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1、分子生物学,孙金凤,淮阴工学院生化学院,1,Molecular Biology,教材,分子生物学杨建雄 化学工业出版社(2009-06出版),2,本课程考核要求,平时成绩：30%（包括出勤、课堂表现、作业等）考试成绩：70%,3,本课程主要章节,第1章 绪论 1h第2章 核酸的结构和功能 4h第3章 基因和基因组 5h第4章 DNA复制 2h第5章 DNA的损伤和修复 2h第6章 DNA的重组和克隆 4h第7章 RNA的生物合成 2h,第8章 转录产物的加工 2h第9章蛋白质的生物合成 1h第10章 肽链合成后的加工和输送 1h第11章 原核生物基因表达的调控 2h第12章 真核生物基因表达的
2、调控 4h,4,第1章 绪论,1.1 分子生物学的概念 1.2 分子生物学的研究内容1.3 分子生物学的发展和展望,5,1.1分子生物学的概念 1938年Report of the Rockefeller Foundation首次使用了molecular biology一词。广义的分子生物学是研究生物大分子结构和功能的学科。按此定义，除了核酸的结构和功能是分子生物学的基本内容外，分子生物学还包括蛋白质的结构和功能，酶的作用机制，膜的结构和功能，细胞的信号传导等内容，可以说，广义的分子生物学可以包罗现代生物学在微观领域的绝大部分内容。狭义的分子生物学主要研究基因和基因组的结构与功能，DNA复制及
3、损伤修复，基因的重组和克隆，RNA的转录及转录产物的加工、蛋白质的生物合成及肽链合成后的加工，基因表达的调控等内容，其中也涉及与这些过程相关的蛋白质和酶的结构与功能。,6,1.2 分子生物学的研究内容,7,对基因和基因组的研究一直是分子生物学发展的主线。分子生物学第二个方面的研究内容是基因传递和表达的途径。分子生物学第三个方面的研究内容是基因表达的调控。,1.3 分子生物学的发展和展望,8,分子生物学是随着遗传学、细胞生物学和生物化学等学科的发展兴起的。在遗传学方面，Mendel 经过7年的豌豆杂交实验，于1865年发表了题为Experiments in plant Hybridization
4、(植物杂交实验)的论文，总结了基因的分离定律和自由组合定律两条基本规律。,遗憾的是Mendel的研究成果并没有得到当时生物学界的重视，直到35年以后，他的遗传学理论才被重新发现，并得到广泛认同，成为经典遗传学的基础，Mendel也被公认为是经典遗传学的奠基人。,1910年Morgan利用果蝇进行遗传学实验，发现了基因的连锁规律，也证实了遗传的染色体学说。Morgan因为“发现了染色体在遗传中所起的作用，证明了基因位于染色体上”而获得1933年的诺贝尔生理学或医学奖。,摩尔根及其同事、学生用果蝇做实验材料。到1925年已经在这个小生物的四对染色体上鉴定了约100个不同的基因。并且由交配试验而确定
5、链锁的程度，可以用来测量染色体上基因间的距离。1911年他提出了“染色体遗传理论”。1933年，摩尔根获得诺贝尔生理医学奖。,9,直到1944年Avery通过肺炎球菌转化实验证明，DNA可以使生物体的遗传性状发生改变，从而揭示了转化因子的化学本质。1952年Hershey和Chase利用噬菌体感染细菌实验，进一步证实了DNA是遗传物质。,10,证明DNA是遗传物质的经典实验,第二章核酸的结构和功能,4h,11,本章主要内容,2.1 DNA是主要的遗传物质2.2 核酸的组成成分2.3 核酸的一级结构2.4 DNA 的二级结构,2.5 DNA的高级结构2.6 RNA的结构和功能2.7 核酸的性质2
6、.8 核酸的研究方法2.9 核酸的序列测定,12,2.1 DNA是主要的遗传物质,13,现已证明，除少数病毒以RNA为遗传物质外，多数生物体的遗传物质是DNA。,下一节,本章目录,核酸可以水解成核苷酸，核苷酸可以水解成磷酸和核苷，核苷可以水解成戊糖和碱基，碱基可以分成多种类型。,2.2 核酸的组成成分,14,2.2.1 戊糖2.2.2 含氮碱基2.2.3 核苷2.2.4 核苷酸,下一节,本章目录,上一节,实验证明DNA和RNA都是没有分支的多核苷酸长链，核苷酸间的连接键是3,5-磷酸二酯键连接。,2.3 核酸的一级结构,15,下一节,本章目录,上一节,2.4 DNA 的二级结构,16,2.4.
