《分子生物学》课件

分子生物学导论课程大纲第一部分分子生物学基础第二部分基因表达调控第三部分基因工程与应用介绍分子生物学的基本概念、发展历深入探讨原核生物和真核生物的基因表史、研究对象和方法重点讲解和达调控机制，包括转录调控、加工DNA RNARNA的结构、功能以及复制、转录和翻与剪接、遗传密码以及翻译后修饰等重译等中心法则过程要环节分子生物学的发展历史早期探索（世纪末至世纪初）11920孟德尔遗传定律的发现为遗传学奠定了基础米歇尔发现核酸，为后续研究提供了物质基础经典分子生物学时期（世纪年代至年代）2204060艾弗里证明是遗传物质沃森和克里克提出双螺旋DNA DNA结构模型克里克提出中心法则，阐述遗传信息的传递方向现代分子生物学时期（世纪年代至今）32070分子生物学的研究对象和方法研究对象研究方法研究意义12分子生物学主要研究细胞内的生物常用的研究方法包括分子克隆、大分子，包括、、蛋白测序、技术、凝胶电泳、DNA RNA DNA PCR质等，以及它们之间的相互作用和蛋白质印迹、免疫沉淀、细胞培调控机制也包括病毒等非细胞生养、显微镜技术等生物信息学也命形式的分子机制日益重要，用于分析海量生物数据结构与功能DNA结构功能DNA DNA是由脱氧核糖、磷酸基团和是细胞内遗传信息的载体，DNA DNA含氮碱基（腺嘌呤A、鸟嘌呤储存着生物体生长、发育、繁殖、胞嘧啶、胸腺嘧啶）组成所需的全部遗传信息通过G CT DNA的长链聚合物两条DNA链通过复制将遗传信息传递给后代，通碱基互补配对（A-T，G-C）形过转录和翻译指导蛋白质的合成双螺旋结构成稳定性DNA双螺旋结构和碱基互补配对保证了的稳定性，使其能够长期储DNA DNA存遗传信息细胞内存在多种修复机制，可以修复损伤，维持DNA DNA遗传信息的完整性复制的基本原理DNA半保留复制复制时，双链解开，每条链作为模板，合成一条新的互DNA补链新合成的分子由一条旧链和一条新链组成，称为DNA半保留复制复制起点复制从特定的序列开始，称为复制起点原核生物通常DNA只有一个复制起点，真核生物有多个复制起点复制方向复制是双向的，从复制起点向两个方向延伸复制叉是DNA复制的结构，位于复制起点两端，随着复制的进行而移DNA动复制的酶学DNA聚合酶解旋酶连接酶DNA DNA DNA聚合酶是催化解旋酶可以解开连接酶可以连接DNA DNA DNA合成的关键酶双链，为复片段，形成完整DNA DNA DNA DNA它以DNA为模板，按制提供单链模板它利的DNA链它催化磷照碱基互补配对原则，用ATP水解的能量，破酸二酯键的形成，连接将聚合到新链坏双链之间的氢相邻的片段dNTP DNA DNA上DNA聚合酶具有键校对功能，可以纠正复制错误真核生物复制的特点DNA端粒复制真核生物染色体末端存在端粒，端粒酶可以2延长端粒，维持染色体的稳定性多个复制起点真核生物基因组庞大，复制从多DNA1个复制起点同时开始，以提高复制效组蛋白组装率真核生物复制与组蛋白组装紧密偶DNA3联，新合成的分子需要与组蛋白结DNA合，形成染色质结构修复机制DNA跨损伤复制修复1同源重组修复2非同源末端连接3碱基切除修复4核苷酸切除修复5是遗传信息的载体，但易受各种因素的影响而发生损伤细胞内存在多种修复机制，可以修复损伤，维持遗传信息的DNADNADNA完整性包括核苷酸切除修复、碱基切除修复、同源重组修复和非同源末端连接等的种类和功能RNA种类功能信使，携带遗传信息，指导mRNA RNA蛋白质合成转运，转运氨基酸，参与蛋tRNA RNA白质合成核糖体，组成核糖体，参与rRNA RNA蛋白质合成非编码，参与基因表达调控ncRNA RNA等多种生物学过程是细胞内重要的生物大分子，种类繁多，功能各异根据功能不同，RNA可分为信使（）、转运（）、核糖体RNA