基因和基因工程

1、第1頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四基因工程的創(chuàng)立與發(fā)展與基因的研究之間的內(nèi)在聯(lián)系 基因的研究為基因工程的創(chuàng)立奠定了 堅實的理論基礎(chǔ)，基因工程的誕生是 基因研究發(fā)展的必然結(jié)果； 基因工程技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，又深刻并有力地影響著基因的研究，使我們對基因本質(zhì)的認識提高到了一個空前的高度。第2頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四1 基因研究的發(fā)展基因的發(fā)展大體可劃分為三個階段基因的染色體遺傳學(xué)階段(細胞遺傳學(xué)): 20世紀50年代之前，主要從細胞染色體水平上進行研究?；虻姆肿由飳W(xué)階段(分子遺傳學(xué)): 20世紀50年代之后，主要從DNA水平上進行研究?；?/p>

2、工程學(xué)階段(分子生物技術(shù)): 20世紀70年代，重組DNA技術(shù)的建立，使基因的研究進入 了反向生物學(xué)研究階段。第3頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四5355332 DNA的分子結(jié)構(gòu)及其特點DNA分子中各脫氧核苷酸之間以3-5磷酸二酯鍵連接。不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列順序，因此攜帶有不同的遺傳信息。53DNA分子是脫氧核苷酸的多聚體。第4頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四 DNA堿基組成特點和規(guī)律不同物種間DNA堿基組成一般是不同的；一個給定物種的DNA堿基組成不因個體的年齡、營養(yǎng)狀態(tài)和環(huán)境改變而改變 ； DNA堿基組成的Chargaff定律

3、：腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩爾數(shù)相等，即 A=T；鳥嘌呤和胞嘧啶的摩爾數(shù)也相等，即G=C；嘌呤的總數(shù)等于嘧啶的總數(shù)，即A+G=C+T。第5頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四 DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)（Watson-Crick模型）53535353磷酸脫氧核糖堿基T-A堿基對C-G堿基對小溝大溝第6頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四 DNA復(fù)制的一般特點 1、半保留復(fù)制2、固定的起點和方向3、半不連續(xù) 4、需要RNA作為引物5、需要模板 DNA的特性 DNA的復(fù)制 第7頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四DNA的半保留復(fù)制實驗依據(jù) 1958年M

4、eselson & stahl用同位素示蹤標(biāo)記加密度梯度離心技術(shù)實驗,證明了DNA是采取半保留的方式進行復(fù)制.15N DNA原始分子14N- 15N DNA第一子代14N DNA14N- 15N DNA第二子代第8頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四 DNA的特性 DNA的變性 是指雙螺旋之間氫鍵斷裂，雙螺旋解開，形成單鏈無規(guī)則線團，因而發(fā)生性質(zhì)改變（如粘度下降，沉降速度增加，浮力上升，紫外吸收增加等），稱為DNA變性。 第9頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四 增色效應(yīng)（hyperchromic effect） 由于DNA在260nm處有最大吸收值，因

5、此，可利用DNA變性后波長260nm處紫外吸收的變化追蹤變性過程。在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型中堿基藏于內(nèi)側(cè)，變性時由于雙螺旋解開，于是堿基外露，260nm紫外吸收值因而增加，這一現(xiàn)象稱為增色效應(yīng)。第10頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四 熔解溫度（melting temperature, Tm）通常把DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)失去一半時的溫度稱為熔點或熔解溫度（melting temperature, Tm）。DNA的Tm一般在70-85之間。第11頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四1）DNA的均一性：均一性高的DNA，Tm值的范圍越窄；DNA的Tm值與以下因

6、素有關(guān)：2）溶劑的性質(zhì)：離子強度較低的介質(zhì)中，DNA的Tm值較低，熔解溫度的范圍也較窄。因此，DNA制劑不應(yīng)保存在離子強度過低的溶液中，一般保存在1M NaCl溶液中較穩(wěn)定； 3）G-C含量：G-C含量越高，Tm值越高。第12頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四 DNA的特性 DNA的復(fù)性與雜交 復(fù)性(renaturation)：變性DNA在適當(dāng)條件，二條彼此分開的互補鏈重新結(jié)合，恢復(fù)原來的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這一過程稱為復(fù)性或退火(annealing)。雜交(hybridization):當(dāng)DNA復(fù)性時，來源不同的DNA(或RNA)片段,按堿基互補關(guān)系形成雜交雙鏈分子 。 第13

