现代分子生物学课件-第六章
分子生物学第5章、第6章
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•DNA分子内或分子间发生遗传信息的重新组合,称为 遗传重组,或基因重排。→ 重组DNA •真核生物基因组间重组多发生在减数分裂时同源染 色体之间的交换;细菌及噬菌体的基因组为单倍体, 来自不同亲代两组DNA之间可通过多种形式进行遗传 重组。 •DNA重组对生物进化起着关键的作用。 •重组分类:同源重组(homologous recombination) 、 位点特异性重组(site-specific recombination)、 转座重组(transposition recombination)和 异常重组(illegitimate recombination)。
1. 互变异构体:碱基发生烯醇式-酮式互变异构或者氨 基-亚氨基互变异构时,使碱基错配。 2. 脱氨基作用:碱基上氨基自发脱落,或在诱变剂的 作用下脱去氨基,则C→U、A →I、G →X,引起子 链错误。 3. DNA聚合酶“打滑”:DNA复制时发生碱基的环出现 象,引起一个或数个碱基的插入或缺失,易发生于 几个相同碱基串联的部位。 4. 活性氧(O3)引起的诱变:①氧化碱基与C、A配对, 造成GC → TA颠换,这种损伤可以积累;②H2O2造成 的DNA氧化损伤,此类损伤一般能被修复。
核苷酸切除修复
错配修复
错配修复对 DNA复制忠实 性的贡献力达 102-103,DNA 子链中的错配 几乎完全都被 修正,充分反 映了母链的重 要性。
大肠杆菌甲基化引 导的错配修复
重组修复
易错修复和SOS反应
•SOS反应:当DNA损伤广泛难以继续复制时,由此而
诱发出一系列复杂的反应。
•这种修复特异性低,对碱基的识别、选择能力差。
5.3.4 基因突变的后果
基因突变的后果主要是生物功能的丧失。 某一基因突变后使其所表达的蛋白质或酶失活, 有时还会引起多种酶的缺乏。 有些突变可产生功能获得性显性表现型。 典型的人体细胞突变每个基因每代发生率为107~10-5,但并非所有的突变都会导致疾病。
分子生物学第六章:DNA损伤与修复
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48
4.直接插入嘌呤
DNA链上嘌呤的脱落造成无嘌呤位点,能被
DNA嘌呤插入酶(insertase)识别结合,并在K+
存在下催化游离的嘌呤碱基或脱氧核苷与DNA无
嘌呤部位形成糖苷键。且催化插入的碱基有高
度专一性、与另一条链上的碱基严格配对,使
DNA完全恢复。
49
三、碱基切除修复(Base
Excision Repair,BER)
35
第二节
错配修复
DNA修复
DNA的修复主要类型:
直接修复
切除修复 重组修复 跨损伤修复 (SOS修复)
36
一、错配修复
在DNA复制过程中, DNA聚合酶能够利用
其3ˊ一5ˊ外切核酸酶活性去除错配核苷酸,但
是这种校正作用并不十分可靠, 某些错配核苷酸
可能逃避检测, 出现于新合成的DNA链中。 错
胞嘧啶
O6-乙基鸟嘌呤 胸腺嘧啶
25
(一)烷化剂对DNA的损伤 2.碱基脱落 烷化鸟嘌呤的糖苷键不稳定,容易脱 落形成DNA上的无碱基位点,复制时可以 插入任何核苷酸,造成序列的改变。
26
(一)烷化剂对DNA的损伤
3.断链
DNA链的磷酸二酯键上的氧也容易被 烷基化,结果形成不稳定的磷酸三酯键, 易在糖与磷酸间发生水解,使DNA链断裂。
不识别任何特殊的碱基损失,而是识 别双螺旋形状的改变;修复时切除含有损 伤碱基的那一段 DNA。
54
55
56
核苷酸切除修复 (大肠杆菌)
紫外线诱导uvrA、 uvrB、uvrC和uvrD 四种基因表达
UvrA:识别损伤 部位 UvrB:解旋双链
57
UvrC:
5ˊ末端内切
现代分子生物学(课堂PPT)
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基因表达的异常与多种疾病的发生和发展密切相关,如癌症、遗传病等。因此,研究基因 表达的调控机制对于理解疾病的发生和治疗具有重要意义。
PART 03
DNA复制与修复
REPORTING
DNA复制的过程与特点
DNA复制的过程
起始、延伸、终止三个阶段,涉及多种蛋白质和酶的参与,确保 DNA的准确复制。
维持内环境稳定
基因表达调控有助于维持生物 体内环境的稳定,如血糖、血 压和免疫系统等。
响应生物信号
基因表达调控可以响应来自生 物体内部的信号,如激素和神 经递质等,从而调节生物体的
