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1、目录目录分子生物学分子生物学 -绪论绪论目录目录n广义：以广义：以核酸和蛋白质核酸和蛋白质等生物大分子的结构及其在等生物大分子的结构及其在遗传信息和细胞信息传递中的作用为研究对象，从遗传信息和细胞信息传递中的作用为研究对象，从分子水平阐明生命现象和生物学规律。分子水平阐明生命现象和生物学规律。n狭义：偏重于狭义：偏重于核酸（基因）的分子生物学核酸（基因）的分子生物学，主要研，主要研究基因或究基因或DNA的复制、转录、表达和调控等过程，的复制、转录、表达和调控等过程，也涉及与这些过程相关的蛋白质和酶的结构与功能也涉及与这些过程相关的蛋白质和酶的结构与功能的研究。的研究。一、分子生物学的定义一、分
2、子生物学的定义目录目录二、分子生物学发展历史二、分子生物学发展历史1、分子生物学诞生的准备和酝酿阶段、分子生物学诞生的准备和酝酿阶段 19世纪后期至20世纪50年代，是分子生物学诞生的准备和酝酿阶段，这一时期产生了对生命本质的两点认识上的重大突破。确定了蛋白质是生命的主要基础物质。确定了蛋白质是生命的主要基础物质。19世纪末Buchner兄弟证明了酵母细胞提取液能使糖发酵产生酒精，第一次提出了酶的名称，酶是催化剂。20世纪40年代，提纯和结晶了一些酶如：尿素酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶等，通过X射线衍射技术，从而证明了酶是蛋白质。随后陆续发现生命的许多现象都与酶和蛋白质相联系。 确定了生物遗传的物质
3、基础是确定了生物遗传的物质基础是DNA 1868年年F.米歇尔发现了核素；米歇尔发现了核素； 20世纪世纪20-30年代确认了自然界有年代确认了自然界有DNA和和RNA两类两类核酸，并阐明了核苷酸组成；核酸，并阐明了核苷酸组成； 1944年年Avery通过肺炎球菌转化实验证明了通过肺炎球菌转化实验证明了DNA是是遗传物质；遗传物质； 1952年年Hershey等人用同位素示踪技术标记等人用同位素示踪技术标记T2噬菌噬菌体的蛋白质和核酸，感染大肠杆菌的实验进一步证体的蛋白质和核酸，感染大肠杆菌的实验进一步证明了明了DNA是遗传物质；是遗传物质；光滑型光滑型（S）的肺炎双球菌）的肺炎双球菌多糖多糖
4、莢膜莢膜患败血症而死亡患败血症而死亡粗糙型（粗糙型（R）的肺炎双球菌）的肺炎双球菌噬菌体的结构噬菌体的结构Protein coat DNA噬菌体标记实验噬菌体标记实验2、现代分子生物学建立、现代分子生物学建立 1953年年Watson和和Crick提出的提出的DNA双螺旋结构双螺旋结构模型是现代分子生物学诞生的里程碑模型是现代分子生物学诞生的里程碑，开创了分子，开创了分子遗传学基本理论建立和发展的黄金时期；遗传学基本理论建立和发展的黄金时期；DNA 双螺旋结构双螺旋结构 （Double Helix Model）1953年年 Watson 和和 Crick （英）（英）遗传信息传递的中心法则遗传
5、信息传递的中心法则 （Central Dogma）DNARNA转录转录蛋白质蛋白质翻译翻译复制复制Crick（英）（英）1954年年目录目录2、现代分子生物学建立、现代分子生物学建立 1956年发现年发现DNA聚合酶；聚合酶； 1958年用同位素标记和超速离心实验为年用同位素标记和超速离心实验为DNA半半保留复制模型提供证据；保留复制模型提供证据； 1968年冈畸提出不连续复制模型；年冈畸提出不连续复制模型； 1972年证实了年证实了DNA复制开始需要复制开始需要RNA作为引物，作为引物，从而逐步完善了对从而逐步完善了对DNA复制机理认识。复制机理认识。目录目录l同时先后发现依赖于同时先后发现
6、依赖于DNA的的RNA聚合酶及聚合酶及RNA-DNA杂交实验证明了杂交实验证明了mRNA与与DNA序列互补，逐序列互补，逐步步阐明阐明RNA转录合成的机理转录合成的机理。l与此同时认识到与此同时认识到蛋白质是接受蛋白质是接受RNA遗传信息而合遗传信息而合成。成。l1950年代发现微粒体是蛋白质合成场所；年代发现微粒体是蛋白质合成场所；l1957年首先分离出年首先分离出tRNA，并提出了其在蛋白质，并提出了其在蛋白质合成中转运氨基酸功能的假说；合成中转运氨基酸功能的假说； 目录目录 1961年观察到蛋白质合成过程中年观察到蛋白质合成过程中mRNA与与核糖核糖体体结合；同期科学工作者还破译了合成蛋
