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1、1第二章第二章 基因和染色体基因和染色体 Chapter 2 Genes and Chromosomes 【教学目的教学目的】本章要求学生掌握原核生物和真核生物基因组的区别、染色体的组成、真核生物基因组的复杂 性、DNA 的结构等；掌握 DNA 复制的复杂性、几种 DNA 的复制方式、原核生物 DNA 复制的酶、 真核生物 DNA 复制的酶、DNA 的修复和转座等。【重点难点重点难点】基本概念的掌握，清楚 DNA 复制、修复及转座机制。主要教学内容主要教学内容OverviewBasic material: DNA, RNA, Protein (composition, classes, str
2、uctures, functions)Transcription: DNA RNA Transcriptional factors RNA processing: RNA splicing, RNA editingTranslation: RNA ProteinPosttranslational modification: Intein splicing, Phosphorylation, ModificationRegulation: Cis-acting elements, Trans-acting factorsCentral dogma: old version, new conten
3、t, progress 中心法则(Central dogma)及其研究进展：中心法则是指遗传信息在细胞内的生物大分子之间转移的基本法则。1958 年 Crick 第一次提出了中心法则的概念。这是指遗传信息单向流动、且以三步实现的法 则，DNA、RNA 和蛋白质三者的信息共线，即序列转换。1970 年，Temin 和 Baltimore 在一些 RNA 病毒中发现它们在宿主细胞中的复制过程是先以病 毒的 RNA 分子为模板合成一个 DNA 分子，再以新合成的 DNA 为模板转录形成病毒的 RNA。针对此情况，1970 年 Crick 对原有的中心法则进行了修改replicationtransla
4、tiontranscriptionP Pr ro ot te ei in nR RN NA ADNAreplicationtranslationtranscriptionP Pr ro ot te ei in nR RN NA ADNADNA、RNA 和蛋白质三者的信息非共线性： 1. RNA 与 DNA 的非共线性：内含子、外显子的发现和内含子的剪切（ mRNA 与 DNA 杂交实验 ）。2. RNA 的编辑（ RNA editing）突变或尿苷酸的缺失与添加，使得 mRNA 序列发生不同于模板 DNA 的变化。3. protein 与 DNA 的非共线性：蛋白质翻译及翻译后的修饰，使得 p
5、rotein 与原 DNA 序列信息不同。 朊病毒的出现是否对遗传学上的 “中心法则”构成了挑战呢？2蛋白质控制下的肽链合成：朊病毒(Prion)的发现和复制 朊朊病病毒毒又称蛋白质侵染因子（又称毒阮）。朊病毒是一类能侵染动物并在宿主细胞内复 制的小分子无免疫性疏水蛋白质。 朊病毒：朊病毒就是蛋白质病毒，是只有蛋白质而没有核酸的病毒。1997 年诺贝尔医学或生 理学奖的获得者美国生物学家斯垣利普鲁辛纳（ S. B. Prusiner）就是由于研究朊病毒作出卓越贡 献而获此殊荣的。朊病毒不仅与人类健康、家畜饲养关系密切，而且可为研究与痴呆有关的其他疾 病提供重要信息。就生物理论而言，朊病毒的复制
6、并非以核酸为模板，而是以蛋白质为模板，这必 将对探索生命的起源与生命现象的本质产生重大的影响。病毒是一类个体极微小的生物，它没有细胞结构，其构成很特别，仅由核酸和蛋白质构成。核 酸（DNA 或 RNA）在病毒的遗传上起着重要作用，而蛋白质外壳只对核酸起保护作用，本身并没 有遗传性。这是人们对病毒的基本认识。然而，随着人们对一些疾病的深入研究，科学家们发现， 还有一类生物与一般病毒不一样，它只有蛋白质而无核酸，但却既有感染性，又有遗传性，并且具 有和一切已知传统病原体不同的异常特性。它就是朊病毒。最为震惊的当首推 1996 年春天“疯牛病”在英国以至于全世界引起的一场空前的恐慌，甚至引发 了政治
7、与经济的动荡，一时间人们“谈牛色变”。致病机制：1982 年普鲁宰纳提出了朊病毒致病的 “蛋白质构象致病假说 ”，以后魏斯曼等人对其逐步 完善。其要点如下： 朊病毒蛋白有两种构象：细胞型（正常型PrPc）和瘙痒型（致病型 PrPsc） 。两者的 主要区别在于其空间构象上的差异。 PrPc 仅存在 a 螺旋，而 PrPsc 有多个 折叠存在，后 者溶解度低，且抗蛋白酶解； Prpsc 可胁迫 PrPc 转化为 Prpsc，实现自我复制，并产生病 理效应；基因突变可导致细胞型 PrPsc 中的 螺旋结构不稳定，至一定量时产生自发性转 化， 片层增加，最终变为 Prpsc 型，并通过 多米诺效应 倍
8、增致病。 2.1 DNA and DNA structure 1. Nucleoside for example, some single-celled protists have genomes much larger than that of humans.6In general terms, the C-value enigma relates to the issue of variation in the amount of non-coding DNA found within the genomes of different eukaryotes. The C-value eni
