分子生物学课件之基因结构与功能分析-1
合集下载
生物化学及分子生物学(人卫第九版)25基因结构功能分析和疾病相关基因鉴定克隆PPT课件
在基因数据库中，初步明确基因的编码序列，并可对其编码产物的基速扩增（RACE）技术是高效钓取未知基因编码序列的一种方法。
3. 用RNA剪接分析法确定基因编码序列
选择性剪接的转录产物可以通过基因表达序列标签（expression sequence tag, EST）的 比较进行鉴定。
基因功能获得策略的本质是将目的基因直接导 入某一细胞或个体中，使其获得新的或更高水平的 表达，通过细胞或个体生物性状的变化来研究基因 功能。
方法： 转基因技术 基因敲入技术
1. 用转基因技术获得基因功能
转基因技术（transgenic technology）是指将外源基因导入受精 卵或胚胎干细胞（embryonic stem cell），即ES细胞，通过随机重组 使外源基因插入细胞染色体DNA，随后将受精卵或ES细胞植入假孕受 体动物的子宫，使得外源基因能够随细胞分裂遗传给后代。
第二十五章
基因结构功能分析 和疾病相关基因克隆鉴定
作者 :
:
目录
第一节 基因结构分析 第二节 基因功能研究 第三节 疾病相关基因鉴定克隆原则 第四节 鉴定克隆疾病相关基因的策略和方法
重点难点
掌握 鉴度的技术及原理；分析表达产物的主要技术；基 因功能研究的方法技术。
转基因动物（transgenic animal）是指应用转基因技术培育出 的携带外源基因，并能稳定遗传的动物，其制备步骤主要包括转基 因表达载体的构建、外源基因的导入和鉴定、转基因动物的获得和 鉴定、转基因动物品系的繁育等。转基因小鼠最为常见。
三、分析基因表达的产物可采用组学方法和特 异性测定方法
基因表达产物包括RNA和蛋白质/多肽，因 此分析基因表达可以从RNA和蛋白质/多肽水平 上进行。
3. 用RNA剪接分析法确定基因编码序列
选择性剪接的转录产物可以通过基因表达序列标签（expression sequence tag, EST）的 比较进行鉴定。
基因功能获得策略的本质是将目的基因直接导 入某一细胞或个体中，使其获得新的或更高水平的 表达，通过细胞或个体生物性状的变化来研究基因 功能。
方法： 转基因技术 基因敲入技术
1. 用转基因技术获得基因功能
转基因技术（transgenic technology）是指将外源基因导入受精 卵或胚胎干细胞（embryonic stem cell），即ES细胞，通过随机重组 使外源基因插入细胞染色体DNA，随后将受精卵或ES细胞植入假孕受 体动物的子宫，使得外源基因能够随细胞分裂遗传给后代。
第二十五章
基因结构功能分析 和疾病相关基因克隆鉴定
作者 :
:
目录
第一节 基因结构分析 第二节 基因功能研究 第三节 疾病相关基因鉴定克隆原则 第四节 鉴定克隆疾病相关基因的策略和方法
重点难点
掌握 鉴度的技术及原理；分析表达产物的主要技术；基 因功能研究的方法技术。
转基因动物（transgenic animal）是指应用转基因技术培育出 的携带外源基因，并能稳定遗传的动物，其制备步骤主要包括转基 因表达载体的构建、外源基因的导入和鉴定、转基因动物的获得和 鉴定、转基因动物品系的繁育等。转基因小鼠最为常见。
三、分析基因表达的产物可采用组学方法和特 异性测定方法
基因表达产物包括RNA和蛋白质/多肽，因 此分析基因表达可以从RNA和蛋白质/多肽水平 上进行。
基因及基因组的结构与功能ppt课件
◦ 沉默子DNA序列结合调控蛋白→阻断转录起始复合物的 形成或活化→基因表达关闭。
ppt课件.
22
第三节 真核基因组的结构与功能
ppt课件.
23
一、真核生物基因组的结构特点
1、真核生物基因组都是大分子双链线状DNA;
这些DNA通常与组蛋白、非组蛋白组成核小体、染色体等 复合体而存在。
染色体通常成对出现（双倍体）。
ppt课件.
26
（二）真核生物基因组中的重复序列
真核生物基因组中通常存在大量的重复序列
◦ 占整个基因组DNA的90%以上。
按重复频率的高低分为：
◦ 高度重复序列 ◦ 中度重复序列 ◦ 单拷贝序列
ppt课件.
27
1、高度重复序列： 高度重复序列：
◦ 重复频率高，106以上，复性速度很快。 ◦ 在基因组中所占比例随种属而2、DNA分子式右手双螺旋 3、疏水性碱基堆积力和氢
键是DNA双螺旋结构的稳定 力。
ppt课件.
8
DNA的高级结构
原核生物DNA的高级结构：双链闭合环状 DNA
真核生物高级结构：多次折叠的染色质结 构
当E.coli的细胞被裂解后，类核
区DNA就释放出去形成环状
即回文序列
ppt课件.
29
回文对联
画上荷花和尚画 书临汉字翰林书
ppt课件.
30
回文序列结构特征
茎环结构/发卡结构
十字结构
ppt课件.
31
②卫星DNA (satelliteDNA)
◦ 定义:一类高度重复序列，其重复单位一般由2-10bp组 成，成串排列。由于这类序列的碱基组成不同于其它部 份，可用等密度梯度离心法将其与主体DNA分开，因而 称为卫星DNA或随体DNA。
ppt课件.
22
第三节 真核基因组的结构与功能
ppt课件.
23
一、真核生物基因组的结构特点
1、真核生物基因组都是大分子双链线状DNA;
这些DNA通常与组蛋白、非组蛋白组成核小体、染色体等 复合体而存在。
染色体通常成对出现（双倍体）。
ppt课件.
