第一章基因分子结构.doc

高级遗传学教案

遗传学是研究生物遗传与变异的规律的科学，也是生命科学领域发展最为迅速的前沿学科。随着新技术、新方法、新成果的层出不穷，遗传学的研究范畴更是大幅度拓宽，研究内容不断深化。高级遗传学是在学习普通遗传学的基础上开设的一门提高性课程。本课程涉及基因的分子结构、基因的表达与调控、不同生物的基因组以及DNA操作的基本技术，例如核酸杂交，DNA克隆，多聚酶链式反应（PCR），DNA测序技术等。通过本课程学习，学生不仅可以掌握遗传与变异的规律、而且更深入地了解遗传信息在分子水平上的传递、表达和调控机理，以及遗传学在生产实践和科学研究中的应用。学生可以在群体水平、个体水平、细胞水平和分子水平的不同层次对遗传学有更加完整和深入的认识。

教学课型：理论课
教学方法：以理论讲授为主，配合多媒体教学、课堂讨论、学生自学等方法进行教学。
总学时数：51 学分：3
教材：《现代遗传学》 赵寿元 乔守怡 主编，高等教育出版社,2001
主要参考书：
1、《遗传学》（英文影印本） P.C.Winter,G.I.Hickey and H.L.Fletcher
2、《分子遗传学》 张玉静等，科学出版社, 2000
3、《高级分子遗传学》 李明刚编著，科学出版社, 2004
4、《人类基因组计划研究概论》 郭晓华主编，辽宁大学出版社

第一章 基因的概念和结构（6学时）

本章介绍分子遗传学的相关知识，包括基因的分子结构、基因概念的发展以及基因的分子生物学定义等。讲解的重点内容是转座因子、RNA的剪接机理等。
1.教学目的：
（1）使学生掌握基因概念的发展；
（2）了解基因的分子结构，以及在分子水平对基因的定义。
2.教学重点：
（1）隔裂基因
（2）转座因子
2.教学难点：
（1）RNA的剪接机理；
（2）转座因子的类型及转座的机制。

第一节 基因的分子结构

一、孟德尔遗传因子(factor)——是决定生物性状遗传的符号
《植物杂交试验》: Mendel,1866

二、基因(gene)——是位于染色体上的遗传功能单位
《基因论》: Morgan，1926

三、顺反子(cistron)——一个基因一条多肽
《细菌噬菌体遗传区的精细结构》: Benzer,1955
顺反子(cistron) ：是指通过顺反测验所确定的遗传物质的功能单位（又称作用子），它含有若干个突变子和重组子.一个顺反子是核酸分子上一段能够表达,产生有功能的基因产物(蛋白质或RNA)的特定核苷酸序列，它决定特定多肽链的氨基酸顺序.
突变子（muton）：是突变的最小单位
重组子（recon）：是重组的最小单位

四、操纵子(operon)——遗传信息传递和表达调控的统一体
《蛋白质合成的遗传调节机制》: Jacob 和 Monod, J. Mol. Biol.,1961

五、外显子和内含子——真核基因的结构是断裂的
隔裂基因（interrupted gene）是指基因内部包含有无编码意义的核苷酸顺序。
1977年，Flavell和Jeffreys发现兔的β珠蛋白基因含有1个内含子
1977年,Chambon等发现鸡的卵清蛋白基因包含7个内含子
外显子（exon）：是指转录产物存在于mRNA分子中的基因核苷酸序列
内含子（intron）：是指转录产物不存在于mRNA分子中的基因核苷酸序列
举例：果蝇的28S rRNA基因：含1个内含子5400bp） (Glover,1977)
鸡的卵清蛋白基因：含7个内含子（5828bp）和8个外显子（1872bp），共有7700bp
（Chambon,1977）
人的DMD基因: 全长约2400kb，含有79个内含子（1992）。

（一）RNA剪接
1.与RNA剪接有关的保守顺序
(1) 内含子两端的二核苷酸一致顺序——边界顺序
5ˊGT……… …AG 3ˊ(GT-AG法则) 或者 5ˊAT…………AC 3ˊ
↑ ↑
（供体位点） （受体位点）

（2内含子中与套马索剪接有关的一致顺序：
酵母菌： UACUAAC
高等生物：PyNPyPyPuAPy

2.剪接体(spliceosome)
剪接体的沉降系数60S，由5种小核RNA（snRNA）和多种蛋白质组成，snRNA和蛋白质形成的小分子核RNA蛋白(small nuclear RNAproteins,RNP)参与剪接反应。

