遗传学知识点总结1

绪论

1遗传学

是研究生物遗传变异及其规律的科学，由英国学者贝特森1906年提出。具体说，是指采用许多不同的实验手段从分子、细胞、组织、个体或群体等水平上研究生物体遗传物质的组成、遗传信息的传递及其表达的一门学科

2遗传

亲代与子代(上下代）之间相似的现象

★遗传的特点：相对稳定性、保守性

3、Variation (变异)

亲代与子代之间以及子代个体之间的差异

★变异的特点：普遍性和绝对性

分为可遗传的变异（hereditable variation），和不可遗传的变异

4、Evolution (进化)

生物体在生命繁衍进程中，一代一代繁殖，通过遗传把物种特性传递下去。但不可避免地遭受自然和人为的干涉，即遗传—变异—选择（淘汰坏的，保留好的），后代优于亲代，称为进化。

进化的两种方式：

渐变式：积累变异成为新类型（continual variation），如适应性进化。

跃变式：染色体加倍成为新物种，如倍性育种和基因工程育种。

5、遗传与变异的关系

遗传与变异是矛盾对立统一的两个方面。即遗传是相对的，保守的；变异是绝对的，进步的；变异受遗传控制,不是任意变更的。具体如下：

★遗传与变异同时存在于生物的繁殖过程中，二者之间相互对立、又相互联系，构成生物的一对矛盾。每一代传递既有遗传又有变异，生物就是在这种矛盾的斗争中不断向前发展。★没有变异，生物界就失去了进化的源泉，遗传也就只能是简单的重复；没有遗传，生物物种的相对稳定性就难以保持，即使产生了变异也无法累积，使变异不能传递给后代，变异将失去意义，生物就不能进化。

★产生的可遗传变异经过逐代的遗传逐渐累积，经过选择，逐渐进化成我们现在所看到的生物物种。

6、遗传、变异与选择的关系

★遗传和变异是进化的内因和基础，而选择决定了进化的发展方向。

★自然选择使有利于生物个体生存的变异（优势变异）逐渐累积加强，而不利变异逐渐被淘汰，使形成的新物种适应性更强。而人工选择是人为选择所需要的变异，从而发展成为生产和生活中所需要的品种。因此，遗传、变异和选择是生物进化和新品种选育的三大要素。

