《分子遗传学与基因表达》课件

分子遗传学与基因表达课程目标和学习要求目标要求深入理解分子遗传学基本原理和基因表达调控机制，掌握相关研认真学习课程内容，积极参与课堂讨论，完成作业和实验，并进究方法和技术行独立的文献阅读和思考分子遗传学的历史发展年18691瑞士生物学家弗里德里希米歇尔发现·DNA年19442艾弗里等证明是遗传物质DNA年19533沃森和克里克提出双螺旋结构DNA年19614尼伦伯格和马修发现第一个遗传密码子年19775桑格发明测序法DNA年20036人类基因组计划完成的发现历程DNA年年年186919191928瑞士生物学家弗里德里希米歇尔从细科学家费布里发现核素具有酸性，并格里菲斯通过肺炎链球菌的转化实验·胞核中分离出一种新的物质，并命名将其命名为脱氧核糖核酸，即，证明是遗传物质“”DNA DNA为核素“”双螺旋结构的提出DNA年1951威尔金斯和富兰克林用射线衍射技术拍摄了的图像1X DNA年19532沃森和克里克根据图像和相关数据，提出了DNA双螺旋结构模型的化学组成DNA脱氧核糖磷酸基团碱基一种五碳糖，是骨架的重要组成部连接脱氧核糖形成骨架，并赋予腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤和DNA DNAA TG分酸性胞嘧啶，它们之间的配对关系决定了DNA C遗传信息的传递的物理特性DNA双螺旋结构两条反向平行的多核苷酸链，通过碱基配对形成双螺旋结构右手螺旋双螺旋的旋转方向为右手螺旋DNA反平行结构两条链的走向相反，一条为到，另一条为到DNA5335碱基配对与配对，与配对，遵循碱基互补原则A TG C的生物学功能DNA遗传信息的储存遗传信息的传递12分子中碱基的序列包含通过复制，遗传信息从DNA DNA了生物体的遗传信息亲代传递给子代蛋白质合成的模板3中的遗传信息通过转录和翻译，最终指导蛋白质的合成DNA的类型和结构RNA信使转运核糖体RNA RNAtRNA RNAmRNArRNA将氨基酸运送到核糖体携带遗传信息从到，参与蛋白质合成构成核糖体的一部分，DNA核糖体，指导蛋白质合参与蛋白质合成的过程成的生物学功能RNA催化活性基因表达调控一些具有催化活性，如核酶RNA蛋白质合成一些非编码参与基因表达调控，如RNAmRNA携带遗传信息指导蛋白质合成，microRNA运送氨基酸，构成核糖体tRNA rRNA染色体的结构组成蛋白质DNA包含了遗传信息，是染色体的主要组成部分12组蛋白和非组蛋白，参与染色体的结构和功能染色质的结构特征12核小体染色质纤维缠绕在组蛋白八聚体周围形成核核小体之间通过连接连接起来，DNA DNA小体，是染色质的基本结构单元形成直径约为纳米的染色质纤维103高级结构染色质纤维进一步折叠和压缩，形成更高级的结构，最终形成染色体组蛋白修饰与基因表达乙酰化促进基因表达甲基化抑制或促进基因表达，取决于甲基化的位置和程度磷酸化促进基因表达泛素化抑制基因表达复制的基本原理DNA半保留复制双向复制12每个子代分子都包含一复制从多个起始点开始DNA DNA条来自亲代的链，另一，双向进行DNA条是新合成的链半不连续复制3一条链连续合成，另一条链片段合成，最后连接起来复制的起始过程DNA识别起始位点复制起始蛋白识别上的起始位点，并与之结合DNA解旋解旋酶解开双螺旋结构，形成复制叉DNA引物合成引物酶合成一段引物，为聚合酶提供起始点RNA DNA复制的延伸过程DNA聚合酶DNA聚合酶以引物为起点，沿着模板链合成新的链DNA RNA DNA碱基配对聚合酶根据模板链上的碱基，选择相应的互补碱基进行配DNA对延伸聚合酶不断沿着模板链移动，合成新的链DNA DNA复制的终止机制DNA复制叉相遇引物去除RNA当两个复制叉相遇时，复制过程聚合酶将引物去除，DNA RNA停止并用片段替换DNA连接酶DNA连接酶将片段连接起来，形成完整的分子DNA DNA