第一章第一章 基因的结构与基因的结构与功能功能Chapter 1 Structure and Function of Gene 第一节第一节 基因的化学结构基因的化学结构 一一 、基因、基因n基因（gene）：是指核酸分子中贮存与表达遗传信息的单位，包括编码序列、非编码序列和调控序列大部分生物中构成基因的核酸物质是DNA，少数生物中是RNA DNA和RNA的化学组成DNA：脱氧核糖核酸，由四种脱氧核糖核苷酸通过：脱氧核糖核酸，由四种脱氧核糖核苷酸通过3’，，5’磷酸二脂键连接而成磷酸二脂键连接而成dAMP dGMPdCMPdTMP nRNA：核糖核酸，由四种核糖核苷酸通过3’，5’磷酸二脂键连接而成分别为AMP、GMP、CMP、UMP 二、基因的结构二、基因的结构n基因的结构主要指DNA的结构：包括一、二、三级结构nDNA的一级结构是指DNA分子中的所有脱氧核糖核苷酸的排列顺序，这一顺序是基因携带和传递遗传信息的基础n 一般书写DNA一级结构是按5’—3’端书写 DNA的二级结构nDNA的二级结构是指DNA的双链反向互补右手螺旋结构n特点：n1、DNA是反向平行互补双链结构n2、DNA分子式右手双螺旋n3、疏水性碱基堆积力和氢键是DNA双螺旋结构的稳定力。
nChargaff规则：n1、腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数相等，而鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔数相等A=T，G=Cn2、不同生物种属的DNA碱基组成不同n3、同一个体不同器官、不同组织的DNA具有相同碱基组成 DNA的高级结构n原核生物DNA的高级结构：双链闭合环状DNA当当E.coli的的细细胞胞被被裂裂解解后后，，类类核核区区DNA就释放出去形成环状就释放出去形成环状 真核生物染色质真核生物染色质DNADNA的高级结构的高级结构 n 细胞核中有23对染色体，每条染色体的DNA双螺旋若伸展开，平均长为5cm，核内全部DNA连结起来约1.7-2.0m，而细胞核直径不足10umn因此，不难想象DNA是以螺旋和折叠的方式压缩起来的，压缩比例高达上万倍，这种压缩的最初级结构就是核小体 nDNA在真核细胞中的折叠核组装必须有蛋白质的参与，这些蛋白质包括组蛋白和非组蛋白n1、组蛋白：属于碱性蛋白质，富含精氨酸（Arg）和赖氨酸（Lys）残基，共有5种一）DNA高级结构中的蛋白质核心组蛋白核心组蛋白 —— H2A，，H2B，，H3，，H4连接组蛋白连接组蛋白 —— H1 n2、非组蛋白：是染色体上结合特异DNA序列的蛋白质，又称为序列特异DNA结合蛋白。
¨非组蛋白的特点：①富含酸性氨基酸残基，属于酸性蛋白质；②在整个细胞周期中都可合成；③能识别并结合特异的DNA序列；Ø其主要功能是：参与DNA复制和基因表达调控 （二）DNA与蛋白质的结合与染色体的组装n 染色质的基本组成单位是核小体，其结构特征为：①由4种核心组蛋白各2分子形成八聚体；②DNA双链缠绕在组蛋白八聚体上形成核心颗粒，每圈80bp，共1.74圈，约146bp；③核心颗粒之间由约60bp的DNA与组蛋白H1构成连接区连接起来；④每个核小体单位包含约200bp的DNA链 核小体的结构特征由由4种核心组种核心组蛋白各蛋白各2分子分子形成八聚体形成八聚体DNA双链缠绕在双链缠绕在组蛋白八聚体上组蛋白八聚体上形成核心颗粒，每形成核心颗粒，每圈圈80bp，约，约146bp核心颗粒之间由约核心颗粒之间由约60bp的的DNA与组蛋与组蛋白白H1构成连接区连接构成连接区连接每个核小体单位包含每个核小体单位包含约约200bp的的DNA链链 （三）DNA在细胞内的折叠n一次折叠：核小体形成；n二次折叠：核小体卷曲（每周6个）形成直径30nm的襻状结构；n三次折叠：30nm的纤维折叠成柱状结构。