RNAmRNA RNAtRNA RNA（）和非编码（）等rRNA RNAncRNA转录的基本过程起始聚合酶结合到的启动子区域，解开双链RNA DNADNA延伸聚合酶以为模板，按照碱基互补配对原则，将RNA DNANTP聚合到链上RNA终止聚合酶到达的终止子区域，链合成结束，RNA DNARNA聚合酶从上脱落RNADNA原核生物转录调控启动子操纵子12启动子是RNA聚合酶结合的操纵子是由启动子、操纵序列DNA序列，决定转录的起始和一个或多个结构基因组成的位置和方向原核生物启动子DNA片段操纵序列是阻遏通常包含区和区两个蛋白结合的序列，可以-10-35DNA保守序列抑制转录的起始阻遏蛋白3阻遏蛋白可以结合到操纵序列上，阻止聚合酶结合到启动子上，RNA从而抑制转录的起始阻遏蛋白的活性受小分子物质的调控真核生物转录调控转录因子增强子染色质结构转录因子是与DNA特定序列结合的蛋白增强子是位于基因远端，可以增强转录染色质结构影响DNA的可及性，从而调质，可以激活或抑制转录的起始真核的DNA序列增强子通过与转录因子结控基因的表达染色质的开放状态有利生物有多种转录因子，它们之间相互作合，影响启动子的活性，从而调控基因于转录的起始，而染色质的紧密状态则用，共同调控基因的表达的表达抑制转录的起始加工与剪接RNA加帽1在的端添加一个帽子结构，可以保护免受降mRNA5mRNA解，并促进翻译的起始剪接2切除中的内含子序列，连接外显子序列，形成成熟的mRNAmRNA加尾3在的端添加一段多聚腺苷酸尾巴，可以保护免mRNA3mRNA受降解，并促进翻译的终止遗传密码密码子通用性密码子是由三个核苷酸组成的序遗传密码具有通用性，即大多数列，代表一个特定的氨基酸遗生物使用相同的遗传密码但也传密码由64个密码子组成，其中有少数例外，例如线粒体和某些61个密码子编码氨基酸，3个密原核生物使用不同的遗传密码码子是终止密码子简并性遗传密码具有简并性，即一个氨基酸可以由多个密码子编码简并性可以降低突变对蛋白质的影响翻译的基本过程起始核糖体小亚基结合到的起始密码子上，携带起始mRNA tRNA氨基酸结合到起始密码子上核糖体大亚基结合到核糖体小亚基上，形成完整的核糖体延伸携带氨基酸按照的密码子顺序，依次结合到核糖tRNA mRNA体的位点上氨基酸之间形成肽键，肽链逐渐延长A终止当核糖体到达的终止密码子时，翻译终止释放因子结mRNA合到终止密码子上，释放肽链和核糖体翻译后修饰磷酸化糖基化泛素化在蛋白质的特定氨基酸在蛋白质的特定氨基酸在蛋白质上添加泛素，残基上添加磷酸基团，残基上添加糖基，可以可以标记蛋白质，使其可以改变蛋白质的活改变蛋白质的结构、稳被蛋白酶体降解性、结构和相互作用定性和免疫原性蛋白质折叠与降解蛋白酶体2蛋白酶体可以降解错误折叠的蛋白质和被泛素化的蛋白质分子伴侣分子伴侣可以帮助蛋白质正确折叠，防止蛋1白质错误折叠和聚集自噬自噬是一种细胞自洁机制，可以清除细胞内的错误折叠的蛋白质和受损的细胞器3基因表达调控概述转录调控1调控基因转录的起始、延伸和终止加工调控RNA2调控的剪接、编辑和降解RNA翻译调控3调控蛋白质的合成和降解基因表达调控是指细胞调控基因表达水平的过程基因表达调控发生在基因表达的各个环节，包括转录、加工和翻译基因表达RNA调控对于细胞的正常功能和发育至关重要表观遗传学调控甲基化组蛋白修饰染色质重塑DNA在DNA的胞嘧啶碱基上添加甲基，可以在组蛋白的特定氨基酸残基上添加化学染色质重塑是指改变染色质结构，使改变DNA的结构和功能，影响基因的表修饰，可以改变染色质的结构和功能，DNA更容易或更不容易被转录因子访问达DNA甲基化通常与基因的沉默有影响基因的表达组蛋白修饰包括乙酰的过程染色质重塑通过多种机制实关化、甲基化、磷酸化等现，包括ATP依赖的染色质重塑复合物非编码调控RNAsiRNA，通过与small