7、1 双螺旋结构的实验依据2.4.2 DNA双螺旋结构的要点2.4.3 DNA二级结构的其它类型,下一节,本章目录,上一节,2.5.1 环状DNA的超螺旋结构2.5.2 真核生物染色体的结构,2.5 DNA的高级结构,17,下一节,本章目录,上一节,2.6 RNA的结构和功能,18,2.6.1 tRNA2.6.2 rRNA2.6.3 mRNA 和hnRNA2.6.4 snRNA和snoRNA2.6.5 asRNA和RNAi2.6.6 非编码RNA的多样性,下一节,本章目录,上一节,2.7 核酸的性质,19,2.7.1 一般理化性质2.7.2 紫外吸收性质2.7.3 核酸结构的稳定性2.7.4 核
8、酸的变性2.7.5 核酸的复性,下一节,本章目录,上一节,2.8 核酸的研究方法,20,2.8.1 核酸的提取与沉淀,2.8.2 核酸的电泳分离,2.8.3 核酸的超速离心,2.8.4 核酸的分子杂交,2.8.5 DNA芯片技术及应用,2.8.6 核酸的化学合成,下一节,本章目录,上一节,2.9 核酸的序列测定,21,2.9.1 链终止法2.9.2 焦磷酸测序技术,本章目录,上一节,第3章 基因和基因组,22,本章主要内容,3.1 基因的概念3.2 基因的类型3.3 基因组3.4 真核生物的基因组3.5 结构基因组学3.6 功能基因组学,23,3.1 基因的概念,3.1.1 关于基因认识的发展
9、3.1.2 基因的概念,下一节,本章目录,24,3.2 基因的类型,基因家族和基因簇 假基因 重叠基因3.2.4 移动基因 断裂基因,下一节,本章目录,上一节,25,3.3 基因组,基因组的概念 病毒的基因组 原核生物的基因组,下一节,本章目录,上一节,26,3.3.2 病毒的基因组,27,3.3.2.1 病毒基因组的一般特点3.3.2.2 病毒的核酸3.3.2.3 噬菌体的基因组3.3.2.4 X174噬菌体基因组3.3.2.5 SV40病毒基因组3.3.2.6 腺病毒基因组3.3.2.7 逆转录病毒基因组,3.3.3 原核生物的基因组,28,3.3.3.1 细菌基因组的一般特点3.3.3.
10、2 细菌的染色体基因组大肠杆菌染色体3.3.3.3 细菌的自主遗传物质质粒,3.4 真核生物的基因组,真核生物基因组的特点 真核生物基因组的重复序列 线粒体基因组的结构 叶绿体基因组的结构,下一节,本章目录,上一节,29,3.5 结构基因组学,3.5.1 遗传图谱和物理图谱3.5.2 重叠群的建立3.5.3 高分别率物理图谱的制作分子标记3.5.4 序列测定3.5.5 基因定位,下一节,本章目录,上一节,30,3.6 功能基因组学,3.6.1 功能基因组学的概念3.6.2 蛋白质组学3.6.3 生物信息学,本章目录,上一节,31,DNA的生物合成,第4章,32,本章主要内容,4.1 DNA复制
11、的概况4.2 原核生物DNA的复制4.3 真核生物DNA的复制4.4 DNA复制的其它方式4.5 DNA复制的高度忠实性4.6 逆转录作用4.7 原核生物DNA复制的调控4.8 真核生物DNA复制的调控,33,4.1 DNA复制的概况,4.1.1 DNA的半保留复制4.1.2 复制的起点和方向,下一节,本章目录,34,下一节,本章目录,上一节,4.2 原核生物DNA的复制,4.2.1 参与原核生物DNA复制的酶和蛋白质4.2.2 复制的起始4.2.3 DNA链的延伸4.2.4 复制的终止,35,4.3 真核生物DNA的复制,4.3.1 参与真核生物DNA复制的酶和蛋白质4.3.2 真核生物DN
