《人大分子生物学全程课件chapter》

人大分子生物学全程课件分子生物学的研究历史与重大发现早期研究重大发现19世纪末，人们开始研究遗传物质的本质格里菲斯实验证明了细菌的转化现象，表明存在某种遗传物质可以从一个细菌传递到另一个细菌艾弗里等人的实验证明了DNA是遗传物质，而不是蛋白质分子生物学的研究方法与技术克隆克隆技术是指通过体外复制DNA片段或完整基因组的技术克隆技术广泛应用于基因研究、蛋白质生产、转基因生物的开发等领域PCR聚合酶链式反应（PCR）技术是一种快速扩增特定DNA片段的技术PCR技术广泛应用于基因检测、诊断、克隆等方面测序DNA测序技术是指确定DNA序列的技术测序技术可以用于基因组测序、基因变异分析、疾病诊断等方面基因编辑的化学组成与结构DNA核苷酸碱基12DNA是由核苷酸组成的长链DNA中存在四种碱基腺嘌呤每个核苷酸由三个部分组成（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧脱氧核糖、磷酸基团和碱基啶（C）和胸腺嘧啶（T）A与T形成双键配对，G与C形成三键配对双螺旋结构双螺旋结构的发现历程DNA11951年，弗兰克林利用X射线衍射技术，获得了DNA的清晰图像，为沃森和克里克的发现提供了关键证据21953年，沃森和克里克基于弗兰克林的图像和查伽夫碱基配对规则，提出了DNA的双螺旋结构模型31962年，沃森、克里克和威尔金斯因对DNA结构的发现获得了诺贝尔生理学或医学奖的基本特性与功能DNA稳定性遗传性可变性DNA的双螺旋结构使得它具有较高的稳DNA是遗传信息的载体，通过复制传递DNA序列可以发生突变，导致遗传信息定性，可以保存遗传信息并进行复制给子代DNA序列的改变会引起生物体的改变，进而推动生物进化的性状改变，进而导致遗传疾病复制的基本原理DNA半保留复制DNA复制是半保留复制，即每条新的DNA链包含一条来自亲本链的模板链和一条新合成的链酶的作用DNA复制过程需要多种酶参与，包括DNA解旋酶、DNA聚合酶、DNA连接酶等方向性DNA复制是双向进行的，从复制起点开始，沿着两条链的相反方向进行复制的起始过程DNADNA复制从复制起点开始复制起点是DNA序列中特定位点，可以被特定的蛋白质识别并结合复制起点上的DNA双螺旋被解旋酶解开，形成两个复制叉引物酶在模板链上合成一段RNA引物，作为DNA聚合酶合成的起始点复制叉的形成与延伸DNA解旋合成1解旋酶解开DNA双螺旋，形成两个复制DNA聚合酶沿着模板链进行复制，以52叉到3方向添加新的核苷酸纠错延伸4DNA聚合酶具有纠错功能，可以识别并3复制叉不断向前移动，新的DNA链不断修复复制过程中发生的错误延伸复制的终止DNA复制终止序列1当复制叉到达DNA分子上的复制终止序列时，复制过程就会终止蛋白质结合2复制终止序列可以结合特定的蛋白质，阻止复制叉继续前进链连接3DNA连接酶将新合成的DNA片段连接起来，形成完整的DNA分子修复机制概述DNA保护时效性健康DNA修复机制可以保护遗传信息免受损DNA修复机制可以快速识别和修复损伤的DNA修复机制的缺陷会导致遗传疾病和癌伤，维持基因组的稳定性DNA，防止损伤积累导致突变症等疾病碱基切除修复核苷酸切除修复识别1核苷酸切除修复蛋白识别受损的DNA片段切除2核酸内切酶在受损片段的两侧切开DNA双螺旋合成3DNA聚合酶在模板链上合成新的DNA片段连接4DNA连接酶将新的DNA片段连接到原有的DNA链上错配修复32识别切除错配修复蛋白识别DNA复制过程中发核酸外切酶切除包含错误碱基的DNA生的碱基配对错误片段1合成DNA聚合酶在模板链上合成新的DNA片段双链断裂修复同