生理活动。
PART 06
分子生物学技术与应用
REPORTING
DNA重组技术
重组DNA技术的基本步骤
获取目的基因、构建基因表达载体、将目的基因导入受体细胞、 目的基因的检测与鉴定。
基因芯片技术及其应用
基因芯片技术的原理
将大量已知序列的基因片段固定在固相支持物上,与待测 样品进行杂交,通过检测杂交信号实现对基因表达的定量 分析。
常用的基因芯片技术
cDNA微阵列、寡核苷酸微阵列、蛋白质微阵列等。
基因芯片技术的应用
基因表达谱分析、基因突变检测、疾病诊断、药物筛选等 。
THANKS
表观遗传学调控
真核生物中还存在表观遗传学调控,如 DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA的 调控等。
基因表达调控的生物学意义
适应环境变化
基因表达调控使生物体能够适 应不同的环境条件,如温度、
光照、营养状况等。
细胞分化与发育
基因表达调控在细胞分化和发 育过程中起着关键作用,使不 同细胞具有不同的形态和功能 。
分子生物学发展
第六章分子设计育种.ppt
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与常规育种方法相比,作物分子设计育种首先在计算机上模 拟实施,考虑的因素更多、更周全,因而所选用的亲本组合、 选择途径等更有效,更能满足育种的需要,可以极大地提高 育种效率。
2.是一个结合多学科的系统工程
分子设计育种在未来实施过程中将是一个结合分 子生物学、生物信息学、计算机学、作物遗传学、 育种学、栽培学、植物保护、生物统计学、土壤 学、生态学等多学科的系统工程。
三是预见性差,一般很难预测杂交后代的表现,有时即使成功,也不明白其 中的真正原因。
例如:传统育种技术要培育抗病品种,通常是用
抗病品种做亲本,与具有其他优良目标性状(比 如抗倒伏)的品种杂交,从产生的后代中进行选 择,这样的选择要进行5-6代。但如果选择时田间 没有发病,就无法确定后代是否具有抗病性,这 样经过多年选育出的材料最后可能发现是感病的, 结果就前功尽弃。
农作物的数量性状QTL定位研究比较深入的作物有水稻、玉米、 小麦和番茄等。从不同角度分析了QTL的主效应、QTL之间的互作效 应、QTL与环境的互作效应等,在此基础上,进行单基因分解、精细 定位和图位克隆研究。
等位基因变异的检测与表型性状的深入鉴定相结合已成为从种 质资源中发掘新基因的有效手段。利用高代回交导入系结合定向选择, 大规模发掘种质资源中有利基因,从而获取QTL的复等位基因在不同 遗传背景下的表达效应,以便将QTL定位研究与植物育种紧密结合起 来,为分子设计育种提供全面、准确的遗传信息。
2 分子标记技术发展日新月异
第一代分子标记:自20世纪80年代以来,先后开发出基
于Southern 杂交的第一代分子标记 (RFLP为代表) 第二代分子标记:基于PCR的第二代分子标记(SSR为代表)。 第三代分子标记:基于基因序列的第三代分子标记,即来自
医学分子生物学第六章_信号转导
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调节蛋白质功能 水平,调节细胞分化和增
和表达水平
殖
受体的结构特点
• 结合结构域-----识别外源信号分子并与之结 合
• 效应结构域-----转换配体信号,使之成为细 胞内分子可识别的信号
3、信号转导分子和分子开关
• 信号转导分子(signaling molecule):细 胞内执行信号转导的成分的一些蛋白质分 子和小分子活性物质。
• 信号转导分子组织在支架蛋白上的意义:
① 保证相关信号转导分子容于一个隔离而稳定的信号转导 通路内,避免与其他不需要的信号转导通路发生交叉反 应,以维持信号转导通路的特异性;
② 增加调控复杂性和多样性。
信号转导通路中的一些环节是由多种分子聚集形成的 信号转导复合物(signaling complex)来完成信号 传递的。
激酶
磷酸基团的受体
蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶 蛋白酪氨酸激酶 蛋白组/赖/精氨酸激酶 蛋白半胱氨酸激酶 蛋白天冬氨酸/谷氨酸激酶
丝氨酸/苏氨酸羟基 酪氨酸的酚羟基 咪唑环,胍基,ε-氨基 巯基 酰基
蛋白磷酸酶衰减或终止蛋白激酶诱导的效应
• 蛋白质磷酸酶(phosphatidase)使磷酸化的 蛋白分子发生去磷酸化,与蛋白激酶共同 构成了蛋白质活性的调控系统。
及信息传递,是指一个细胞发出的信息通过介 质传递到另一个细胞并与靶细胞相应的受体相 互作用,然后通过信号转导产生胞内一系列生 理生化反应,最终表现为细胞整体的生物学效 应的过程。
