第八章細(xì)胞遺傳講義

第八章細(xì)胞遺傳講義

[目的要求]

掌握結(jié)構(gòu)基因的結(jié)構(gòu)和功能第一節(jié)基因概述一.基因概念的發(fā)展⒈遺傳因子（hereditaryfactor）1860sMendel豌豆分離律和自由組合律⒉基因（gene）1909年Johannsen遺傳因子→基因

⒊染色體（chromosome）1920sMorgan果蠅把基因定位在染色體上（基因以直線方式排列在染色體上）連鎖互換律染色體和基因的遺傳學(xué)說⒋基因突變（genemutation）1927年Muler

人為因素可導(dǎo)致基因突變⒌一個基因一個蛋白質(zhì)1941年Beadle“一個基因一個酶”學(xué)說

“一個基因一個蛋白質(zhì)”學(xué)說⒍DNA是遺傳物質(zhì)1944年Avery通過細(xì)菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)證明DNA是遺傳物質(zhì)⒎DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)（doublehelix）1953年Watson&CrickX射線衍射法基因概述

Mendel遺傳因子Morgan基因在染色體上Beadle一個基因一種酶一個基因一個蛋白質(zhì)AveryDNA是遺傳物質(zhì)DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型Watson

Crick發(fā)展過程

遺傳因子→基因→染色體→基因突變→一個基因一個蛋白質(zhì)→DNA是遺傳物質(zhì)→DNA雙螺旋二、現(xiàn)代基因的概念⑴基因是決定生物體遺傳性狀的基本單位。⑵從分子水平看，基因是DNA分子上的一個功能片段。⑶基因可以貯存遺傳信息并自我復(fù)制。⑷基因通過轉(zhuǎn)錄、翻譯控制蛋白質(zhì)的合成，從而決定生物遺傳性狀的表現(xiàn)。⑸基因可以發(fā)生突變。胞核基因核外基因位置細(xì)胞核內(nèi)，染色體上的基因細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，細(xì)胞器上的基因三、細(xì)胞內(nèi)基因的種類依其功能分為：1、結(jié)構(gòu)Gene---編碼蛋白和酶分子結(jié)構(gòu)；2、調(diào)控Gene---調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)基因表達(dá)包括調(diào)節(jié)、操縱、啟動Gene3、轉(zhuǎn)錄而不翻譯的Gene：

rDNAGene→rRNA→核仁形成區(qū)核糖體組成

tRNAGene→tRNA→轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸

結(jié)構(gòu)基因（structuralgene）

—決定合成各種生物功能分子的基因。包括rRNA，tRNA，mRNA，但最主要的還是通過合成mRNA編碼合成蛋白質(zhì)。調(diào)節(jié)基因（regulationgene）

—決定合成具有調(diào)節(jié)作用的蛋白質(zhì)的基因。操縱基因（operatorgene）

—無表達(dá)產(chǎn)物，能被特異性調(diào)節(jié)蛋白識別并結(jié)合的DNA片段。功能—通過與調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合與否，來調(diào)控與其相鄰的結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。啟動基因（promotorgene）

—是DNA分子上RNA聚合酶的結(jié)合位點(diǎn)，也是轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)。功能—與RNA聚合酶結(jié)合，啟動結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。四、基因的含量遺傳信息量↑↓Gene含量↑↓DNA含量↑↓堿基對數(shù)量人類基因組：30億個堿基對，三萬個基因第二節(jié)基因的分子結(jié)構(gòu)一.重疊基因（overlappinggene）

—DNA的某些片段同時能為兩種蛋白質(zhì)編碼，而所產(chǎn)生的多肽鏈又沒有重復(fù)的現(xiàn)象。例：φχ174噬菌體二.跳躍基因（jumpinggene）—某些基因或DNA片段可以從染色體上的一個位置轉(zhuǎn)移到另一個位置上，甚至可以跳到另一條染色體上，這種現(xiàn)象稱為轉(zhuǎn)座（transposition），這種基因稱為跳躍基因。例：E.coli

插入序列（insertionsequence,IS）

轉(zhuǎn)座子（transposon）三.

