分子生物學概論基因、基因組和基因組學課件

11緒論分子生物學定義分子生物學發(fā)展簡史分子生物學研究內容分子生物學與醫(yī)學的關系分子生物學?第一章2緒論分子生物學定義分子生物學?第一章2一、分子生物學定義

從分子水平研究生物分子的結構與功能從而闡明生命現(xiàn)象本質和生命過程規(guī)律的一門交叉科學

；主要研究遺傳信息的傳遞（復制）、保持（損傷和修復）、基因的表達（轉錄和翻譯）與調控。3一、分子生物學定義從分子水平分子生物學的發(fā)展大致可分為三個階段：準備和醞釀階段現(xiàn)代分子生物學的建立和發(fā)展階段初步認識生命本質并開始改造生命的深入發(fā)展階段二、分子生物學發(fā)展簡史4分子生物學的發(fā)展大致可分為三個階段：二、分子生物學發(fā)展簡史41.準備和醞釀階段

19世紀后期20世紀50年代初。該階段產(chǎn)生了兩點對生命本質的認識上的重大突破：

確定了蛋白質是生命活動的主要物質基礎

19世紀末Buchner兄弟證明酵母無細胞提取液能使糖發(fā)酵產(chǎn)生酒精，第1次提出酶(enzyme)的名稱，酶是生物催化劑。

20世紀20-40年代提純和結晶了一些酶（包括尿素酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶、黃酶、細胞色素C、肌動蛋白等），證明酶的本質是蛋白質。51.準備和醞釀階段19世紀后期2對蛋白質一級結構和空間結構的認識1902年EmilFisher證明蛋白質結構是多肽；1953年Sanger和Thompson完成了第一個多肽分子——胰島素A鏈和B鏈的氨基全序列分析。1950年Pauling和Corey提出了α-角蛋白的α-螺旋結構模型。6對蛋白質一級結構和空間結構的認識1902年EmilFish●1865年，孟德爾發(fā)表了他的《植物雜交實驗》一文，首次闡述了生物界有規(guī)律的遺傳現(xiàn)象-分離定律和自由組合定律?！斑z傳因子”●1900年，孟德爾遺傳規(guī)律被證實，成為近代遺傳學基礎?！?910年，Morgan的染色體—基因遺傳理論，Gene存在于染色體上。進一步將“性狀”與“基因”相耦聯(lián)，成為現(xiàn)代遺傳學的奠基石。確定了生物遺傳的物質基礎是DNA7●1865年，孟德爾發(fā)表了他的《植物雜交實驗》一文，首次闡●1944年，美國微生物學家Avery證明肺炎球菌轉化因子就是DNA分子，提出DNA是遺傳信息的載體。8●1944年，美國微生物學家Avery證明肺炎球菌轉化因子從50年代初到70年代初，以1953年Watson和Crick提出的DNA雙螺旋結構模型作為現(xiàn)代分子生物學誕生的里程碑，開創(chuàng)了分子遺傳學基本理論建立和發(fā)展的黃金時代。2.現(xiàn)代分子生物學的建立和發(fā)展階段9從50年代初到70年代初，以1953年Watson和（1）遺傳信息傳遞中心法則的建立1953年Watson和Crick提出DNA復制的模型；逐漸完善了對DNA復制機理的認識1954年Crick提出遺傳信息傳遞的規(guī)律——中心法則；1970年Crick提出了完整的中心法則。實線箭頭的轉移普遍地存在于所有生物細胞中。虛線箭頭是特殊情況下的遺傳信息轉移。朊病毒？10（1）遺傳信息傳遞中心法則的建立1953年Watson和Cr中心法則合理地說明了在細胞的生命活動中兩類大分子的聯(lián)系和分工：核酸的功能是儲存和轉移遺傳信息，指導和控制蛋白質的合成。蛋白質的主要功能是進行新陳代謝活動和作為細胞結構的組成成分。11中心法則合理地說明了在細胞的生命活動中兩類大分子的聯(lián)系和分工2對蛋白質結構和功能的進一步認識1956-1958年Anfinsen和White根據(jù)對酶蛋白的變性和復性實驗，提出蛋白質的三維空間結構是由其氨基酸序列來確定的。1958年Ingram證明正常的血紅蛋白與鐮刀狀紅細胞貧血病人的血紅蛋白之間，肽鏈上僅有一個氨基酸殘基的差別，使人們對蛋白質的一級結構影響功能有了深刻的印象。對蛋白質研究的方法手段也有很大改進。1969年Weber應用SDS測定蛋白質分子量；1973年氨基酸自動測序儀問世。中國科學家在1973年通過1.8AX－線衍射，分析測定了牛胰島素的空間結構。122對蛋白質結構和功能的進一步認識1956-1958年A3.認識生命本質并改造生命的發(fā)展階段

70年代后，以基因工程技術的出現(xiàn)作為新的里程碑，標志著人類深入認識生命本質并能動改造生命的新時期開始。其間的重大成就包括：133.認識生命本質并改造生命的發(fā)展階段70年代后，以基因工程(1)重組DNA技術的建立和發(fā)展1967-1970年R.Yuan和H.O.Smith等發(fā)現(xiàn)的限制性核酸內切酶為基因工程提供了有力的工具；第一個實現(xiàn)DNA重組的人－Berg

1972年斯坦福大學的PaulBerg小組首次完成了體外重組實驗：用E.coR

Ⅰ切割SV40

DNA和λ噬菌體DNA，經(jīng)過連接組成重組的DNA分子。(1980年諾貝爾化學獎)PaulBergSV40l噬菌體14(1)重組DNA技術的建立和發(fā)展1967-1970年R.Y1973年，美國斯坦福大學的Cohen組將E.coli的tetr質粒psclol和neorsrRb-3質粒體外限制酶切割，連接成一個新的質粒，轉化E.coli，在含有四環(huán)素和新霉素的平板上篩選出了tetrner，實現(xiàn)了細菌遺傳性狀的轉移。這是基因工程史上的第一個克隆化并取得成功的例子，由此宣告了基因工程的誕生，這一年被定為基因工程誕生的元年。第一個取得基因工程成功的人－CohenCohen151973年，美國斯坦福大學的Cohen組將E.co(2)基因組研究的發(fā)展

目前分子生物學已經(jīng)從研究單個基因發(fā)展到研究生物基因組的結構與功能。

1977年Sanger測定了ΦX174-DNA全部5375個核苷酸的序列；

1978年Fiers等測出SV-40DNA全部5224bp序列；

80年代λ噬菌體DNA全部48,502bp的序列全部測出；一些小的病毒包括乙型肝炎病毒、艾滋病毒等基因組的全序列也陸續(xù)被測定；16(2)基因組研究的發(fā)展目前分子生物學已經(jīng)從研三、分子生物學的主要研究內容1.核酸的分子生物學

研究核酸的結構及其功能，包括核酸/基因組的結構、遺傳信息的復制、轉錄與翻譯，核酸存儲的信息修復與突變，基因表達調控和基因工程技術的發(fā)展和應用等。遺傳信息傳遞的中心法則是其理論體系的核心。17三、分子生物學的主要研究內容1.核酸的分子生物學2.蛋白質的分子生物學研究蛋白質的結構與功能。蛋白質的研究比早，但難度較大，發(fā)展較慢。近年來在蛋白質的結構及其與功能關系方面取得了一些進展，但是對其基本規(guī)律的認識尚缺乏突破性的進展。182.蛋白質的分子生物學研究蛋白質的結構與功能。3.細胞信號轉導的分子生物學

研究細胞內、細胞間信息傳遞的分子基礎。生物體的細胞分裂與分化及其它各種功能的完成，均依賴于環(huán)境所賦予的各種信號。在外源信號的刺激下，細胞將信號轉變?yōu)橐幌盗械纳锘瘜W變化，例如蛋白質構象的轉變、蛋白質分子的磷酸化以及蛋白與蛋白互作的變化等，從而使其發(fā)生改變以適應內外環(huán)境的需要。

