Transcript 遗传分子基础

遗传的分子基础
第三章
遗传的分子基础
一、DNA的化学组成和分子结构
二、DNA的存在形式
三、真核基因的结构与功能
四、DNA突变及损伤的修复
一、 DNA的化学组成和分子结构
(deoxyribonucleic acid)
（一）DNA的化学组成
核酸基本单位
单核苷酸
（nucleotide）
脱氧核糖
磷酸
含氮有机碱
（碱基）
嘧啶：Ｔ、Ｃ
嘌呤：Ａ、Ｇ
嘧 啶
碱
胞嘧啶 C
cytosine
胸腺嘧啶
thymine
鸟嘌呤 G
guanine
腺嘌呤 A
adenine
基
嘌 呤
T
脱氧核糖
酯
键
糖苷键：核糖第
一位碳原子与嘧
啶第一位氮原子
或嘌呤第九位氮
原子形成N—C键
糖
苷
键
单 核 苷 酸
核
苷
3’ 5’磷酸二酯
键：一个核苷
酸中戊糖的5’
碳原子上连接
磷酸基以酯键
与另一个核苷
酸戊糖的3’碳
原子相接
A=T
G≡C
（二） DNA的结构
1953年Watson和
Crick提出DNA分子
双螺旋结构模型
一个完整的DNA分子是由两股反向平
行的脱氧核苷酸长链围绕一个“主轴”
向右盘旋形成双螺旋状结构.
二、DNA的存在形式
基因组（genome)：含3.0×109 的碱基对.
（一）单一序列（unique sequence）：
占基因组的60%－65%
DNA序列在一个基因组中只有1个或很少
几个拷贝,由800-1000bp组成，大多数为结构基
因(2.5－3万)。
结构基因：单一序列中构成编码细胞中的蛋白
质或酶的基因。
（二）重复序列（repetitive sequence）
（占基因组的30%以上）
DNA序列在基因组中有多个拷贝，可有几
十份，几百份，甚至几十万份。
有些重复序列与染色体结构有关，大多数
生物学功能有待进一步研究。
1 高度重复序列
（占10%～15%）
由很短的碱基序列重复而成，长度2～200
bp，重复次数106~108。
①卫星DNA(satellite DNA)
小卫星DNA (minisatellite DNA):
6-25个核苷酸串联重复序列
微卫星DNA (microsatellite DNA)
or STR: 2-6个核苷酸串联重复序列
②反向重复序列(inverted repeat sequence)：
反向重复序列：DNA某些部位具有方向
相反但序列相同的区域。
如： …GGTACC…
…CCATGG…
回
文
序
列
 ②反向重复序列(inverted repeat sequence)
G T C C T G A C N N N G T C A G G A T
C A G G A C T G N N N C A G T C C T A
每个长约300bp
两个相隔平均12kb
功能：可能构成终止子 ，参与复制、
转录调控。
十
字
结
构
2 中度重复序列
(intermediate repetitive sequence)
占整个基因组DNA序列的20%～30%，
长度为300～7000bp，拷贝数为102～105。