T淋巴细胞
(一)细胞通讯的方式
靶细胞
细胞间隙连接
细胞表面分子接触通讯 可溶型信号分子
化学信号介导通讯
❖分泌化学信号
根据体内化学信号分子作用距离,可以将 其分为三类:
分子生物学教学资料第6章rna剪接
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Primary transcript定义:Exons (外显子):编码序列Introns (内含子) : 间隔序列RNA splicing(RNA剪接): 从前mRNA中除去内含子的过程Alternative splicing (可变剪接): 有些前mRNA存在不止一种的剪接方式,从而产生不同的mRNA。
通过这种方式一个基因可以产生多个多肽产物。
通过可变剪接,从一个基因得到的不同产物数量可以从2种到数百甚至数千种。
Why RNA splicing is important?1.RNA剪接的化学基础2. 剪接体Spliceosome:执行RNA的剪接的大复合体,有5种snRNA(核内小RNA: U1,U2,U4,U5,U6),主要执行功能是RNA非蛋白质。
snRNA的三个功能:Recognizing:识别5’剪接位点和分支位点Bringing:将这两个位点集结到一起U2 取代BBP3. 剪接过程可变剪接Alternative splicing and regulation通过可变剪接一个基因可以得到多个产物。
RNA剪接的5种模式①正常剪接②外显子遗漏③外显子延伸④内含子保留⑤可变剪接可变剪接:组成型:同一个基因总是产生多种不同产物调控型:不同的时间、条件下或不同的细胞、组织中,产生不同mRNA剪接调控蛋白结合到特殊序列上:外显子/内含子剪接增强子enhancer(ESE or ISE)-增强附近剪接位点的剪接(剪接->未剪接)外显子/内含子剪接减弱子silencer(ESS or ISS)–减弱附近剪接位点的剪接(未剪接->剪接) (在不同条件下引导剪接体到不同的剪接位点发挥作用;在发育的某个阶段或在某种类型的细胞中,一种特定的SR蛋白的存在与否或者活性高低,就可以决定某一个特定的剪接位点是否得到利用)特殊内含子剪切体:AT-AC型剪接体催化的剪接反应:U1->U11,U2->U12自剪接内含子Self-splicing introns and mechanisms自剪接:前体RNA中的内含子自身折叠成一种特殊的构象,然后催化自身释放的化学过程。
分子生物学 第六章
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摆动性
• 反密码子与密码子之间的配对并不完全遵照 碱基互补规律,称为摆动配对。
二、tRNA
(一)结构特点 1.二级结构:三叶草结构
四环: 二氢尿嘧啶环 反密码子环 额外环 胸腺嘧啶假尿嘧啶胞嘧啶环 一臂: 氨基酸接受臂
2.三级结构——“倒L型”
(二)起始tRNA
密码子 氨基酸 表示方法
(二)延伸
1.进位 • 氨酰-tRNA 按照mRNA 分子的编码 信息进入并 结合到核糖 体A位。
(二)延伸
2.成肽
• 转肽酶催化 肽酰-tRNA 上的肽酰基 转移到A位 氨酰-tRNA 上的氨基酸 α-氨基上。
(二)延伸
3.转位
• 转位酶催化核 糖体沿mRNA 的3‘方向移动 一个密码子的 距离,使 mRNA上的下 一个密码子进 入A位,肽酰tRNA由A位移 入P位。
三、修饰
(一)磷酸化 是指在蛋白激酶的催化作用下,ATP的γ-磷酸 基被转移到蛋白质特定位点上的过程。 通常蛋白质的丝氨酸、苏氨酸和在糖基转移酶的作用下,蛋白质的特定 氨基酸残基被共价连接上寡糖链的过程。 • 糖链与氨基酸的连接主要有O型连接和N型 连接两种方式。
终止密码子: 琥珀石(UAG) 赭石(UAA) 卵白石(UGA)
起始密码子: AUG(甲硫氨酸)
2.特性
(1)完整性:有始有终 (2)方向性:5’到3’ (3)连续性:不中断、无重叠 (4)简并性:多对一 (5)统一性:万物统一 (6)摆动性::3’位可变 (7)偏爱性:使用频率各异
简并性
• 一种氨基酸具有 两个或两个以上 的密码子为其编 码,这一特性称 为遗传密码的简 并性。
一、mRNA (一)结构特点
原核 生物
真核 生物
现代分子生物学课件
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生物体在面对紫外线、化学物质 等外界环境压力时,DNA损伤修 复机制能够抵御这些压力对基因 组的破坏作用。