源重组非同源末端连接利用同源染色体作为模板进行修复直接将断裂的DNA末端连接起来，可能导致遗传信息的丢失的化学组成与结构RNA核糖核苷酸碱基12RNA是由核糖核苷酸组成的长RNA中存在四种碱基腺嘌呤链每个核糖核苷酸由三个部（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧分组成核糖、磷酸基团和碱啶（C）和尿嘧啶（U）A与基U形成双键配对，G与C形成三键配对单链结构3RNA通常为单链结构，可以形成不同的二级结构，如发夹结构、茎环结构等的主要类型及功能RNA信使RNA mRNA携带遗传信息，指导蛋白质合成转运RNA tRNA将氨基酸运送到核糖体，参与蛋白质合成核糖体RNA rRNA构成核糖体的组成部分，参与蛋白质合成其他RNA包括非编码RNA、小核RNA、小核仁RNA等，在基因表达调控、RNA加工等方面发挥重要作用转录的基本概念定义转录是指以DNA为模板合成RNA的过程，是基因表达的第一步酶转录过程需要RNA聚合酶参与，RNA聚合酶可以识别DNA模板上的基因区域并催化RNA的合成产物转录的产物是RNA分子，包括mRNA、tRNA、rRNA等原核生物转录起始RNA聚合酶识别并结合到DNA模板上的启动子上启动子包含一个识别序列和一个结合序列，可以被RNA聚合酶识别并结合RNA聚合酶解开DNA双螺旋，开始合成RNA真核生物转录起始RNA聚合酶2RNA聚合酶II与转录因子复合物结合，形成转录起始复合物转录因子1真核生物转录需要多个转录因子参与，它们可以识别并结合到启动子上起始转录起始复合物解开DNA双螺旋，开始3合成RNA聚合酶的结构与功能RNA结构功能RNA聚合酶是一个大型蛋白质复合物，包含多个亚基，每个亚基RNA聚合酶可以识别DNA模板上的基因区域，解开DNA双螺都有其特定的功能旋，并催化RNA的合成转录延伸过程1RNA聚合酶沿着DNA模板链进行移动，以5到3方向添加新的核苷酸2RNA聚合酶解开DNA双螺旋，暴露模板链，并与新合成的RNA链形成杂交双螺旋3RNA聚合酶继续移动，直到遇到转录终止信号转录终止机制终止信号1转录终止信号是DNA序列中的特定序列，可以使RNA聚合酶停止转录蛋白质结合2终止信号可以结合特定的蛋白质，导致RNA聚合酶从DNA模板上脱落RNA释放3新合成的RNA链从DNA模板上释放加工与修饰RNA加帽加尾剪接在RNA的5端添加一个帽子结构，保护在RNA的3端添加一个多聚腺苷酸尾巴，去除RNA中的内含子，连接外显子，形成RNA免受降解，并促进其与核糖体的结保护RNA免受降解，并促进其从细胞核中成熟的mRNA合输出剪接机制RNA可变剪接的调控转录因子1转录因子可以结合到RNA上，影响剪接体的识别和活性RNA结合蛋白2RNA结合蛋白可以与RNA结合，影响剪接体的结合和活性环境因素3环境因素，如温度、压力等，可以影响剪接体的活性，从而影响可变剪接遗传密码的发现与特点6420密码子氨基酸遗传密码是由三个碱基组成的密码子，每个密码子对应一个特定的氨基酸蛋白质是由20种氨基酸组成的，因此有64个密码子对应20种氨基酸13起始密码子终止密码子AUG是起始密码子，它决定了蛋白质合成的起始点UAA、UAG和UGA是终止密码子，它们决定了蛋白质合成的终止点蛋白质合成的基本过程转录翻译DNA上的遗传信息被转录为mRNA