1、第八章 细胞遗传,基因概述 基因的分子结构 基因的功能 基因突变,目的要求,掌握结构基因的结构和功能,第一节 基因概述,一. 基因概念的发展 遗传因子（hereditary factor）1860s Mendel 豌豆分离律和自由组合律 基因 （gene）1909年 Johannsen遗传因子基因, 染色体（chromosome）1920s Morgan 果蝇把基因定位在染色体上（基因以直线方式排列在染色体上）连锁互换律染色体和基因的遗传学说 基因突变（gene mutation）1927年 Muler人为因素可导致基因突变, 一个基因一个蛋白质1941年 Beadle “一个基因一个酶” 学
2、说“一个基因一个蛋白质” 学说 DNA是遗传物质1944年 Avery通过细菌转化实验证明DNA是遗传物质 DNA双螺旋结构（double helix）1953年 Watson & Crick X射线衍射法,基因概述,Mendel,遗传因子,Morgan,基因在染色体上,Beadle,一个基因一种酶 一个基因一个蛋白质,Avery,DNA是遗传物质,DNA分子双螺旋结构模型,Watson,Crick,发展过程,遗传因子基因染色体基因突变 一个基因一个蛋白质DNA是遗传物质DNA双螺旋,二、现代基因的概念, 基因是决定生物体遗传性状的基本单位。 从分子水平看，基因是DNA分子上的一个功能片段。
3、基因可以贮存遗传信息并自我复制。 基因通过转录、翻译控制蛋白质的合成，从而决定生物遗传性状的表现。 基因可以发生突变。,胞核基因,核外基因,位置,细胞核内，染色体上的基因,细胞质内，细胞器上的基因,三、细胞内基因的种类,依其功能分为：,1、结构Gene-编码蛋白和酶分子结构； 2、调控Gene-调节结构基因表达包括 调节、操纵、启动Gene 3、转录而不翻译的Gene：rDNA GenerRNA核仁形成区核糖体组成tRNA GenetRNA转运氨基酸,结构基因（structural gene）决定合成各种生物功能分子的基因。包括rRNA， tRNA， mRNA ，但最主要的还是通过合成mRNA
4、编码合成蛋白质。 调节基因（regulation gene）决定合成具有调节作用的蛋白质的基因。,操纵基因（operator gene）无表达产物，能被特异性调节蛋白识别并结合的DNA片段。功能通过与调节蛋白结合与否，来调控与其相邻的结构基因的转录。 启动基因（promotor gene）是DNA分子上RNA聚合酶的结合位点，也是转录起始位点。功能与RNA聚合酶结合，启动结构基因的转录。,四、 基因的含量,遗传信息量Gene含量DNA含量碱基对数量 人类基因组：30亿个碱基对，三万个基因,第二节 基因的分子结构,一. 重叠基因 （overlapping gene）DNA的某些片段同时能为两种蛋
5、白质编码，而所产生的多肽链又没有重复的现象。 例：174噬菌体,二. 跳跃基因（jumping gene）,某些基因或DNA片段可以从染色体上的一个位置转移到另一个位置上，甚至可以跳到另一条染色体上，这种现象称为转座（transposition），这种基因称为跳跃基因。 例：E.coli插入序列（insertion sequence,IS）转座子（transposon）,三. 断裂基因（split gene）,一个基因被不编码多肽链氨基酸顺序的DNA片段分隔成不连续的几个小片段，但在细胞核转录时一起转录为mRNA 前体。真核细胞的结构基因大多是断裂基因结构基因rRNA基因tRNA基因,结构基因
6、, 外显子（exon）编码序列。 内含子（intron）位于编码序列之间的非编码序列。不同基因所含外显子和内含子的数目不同。 外显子和内含子的接头接头序列高度保守，内含子5端是GT， 3端是AGGT-AG法则。,5GTAG 3法则,普遍存在于真核生物中，是RNA剪接的识别信号，转录后的前体RAN中的内含子剪接位点。,3,GT,AG,3,5,GC,GC,侧翼序列,启动子,5, 侧翼序列（flanking sequence）,是指在第一外显子外侧和最后一个外显子外侧的非编码区，它存在与编码链上，其上有一系列调控序列。 编码链（53）其碱基序列为基因编码，其上有调控序列。 反编码链（35）其碱基序列
