2-遗传基础

1医学遗传学基础二、细胞基础三、遗传规律基础一、分子基础2一、遗传的分子基础(二)DNA结构(一)DNA是遗传物质(三)人类基因组(四)基因结构(五)基因功能31868年，F.Miesher从外科绷带上的脓细胞中分离提取出一种富含磷的有机物，称为核素。后来证实核素是由一种酸性物质和蛋白组成，因其来源于细胞核，称为核酸。之后，人们认识到所有生物细胞内都有核酸，并发现核酸可分为脱氧核糖核酸(deoxyribonucleicacid,DNA)和核糖核酸(ribonucleicacid,RNA)，DNA主要存在于细胞核内，少量存在与线粒体中。RNA主要存在于细胞质中。(一)DNA是遗传物质41928年，Griffith发现肺炎球菌转化现象，1944年，Avery等用实验证实引起肺炎球菌转化的物质是DNA。1952年，Hershey研究噬菌体感染大肠杆菌再次证明DNA是遗传物质。1953年，Waston和Crick提出了DNA双螺旋结构模型，阐明了DNA作为遗传物质的结构基础。5普遍存在DNA普遍存在于自然界除RNA病毒以外的各种生物细胞中。RNA病毒中的RNA起到DNA类似的作用。DNA特征结构稳定同一物种各组织的DNA结构相对稳定，能改变DNA结构的因素可引起遗传性状的相应改变。6数量恒定同一物种各组织细胞中，DNA数量基本一致。数量变化也表现出恒定规律。细胞有丝分裂前DNA含量加倍，分裂后又恢复到原来水平。生殖细胞经过减数分裂形成配子，DNA含量为体细胞一半，雌雄配子结合后DNA数量又恢复到原来水平。71944年，Avery等人用实验证明DNA是遗传物质活肺炎球菌S型感染小鼠小鼠死亡活肺炎球菌R型感染小鼠小鼠正常高温杀死S型感染小鼠小鼠正常高温杀死S型+R型感染小鼠小鼠死亡将致病菌的DNA、蛋白质、荚膜多糖提取出来，分别与非致病菌混合，只有DNA具有转化作用，使非致病菌变成致病菌。转化效率与DNA纯度正相关。若事先用DNA酶处理提取物，则不能实现转化。81、化学组成DNA结构的基本单位是核苷酸(nucleicacid)，每个核苷酸由1个磷酸、1个五碳糖(戊糖)和1个碱基3部分组成。DNA分子中的核苷酸所含五碳糖为2’-脱氧-D-核糖(2’-deoxy-D-ribose)，称为脱氧核糖核酸(deoxyribonucleicacid,DNA)。而核苷酸所含五碳糖为非脱氧的D-核糖(D-ribose)构成的核苷酸链，称为核糖核酸(ribonucleicacid,RNA)。(二)DNA结构9戊糖C-1所连的羟基是与碱基形成糖苷键的基团，糖苷键的连接都是β型。这种结构上的微小差异使DNA和RNA的理化性质出现很大差异，DNA更加坚硬，在碱性条件下不易水解。戊糖两种戊糖结构示意图10碱基(base)构成核苷酸的碱基分为嘌呤(purine)和嘧啶(pyrimidine)二类。碱基(含氮有机碱)嘌呤有腺嘌呤(adenine，A)和鸟嘌呤(guanine,G)，DNA和RNA中均含有这二种碱基。嘧啶有胞嘧啶(cytosine,C)，胸腺嘧啶(thymine,T)和尿嘧啶(uracil,U)。胞嘧啶存在于DNA和RNA中，胸腺嘧啶只存在于DNA中，尿嘧啶则只存在于RNA中。11五种碱基的结构示意图嘌呤环上的N-9或嘧啶环上的N-1是构成核苷酸时与核糖(或脱氧核糖)形成糖苷键的位置。12此外，核酸分子中还发现数十种修饰碱基(themodifiedcomponent)，又称稀有碱基(unusualcomponent)。它是上述五种碱基环上的某一位置被一些化学基团(如甲基化、甲硫基化等)修饰后的衍生物。一般这些碱基在核酸中的含量稀少，在各种类型核酸中分布不均一，如DNA中的修饰碱基主要见于噬菌体DNA，RNA中以tRNA含修饰碱基最多。13核苷(nucleoside)由D-核糖或D-脱氧核糖与嘌呤或嘧啶通过糖苷键连接组成的化合物。核酸中的主要核苷有八种。