分子遗传学绪论概述.ppt

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1、分子遗传学 授课教师：刘自强 2011年 2月 授课要求 ：通过本课程的学习，掌握分子遗传 学的基本概念、原理、技术和方法，为以后的 学习和工作打下基础。 32学时 ， 16次课，无实验 考试方式 ：关于分子遗传某一领域的研究进展 考试成绩 ：平时成绩 (考查迟到、早退，课堂 提问、讨论及遵守课堂纪律等方面 )，上讲台 做研究性报告，综述 。 第一章 绪论 遗传学 （ genetics ） 是于 1909 年由 Batesons首先提出的 ， Gene是希腊字根 ， 有 出生与祖先之意 ， Genetics含义是出生与祖 先的关系 。 遗传学主要研究遗传物质的结构与功能 ， 以及遗传信息的传递

2、与表达 。 遗传学有以下特点 。 推理性 根据自然现象和实验结果提出一种假说 ， 再通过实 验加以验证 。 综合性 是与生物科学领域的学科 、 自然科学乃至社会科学 交叉和融合产生的 。 发展迅速 是生物科学的核心学科 ， 是自然科学发展的前沿 学科 。 应用性强 转化为巨大的生产力 ， 关系到人类的健康长寿 。 一 . 遗传学的建立和发展 1. 遗传学的建立 人类在生产实践中对遗传和变异的感性认识 18世纪中叶西欧资本主义经济发展对农牧业提出 新要求 孟德尔的卓越贡献 19世纪细胞学和胚胎学的发展 孟德尔定律的重新发现 Gregor Mendel 1864 年 遗传因子假说 （ Hypoth

3、esis of the inherited factor 1866） 生物性状由遗传因子控制 亲代传给子代的是遗传因子（ A,a ） 遗传因子在体细胞内成双（ AA,aa），在生殖 细胞内为单（ A,a） 杂合子体细胞内具有成双的遗传因子（ Aa） 等位的遗传因子独立分离 非等位遗传因子间自由组合地分配到配子中 插曲：临终时 2. 遗传学的发展 2.1 细胞遗传学时期 （ 19001939） 从个体水平进入细胞水平 ， 建立了遗传的染色体学说 。 主 要是研究生物性状的遗传规律 。 Boveri and Sutton（ 1902） 发现遗传因子与染色体行为的平 行关系 Morgan（ 1910

4、） 提出遗传学第三个基本定律 连锁交换定律 Muller (1927) and Stadler (1928) 对动植物诱发突变成功 遗传学 、 基因 、 基因型 、 表现型等概念的提出 在孟德尔遗传学的基础上，美国著名的遗传 学家 Morgan又提出了 基因学说 -基因在染 色体上 。 连锁遗传规律（ 1933年诺贝尔奖） 2.2 微生物遗传学和生化遗传学时期 （ 1940 1952） 以微生物为材料 ， 采用生化方法开始探索遗传物质的本质 和功能 Griffith (1928) 发现肺炎球菌的转化现象 Avery (1944) 证明 DNA是转化因子 （ 遗传物质 ） Beadle (194

5、1) 提出 “ 一基因一酶 ” 假说 Hershey (1952) 用噬菌体证明 DNA是遗传物质 奥斯瓦德 艾弗里 Oswald Avery 的历史贡献 1948年退休。 诺贝尔委员会因未在他死前 颁给他诺贝尔奖而备受指责 （ 1877-1955） 1928-1944 进行 16年的肺炎链球菌遗传转化研究 证明 DNA是遗传因子 一生的遗憾是由于 科学家对核酸的了解还知之甚少 DNA分子的功能也就更不为人知 蛋白质可能是遗传专一性的决定分子 DNase失活实验中未能完全排除对蛋白酶的失活 内向，缺少讨论 第一个动摇了 “蛋白质是基因 ”的理念 奠定了 “DNA是遗传物质 ”的理论基础 尽管

6、Avery的实验 未引起概念的变革 但他的研究工作引起了 Er-Win Chargaff的极大兴趣 为提出 DNA双螺旋结构模型器到了非常重要的作用 1952年（ 8年后） M.Delbruck, S.E. Luria, A. Hershey 对噬菌体繁殖过程开展了深入的研究 证明了 DNA是主要的遗传物质 （ 1969年诺贝尔奖） D.H.L成功的因素 人们已经认识到 DNA可能在遗传过程中有 重要作用 他们的科学论文几乎与 Watson和 Crick的论 文同时发表，从而得到了媒体的广泛宣传 Avery是孤立的研究者，较少参加学术交流 与科学讨论，研究结果未能引起人们的注 意 D.H.L的

