遺傳的分子基礎(chǔ)（遺傳學基礎(chǔ)課件）

授課提綱第一節(jié)：基因的概述

概念；類別；一般特性；DNA結(jié)構(gòu)。第二節(jié)：人類基因組DNA

單一序列；重復(fù)序列；多基因家族，假基因。第三節(jié)：基因的結(jié)構(gòu)和功能基因的結(jié)構(gòu)；基因的復(fù)制，基因表達。第四節(jié)：基因突變概念；特性；突變的結(jié)構(gòu)；誘發(fā)突變的因素；突變的分子機制。

一、基因的概念：隨著分子遺傳學、分子生物學、生物化學領(lǐng)域的進展而不斷完善。從遺傳學角度看：基因是生物的遺傳物質(zhì)，是遺傳的基本單位----突變單位、重組單位和功能單位。從分子生物學角度看：基因是負載著特定遺傳信息的DNA分子片段，在一定條件下能夠表達這種遺傳信息，執(zhí)行特定的生理功能。第一節(jié)基因的概述二、Gene類別依其功能分為：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；3、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)運氨基酸。三、基因的一般特性從分子水平看，基因有以下基本特性：

1、Gene自我復(fù)制------半保留復(fù)制

2、基因決定性狀：

ProteinGene→mRNA→enzyme

淘汰

3、Gene突變生物進化保留遺傳病四、DNA的結(jié)構(gòu)DNA是一種雙螺旋生物大分子?；窘Y(jié)構(gòu)——核苷酸（nucleotide）

磷酸脫氧核糖堿基脫氧核苷堿基對：A=T,G≡C嘌呤Purines嘧啶Pyrimidines胸腺嘧啶Thymine,T胞嘧啶Cytosine,C鳥嘌呤Guanine,G腺嘌呤Adenine,ADNA為兩條多核苷酸鏈相互逆向纏繞的雙螺旋結(jié)構(gòu)小溝大溝DNA的結(jié)構(gòu)特征幾生物學意義-1雙螺旋結(jié)構(gòu)---體現(xiàn)了遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性。堿基互補原則（A＝T、

G≡C，%率相同），是DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和修復(fù)的分子基礎(chǔ)。是分子雜交識別、DNA

復(fù)性的基礎(chǔ)。DNA結(jié)構(gòu)特征及生物學意義-2半保留復(fù)制---遺傳物質(zhì)準確傳遞的分子基礎(chǔ)。DNA的4種堿基的排列順序——遺傳密碼，-----儲存遺傳信息。43×109。雙螺旋的溝，尤其是大溝為蛋白質(zhì)分子結(jié)合的場所。授課提綱第一節(jié)：基因的概述

概念；類別；一般特性；DNA結(jié)構(gòu)。第二節(jié)：人類基因組DNA

單一序列；重復(fù)序列；多基因家族，假基因。第三節(jié)：基因的結(jié)構(gòu)和功能基因的結(jié)構(gòu)；基因的復(fù)制，基因表達。第四節(jié)：基因突變概念；特性；突變的結(jié)構(gòu)；誘發(fā)突變的因素；突變的分子機制。

第二節(jié)

人類基因組DNA

從信息學角度:人類基因組是單倍體細胞所代表的遺傳信息.從細胞遺傳學角度:是指人體細胞中24條染色體,即1~22號染色體和X,Y染色體.從分子遺傳學角度：是指組成這些染色體的24個DNA分子（和MtDNA）的總合，3x109個核苷酸。

1.細胞核基因組人類基因組

2.線粒體基因組高度重復(fù)序列中度重復(fù)序列多基因家族擬基因

DNA存在的形式：根據(jù)基因組DNA的堿基排列順序重復(fù)出現(xiàn)的程度不同單一序列(uniquesequence)重復(fù)序列(repetitivesequence)反向重復(fù)序列一、單一序列DNA單一序列DNA(uniquesequence)占60~65%，為單拷貝/單一序列，在基因組中只出現(xiàn)一次或很少幾次，一般由800~1000bp組成，構(gòu)成編碼蛋白和酶的基因，稱為結(jié)構(gòu)基因（strcturegene）。人類基因組約含有3.5~4萬個結(jié)構(gòu)基因。其中一部分可以形成有幾個或幾十個拷貝的基因家族。單一序列常常被重復(fù)序列分割開來。二、重復(fù)序列DNA

