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1、医学分子生物学医学分子生物学基因和基因组基因和基因组基因是遗传的基本单位基因是遗传的基本单位基因：基因：能够表达和产生蛋白质或能够表达和产生蛋白质或RNARNA的的DNADNA序列，是决定序列，是决定遗传性状的功能单位。遗传性状的功能单位。Gene:Gene: The basic unit of heredity. Contains the The basic unit of heredity. Contains the information for making one RNA and, in information for making one RNA and, in most case
2、s, one polypeptide most cases, one polypeptide 结构基因结构基因:基因中编码基因中编码RNA或蛋白质的或蛋白质的DNA序列序列调控序列调控序列:启动子启动子/增强子增强子/加尾信号加尾信号 基因组基因组(Genome)(Genome) 细胞或生物体细胞或生物体 一套完整单倍体的遗传物质的总和。一套完整单倍体的遗传物质的总和。 常染色体：常染色体：2222 性染色体：性染色体：X,YX,Y 线粒体线粒体 人人（Homo Sapien）n基因组储存了生物体整套的遗传信息基因组储存了生物体整套的遗传信息n不同生物体基因组蕴涵的遗传信息量有不同生物体基因组
3、蕴涵的遗传信息量有着巨大的差别着巨大的差别1.不同生物的基因组大小差异很大不同生物的基因组大小差异很大2.基因组的大小与基因的数目没有直接的线性关系基因组的大小与基因的数目没有直接的线性关系n不同生物基因组的结构与组织形式也明不同生物基因组的结构与组织形式也明显不同显不同病病 毒：毒：动物病毒动物病毒原核生物：原核生物：E. Coli真核生物真核生物: 哺乳动物哺乳动物病毒基因组病毒基因组 种类单一种类单一：DNA or RNA , 一包基因一包基因 形式多样形式多样：单链、双链、分节段、环状、线状：单链、双链、分节段、环状、线状 单倍体基因组：单倍体基因组：每个基因在病毒中出现一次每个基因在
4、病毒中出现一次(特例特例:Retrovirus 双倍体双倍体) 大小不一大小不一：2x103-2x105bp 基因重叠基因重叠：高效资源利用：高效资源利用 动物病毒与真核细胞基因组相似动物病毒与真核细胞基因组相似:有的含内含子有的含内含子间断间断;细菌病毒细菌病毒(噬噬菌体菌体)与原核细胞基因组相似与原核细胞基因组相似连续连续 编码基因编码基因90% 具有不规则结构基因具有不规则结构基因: 结构基因的编码区无间隔结构基因的编码区无间隔; 有些病毒的有些病毒的mRNA没有没有5端帽结构端帽结构发卡结构的翻译增强子发卡结构的翻译增强子; 结构基因本身不具有翻译起始序列结构基因本身不具有翻译起始序列
5、 病毒基因组结构与功能的特点病毒基因组结构与功能的特点* 基因编码区无间隔：通过宿主及病毒本身蛋白酶酶切基因编码区无间隔：通过宿主及病毒本身蛋白酶酶切 5端无帽状结构：翻译增强子端无帽状结构：翻译增强子 结构基因没有翻译起始序列结构基因没有翻译起始序列53SplicingHairpinProtease CleavageTranslation病毒不规则结构基因病毒不规则结构基因病毒病毒DNA 单链单链DNA：细细/微小微小DNA病毒属病毒属:（Parvovirus） 依赖病毒属依赖病毒属: AAV（Dependovirus） 双链双链DNA：环状：环状,线状线状,部分双链部分双链乳头瘤病毒属乳头
6、瘤病毒属（Papillomavirus） 多瘤病毒属多瘤病毒属 : SV40（Polyomavirus） 乳多空病毒科乳多空病毒科（Papillomaviridae）环状：环状：微微/细小细小DNA病毒科病毒科（Parvoviridae）线状：线状：腺病毒科腺病毒科 、 疱疹病毒科、疱疹病毒科、 痘病毒科、痘病毒科、 彩虹病毒科彩虹病毒科部分双链：部分双链：嗜肝嗜肝DNA病毒病毒 DNA病毒病毒 RNA过程过程HBV 基因结构病毒病毒RNA 单链单链RNA单正链单正链RNA：病毒：病毒RNA起类似细胞起类似细胞mRNA作用作用 帽状结构，帽状结构， PolyA尾尾, 直接翻译蛋白质直接翻译蛋白