7、结果通过 “噬菌体研究组 ”的学术关 系和网络得到了迅速的传播和广泛的理解 1941年， Georage Beadle和 Edward Tatum 提出的 “一个基因一个酶 ”的假说 （ 1958年诺贝尔奖） 说明了基因的生化作用本质是控制着酶的合成 生物化学和遗传学之间的联合迈出的第一步 G. Beadle & E. Tatum 2.3 分子遗传学时期 （ 1952 ） Watson and Crick (1953) 提出 DNA双螺旋结 构模型 Benzer (1955) 研究基因的精细结构 Crick (1958) 提出中心法则 Monod and Jacob (1961) 提出操纵子学

8、说 Nirenbeng (1965) 破译遗传密码 DNA双螺旋结构的揭示 分子生物学的重要里程碑 Francis Crick (35y) James Watson(23y) 1951 James Watson （ Luria的第一个研究生 23y） 丹麦 哥本哈根 Kalckar Lab. 博士后 1951年，剑桥大学 Cavendish Lab. 访问意大利那不勒斯动物研究所时 Kings Lab. London University Maurice Wilkins 性格不同，专业互补 紧密合作，锁定目标 在确定 DNA分子结构的研究 中，没有用 DNA分子做任何 一个实验 开创了一种研究

9、风格 “对文章和实验进行 讨论交流是重中之重， 理论和讨论比实验和 观察更为重要 ”。 “研究与讨论，分析 与推论是建立在大量 实验数据和科学论文 的基础上的 ” 优秀女科学家 在双螺旋结构发现几年后，因癌 症而病逝，对揭示 DNA双螺旋结 构做出过重要贡献，却受到歧视 和不公正待遇 助手！待遇！ 背景！交流！ 高质量的 DNA X射线衍射图谱， 核糖与磷酸连接成的扭曲绳子， 每一节上都有配对的碱基 Rosalind Franklin Kings Lab. London University UK James Watson (34y) Francis Crick (46y) Maurice W

10、ilkins (46y) DNA 双螺旋模型 1953 1962年诺贝尔奖 乳糖操纵子模型 开辟了分子遗传 学研究新天地 退役军医，被 Andre Lwoff招聘，从事生物学 研究，利用 Hfr的结合实验，对原噬菌体在细 菌染色体上的整合位点进行了非常准确的定位 Jacques Monod Francois Jocob 出生于一个传统的教徒家庭，在 Andre Lwoff的带领下，开始了微生物营养的研究生涯，发现 了细菌的 “二次生长 ”(diuaxy)现象 乳糖操纵子模型 1960年，他们在对大肠杆菌乳糖代谢的研究中发现 半 乳糖苷酶在有乳糖存在的条件下才表达的一种 “诱导酶 ” Franc

11、ois Jacob (44y) Jacques Monod (55y) (French) Lac. Operon Theory 1965年诺贝尔奖 信使的发现 破译遗传密码 破解遗传密码 DNA双螺旋结构揭示之后的又一研究热点 遗传学家： 根据 DNA的结构和基因在细胞中 的作用进行推断 生物化学家： 建立体外的蛋白质合成系统 生物化学家在破译遗传密码中所做出的 贡献成为分子遗传学最卓越的发现之一 同在美国华盛顿国家关节炎 和代谢疾病研究所工作的两 位名不经传的德国生物学家 Marshall Nirenberg 约翰马太 (Johann Heinrich Matthaei)和马歇尔尼伦伯格 (

12、Marshall Nirenberg)的成功 全是靠运气！ 1968年 诺贝尔 奖 R. Holley H.G. Khorana M. Nirenberg pakistan H. Gobind Khorana(46y) How to synthesize triplet RNA Marshall Nirenberg(41y) 遗传密码 Robert Holley (46y) tRNAphe 三叶草结构 e Gobind Khorana 建立了合成具有特定碱基序列的 OligoNt的有效方法 简便快速 促进了在随后 5年内所有密码的破译 70年代 DNA重组技术 (1980 ， Berg)， D

