2010基因与基因组学

•第二章基因、基因组与基因组学Gene,GenomeandGenomics武汉大学医学病毒学研究所分子病毒室人类对生命现象的认识整体论揭示生命的奥秘21世纪GenomicsStructuralGenomicsFunctionalgenomics第一节基因gene一、基因的概念与内涵Theconceptofgenecontent•生物学的进展使基因的概念不断在延伸和扩展•Advancesinbiologytotheconceptofgenecontinuouslyextendedandexpanded1909年WilhelmJohannsen将“遗传因子”“Geneticfactors”简化为“基因”（gene）希腊语“给予生命”之意。一个基因一种酶(1941年G.W.BeadleE.L.Tatum)证明基因通过它所控制的酶决定着代谢中生化反应步骤，进而决定生物性状.onegene,oneenzyme•一个基因一条多肽链(1949年L.C.Pauling与合作者在研究镰刀型细胞贫血症时推论基因决定着多肽链的氨基酸顺序.ageneapolypeptidechain1957年法国遗传学家Benzer提出了顺反子学说。认为基因为DNA分子上一段核苷酸顺序，一个基因内部仍可划分若干个起作用的小单位，即可区分成顺反子、突变子和重组子。1961年法国F.Jacob和J.L.Monod的研究成果，又大大扩大了人们关于基因功能的视野。根据基因功能把基因分为结构基因和调节基因。。•染色体分子中除了编码蛋白质的结构基因外还有编码最终产物是RNA的基因。•病毒RNA作为遗传信息的携带者•RNAasarecepterofheredityinformation•……•基因是生物遗传的基本单位。是具有遗传效应的DNA分子片段。•Ageneisthebasicunitofheredityinalivingorganism•基因:是指合成有功能的蛋白质、多肽链或RNA所必需的全部核苷酸序列。GeneisthewholenucleotideacidsequencethatisessentialtosynthesizefunctionalproteinandpolypeptideorRNA.基因的概念Theconceptofgene»Fromsimplevirustocomplicatedhigherorganisms,thetotalgeneticinformationthatcontrollifeactivityisstoredingenes.•不同的生物，基因的结构、数目及组合方式不同。•Therearedifferentstructure,numberandcombinationformsofgenebetweendifferentspecies.•同一生物，除精细胞和卵细胞外，所有细胞都具有相同的遗传信息•Foronespecies,allcellsexceptforgermcellspossessthesamegeneticmaterials.•基因包括：编码序列（编码蛋白或RNA产物的区域----外显子(exon)、调控序列（侧翼序列）、插入序列-----内含子（intron)•Genesinclude:codingsequence(encodingproteinsorRNAproductoftheregion----exon(exon),regulatorysequence(flankingsequence),insertionsequence-----intron(intron)•调控序列（侧翼序列）主要有：启动子、增强子、终止子等•geneshaveregulatoryregionsinadditiontoregionsthatexplicitlycodeforaproteinorRNAproduct.•启动子（promoter）：DNA链上RNA聚合酶识别，结合，启动转录的部位。•PromotersareDNAnucleotidesequencesrecognizedbytheRNApolymerasesastheirattachmentsites•原核生物启动子：`TTGACA`-识别位点；TATAAT-结合位点（TATA盒或Prinbow盒）；启始位点：与RNA第一个核苷酸互补的碱基对真核生物II类基因启动子：AT丰富区，（TATA序列）——Hogness盒即为RNA聚合酶II与启动子的结合部位；其上游有CAAT盒；CAAT盒的两侧有GC盒。TATA盒CAAT盒GC盒增强子顺式作用元件结构基因-GCGC---CAAT---TATA转录起始真核生物启动子保守序列•增强子（enhancers）：启动子上游或下游有一类核苷酸顺序，可增强邻近基因的转录速度，称为增强子或活化子。•终止子（terminator):为DNA模板上终止转录的信号。有两类：①依赖ρ因子的终止子②不依赖ρ因子的终止子区别：不依赖ρ因子的终止子富含GC；茎-环结构后有PolyU区；依赖ρ因子的终止子缺少GC，也无PolyU尾。终止子与RNA发卡结构二、DNA损伤（damage）和修复（repair）•DNA损伤是指DNA正常的化学或物理结构的改变。•AlesionisanalterationtothenormalchemicalorphysicalstructureoftheDNA.•1.DNA的自发损伤（DNAlesionsofspontaneous）•有些损伤是自发性的，是由于DNA内在化学活性以及细胞中存在的正常活性分子所致。IsduetotheinherentchemicalactivityofDNAandcellsinacausedbythenormalactivitymolecule.1）脱氨基（deamination）2）脱嘌呤（depurination）3）氧化性损伤（（oxidativedamage）4）复制滑移(replicationslippage)5）互变异构移位（tautomericshift）类型•碱基和脱氧核糖间的糖苷键受到破坏•羟自由基等活性氧（ROS）的存在(O2-，OH-，H2O2)会在正常条件下对DNA发生氧化损伤。