7、质披膜病毒科（披膜病毒科（Togaviridae）: 风疹病毒风疹病毒黄病毒科（黄病毒科（Flaviviridae）: 登革病毒登革病毒 小小RNA病毒科（病毒科（Picornaviridae）: 脊髓灰质炎病毒脊髓灰质炎病毒 冠状病毒科（冠状病毒科（Coronaviridae）:人呼吸道冠状病毒人呼吸道冠状病毒 单负链单负链RNA：病毒：病毒RNA互补链起类似细胞互补链起类似细胞mRNA作用作用正粘病毒科（正粘病毒科（Orthomyxoviridae）：）：流感病毒（流感病毒（8段）段）副粘病毒科（副粘病毒科（paramyxoviridae）: 麻疹病毒、呼吸合胞病毒麻疹病毒、呼吸合胞病毒弹
8、状病毒（弹状病毒（Rhabdoviridae）: 狂犬病毒狂犬病毒 双链双链RNA：分节段，分别编码各自蛋白分节段，分别编码各自蛋白 呼肠病毒科（呼肠病毒科（Reoviridae）: 轮状病毒（轮状病毒（10段）段） 逆转录病毒逆转录病毒RNA：单正链，帽、尾单正链，帽、尾 双倍体：重组、复制双倍体：重组、复制 前基因组前基因组DNA： 整合整合 环状单链环状单链RNA：自身配对形成，自身配对形成，HDV HIV-1原核生物基因组原核生物基因组模式生物模式生物: 大肠杆菌大肠杆菌 (E.coli)细菌的遗传物质细菌的遗传物质Genome DNAplasmidTransposable eleme
9、nt原核生物基因组结构与功能特点原核生物基因组结构与功能特点* *1、为一条环状双链、为一条环状双链DNA(无典型染色体结构无典型染色体结构,拟核拟核) 2、只有一个复制起点（、只有一个复制起点（Ori）3、具有操纵子结构、具有操纵子结构 4、重复序列少、重复序列少:绝大部分基因为单拷贝（绝大部分基因为单拷贝（99.7%）; rRNA例外例外核糖体快速组装核糖体快速组装5、可表达基因约、可表达基因约50%， 真核生物，真核生物， 病毒病毒6、基因一般是连续的，无内含子（古细菌除外）、基因一般是连续的，无内含子（古细菌除外） 7 、编码顺序一般不重叠、编码顺序一般不重叠操纵子操纵子*n原核基因组
10、特有的结构原核基因组特有的结构n数个功能上相关联的数个功能上相关联的结构基因串联结构基因串联在一起在一起, ,构构成信息区成信息区, ,连同其上游的调控区连同其上游的调控区( (包括包括启动子和启动子和操纵基因操纵基因) )以及下游的以及下游的转录终止信号转录终止信号所构成的所构成的基因表达单位基因表达单位。n所转录的所转录的RNARNA为多顺反子。为多顺反子。n操纵基因并非一个基因，而是一段能被特异阻操纵基因并非一个基因，而是一段能被特异阻遏蛋白识别和结合的遏蛋白识别和结合的DNADNA序列。序列。 质粒质粒DNA* 细菌染色体外细菌染色体外的遗传物质。的遗传物质。共价、闭合、环状共价、闭合
11、、环状结构结构的的DNA分子（分子（cccDNA），能），能独立独立复制。非细菌生复制。非细菌生长所必须，但能赋予细菌特定的遗传性状。长所必须，但能赋予细菌特定的遗传性状。C：Covalent C：Closed C: Circular Drug resistant(R), Fertility(F), Colicin(Col) 质粒的遗传控制质粒的遗传控制1、复制调控系统：控制质粒拷贝数、复制调控系统：控制质粒拷贝数 rep+cop ori2、分配系统：质粒平均分配至子代、分配系统：质粒平均分配至子代 par3、细胞分裂控制系统：协调分裂与质粒复制、细胞分裂控制系统：协调分裂与质粒复制4、位点特
12、异性重组系统：拆分高拷贝质粒多聚体、位点特异性重组系统：拆分高拷贝质粒多聚体质粒的类型质粒的类型1、表型：、表型：R、F、Col2、接合传递与否：接合型、可移动型、自传递型、接合传递与否：接合型、可移动型、自传递型3、拷贝数：严谨型、松弛型、拷贝数：严谨型、松弛型4、宿主范围（质粒复制对宿主依赖程度决定）：窄宿主谱、宿主范围（质粒复制对宿主依赖程度决定）：窄宿主谱、广宿主谱广宿主谱转位因子转位因子n可移动的基因成分，能够在可移动的基因成分，能够在一个一个DNA分子内部分子内部或两个或两个DNA分子之间移动的分子之间移动的DNA片段。片段。n在细菌中，指可在质粒和染色体之间或在质粒在细菌中，指可