13、NA测试技术 (1977， Sanger),逆转录酶发现 (1970， Temin),限制 内切酶发现 (1978， Smith),内含子发现 (1977， Sharp) Paul Berg Stanford University 1926 - Frederick Sanger MRC Laboratory of Molecular Biology Cambridge, Great Britain 1918 - Hamilton O. Smith Johns Hopkins University School of Medicine Baltimore, USA 1931 - Howard T

14、emin 80年代 PCR技术 (1986， Kary Mullis ), 转座子 移动 (1983， McClintock),核糖酶发现 (1981， Cech), 细胞大规模培养，动植物转基因技术 Thomas R. Cech University of Colorado Boulder, CO, USA 1947- Barbara McClintock Kary Mullis 90年代 人类基因组计划，克隆动物 21世初 人类遗传密码草图面世 其它物种基因组测序 二 分子遗传学的研究内容 分子遗传学不同于一般的遗传学 :传统的遗传学主要 研究遗传单元在各世代的分布情况 ,而分子遗传学 则

15、着重研究遗传信息大分子在生命系统中的储存、 复制、表达及调控过程。 DNA RNA 肽链 功能蛋白质 性状（现象型） 信息源 信息模板 工作分子 生长、分化、发育过程中的分子事件 中心法则 分子遗传学的范畴 转录 翻译 分子遗传学 不等同于 中心法则 的演绎：分子遗传学 的研究范畴要比中心法则广泛得多，深刻得多。 中心法则只是对 DNA编码序列及其表达在分子水 平上的解释，但是从中心法则到性状的形成，仍 然是一个复杂的、语焉不详的过程，它不是中心 法则所能解释清楚的。 分子遗传学 也不是核酸及其衍生物（蛋白质）的 生物化学 。 分子遗传学研究的对象是分子水平上的生物学过 程 遗传及变异的过程。

16、它研究的是动态的生 命过程，而不是在试管里或电泳仪上孤立地研究 生物大分子的结构与功能的简单的因果关系 分子遗传学是在分子水平上研究生物遗传信息的组成 、 传递和表达规律的学科 ， 是细胞中动态的遗传变异过程 以及与此相关的所有分子事件 。 1 基因的结构与功能 蛋白质是遗传物质吗 ？ 羊搔痒病 （ scrapie） 的病源体朊粒 （ prion） ,也是人类中枢神经系统退 化疾病 库鲁病 （ Kuru） 和克 杰氏综合症 （ CTD） 的病源体 ， 也可引起疯牛 病即牛脑的海绵状病变 （ BSE） 。 朊粒是不含核酸的蛋白质颗粒 ， 但能在宿主细胞内产生与自身相同的分 子 ， 并实现相同的功

17、能 ， 这是否意味着蛋白质也可以作为遗传物质呢 ？ 实验证明 ， 朊粒不含核酸 ， 不是遗传信息载体 ， 也 不能复制 ， 是由基因编码产生的正常蛋白质的复制品 。 哺乳动物产生一种糖蛋白 PrP, 人的 PrP由 253氨基酸组成 ， 位于第 20号染色体的短臂上 。 正常脑组织中的 PrP称为 PrPc,相对分子质量为 33000-35000， 对蛋白酶敏感 。 病变组织中的 PrP称为 PrPsc,相对分子质量为 27000-30000， 是 PrPc的一段 ， 对 蛋白质酶不敏感 。 PrPc和 PrPsc是异构物 ,氨基酸组成和排列顺序相同 ， 但三维构象不 同 。 PrPc的 4条

18、 螺旋会长成部分折叠的单体 PrP*,这种中间体可生成 PrPc,也可生成 PrPsc。 外源 PrPsc可促使 PrP*生成 PrPsc,生成 PrPsc的过程 是不可逆的 。 PrPsc在神经细胞中大量沉积 ， 引起神经细胞病变 ， 破坏 神经细胞功能 。 PrPsc进入宿主细胞并不是自我复制 ， 而是将细胞基因编码的 PrPc 转变为 PrPsc 。 核酸具有催化作用吗 ？ 酶性核酸 （ ribozyme） 又称为核酶 ， 是一种能催化 RNA前体 剪接 、 催化肽链生成的 RNA。 Cech和 Altman 80年代发现的这种酶 改变了 “ 酶就是蛋白质 ” 的传统概念 。 提示生物进