重復(fù)序列(repetitivesequence）指在基因組中有多個拷貝的DNA序列，>30%，有些與染色體結(jié)構(gòu)有關(guān)，如：端粒(TAAGGG)n，但大多數(shù)生物學功能有待研究。1.高度重復(fù)序列:(2~200bp,106~108,10-30%)

2.中度重復(fù)序列:

短分散元件(shortinterspersingelement,SINE)

長分散元件(Longinterspersingelement,LINE)3.反向重復(fù)序列:(invertedrepeatsequence)1.高度重復(fù)序列：衛(wèi)星DNA(satelliteDNA)

是指DNA在氯化銫（CsCl）密度梯度離心中，當重復(fù)序列的GC與AT的比例有差異，GC的含量少于AT時，可在DNA主峰旁形成一個伴隨峰，即衛(wèi)星DNA。

小衛(wèi)星(6-25bp，串聯(lián)重復(fù))

微衛(wèi)星(2-6bp，串聯(lián)重復(fù))作用：構(gòu)成染色體的著絲粒、端粒、Y染色體長臂上的異染色質(zhì)區(qū)；高度重復(fù)序列不能轉(zhuǎn)錄，形成結(jié)構(gòu)基因的間隔；參與維持染色體的結(jié)構(gòu)，與減數(shù)分裂聯(lián)會有關(guān)。短分散元件：Alu家族長分散元件：Kpn家族2.中度重復(fù)序列中度重復(fù)序列：由長度300bp～7000bp的序列重復(fù)而成，重復(fù)次數(shù)102~105。3.反向重復(fù)序列

反向重復(fù)序列(invetedrepeatsequence)是兩個順序相同的互補拷貝在同一條DNA鏈上反向排列而成的，兩個互補拷貝可以形成鏈內(nèi)堿基互補配對，形成十字狀結(jié)構(gòu)，這是兩個互補序列之間有一段間隔序列所致。如果兩個互補序列之間沒有間隔，而是串聯(lián)，稱為回文結(jié)構(gòu)（palindrome）占5%。長約300bp，間隔12kb功能：構(gòu)成終止子，參與結(jié)構(gòu)基因的調(diào)控。GTCCTGACCGTGTCAGGATCAGGACTGGCACAGTCCTAGTCCTGACGTCAGGATCAGGACTGCAGTCCTA反向重復(fù)序列回文序列多基因家族(multigenefamily)：由一個祖先基因經(jīng)過重復(fù)和變異形成的一組來源相同、結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的基因。由一個基因產(chǎn)生多次拷貝，具有幾乎相同的順序，成簇地排列在同一條染色體上，形成一個基因簇(genecluster)。它們同時發(fā)揮作用，合成某些蛋白質(zhì)。一個多基因家族的不同成員成簇地分布在幾條染色體上，成員間序列有所不同，編碼一組關(guān)系密切的蛋白質(zhì)。兩種類型:三、多基因家族基因簇（Genecluster）

一個基因產(chǎn)生多次拷貝，順序幾乎相同，成簇地排列在一條染色體上，形成一個基因簇。同時發(fā)揮作用，合成某些蛋白。如人HLA系統(tǒng)，7個連鎖基因座位分布于6p。

A—B—C—D—DR—DQ—DP

分布于幾條不同的染色體上

一個多基因家族中不同成員成簇分布于幾條不同的染色體上，編碼一組關(guān)系密切的蛋白。如：α珠蛋白基因簇，5個相關(guān)基因，長800bp。16chr。

