分子生物学概论 基因、基因组和基因组学ppt

蛋白质的研究比早，但难度较 大，发展较慢。近年来在蛋白质 的结构及其与功能关系方面取得 了一些进展，但是对其基本规律 的认识尚缺乏突破性的进展。
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3. 细胞信号转导的分子生物学
研究细胞内、细胞间信息 传递的分子基础。
生物体的细胞分裂与分化及其它各种功能的完 成，均依赖于环境所赋予的各种信号。
在外源信号的刺激下，细胞将信号转变为一系 列的生物化学变化，例如蛋白质构象的转变、蛋 白质分子的磷酸化以及蛋白与蛋白互作的变化等， 从而使其发生改变以适应内外环境的需要。
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基因功能
• 基因携带遗传信息 • 基因控制生物体的性状
（1）控制酶的合成； （2）控制结构蛋白的成分 遗传信息的表达过程是一个基因所携带的信息转变为一 种具有正常功能产物（蛋白质、多肽、RNA）的过程。 (严格的时间和空间特异性)
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第二节 基因组的结构和功能
基因组（genome）：是指一个物种的单倍体的染色体所携 带的全部遗传信息。
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一、病毒基因组的结构和功能
（1）病毒基因组的核酸类型
• 病毒基因组有4种不同类型 – 双链DNA（乳头瘤病毒） – 单链DNA（ ΦX174 ） – 双链RNA（轮状病毒） – 单链RNA（流感病毒）
• 对于单链DNA或RNA病毒而言，如果基因组序列与 mRNA相同，称为正链DNA（+DNA）或正链RNA （+RNA）病毒，如果与mRNA互补，则称为负链DNA（DNA）或负链RNA（-RNA）病毒
• 病毒基因组大小与病毒对宿主的依赖性有关
• 不同病毒核酸的碱基组成相差很大 – 疱疹病毒属，G+C含量高达75% – 痘病毒属G+C含量却低至26%
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（3）RNA病毒基因组编码序列具有节段性
多数RNA病毒的基因组是由连续的RNA链组 成；但有些病毒的基因组RNA由不连续的几条核酸 链组成；
● 1865年，孟德尔发表了他的《植物杂交实验》一文， 首次阐述了生物界有规律的遗传现象-分离定律和 自由组合定律。“遗传因子 ”
● 1900年，孟德尔遗传规律被证实，成为近代遗传学 基础。
● 1910年，Morgan的染色体—基因遗传理论 ， Gene 存在于染色体上。进一步将“性状”与“基 因”相耦联，成为现代遗传学的奠基石。
• 调节基因 指某些可调节、控制结构基因表 达的基因。
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（2）只有转录功能而没有翻译功能的基因，包 括tRNA基因和rRNA基因。
（3）不转录的基因，它对基因表达起调节控制
作用，包括启动基因和操纵基因。
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基因的结构 真核生物
编码区：能够编码产生蛋白质的序列，包括外显子与内含子。 前导区：位于编码区上游，相当于mRNA5′端非编码区。 调节区：包括启动子和增强子等基因编码区的两侧，也称为侧 翼序列。
Cohen
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(2) 基因组研究的发展
目前分子生物学已经从研究单个基因发展到研 究生物基因组的结构与功能。
1977年Sanger测定了ΦX174-DNA全部5375个核 苷酸的序列；
1978年Fiers等测出SV-40DNA全部5224bp序列； 80年代λ噬菌体DNA全部48,502bp的序列全部测 出； 一些小的病毒包括乙型肝炎病毒、艾滋病毒等 基因组的全序列也陆续被测定；
主要表现: 1. C值不随生物的进化程度和复杂性而增加,如肺鱼的
C值为112.2×109bp ，而人的是3.2×109bp ； 2. 亲缘关系密切的生物C值相差甚大，如两栖动物，
C值小的可以低至109bp以下，C值大的可以高至几乎 1011bp；
3. 高等真核生物具有比用于遗传高得多的C值，如人 的染色体组DNA含量在理论上包含300万个基因，但实 际有用途的基因只有2-3万左右。
阶段
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1.准备和酝酿阶段
19世纪后期---20世纪50年代初。该阶段产生了两点对生命 本质的认识上的重大突破：
确定了蛋白质是生命活动的主要物质基础
19 世纪末 Buchner 兄弟证明酵母无细胞提取液能使糖发酵产生 酒精，第1次提出酶(enzyme)的名称，酶是生物催化剂。
20 世纪 20-40 年代提纯和结晶了一些酶（包括尿素酶、胃蛋 白酶、胰蛋白酶、黄酶、细胞色素C、肌动蛋白等），证明酶的本 质是蛋白质。
定了牛胰岛素的空间结构。
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3.认识生命本质并改造生命的发展阶段
70年代后，以基因工程技术的出现作为 新的里程碑，标志着人类深入认识生命本 质并能动改造生命的新时期开始。其间的 重大成就包括：
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(1) 重组DNA技术的建立和发展
1967-1970年R.Yuan和H.O.Smith等发现的限制性核酸内切 酶为基因工程提供了有力的工具；
朊病毒？8
• 中心法则合理地说明了在细胞的生命活动中 两类大分子的联系和分工：
• 核酸的功能是储存和转移遗传信息，指导和 控制蛋白质的合成。
• 蛋白质的主要功能是进行新陈代谢活动和作 为细胞结构的组成成分。
