现代分子生物学省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第一章第一章 绪论绪论 一一.基本含义基本含义 一一.分子生物学基本含义分子生物学基本含义 是人类从分子水平上研究细胞活动规律，是人类从分子水平上研究细胞活动规律，揭开生命本质一门基础学科。揭开生命本质一门基础学科。第1页第一章第一章 绪论绪论 一一.基本含义基本含义 -分子水平是指 携带遗传信息核酸和在遗传信息传递及细胞内、细胞间通讯过程中发挥着主要作用蛋白质等生物大分子。-分子水平上硕士命本质主要是指 对遗传、生殖、生长和发育等生命基本特征分子机理说明,从而为利用和改造生物奠定理论基础和提供新伎俩。第2页第一章第一章 绪论绪论 一一.基本含义基本含义 分子生物学：分子生物学：是研究核酸等生物大分子功效、是研究核酸等生物大分子功效、形态结构特形态结构特 征及其主要性和规律性学科，是人类从分子征及其主要性和规律性学科，是人类从分子 水平上真正揭开生物世界奥秘，由被动适应水平上真正揭开生物世界奥秘，由被动适应 自然界转向主动地改造和重组自然界基础学自然界转向主动地改造和重组自然界基础学 科。科。分子生物学是当前当代生物学领域里最含有活分子生物学是当前当代生物学领域里最含有活 力和发展最为快速学科之一。力和发展最为快速学科之一。第3页第一章第一章 绪论绪论 二二.分子生物学发展简史分子生物学发展简史 二二.分子生物学发展简史分子生物学发展简史 分子生物学发展大致可分为两个阶段分子生物学发展大致可分为两个阶段 1.1.准备和酝酿阶段准备和酝酿阶段 19 19世纪后期世纪后期-20-20世纪世纪5050年代年代 产生了两点对生命本质认识上重大突破产生了两点对生命本质认识上重大突破:确定了生物遗传物质基础是核酸确定了生物遗传物质基础是核酸,处理了遗处理了遗 传物质基础问题。传物质基础问题。确定了蛋白质是生命主要基础物质。确定了蛋白质是生命主要基础物质。第4页第一章第一章 绪论绪论 二二.分子生物学发展简史分子生物学发展简史 2.分子生物学建立和发展阶段分子生物学建立和发展阶段 主要进展主要进展:50年代提出了年代提出了DNA分子双螺旋结构模型和半保留分子双螺旋结构模型和半保留复制机制复制机制,处理了处理了遗传物质自我复制和世代交替问遗传物质自我复制和世代交替问题题;50年代末至年代末至60年代年代,提出了提出了“中心法则中心法则”和操纵和操纵子学说子学说,成功地破译了遗传密码成功地破译了遗传密码,说明了遗传信息流说明了遗传信息流动与表示机制。动与表示机制。P.11第5页第一章第一章 绪论绪论 二二.分子生物学发展简史分子生物学发展简史 1957 年,A.Kornberg 在大肠杆菌中发现了 DNA 聚合酶;1965 年,证实了细菌抗药性通常由“质粒”DNA所决定；1967 年,第一次发现 DNA 连接酶;1970 年,Smith,Wilcox 和 Kelley 分离出第一种限制性核酸内切 酶,Temin 和Baltimore 从RNA肿瘤病毒中发现反转录 酶。1972-73 年,Boyer,Berg等人创造了DNA重组技术,1972年获得第一个重组 DNA 分子；1973年完成第一例细菌基因克隆。1978年,首次在大肠杆菌中生产由人工合成基因表达人脑激 素和人胰岛素。第6页第一章第一章 绪论绪论 二二.分子生物学发展简史分子生物学发展简史 1981年,Palmiter和Brinster 取得转基小鼠,Spradliing和Rubin得到转基因果蝇。1982年,美、英同意使用第一例基因工程药品胰岛素。1983年,取得第一例转基因植物。1994年,第一批基因工程西红柿在美国上市。1996年,完成了酵母基因组(1.25107bp)全序列测定。1997年,英国爱丁堡罗斯林研究所取得克隆羊。,完成第一个高等植物拟南芥全序列测定 (3.2 108bp)。年,完成人类基因组全序列测定(3.5 109bp)。第7页第一章第一章 绪论绪论 二二.分子生物学发展简史分子生物学发展简史 ,英、美、德等国上百位科学家在Nature 杂志上联合宣告他们成功破译了小鼠基因组。年，科学杂志发表了中国科学家家蚕基因组框 架图。20，208月11日中、美、日、法等10个国家和地域 科学家在 Nature 杂志发表了水稻基因组“精细 图”，覆盖率达95.3。我国对国际水稻基因组计划贡献率达20。共定 位了37,500个基因，还率先在动植物中完成了对着 丝粒测序。第8页第一章第一章 绪论绪论 二二.分子生物学发展简史分子生物学发展简史 ，由中国农科院蔬菜花卉研究所和深圳华大基因研 究院领衔、14国科学家组成国际马铃薯基因组 测序协作组，分别在北京、阿姆斯特丹、伦敦、纽约、利马等地同时宣告：马铃薯基因组序列框架图完成 马铃薯基因组有12条染色体、8.4亿个碱基对 该框架图覆盖了:马铃薯95以上基因 共发觉3.5万多个基因 第9页第一章第一章 绪论绪论 二二.