上海交通大学医学院分子生物学课程dna-1课件

第五章 DNA及基因组,BREAKTHROUGH OF THE YEAR 2007: Human Genetic Variation 21 DECEMBER 2007 SCIENCE,BREAKTHROUGH OF THE YEAR 2008: Reprogramming Cells,iPS (induced pluripotent stem cell),Runners-Up:,Direct Views of Exoplanets The DNA of Cancer New Class of High-T Superconductors Protein flopping and folding Splitting Water Beginning of Life, the Movie Color Coded Fat Computing the Basics DNA on the Cheap,拓展伽马射线天空 脱落酸受体 （abscisic acid, ABA） 发现模拟磁单极子 长寿健康 科学家揭示月球存在冰 基因治疗回来了 石墨烯研究取得新进展 哈勃重生 第一台X射线激光器闪亮登场,BREAKTHROUGH OF THE YEAR 2009: Ardipithecus ramidus （始祖地猿）,Runners-Up:,2010年科研热点,IPS细胞 宇宙射线眼 外显子组研究 生物化学战胜癌症？ 人类太空飞行,一、核酸研究简史,第一阶段：核酸的发现,第二阶段：发现核酸是遗传物质,第三阶段：为分子生物学奠定基 础的时期,第四阶段：分子生物学高速发展时期,第一节 DNA的结构与功能,1889年 R.Altman 从动物细胞与酵母 菌中制备了核酸,1869年 F.Miescher 从脓细胞中得到 核质“Nuclein”,第一阶段：核酸的发现,1894年 A.Kossel 和A.Neumann 从胸腺 中提取核酸,1930年 正式提出核酸分为两大类： 核糖核酸（RNA） 脱氧核糖核酸（DNA）,1904年 Hammars 证明核酸中的糖是戊糖. 1909年 Levene和Jacobs鉴定核酸中的糖 是D-核糖. 1912年 Levene 认为核酸由4种核苷酸 组成 1929年 Levene 和Jacobs 确定胸腺核苷酸 中的糖是2-脱氧-D-核糖,第二阶段：发现核酸是遗传物质,1944年 Avery等揭示了DNA是细菌的遗传物质,有荚膜的光滑型肺炎球菌（S型） 致病 无荚膜的粗糙型肺炎球菌（R型） 不致病,R型菌 R型菌 R型菌 + S型菌DNA S型菌DNA S型菌DNA （经蛋白酶水解） （经核酸酶水解） 部分克隆变为 部分克隆变为 不能变为 S型菌 S型菌 S型菌,1952年 Hershey Chase 通过噬菌 体感染细菌的实 验表明病毒的遗 传物质是DNA。,1953年 J.D.Watson 和 F.Crick建立 了DNA双螺旋结构模型,第三阶段：为分子生物学奠定基础的时期,1958年 * Kornberg等发现了DNA聚合酶 ( DNA polymerase) * Meselson 等提出半保留复制， 阐明DNA复制的机理,* Crick提出了遗传信息传递的 中心法则,1965年 中国科学家人工合成牛胰岛素,1970年 Temin等发现了从RNADNA反转录现象， 使中心法则更完善,1961年以后Jacob、Nirenberg和 Monod 等取得三个有意义的进展： 1) 证实了mRNA携带着DNA到蛋白质合成机制所 需要的信息 2) 发现了遗传密码 3) 发现了蛋白质依靠tRNA和核糖体的帮助翻译,遗传信息传递的中心法则 （central dogma）,第四阶段：分子生物学高速发展时期,1.1971年 限制性内切酶发现，DNA的 分离成为可能,2. 