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2 对蛋白质结构和功能的进一步认识
• 1956-1958 年 Anfinsen 和 White根据对酶蛋白的变性和 复性实验，提出蛋白质的三维空间结构是由其氨基酸 序列来确定的。
• 1958 年 Ingram 证明正常的血红蛋白与镰刀状红细胞 贫血病人的血红蛋白之间，肽链上仅有一个氨基酸残 基的差别，使人们对蛋白质的一级结构影响功能有了 深刻的印象。
• 对蛋白质研究的方法手段也有很大改进。 • 1969 年 Weber 应用 SDS-PAGE 测定蛋白质分子量； • 1973 年氨基酸自动测序仪问世。 • 中国科学家在 1973 年通过 1.8A X －线衍射，分析测
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基因总数与必需基因
生物体的复杂程度与基因组中基因数目成正 相关（不完全成比例）
必需基因：指关系到生物体存活的基因，可通过基因突变的 方法确定致死位点的数量，以得知基因组必需基因的数量 • 有相当一部分基因对生物体的存活没有影响。原因之一可
能是冗余（也即多拷贝）基因的存在 • 基因组中是否存在非必需基因，其比例是多少等有待研究
分子生物学角度：
• 基因（gene）：是合成有功能的蛋白质 或RNA所必需的全部DNA，包括编码蛋 白质或RNA的核酸序列及为保证转录所 必需的调控序列。
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基因的分类
基因按其功能可分为：
（1）具有转录和翻译功能，编码蛋白质的基 因。包括结构基因和调节基因；
• 结构基因 可被转录成mRNA，并可翻译成 多肽，构成结构蛋白或催化各种生化反应 的酶。
• 原核生物（prokaryote）和真核生物（eukaryote）的基因 组都是DNA • 病毒基因组有的是DNA，有的是RNA
基因组（原核生物和真核生物） • 染色体基因组（chromosomal genome） • 染色体外基因组（extrachromosomal genome） 如：细菌的质粒（plasmid）DNA 真核生物的线粒体（mitochondria）DNA 叶绿体（chloroplast）DNA
1973年，美国斯坦福大学的Cohen 组将 E. coli的tetr质粒psclol和neorsr Rb-3质粒 体外限制酶切割，连接成一个新的质 粒，转化E. coli，在含有四环素和新霉 素的平板上筛选出了tetrner，实现了细 菌遗传性状的转移。这是基因工程史 上的第一个克隆化并取得成功的例子， 由此宣告了基因工程的诞生，这一年 被定为基因工程诞生的元年。
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（2）病毒基因组的大小及碱基组成
• 病毒基因组大小在不同病毒有较大差异，变化范围在1.5×103bp（核 苷酸，nucleotide，nt）～3.6×106bp（nt）之间
乙肝病毒DNA：3kb，信息量较小，编码4种蛋白质 痘病毒的基因组：300kb，编码几百种蛋白质（病毒复制所涉及
的酶类编码，核苷酸代谢的酶类）
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三、分子生物学的主要研究内容
1. 核酸的分子生物学
研究核酸的结构及其功能，包括核酸/基因组 的结构、遗传信息的复制、转录与翻译，核酸 存储的信息修复与突变，基因表达调控和基因 工程技术的发展和应用等。遗传信息传递的中 心法则是其理论体系的核心。
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2. 蛋白质的分子生物学
研究蛋白质的结构与功能。
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断裂基因（splite gene）
• 真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间 隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻 译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断 裂基因
• 编码序列称外显子(exon)，非编码序列称内含子(intron)。
1977年发现断裂基
因，1993年获诺贝
第一个实现DNA重组的人－Berg 1972年斯坦福大学的 Paul Berg 小组首次完成了体外重组实验：用E.coR Ⅰ切 割SV40 DNA和λ噬菌体DNA，经过连接组成重组的DNA 分子。(1980年诺贝尔化学奖)
SV40
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l噬菌体
Paul Berg
第一个取得基因工程成功的人－Cohen
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对蛋白质一级结构和空间结构的认识
1902年Emil Fisher证明蛋白质结构是多肽；
1950年Pauling和Corey提出了α-角蛋白的α-螺旋结 构模型。
1953年Sanger和Thompson完成了第一个多肽分 子——胰岛素A链和B链的氨基全序列分析。
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确定了生物遗传的物质基础是DNA
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（1）遗传信息传递中心法则的建立
逐渐完善了对DNA复制机理的认识
1953年Watson和Crick提出DNA复制的模型； 1954年Crick提出遗传信息传递的规律—— 中心法则； 1970年Crick提出了完整的中心法则。
• 实线箭头的转移普遍地存在于所 有生物细胞中。