193.細胞信號轉導的分子生物學研究細胞內、細四、分子生物學與醫(yī)學的關系由于分子生物學涉及認識生命的本質，它也就自然而然地滲透到醫(yī)學各學科領域中，成為現(xiàn)代醫(yī)學的重要基礎。在醫(yī)學各學科中，包括生理學、微生物學、免疫學、病理學、藥理學以及臨床各學科，分子生物學都正在廣泛地形成交叉和滲透，形成了一些交叉學科，如分子免疫學、分子病理學、分子病毒學和分子藥理學，大大促進了醫(yī)學的發(fā)展。分子生物學在醫(yī)學各個領域中的滲透使醫(yī)學進入分子水平。分子生物學的發(fā)展終將解決諸多的重大醫(yī)學問題，如人腦的機能、生育控制、腫瘤防治、器官移植、免疫調節(jié)、新藥開發(fā)等。因此，可以說分子生物學將是未來醫(yī)學的核心內容。20四、分子生物學與醫(yī)學的關系由于分子生物學涉及認識生命的本質基因、基因組和基因組學分子生物學?第二章21基因、基因組和基因組學分子生物學?第二章21主要內容第一節(jié)基因的結構和功能第二節(jié)病毒基因組的結構和功能第三節(jié)原核生物基因組的結構和功能第四節(jié)真核生物基因組的結構和功能第五節(jié)基因組學22主要內容第一節(jié)基因的結構和功能22遺傳學角度：基因（gene）：是指攜帶有遺傳信息的DNA或RNA序列，也稱為遺傳因子。分子生物學角度：基因（gene）：是合成有功能的蛋白質或RNA所必需的全部DNA，包括編碼蛋白質或RNA的核酸序列及為保證轉錄所必需的調控序列。第一節(jié)基因的結構和功能23遺傳學角度：第一節(jié)基因的結構和功能23（1）具有轉錄和翻譯功能，編碼蛋白質的基因。包括結構基因和調節(jié)基因；基因的分類基因按其功能可分為：結構基因可被轉錄成mRNA，并可翻譯成多肽，構成結構蛋白或催化各種生化反應的酶。調節(jié)基因指某些可調節(jié)、控制結構基因表達的基因。24（1）具有轉錄和翻譯功能，編碼蛋白質的基因。包括結構基因和調（2）只有轉錄功能而沒有翻譯功能的基因，包括tRNA基因和rRNA基因。（3）不轉錄的基因，它對基因表達起調節(jié)控制作用，包括啟動基因和操縱基因。25（2）只有轉錄功能而沒有翻譯功能的基因，包括tRNA基因和r基因的結構真核生物編碼區(qū)：能夠編碼產(chǎn)生蛋白質的序列，包括外顯子與內含子。前導區(qū)：位于編碼區(qū)上游，相當于mRNA5′端非編碼區(qū)。調節(jié)區(qū)：包括啟動子和增強子等基因編碼區(qū)的兩側，也稱為側翼序列。26基因的結構真核生物編碼區(qū)：能夠編碼產(chǎn)生蛋白質的序列，包括外顯斷裂基因（splitegene）真核生物結構基因，由若干個編碼區(qū)和非編碼區(qū)互相間隔開但又連續(xù)鑲嵌而成，去除非編碼區(qū)再連接后，可翻譯出由連續(xù)氨基酸組成的完整蛋白質，這些基因稱為斷裂基因編碼序列稱外顯子(exon)，非編碼序列稱內含子(intron)。

1977年發(fā)現(xiàn)斷裂基因，1993年獲諾貝爾獎羅伯茨夏普27斷裂基因（splitegene）真核生物結構基因，由若干個斷裂基因28斷裂基因28基因大小

低等生物的基因較小，高等生物基因較大

基因的大小主要取決于內含子的有無、大小及數(shù)量

病毒與原核生物（古細菌除外）基因沒有內含子，不是斷裂基因（splitgene）低等真核生物（如酵母和真菌）大多數(shù)基因沒有內含子，因此其基因較小，一般不超過5kb高等真核生物基因普遍含有內含子，內含子通常比外顯子（exon）大很多，使基因比其mRNA分子大很多29基因大小低等生物的基因較小，高等生物基因較大基因的大小主基因攜帶遺傳信息基因控制生物體的性狀（1）控制酶的合成；（2）控制結構蛋白的成分遺傳信息的表達過程是一個基因所攜帶的信息轉變?yōu)橐环N具有正常功能產(chǎn)物（蛋白質、多肽、RNA）的過程。(嚴格的時間和空間特異性)基因功能30基因攜帶遺傳信息基因功能30基因組（genome）：是指一個物種的單倍體的染色體所攜帶的全部遺傳信息。

原核生物（prokaryote）和真核生物（eukaryote）的基因組都是DNA病毒基因組有的是DNA，有的是RNA基因組（原核生物和真核生物）第二節(jié)基因組的結構和功能

染色體基因組（chromosomalgenome）染色體外基因組（extrachromosomalgenome）

如：細菌的質粒（plasmid）DNA真核生物的線粒體（mitochondria）DNA

葉綠體（chloroplast）DNA31基因組（genome）：是指一個物種的單倍體的染色體所攜帶的C值（Cvalue）：一種生物體單倍體基因組的DNA含量總是恒定的，它通常稱為該物種DNA的C值。不同物種的C值差異很大，如最小的支原體只有104bp，而最大的某些顯花植物和兩棲動物可達1011bp?；蚪M的大小32C值（Cvalue）：一種生物體單倍體基因組的DNA含量總不同生物種類基因組DNA的C值分布圖33不同生物種類基因組DNA的C值分布圖33主要表現(xiàn):

1.C值不隨生物的進化程度和復雜性而增加,如肺魚的C值為112.2×109bp，而人的是3.2×109bp

；2.親緣關系密切的生物C值相差甚大，如兩棲動物，C值小的可以低至109bp以下，C值大的可以高至幾乎1011bp；3.高等真核生物具有比用于遺傳高得多的C值，如人的染色體組DNA含量在理論上包含300萬個基因，但實際有用途的基因只有2-3萬左右。C值矛盾：生物體的進化程度與基因組大小之間不完全成比例的現(xiàn)象（又稱：C值悖論，Cvalueparadox）

34主要表現(xiàn):C值矛盾：生物體的進化程度與基因組大小之間不完全必需基因：指關系到生物體存活的基因，可通過基因突變的方法確定致死位點的數(shù)量，以得知基因組必需基因的數(shù)量

有相當一部分基因對生物體的存活沒有影響。原因之一可能是冗余（也即多拷貝）基因的存在基因組中是否存在非必需基因，其比例是多少等有待研究

基因總數(shù)與必需基因生物體的復雜程度與基因組中基因數(shù)目成正相關（不完全成比例）35必需基因：指關系到生物體存活的基因，可通過基因突變的方法確定（1）病毒基因組的核酸類型病毒基因組有4種不同類型雙鏈DNA（乳頭瘤病毒）單鏈DNA（ΦX174）雙鏈RNA（輪狀病毒）單鏈RNA（流感病毒）對于單鏈DNA或RNA病毒而言，如果基因組序列與mRNA相同，稱為正鏈DNA（+DNA）或正鏈RNA（+RNA）病毒，如果與mRNA互補，則稱為負鏈DNA（-DNA）或負鏈RNA（-RNA）病毒一、病毒基因組的結構和功能36（1）病毒基因組的核酸類型病毒基因組有4種不同類型一、病毒基（2）病毒基因組的大小及堿基組成

病毒基因組大小在不同病毒有較大差異，變化范圍在1.5×103bp（核苷酸，nucleotide，nt）～3.6×106bp（nt）之間

乙肝病毒DNA：3kb，信息量較小，編碼4種蛋白質痘病毒的基因組：300kb，編碼幾百種蛋白質（病毒復制所涉及的酶類編碼，核苷酸代謝的酶類）病毒基因組大小與病毒對宿主的依賴性有關不同病毒核酸的堿基組成相差很大皰疹病毒屬，G+C含量高達75%痘病毒屬G+C含量卻低至26%37（2）病毒基因組的大小及堿基組成病毒基因組大小在不同病毒有（3）RNA病毒基因組編碼序列具有節(jié)段性多數(shù)RNA病毒的基因組是由連續(xù)的RNA鏈組成；但有些病毒的基因組RNA由不連續(xù)的幾條核酸鏈組成；如：流感病毒由8條RNA分子構成，每條RNA分子都含有編碼蛋白質分子的信息；輪狀病毒由10個節(jié)段性的線性雙鏈RNA分子構成，每段RNA分子都編碼一種蛋白質。有分段基因組的病毒一般感染效率較低；容易重組，發(fā)生變異。38（3）RNA病毒基因組編碼序列具有節(jié)段性38所謂重疊基因（overlappinggene）是指兩個或兩個以上的基因共有一段DNA序列，或是指一段DNA序列成為兩個或兩個以上基因的組成部分。某些原核生物、病毒或噬菌體（4）病毒基因存在基因重疊；39所謂重疊基因（overlappinggene）是指兩個或兩基因重疊1977年，Sanger在研究ΦX174時發(fā)現(xiàn)ΦX174是一種單鏈DNA病毒，