7、遗传、变异与进化的关系

生物进化就是环境条件（选择条件）对生物变异进行自然选择，在自然选择中得以保存的变异传递给子代（遗传），变异逐代积累导致物种演变，产生新物种。

动、植物和微生物新品种选育（育种）实际上是一种人工进化过程，只是以选择强度更大

的人工选择代替了自然选择，其选择的条件是育种者的要求。

8遗传学主要包括三个方面：

1、遗传物质的本质（DNA 、RNA）：化学本质、所包含的遗传信息和遗传物质的结构、组织和变化。

2、遗传物质的传递：复制、染色体行为、遗传规律及基因在群体中的数量、变迁等。

3、遗传信息的实现：基因的原初功能、基因的相互作用、基因的调控以及个体发育中的基因作用机制等

9表观遗传学

概念：基因的DNA序列不发生改变的情况下，基因的表达水平与功能发生改变，并产生可遗传的表型。

特征: (1)可遗传；(2) 可逆性；(3) DNA不变

表观遗传学的现象：

(1) DNA甲基化

(2) 组蛋白修饰

(3) MicroRNA

(4) Genomic imprinting

(5)休眠转座子激活…

10遗传学发展：

整体水平-----细胞水平----分子水平；

宏观-----微观；

染色体----基因；

逐步深入到研究遗传物质结构和功能。

遗传的细胞学基础

1原核细胞一般比较小（1-10μm），没有核膜，DNA为裸露的环状分子，通常没有结合蛋白和恒定的内膜系统，主要由细胞壁、细胞膜、细胞质和拟核构成。

主要特点是（1）遗传信息量少;（2）内部结构简单, 没有分化为以膜为基础的专门结构和功能的细胞器和细胞核膜。

2真核细胞的结构：（1）细胞膜；（2）细胞质；（3）细胞核。

具有重要遗传功能的细胞器：线粒体、叶绿体、核糖体和内质网

3细胞质遗传体系

线粒体:mtDNA半保留自我复制，在S期和G2期，

同时受细胞核基因的控制，半自主细胞器

叶绿体：ctDNA半保留自我复制，在G1期，同时受细胞核基因的控制，半自主细胞器。内质网

核糖体

4

5染色体的组成

(1) DNA：约占30%，每条染色体一个双链DNA分子。是遗传信息的载体，也就是所谓的遗传物质。

(2)蛋白质：组蛋白(histone)：呈碱性，结构稳定；与DNA结合形成并维持染色质结构。

非组蛋白：呈酸性，种类和含量不稳定；作用还不完全清楚，可能与基因表达的调控有关。

(3)可能存在少量的RNA。

6真核生物染色质的基本结构

核小体是染色质的基本结构单位，包括约200bp的DNA超螺旋、H2A、H2B、H3、H4各2分子构成的八聚体。

真核生物染色质的高级结构:贝克等(Bak AL, 1977)提出了染色体四级结构模型理论，能够在一定程度上解释染色质状态转化的过程。

核小体+连接丝---螺线体----超螺线体----染色体

7染色质根据对碱性染料反应的差异，可分为

常染色质

是指间期细胞核内染色较浅、低度折叠压缩的染色质，是染色质中转录活跃部位，因此又称为活性染色质，处于常染色质状态是基因转录的必要条件

异染色质

是指间期细胞核内染色很深、压缩程度高,处于凝集状态的染色质，无转录活性，因此也叫非活性染色质。

染色体:指细胞分裂期,染色质卷缩成具有一定形态、结构和能被碱性染料染色很深的物质。

8染色体形态

组成：着丝粒、长臂和短臂、次缢痕、随体、端粒。

★着丝点(主缢痕)：细胞分裂时纺锤丝附着于着丝粒的区域，对于染色体向两极牵引具有决定性作用

★次缢痕、随体：染色体的次缢痕具有组成核仁的功能，随体则由异染色质构成，不具有转录活性

8染色体类型

★中间着丝点染色体: 形态上表现为V形。

★近中着丝点染色体: 表现为L形。

★近端着丝点染色体: 表现棒状。

★顶端着丝点染色体:也显示棒状。

9染色体类别

★同源染色体（Homologous chromosome）

在生物体细胞内，具有形态和结构相同的一对染色体,且含有相同的基因位点；

★非同源染色体（non-homologous chromosome）

一对染色体与另一对形态结构不同的染色体之间，互称为非同源染色体，也叫异源染色体,含有不同的基因位点。

10 在细胞遗传学上，可根据各对染色体的长度、着丝点的位置、长短臂比、次缢痕的位置、随体的有无等形态特征予以分类和编号，以便于识别和研究。这种对生物细胞核内全部染色体的形态特征所进行的分析，称为核型分析

11生长发育必须有三个前提:

首先是细胞体积的增加，

其次遗传物质的复制，

第三是要有一种机制保证遗传物质能从母细胞精确地传递给子细胞，即细胞分裂。

细胞分裂是生物进行生长和繁殖的基础。细胞分裂包括无丝分裂、有丝分裂和减数分裂。12★有丝分裂的意义

1保持生物的遗传稳定性;

2有丝分裂是生物进化的产物，是一种比较完善和理想的细胞分裂方式，促进了生物由低级向高级的进化发展;

3 维持了个体的正常生长和发育。

13减数分裂

又称成熟分裂，是性母细胞形成配子时的一种特殊方式的分裂，染色体复制一次，细胞分裂两次，得到的子细胞染色体数目比母细胞减少一半。

★两次分裂的不同：

第一次分裂是减数的；第二次分裂是不减数的。

第一次分裂复杂，时间长；第二次分裂跟一般的有丝分裂一样。

★同源染色体(homologous chromosome)

在二倍体生物中，每对染色体的两个成员中一个来自父方，一个来自母方，其形态大小相同的染色体称为同源染色体。

★非同源染色体(nonhomologous chromosome)

不属于同一对的染色体称为非同源染色体。

★联会(synapsis)

同源染色体的两个成员侧向连接，像拉链一样地

并排配对称为联会。联会始于偶线期，终止在双线期。

14减数分裂的特点

--具有一定的时空性，也就是说它仅在一定的发育阶段，在生殖细胞中进行。

--减数分裂经第一次分裂后染色体数目减半，所以减数分裂的产物是单倍体。

--前期长而复杂，同源染色体经历了配对（联会）、交换过程，使遗传物质进行了重组。

--每个细胞遗传信息的组合是不同的

15减数分裂的遗传学意义

---通过减数分裂产生的雌雄配子，只具有半数的染色体（N），为双受精合子染色体数目的恒定性提供了物质基础。

---减数分裂中同源染色体的随机拉向两极，非同源染色体在子细胞中的2N种自由组合方式，同源染色体非姐妹染色单体之间的多种可能交换方式，为生物的多样性提供了重要的物质基础。

16生物的生殖方式

(1)无性生殖（Asexual reproduction)

母体直接产生子代的繁殖方式。

(2)有性生殖（Sexual reproduction)

