医学分子生物学

分子生物学

医学分子生物学

*生物学： 研究生命、生命本质、生命活动规律的科学，从整体水平、细胞水平、分子水平三个层次上研究生命活动及其规律的一门学科。

*分子生物学：从分子水平研究生命现象、生命本质、生命活动规律的一门新兴边缘学科。 *医学分子生物学： 是分子生物学的一个重要分支，是从分子水平上研究人体在正常和疾病状态下的生命活动及其规律，从分子水平开展人类疾病的预防、诊断和治疗研究的一门科学。

*分子生物学重要技术原理：基因工程技术（分子克隆）原理、DNA序列测定、核酸分子杂交、PCR、转基因和基因打靶、DNA芯片技术的基本概念、原理及其在医学领域的应用

*分子生物学在临床医学中应用：基因结构异常和调控异常与疾病发生的关系、基因诊断和基因治疗的基本概念及其应用

第 一 章 绪 论

第一节 分子生物学和医学分子生物学研究的主要内容

*分子生物学的基本含义

研究对象 1.生物大分子的结构2.生物大分子在遗传信息和细胞信息传递中的作用 学科地位 是当前生命科学中发展最快的前沿领域，正在与其它学科广泛交叉与渗透的重要前沿领域，生命科学的带头学科。

分子生物学的主要内容：一、生物大分子的结构与功能及分子间的相互作用：主要研究核酸、蛋白质、酶的结构与功能及蛋白质与蛋白质、核酸与核酸、核酸与蛋白质、 核酸与其它生物大分子之间的相互作用。二、基因信息的传递及调控：三、细胞之间的信息传递机制：四、细胞的识别：涉及细胞粘附分子与细胞外基质。五、细胞的增殖与分化：包括癌基因与抑癌基因、肽类生长因子、细胞周期及其调控的分子机理等。六、分子生物学技术：主要包括分子杂交技术、链反应技术、基因工程与蛋白质工程等。

医学分子生物学主要内容：一。生物大分子的结构与功能。二。基因组的结构与功能。三。基因的复制、表达、调控。四。细胞通讯与细胞内信号传导。五．基因工程的各种技术体系（克隆、测序、杂交、PCR、转基因、DNA芯片）。六．基因与疾病。

七．基因诊断与基因治疗

医学分子生物学的概念和性质：

一． 定义：是从分子水平上研究人体正常和疾病状态下生命活动及其规律的一门科学。

分子生物学

二． 是分子生物学的重要分支

三． 是医学领域的带头学科

第二节 分子生物学的历史回顾

孕育阶段

1.1871年 Miescher核素; 2.1900年，Gene 3.1910年，Morgan ：Gene 存在于染色体上

4.1944年，Avery证实DNA携带遗传信息。

创立阶段

1.二十年代，Levene研究了核酸的结构，并提出了四核苷酸假说。2.1953年Watson 和Crick DNA双螺旋3.1958年Crick中心法则4.1958年，Meselson 和Stahl DNA半保留复制。5.1960年发现mRNA，DNApol6.1961年，Jacob 和Monod操纵子学说7.1961年，Nirenberg破译第一个遗传密码

发展阶段

1.1970年，Temin 和Baltimore发现逆转录酶。2.阿尔伯(Arber)、史密斯(Smith)和内森斯(Nathans)，发现限制性内切酶,获1978年诺贝尔生理学和医学奖。3.Sanger 设计测定DNA分子内核苷酸序列，1980年与伯格(Berg)（重组DNA技术）分享Nobel 生理医学奖。4.1989年Altman、 Cech发现核酶共享Nobel化学奖.5.PCR技术的建立。6.显微注射术开始转基因动物的研究。7.转基因植物的诞生。8.基因治疗技术。9.人类基因组计划。10.克隆羊的诞 分子生物学的研究发展

一．不断把本学科的理论和技术引向深入

目前分子生物学研究的前沿：基因组研究、基因表达调控研究、结构分子生物学研究、

信号传导研究

二。不断地与其他学科进行深入的横向联系和交叉融合

分子、细胞、整体水平的研究得到和谐统一

分子生物学与其他学科的结合

分子生物学广泛渗透到医学各学科领域，成为现代医学重要的基础

分子生物学与生理学,微生物学,免疫学,病理学,药理学,临床医学的结合

分子生物学广泛的渗透到医学各学科领域

分子细胞学 分子药理学 分子免疫学 分子病理学 分子病毒学 分子神经学 分子细菌学 分子遗传学 分子诊断学（基因诊断学）分子治疗学（基因治疗学）

分子生物学大大促进了医学的发展

医学分子生物学是分子生物学的一个重要分支，它主要研究人体生物大分子和大分子体系的结构、功能，相互作用及其同疾病发生、发展的关系。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，都是一种或多基因有关，常常涉及到细胞间通讯和细胞内信号转导。

因此，医学分子生物学主要研究人体发育、分化和衰老的分子生物学基础，细胞增殖调控的分子基础，人体三大功能调控系统（神经、内分泌、免疫）的分子生物学基础，基因的结构

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异常或调控异常与疾病发生、发展的关系；同时，应用分子生物学理论和技术体系开展疾病的基因诊断和基因治疗、生物制药以及卫生防疫。