感染大腸桿菌后共合成總分子量為25萬左右蛋白質分子，相當于6078個核苷酸所容納的信息量ΦX174DNA本身只有5386個核苷酸，最多能編碼總分子量為20萬的蛋白質分子40基因重疊1977年，Sanger在研究ΦX174時發(fā)現(xiàn)ΦX基因重疊基因重疊有以下幾種情況：

（1）完全重疊（2）部分重疊（3）兩個基因只有一個堿基重疊

一個基因終止密碼子的最后一個堿基是另一個基因起始密碼子的第一個堿基41基因重疊基因重疊有以下幾種情況：41（5）病毒基因組的大部分序列可編碼蛋白質，只有非常小的一部份不編碼蛋白質；（6）病毒基因組的轉錄單元是多順反子；DNA序列中功能相關的蛋白質的基因叢集在基因組的一個或幾個特定的部位，形成一個功能單位或轉錄單元，它們可被一起轉錄成含有多個mRNA的分子，稱為多順反子mRNA。4242（7）病毒基因組都是單倍體（逆轉錄病毒除外）（8）噬菌體（細菌病毒）的基因是連續(xù)的，而真核細胞病毒的基因是不連續(xù)的4343病毒基因組的結構與功能特征

病毒基因組基因組很小，且大小相差較大。病毒基因組可以由DNA組成，或由RNA組成。多數(shù)RNA病毒的基因組是由連續(xù)的RNA鏈組成；基因重疊?；蚪M的大部分可編碼蛋白質，只有非常小的一部份不編碼蛋白質。形成多順反子結構（polycistronie）。病毒基因組都是單倍體（逆轉錄病毒除外）。噬菌體（細菌病毒）的基因是連續(xù)的，而少數(shù)真核細胞病毒的基因是不連續(xù)的。44病毒基因組的結構與功能特征病毒基因組基因組很小，且大小相差2.2.2原核生物基因組的結構和功能

原核生物基因組通常比較簡單，其基因組大小在106bp～107bp之間，所包含的基因數(shù)目幾百個到數(shù)千個之間。類核（nucleoid）：是指原核生物基因組通常由一條環(huán)狀的雙鏈DNA分子組成，在細胞中與蛋白質結合成染色體的形式，在細胞內形成一個致密的區(qū)域。452.2.2原核生物基因組的結構和功能原核生物基因組通常比較圖大腸桿菌的類核結構模型46圖大腸桿菌的類核結構模型46基因組較?。?06bp～107bp）功能上相關的幾個結構基因串聯(lián)在一起組成操縱子(operon)結構。結構基因均為單拷貝基因（除18s、28s、5srRNA及tRNA基因外）（1）原核生物基因組的一般特點47基因組較?。?06bp～107bp）（1）原核生物基因組的一不編碼的DNA序列約占全基因組的10%以內（比真核生物少得多）：基因組中幾乎沒有重復序列，基因間幾乎沒有間隔，基因內沒有內含子（古細菌除外）。不編碼部分通常包含調控基因表達的序列DNA分子中有各種功能區(qū)，如復制起始區(qū)OriC，復制終止區(qū)TerC，轉錄起始區(qū)和終止區(qū)等，這些區(qū)域往往有反向重復序列，能形成特殊的結構48不編碼的DNA序列約占全基因組的10%以內（比真核生物少得多有色部分代表編碼序列外環(huán)為順時針轉錄的編碼序列內環(huán)為逆時針轉錄的編碼序列

化膿性鏈球菌基因組

49有色部分代表編碼序列化膿性鏈球菌基因組49大腸桿菌染色體基因組的結構和功能大腸桿菌染色體基因組是研究最清楚的基因組。結構特點：（1）僅有一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成，總共具有4288個基因，平均編碼長度950bp，且這些結構基因沒有內含子。（2）幾乎所有的基因都是單拷貝基因；（3）和病毒的基因相似，不編碼的DNA部分所占比例比真核細胞基因組少得多。（4）基因組種編碼順序一般不會重疊，即不會出現(xiàn)基因重疊現(xiàn)象。

50大腸桿菌染色體基因組的結構和功能大腸桿菌染色體基因組是研究最（5）具有操縱子結構，其中的結構基因為多順反子，即數(shù)個功能相關的結構基因串聯(lián)在一起，受同一個調節(jié)區(qū)的調節(jié)。CregulatoryregionInhibitorgeneGeneZGeneYGeneAstructuralgenesregionOp3’5’igeneregion1000bp100bp3520bp760bp810bpbasepair:peptide:(MWkDa)37repressor(4polymer)3230135-galactosidase(4polymer)

lactosecellgalactose+acetylCoAacetylgalactose+glucosegalactoselactose-galactosidetransacetylase(2polymer)

lactosepermease(2polymer)

51（5）具有操縱子結構，其中的結構基因為多順反子，即數(shù)個功能相（6）DNA分子中重復序列很少，但是在大腸桿菌基因組的不同部位可以稱為轉座子的50kb的重復片段。轉座子：能在基因組中從一個位點移至另一位點的DNA序列稱為轉座因子（transposableelement），又稱為可轉座元件原核生物轉座因子的種類及結構功能特征：根據(jù)分子結構及轉座特點，原核生物的轉座因子可分為插入序列（insertionsequence，IS）復合型轉座子52（6）DNA分子中重復序列很少，但是在大腸桿菌基因組的不同部插入序列(insertionsequence，IS)

：2000bp以內，兩端正向重復序列（directrepeats，DR）、反向重復序列（invertedrepeats，IR），中間1kb左右的編碼序列，僅編碼和轉座有關的轉座酶。復合型轉座子(compositetransposon)：2000～20000bp之間，兩端由一對IS元件組成，帶有與轉座作用有關的基因和其他基因。

圖Tn的基本結構53插入序列(insertionsequence，IS)：2大腸桿菌染色體外基因組的結構和功能

大腸桿菌質粒是雙鏈環(huán)狀結構的DNA分子。可以有共價閉合環(huán)狀DNA、缺口的環(huán)狀、DNA線性DNA三種結構狀態(tài)。質粒（plasmid）：是指一類染色體外具有自主復制能力的環(huán)狀雙鏈DNA分子，屬染色體外基因組。沒有游離的末端，每條鏈上的核苷酸通過共價鍵彼此頭尾相連，這種結構稱為共價閉環(huán)DNA（covalentlyclosedcircularDNA，cccDNA）,常形成超螺旋結構。如果雙鏈中一條鏈產(chǎn)生一個缺口，則形成帶缺口的開環(huán)DNA；如果兩條鏈都產(chǎn)生缺口則成為線狀DNA分子；瓊脂糖凝膠電泳時泳動速度依次為：

共價閉環(huán)DNA>線狀DNA>開環(huán)DNA54大腸桿菌染色體外基因組的結構和功能質粒（plasmid）：質粒

(plasmid)特點：能在宿主細胞內獨立自主復制；帶有某些遺傳信息,會賦予宿主細胞一些遺傳性狀。

55質粒(plasmid)特點：能在宿主細胞內獨立自主復制；帶質粒的功能（細菌質粒控制的性狀）質粒對宿主細胞的生存一般不是必需的，但質粒帶有某些特殊的不同于宿主細胞的遺傳信息，其存在賦予宿主細胞一些新的遺傳性狀，某些情況下有利于細胞的生長。

