分子生物學基因的結(jié)構(gòu)和功能

第一章 基因的結(jié)構(gòu)與功能Chapter 1 Structure and Function of Gene第一篇 分子生物學基本原理n 基因（ gene） 是指核酸分子中貯存與表達遺傳信息的單位。n 大多數(shù)生物的遺傳信息貯存于 DNA分子。在某些生物，如 RNA病毒以 RNA作為遺傳信息的載體。DNA的化學 結(jié) 構(gòu)一 級結(jié) 構(gòu)（ primary structure）指 DNA分子中核苷酸的排列 順 序 二 級結(jié) 構(gòu)（ secondary structure）指兩條 DNA單鏈 形成的雙螺旋 結(jié) 構(gòu)三 級結(jié) 構(gòu)（ tertiary structure）指雙 鏈 DNA進 一步扭曲 盤 旋形成的超螺旋 結(jié) 構(gòu)在原核生物中， 染色體 DNA通常為雙鏈環(huán)狀，與蛋白質(zhì)構(gòu)成復合體，以 類核（nucleoid） 結(jié)構(gòu)存在于細胞中。在真核生物細胞中，雙螺旋的 DNA分子與蛋白質(zhì)組裝，形成稱為 染色質(zhì) (chromatin)的高級結(jié)構(gòu)。染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位 核小體由 4種核心組蛋白各 2分子形成八聚體DNA雙鏈纏繞在組蛋白八聚體上形成核心顆粒，每圈 80bp，約 146bp核心顆粒之間由約60bp的 DNA與組蛋白 H1構(gòu)成連接區(qū)連接每個核小體單位包含約 200bp的 DNA鏈n 一次折疊：核小體形成；n 二次折疊：核小體卷曲（每周 6個）形成直徑 30nm的襻狀結(jié)構(gòu)；n 三次折疊： 30nm的纖維折疊成柱狀結(jié)構(gòu)。n 參與染色質(zhì)形成的蛋白質(zhì)主要包括 組蛋白 和非組蛋白 兩大類。組蛋白： 屬于堿性蛋白質(zhì)，富含 Arg和 Lys殘基，共有 5種。核心 組 蛋白 H2A， H2B， H3， H4連 接 組 蛋白 H1核心組蛋白在結(jié)構(gòu)上非常保守，且均由球形部和尾部組成。球形部借 Arg殘基與 DNA分子作用，參與形成核小體。尾部是無序的，從兩圈DNA中伸展至核小體外，與各種翻譯后修飾有關(guān)。非組蛋白： 是染色體上結(jié)合特異 DNA序列的蛋白質(zhì)，又稱為序列特異 DNA結(jié)合蛋白。非組蛋白的特點有：富含酸性氨基酸殘基，屬于酸性蛋白質(zhì)；在整個細胞周期中都可合成；能識別并結(jié)合特異的 DNA序列；其主要功能是參與 DNA復制和基因表達調(diào)控。n 根據(jù)基因產(chǎn)物不同，分為蛋白質(zhì)基因和RNA基因。n 根據(jù)基因的功能，分為 結(jié)構(gòu)基因 和 調(diào)節(jié)基因。一、 結(jié)構(gòu)基因n概念：n 結(jié)構(gòu)基因（ structural gene） 是指能夠編碼特定 RNA分子或蛋白質(zhì)分子的遺傳單位。n結(jié)構(gòu)基因的特點：n原核生物結(jié)構(gòu)基因編碼序列是連續(xù)的。n真核生物結(jié)構(gòu)基因編碼序列是不連續(xù)的，稱為 斷裂基因 （split gene）。通常需要進行轉(zhuǎn)錄后剪接加工。n 在真核結(jié)構(gòu)基因中，能夠在成熟 RNA分子 中保留的序列稱為 外顯子 （ exon）， 而不能在成熟RNA分子中保留的序列稱為 內(nèi)含子（ intron） 。n 高等真核生物內(nèi)絕大部分編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因都有內(nèi)含子，只有組蛋白編碼基因例外。 