第二节 基因的功能和组构n基因按照其功能区分可以分为结构基因和调控序列n结构基因： 是决定合成某一种蛋白质分子结构相应的一段DNA结构基因的功能是把携带的遗传信息转录给mRNA（信使核糖核酸），再以mRNA为模板合成具有特定氨基酸序列的蛋白质n有的结构基因转录产物为一些有特定功能的RNA（如rRNA，tRNA，小分子RNA）n原核生物的结构基因大多为连续基因；n真核生物的基因为断裂基因； 连续基因和断裂基因断裂基因断裂基因：真核生物的结构基因是不连续的，：真核生物的结构基因是不连续的，内含子内含子与与外显子外显子间隔排列，这种基因称为断裂基因间隔排列，这种基因称为断裂基因断裂基因优点：断裂基因优点：n不同的不同的mRNA剪切加工方式产生不同蛋白质剪切加工方式产生不同蛋白质n突变产生在内含子与外显子之间可以促进生物进化突变产生在内含子与外显子之间可以促进生物进化n可能内含子与基因表达调控有关可能内含子与基因表达调控有关 n在真核结构基因中，能够在成熟RNA分子中保留的序列称为外显子（exon），而不能在成熟RNA分子中保留的序列称为内含子（intron） 调控序列调控序列n调控序列是基因中对结构基因的表达起调控作用的序列。
n这些调控序列也称为顺式作用元件n顺式作用元件必须与相对应的酶或蛋白质相互作用才能发挥其调控作用，因此与之作用的酶或蛋白因子被称为反式作用因子n顺式作用元件=DNAn反式作用因子=蛋白质 原核生物基因调控序列原核生物基因调控序列n 启动子——位于结构基因上游，与RNA聚合酶辨认、结合并起始转录相关的DNA序列原核生物启动子具有共同特征序列“TATAAT”称为普里布诺盒n 操纵元件——位于结构基因与启动子之间，与阻遏蛋白结合相关的DNA序列n 正调控蛋白结合位点——与促进转录的正调控蛋白结合的DNA序列n 终止子——转录终止相关的DNA序列为基因下游的一段富含GC的回文序列 原核生物启动子的一致性序列核心启动子核心启动子转录起始识别转录起始识别部位部位强强弱弱 n操纵元件——位于结构基因与启动子之间，与阻遏蛋白结合相关的DNA序列 正调控蛋白结合位点——与促进转录的正调控蛋白结合的DNA序列如CAP结合位点 原核生物的两种终止子原核生物的两种终止子终止子——转录终止相关的DNA序列为基因下游的一段富含GC的回文序列 回回 文文 结结 构构画上荷花和尚画画上荷花和尚画书临汉字翰林书书临汉字翰林书 真核生物基因的调控序列真核生物基因的调控序列n启动子启动子：：由于真核生物中有三种不同的由于真核生物中有三种不同的RNA聚合酶，因此也聚合酶，因此也有三种不同的启动子。
有三种不同的启动子n特点：特点：n（（1）有多种元件：）有多种元件：TATA框，框，GC框，框，CATT框，框，OCT等；等；n（（2）结构不恒定有的有多种框盒如组蛋白）结构不恒定有的有多种框盒如组蛋白H2B；有的只有；有的只有TATA框和框和GC框，如框，如SV40早期转录蛋白，早期转录蛋白，n（（3）它们的位置、序列、距离和方向都不完全相同，）它们的位置、序列、距离和方向都不完全相同，n（（4）有的有远距离的调控元件存在，如增强子；）有的有远距离的调控元件存在，如增强子；n（（5）这些元件常常起到控制转录效率和选择起始位点的作用；）这些元件常常起到控制转录效率和选择起始位点的作用；n（（6）不直接和）不直接和RNA pol结合转录时先和其它转录激活因子相结合，再结合转录时先和其它转录激活因子相结合，再和聚合酶结合和聚合酶结合 n增强子：增强子：可增强真核生物基因启动子的工作效率的顺可增强真核生物基因启动子的工作效率的顺式作用元件，是真核生物基因中最重要的调控序列式作用元件，是真核生物基因中最重要的调控序列n特点：特点：n1、、 具有远距离效应常在上游具有远距离效应常在上游-200bp处，但可增强远处启动子处，但可增强远处启动子的转录，即使相距十几的转录，即使相距十几Kb也能发挥其作用；也能发挥其作用；n可能机制：可能机制： 1）拓朴效应；（）拓朴效应；（2）滑动模型；（）滑动模型；（3）成环模型）成环模型n2、、 无方向性。
无论在靶基因的上游，下游或内部都可发挥增强无方向性无论在靶基因的上游，下游或内部都可发挥增强转录的作用；转录的作用；n3、顺式调节只调节位于同一染色体体上的靶基因，而对其它染、顺式调节只调节位于同一染色体体上的靶基因，而对其它染色体上的基因无作用色体上的基因无作用n沉默子：沉默子：是参与基因表达负调控的一种元件是参与基因表达负调控的一种元件 ，与增强，与增强子作用相反子作用相反n沉默子的沉默子的DNA序列被调控蛋白结合后阻断了转录起始序列被调控蛋白结合后阻断了转录起始复合物的形成或活化，使基因表达活性关闭复合物的形成或活化，使基因表达活性关闭 第三节第三节 核酸酶核酸酶n核酸酶：可以催化水解核酸的酶包括DNA酶和RNA酶本质是蛋白质n核酸内切酶：可以在DNA或RNA内部催化水解磷酸二脂键的核酸酶常用作基因工程的工具酶n核酶：具有催化作用的RNA，可特异性识别并水解核酸。