第三节 分子生物学在医学上的应用

一、人体发育调控和人体功能调控的分子生物学基础

1、发育、分化与衰老的分子生物学基础

2、细胞增殖调控的分子生物学基础

3、神经、内分泌和免疫调控的分子生物学基础

二、基因与疾病

基因结构与功能的改变、基因表达调控异常、病原体的基因结构与功能都与疾病的发生有关

对疾病相关基因的研究，不仅从分子水平阐明疾病发生、发展的机制，而且为基因诊断和基因治疗奠定了基础。

基因诊断：是应用分子生物学技术，检查人体某些基因结构或表达调控的变化，或者检测病原体基因组在人体内的存在，从而达到诊断疾病和基因治疗奠定了基础

基因治疗： 是通过特定的分子生物学技术关闭或降低异常表达的基因，或者将正常的外源基因导入体内特定的靶细胞以拟补缺陷基因，或将某种特定基因导入体细胞表达以产生特定的蛋白质因子实现对疾病的治疗作用。总体上分为两个大的方面：一、纠正异常基因（异常表达或缺陷） 二、利用特定基因在体内表达特定的蛋白质因子以实现对疾病的治疗作用。

三、生物工程与生物制药

1、基因工程生产多肽类药物：人胰岛素、人生长激素、干扰素、红细胞生成素、孕激素、白介素1-16、集落刺激因子、免疫球蛋白、B细胞生长因子。

酶工程：利用基因工程技术制取酶制剂：如尿激酶、链激酶

蛋白质工程：利用基因工程技术改造目的基因的结构，在受体细胞中表达不同结构的蛋白质。

微生物工程：利用微生物特定性状产生有用物质，抗生素

2、利用转基因动、植物获取多肽类药物

四、预防医学

1、疫苗研究：利用重组DNA技术和转基因动、植物技术可以改造病原体或有关蛋白成分，研制各种基因工程疫苗，取代传统疫苗。

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DNA疫苗：也称核酸免疫，直接用编码抗原的基因重组到真核表达载体，直接导入机体内，表达出相应抗原，通过细胞或体液免疫产生抗体，而达到防治疾病的目的。

2、环境检测与净化：采用分子杂交或

的方法制造超级细菌。 PCR方法检测环境中病原体；通过基因重组

五、中医药研究

中医基础理论 中医临床 针灸 中药

第二章 核酸的结构与功能

核酸是一类重要的生物大分子，是生物遗传的物质基础。

脱氧核糖核酸主要存在于细胞核内，是遗传信息的储存和携带者，是遗传的物质基础。 核糖核酸主要分布在细胞质中，参与遗传信息表达的各过程。

第一节 核酸的化学组成

核酸----单核苷酸----【核酸（碱基和戊糖）+磷酸】

戊 糖（ribose）

β-D-核糖 β-D-2’-脱氧核糖

碱基（base）

嘧啶pyrimidine 嘌呤purine

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胞嘧啶（C） 胸腺嘧啶（T） 尿嘧啶（U） 鸟嘌呤（G） 腺嘌呤（A） （2-氧-4-氨基嘧）（5-甲基尿嘧啶） (2,4-二氧嘧啶) （2-氨基-6-氧嘌呤） （6-氨基嘌呤） 稀有碱基

假尿嘧啶核苷 次黄嘌呤核苷 二氢尿嘧啶核苷 甲基鸟嘌呤核苷 核苷

碱基 purine：N9-1

|____________核苷键

|

戊糖 pyrimidine：N1-C1 {

8种核苷

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核苷酸

核苷与磷酸缩合生成的磷酸酯。

自然界所发现的核苷酸主要为核苷C5‘上羟基与磷酸形成的酯键，称为5‘核苷酸或

一磷酸核苷。

核苷酸是核酸的基本组成单位。

RNA DNA

AMP、ADP、ATP dAMP、dADP、dATP

GMP、GDP、GTP dGMP、dGDP、dGTP

CMP、CDP、CTP dCMP、dCDP、dCTP UMP、UDP、UTP dTMP、dTDP、dTTP

二磷酸核苷和三磷酸核苷多为核苷酸有关代谢中间产物或酶活性及代谢的调节物质。三磷酸核苷是参与核酸合成的直接形式，并同时为生理储能和供能的重要形式。

第二节 DNA 的 分子结 构

DNA的碱基组成A、G、C、T A=T A + G = C + T

DNA的一级结构（primary structure)特征：

*DNA分子中脱氧核苷酸的排列顺序，即碱基的排列顺序。

单核苷酸通过3‘,5‘-磷酸二酯键连接成大分子——多核苷酸。

5‘-末端：P

3 ‘-末端：OH

书写方式

1. 线条简化式

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2. 文字简化式

……pApGpCpT…… 方向：5’ 3’