56質粒的功能（細菌質粒控制的性狀）質粒對宿主細胞的生存一般不抗性抗生素抗性氨基糖甙類、β-內酰胺類、大環(huán)內酯類及磺胺類等重金屬抗性

汞離子及有機汞制劑、鎳、鈷、銀、鉻、鉛、銻及鉍等陽離子抗性砷酸鹽、亞砷酸鹽、鉻酸鹽及硼酸鹽等其它抗性紫外線，X射線，細菌素，質?？刂频男揎椣到y(tǒng)等代謝能力簡單糖類的代謝乳糖、蔗糖及綿籽糖等鹵化物的代謝2，4-二氯甲苯復雜碳化合物的代謝甲苯、萘、樟腦、苯胺、煙堿及烷烴等蛋白質代謝

明膠及酪蛋白等其他代謝

色素生成，產(chǎn)硫化氫，胞外DNA酶等致病性侵襲力菌毛、夾膜、黏附因子及血漿凝固酶等毒素大腸桿菌腸毒素、破傷風桿菌神經(jīng)毒素、炭疽桿菌外毒素及鼠疫菌素等結合轉移性傘毛的合成，表面排斥，致育性抑制，對信息素的反應和抑制等表2-2細菌質粒所控制的一些性狀57抗性抗生素抗性氨基糖甙類、β-內酰胺類、大環(huán)內酯類及磺胺類等質粒的復制

質粒能自主復制，是能獨立復制的復制子（autonomousreplicon）。嚴緊控制（stringentcontrol）型質粒：其復制常與宿主的繁殖偶聯(lián)，拷貝數(shù)較少，每個細胞中只有1個到十幾個拷貝。松弛控制（relaxedcontrol）型質粒：其復制與宿主不偶聯(lián)，每個細胞中有幾十到幾百個拷貝。58質粒的復制質粒能自主復制，是能獨立復制的復制子（auton質粒的穩(wěn)定性與不相容性質粒的穩(wěn)定性：質粒在宿主細胞內穩(wěn)定地存在而不丟失稱為質粒地穩(wěn)定性。影響質粒穩(wěn)定性的因素有兩種：（1）宿主細胞分裂時質粒能否均衡地分配到子代細胞；（2）質粒分子自身結構的穩(wěn)定性。質粒的不相容性：兩種不同的質粒因利用同一復制和維持機制，在復制和隨后向子代細胞分配的過程中會發(fā)生競爭，從而不能在同一宿主細胞內穩(wěn)定存在，其中一種質粒將被丟失的現(xiàn)象。攜帶不同復制和維持機制的質粒則屬于不同的不相容群，它們可以共存于同一細胞中。59質粒的穩(wěn)定性與不相容性質粒的穩(wěn)定性：質粒在宿主細胞內穩(wěn)定地存原核生物基因組的一般特點

基因組較?。?06bp～107bp）。操縱子結構是原核生物基因組的功能單位。結構基因均為單拷貝基因（除18s、28s、5srRNA及tRNA基因外）。不編碼的DNA序列約占全基因組的10%以內（比真核生物少得多）：基因組中幾乎沒有重復序列，基因間幾乎沒有間隔，基因內沒有內含子（古細菌除外）。不編碼部分通常包含調控基因表達的序列DNA分子中有各種功能區(qū)，如復制起始區(qū)OriC，復制終止區(qū)TerC，轉錄起始區(qū)和終止區(qū)等，這些區(qū)域往往有反向重復序列，能形成特殊的結構。60原核生物基因組的一般特點基因組較?。?06bp～107bp真核生物的遺傳物質絕大部分存在于細胞核染色體，少部分存在于線粒體或葉綠體中，因此真核生物基因組可分為細胞核基因組和細胞器（質）基因組。

細胞核基因組：不同物種之間，大小相差懸殊（107～1012bp）三、真核生物基因組的結構與功能特點線粒體葉綠體61真核生物的遺傳物質絕大部分存在于細胞核染色體，少部分存在于線（一）細胞核染色體基因組1.細胞核基因組由染色體DNA組成

DNA以線形分子的形式存在于染色體中62（一）細胞核染色體基因組626363真核生物染色體基因組特點

真核生物基因組存在大量的重復序列；真核基因組的另一特點是存在多基因家族與假基因。64真核生物染色體基因組特點真核生物基因組存在大量的重復序列真核生物的染色體基因組一般比較龐大，例如人的單倍體基因組由3×109bp堿基組成，按1000個堿基編碼一種蛋白質計算，理論上可有300萬個基因。但實際上，人類基因組中僅含有25000～30000個基因。這些與表達無關的DNA大部分是基因間隔區(qū)序列，基因間隔區(qū)序列主要由重復DNA構成。只有很少一部份（約占2-3％）的DNA序列用以編碼蛋白質和結構RNA。

65真核生物的染色體基因組一般比較龐大，例如人的單倍體基因組由3真核生物基因組存在大量的重復序列

單拷貝序列中度重復序列高度重復序列66真核生物基因組存在大量的重復序列單拷貝序列66單拷貝序列（低度重復序列）

在單倍體基因組中，單拷貝序列只有一個或幾個拷貝，占DNA總量的40-80％：果蠅中占79％，小鼠中占70％。結構基因基本上屬于單拷貝序列，儲存的巨大遺傳信息，用來編碼各種不同功能的蛋白質，體現(xiàn)了生物的各種功能。

67單拷貝序列（低度重復序列）在單倍體基因組中，單拷貝序列只有中度重復序列

中度重復序列在真核基因組中重復次數(shù)為10～105，占DNA總量的10-40％：

果蠅中占15％，小鼠中占20％。編碼rRNA、tRNA、組蛋白以及免疫球蛋白的結構基因等都屬于這一類，另有部分可能與基因的調控有關。

68中度重復序列中度重復序列在真核基因組中重復次數(shù)為10～10Alu家族Alu家族是靈長類基因組特有的含量豐富的中度重復序列，是散在重復序列中最大的一個家族，因序列內部有限制性內切酶AluI的酶切位點而得名。Alu序列每個成員的長度約300bp，由兩個130bp的正向重復序列組成，二者之間有31bp的間隔序列，Alu序列的重復次數(shù)為30-50萬次。

69Alu家族Alu家族是靈長類基因組特有的含量豐富的中度重復序rRNA基因rRNA基因通常集中成簇存在，而不是分散于基因組中，這樣的區(qū)域稱為rDNA，如染色體的核仁組織區(qū)（nucleolusorganizerregion）即為rDNA區(qū)。

圖非洲爪蟾的rRNA基因結構70rRNA基因rRNA基因通常集中成簇存在，而不是分散于基因組高度重復序列

高度重復序列在真核基因組中重復次數(shù)可高達百萬(106)以上，在基因組中所占比例隨種屬而異，約占DNA總量10-60％，可以集中串聯(lián)排列在某一區(qū)域。典型的高度重復序列DNA有反向重復序列(invertedrepeats)和衛(wèi)星DNA(satelliteDNA)。

反向重復序列：是指兩個相同順序的互補拷貝在同一DNA鏈上的反向排列。衛(wèi)星DNA是另一類高度重復序列，這類重復序列的重復單位一般由2-10bp組成，成串排列。71高度重復序列高度重復序列在真核基因組中重復次數(shù)可高達百萬(圖反向重復序列－發(fā)夾式結構反向重復序列：兩個相同順序的互補拷貝在同一DNA鏈上的反向排列。72圖反向重復序列－發(fā)夾式結構反向重復序列：兩個相同順序重復序列的多態(tài)性

DNA多態(tài)性是指DNA序列發(fā)生變異從而導致的個體間核苷酸序列的差異，主要包括：單核苷酸多態(tài)性（singlenucleotidepolymorphism，SNP）串聯(lián)重復序列多態(tài)性（tandemrepeatspolymorphism）一般認為，DNA序列的某一特定位點的變異頻率低于1%為基因突變，高于1%則為DNA分子多態(tài)性。73重復序列的多態(tài)性DNA多態(tài)性是指DNA序列發(fā)生變異從而導致SNP是由基因組DNA上的單個堿基的變異引起的DNA序列多態(tài)性。是人群中個體差異最具代表性的DNA多態(tài)性，相當一部分還直接或間接與個體的表型差異、對疾病的易感性或抵抗能力、對藥物的反應性等相關。SNP被認為是一種能穩(wěn)定遺傳的早期突變。