12、A复制的特点4.3.3 真核生物DNA复制的过程4.3.4 端粒DNA的复制4.3.5 DNA复制与核小体组装,36,下一节,本章目录,上一节,4.4 DNA复制的其它方式,4.4.1 滚环复制4.4.2 取代环复制4.4.3 线形DNA末端复制的问题,37,下一节,本章目录,上一节,DNA作为遗传物质必须能够准确的复制，保障其复制具有高度忠实性的机制主要有：(1)四种脱氧核苷三磷酸浓度的平衡(2)DNA pol的高度选择性(3)DNA pol的自我校对(4)使用RNA引物(5)错配修复,4.5 DNA复制的高度忠实性,38,下一节,本章目录,上一节,4.6 逆转录作用,4.6.1 逆转录病毒
13、的结构4.6.2 cDNA的合成4.6.3 原病毒DNA的整合4.6.4 逆转录作用的生物学意义,39,下一节,本章目录,上一节,4.7 原核生物DNA复制的调控,4.7.1 大肠杆菌染色体DNA的复制调控4.7.2 ColEl质粒DNA复制的调控4.7.3 R6K质粒DNA复制的调控4.7.4 单链DNA噬菌体复制的调控4.7.5 噬菌体DNA复制的调控,40,下一节,本章目录,上一节,复制起点OriC的甲基化延迟关键的起始蛋白DnaA的合成受阻,4.8 真核生物DNA复制的调控,4.8.1 SV40病毒DNA复制的调控4.8.2 腺病毒DNA复制的调控4.8.3 酵母染色体DNA的复制调控
14、,41,本章目录,上一节,第5章 DNA的损伤与修复,42,2h,本章主要内容,5.1 DNA损伤的产生5.2 基因的突变5.3 DNA损伤的修复,43,5.1 DNA损伤的产生,5.1.1 DNA分子的自发性损伤5.1.2 物理因素引起的DNA损伤5.1.3 化学因素引起的DNA损伤,下一节,本章目录,44,5.2 基因的突变,5.2.1 突变的类型5.2.2 突变的回复和校正5.2.3 诱变剂和致癌剂的检测,下一节,本章目录,上一节,45,5.3 DNA损伤的修复,5.3.1 直接修复 切除修复 损伤跨越 DNA缺陷修复与癌症的关系,本章目录,上一节,46,DNA损伤修复的类型,第6章DN
15、A重组和克隆4 h,47,本章主要内容,6.1 同源重组6.2 位点特异性重组6.3 转座重组6.4 逆转录转座子6.5 转座的分子机制6.6 聚合酶链式反应技术6.7 DNA克隆6.8 克隆基因的表达6.9 转基因植物和转基因动物,48,遗传重组的类型,6.1 同源重组,6.1.1 同源重组的分子模型6.1.2 细菌的基因转移与重组6.1.3 细菌同源重组的酶学机制6.1.4 真核生物的同源重组,下一节,本章目录,49,6.2 位点特异性重组,6.2.1 位点特异性重组的机制6.2.2 噬菌体DNA的整合与切除 6.2.3 细菌的特异位点重组6.2.4 免疫球蛋白基因的V(D)J重组,下一节
16、,本章目录,上一节,50,6.3 转座重组,6.3.1 转座子的概念6.3.2 原核生物的转座子6.3.3 真核生物的转座子,下一节,本章目录,上一节,51,6.4 逆转录转座子,6.4.1 逆转录转座子的结构6.4.2 逆转录转座子的生物学意义,下一节,本章目录,上一节,52,6.5 转座的分子机制,6.5.1 非复制型转座6.5.2 复制型转座,下一节,本章目录,上一节,53,6.6 聚合酶链式反应技术,6.6.1 PCR的基本原理6.6.2 PCR反应体系的优化6.6.3 PCR技术的扩展,下一节,本章目录,上一节,54,6.7 DNA克隆,6.7.1 用于DNA克隆的工具酶6.7.2
17、常用的克隆载体6.7.3 DNA分子的体外连接6.7.4 重组DNA导入受体细胞6.7.5 重组子的筛选6.7.6 基因组文库的构建6.7.7 cDNA文库的构建6.7.8 目的基因的来源,下一节,本章目录,上一节,55,6.8 克隆基因的表达,6.8.1 检测表达产物的方法6.8.2 外源基因在原核细胞中的表达6.8.3 外源基因在真核细胞中的表达,下一节,本章目录,上一节,56,提高外源基因在原核细胞中表达水平的措施,6.9 转基因植物和转基因动物,6.9.1 转基因植物6.9.2 转基因动物,本章目录,上一节,57,第7章RNA的生物合成,本章主要内容,7.1 RNA生物合成的概况7.2