分子生物学发展简史分子生物学发展简史 ，中国颁发了含有自主知识产权:一个转植酸酶基因玉米品种 生产应用安全证书 两个转抗虫基因水稻品种 第10页第一章第一章 绪论绪论 二二.分子生物学发展简史分子生物学发展简史 转植酸酶基因玉米转植酸酶基因玉米:能够提升饲料利用效率，降低饲料中磷酸氢能够提升饲料利用效率，降低饲料中磷酸氢 钙添加量，降低喂养成本；降低动物粪、尿中植钙添加量，降低喂养成本；降低动物粪、尿中植 酸磷排泄，减轻环境污染，有利于环境保护酸磷排泄，减轻环境污染，有利于环境保护.另外，利用农业种植方式生产植酸酶，还含有另外，利用农业种植方式生产植酸酶，还含有 节能、环境保护、低成本优势。节能、环境保护、低成本优势。植酸酶植酸酶:是催化植酸及其盐类水解为肌醇与磷酸（盐）是催化植酸及其盐类水解为肌醇与磷酸（盐）一类酶总称一类酶总称 第11页第一章第一章 绪论绪论 二二.分子生物学发展简史分子生物学发展简史 转抗虫基因水稻转抗虫基因水稻:能有效控制螟虫等鳞翅目害虫危害，保障水能有效控制螟虫等鳞翅目害虫危害，保障水 稻增产，还能降低稻增产，还能降低80%化学农药用量。化学农药用量。第12页第一章第一章 绪论绪论 三三.分子生物学主要研究内容分子生物学主要研究内容 1.分子生物学基本原理分子生物学基本原理（p 11)(1)(1)组成生物体各类有机大分子单体在不一样生物中组成生物体各类有机大分子单体在不一样生物中 都是相同。都是相同。(2)(2)生物体内一切有机大分子建成都遵照共同规生物体内一切有机大分子建成都遵照共同规 则。则。(3)(3)某一特定生物体所拥有核酸及蛋白质分子决定某一特定生物体所拥有核酸及蛋白质分子决定 了它属性。了它属性。第13页第一章第一章 绪论绪论 三三.主要研究内容主要研究内容 2.2.主要研究内容主要研究内容 (1(1）DNA重组技术重组技术 （2）基因表示调控研究）基因表示调控研究 （3 3）结构分子生物学）结构分子生物学 （4）基因组、功基因组与生物信息学研究）基因组、功基因组与生物信息学研究 第14页分子生物学研究内容分子生物学研究内容 DNA重组技术重组技术 （1）DNA 重组技术（重组技术（基因工程基因工程/遗传工程遗传工程/基因操作基因操作/基因克隆基因克隆/分子克隆分子克隆）在体外将不一样在体外将不一样 DNA 片段片段(整个基因或基因整个基因或基因 一个部分一个部分)按照人们设计定向连接起来后，转入按照人们设计定向连接起来后，转入 特定受体细胞，使重组基因在受体细胞中与载体特定受体细胞，使重组基因在受体细胞中与载体 同时复制并得到表示，从而赋予生物体新遗传特同时复制并得到表示，从而赋予生物体新遗传特 性性,创造出更符合人们需要新生物类型和生物创造出更符合人们需要新生物类型和生物 产品。产品。基因（基因（gene）：）：产生一条多肽链或功效产生一条多肽链或功效RNA所需要全部所需要全部DNA序列序列.第15页G AATTCCTTAA GSV40G AATTCCTTAA GSV40病毒病毒DNA 噬菌体噬菌体DNAEcoR IDNA ligase连接连接SV40GAATTCCTTAAGSV40 DNAGAATTCCTTAAG DNAVS40GAATTCCTTAAGGAATTCCTTAAGSV405353切割切割图图:SV40 病毒病毒DNA 和和 噬菌体噬菌体 DNA 重组重组例1:例2:第16页分子生物学研究内容分子生物学研究内容 DNA重组技术重组技术 DNA重组操作主要包含重组操作主要包含:DNA(基因组和质粒DNA)提取和纯化 PCR(聚合酶链反应)基因扩增 DNA聚合酶 DNA分子切割 限制性内切酶限制性内切酶 DNA片段与载体载体连接 DNA连接酶连接酶 DNA凝胶电泳 细胞转化及重组子筛选与判定等 第17页分子生物学研究内容分子生物学研究内容 DNA重组技术重组技术 三大基本工具三大基本工具:“分子手术刀”限制性核酸内切酶 “分子缝合针”DNA连接酶 “分子运输车”基因进入受体细胞载体 第18页分子生物学研究内容分子生物学研究内容 DNA重组技术重组技术 DNA 重组技术应用前景重组技术应用前景 可用来进行基因功效研究。如利用 反义技术、RNA干扰等技术。可用于定向改造一些生物基因组结构。如：转 基因Bt抗虫棉，将苏云金芽孢杆菌编码Bt毒蛋白 抗虫基因转入棉花后取得。可用于大量生产一些在正常细胞代谢中产量很低或 不能 产生多肽，如激素、抗生素、酶类和抗体 等，提升产量，降低成本。第19页分子生物学研究内容分子生物学研究内容 基因表示调控研究 基因表示基因表示(gene expression):从从DNA到蛋白质或功效到蛋白质或功效RNA过程被称为基因表示。