分子生物学讲稿Word文件下载.docx

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两条脱氧核酸链构成右手双螺旋结构，链的走向相反；

磷酸脱氧核糖链在螺旋的外侧，碱基在螺旋的内侧；

脱氧核糖平面与碱基平面相互垂直；

碱基配对规律：

A=T、G≡C；

稳定力横向是氢键；

纵向是碱基堆积力。

2.三链DNA（TriplexDNA）结构

当DNA发生重组时，单链DNA侵入DNA双螺旋局部区域可以形成三链DNA结构。

DNA双螺旋中，多聚“嘌呤核苷酸-嘧啶核苷酸”是形成三链结构的结构基础。

第三条单链为多聚“嘧啶核苷酸-嘌呤核苷酸”序列，则与双链DNA的碱基形成Hoogsteen配对。

3.四链DNA（QuadruplexDNA）结构

真核生物DNA3’-末端是富含GT的多次重复序列，因而自身形成了折叠的四链DNA结构。

（三）DNA的超螺旋结构（三级结构）

1.DNA超螺旋结构的概念

超螺旋结构（superhelix或supercoil）：

DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。

超螺旋结构又分为正超螺旋核负超螺旋：

正超螺旋（positivesupercoil）：

盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。

负超螺旋（negativesupercoil）：

盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。

2.原核DNA超螺旋结构

原核DNA也能与相应的核蛋白结合形成超螺旋结构，但其与蛋白质结合没有特点的结构特点。

3.真核DNA超螺旋结构

真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是核小体（nucleosome）。

DNA双螺旋有规律地盘绕组蛋白形成核小体，再进一步的多次盘绕，最后形成染色体。

三、RNA的结构与功能

（一）mRNA、tRNA、rRNA

1.mRNA和hnRNA

mRNA的功能是通过三联体密码子指导蛋白质的生物合成。

真核mRNA与原核mRNA在结构上有很显著的差别。

真核mRNA结构及功能特点：

（1）转录在细胞核进行，翻译在细胞浆进行；

（2）hnRNA含内含子，需切除内含子连接外显子才成为有活性的mRNA；

（3）一条mRNA只能翻译出一种蛋白质；

（4）5'

有帽子结构：

与真核mRNA抗5'

核酸外切酶及正确识别翻译起始位置有关；

（5）3'

有尾巴结构：

与mRNA从细胞核转移到细胞浆及mRNA半衰期有关。

2.tRNA

tRNA的主要功能是在蛋白质合成过程中根据密码子的指引，搬运正确的氨基酸至翻译位置，起着翻译“适配器”的作用。

tRNA二级结构特点、三级结构特点。

（1）氨基酰tRNA合成酶是翻译保真性的保证

其翻译保真性主要依赖于：

①氨基酰-tRNA合成酶具有酶的高度特异性，通过识别氨基酸与tRNA上的特殊部位（又称为副密码子或鉴别元件）来保证氨基酸与相应tRNA的正确链接；

②氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性，即带有相应反密码子的tRNA如果连接上错误的氨基酸，则氨基酰-tRNA合成酶不会把错误链接的氨基酰-tRNA释放到溶液中，而是将错误的氨基酸水解掉。

副密码子：

tRNA分子上能被氨基酰tRNA合成酶识别、决定了该tRNA携带何种氨基酸的核酸序列，称为副密码子（paracodon）。

（2）细胞内tRNA组成的特点

①含不同反密码子的tRNA可以携带相同的氨基酸。

由于有的氨基酸可有多个密码子为其编码，因此需要数种tRNA做载体。

而能识别同种氨基酸但反密码子不同的多种tRNA互称为同工tRNA（analogytRNA）。

②含相同反密码子的tRNA结构可以不同：

含相同反密码子的tRNA也有多种，他们结构差异很大，有些含量很高，称为多数tRNA（majortRNA）;