生物体在于特定部位产生雌雄配子，两种配子受精结合成合子，由合子进一步分裂，分化，生长形成新的个体的繁殖方式。

17直感现象

A.胚乳直感(xenia)或花粉(种子)直感

在3n胚乳的性状上由于精核的影响而直接表现父本的某些性状的现象

B.果实直感

种皮或果皮组织在发育过程中由于花粉影响而表现父本的某些性状

18无融合生殖是指不经过雌雄配子融合而产生种子的一种特殊生殖方式。它被认为是有性生殖的一种特殊方式或变态。

分为以下4种类型

--单倍配子体无融合生殖

孤雌生殖、孤雄生殖和无配子生殖

---二倍配子体无融合生殖:指从二倍体的配子体发育而成孢子体的那些无融合生殖类型。

--不定胚

不定胚是最简单的一种方式。它直接由珠心或珠被的二倍体细胞产生为胚，完全不经过配子阶段。这种现象在柑桔类中往往是与配子融合同时发生的。

多胚现象：种子中含有两个或两个以上的胚的现象。

---单性结实

是指子房不经过受精作用发育成果实现象。单性结实的果实中，常不含种子，为无籽果实。

19生活周期是指从合子到成熟个体，再到死亡所经历的一系列发育阶段，包括孢子体世代和配子体世代。

1. 孢子体世代（sporophyte generation）

有性生殖动植物从受精合子发育为一个成熟的个体，在此过程中，无配子形成和受精发生。也称为无性世代。

2. 配子体世代（gametophytic generation）

孢子体经过发育，某些细胞和组织将产生雌雄配子或雌雄配子体，配子经受精作用形成合子的过程。也称为有性世代。

遗传物质的分子基础

1 DNA作为主要遗传物质的间接证据

1每个物种不同组织的细胞不论其大小和功能如何。它们的DNA含量是恒定的，而且配子中的DNA含量正好是体细胞的一半。

2DNA在代谢上是比较稳定的

3DNA是所有生物的染色体所共有

4生物的突变与DNA分子的变异密切相关。

用不同波长的紫外线诱发各种生物突变时，其最有效的波长均为260 nm。这与DNA所吸收的紫外线光谱是一致的。

2 DNA作为主要遗传物质的直接证据

3★DNA分子双螺旋结构模型要点

(1) 两条多核苷酸链以右手螺旋的形式，彼此以一定的空间距离，平行地环绕于同一轴上，很象一个扭曲起来的梯子。

(2) 两条多核苷酸链走向为反向平行。即一条链磷酸二脂键为5’－3’方向，而另一条为3’－5’方向，二者刚好相反。

(3) 每条长链的内侧是扁平的碱基，碱基一方面与脱氧核糖相联系，另一方面通过氢键(hydrogen bond)与它互补的碱基相联系，相互层叠宛如一级一级的梯子横档。互补碱基对A 与T之间形成两对氢键，而C与G之间形成三对氢键。

(4) 上下碱基对之间的距离为3.4?。每个螺旋为34?(3.4nm)长，刚好含有10个碱基对，其直径约为20?。

(5)在双螺旋分子的表面大沟(major groove)和小沟(minor groove)交替出现。

4★DNA双螺旋结构模型的意义

（1）DNA双螺旋模型结构同时表明：DNA复制的明显方式——半保留复制。Waston和Crick 在1953年就指出：DNA可以按碱基互补配对原则进行半保留复制。而在此之前对复制方式人们一无所知。

（2）基因和多肽成线性对应的一个可能的理由：DNA核苷酸顺序规定该基因编码蛋白质的氨基酸顺序；DNA中的遗传信息就是碱基序列；并存在某种遗传密码(genetic code)，将核苷酸序列译成蛋白质氨基酸顺序。

（3）在其后的几十年中，科学家们沿着这两条途径前进，探明了DNA复制、遗传信息表达与中心法则等内容

5★DNA分子的结构特点和功能

结构特点

（1）稳定性：主链：磷酸与脱氧核糖交替排列稳定不变。碱基对：严格遵循碱基配对原则。（2）多样性：碱基个数、排列顺序不同。

（3）特异性：每个DNA分子独一无二。

功能：DNA具有基因的所有属性，基因也就是DNA的一个片段。DNA的基本功能是作为生物遗传信息复制的模板和基因转录的模板，它是生命遗传繁殖的物质基础，也是个体生命活动的基础。

★DNA分子构型的多态性

当DNA在高盐浓度下时，则以A－DNA形式存在

现在还发现，某些DNA序列可以以左手螺旋的形式存在，称为Z－DNA

6RNA的分子结构

--化学组成上看，是由四种核苷酸组成。

--以U代替了T

--核糖代替了脱氧核糖

--绝大部分RNA以单链形式存在，但可以折叠起来形成若干双链区域。在这些区域内，凡互--补的碱基对间可以形成氢键。但有一些以RNA为遗传物质的动物病毒含有双链RNA。