过程被称为基因表示。实质上就是遗传信息转录和翻译实质上就是遗传信息转录和翻译 基因表示调控基因表示调控(gene regulation)：对基因表示过程调整就称为基因表示调控。对基因表示过程调整就称为基因表示调控。(2)基因表示调控研究基因表示调控研究第20页分子生物学研究内容分子生物学研究内容 基因表示调控研究 DNA RNA反馈(?)转录复制 翻译 蛋白质生理功效图:遗传信息传递“中心法则”示意图（二十一世纪后修正）tRNA和rRNA 小RNA（microRNAs）非编码RNA（Non-codingRNA）P.11第21页分子生物学研究内容分子生物学研究内容 基因表示调控研究 基因表示调控类型基因表示调控类型:时序调控 (遗传特征)区域调控 (遗传特征)环境调控 (内外环境改变)基因表示过程中调控主要发生在：基因表示过程中调控主要发生在：DNA转录水平(原核生物和真核生物)RNA翻译水平(此调控仅发生在真核生物基因表 达中)第22页分子生物学研究内容分子生物学研究内容 结构分子生物学结构分子生物学 （3）生物大分子结构功效研究）生物大分子结构功效研究结构分子结构分子生生物学物学 一个生物大分子，不论是核酸、蛋白质等在发挥其生物功一个生物大分子，不论是核酸、蛋白质等在发挥其生物功效时，必须具备两个提：效时，必须具备两个提：拥有特定空间结构拥有特定空间结构（三维结构）；（三维结构）；发挥生物学功效过程中必定存在着结构和构象变发挥生物学功效过程中必定存在着结构和构象变 化。化。第23页分子生物学研究内容分子生物学研究内容 结构分子生物学结构分子生物学 结构分子生物学就是研究生物大分子特定空间结构及结构运动变化与其生物学功能关系科学。主要包括三个研究方向：结构测定 采取X射线衍射、二维或多维核磁共振等方法结构运动变化规律探索结构与功能相互关系建立第24页分子生物学研究内容分子生物学研究内容 基因组、功效基因组与生物信息学研究 （4）基因组、功基因组与生物信息学研究）基因组、功基因组与生物信息学研究 基因组（基因组（genome):生物有机体单倍体细胞中全部DNA，包含 核中染色体DNA和线粒体、叶绿体等亚细胞器中 DNA。P.456 第25页分子生物学研究内容分子生物学研究内容 基因组、功效基因组与生物信息学研究 基因组计划:测定基因组序列。-人类基因组计划 目标是揭开人类全部遗传结构,包含全部基因(尤其是与疾病相关基因)和基因外 序列结构。1990年-，美、英、法、德、日、中 6 国合作已完成人类基因全部序列测定工 作。见表2-1,P.19.-小家鼠、果蝇、线虫、拟南芥、水稻、啤酒酵母，以 及各种真菌、细菌基因组研究相继展开，其中拟南 芥基因组全序列测定已完成。第26页分子生物学研究内容分子生物学研究内容 基因组、功效基因组与生物信息学研究 功效基因组计划功效基因组计划(蛋白组计划或后基因组计划):揭 示基因产物和功效之间关系。经过 利用各种模式植物体基因剔除和转 基因来研究基因功效。生物信息学生物信息学:将基因结构、蛋白质功效以及物种 进化在基因信息基础上统一起来。p.15第27页第一章 绪论 四.课程学习目和内容 1.学习目标学习目标:掌握分子生物学基本掌握分子生物学基本概念、基本原理概念、基本原理、基本操作技术等。、基本操作技术等。2.学习内容学习内容:重点讲授重点讲授 第三章第三章 生物信息传递生物信息传递(上上)-从从DNA到到RNA 第四章第四章 生物信息传递生物信息传递(下下)-从从RNA到蛋白质到蛋白质 第五章第五章 分子生物学研究法（上）分子生物学研究法（上）第六章第六章 分子生物学研究法（下）分子生物学研究法（下）第七章第七章 基因表示与调控基因表示与调控(上上)-原核基因表示调整模式原核基因表示调整模式 第八章第八章 基因表示与调控基因表示与调控(下下)-真核基因表示调控一真核基因表示调控一 般规律般规律第28页第一章第一章 绪论绪论 四四.课程学习目标和内容课程学习目标和内容 参考书参考书:1.吴乃虎主编吴乃虎主编2.杨岐生主编杨岐生主编 浙江大学出版社浙江大学出版社3.吴乃虎主编吴乃虎主编第29页第一章第一章 绪论绪论 当你进入试验室时当你进入试验室时,要像脱去外衣那样放要像脱去外衣那样放下下你想像力你想像力,因为试验操作中不能有一丁点因为试验操作中不能有一丁点想像想像,不然不然,你对事物观察就会受影响你对事物观察就会受影响;而当而当你翻开书本时候你翻开书本时候,你又必须尽可能展开想像你又必须尽可能展开想像“翅膀翅膀”,不然不然,你就不可能走在他人前面。你就不可能走在他人前面。朱玉贤朱玉贤第30页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一.