有些含量很低，称为少数tRNA（minortRNA）。

3.rRNA

数种rRNA与数十种蛋白质组成的核蛋白体是蛋白质合成的“装配机”，是合成蛋白质的场所。

核蛋白体由小亚基和大亚基组成。

大、小亚基的功能为：

（1）小亚基：

负责序列的特异性识别，如起始序列的识别、起始密码子的识别等；

（2）大亚基：

AA-tRNA的结合、肽键的形成、转位等酶反应；

（3）rRNA：

不同rRNA具有不同的功能。

如5SrRNA可以识别tRNA中的TψC；

16SrRNA识别SD序列等等。

（二）其他小分子RNA

1.不均一RNA（hnRNA）：

真核细胞成熟mRNA的前体。

2.核小RNA（snRNA）：

参与hnRNA的剪接、转运。

这类RNA富含修饰尿嘧啶残基而被命名为U系列snRNA，如U1-snRNA、U2-snRNA等。

3.核仁小RNA（snoRNA）：

参与rRNA的加工、修饰。

4.胞质小RNA（scRNA、7L-RNA等）：

蛋白质在内质网定位合成的信号识别体的组成成分

（三）起始RNA和指导RNA

起始RNA（iRNA）：

DNA合成时首先合成的一个短的RNA片段作为引物，引发DNA聚合酶活性，启动DNA的生物合成。

这个片段称之。

指导RNA（gRNA）：

在RNA编辑过程中，作为模板介导RNA编辑。

其含有进行RNA编辑的编辑区序列信息。

（四）端粒RNA与端粒酶

端粒为真核生物线性染色体末端的一种特殊的结构，与真核染色体末端的复制、防止染色体末端融合、重组、降解有关。

端粒中的主要成分是端粒酶，其组成为：

端粒酶RNA（hTR）、端粒酶协同蛋白（hTP1）、端粒酶逆转录酶（hTRT）。

端粒酶的作用机理——爬行模型。

（五）核酶（ribozyme）

具有酶类似催化活性的RNA。

其活性的保持需要一种特定的构象，如“锤头结构”。

依据其特定构象可以人工合成具有催化活性的核酶。

四、反义核酸及药物

（一）反义核酸的概念及功能

反义核酸（antisensenucleicacid）是指根据碱基互补原理，利用人工合成或生命有机体合成的与特定核酸链互补的DNA或RNA片段。

反义核酸与目的（靶）序列核酸结合，通过空间位阻效应或诱导RNAase活性的降解作用，在复制、转录、剪接、mRNA转运及翻译等水平上，抑制或封闭目的（靶）基因的表达。

（二）反义技术与药物

1.反义DNA：

正常DNA片段、甲基磷酸型DNA片段、硫代磷酸型DNA片段、双硫代磷酸型DNA片段、α-构型DNA片段等。

2.反义RNA

3.肽核酸——第三代反义寡核苷酸药物

4.核酶

五、RNAi（RNA干扰）

（一）RNA干扰的概念

某些小片段RNA具有同蛋白质调节因子一样的能够使相应的基因表达下调作用，这种调节作用称为RNA干扰（RNAinterference，RNAi）。

其本质为一种RNA能够有效地控制另一种RNA的翻译活性。

这些RNA单链的长度很小，一般只有20-25个核苷酸组成，故又称为小干扰RNA（smallinterferenceRNA，siRNA）。

（二）RNA干扰的基本原理

（1）siRNA与mRNA5'

端或3'