01 02 03 04
保障细胞正常功能
DNA损伤若不及时修复,可能导 致细胞功能障碍或死亡,因此损 伤修复对于保障细胞正常功能具 有重要意义。
预防疾病发生
许多疾病的发生与DNA损伤修复 机制的缺陷有关,因此完善的 DNA损伤修复机制对于预防疾病 的发生具有积极作用。
06
现代分子生物学实验技术
Chapter
聚合酶链式反应技术原理及应用
技术原理
聚合酶链式反应(PCR)是一种 分子生物学技术,通过特定的引 物和DNA聚合酶,在体外条件下 快速扩增特定的DNA片段。
应用领域
PCR技术广泛应用于基因克隆、 基因突变分析、DNA测序、病原 体检测、法医学鉴定等领域。
实验操作
04
重组DNA技术与基因工程
Chapter
重组DNA技术基本原理
重组DNA技术定义 重组DNA技术是指在体外将不同来源的DNA分子进行剪 切、连接,形成重组DNA分子,然后将其导入宿主细胞中 进行复制和表达的技术。
DNA分子剪切
利用限制性核酸内切酶等工具,在特定序列处将DNA分子 切断,形成具有互补粘性末端的DNA片段。
等提供了有力手段。
基因组学在疾病研究中的应用
03
通过基因组关联分析等方法,揭示基因与疾病之间的关联,为
疾病诊断和治疗提供新思路。
转录组学和蛋白质组学应用
转录组学
研究细胞或组织中基因转录的情况,揭示基因表达调控机制。
蛋白质组学
研究细胞或组织中蛋白质的种类、数量、结构和功能,揭示蛋白质在生命活动中的作用。
《现代分子生物学》PPT课件
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完整版课件ppt
13
遗传密码
• 遗传密码的破译 • 遗传密码的特性:无逗号、不重叠、通用
性、简并性、起始密码和终止密码
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14
tRNA的结构与功能
• tRNA的二级结构:三叶草型——四环四臂 • tRNA的三级结构:倒L型 • tRNA的功能:密码子与反密码子的配对 • tRNA种类:起始tRNA与延伸tRNA、同工
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35
免疫球蛋白
• 免疫系统:体液免疫和细胞免疫 • B细胞的分化过程 • 免疫球蛋白的结构 • 免疫球蛋白基因重排产生多样性
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36
果蝇胚胎的模式发育
• 重要基因:BICOID和HUNCHBACK(前端 形成),NANOS和CAUDAL(后端形成)
• 同源域基因:存在于生物中的一类高度保 守的基因,可能与模式发育有关。
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21
酵母双杂交系统
• 用于分离能与已知靶蛋白质互作的基因 • 基本原理:真核生物的转录因子大多有两
个结构分开、功能上独立的结构域组成: DNA结合域(BD)和转录激活域(AD), 只有两者在空间上相互靠近才能起始转录。
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22
第六章 基因的表达与调控(上)
知识要点
• 基因表达调控的基本概念 • 操纵子模型
• 激素调节、热激蛋白调节、金属蛋白调节
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31
第八章 疾病与人类健康
知识要点
• 癌症发病机制 • 癌基因概念和分类 • 基因治疗的概念
完整版课件ppt
32
癌基因的概念和分类
• 癌基因:体外引起细胞转化,体内诱发肿 瘤。分为v-onc(HIV和HBV)和c-onc两类
分子生物学(杨洋)第六章 rna剪接-rna splicing
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Step 1: The OH of the conserved A at the branch site attacks the phosphoryl group of the conserved G in the 5’ splice site. As a result, the 5’ exon is released and the 5’-end of the intron forms a three-way junction structure.