DNA复制的保真性DNA聚合酶的校对功能1DNA聚合酶可以识别并纠正复制过程中出现的错误DNA修复系统2细胞中存在多种修复系统，可以修复复制过程中出现的损伤DNA修复机制概述DNA碱基切除修复1针对单个碱基的损伤，通过切除受损碱基进行修复核苷酸切除修复2针对较大的损伤，通过切除一段片段进行修复DNA错配修复系统3针对复制过程中出现的碱基配对错误，进行修复重组修复机制4针对双链断裂，通过同源重组进行修复碱基切除修复识别损伤糖基化酶识别并切除受损的碱基DNA切除碱基糖基化酶将受损的碱基从链上切除DNA DNA修复缺口聚合酶填补缺口，连接酶连接片段DNA DNA DNA核苷酸切除修复识别损伤切除片段合成修复核苷酸切除修复蛋白识别并结合到受损核酸内切酶将受损的片段切除聚合酶填补缺口，连接酶连接DNA DNADNA的片段上片段DNADNA错配修复系统识别错配切除错误碱基错配修复蛋白识别复制过程中出错配修复蛋白切除错误的碱基现的碱基配对错误修复缺口聚合酶填补缺口，连接酶连接片段DNADNADNA重组修复机制同源重组1通过利用同源的序列，修复双链断裂DNA非同源末端连接2直接连接双链断裂的末端，可能导致遗传信息的丢失转录的基本概念转录聚合酶RNA1以为模板，合成的过程催化转录过程的酶DNA RNA2编码链模板链4双螺旋结构中与模板链互补的一条DNA3双螺旋结构中被转录的一条链DNA链聚合酶的类型RNA聚合酶聚合酶聚合酶RNA IRNA II RNA III主要转录基因主要转录基因主要转录基因和基因rRNA mRNAtRNA5S rRNA原核生物转录起始识别启动子1聚合酶识别上的启动子，并与之结合RNA DNA解旋2聚合酶解开双螺旋结构，形成转录泡RNADNA起始转录3聚合酶从起始位点开始合成链RNA RNA真核生物转录起始123转录因子聚合酶结合起始转录RNA多种转录因子与结合，形成转录起始聚合酶结合到转录起始复合物上聚合酶从起始位点开始合成链DNA RNAII RNAIIRNA复合物转录延伸过程聚合酶移动碱基配对延伸RNA聚合酶沿着模板链移动，合成聚合酶根据模板链上的碱基，选择聚合酶不断沿着模板链移动，合成RNA RNA RNA RNA链相应的互补碱基进行配对链RNA转录终止机制终止信号1模板链上存在特定的终止信号，指示转录结束DNA聚合酶释放RNA2聚合酶遇到终止信号，释放链和模板RNA RNADNA前体的加工RNA加帽加尾12在链的端加上一个在链的端加上一个多聚RNA57-RNA3甲基鸟苷帽，保护不被降腺苷酸尾，保护不被降解RNA RNA解，并促进翻译，并促进翻译剪接3去除前体中的内含子，连接外显子，形成成熟的RNA RNA剪接机制RNA剪接体由多种蛋白质和组成的复合物，负责剪接过程RNA RNA识别剪接位点剪接体识别前体中的剪接位点，并与之结合RNA切割和连接剪接体将内含子切除，并将外显子连接起来可变剪接现象可变剪接蛋白质多样性一个基因可以产生多种不同的，最终合成不同的蛋白质可变剪接扩大了蛋白质的多样性，增加了生物体的适应性mRNA编辑作用RNA碱基修饰编辑酶基因表达调控RNA通过改变链上的碱基，改变遗传催化编辑作用的酶编辑可以改变蛋白质的结构和功RNA RNA RNA信息能，调控基因表达运输机制RNA核孔复合体1细胞核膜上的通道，负责从细胞核运输到细胞质RNA识别信号2上的一些信号可以被核孔复合体识别RNA主动运输3通过主动运输的方式从细胞核运输到细胞质RNA遗传密码的特点三联体密码子简并性12每个密码子由三个碱基组成，对应一个氨基酸多个密码子可以编码同一个氨基酸通用性无标点符号34几乎所有生物都使用相同的遗传密码密码子之间没有间隔符，读码过程连续进行蛋白质合成概述翻译核糖体1以为模板，合成蛋白质的过程蛋白质合成的场所mRNA2氨基酸4tRNA3蛋白质的组成单元运送氨基酸到核糖体翻译起始过程识别起始密码子1核糖体识别上的起始密码子mRNA AUG结合起始tRNA2起始携带甲硫氨酸，与起始密码子结合tRNA核糖体亚基结合3核糖体的小亚基和大亚基结合，形成完整的核糖体翻译延伸机制结合tRNA携带相应的氨基酸，与上的密码子结合tRNA mRNA肽键形成核糖体催化相邻两个氨基酸之间形成肽键核糖体移动核糖体沿着移动，继续合成肽链mRNA翻译终止信号终止密码子释放因子上的终止密码子，如释放因子识别终止密码子，并与mRNA UAG、、，指示翻译结束之结合UAA