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1、（) 分子生物学Molecular Biology首都师范大学生科院祁晓廷（;qxt-) 主要内容1.基因的概念2.基因表达及调控3.组学的基本知识广义：在分子水平理解生命现象的学科。广义：在分子水平理解生命现象的学科。1.1. 生物化学：从化学角度解释生物分子（糖类、脂类：从化学角度解释生物分子（糖类、脂类、蛋白质、核酸及其他生物学分子）化学结构及其代、蛋白质、核酸及其他生物学分子）化学结构及其代谢途径的一门学科。从化学角度揭示生命现象的古老谢途径的一门学科。从化学角度揭示生命现象的古老学科。学科。2.2.分子生物学：是在生物化学和经典遗传学基础上发是在生物化学和经典遗传学基础上发展起来的一
2、门新兴学科。以核酸（展起来的一门新兴学科。以核酸（DNADNA和和RNARNA）为）为研究对象，揭示基因的结构（染色体结构）、维持（研究对象，揭示基因的结构（染色体结构）、维持（ DNADNA复制、修复）和信息传递（转录和翻译）。复制、修复）和信息传递（转录和翻译）。l1857-1864年：孟德尔经典遗传学规律：独立分配和自由组合规律。“遗传颗粒”性状。l1900年：摩尔根“遗传颗粒”定位在染色体上。l1909年：丹麦科学家Johannsen“遗传颗粒”命名为基因。l1944年：遗传物质为DNA。l1953年：DNA双螺旋结构的发现，分子生物学诞生。l1966年：遗传密码子破译。l1972年：
3、基因工程的诞生及其后续的快速发展不但是分子生物学的结果而且大大促进了分子生物学的发展。l2000年：DNA测序技术的发展获得模式生物和重要生物全基因组学列，分子生物学进入了后基因组和蛋白组时代，重点解决蛋白-RNA-DNA互作的遗传语言问题。孟德尔摩尔根AveryWatsonandCrick多利羊HGP 基因的概念l基因是一段编码功能性RNA分子的DNA片段，包括传统意义上的编码蛋白质的基因，还包含一些非编码蛋白的基因，其终产物为RNA分子，如tRNA、rRNA、snRNA和miRNA。非编码蛋白的基因在编码蛋白质基因表达过程中具有重要作用的作用。l在基因的上下游会有调控DNA序列，如启动子和
4、终止子序列，控制着基因表达。l基因的结构模式图为：启动子-编码区-终止子分子生物学研究的内容围绕着中心法则进行， 特别注意 RNA的重要作用和核心地位。 当前的中心法则 基因载体-染色质结构 DNA长度远远超过细胞核的直径，必需压缩折叠才能放入核中。压缩的层面有核小体-螺线管-突环，最终形成染色质。 大肠杆菌（E.coli）结构E.coli染色体只含一个环状超螺旋分子，含量为4.6 Mb，完全展开后总长度大约1.3 mm. 细菌染色体DNA双螺旋（2nm)核小体（11nm）螺线管（30nm)突环(300nm)染色体（1400nm）核小体及核小体核心颗粒核小体：染色质在电子显微镜下观察时呈现为由
5、10nm的球状颗粒和DNA纤维组成的念珠状外观。这些球状颗粒称为核小体（nucleosome）。核小体核心由组蛋白H2A,H2B,H3和H4各两个亚基组成的八聚体，带正电荷，与带负电荷的DNA通过离子键结合。核小体间的DNA称为接头DNA（linkerDNA）。核小体所缔合的DNA约为166bp（146+20），由于连接DNA（约55bp）易于为核酸酶所作用。因此，当染色质以微球菌核酸酶（micrococcalnudease）等轻微处理后，染色质就产生一系列依次相差200bp左右的长度不等的DNA片段。 30nm纤丝30nm纤丝：核小体链呈螺旋形缠绕，并形成超微螺旋，称为“螺线管”（solen
