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1、Chapter 1 绪 论,1、分子遗传学的涵义遗传学是以基因作为研究的核心，是研究基因的结构、功能、变异、传递和表达规律的学科。分子遗传学是遗传学的一个分支学科，是在分子水平上研究基因的结构与功能以揭示生物遗传和变异以及表达的分子机制。它研究的范畴包含基因在生命系统中的储存、组织结构、基因的复制与传递的分子机制、基因表达与调控规律、基因表达产物的结构与功能、基因变异的分子机制、基因在控制细胞分裂、生长和分化以及形态发生与个体发育中的作用机制 2、分子遗传学研究的任务（1）研究遗传物质的分子结构与传递机制遗传物质必须具备的特性是：贮存并表达遗传信息；.能把遗传信息传递给子代；.物理和化学性质稳
2、定；.含有遗传重组和变异的信息。DNA；RNA；半保留复制，（2）研究遗传信息表达的分子机制中心法则,一、分子遗传学及其研究任务,（3） 、研究基因表达调控的分子机制a.基因表达（ gene expression）是指基因通过转录和翻译最终产生功能产物（蛋白质或RNA）的过程。不同内外条件下生物 或不同发育时期 尽管具有相同的基因组，但其表达产物是不同的。以至不同组织或器官中显然基因表达过程受到一系列精确的调控，调控可以发生在基因表达的任何阶段。b.乳糖操纵子（operon ）20世纪60年代，Jacob和Monod在大肠杆菌中提出。表明：遗传信息的表达与调控是统一的，基因不仅是遗传信息的载体
3、，同时又具有调控基因表达活性的功能。这一套相互制约的基因使生物在不同环境条件下表现出不同的遗传特性。（4） 、研究基因和基因组的结构与功能任何一种生物的基因组都具有单倍体细胞内所含的整套染色体（chromosome）随着研究的进展，基因结构和类型也愈加丰富，如断裂基因（split gene）、重叠基因（overlapping gene）、可移动基因（movable gene）、超基因（super gene）和基因家族（gene family）及假基因(pseudo gene)等等。分子遗传学的研究任务: 不仅是研究单个基因的结构与功能， （人类基因组和多种生物基因组测序完成）同时还要关注生物整
4、个基因组的结构与功能，从全新的视角探讨遗传与变异，结构与功能以及健康与疾病等的分子机制。,（5） 、研究生物遗传变异的分子机理a、基因突变、染色体数目和结构的变异、遗传重组是导致基因或基因组不断变化的主要因素，但其分子机制是各不相同的。b、基因组中转座因子（transposition element）的位置移动和插入也带来各种效应的突变。c、三核苷酸扩增急剧增加的动态突变（dynamic mutation）也是导致基因组不稳定（genomic instability）的重要因素之一。不同：引起遗传变异的各种类型的机理不完全相同，相同：共同的分子基础是相同的，那就是改变了基因组DNA序列 表观遗
5、传变异（epigenetic variation）另一种类型的遗传性的变化，它是指基因组中的DNA序列不发生改变，而在基因表达时发生的可遗传的变化，造成基因产物的改变，最终导致表型的改变，如碱基的甲基化（methylation），基因组印记（genomic imprinting），RNA编辑（RNA editing）等。（6） 、研究基因控制细胞分化和发育的分子机制,基因控制着发育的图式形成，发育是基因按照特定的时间和空间差异表达的结果，是生物体基因型与内外环境因子相互作用并逐步转化为表型的过程,1物理学的渗透物理学家关心生物学问题，并跨入生物学研究领域。其中最为突出的是： Bohr于1931
6、年发表了“光和生命”的演讲Delbruck由于他们主要研究的是生物信息的物理学基础，所以被称为信息学派。Schroodinger 是量子力学的创始人之一，他也是第一个用热力学和量子力学理论来阐明生命的本质。2遗传物质是核酸 1865年， Mendel就提出生物性状的遗传是受细胞内颗粒性遗传因子（inheritance facter）所控制。 1902年，Sutton 和Bover通过观察蝗虫减数分裂过程中的染色体，认为控制性状的遗传因子位于细胞核内染色体 上，从而奠定了遗传的染色体学说（chromosome theory of inheritance）的基础。1909年， Johansen提出
