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1、分子细胞生物学笔记分子细胞生物学笔记第一章 基因的结构 第一节 基因和基因组 一、基因(gene)是合成一种功能蛋白或RNA分子所必须的全部DNA序列一个典型的真核基因包括编码序列外显子(exon)插入外显子之间的非编码序列内合子(intron)5-端和3-端非翻译区(UTR) 调控序列(可位于上述三种序列中)绝大多数真核基因是断裂基因(split-gene)，外显子不连续。二、基因组(genome)一特定生物体的整套(单倍体)遗传物质的总和，基因组的大小用全部DNA的碱基对总数表示。人基因组3X1 09(30亿bp)，共编码约10万个基因。每种真核生物的单倍体基因组中的全部DNA量称为C值，

2、与进化的复杂性并不一致(C-value Paradox)。人类基因组计划（human genome project, HGP）基因组学（genomics）,结构基因组学（structural genomics）和功能基因组学（functional genomics）。蛋白质组（proteome）和蛋白质组学（proteomics）第二节 真核生物基因组一、真核生物基因组的特点：?，真核基因组DNA在细胞核内处于以核小体为基本单位的染色体结构中真核基因组中，编码序列只占整个基因组的很小部分(23)，二、真核基因组中DNA序列的分类?(一)高度重复序列(重复次数lO5)卫星DNA(Satellit

3、e DNA)(二)中度重复序列1中度重复序列的特点重复单位序列相似，但不完全一样，散在分布于基因组中序列的长度和拷贝数非常不均一，中度重复序列一般具有种属特异性，可作为DNA标记 中度重复序列可能是转座元件(返座子)，2中度重复序列的分类长散在重复序列(long interspersed repeated segments)?LINES短散在重复序列(Short interspersed repeated segments)?SINESSINES：长度105如人Alu序列LINEs：长度1000bp(可达7Kb),拷贝数104-105，如人LINEl(三)单拷贝序列(Unique Sequen

4、ce)包括大多数编码蛋白质的结构基因和基因间间隔序列，三、基因家族(gene family)一组功能相似且核苷酸序列具有同源性的基因可能由某一共同祖先基因(ancestral gene)经重复(duplication)和突变产生。基因家族的特点：基因家族的成员可以串联排列在一起，形成基因簇(gene cluster)或串联重复基因(tandemly repeated genes)，如rRNA、tRNA和组蛋白的基因；有些基因家族的成员也可位于不同的染色体上，如珠蛋白基因；有些成员不产生有功能的基因产物，这种基因称为假基因 (Pseudogene)a1表示与a1相似的假基因假基因分类。加工过的假

5、基因(processed pseudogene)。典型的基因家族1tRNA基因?单倍体人基因组中1300个tRNA基因，tRNA基因簇2rRNA基因l00copyrRNA基因簇(重复单元28S、18S、5.8s-rRNA)3组蛋白基因30-40copy定位：7q32-q36组蛋白基因簇(重复单位：H1，H2A，H2B，H3、H4)特点：无intron，Poly(A)- RNA?4珠蛋白基因类：16p13，基因簇(24Kb)：51213类：11p15，基因簇(60Kb)：5 GrAr3四、超基因家族(Supergene family ，Superfamily)由基因家族和单基因组成的大基因家族，

6、结构上有程度不等的同源性，但功能不同五、人类基因组中的重复序列标记1、A1u序列单倍体人基因组50万-100万拷贝，平均每隔3-6Kb就有一个Alu序列，人A1u序列长300bp：2X130bp重复序列；?+31bp间隔序列(中间)；两侧7-21bp正向重复(direct repeats)，返座子?Alu序列广泛散布于人基因组，约90%巳克隆的人基因合有Alu序列Alu序列标志。2、可变数串联重复?，?Variable number tamdem repeat， VNTR又称小卫星DNA(minisatellite DNA)由短重复单位(6-40bp)串联重复(6-100次以上)而成，多位于基