6、oid），即30 nm纤丝。这种超微螺旋的直径约为3Onm，内径10nm，螺距为llnm，为中空呈管状结构。这种螺旋管的每一转由6个核小体组成，螺线管是染色体的二级结构。 突环结构螺线管的纤丝沿着它中央的蛋白质轴发射出大小不等的环，像灯刷染色体那样，这些观察证明，染色体是由一系列的环状的域（domain）组成的。这种结构可以说是染色体的三级结构。2. 基因表达及其调控原核和真核细胞基因表达的区别原核生物真核生物无细胞核 有细胞核 多顺反子（编码多种蛋白） 单顺反子（一般编码一种蛋白） 环状染色体 线性染色体 边转录边翻译 转录发生在细胞核，而翻译发生在细胞质 一般无内含子 一般有内含子l转录前
7、水平：调控基因所在染色质的压缩程度，暴露出转录因子等结合位点，为基因转录创造条件。l转录水平：组成型表达，诱导型表达，细胞依赖性表达。l输出核孔：mRNA分子结合蛋白质介导加工成熟的mRNA出核，错误加工的mRNA分子则留在核中，被降解实现再循环利用。l细胞质中mRNA的存量调控：取决于转录产出量和降解量。 细胞质中mRNA的命运：有机会翻译蛋白质（细胞质核糖体，定位在内质网上的核糖体）、被降解（尤其错误加工的mRNA的分子），转移到其它细胞中翻译。l蛋白质翻译后水平：经过不同的折叠、化学修饰和剪接形成多种功能的蛋白质。是基因功能放大的一种有效措施。现代观念：边转录边加工（加帽、去内含子、加尾
8、），一步形成成熟的mRNA。DNA复制 -遗传物质保持和传代 DNA复制是多种酶（拓扑异构酶、解旋酶、DNA聚合酶、引发酶、 RNA酶、DNA连接酶）和辅助因子（增殖细胞核抗原PCNA，单链结合蛋白）协同作用以半保留半不连续的方式进行的。DNA的半不连续复制3535OK!How?5353真核生物的复制子 真核生物的线形染色体是由多复制子构成，每个复制子都有自己的起点。一个典型的哺乳动物细胞有50 000100 000个复制子，每个复制子长约40200kbp。在相邻复制叉的复制泡相遇处，新生DNA融合并形成复制完整的DNA。郭爱娟 BCU参与DNA复制的有关物质一、参与DNA复制的模板、底物和引
9、物二、参与DNA复制的有关酶和蛋白 1.DNA1.DNA拓扑异构酶拓扑异构酶(DNA Topisomerase) (DNA Topisomerase) 2. 2.解旋酶解旋酶(Helicase)(Helicase) 3. 3.单链单链DNADNA结合蛋白结合蛋白(SSBP)(SSBP) 4. 4.引发酶引发酶(Primase)(Primase) 5.DNA 5.DNA聚合酶聚合酶(DNA Polymerase)(DNA Polymerase) 6.DNA 6.DNA连接酶连接酶(DNA ligase ) (DNA ligase ) 酵母DNA复制所需要的酶Enzymes (Proteins)
10、FunctionsTopoisomerase （拓扑异构酶）去除超螺旋结构Helicase （解螺旋酶）变性双螺旋DNAReplication protein A (RP-A)单链结合Polymerase /聚合酶：子链合成PCNA （增殖细胞核抗原）DNA聚合酶辅助蛋白Pol/Primase （引发酶复合体 ）合成引物RNaseH/FEN-1（MF-1）去除引物和寡聚脱氧核苷酸（20-30nts）Ligase （连接酶）连接冈崎片段 Schematic representation of the organization of eukaryotic DNA replication fork.