7、与编码链 互补，是mRNA的模板。,调控序列, 启动子（promotor）RNA聚合酶首先与模板 DNA结合的区段。它是RNA聚合酶识别转录起始部位的信号。能启动基因的转录。,启动子 Promoter,TATA Box 位于转录起始点上游约1927个碱基处。能准确识别转录起始点并促进转录。 CAAT Box 位于转录起始点上游约7080个碱基处。是RNA聚合酶结合的部位，能促进转录的进行。 GC Box位于CAAT框的两侧。增强起始转录的效率。,（2）增强子 Enhancer,包括启动子上游或下游的一段DNA序列，可以增强启动子发动转录，提高转录效率。 特点： 在任意位置都有效 无方向性 有组
8、织特异性,（3）终止子 Terminator,由一倒位重复序列（或回文序列）以及特定保守序列5-AATAAA-3 （PolyA的附加信号）组成。 回文序列为转录终止号。 发夹式结构阻碍了RNA聚合酶的移动,第三节 基因的功能,遗传信息的贮存 DNA的复制 基因的表达转录 基因的表达翻译 基因表达的调控,一、遗传信息的贮存, 遗传密码的概念遗传密码（genetic code）在mRNA分子中，每三个相邻核苷酸组成的能代表机体全部遗传信息，决定所有氨基酸的一套三联体密码。 其中，每个三联体密码称作一个密码子（codon），共64种。, 遗传密码的特征, 密码子的阅读方向53mRNA的合成或编码方向
9、一致例：5UUG3 亮氨酸3UUG5 缬氨酸（ 5GUU3 ）,2、起始密码和终止密码,起始密码：AUG 终止密码：UAA UAG UGA,3、兼并性和兼职性,兼并性两种或两种以上的密码子决定同一种氨基酸。 同义密码子决定同一种氨基酸的密码子互称为同义密码子。64种密码子中，除三种终止密码子（UAA，UAG，UGA）外，其余61种密码子编码20种氨基酸。 例：GCU，GCC，GCA，GCG丙氨酸,兼职性一种密码子兼具两种作用。AUG 起始密码编码甲硫氨酸 4、 通用性所有生物的细胞使用统一的氨基酸编码方法。 5、不重叠，无标点,二、 DNA基因的复制,DNA的复制（replication）DN
10、A以自身为模板，在DNA聚合酶的作用下，通过碱基互补配对，合成与模板结构相同的新的DNA分子的过程。, 复制的基本条件, 以DNA的一条链为模板 以4种dNTP为原料 有DNA聚合酶 存在与复制相关的酶系, 复制的基本过程, 复制起点和复制叉形成 复制起点位于DNA双螺旋的特殊核苷酸处，是可与特异蛋白相结合的区段。 复制叉在复制起点由叉起始蛋白将双螺旋解开，露出两股DNA单链，于是形成一对方向相反的Y形结构，即为复制叉（replication fork ）。 复制眼（replication eyes）两个复制叉向两端推进所形成的结构。,复制起点,复制子(replicon),复制起点与其两侧的复
11、制区共同形成一个复制单位，是作为合成模板的一个最小区段，称为复制子。, 复制叉生长与前导链和后随链的合成,前导链（leading strand）以35母链为模板连续合成的DNA子链。 后随链（lagging strand）以53母链为模板不连续合成的DNA子链。因为复制叉上的DNA聚合酶只能催化53的合成，所以子链只能沿53方向合成。冈崎片段 复制的终止, 复制的特点, 互补性（complimentation） 半保留性（semiconservation） 逆平行性（antiparallel） 不连续性（non-continuation）, 真核生物的复制特点, 多个复制起点同时启动 DNA复
12、制不同步 与组蛋白结合形成核小体,三、基因表达 gene expression,遗传信息通过转录生成RNA再经翻译(转译)生成蛋白质的过程.,基因表达的意义, 对细胞的代谢活动起决定性的调节作用。 决定细胞的生长、发育和分化。 基因表达分两步 转录：DNAmRNA 翻译：mRNA氨基酸多肽链蛋白质,Crick的“中心法则”,复制 DNA,转录,RNA,翻译,蛋白质,蛋白质,复制,复制,转录,翻译,逆转录,逆翻译,DNA,RNA,（一）转录（transcription）,以DNA反编码链（35）为模板，在RNA聚合酶作用下，按照碱基互补配对原则，合成互补的RNA分子的过程。 转录的条件 模板：
