第三节 真核生物基因组
一、特点 • 绝大多数为二倍体 • 结构复杂，基因组大，基因数目多 • 单顺反子 • 重复序列 • 结构基因内有内含子 • 基因家族 • 转座子(transponson)
二、结构
• 结构基因是不连续的，有内含子(intron) 和外显子(exon)
• 调控元件(cis-acting element)
• 拓扑异构酶
• 单链DNA结合蛋白
– DNA连接酶 连接冈崎片段
• 复制过程
– 起始
拓扑异构酶辅助，SSB结合维持单 链
• 引物合成，引物酶的作用 • 聚合酶III催化链延伸的开始
– 链的延长
• 前导链和随从链（后续链），冈崎片段 • 连接酶的作用
第四章 基因的复制
DNA
DNA
RNA
RNA
蛋白质
DNA 复制：DNA 复制的忠实性，突变和修 复，DNA 多态性。
转录：表达调控的关键位点，转录因子、 信号转导，mRNA 的转录后加工。
逆转录和 RNA 复制：仅见于某些 RNA 病 毒。
蛋白质翻译：蛋白质翻译后加工，蛋白质 的修饰和细胞内的转运，蛋白质结构和功 能的关系，蛋白质异常和疾病。
• 基因作图 (gene mapping)
– 遗传图(genetic map) 应用基因多态性指标， 将遗传标志和特定的性状用遗传距离来表示。 遗传标志包括RFLP、微卫星DNA多态性、 和SNPs。
– 物理图 (physical map) 以已知基因组序列为 坐标，实际物理距离（Mb or kb）表示基因 之间的距离，建立重叠的图谱
串联重复有: (satellite DNA)
• 大卫星DNA 着丝粒附近的DNA序列，不同染色体的重复 序列有差异，一般大于几十个bp
• 小卫星DNA 端粒附近，重复小于30 个bp，重复次数高可 变
• 微卫星DNA 1-5bp的多次重复，任何位点可有 • 散在重复序列 (interpersed repeats) 通常认为和转座有关
分子病的基础
二、空间结构和功能
• 由非共价键(non-covalent bond)维持：氢 键、疏水键、盐键、范德华力。
• 变性和复性-使空间结构失去
• 二级结构
– Alpha螺旋 Beta折叠 Beta转角 无规则卷曲(loop)
• 超二级结构 指以上二级结构的重复
• 结构域（Domain）指超二级结构形成相对独立 的有特定功能区域。如 Binding domain， Activation domain。通常相似功能的结构域有 共同的起源,大多数有一个外显子编码。
– 一个基因一个酶(enzyme)
– 一个基因一个肽链(peptide)
– 基因应该包括RNA（模板，产物）
– 原核生物(protocarytic)的基因位于操纵子(operon)内 的
– 病毒基因可以是重叠（overlapped)的
– 具有四级结构的蛋白质的基因可能位于不同的染色 体位点，所以一个蛋白可能有多个基因编码
– 单独或结合蛋白起作用 – 催化自身或其他RNA分子的剪接或剪切
• 核内不均一RNA（hnRNA,heteronuclear RNA) • 小分子核内RNA (snRNA) • 反义RNA (antisense RNA)
第二节 蛋白质(protein)
一、一级结构
• 指氨基酸(amino acid)的排列顺序 • R基团的性质决定蛋白质的更高级结构 • 序列的改变可引起蛋白质的性质的变化-
– 转录图 (transcription map) 将不同组织、不 同时间的基因表达的RNA的序列收集并分析， 得出的关于基因表达时空关系的四维图谱， 研究最早，进展最慢
– 序列图 sequence map) 核苷酸序列的精细测 定，最为完整并具有非常大的应用前景。
• 基因的鉴定 后基因组计划 结合转录图 谱进行基因功能的分析和研究，基因芯 片（DNA chip, DNA array)技术提供了有 力的工具
– 1-5%，MW 300bp-20kb，翻译模板，顺反子(cistron) 降解速度快
– 原核：多顺反子，5`有RBS(ribosome binding site) – 真核：单顺反子，5`UTR和3`UTR，5`帽子
和3`尾巴
• tRNA （P15）
– 15%，73-93nt， 每种氨基酸有对应的tRNA – 50%的双螺旋结构使分子成三叶草形态 – 有和rRNA以及mRNA互补结合的序列
– 终止
四、真核生物DNA复制的特点
• 多复制起始点
• 双向复制
• 有四种DNA聚合酶 • 末端复制的机制是最重要的特点
– 染色体末端的复制是长期困扰分子生物学的 问题，DNA聚合酶无3`-5`活性，随DNA复 制，末端会缩短
– 端粒酶的发现解决了这一矛盾 – 基础是端粒重复短序列+酶内RNA模板和重