18、 原核生物的转录7.3 真核生物的转录7.4 转录校对7.5 转录过程的选择性抑制7.6 RNA复制,7.1 RNA生物合成的概况,从细菌到人类，RNA聚合酶本质上均催化同一种反应，即在一定的模板(DNA或RNA)指导下，以4种核苷三磷酸（rNTP）为原料，按碱基配对规律，从53合成RNA链。,下一节,本章目录,Template and nontemplate(coding)DNA strands,7.2.1 原核生物的RNA聚合酶7.2.2 转录的起始7.2.3 RNA链的延伸7.2.4 转录的终止,下一节,本章目录,上一节,7.2 原核生物的转录,原核生物启动子,7.3.1 真核生物转录的
19、特点7.3.2 真核生物的RNA聚合酶7.3.3 RNA聚合酶II催化的转录7.3.4 RNA聚合酶I催化的转录7.3.5 RNA聚合酶III催化的转录,7.3 真核生物的转录,下一节,本章目录,上一节,RNA pol缺乏3-核酸外切酶活性，因此无法进行类似DNA复制的校对。不过，转录过程中有另外的两种校对机制，可以保障转录的忠实性。(1)焦磷酸解(2)水解编辑,7.4 转录校对,下一节,本章目录,上一节,RNA转录的抑制剂包括碱基类似物，DNA模板功能的抑制剂，和RNA聚合酶的抑制剂。,7.5.1 碱基类似物7.5.2 DNA模板功能的抑制剂7.5.3 RNA聚合酶的抑制物,7.5 转录过程
20、的选择性抑制,下一节,本章目录,上一节,7.6 RNA复制,7.6.1 RNA复制的特点7.6.2 双链RNA病毒的RNA复制7.6.3 正链RNA病毒的RNA复制7.6.4 负链RNA病毒的RNA复制7.6.5 无模板的RNA合成,本章目录,上一节,第8章转录产物的加工,本章主要内容,8.1 原核生物RNA的转录后加工8.2 真核生物tRNA前体的转录后加工8.3 真核生物rRNA前体的转录后加工8.4 真核生物mRNA前体的加工8.5 不同类型内含子的比较8.6 核酶,在原核生物中，rRNA的基因与某些tRNA的基因组成混合操纵子，其余tRNA基因也成簇存在，并与编码蛋白质的基因组成操纵子
21、。它们在形成多顺反子转录物后，经切割成为rRNA和tRNA的前体，然后进一步加工成熟。除了少数例外，原核生物的mRNA一经转录，通常都立即进行翻译，一般不进行转录后的加工。,8.1.1 原核生物tRNA前体的加工8.1.2 原核生物rRNA前体的加工8.1.3 原核生物mRNA前体的加工,8.1 原核生物RNA的转录后加工,下一节,本章目录,8.2 真核生物tRNA前体的转录后加工,8.2.1 真核生物tRNA前体的结构特点8.2.2 内含子的剪接8.2.3 在3-端添加-CCA8.2.4 核苷酸的修饰,下一节,本章目录,上一节,8.3.1 rRNA基因的结构8.3.2 rRNA前体的核苷酸修
22、饰 8.3.3 rRNA前体的剪切,8.3 真核生物rRNA前体的转录后加工,下一节,本章目录,上一节,hnRNA须在细胞核中经过复杂的加工过程，才被转移到细胞质中行使功能。,8.4 真核生物mRNA前体的加工,8.4.1 形成5-端帽子结构8.4.2 形成3-端的多聚腺苷酸8.4.3 断裂基因的拼接,下一节,本章目录,上一节,8.5.1 I型内含子8.5.2 II型内含子8.5.3 内含子剪接机制的比较,8.5 不同类型内含子的比较,下一节,本章目录,上一节,8.6.1 核酶的发现8.6.2 核酶的类型8.6.3 核酶的结构,8.6 核酶,本章目录,上一节,第9章蛋白质的生物合成,本章主要内