7、白质的结合；同期科学工作者还破译了合成蛋白质的遗遗传密码传密码，并在随后研究发现遗传密码具有通用性，并在随后研究发现遗传密码具有通用性，从而认识了从而认识了蛋白质翻译合成的基本过程蛋白质翻译合成的基本过程。 通过上述重要发现，共同建立了以通过上述重要发现，共同建立了以“中心法则中心法则”为基础的遗传学基本理论体系。为基础的遗传学基本理论体系。1970年代发现以年代发现以RNA为模板合成为模板合成DNA的的反转录酶反转录酶，进一步补充和完，进一步补充和完善了善了“中心法则中心法则”。遗传信息传递的中心法则遗传信息传递的中心法则 （Central Dogma）DNARNA转录转录蛋白质蛋白质翻译翻
8、译复制复制Crick（英）（英）1954年年反转录反转录3、20世纪世纪70年代以来分子生物学飞速发展年代以来分子生物学飞速发展、逆转录酶的发现；、逆转录酶的发现；、一些工具酶的先后发现；、一些工具酶的先后发现；、断裂基因的发现；、断裂基因的发现；、DNA测序方法建立；测序方法建立；、核酶的发现；、核酶的发现；、PCR技术建立；技术建立；、基因的上游调控序列发现；、基因的上游调控序列发现；、显微注射技术运用；、显微注射技术运用；、基因重组技术发展、基因治疗技术发展；、基因重组技术发展、基因治疗技术发展；、人类基因组计划实施、人类基因组计划实施目录目录分子生物学：从分子生物学：从分子分子水平理解
9、生命活动水平理解生命活动生物化学：从生物化学：从化学化学组成角度来理解生物大分子和生物代谢。组成角度来理解生物大分子和生物代谢。细胞生物学：从细胞生物学：从细胞细胞水平理解生命活动水平理解生命活动遗传学：遗传学： 从从遗传遗传角度理解生命活动角度理解生命活动 普通生物学（动物普通生物学（动物& &植物）植物）& & 微生物学：不同微生物学：不同生物类型生物类型的特点。的特点。生物物理学：从生物物理学：从物理学物理学角度理解生物大分子结构和功能。角度理解生物大分子结构和功能。三、分子生物学与其他学科的关系三、分子生物学与其他学科的关系目录目录 分子生物学是生物化学、生物物理学、遗传学、分子生物学
10、是生物化学、生物物理学、遗传学、微生物学、细胞生物学等多学科相互渗透、综合微生物学、细胞生物学等多学科相互渗透、综合融会而产生并发展起来的。融会而产生并发展起来的。生命活动的一致性生命活动的一致性，是生物学范围内所有学科在是生物学范围内所有学科在分子水平分子水平上的统一。上的统一。目录目录分子结构生物学分子结构生物学分子发育生物学分子发育生物学分子神经生物学分子神经生物学分子育种学分子育种学分子肿瘤学分子肿瘤学分子细胞生物学分子细胞生物学分子免疫学分子免疫学分子病毒学分子病毒学分子生理学分子生理学分子考古学分子考古学分子数量遗传学分子数量遗传学分子生态学分子生态学分子进化学分子进化学.分子生物
11、学的延伸分子生物学的延伸分子生物学已经渗透到生物学的几乎分子生物学已经渗透到生物学的几乎所有领域所有领域分子生物学已经成为生命科学领域的分子生物学已经成为生命科学领域的前沿学科前沿学科四、分子生物学的研究内容四、分子生物学的研究内容1.生物大分子结构和功能的研究（又称结构分子生物生物大分子结构和功能的研究（又称结构分子生物学）：学）：结构分子生物学就是研究生物大分子（蛋白结构分子生物学就是研究生物大分子（蛋白质和核酸）的空间结构以及结构变化与其生物学功质和核酸）的空间结构以及结构变化与其生物学功能之间关系的学科。能之间关系的学科。2.基因表达及调控的研究基因表达及调控的研究3.DNA重组技术重
12、组技术：又称基因工程，是指将目的基因转：又称基因工程，是指将目的基因转入宿主细胞，使其能够在宿主细胞中稳定遗传。入宿主细胞，使其能够在宿主细胞中稳定遗传。4.基因组学、转录物组学以及蛋白质组学的研究。基因组学、转录物组学以及蛋白质组学的研究。目录目录五、医学分子生物学五、医学分子生物学 医学分子生物学是分子生物学的一个重要分支，医学分子生物学是分子生物学的一个重要分支，它是一门新兴交叉学科，是从它是一门新兴交叉学科，是从分子水平分子水平研究人体和研究人体和疾病相关生物疾病相关生物在正常和疾病状态下在正常和疾病状态下生命活动及其规生命活动及其规律；律；从分子水平开展人类疾病的预防、诊断和治疗从分