7 DNA复制

复制（Replication）是指以原来的DNA分子为模板合成相同分子的过程，遗传信息通过亲代DNA分子的复制传递给子代

半保留复制(semi-conservative replication)－在DNA复制过程中，双螺旋结构解开而成为单链，分别以DNA双螺旋中的一条链为模板，按碱基互补配对的原则合成两条新的互补链。这样新合成的DNA双链中一股单链是从亲代完整地接受过来，而另一股单链完全重新合成,半保留复制是遗传信息能准确传递的保证,是物种稳定性的分子基础。

DNA复制过程中涉及的酶

(1)、解旋、解链酶类

解链酶解开DNA双链中氢键，消耗ATP

单链结合蛋白与单链DNA结合，保持模板处于单链状态，

保护复制中的DNA单链不被核酸酶降解。

DNA拓扑异构酶复制前：松弛DNA超螺旋，克服扭结现象

复制后：TopoII作用下，重新引入超螺旋（需ATP供能）

(2)、引物酶

--DNA聚合酶合成新DNA时需要引物（一小段RNA）

--引物RNA3’-OH末端作为DNA合成的起始点

--引物酶与多种起始蛋白结合形成引发体

--引物酶催化合成引物

(3)、DNA聚合酶

DNA聚合酶的作用特点：

1模板：解开的DNA双链

2催化底物（dATP、dGTP、dCTP、dTTP）聚合

3形成3′,5′磷酸二酯键

4新链延长方向5 / →3 /

5具核酸外切酶活性

(4)、DNA连接酶

--通过3/，5/-磷酸二酯键连接互补链中DNA片段

--不能连接单独存在的DNA或RNA单链。

复制过程

几个相关概念：

复制起始点(origin, ori):DNA复制开始的特定位点。原核生物只有一个复制起始点；

真核生物染色体DNA有多个复制起始点，同时形成多个复制单位，两个起始点之间的DNA 片段称为复制子

复制叉(replication fork)

复制时双链打开，分开成两股，新链沿着张开的模板生成，复制中形成的这种Y字形的结构称为复制叉

双向复制(bidirectional replication)

原核生物的复制是从一个起始点开始，同时向两个方向进行，称为双向复制。复制中的DNA 成为θ状。

DNA复制的忠实性

DNA复制是通过DNA聚合酶I的酶采取两种方式来提高碱基互补选择的专业性。第一，通过专业性识别使即将加入的碱基与模板上的碱基严格按照互补配对原则完成；第二，当发现存在错配时，切除新加入的错配碱基，从而来最大限度地降低DNA复制过程中发生错误的概率。

原核生物DNA复制的分子机制

★复制的起始

DNA复制的起点原核生物从一个固定的起始点开始，同时向两个方向进行，称为双向复制。

1拓扑异构酶与DNA双链结合，解开超螺旋。

2解链酶解开DNA双螺旋

3单链结合蛋白防止复螺旋

4引物酶合成引物

DNA复制的延伸

1.DNA聚合酶把新生链的第一个脱氧核苷酸加到引物的3‘-OH上，开始新生链的合成过

程

2.冈崎片段冈崎用电子显微镜看到了DNA复制过程中出现一些不连续片段，这些不连续片段只存在与DNA复制叉上其中的一股。后来就把这些不连续的片段称为冈崎片段

3.半不连续复制DNA复制时,一条链是连续的,另一条链是不连续的,称为半不连续复制。

前导链：以3’→5’方向的亲代链为模板连续合成的子代链。

滞后链：以5’→3’方向的亲代链为模板的子代链先逆复制叉移动方向合成冈崎片段，再连接成滞后链。

复制的终止

复制有终止信号

--polⅠ5′→3′外切酶活性水解引物

--polⅠ聚合活性填补空隙

--DNA连接酶连接缺口

★真核生物DNA合成的特点

1、DNA合成发生的时间：仅为细胞周期的S期。

2、真核生物DNA聚合酶多(种类, 拷贝数)

3、复制的起始点为多起点。

4、合成所需的RNA引物和冈崎片断都比原核生物的短。

5、核小体的复制。

6、染色体端粒的复制

染色体末端复制-端粒与端粒酶

★真核生物染色体为线状，存在端粒

主要有三方面的功能1、防止染色体末端为DNA酶酶切

2、防止染色体末端与其它DNA分子的结合；

3、使染色体末端在DNA复制过程中保持完整

8 RNA的自我复制

1、先以自己为模板合成一条互补单链；（模板链称“+”链，新复制的互补链称“-”链）

2、以“-”链作为模板，复制出一条与自己互补的“+”链。

3、“+”链成为一条新的RNA

9 三种RNA分子

1信使RNA (mRNA)