26
（二）真核生物基因组中的重复序列
真核生物基因组中通常存在大量的重复序列
◦ 占整个基因组DNA的90%以上。
按重复频率的高低分为：
◦ 高度重复序列 ◦ 中度重复序列 ◦ 单拷贝序列
ppt课件.
27
1、高度重复序列： 高度重复序列：
◦ 重复频率高，106以上，复性速度很快。 ◦ 在基因组中所占比例随种属而2、DNA分子式右手双螺旋 3、疏水性碱基堆积力和氢
键是DNA双螺旋结构的稳定 力。
ppt课件.
8
DNA的高级结构
原核生物DNA的高级结构：双链闭合环状 DNA
真核生物高级结构：多次折叠的染色质结 构
当E.coli的细胞被裂解后，类核
区DNA就释放出去形成环状
即回文序列
ppt课件.
29
回文对联
画上荷花和尚画 书临汉字翰林书
ppt课件.
30
回文序列结构特征
茎环结构/发卡结构
十字结构
ppt课件.
31
②卫星DNA (satelliteDNA)
◦ 定义:一类高度重复序列，其重复单位一般由2-10bp组 成，成串排列。由于这类序列的碱基组成不同于其它部 份，可用等密度梯度离心法将其与主体DNA分开，因而 称为卫星DNA或随体DNA。
第一篇 分子生物学基本原理(共57张PPT)
3. 窄宿主型质粒和广宿主型质粒
第二节 真核生物基因组
一、真核生物染色质DNA的高级结构 • DNA高级结构中的蛋白质
组蛋白与非组蛋白
• DNA与蛋白质的结 合与染色体的组装
二、真核生物核基因组结构和功能特点
• 基因组大，编码蛋白质多，一般编码蛋白都 超过1万个以上。在DNA复制时，有多个复制 起始点。 • 真核生物的结构基因都是单顺反子。 • 真核生物的基因组中含有大量的重复序列 (45%)。 • 真核生物的基因组中存在大量的非编码区。
⒑含有多种功能的识别区域，如复制起始区、复制终止区、 转录起动区和终止区等。
大肠杆菌染色体基因组的结构和功能
大肠杆菌染色体基因组是研究最清楚的基因组。估计
大肠杆菌基因组含有3500个基因，已被定位的有900个左
右。在这900个基因中，有260个基因已查明具有操纵子结
构，定位于75个操纵子中。在已知的基因中8％的序列具
• 真核基因为断裂基因，在它的结构基 因中含有外显子和内含子。
• 真核生物的基因组中存在着各种基因 家族。
• 真核生物基因组中也存在移动基因。
•基因组中结构基因所占区域远小于非 编码区。
三、真核生物基因组的结构
㈠结构基因
• 断裂基因(split gene)：真核生物的结构基 因是不连续的编码氨基酸的序列被非编码 序列所打断，因此被称为断裂基因。
是指一组由多基因家族及单基因组成的更大基因 家族。其代表为免疫球蛋白基因超家族
㈣重复序列(repeat sequence):
在真核生物基因组存在着的大量的碱基序列重复出 现的情况。
重复序列中，除了编码RNA、RNA和组蛋白的结构基 因外，大部分是非编码序列。但对它们的功能还不十分清楚。
第二节 真核生物基因组
一、真核生物染色质DNA的高级结构 • DNA高级结构中的蛋白质
组蛋白与非组蛋白
• DNA与蛋白质的结 合与染色体的组装
二、真核生物核基因组结构和功能特点
• 基因组大，编码蛋白质多，一般编码蛋白都 超过1万个以上。在DNA复制时，有多个复制 起始点。 • 真核生物的结构基因都是单顺反子。 • 真核生物的基因组中含有大量的重复序列 (45%)。 • 真核生物的基因组中存在大量的非编码区。
⒑含有多种功能的识别区域，如复制起始区、复制终止区、 转录起动区和终止区等。
大肠杆菌染色体基因组的结构和功能
大肠杆菌染色体基因组是研究最清楚的基因组。估计
大肠杆菌基因组含有3500个基因，已被定位的有900个左
右。在这900个基因中，有260个基因已查明具有操纵子结
构，定位于75个操纵子中。在已知的基因中8％的序列具
• 真核基因为断裂基因，在它的结构基 因中含有外显子和内含子。
• 真核生物的基因组中存在着各种基因 家族。
• 真核生物基因组中也存在移动基因。
•基因组中结构基因所占区域远小于非 编码区。
三、真核生物基因组的结构
㈠结构基因
• 断裂基因(split gene)：真核生物的结构基 因是不连续的编码氨基酸的序列被非编码 序列所打断，因此被称为断裂基因。
是指一组由多基因家族及单基因组成的更大基因 家族。其代表为免疫球蛋白基因超家族
㈣重复序列(repeat sequence):
在真核生物基因组存在着的大量的碱基序列重复出 现的情况。
重复序列中，除了编码RNA、RNA和组蛋白的结构基 因外，大部分是非编码序列。但对它们的功能还不十分清楚。
基因的结构与功能PPT课件
• 在染色体复制、末端保护方面起重要作用。
.
37
反向重复序列 （inverted repeats)
• 指两个顺序相同的互补拷贝在DNA链上呈反向排列。一 种形式为两个反向排列的拷贝之间隔着一段间隔顺序如： 5`AAACCACCGCTGGTAGCGGTGGTTT3`
3`TTTGGTGGCGACCATCGCCACCAAA5`
.