染色体染色体 染色体染色体:细胞细胞(核核)中由中由DNA、蛋白质组成易被碱性染、蛋白质组成易被碱性染 料着色一个丝状或杆状物料着色一个丝状或杆状物。亲代是以染色体形式将自己遗传物质亲代是以染色体形式将自己遗传物质DNA 传给子代，保持了物种稳定性和连续性。所以，传给子代，保持了物种稳定性和连续性。所以，染色体在遗传上起着主要作用。染色体在遗传上起着主要作用。第31页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一.染色体染色体 1.染色体特征染色体特征:(1)分子结构相对稳定分子结构相对稳定;(2)能够自我复制，能够自我复制，亲代能够将自己遗亲代能够将自己遗 传物质传物质DNA以染色体形式传给子代以染色体形式传给子代,使使 亲、子代之间保持亲、子代之间保持了物种稳定性和了物种稳定性和 连续性连续性;(3)能够指导蛋白质合成，从而控制能够指导蛋白质合成，从而控制 整个生命过程整个生命过程;(4)能够产生可遗传变异。能够产生可遗传变异。第32页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一.染色体染色体 2.染色体组成染色体组成 (1)原核细胞染色体原核细胞染色体 由 DNA与非组蛋白质组成，二者结合呈涣散状态。参与DNA 折叠 染色体中蛋白质 参加DNA 复制、重组及转录 原核生物染色体普通位于类核体上。第33页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一.染色体染色体 原核生物类核结构原核生物类核结构 p.22第34页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一.染色体染色体 原核生物基因组特点：原核生物基因组特点：多数只有一条染色体 基因组小 大肠杆菌基因组仅含4000 多个基因。DNA含量少 大肠杆菌DNA相对分子 质量只有2.4109 第35页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一.染色体染色体 原核生物原核生物DNA主要特点主要特点:p.30结构简练结构简练 大多数为单拷贝基因,只有极少数基因（rRNA）是以多拷贝形态存在。原核DNA分子绝大部分是用来编码蛋白质，只有非常小一部分不转录。而且，这些不转录DNA序列通常是控制基因表示序列。存在转录单元（操纵子）存在转录单元（操纵子）原核DNA序列中功效相关RNA和蛋白质基因，往往丛集在基因组特定部位，形成功效单位或转录单元，它们可被一起转录为可翻译多个蛋白质mRNA分子，这种mRNA叫多顺反子多顺反子mRNAmRNA。第36页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一.染色体染色体 有重合基因有重合基因 含有部分共用核苷酸序列基因，也就是说，同一段DNA携带了两种不一样蛋白质编码信息。这么两个基因称之为重合基因重合基因。重合部分能够在基因调控区，也能够在结构基因区。重合基因主要有以下几个情况:一个基因完全在另一个基因里面;部分重合;两个基因只有一个碱基正确重合。第37页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一.染色体染色体 噬菌体噬菌体 X174 P.31第38页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一.染色体染色体 真核细胞染色体组成真核细胞染色体组成 组蛋白组蛋白 蛋白质蛋白质 染色体染色体 非组蛋白非组蛋白DNA 少许RNA （主要是还未完成转录而仍与模板 DNA相连那些RNA）(2)真核细胞染色质与染色体真核细胞染色质与染色体第39页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一.染色体染色体 n蛋白质蛋白质 组蛋白(histone，H)染色质中蛋白质 非组蛋白 (nonhistone chromosomal proteins,NHC)真核染色质中蛋白质与对应DNA质量比约为2:1。第40页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一.染色体染色体 组蛋白组蛋白 一类小分子量碱性蛋白质，是组成真核染色质 主要蛋白质。真核生物染色质中有H2A、H2B、H3、H4和H1(鸟类、鱼类及两栖类红细胞染色体不含H1而带有H5)等5种主要类型组蛋白。第41页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一.