3.剪接的途径
（1）直接剪接
直接剪接是RNA前体剪接时由核酸酶在两个剪接位点上切割，切端在RNA连接酶作用下彼此连接，形成成熟RNA分子。
（2）套马索剪接——通过转酯作用发生剪接
第一阶段：在内含子 5ˊ剪切位置上切割，其5ˊ端通过5ˊ-2ˊ键同内含子的一个嘌呤碱基（A）连接，于是内含子-外显子分子形成”套马索”；另一端生成的外显子呈线状.。
第二阶段：在内含子3ˊ剪切位置上切割，释放套马索状的游离内含子, 左右两个外显子连接。
（3）特殊的RNA剪接
(1) 可变剪接(alternative splicing)
可变剪接是指一个基因的mRNA前体通过不同的剪接方式产生多个mRNA。
例如：黑腹果蝇的tra、dsx基因在不同的位置剪接,产生两种基因产物。
(2)反式剪接(trans splicing)
反式剪接是指不同的RNA的外显子通过剪接产生mRNA分子

4. 内含子的类型：
GU-AG内含子：是含有5ˊGU……AG 3ˊ二核苷酸一致序列的内含子
AU-AC内含子：是含有5ˊAU……AC 3ˊ二核苷酸一致序列的内含子
Group I：是指转录产物RNA具有自我剪接能力,且有特定的分子构型的内含子.
GroupII：是指内含子的转录产物RNA具有自我剪接能力,但其二级结构不同于GroupI的内含子.
Group III：该内含子更小，转录产物RNA具有自我剪接能力，有其特定的二级结构.
孪生内含子：由两个或更多个GroupII或GroupIII内含子组成的内含子.
tRNA前体内含子：存在tRNA前体中，序列较短，位于反密码子环中的同一位置。剪接时由核酸酶切割和RNA连接酶连接
古细菌内含子：存在于古细菌的tRNA和rRNA基因中，剪接时通过直接剪接途径切除。

六、重叠基因（overlapped gene）
重叠基因：是指两个或两个以上的基因共有一段核苷酸顺序。例如：
噬菌体Qβ：外壳蛋白基因和连续蛋白基因有共同起始位置（Weiner,1973）
噬菌体φχ：基因B包含在基因A之内，基因E包含在基因D之内 (Sanger,1978)
噬菌体G4：基因B,基因A和基因K共用一个腺嘌呤核苷酸（Shaw,1978）

七、转座因子（转座元件或可动基因）（transposable element）
转座因子：是细胞中能够改变自身位置的DNA顺序
转座（transposition）——转座因子改变自身位置的行为

（一）玉米的转座子——Ds-Ac系统
1. Ds-Ac系统的作用
（1）Ac存在时，Ds可发生转座，引起插入突变；
（2）在Ac作用下，Ds可以离开转座位点，引起回复突变；
（3）如果Ac丢失，Ds不能发生转座；
（4）Ac也能够转座，引起插入突变。
2.Ds和Ac的分子特性
（1）Ds和Ac具有同源性；
（2）Ds是Ac发生缺失的产物。

（二）插入序列（inserted sequence，IS）
1967年，Starlinger首先发现了插入序列。
IS的结构特点：
①序列较小：768-5700bp
②只含有转座酶基因
③两端有相同或相近的反向重复顺序（inverted repeat sequence，IR）

（三）转座子 (transposon，Tn)
1.结构特点：
①序列较大：2-25kb；
②含有转座酶基因以及其他具有特定表型效应的基因——复合型转座因子；
③两端有相同的顺向或反向重复顺序。

2.转座途径
复制转座：指转座因子将复制的拷贝转座到插入位置，而在原先的位置上仍保留原有的转座因子。
非复制转座：转座因子直接从原来位置转座插入新的位置，在原先的位置上不保留原有的
转座因子。

3.转座的机制
（1）非复制转座的机制——切割与粘接
供体转座子两端发生双链断裂，释放出的转座子在受体分子上产生的交错接口处插入。
（2）复制转座的机制
①转座酶分别切割转座子的供体和受体DNA分子，然后转座子末端与受体DNA上产生的交错末端连接；
②复制转座子，形成共整合体；
③转座子的两份拷贝之间发生交换，供体和受体分子分离。受体DNA出现靶序列正向重复。