端结合，抑制翻译的正确起始、终止过程；

（2）siRNA与mRNA结合为双链结构后，成为双链RNA酶的作用靶标，mRNA被双链RNA酶降解。

（三）RNAi的应用

基因疾病的治疗；

肿瘤疾病的治疗；

病毒疾病的治疗；

研究基因的工具，等等。

六、病毒核酸

（一）什么是病毒？

病毒是一类亚显微专属性的细胞内寄生物。

病毒应该具有如下特征：

1.病毒粒子由蛋白质和核酸构成；

2.病毒粒子是由预先形成的组分装配而成，自身不能进行“生长”（细胞分裂）；

3.病毒自身不具备能量代谢的遗传信息，在能量代谢上绝对依赖于宿主细胞；

4.病毒自身同样不具备物质代谢的遗传信息，如蛋白质，核酸等生物分子的生物合成场所（或条件），这也依赖于宿主细胞。

（二）病毒核酸的一般特征

1.病毒核酸的分子量差别显著；

2.病毒核酸可以以DNA、RNA的单链、双链或线形、环形等多种形式存在；

3.病毒的基因组较小，但编码蛋白质的种类却较多。

往往同一段核酸链可以翻译出几种多肽；

4.寄生原核生物的病毒基因结构与原核生物基因结构相似，如没有内含子；

寄生真核生物的病毒结构与真核生物基因结构相似，如含有内含子等。

（三）DNA病毒核酸的结构

大多数动物病毒含有双链DNA；

双链环形DNA病毒，没有游离的DNA末端，对某些DNA外切酶有抵抗性，不易被降解；

双链线形DNA病毒，其DNA链末端有某些特殊结构，如粘性末端、末端重复序列、末端回文结构、双链末端共价键相连（如痘苗病毒）、末端连接蛋白质（如腺病毒）等。

（四）RNA病毒核酸的结构

RNA携带其全部遗传信息，病毒基因组大小存在明显差别；

有些RNA病毒在形成mRNA时也有类似于DNA病毒的剪接，因此在RNA病毒中也可有一段RNA编码不止一种蛋白质；

绝大多数的RNA病毒为单链线形，但也有少数双链RNA，目前还发现了环状病毒（d病毒，HDV）。

病毒若具有mRNA功能，称为正链RNA病毒，其核酸具有真核mRNA的结构特点。

病毒互补链起mRNA功能，称为负链RNA病毒。

逆转录病毒为正链RNA、单链、有帽尾结构。

第二章基因与基因组

一、基因的概念

（一）基因概念的发展

19世纪孟德尔：

生物体的某一特定性状是受一个遗传因子所控制；

1926年摩尔根基因论：

遗传因子是在特定的染色体上直线排列的遗传颗粒；

1928年Griffith肺炎球菌转化实验：

证实DNA是遗传物质；

1944年Avery用生物化学的方法证明转化因子是DNA而不是其他物质；

1953年Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型，明确了DNA的复制方式；

1957年Crick提出中心法则；

1957年Benzer提出顺反子概念；

1961年Gamow提出三联体遗传密码，从而将DNA分子结构与生物体蛋白质合成结合起来；

1961年Jacob和Monod提出了操纵子学说，阐明了基因在乳糖利用中的作用。

（二）基因的分子生物学定义

基因是指DNA分子中能编码一条多肽链或RNA链，并具有一定长度的DNA片段。

一个完整的基因应包含编码蛋白质肽链或RNA的核酸序列，及保证转录所必需的非编码蛋白质的调控序列，即前导区序列和尾部区序列。

（三）基因存在的一些形式

1.重叠基因

原核生物的同一段DNA片段能够编码两种或者多种蛋白质分子。

基因重叠方式有：

①一个基因完全在另一个基因里面；

②部分重叠；

③两个基因只有一个碱基重叠。

2.断裂基因

真核生物基因中有很多序列不具有编码功能，如重复序列、间隔序列、内含子等，这种基因存在形式称为断裂基因。

内含子的结构特点：

1.不同基因内含子的大小和多少不同；

2.内含子具有相对性，即一个基因的内含子可能是另一个基因的外显子。

断裂基因的生物学意义：

（1）有利于储存较多的遗传信息（如SV40的T和t蛋白）；

（2）有利于变异和进化，若在交界顺序处发生突变，就可能影响正常的剪切方式，从而使蛋白的结构发生较大的变化；

（3）有的内含子可编码内切酶。

3.复等位基因

一个座位上的基因，因突变而产生两种以上的等位基因，他们都影响同一性状的状态和性质，这个座位上的一系列等位基因总称为复等位基因。

如人的ABO血型就是由一组复等位基因决定的，这一组复等位基因是IA、IB、i三个基因。

但是,对每个人来说,只可能具有其中的两个基因。

因此基因型为IA/i或IA/IA表现为A型血、IB/i或IB/i表现为B型血、IA/IB表现为AB型血、i/i表现为O型血。

4.假基因

对不能转录的或转录后生成无功能的蛋白质的基因。

假基因在基因组中形成稳定的和无活性的拷贝，由活化的原始基因突变而来（复制突变或者加工型假基因），这是因为存在着在某个阶段伤及基因表达的一种或多种缺陷（如启动子错误、有缺陷的剪接信号、框架中有终止信号等）之故。