19、化过程中 ， RNA 早于 DNA和蛋白质出现 。 包括核酶和反义 DNA、 反义 RNA在内的反义寡聚核苷酸 （ ASONs） 能与其互补的靶序列互补配对 ， 抑制或封闭靶基因的 表达 。 反义技术的发展被称为生物技术的第二次浪潮 ， 在医学 、 动植物育种等方面有广阔的应用前景 。 基因组研究 基因组学 （ genomics） 是研究基因结构和功能的新学科 (1986),可以分为结构基因组学和功能基因组学 . 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 列特性 ,基因组作图 ,基因定位等 . 1990年 ,美国能源部和国立卫生研究部合作启动的人类基因 组计划 ,带动了作物 、

20、家畜 、 微生物 、 模式生物 、 病源体 、 药物 、 环境 等各种基因组的研究 ， 人类基因组计划包括广 泛的内容 。 基因组作图 : 绘制各条染色体的遗传图 、 物理图 、 基因图 。 测序 :测定全基因组 DNA分子的核苷酸排列 基因识别 :识别基因序列 ， 设法克隆基因 ， 研究基因功 能 。 模式生物 :大肠杆菌 、 酵母菌 、 线虫 、 果蝇 、 小鼠 、 拟 南芥 、 水稻 发展 生物信息学 和 计算生物学 。 2 基因的传递规律 2.1 单基因孟德尔式遗传 遗传异质性 （ genetics heterogeneity） 表现为 许多基因中的任何一个发生突变 ， 都会造成相同的

21、表型 。 视网膜色素沉着病是 14个基因中的任何一个发生突变的 结果 。 等位基因异质性 （ allelic heterogeneity） 是指 同一个基因有多个引起性状改变的突变 。 表观遗传变异 （ epigenetics variation） 是指基因 DNA序列不发生改变 ， 但基因表达 时发生可遗传的变异 ， 造成基因产物改变 ， 导致表型的改变 。 这些变异 不符合孟德尔 遗传规律 。 已发现 甲基化 、 基因组印记 、 RNA编辑 等 。 甲基化（ methylation） 在甲基化酶作用下 ， DNA分子上某个碱基添加 上甲基 ， 常见的是加在胞嘧啶上 ， 形成 5-甲基胞嘧

22、啶 。 含 5-甲基胞嘧啶的位置通常是突变的热点 。 DNA甲基化降低基因转录活性 ， 真核生物可相 差 10 倍 ， 原核生物相差 10 倍 。 组蛋白甲基化 基因组印记 （ genomic imprinting） 孟德尔遗传规律认为遗传物质无论来自双亲哪一方 ， 都 具有相同的表型效应 。 但是有些基因的功能受到双亲基因组 的影响 ， 打上了基因组的印记 ， 性状的表现可因基因来自父 方还是母方而有所不同 。 亨廷顿病是常染色体显性遗传病 ， 患者发病年龄与致病 基因 （ HD） 来自父亲还是母亲有关 。 来自父亲的 ， 发病年龄 小；来自母亲的 ， 发病年龄大 。 男患者的 HD来自母亲

23、的 ， 本 人发病迟 ， 但把 HD传给子女 ， 其子女发病早 。 基因组印记的机制主要涉及 DNA甲基化和染色质结构的变 化 。 RNA编辑 由于 mRNA分子中的核苷酸缺失 、 插入或置换 ， 使翻译生 成的蛋白质的氨基酸序列组成不同于基因序列的编码信息 ， 这种现象称为 RNA编辑 。 RNA编辑可以使得任何一个基因序列可能产生几种不同 的蛋白质 ， 这可能是在长期进化过程中形成的最经济 、 最有 效地利用原有遗传信息的机制 。 RNA编辑是 mRNA与 “引导 ”RNA (guideRNA,gRNA) 配对后 ， gRNA通过正常配对或异常的 G-U配对而使 mRNA的核苷酸序列发 生