Trans-splicing:原本位于两个不同RNA分子 上的外显子可以连接到同一条mRNA中
标准剪接:套索结构
反式剪接:Y型分支结构
Figure 13-5
Not a lariat
Topic 2 THE SPLICESOME MACHINERY (剪接体)
2.1 RNA splicing is carried out by a large complex called spliceosome (RNA剪接是由一个称为剪接体的大复合体 执行的) The above described splicing of introns from pre-mRNA are mediated by the spliceosome. The spliceosome comprises about 150 proteins and 5 snRNAs(5种RNA,核内小RNA). Many functions of the spliceosome are carried out by its RNA components(剪接体的多数 功能是由其RNA而不是蛋白质执行的)
分支点
RNA-RNA interactions between different snRNPs, and between snRNPs and pre-mRNA
2024年度现代分子生物学课件完整版
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DNA重组的方式与意义
01
02
03
04
同源重组
发生在同源序列之间的重组, 包括交叉互换和非交叉互换两
种类型
位点特异性重组
发生在特定DNA序列之间的 重组,需要特定的重组酶催化
2024/3/24
转座重组
通过转座子的移动实现的 DNA重组
DNA重组的意义
促进生物进化,产生生物多样 性;参与基因表达调控;修复
翻译水平调控
通过mRNA的稳定性、翻译起始速率等因素控 制蛋白质合成的数量和质量。
表观遗传学调控
通过DNA甲基化、组蛋白修饰等方式影响基因表 达的可遗传变化。
2024/3/24
适应环境变化
使生物体能够根据不同环境条件调整基因表达模式 ,以维持内环境稳定。
细胞分化与发育
在细胞分化和发育过程中,基因表达调控确保不 同细胞类型具有独特的表型特征。
2024/3/24
4
分子生物学的研究内容
生物大分子的结构与功能
遗传信息的传递与表达
研究生物大分子如蛋白质、核酸等的结构 特点、理化性质以及生物功能。
研究DNA复制、RNA转录和蛋白质翻译等 遗传信息传递过程及其调控机制。
基因表达的调控
细胞信号传导与基因表达调控
研究基因表达的时空特异性以及环境因素 对基因表达的影响。
蛋白质相互作用研究
利用酵母双杂交、免疫共沉淀等技术研究蛋 白质之间的相互作用及其功能。
2024/3/24
蛋白质测序
利用质谱等技术对蛋白质序列进行测定,包 括肽质量指纹图谱、蛋白质组学等。
蛋白质表达与功能分析
通过基因工程手段在特定宿主中表达目标蛋 白质,研究其结构和功能。
现代分子生物学课件-第六章上课讲义
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6.3.5 RNAi技术及其应用
RNAi(RNA interference ,RNA干扰)技术: 利用双链小RNA高效、特异性降解细胞内同源 mRNA从而阻断靶基因的表达,使细胞胞出现 靶基因缺失的表型。
dsRNA:双链RNA;siRNA:short interfering RNA,小分子干扰RNA。
异构体BTLAi(BTLA isoform)的氨基酸序列比对及其结构分析
BTLAi和BTLA跨膜预测
BTLA和BTLAi的跨膜螺旋段预测结果
A: BTLAi; B: BTLA
融合蛋白BTLAs-DsRed2和BTLAs-DsRed2的 在转染细胞膜上表达的检测
图3.5 流式细胞术检测HVEM-Fc融合蛋白和单抗MIH26与基因转染细胞结合的结果
图6-15 酵母单杂交的基因原理示意图
6.3.2 酵母双杂交系统
酵母双杂技术主要用于研究蛋白质之间的 相互作用。
酵母双杂系统利用了真核生物转录调控因 子的组件式结构特征:DNA结合结构域;转录 激活结构域。
酵母双杂原理示意图:图6-17。
GTAC 连接,形成多联体
CATG GTAC
克隆,测序
计算机数据分析
6.1.2 RNA的选择性剪接技术