7474Alu序列多態(tài)性

Alu序列每個成員的長度約300bp，由于其內部都有一個限制性內切酶AluI的酶切位點（AG↓CT），將其切割為170bp和130bp的兩個片段；但是這種序列很容易形成限制性內切酶識別位點，也容易失去一個酶切位點，造成限制性片段長度多態(tài)性。170bp130bpAluI酶切位點（AGCT）外部重復序列富含CpG的重復序列插入序列75Alu序列多態(tài)性Alu序列每個成員的長度約300bp，由于真核基因組的另一特點是存在多基因家族與假基因

多基因家族（multigenefamily）：是指由某一祖先基因經(jīng)過復制和變異所產(chǎn)生的一組基因。多基因家族分為兩類：基因家族成員相對集中地存在于某一染色體的特定區(qū)域，又稱為基因簇（genecluster）基因家族成員在整個染色體上散在分布，甚至存在于不同染色體上

76真核基因組的另一特點是存在多基因家族與假基因多基因家族（mξ2Ψξ1Ψα2Ψα1α2α1θα珠蛋白基因

εGγ

Aγ

Ψβ

δ

ββ珠蛋白基因胚胎基因胎兒基因成人基因假基因珠蛋白基因家族：家族的不同成員成簇地分布在不同染色體上，但核酸序列高度同源，編碼一組功能上緊密相關的蛋白質。77ξ2Ψξ1Ψα2Ψα1α2假基因(pseudogene)具有與功能基因相似的序列，但由于有許多突變以致失去了原有的功能，不能轉錄或轉錄后生成無功能的蛋白質的基因，常用ψ表示。假基因78假基因(pseudogene)具有與功能基因相似的序列，但由傳統(tǒng)假基因的形成

therabbitpseudogene,Ψβ279傳統(tǒng)假基因的形成therabbitpseudogen加工假基因可在由RNA向DNA的反轉錄過程中產(chǎn)生并整合到基因組中Aprocessedpseudogeneisaninactivegenecopythatlacksintrons,contrastedwiththeinterruptedstructureoftheactivegene.SuchgenesoriginatebyreversetranscriptionofmRNAandinsertionofaduplexcopyintothegenome圖加工的假基因80加工假基因可在由RNA向DNA的反轉錄過程中產(chǎn)生并整合到基因真核生物細胞器基因組的結構與功能特點

真核生物有兩類細胞器能攜帶遺傳物質：線粒體和葉綠體。這些遺傳物質獨立于細胞核基因組外，能夠自行復制和表達，又稱為染色體外基因組。大多數(shù)細胞器基因組是環(huán)狀DNA，某些低等真核生物（如草履蟲、衣滴蟲和幾種酵母）的線粒體DNA是線狀分子。通常每個細胞內有許多細胞器，每個細胞器基因組又有許多拷貝。

81真核生物細胞器基因組的結構與功能特點真核生物有兩類細胞器能線粒體基因組編碼其自身蛋白質合成體系的某些成員，如rRNA和tRNA等，以及呼吸鏈中的某些成員，如ATP酶、NADH還原酶、細胞色素氧化酶復合體中的某些組分。線粒體蛋白質合成體系及呼吸鏈中的其它成員由細胞核基因組編碼。

82線粒體基因組編碼其自身蛋白質合成體系的某些成員，如rRNA和人類線粒體（mitochondrion）基因組16569bp37個基因

22tRNA2rRNA13蛋白質83人類線粒體（mitochondrion）基因組16569核基因組和線粒體基因組的協(xié)同作用核基因組編碼了近千個線粒體蛋白線粒體基因組只編碼了13條多肽鏈，22個tRNA和2個rRNA?84核基因組和線粒體基因組的協(xié)同作用核基因組編碼了近千個線粒體蛋高等動物線粒體基因組具有獨特的特點：①母系遺傳。子代線粒體基因組來自母親，父系的線粒體基因組在精卵結合時一般不能進入卵細胞。因此，在子代個體發(fā)育過程中沒有父母雙方線粒體DNA的重組發(fā)生。②線粒體DNA損傷后不易修復，突變率較高，可能與衰老及某些疾病有關。③遺傳密碼與通用遺傳密碼存在差別，如UGA（終止密碼子）編碼Trp，AGA/AGG（Arg）為終止密碼子，AUA（Ile）為起始密碼子并編碼Met。

85高等動物線粒體基因組具有獨特的特點：①母系遺傳。子代線粒體基線粒體相關疾病母系遺傳性耳聾Leber遺傳性視神經(jīng)病線粒體糖尿病腫瘤原發(fā)性高血壓弱精子癥86線粒體相關疾病86真核生物基因組的結構與功能特點

1.基因組DNA與蛋白質結合形成染色體，儲存于細胞核內，除配子細胞外，體細胞內基因組是雙份的（即雙倍體，diploid），有兩份同源的基因組。2.基因轉錄產(chǎn)物為單順反子。一個結構基因經(jīng)過轉錄生成一個mRNA分子，再翻譯生成一條多肽鏈。3.存在重復序列，重復次數(shù)可達百萬次以上。4.基因組中不編碼的區(qū)域多于編碼的區(qū)域。5.大部分基因含有內含子，因此，基因是不連續(xù)的（斷裂基因，splitgene）6.基因組遠遠大于原核生物的基因組，具有許多復制起始點，而每個復制子的長度較小

87真核生物基因組的結構與功能特點1.基因組DNA與蛋白基因組學

基因組學（Genomics）是一門對生命有機體全基因組進行序列分析和功能研究的新興學科。隨著人類基因組測序工作的初步完成，基因組學的研究由最初的結構基因組學向功能基因組學轉移。研究目標從單純的基因結構和表達發(fā)展為整體水平上的基因組分析。

88基因組學基因組學（Genomics）是一門對生命有機體全基基因組學人類基因組計劃結構基因組學

基因定位克隆

基因組功能研究

基因組學與進化

宏基因組學

89基因組學人類基因組計劃89人類基因組計劃人類基因組計劃（TheHumanGenomeProject，HGP）是二十世紀九十年代初開始啟動的多國科學合作計劃，對少數(shù)人進行全基因組（即24條非同源染色體，共30億堿基）的測序和拼接，繪制出人類基因的譜圖。1986年諾貝爾獎獲得者R.Dulbecco在《科學》雜志上發(fā)表一篇短文《腫瘤研究的轉折點－人類基因組研究》，提出人類基因組計劃，也即測出人類基因組全部堿基的序列（1n＝3×109）。90人類基因組計劃人類基因組計劃（TheHumanGenomSchoolofLaboratoryMedicine,WenzhouMedicalCollege911990年，美國政府決定正式啟動HGP，預計用15年時間，投入30億美元完成HGP；由美國國立衛(wèi)生研究院和能源部共同組成“人類基因組研究所；逐漸地，HGP擴展為多國協(xié)作計劃，主要由6個國家，20個研究所，2000多位科學工作者組成；這6個國家對HGO地貢獻依次是：美（67%）、英（22%）、日（6%）、法（2%）、德（2%）、中（1%，人類3號染色體上約3000萬個堿基對的測序任務）91SchoolofLaboratoryMedicine,人類基因組計劃遺傳圖譜物理圖譜序列圖譜轉錄圖譜HGP的主要任務92人類基因組計劃遺傳圖譜HGP的主要任務92遺傳圖譜（geneticmap）：又稱連鎖圖譜(linkagemap)，它是以具有遺傳多態(tài)性的遺傳標記為“路標”，以遺傳學距離為圖距的基因組圖。遺傳多態(tài)性：在一個遺傳位點上具有一個以上的等位基因，在群體中的出現(xiàn)頻率皆高于1%遺傳學距離：在減數(shù)分裂中，兩個位點之間進行交換、重組的百分率，1%的重組率稱為1cM遺傳圖譜的建立為基因識別和完成基因定位創(chuàng)造了條件93遺傳圖譜（geneticmap）：又稱連鎖圖譜(linkaSchoolofLaboratoryMedicine,WenzhouMedicalCollege94物理圖譜（physicalmap）：利用限制性內切酶將大分子DNA切成片段，再根據(jù)重疊序列確定片段間連接順序，以及遺傳標志之間物理距離〔堿基對(bp)或千堿基(kb)或兆堿基(Mb)〕為路標的圖譜。物理圖譜的完成是一個里程碑式的成功，它準確地得出了基因的相對位置。94SchoolofLaboratoryMedicine,SchoolofLaboratoryMedicine,WenzhouMedicalCollege95序列圖譜：是分子水平上最高層次，最為詳盡的物理圖譜，可得到全部的DNA序列。實際上是一長串由4個字母（A、G、C、T）組成的堿基序列，是由30億個字母寫成的“天書”。95SchoolofLaboratoryMedicine,SchoolofLaboratoryMedicine,WenzhouMedicalCollege96基因圖譜（轉錄圖譜）：在識別基因組所包含的蛋白質編碼序列的基礎上繪制的結合有關基因序列、位置及表達模式等信息的圖譜。此圖的目的是找出基因順序與具體遺傳現(xiàn)象的一一對應關系，是真正意義的實際應用。96SchoolofLaboratoryMedicine,SchoolofLaboratoryMedicine,WenzhouMedicalCollege97HGP對醫(yī)學和社會發(fā)展的影響：新藥的開發(fā)；－估計人類基因中可能稱為藥物靶點的基因數(shù)約為3000個；個性化給藥/個性化醫(yī)學；－個人遺傳背景不同，對相同藥物可有不同的反應；藥物遺傳學；司法鑒定對社會倫理的影響，個人基因檔案，基因歧視？97SchoolofLaboratoryMedicine,結構基因組學