斷裂基因（splitgene）

——一個基因被不編碼多肽鏈氨基酸順序的DNA片段分隔成不連續(xù)的幾個小片段，但在細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄時一起轉(zhuǎn)錄為mRNA前體。真核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)基因大多是斷裂基因結(jié)構(gòu)基因

rRNA基因

tRNA基因結(jié)構(gòu)基因⒈外顯子（exon）

——編碼序列。⒉內(nèi)含子（intron）

——位于編碼序列之間的非編碼序列。

不同基因所含外顯子和內(nèi)含子的數(shù)目不同。外顯子和內(nèi)含子的接頭

——接頭序列高度保守，內(nèi)含子5’端是GT，3’端是AG——GT-AG法則。5`GT——AG3`法則普遍存在于真核生物中，是RNA剪接的識別信號，轉(zhuǎn)錄后的前體RAN中的內(nèi)含子剪接位點(diǎn)。3’GTAG3’5’GCGC側(cè)翼序列啟動子5’⒊側(cè)翼序列（flankingsequence）

——是指在第一外顯子外側(cè)和最后一個外顯子外側(cè)的非編碼區(qū)，它存在與編碼鏈上，其上有一系列調(diào)控序列。編碼鏈（5’→3’）

—其堿基序列為基因編碼，其上有調(diào)控序列。反編碼鏈（3’→5’）

—其堿基序列與編碼鏈互補(bǔ)，是mRNA的模板。調(diào)控序列⑴啟動子（promotor）

—RNA聚合酶首先與模板DNA結(jié)合的區(qū)段。它是RNA聚合酶識別轉(zhuǎn)錄起始部位的信號。能啟動基因的轉(zhuǎn)錄。

啟動子Promoter

TATABox

位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游約1927個堿基處。能準(zhǔn)確識別轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)并促進(jìn)轉(zhuǎn)錄。CAATBox

位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游約7080個堿基處。是RNA

聚合酶結(jié)合的部位，能促進(jìn)轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行。GCBox

位于CAAT框的兩側(cè)。增強(qiáng)起始轉(zhuǎn)錄的效率。（2）增強(qiáng)子Enhancer包括啟動子上游或下游的一段DNA序列，可以增強(qiáng)啟動子發(fā)動轉(zhuǎn)錄，提高轉(zhuǎn)錄效率。特點(diǎn)：在任意位置都有效無方向性有組織特異性（3）終止子Terminator由一倒位重復(fù)序列（或回文序列）以及特定保守序列5’--AATAAA--3’

（PolyA的附加信號）組成?；匚男蛄袨檗D(zhuǎn)錄終止號。發(fā)夾式結(jié)構(gòu)阻礙了RNA聚合酶的移動第三節(jié)基因的功能遺傳信息的貯存DNA的復(fù)制基因的表達(dá)㈠——轉(zhuǎn)錄基因的表達(dá)㈡——翻譯基因表達(dá)的調(diào)控一、遺傳信息的貯存㈠遺傳密碼的概念

遺傳密碼（geneticcode）

——在mRNA分子中，每三個相鄰核苷酸組成的能代表機(jī)體全部遺傳信息，決定所有氨基酸的一套三聯(lián)體密碼。其中，每個三聯(lián)體密碼稱作一個密碼子（codon），共64種。㈡遺傳密碼的特征

⒈密碼子的閱讀方向5’→3’——mRNA的合成或編碼方向一致例：5’—UUG—3’

亮氨酸3’—UUG—5’

纈氨酸（5’—GUU—3’

）2、起始密碼和終止密碼起始密碼：AUG終止密碼：UAAUAGUGA3、兼并性和兼職性兼并性—兩種或兩種以上的密碼子決定同一種氨基酸。同義密碼子—決定同一種氨基酸的密碼子互稱為同義密碼子。64種密碼子中，除三種終止密碼子（UAA，UAG，UGA）外，其余61種密碼子編碼20種氨基酸。例：GCU，GCC，GCA，GCG——丙氨酸兼職性——一種密碼子兼具兩種作用。