RNA选择性剪接是指用不同的剪接方式从一 个mRNA前体产生不同的mRNA剪接体的过程。
选择性剪接一般分为:平衡剪接,5’ 选择性剪接, 3’选项择性剪接,外显子遗漏和相互排斥性剪接。 如6-2。
策略与步骤
6.3 蛋白质及RNA相互作用技术
6.3.1 酵母单杂交系统(yeast one-hybrid system)
20世纪90年代发展,用于研究蛋白质—DNA相 互作用。在酵母细胞内研究真核生
现代分子生物学课件

DNA聚合酶
▪ DNA分子切割
限制性内切酶
▪ DNA片段与载体连接
DNA连接酶
▪ DNA凝胶电泳
▪ 细胞转化及重组子的筛选与鉴定等
2020/12/8
16
分子生物学的研究内容
DNA重组技术
三大基本工具: ➢ “分子手术刀” 限制性核酸内切酶 ➢ “分子缝合针” DNA连接酶 ➢ “分子运输车” 基因进入受体细胞的载体
(4)基因组、功基因组与生物信息学研究
基因组(genome): 生物有机体的单倍体细胞中的所有DNA,包括
核中的染色体DNA和线粒体、叶绿体等亚细胞器中 的DNA。
P. 456
2020/12/8
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分子生物学的研究内容 基因组、功能基因组与生物信息学研究
基因组计划: 测定基因组序列。
- 人类基因组计划 目的是揭开人类所有的遗传结构, 包括所有的基因(尤其是与疾病相关的基因)和基因外 序列的结构。1990年-2001年,美、英、法、德、 日、中 6 国的合作已完成人类基因的全部序列测定工 作。见表2-1, P. 19. - 小家鼠、果蝇、线虫、拟南芥、水稻、啤酒酵母,以 及多种真菌、细菌的基因组研究相继展开,其中拟南 芥基因组的全序列测定已完成。
结构分子生物学
结构分子生物学就是研究生物大分子特定的空间结 构及结构的运动变化与其生物学功能关系的科学。
主要包括三个研究方向: ✓ 结构的测定 采用X射线衍射、二维或多维核磁共振等方法 ✓ 结构运动变化规律的探索 ✓ 结构与功能相互关系的建立
2020/12/8
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分子生物学的研究内容 基因组、功能基因组与生物信息学研究
(3.2 108bp)。 ➢2001年, 完成人类基因组全序列测定(3.5 109bp)。
现代分子生物学课件
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现代分子生物学课件一、引言分子生物学是研究生物大分子(如DNA、RNA和蛋白质)的结构、功能和相互作用的科学。
随着科学技术的飞速发展,现代分子生物学已经取得了许多重要的突破,为生命科学、医学、农业等领域的研究和应用提供了强大的理论和技术支持。
本课件旨在介绍现代分子生物学的基本原理、技术方法和研究进展,以帮助学生更好地理解分子生物学的基本概念,掌握相关实验技术,并为未来的科研工作打下坚实的基础。
二、DNA的结构与功能DNA是生物体内携带遗传信息的分子,其双螺旋结构由两条互相缠绕的链组成。
DNA分子由四种碱基(腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和鳞状细胞素)组成,它们通过氢键相互配对,形成碱基对。
DNA 的主要功能是存储和传递遗传信息,指导蛋白质的合成,从而调控生物体的生长、发育和代谢等生命活动。
三、基因的表达与调控基因的表达是指DNA序列转化为功能蛋白质的过程,包括转录和翻译两个阶段。
转录是指DNA模板上的信息被复制成RNA分子的过程,翻译是指RNA分子被翻译成蛋白质的过程。
基因的表达受到多种因素的调控,包括转录因子、染色质结构、DNA甲基化等。
这些调控机制确保了基因在适当的时空条件下表达,从而维持生物体的正常生理功能。
四、分子生物学技术1.PCR(聚合酶链反应):一种在体外扩增DNA片段的技术,具有高灵敏度、高特异性和操作简便等特点。
2.克隆技术:将DNA片段插入到载体中,使其在宿主细胞中复制和表达的技术。
3.基因敲除和敲入:通过基因编辑技术(如CRISPR/Cas9)对生物体的基因进行精确修改,以研究基因的功能。
4.蛋白质组学:研究生物体内所有蛋白质的表达、修饰和相互作用的技术。
5.代谢组学:研究生物体内所有代谢物的种类、含量和变化的技术。