染色体染色体 表表 真核细胞染色真核细胞染色质上组蛋白成份分析质上组蛋白成份分析 see P.23.表2-5._ 种类 相对分子质量 氨基酸数目 分离难易度 保守性 染色质中百分比 染色质中位置_ H1 21 000 223 易 不保守 0.5 接头 H2A 14 500 129 较难 较保守 1 关键 H2B 13 800 125 较难 较保守 1 关键 H3 15 300 135 最难 最保守 1 关键 H4 11 300 102 最难 最保守 1 关键_ -H3、H4富含精氨酸 H1 富含赖氨酸 H2A、H2B介于二者之间 -用 2 mol/L NaCl 或 0.25 mol/L HCl/H2SO4 处理染色 质，可将 组蛋白与DNA 分离。第42页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一.染色体染色体 组蛋白特征组蛋白特征：p.24 进化上极端保守性,组成相同,尤其是H3、H4.对稳定 染色体结构起作用。无组织特异性,仅有两个列外。肽链上氨基酸分布不对称性,碱性AA集中分布在N-端 半条链上,与DNA负电荷区结合,大部分疏水基团集 中分布在C-端半条链上,与其它组蛋白、非组蛋白结合.组蛋白修饰作用,主要为甲基化、乙酰化、磷酸化等,可调控基因表示。H5磷酸化对染色质失活起作用。第43页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一.染色体染色体 非组蛋白非组蛋白:是一类各种蛋白质群体,大约100种,常见15-20种,占染色体蛋白总量60-70%.HMG 蛋白蛋白(high mobility group protein,高速泳动蛋白高速泳动蛋白)特征:-小分子量，高电荷;-通常与有能力进行转录活性染色质特异性结合;-可用 0.35 mol/L NaCl 溶液提取，能溶于2%三氯乙 酸。功效:与DNA 超螺旋结构相关。DNA 结合蛋白结合蛋白 特征:-能与 DNA 紧密结合;-只有用高浓度盐液提取，通常采取 2 mol/L NaCl 或 5 mol/L 尿素溶液。功效:参加DNA 复制或转录。第44页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一.染色体染色体 A24非组蛋白 小鼠肝脏中分离到一个蛋白质。氨基酸序列测定发觉A24C端与H2A相同，A24它有两个N端，一个N端序列与H2A相同，另一个N端与泛蛋白相同，A24位于核小体内，功效不详。泛蛋白泛蛋白：在真核细胞中普遍存在小分子量蛋白质。能够修 饰核小体结构，与H2A组蛋白发生共价连接，形成修 饰uH2A组蛋白。第45页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一.染色体染色体 n真核细胞基因组特点真核细胞基因组特点 p.29-真核基因组宠大,人类基因组总长度为2907Mb，含39114个基因。-含有大量重复序列。-含有大量非编码序列，占整个基因组序列90%（C值-一个生物单倍体基因组DNA总量。p25）。-真核基因绝大多数为断裂基因。-真核基因转录产物为单顺反子。-真核基因组中存在大量顺式作用元件.包含开启子、增强子、缄默子等。-真核基因组中存在大量DNA多态性。-真核基因组含有端粒结构。是真核生物线性基因组DNA末端一个特殊结构，是一段DNA序列和蛋白质形成复合体，含有保护线性DNA完整复制等功效。第46页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一.染色体染色体 真核生物真核生物DNA序列序列 真核生物DNA序列可分为三类:不重复序列不重复序列(unique sequence):在单倍体基因组内,这些序列仅 出现一次或少数几次。占DNA总量40-80%,在 人类基因组中占 60-65%。结构基因属于不重复 序列。中度重复序列中度重复序列 (moderately repetitive sequence):序列重复次 数为103-105,占DNA总量15%。各种 rRNA、tRNA 和一些结构基因，如非洲爪蟾rRNA基 因都属于这类。P.26第47页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一.染色体染色体 高度重复序列高度重复序列(high repetitive sequence):序列 重复次数 在105以上,不转录。主要 为卫星DNA(又称随体DNA)。卫星卫星DNA:因为这种DNA含大量A、T碱基，浮 力密度小,在CsCl 密度梯度超离心时形 成一条与DNA主带相伴小带,形似卫 星而得名。仅存在于真核生物DNA列。