13、子水平开展人类疾病的预防、诊断和治疗研究的科学。研究的科学。医学分子生物学研究内容：医学分子生物学研究内容：1、研究人体发育、分化和衰老的分子生物学基础、研究人体发育、分化和衰老的分子生物学基础2、细胞增殖调控的分子基础、细胞增殖调控的分子基础3、人体三大调控系统（神经、内分泌、免疫）的、人体三大调控系统（神经、内分泌、免疫）的 分子生物学基础分子生物学基础4、基因的结构异常或调控异常与疾病发生发展之、基因的结构异常或调控异常与疾病发生发展之 间关系间关系5、应用分子生物学理论和技术体系开展疾病的基、应用分子生物学理论和技术体系开展疾病的基 因诊断和基因治疗、生物制药及卫生防疫。因诊断和基因治
14、疗、生物制药及卫生防疫。第第13章：真核基因与基因组章：真核基因与基因组 2h第第18章：基因表达调控章：基因表达调控 4h第第20章：常用分子生物学技术章：常用分子生物学技术 4h第第21章：章：DNA重组及重组重组及重组DNA技术技术 4h第第22章：基因结构与功能分析章：基因结构与功能分析 2h第第23章：癌基因、肿瘤抑制基因与生长因子章：癌基因、肿瘤抑制基因与生长因子 2h第第24章：疾病相关基因的鉴定与功能章：疾病相关基因的鉴定与功能 2h第第25章：基因诊断与基因治疗章：基因诊断与基因治疗 2h生物化学与分子生物学生物化学与分子生物学讲授内容讲授内容目录目录预习预习+ +复习，复习
15、，理解记忆理解记忆；加强加强实践实践，增加感性认识和学习兴趣；，增加感性认识和学习兴趣；基本的专业词汇（英文）要求掌握；基本的专业词汇（英文）要求掌握；阅读英文文献。阅读英文文献。学习方法及要求目录目录真核基因与基因组真核基因与基因组 第十三章第十三章Eukaryote Gene and Genome目录目录基因概念的发展：基因概念的发展：1.经典遗传学阶段经典遗传学阶段：1865年年Mendel的的“遗传因子遗传因子”学说学说为基因概念的提出了为基因概念的提出了 基础基础1900年，年，Veris， Tschermak 和和Correns重新证实重新证实Mendel工作工作1903年年Sut
16、ton 和和Boveri 分别注意到分别注意到Mendel的的“遗传因子遗传因子”行为行为与生殖细胞形成和受精过程中的染色体为完全平行，于是两人分别与生殖细胞形成和受精过程中的染色体为完全平行，于是两人分别提出提出遗传因子就在染色体上遗传因子就在染色体上；1909年年Johannsen将遗传因子改称为基因将遗传因子改称为基因，并提出基因型和表，并提出基因型和表现型的概念。现型的概念。目录目录基因概念的发展：基因概念的发展：1.经典遗传学阶段经典遗传学阶段：1910年，摩尔根等年，摩尔根等在果蝇、以及埃默森等在玉米工作中证在果蝇、以及埃默森等在玉米工作中证明基因在染色体上呈直线排列。这样就形成了
17、一套经典的遗传明基因在染色体上呈直线排列。这样就形成了一套经典的遗传学理论体系，以学理论体系，以遗传的染色体学说为核心的基因论遗传的染色体学说为核心的基因论。Morgan及他的学生的著作基因论及他的学生的著作基因论；“三位一体学说三位一体学说” ：功能单位：功能单位, 突变单位突变单位, 重组单位。重组单位。1941 年年 Beadle, G. w. 等人对红色链孢霉进行了大量研究，等人对红色链孢霉进行了大量研究，提出提出一个基因一个酶一个基因一个酶的观点的观点目录目录基因概念的发展：基因概念的发展：2.分子遗传学阶段：分子遗传学阶段：基因的化学本质主要是基因的化学本质主要是DNA，有时是，有
18、时是RNA：1944年艾佛里年艾佛里与格里菲斯通过肺炎双球菌的转化实验，首次证明了基因的本与格里菲斯通过肺炎双球菌的转化实验，首次证明了基因的本质质-DNA是遗传物质。是遗传物质。1956年，康兰特烟草花叶病毒的研究中，年，康兰特烟草花叶病毒的研究中，证明了在不具有证明了在不具有DNA的病毒中，的病毒中，RNA是遗传物质。是遗传物质。基因不是最小的遗传单位，基因是可分的基因不是最小的遗传单位，基因是可分的：1955年年, Benzer, S. 用大肠杆菌用大肠杆菌 T4 噬菌体为材料噬菌体为材料, 分析了基因的精细结构，发现分析了基因的精细结构，发现了基因内部还存在着可分的精细结构，从而提出了
19、提出了顺反了基因内部还存在着可分的精细结构，从而提出了提出了顺反子、突变子和重组子的概念。发展为子、突变子和重组子的概念。发展为“一个基因一种多肽链一个基因一种多肽链”的假说；的假说；3. 基因概念的现代发展：基因概念的现代发展： 20 世纪世纪70年代年代, DNA 体外重组技术和基因工程体外重组技术和基因工程技术成熟技术成熟, 人们对基因的结构和功能上的特征有了人们对基因的结构和功能上的特征有了更多的认识更多的认识, 涌现出涌现出断裂基因断裂基因、重叠基因重叠基因、假基因、假基因、跳跃基因跳跃基因等基因的多元概念（见表）。等基因的多元概念（见表）。目录目录除了某些以除了某些以RNA为基因组
