分子生物学-genomics

分子生物学MolecularBiology蒋小英[e-mail]生物化学与分子生物学系西安交通大学医学部基础医学院•分子生物学是从分子水平研究生命现象、生命规律和生命本质的学科。•核心内容是从分子水平研究基因和基因的活动，这些活动主要通过核酸和蛋白质的活动来实现。•医学分子生物学主要研究人体生物大分子和大分子体系的结构、功能、相互作用及其与疾病发生、发展的关系。WhatisMolecularBiology?一、分子生物学的孕育阶段：1928—1952二、分子生物学的创立阶段：1953—1965三、分子生物学的发展阶段：1966—现在Molecularbiology(分子生物学)核酸的发现和功能的初步研究双螺旋结构模型操纵子学说DNA重组技术•1970年，Temin和Baltimore发现逆转录酶。•1972年Stanford大学P.Berg构建第一个重组DNA分子(猿猴病毒DNA和λ噬菌体DNA)•Arber,Smith,Nathans发现限制性内切酶,获1978年诺贝尔生理学和医学奖。•1977年旧金山建立世界上第一家遗传公司，专门应用重组DNA技术制造医学药物。•1980年开始建造第一家应用重组DNA技术生产胰岛素的工厂•Sanger测定核酸序列，1980年与伯格(Berg)（重组DNA技术）分享Nobel生理医学奖。•1985年由Mullis创立PCR技术，因此获得了1993年诺贝尔化学奖。•1989年Altman、Cech发现核酶共享Nobel化学奖.•1990年荷兰科学家培育世界第一头转基因牛用牛奶生产乳铁蛋白•1991年英国罗林研究所和PPL公司培育转基因羊用羊奶生产抗胰蛋白酶•转基因动物、转基因植物•1990启动人类基因组计划•1993年Roberts&Sharp发现Splittinggene•2000年人类基因组草图测序完成；果蝇、线虫及其他•功能基因组学•基因治疗技术发展阶段Howtolearn?Baseonbutexceedthetextbook(基于教材但高于教材)Refertothenewtechnique,discoveryandtheory（阅读文献，跟踪最新进展）Experimentaloperation（实验设计和操作）授课方式：按主题讲述Research:1.thestructureandthefunctionofmacromolecules.（大分子的结构与功能）2.theregulationandcontrolofgeneexpression.（基因表达的调控）3.theDNArecombinationtechnique.（DNA重组技术）4.thestructureandthefunctionofgenome,Bioinformatics.(基因组结构和功能，生物信息学)分子生物学常用参考书目1.分子遗传学(孙乃恩)2.现代分子生物学（朱玉贤、李毅等)3.分子生物学(InstantNotesinMolecularBiology,2ndEditionbyPTurner）4.分子生物学(闫隆飞)5.MolecularBiologyoftheCell(4thEditionbyBAlberts)6.MolecularCellBiology(4thEditionbyHLodish)7.MolecularBiology(2ndEditionbyRWeaver)8.AdvancedMolecularBiology(byRTwyman)分子生物学实验参考书目1.分子克隆实验指南2.精编分子生物学实验指南3.PCR技术实验指南4.分子生物学实验基础5.细胞生物学实验方案6.现代分子生物学实验技术7.分子生物学实验技术8.分子生物学基础技术基因及基因组(Geneandgenome)一、基因(Gene)的概念•基因简史:Mendal(1866):遗传因子Sutten(1903):染色体Johannson(1909):基因、基因型、表型Morgan(1910):基因学说BendleandTatum:一个基因,一个酶Avery(1944):证实基因是由DNA组成WalsonandCrick(1953):DNA的双股螺旋结构1960s:遗传密码1990s:基因序列测定2000s:HGP基因(Gene)的概念•分子生物学概念：是指贮存生物功能产物(RNA和蛋白质)序列信息以及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列，大多生物基因为DNA，少数为RNA。二、DNA(脱氧核糖核酸)的结构1.组成•碱基：腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)和胞嘧啶(C)•脱氧核苷(碱基+脱氧核糖=脱氧核苷)•脱氧核苷酸(脱氧核苷+磷酸)•3’、5’磷酸二酯键连接脱氧核糖核苷酸形成一条多核苷酸链2.DNA的双螺旋结构WalsonandCrick(1953-4-25)在英国自然杂志发表了MolecularStructureofNucleicAcids一文,开启了生物医学的新时代(seeNature1953;171(4356):738-739)。3.DNA的超螺旋结构•三级结构即超螺旋结构(supercoil)。•核小体(nucleosome)：DNA双链盘绕组蛋白(H2A,H2B,H3,H4)核心的表面,许多核小体连接成串珠状,再反复盘旋折叠形成染色单体(chromatid)。4.DNA的理化性质•多元酸•紫外吸收：最大吸收峰在260nm处•变性、复性与杂交基因的结构结构基因：编码区序列（codingregionsequence）转录调控序列：非编码序列（non-codingsequence）基因表达需要的调控区（regulatoryregion）序列，包括启动子（promoter）、增强子（enhancer）等。在细胞内表达为蛋白质或功能RNA的DNA序列三、基因的结构特点和分类（一）、结构基因1.