……pA- G – C - T……

……pAGCT ……

DNA的二级结构（secondary structure)特征：

两条反向平行的脱氧核苷酸链绕同一中心轴，右手螺旋。

磷酸-戊糖骨架位于外侧，两条链上的碱基以A=T、G=C相连，构成碱基平面，位于螺旋内侧。

10个碱基对旋转一周，螺距为3.4nm， 螺旋直径为2.0nm。

大沟（major groove），小沟（minor groove）

氢键：维持双螺旋横向稳定

碱基堆砌力：维持纵向稳定

DNA的三级结构（ tertiary tructure ）特征：

原核生物DNA超螺旋共价封闭环状双螺旋再进一步螺旋。

真核生物

真核生物的三级结构是该DNA双链盘绕在组蛋白上的负超旋。这种以组蛋白为核心绕以DNA片段的颗粒称为核小体（nucleosome）。

完整的核小体由两部分组成，即核小体核心（nucleosome core），以及连接各核心颗粒之间的区域称连接区（linker）。

DNA双螺旋——核小体——串珠状多核小体细丝——螺线管——超螺线管——染色单体

DNA的功能 生物遗传信息的携带者、生物遗传信息复制的模板和基因转录的模板。 基因（gene)是一个功能性遗传单位，是合成一个有功能蛋白或

全部DNA序列。 RNA所必需的

基因组（genome）指细胞或生物体的一套完整单个的遗传物质。一个基因组包括一整套基因。

结构基因（structural gene）编码蛋白质或RNA。

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第三节 RNA的结构和功能

RNA的一般特征

主要存在于细胞质中 一般是单链分子 与DNA在碱基组成上的区别是RNA分子中含有的是U，U与T具有相同的结构信息量 RNA核糖分子上C2‘-OH是游离的，是一个易发生不良反应的位置，因此RNA不如DNA稳定

tRNA (transfer RNA)

细胞内分子量最小的一类核酸，约占总RNA的15% 含有10-20%的稀有碱基 细胞内tRNA的种类很多，每一种氨基酸都有其相应的一种或几种tRNA 二级结构为―三叶草‖的结构 三级结构呈倒L形 重要的功能是参与转运氨基酸，解译mRNA的密码

tRNA ―三叶草‖形的二级结构

功能部位：反密码环: 反密码子 氨基酸臂：3‘-CCA-OH

倒L形的三级结构

mRNA (messenger RNA)

细胞内含量较少的一类RNA，占总RNA的5%左右，但种类很多。 功能：将核内DNA的碱基顺序（遗传信息）按碱基互补原则抄录并转送到胞质的核糖体上，用以决定蛋白质合成的氨基酸顺序。 三联密码：mRNA分子上每三个核苷酸为一组，决定肽链上的一个氨基酸。

真核生物mRNA的特殊结构

5‘-末端的帽结构：m7G-ppp5‘-Np 促进核糖体与mRNA的结合

加速翻译的起始速度、增强mRNA的稳定性

3‘-末端的polyA结构:

参与mRNA从核内向胞质的转移、增强mRNA的稳定性

真核生物mRNA含有内含子，在核内需经过一系列的加工、修饰及剪接等去除内含子，转变为成熟的mRNA，进入胞浆。

rRNA (ribosomal RNA)

细胞内含量最多的RNA，约占RNA总量的80%左右。

rRNA不能单独行使功能，必须与蛋白质结合后形成核糖体(ribosome)，作为蛋白质合成的场所。某些低等真核生物的细胞核rRNA的前体在成熟过程中可以自我剪接，

称为核酶(ribozyme)。

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原核细胞rRNA包括：5S rRNA 23S rRNA 16S rRNA

+ 蛋白质 + 蛋白质

大亚基 小亚基

真核细胞rRNA包括：5S rRNA 5.8S rRNA 28S rRNA 18S rRNA

+ 蛋白质 + 蛋白质

大亚基 小亚基

rRNA二级结构：有较多茎环结构，是与蛋白质结合的结构基础，也是酶性RNA的结构基础。

第四节 核酸的理化性质

分子大小：

1μ m DNA = 3 000 bp = 2x106 Dalton

紫外吸收：

260nm

核酸的变性、复性与分子杂交

1. DNA变性：在某些因素的作用下，DNA双链间氢键断裂，双螺旋结构解开，形成单链无规则线团状分子的过程。

高色效应 ：解链过程中，DNA A260增加，并与解链程度相关。 Tm 值：50%DNA解链的温度，又称融解温度。

2. 复性：变性DNA在适当条件下，可使两条彼此分开的链重新缔合成为双螺旋结构的过程。

3. 分子杂交：两条来源不同具有完全或不完全互补碱基顺序的多核苷酸片段在溶液中经退火处理可以形成双螺旋结构。如DNA/DNA、DNA/RNA、RNA/RNA杂交分子。

第三讲 相关基础知识

一、生物大分子

通常将所有的生物分子简单地分为两类：

一类是小分子，即为简单的单体物质；另一类是大分子，一般为多聚化合物。

1、生命物质的十三个层次

量子→小分子→生物大分子→ 生物大分子聚合体→细胞器→细胞―系‖ →细胞→组织→器官→系统→个体→种群→生态系

2、生物大分子

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是指生物体内由分子量较低的基本结构单位首尾相连形成的多聚化合物。如核酸是由核苷酸与核苷酸相连而构成的，蛋白质的多肽链是由氨基酸与氨基酸相连而成。基本结构单位的排列顺序构成了生物大分子的一级结构，在此基础上可形成复杂的空间结构。核酸、蛋白质和多糖都属于生物大分子范畴。核酸与蛋白质的结构与功能是分子水平生命活动的基础，分子生物学的研究内容基本上围绕核酸与蛋白质展开的。