二、原核生物基因特征

1.功能相关的基因高度集中，即功能上密切相关的基因构成操纵子；

2.编码蛋白质的基因通常以单拷贝的形式存在；

3.编码rRNA的基因常是多拷贝的；

4.基因具有连续性，不含居间序列；

5.细菌中DNA大部分用于编码蛋白质，只有很少不编码的DNA序列；

6.细菌的结构基因重复序列少。

三、真核生物基因特征

1.基因不连续性

指在DNA分子上基因的编码序列是被不连续的非编码的序列所隔开的基因。

DNA分子中编码mRNA某一部分序列的区域称为外显子，不编码的序列称为内含子。

2.基因家族

真核生物的基因组中有许多来源相同，结构相似，功能相关的基因，这样的一组基因称为基因家族。

基因家族又分为基因家族和超基因家族。

基因家族分为串联重复基因（如rRNA、tRNA和组蛋白基因家族等）和分散式基因簇（如血红蛋白基因家族）；

超基因家族：

由基因家族与单基因组成的较大的基因家族。

超基因家族的结构同源性不等，虽起源相同，但功能不同（如免疫球蛋白基因）。

3.重复基因结构

真核细胞DNA中含有一些重复序列，这些重复序列短的由3~5个核苷酸组成，长的可达5000~6000个核苷酸。

而且不编码的区域多于编码区域。

根据这些重复序列出现的频率分为：

低度重复序列（仅重复一次或数次）、中度重复序列（重复数为几十至数万，如Alu家族）、高度重复序列（重复数达106，如反向重复序列、卫星DNA等）。

4.除配子细胞（卵子、精子）外，体细胞内的每个基因都是双份的，即有两份同源的基因（等位基因）；

5.一个结构基因经过转录和翻译仅生成了一个mRNA分子和一条多肽链。

四、细胞器基因特征——线粒体DNA特征

1.绝大多数生物的线粒体DNA（mtDNA）是双链的超螺旋环状分子，但两条链的碱基组成不同，一条链富含嘌呤称为重链；

另一条富含嘧啶称为轻链；

2.线粒体DNA为母系遗传；

3.mtDNA的复制属于半保留复制，可以是θ型复制、滚环复制、D-环复制。

五、亚细胞结构基因特征——病毒DNA特征

1.病毒中核酸只有一种，或者是DNA或者是RNA；

2.大部分病毒核酸是一条单链或双链分子，只有少数病毒由几个片段组成；

3.病毒核酸大小差异很大；

4.病毒基因组中含有启动子和操纵基因；

5.噬菌体基因中无内含子，但感染真核细胞的病毒基因组中有内含子；

6.病毒中有重叠基因存在。

六、癌基因与抑癌基因

（一）癌基因（oncogene）

1.癌基因的概念

细胞内控制细胞生长和分化的基因，它的结构异常或表达异常，可以引起细胞癌变。

癌基因又分为原癌基因和病毒癌基因。

原癌基因：

存在于生物正常细胞基因组中的癌基因，也称细胞癌基因（cellularoncogene，c-onc）。

病毒癌基因（virusoncogene，v-onc）：

存在于病毒基因组中的癌基因，它不编码病毒的结构成分，对病毒复制也没有作用，但可以使细胞持续增殖。

2.原癌基因的分类（按功能分类法）

（1）生长因子：

如sis、mos等基因，分别编码血小板生长因子和前表皮生长因子；

（2）生长因子受体：

如erbB和erbA等基因；

（3）蛋白激酶：

如sre、yes、abl和ros等基因，该类基因编码的蛋白质具有酶活性；

（4）ras基因：