7、因的非编码区，广泛分布。VNTR多态性分子标记DNA指纹图（fingerprint）.小卫星DNA突变与肿瘤，H-Ras。3、短串联重复（short tandem repeat,STR）又称微卫星DNA（microstallite DNA）2-6个核苷酸组成的重复单位串联重复(10-60次),两侧为特异的单拷贝序列，人基因组中每l0kb DNA序列至少一个STR序列。CA)n，50，000-100，000拷贝新一代遗传标记，人类基因组研究，肿瘤，遗传病第三节 线粒体基因组人线粒体基因组的特点：1、人线粒体基因组为16，569bp的双链闭环分子，一条链为重链(H链)，一条链为轻链(L链)，两条链

8、均有编码功能，每个mtDNA分于编码13种蛋白质和24种结构RNA(22rRNA，2tRNA)2、线粒体DNA为母系遗传3、结构基因不含内含子，部分区域有基因重叠，因此病理性mtDNA突变更易发生4、mtDNA突变频率更高5、线粒体DNA突变的表型表达与核DNA不同。第四节 细菌和病毒基因组一、细菌基因组的特点。1功能相关的几个结构基因往往串联在起，受它们上游的共同调控区控制，形成操纵子结构，2结构基因中没有内含子，也无重叠现象。3细菌DNA大部分为编码序列。二、病毒基因组的特点1每种病毒只有一种核酸，或者DNA，或者RNA；2病毒核酸大小差别很大，3X103一3X106bp；3除逆病毒外，所

9、有病毒基因都是单拷贝的。4大部份病毒核酸是由一条双链或单链分子(RNA或DNA)，仅少数RNA病毒由几个核酸片段组成?5真核病毒基因有内含子，而噬菌体（感染细菌的病毒）基因中无内含子6有重叠基因第五节 染色质和染色体细胞分裂间期染色质(chromatin)分裂期染色体(chromosome)一、染色质的基本单位核小体(一)核小体(nucleosome)结构DNA绕在组蛋白八聚体(H2A、H2B、H3、H4各一对)核心外1.8周(146bp),形成核小体核心颗粒。两个核小体核心颗粒之间有Linker DNA(0-80bp)，核小体核心颗粒+Linker=核小体(长180-210bp)核小 体DN

10、A Ladder(二)组蛋白(histone)：一类小的带有丰富正电荷胞浆胞浆内Ca2+的调节一通过(质膜和钙库膜上的)钙离子通道(进入)和钙泵(出)，钙通道开放的条件：质膜或钙库膜去极化(可兴奋细胞)；成IP3介导钙库膜上钙通道开放(任何细胞)钙泵激活线粒体钙泵的作用Ca2+功能：与钙调蛋白(calmodulin, CaM)结合形成Ca2+?CaM复合物：激活腺苷酸环化酶和磷酸二酯酶，激活Ca2+?CaM依赖蛋白激酶钙通道阻断剂及其临床应用。五、一氧化氮(NO)NO合成酶催化L-精氨酸生成NO和胍氨酸NO合成酶(NOS)分类：神经元型(nNOS)内皮细胞型(ecNOS)诱导型（iNOS)功能

11、：激活乌苷酸环化酶，刺激cGMP合成。NO的生理病理作用第二节 蛋白激酶和蛋白磷酸酯酶蛋白激酶(Protein kinase，PK)催化蛋白质的含羟基氨基酸(丝苏和酪)的侧链羟基形成磷酸酯（ATP的磷酸基转移至氧）蛋白质磷酸酯酶(Protein phosphatase，PPase)催化磷酸蛋白的磷酸酯键水解而去磷酸化。细胞内任何一种蛋白质的磷酸化状态是由蛋白激酶和蛋白磷酸酯酶的两种相反酶活性之间的平衡决定的。蛋白质可逆磷酸化的调节在信号转导过程中有重要作用，是细胞生命活动的调控中心。一、信号转导过程中的蛋白激酶一)丝氨酸苏氨酸蛋白激酶(SerThr PK)是一大类特异地催化蛋白质的丝氨酸和苏氨