7、頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四復(fù)性在基因工程中的應(yīng)用顯示不同生物體間的遺傳相關(guān)性；檢測特定的DNA；考查某些序列在特定生物體DNA中的拷貝數(shù)；確定特定堿基序列在DNA中的位置；分離克隆基因。第14頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四第15頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四第16頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四12345CKSouthern bloting第17頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四3 基因的定義 經(jīng)典的基因概念：在染色體或DNA分子上，基因是成串珠似的一個挨一個地排列著

8、，它們之間是由非遺傳的物質(zhì)連接起來。交換只是在基因之間進行，而不是在基因內(nèi)部發(fā)生?；虻娜灰惑w論 遺傳功能單位 交換單位 突變單位 第18頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四 順反子概念的提出 1955年，Benzer通過對噬菌體的研究提出了順反子(cistron)概念。順反子(cistron) ：編碼一種完整多肽鏈的核苷酸序列。這種多肽既可以是一種具有生物活性的蛋白質(zhì)，也可同別的多肽聚合形成多功能的蛋白質(zhì)。 第19頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四順反子是功能單位，其最小交換單位(又稱交換子)和最小突變單位(又稱突變子)，都應(yīng)是DNA分子中的一個核

9、苷酸對。 順反子概念表明，基因不是最小的單位，它仍然是可分的；并非所有的DNA序列都是基因，而只有其中某一特定的多核苷酸區(qū)段才是基因的編碼區(qū)。 第20頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四基因就是合成有功能意義的蛋白質(zhì)多肽鏈或RNA所必需的全部核酸序列。基因的分子定義：按照這個定義，一個基因應(yīng)包括哪些部分？ ？第21頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四4 基因的結(jié)構(gòu)1基因的組成部分基因 編碼區(qū)(coding region) 非編碼區(qū)(nocoding region) 啟動區(qū)(promoter region) 終止區(qū)(terminator region) 第

10、22頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四編碼區(qū)(coding region)含有大量的遺傳密碼，包括起始密碼子(AUG)和終止密碼子(UAA, UAG或UGA)，以及表達子(exon)。 非編碼區(qū)(nocoding region)指基因分子結(jié)構(gòu)中存在的對于遺傳信息表達所必須的、但卻不能轉(zhuǎn)譯成蛋白質(zhì)多肽的DNA序列 。 5-UTR，即5-末端非轉(zhuǎn)譯區(qū)；3-UTR，即3-末端非轉(zhuǎn)譯區(qū)；Intron，即真核基因的間隔子序列。第23頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四啟動區(qū)(promoter region) 指位于基因5上游的一段具有特殊功能的DNA序列區(qū)，RN

11、A聚合酶是通過同它結(jié)合作用而啟動基因的轉(zhuǎn)錄。 終止區(qū)(terminator)位于基因3端下游外側(cè)與終止密碼子相連的一段非編碼的核苷酸短序列區(qū)，具有終止轉(zhuǎn)錄信號的功能。 第24頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四按照基因的定義，一個基因應(yīng)包括： 編碼蛋白質(zhì)多肽鏈或RNA的核酸序列； 保證轉(zhuǎn)錄所必需的調(diào)控序列、5端非翻譯序列、內(nèi)含子、3端非翻譯序列等所有的核酸序列。第25頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四2原核基因的結(jié)構(gòu)原核基因的范圍原核基因(Prokargotic gene)：系指由原核生物如大腸桿菌基因組的編碼基因，以及高等植物葉綠體基因組的編碼基因，

12、還有線粒體基因組的編碼基因，都是屬于原核基因。第26頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四 TAATTTCCGAGGAAAACCTCGGAAAAAA反向回文序列反向回文序列終止區(qū)序列+1-10-35轉(zhuǎn)錄區(qū)終止區(qū)啟動區(qū)5上游3下游原核基因的結(jié)構(gòu)T80A95t45A60A50T96T82T84G78A65C54a45 ATGttgacatataat TAA5 UTR3 UTRN5-9N17NNNNNNNNNNNN第27頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四原核基因的mRNA結(jié)構(gòu)原核基因的mRNA編碼區(qū)(是連續(xù)不間斷的序列) 轉(zhuǎn)錄而不轉(zhuǎn)譯的5-UTR轉(zhuǎn)錄而不轉(zhuǎn)譯的