7、用“基因”（gene）一词代替Mende “遗传因子”。Morgan提出连锁定律。它与孟德尔的分离定律和独立分配定律合称为遗传学三大定律。1926年，Morgan于发表了著名的基因论，论述了基因在上下代之间的传递规律，认为基因控制相应的性状，基因可以发生突变、交换和重组。由此提出，基因既是一个功能单位，一个突变单位，也是一个交换单位的“三位一体”的概念。,1923年，英国医生，生物化学家Garrod根据对人体的一种先天性代谢疾病尿黑酸(alkapton 或 homogentisic acid)的研究发现该病是一种隐性遗传病，当这种纯合隐性基因存在时就不能产生尿黑酸氧化酶 (homogentis
8、ic acid oxidase)，使蛋白质代谢产物尿黑酸不能最终分解为二氧化碳和水而积累于血液中。一部分尿黑酸多聚物沉积于软骨及其它结缔组织中，使患者年老时发生褐黄病（ochronosis）；还有一部分尿黑酸则随尿液排出，暴露于空气中氧化成黑色素，使尿迅速转为黑色，故称为尿黑症（alkaptonuria）。 Garrod的这种一个突变基因决定一种代谢障碍（one mutant gene one metabolic block）的观点在当时并未受到关注,二、 1.2 分子遗传学的建立,当带有某种特定基因的DNA转染（transfaction）培养生长的单一真核生物细胞群，被引入受体细胞的DNA可
9、成为该细胞遗传物质的一部分，并以相同方式遗传和表达，同时赋予了细胞新的特性，如胸腺嘧啶激酶的合成（图1-8）。该实验不仅直接证明了DNA是真核生物的遗传物质，而且它能在不同物种中转移，并仍然保持特定的功能。总之，以上实验都证明了遗传物质是核酸。事实上除了RNA病毒外，其余生物的遗传物质都是DNA。,Conrat 于1956年用一种RNA病毒烟草花叶病毒（tobacco mosaic virus,TMV）作为实验材料。TMV有一个圆筒状蛋白质外壳，由很多相同的蛋白质亚基组成。 外壳内由一条单链的RNA分子沿其内壁在蛋白质亚基间盘旋。TMV中94 是蛋白质，6%是RNA。 如用RNA和蛋白质分别感
10、染烟草，结果TMV的RNA可以感染，并形成完整的TMV。 而TMV的蛋白质则无法感染烟草（图1-7）。TMV有许多株系，他们可以感染不同的宿主植物细胞，并在宿主植株叶片上形成不同类型的病斑。 用不同核酸和蛋白质外壳重组实验，如当用HR的蛋白质与TMV的RNA，或HR的RNA与TMV的蛋白质重建成杂种病毒，再感染的结果证明决定杂种病毒遗传性状的是RNA而不是蛋白质。 由此也证实了RNA是遗传物质。,3、分子遗传学的诞生DNA和RNA都是由4种碱基、核糖和磷酸组成，碱基+核糖-构成核糖核酸，再和磷酸构成核糖核苷酸，并通过磷酸二酯键把核糖核苷酸连接成长链。 DNA由：腺嘌呤（adenine,A），鸟
11、嘌呤（guanine,G），胞嘧啶（cytosine,C）和胸腺嘧啶（thymidine,T ）,五碳糖是脱氧核糖 RNA由:腺嘌呤（adenine,A），鸟嘌呤（guanine,G），胞嘧啶（cytosine,C）尿嘧啶(uracil U)，核糖。,“核酸的分子结构脱氧核糖核酸的结构”,Franklin用含有较多水的DNA做X射线衍射分析。 她从得到的图像中判定DNA是双螺旋结构。在DNA长链上，每个核苷酸相距0.34nm，每个螺距为3.4nm，由10个核苷酸组成。 根据已测定的DNA分子宽度为2nm，推测DNA分子不止由一条链所构成。, X射线衍射数据表明DNA具有规则的螺旋形式，每34（