直读核苷酸序列方法 (1975年Sanger发明),3. DNA体外重组技术 (1972年 Berg发明),1982年 中国科学家人工合成酵母 丙氨酸tRNA,1985年 Mullis建立PCR技术,1981年 T.Cech发现四膜虫rRNA前体的 自我拼接, 称为ribozyme.,人类科学史上的三大工程,人类基因组计划,曼哈顿原子计划,阿波罗登月计划,1990年 美国正式启动人类基因组计划。 (human genome project,HGP),1999年7月我国得到完成人类3号染色体 短臂上一个约30Mb区域的测 序任务，该区域约占人类整个 基因组的1%，简称1%项目。 提前两年于2001年8月 26日,绘 制完成“中国卷” ，赢得了国际 科学界的赞誉。,2003年4月 美、英、日、法、德、中等国政府首脑联 名发表六国政府首脑关于完成人类基因 组序列图的联合声明。,1997年 英国爱丁堡罗斯林研究所首次 育成克隆羊。,水稻基因组（Rice Genome）,2001年10月， 中科院、科技部和国家计委联合向全世界宣布，中国率先完成水稻（籼稻）基因组工作“框架图”的绘制 2002年4月5日， 在Science 杂志上以封面文章的形式发表。,*后基因组计划（post-genome project） 又称为功能基因组学 （functional genomics）,* 蛋白质组（proteome）计划 又称为蛋白质组学（proteomics）,* 随着许多新的RNA功能陆续被发现， 2000年各国科学家提出了RNA组的研究， 称为RNA组学（RNomics） * 生物信息学 (bioinformatics) * 系统生物学 (systems biology),二、DNA研究的临床应用 1. 疾病发病机理的研究 1） 遗传性疾病 基因变异或基因缺陷是疾病发生的根 本原因 如:镰刀状红细胞性贫血的致病因素是由 于珠蛋白第6位氨基酸由谷氨酸突变为 缬氨酸。,如：心血管疾病 型高脂蛋白血症的形成主要是由于 ApoE基因中第112位和第158位的G和C 发生变异，蛋白质肽链上原来 Arg 变成 Cys， 失去与ApoE受体结合的能力，使 血脂升高,2） 肿瘤 癌基因激活和抑癌基因失活分化受阻 肿瘤细胞（永生型） 如：上世纪70年代发现了癌基因 （H-ras) 与抑癌基因(Rb) 。,2. 疾病的基因诊断 DNA诊断： *快速DNA点杂交 *限制性内切酶酶谱分析法 *DNA限制性片段长度多态性 分析法 （RFLP） *聚合酶链反应（PCR）,产前诊断、植床前诊断,3. 疾病的预防与基因治疗 1）采用基因工程产生疫苗药物 2）基因治疗,世界首例癌症疫苗,由美国Merck公司研制，专门针对人乳头状瘤病毒（HPV）的疫苗“加德西”（Gardasil），2006年6月8日获得美国FDA的上市批准。这是世界上第一个，也是惟一一个获准上市的用来预防由HPV 6、11、16和18型引起的宫颈癌和生殖器官癌前病变的癌症疫苗，保护率超过95%。 该癌症疫苗的推出，将是人类首次真正尝试通过疫苗将一种癌症彻底消除。,德国科学家拉尔德·楚尔·豪森 2008年诺贝尔生理学或医学奖,构件分子核苷酸nucleotide,三、核酸的结构,核酸 （多核苷酸 Polynucleotide),（一）分子组成,1.