20、的为基因组的RNA病毒外，基病毒外，基因通常是指染色体或基因组的一段因通常是指染色体或基因组的一段DNA序列。序列。基因包括基因包括编码序列编码序列（外显子）、（外显子）、调控序列调控序列和和间隔序列间隔序列（内含子）（内含子）。基因（基因（genegene）：）：编码蛋白质或编码蛋白质或RNA等具有等具有特定功能产物的、负载遗传信息的基本单位。特定功能产物的、负载遗传信息的基本单位。目录目录基因组（基因组（genome）：）：一个生物体内所有一个生物体内所有遗传信息的总和。遗传信息的总和。人类基因组包含了人类基因组包含了细胞核染色体细胞核染色体DNA（常染色体和性染色体）及（常染色体和性染色
21、体）及线粒体线粒体DNA所所携带的所有遗传物质。携带的所有遗传物质。 目录目录真核基因的结构与功能真核基因的结构与功能 第一节第一节The Structure and Function of Eukaryote Gene利用碱基的不同排列荷载遗传信息。利用碱基的不同排列荷载遗传信息。 通过复制将遗传信息稳定、忠实地遗传给子通过复制将遗传信息稳定、忠实地遗传给子代细胞，在这一过程中为适应环境变化，可代细胞，在这一过程中为适应环境变化，可能会发生基因突变。能会发生基因突变。 作为作为基因表达（基因表达（gene expression）的模板，的模板，使其所携带的遗传信息通过各种使其所携带的遗传信息
22、通过各种RNA和蛋和蛋白质在细胞内有序合成而表现出来。白质在细胞内有序合成而表现出来。 n 基因的功能基因的功能目录目录n 与基因功能相关的结构与基因功能相关的结构编码区序列（编码区序列（coding region sequence）非编码序列（非编码序列（non-coding sequence）基因表达需要的调控区（基因表达需要的调控区（regulatory region）序列，包括启动子（序列，包括启动子（promoter）、增强子）、增强子（enhancer）等。）等。在细胞内表达为蛋白质或功能在细胞内表达为蛋白质或功能RNA的的DNA序列。序列。目录目录单个基因的组成结构及一个完整的生
23、物单个基因的组成结构及一个完整的生物体内基因的组织排列方式统称为体内基因的组织排列方式统称为基因组构基因组构（gene organization）。）。n 与基因功能相关的结构与基因功能相关的结构目录目录一、真核基因的基本结构一、真核基因的基本结构编码蛋白质或编码蛋白质或RNA的的编码序列编码序列。非编码序列非编码序列，包括编码区两侧的调控，包括编码区两侧的调控序列和编码序列间的间隔序列。序列和编码序列间的间隔序列。目录目录真核基因结构真核基因结构转录起始点转录起始点TATA盒盒CAAT盒盒GC盒盒增强子增强子AATAAA剪接加尾剪接加尾转录终止点转录终止点修饰点修饰点外显子外显子翻译起始点翻
24、译起始点内内含含子子 OCT-1 OCT-1：ATTTGCAT八聚体八聚体+1结构基因结构基因启动子启动子顺式作用元件顺式作用元件順式作用元件：順式作用元件：指可影指可影响自身基因表达活性的响自身基因表达活性的DNA序列。序列。真核基因结构真核基因结构n内含子的发现内含子的发现1977年美国的年美国的Sharp和和Roberts两组两组科学家别同时发现了断裂基因科学家别同时发现了断裂基因(split gene)1978年年Gilbort创用了创用了内含内含子子(intron)和和外显子外显子 (exon) 两个名词，内含子两个名词，内含子是指在成熟的是指在成熟的mRNA中不出现的序中不出现的序
25、列，列，Exon是指在成熟的是指在成熟的mRNA中出中出现的序列。现的序列。腺病毒外壳蛋白基因的结构断裂基因断裂基因:有些真核蛋白质编码基因的核苷酸序列中间插有有些真核蛋白质编码基因的核苷酸序列中间插有与氨基酸编码无关的与氨基酸编码无关的DNA间隔区，使一个基因分隔成不连间隔区，使一个基因分隔成不连续的若干区段，续的若干区段，我们称这种编码序列不连续的基因为断裂我们称这种编码序列不连续的基因为断裂基因。基因。目录目录目录目录n内含子是相对的，一个基因的内含子可能是另一内含子是相对的，一个基因的内含子可能是另一个基因的外显子个基因的外显子(如大鼠的肌钙蛋白基因如大鼠的肌钙蛋白基因）。）。n内含子