35
卫星DNA：
• 大卫星DNA： • 小卫星DNA：中等大小串联重复
✓ 高度可变：9-24bp，呈高度多态性； ✓ 端粒DNA：见后
• 微卫星DNA：1-5bp，10-60次，总长小于150bp； 遗传标记，亲子鉴定的依据。
.
36
端粒（telomere)
• 以线性染色体形式存在的真核基因组DNA的末 端的一种特殊结构，是一段DNA序列和蛋白质 形成的一种复合体。保守序列:TTAGGG重复序 列.
✓ 重复序列与基因组的稳定性、组织形式及基因的表 达调控有关；
✓ 根据出现的频率不同可以分为高度重复、中度重复 及单拷贝序列。
.
34
• 高度重复序列：重复次数>105的DNA 序列如卫星DNA和反向重复序列。
• 中度重复序列：重复次数为101～105。 • 单拷贝序列：大多数编码蛋白质的结构
基因属这一类。
但在基因外或某些内含子中也有增强子序列。
• 负增强子（negative enhancer)又称沉默子
（silencer)：负调控序列。
.
28
• 顺式作用元件:指同一DNA分子中具有转录 调节功能的特异DNA序列。包括启动子、增 强子等。
• 反式作用因子:指能直接或间接地识别或结合 在各类顺式作用元件核心序列上参与调控靶 基因转录效率的蛋白质。多为转录因子。
.
37
反向重复序列 （inverted repeats)
• 指两个顺序相同的互补拷贝在DNA链上呈反向排列。一 种形式为两个反向排列的拷贝之间隔着一段间隔顺序如： 5`AAACCACCGCTGGTAGCGGTGGTTT3`
3`TTTGGTGGCGACCATCGCCACCAAA5`
.
35
卫星DNA：
• 大卫星DNA： • 小卫星DNA：中等大小串联重复
✓ 高度可变：9-24bp，呈高度多态性； ✓ 端粒DNA：见后
• 微卫星DNA：1-5bp，10-60次，总长小于150bp； 遗传标记，亲子鉴定的依据。
.
36
端粒（telomere)
• 以线性染色体形式存在的真核基因组DNA的末 端的一种特殊结构，是一段DNA序列和蛋白质 形成的一种复合体。保守序列:TTAGGG重复序 列.
✓ 重复序列与基因组的稳定性、组织形式及基因的表 达调控有关；
✓ 根据出现的频率不同可以分为高度重复、中度重复 及单拷贝序列。
.
34
• 高度重复序列：重复次数>105的DNA 序列如卫星DNA和反向重复序列。
• 中度重复序列：重复次数为101～105。 • 单拷贝序列：大多数编码蛋白质的结构
基因属这一类。
但在基因外或某些内含子中也有增强子序列。
• 负增强子（negative enhancer)又称沉默子
（silencer)：负调控序列。
.
28
• 顺式作用元件:指同一DNA分子中具有转录 调节功能的特异DNA序列。包括启动子、增 强子等。
• 反式作用因子:指能直接或间接地识别或结合 在各类顺式作用元件核心序列上参与调控靶 基因转录效率的蛋白质。多为转录因子。
分子生物学原理--基因工程ppt课件
分子生物学原理
整合
• 整合： 噬菌体感染大肠杆菌的第一步
噬菌体粘附于细胞壁上，将自身的 DNA注入菌体中。 此 DNA可与细菌染色 体重组，成为细菌染色体的一部分。
• 溶原菌：整合了噬菌体基因组的细菌。
• 裂解： 噬菌体感染大肠杆菌的第二步
DNA利用菌体的酶系统，复制自身及 外壳蛋白，组装成大量新 噬菌体，并将 细菌涨破。
第十四章 基因重组与基因工程
10/28/2024
分子生物学原理
基因重组：genomic recombination 重组DNA：recombinant DNA
10/28/2024
分子生物学原理
第一节、自然界的基因重组
• 转化：transformation • 整合：integration • 转导：transduction • 转位：transposition
10/28/2024
分子生物学原理
转位
• 转位：一个或一组基因从一处转到基因 组的另一个位置。
• 这些游动的基因称为转位子(transposon)。
10/28/2024
分子生物学原理
转 位
10/28/2024
分子生物学原理
第二节、基因工程
• 基因工程：是用分离纯化或人工合成的 DNA在体外与载体DNA结合，成为重组 DNA，用以转化宿主，筛选出能表达重 组DNA的活细胞，加以纯化、传代、扩 增，成为克隆。也叫基因克隆或重组 DNA技术。
切割后与原来载体比较。
• 利用核酸杂交和放射自显影进行鉴定：用目 的基因作探针监测宿主DNA是否重组体。
10/28/2024
分子生物学原理
DNA重组体的筛选与鉴定
•灭 活法筛 选重组 体。
分子生物学--基因与基因组课件
2、物理图ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ:
以特异DNA序列为界标所展示的染色体图,它能反映生物 基因组中基因或标记间的实际距离,图上界标之间的距离是以 物理长度即核苷酸对数如bp、kb、Mb等来表示的。这些特 定的DNA序列可以是多态的,如RFLPs,但主要是非多态的如 STS、STR、EST和特定的基因序列等。
作图的基本方法:
1、家系分析定位
通过分析、统计家系中有关性状的连锁 情况和重组率而进行基因定位的方法。
有用的遗传标记: 取材方便 按孟德尔方式遗传 多态性标记位点
多态性：在一个群体中，某遗传特性存在若干种类型。
家
系性