第48页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 真核生物DNA序列 C 值值(C-value):一个生物单倍体基因组DNA总量(P.25)。C 值反常现象值反常现象(C 值悖理,C-value paradox):物种 C 值和它进化 复杂性之间不存在严格对应关系,这一现称为C 值反常现象。*C 值反常现象暗示着真核生物基因组中必定存在大量不编码基因产物 DNA 序列。第49页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一.染色体染色体 断裂基因断裂基因(split gene):真核基因是不连续排列，在编码多 肽链DNA序列中间插入与氨基酸无 关DNA序列。一个基因编码序列被 分隔成不连续若干区段。编码序列:外显子外显子(exon)编码序列中间插入非编码序列:内含子内含子(intron)不连续基因是由外显子和内含子交替排列组成。内含子存在于转录初始产物中，在基因产物成熟翻释之前必须被切除，切除过程称为RNA剪接剪接。普通说来，剪接包含从初始转录产物准确地去掉内含子，然后切点两侧RNA末端重新连接，外显子形成共价完整分子。第50页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一.染色体染色体 图:鸡蛋清蛋白基因不连续性及与mRNA 形成R-环。第51页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一.染色体染色体 染色体结构染色体结构 1.核小体结构核小体结构 在细胞生活周期大部分时间里都以染色质 形式存在。染色质染色质是一个纤维状结构细丝,又称为染色质丝染色质丝,它基本结构单位是核小体核小体。第52页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一.染色体染色体 l核小体中由各两个分子组蛋白H2A、H2B、H3和H4组成一个圆盘状蛋白质关键,这个关键被称之为组蛋白八聚体组蛋白八聚体或 核小体关键核小体关键。H2A、H2B、H3、H4称为关键组蛋白关键组蛋白(core histone)l DNA双螺旋分子以146bp长度盘旋1.8圈形式缠绕在组蛋白八聚体外周，形成核小体关键颗粒核小体关键颗粒。H1(H5)称为连接组蛋白连接组蛋白(linker histone)l 相邻两个核小体关键颗粒之间，有一段长60bp连接DNA，连接DNA加上核小体关键颗粒便组成了核小体核小体。第53页MOV：MCB4.0three dimensional packing of nuclear chromosomes2(H2A、H2B、H3、H4)第54页第55页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一.染色体染色体 1.核小体结构修饰核小体结构修饰 在细胞周期特定时间，核小体中组蛋白可发生甲基化、乙酰化（p28，图2-7）、磷酸化、ADP核糖基化等修饰。H3、H4修饰作用较普遍，H2B有乙酰化作用、H1和H5有磷酸化作用。修饰作用共同特点：是降低组蛋白所携带正电荷。组蛋白修饰意义：一是改变染色体结构，直接影响转录活性；二是核小体表面发生改变，使其它调控蛋白易于和染色质相 互接触，从而间接影响转录活性。第56页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一.染色体染色体 1.染色质与转录活性染色质与转录活性:染色质类型 依据染色质活性状态，可分为：真核基因组DNA被蛋白质包装形成染色质，其中基因组处于完全抑制状态，DNA不能够进行复制和转录。这种状态下染色质称为非活性染色质非活性染色质。在DNA复制和转录过程中，染色质结构受到暂时性破坏，使得聚合酶等特异因子能够识别DNA序列中结合位点，并阻止其装配成核小体，从而造成DNA复制和转录。这种状态下染色质称为活性染色质活性染色质。第57页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一.染色体染色体 依据染色质压缩程度不一样，在真核生物细胞分裂间期能够观察到两种不一样类型染色质：常染色质：常染色质：压缩程度较低，其中基因能够表示；异染色质：异染色质：压缩程度高，其中基因不表示。第58页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一.染色体染色体 1.染色体染色体 染色体是染色质包装压缩形成一个高级染色质结构。经典真核细胞直径约为1m，但却含有总长度达1-2m DNA分子。它们必须被有序地包装，才能确保遗传信息 有效储备与表示。