4.转座的遗传效应
①引起插入突变
②插入位点出现新的基因
③引起靶序列正向重复
④原来位置上保留原有的转座子
⑤转座子能够脱离插入位点——称为切离
⑥转座容易改变染色体结构

（四）反转录转座子
反转录转座子（retrotranspson or retroposon）是指通过RNA为中介，反转录成DNA后进行转座的转座因子。
这样的转座过程称为反转座作用。

1.反转录转座子的类型：
（1）反转录病毒
（2）病毒超家族（viral super family）：这类转座子编码反转录酶或整合酶，自主进行转座，两端有长末端重复序列（long terminal repeats, LTR）.不能独立感染细胞.
（3）非病毒超家族（nonviral super family）：不能编码反转录酶或整合酶，利用细胞内的酶系进行转座，两端没有LTR。

2.反转录病毒与反转录转座
(1)反转录病毒:

基因组是单链RNA,长度约5000-9000核苷酸, 通常由两个完全相同的亚基组成.含有三个基因,即gag,pol 和env.。RNA基因组的5ˊ端是帽核苷酸, 3ˊ端有poly(A).5ˊ端和 3ˊ端各有一个重复顺序(10-80核苷酸), 以及与之邻接的U5和U3序列。
RNA基因组反转录成的DNA基因组的两端生成“长末端重复顺序”(long terminal repeat sequence,LTR)，LTR包括U3-R-U5三个DNA序列。
(2)反转录病毒的反转录转座
反转录病毒的DNA插入寄主染色体时,5ˊLTR的U3左端和3ˊLTR的U5右端各丢失2bp,而插入位点上生成4-6bp的重复序列。
每个受感染细胞一般有1-10份前病毒拷贝。

3. LINES L1重复序列
长散在重复序列(long interspersed nuclear elements, LINE)是哺乳动物基因组中的一类重复序列, 该重复序列较长。 LINE L1长约6 500 bp, 在哺乳动物基因组中的拷贝数达10万份。
LINE是自主转座的反转座因子, 来源于RNA聚合酶II的转录产物。

4.SINE 和 Alu家族
短散在重复序列(short interspersed nuclear elements, SINE)是基因组中较短的一类重复序列, 长度为130300bp。SINE来源于RNA聚合酶Ⅲ的转录产物。
人类Alu顺序长300bp，基因组中拷贝数3～5×105，呈散在分布。

八、染色体外基因

（一） 人体线粒体DNA的结构
1.人的线粒体DNA(mtDNA)
人的线粒体DNA是cccDNA，共16569bp（Anderson，1981）。它的一条链是重链（H链），另一条链是轻链（L链），在G2期以半保留方式复制。
2.人线粒体基因组的基因
人的mtDNA含有37个基因，其中：
2 个rRNA基因
22个tRNA基因
13个结构基因
这些结构基因编码细胞色素C氧化酶的3个亚基COXⅠ、Ⅱ、Ⅲ），2个ATP酶（ATPase 6和ATPase 8），1个细胞色素b（Cyt b）和7个NADH脱氢酶亚基（ND1、ND2、ND3、ND4、ND4L ND5、ND6）。

（二）人的mtDNA的特点
1.核苷酸组成的不对称性：两条链分别为H链和L链
2.mtDNA利用的高效性：表现在基因中无内含子，基因间极少基因间区，ATPase6 基因包含ATPase8 基因。
3. 密码子的特殊性：

核DNA
mtDNA
UGA
终止
Trp
AUA
Leu
Met
AGA & AGG
Arg
终止
4.半自主性遗传系统

第二节 基因的定义和结构

一、基因的分子生物学定义
基因(gene)是指合成有功能的蛋白质多肽链或RNA所必需的DNA或RNA核苷酸序列。

二、基因的结构
基因的结构包括：(1)编码区
(2)前导区
(3)调节区

三、基因的分类：
根据产物的不同，基因可分为蛋白质基因和RNA基因。
根据蛋白质产物的功能不同，蛋白质基因可分为结构基因和调节基因。

总结
思考：1、套马索剪接的过程怎样？
2、目前已发现的内含子有哪些类型？
3、复制转座的机制如何？
4、转座表现哪些遗传效应？
5、何谓反转录转座子？反转录转座子有哪些类型？
6、分子生物学是如何定义基因的？基因的结构包括哪些部分？

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