13、3-UTR第28頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四真核基因的范圍3真核基因的結(jié)構(gòu)真核基因(Eukaryotic gene)：系指由真核細胞基因組的編碼基因和感染真核細胞的DNA病毒及反轉(zhuǎn)錄病毒基因組的編碼基因均屬于真核基因。第29頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四+1-20-70轉(zhuǎn)錄區(qū)終止區(qū)啟動區(qū)-80TATACCAATGC增強子內(nèi)含子剪接點內(nèi)含子剪接點內(nèi)含子真核基因的結(jié)構(gòu)加尾信號ggccacacccggccaatctggggcatataa ATGCAACGGGCTTGTGCTAT5 UTRGTCACTCAGgtaaggcatataggccaa ct

14、gcag TAGCAGCTGAATAAA3 UTR第30頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四真核基因的mRNA結(jié)構(gòu)真核基因的mRNA5端帽的結(jié)構(gòu) 5-UTR3端poly(A)尾巴編碼區(qū)3-UTRm7G5ppp-NmpNp-AUGCTTCAACGGUAA AAUAAAAAAAAA5端帽的結(jié)構(gòu) 3端poly(A)尾巴第31頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四5 基因的類型1根據(jù)產(chǎn)物類型分類結(jié)構(gòu)基因(Structural genes) 除了調(diào)節(jié)基因以外的編碼任何RNA或蛋白質(zhì)產(chǎn)物的基因。 調(diào)節(jié)基因(Regulator genes) 其產(chǎn)物能夠控制另外一個基因或

15、若干基因表達效率的基因。 例如大腸桿菌lac操縱子的laci基因，其編碼蛋白質(zhì)能夠控制lac操縱子結(jié)構(gòu)基因的表達。第32頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四無誘導(dǎo)物時 葡萄糖(+), 乳糖()結(jié)構(gòu)基因表達關(guān)閉第33頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四2根據(jù)表達特性組成基因(Constitutive genes) 又叫做看家基因(Housekeeping gene)，是一類理論上在所有細胞類型中都能進行表達、并為所有類型細胞生存提供必需的基本功能的基因。誘導(dǎo)基因(Inducible genes) 因環(huán)境中某種特殊物質(zhì)的存在而被誘導(dǎo)表達的基因，叫做“誘導(dǎo)型基

16、因”，簡稱“誘導(dǎo)基因”。第34頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四3根據(jù)實驗用途選擇基因(Selectable genes) 是指可使被轉(zhuǎn)化的細胞獲得其親本細胞所不具備的新的遺傳特性，從而使得人們能夠使用特定的選擇性培養(yǎng)基，將轉(zhuǎn)化的新細胞從其親本細胞群體中選擇出來的一類特殊的基因。 選擇基因主要是一類編碼可使抗菌素(諸如氨芐青霉素、潮霉素、鏈霉素、卡那霉素等)或除草劑失活的蛋白酶基因。第35頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四 Amp選擇培養(yǎng)基篩選A. pBridge-GmMYBZ1 B. pBridge-GmMYBZ2C. pBridge-GmMYBJ

17、6 D. pBridge-GmMYBJ7 D A B C 第36頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四C A B D A.CK B. GmMYBZ2C. GmMYBJ6 D. GmMYBJ7第37頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四報告基因(reporter gene) 特指其編碼產(chǎn)物能被快速檢測，常用來判斷外源基因是否已經(jīng)成功地導(dǎo)入寄主細胞、器官或組織的一類特殊的基因。 常用的報告基因有氯霉素乙酰轉(zhuǎn)移酶(CAT)基因，-葡萄糖醛酸糖苷酶(GUS)基因，以及綠色熒光蛋白(green fluorescent protein, GFP)基因。第38頁，共64頁

18、，2022年，5月20日，8點12分，星期四promoter-GUS expression pattern 第39頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四subcellular localization of the OsAbc1-2 protein 第40頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四3根據(jù)結(jié)構(gòu)特點斷裂基因(split gene) 編碼序列不連續(xù)的間斷基因，即在其核苷酸序列中間插入了與氨基酸編碼無關(guān)的DNA間隔區(qū)，使一個基因分隔成若干個不連續(xù)的區(qū)段。第41頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四split gene第42頁，共64頁，

19、2022年，5月20日，8點12分，星期四移動基因(movable gene) 又叫跳躍基因或轉(zhuǎn)位因子，是指一種可以在染色體基因組上移動，甚至在不同染色體之間、噬菌體及質(zhì)粒DNA之間躍遷的DNA短片段。 1951年由Barbara Mclintock（麥克林托克）首次在玉米中發(fā)現(xiàn)了一種控制元件， 后來這個元件被命名為轉(zhuǎn)座元件或轉(zhuǎn)座子。由此，Barbara Mclintock在1983年獲得了諾貝爾獎。第43頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四特點： 不必借助同源序列就可移動的DNA片段，即轉(zhuǎn)座作 用與供體和受體之間的序列無關(guān)。 轉(zhuǎn)座序列可沿染色體移動，也可在不同染色體間跳