內(nèi)含子數(shù)目 =外顯子 -1二、基因的調(diào)控序列n 與結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄表達調(diào)控相關(guān)的非編碼序列稱為 調(diào)控基因（ regulating gene） 或 調(diào)控序列（ regulating sequence） 。n 原核生物的調(diào)控基因啟動子（ promoter） ：指位于結(jié)構(gòu)基因上游，并與 RNA聚合酶識別、結(jié)合和啟動轉(zhuǎn)錄有關(guān)的一段特殊 DNA序列。 啟動子序列不出現(xiàn)于 RNA產(chǎn)物中，僅提供轉(zhuǎn)錄起始信號。n 原核生物啟動子，如 E.coli啟動子，通常長約4060bp，可分為 轉(zhuǎn)錄起始部位 （ +1bp）、 Pribnow盒 （ -10bp）和 轉(zhuǎn)錄起始識別部位（ -35bp）三部分。原核生物啟動子的共有序列強弱每個人的基因里都有一段幸福因子，當我 們 相遇 時 ， 啟 動 子開 始啟 動 ，因 為 沒有 終 止子，所以會一直 轉(zhuǎn)錄 、翻 譯 下去，并不斷地表達，于是我 們擁 有了無 窮 無盡的幸福。DNARNA-pol終止子（ terminater） ：指位于結(jié)構(gòu)基因下游的一段富含 GC的具有回文特征的特殊DNA序列，該序列轉(zhuǎn)錄生成的 RNA能夠形成特殊的發(fā)卡結(jié)構(gòu)并導致 RNA聚合酶從 DNA模板上脫離，促使轉(zhuǎn)錄過程終止 。操縱元件（ operator） ：指位于結(jié)構(gòu)基因上游的一段 DNA序列 ，該序列能夠被阻遏蛋白識別并結(jié)合，從而阻止結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。正調(diào)控蛋白結(jié)合位點：指 常出現(xiàn)于弱啟動子附近的一段特殊的 DNA序列，能與 某些具有轉(zhuǎn)錄激活作用的正調(diào)控蛋白識別結(jié)合，從而 加快轉(zhuǎn)錄的啟動。大腸桿菌乳糖操縱子的基因序列n 真核生物的調(diào)控基因啟動子（ promoter） ：與原核生物類似，也是指位于結(jié)構(gòu)基因上游，并與RNA聚合酶識別、結(jié)合和啟動轉(zhuǎn)錄有關(guān)的一段特殊DNA序列。由于真核生物中存在三種不同的 RNA聚合酶，因此相應(yīng)的啟動子也被分為 、 、 三類，這三類啟動子在結(jié)構(gòu)上存在差異。真核生物啟動子的種類和性質(zhì) 類 啟 動 子 類 啟 動 子 類 啟 動 子結(jié) 合的 RNA聚合 酶 聚合 酶 聚合 酶 聚合 酶 組 分 核心元件和上游 調(diào) 控元件 TATA盒、上游啟動 子元件和 轉(zhuǎn)錄 起始位點A盒、 B盒和 C盒轉(zhuǎn)錄產(chǎn) 物 rRNA mRNA和miRNA5S rRNA、 tRNA、snRNA增強子（ enhancer） ：是位于結(jié)構(gòu)基因上游（ -100 -300bp）、基因之外或內(nèi)含子中的特殊 DNA序列 ，該序列能被蛋白因子識別結(jié)合，促進鄰近基因的轉(zhuǎn)錄表達。n 沉默子 (silencer)：負性調(diào)節(jié)元件，當其結(jié)合特異蛋白因子時，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。poly(A)信號 ：位于結(jié)構(gòu)基因下游的加尾信號，其保守序列為 AATAAA。該序列也參與 RNA轉(zhuǎn)錄終止。增 強 子 啟 動 子 poly(A)信號結(jié) 構(gòu)基因依據(jù)底物不同分類DNA酶 (deoxyribonuclease, D