AUG起始密碼編碼甲硫氨酸4、通用性

——所有生物的細(xì)胞使用統(tǒng)一的氨基酸編碼方法。5、不重疊，無標(biāo)點(diǎn)二、DNA基因的復(fù)制DNA的復(fù)制（replication）

——DNA以自身為模板，在DNA聚合酶的作用下，通過堿基互補(bǔ)配對，合成與模板結(jié)構(gòu)相同的新的DNA分子的過程。㈠復(fù)制的基本條件⒈以DNA的一條鏈為模板⒉以4種dNTP為原料⒊有DNA聚合酶⒋存在與復(fù)制相關(guān)的酶系㈡復(fù)制的基本過程⒈復(fù)制起點(diǎn)和復(fù)制叉形成復(fù)制起點(diǎn)——位于DNA雙螺旋的特殊核苷酸處，是可與特異蛋白相結(jié)合的區(qū)段。復(fù)制叉——在復(fù)制起點(diǎn)由叉起始蛋白將雙螺旋解開，露出兩股DNA單鏈，于是形成一對方向相反的Y形結(jié)構(gòu)，即為復(fù)制叉（replicationfork）。復(fù)制眼（replicationeyes）——兩個復(fù)制叉向兩端推進(jìn)所形成的結(jié)構(gòu)。復(fù)制起點(diǎn)復(fù)制子(replicon)

復(fù)制起點(diǎn)與其兩側(cè)的復(fù)制區(qū)共同形成一個復(fù)制單位，是作為合成模板的一個最小區(qū)段，稱為復(fù)制子。⒉復(fù)制叉生長與前導(dǎo)鏈和后隨鏈的合成前導(dǎo)鏈（leadingstrand）

——以3’→5’母鏈為模板連續(xù)合成的DNA子鏈。后隨鏈（laggingstrand）

——以5’→3’母鏈為模板不連續(xù)合成的DNA子鏈。

因?yàn)閺?fù)制叉上的DNA聚合酶只能催化5’→3’的合成，所以子鏈只能沿5’→3’方向合成。

岡崎片段⒊復(fù)制的終止㈢

復(fù)制的特點(diǎn)⒈互補(bǔ)性（complimentation）⒉半保留性（semiconservation）⒊逆平行性（antiparallel）⒋不連續(xù)性（non-continuation）㈣真核生物的復(fù)制特點(diǎn)⒈多個復(fù)制起點(diǎn)同時啟動⒉DNA復(fù)制不同步⒊與組蛋白結(jié)合形成核小體

三、基因表達(dá)

geneexpression

遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄生成RNA再經(jīng)翻譯(轉(zhuǎn)譯)生成蛋白質(zhì)的過程.基因表達(dá)的意義⑴對細(xì)胞的代謝活動起決定性的調(diào)節(jié)作用。⑵決定細(xì)胞的生長、發(fā)育和分化。基因表達(dá)分兩步⑴轉(zhuǎn)錄：DNA→mRNA⑵翻譯：mRNA→氨基酸→多肽鏈→蛋白質(zhì)

Crick的“中心法則”復(fù)制DNA

轉(zhuǎn)錄RNA翻譯蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)復(fù)制復(fù)制轉(zhuǎn)錄翻譯逆轉(zhuǎn)錄逆翻譯DNARNA（一）轉(zhuǎn)錄（transcription）——以DNA反編碼鏈（3’→5’）為模板，在RNA聚合酶作用下，按照堿基互補(bǔ)配對原則，合成互補(bǔ)的RNA分子的過程。⒈轉(zhuǎn)錄的條件⑴模板：DNA反編碼鏈（3’→5’）⑵原料：四種NTP⑶RNA聚合酶⒉真核細(xì)胞RNA聚合酶類型⑴RNA聚合酶Ⅰ：在核仁，催化rRNA前體的生成。⑵RNA聚合酶Ⅱ：在核質(zhì)，催化mRNA前體的生成。⑶RNA聚合酶Ⅲ：在核質(zhì)，催化tRNA和5srRNA的生成。⒊轉(zhuǎn)錄過程⑴RNA聚合酶與啟動子結(jié)合⑵轉(zhuǎn)錄的開始⑶轉(zhuǎn)錄的延長⑷轉(zhuǎn)錄的終止轉(zhuǎn)錄的基本過程轉(zhuǎn)錄的基本過程1、hnRNA的加工①剪接—在剪切酶的作用下，切掉內(nèi)含子把外顯子連接起來。機(jī)制：GT-AG法則②戴帽—所有真核生物的mRNA5’端都有一個甲基化帽m7’Gm2’G