3、生物大分子聚合体

如核蛋白、糖蛋白、脂蛋白

4、细胞―系‖

遗传信息流、膜流、能流、以受体为主的通讯流等。

二、DNA复制的特点

复制 以DNA为模板,按碱基互补配对原则,聚合成新的DNA链的过程。

1、DNA的半保留复制

半保留复制即新的双链DNA中，一股链来自模板，一股链为新合成的。

实验依据

2002年10月，在由权威的美国《生物科学》杂志组织的一次评选中，梅塞尔森和斯塔尔的半保留复制实验当选为有史以来生物学领域―最美丽‖的一项实验。

半保留复制的意义

复制的这种方式可保证亲代的遗传特征完整无误的传递给子代，体现了遗传的保守性。

DNA复制的一般过程

即DNA复制时一条链是连续合成的，另一条是不连续分段合成最后才连接成长链。由于DNA双链方向相反，当双链以复制的起点解开形成复制叉时，3'端位于复制起点的模板链合成新链是从5'向3'发展，是DNA聚合酶前进的方向，故可以连续合成，而5'端位于复制起点的模板链，由于缺乏3'向5'走向的DNA聚合酶不可能合成连续新链，只能以不连续的方式分段进行。此连续合成的新链其合成方向与复制叉前进方向一致，称领头链，分段合成的短链称冈崎片段，其合成方向与复制叉前进方向相反，称为随从链。

复制起始点 常用ori或O表示。细胞中的DNA复制一经开始就会连续复制下去，直至完成细胞中全部基因组DNA的复制

复制子或复制单元：NDA复制从起始点直到终点为止，每个这样的DNA单位称复制子。原核细胞中，每个DNA分子只有一个复制起始点，因而只有一个复制子；真核生物中，复制是从许多起始点同时开始的，所以每个DNA分子上有许多个复制子

大肠杆菌的DNA复制

定点开始双向复制这是原核与真核生物DNA复制最主要的形式

三、DNA损伤与修复

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（一） DNA的损伤（DNA damage）

指一个或多个脱氧核苷酸的构成、复制或表型功能的异常变化，也称DNA损伤，又称突变（mutation） 突变的结果引起遗传信息的改变。

1、DNA分子的自发性损伤

（1）DNA复制中的错误（2）DNA的自发性化学变化：碱基的异构互变、碱基的脱氨基作用、脱嘌呤与脱嘧啶、碱基修饰与链断裂

2、物理因素引起的DNA损伤

（1）紫外线引起的DNA损伤（2）电离辐射引起的DNA损伤

3、化学因素引起的DNA损伤

（1）烷化剂对DNA的损伤（2）碱基类似物、修饰剂对DNA的损伤

（二）DNA损伤的后果

1、点突变：指DNA上的单一碱基的变异（转换：嘌呤与嘌呤、嘧啶与嘧啶；颠换：嘌呤与嘧啶或嘧啶与嘌呤）2、缺失：指DNA链上一个或一段核苷酸的消失3、插入：指一个或一段核苷酸插入到DNA链中4、倒位或转位：指DNA链重组使其中一段核苷酸链方向倒置、或从一处迁移到另一处5、双链断裂

（三）DNA修复

1、回复修复这是较简单的修复方式，一般都能将DNA修复到原样

（1）光修复最早发现的DNA修复方式，由细菌中的光解酶完成。后发现类似的修复酶广泛存在于动植物中，人体细胞中也有发现。

（2）单链断裂的重接

（3）碱基的直接插入

（4）烷基的转移

2、切除修复：是修复DNA损伤最为普遍的方式，对多种DNA损伤都能起修复作用。普遍存在于各种生物细胞中，也是人体细胞主要的DNA修复机制

切除修复：先切除DNA损伤序列，再合成补充切除的片段

3、重组修复切除错误片段，自另一条复制好的链中找相应片段补充。反应需要RecA

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等蛋白参与。

4、SOS修复：是指DNA受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种DNA修复方式，修复结果只是能维持基因组的完整性，提高细胞的生成率，但留下的错误较多，故又称为错误倾向修复，使细胞有较高的突变率。此系统由十几个修复蛋白组成。

（四）基因突变是指由于DNA碱基对的置换、增添或缺失而引起的基因结构的变化。

1、自发突变：在自然条件下发生

2、诱发突变：人工利用物理或化学药剂诱发

根据基因结构的改变方式分为：碱基置换突变和移码突变

根据遗传信息的改变方式分为：同义突变、错义突变、无义突变

四、转录、复制、翻译

1、转录

转录是以DNA的一股为模板合成一条互补RNA的过程。

转录的整个过程至少需包含以下步骤：

(1)聚合酶来到转录起点附近。DNA里隐含转录起点的序列称为启动子。原核生物的RNA聚合酶可以直接辨认启动子，真核生物的RNA聚合酶则需藉助於转录因子。

(2)解开DNA的双螺旋。负责解开双螺旋的酶是解螺旋酶。原核生物的RNA聚合酶具有解螺旋酶的功能，但是真核生物的RNA聚合酶没有，其DNA的双螺旋系由特定的转录因子解开。

(3)以DNA的一股为模板合成RNA，所用的原料是核苷三磷酸。

(4)终止转录。真核生物和原核生物利用不同的信号终止转录。（注：遗传密码的终止密码子代表肽链合成的终止，并非转录的终止）。

在真核生物里，与DNA结合的组蛋白会阻碍RNA聚合酶和DNA的作用，因此需要其他转录因子来应付此种情况。

RNA转录是以一条全序列负链RNA为模板，指导合成几条较短的正链RNA（即mRNA）的过程称RNA，如疱疹性口炎病毒（－）RNA可转录出5种单顺反子mRNA，进而翻译出5种蛋白质。

