分子生物学-基因与基因组.pptx

第一章 基因与基因组,基因是什么？,物质： 特定核苷酸序列 功能： 遗传,第一节 基因(Gene),一、概念 基因是ＤＮＡ分子上具有遗传效应的特定核苷酸序列的总称，是具有遗传效应的ＤＮＡ分子片段。,是遗传物质的最小功能单位,多数生物的基因由脱氧核糖核酸（DNA）构成，并在染色体上作线状排列。除某些病毒的基因由核糖核酸（RNA）构成。 基因一词通常指染色体基因。在真核生物中，由于染色体都在细胞核内，所以又称为核基因。 位于线粒体和叶绿体等细胞器中的基因则称为染色体外基因、核外基因或细胞质基因，也可以分别称为线粒体基因、质粒和叶绿体基因。,在通常的二倍体的细胞或个体中，能维持配子或配子体正常功能的最低数目的一套染色体称为染色体组或基因组，一个基因组中包含一整套基因。相应的全部细胞质基因构成一个细胞质基因组，其中包括线粒体基因组和叶绿体基因组等。原核生物的基因组是一个单纯的DNA或RNA分子，因此又称为基因带，通常也称为它的染色体.,基因在染色体上的位置称为座位，每个基因都有自己特定的座位。在同源染色体上占据相同座位的不同形态的基因都称为等位基因。在自然群体中往往有一种占多数的（因此常被视为正常的）等位基因，称为野生型基因；同一座位上的其他等位基因一般都直接或间接地由野生型基因通过突变产生，相对于野生型基因，称它们为突变型基因。,在二倍体的细胞或个体内有两个同源染色体，所以每一个座位上有两个等位基因。如果这两个等位基因是相同的，那么就这个基因座位来讲，这种细胞或个体称为纯合体；如果这两个等位基因是不同的，就称为杂合体。在杂合体中，两个不同的等位基因往往只表现一个基因的性状，这个基因称为显性基因，另一个基因则称为隐性基因。在二倍体的生物群体中等位基因往往不止两个，两个以上的等位基因称为复等位基因。,在细菌中编码同一生物合成途径中有关酶的一系列基因常排列在一起，构成一个操纵子.,基因结构,现代分子生物学认为，基因是核酸分子中储存遗传信息的遗传单位，是核酸分子中由特定的核苷酸按一定的碱基顺序排列而成的有功能的一个片段。 是RNA序列和蛋白质多肽链序列相关遗传信息的基本存在形式，以及表达这些信息所需要的全部核苷酸序列。 基因是基因组序列上的遗传单位，有调节区、转录区和(或)其他功能序列区。基因的化学本质是DNA(RNA病毒除外)。在细胞中基因是含有编码序列和非编码序列的DNA序列。（P 1 ）,基因包括: 1.具有转录和翻译功能的基因 2.只有转录功能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，对基因表达其调控作用，包括启动基因和操纵基因等。,二、基因结构与功能,(一)基因的结构,1.原核生物基因结构,2.真核生物基因结构,大多数真核生物的基因为不连续基因（interruptesd或discontinuous gene）。所谓不连续基因就是基因的编码顺序在DNA分子上是不连续的，被非编码顺序所隔开。,人类结构基因4个区域：,①编码区，包括外显子（exon）与内含子（intron）,又称插入顺序（intervening sequence,IVS）。 外显子（exon），是一个基因表达多肽链的部分；内含子只转录，在前mRNA(pre-mNRA)时被剪切掉。 ②前导区，位于编码区上游，相当于RNA5’末端非编码区（非翻译区） ③尾部区，位于RNA3’编码区下游，相当于末端非编码区（非翻译区） ④调控区，包括启动子和增强子等。,启动子（promoter）包括下列几种不同顺序，能促进转录过程： TATA框（TATA box） CAAT框（CAAT box） GC框（GC box）,调控区,2．增强子（enhancer）在真核基因转录起始点的上游或下游,它不能启动一个基因的转录，但有增强转录的作用。此外，增强子顺序可与特异性细胞因子结合而促进转录的进行。 　3．终止子在一个基因的末端往往有一段特定顺序，它具有转录终止的功能,沉默子(silencer),参与基因表达负调控的一种元件,(二)基因的功能,储存，传递，表达遗传信息（中心法则） 基因表达活性调节,基因功能的研究方法,目的：发现基因的功能 随着人类基因组计划的计划的完成，许多新基因被发现。基因功能研究成为生命科学领域汇总的重大课题，这是后基因组时代功能基因组学的研究内容。 目前基因功能研究方法主要有基因转导、反义技术、转基因和基因剔除、染色体转导、RNA干涉，微阵列等,微阵列（microarray),大规模快速检测基因差异表达、基因组表达谱、DNA序列多态性、致病基因或疾病相关基因的一项研究基因功能的新技术。 包括cDNA微阵列（cDNA microarray)和DNA芯片。,方法,原理：将成千上万条DNA片段（cDNA、表达序列标签（expressed sequence tag, EST)或特异的寡核苷酸片段）按横行纵裂方式有序点样在固相支持物上。支持物为硝基纤维素膜或尼龙膜时称为微阵列，为玻片或硅片时称为DNA芯片。,100000个cDNA, 3.6cm2,分析：用来自不同生理状态和发育阶段的mDNA作为模板，以放射性同位素或荧光标记的dNTP为底物反转录合成cDNA。