核苷14核苷酸(nucleotide)是核苷与磷酸残基构成的化合物，即核苷的磷酸酯。核苷酸是核酸分子的结构单元。核酸分子中的磷酸酯键是在戊糖C-5’和C-3’所连的羟基上形成的，故构成核酸的核苷酸可视为5’-核苷酸或3’-核苷酸。DNA分子中含有A,G,C,T四种碱基的脱氧核苷酸；RNA分子中含A,G,C,U四种碱基的核苷酸。不同核苷酸的主要差别在于碱基。核苷酸155’核苷酸结构模式图165’-磷酸脱氧腺苷的结构式17磷酸二酯键核酸是由众多核苷酸聚合而成的多聚核苷酸(polynucleotide)链式线性分子，相邻二个核苷酸之间的连接键即3’,5’-磷酸二酯键。2.分子结构一级结构18这种连接可理解为核苷酸糖基上3’位羟基与下游相邻核苷酸5’位磷酸残基之间，以及核苷酸糖基上的5’位磷酸残基与上游相邻核苷酸的3’羟基之间形成的两个酯键。多个核苷酸残基以这种方式连接而成的链式分子就是核酸。无论是DNA还是RNA，其基本结构都是如此，故又称DNA链或RNA链。分子链是有方向的，5’末端为磷酸，3’末端为羟基。19磷酸二酯键20寡核苷酸(oligonucleotide)一般是指二至几十个核苷酸残基以磷酸二酯键连接而成的线性多核苷酸片段。这是与核酸有关的文献中经常出现的一个术语，在使用这一术语时，对核苷酸残基的数目并无严格规定，在不少文献中，把含有三十甚至更多个核苷酸残基的多核苷酸分子也称作寡核苷酸。寡核苷酸可由仪器自动合成，它可作为DNA合成的引物(primer)、基因探针(probe)等，在分子生物学研究中具有广泛的用途。21DNA和RNA单链都是由一个一个的核苷酸头尾相连而形成的。RNA多聚核苷酸链一般以单链形式存在，而DNA多聚核苷酸链则一般以双链形式存在。RNA平均长度大约为2000个核苷酸，而人的DNA却是很长的，人DNA全长约有3X109个核苷酸对，每条染色体含一个DNA分子链，含5千万致5亿不等的核苷酸对。22DNA分子是由2条平行的多核苷酸链围绕同一中心轴构成的右手双螺旋结构(B型)。链的骨架由糖-磷酸重复单位构成，碱基向螺旋内部延伸，位于螺旋内部。多核苷酸的方向由磷酸二酯健的走向决定，一条从5’3’，另一条从3’5’，两条链呈反向平行排列(antiparallel)。平行链上伸向内部的碱基彼此形成氢键相连，碱基间严格遵循G与C配对(G≡C)，A与T配对(A=T)的原则。二级结构23DNA双螺旋结构示意图24DNA双螺旋结构示意图25碱基配对及氢键26DNA链上不同核苷酸分子差异部位是碱基，不同碱基的排列组合包含了相应的遗传信息，碱基位于骨架双链的内部，使遗传信息免受各种理化因素的影响。3.双链互补结构的意义27双链结构本身较好地保障了遗传信息的稳定储存和传递。双链中的每一条链都可以用对方或自身作为膜板，按照碱基互补原则合成一条与自身相同或互补的新链。互补的双链分别含有一套完整的遗传信息。28双链互补是许多DNA分析技术的理论基础，如探针杂交，聚合酶链反应等。当知道一条DNA链的碱基排列顺序后，可推测出它的互补链的碱基排列顺序(序列)。29核酸呈酸性，粘度大，能吸收紫外光，最大吸收峰为260nm。4.分子特性30具有变性复性能力，DNA双链分子碱基间的氢键结合是可逆结合。碱基间氢键被解开，互补DNA双链变为两条单链的过程称为变性。解链后的DNA单链与互补序列通过碱基间氢键形成互补双链的过程称为复性。DNA分子上的磷酸二酯键断裂，使DNA链断裂，DNA被降解。31引起DNA变性的因素主要有高温、强酸强碱、有机溶剂等。DNA变性后，性质发生改变，如电泳行为改变，对260nm紫外光的吸收度增加(增色效应)，旋光性下降，粘度降低，生物学功能丧失或改变等。32对DNA溶液进行加热，DNA溶液对260nm波长光的吸收度随温度升高而变化，在低温区和高温区变化都慢。使DNA溶液吸光度达到最大值一半时的温度，称为DNA的变性温度或融解温度(Tm)。33Tm的高低与DNA分子中G+C的含量有关，G+C的含量越高，则Tm越高。