20、躍（又稱之為跳躍基因）。 原核生物和真核生物均有轉(zhuǎn)座子。第44頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四 玉米轉(zhuǎn)座因子對胚乳顏色的影響紫色無色紫色斑點？第45頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四假基因(pseudogene) 指一類同野生型基因序列大部分同源，但由于突變而失去活性的畸變的核苷酸序列。重疊基因(overlapping gene) 又叫嵌套基因(nested gene)。系指核苷酸編碼序列彼此重疊的、編碼不同蛋白質(zhì)的兩個或多個基因。重復(fù)基因(repeat gene) 以串聯(lián)方式重復(fù)排列在特定染色體上的某些多拷貝基因。如rRNA基因、tRNA基因等。

21、第46頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四6 基因的表達1正義鏈與反義鏈早期文獻：正義鏈(有意義鏈)：雙鏈DNA分子中轉(zhuǎn)錄成RNA 分子的模板鏈。反義鏈(無意義鏈)：與有意義鏈互補的DNA鏈。第47頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四現(xiàn)代文獻：反義鏈(-鏈)：雙鏈DNA分子中轉(zhuǎn)錄成RNA分子的模板鏈。正義鏈(+鏈)：雙鏈DNA分子中的編碼鏈。除了以T堿基取代U堿基之外，與RNA轉(zhuǎn)錄本具有同樣的序列結(jié)構(gòu)。第48頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四2基因的表達基因表達：基因通過DNA的轉(zhuǎn)錄和RNA的翻譯等過程，將其所攜帶的遺傳信息轉(zhuǎn)變成蛋

22、白質(zhì)多肽鏈(或RNA轉(zhuǎn)錄本)的過程。定義：第49頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四組成性表達(constitutive expression)基因表達的方式 看家基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個體各個生長階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達，或變化很小。這類基因表達視為基本的或組成性基因表達。第50頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四適應(yīng)型或調(diào)節(jié)型表達(adaptive or regulatory expression) 有一些基因表達極易受環(huán)境變化影響而改變，稱為適應(yīng)型或調(diào)節(jié)型表達。在特定環(huán)境信號刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達產(chǎn)物增加，這種基因是

23、可誘導(dǎo)的，稱為誘導(dǎo)。相反，如果基因?qū)Νh(huán)境信號應(yīng)答時被抑制，基因表達產(chǎn)物水平降低，稱為阻遏。第51頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四第52頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四時間特異性：按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生，這是基因表達的時間特異性。多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性。基因表達的時間性及空間性空間特異性：在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn)，這就是基因表達的空間特異性，又稱細胞特異性或組織特異性。第53頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四mRNA加工成熟水平上的調(diào)控(d

24、ifferential processing of RNA transcript)轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控(transcriptional regulation)翻譯水平上的調(diào)控(differential translation of mRNA)3. 基因的表達調(diào)控基因表達的調(diào)控水平DNA水平上的調(diào)控(regulation on DNA level)翻譯后水平上的調(diào)控(differential post-translation of mRNA)第54頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四 DNA RNA反饋(?)轉(zhuǎn)錄復(fù)制 翻譯 蛋白質(zhì)生理功能圖: 遺傳信息傳遞的“中心法則”示意圖 （

25、21世紀后修正的 ）tRNA和rRNA 小RNA（microRNAs） 非編碼RNA（Non-codingRNA）第55頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四順式作用元件和反式作用因子順式作用元件(cis-acting element): 是指影響自身基因表達活性的DNA序列（如轉(zhuǎn)錄啟動子和增強子）。它作為一種原位（in situ）順序，其活性只影響與其自身處在同一個DNA分子上的基因。第56頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四 啟動子 起正性調(diào)控作用 增強子 順式作用元件 起負性調(diào)控作用 沉默子第57頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四反式作用因子(trans-acting factor)： 調(diào)控轉(zhuǎn)錄的各種蛋白因子總稱反式作用因子。其編碼基因與其識別或結(jié)合的靶核苷酸序列不在同一個DNA分子上。第58頁，共64頁，2022年，5月20日，8點12分，星期四1.有關(guān)基因工程的名詞術(shù)語 遺傳工程(Genetic en