是基因表达过程中遗传信息传递的中介

它起着传递信息的作用

未经加工的前体mRNA(pre-mRNA)在分子大小上差别很大，所以通常称为不均一核RNA(hnRNA）

2转移RNA (tRNA)

如果说mRNA是合成蛋白质的蓝图，则核糖体是合成蛋白质的工厂

tRNA能根据mRNA的遗传密码依次准确地将它携带的氨基酸连结成多肽链。

3核糖体RNA (rRNA)

它是组成核糖体的主要成分，而核糖体则是合成蛋白质的中心。

真核生物的核糖体，含有5S、5.8S、18S和28S 4种rRNA和约80种蛋白质。

原核生物含有5S, 16S和23S三种种rRNA，占总RNA的80%（细胞）

rRNA是单链，它包含不等量的A与U、G与C，但是有广泛的双链区域。在双链区，碱基因氢键相连，表现为发夹式螺旋。

10 转录（transcription）：以DNA为模板，在RNA聚合酶（RNA polymerase）的作用下合成mRNA，将遗传信息从DNA分子上转移到mRNA分子上，这一过程称为转录（transcription）不对称转录：1、DNA分子上只有一条可转录

2、模板链并不总是在同一单链上

模板链、负链、无意义链：用作RNA合成模板的链

非模板链、正链、有意义链、编码链：互补于模板链的DNA链。

11 RNA聚合酶——原核细胞

全酶= 核心酶（α2ββ’）+ σ因子

α亚基决定转录的基因

β亚基在5’——3’方向上延长多核苷酸链，

其方式与DNA 聚合酶相同，原料为NTP，

没有纠错的功能。β’亚基结合DNA模板；

σ因子识别启动子并与之结合

RNA聚合酶——真核细胞

12原核生物转录过程

(一)转录起始

①RNA 聚合酶识别、结合启动子

②形成第一个3 / ，5/-磷酸二酯键，σ因子脱离全酶（第一个核苷酸：GTP或ATP）(二)转录延长

核心酶催化，在模板指导下沿5/-3/方向延伸RNA链

(三)转录终止

终止子：在RNA转录过程中, 提供转录终止信号的序列

非依赖于ρ因子的终止子

依赖于ρ因子的终止子：1、GC丰富，重复序列2、形成发夹样结构

13真核生物的转录

（一）起始

形成TIC:RNA-pol-TF-DNA

生成第一个磷酸二酯键,RNA- pol磷酸化

TF(转录因子)：直接或间接结合RNA-pol的反式作用因子。TF能结合RNA-pol和DNA （二）延长同原核

（三）终止加尾信号处终止，PolyA后切断RNA

14 原核生物与真核生物RNA转录的区别

1. 真核生物RNA的转录是在细胞核内，翻译在细胞质中进行；原核生物则在核区同时进行转录和翻译；

2. 真核生物一个mRNA只编码一个基因；原核生物一个mRNA编码多个基因；

3. 真核生物有RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等三种不同的酶；原核生物则只有一种RNA聚合酶；

4. 真核生物中转录的起始更复杂，RNA的合成需要转录因子的协助进行转录；原核生物则较为简单

15 真核细胞mRNA前体不均一核RNA（hnRNA）的加工

（一）转录过程中的5/端加帽与3/端加尾的修饰：

5′端加帽—m7GpppNMp 7-甲基鸟嘌呤核苷：为核糖体识别mRNA提供信号; 稳定mRNA

3′端加尾－polyA尾增加稳定性：有利于从细胞核向细胞质的运输

（二）切除内含子(intron)，拼接外显子

RNA剪接

将内含子去除而将外显子连接起来形成成熟的RNA分子的过程(RNA splicing)。

外显子

就是在成熟mRNA中保留下的部分，也就是说成熟mRNA对应于基因中的部分。

内含子

是指在mRNA加工过程中被剪切掉的部分，在成熟mRNA中不存在的部分。

16遗传密码的基本特征

（1）三联体密码：所有的遗传密码子都是由3 个核苷酸组成的, 所以可称三联体密码（2）简并现象：一个氨基酸由二个或二个以上的三联体密码所决定的现象简并现象的意义：（生物遗传的稳定性）

（3）三联体或密码子(coden)：代表一个氨基酸的三个一组的核苷酸

（4）起始密码子：AUG GUG;终止密码子: UAA UAG UGA

（5）遗传密码间不能重复利用：除少数情况外，一个mRNA上每个碱基只属于一个密码子（6）通用性

(7) 遗传密码间无逗号,即在翻译过程中，遗传密码的译读是连续的

摇摆现象；tRNA上的反密码子与mRNA上的密码子配对时, 密码子的第一位、第二位碱基配对是严格的,第三位碱基可以有一定变动, Crick称这种现象为密码的摆动性或变偶性