含氮有机碱 （1）嘧啶碱：胞嘧啶Cytosine 胸腺嘧啶Thymine 尿嘧啶Uracil （2）嘌呤碱：腺嘌呤Adenine 鸟嘌呤Guanine,碱基上有修饰： 核苷的大写字母前加上代表修饰基团 的小写字母右上方写明碱基的第几位,m2G 表示 2-N-甲基鸟苷,位置 m32 2 7G 表示 N2，N2，7-三甲鸟苷,数量,S4U 表示 4-硫代尿嘧啶,甲基,(3)稀有碱基,R,苷,2. 戊糖,顺式腺苷,反式腺苷,3.核苷：C-N 糖苷键,嘌呤碱N9 嘧啶碱N1,戊糖C1,* 顺式和反式构象的定义: 相对于糖的一部分,碱基沿糖苷键C-N(对于嘧啶是N 1,对嘌呤是N9)。可以采取2种主要的取向,顺式和反式构象。,假尿苷,5,1,环核苷酸 cAMP 、 cGMP 表示磷酸与3、5核苷 羟基相接,（二）、游离核苷酸的功能 ATP、 GTP、 UTP、 CTP 参于代谢 5FU（5氟尿嘧啶） 抗癌药物 6MP（6巯基嘌呤） 抗癌药物 5-碘脱氧尿苷 治疗病毒性心肌炎 AZT 抗AIDS病毒 （Azido thymidine 叠氮基胸苷） cAMP 、cGMP 第二信使,（三）DNA的一级结构 1. DNA的一级结构是指脱氧核苷酸 （碱基）在DNA分子中的排列顺序 2. DNA分子中脱氧核苷酸的连接方式 3，5磷酸二酯键 3.直线形DNA有二个末端： 5磷酸末端 3羟基末端,A. 分子结构式 B线条式 C字母式,1) 端粒DNA的结构 真核生物线性染色体末端的DNA序列, 称为端粒。 端粒DNA序列相当保 守，端粒DNA的3末端是由数百个串联的重复序列，长5-10 kb。重复序列由G-T丰富的6个核苷酸组成。 人:5-AGGGTTAGGGTT-3,4. 端粒（telomere）DNA结构与功能,荧光原位杂交显示端粒和端粒序列,端粒的重复序列是由端粒酶（telomerase）合成后添加到染色体末端。端粒酶是一种核糖核蛋白复合物，具有逆转录酶的性质，以物种专一的内在RNA为模板，把合成的DNA添加到染色体的3端。,端粒起到细胞分裂计时器的作用，核苷酸复制和基因DNA每复制一次，端粒减少50-100 bp，正常体细胞染色体缺乏端粒酶活性，故随细胞分裂而变短，细胞随之衰老。人的生殖细胞，部分干细胞染色体，肿瘤细胞和永生细胞系具有端粒酶活性。,2）端粒DNA的功能 a 保证线性DNA的完整复制 b 维持染色体的稳定 c 决定细胞的寿命,2009诺贝尔生理学或医学奖 - 端粒酶（telomerase）,Elizabeth Blackburn,Jack Szostak,Carol Greider,1)DNA分子十分巨大，最小的DNA分子 也包含有几千bp，分子量在106以上。 人类基因组含有约3.1647 ×109bp。,5. DNA的一级结构特点,2)每一物种DNA都具有其特有的碱基 组成,3) 有些碱基常被甲基修饰，称为甲基 化(methylation),(1) 细菌DNA甲基化, 各种细菌都具有一定的甲基化模式， 在DNA分子中平均 1%的碱基被甲 基化。,甲基化最多的是腺嘌呤和胞嘧啶,细菌DNA甲基化作用的生物学意义 a. 影响DNA的构象, 影响蛋白质与DNA的 相互作用, 以调节DNA 复制、转录、修 复、重组和包装的过程。 如：发生在-GATC-的腺嘌呤，于DNA 复制产生的错误碱基修复中起作用 b. 多发生于内切酶酶切位点，防止噬菌体 入侵，是一种细菌自身保护机制。,( 2)真核细胞的DNA甲基化 真核细胞DNA中胞嘧啶甲基化最多， 约5%,甲基化为5-甲基胞嘧啶，大多 数甲基化发生在CpG重复序列中。 真核细胞中甲基化酶与去甲基化酶成 双成对存在，都对CpG二核苷酸序列 有特异性，使甲基化与去甲基化成为 可逆的生物学过程。, 多种基因的启动子区和第一外显子（60） 富含CpG，称为CpG岛，通常为非甲基化 状态。散在的CpG