•重复序列可诱发复制滑移互变异构体：酮式和烯醇式胸腺嘧啶酮式结构易与A配对,烯醇式结构易与G配对。腺嘌呤的酮式结构，与T配对,烯醇式结构可与C配对。DNA的诱发损伤（lesionsofmutagenesis）•由诱变剂（mutagen）导致的DNA损伤。Bythemutagenicagent(mutagen)inducedDNAdamage•物理诱变因素--非电离辐射与电离辐射•Physicalmutagen--Non-ionizingradiationandionisationradiation•化学诱变剂Chemicalmutagen•碱基类似物（baseanalog）、•烷化剂（alkylatingagent）、•嵌入剂（intercalatingagent）、•脱氨剂（deaminatingagent）交联是由二聚体引起的，二聚体可以在同一条链相邻的碱基之间产生，也可以是在二条链的碱基之间形成。引起DNA复制错误嘧啶比嘌呤对紫外线敏感得多胸腺嘧啶二聚体DNA链的断裂，或使DNA分子内或分子之间发生交联反应非电离辐射：紫外辐射（UVradiation）嘧啶的紫外线光化产物嘧啶的紫外线光化产物（嘧啶二聚体）相邻嘧啶的4位和6位碳原子发生共价交联电离辐射（ionizingradiation）•X线和r射线等，直接作用----引起DNA的断裂，对DNA的损伤；间接作用----在细胞内激发形成如过氧化物类的反应分子吖啶橙、吖啶黄素、原黄素等碱基对的类似物，易造成移码突变。化学诱变剂碱基的类似物•脱氨剂---亚硝酸等能使嘌呤或嘧啶脱氨，改变核酸结构和性质，造成DNA复制紊乱。•烷化剂一般引入的烷基连接在氮、氧、碳等原子上。常具突变源性(mutagenic)甲磺酸乙酯(EMS)、亚硝基胍(NG)、芥子气等。通过改变碱基结构使碱基错配。•诱变剂以三种不同的方式导致突变：•一、作为碱基类似物，当复制叉上新生DNA合成时被错误的当作底物。•二、直接与DNA反应，造成结构改变，导致DNA复制时模板链的错误复制。•三、，使细胞合成如过氧化物等可直接导致突变的化学物质。间接作用于DNA。损伤的检测-----单细胞凝胶电泳（Singlecellgelelectrophoresis,SCGE)•由Ostling等1984首创，后经Singh等（1988）进一步完善并逐渐发展起来的一种快速检测单细胞DNA损伤的实验方法，适用于多种细胞，能够灵敏地检测DNA断裂。在检测诱变剂、射线等对DNA的损伤、监测环境污染物对机体的遗传损害、研究毒物致癌机制等方面有广泛的应用价值。因其细胞电泳形态颇似彗星，又称彗星实验（cometassay）。彗星实验（cometassay）两层凝胶、单细胞悬液、细胞裂解、DNA解旋、电泳、中和与染色、镜下观察分析DNA损伤修复(repairofDNAdamage)•在多种酶的作用下,生物细胞内的DNA分子受到损伤以后恢复结构的现象.1949年A.凯尔纳偶然发现光复活（直接修复）灰色链丝菌光修复photoreactivation（直接修复）在可见光存在的条件下，光复活酶作用将UV引起嘧啶二聚体分解为单体。•1958年R.L.希尔证明即使不经可见光的照射，大肠杆菌也能修复它的由紫外线所造成的DNA损伤，而后又证明其他微生物也有这种功能,当时就把这种修复功能称为暗复活或暗修复（切除修复excisionrepair）核酸内切酶切开二聚体的5’末端,形成3’-OH和5’-P的单链缺口核酸外切酶从5’-P到3’-OH方向切除二聚体，并扩大缺口DNA聚合酶以另一条互补链为模板，从原有链上暴露的3’-OH端起合成缺失片段连接酶将新合成链的3’-OH与原链的5’-P相连接暗修复暗修复体系有四种酶参与反应。Thedarkrepairsystemhasfourkindofenzymeparticipationresponse.暗修复普遍地存在于原核生物、低等真核生物、高等真核生物的两栖类乃至哺乳动物ThedarkrepairexistsgenerallyintheProkaryotes,thelowstatuseukaryon,thehighereukaryon，amphibiansandevenmammal。错配修复系统（Mismatchrepair）•错配矫正酶•DNA聚合酶Ⅲ•DNA连接酶•等11种蛋白参与酶错配矫正酶中的MutS部分识别错配区域，而MutH和MutL识别没有甲基化的GATC序列。之后，将新合成的单链上切出一个缺口。切除：由核酸外切酶将距离GATC到错配区域间的DNA链切除。为了防止剩下的暴露的单链遭到降解，需要有单链结合蛋白（Ssb）将其保护起来。修复：由DNA聚合酶Ⅲ全酶进行合成，连接酶对缺口进行连接。。E.Coli错配修复系统Mismatchrepair研究描述了一种由错配引起的DNA切除的启始和终止模式。cell2005年122卷5期“Reconstitutionof5′-DirectedHumanMismatchRepairinaPurifiedSystem”YanbinZhang,FenghuaYuan,StevenR.Presnell,KeliTian,YinGao,AlanE.Tomkinson,LiyaGu,andGuo-MinLi“在纯化后的系统中重构人类5’方向修复系统”-------李国民美国肯塔基大学的副教授•这一系统包括了MutSα或者MutSβ、MutLα、RPA、PCNA、EXO1、HMGB1、RFC和DNA聚合酶δ蛋白，缺乏MutLα蛋白EXO1就会无法停止作用而切除过多的DNA。•这一研究描述了一种由错配引起的DNA切除的启始和终止模式。•将真核系统错配修复系统中MutL