五、现代分子生物学研究进展1.基因组学:人类基因组计划的完成,揭示了人类基因组的整体结构和功能。
2.系统生物学:通过整合生物学数据,研究生物系统的整体行为和调控机制。
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6.1 基因表达研究技术
6.1.1 基因表达系列分析技术
基因表达系列分析技术( SAGE )是一种 以DNA序列测定为基础定量分析全基因组表达 模式的技术。
SAGE的操作过程如下图或书中图6-1所示。
mRNA
生物素酰化的Oligo-dT引导合成 cDNA双链 AAAAAA TTTTTT 锚定酶(设为Nla)酶切,磁珠吸附 AAAAAA TTTTTT 分成两池,加入接头A,B AAAAAA TTTTTT AAAAAA TTTTTT 标签酶酶切,释放标签,末端补平 CATG GTAC 平端连接
特点:可识别稳定结合于DN码基因。
原理:
将已知的特定顺式作用元件构建到带 有报告基因最基本启动子 (pmin) 的上游, 然后编码待测转录因子 cDNA 与已知酵母 转录激活结构域(AD)融合表达载体导入酵 母细胞,该基因产物如果能够与顺式作用 元件相结合,就能激活Pmin启动子,使报 告基因得到表达。
若把某一生物体内全部基因分别点到 DNA 微 列阵或者基因芯片上,再用不同发育阶段的 cDNA与之杂交,就能了解某些基因对特定生 长发育阶段的重要性。
基因芯片还可用于进行基因诊 断。先建立正常人特定组织、器官 的基因芯片,给出标准杂交信号图, 用可疑病人的 cDNA 做探针与之杂 交,检哪些基因的表达受抑制或激 活。
CATG GTAC CATG GTAC CATG GTAC CATG GTAC CATG GTAC CATG
A B
A
B
A
CATG GTAC
B PCR扩增,锚定酶酶切
GTAC 连接,形成多联体 CATG GTAC 克隆,测序
CATG GTAC
计算机数据分析
6.1.2 RNA的选择性剪接技术
RNA选择性剪接是指用不同的剪接方式从一 个mRNA前体产生不同的mRNA剪接体的过程。
图6-15 酵母单杂交的基因原理示意图
6.3.2 酵母双杂交系统
酵母双杂技术主要用于研究蛋白质之间的 相互作用。 酵母双杂系统利用了真核生物转录调控因 子的组件式结构特征:DNA结合结构域;转录 激活结构域。
酵母双杂原理示意图:图6-17。
选择性剪接一般分为:平衡剪接,5’ 选择性剪接, 3’选项择性剪接,外显子遗漏和相互排斥性剪接。 如6-2。
发现新的可变剪接体( splice variant),确 定每个异构体(isoform)的独特功能和生物学意 义并阐明其调节机制,是功能基因组时代的一个 重要特征。
BTLAs(BTLA splice variant)
6.3.5 RNAi技术及其应用
RNAi(RNA interference ,RNA干扰)技术: 利用双链小RNA高效、特异性降解细胞内同源 mRNA从而阻断靶基因的表达,使细胞胞出现 靶基因缺失的表型。 dsRNA :双链 RNA ; siRNA : short interfering RNA,小分子干扰RNA。 RNAi作用机制示意图:图6-24。
图6-24 RNAi作用机制图解
6.4 基因芯片及数据分析
基因芯片( gene chip )或又称为 DNA 微列阵 (DNA microarray)技术:能够同时监测大量 靶基因表达的实验手段,迅速准确地在基因组 水平上阐棕不同生物组织或细胞中各种转录本 的变化规律。
用机械手把已知或未知的 DNA 片段点到玻片 或其它载体上并使之固定,用不同细胞周期 发育阶段的cDNA作探针系统性地研究细胞中 任何时期特异表达的基因。
6.3.1 酵母单杂交系统(yeast one-hybrid system) 20世纪90年代发展,用于研究蛋白质—DNA相 互作用。在酵母细胞内研究真核生
用途:研究DNA-蛋白质之间的相互作用, 筛选转录调控因子。
图6-17 酵母双杂交技术原理示意图
6.3.3 体外蛋白质相互作用技术
1、Far Western 印迹技术 2、GST融合蛋白沉淀技术 3、蛋白质芯片技术 4、等离子表面共振技术
5、免疫共沉淀技术
6.3.4 细胞内蛋白质相互作用技术 ——FRET技术
将蛋白质标上荧光探针,当蛋白质间不发 生相互作用时,其相对距离较大,无荧光共振 能量转移( FRET )现象;而蛋白质发生相互 作用时,其相对距离缩小,FRET发生(图6-23 )。