9、gma, unlike the older C-value paradox, is explicitly defined as a series of independent but equally important component questions, including: 1.What types of non-coding DNA are found in different eukaryotic genomes, and in what proportions? 2.From where does this non-coding DNA come, and how is it s
10、pread and/or lost from genomes over time? 3.What effects, or perhaps even functions, does this non-coding DNA have for chromosomes, nuclei, cells, and organisms? 4.Why do some species exhibit remarkably streamlined chromosomes, while others possess massive amounts of non-coding DNA? (2) Genomics The
11、 branch of genetics that studies organisms in terms of their genomes (their full DNA sequences). (3) Functional Genomics The branch of genomics that determines the biological function of the genes and their resulting proteins, and the role played by the proteins in the organisms biochemical processe
12、s. (4) Structural GenomicsThe branch of genomics that determines the three-dimensional structures of proteins.3. Size of Genome(1) Prokaryotic cell vs Eukaryotic cell (2) Relationship of genomic size and evolution4. Model Organisms (1) Bacteria (E. coli, several others) (2) Yeast (Saccharomyces cere
13、visiae) (3) Plant (Arabidopsis thaliana) (4) Caenorhabditis elegans (5) Fruit fly (6) Zebrafish (7) Mouse (8) Human模式生物模式生物生物学家通过对选定的生物物种进行科学研究，用于揭示某种具有普遍规律的生命现象，此时， 这种被选定的生物物种就是模式生物。目前在人口与健康领域应用最广的模式生物包括，噬菌体、大肠杆菌、酿酒酵母、秀丽 隐杆线虫、海胆、果蝇、斑马鱼、爪蟾和小鼠。在植物学研究中比较常用的有，拟南芥、水 稻等 随着生命科学研究的发展，还会有新的物种被人们用来作为模式生物。但它们
14、会有一些基 本共同点：1）有利于回答研究者关注的问题，能够代表生物界的某一大类群； 2）对人体和环境无害，容易获得并易于在实验室内饲养和繁殖；3）世代短、子代多、遗传背景清楚；74）容易进行实验操作，特别是具有遗传操作的手段和表型分析的方法。 2.3 Features of Genomic Organization1. Features of prokaryotic genomes (1) Relatively small (2) Simple structure (3) Transcription unit：转录单元是一段以 启动子开始至终止子结束的 DNA 序列。 （A transcrip
15、tion unit is a sequence of DNA transcribed into a single RNA, starting at the promoter and ending at the terminator.） (4) Poly cistron在原核细胞中，通常是几种不同的mRNA 连在一起，相互之间由一段短的不编 码蛋白质的间隔序列所隔开， 这这种种 mRNA 叫叫做做多多顺顺反反子子 mRNA。这样的一条 mRNA 链含有指导合成几种蛋白质的信息。(5) Overlapping gene所谓重叠基因（ overlapping gene）是指两个或两个以上的 基因共有
16、一段 DNA 序 列，或是指一段 DNA 序列成为两个或两个以上基因的组成部分。 2. Genomes of Prokaryotes (1) E.coli Genome 4.6 million bp 90% of genome encodes protein 4288 genes. almost no repeated DNA Genome evolution and adaptation in a long-term experiment with Escherichia coli. Nature , 2009(461)1243-1247, Jeffrey E. Barrick, Dong Su Yu, Sung Ho Yoon, et al. (2) Phage genome phage genome：Regulatory genesReplication genes 2 gen