分连
析
锁 分
定析
位
外祖父法
深绿代表红绿色盲患者,浅绿代表红 绿色盲基因携带者,黄色代表正常
家常
细胞融合技术
体
鼠细胞
人细胞
细
胞
杂
交
定
位
含全套鼠染色体 , 人 1号染色体,肽酶C
3、核酸分子杂交定位
• 应用已知的核酸探针与待定位的DNA序列进行杂交 对基因进行定位的方法 •具有互补序列两条单链核酸分子在一定条件下 按碱基互补配对原则退火形成双链的过程。 • 杂交的双方是待定位的核酸和已知核酸序列，已知 核酸序列称探针。
5’、、、AGCCGACTATGTCGAAGCTT、、、、、、 GCTTGACTATAAGACA、、、3’
3‘、、、TCGGCTGATACAGCTTCTAA、、、、、、 CGAACTGATATTCTGT、、、5‘
转录调控区
贮存RNA或蛋白质结构信息区 转录终止区
原核基因的结构特点
真核基因的结构特点
（二）基因作图的方法:
1、遗传图谱:
分子生物学--基因和基因组的结构与功能课件
8、基因组中也存在一些可移动的遗传因素，这些DNA顺 序并无明显生物学功能，似乎为自己的目的而组织， 故有自私DNA之称，其移动多被RNA介导（如在哺乳 动物及人类基因组中发现的逆转座子），也有被DNA 介导的（如在果蝇及谷类中发现的DNA转座子）
重复序列
将真核生物基因组的DNA进行复性动力学测 定，显示3个不同的时相。
分子生物学--基因和基因组的结构与功能课件
三、基因组的概念
细胞或生物体中，一套完整单体的遗传物质的总 和，即某物种单倍体的总DNA。对于二倍体高等生物 来说，其配子的DNA总和即一组基因组，二倍体有两 份同源基因组。
四、原核生物基因组的特点
病毒基因组
• 1．结构简单，基因组小，所含基因少。
中
度ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
高
重
度
复
重 复 序 列
序 列
单 一
序
列
C0t1/2
真核生物DNA的复性动力学曲线
重复序列的作用
1、编码某些重要的功能性蛋白质及产物等， 如组蛋白、rRNA、tRNA等。
2、与染色体的构象、着丝点的形成有关。 3、参与基因表达调控。
高度重复序列
1.卫星DNA 5-10个bp，大多位于着丝粒和端粒、表达基因的间隔区、内含子。 人的卫星DNA可分为I、II、III、IV四种，各类型由不同的重复顺序家族构
2、基因组远大于原核生物，结构复杂，基因数庞 大，具有许多复制起始点，每个复制子大小不一。
3、基因不存在操纵子结构，功能相关基因分散在 不同的染色体上。基因都由一个结构基因与相关 的调控区组成，转录产物为单顺反子，即一分子 mRNA只能翻译成一种蛋白质。
真核生物基因组结构与功能特点
4、基因组中有大量低度（重复频率<103）、中 度（重复频率<105）和高度重复序列。
重复序列
将真核生物基因组的DNA进行复性动力学测 定，显示3个不同的时相。
分子生物学--基因和基因组的结构与功能课件
三、基因组的概念
细胞或生物体中，一套完整单体的遗传物质的总 和，即某物种单倍体的总DNA。对于二倍体高等生物 来说，其配子的DNA总和即一组基因组，二倍体有两 份同源基因组。
四、原核生物基因组的特点
病毒基因组
• 1．结构简单，基因组小，所含基因少。
中
度ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
高
重
度
复
重 复 序 列
序 列
单 一
序
列
C0t1/2
真核生物DNA的复性动力学曲线
重复序列的作用
1、编码某些重要的功能性蛋白质及产物等， 如组蛋白、rRNA、tRNA等。
2、与染色体的构象、着丝点的形成有关。 3、参与基因表达调控。
高度重复序列
1.卫星DNA 5-10个bp，大多位于着丝粒和端粒、表达基因的间隔区、内含子。 人的卫星DNA可分为I、II、III、IV四种，各类型由不同的重复顺序家族构
2、基因组远大于原核生物，结构复杂，基因数庞 大，具有许多复制起始点，每个复制子大小不一。
3、基因不存在操纵子结构，功能相关基因分散在 不同的染色体上。基因都由一个结构基因与相关 的调控区组成，转录产物为单顺反子，即一分子 mRNA只能翻译成一种蛋白质。
真核生物基因组结构与功能特点
4、基因组中有大量低度（重复频率<103）、中 度（重复频率<105）和高度重复序列。
分子生物学课件(共51张PPT)(2024)
四级结构
由两条或两条以上的多肽链组 成的一类结构，每一条多肽链
都有完整的三级结构。
21
蛋白质的功能与分类
结构蛋白：作为细胞的结构，如膜蛋白，染色体蛋白等 。 酶：催化生物体内的化学反应。
抗体：参与免疫应答。
2024/1/29
功能蛋白
激素：调节生物体的生理活动。
蛋白质的分类还可以根据其溶解度、形状等进行划分。 例如，根据溶解度可分为清蛋白、球蛋白等；根据形状 可分为纤维状蛋白和球状蛋白等。
RNA的基本组成单位是核糖核苷酸， 由磷酸、核糖和碱基组成。
磷酸二酯键
核糖核苷酸之间通过磷酸二酯键连接 形成RNA链。
碱基
RNA中的碱基主要有腺嘌呤（A）、 鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和尿嘧啶 （U）。
2024/1/29
12
RNA的种类与结构
mRNA
信使RNA，负责携带遗 传信息并指导蛋白质合
成。
翻译水平调控
