1、药学分子生物学基础,第一篇,药学院,张宇,第一章,基因与基因组,第一节,基 因,其结构为,是储存特定遗传信息的DNA片段。,(一)基因的概念,一、基因的概念及分类,是RNA序列和蛋白质多肽链顺序相关遗传信息的基本形式，以及表达这些信息所需要的全部核苷酸序列。,（ RNA 、蛋白质）,1866年，孟德尔在植物的杂交试验文中提出： “生物体的某一特定性状是受一个遗传因子(genetic factor)所控制的，也就是一个因子决定一个性状”。,1926年，Morgan在基因论中提出：“基因既 是携带生物体遗传信息的结构单位，又是控制一个 特定性状的功能单位”。,1944年，Avery通过实验证实 基
2、因的化学本质是DNA。,基因是1909年，由Johannsen创造的一个名词，取代遗传因子。,1953年 Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构。,显示了DNA的空间结构，揭示了DNA分子具有自我复制功能。,DNA RNA 蛋白质,转 录,翻 译,复 制,1958年 Crick证明了生物遗传的中心法则。,在mRNA的开放阅读框架区，以每3个相邻的核苷酸为一组，代表一种氨基酸(或其他信息)，这种三联体形式的核苷酸序列称为密码子。,起始密码子(initiation codon)：,密码子（codon）,终止密码子(termination codon) ：,1961年 Crick又提出了遗传
3、密码（66年）,遗传信息蕴藏于DNA链上4种碱基的不同组合中。,(RNA, Pr，生物性状),真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。,断裂基因(splite gene):,编码区 A、B、C、D,（1977年）,1963年Nass等首次发现线粒体中存在DNA。,1981年Anderson等发表了完整的人线粒体DNA序列。,1972年Fiers等测定了噬菌体MS2衣壳蛋白的基因序列。,某些RNA病毒则以RNA作为遗传信息的载体。,中心法则的补完。,(二)基因的分类,5 3,3 5,模
4、板链,编码链,编码链,模板链,结构基因,(在双链DNA中转录出RNA的区段),1.编码蛋白质的基因,调节基因,可转录成mRNA，翻译成阻遏蛋白或激活蛋白，从而调控其他基因的活性,2. 编码RNA的基因,还有一类不称为基因的DNA序列，它们是不转录的DNA区段，但对基因起调控作用，如启动子和增强子等。,（酶的功能）,（调节基因表达）,原核生物：,多个功能相关的结构基因串联在一起构成一个转录单位，依赖同一调控序列对其进行转录调节，使这些相关基因实现协调表达。,这样一个多顺反子转录单位与其调控序列即构成操纵子。,调控序列,原核基因的协调表达就是通过调控同一启动基因的活性来实现的。,二、基因的结构与功
5、能,（一）基因的结构,真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。,断裂基因(splite gene):,编码区 A、B、C、D,*,真核生物：,1.外显子(exon)和内含子(intron),外显子（编码区）,在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟RNA的核酸序列。,隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。,外显子-内含子接头（边界序列）：,5 GTAG 3,编码组蛋白的基因是一例外，无内含子。,编码rRNA和个别tRNA的结构基因也都含有内含子。,转录起始点,TAT
6、A盒(II),CAAT盒,GC盒(I),增强子,AATAAA,切离加尾,转录终止点,修饰点,外显子,翻译起始点,内含子,OCT-1,OCT-1：ATTTGCAT八聚体,结构基因,-25bp,2. 调控序列,（启动子、增强子、终止子）,顺式调节（同一个DNA分子中）,顺式作用元件,（DNA序列）,上游,下游,0不用于标记碱基位置,调控序列,编码序列,1)真核生物的顺式作用元件：,真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件。, 启动子,（启动子具有方向性，启动子本身通常不被转录。）,转录起始点,TATA盒(II),CAAT盒,GC盒(I