2、复制

分DNA复制与RNA复制，前者如上述。后者是指以RNA为模板，在RNA指导的RNA聚合酶（也称RNA复制酶）催化下合成互补的RNA链的过程。（－）RNA病毒（如流感病毒、狂犬病毒）或双链RNA病毒都能进行复制。

3、翻译：以mRNA为模板合成肽链的过程称翻译。

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4、逆转录：以mRNA为模板，在逆转录酶的作用下利用宿主细胞中4种dNTP为原料在引物的3‘端以5‘－3‘方向合成与RNA互补的DNA链（cDNA）的过程称逆转录。

复制、转录与逆转录的区别

首先是原料不同；酶不同；摸版不同；生成物不同。别的还有调控方式，参与的因子等不同

五、转录的基础

1、转录单位：指RNA聚合酶作用的起始点与终止位点之间的DNA顺序

2、转录子：指2个或2个以上紧密连锁并共同转录一种mRNA分子的结构基因组成的复合单位。只存在于原核生物中。

3、启动子(promoter)：

又称启动基因，是DNA模板上专一地与RNA聚合酶结合并决定转录从何处起始的部位，

也决定基因的转录效率。生物中有许多启动子，如大肠杆菌约有2000个启动子。各启

动子的效率可不相同，大肠杆菌的强启动子每2秒钟启动一次转录，而弱启动子每10

分钟才启动一次，从百多个大肠杆菌启动子结构的分析，得知两个强启动子的同源序列

的中心在转录起始部位(基因编码链上第一个核苷酸) 5'侧约10和35个核苷酸处，弱启

动子序列中往往有多处核苷酸被置换。许多原核生物都含有这两个重要的启动子区：

真核生物的启动子部位与原核生物不同，而且启动转录的活性，除需启动子外，还需某些外加序列

4、DNA指导的RNA聚合酶催化NTP合成与模板互补的RNA

大肠杆菌的RNA聚合酶含有五个亚单元：a两个，b、b 及σ各一个。

真核生物的RNA聚合酶有三种：Pol I、Pol II及Pol III。其中最主要的是Pol

II，参与所有蛋白质基因以及大部分snRNA基因的转录。Pol I位於细胞核的核仁，负责

合成5S以外的rRNA。Pol III位於核仁外，负责合成tRNA、5S rRNA、U6 snRNA及一

些小RNA(如7SL、7SK、7SM 等)。这三种聚合酶各由十几个亚单元组成，其中四个与

大肠杆菌RNA聚合酶的a、b和b'类似。不过，真核生物的RNA聚合酶并不包含类似

σ因子的亚单元。它需藉助於一般性转录因子才能来到启动子区域，发挥聚合酶的功能。

5、终止子

终止子是DNA分子中终止转录的核苷酸序列。而终止密码子是作为翻译终止的信号，

在下图中，DNA分子下面一条被从左到右转录，从画线DNA转录来的RNA片段形成

发夹环，因为两框中核苷酸含有互补碱基顺序，这就迫使DNA/RNA

杂交区域裂开，因

分子生物学

而随后包括氢链结合较弱的多聚腺苷酸和尿嘧啶mRNA分子就从这个位置脱离下来。

6、增强子是能够增强与之相连锁的基因转录活性的调控序列(顺式作用元件)，其本身不具备启动子的活性。

增强子的作用特征：

①与启动子的相对位置和取向无关，具有远程效应（只要共处一条DNA分子上）；

②需要特定的蛋白因子参与；

③有些能在几乎所有类型细胞中发挥作用，而大多数具有相对组织特异性。

六、转录调控元件与因子

1、顺式作用元件：为与结构基因串联的DNA顺序，它们对基因转录的精确起始和活性调节起着十分重要的作用。如启动子、增强子等。

2、反式作用因子：是分布于不同或相同染色体上基因所编码的蛋白质因子，通过顺式作用元件和RNA聚合酶的相互作用而调节基因转录的活性。

七、基因扩增的概念

在某些情况下，真核细胞DNA分子的一定顺序反复进行复制，而其它部分不复制，这种现象称为基因扩增。（两栖类的卵母细胞中多见）它是通过改变基因数量而调节基因表达产物的一种调节方式。

八、DNA探针是指一段有标记的与已知的DNA互补的DNA片段。

基因探针probe）就是一段与目的基因或DNA互补的特异核苷酸序列，它可以包括整个基因，也可以仅仅是基因的一部分；可以是DNA本身，也可以是由之转录而来的RNA。具有可检测的标记

探针的来源

DNA探针根据其来源有3种：

一种来自基因组中有关的基因本身，称为基因组探针（genomic probe）；

另一种是从相应的基因转录获得了mRNA，再通过逆转录得到的探针，称为cDNA 探针（cDNA probe）。与基因组探针不同的是，cDNA探针不含有内含子序列。

此外，还可在体外人工合成碱基数不多的与基因序列互补的DNA片段，称为寡核苷酸探针。

基因和基因组的结构与功能

一、基因的生物学概念

1866 Mendel发表《植物杂交实验》，―遗传因子‖通过豌豆实验，提出经典遗传定律：分离定律和独立分配定律 1909 W.Johannse提出gene 这一名词，但还只是遗传性状的符号，未涉及基因的物质概念 1910 Morgan发现果蝇的白眼性状的伴性遗传，首次特定的基因和一个特定的染

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色体联系起来

1919 教材中开始出现gene一词 The Physical Basis of Heredite 1926 Morgan发表The Theory of Gene，认为：