11、 ( yeast)DNA复制过程中，随着复制叉的移动，核小体解聚，随后在新形成的子链中重新形成。DNA转录 -遗传信息流向RNA 转录单位包括启动子-转录区-终止子。转录因子识别启动子，招募RNA聚合酶以负链DNA为模板，按照A-U,G-C配对原则将游离的核苷酸按照5-3方向合成RNA分子的过程。 原核生物转录l原核生物转录和翻译是偶联的，其mRNA为编码多种蛋白的多顺反子。原核生物 因子协助RNA聚合酶识别启动子基本元件并由此起始转录 ，并在具有发卡结构的终止子处（或在因子协助下）结束转录l操纵子是原核生物转录调控的主要模式，其中最典型的代表为乳糖操纵子。调控蛋白（或阻遏蛋白）与操纵区结合阻
12、止RNA聚合酶前进达到降低转录效率。转录单位Figure8.2编码链/+链模板链/-链转录起始不需要引物。RNA聚合酶不具备识别启动子的能力，需要基本转录因子的协助。转录过程如下：起始-延伸-终止。启动子（promoter）是能启动转录的一段DNA片段。常含有转录因子识别和结合的保守的和特异顺式元件（cis-elements），用以控制基因的转录起始。上游特异元件-TTGACA-TATAAT-CA/GT-35序列-10序列+1特异转录因子结合元件基本转录因子结合元件转录起始位点控制基因特异表达招募RNA聚合酶组装转录起始复合物(何时何地多少）原核生物转录调控模型3.3.在转录期间在转录期间RN
13、ARNA聚合酶的结构和功能位点聚合酶的结构和功能位点（+）链 ( )（-）链 Enzyme Movement解旋 ()复旋 ()覆盖约40bp,其中约17 bp解链区 延伸l起始成功后，聚合酶释放出因子，形成核心酶-DNA-新生RNA链三元（三聚）复合物。随着转录泡的移动，不断地解螺旋和再螺旋（解螺旋区域的大小稳定地保持在17bp），RNA链不断的延长。Figure8.16终止子l终止序列的特点： 1）发夹结构(减速) 2）4个或更多的U残基 （脱离）Figure8.6依赖的转录终止l不形成强的发夹结构，必须一种辅助因子即蛋白来帮助转录终止。六聚体蛋白，识别72bp 序列（特异结构），依赖单链
14、RNA水解ATP。依赖赖的转录终转录终 止Rho factor ()-dependent termination操纵子与乳糖操纵子1.提出：1961年, Jacob （雅格布）-Monod（莫诺）.l2.操纵子：操纵子是基因表达和调控的单元，典型的操纵子包括：结构基因、调控元件和阻遏蛋白编码基因。l大肠杆菌K12中共有4136个基因，以操纵子结构存在的基因接近1/4 （256 操纵子 控制879基因）操纵子结构l结构基因：控制某一代谢途径关键酶的多顺反子。l调控元件：启动子和操纵区（覆盖在启动子和编码区交叉区，是阻遏调节蛋白质的结合位点）。l调节基因：编码阻遏蛋白质独立的基因。乳糖操纵子启动区
15、PlaclacZlacAlaclOlaclacY调控元件结构基因 -半乳糖苷透性酶分解乳糖半乳糖和葡萄糖运送乳糖透过细胞壁乙酰辅酶A 乙酰半乳糖 -半乳糖苷酶-半乳糖苷转乙酰酶乳糖转化异乳糖调节基因A YZ操纵区转录方向转录单元转录单元lacZYAlacZYA分解X-gal蓝色乳糖阻抑物RNAlaclPlacI乳糖阻抑物单体乳糖阻抑物四聚体lacZlacYlacA透性酶-半乳糖苷酶转乙酰酶PlaclacZlacAlaclOlaclacY含回文结构（-5/+21）PlaclacZlacAlaclOlaclacYPlaclacZlacAlaclOlaclacY异乳糖诱导物安慰诱导物IPTGRNA聚
16、合酶iRNARNA聚合酶lacZlacYlacA被激活的乳糖阻抑物四聚体乳 糖转化酶位置产物对-鹅膏蕈碱的敏感性RNApolRNApolRNApol 真核细胞核基因的三种RNA聚合酶核仁pre-rRNA 28S 18S 5.8S不敏感核质pre-mRNA small RNAsnRNA U1,U2,U4,U5敏 感核质pre-tRNA5SRNASmall RNA高浓度敏感5cap5非编码区编码区3非编码区3poly(A)tail真核生物mRNA结构真核生物基本转录机器的组装II-F:与RNApol结合具有解旋复旋功能；II-H:具有磷酸化CTD的功能；TBP:TATA-BOX结合蛋白质，识别启动子功能。特异转录因子通过中介蛋白复合体间接地与基本转录机器互作改变转录起始频率。染色质构象调控-转录前调控水平 表观遗传学组蛋白乙酰化和脱乙酰化影响 染色质的紧密程度从而影响转录因子与启动子结合。胞嘧啶与组蛋白的修饰胞嘧啶与组蛋白的修饰胞嘧啶甲基化H3K27甲基化H3K4甲基化组蛋白H3化学修饰 转录后加工 -从单一基因扩大编码mRNA分子种类 一基多能l基因复制-转录后加工（可变剪接、可变启动子