7、),增强子,AATAAA,切离加尾,转录终止点,修饰点,外显子,翻译起始点,内含子,OCT-1,OCT-1：ATTTGCAT八聚体,结构基因,-25bp,启动子图示:,真核生物主要有三类启动子：, 类启动子：富含GC碱基对，主要启动rRNA基因的转录。,类启动子：通常由TATA盒、几个上游启动子元件和转录起始点组成。主要启动蛋白质和一些小RNA基因的转录。, 类启动子：主要启动tRNA基因、5SRNA基因和 U6snRNA基因等RNA基因的转录。,（对应三种RNA聚合酶）,转录起始点,TATA盒,CAAT盒,GC盒,AATAAA,转录终止点,外显子,翻译起始点,内含子,OCT-1,结构基因,-
8、25bp, 增强子(enhancer),指远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性、增强启动子转录活性的DNA序列。, 沉默子(silencer),某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。,有时,同一DNA元件可以既有增强子活性又有沉默子活性,这取决于与之结合的蛋白质性质.,5-AAUAAA-,5 -AAUAAA-,核酸酶,-GUGUGUG,RNA-pol,AATAAA GTGTGTG,转录终止的修饰点,5,5,3,3,5加帽 3加尾,AAAAAAA 3 mRNA, 终止子, 和转录后修饰密切相关。,与顺式作用元件直接或间接结合的酶或蛋白质因子，结合后发挥对基因
9、表达的调节作用。,2)反式作用因子(trans-acting factor),（二）基因功能概述,基因携带遗传信息。 遗传信息的表达过程是一个基因所携 带的信息转变为一种具有正常功能产物 （蛋白质、多肽、RNA）的过程。,有意义密码子61个,1. 遗传信息的储备,64个密码,半保留复制(概念) 双向复制(复制子） 复制的半不连续性,2. 基因的复制,3. 基因的表达,mRNA指导蛋白质多肽链的生成,RNA的种类、分布、功能,蛋白质生物合成(翻译)反应过程:,mRNA,（三）基因突变与疾病,1.单基因病,2.线粒体遗传病,3.多基因病,4. 基因诊断与治疗,单基因病的遗传方式,1）常染色体显性遗
10、传,2）常染色体隐性遗传,3）X连锁显性遗传,4）X连锁隐性遗传,5）Y连锁遗传,单基因病遗传方式的复杂性：,1）多效性（pleiotropy）,2）遗传异质性（genetic heterogeneity）,3）遗传早现（genetic anticipation）,4）从性遗传和限性遗传,5）遗传印记（genetic imprinting）,基因诊断(genetic diagnosis)是利用分子生物学及分子遗传的技术和原理，在DNA水平分析、鉴定遗传疾病所涉及基因的置换、缺失或插入等突变。又称DNA诊断 。,（1）基因诊断：,基本过程：,区分或鉴定DNA的异常,分离、扩增待测的DNA片断,基
11、因探针,组织和分化阶段表达特异性的基因及异常进行检测和诊断,（2）基因治疗,定义 基因治疗(gene therapy)是向有功能缺陷的细胞补充相应功能的基因，以纠正或补偿其基因的缺陷，从而达到治疗的目的。,方式 体细胞基因治疗 (somatic cell gene therapy) 生殖细胞基因治疗 (germ line gene therapy),第二节,基 因 组,基因组(genome)广义：一个细胞或生物体中的全部DNA。,细菌和噬菌体 指单个染色体所含的全 部DNA。 二倍体真核生物指维持生物体正常功能最基本的一套染色体及所携带的全部遗传信息。,基因组的定义：,总长为4.2106个bp
12、，完全伸展开，其长度约136mm，为菌体长度的1000倍。不形成染色体结构，只有一个复制起点。,大肠杆菌约有3500个基因，已经定位1000多个，有些基因的DNA序列也已测定。,一般的原核生物基因组都在106水平上，比病毒基因组要大上千倍。,一、原核生物基因组,1.基因组通常仅由一条环状双链DNA分子组成,特点,2.结构基因与调控序列以操纵子的形式组织在一起,5.基因是连续的,6.编码序列一般不会重叠,4.结构基因多为单拷贝 rRNA基因是多拷贝的。,当基因开放时，这几个基因转录在一条mRNA链上，然后翻译成几条功能相关的蛋白质多肽链，故称之为多顺反子(polycistron)。,细菌的结构基
13、因中没有内含子(intron)成分，即基因序列是连续的。,原核生物基因组中只有少数基因存在基因重叠。,3.基因组中重复序列很少,7.编码区在基因组中所占的比例远远大于真核基因组而小于病毒基因组,编码区占50%，非编码区主要是一些调控序列。,8.细菌基因组中存在可移动的DNA序列,包括插入序列和转座子。,二、真核生物基因组,染色体DNA八大特点,（一）真核生物基因组特点,1.真核生物基因组DNA都是双链线状且往往不是一条,配子为单倍体，体细胞一般含两份同源的基因组。,2.大多数真核生物的结构基因组为断裂基因，并 受一系列顺式作用元件的调控,3.结构基因的转录产物为单顺反子,与原核生物不同，真核基