26、的相对性内含子的相对性目录目录真核基因结构不连续，为真核基因结构不连续，为断裂基因（断裂基因（split gene）l外显子外显子（exon）；在基因序列中，出现在）；在基因序列中，出现在成熟成熟mRNA分子上的序列。分子上的序列。l内含子内含子（intron）：外显子之间、与）：外显子之间、与mRNA剪接过程中被删除部分相对应的间隔序列。剪接过程中被删除部分相对应的间隔序列。目录目录真核生物真核生物绝大部分编码蛋白质的基因绝大部分编码蛋白质的基因都有内都有内含子。含子。编码编码rRNA和一些和一些tRNA的基因的基因也都有也都有内含子。内含子。内含子的数量和大小内含子的数量和大小决定了真核基
27、因的大小。决定了真核基因的大小。不同种属中，外显子序列通常比较保守，而不同种属中，外显子序列通常比较保守，而内含子内含子序列则变异较大序列则变异较大。目录目录外显子与内含子接头处有一段高度保守的外显子与内含子接头处有一段高度保守的序列，即内含子序列，即内含子5末端大多数以末端大多数以GT开始，开始，3端大多数以端大多数以AG结束，这一共有序列结束，这一共有序列（consensus sequence）是真核基因中）是真核基因中RNA剪接的识别信号。剪接的识别信号。目录目录基因的基因的5 端称之为上游，端称之为上游，3 端称为下游端称为下游基因序列中开始基因序列中开始RNA链合成的第一个核链合成的
28、第一个核苷酸所对应的碱基记为苷酸所对应的碱基记为+1，此碱基上游，此碱基上游的序列记为负数，下游的序列记为正数。的序列记为负数，下游的序列记为正数。目录目录二、基因编码区编码多肽链和特定的二、基因编码区编码多肽链和特定的RNA分子分子 基因编码区中的基因编码区中的DNA碱基序列碱基序列决定特定决定特定的成熟的成熟RNA分子的序列，即分子的序列，即DNA的一级结的一级结构决定着其转录产物构决定着其转录产物RNA分子的一级结构。分子的一级结构。目录目录基因的编码序列决定其编码产物的序列和功基因的编码序列决定其编码产物的序列和功能。能。编码序列中一个碱基的改变或突变，可能使编码序列中一个碱基的改变或
29、突变，可能使基因功能发生重要的变化。基因功能发生重要的变化。相同的相同的DNA序列因起始位点的变化或不同的序列因起始位点的变化或不同的剪接方式而编码不同的蛋白质多肽链。剪接方式而编码不同的蛋白质多肽链。n镰刀形红细胞贫血症镰刀形红细胞贫血症目录目录大鼠降钙素基因转录本的可变剪接大鼠降钙素基因转录本的可变剪接 APOB基因的基因的mRNA在肝和肠黏膜编码不同多肽链在肝和肠黏膜编码不同多肽链 三、调控序列参与真核基因表达调控三、调控序列参与真核基因表达调控 位于位于基因转录区前后基因转录区前后，对基因表达起调控作用，对基因表达起调控作用的区域，因其是紧邻的的区域，因其是紧邻的DNA序列，又称序列，
30、又称旁侧序列旁侧序列（flanking sequence）。基因的调控区（顺式作用元件基因的调控区（顺式作用元件, Cis-acting sequence）转录起始点转录起始点TATA盒盒CAAT盒盒GC盒盒增强子增强子AATAAA剪接加尾剪接加尾转录终止点转录终止点修饰点修饰点外显子外显子翻译起始点翻译起始点内内含含子子 OCT-1 OCT-1：ATTTGCAT八聚体八聚体+1结构基因结构基因启动子启动子上游启动子元件上游启动子元件真核基因的一般结构真核基因的一般结构目录目录启动子启动子上游调控元件上游调控元件增强子增强子沉默子沉默子加尾信号加尾信号细胞信号反应元件细胞信号反应元件顺式作用元
31、件顺式作用元件1. 1. 启动子提供转录起始信号启动子提供转录起始信号 启动子启动子是是DNA分子上能够介导分子上能够介导RNA聚合酶聚合酶结合并形成转录起始复合体的序列。结合并形成转录起始复合体的序列。多数启动子位于真核细胞基因转录起点的上多数启动子位于真核细胞基因转录起点的上游，启动子本身通常不被转录。游，启动子本身通常不被转录。少数启动子（如编码少数启动子（如编码tRNA基因的启动子）位基因的启动子）位于转录起始点的下游，这些于转录起始点的下游，这些DNA序列可以被序列可以被转录。转录。目录目录真核生物有真核生物有3类启动子类启动子，分别对应于细胞内存，分别对应于细胞内存在的三种不同的在