第59页第60页第61页6.8:140:11000:18000:1DNA double helixNucleosome(10 nm fiber)30 nm FiberLoops ILoops IIchromosome第62页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 二二.DNA结构结构 二二.DNA结构结构1.DNA 一级结构一级结构:是DNA分子内碱基排列次序。在结构上，DNA是由单核苷酸经过 3，5-磷酸二酯键连接 而形成高分子聚合物。从同一个磷酸基3酯键到5酯键 方向定义为链方向。DNA 链方向总是从5-P 端到3-OH 端(p.33)。DNA 分子中核糖2位总是 H(RNA 中为 OH)，所以 DNA分子对碱作用含有抗性，在pH 11.5时，链一级结 构几乎没有改变，稳定性很强，不易断裂。而RNA很轻易 被碱水解。第63页第二章第二章 染色体和染色体和DNA DNA结构结构-二级结构二级结构 2.DNA 二级结构二级结构:两条多核苷酸链反向平行盘绕所形成双 螺旋结构。DNA 二级结构分为两类:右手螺旋 A-DNA 和 B-DNA构象构象 A-DNA:当 DNA 处于转录状态时,DNA模板链与由它转录 所形成 DNA-RNA 双链。B-DNA:最常见 DNA 双链构象,富含 A 和 T 碱基。左手螺旋 Z-DNA构象构象，富含 C 和 G 碱基.与基因转录起始活性相关.第64页图图:A-,B-,Z-型型 DNA 三种结构比较三种结构比较 p.34第65页第二章第二章 染色体和染色体和DNA DNA结构结构-二级结二级结构构 Z-DNA调控基因转录两种模式调控基因转录两种模式:-ZDNA构象在转构象在转录区上游离转录区录区上游离转录区近时，抑制转录。近时，抑制转录。-若离转录区远，能若离转录区远，能够增加转录区负超够增加转录区负超螺旋程度促使转录。螺旋程度促使转录。ZDNA构象有转录构象有转录起始调整活性。起始调整活性。第66页Z-DNA生物功效：Zig-zag之字与基因表示、基因调控相关。第67页第二章第二章 染色体和染色体和DNA DNA结构结构-高级结高级结构构 3.DNA高级结构高级结构:DNA双螺旋深入扭曲盘绕所形成特定 空间结构.DNA高级结构主要形式-超螺旋结构 正超螺旋正超螺旋负超螺旋负超螺旋负超螺旋负超螺旋拓扑异构酶溴乙锭松驰DNA正超螺旋正超螺旋拓扑异构酶溴乙锭第68页MOV:PBCA0267501supercoiling of DNA第69页第二章第二章 染色体和染色体和DNA DNA结构结构-高级结高级结构构 图:环状 DNA 分子链环数(L)、盘绕数(T)和扭曲数(W)之间相互关系。L=T+W其中 L 为常量,T 和W是变量。第70页第二章第二章 染色体和染色体和DNA DNA结构结构-高级结构高级结构 超螺旋结构形成超螺旋结构形成 是在拓扑异构酶催化下进行链切断-缝合反应。依据酶作用机理可分为:拓扑异构酶拓扑异构酶 I 拓扑异构酶拓扑异构酶 II 第71页第二章第二章 染色体和染色体和DNA DNA结构结构-高级结构高级结构 拓扑异构酶拓扑异构酶 I 共同特点共同特点:o 仅切断双链DNA中一条链,随即进行连接；o 不需要能量辅助因子如ATP和NDP等,因而不能催化需能 超螺旋化结构形成。I 型酶普通是使高度超螺旋DNA松弛。第72页第二章第二章 染色体和染色体和DNA DNA结构结构-高级结构高级结构 拓扑异构酶拓扑异构酶 I 使双螺旋DNA降低一圈,超螺旋DNA放松 图图:拓扑异构酶拓扑异构酶 I 作用机理作用机理第73页第二章第二章 染色体和染色体和DNA DNA结构结构-高级结构高级结构 E.coli旋转酶旋转酶 (只有原核生物中有)图图:E.coli DNA 旋转酶导入负超螺旋作用机理旋转酶导入负超螺旋作用机理细菌质粒细菌质粒DNA(环状双链环状双链 DNA)第74页第二章第二章 染色体和染色体和DNA DNA结构结构-高级结构高级结构 拓扑异构酶拓扑异构酶 II 共同特点:o 双链DNA同时切断,随即进行连接；o 需要能量辅助因子如ATP和NDP等,催化需能超螺旋化结构。第75页第二章第二章 染色体和染色体和DNA DNA结构结构-高级结构高级结构 超螺旋结构生物学意义超螺旋结构生物学意义:负超螺旋DNA在转录时起主要作用,在转录时,RNA聚合酶 首先要与DNA特异性位点结合,DNA为负超螺旋对RNA聚合酶-DNA 复合物形成速率、稳定性以及酶转录活性都会大大提升。RNA聚合酶-DNA结合后，要解开12bp,而正超螺旋有利于链 解开。在转录时,DNA超螺旋形成和解旋是 必不可少,拓扑异构酶是转录过程必要组分之一。