基因依孟德尔第一定律（分离定律）而彼此分离，于是每个生殖细胞只含一组基因；不同连锁群里的基因依孟德尔第二定律（自由组合定律）而自由组合；两个相对连锁群的基因之间有时候也发生有秩序的交换，交换率证明了每个连锁群里诸要素的直线排列，也证明了诸要素的相对位置。

20世纪40年代 Bendle和Tatum提出―一个基因，一个酶‖学说首次在分子水平上给基因如下定义：基因位于染色体上的一定区域，在有丝分裂中作为1个遗传单位存在，并决定一定的表型。

20世纪50年代 Benzer提出―顺反子‖、―一个顺反子，一条多肽链‖

20世纪60年代 遗传密码的破译使人们对基因表达的机理有了更多的了解

修改定义为：基因是基因组中的1个区域或1段DNA序列；其转录产物编码1条多肽链或者1个结构RNA分子（tRNA或rRNA）。

80年代以后 认识到基因表达的复杂性

1994 Alberts 基因是一段DNA序列，包括完整的功能单位（如编码序列、调节序

列和内含子等）；基因可以作为1个转录单位，其表达产物通常是1条多肽链或1个DNA分子，但有时编码1组相关的蛋白异形体，有些蛋白异形体的产生和特殊的转录后加工（如RNA编辑）或者翻译水平的再编码（如核糖体跳跃）有关。

二、基因的现代概念

生物学概念：基因是世代相传的，基因决定了遗传性状的表达，基因的颗粒性主要

表现在世代相传的行为和功能表达上具有相对的独立性，基因呈直线排列在染色体上。

分子生物学概念：合成有功能的蛋白质或RNA所必需的全部DNA（除部分病毒

RNA），即一个基因不仅包括编码蛋白质或RNA的核酸序列，还应包括为保证转录所必

需的调控序列。

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。

2．基因组可由DNA组成，也可由RNA组成，但不能共存于同一病毒。

3．相关基因丛集。

DNA序列中功能相关的RNA和蛋白质基因，丛集在基因组的一个或几个特定部位，形成一个功能单位或转录单位，可被一起转录成为多顺反子mRNA。

4．常见重叠基因现象。

5．非编码区少，重复顺序少。

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细菌基因组 E.coli

1. 一条双链DNA ，具有类核结构。

2. 具有操纵子结构。几个功能相关的结构基因串联在一起受同一个调控区调节。

E.coli基因组含3500个基因，有260个已查明具有操纵子结构，定位于75个操纵子中。

3. 蛋白质基因单拷贝，rRNA基因多拷贝，这可能有利于核糖体的组装。

E.coli中rRNA基因（rDNA）具有多拷贝，而且都以转录单位的形式组织在一起。1个转录单位通常含3个rDNA，以16S-23S-5S的顺序串联排列，有的转录单位中间还插有tRNA基因，每个转录单位的长度大于5Kb。转录后先得到rRNA前体，再剪切成16S、23S和5SrRNA

4. 结构基因中无内含子，边转录边翻译。

5. 无基因重叠结构。

6. DNA分子中有多种功能区。这些区域往往具有特殊的结构，并且含有反向重复序列。 质粒DNA

存在于细菌与真核细胞中的一种亚细胞结构。

绝大多数质粒都是双链DNA分子。

没有蛋白外壳，只能在寄主细胞中独立地增殖，并随着宿主细胞的分裂而被遗传下去。对于宿主细胞的生存不是必需的，但质粒所携带的某些基因，可以对宿主细胞的生物学特征产生影响。

质粒是一个完整、独立的复制子，并且能够转化细胞（把它的一个复本从供体细胞转移给受体细胞），因此可以作为一种载体，把目的DNA带入宿主细胞中进行增殖。而且通常能给细胞带来特殊的标记，顾而可以利用这些标记来筛选阳性克隆。

质粒DNA的复制类型

严紧型： 每个宿主细胞中仅含有1-3个拷贝，其复制要受到宿主细胞的严格控制。 松弛型： 每个宿主细胞可含有10-60个拷贝，其复制不受宿主细胞的严格控制，即当宿主细胞蛋白合成受到抑制时，质粒可以继续复制，拷贝数可以增至1000-3000之多。 质粒DNA的功能类型

1. F质粒（F因子或性质粒）能够使宿主细胞染色体上的基因和F质粒一起转移到原先不存在该质粒的受体细胞中。

2. R质粒（抗药性因子） 编码一种或几种抗菌素的抗性基因，并能将此抗性基因转移到宿主细胞中，使其获得同样的抗性能力。

3. Col质粒 编码控制大肠杆菌素合成的基因。

细菌基因组学研究的意义

分子生物学

1、能够更好地了解病原微生物的致病机制。

2、对致病菌基因组的研究，可以加快重要致病基因的发现速度。

3、寻找病原菌所特有的DNA序列，提高临床诊断的效率和准确性。

4、为筛选有效药物及发展疫苗提供参考。

总之，细菌基因组研究将使人类从更高层次上掌握病原微生物的致病机制及规律，从而得以发展新的诊断、治疗、预防微生物感染的制剂、药物及疫苗。此外，新发现的微生物酶及蛋白还可能在工农业生产上有应用价值。