13、在质粒和染色体之间或在质粒和质粒之间移动的和质粒之间移动的DNA片段。片段。n转位也是转位也是DNA重组的一种形式。重组的一种形式。n细菌的转位因子包括：插入序列（细菌的转位因子包括：插入序列（IS），转座），转座子及可转座的噬菌体子及可转座的噬菌体IS：转位酶：转位酶+（双侧）反向重复序列（双侧）反向重复序列 Transposon：转座酶：转座酶+反向重复序列反向重复序列+特定编码基因特定编码基因Transposable phage: 具备转座功能的溶源噬菌体具备转座功能的溶源噬菌体 Mu噬菌体：温和致突变噬菌体噬菌体：温和致突变噬菌体 Ap Kan Tet Hg细菌转位因子细菌转位因子 真
14、核生物基因组真核生物基因组模式生物：酵母、线虫、果蝇、小鼠、大模式生物：酵母、线虫、果蝇、小鼠、大 鼠鼠 真核生物基因组结构与功能特点真核生物基因组结构与功能特点* *1.1.真核生物基因组远大于原核生物基因组，结构复杂，真核生物基因组远大于原核生物基因组，结构复杂，基因数庞大，具有多个复制起点。基因数庞大，具有多个复制起点。 3-43-4万万, ,但基因组并非越高级越大但基因组并非越高级越大2.2.基因组基因组DNADNA与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞核内与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞核内3.3.真核基因为单顺反子，而细菌和病毒的结构基因为多真核基因为单顺反子，而细菌和病毒的结构基因
15、为多顺反子。顺反子。n单单顺顺反反子子，一一个个结结构构基基因因经经转转录录和和翻翻译译生生成成一一个个mRNAmRNA分分子子或或一一条条多肽链。多肽链。n多多顺顺反反子子，即即数数个个结结构构基基因因联联在在一一起起，受受同同一一调调节节区区调调节节，即即具具有有操操纵纵子子结结构构（包包括括功功能能上上相相关关的的几几个个蛋蛋白白质质基基因因和和一一个个共共同同的的基因调控区组成的一段基因调控区组成的一段DNADNA） 4.4.基因组中非编码区远多于编码区。基因组中非编码区远多于编码区。90%-10%90%-10%5.5.真真核核基基因因多多是是不不连连续续的的（断断裂裂基基因因），由由
16、外外显显子子和和内内含含子子镶镶嵌嵌排排列而成。列而成。1977, Broker&Sharp RNA1977, Broker&Sharp RNA剪接：剪接：19931993年年Noble PrizeNoble Prizen外显子外显子(exon)(exon)不仅包括基因中编码蛋白质氨基酸的不仅包括基因中编码蛋白质氨基酸的DNADNA顺序，而且顺序，而且包括包括mRNAmRNA中的中的55前导顺序和前导顺序和33端非翻译顺序。端非翻译顺序。n内含子内含子(intron)(intron)则是指插入到编码序列之中的非编码序列则是指插入到编码序列之中的非编码序列n断裂基因的表达必须要以代表基因组顺序的
17、断裂基因的表达必须要以代表基因组顺序的RNARNA前体中精确地除去前体中精确地除去内含子，产生一系列外显子组成的成熟内含子，产生一系列外显子组成的成熟RNARNA，此过程称为，此过程称为RNARNA剪接。剪接。SplicinghnRNAmRNA6.6.存在大量重复序列存在大量重复序列轻度重复：轻度重复：2-10 copies, 2-10 copies, 组蛋白及酵母组蛋白及酵母tRNAtRNA基因基因中度重复：中度重复：10-100s copies,10-100s copies,一般为非编码序列，起调控作用一般为非编码序列，起调控作用Alu, KpnI, EcoRI Alu, KpnI, Ec
18、oRI 家族家族 高度重复高度重复:100s-million copies, :100s-million copies, 非编码序列非编码序列卫星卫星DNADNA：大，小，微：大，小，微 反向重复序列反向重复序列 重复序列多态性（重复序列多态性（RFLPRFLP），遗传标记，基因诊断，法医鉴定），遗传标记，基因诊断，法医鉴定7.7.功能相关的基因构成各种基因家族功能相关的基因构成各种基因家族(gene family)(gene family)8.8.存在可移动的遗传因素（存在可移动的遗传因素（mobile genetic elementmobile genetic element）9.9.体细