13、DNA反编码链（35） 原料：四种NTP RNA聚合酶, 真核细胞RNA聚合酶类型, RNA聚合酶：在核仁，催化rRNA前体的生成。 RNA聚合酶：在核质，催化mRNA前体的生成。 RNA聚合酶：在核质，催化tRNA和5srRNA的生成。, 转录过程, RNA聚合酶与启动子结合 转录的开始 转录的延长 转录的终止,转录的基本过程,转录的基本过程,1、 hnRNA的加工 剪接在剪切酶的作用下，切掉内含子把外显子连接起来。 机制：GT-AG法则 戴帽所有真核生物的mRNA5端都有一个甲基化帽 m7Gm2G 。作用：有效封闭mRNA5端，使之免遭降解。提供核糖体识别位点。, 转录后的加工, 加尾通过
14、腺苷酸聚合酶的作用，在mRNA3端AATAAA处加上polyA。作用：阻止mRNA3端降解，延长其寿命。促使mRNA由细胞核转运至细胞质。,2、 45sRNA的加工,40S,60S,rDNA,45SRNA,rRNA,41SrRNA,20SrRNA,32SrRNA,18SrRNA,28SrRNA,5.8S,转录,加工,45S rRNA前体加工过程示意图,（二）翻译（translation）,mRNA把转录来的遗传信息解读为多肽链的氨基酸种类和顺序的过程，即蛋白质的合成过程。,参与蛋白质合成的生物大分子：核糖体、 mRNA 、tRNA、蛋白质因子和酶,核糖体的活性部位,氨基酸部位或受位，接受氨酰基
15、tRNA,肽基部位或供位，肽基tRNA移交肽链后，tRNA被释放的部位,肽基转移酶,GTP酶，催化tRNA从A位P位,mRNA中的核苷酸顺序与遗传密码,蛋白质合成的氨基酸运载工具tRNA,1.氨基酰-tRNA的合成 （1）AA的激活AA + ATP +酶 酶-AA-AMP + PPi （2) 氨基酰tRNA复合物的形成酶-AA-AMP + tRNA AA-tRNA + AMP + 酶*酶：氨基酰-tRNA合成酶AA:氨基酸,连接方式：tRNA3端CCA中的腺苷残基2或3羟基与氨基酸的羧基结合形成酯键。,2.tRNA反密码子与mRNA密码子的识别,-C,-A,-C,氨基酸臂,mRNA,3,5,3
16、,5,AA,AA,UUC,AAG,反密码环,（Glu）,参与蛋白质合成的生物分子,mRNA tRNA 核糖体 蛋白质因子 酶 GTP 离子,蛋白质的生物合成过程（图） 肽链合成的开始（IF、GTP） 肽链的延长（EF、GTP、T因子）1）进位 2）转肽3）移位脱落 肽链合成的终止（RF）,蛋白质的生物合成过程,肽链合成起始,起始因子（initiation factor IF）和GTP 小亚基与mRNA 链的AUG结合 第一个氨基酰-tRNA结合，形成30s复合体 大亚基与小亚基结合，形成70s复合体,肽链的延长,肽基转移酶和延长因子（elongation factor，EF） P位氨基酸与A位
17、氨基酸形成肽键 P位的tRNA空载 肽链移位，核糖体沿53 移动一个密码子 P位tRNA释放，A位肽基-tRNA移到P位，A位空出，接纳下一个氨基酰-tRNA。,肽链合成的终止,核糖体移至mRNA的UAA、UAG、UGA 氨基酰-tRNA不能识别，肽链合成终止 释放因子（release factor，RF）作用 多肽链释放 大、小亚基解离,蛋白质合成过程,蛋白质合成的主要蛋白质因子,起始因子IF（initiation factor）延伸因子EF（elongation factor）释放因子RF（release factor）G因子T因子,四. 基因表达的调控, 原核生物基因表达的调控 1961
18、年Jacob & Monod提出乳糖操纵子学说操纵子（operon）基因转录的单位，也是基因表达调控的单位，它包括结构基因（lacZ lacY lacA) 操纵基因(38个碱基对）（26个）启动基因（85个碱基对）,抑制,诱导,乳糖操纵子的关闭状态,乳糖操纵子的打开状态, 真核生物基因表达的调控, 转录前的调控（常染色质、异染色质、组蛋白） 转录水平的调控（启动子、增强子、RNA聚合酶） 转录后的调控（hnRNA、45srRNA、tRNA前体） 翻译水平的调控（核糖体的数量、mRNA的成熟度、各种蛋白因子及酶） 翻译后的调控（蛋白质的加工）,第四节 基因突变 Gene mutation,突变