mRNA上的遗传信息被翻译成蛋白质核糖体的结构与功能结构功能核糖体是由蛋白质和rRNA组成的复合物，包含大小两个亚基核糖体是蛋白质合成的场所，它可以识别mRNA并引导tRNA将氨基酸运送到蛋白质合成位点的结构与功能tRNAtRNA是三叶草形状的RNA分子，可以与特定的氨基酸结合12tRNA的3端有一个反密码子，可以与mRNA上的密码子配对tRNA将氨基酸运送到核糖体，参与蛋白质合成3翻译起始过程识别1核糖体的小亚基识别mRNA上的起始密码子AUG结合2起始tRNA与起始密码子配对，并结合到核糖体的小亚基上组装3核糖体的大亚基与小亚基结合，形成完整的核糖体翻译延伸机制氨基酸结合肽键形成移位tRNA携带特定的氨基酸，并与mRNA上的核糖体催化两个氨基酸之间形成肽键，将核糖体沿mRNA移动一个密码子的距离密码子配对新合成的氨基酸添加到肽链上翻译终止与调控原核生物基因表达调控概述启动子操纵子12启动子是DNA序列中的特定区操纵子是原核生物基因表达调域，可以被RNA聚合酶识别并控的基本单元，包括启动子、结合操纵基因和结构基因阻遏蛋白3阻遏蛋白可以结合到操纵基因上，阻止RNA聚合酶转录结构基因操纵子理论Jacob和Monod核心概念1961年，Jacob和Monod提出了操纵子理论，解释了原核生物操纵子理论的核心概念是通过阻遏蛋白的结合和解离来控制基因基因表达的调控机制的表达乳糖操纵子调控乳糖存在当乳糖存在时，乳糖会与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白失去活性，RNA聚合酶可以转录乳糖代谢相关的结构基因乳糖不存在当乳糖不存在时，阻遏蛋白可以结合到操纵基因上，阻止RNA聚合酶转录结构基因色氨酸操纵子调控色氨酸不存在时，阻遏蛋白处于失活状态，无法结合到操纵基因色氨酸存在时，色氨酸与阻遏蛋白结合，激活阻遏蛋白，阻遏蛋上，RNA聚合酶可以转录色氨酸合成相关的结构基因白结合到操纵基因上，阻止RNA聚合酶转录色氨酸合成相关的结构基因真核生物基因表达调控概述染色质结构染色质结构可以影响基因的表达紧密包装的染色质结构抑制基因表达，而松散的染色质结构促进基因表达转录因子转录因子可以识别并结合到DNA模板上的启动子上，促进或抑制基因的转录RNA加工RNA加工过程，如剪接、加帽、加尾等，可以调控基因的表达翻译翻译过程，如起始、延伸、终止等，可以调控基因的表达染色质结构与基因表达组蛋白修饰12组蛋白是构成染色质的基本蛋组蛋白可以发生各种修饰，如白质，可以与DNA结合，形成甲基化、乙酰化等，这些修饰核小体结构可以影响染色质结构，从而影响基因表达调控3染色质结构可以被各种因素调控，如环境因素、信号通路等，从而调控基因表达转录因子与启动子转录因子启动子转录因子是能够识别并结合到DNA模板上的特定序列的蛋白启动子是DNA序列中的特定区域，可以被RNA聚合酶识别并结质，它们可以激活或抑制基因的转录合，从而启动转录增强子与沉默子1增强子是DNA序列中的特定区域，可以提高基因的转录效率2沉默子是DNA序列中的特定区域，可以抑制基因的转录3增强子和沉默子可以被各种因素调控，从而影响基因表达表观遗传调控机制定义表观遗传是指不改变DNA序列，却可以改变基因表达的遗传机制作用表观遗传可以调节基因的表达，影响生物体的性状，并与疾病发生发展密切相关类型常见的表观遗传调控机制包括DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA调控等甲基化修饰DNADNA甲基化是指在DNA序列中的胞嘧啶碱基上添加一个甲基基团DNA甲基化可以抑制基因表达，并与疾病发生发展密切相关DNA甲基化可以通过各种因素调控，如环境因素、信号通路等组蛋白修饰与基因表达甲基化乙酰化1组蛋白甲基化可以激活或抑制基因表组蛋白乙酰化可以松散染色质结构，促2达，具体取决于甲基化位点进基因表达泛素化磷酸化4组蛋白泛素化可以标记组蛋白，影响染3组蛋白磷酸