34两条来源不同的单链核酸(DNA或RNA)，当它们的碱基序列互补或接近互补时，在一定条件下可互补结合成双链，形成新的杂种双螺旋，这一现象称为核酸的分子杂交。核酸分子杂交可以是DNA-DNA，也可以是DNA-RNA杂交。不同来源的，具有互补碱基顺序的核酸片段称为同源序列。利用核酸的分子杂交，可以用已知序列的寡核苷酸确定或寻找不同物种中具有同源顺序的DNA或RNA片段。所用的已知序列寡核苷酸一般要标记上示踪物，称为探针。35生物单个成熟生殖细胞(单倍体细胞)DNA分子上的全部基因总和称为基因组(geneome)，人类DNA分为核内DNA和线粒体DNA，人类基因组包含核基因组和线粒体基因组。人单个体细胞含有来自父源和母源的两个基因组。(三)人类基因组36人类核基因组由约30亿个碱基对按一定排列方式构成。DNA分子中的碱基排列顺序称DNA序列，人基因组中约有60%-70是单拷贝或低拷贝序列，30%-40%是中度或高度重复的序列。编码蛋白的序列主要是单拷贝或低拷贝序列。根据DNA序列的功能、在基因组中的拷贝数、碱基排列特点等可将基因组DNA序列进行人为分类。371.核基因组单一序列(uniquesequence)在基因组中仅有一个或少数几个拷贝。大多数编码蛋白质(酶)的结构基因属这种结构形式，但只占单一序列中的很少部分。重复序列(repetitivesequence)在基因组中有许多拷贝数。可把它细分为高度重复序列、中度重复序列、基因家族、基因簇。38单一序列中，含有编码蛋白质氨基酸序列遗传密码的DNA序列称结构基因，对编码序列的编码蛋白质活动进行调节和控制的序列称为调控基因。基因序列可长可短，可单拷贝或多拷贝存在于基因组中。当在基因组中出现很多个序列结构与功能相同或相近的拷贝时，把这些序列称为多基因家族(基因簇)或基因超家族(基因家族)。基因家族一般是由一个共同的祖先基因经过重复和变异而形成。39重复序列的基因家族中，一种类型是一个基因的多个拷贝成簇地排列在同一染色体上，形成一个基因簇，多个拷贝的序列几乎相同。它们同时发挥作用合成某些蛋白质。如珠蛋白基因簇有5个相关基因，排列在16号染色体短臂上，珠蛋白基因簇有6个相关基因，排列在11号染色体短臂上。两种珠蛋白基因序列高度一致，由一个祖先基因经过重复而来。合成的肽链共同构成血红蛋白。40另一类是多个拷贝成簇地分布在不同的染色体上，这些成员的序列可有些不同，它们编码一组相关的蛋白。如微管蛋白基因家族中，微管蛋白2、微管蛋白T1、微管蛋白T2的基因分别位于2、17和6号等不同染色体上，功能都是编码微管相关蛋白。41假基因(pseudogene)多基因家族中，一些拷贝不产生蛋白质，但其序列与产生蛋白质的基因非常相似。相当于基因的无功能拷贝，称为假基因。它们与有功能的基因有同源性，起初可能是有功能的基因，以后由于发生突变丧失了活性。如珠蛋白基因簇的假基因与基因相比，只是失去了内含子。其可能是由于活性基因的mRNA经过逆转录成为cDNA，再整合到基因组而形成。假基因可与功能基因连锁或通过染色体易位或作为转座子的一部分，从一个部位转移到另一部位。42串联重复序列基因组中局限性或分散存在的由一定DNA序列串联重复排列的重复结构。串联重复序列不编码蛋白质。串联重复序列的重复次数个体差异大，遗传多样性研究与应用中，较多选择测定这类DNA结构。卫星DNA长度可达几百kb的串联重复序列，密度梯度离心基因组DNA时，DNA主带旁出现的“卫星”DNA，分布在染色体的着丝粒等。在着丝粒起结构性作用。43小卫星DNA长度20kb左右的一类串联重复序列。端粒就是由几百个5’-TTAGGG-3’首尾相连的重复序列构成。在DNA复制中起作用。微卫星DNA由1至几个bp重复数十次形成的重复序列。功能尚不清楚。基因组作图中被用来作为遗传和物理标记。每个个体有自己独特的微卫星DNA“遗传图像”，可用来作为识别个体的DNA标记。44分散重复序列相同