凝缩而成的棒状结构。,2.1.2 DNA的结构与功能,染色体DNA必须含有的三个特殊元件,自主复制序列（autonomously replication DNA sequence，ARS） 着丝粒（centromere，CEN） 端粒（telomere，TEL）,DNA的一级结构与功能,DNA的二级结构与功能,DNA二级结构,DNA的三级结构与功能,DNA双螺旋进一步盘曲形成更加复杂的结构，超螺旋
4、。,2m长的DNA存在于5m的核内？,DNA分子有多长？,1.72m,DNA分子存在于哪个细胞器里面？,细胞核,2.1.3 RNA的结构与功能,信使RNA（messenger RNA，mRNA） 核糖体RNA（ribosomal RNA，rRNA） 转运RNA（transfer RNA，tRNA）,mRNA,真核生物mRNA,rRNA,tRNA,tRNA二级结构和三级结构,2.1.4 核酸的理化性质及其应用,一般理化性质DNA为白色纤维状固体 RNA为白色粉末状固体 多元酸 紫外吸收：260nm,A260/ A280值可以反映核酸的纯度。,纯的DNA：A260/ A280 =1.8 纯的RNA
5、：A260/ A280 =2.0,核酸变性后，在260nm处的吸收值上升，这叫增色效应(hyperchromic effect)。增色效应常可用来衡量DNA变性的程度。,DNA变性,在某些理化因素下，DNA分子互补碱基之间的氢键断裂，致使DNA双螺旋结构松开，变成单链，即为DNA变性（denaturation）。引起变性的因素有：加热、酸碱、尿素、甲醛等。,核酸的理化性质,热变性中光吸收达到最大吸收（完全变性）一半（双螺旋结构失去一半）时的温度称为DNA的熔点或熔解温度（Tm）。,DNA变性,热变性曲线 (熔解曲线),图5-26 Tm的示意图,在DNA发生热变性的过程中，A260随温度的变化曲
6、线。,变性DNA在适当条件下，两条互补链可重新恢复为天然的双螺旋结构，这种现象称为复性（renaturation）。 DNA单链之间、一条DNA和一条RNA链之间主要存在序列互补配对区域，不管是整条链互补，还是部分序列互补，均可能重新形成整条双链或部分双链，这即为核酸分子杂交（hybridization）。,DNA 分子的复性 (anneal or renaturation),D.S DNA,S.S DNA,Denaturation , Renaturation,复性过程依赖于单链分子间的随机碰撞( Depends on the collision of complementary S.S.
7、DNA ),2.2 基因与基因组,基因（gene）：存在于DNA上承载遗传信息的核苷酸序列。 基因组（genome）：单倍体细胞中的全套染色体上所有基因的总和。,启动子（promoter）：一段能直接与RNA聚合酶及其转录因子结合、决定基因转录起始与否的DNA序列，一般位于基因转录起点上游100bp-200bp范围内。,原核生物基因结构, 操纵子(operon) 机制,真核生物的结构基因不仅在两侧有非编码区，而且在基因内部也有许多不编码蛋白质的间隔序列，即内含子（intron），编码区则成为外显子（exon）。终止子（terminator）基因结构中能够促进转录终止的DNA序列，在RNA水平上
8、通过转录出的终止子序列形成茎环结构而终止。,2.2.2 基因组,原核生物的基因组基因组小 多顺反子mRNA 非编码区少 基因重叠 不含内含子,真核生物基因组同源基因组 基因组大 单顺反子 重复序列 非编码序列90%以上 基因家族 转座子/逆转座子,单拷贝序列 中度重复序列 高度重复序列基因家族 DNA甲基化 自私DNA 端粒,2.3 中心法则与基因表达调控,生物信息的传递 原核生物基因的表达调控 真核生物基因的表达调控,转录水平上的调控 mRNA加工成熟水平上的调控 翻译水平上的调控,乳糖操纵子模型,原核生物基因的表达调控,阻遏蛋白的负调控,CAP正调控,真核生物基因的表达调控,DNA水平的调
9、控 转录水平的调控(transcriptional regulation) 转录后水平的调控(post transcriptional regulation) 翻译水平的调控(translational regulation) 翻译后水平的调控(protein maturation),多层次调控,2.4 自然界的基因转移和重组,接合作用conjugation：细菌之间通过菌毛相互接触时，质粒便可从一个细胞转移至另一细胞，这种类型的DNA转移。,转化作用（transfromation）通过自动获取或认为地供给外源DNA，使细胞或培养的受体细胞获得新的遗传表型。 转导作用（transduction
10、）当病毒从被感染的（供体）细胞释放出来再次感染另一（受体）细胞时，发生在供体细胞与受体细胞之间的DNA转移及基因重组方式。,溶菌途径 溶原途径,转座（transposition）由插入序列和转座子介导的基因移位或重排。 插入序列（insertion sequences，IS）：长7501500bp的DNA片段，包括两侧941bp构成的两个反向重复序列和中央的一个转座酶编码基因，后者的表达产物可引起转座。 转座子（transposon，Tn）：可从染色体的一个位点转移至另一个位点的分散的DNA元件。,基因重组（recombination）接合、转化、转导或转座过程中，不同DNA分子间发生的共价连接。位点特异性重组（site-specific recombination） 由整合酶催化在两个DNA序列的特异位点间发生的整合。 同源重组（homologous recombination） 两条具有同源序列的DNA靠近时所发生的DNA交换。,