23、容,9.1 蛋白质生物合成的概述9.2 遗传密码的破译9.3 遗传密码的特性9.4 氨酰-tRNA的合成9.5 原核生物的蛋白质合成9.6 真核生物的蛋白质合成9.7 蛋白质生物合成的抑制剂,9.1 蛋白质生物合成的概述,下一节,本章目录,9.1.1 mRNA是蛋白质合成的模板9.1.2 tRNA是氨基酸的运载体9.1.3 核糖体是蛋白质合成的场所9.1.4 参与蛋白质合成的各种辅因子,9.2.1 遗传密码是三联体,9.2 遗传密码的破译,9.2.2 用人工合成的多聚核苷酸破译遗传密码,9.2.3 用人工合成的三核苷酸破译遗传密码,下一节,本章目录,上一节,9.3.1 遗传密码是连续排列的三联
24、体,9.3 遗传密码的特性,9.3.2 起始密码与终止密码,9.3.3 遗传密码的简并性,9.3.4 遗传密码的变偶性,9.3.5 遗传密码的通用性,9.3.6 遗传密码的防错系统,可读框,下一节,本章目录,上一节,9.4.1 合成氨酰-tRNA的反应,9.4 氨酰-tRNA的合成,9.4.2 氨酰-tRNA合成酶的特异性,下一节,本章目录,上一节,9.5.1 原核生物肽链合成的起始,9.5 原核生物的蛋白质合成,9.5.2 原核生物肽链的延伸,9.5.3 原核生物肽链合成的终止,下一节,本章目录,上一节,9.6.1 真核生物肽链合成的起始,9.6 真核生物的蛋白质合成,9.6.2 真核生物肽
25、链的延伸,9.6.3 真核生物肽链合成的终止,下一节,本章目录,上一节,比较,9.7.1 原核生物肽链合成的抑制剂,9.7 蛋白质生物合成的抑制剂,9.7.2 真核生物肽链合成的抑制剂,9.7.3 作用于原核生物和真核生物的肽链合成抑制剂,本章目录,上一节,第10章 肽链合成后的加工和输送,主要内容,10.1 肽链合成后的加工10.2 肽链合成后的定向输送,10.1.3 多肽链的折叠,10.1.2 氨基酸残基的修饰,10.1.1 肽链的剪接,10.1 肽链合成后的加工,下一节,本章目录,常见的肽链的剪接方式,磷酸化,糖基化,折叠酶,10.2 肽链合成后的定向输送,10.2.2 翻译后途径,10
26、.2.1 共翻译途径,本章目录,上一节,信号肽,粗面内质网,细胞质内游离的核糖体,蛋白质定向运输的方式,第11 章 原核生物基因表达的调控,2h,87,本章主要内容,11.1 原核生物基因表达调控的概述11.2 DNA水平的调控11.3 操纵子对基因表达的调控11.4 转录终止阶段的调控11.5 翻译水平的调控11.6 核开关和群体感应,88,下一节,本章目录,11.1 原核生物基因表达调控概述,调节型基因和组成型基因,原核生物基因表达调控的层次,正调控和负调控,89,11.2.1 细菌DNA重排对基因表达的影响11.2.2 因子对原核生物转录起始的调控,11.2 DNA水平的调控,下一节,本
27、章目录,上一节,90,11.3.1 操纵子的基本结构 乳糖操纵子 阿拉伯糖操纵子 色氨酸操纵子,11.3 操纵子对基因表达的调控,下一节,本章目录,上一节,91,乳糖操纵子的负调控系统，正调控系统。,色氨酸操纵子的阻遏机制和衰减机制,遗传信息的表达有时序调控和适应调控，转录水平的调控是关键环节，因为这是表达的第一步，转录调控主要发生在起始和终止阶段。转录终止阶段的调控一般包括两种情况：弱化作用和抗终止作用。,11.4 转录终止阶段的调控,抗终止作用11.4.2 弱化作用,下一节,本章目录,上一节,92,11.5.1 mRNA二级结构对基因表达的调控11.5.2 mRNA稳定性对翻译的调节11.