14、因转录产物为单顺反子，即一个编码基因转录生成一个mRNA分子，翻译生成一条多肽链。,4.真核生物基因组内非编码的序列远远多于编码区,90%以上,5.真核生物基因组中含有大量重复序列和基因家族,在真核细胞DNA中发现某些核苷酸序列大量重复 出现，这些核苷酸序列叫重复序列，但在原核细胞 基因组中几乎不存在。核苷酸序列的重复次数越高， DNA复性速度就越快。占35%。,6.真核基因组DNA的末端都有一种称为端粒的特殊结构,由末端单链DNA序列和蛋白质构成。,7.真核生物基因组中也存在一些可移动的遗传因子,8.真核生物基因组还包括细胞器基因组,线粒体基因组、叶绿体基因组,果蝇中发现的DNA转座子,端粒
15、(telomere),指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。,*,结构特点:, 由末端单链DNA序列和蛋白质构成。,末端DNA序列是多次重复的富含T、G碱基的短序列。,(膨大成颗粒状),哺乳类动物基因组DNA 约 3109bp。,人编码基因约2万2.9万个， 60%的基因存在着可变剪接， 编码序列仅占总长的1%。,tRNA等重复基因约占5%10%, 80%90%无编码功能，（内含子、调控序列、重复序列)。,染色质在核内，时空隔开、加工、转运,（二）人类基因组,1.人类基因组中的基因数量及分布,将基因组DNA切成数百个片断进行超速离心时， 常会在DNA主峰旁形成一个次要的小峰。这些小峰 在主
16、峰边上就象卫星一样，故命名为卫星DNA， 也叫随机DNA、随体。 跃进式复制成串联重复序列是形成卫星DNA的基础。 卫星DNA分三类：大卫星、小卫星、微卫星DNA,（1）高度重复序列4-20bp，重复频率大于105。,2.人类基因组中的重复序列,1） 卫星DNA (satellite DNA) ：,大卫星DNA： DNA的浮力密度与它的GC碱基对含量有关， GC含量高，浮力密度大，反之亦然。 当DNA分子的GC含量变化超过5%时，即可通过密度梯度离心将其区分开来。,小卫星DNA：,由中等大小的串联重复序列构成，分布在所有染色体。,小卫星和微卫星DNA呈高度多态性，可作为遗传标记。,概念：是指两
17、个顺序相同的拷贝在DNA链上呈反向排列；即按一定方向读反向重复序列的两条链，其碱基序列一样。 有时两个反向重复的DNA序列不一定邻接，中间可以夹杂一些非重复的DNA序列，称为间断的反向重复序列。 反向重复序列占人类基因组的5%，主要位于基因调控区。,2）反向重复序列 又称为回文结构,较短的回文结构常作为一种特别信号，如限制性内切酶的识别位点； 较长的回文结构其转录产物易形成发夹结构，在DNA中可能形成十字形结构。,注意：,每个重复序列长约150300bp，在单倍体基因组中重复30万50万次。可作为天然的遗传标志。,（2）中度重复序列：,拷贝数小于106，多为103104。每个重复序列为数百至几
18、千个碱基对大小，分布于单拷贝的DNA大片段之间。,重复片段长度可长达35005000bp，分散（或分布）于整个基因组的不同部位。,（3）单拷贝序列：,单拷贝序列在整个基因组中仅出现一次或少数几次，在人类基因组中有60%65%的DNA序列是单拷贝 的。,rRNA、tRNA、组蛋白免疫球蛋白,是指一组结构类似、功能相关、核苷酸序列又有同源性的基因。家族成员在核酸序列上的同源性提示它们是由同一个祖先基因进化而来的。 多基因家族是真核生物基因组织中最显著的特征之一。,多基因家族分类,一类是编码RNA的 一类是编码蛋白质的,串联重复基因 在不同染色体上分散排列 (如干扰素、珠蛋白、生长激素),核酸序列相
19、同 核酸序列高度同源 超基因家族 假基因,3.基因家族,基因串联排列在同一条染色体上，形成基因簇(gene cluster)，每个重复的基因单元间由非转录的间隔区分开。如rRNA、tRNA、组蛋白基因，它们的表达产物是为细胞所大量需要的。,rRNA基因28S、18S、5.8S构成一重复单位； 同种的tRNA串联在一起，形成基因簇； 组蛋白H1、H2A、H2B、H3、H4串联在一起 形成一个重复单位，多个重复单位再串联。,（1）核酸序列相同或几乎相同,如：干扰素（三种，、基因） 珠蛋白（ 和 两类基因族）、 生长激素（三种基因） 它们均在不同染色体上分散排列。,（3）超基因家族,是由基因家族与单