24、改变 。 图 1-2 RNA 编辑 2.2 多基因性状的遗传规律 多基因性状包括动植物的经济性状 、 人类某些疾病 （ 高血压 、 心脏病 、 糖尿病等 ） 的易感性 ， 以及一些连 续变化的性状 ， 例如舒张血压 、 免疫球蛋白 E的滴度等 。 多基因性状遗传方式采用遗传连锁分析 、 相关研究 、 数 量性状座位 （ QTL） 定位等方法进行研究 。 2.3 细胞质遗传 线粒体和叶绿体作为一个独立的遗传系统 ， 核外基 因有独自的遗传方式 ， 又与核基因有密切的关系 。 3 基因表达的调控 基因表达调控的类型 按表达的层次分：转录水平 、 转录后水平 、 翻译水平 的调控 。 按表达定向分：

25、组织专一性 、 非组织专一性 、 细胞分化 阶段调控 。 从遗传学角度研究基因表达调控 基因自身结构中的调控元件与调控因子及其作用机制 ， 例如启动子 、 增强子 、 弱化子 ， 基因与其他物质分子相互作 用而影响其表达活性的机制 。 基因表达调控研究举例 细胞程序性死亡 细胞程序性死亡 （ PCD） 是一种生理现象 ， 胚胎发育至一 定阶段 ， 一些细胞注定要死亡 ， 胚胎发育才能顺利进行 。 细胞程序性死亡不同于细胞坏死 ， 而是细胞凋亡 (apoptosis),主要特征是细胞膨大 ， 染色体断裂 ， 细胞破碎 而膜不裂解 ， 细胞内含物不外泄 ， 不引起炎症 。 细胞程序性死亡受控于基因

26、 ， 在线虫中 ， ced-3,ced-4 基因使细胞进入 PCD, ced-9基因保护细胞不进入 PCD。 在哺乳 动物中 ， ICE基因与 ced-3基因同源 ， bcl-2基因与 ced-9基因 同源 。 这些基因的表达活性是成对比相互诘抗 。 生物体形态建成 遗传学与发育生物学结合形成的发育分子遗传学从基因 分子水平揭示生物发育的内在规律 。 果蝇中有一些基因控制胚胎的空间组织结构 ， 这些基因 有相同的 180bp序列称为同源框 (homeobox),编码 60个氨基酸 的肽链 ， 同源框很保守 ， 往往形成基因簇控制生物体的形态 建成 。 果蝇的触角足复合体 （ ANT-C） ，

27、由决定成蝇头部和胸 节前部的基因组成 ， 当其中的同源框发生突变时 ， 会在长触 角的部位长出一条腿 。 三 分子遗传学的发展趋势 1. 从遗传信息传递规律研究转向遗传信息表达及其调 控研究 2. 从单基因研究转向多基因研究 3. 基因结构研究转向基因功能研究 4. 从单一学科研究转向多学科交叉滲透的多学科研究 5. 从理论研究到应用基础研究和应用研究 分子遗传学将演变成研究基因和基因组结构和功能 的学科 ， 并将陆续产生出一些新的学科 。 基因组学 (Genomics) 研究基因结构和功能的学科 转录本组学 (Transcriptomics) 研究基因转录全部 转录 本组的学科 蛋白质组学

28、( Proteomics) 研究基因编码的全部蛋白质 蛋 白质组的学科 糖组学 (Glycomics) 研究糖基化和多种糖分子的学科 表型学 (Phenomics) 研究个体形态和生理特征形成的学科 系统生物学（ System biology） 分子遗传学与其他学科的关系 遗传学 ：分子生物学 +遗传学 生物化学 ：核酸生物化学，蛋白质与 DNA 的结合研究 微生物学 ：密不可分， E.coli ， 质粒、限制性内切酶 细胞生物学 ：在分子水平上探讨构成细胞各种组分的 基因及其表达 发育生物学 ：发育学与分子遗传学结合到一起 蛋白质和酶学 ， 生理学 ， 神经科学 第一章 绪论 第二章 基因的分子结构和基因概念的多样性 第三章 DNA复制 第四章 RNA转录 第五章 蛋白质翻译 第六章 基因的表达与调控 第七章 基因的突变 第八章 分子生物学进展 第八章 综述报告 参考书 ： 1. 基础分子生物学，郑用琏主编，高等教育出版社 2. 分子遗传学，孙乃恩、孙东旭、朱德煦著，南京大学 出版社。 3. 分子遗传学，张玉静主编，科学出版社。 4. 分子遗传学，李振刚编著，科学出版社 5. Internet 本章结束