概念在细胞内表达为蛋白质或功能RNA的DNA序列2.结构基因结构特点•原核生物:连续•真核生物:断裂基因,外显子(exon)与内含子(intron)•病毒：连续或间断，取决于宿主。真核基因结构不连续，为断裂基因（splitgene）。真核基因结构外显子（exon）；在基因序列中，出现在成熟mRNA分子上的序列。内含子（intron）：外显子之间、与mRNA剪接过程中被删除部分相对应的间隔序列。（二）、转录调控序列1原核生物的转录调控序列•启动子：-35区（识别），-10区（结合）•终止子：•操纵元件•正调控蛋白结合位点2.真核生物的转录调控序列(顺式作用元件)•启动子：转录因子(TF)•上游启动子元件：CAAT,CACA及GC盒•增强子：•反应元件：热休克反应元件,糖皮质激素反应元件•Poly(A)信号：位于基因转录区前后，对基因表达起调控作用的区域，因其是紧邻的DNA序列，又称旁侧序列。转录调控序列（顺式作用元件）：真核生物有3类启动子，分别对应于细胞内存在的三种不同的RNA聚合酶和相关蛋白质。UPE:上游启动子元件rInr:核糖体起始因子Inr:起始元件DPE:下游启动子元件基因组的概念•基因组（genome）：细胞或生物体中，一套完整单倍体的遗传物质的总和。1个配子（精子或卵子），1个单倍体细胞或1个病毒所包含的全套基因，称为基因组。•人类基因组包含多染色体和XY两条性染色体上的全部遗传物质（核基因组）以及胞线粒体上的遗传物质（线粒体基因组）。基因组：细胞或生物体的一套完整单倍体遗传物质的总和。物种基因组大小(Mb)基因数染色体数*支原体M.genitalium0.58470无流感嗜血杆菌H.influrnzae1.831743无枯草芽孢桿菌B.subtilis4.204100无大肠杆菌E.coli4.604288无酿酒酵母S.cerevisiae13.50603416裂殖酵母S.pombe12.50492916燕麦O.sativa4663000021果蝇D.melanogaster165136014秀丽隐杆线虫C.elegans97184246小鼠mouse27003000020人H.sapiens30002500023•基因组的功能是贮存和表达遗传信息。•物种间基因组差异大。•结构与组织形式各异。•基因组的结构主要指不同的基因功能区域在核酸分子中的分布和排布情况.•进化程度越高的生物其基因组越复杂•基因组学（genomics）：发展和应用DNA制图、测序技术，及计算机程序分析生命体全部基因组结构及功能的科学。包括：结构基因组学功能基因组学三个亚领域.比较基因组学一、病毒基因组二、原核生物基因组三、真核生物基因组一、病毒基因组基因组（genome）1个配（精子或卵子），1个单倍体细胞或1个病毒所包含的全套遗传物质的总和。病毒核酸或为DNA或为RNA，可以统称为病毒染色体。完整的病毒颗粒具有蛋白质外壳，以保护病毒核酸不受核酸酶的破坏，并能识别和侵袭特定的宿主。病毒基因组结构特点1.不同病毒基因组大小相差较大。2.不同病毒基因组可以是不同种类、结构的核酸。3.病毒基因组有连续的也有不连续的，取决于宿主。4.编码区非编码区（95%/5%）。5.单倍体基因组除逆转录病毒外。6.基因有连续的和间断的。节段性基因7.相关基因丛集转录出多顺反子mRNA8.基因重叠9.病毒基因组含有不规则结构基因常用病毒载体结构反转录病毒的结构及生活周期反转录病毒•较小，简单•无真正的染色体•染色体基因组、也有质粒二、原核生物基因组原核生物基因组•原核生物染色体基因组特点1.通常仅有一条环状双链DNA分子组成2.只有一个复制起点3.具有操纵子结构4.编码序列一般不重叠5.基因是连续的6.编码区在基因组中所占比例约为50%7.基因组中重复序列很少8.有编码同工酶的基因（isogene）9.存在可移动的DNA序列，包括插入序列和转座子10.具有多种功能的识别区•质粒三真核生物基因组•庞大、复杂多样•复杂精细的基因调控机制•两个部分：染色体DNA、染色体外DNA•非编码序列占95%以上（一）真核生物基因组结构与功能特点1.体细胞一般为双倍体，即含有两份同源的基因组2.基因组大，结构复杂、基因数庞大、具有许多复制起点，每个复制子大小不一3.转录产物为单顺反子4.含大量重复序列5.非编码序列占95%以上6.基因是断裂基因7.功能相关的基因构成各种基因家族8.存在可移动的遗传因素人类基因组的染色体DNA•环状DNA分子，16569bp,37genes(13proteingenes,2mt-rRNAgenesand22mt-tRNAgenes)•基因排列紧密、无间隔区且部分重叠•突变频率高，约为染色体DNA的10-20倍•异质性和阀值效应•200余种疾病有关•母系遗传线粒体DNA真核基因组中存在大量重复序列•重复序列中，除编码rRNA、tRNA、组蛋白及免疫球蛋白的结构基因外，大部分是非编码序列。•功能主要与基因组的结构稳定、组织形式以及基因表达的调控有关•已发现一些重复序列与遗传病有密切联系,可以通过测定重复次数而协助遗传病的诊断。1高度重复序列主要存在于染色体的着丝粒区域，成串排列，在人基因组中约占5%～6%。重复频率可达106以上，不编码蛋白质或RNA。短核苷酸重复序列，在人基因组占基因组长度20%。分两类：反向重复序列（invertedrepeatsequence）卫星DNA（satelliteDNA）两个相同顺序的互补拷贝在同一DNA链上反向排列而成，重复单位长度约300bp，多数散在于基因组中，总长度约占人基因组的5％。串联重复顺序（tandemrepeats）所有串联重复DNA序列都称为---卫星DNA。按重复长短分大卫星、小卫星(15-65bp)和微卫星(2-6bp)。*卫星DNA（satelliteDNAsat-DNA）—又称随体DNA。这部分DNA是在用cscl密度梯度离心时发现的。2中度重复序列重复数十至数千次,大多数与单拷贝基因间隔排列。中度重复序列在基因组长度1-30%。平均长度约30