28、5.3 反义RNA对翻译的调控11.5.4 蛋白质合成的自体调控11.5.5 严谨反应与核糖体合成的调控,11.5 翻译水平的调控,下一节,本章目录,上一节,93,魔斑,核开关和群体感应是近年新发现的基因表达调控机制，在细菌中广泛存在，核开关在植物和真菌中也有发现。,11.6.1 核开关11.6.2 群体感应,11.6 核开关和群体感应,本章目录,上一节,94,第12 章 真核生物 基因表达的调控,4h,95,本章主要内容,12.1 真核生物基因表达调控的特点12.2 染色体水平的调控 12.3 染色体基因的重排 12.4 DNA水平的调控12.5 真核生物转录水平的调控12.6 转录后水平的
29、调控12.7 翻译水平的调控12.8 翻译后调控12.9 真核生物发育过程中的基因表达调控,96,原核生物和真核生物基因表达调控的差别12.1.2 真核生物基因表达调控的层次,12.1 真核生物基因表达调控的特点,下一节,本章目录,97,12.2 染色体水平的调控,12.2.1 异染色质化对基因活性的影响12.2.2 组蛋白对基因活性的影响12.2.3 非组蛋白对基因活性的影响 核基质对基因活性的影响12.2.5 基因的丢失12.2.6 基因的扩增,下一节,本章目录,上一节,98,组蛋白密码,组蛋白乙酰化,染色体重排（chromosomal rearrangement）是指染色体发生断裂与别的
30、染色体相连，或者通过基因的转座、DNA的断裂错接而使正常基因顺序发生改变。染色体重排可以产生新的基因，表达新的基因产物。染色体基因重排是原核和真核生物中广泛存在的基因表达调控机制。,12.3 染色体基因的重排,12.3.1 免疫球蛋白基因的重排,12.3.2 酵母交配型染色体的重排,下一节,本章目录,上一节,99,12.4.1 DNA的甲基化,12.4 DNA水平的调控,DNA甲基化对转录活性的影响,下一节,本章目录,上一节,100,真核生物的结构比原核生物复杂，所以真核生物的基因表达除了需要活化染色质，还需要活化基因，即转录水平的调节，而且转录水平的调控是真核生物基因表达调控中最关键的调控阶
31、段。在转录水平的调节中，顺式作用元件和反式作用因子相互作用，共同控制着基因转录的起始和频率。,12.5.1 顺式作用元件的结构12.5.2 反式作用因子的结构和功能 12.5.3 转录调控的作用机制12.5.4 固醇类激素对基因转录的调控,12.5 真核生物转录水平的调控,下一节,本章目录,上一节,101,12.6 转录后水平的调控,12.6.1 可变剪接12.6.2 反式剪接12.6.3 RNA编辑12.6.4 RNA的转运,下一节,本章目录,上一节,102,12.7.1 mRNA稳定性对基因活性的影响12.7.2 翻译起始阶段的调控 12.7.3 mRNA的选择性翻译12.7.4 RNA干扰导致的基因沉默,12.7 翻译水平的调控,下一节,本章目录,上一节,103,蛋白质合成后通常还需加工、修饰和正确折叠才能成为有功能的蛋白质。,12.8 翻译后调控,12.8.1 肽链中氨基酸的共价修饰,下一节,本章目录,上一节,104,12.9.1 母性基因12.9.2 分节基因12.9.3 同源异型基因,12.9 真核生物发育过程中的基因表达调控,本章目录,上一节,105,