5’—ζ—ψζ—ψα1—α2—α1—3’β珠蛋白基因簇，6個相關(guān)基因，1700bp。11chr。

5‘—ε—Aγ/Gγ—ψβ1—δ--β—3‘授課提綱第一節(jié)：基因的概述

概念；類別；一般特性；DNA結(jié)構(gòu)。第二節(jié)：人類基因組DNA

單一序列；重復(fù)序列；多基因家族，假基因。第三節(jié)：基因的結(jié)構(gòu)和功能基因的結(jié)構(gòu)；基因的復(fù)制，基因表達。第四節(jié)：基因突變概念；特性；突變的結(jié)構(gòu)；誘發(fā)突變的因素；突變的分子機制。

exonintronTATAboxCAATboxGCboxAATAAA第三節(jié)、基因的結(jié)構(gòu)特征和功能

enhancerTATAAATATHognessboxGT—AGlawGCboxGGCGGGCAATboxGGCAATCACT一、基因的結(jié)構(gòu)1、外顯子和內(nèi)含子在結(jié)構(gòu)基因中，編碼序列稱為外顯子(exon)，表達多肽鏈部分。非編碼序列稱為內(nèi)含子(Intron)，又稱插入序列。β珠蛋白基因（1700bp）=3個外顯子+2個內(nèi)含子。DMD基因（2300kb）=79個外顯子+78個內(nèi)含子。（迄今認識的最大的基因）外顯子和內(nèi)含子真核生物內(nèi)含子和外顯子不是完全固定不變的，有時同一DNA鏈上的某一段DNA序列，當它作為編碼某一多肽鏈的基因時是外顯子，而作為編碼另一多肽鏈時，則是內(nèi)含子。這樣，同一基因卻可以轉(zhuǎn)錄兩種或兩種以上的mRNA。真核生物某些結(jié)構(gòu)Gene沒有內(nèi)含子，如組蛋白Gene，干擾素Gene等。它們多以基因簇形式存在，大多數(shù)的酵母結(jié)構(gòu)Gene也沒有內(nèi)含子。

5`GT——AG3`法則

在每個外顯子和內(nèi)含子的接頭區(qū)都是一段高度保守的共有序列，內(nèi)含子的5`端是GT，3端是AG，這種接頭方式稱為GT-AG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。2、側(cè)翼序列與調(diào)控序列

每個結(jié)構(gòu)基因的第一個和最后一個外顯子的外側(cè)，都有一段不被轉(zhuǎn)錄的非編碼區(qū)，稱為側(cè)翼序列（Flankingsequence）。它是基因的調(diào)控序列，對基因的有效表達起調(diào)控作用，包括：啟動子、增強子、終止子等。1.復(fù)制子(replicon)2.半保留復(fù)制(semiconservativereplication)3.半不連續(xù)復(fù)制二、基因復(fù)制DNAReplication

Semi–conservativereplication逆轉(zhuǎn)錄三、基因表達DNARNA蛋白質(zhì)復(fù)制轉(zhuǎn)錄翻譯復(fù)制基因表達：DNA序列所攜帶的遺傳信息，通過轉(zhuǎn)錄和翻譯形成具有生物活性的蛋白質(zhì)的過程。對于任一個特定的基因，DNA雙鏈分子中只有一條鏈帶有遺傳信息，稱為編碼鏈(codingstrand)，與之互補的稱為反編碼鏈(anticodingstrand)。轉(zhuǎn)錄(transcription)：在RNA聚合酶的催化下，以DNA的反編碼鏈為模板，按照堿基互補配對原則，以dNTPs為原料合成RNA的過程。1、轉(zhuǎn)錄編碼鏈：5'-ATGAAACGAGTCTTATGA-3'反編碼鏈：mRNA：3'-TACTTTGCTCAGAATACT-5'5'-AUGAAACGAGUCUUAUGA