32、的三种不同的RNA聚合酶和相关蛋白质。聚合酶和相关蛋白质。 启动子类型启动子类型启动子构成启动子构成含该类启动子的基因含该类启动子的基因RNA聚合酶聚合酶转录因子转录因子I核糖体起始因子元件（rInr）；上游启动子元件（UPE）rRNAITFIIITATA盒；几个上游调控元件；起始元件mRNA和一些小RNAIITFIIIIIA盒、B盒和C盒；5SRNA、tRNA和U6snRNA等RNA分子的编码基因；IIITFIII真核生物有真核生物有3类启动子类启动子，分别对应于细胞内存，分别对应于细胞内存在的三种不同的在的三种不同的RNA聚合酶和相关蛋白质。聚合酶和相关蛋白质。 目录目录2. 增强子增强邻
33、近基因的转录增强子增强邻近基因的转录增强子增强子是增强真核基因启动子工作效率是增强真核基因启动子工作效率的顺式作用元件，是真核基因中最重要的调的顺式作用元件，是真核基因中最重要的调控序列，决定着每一个基因在细胞内的表达控序列，决定着每一个基因在细胞内的表达水平。水平。目录目录能能够够在在相相对对于于启启动动子子的的任任何何方方向向和和位位置置（上上游游或或者者下下游游）上上发发挥挥这这种种增增强强作作用用，大部分位于上游。大部分位于上游。增增强强子子序序列列距距离离所所调调控控基基因因距距离离近近者者几几十十个碱基对，远的可达几千个碱基对。个碱基对，远的可达几千个碱基对。通常数个增强子序列形成
34、一簇。通常数个增强子序列形成一簇。有时增强子序列也可位于内含子之中。有时增强子序列也可位于内含子之中。不同的增强子序列结合不同的调节蛋白。不同的增强子序列结合不同的调节蛋白。增强子的特点：增强子的特点：目录目录沉沉默默子子（silencer）是是抑抑制制基基因因转转录录的的特特定定DNA序序列列，当当其其结结合合一一些些反反式式作作用用因因子子时对基因的转录起阻遏作用，使基因沉默。时对基因的转录起阻遏作用，使基因沉默。3. 沉默子是负调节元件沉默子是负调节元件目录目录真核基因组的结构与功能真核基因组的结构与功能 第二节第二节The Structure and Function of Eukar
35、yote Genome约约75%约约25%约约24%约约1%基因组基因组：细胞或生物体的一套完整单倍体：细胞或生物体的一套完整单倍体遗传物质的总和。遗传物质的总和。人类基因组人类基因组细细胞核基因胞核基因组组2800Mb线线粒体基因粒体基因组组16.6kb编码蛋白基因序列编码蛋白基因序列基因外序列基因外序列2个个rRNA基因基因13个蛋白个蛋白编码编码基因基因22个个tRNA基因基因外外显显子子内含子内含子 基因基因间间序列序列中度至高度重复序列中度至高度重复序列目录目录一、真核基因组具有独特的结构一、真核基因组具有独特的结构基因的编码序列所占比例远小于非编码序列。基因的编码序列所占比例远小于
36、非编码序列。高等真核生物基因组含有大量的重复序列，高等真核生物基因组含有大量的重复序列，真核基因组中存在多基因家族和假基因。真核基因组中存在多基因家族和假基因。大多基因具有可变剪接，大多基因具有可变剪接，80%的可变剪接会使蛋白的可变剪接会使蛋白质的序列发生改变。质的序列发生改变。基因组基因组DNA与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞核内，除配子细胞外，体细胞的基因组为二倍体。核内，除配子细胞外，体细胞的基因组为二倍体。结构特点：结构特点：目录目录二、真核基因组中存在大量重复序列二、真核基因组中存在大量重复序列 高度重复序列高度重复序列（highly repet
37、itive sequence）中度重复序列中度重复序列（moderately repetitive sequence）单拷贝序列单拷贝序列（single copy sequence）或低度重复序列或低度重复序列目录目录（一）高度重复序列（一）高度重复序列重复频率可达重复频率可达106以上以上的短核苷酸重复序列，的短核苷酸重复序列，不编码蛋白质或不编码蛋白质或RNA。20%（1 1）反向重复序列）反向重复序列（inverted repeat sequence） 由两个相同顺序的互补拷贝在同一由两个相同顺序的互补拷贝在同一DNA链上反向排列而成，重复单位长度约链上反向排列而成，重复单位长度约300