通过控制翻译的起始、延伸和 终止来调控基因表达。
蛋白质水平调控
通过控制蛋白质的活性、稳定 性和相互作用来调控基因表达
。
表观遗传学调控
通过改变染色质结构和DNA 甲基化等方式来调控基因表达
。
2024/1/29
18
05
蛋白质的结构与功能
2024/1/29
19
蛋白质的分子组成
氨基酸
蛋白质的基本组成单元，共有20 种标准氨基酸。
2024/1/29
tRNA
转运RNA，负责携带氨 基酸并识别mRNA上的
遗传密码。
rRNA
其他RNA
核糖体RNA，是核糖体 的组成部分，参与蛋白
质合成。
13
如miRNA、snRNA等， 在基因表达调控等方面
由两条或两条以上的多肽链组 成的一类结构，每一条多肽链
都有完整的三级结构。
21
蛋白质的功能与分类
结构蛋白：作为细胞的结构，如膜蛋白，染色体蛋白等 。 酶：催化生物体内的化学反应。
抗体：参与免疫应答。
2024/1/29
功能蛋白
激素：调节生物体的生理活动。
蛋白质的分类还可以根据其溶解度、形状等进行划分。 例如，根据溶解度可分为清蛋白、球蛋白等；根据形状 可分为纤维状蛋白和球状蛋白等。
RNA的基本组成单位是核糖核苷酸， 由磷酸、核糖和碱基组成。
磷酸二酯键
核糖核苷酸之间通过磷酸二酯键连接 形成RNA链。
碱基
RNA中的碱基主要有腺嘌呤（A）、 鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和尿嘧啶 （U）。
2024/1/29
12
RNA的种类与结构
mRNA
信使RNA，负责携带遗 传信息并指导蛋白质合
成。
翻译水平调控
通过控制翻译的起始、延伸和 终止来调控基因表达。
蛋白质水平调控
通过控制蛋白质的活性、稳定 性和相互作用来调控基因表达
。
表观遗传学调控
通过改变染色质结构和DNA 甲基化等方式来调控基因表达
。
2024/1/29
18
05
蛋白质的结构与功能
2024/1/29
19
蛋白质的分子组成
氨基酸
蛋白质的基本组成单元，共有20 种标准氨基酸。
2024/1/29
tRNA
转运RNA，负责携带氨 基酸并识别mRNA上的
遗传密码。
rRNA
其他RNA
核糖体RNA，是核糖体 的组成部分，参与蛋白
质合成。
13
如miRNA、snRNA等， 在基因表达调控等方面
分子生物学 基因的结构与功能 1
第一章基因的结构与功能生物性状和生命特征为什么能代代相传？相传的生物性状为什么可以改变？近一个世纪，科学家致力于对生命现象的解析，以揭示生命规律，在这一过程中，人们认识到，生命遗传特性是由基因决定的，从而引发了人们对它研究的热情，对基因的认识也在不断的深入。
基因本是遗传学范畴的术语，但随着基因概念的不断扩展，现在基因已不局限于应用于生命科学领域了，已经融入到普通百姓的生活中了。
那么基因到底是什么？基因的结构是怎样的？基因是如何发挥其遗传因子的作用的？现在对基因的结构和功能的认识已经很深入了，越来越多的物种的基因组测序的完成，为人们提供了大量的研究基因结构与功能的数据，一部分的生命活动已经可以从基因水平上诠释。
所有生物的生命活动无不直接或间接地在基因的控制之下。
第一节基因的概念一、基因的概念从达尔文的生物进化论到孟德尔的遗传因子假说，到摩尔根的基因论，再到现代基因阶段，基因的概念不断在演变，人们对基因概念的理解和认识不断深入。
（一）基因概念的提出与发展1865年，奥地利生物学家孟德尔（Gregor Johann Mendel，1822-1884）在大量豌豆杂交实验数据的基础上，提出了“遗传因子”的概念，这就是基因概念的雏形。
孟德尔将遗传因子作为一种抽象的物质，并用它来描述遗传物质的传递方式，这是在“一个基因一个性状”层次上对基因的概念作了明确的界定。
1903年，美国细胞学家萨顿（Sutton，Walter Stanborough，1877-1916）发现，染色体的行为与孟德尔的遗传因子的行为是平行的，认为基因在染色体上，这为染色体学说的发展奠定了基础。
1909年，丹麦遗传学家下维尔赫姆·路德维希·约翰逊（Wilhelm Ludwig Johannsen，1857-1927）创造了“Gene”来表示遗传因子以来，随着遗传学和分子生物学的不断发展，基因的概念也在不断变化。
“gene”一词已被广泛接受。
基因的结构和功能PPT课件
基因与生物性状物体 的性状。
02 基因的表达水平可以影响生物体的表现型，如身 高、肤色、眼睛颜色等。
03 基因与环境因素的相互作用也可以影响生物体的 表现型，如饮食习惯、运动习惯等。
05
基因工程和基因编辑
基因工程的定义和应用
基因工程的定义
基因工程是一种通过人工操作和 改变生物体的遗传物质来改变其 性状的技术。
基因工程的应用
基因工程在农业、医学、工业和 基础生物学研究中有着广泛的应 用，例如转基因作物、基因治疗 、基因检测和基因克隆等。
基因编辑技术及其应用
基因编辑技术的定义
基因编辑技术是一种能够精确地修改生物体基因组的工具，包括CRISPR-Cas9、 ZFNs和TALENs等。
基因编辑技术的应用
基因编辑技术被广泛应用于基础生物学研究、疾病治疗、作物改良和动物育种 等领域，例如用于治疗遗传性疾病、抗病抗虫作物的培育以及动物模型的构建 等。
DNA的分子结构
双螺旋结构
DNA由两条反向平行的链 组成，通过碱基配对形成 双螺旋结构。
碱基配对
A与T配对，G与C配对， 形成稳定的碱基对。