12、酸残基磷酸化的激酶家族，参与多种信号转导过程。1、蛋白激酶A（PKA)-cAMP依赖性蛋白激酶.PKA由两个催化亚基C和两个调节亚基R所构成PKA参与cAMP介导的转录水平调控。PKA的其它(下游)底物：多种代谢相关酶核内组蛋白和非组蛋白膜蛋白等。2、蛋白激酶C(PKC)-Ca2+激活的磷脂依赖性蛋白激酶调节：可被Ca2+，DAG和磷脂酰丝氨酸激活TPA(佛波酯)也可激活PKC分子由N-端的调节区和C端催化区（亲水的蛋白激酶结构域）所组成。 PKC有多种亚型(12种)PKC可激活：受体，如EGFR，胰岛素受体，细胞因子受体等。细胞骨架蛋白如Map，Tau膜蛋白，如Na+-H+交换蛋白，Ca2+

13、-ATP酶等核蛋白转录因子，起始因子等，信号转导物如鸟苷酸环化酶，Raf-1等3、Ca2+?钙调蛋白依赖性蛋白激酶(Cam-PK)Cam-PKII是一种多功能的蛋白激酶4。cGMP依赖的蛋白激酶(PKG)功能：调节胞内钙离子5，DNA依赖的蛋白激酶(DNA-PK)调节：结合游离DNA片段后被激活，底物：核内DNA结合蛋白和转录因子，如SPl，FosJun，Myc和P53，作用：参与DNA修复和重组,通过激活TF调节基因表达;参与细胞周期的关卡机制(Checkpoint).6丝裂原激活的蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinase， MAPK)调节：MAPK激酶-M

14、APKK（MEK）。下游底物：核内转录因子如Myc，Jun，Ets及其它胞内蛋白(二)酪氨酸蛋白激酶（Tyrosine protein kinase，TPK)特异地催化蛋白质的酪氨酸残基磷酸化，蛋白质酪氨酸磷酸化在细胞生长，分化和转化的调节中起重要作用。1、经典的src激酶家族原癌基因c-src蛋白产物Src是一种酪氨酸蛋白激酶，它有三个基本结构域：从C-端至N-端依次为SH1、SH2，SH3(SH=src homolog)。SHl结构域：具酪氨酸激酶活性，SH2结构域：能识别并结合含磷酸化酪氨酸的短序列，SH结构域：通过脯氨酸和疏水性氨基酸残基与靶蛋白结合，Src家族：包括原癌基因src，y

15、es，lyn，fyn，lck，blk，fgr，bcd和yrk编码蛋白，它们都有TPK活性共同参与细胞转化的信号转导过程SH2结构域在信号转导途径中的重要作用：由于含SH2结构域的信号转导分子可以识别和结合其他含磷酸化酪氨酸的蛋白，因此，通过蛋白质的酪氨酸磷酸化去磷酸化调节可以决定信号转导分子的结合与解离，从而导致信号的开启或关闭。2、JAK嫩酶家族JAK(Janus kinase)激酶家族包括Jakl，Jak2，Jak3，Tyk2等，Jak激酶具有一个TPK结构域和一个激酶样结构域，它们与Src的TPk激酶结构域具有同源性，但JaK激酶没有SH2，SH3结构域；Jak激酶主要参与细胞因子的信号

16、转导二、蛋白磷酸酯酶对磷酸化的调节(一)、丝氨酸苏氨酸蛋白磷酸酯酶?这类酶选择性地作用于含磷酸丝氨酸或磷酸苏氨酸残基的肽链，使之脱去磷酸基团并改变生物活性主要成员：PPl，PP2A，PP2B，PP2C，等PP2A，催化亚基及其功能?(二)酪氨酸蛋白磷酸酯酶(PTPase)蛋白质酪氨酸磷酸酯酶催化磷酸化酪氨酸残基的去磷酸化反应，与相应的酪氨酸蛋白激酶共同调节蛋白质的磷酸化水平，PTPase家族可分为2类：1、胞质型(非受体型)：小的可溶性蛋白，只有一个催化结构域，特点是合有SH2 domain，如PTPlC，PTPlB等?，2受体型(PTPR)，是大的跨膜蛋白，特点是有2个串联的胞浆催化结构域，