五、真核生物基因组的特点

真核生物基因组结构与功能特点

1、真核生物基因组的化学本质为DNA，大多与蛋白质结合形成染色质，基本结构单位为核小体。每一种真核生物都有一定的染色体数目，除配子为单倍体外，体细胞一般为双倍体，即含两份同源基因组，而原核生物的基因组则是单拷贝的。

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。

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。

5、基因是不连续的（断裂基因），由外显子和内含子镶嵌排列而成。基因转录的初级产物需经一定的加工，切除内含子使外显子拼接，才能形成成熟的mRNA。

6、非编码区（占90%以上）远大于编码区。

7、功能相关的基因构成各种基因家族，它们可串联在一起，亦可相距很远，但即使串联在一起的成簇的基因也是分别转录的。

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。

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DNA5-10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成。分子杂交研究表明，同一类型中不同家族成员之间不能进行杂交，说明卫星DNA具有多态性。

2.微卫星DNA又称简单重复序列（simple repeat sequence,SRS）。

1－6bp为重复单位，10-60次拷贝串联。最常见是2bp串联（即(AC)n和(TG)n，约占10%），散在分布在基因组中，多位于编码区附近，也存在于卫星序列中及中度重复序列中。

分子生物学

功能：参与遗传物质结构的改变、基因调控及细胞分化等过程。

卫星DNA与微卫星DNA的比较

高度重复序列的功能

1、参与复制水平的调2、参与基因表达的调节3、参与转位作4、与进化有关5、作为每一个体的特征6、可能与染色体减数分裂时染色体配对有关

中度重复序列

特征：

1.一般是不编码的序列，在基因调控中起重要作用，包括开启或关闭基因的活性、DNA复制的起始、其转录产物参与hnRNA（不均一核RNA）的处理等；2.重复单位的序列相似，不完全一样，分散在基因组中，序列的长度和拷贝数不均一；具有种属特异性。

（1）Alu family

哺乳动物中含量最丰富的中度重复序列家族。

重复单位中带有限制性内切酶Alu的酶切位点：AG↓CT

TC↑GA

主要集中在细胞分裂晚期的R带，大部分属于非编码DNA，但也有一部分位于mRNA的非翻译区，甚至位于编码区内。

功能可能与hnRNAr的加工成熟、DNA复制及转录调节有关

（2）Kpn I family

仅次于Alu家族的第二大家族。

人Kpn I顺序长6.4kb，散在分布，拷贝数约为3000-4800个，占人体基因组的1%。

（3）Hinf family

限制性内切酶Hinf I

约有50-100个拷贝分散在基因组的不同区域。

多基因家族（multigene family）

分子生物学

亦称基因家族，是真核生物基因组中一组来源相同、结构相似、功能相关的基因，有的编码蛋白质，有的编码RNA。

根据分布不同，可分为两大类：

（1）基因成簇地分布在一条染色体上，呈串联排列，产生多个拷贝，具有几乎相同的序列，同时发挥作用，如rRNA、tRNA、组蛋白等。

（2）各家族成员分布在不同的染色体上，序列虽然不相同，但编码的是一组紧密相关的蛋白，如干扰素、生长激素、珠蛋白等。

假基因（pseudogene）

在基因家族中，有些成员的序列与相关功能基因的序列相似，但不能被转录或转录后生成无功能的基因产物。

一个假基因常常有多个有害的突变，可能因为作为一种活性基因一旦停止，就再没有适当机制阻止进一步突变的聚积。假基因数目一般较少，往往只占基因总数的一小部分。

假基因主要有两种类型

（1）由于一种基因的加倍而失活。这种类型假基因保留原来亲本基因的外显子及内含子组织并常与亲本基因密切联系，如α、β球蛋白基因簇的假基因。它们可能是由于失去起始转录信号，或外显子—内含子连接处不能剪接或翻译不能终止。

（2）第二种假基因仅含有亲本基因的外显子，常常拥有3‘端polyA尾，并随机分布于基因组中。这些假基因是源于mRNA，并通过逆转录而重新整合进基因组。

超基因家族

指一组由多基因家族及单基因组成的更大的基因家族。结构上有不同程度的同源性，可能起源于相同的祖先基因，但功能不相同。例如，免疫球蛋白超基因家族。

单一序列

也称为单拷贝序列。 真核生物一般为二倍体细胞，因此不重复的单一序列存在2个拷贝。 大多数结构基因都是单一序列。 80%左右的mRNA来自单一序列DNA。 结构基因的突变容易引起遗传性状的改变或产生遗传性疾病。