方向性
DNA的两条链方向相反， 一条链是5'到3'方向，另 一条链是3'到5'方向。
基因的组成和结构
基因定义
基因是遗传信息的基本单位，负责编码蛋白质或多肽。
基因结构
基因由编码区和非编码区组成。编码区包含有意义的核苷酸序列，负 责转录和翻译为蛋白质或多肽。非编码区则调控基因的表达。
基因复制
DNA复制是半保留复制，即亲代DNA的每一条链作为模板合成子代 DNA的一条链。
基因突变
基因突变是指基因序列的改变，可能导致遗传信息的改变，从而影响 生物体的表型。
第一章 基因的结构与功能(共75张PPT)
第二节 遗传物质的结构和特点
一 DNA的双螺旋结构及意义〔略〕 二 DNA的理化性质与应用
1 一般理化性质
• 晶形 DNA为白色纤维状固体
RNA为白色粉末状固体 • 两性解离
呈酸性
在中性溶液中带负电荷 • 溶解性
均溶于水
不溶于一般有机溶剂,在70%乙醇中形成沉淀
0.14MNacl 1-2MNacl DNA-蛋白 溶解度低 溶解度高
基因的功能〔2〕
近年来，发现细胞内存在为数众多的小 分子RNA，有特殊功能，它们也是转录 产物，但不翻译成蛋白质。有人主张， 编码这些RNA的DNA序列也应该叫做基 因。按此理解，基因就是染色体上具有 转录功能的DNA序列。 〔至于转录物RNA是进一步翻译或是就 以RNA的形式行使功能，是RNA的问题 〕
Chapter 1 基因的结构与功能
基因的活动是分子水平的核心 内容
• 核酸与蛋白质的结构与功能
• 基因组的结构与功能
• 基因的复制与表达 • 基因表达的调控及其生物学效应 • 生物大分子间的相互作用
• 细胞间通讯和细胞内信号转导
• 总之，人体的生长 发育 衰老 死亡等生命现象，人体 各种疾病的发生，都与一种基因或几种基因的结构与 功能有关。
RNA-蛋白 溶解度高 溶解度低
• 粘度 DNA粘度大 RNA粘度小
• 旋光性 均很强
• 密度 RNA>双链DNA； 环状DNA >开环、线状DNA 单链DNA >双链DNA
• 沉降速度： RNA >环状DNA >开环、线状DNA
• 核酸的紫外吸收
• 碱基、核苷、核苷酸和核酸在240~290nm的
• 第二个成功实验-噬菌体感染细菌。核酸 进入细菌细胞，并制造出成千上万的子 代。
分子生物学 基因组结构与功能
●卫星DNA：这类DNA在真核生物中发现，占基因组的6%， 在DNA链上串联重复几百万次。常含有一些A· T，A· T浮 力密度小；
将DNA切断成数百 个碱基对的片段进 行等密度超离心时， 常会在主要的DNA 带的上面有一个次 要的DNA带相伴随， 这就是所谓的卫星 DNA（satellite DNA）。
●长分散重复片段
平均长度为3500 bp-5000 bp ●短分散重复片段 平均长度约为300 bp-500 bp，拷贝数 可达10万左右，如Alu，Hinf家族。
●
Alu家族
人基因组平均每5 kb
DNA就有一个Alu序列，长
度约300 bp ，每个单位长
度中有一个限制性内切酶
Alu的切点（AG↓CT），
1.真核基因组结构庞大，DNA是双链线状，与蛋白 质结合形成多条染色体。 2.大多数基因为断裂基因，基因不连续，受顺式作 用元件调控； 3.真核基因组转录产物为单顺反子 4.非编码区较多，多于编码序列(9:1) 5.含有大量重复序列，约35% 6.具有端粒结构 7.含有细胞器基因组：线粒体、叶绿体基因组 8.含有基因家族
乳糖操纵子 lac operon
二、原核生物中的质粒DNA
1.质粒的基本特性
●
质粒的定义
质粒（plasmid）是细菌细胞内的、染色体外的共价闭合的环
状DNA分子（covalent closed circularDNA，cccDNA）
质粒克隆载体
质粒的结构与功能特点
● 能够独立于细胞的染色质DNA而进行复制
在单倍体基因组中只出现一次或数次，单拷贝
序列在人基因组中占60-65％，储存了编码各种不 同功能的蛋白质的遗传信息
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第二十二章
基因结构与功能分析技术
The Analysis Technology for Gene Structure and Function
目录
DNA序列测定 基因转录起点及其启动子的分析 基因编码序列的分析 基因拷贝数及其表达产物的分析 基因功能获得和/或缺失策略 随机突变筛选策略
目录
第一节 基因结构分析技术
模板基因拷贝数
DNA测序：最精确鉴定基因拷贝数
目录
第二节 基因表达产物分析技术
目录
一、转录水平分析（RNA分析）
根据分析方法的原理和功能特性，可分为：
封闭性系统研究方法： DNA芯片 （仅限于已知基因） RNA印迹
实时RT-PCR等
开放性系统研究方法：差异显示PCR （用于分析未知基因）双向基因表达指纹图谱
（一）用PCR结合测序技术分析启动子结构
根据启动子序列
最简单和直接
设计一对引物 PCR法扩增启动子 测序，分析启动子序列
目录
（二）用核酸-蛋白质相互作用技术 分析启动子结构
1. 足迹法 分析启动子中潜在的调节蛋白结合位点
足迹法（footprinting）：利用DNA电泳条带 连续性中断的图谱特点判断与蛋白质结合的DNA 区域。
目录
（二）全自动激光荧光DNA测序技术
——原理基于Sanger双脱氧法
1. 单色荧光法：
2. 四色荧光法：