17、如白细胞共同抗原CD45，PTPlC(存在于造血细胞)：N端2个串联重复的SH2结构域识别Tyr?P，并指导蛋白与蛋白结合)，C端为磷酸酯酶催化结构域。Jak可作为PTP1C底物PTPase基因可能是肿瘤抑制基因第三节?细胞膜受体介导的信号转导一、受体的分类质膜受体和胞内受体（胞浆或核受体，如类固醇激素受体）膜受体的分类：（一）G蛋白耦联受体家族又称为七次胯膜受体家族，特点是具有七段跨膜的螺旋结构，本身无酶活性，胞浆侧肽链上有磷酸化位点，受体功能受磷酸化调节。成员；肾上腺素受体、多巴受体、视紫红蛋白等。（二）酪氨酸激酶受体家族受体本身胞浆侧有蛋白酪氨酸激酶活性，并且胞浆侧肽链上有自身磷酸化位点

18、，配基结合后受体形成二聚体，二聚体中每个亚基可以磷酸化对应的另一亚基，从而启动信号转导。这类受体主要包括多数生长因子受体(如IGF，EGF，PDGF，NGF，SCF，HGF等生长因子的受体)，除胰岛素受体外，这类受体均由一条肽链组成(三)细胞因子受体家族这类受体本身无TPK活性，但其胞浆侧近膜部分有非受体酪氨酸蛋白激酶的结合位点，在配基与受体结合后，受体发生二聚化或寡聚化，并激活Jak族蛋白酪氨酸激酶此类受体包括细胞因子受体以及生长激素、促乳素等受体细胞因子(cytokine)：是淋巴细胞和造血细胞产生的一大类对细胞生长和分化有调节作用的蛋白因子。包括干扰素(IFN)、白细胞介素(IL)、白血

19、病抑制因子（LIF）、抑癌素M等 (但IL-8R为G蛋白藕联受体)(四)离子通道受体与配基结合后构成离子通道，主要存在于神经突触，如乙酰胆碱(ACH)，5-HT受体等。二、G蛋白介导的信号转导?。G蛋白藕联受体的信号转导途径由三部分组成：细胞膜受体；G蛋白效应物(effector)，其中G蛋白将受体与效应物藕联G-蛋白(G-protein)是一种鸟苷酸结合蛋白，是由、和三个亚基组成的异三聚体， 多，和亚基总是紧密结合在一起作为一个功能单位GG亚基可分为Gs,Go,Gi,Gq等，其活性可被霍乱毒素（CT）或百日咳毒素（PT）修饰。G-蛋白介导的信号转导的机制：G-蛋白循环。G-pr的效应物：离子

20、通道、腺苷酸环化酶、磷脂酶C、磷脂酶A2等三、RAS-MAPK信号转导途径1、途径中的信号分子Ras：具鸟苷酸结合活性的一种胞浆蛋白（与G-蛋白不同)Ras活性与其结合的鸟苷酸有关。鸟苷酸交换因子（SOS）Ras?GDP?Ras?GTP(失活)?GTP酶激活蛋白（GAP）?（激活） 接头蛋白：生长因子受体结合蛋白Grb2，通过其SH2结构域与Tyr被磷酸化的受体结合，同时通过其SH3域与具有pro富集区的SOS结合，并通过SOS活化Ras蛋白2、Ras-MAPK途径：生长因子生长因子受体(具酪氨酸激酶活性)含有SH2结构域的接头蛋白(如Grb2)鸟苷酸交换因子SOSRas-GTPRaflMAP