主要包括全基因組測序和序列信息的結構分析?；蚪M研究的中心內容之一。98結構基因組學主要包括全基因組測序和序列信息的結構分析。98基因定位克隆基因定位克?。菏侵咐梦⑿l(wèi)星和SNP全基因組掃描來搜索與疾病性狀緊密相關的位點，從而確定疾病相關基因的位置并進一步獲得克隆。隨著基因組序列信息的積累，基因的定位克隆成果豐富，并且在多基因疾病的數(shù)量性狀等基因的克隆方面也有很大進展。99基因定位克隆基因定位克?。菏侵咐梦⑿l(wèi)星和SNP全基因組掃描基因組功能研究

根據(jù)已有基因的功能推測基因組中具有相似結構的基因的功能，借助這種同源性分析認識一個新基因的功能。基因突變失活有效的方法有定點突變、基因敲除（knock-out）和RNA干擾技術等。100基因組功能研究根據(jù)已有基因的功能推測基因組中具有相似結構的基因組學與進化

生物進化的研究表明，所有生命都來自一個共同的祖先?；蚪M信息數(shù)學分析可獲得的最重要的直接結果之一就是物種之間的進化距離。比較基因組學：是一門新興的交叉學科，在基因組學水平上研究不同物種在基因組結構與功能方面親緣關系、內在的聯(lián)系，以及進化地位。

101基因組學與進化生物進化的研究表明，所有生命都來自一個共同的宏基因組學（Metagenomics）

宏基因組是指生境中全部微小生物遺傳物質的總和。宏基因組學就是以環(huán)境樣品中的微生物群體基因組為研究對象,以功能基因篩選和測序分析為研究手段,通過非培方法進行某個特殊生態(tài)環(huán)境中微生物群落的鑒定。主要技術包括DNA的提取、文庫的構建和目標基因克隆的篩選。可用于發(fā)現(xiàn)新基因、開發(fā)新的生物活性物質、研究群落中微生物多樣性等。102宏基因組學（Metagenomics）宏基因組是指生境中全1031緒論分子生物學定義分子生物學發(fā)展簡史分子生物學研究內容分子生物學與醫(yī)學的關系分子生物學?第一章104緒論分子生物學定義分子生物學?第一章2一、分子生物學定義

從分子水平研究生物分子的結構與功能從而闡明生命現(xiàn)象本質和生命過程規(guī)律的一門交叉科學

；主要研究遺傳信息的傳遞（復制）、保持（損傷和修復）、基因的表達（轉錄和翻譯）與調控。105一、分子生物學定義從分子水平分子生物學的發(fā)展大致可分為三個階段：準備和醞釀階段現(xiàn)代分子生物學的建立和發(fā)展階段初步認識生命本質并開始改造生命的深入發(fā)展階段二、分子生物學發(fā)展簡史106分子生物學的發(fā)展大致可分為三個階段：二、分子生物學發(fā)展簡史41.準備和醞釀階段

19世紀后期20世紀50年代初。該階段產(chǎn)生了兩點對生命本質的認識上的重大突破：

確定了蛋白質是生命活動的主要物質基礎

19世紀末Buchner兄弟證明酵母無細胞提取液能使糖發(fā)酵產(chǎn)生酒精，第1次提出酶(enzyme)的名稱，酶是生物催化劑。

20世紀20-40年代提純和結晶了一些酶（包括尿素酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶、黃酶、細胞色素C、肌動蛋白等），證明酶的本質是蛋白質。1071.準備和醞釀階段19世紀后期2對蛋白質一級結構和空間結構的認識1902年EmilFisher證明蛋白質結構是多肽；1953年Sanger和Thompson完成了第一個多肽分子——胰島素A鏈和B鏈的氨基全序列分析。1950年Pauling和Corey提出了α-角蛋白的α-螺旋結構模型。108對蛋白質一級結構和空間結構的認識1902年EmilFish●1865年，孟德爾發(fā)表了他的《植物雜交實驗》一文，首次闡述了生物界有規(guī)律的遺傳現(xiàn)象-分離定律和自由組合定律。“遺傳因子”●1900年，孟德爾遺傳規(guī)律被證實，成為近代遺傳學基礎。●1910年，Morgan的染色體—基因遺傳理論，Gene存在于染色體上。進一步將“性狀”與“基因”相耦聯(lián)，成為現(xiàn)代遺傳學的奠基石。確定了生物遺傳的物質基礎是DNA109●1865年，孟德爾發(fā)表了他的《植物雜交實驗》一文，首次闡●1944年，美國微生物學家Avery證明肺炎球菌轉化因子就是DNA分子，提出DNA是遺傳信息的載體。110●1944年，美國微生物學家Avery證明肺炎球菌轉化因子從50年代初到70年代初，以1953年Watson和Crick提出的DNA雙螺旋結構模型作為現(xiàn)代分子生物學誕生的里程碑，開創(chuàng)了分子遺傳學基本理論建立和發(fā)展的黃金時代。2.現(xiàn)代分子生物學的建立和發(fā)展階段111從50年代初到70年代初，以1953年Watson和（1）遺傳信息傳遞中心法則的建立1953年Watson和Crick提出DNA復制的模型；逐漸完善了對DNA復制機理的認識1954年Crick提出遺傳信息傳遞的規(guī)律——中心法則；1970年Crick提出了完整的中心法則。實線箭頭的轉移普遍地存在于所有生物細胞中。虛線箭頭是特殊情況下的遺傳信息轉移。朊病毒？112（1）遺傳信息傳遞中心法則的建立1953年Watson和Cr中心法則合理地說明了在細胞的生命活動中兩類大分子的聯(lián)系和分工：核酸的功能是儲存和轉移遺傳信息，指導和控制蛋白質的合成。蛋白質的主要功能是進行新陳代謝活動和作為細胞結構的組成成分。113中心法則合理地說明了在細胞的生命活動中兩類大分子的聯(lián)系和分工2對蛋白質結構和功能的進一步認識1956-1958年Anfinsen和White根據(jù)對酶蛋白的變性和復性實驗，提出蛋白質的三維空間結構是由其氨基酸序列來確定的。1958年Ingram證明正常的血紅蛋白與鐮刀狀紅細胞貧血病人的血紅蛋白之間，肽鏈上僅有一個氨基酸殘基的差別，使人們對蛋白質的一級結構影響功能有了深刻的印象。對蛋白質研究的方法手段也有很大改進。1969年Weber應用SDS測定蛋白質分子量；1973年氨基酸自動測序儀問世。中國科學家在1973年通過1.8AX－線衍射，分析測定了牛胰島素的空間結構。1142對蛋白質結構和功能的進一步認識1956-1958年A3.認識生命本質并改造生命的發(fā)展階段

70年代后，以基因工程技術的出現(xiàn)作為新的里程碑，標志著人類深入認識生命本質并能動改造生命的新時期開始。其間的重大成就包括：1153.認識生命本質并改造生命的發(fā)展階段70年代后，以基因工程(1)重組DNA技術的建立和發(fā)展1967-1970年R.Yuan和H.O.Smith等發(fā)現(xiàn)的限制性核酸內切酶為基因工程提供了有力的工具；第一個實現(xiàn)DNA重組的人－Berg