单一荧光染料
标记
引物5′-端或dNTP
所有DNA片段均 带同一种荧光标记
4种不同荧光染料
标记
同一引物或4种 不同ddNTP
4种不同颜色DNA片段
样品的4个反应产物分别 在4个不同泳道内电泳
样品的4个反应产物可在 同一个泳道内电泳
目录
（三）焦磷酸测序—— 基于发光法测定焦磷酸 的测序技术
反应体系：
5’磷酸化硫酸腺苷（APS） 底物 荧光素
DNA聚合酶
酶
ATP硫酸化酶 荧光素酶
ATP双磷酸酶
剩余的被 降解
ppi 某种dNTP
（每轮加入)
目录
（四）循环芯片测序——第二代测序技术
cyclic-array sequencing 优势： ① 可大规模并行化分析
高通量分析RNA剪接的方法：
① 基于DNA芯片的分析法：外显子或交界DNA芯片 ② 交联免疫沉淀法：Pr-RNA交联→特异抗体沉淀→分析RNA ③ 体外报告基因测定法：报告基因克隆到载体，若表达，
说明RNA有剪接
目录
（三）用数据库分析基因编码序列
在数据库中，对获得的cDNA序列进行：
同源性比对 染色体定位分析 内含子∕外显子分析 ORF分析 表达谱分析
逆转录
cDNA第一链
逆转录酶(末端转移酶活性)
cDNA第一链末端加上polyC尾
合成cDNA第二链，获双链DNA
测序，获TSS序列
该方法比较简单，但依赖全长cDNA，若延伸不全 或被降解，可导致5-末端部分缺失
目录
（二）用5-cDNA末端快速扩增技术鉴定TSS
（三）用数据库搜索TSS
目录
三、基因启动子结构分析技术
① 核心启动子； ② 近端启动子：一般涉及TSS上游几百个碱基； ③ 远端启动子：范围涉及TSS上游几千个碱基， 含有增强子和沉默子等元件。
2. 预测启动子的其他结构特征
包括：GC含量 CpG比率 转录因子结合位点 碱基组成 核心启动子元件 等
Hale Waihona Puke 目录四、基因编码序列分析技术
（一）用cDNA法分析基因编码序列（一次能对几十万到几百万条DNA 分子进行测序）
② 不需电泳，设备易于微型化 ③ 样本和试剂的消耗量降低，降低成本
（五）单分子测序技术——第三代测序技术
目录
二、基因转录起点分析技术
转录起点（transcription start site，TSS）
（一）用cDNA克隆直接测序法鉴定TSS
mRNA模板
PCR（RACE）技术：可高效钓取未 知基因编码序列。
核酸杂交法：根据基因保守序列合成探针，对阳性克 隆的cDNA进行序列分析。
目录
（二）用RNA剪接分析法确定基因编码序列
选择性剪接的转录产物可以通过基因表达序 列标签（expression sequence tag, EST）的比较 进行鉴定，但这种方法需进行大量变异体也很可能丢失。
分类： 酶足迹法 化学足迹法
目录
（1）用核酸酶进行足迹分析
利 用 DNA 酶 处 理 DNA- 蛋 白 质复合物，然后通过电泳分析蛋 白质结合序列。
常用的酶有DNA酶I（DNase I）和核酸外切酶III。
变性聚丙烯酰胺凝胶电泳
（2）用化学试剂进行足迹分析
用可切断DNA骨架的化学试 剂，处理DNA-蛋白质复合物。
形成仅相差1个核苷酸 的一系列DNA条带
目录
2. 电泳迁移率变动分析 染色质免疫沉淀技术 只能确定DNA序列中含有该蛋白结合位点 尚需结合DNA足迹实验和DNA测序等技术来
确定具体结合序列。
目录
（三）用生物信息学预测启动子
1. 用启动子数据库和启动子预测算法定义启动子
在定义启动子或预测分析启动子结构时应包括启 动子区域的3个部分
分子索引法 随机引物PCR指纹分析等
目录
（一）用核酸杂交法
1. RNA印迹分析(Northern blot) 常用于RNA表达分析，并
作为鉴定RNA转录本、分析其 大小的标准方法。
2. 核糖核酸酶保护实验 （ribonuclease protection assay，RPA）
分析RNA水平及其剪接情况 基于杂交原理，既可定量分析，又可研究其结 构特征。
可初步明确基因的 编码序列，并对编码产 物的基本性质进行分析。
目录
五、基因拷贝数分析技术
分析基因的种类及拷贝数，即基因定性和定量 分析。常用的技术：
DNA印迹（Southern blot）：
根据探针信号出现的位置和 次数判断基因的拷贝数。若多个 拷贝成簇排列，应结合DNA测序 进行分析。
实时定量PCR：通过被扩增基因在数量上的差异推测
目录
一、基因一级结构解析技术
基因的一级结构：脱氧核苷酸的排列顺序 解析一级结构最精确的技术：DNA测序
（DNA sequencing）
目录
（一）双脱氧法和化学降解法 ——两种常规的DNA测序方法
Sanger双脱氧测序（dideoxy sequencing）法
目录
Maxam-Gilbert化学降解测序法
基因结构与功能分析技术
The Analysis Technology for Gene Structure and Function
目录
DNA序列测定 基因转录起点及其启动子的分析 基因编码序列的分析 基因拷贝数及其表达产物的分析 基因功能获得和/或缺失策略 随机突变筛选策略
目录
第一节 基因结构分析技术
模板基因拷贝数
DNA测序：最精确鉴定基因拷贝数
目录
第二节 基因表达产物分析技术
目录
一、转录水平分析（RNA分析）
根据分析方法的原理和功能特性，可分为：
封闭性系统研究方法： DNA芯片 （仅限于已知基因） RNA印迹