合的特异性(specificity) – Binding domain或binding site
• DNA-蛋白质间
– DNA的结构相对变化较小，结合蛋白类型少 – HTH和锌指(zinc finger)结构是典型的两种 – 其他结构不超过4种，虽然蛋白质完全不同 – 转录调控的反式因子数量极多，但结合结构域的种
• DNA的三级结构 (tertiay structure)
– 正超螺旋和负超螺旋
(supercoiling, neg. or pos.) – 由于超螺旋的物理性质，可以分离特定的
DNA分子，如质粒 – 负超螺旋多见于转录和复制起使位点 – 正超螺旋和DNA的包装和储存状态有关
二、RNA 的结构和功能 • 一般具有二级以上结构 • 基因组RNA 某些病毒基因组（genome) • mRNA 信使RNA (message RNA)
•二级结构：secondary structure
–DNA双螺旋 double helix
•碱基堆积力是主要作用力，但是相对衡定的 •氢键数目是主要影响稳定性的因素 •双螺旋结构使分子的刚性增加
–（DNA三螺旋 triple helix）
•变性和退火的过程在分子诊断中有重 要的意义
• 杂交条件-探针的A-T、G-C组成 • PCR引物的设计及温度程序的设定 •逆转录时RNA模板的质量 •SSCP及其它突变检测时的条件 •连接反应 •核酸的电泳分析
• DNA的复制是单向或双向进行的。普遍的情况 是半不连续复制
– 复制只能由5`-3`进行，而模板是双向的，所以：
• 前导链是连续的5`-3`延伸 • 后续链是不连续的5`-3`延伸，长度和复制叉的大小有关 • 这些片段是为冈崎片段
• 复制分为起始、延伸和终止
二、原核生物的DNA复制
• 参与的酶和蛋白质
– 高度重复>百万次 – 中度重复<百万次 – 单拷贝
• 转座子(transponson) • 端粒(telomere)
– 含蛋白质和RNA – 染色体末端 – 由串联重复的寡核苷酸组成
三、人类基因组
• 3X109bp，约编码3万个基因
• 重复序列
– 5%的反向重复序列可构成回文序列 – 10%的串联重复序列 如组蛋白基因，其他非编码的
中心法则阐明的问题
•DNA分子如何在世代间保证遗传信息的 稳定性；
•遗传信息准确的表达是如何进行调控的， 才能维持体内超过万亿个以上细胞的协调 活动；
•表达的蛋白质的结构、功能之间的关系 及其相互作用。
第一节 DNA的复制
一、基本特点
• 复制起始点（ori） DNA复制是在基因组的特 定序列位点开始的，原核生物有一个起始位点， 真核生物有多个起始位点。
• 病毒是否属于生物界仍然有争论 • 病毒学另章有讨论
第二节 原核生物的基因组 Genome of procaryotes)
一、原核生物基因组的特点 • 环状双链DNA • 单一复制起始位点(replicate origin site) • 操纵子结构 • 无断裂结构，无内含子
二、质粒 • 基因组外的DNA分子 • 环状闭合分子 • 能独立复制和表达 • 宿主依赖 • 耐药性的基础 • 具有不相容性（DNA克隆的基础） • 可以是低拷贝数或高拷贝数 • 研究最为清楚
复序列互补+酶的逆转录酶性质
第二节 DNA的损伤和修复
• DNA损伤
– 由电离辐射、紫外辐射、烷化剂、氧化剂等引起 – 可引起：
• 转换： 嘌呤-嘌呤 嘧啶-嘧啶之间的改变 • 颠换：嘌呤-嘧啶 嘧啶-嘌呤间的改变 • 插入：一个或一段序列，后果复杂 • 缺失 • 共价结合： 如嘧啶二聚体
• 损伤的修复 机制复杂且多为原核资料，真核 生物发现许多酶类和修复有关，但机理尚在探 讨中
– 单链RNA病毒
• 单链负股RNA， 有RNA转录酶 • 单链正股RNA，通过RNA转录、或逆转录为cDNA，再转
录为正股RNA
• 结构和功能特点
– 2-300kb，大小变异很大 – 核酸组成多变 – 连续或不连续的基因组 – 基因是否有内含子和宿主保持一致 – 有基因重叠现象 – 多顺反子和单顺反子共存 – 一个基因产物翻译后可酶切出多个蛋白
– DNA聚合酶有三种，都能催化在已存在的寡 核苷酸3`端加上一个核苷酸，并有3`-5`外切 酶活性底物是NTP，需镁离子存在。其中聚 合酶III是主要功能完成者。
– 聚合酶的作用需一段RNA作为引物，是由引 物酶以DNA为模板合成的，相当于RNA聚 合酶。
– DNA链解离、松弛和维持的酶类：
• DNA解旋酶
• DNA多态性 (DNA polymorphism)
– 位点多态性 等位基因差异包括：
• SNPs • 数目变异
– RFLP 限制性片段长度多态性 – 串联重复序列多态性