1972年斯坦福大學的PaulBerg小組首次完成了體外重組實驗：用E.coR

Ⅰ切割SV40

DNA和λ噬菌體DNA，經(jīng)過連接組成重組的DNA分子。(1980年諾貝爾化學獎)PaulBergSV40l噬菌體116(1)重組DNA技術的建立和發(fā)展1967-1970年R.Y1973年，美國斯坦福大學的Cohen組將E.coli的tetr質粒psclol和neorsrRb-3質粒體外限制酶切割，連接成一個新的質粒，轉化E.coli，在含有四環(huán)素和新霉素的平板上篩選出了tetrner，實現(xiàn)了細菌遺傳性狀的轉移。這是基因工程史上的第一個克隆化并取得成功的例子，由此宣告了基因工程的誕生，這一年被定為基因工程誕生的元年。第一個取得基因工程成功的人－CohenCohen1171973年，美國斯坦福大學的Cohen組將E.co(2)基因組研究的發(fā)展

目前分子生物學已經(jīng)從研究單個基因發(fā)展到研究生物基因組的結構與功能。

1977年Sanger測定了ΦX174-DNA全部5375個核苷酸的序列；

1978年Fiers等測出SV-40DNA全部5224bp序列；

80年代λ噬菌體DNA全部48,502bp的序列全部測出；一些小的病毒包括乙型肝炎病毒、艾滋病毒等基因組的全序列也陸續(xù)被測定；118(2)基因組研究的發(fā)展目前分子生物學已經(jīng)從研三、分子生物學的主要研究內容1.核酸的分子生物學

研究核酸的結構及其功能，包括核酸/基因組的結構、遺傳信息的復制、轉錄與翻譯，核酸存儲的信息修復與突變，基因表達調控和基因工程技術的發(fā)展和應用等。遺傳信息傳遞的中心法則是其理論體系的核心。119三、分子生物學的主要研究內容1.核酸的分子生物學2.蛋白質的分子生物學研究蛋白質的結構與功能。蛋白質的研究比早，但難度較大，發(fā)展較慢。近年來在蛋白質的結構及其與功能關系方面取得了一些進展，但是對其基本規(guī)律的認識尚缺乏突破性的進展。1202.蛋白質的分子生物學研究蛋白質的結構與功能。3.細胞信號轉導的分子生物學

研究細胞內、細胞間信息傳遞的分子基礎。生物體的細胞分裂與分化及其它各種功能的完成，均依賴于環(huán)境所賦予的各種信號。在外源信號的刺激下，細胞將信號轉變?yōu)橐幌盗械纳锘瘜W變化，例如蛋白質構象的轉變、蛋白質分子的磷酸化以及蛋白與蛋白互作的變化等，從而使其發(fā)生改變以適應內外環(huán)境的需要。

1213.細胞信號轉導的分子生物學研究細胞內、細四、分子生物學與醫(yī)學的關系由于分子生物學涉及認識生命的本質，它也就自然而然地滲透到醫(yī)學各學科領域中，成為現(xiàn)代醫(yī)學的重要基礎。在醫(yī)學各學科中，包括生理學、微生物學、免疫學、病理學、藥理學以及臨床各學科，分子生物學都正在廣泛地形成交叉和滲透，形成了一些交叉學科，如分子免疫學、分子病理學、分子病毒學和分子藥理學，大大促進了醫(yī)學的發(fā)展。分子生物學在醫(yī)學各個領域中的滲透使醫(yī)學進入分子水平。分子生物學的發(fā)展終將解決諸多的重大醫(yī)學問題，如人腦的機能、生育控制、腫瘤防治、器官移植、免疫調節(jié)、新藥開發(fā)等。因此，可以說分子生物學將是未來醫(yī)學的核心內容。122四、分子生物學與醫(yī)學的關系由于分子生物學涉及認識生命的本質基因、基因組和基因組學分子生物學?第二章123基因、基因組和基因組學分子生物學?第二章21主要內容第一節(jié)基因的結構和功能第二節(jié)病毒基因組的結構和功能第三節(jié)原核生物基因組的結構和功能第四節(jié)真核生物基因組的結構和功能第五節(jié)基因組學124主要內容第一節(jié)基因的結構和功能22遺傳學角度：基因（gene）：是指攜帶有遺傳信息的DNA或RNA序列，也稱為遺傳因子。分子生物學角度：基因（gene）：是合成有功能的蛋白質或RNA所必需的全部DNA，包括編碼蛋白質或RNA的核酸序列及為保證轉錄所必需的調控序列。第一節(jié)基因的結構和功能125遺傳學角度：第一節(jié)基因的結構和功能23（1）具有轉錄和翻譯功能，編碼蛋白質的基因。包括結構基因和調節(jié)基因；基因的分類基因按其功能可分為：結構基因可被轉錄成mRNA，并可翻譯成多肽，構成結構蛋白或催化各種生化反應的酶。調節(jié)基因指某些可調節(jié)、控制結構基因表達的基因。126（1）具有轉錄和翻譯功能，編碼蛋白質的基因。包括結構基因和調（2）只有轉錄功能而沒有翻譯功能的基因，包括tRNA基因和rRNA基因。（3）不轉錄的基因，它對基因表達起調節(jié)控制作用，包括啟動基因和操縱基因。127（2）只有轉錄功能而沒有翻譯功能的基因，包括tRNA基因和r基因的結構真核生物編碼區(qū)：能夠編碼產(chǎn)生蛋白質的序列，包括外顯子與內含子。前導區(qū)：位于編碼區(qū)上游，相當于mRNA5′端非編碼區(qū)。調節(jié)區(qū)：包括啟動子和增強子等基因編碼區(qū)的兩側，也稱為側翼序列。128基因的結構真核生物編碼區(qū)：能夠編碼產(chǎn)生蛋白質的序列，包括外顯斷裂基因（splitegene）真核生物結構基因，由若干個編碼區(qū)和非編碼區(qū)互相間隔開但又連續(xù)鑲嵌而成，去除非編碼區(qū)再連接后，可翻譯出由連續(xù)氨基酸組成的完整蛋白質，這些基因稱為斷裂基因編碼序列稱外顯子(exon)，非編碼序列稱內含子(intron)。

1977年發(fā)現(xiàn)斷裂基因，1993年獲諾貝爾獎羅伯茨夏普129斷裂基因（splitegene）真核生物結構基因，由若干個斷裂基因130斷裂基因28基因大小

低等生物的基因較小，高等生物基因較大

基因的大小主要取決于內含子的有無、大小及數(shù)量

病毒與原核生物（古細菌除外）基因沒有內含子，不是斷裂基因（splitgene）低等真核生物（如酵母和真菌）大多數(shù)基因沒有內含子，因此其基因較小，一般不超過5kb高等真核生物基因普遍含有內含子，內含子通常比外顯子（exon）大很多，使基因比其mRNA分子大很多131基因大小低等生物的基因較小，高等生物基因較大基因的大小主基因攜帶遺傳信息基因控制生物體的性狀（1）控制酶的合成；（2）控制結構蛋白的成分遺傳信息的表達過程是一個基因所攜帶的信息轉變?yōu)橐环N具有正常功能產(chǎn)物（蛋白質、多肽、RNA）的過程。(嚴格的時間和空間特異性)基因功能132基因攜帶遺傳信息基因功能30基因組（genome）：是指一個物種的單倍體的染色體所攜帶的全部遺傳信息。

原核生物（prokaryote）和真核生物（eukaryote）的基因組都是DNA病毒基因組有的是DNA，有的是RNA基因組（原核生物和真核生物）第二節(jié)基因組的結構和功能

染色體基因組（chromosomalgenome）染色體外基因組（extrachromosomalgenome）

如：細菌的質粒（plasmid）DNA真核生物的線粒體（mitochondria）DNA

葉綠體（chloroplast）DNA133基因組（genome）：是指一個物種的單倍體的染色體所攜帶的C值（Cvalue）：一種生物體單倍體基因組的DNA含量總是恒定的，它通常稱為該物種DNA的C值。不同物種的C值差異很大，如最小的支原體只有104bp，而最大的某些顯花植物和兩棲動物可達1011bp?；蚪M的大小134C值（Cvalue）：一種生物體單倍體基因組的DNA含量總不同生物種類基因組DNA的C值分布圖135不同生物種類基因組DNA的C值分布圖33主要表現(xiàn):