17蛋白质的翻译

翻译：以mRNA为模板指导蛋白质合成的过程

合成体系：

原料：20种氨基酸

运载体：tRNA

模板：mRNA

合成场所：核糖体（rRNA+蛋白质）

蛋白质因子：IF EF RF RR

酶：氨基酰t-RNA合成酶、转肽酶等

能量：GTP、ATP

核糖体

作用：是蛋白质的合成场所。

组成：

小亚基：结合mRNA。

大亚基：A位：结合氨基酰-tRNA

P位：结合肽酰基-tRNA

转肽酶:结合肽键

E位(原核):结合空载tRNA

tRNA

1．作用：搬运氨基酸，识别mRNA遗传密码。

2．搬运形式：氨基酰-tRNA(与特定的氨基酸结合的tRNA)

氨基酰-tRNA合成酶：催化生成氨基酰-tRNA 。

3．种类：

起始tRNA：识别起始密码

延伸tRNA：肽链延伸时转运氨基酸

tRNA的结构：三叶草叶型

共性：1) 5’端之末具有G(大部分)或C。(2) 3’端之末都以ACC的顺序终结(3) 有一个富有鸟嘌呤的环(4)有一个反密码子环，其的顶端有三个暴露的碱基，称为反密码子。这一个反密码子可以与mRNA链上同自己互补的密码子配对(5) 有一个胸腺嘧啶环

18区别原核真核

合成体系: 参与物质少多

模板加工不需需

核糖体70S 80S

起始：形成起始复合物70S 80S

起始tRNA fmet-tRNAifmet met- tRNAimet

需IF种类 3 9－10

延长：需EF种类 3 4

终止：3种RF识别1个RF识别

其他: 转录和翻译同时进行不同时，分隔进行

19中心法则及其发展

中心法则阐述的基因两大基本属性：

复制：DNA→DNA；

表达：从DNA→mRNA→蛋白质

反转录(逆转录)

在反转录酶催化下，RNA分子产生与其序列互补的DNA分子，这种DNA分子称为互补DNA (complementary DNA，cDNA)，这个过程即为反转录

⑴. RNA 的反转录

⑵. RNA 的自我复制

⑶. DNA 指导的蛋白质合成

20 PCR 基本原理

PCR是在体外模拟体内DNA复制的过程，是一种在模板DNA、引物和4种脱氧核苷酸、Mg2+存在下合适的缓冲体系中的DNA聚合酶酶促反应，通过3个温度的反复循环实现

反应分三步：

①变性(denaturation)，双链DNA在94℃解为单链。

②退火(anealling)，当变性温度突然降至引物Tm值以下时，引物与模板DNA互补序列杂交。

③延伸(extension)，在DNA聚合酶作用下，从5‘向3’延伸。目的片断以2n形式得到积累，经过25~30个循环的DNA量可达到106倍

基因工程

1基因工程的概念

也称为重组DNA技术，将基因（DNA片段）从一个物种转移到另一个物种，并产生一种新的基因型的转基因生物。

2基因工程中常用的酶

限制性核酸内切酶（Restriction endonuclease ）

在细菌中此酶的功能是降解外来DNA分子，以限制(restriction )或阻止病毒侵染。它能识别双链DNA分子中一段特异的核苷酸序列，并在特定的位置将双链DNA分子切断。具体地说，是一种水解DNA的磷酸二脂酶，在细菌细胞中存在限制修饰系统：

限制(Restriction)：降解外源DNA，防御异源遗传信息进入的手段。

修饰(Modify)：修饰外源DNA片段后，保留在新细胞中。

第Ⅱ类酶分类（根据切割后产生的末端）：

粘性末端（Cohesive Ends）；

平头末端（Blunt ends）。

DNA连接酶（DNA Ligase）

主要有两种，一是大肠杆菌DNA连接酶，另一是T4 DNA连接酶。其主要作用是催化DNA 中相邻的3’－OH和5’－磷酸基末端之间形成磷酸二酯键，从而把两段DNA连接起来，封闭DNA双链上的缺刻。

反转录酶（Reverse transcriptase）

反转录酶是一类很独特的DNA聚合酶，它是以RNA为模板来指导DNA的合成，因此又称为依赖于RNA的DNA聚合酶。主要有两种类型：

AMV(禽类)：小片段扩增；

M－MLV(鼠类)：大片段扩增－5kb。

3 载体（Vector）

将外源DNA片段送入宿主细胞(host cell)进行扩增或表达的运载工具称为载体。载体也是DNA 分子。常用的载体有细菌质粒、噬菌体、病毒、细菌、酵母和人类人工染色体（BAC、YAC、HAC），但一般都要经过人工改造后方可更有效地在基因工程中应用。