第76页第二章第二章 染色体和染色体和DNA DNA结构结构-高级结构高级结构 图图:大肠杆菌大肠杆菌RNA 转录过程图示转录过程图示第77页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 三三.DNA 复制 DNA 半保留复制半保留复制:子代DNA双链中一条来自亲代(模板)，又一条是新合成，这种复制方式被称为DNA半保留复制。复制起点、方向和速度 复制点(Ori):是复制功效起始特定位置。复制叉 复制方向和速度:复制从Ori开始以双向等速复制方向进行。复制几个主要方式:线性DNA双链复制 先导链、滞后链、冈崎片段环状DNA双链复制 可分为:型 大肠杆菌 滚环型 X174 D-型 线粒体第78页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 三三.DNA 修复 1.DNA 错配修复错配修复(DNA mismatch repair):在DNA复制时，错配修复系统修复复制酶没能检出错 配碱基，或者因为化学修饰产生错配，从而确保了遗传物 质复制高保真，确保 遗传稳定性。第79页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 三三.DNA 修复 当前，细菌错配修复系统已经研究得比较透彻。在大肠杆菌错配修复系统中包含十各种蛋白：-错配矫正蛋白：Mut S、Mut L、MutH -单链结合蛋白(SSB)-DNA 解旋酶I I(DNA helicaseII，UvrD，35解旋酶)-DNA 聚合酶III全酶(DNA polymeraseIII holoenzyme)-DNA 连接酶 (DNA ligase)-核酸外切酶I (exonuclease I)-核酸外切酶VII(exonuclease VII)-核酸外切酶X (exonuclease X)-RecJ第80页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 三三.DNA 修复 启始启始修复过程能够分为步骤 切除切除 修复修复（p 52）第81页依据母链甲基化标准进行错配修复过程示意图依据母链甲基化标准进行错配修复过程示意图启始启始：依据模板链上GATC中腺嘌（A）甲基化标准-错配校正蛋白MutS二聚体识别 并结合错配位点；-MutL蛋白在水解ATP作用 调整下，与MutS结合,MutS-MutL在DNA双链上移动，发觉 离错配位点最近甲基化碱基；-发觉甲基化碱基后，MutL-MutS-错配复合物激活MutH蛋白内 切酶活性，在对应于母链甲基化 腺苷酸上游鸟苷酸5位置切开 非甲基化子链。Dam甲基化酶甲基化酶第82页 甲基化指导错配修复示意图甲基化指导错配修复示意图错配碱基位于切口3下游端错配碱基位于切口5上游端，切除切除：-DNA解旋酶II从缺口 向错配方向解开双 链；-由核酸外切酶将距离 GATC到错配区域间 DNA链切除。为了预防剩下暴露 单链遭到降解，需 要有单链结合蛋白 SSB）将其保护起来。修复修复：-由DNA聚合酶全 酶进行合成，连接酶 对缺口进行连接。【甲基定向错配修复(methyl-directed mismatch repair,MMR)】第83页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 三三.DNA 修复 MutS蛋白应用：错配矫正蛋白MutS含有结合错配碱基能力，MutS蛋白能够用于检测 -突变 -富集点突变 -SNP（single nucleotide polymorphism，单核 苷酸多态性）等方面 SNP 主要是指在基因组水平上由单个核苷酸变异所引发DNA序 列多态性.第84页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 三三.DNA 修复 2.切除修复切除修复(excision repair):DNA切除修复有两种类型：碱基切除修复 和核苷酸切除修复 （1）碱基切除修复(base excision repair)研究发觉，全部细菌中都带有不一样类型、能识别受损 核苷酸位点糖苷水解酶。第85页第二章第二章 染色体和染色体和DNA 三三.DNA 修复 碱基切除修复碱基切除修复 系统系统 糖苷水解酶 AP核酸内切酶 包含 DNA聚合酶 I DNA连接酶 第86页 糖甘水解酶识别受损碱基，把碱基从N-糖 苷键处切下来，在DNA链上形成去嘌呤或去嘧啶位 点，统称为APAP位点（无嘌呤嘧啶位点）。第87页由AP核酸内切酶在AP位点附近（5或3位置）将受损核甘酸糖甘-磷酸键切开第88页移去包含移去包含AP位点核苷酸位点核苷酸 在内小片段在内小片段DNA（c）移去包含AP位点核苷酸在内一小段DNA第89页