化可以调节染色质结构，影色质结构，并参与基因表达调控响基因表达非编码的调控功能RNAmicroRNA长链非编码RNAmicroRNA可以与mRNA结合，抑制其翻译，从而调节基因表长链非编码RNA可以与蛋白质结合，参与染色质重塑、转录调控达等过程基因工程基本概念定义工具12基因工程是指通过体外操作，基因工程需要使用各种工具，将外源基因插入到受体细胞的包括限制性内切酶、DNA连接基因组中，以改变受体细胞的酶、载体等遗传性状的技术应用3基因工程在医药、农业、工业等领域有着广泛的应用限制性内切酶定义功能限制性内切酶是一种能够识别并切割特定DNA序列的酶限制性内切酶可以切割DNA，产生带有粘性末端的片段，这些片段可以与其他DNA片段连接连接酶DNA1DNA连接酶是一种能够连接DNA片段的酶2DNA连接酶可以将限制性内切酶切割产生的DNA片段连接起来，形成新的DNA分子质粒与载体质粒1质粒是细菌细胞中的一种小型环状DNA分子，可以独立于染色体进行复制载体2载体是指可以将外源基因插入到受体细胞的基因组中的工具，常用的载体包括质粒、病毒等基因克隆技术切割连接转化筛选使用限制性内切酶切割载体和使用DNA连接酶将外源基因连将连接好的载体导入受体细筛选含有外源基因的受体细外源基因接到载体上胞胞技术原理与应用PCR测序技术DNASanger测序1Sanger测序是一种传统的DNA测序方法，利用带有终止子的核苷酸进行测序二代测序2二代测序是一种高通量测序技术，可以快速测定大量DNA序列三代测序3三代测序是一种长读长测序技术，可以测定更长的DNA序列基因组测序技术12人类基因组计划应用人类基因组计划旨在测定人类基因组基因组测序技术可以用于研究基因组的全部序列，这是一个庞大的工程，结构、基因功能、进化关系、疾病诊推动了基因组学的发展断等方面3发展趋势基因组测序技术不断发展，测序成本越来越低，测序速度越来越快，应用范围越来越广基因表达分析方法微阵列技术RNA测序微阵列技术可以同时检测大量基因的RNA测序可以测定所有RNA的序列和表达水平丰度，提供更全面的基因表达信息蛋白质组学技术蛋白质组技术蛋白质组是指细胞或组织中所有蛋白质组学技术主要包括蛋白质蛋白质的集合分离、鉴定、定量分析等应用蛋白质组学技术可以用于研究蛋白质的功能、相互作用、修饰等，并应用于疾病诊断、药物开发等领域基因编辑技术定义应用12基因编辑技术是指对基因组进基因编辑技术可以用于治疗遗行精准修改的技术，可以对特传疾病、开发新型药物、改良定基因进行删除、插入、替换作物性状等等操作伦理问题3基因编辑技术也引发了一些伦理问题，例如是否应该编辑人类胚胎的基因系统CRISPR/Cas9工作原理应用CRISPR/Cas9系统是一种基于细菌免疫系统的基因编辑工具，CRISPR/Cas9系统在基因研究、疾病治疗、农业育种等领域有它利用向导RNA引导Cas9蛋白到特定的DNA序列，进行切割或着广泛的应用修饰干细胞技术1干细胞是指具有自我更新和多向分化潜能的细胞，可以分化成各种类型的细胞2干细胞技术可以用于治疗各种疾病，例如血液病、神经系统疾病、心脏病等3干细胞技术也面临一些挑战，例如伦理问题、安全性问题等基因治疗定义1基因治疗是指利用基因工程技术，将正常基因导入到患者体内，以治疗疾病的技术方法2基因治疗主要有两种方法体外基因治疗和体内基因治疗应用3基因治疗可以用于治疗遗传疾病、癌症、感染性疾病等分子标记技术DNA指纹SNP标记DNA指纹是指利用DNA多态性进行个体识别的方法，广泛应用于SNP标记是指单核苷酸多态性标记，它是一种广泛存在的基因变法医鉴定、亲子鉴定等方面异，可以用于基因定位、疾病诊断、药物筛选等方面。