。

作用：有效封閉mRNA5’端，使之免遭降解。提供核糖體識別位點(diǎn)。⒋轉(zhuǎn)錄后的加工③加尾—通過腺苷酸聚合酶的作用，在mRNA3’端AATAAA處加上polyA。

作用：阻止mRNA3’端降解，延長其壽命。促使mRNA由細(xì)胞核轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)。2、45sRNA的加工40S60SrDNA45SRNArRNA41SrRNA20SrRNA32SrRNA18SrRNA28SrRNA5.8S轉(zhuǎn)錄加工45SrRNA前體加工過程示意圖（二）翻譯（translation）mRNA把轉(zhuǎn)錄來的遺傳信息解讀為多肽鏈的氨基酸種類和順序的過程，即蛋白質(zhì)的合成過程。參與蛋白質(zhì)合成的生物大分子：核糖體、mRNA、tRNA、蛋白質(zhì)因子和酶核糖體的活性部位

氨基酸部位或受位，接受氨?；鵷RNA肽基部位或供位，肽基tRNA移交肽鏈后，tRNA被釋放的部位肽基轉(zhuǎn)移酶GTP酶，催化tRNA從A位→P位mRNA中的核苷酸順序與遺傳密碼蛋白質(zhì)合成的氨基酸運(yùn)載工具—tRNA

1.氨基酰-tRNA的合成（1）AA的激活

AA+ATP+酶酶-AA-AMP+PPi（2)氨基酰tRNA復(fù)合物的形成酶-AA-AMP+tRNAAA-tRNA+AMP+酶

*酶：氨基酰-tRNA合成酶

AA:氨基酸

連接方式：tRNA3’端CCA中的腺苷殘基2’或3’羥基與氨基酸的羧基結(jié)合形成酯鍵。2.tRNA反密碼子與mRNA密碼子的識別-C-A-C氨基酸臂mRNA3’5’3’5’AAAAUUC││││││AAG反密碼環(huán)（Glu）參與蛋白質(zhì)合成的生物分子mRNAtRNA核糖體蛋白質(zhì)因子酶GTP離子蛋白質(zhì)的生物合成過程（圖）⑴肽鏈合成的開始（IF、GTP）⑵肽鏈的延長（EF、GTP、T因子）1）進(jìn)位

2）轉(zhuǎn)肽

3）移位脫落⑶肽鏈合成的終止（RF）蛋白質(zhì)的生物合成過程肽鏈合成起始起始因子（initiationfactorIF）和GTP小亞基與mRNA鏈的AUG結(jié)合第一個氨基酰-tRNA結(jié)合，形成30s復(fù)合體大亞基與小亞基結(jié)合，形成70s復(fù)合體肽鏈的延長肽基轉(zhuǎn)移酶和延長因子（elongationfactor，EF）P位氨基酸與A位氨基酸形成肽鍵P位的tRNA空載肽鏈移位，核糖體沿5’3’

移動一個密碼子P位tRNA釋放，A位肽基-tRNA移到P位，A位空出，接納下一個氨基酰-tRNA。肽鏈合成的終止核糖體移至mRNA的UAA、UAG、UGA氨基酰-tRNA不能識別，肽鏈合成終止釋放因子（releasefactor，RF）作用多肽鏈釋放大、小亞基解離蛋白質(zhì)合成過程蛋白質(zhì)合成的主要蛋白質(zhì)因子