短分散元件(SINE)
长度300-500bp，分散在分布基因组中,
拷贝数目105。
如：人类Alu家族，由300bp构成，每个Alu
序列中含有一个限制性内切酶AluⅠ的识别
序列AGCT，重复达30－50万次，平均5kb就
有一个Alu顺序。
功能:与基因转录的调节、hnRNA的加工、
DNA复制的启动相关。
长分散元件(LINEs)
长度5000-7000bp，重复次数102-104。
如:KpnⅠ家族，平均长度3500～5000bp，
拷贝数为3000 ～ 4000。
存在限制性内切酶 KpnⅠ酶切位点，占
基因组的3%
～
6%，功能不详。
3 多基因家族 (multigene family)
一个祖先基因(ancestral gene)经过复
制和变异而传递下来的一组来源相同、结构相
似、行使相关功能的基因。
 两种类型
1、由一个基因产生多个拷贝，具有几乎
相同的顺序，成簇地排列在同一条染色体上，
这种集中成簇的一组基因称为基因簇。它们
同时发挥作用，合成某些蛋白质。
2、由一个基因产生多次拷贝，序列有所
不同，分散在几条染色体上，编码一组关系
密切的蛋白质。
4 拟基因
拟基因(pseudogene)也称假基因，指在多
基因家族中，某些成员不产生有功能的基因产
物，这些基因称为拟基因，常用ψ表示。
小结
DNA的存在形式
1.单一序列:占基因组的60%－65%
2.重复序列：
卫星DNA
1) 高度重复序列 反向重复序列
2)中度重复序列
3)多基因家族
4)拟基因
三、真核基因的分子结构和功能
外显子 exon：具有编码意义
编 码 区
结构
基因
内含子intron：无编码意义
（ 5/ GT -3/ AG 法则）
TATA框
启动子 CAAT框
非编码区
（调控区） 增强子
GC框
mRNA裂解信号
终止子
(AATAAA)
回文结构
(一)真核基因的分子结构特征
enhancer CAAT box
TATA box
GC box
TATA box
A
TATA A
A
T T
CAAT box G G C C A A T C A
T
exon
intron
AATAAA
GC box GGCGGG
GT — AG law
启动子（promoter）
 TATA
box：上游17—19bp
TATAA（T）AA（T）
功能：能被RNA聚合酶Ⅱ识别并准确识
别转录的其始部位,决定转录的起始点
启动子（promoter）
CAAT box：上游70—80bp，
GGC（T）CAATCT
功能：对转录有促进作用
启动子（promoter）
 GC
box：
位于CAAT box两侧，GGCGGG２个

功能：转录调节区，具有激活转录的
功能
增强子（enhancer）

定义:本身不具启动子活性，但能加速基因
转录的一段特定的DNA调节性序列。

核心序列：GGTGTGGAAA(TTT)G

功能：与特异性蛋白结合提高转录的频率
终止子（terminator）
回文序列 + 5’-AATAAA-3’
功能：发夹结构可阻
碍RNA聚合酶的移动，
终止转录
（二）真核基因的功能
1.贮存遗传信息
DNA分子中A、T、C、G四种碱基的排
列顺序中蕴藏着遗传信息。
2.复制 DNA分子合成一个与自己相 同的
DNA分子的过程。其结果DNA含量增加一
倍。
DNA----2 DNA
DNA复制(replication ):
T—A
1）半保留复制（semi-conservative replication)
T—A
分别以2条单链为模板按碱基配对
原则形成与亲代DNA分子相同的两
条子链。每条子链中一条多核苷酸
链是亲代DNA分子即模板链，另一
条是互补合成的。
G—C
C—G
A—T
A-T
A-T
A—T
C—G
G—C
G-C
T—A
A
T T—A
T
A
A
T
A-T
T
A
A -T
T
A—T
C G
G—C
CG
G—C
C—G
G C
G—C
GC
C—G
A—T
C—G
TA
A—T
A-T
A—TT A
A-T T A
T A
A-T
A T
A-T
AT
A-T
A-T
T
AA—T
A—T
A—T
AT
C—G
C—G
C G
C—G
G—CC G
G—C
G—C
G C
GC
C G
G—C
CG
G—C
G—C
2）方向性：新合成的链5’—3’
3）半不连续复制
1、前导链 3’—5’ 合成 5’—3’
2、后随链 5’—3’ 合成 5’—3’岗崎片段
4）需RNA引物：合成DNA时，先借助RNA聚合
酶，以DNA为模板，合成一小段RNA，具
有引物作用
5）复制子(replicon)：含一个复制起点，
能够独立进行复制的DNA区段。
3.基因表达
基因表达：DNA序列所携带的遗传信息，
通过转录和翻译形成具有生物
活性的蛋白质的过程。
转录
DNA
复制
逆转录
翻译
RNA
复制
蛋白质
1) 转录(transcription)
转录：在RNA聚合酶的催化下，以DNA反编码
链为模板，按碱基互补配对原则，以
dNTPs为原料合成RNA的过程。
一个特定基因的DNA双链分子中只有一条
链带有遗传信息，称为编码链，与之互补的
称为反编码链。
编码链：5' - ATG AAA CGA GTC TTA TGA -3'
反编码链： 3'- TAC TTT GCT CAG AAT ACT -5'
mRNA： 5'- AUG AAA CGA GUC UUA UGA -3'
转
录
产
物
转
录
过
程
信使RNA(mRNA)
转运RNA(tRNA)
核糖体RNA(rRNA)
核仁以外的常染色质
转录的。
核仁内的常染色质转
录的。
转录初始阶段：DNA----hnRNA
转录加工阶段：hnRNA---mRNA
（剪接、戴帽、加尾）
DNA
3
5
CAAT框
TATA框
RNA聚合酶结合
控制转录频率
RNA聚合酶结合
决定转录起始点
外显子 1
外显子 2
外显子 3
内含子1（I
）
内含子2（I
）
（E1）
（E2）
（E3）
1
2