断裂基因

即不连续基因。 绝大多数真核生物的基因都是断裂基因。编码蛋白质的基因称为外显子（exon），其

间由不编码的序列即内含子（intron）隔开。转录时一起被转录出来，然后再经过加

工剪切内含子后，外显子拼接起来后成为成熟的mRNA。

不连续基因的发现时是通过mRNA和DNA杂交实验而发现的。

移动基因（转座子或转位子，transposon）

可从染色体基因组的一个位置转移到另一个位置的基因，也可在不同的染色体之间

跳跃。

分子生物学

20世纪40、50年代，美国遗传学家McClintock（1983年获得诺贝尔生物医学奖）

在研究玉米籽粒颜色的高频变异时提出这一概念，当时称为―控制因子‖。这些基因

能在玉米不同的染色体上从一个位点转移到另一个位点，有时象一个新奇的生物学

开关一样，开动或关闭基因。

跳跃基因的概念，使人们认识到功能上相关的各个基因，并不一定以紧密连锁的形

式存在，它们可以分散在不同染色体或者同一染色体的不同部位上，因此极大地丰

富和发展了现代基因概念。

人类基因组计划

人类基因组结构特点

1、前述的真核基因组的结构特点基本上都适用于人类基因组。

2、基因组DNA有30亿个碱基对(3×109bp)，5－10万个基因，目前已定位的有2000个

3、编码序列只占基因组总DNA量的5%以下，非编码区占95%以上，大量为重复序列

人类基因组中的DNA多态性

每个人之间基因组并不完全相同，也叫基因组的多态性，这个多态性表现在DNA的序列上。统计表明，任意两个人之间的DNA核苷酸差异约占基因组的0．01％，就是这基因组中0．01％的差异，决定了人类的遗传多样性，如有的人容易生病，而有的人却对疾病的免疫能力特别高，有些药物，有的人用了就灵验，有的人就不灵验。只有从不同个体DNA序列的差异上阐明人类基因组的多态性，才能真正了解与疾病特别是多基因疾病有关的遗传机制，同时深入准确地了解人类起源、进化和迁徙过程中的DNA序列变化。

1、位点多态性

是由于等位基因间在特定位点上DNA序列存在差异造成的。例如人血液中的许多蛋白质和红细胞、白细胞的表面抗原在不同个体之间的生化特征、抗原特性都存在着由遗传造成的变异。在各种DNA位点多态性系统中，人类白细胞抗原（HLA）是最复杂的一种，仅其中的HLA-DR抗原的编码位点就有DRA、DRB1 DRB2、DRB3、DRB4、DRB5六个座位，共有60多个等位基因。

2、限制性片段长度多态性

DNA位点多态性可影响限制酶的切割位点，造成限制性片段长度多态性，即用同一

种限制酶消化不同个体的DNA时，会得到长度各不相同的限制性片段类型。不同

个体基因组在同一段DNA是否有同样的酶切位点，决定了酶切后是否会产生同样

大小的片段。当碱基组成的变化改变了限制酶识别位点（位点消失、产生新的位点、

位点移位等）时，就会得到不同的限制性片段类型，这样的位点称为多态性位点。

通过限制酶酶切片段的长度多态性来揭示DNA碱基组成不同的技术称为限制性片

段长度多态性技术，简称RFLP技术。 高度重复序列中的无间隔反向重复序列很容易形成限制酶识别位点，也很容易由于

突变产生或失去一个酶切位点。所以，RFLP的基础是高度重复序列（数量大）和

点突变。

3、串联重复顺序多态性

有一些重复序列，其重复单位很小，比如（CC）n、（ATT）n，但串联重复次数有

分子生物学

较大的变化，形成串联重复顺序多态性，也称为可变数目的串联重复序列（variablc

number of tandcm repeats，VNTRs），这是另一种DNA序列长度多态性，这种多态

性在人群中有极高的频率。串联重复顺序长度多态性主要发生在小卫星DNA 和微

卫星DNA中。

研究背景

1985年，美国能源部（DOE）率先提出，旨在阐明人类基因组 DNA长达3×109

碱基对（ base pair，bp）的序列。发现所有人类基因并阐明其在染色体上的位置，

从而在整体上破译人类遗传信息。

1986年美国宣布启动―人类基因组启动计划‖ 。 1989年，美国国家卫生研究院（NIH）建立国家人类基因组研究中心（NCHGR） 。 1990年，NIH和DOE联合提出美国人类基因组计划，正式启动HGP，计划于15

年内提供30亿美元的资助，在2005年完成人类基因组全部序列的测定。

研究进程

HGP启动以后进展顺利，计划进度一再修改。 1998年，最后一个五年计划指定出来，HGP提前2年于2003年完成。

最后一个五年计划的主要目标是：

①得到标记间距为1厘摩（1厘摩=重组频率为1%的两个基因间的遗传距离）的遗传图谱； ②得到至少有30万个序列标记位点（STS）的物理图谱，1998年10月实际已经有5.2万个 STS被作图；

③2001年得到人类基因组序列的―草稿‖，2003年得到最后―定稿‖；

④测序能力要达到每年500Mb(1Mb=1000kb),每个碱基对的分析费用要少于25美分，支持毛细管阵列电泳、DNA芯片等的测序技术的发展；

⑤增加测定人类基因组变异的内容，得到10万个作图定位了的单核苷酸多态性（SNP）； ⑥得到所有基因的全长c DNA；

⑦发展在基因组尺度上分析生物功能的技术；

⑧在模式生物基因组研究方面，大肠杆菌、酵母菌、短小丽杆线虫的全基因组序列已经全部完成并发表公布，到2002年完成果蝇的全基因组序列，2005年完成小鼠的全基因组序列。 基因组研究大事记

１９９０年 １０月 被誉为生命科学―阿波罗登月计划‖的国际人类基因组计划启动。 １９９８年 一批科学家在美国罗克威尔组建塞莱拉遗传公司，与国际人类基因组计划展开竞争。 １２月 一种小线虫完整基因组序列的测定工作宣告完成，这是科学家第一次绘出多细胞动物的基因组图谱。 １９９９年 ９月 中国获准加入人类基因组计划，负责测定人类基因组全部序列的１％。中国是

继美、英、日、德、法之后第６个国际人类基因组计划参与国，也是参与这一计划

的唯一发展中国家。

１２月１日 国际人类基因组计划联合研究小组宣布，完整破译出人体第２２对染色

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