如H-ras、K-ras和N-ras等基因，编码的蛋白为鸟苷酸结合蛋白，具有GTP酶活性；

（5）核蛋白：

如myc、fos和jun等基因，编码的蛋白质位于细胞核内，控制基因表达和转录。

3.原癌基因激活机制

（1）点突变：

导致蛋白质结构变异，功能异常；

（2）原癌基因扩增：

DNA复制时导致原癌基因拷贝数增加，编码的蛋白质水平增加；

（3）基因重排：

原癌基因在染色体易位时重排至强启动子或增强子附近而活化，原癌基因表达增强；

（4）原癌基因缺失：

原癌基因小片段的缺失，其编码的异常蛋白质导致细胞过度增值；

（5）获得启动子和（或）增强子：

逆转录病毒整合入细胞DNA后，带入启动子和增强子而诱发原癌基因高表达。

（二）抑癌基因（anti-concogene）：

1.抑癌基因的概念

抑癌基因是正常细胞分裂、生长的负性调控基因，其编码的蛋白质抑制细胞增殖。

2.抑癌基因的功能

（1）拮抗癌基因；

（2）参与细胞周期调节；

（3）监控细胞基因的完整性，修复突变基因，或使无法修复的细胞进入程序性死亡。

3.抑癌基因失活的主要原因

抑癌基因失活是肿瘤形成过程的一个重要因素。

其失活的主要原因有：

（1）基因突变：

基因水平上的缺失、插入、重组等；

（2）基因正常，但基因产物缺失或极低：

可能是转录、转录后加工、翻译、蛋白质降解出现异常所致；

（3）基因产物正常，但不能发挥功能，如存在蛋白质变构抑制剂等所致。

4.常见的抑癌基因

5.癌基因、抑癌基因、生长因子的关系

癌基因的产物一般为生长因子，而生长因子是细胞增殖的正调节信号；

抑癌基因产物为细胞增殖的负调节信号；

生长因子与抑癌基因产物的作用处于动态平衡，细胞保持正常的增殖状态。

当生长因子与抑癌基因产物的作用动态平衡被破坏，生长因子作用增强或抑癌基因产物作用减弱，均导致细胞的无限增殖导致癌变。

七、基因组

（一）基因组的定义

基因组是指细胞中一套完整单体的遗传物质的总和。

对于细菌和噬菌体而言，基因组是指单个染色体上所含的全部基因。

对于二倍体真核生物的基因组则是指维持配子或配子体正常功能的最基本的一套染色体及其所携带的全部基因。

（二）基因组的结构特点

1.原核生物基因组结构特点

（1）基因组较小，平均1kb，在大小上变化不大；

（2）几乎无蛋白与核酸结合；

（3）有操纵子结构；

（4）基因绝大多数为单拷贝形式，部分为多拷贝形式，但拷贝数一般很低；

（5）有重叠基因，但结构基因部分无重叠现象；

（6）多顺反子。

2.真核生物基因组结构特点

（1）基因组较大，高等生物与低等生物基因组大小上差异很大；

（2）和蛋白质结合，形成染色体，而且有多条；

（3）有重复序列；

（4）以单拷贝与多拷贝两种形式存在；

（5）基因不连续，存在内含子与外显子；

（6）DNA片段可以重排；

（7）单顺反子。

3.线粒体基因组结构特点

（1）不同生物的线粒体基因组大小各不相同；

（2）每个线粒体中含有多个拷贝的mtDNA分子；

（3）基因数目和排列顺序相同，共有2个rRNA基因、22个tRNA基因、13个线粒体膜蛋白基因和1个氧化代谢所需基因；

（4）有两个复制起始点；

（5）某些蛋白质的密码子与核基因通用密码子不同；

（6）氧化磷酸化所需的酶大部分亚基由核基因编码，仅少数由mtDNA编码。

4.细胞器基因组（质粒）结构特点