载体的基本条件或特征如下：

①具复制原点(ori)，在宿主细胞中不仅能独立地自我复制，而且能带动携带的外源DNA片

段一起复制；

②具有多克隆位点(multiple cloning site, MCS)，而每一种酶的切点只有一个，用于克隆外源DNA片段。这些酶切位点不存在于复制原点或抗性选择标记基因内。

③至少具有一个选择标记基因，使有或无载体的宿主细胞具有易鉴别的表型。

④易从宿主细胞中回收。

质粒载体

质粒是细菌细胞内独立于细菌染色体而自然存在的、能自我复制、易分离和导入的环状双链DNA分子。

①分子量小，可接受较大外源片段；

②拷贝数多，500个／细胞；

③克隆位点的酶切位点多，克隆方便；

④具有用于检测重组质粒的选择

4基因的分离与鉴定

(一) 从基因文库中分离目的基因

文库构建

基因组文库（Genomic DNA library）－调控区

使用与切割载体相同的限制酶，将供体生物的基因组DNA切割成许多片段，将所有片段连接到载体上，构成一个重组DNA群体，这个群体包含全基因组的遗传信息。根据所用的载体，选择相应的宿主细胞用于克隆。载体可以是质粒，噬菌体或cosmid，BAC或YAC等。cDNA文库（cDNA library）－编码区

以mRNA为模板，经反转录酶合成cDNA，将获得的双链cDNA与适当载体连接并转化到宿主细胞内进行扩增，建成cDNA文库

文库筛选

根据待选基因相关信息 确定筛选方法和条件 从基因库中筛选和分离目的基因

多数方法是利用一段核苷酸序列(DNA或cDNA)或抗体作探针(Probe)，用放射性同位素或非放射性同位素标记探针 筛选基因库。

(二) T－DNA Tagging

利用T－DNA插入创造突变体;

获得突变体的纯合材料;

分析突变体性状与T－DNA的共分离关系;

PCR获得T－DNA的侧翼基因组序列;

用所得序列作探针筛选基因文库，获得目标基因或克隆, 再作进一步的分析

(三) PCR amplification

基本原理是根据待扩增基因的部分序列合成成对引物，在体外合成两个引物之间的DNA序列。一般用于同源基因的克隆，如已知拟南芥的热激蛋白基因序列，依据其序列为信息探针进行杨树该基因的克隆，省时、省力。

利用该技术可以克隆任何同源基因，进行基因转化和功能鉴定，以利用之。

(四)图位克隆

用该方法分离基因是根据功能基因在基因组中都有相对较稳定的基因座, 在利用分离群体的遗传连锁分析或染色体异常将基因定位到染色体的某个具体位置的基础上, 通过构建高密度分子连锁图, 找到与目的基因紧密连锁的分子标记, 进行染色体步移而不断缩小候选区域进而进行克隆目标基因。

(五) 化学合成（Synthesis of Gene）

根据已知的基因序列，或根据氨基酸序列推测DNA序列,将化学合成寡核苷酸的方法与酶促合成DNA的方法结合起来，可以很快地人工合成基因。

但该方法成本太高，所需时间较长。

5★基因转化的方法

6基因工程的应用

目前，基因工程研究发展迅速，已取得一系列重大突破。基因工程技术已广泛用于工业、农业、畜牧业、医学、法学等领域，为人类创造了巨大财富。主要包括以下

几个方面：

1、基因工程工业

基因工程药物的生产, 包括各种抗病毒剂、抗癌因子、新型抗生素、重组疫苗、免疫辅助剂、抗衰老保健品、心脑血管防护急救药、生长因子以及诊断试剂等。

2、植物基因工程

提供产量、改良品质；

抗非生物胁迫（抗盐、抗旱、抗寒）；

抗生物胁迫（抗虫、抗病）；

改变生殖生长、缩短育种周期

3、转基因动物

比转基因植物发展慢原因：涉及社会伦理和宗教问题，在技术上动物细胞的再生能力低。4、疾病诊断与基因治疗

基因诊断(genetic diagnosis)是利用分子生物学及分子遗传的技术和原理，在DNA水平分析、鉴定遗传疾病所涉及基因的置换、缺失或插入等突变。如进行产前诊断，分析胎儿是否有遗传疾病。