1
30
31
104
105
AATAAA
回文顺序
转录
5
3
外显子 1
hnRNA
 （E1）
1
内含子1（I1）
30
外显子 2
外显子 3
内含子2（I
）
（E2）
（E3）
2
31
加工
5
104
剪接
105
AATAAA
回文顺序

146
带帽
加尾
3
mGmG
成熟的mRNA

146
外显子 1 外显子 2 外显子 3 外显子 3
外显子 1
AATAAA
AATAAA
（E1）11） （E22） 内含子2（I
（E3） 22）
回文顺序 
 （E1） 内含子1（I
（E3） AAAAAAAAAAAAA
1
30
1
30 31
104 105
146
105
146
戴 帽
5′—
5′
戴帽：在hnRNA的5'端接上一
个甲基化帽，即7-甲基
鸟 嘌 呤 核 苷 酸
(m7'GpppX)。
戴
帽
 有效地封闭 RNA 5'端，使之不再接加核苷
酸，也不受磷酸酶和水解酶的消化，增强了
mRNA的稳定性。
 为 核 糖 体 提 供 识 别 mRNA 的 信 号 ， 促 进
mRNA和核糖体小亚基的结合。
加
尾
mRNA 3‘端在腺苷酸聚合酶的作用下加接
一连串腺苷酸，形成多聚腺苷酸（polyA）
尾，这一过程称为多聚腺苷酸化反应。
作用：保持mRNA 3‘端末端稳定，不被酶的
破坏，并且可以促使mRNA由细胞核转运
到细胞质中。
2) 翻译(translation)
将mRNA的碱基顺序转变成为多肽链的
氨基酸顺序的过程。
mRNA
rRNA
tRNA
遗
传
密
码
表
四种碱基以三联体的形式组成一个遗传密码子64个
基因表达的特殊事件
 遗传印记(genetic imprinting)
不同性别的亲代传给子代的同一染色
体或基因，当发生改变时可引起不同表型
的现象，也称为基因组印记
(genomic imprinting)。
表现：指来自双亲的基因存在着功能
上的差异。
机制：基因在生殖细胞分化过程中受到
不同修饰的结果。
据推测DNA的甲基化可能遗传印记的分
子机理之一。
Prader-Willi综合征(PWS)
& Angleman综合征(AS)
PWS
智力低下
AS
Anti
-PWS
Anti
-PWS
智力低下
Anti
-AS
Anti
-AS
步态不稳
身材矮小
过度肥胖
小手小足
del(15）（ q11-- q13）
大嘴呆笑
红面颊
癫痫
四、DNA的突变与损伤修复
（mutation and repair）
DNA突变：是指DNA的核苷酸顺序发生的可
遗传的变异。
基因突变（gene mutation）：基因在结构
上发生碱基对组成或排列顺序的
改变。
（一）突变的分类
生殖细胞突变
1.突变在个体发育阶段
体细胞突变
2.引起突变的因素
诱发突变
（induced mutation）
自发突变
（spontaneous mutation）
转换
①碱基置换
3.基因突变
的方式
颠换
② 碱基的缺失插入
整码突变
移码突变
③动态突变
④染色体的错误配对和
不等交换
①碱基置换突变
一个碱基被另一碱基取代而造成的突变
转换（transition）：嘌呤→嘌呤，嘧啶→嘧啶
类
型
颠换（transversion）：嘌呤→嘧啶，嘧啶→嘌呤
T
HBE: β 26
GAA→AAA
谷 →赖
A
G
C
HBS：β 6
GAG→GTG
谷 →缬
置换突变的效应
1)同义突变（same-sense ）:
碱基的改变并未引起编码的氨基酸改变。
例如，CCA→脯氨酸，A→G，CCG→脯氨酸
2)错义突变（missense mutation） :
碱基的改变引起编码的氨基酸改变。
例如，GAG→谷氨酸，A→T，GUG→缬氨酸