38、 bp，多数散在于基因组中，总长度约占人基因，多数散在于基因组中，总长度约占人基因组的组的5 。1.分类：分类：Aninverted repeat(orIR)isasequenceofnucleotidesfolloweddownstreambyitsreverse complement.Theinterveningsequenceofnucleotidesbetweentheinitialsequenceandthereversecomplementcanbeanylengthincludingzero.Whentheinterveninglengthiszero,thecomposites
39、equenceisapalindromicsequence.The 5 base-pair sequence on the left is repeated and inverted to form sequence on the right. 目录目录B.B.两互补拷贝间无间隔序列两互补拷贝间无间隔序列如如GGTACCCCATGGA.A.两互补拷贝间有间隔序列两互补拷贝间有间隔序列如如GGTNNNNACCCCANNNNTGG 电镜下，两种形式都呈十字电镜下，两种形式都呈十字形结构，有间隔的反向重复序列，形结构，有间隔的反向重复序列，在十字型结构两头形成两个小环。在十字型结构两头形成两个小环。
40、 作用：常见于基因组的调控作用：常见于基因组的调控区内，可能与复制和转录的调控区内，可能与复制和转录的调控有关。有关。存在两种形式：存在两种形式：目录目录 主要存在于染色体的着丝粒区域，重复主要存在于染色体的着丝粒区域，重复单位一般由单位一般由210 bp组成，成串排列，在组成，成串排列，在人基因组中约占人基因组中约占5%6%。（2）卫星）卫星DNA（satellite DNA）目录目录l参与复制水平的调节参与复制水平的调节 存在于存在于DNA复制起点区的附近，是一些蛋白质复制起点区的附近，是一些蛋白质（包括酶）的结合位点。（包括酶）的结合位点。l参与基因表达的调控参与基因表达的调控 可以转录
41、到核内不均一可以转录到核内不均一RNA分子中，有些反向分子中，有些反向重复序列可以形成发夹结构，有助于稳定重复序列可以形成发夹结构，有助于稳定RNA分子。分子。l参与染色体配对参与染色体配对 如如 卫星卫星DNA成簇样分布在染色体着丝粒附近，成簇样分布在染色体着丝粒附近，可能与染色体减数分裂时染色体配对有关。可能与染色体减数分裂时染色体配对有关。2.功能：功能：目录目录（二）中度重复序列（二）中度重复序列重复重复106以下以下的核苷酸序列的核苷酸序列,大多数与单拷大多数与单拷贝基因间隔排列。贝基因间隔排列。1-30%1.短分散重复片段短分散重复片段（short interspersed rep
42、eat segment，SINES）平均长度约平均长度约300 bp500 bp，与长度约为，与长度约为1000 bp的单拷贝序列间隔排列。拷贝数可达数十万。如的单拷贝序列间隔排列。拷贝数可达数十万。如Alu家族、家族、KpnI家族、家族、Hinf家族家族。目录目录l最丰富：平均每最丰富：平均每6Kb DNA就有就有1个个 Alu序列；重复达序列；重复达3050万次万次，约占3-6%；l每个成员的长度约每个成员的长度约300 bp。l每个单位长度中一个限制性内切酶每个单位长度中一个限制性内切酶Alu的切点的切点（AGCT），将其切成长），将其切成长130bp和和170bp的两段。的两段。Alu
43、家族家族l仅次于仅次于Alu家族的第二大家族，家族的第二大家族，l重复序列中含有限制性内切酶重复序列中含有限制性内切酶Kpn的位点的位点l呈散在分布，拷贝数约为呈散在分布，拷贝数约为30004800个个KpnI家族家族l以以319bp长度的串联重复存在于人基因组中长度的串联重复存在于人基因组中l重复序列中含有限制性内切酶重复序列中含有限制性内切酶Hinf I的位点。的位点。Hinf家族家族目录目录2.长分散重复片段长分散重复片段（long interspersed repeat segment，SINES）平均长度为平均长度为3500 bp5000bpbp，与长度，与长度约为约为13000bp
44、的单拷贝序列间隔排列。的单拷贝序列间隔排列。目录目录3. rRNA基因重复序列属于中度重复序列基因重复序列属于中度重复序列l各重复单位中的各重复单位中的rRNA基因都是相同的。基因都是相同的。lrRNA基因集中成簇存在，这样的区域称为基因集中成簇存在，这样的区域称为rDNA区。区。l人类的人类的rRNA基因位于基因位于13、14、15、21和和22号染色号染色体的核仁组织区，每个核仁组织区平均含有体的核仁组织区，每个核仁组织区平均含有50个个rRNA基因的重复单位。基因的重复单位。l5SrRNA基因似乎全部位于基因似乎全部位于1号染色体，每个单倍体号染色体，每个单倍体基因组约有基因组约有100