19、( mutation ),突变是指遗传物质发生可以遗传的变异。广义的突变可以分为两类： （1 ） 染色体畸变( chromosome aberration )，即染色体结构和数目的改变； （ 2 ） 基因突变 ( gene mutation )。,狭义的突变，仅指一般的基因突变。 基因突变是指基因的核苷酸顺序、种类和数目发生改变，仅仅涉及DNA 分子中的单个碱基改变者称为点突变( point mutation );涉及多个碱基的还有缺失，重复和插入。,gene mutation,生殖细胞（遗传） 基因突变体细胞（不遗传）生物进化基础 基因突变 发现新的基因遗传病产生的原因,体细胞突变和生殖细胞
20、突变,突变如果发生在体细胞中，称为体细胞突变( somatic mutation )，突变的细胞只能在体细胞中传递，因此，体细胞突变不能传给下一代。,癌的发生是一个多次突变积累的复杂过程,诱发基因突变的因素,根据基因突变发生的原因，可将突变分为自发突变和诱发突变。 在自然条件下，未经人工处理而发生的突变为自发突变（spontaneous mutation）。 经人工处理而发生的突变是诱发突变（induced mutaion）。 能诱发基因突变的各种内外环境因素统称为诱变剂（mutagen）。,一. 突变类型, 可见突变在生物体的表现型中可以见到的突变效应。 生化突变能引起细胞特定生化功能丧失的
21、突变效应。 致死突变 显性致死杂合子状态即致死隐性致死纯合子状态才致死 条件致死突变在一定条件下致死的突变效应。,二. 基因突变的一般特性, 可逆性 A a（正突变，回复突变） 多向性 a1A a2 复等位基因 an （例：ABO血型） 稀有性（1/10万-1亿） 有害性（4000余种单基因遗传病）,三. 基因突变的分子机理,DNA分子中的碱基顺序发生改变。碱基替换碱基顺序改变的方式移码突变, 碱基替换（base substitution）, 定义一种碱基对被另一种碱基对替换。 形式 转换同类碱基的互换。（transition） 颠换不同类碱基的互换。 （transversion）,A,T,C
22、,G,UUAC 亚硝胺 U A TCG G AG,碱基替换可以产生三种不同的效应： 同义突变，错义突变，无义突变, 突变结果,同义突变（same sense mutation）,例： 转换 颠换DNA GCA GCG GCCmRNA CGU CGC CGG多肽链 精氨酸 精氨酸 精氨酸,同义突变 （same sense mutation）,错义突变（missense mutation）,例： 转换 颠换DNA ACG ATG AAGmRNA UGC UAC UUC多肽链 半胱氨酸 酪氨酸 苯丙氨酸,错义突变 （missense mutation）,镰状细胞贫血症,无义突变（nonsense m
23、utation）,例： 颠换DNA ATG ATTmRNA UAC UAA多肽链 酪氨酸 终止,无义突变 （nonsense mutation）, 移码突变（frameshift mutation）,由于DNA分子中个别碱基的缺少或插入致使三联体密码子的编组或读框发生移动而造成的突变。 例： A原来ACC GCC AAC ACA CCA插入ACA CGC CAA CAC ACC A缺少ACG CCA ACA CAC CA,插入或缺失,Key terms,Gene split gene exon Intron Flanking sequence gene expression operon,思考题,真核生物的结构基因有何特点？ 试述DNA复制的条件和特点。 真核生物的复制有何特点？ 简述基因表达的步骤和生物学意义。 简述RNA初级产物的加工程序。 简述基因突变的特性。 碱基替换导致哪几种效应？,