UGA蛋白质释放释放因子促使肽链从核糖体上释放，翻译过程结束翻译后修饰蛋白折叠1蛋白质从线性链折叠成特定的三维结构糖基化2在蛋白质上添加糖基磷酸化3在蛋白质上添加磷酸基团泛素化4在蛋白质上添加泛素分子原核生物基因表达调控操纵子模型1一组相关的基因，由一个共同的启动子和调控元件控制，形成一个转录单位乳糖操纵子2一个典型的操纵子，负责乳糖代谢色氨酸操纵子3一个典型的操纵子，负责色氨酸合成操纵子模型12启动子操纵基因聚合酶结合位点，启动转录调控蛋白结合位点，控制基因表达RNA3结构基因编码蛋白质的基因乳糖操纵子无乳糖调控蛋白结合到操纵基因上，阻止转录有乳糖乳糖与调控蛋白结合，使调控蛋白从操纵基因上脱落，启动转录色氨酸操纵子无色氨酸调控蛋白不能与操纵基因结合，启动转录有色氨酸色氨酸与调控蛋白结合，使调控蛋白结合到操纵基因上，抑制转录真核生物基因表达调控染色质水平调控1通过染色质结构的改变，影响基因表达转录水平调控2通过转录因子等因素，调控基因转录的效率水平调控3RNA通过加工、运输、降解等过程，调控基因表达RNA翻译水平调控4通过调节翻译起始、延伸、终止等过程，调控蛋白质合成染色质水平调控组蛋白修饰甲基化DNA通过改变组蛋白的修饰状态，改变染在链上添加甲基基团，影响基因DNA色质结构，影响基因表达表达转录水平调控转录因子识别转录因子识别上的特定序列，并与之结合DNA招募聚合酶RNA转录因子招募聚合酶，启动转录RNA调节转录效率不同的转录因子可以调节转录的效率，影响基因表达的水平转录因子的作用激活因子抑制因子促进转录起始，提高基因表达的效率抑制转录起始，降低基因表达的效率增强子与沉默子增强子位于基因上游或下游的序列，可以增强基因表达DNA沉默子位于基因上游或下游的序列，可以抑制基因表达DNA水平调控RNA加工运输RNARNA通过剪接、加帽、加尾等过通过调节从细胞核运输到细RNARNA程，改变结构，影响其稳定胞质的过程，影响基因表达RNA性和翻译效率降解RNA通过降解，降低基因表达的水平RNA表观遗传调控机制甲基化组蛋白修饰1DNA2在链上添加甲基基团，通过改变组蛋白的修饰状态，DNA改变基因表达改变染色质结构，影响基因表达非编码3RNA一些非编码参与基因表达的调控RNA甲基化修饰DNA甲基转移酶催化甲基化的酶DNA甲基化位点通常发生在胞嘧啶碱基上抑制基因表达甲基化通常与基因表达的抑制相关DNA组蛋白修饰类型乙酰化在组蛋白的赖氨酸残基上添加乙酰基，通常促进基因表达甲基化在组蛋白的赖氨酸或精氨酸残基上添加甲基基团，影响基因表达，取决于位置和程度磷酸化在组蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基上添加磷酸基团，通常促进基因表达泛素化在组蛋白上添加泛素分子，通常抑制基因表达非编码调控RNA长链非编码microRNA RNA与结合，降解或抑制的参与染色质重塑、基因转录等过程，mRNA mRNA翻译，影响基因表达调控基因表达基因表达的时空特异性细胞类型特异性发育阶段特异性环境条件特异性123不同细胞类型表达不同的基因，发生物体在不同的发育阶段表达不同环境条件的变化可以影响基因表达挥不同的功能的基因基因表达网络基因表达网络是指多个基因之间相互作用，形成的复杂网络结构，它控制着生物体的生长、发育和功能基因表达与疾病遗传病癌症免疫疾病由基因突变导致的疾病，如囊性纤维化基因表达异常导致的疾病，如癌基因的基因表达异常导致的疾病，如自身免疫、血友病等激活或抑癌基因的失活性疾病基因治疗策略基因替代疗法1将正常的基因引入细胞，替代有缺陷的基因基因沉默疗法2抑制异常基因的表达基因编辑疗法3直接修复基因的突变基因编辑技术锌指核酸酶通过人工设计的锌指蛋白，靶向切割特定基因序列TALEN通过人工设计的蛋白，靶向切割特定基因序列TAL系统CRISPR/Cas9一种高效、便捷的基因编辑工具，利用蛋白和引导，Cas9RNA靶向切割特定基因序列系统CRISPR/Cas9蛋白Cas91一种核酸内切酶，可以切割双链DNA引导RNA2与蛋白结合，引导蛋白到特定基因序列Cas9Cas9靶向基因切割3蛋白在引导的引导下，切割目标基因序列Cas9RNA修复机制4细胞利用自身修复机制，修复被切割的序列DNA。