（1）基因组为环状，并有多个拷贝；

（2）基因组常以重组产生的序列变异体混合物的形式存在；

（3）绝大多数都有基因表达功能；

（4）有多个转录起始点，为多顺反子；

（5）非细胞生存必须的基因组，但其存在能为细胞带来新的生物学表型；

（三）遗传图谱、物理图谱、基因图谱

1.遗传图谱（geneticmap）

以具有遗传多态性的遗传标记为“路标”，以遗传学距离为图距的基因组图。

2.物理图谱

指以一段已知的核苷酸序列的DNA片段（sequencetaggedsite，STS，序列标记位点）为“路标”，以Mb或kb为图距的基因组图。

STS一般为100-500bp的DNA片段，只在整个基因组或染色体中出现1次，以保证“路标”的可靠性。

3.基因图谱

鉴别人类目前认为的全部3万~4万个基因，并了解各个基因核苷酸的序列。

（四）人类基因组及人类基因组计划

1.人类基因组的概念

是指人类细胞所包含的DNA结构的一整套基因，携带着决定生物特性的全部遗传信息，即记录基因组全部DNA序列。

2.人类基因组计划的意义

全面而透彻地认识人类基因组的正常结构、功能及基因异常结构（变异）与人类疾病。

对生命进行系统地和科学地解码，以达到了解和认识生命的起源、种间和个体间存在的差异的起因、疾病产生的机制以及长寿与衰老等生命现象的目的。

3.人类基因组计划研究的内容

（1）人类基因组DNA全部序列的测定；

（2）基因DNA序列的识别和正常功能，基因变异与人类疾病的研究。

4.人类基因组的多态性与基因组药学

药物基因组学研究包括治疗效果和药物反应不同造成的个体差异，及每个个体基因组上所存在的与药物作用的不同疾病靶点分子的情况。

最终将从目前药物研究主要依据患病人群共性来设计的思路转变为依据人群或不同个体的遗传特征来设计药物的新方向，即医药个体化或医药家庭化。

5.后基因组计划：

通过了解基因表达模式的研究，最终了解基因组的功能。

（1）结构基因组学：

研究基因和基因组的结构、各种遗传元件的序列特征、基因组作图和基因定位等。

（2）功能基因组学：

着重研究不同序列结构具有不同功能、基因表达的调控、基因和环境之间（包括基因与基因之间、基因与其它序列之间、基因与蛋白质之间）相互作用等。

（3）转录物组学：

研究转录物组的一门学科，即研究某一时刻某一细胞里基因组转录产生的全部转录物的种类、结构和功能。

（4）蛋白质组学：

研究细胞内全部蛋白质的组成及其活动规律的一门学科，它是1994年提出的。

（5）表型组学：

研究生物体整个表型形成的机制。

第三章可移动的遗传因子和染色体外的遗传因子

一、转座子（Transposon）

（一）转座子的概念

在原核生物和真核生物基因组中存在着可以从一个部位转移到另一个部位的一些DNA序列，这些序列称为转座子。

DNA到DNA移动过程称为转座。

与其他大多数基因组重建方法不同的是，转座子不依赖于供体和受体位点序列间的任何关系，仅依赖自身结构特点转座到同一基因组内的新位置。

（二）转座子的分类和结构特征

1.转座子的结构特征

转座子具有保守结构，在转座子的结构中含有一个或多个开放阅读框，在阅读框的两侧有反向末端重复序列（invertedterminalrepeats,ITR）。

在开放阅读框中至少含有转座酶基因，转座酶可识别ITR，产生转