-3'DNA的初始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是mRNA的前體，比成熟的mRNA大4~5倍，稱為核內(nèi)異質(zhì)RNA(hnRNA)。hnRNA需要經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后加工才能成為成熟的mRNA。1.戴帽轉(zhuǎn)錄1.有效地封閉RNA5'端，使之不再接加核苷酸，也不受磷酸酶和水解酶的消化，增強了mRNA的穩(wěn)定性。戴帽戴帽：在hnRNA的5'端接上一個甲基化帽，即7-甲基鳥嘌呤核苷酸(m7'GpppX)。2.為核糖體提供識別mRNA的信號，促進mRNA和核糖體小亞基的結(jié)合。2.剪接3.加尾DNA的初始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是mRNA的前體，比成熟的mRNA大4~5倍，稱為核內(nèi)異質(zhì)RNA(hnRNA)。hnRNA需要經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后加工才能成為成熟的mRNA。1.戴帽轉(zhuǎn)錄授課提綱第一節(jié)：基因的概述

概念；類別；一般特性；DNA結(jié)構(gòu)。第二節(jié)：人類基因組DNA

單一序列；重復(fù)序列；多基因家族，假基因。第三節(jié)：基因的結(jié)構(gòu)和功能基因的結(jié)構(gòu)；基因的復(fù)制，基因表達。第四節(jié)：基因突變概念；特性；突變的結(jié)構(gòu)；誘發(fā)突變的因素；突變的分子機制。

一、基因突變（mutation）的概念第四節(jié)、基因突變基因突變(genemutation)：基因在結(jié)構(gòu)上發(fā)生堿基對組成或排列順序的改變。點突變(pointmutation)：基因(或DNA鏈)中一個或一對堿基改變時。突變基因(mutantgene)：基因突變后在原有基因座上出現(xiàn)的新基因。

遺傳物質(zhì)的變化及其所引起的表型改變稱為突變。生殖細胞突變：發(fā)生在生殖細胞中，引起后代中遺傳性質(zhì)的改變。體細胞突變：突變發(fā)生在體細胞中，在有性生殖的個體中，不引起后代的遺傳改變，而導致突變細胞在形態(tài)和功能上的改變。二、基因突變的特性1）.突變的稀有性2）.突變的重演性3）.突變的可逆性4）.突變的多方向性5）.突變的有害性和有利性三、基因突變的結(jié)果1）.中性突變(neutralmutation)2）.造成個體化學組分的遺傳學差異3）.有益突變4）.有害突變——遺傳病5）.致死突變(lethalmutation)四、誘發(fā)基因突變的因素

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）。

物理因素

紫外線

紫外線的照射可使DNA順序中相鄰的嘧啶類堿基結(jié)合成嘧啶二聚體，最常見的為胸腺嘧啶二聚體（TT）。在復(fù)制或轉(zhuǎn)錄進行時，該處堿基配對發(fā)生錯誤，從而引起新合成的DNA或RNA鏈的堿基改變。

紫外線誘發(fā)的胸腺嘧啶二聚體電離輻射

射線直接擊中DNA鏈，DNA分子吸收能量后引起DNA鏈和染色體的斷裂，片斷發(fā)生重排，引起染色體結(jié)構(gòu)畸變。其它物理因素

電磁輻射高溫嚴寒化學因素羥胺（hydroxylamine，HA）

可使胞嘧啶（C）的化學成分發(fā)生改變，而不能正常地與鳥嘌呤（G）配對，而改為與腺嘌呤（A）互補。經(jīng)兩次復(fù)制后，C-G堿基對就變換成T-A堿基對。羥胺引起DNA堿基對的改變亞硝酸或含亞硝基化合物

可使堿基脫去氨基（-NH2）而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)改變，從而引起堿基錯誤配對。亞硝酸引起DNA堿基對的改變圖中A被其脫去氨基后可變成次黃嘌呤（H），H不能再與T配對，而變?yōu)榕c配對，經(jīng)DNA復(fù)制后，可形成T-A→C-G的轉(zhuǎn)換。烷化劑