再用所得cDNA 与微阵列或DNA芯片进行杂交，然后通过计算机对结果进行判读和处理，这样就可以知道芯片中哪些基因在细胞里表达，哪些基因不表达，或哪些基因表达水平高，哪些低。,基因敲除（Gene knockout)又称基因打靶（gene targeting).,基因敲入（Gene knock in），转基因（基因过表达）,基因敲除：用外源DNA与受体细胞基因组中顺序相同或者非常相近的基因发生同源重组，整合，使特定的基因失活或缺失的技术。 优点：整合位点确定，精确，可以用正常基因敲除突变的基因，进行性状改良和遗传病的治疗，又可以用突变的基因敲除正常的基因一研究此基因在发育和调控方面的作用。 如基因敲除动物模型,基因敲入：对于许多基因来说，简单的失活常导致令人费解的无改变的表型。最常见的解释是某些其他基因取代了靶基因的功能，但要在普通基因敲除小鼠中证明这十分困难，基因敲入即通过基因打靶用一种基因替换另一种基因以确定它们是否具有相同功能。,基因敲除一般应用于鼠。,基因转导技术 通过载体将目的基因导入某一细胞中，通过观察细胞生物学行为的变化来认识基因的功能，是目前应用最多、技术最成熟的基因功能研究方法。 常用的基因转导 系统分为非病毒性表达系统和病毒性表达系统。 非病毒性表达载体：DNA直接注射或多聚赖氨酸、阳离子脂类，是目的基因穿过细胞膜。,病毒表达载体 病毒为载体介导的基因转移，转染效率高，目的基因可稳定表达等优势被广泛应用。 逆转录病毒载体可携带外源基因整合进靶细胞的基因组中，从而实现目的基因的稳定持久表达，但缺点是只能感染正在分裂的细胞，有插入突变和激活癌基因的危险，并且繁殖滴度较低。 人腺病毒载体具有宿主范围广、滴度高、 装载量大（重组腺病毒最大包装容量为野生型腺病毒的105%）等优点，是对分裂细胞和静息细胞均有效的基因传递系统。如以门静脉注射的方式用腺病毒载体介导入LDLR基因，在90%以上的肝细胞中得到表达。但不能将外源基因整合到细胞染色体上，所介导的基因只能短暂表达。,反义技术 反义技术是通过人工合成或构建的反义表达载体表达的寡核苷酸片段，长度多为15-30个核苷酸，通过碱基互补原理，干扰基因的解旋、复制、转录、mRNA的剪接加工乃至输出和翻译等各个环节，从而调节细胞的生长、分化等。 反义DNA（asDNA), 反义RNA（asRNA),自催化性核酶（ribozyme),(三)基因突变与疾病,突变绝大多数会导致疾病，另外的一小部分是非致病突变。非致病突变使生物可以在自然选择中被选择出最适合自然的个体。,基因有两个特点，一是能忠实地复制自己，以保持生物的基本特征；二是基因能够“突变”。,因有毒物质的作用、传染或暴露于放射性物质下而导致基因结构本身发生的变化。,基因突变（gene mutation） 从分子水平上看，基因突变是指基因在结构上发生碱基对组成或排列顺序的改变。 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，亦称点突变（point mutation）。（镰刀型细胞贫血（ sickle-cell disease）,在自然条件下发生的突变叫自发突变，由人工利用物理因素或化学药剂诱发的突变叫诱发突变。 基因突变与DNA复制、DNA损伤与修复、癌变和衰老都有关系是生物变异的主要原因，也是生物进化的主要因素。在生产上人工诱变是产生生物新品种的重要方法。,基因突变特性： 随机性：任何时期，任何细胞 低频性（稀有性）：自然突变率10-5-10-8。T.H.摩尔根1910年在饲养的许多红色复眼的果蝇中偶然发现了一只白色复眼的果蝇。 可逆性：可逆性 　　野生型基因经过突变成为突变型基因的过程称为正向突变。正向突变的稀有性说明野生型基因是一个比较稳定的结构。 突变基因又可以通过突变而成为野生型基因，这一过程称为回复突变。 正向突变率总是高于回复突变率，这是因为一个野生型基因内部的许多位置上的结构改变都可以导致基因突变，但是一个突变基因内部只有一个位置上的结构改变才能使它恢复原状。,少利多害性 　　一般基因突变会产生不利的影响，被淘汰或是死亡，但有极少数会使物种增强适应性。 不定向性 　　例如控制黑毛A基因可能突变为控制白毛的a+或控制绿毛的a-基因。,一般，基因突变后身体会发出抗体或其他修复体进行自行修复。可是有一些突变是不可回转性的。突变可能导致立即死亡，也可以导致惨重后果，如器官无法正常运作，DNA严重受损，身体免疫力低下等。如果是有益突变，可能会发生奇迹。,基因突变与疾病,基因病（gene disease),是指基因突变或其表达调控障碍引起的疾病，包括单基因病和多基因病。 人类单基因病6457种。 单基因疾病： 单基因病是指由1对等位基因控制的疾病或病理性状。 由于基因是位于染色体上，而染色体有常染色体和性染色体之分，基因也有显性基因与隐性基因之别。,常染色体显性遗传病，如短指症等 常染色体隐性遗传病，如白化病等 x伴性显性遗传病，如抗维生素D缺乏病等 x伴性隐性遗传病，如色盲等 Y伴性遗传病，如耳廓长毛症等,