12、3.4nm）形成一整圈，其直径为20 （2.0nm）,由于临近核苷酸的间距是3.4 。由此每圈必定是10个核苷酸； 糖磷酸组成的骨架处在DNA分子外侧，嘌呤和嘧啶碱基位于DNA内侧，双螺旋中的两条多聚核苷酸链依赖碱基之间的氢键相连，而且嘌呤总是与嘧啶配对。因而DNA直径保持不变； DNA分子中GC，AT。 两条通过碱基间连接的DNA链称为互补链（complementary chain）。,DNA双螺旋结构模型的提出揭开了分子遗传学乃至分子生物学的序幕，正是该模型可以很准确地说明遗传物质的复制和传递以及表达等，从而可在分子水平上阐明遗传机制问题。遗传物质能正确地复制（replication）这是
13、生物遗传的关键问题。DNA两条多聚核苷酸链仅靠氢键相连，因此不需要破坏共价键就可使之分开。碱基配对的专一性表明每一分开的亲链（parental chain）可作为模板，通过复制产生两条完全相同的DNA双链分子(图1-11a)。,从DNA编码链上5端到3端方向的三联体核苷酸密码子（triplet codon）序列与蛋白质的N端到C端的氨基酸序列相对应，这种对应关系称为遗传密码（genetic codon）。DNA中的遗传信息是由信使RNA（messenger RNA, mRNA）介导而决定蛋白质的一级结构。其中61个密码子编码各种氨基酸，3个密码子使蛋白质合成终止，故称终止密码子（termina
14、tion codon）。几种密码子编码同一种氨基酸，这称为密码子的简并性（degeneracy of the codon）。编码同一种氨基酸的两种以上的密码子称为简并密码子（degenerate codon）或称同义密码子（synonym）。密码子最后一位碱基因特异性降低的现象称为第三碱基的简并性（third-base degeneracy）。除极少数例外，所有生物的遗传密码都是相同的，这种密码子的通用性（universality）表明生物是从共同祖先而来的,1、中心法则的涵义中心法则的基本内涵是Crick的序列假说（sequences hypothesis），即“核酸片段的特异性完全由其碱基
15、序列所表达，而且这种序列是相应蛋白质的氨基酸序列的密码”。因此中心法则是序列转换的法则，即基因的DNA序列与其转录的RNA序列和蛋白质的氨基酸序列是有严格的共线性，也就是说，遗传信息的传递是通过严格的序列对应来实现的1964年Temin等在鸟类发现一种RNA病毒，称为劳斯氏肉瘤病毒（Rouas sarcoma virus）,它可在寄主细胞中将其基因组RNA逆转录（reverse transcription）成DNA。后来在这类RNA病毒中又发现了反转录酶（reverse transcriptase），于是Crick对中心法则进行了修改，表明遗传信息可以在DNA与RNA间相互流动，但共线性和单向
16、性仍然是中心法则的主要内涵。 1.3.2 RNA编辑与中心法则 在mRNA水平上发生遗传信息变化的过 程称为RNA的编辑（RNA editing）。,翻译该蛋白质的mRNA序列和肝脏中这种mRNA序列基本相同，只是在第2 153个密码子上的C变成了U，这个碱基的替换使得编码谷氨酰胺（glutamine）的CAA变成了终止密码子UAA,1989年Simpson和Shaw将被RNA编辑的基因称为隐蔽基因（cryptogenes）。,三、 中心法则及其发展,1.3.3 朊病毒与中心法则 朊病毒（prion）一词是Prusiner于1982年提出的。 Prusiner对朊病毒的创造性研究使其于1997
17、年获得诺贝尔奖（表）。该病毒是一类感染性蛋白质因子（proteinaccous infectious agents），它能引起人的库鲁病（Kuru），吉雅氏病（Creutzfeldt-Jacob diseas, CJD），吉斯综合症（Gerstmann-Straussler syndrome, GSS），动物的羊瘙痒病（scrapie），牛海绵样脑软化病（bovin spongiform encephalopathy, BSE）即疯牛病（mad cow disease）等。朊病毒不含核酸，是一种蛋白质病原体。朊病毒相关蛋白（prion related protein, PrP），是由细胞基因PrP编码。,