具有高度誘變化學因素活性的烷化劑，可將烷基（CH3-、C2H5-等）引入多核苷酸鏈上的任何位置，被其烷基化的核苷酸將產(chǎn)生錯誤配對而引起突變。烷化劑引起的DNA堿基對的改變堿基類似物

某些堿基類似物可以取代堿基而插入DNA分子引起突變。5-BU引起的DNA堿基對的改變5-BU與腺嘌呤（A）和鳥嘌呤（G）均可配對。如果5-BU取代T以后一直保持與A配對，所產(chǎn)生的影響并不大；若與G配對，經(jīng)一次復(fù)制后，就可以使原來的A-T對變換成G-C對。芳香族化合物

吖啶類和焦寧類等扁平分子構(gòu)型的芳香族化合物可以嵌入DNA的核苷酸序列中，導致堿基插入或丟失的移碼突變。生物因素病毒風疹、麻疹、流感、皰疹等真菌和細菌毒素

五、基因突變的分子機制1.堿基替換：指一個堿基對被另一個不同的堿基對所替換，為DNA分子中單個堿基的改變，即點突變。轉(zhuǎn)換(transition)：指嘌呤取代嘌呤，或嘧啶取代嘧啶。顛換(tranversion)：指嘌呤取代嘧啶，或嘧啶取代嘌呤。堿基替換(1)同義突變(samesensemutation)(2)錯義突變(missensemutation)(3)無義突變(nonsensemutation)(4)終止密碼突變(terminationcodonmutation)同義突變（samesensemutation）堿基被替換之后，產(chǎn)生了新的密碼子，但新舊密碼子同義，所編碼的氨基酸種類保持不變，因此同義突變并不產(chǎn)生突變效應(yīng)。無義突變（non-sensemutation）堿基替換使編碼氨基酸的密碼變成終止密碼UAA、UAG或UGA。錯義突變（missensemutation）

堿基替換使編碼某種氨基酸的密碼子變成編碼另一種氨基酸的密碼子，從而使多肽鏈的氨基酸種類和序列發(fā)生改變。錯義突變引發(fā)疾病——鐮刀狀紅細胞貧血終止密碼突變（terminatorcodonmutation）

DNA分子中的某一個終止密碼突變?yōu)榫幋a氨基酸的密碼，從而使多肽鏈的合成至此仍繼續(xù)下去，直至下一個終止密碼為止，形成超長的異常多肽鏈。

1).堿基替換2).移碼突變(frameshiftmutation)移碼突變

酪絲脯蘇谷色谷UAC

AGU

CCU

ACA

GAA

UGG

GAGUAC

AAG

UCC

UAC

AGA

AUGGGA

G

酪精絲酪精亮甘UAC

GUC

CUA

CAG

AAU

GGG

AG

酪纈亮谷酰天酰甘1).堿基替換2).移碼突變(frameshiftmutation)3).動態(tài)突變(dynamicmutation)脆性X綜合征

(CGG)nn=6~46；正常人群n=60~200；無臨床癥狀的攜帶者n=200~230；有臨床癥狀的患者隨著世代傳遞長度增加,發(fā)病年齡提前,病情加重六、基因修復(fù)修復(fù)(repairing)：是指針對已發(fā)生的缺陷而進行的補救機制。1、光復(fù)活修復(fù)（photoreactivationrepair）

細胞內(nèi)存在著一種光復(fù)活酶。在可見光的照射下，光復(fù)活酶被激活，從而能識別嘧啶二聚體并與之結(jié)合，形成酶-DNA復(fù)合物，然后利用可見光提供的能量，解開二聚體，此后光復(fù)活酶從復(fù)合物中釋放出來，完成修復(fù)過程，這一過程稱為光復(fù)活修復(fù)。

光修復(fù)酶光修復(fù)(lightrepairing)2、切除修復(fù)（