实时RT-PCR等
开放性系统研究方法：差异显示PCR （用于分析未知基因）双向基因表达指纹图谱
（一）用PCR结合测序技术分析启动子结构
根据启动子序列
最简单和直接
设计一对引物 PCR法扩增启动子 测序，分析启动子序列
目录
（二）用核酸-蛋白质相互作用技术 分析启动子结构
1. 足迹法 分析启动子中潜在的调节蛋白结合位点
足迹法（footprinting）：利用DNA电泳条带 连续性中断的图谱特点判断与蛋白质结合的DNA 区域。
目录
（二）全自动激光荧光DNA测序技术
——原理基于Sanger双脱氧法
1. 单色荧光法：
2. 四色荧光法：
单一荧光染料
标记
引物5′-端或dNTP
所有DNA片段均 带同一种荧光标记
4种不同荧光染料
标记
同一引物或4种 不同ddNTP
4种不同颜色DNA片段
样品的4个反应产物分别 在4个不同泳道内电泳
样品的4个反应产物可在 同一个泳道内电泳
目录
（三）焦磷酸测序—— 基于发光法测定焦磷酸 的测序技术
反应体系：
5’磷酸化硫酸腺苷（APS） 底物 荧光素
DNA聚合酶
酶
ATP硫酸化酶 荧光素酶
ATP双磷酸酶
剩余的被 降解
ppi 某种dNTP
（每轮加入)
目录
（四）循环芯片测序——第二代测序技术
cyclic-array sequencing 优势： ① 可大规模并行化分析
高通量分析RNA剪接的方法：
① 基于DNA芯片的分析法：外显子或交界DNA芯片 ② 交联免疫沉淀法：Pr-RNA交联→特异抗体沉淀→分析RNA ③ 体外报告基因测定法：报告基因克隆到载体，若表达，
说明RNA有剪接
目录
（三）用数据库分析基因编码序列
在数据库中，对获得的cDNA序列进行：
同源性比对 染色体定位分析 内含子∕外显子分析 ORF分析 表达谱分析
逆转录
cDNA第一链
逆转录酶(末端转移酶活性)
cDNA第一链末端加上polyC尾
合成cDNA第二链，获双链DNA
测序，获TSS序列
该方法比较简单，但依赖全长cDNA，若延伸不全 或被降解，可导致5-末端部分缺失
目录
（二）用5-cDNA末端快速扩增技术鉴定TSS
（三）用数据库搜索TSS
目录
三、基因启动子结构分析技术
① 核心启动子； ② 近端启动子：一般涉及TSS上游几百个碱基； ③ 远端启动子：范围涉及TSS上游几千个碱基， 含有增强子和沉默子等元件。
2. 预测启动子的其他结构特征
包括：GC含量 CpG比率 转录因子结合位点 碱基组成 核心启动子元件 等
Hale Waihona Puke 目录四、基因编码序列分析技术
（一）用cDNA法分析基因编码序列（一次能对几十万到几百万条DNA 分子进行测序）
② 不需电泳，设备易于微型化 ③ 样本和试剂的消耗量降低，降低成本
（五）单分子测序技术——第三代测序技术
目录
二、基因转录起点分析技术
转录起点（transcription start site，TSS）
（一）用cDNA克隆直接测序法鉴定TSS
mRNA模板
PCR（RACE）技术：可高效钓取未 知基因编码序列。
核酸杂交法：根据基因保守序列合成探针，对阳性克 隆的cDNA进行序列分析。
目录
（二）用RNA剪接分析法确定基因编码序列
选择性剪接的转录产物可以通过基因表达序 列标签（expression sequence tag, EST）的比较 进行鉴定，但这种方法需进行大量变异体也很可能丢失。
分类： 酶足迹法 化学足迹法
目录
（1）用核酸酶进行足迹分析
利 用 DNA 酶 处 理 DNA- 蛋 白 质复合物，然后通过电泳分析蛋 白质结合序列。
常用的酶有DNA酶I（DNase I）和核酸外切酶III。
变性聚丙烯酰胺凝胶电泳
（2）用化学试剂进行足迹分析
用可切断DNA骨架的化学试 剂，处理DNA-蛋白质复合物。
形成仅相差1个核苷酸 的一系列DNA条带
目录
2. 电泳迁移率变动分析 染色质免疫沉淀技术 只能确定DNA序列中含有该蛋白结合位点 尚需结合DNA足迹实验和DNA测序等技术来
确定具体结合序列。
目录
（三）用生物信息学预测启动子
1. 用启动子数据库和启动子预测算法定义启动子
在定义启动子或预测分析启动子结构时应包括启 动子区域的3个部分
分子索引法 随机引物PCR指纹分析等
目录
（一）用核酸杂交法
1. RNA印迹分析(Northern blot) 常用于RNA表达分析，并
作为鉴定RNA转录本、分析其 大小的标准方法。
2. 核糖核酸酶保护实验 （ribonuclease protection assay，RPA）
分析RNA水平及其剪接情况 基于杂交原理，既可定量分析，又可研究其结 构特征。
可初步明确基因的 编码序列，并对编码产 物的基本性质进行分析。
目录
五、基因拷贝数分析技术
分析基因的种类及拷贝数，即基因定性和定量 分析。常用的技术：
DNA印迹（Southern blot）：
根据探针信号出现的位置和 次数判断基因的拷贝数。若多个 拷贝成簇排列，应结合DNA测序 进行分析。
实时定量PCR：通过被扩增基因在数量上的差异推测
目录
一、基因一级结构解析技术
基因的一级结构：脱氧核苷酸的排列顺序 解析一级结构最精确的技术：DNA测序
（DNA sequencing）
目录
（一）双脱氧法和化学降解法 ——两种常规的DNA测序方法
Sanger双脱氧测序（dideoxy sequencing）法
目录
Maxam-Gilbert化学降解测序法