1.C值不隨生物的進化程度和復雜性而增加,如肺魚的C值為112.2×109bp，而人的是3.2×109bp

；2.親緣關系密切的生物C值相差甚大，如兩棲動物，C值小的可以低至109bp以下，C值大的可以高至幾乎1011bp；3.高等真核生物具有比用于遺傳高得多的C值，如人的染色體組DNA含量在理論上包含300萬個基因，但實際有用途的基因只有2-3萬左右。C值矛盾：生物體的進化程度與基因組大小之間不完全成比例的現(xiàn)象（又稱：C值悖論，Cvalueparadox）

136主要表現(xiàn):C值矛盾：生物體的進化程度與基因組大小之間不完全必需基因：指關系到生物體存活的基因，可通過基因突變的方法確定致死位點的數(shù)量，以得知基因組必需基因的數(shù)量

有相當一部分基因對生物體的存活沒有影響。原因之一可能是冗余（也即多拷貝）基因的存在基因組中是否存在非必需基因，其比例是多少等有待研究

基因總數(shù)與必需基因生物體的復雜程度與基因組中基因數(shù)目成正相關（不完全成比例）137必需基因：指關系到生物體存活的基因，可通過基因突變的方法確定（1）病毒基因組的核酸類型病毒基因組有4種不同類型雙鏈DNA（乳頭瘤病毒）單鏈DNA（ΦX174）雙鏈RNA（輪狀病毒）單鏈RNA（流感病毒）對于單鏈DNA或RNA病毒而言，如果基因組序列與mRNA相同，稱為正鏈DNA（+DNA）或正鏈RNA（+RNA）病毒，如果與mRNA互補，則稱為負鏈DNA（-DNA）或負鏈RNA（-RNA）病毒一、病毒基因組的結構和功能138（1）病毒基因組的核酸類型病毒基因組有4種不同類型一、病毒基（2）病毒基因組的大小及堿基組成

病毒基因組大小在不同病毒有較大差異，變化范圍在1.5×103bp（核苷酸，nucleotide，nt）～3.6×106bp（nt）之間

乙肝病毒DNA：3kb，信息量較小，編碼4種蛋白質痘病毒的基因組：300kb，編碼幾百種蛋白質（病毒復制所涉及的酶類編碼，核苷酸代謝的酶類）病毒基因組大小與病毒對宿主的依賴性有關不同病毒核酸的堿基組成相差很大皰疹病毒屬，G+C含量高達75%痘病毒屬G+C含量卻低至26%139（2）病毒基因組的大小及堿基組成病毒基因組大小在不同病毒有（3）RNA病毒基因組編碼序列具有節(jié)段性多數(shù)RNA病毒的基因組是由連續(xù)的RNA鏈組成；但有些病毒的基因組RNA由不連續(xù)的幾條核酸鏈組成；如：流感病毒由8條RNA分子構成，每條RNA分子都含有編碼蛋白質分子的信息；輪狀病毒由10個節(jié)段性的線性雙鏈RNA分子構成，每段RNA分子都編碼一種蛋白質。有分段基因組的病毒一般感染效率較低；容易重組，發(fā)生變異。140（3）RNA病毒基因組編碼序列具有節(jié)段性38所謂重疊基因（overlappinggene）是指兩個或兩個以上的基因共有一段DNA序列，或是指一段DNA序列成為兩個或兩個以上基因的組成部分。某些原核生物、病毒或噬菌體（4）病毒基因存在基因重疊；141所謂重疊基因（overlappinggene）是指兩個或兩基因重疊1977年，Sanger在研究ΦX174時發(fā)現(xiàn)ΦX174是一種單鏈DNA病毒，

感染大腸桿菌后共合成總分子量為25萬左右蛋白質分子，相當于6078個核苷酸所容納的信息量ΦX174DNA本身只有5386個核苷酸，最多能編碼總分子量為20萬的蛋白質分子142基因重疊1977年，Sanger在研究ΦX174時發(fā)現(xiàn)ΦX基因重疊基因重疊有以下幾種情況：

（1）完全重疊（2）部分重疊（3）兩個基因只有一個堿基重疊

一個基因終止密碼子的最后一個堿基是另一個基因起始密碼子的第一個堿基143基因重疊基因重疊有以下幾種情況：41（5）病毒基因組的大部分序列可編碼蛋白質，只有非常小的一部份不編碼蛋白質；（6）病毒基因組的轉錄單元是多順反子；DNA序列中功能相關的蛋白質的基因叢集在基因組的一個或幾個特定的部位，形成一個功能單位或轉錄單元，它們可被一起轉錄成含有多個mRNA的分子，稱為多順反子mRNA。14442（7）病毒基因組都是單倍體（逆轉錄病毒除外）（8）噬菌體（細菌病毒）的基因是連續(xù)的，而真核細胞病毒的基因是不連續(xù)的14543病毒基因組的結構與功能特征

病毒基因組基因組很小，且大小相差較大。病毒基因組可以由DNA組成，或由RNA組成。多數(shù)RNA病毒的基因組是由連續(xù)的RNA鏈組成；基因重疊。基因組的大部分可編碼蛋白質，只有非常小的一部份不編碼蛋白質。形成多順反子結構（polycistronie）。病毒基因組都是單倍體（逆轉錄病毒除外）。噬菌體（細菌病毒）的基因是連續(xù)的，而少數(shù)真核細胞病毒的基因是不連續(xù)的。146病毒基因組的結構與功能特征病毒基因組基因組很小，且大小相差2.2.2原核生物基因組的結構和功能

原核生物基因組通常比較簡單，其基因組大小在106bp～107bp之間，所包含的基因數(shù)目幾百個到數(shù)千個之間。類核（nucleoid）：是指原核生物基因組通常由一條環(huán)狀的雙鏈DNA分子組成，在細胞中與蛋白質結合成染色體的形式，在細胞內形成一個致密的區(qū)域。1472.2.2原核生物基因組的結構和功能原核生物基因組通常比較圖大腸桿菌的類核結構模型148圖大腸桿菌的類核結構模型46基因組較小（106bp～107bp）功能上相關的幾個結構基因串聯(lián)在一起組成操縱子(operon)結構。結構基因均為單拷貝基因（除18s、28s、5srRNA及tRNA基因外）（1）原核生物基因組的一般特點149基因組較?。?06bp～107bp）（1）原核生物基因組的一不編碼的DNA序列約占全基因組的10%以內（比真核生物少得多）：基因組中幾乎沒有重復序列，基因間幾乎沒有間隔，基因內沒有內含子（古細菌除外）。不編碼部分通常包含調控基因表達的序列DNA分子中有各種功能區(qū)，如復制起始區(qū)OriC，復制終止區(qū)TerC，轉錄起始區(qū)和終止區(qū)等，這些區(qū)域往往有反向重復序列，能形成特殊的結構150不編碼的DNA序列約占全基因組的10%以內（比真核生物少得多有色部分代表編碼序列外環(huán)為順時針轉錄的編碼序列內環(huán)為逆時針轉錄的編碼序列

化膿性鏈球菌基因組

151有色部分代表編碼序列化膿性鏈球菌基因組49大腸桿菌染色體基因組的結構和功能大腸桿菌染色體基因組是研究最清楚的基因組。結構特點：（1）僅有一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成，總共具有4288個基因，平均編碼長度950bp，且這些結構基因沒有內含子。（2）幾乎所有的基因都是單拷貝基因；（3）和病毒的基因相似，不編碼的DNA部分所占比例比真核細胞基因組少得多。（4）基因組種編碼順序一般不會重疊，即不會出現(xiàn)基因重疊現(xiàn)象。

152大腸桿菌染色體基因組的結構和功能大腸桿菌染色體基因組是研究最（5）具有操縱子結構，其中的結構基因為多順反子，即數(shù)個功能相關的結構基因串聯(lián)在一起，受同一個調節(jié)區(qū)的調節(jié)。CregulatoryregionInhibitorgeneGeneZGeneYGene