起始因子IF（initiationfactor）

延伸因子EF（elongationfactor）

釋放因子RF（releasefactor）G因子T因子四.基因表達(dá)的調(diào)控㈠原核生物基因表達(dá)的調(diào)控1961年Jacob&Monod提出乳糖操縱子學(xué)說

操縱子（operon）

——基因轉(zhuǎn)錄的單位，也是基因表達(dá)調(diào)控的單位，它包括——

結(jié)構(gòu)基因（lacZlacYlacA)

操縱基因(38個堿基對）（26個）

啟動基因（85個堿基對）

抑制誘導(dǎo)乳糖操縱子的關(guān)閉狀態(tài)乳糖操縱子的打開狀態(tài)㈡真核生物基因表達(dá)的調(diào)控⒈轉(zhuǎn)錄前的調(diào)控（常染色質(zhì)、異染色質(zhì)、組蛋白）⒉轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控（啟動子、增強(qiáng)子、RNA聚合酶）⒊轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控（hnRNA、45srRNA、tRNA前體）⒋翻譯水平的調(diào)控（核糖體的數(shù)量、mRNA的成熟度、各種蛋白因子及酶）⒌翻譯后的調(diào)控（蛋白質(zhì)的加工）第四節(jié)基因突變

Genemutation突變(mutation)突變是指遺傳物質(zhì)發(fā)生可以遺傳的變異。廣義的突變可以分為兩類：（1）

染色體畸變

(chromosomeaberration)，即染色體結(jié)構(gòu)和數(shù)目的改變；（2）

基因突變

(genemutation)。狹義的突變，僅指一般的基因突變。基因突變是指基因的核苷酸順序、種類和數(shù)目發(fā)生改變，僅僅涉及DNA分子中的單個堿基改變者稱為點(diǎn)突變(pointmutation);涉及多個堿基的還有缺失，重復(fù)和插入。genemutation

生殖細(xì)胞（遺傳）基因突變體細(xì)胞（不遺傳）

生物進(jìn)化基礎(chǔ)基因突變發(fā)現(xiàn)新的基因遺傳病產(chǎn)生的原因體細(xì)胞突變和生殖細(xì)胞突變突變?nèi)绻l(fā)生在體細(xì)胞中，稱為體細(xì)胞突變(somaticmutation)，突變的細(xì)胞只能在體細(xì)胞中傳遞，因此，體細(xì)胞突變不能傳給下一代。癌的發(fā)生是一個多次突變積累的復(fù)雜過程誘發(fā)基因突變的因素根據(jù)基因突變發(fā)生的原因，可將突變分為自發(fā)突變和誘發(fā)突變。在自然條件下，未經(jīng)人工處理而發(fā)生的突變?yōu)樽园l(fā)突變（spontaneousmutation）。經(jīng)人工處理而發(fā)生的突變是誘發(fā)突變（inducedmutaion）。能誘發(fā)基因突變的各種內(nèi)外環(huán)境因素統(tǒng)稱為誘變劑（mutagen）。一.突變類型㈠可見突變—在生物體的表現(xiàn)型中可以見到的突變效應(yīng)。㈡生化突變—能引起細(xì)胞特定生化功能喪失的突變效應(yīng)。㈢致死突變—顯性致死—雜合子狀態(tài)即致死隱性致死—純合子狀態(tài)才致死㈣條件致死突變—在一定條件下致死的突變效應(yīng)。二.基因突變的一般特性㈠可逆性Aa（正突變，回復(fù)突變）㈡多向性a1Aa2復(fù)等位基因

an（例：ABO血型）㈢稀有性（1/10萬-1億）㈣有害性（4000余種單基因遺傳?。┤?基因突變的分子機(jī)理——DNA分子中的堿基順序發(fā)生改變。堿基替換堿基順序改變的方式移碼突變㈠堿基替換（basesubstitution）⒈定義——一種堿基對被另一種堿基對替換。⒉形式

⑴轉(zhuǎn)換—同類堿基的互換。

（transition）⑵顛換—不同類堿基的互換。

（transversion）ATCG

UUAC亞硝胺UATCG