45、0个个5SrRNA基因。基因。目录目录在单倍体基因组中只出现一次或数次，在单倍体基因组中只出现一次或数次，大多数为蛋白质编码的基因。大多数为蛋白质编码的基因。（三）单拷贝序列（低度重复序列）（三）单拷贝序列（低度重复序列）目录目录三、真核基因组中存在大量的多基因家三、真核基因组中存在大量的多基因家族与假基因族与假基因多多基基因因家家族族是是指指由由某某一一祖祖先先基基因因经经过过重重复复和和变变异异所产生的一组在结构上相似、功能相关的基因。所产生的一组在结构上相似、功能相关的基因。基基因因家家族族成成簇簇地地分分布布在在某某一一条条染染色色体体上上，同同时时发发挥挥作用，合成某些蛋白质。如组蛋
46、白基因家族。作用，合成某些蛋白质。如组蛋白基因家族。基基因因家家族族的的不不同同成成员员成成簇簇地地分分布布于于不不同同染染色色体体上上，编编码码一一组组功功能能上上紧紧密密相相关关的的蛋蛋白白质质。如如球球蛋蛋白白基基因因家族。家族。 目录目录DNA序列相似，但功能不一定相关的若序列相似，但功能不一定相关的若干个单拷贝基因或若干组基因家族总称。干个单拷贝基因或若干组基因家族总称。超家族基因超家族基因 （superfamily gene）基因组中存在的一段与正常基因非常相似基因组中存在的一段与正常基因非常相似但不能表达的但不能表达的DNA序列。以序列。以 来表示。来表示。假基因（假基因（psu
47、edogene）目录目录四、线粒体四、线粒体DNA结构有别于染色体结构有别于染色体DNA线线 粒粒 体体 DNA（ mitochondrial DNA，mtDNA）是是核核外外遗遗传传物物质质，能能独独立立编编码码线线粒体中的一些蛋白质。粒体中的一些蛋白质。mtDNA的的结结构构为为环环状状分分子子，与与原原核核生生物物的的DNA类似，结构特点也与原核生物相似。类似，结构特点也与原核生物相似。目录目录人的线粒体基因组人的线粒体基因组线粒体基因组编码线粒体基因组编码37个基因，包括个基因，包括13个编个编码呼吸链多酶体系的一码呼吸链多酶体系的一些多肽的基因、些多肽的基因、22个编个编码码mt-t
48、RNA的基因、的基因、2个个编码编码mt-rRNA（16S和和12S）的基因。）的基因。目录目录物种物种基因基因组组大小大小( (Mb) )基因数基因数染色体数染色体数* *支原体支原体 M. genitalium0.58470无无流感嗜血杆菌流感嗜血杆菌 H. influrnzae1.831743无无枯草芽枯草芽孢孢桿菌桿菌 B. subtilis4.204100无无大大肠肠杆菌杆菌 E. coli 4.604288无无酿酿酒酵母酒酵母 S. cerevisiae 13.50603416裂殖酵母裂殖酵母 S. pombe12.50492916燕麦燕麦 O. sativa4663000021果
49、果蝇蝇 D. melanogaster165136014秀秀丽隐丽隐杆杆线线虫虫 C. elegans97184246小鼠小鼠 mouse27003000020人人 H. sapiens30002500023不同生物体基因组的比较不同生物体基因组的比较五、人基因组中有两万多个基因五、人基因组中有两万多个基因目录目录基因组大小和基因数量在生物进化中基因组大小和基因数量在生物进化中可能并不具有特别重要的意义，人类的基可能并不具有特别重要的意义，人类的基因较其他生物体可能更为因较其他生物体可能更为“有效有效”，其发，其发挥功能的方式与其他生物不同。挥功能的方式与其他生物不同。目录目录六、人的基因在染
50、色体上的分布特征六、人的基因在染色体上的分布特征人类基因组的染色体人类基因组的染色体DNA 目录目录基因在染色体上并不是均匀分布。基因密基因在染色体上并不是均匀分布。基因密度最大的是第度最大的是第1919号染色体，平均号染色体，平均每百万碱基每百万碱基有有2323个基因；密度最小的是第个基因；密度最小的是第1313号和号和Y Y染色体，染色体，平均每百万碱基只有平均每百万碱基只有5 5个基因。个基因。染色体上存在着无基因的染色体上存在着无基因的“沙漠区沙漠区”，即，即在在500kb500kb区域内，没有任何基因的编码序列。区域内，没有任何基因的编码序列。基因在染色体上的分布特征基因在染色体上的分布特征