3)无义突变（non-sense mutation）:
碱基的改变使该三联体不再构成任何氨基酸的
密码子，而形成终止信号UAG、UAA、UGA。例如：
TAT→酪氨酸，T → A，TAA → mRNA → UAA →终
止信号。
4)终止密码突变（termination
codmutation）：
当DNA分子中一个终止密码发生突变，成为编码
氨基酸的密码子时，多肽链的合成将继续进行下去，
肽链延长直到遇到下一个终止密码子时方停止，因
而形成了延长的异常肽链。也称延长突变
②碱基的缺失插入
是指在DNA编码顺序中插入或丢失1个
或几个碱基对，从而使插入或缺失点下游
的DNA编码全部改变，结果在转译水平上
引起多肽链的氨基酸顺序和种类也发生了
改变。包括移码突变、整码突变。
移码突变（frame-shift mutation）是
指DNA链上插入或丢失1个、2个甚至多个碱基
（但不是三联体密码子及其倍数），在读码时，
由于原来的密码子移位，导致在插入或丢失碱
基部位以后的编码都发生了相应改变。
移码突变
UAC AGU CCU ACA GAA UGG GAG
酪
丝
脯
苏
谷
色
谷
插入A
UAC AAG UCC UAC AGA AUG GGA G
酪
缺失A
精
丝
酪
精
亮
甘
UAC GUC CUA CAG AAU GGG AG
酪
缬
亮 谷酰 天酰
甘
整码突变（codon mutation）在DNA链
的密码子之间插入或丢失一个或几个密码子，
则合成的肽链将增加或减少一个或几个氨基
酸，但插入或丢失部位的前后氨基酸顺序不
变。
A
A
A
C
C
C
T
T
T
G
G
G
C
G
C
A
T
G
T
G
C
T
T
T
G
G
G
A
A
A
C
C
C
G
C
G
T
A
C
A
C
G
A
AA
AA
C
A
C
CC
CT TT T T T G G G G GG CC GG
CC
A
A
T
T
GG
TT GG C C
T
TT
TT
G
T
G
GG GA AA A A A C C C C CC GG CC
G
G
T
A
A
CC
AA CC GG
C
移码突变
G
A
AA
AA
A
C
C
C
T TT T T T G G G G GG CC GG
CC
A
A
T
T
G
G
TT GG C C
T
T
T
T
T
T
G
G
G
A
A A A C C C G C
A
A
C
C
C
G
C
G
G
T
T
A
A
C
C
A C G
A
C
G
C
C
C
G
G
G
整码突变
③动态突变
动态突变(dynamic mutation)：DNA分子
中碱基重复序列拷贝数在一代一代的传递中发
生扩增而导致的突变。
 Fra X syndrome
(CGG)n
6 ～ 46；
normal
n=
n = 60 ～ 200；
pre - mutation
n = 230以上；
patient
④染色体的错误配对和不等交换
减数分裂期间，同源染色体间的同源部分发生
联会和交换，如果联会时配对不精确，会发生不等
交换，造成一部分基因缺失和部分基因重复。这种
突变常用解释大段多核苷酸的丢失和重复。
a
b
c
a
d
b
e
c
f
d
a
g
e
f
a
a b c
g
b
d
e
f
g
b c d e f g
a
d
e
f
c
b
c
d
g
e
f
g
（二） DNA损伤的修复
1.光修复
波长300~600nm的可见光
修复
光复活酶
2.切除修复
缺口
缺口
3.复制后修复
复制
重组
再合成
emphasis
1、基因的化学本质及DNA分子结构
2、DNA的分类（排列顺序的重复特点）
3、断裂基因的分子结构特点
4、基因的功能（储存、复制、表达）
5、基因突变的基本概念、类型及生物学意义