荧光原位杂交(FISH)
荧 光 原 位 杂 交 (fluorescence in situ hybridization, FISH)是在20世纪80年代末在放 射性原位杂交技术的基础上发展起来的一种非 放射性分子细胞遗传技术。FISH的基本原理是 首先对寡核苷酸探针进行特殊的修饰和标记, 然后用原位杂交法与靶染色体或 DNA上特定的 序列结合,再通过与荧光素分子相偶联的单克 隆抗体来确定该DNA序列在染色体上的位置。
6.1.4 基因定点突变技术
基因定点突变技术常用于研究某个(些) 氨基酸残基对蛋白质的结构、催化活性以及结 合配体能力的影响,也可用于改造DNA调控元 件特征序列,修饰表达载体,引入新的酶切位 点等。
主要采用PCR法:重叠延伸技术和大引物诱变 法。
6.2 基因敲除技术
6.2.1 基本原理
*经典遗传学:从表型出发,研究基因型。
BTLA剪接体基因的结构分析
RT-PCR法克隆人BTLA编码区基因电泳结果
BTLAs编码的异构体蛋白BTLAi序列分析及其预测
异构体BTLAi(BTLA isoform)的氨基酸序列比Ai的跨膜螺旋段预测结果
A: BTLA实现
真核生物的转录因子大多是由两个结构 上分开、功能上独立的结构域组成的。如 GAL4 的 N 端 1-147aa 是 DNA 结合域( BD ), 其C端768-881aa是转录激活域(AD)。一般 情况下, BD 能与 GAL4 效应基因启动子上游 的特定 DNA 区段( UAS )相结合, AD 则推 动了转录起始。
被展示的多肽或蛋白可以保持相对独立的空间 结构和生物活性,以利于靶分子的识别和结合。 因而可用于筛选目的蛋白。 图6-36
图6-36 噬箘体展示技术研究蛋白质相互作用
蛋白质磷酸化技术
底物蛋白磷酸化和蛋白激酶活性检测 蛋白质分离、SDS-PAGE、体外磷酸化 反应(图6-38)
图6-38 蛋白激酶体外磷酸化活性分析
2、条件型基因敲除
条件型基因敲除:通过定位重组系统实现特定 时间和空间的基因敲除。
对有重要生理功能的基因,完全基因敲除使有 关基因功能的研究无法开展。 Cre/LoxP和FLP/FRT系统,具有可调节性。
图6-11。
图6-11 条件型基因敲除策略
图6-12 基因敲除 的主要技术 策略与步骤
6.3 蛋白质及RNA相互作用技术
融合蛋白BTLAs-DsRed2和BTLAs-DsRed2的 在转染细胞膜上表达的检测
图3.5 流式细胞术检测HVEM-Fc融合蛋白和单抗MIH26与基因转染细胞结合的结果
激光共聚焦观察DsRed2和GFP在转染细胞的分布
6.1.3 原位杂交技术
原位杂交是用标记的核酸探针,经过放射 自显影或放射检测体系,在组织、细胞、间期 核及染色体上对核酸进行定位和相对定量的一 种方法。 RNA原位杂交:在mRNA水平上,用标记 的探针与固定的组织切片反应后进行显色反应, 从而对该基因的表达进行定性定量分析。
6.6 其它分子生物学技术
凝胶滞缓实验(EMSA):是体外分析DNA与 蛋白质相互作用的一种特殊的凝胶电泳技术。 基本原理是蛋白质与DNA结合后将大增加相对 分子质量,没有结合蛋白的DNA片段跑得快, 而与蛋白质形成复合物的DNA由于受到阻滞而 跑得慢。
噬菌体展示技术:是将外源蛋白或多肽的DNA 序列插入到噬菌体外壳蛋白结构基因的适当位 置,使外源基因随外壳蛋白的表达而表达,同 时,外源蛋白随噬菌体的重新组装而展示到噬菌 体表面的生物技术。
第六章 分子生物学研究法(下)
——基因功能研究技术
本章主要介绍研究基因功能的各种分子生物学技 术和方法,比如通过这些方法研究: ( 1 )单个或多个基因在生物体的某些特定发育阶 段或在不同环境下的表达模式; ( 2 )某基因缺失后生物体表型变化 分析该基因 功能; (3)蛋白质相互作用认识信号转导通路等。
* 现代遗传学:从基因序列出发,推测表型, 从而推导出该基因功能。 基因敲除:又称为基因打靶,该技术通过外源 DNA与染色体DNA之间的同源重组,进行精确 的定点修饰和基因改造,具有专一性强、染色 体DNA可与目的片段共同稳定遗传等特点。
1、完全基因敲除
完全基因敲除:通过同源重组法完全消除细胞 或动物个体中的靶基因活性。 一般采用取代型或插入型载体在ES细胞中根据 正负双向选择原理进行完全基因敲除。 图6-9;图6-10。