19、胞为双倍体，配子（精子体细胞为双倍体，配子（精子/ /卵子）为单倍体卵子）为单倍体n（多）基因家族（多）基因家族：指核苷酸序列或编码产物的结构具：指核苷酸序列或编码产物的结构具有一定程度同源性的一组基因，它们功能相似。有一定程度同源性的一组基因，它们功能相似。n基因超家族基因超家族：一组由多基因家族及单基因组成的更大：一组由多基因家族及单基因组成的更大的基因家族。它们的结构有程度不等的同源性，但功的基因家族。它们的结构有程度不等的同源性，但功能并不一定相同，甚至毫无相同之处。在进化上亲缘能并不一定相同，甚至毫无相同之处。在进化上亲缘关系较远。关系较远。n假基因假基因：多基因家族中，某些成员并不
20、能表达出有功：多基因家族中，某些成员并不能表达出有功能的产物。与有功能的基因同源，但因突变等原因失能的产物。与有功能的基因同源，但因突变等原因失活，可能为进化的痕迹。活，可能为进化的痕迹。真核生物基因组的结构真核生物基因组的结构n结构基因：结构基因：基因中编码基因中编码RNA或蛋白质的或蛋白质的DNA序列序列n调控序列：调控序列：顺式作用元件顺式作用元件 顺式作用元件（顺式作用元件（Cis-acting elementCis-acting element） 与结构基因相串联的特定与结构基因相串联的特定DNA顺序，能够基因调顺序，能够基因调控蛋白特异性识别和结合，与基因表达调控相关。控蛋白特异性
21、识别和结合，与基因表达调控相关。根据这些顺式作用元件的位置、转录激活中的作根据这些顺式作用元件的位置、转录激活中的作用及发挥作用的方式，可将这些顺式作用元件区用及发挥作用的方式，可将这些顺式作用元件区分为分为启动子、上游启动子元件、增强子和沉默子、启动子、上游启动子元件、增强子和沉默子、加尾信号、反应元件。加尾信号、反应元件。启动子启动子 DNA链上被RNA聚合酶识别、结合并启动转录的部位，位于被转录基因的5端上游-100-200bp，有方向性。TATATATA盒：盒：转录起始点上游 -25-30bp 核心序列TATA（A/T）A（A/T） 转录因子TFD的结合位点，启动转录上游启动子元件上游
22、启动子元件 CAATCAAT盒：盒： -70-80bp 保守序列GGNCAATCT，N=C或 T 转录因子CTF的结合位点，决定启动子 启动转录的效率 GCGC盒：盒： -35bp 富含GC的序列GGCGG 与转录因子Sp1结合，促进转录过程 增强子增强子 是位于真核基因中远离转录起始点，能明显增加启动子转录效率的特殊DNA序列。它可位于被增强的转录基因的上游或下游，也可以相距靶基因较远。增强子作用特点：n增强子可极大地提高目标基因的转录效率，增增强子可极大地提高目标基因的转录效率，增加幅度可达上百倍甚至上千倍。加幅度可达上百倍甚至上千倍。n远距离影响启动的转录调控元件，必须先与蛋远距离影响启
23、动的转录调控元件，必须先与蛋白质因子结合，才能发挥增强转录的作用。白质因子结合，才能发挥增强转录的作用。n增强子作用增强子作用对方向和定位对方向和定位没有依赖性。没有依赖性。n增强子一般具有组织特异性或细胞特异性。增强子一般具有组织特异性或细胞特异性。 沉默子沉默子在真核基因中，和起正调控作用的增强子相对应的是起负调控作用的静息子。它所具有的特性与增强子类似，即静息子的功能不受定位和方向的限制。反应元件反应元件能与激活后的信息分子受体结合的特异能与激活后的信息分子受体结合的特异DNADNA序列，能序列，能介导基因对细胞外的某种信号产生反应，通常位于介导基因对细胞外的某种信号产生反应，通常位于启动子附近和增强子内启动子附近和增强子内HSEHSE（Heat Shock Response Element Heat Shock Response Element ）热休克反应元件）热休克反应元件GRE (Glucocorticoid Response Element )GRE (Glucocorticoid Response Element )糖皮质激素反应元糖皮质激素反应元件件加尾信号定义：结构基因最后一个外显子的AATAAA序列及下游的一段GT丰富区或T丰富区AATAAAGT丰富区AAUAAAT丰富区mRNADNAGU丰富区U丰富区AAAAAAAAAAAAAAAAPoly（A）聚合酶