20、基因组成的较大的基因家族。 超基因家族的结构有不等的同源性，虽然它们 起源于相同的祖先基因，功能却并不相同。 如：免疫球蛋白超基因家族。,（2）核酸序列高度同源：,（4）假基因,是指基因家族中那些不产生有功能基因产物的一类基因，用表示。,假基因的核苷酸序列与相应的活性基因极为相似，即假基因与相应的基因是同源的。,假基因可能是一种进化遗迹，提示基因组不断经历着改变。,4 线粒体基因组,核外染色体,每个线粒体内含有210个线粒体DNA（mitochondrial DNA， mtDNA）,全长1659bp，编码37个基因,基 因 组 学,第三节,一、基因组概述,即：human genome proj
21、ect，HGP,（一）结构基因组学,人类基因组计划：,一个细胞所包含DNA结构的一整套基因， 即记录基因组全部DNA序列。,人类基因组计划研究的内容：,1、遗传图谱 2、物理图谱 3、序列图谱 4、转录图谱,核心内容是绘制四张图谱：,又称基因连锁图或染色体图。是以具有多态性的遗传标记为界标，以遗传学距离为图距的基因组图。 通过计算在细胞减数分裂过程中，由于同源染色体间交换所导致的遗传标记间发生重组的频率，来确定这两个标记在染色体上相对位置的图谱。,1.遗传图,是以一段已知的特异DNA序列为界标，以Mb或kb为图距所展示的基因组图。它能反映生物基因组中基因或标记间的实际距离。,这段已知的特异DN
22、A序列称为序列标记位点，Sequence tagged site，STS。,2.物理图,3.序列图,4.转录图,最高层次和最详尽的物理图，获得人类全基因组的序列图谱。,cDNA图谱或表达序列标记图谱，是一种以表达序列标签为“位标”绘制的分子遗传图。,（二）功能基因组学,后功能基因组学，基因组动态的生物学功能的研究。,蛋白质组、转录组、代谢组、癌基因组、疾病基因组、药物基因组、环境基因组、行为基因组等。,（三）比较基因组学,在基因组层次上，比较不同基因组之间的异同。,对于人类的健康、疾病的诊断、预防和个体化治疗都是很重要的。,不同的人种、族群、群体、以及不同的个体等。,（四）药物基因组学,药物基
23、因组学是主要以阐明药物代谢、药物转运和药物靶分子的基因多态性与药物作用包括疗效和毒副作用之间关系的一门科学，是一门新兴的研究领域。,1.药物基因组学研究的分子基础：,药物基因组学是以提高药物的疗效及安全性为目标，研究影响药物吸收、转运、代谢、消除等个体差异的基因特性，并根据不同病人的基因差异选择更加科学优化的治疗方案与剂量，以此为平台开发新药，最终达到药物治疗的个性化、安全化、经济化。,2.药物基因组学研究的目标：,3.药物基因组学研究的主要策略：,选择药物起效、活化、排泄等过程相关的候选基因进行研究，鉴定基因序列的变异，研究基因多态性与药效多样性的关系。,药物基因组学的研究不需要发现新的基因
24、。,开辟全新的药物开发领域 合理用药与个体化治疗 基因检测 用于药物的临床和临床前研究,4.药物基因组学的应用：,（五）疾病基因组学,是从基因组中分离重要疾病的疾病基因与相关基因，确定起致病机制。,HGP的诞生：,1985年5月，美国加州举行第一次会议 美国能源部提出测定人类基因组序列的动议。 1988年美国成立“国家人类基因组研究中心”， DNA双螺旋提出者Watson出任第一任主任。 1990年10月1日正式启动美国国会批准的HGP 在15年内，投入30亿美元，对人类基因组分析。 2000年6月26日，提前一年完成基因组基本构图。 2003年4月完成全部计划，比原计划提前两年。 中国完成了
25、HGP“工作框架图”中的绘制任务。,二、人类基因组计划,人类基因组计划研究的内容：,1、遗传图谱 2、物理图谱 3、序列图谱 4、转录图谱,核心内容是绘制四张图谱：,HGP研究的意义：,基因克隆 基因诊断 基因治疗 控制人体的生化特性，修复人体细胞或器官的功能。 利用基因改良蔬菜品种，提高农作物品质。 基因药物 药物开发,DNA分子标记的发展,1、1980年，第一代DNA标记 限制性片段长度多态性（restriction fragment length polymorphism, RFLP）。,2、1989年，第二代DNA标记 微卫星DNA或短串联重复序列（short tandem Repeat, STR）,3、1996年，第三代DNA标记 单核苷酸多态性标记（single nucleotide polymorphism，SNP）。,