21、KK（MEK）MAPK转录因子调节基因表达。3Ras-MAPK途径的调节Ras-MAPK途径中信号转导分子的突变(如Ras)和表达量的改变其他信号转导途径的影响cAMP-PKA：抑制Raf-1；?PKC：活化Rafl，四、Jak-stat途径：STAT：信号转导物与转录激活剂（signal transducer and activators of transcription）至少6种，分子量84-113KD，含一个SH2结构域(羧端)，一个SH3样结构域，并合有DNA结合域，Stat的激活依赖通过磷酸化形成二聚体Jak-Stat途径：细胞因子受体(二聚体化)JakStatStat二聚体(活化)

22、易位至核，影响转录拓扑异构体的互变由拓扑异构酶催化。发生一条链或两条链的断开和连接。拓扑异构体：具有完全相同的碱基顺序,但L 值不同的超螺旋。分为I, II 型两种拓扑异构酶：Topoisomerase I , II 第三节 DNA双螺旋的呼吸作用 甲醛的变性实验呼吸作用的定义碱基对的稳定性生物学作用第四节 DNA的变性复性和分子杂交 一、变性(溶解) 在某些物理化学因子的作用下，DNA 双链间的氢键断裂，双链解离形成单链。性质变化增色效应；黏度降低；沉降速度增加。因素温度：温度升高引起的DNA 变性称热变性。加热使氢键断裂。可用热变性曲线描述热变性过程。见下图融点Tm：50%DNA 分子解链

23、时的温度。融点与DNA 分子中的GC 有关，随（G+C）% 的含量呈线性增加化学：甲酰胺破坏氢键二、复性去除变性条件后，单链DNA 在适当条件下重新形成双链，回复到原有的物理和生物学特性。 复性动力学复性过程是两条单链DNA 碰撞形成双链DNA 的过程，是双分子反应。服从二级反应动力学规律。控制复性反应的两个参数是C0 和t Rate of reaction The reaction follows the second order equation C is the concerntration of DNA that is single-stranded at time t k is a

24、reassociation rate constant. Progress of reaction Integrate the rate equation between the limits; Initial concerntration of DNA=C0 at time t=0; Concentration remaining single stranded=C after time t Critical parameter is C0t1/2 When the reaction is half complete at the time t=1/2 Therefore C0t1/2=1/

25、k. 复性反应进行到50% 时的C0 .t 为C0 t1/2 C0t 曲线：用已经复性的DNA 浓度，即1C/C0 对C0t 的对数作图。如右图所示. C0t 值的意义：C0 t1/2 值可以用来表示反应体系中DNA 的总长度（单拷贝）。这种总长度称为DNA 的复杂性。通过测定复性动力学可以预测基因组的大小。真核基因组DNA 的复性动力学：第1 是快复性动力学组分，高度重复序列。第2 是中复性动力学组分，中度重复序列。第3 是慢复性动力学组分，单拷贝序列。X：DNA 的复杂性C0t 曲线特征：原核生物每种图形的现状大致相同；重复序列多,复性快。曲线意义：求DNA 的复杂度。三、分子杂交 原理：

26、基于DNA 的变性与复性的特性。双链DNA 加热以后，变成单链，在去除变性条件后，在一定的条件下，具有互补顺序的DNA 能再形成双链。探针：一种标记的一段DNA 或RNA，与待测基因序列的DNA 或RNA 互补分子杂交技术的种类：固相杂交（待测核酸固相化）；Southern blot ，待测核酸为DNA；Northern blot ，待测核酸为RNA。液相原位杂交示意图：Dots hybridization，点状杂交，待测核酸为DNA 或RNA；Colony or plaque hybridization， 菌落或噬菌班杂交，待测核酸为DNA。Tissue hybridization ，组织原位杂交，检测mRNA 表达和定位。研究基因的定位，拷贝数，测序。菌落原位杂交：基因文库：染色体DNA 文库，cDNA 文库。第三章基因和基因组 一、原核生物基因组特征通常含有质粒；操纵子结构；顺反子；只有一个染色体；有SD 序列；基因重叠；一般没有内含子；只有一个复制起始位点；