interferingRNA2结合，引导的降解mRNA mRNAmiRNAmicroRNA，通过与mRNA结合，抑1制的翻译或促进的降mRNA mRNA解lncRNA，通过多种机long non-coding RNA3制调控基因的表达非编码是指不编码蛋白质的分子非编码在基因表达调控中发挥重要作用，包括、RNA RNARNA microRNAsmall interfering和等RNA longnon-coding RNA基因工程基本原理重组DNA将不同来源的片段连接起来，形成新的分子DNADNA转化将重组分子导入宿主细胞DNA筛选筛选含有目的基因的宿主细胞基因工程是指通过重组技术，将目的基因导入宿主细胞，使宿主细胞表DNA达目的基因产物的过程基因工程的基本原理包括重组、转化和筛选DNA克隆与表达载体质粒噬菌体表达载体质粒是细菌细胞内的小型环状DNA分噬菌体是感染细菌的病毒噬菌体可以表达载体是一种特殊的质粒，含有启动子，可以独立复制质粒是常用的克隆作为克隆载体，用于构建基因文库子和终止子等调控元件，可以使目的基载体和表达载体因在宿主细胞中高效表达技术及其应用PCR原理步骤1PCR2PCR技术是体外扩增片包括三个步骤变性、退PCR DNAPCR段的技术技术利用火和延伸变性是将双PCR DNA聚合酶，以为模链解开，退火是引物与DNADNADNA板，按照碱基互补配对原则，模板结合，延伸是DNA聚合在体外扩增片段酶合成新的链DNADNA应用3PCR技术广泛应用于基因克隆、基因检测、基因诊断等领域技PCR PCR术还可以用于法医鉴定和环境监测基因敲除与基因编辑技术CRISPR/Cas91TALEN2ZFN3基因敲除是指通过基因工程技术，使生物体内的特定基因失活基因编辑是指通过基因工程技术，对生物体内的基因进行精确的修改常用的基因敲除和基因编辑技术包括、和等ZFN TALENCRISPR/Cas9基因组学概述基因组测序基因组注释基因组测序是指测定生物体基因基因组注释是指识别基因组中的组的全部DNA序列基因组测序基因、调控元件和其他功能序技术的发展，为生命科学研究开列基因组注释是基因组学研究辟了新纪元的重要内容比较基因组学比较基因组学是指比较不同物种的基因组，研究基因组的进化和功能比较基因组学可以揭示物种之间的亲缘关系和适应性差异转录组学与蛋白质组学转录组学蛋白质组学转录组学是指研究细胞内所有RNA分子的总和转录组学可以蛋白质组学是指研究细胞内所有蛋白质分子的总和蛋白质组学揭示基因表达的调控机制和细胞的功能状态常用的转录组学技可以揭示蛋白质的表达水平、修饰状态和相互作用常用的蛋白术包括RNA测序和基因芯片质组学技术包括质谱和蛋白质芯片生物信息学在分子生物学中的应用数据库算法软件生物信息学数据库存储生物信息学算法用于分生物信息学软件提供用了大量的生物数据，包析生物数据，包括序列户友好的界面，方便用括基因序列、蛋白质序比对、基因预测、蛋白户访问和分析生物数列、基因表达数据和蛋质结构预测和基因表达据常用的生物信息学白质相互作用数据等分析等软件包括BLAST、和等ClustalW R分子生物学在医学中的应用基因诊断利用分子生物学技术检测疾病相关基因，实现疾病的早期诊断和预后评估基因治疗利用基因工程技术将治疗性基因导入患者细胞，治疗遗传性疾病和获得性疾病药物开发利用分子生物学技术筛选药物靶点，开发新的药物总结与展望分子生物学是生命科学的核心学科，它揭示了生命的本质，为理解疾病的发生发展机制以及开发新的诊疗方法提供了理论基础和技术支持随着基因组学、转录组学和蛋白质组学等新兴领域的发展，分子生物学将迎来更加广阔的发展前景分子生物学将在医学、农业、环保等领域发挥越来越重要的作用让我们共同期待分子生物学更加美好的未来！。