基因治疗(gene therapy)是向有功能缺陷的细胞补充相应功能的基因，以纠正或补偿其基因的缺陷，从而达到治疗的目的。

5、环境保护

利用转基因微生物降解污染物植物修复

6、生物科学基础研究的重要手段

基因结构的重叠现象和不连续性

mRNA的剪辑

转座因子

基因表达的调控

生物与环境信号的识别

癌变机理

7转基因生物的安全性及新型转基因技术

包括受体植物的安全性评价，基因操作的安全性评价，转基因植物的安全性评价，转基因植物产品的安全性评价。

对环境的安全性

对人类健康的安全性

宗教及伦理问题

风险未知

既不能夸大风险，也不能掉以轻心

国家有完善的安全性评价程序和一系列的政策法规

基因突变

1 基因的发展历程

1865孟德尔首次提出“遗传因子”。

1909约翰生最先提出基因，认为基因是基本的物理和功能单位。

1910摩尔根创立了基因论，认为基因是一个遗传/交换/突变单位。

1957Benzer把基因定义为遗传上不可分割的功能单位。

1985 Gilbert提出基因是一个转录单位。包含内含子和外显子

2 基因的概念

基因（Gene）是DNA分子中含有特定遗传信息的一段核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位

3 ★基因结构

5′上游（子），5′非翻译区（5′UTR），编码区，3′UTR，3′下游。

★启动子

指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列，被称为启动子，它控制基因的转录起始过程。

主要包括核心元件（Core element）以及上游启动子元件

原核生物启动子

★TATA区：酶的紧密结合位点（富含AT碱基，利于双链打开）；

★TTGACA区：提供了RNA聚合酶识别的信号。

真核生物启动子

★核心元件：TATA 常在-25 bp左右，相当于原核的-10序列，其作用主要是（1）选择正确的转录起始位点，保证精确起始；（2）影响转录速率；

★上游启动子元件：包括CAAT（-70 --80bp，CCAAT ）和GC盒（-80 --110bp，GGGCGG）等，主要作用是控制转录效率。

增强子

指远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性、增强启动子转录活性的DNA序列。主要包括以下几个特征：

（1）其增效作用具有双向性，即可作用于上游基因，也可作用于下游基因；

（2）无物种和基因的特异性；

（3）具有明确的组织、和细胞特异性。

（4）大多为重复序列，一般长约50 bp，适合与某些蛋白因子结合。其内部常含有一个核心序列：（G）TGGA/TA/TA/T（G），是产生增强效应时所必需的；

编码区

能编码出RNA的DNA片段，包括外显子（Exon）和内含子（Intron）。

起始密码子：ATG

终止密码子：TAG/TGA/TAA

内含子的识别信号：GT/AG

★开放阅读框架

ORF(Open reading frame):DNA分子中决定蛋白质中氨基酸序列的区域。

间隔序列

在两个基因的编码区之间存在一些不编码的核苷酸序列，被称为基因间的间隔序列。长度从1bp－kb不等。其主要特征：

（1）不编码蛋白质；

（2）有些区域具有调节功能，如目前比较流行的sRNA。

4 一个基因的保守性

★变异程度

在一个完整的基因内部的不同区域，其核苷酸变异程度，即不同区域的保守性不同，这主要由在进化过程中受到的选择压不同所致。

★功能不同

编码区：若发生在基因的编码区，就可能导致产生新的蛋白质和mRNA的结构折叠，造成质量上的不同；调控区或内含子区：若变异位于调控区或内含子区，就可能影响基因表达水平、RNA的稳定性而导致数量上的变化。

5 基因类型

★结构基因(Structural gene)

从功能上讲,能编码多肽链的基因称为结构基因。结构基因所使用的密码在整个生物界是统一的。结构基因的突变可导致特定蛋白质改变。

★调控基因(Regulatory gene)

调控基因是指可调节控制结构基因表达活性的基因,包括调节基因、操纵基因和启动基因等。由于调节基因通常可转录成mRNA,并由mRNA转译成调节蛋白，因此也可将它列入结构基因。

★假基因(Pseudogene)

假基因是指一类在物种进化过程中由于编码区的核苷酸序列发生致死性突变而导致不能表达功能性蛋白质的基因.

表达基因型

★组成性基因(Constitutive gene)

组成性基因指其表达不太受环境变动而变化的一类基因。其中某些基因表达产物是细胞或生物体整个生命过程中都持续需要而必不可少的，这类基因可称为看家基因(housekeeping gene)，如泛素基因，肌动蛋白基因等。

★诱导性基因(Inducible gene)

诱导性基因指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因。诱导因子主要包括光、温度、水分和盐害以及生物胁迫等。

★基因簇（Gene cluster）

同一家族中的成员有时紧密地排列在一起，成为一个基因簇。

★基因家族（Gene family）

指结构相似，功能相关的一组基因, 由同一祖先进化而来。

★基因超家族（Gene superfamily）

在结构上有不同程度的同源性，但功能不一定相同。

★直源同源基因(orthologous gene)和并源同源基因(paralogous gene)

它们是同源序列的两种类型，直源同源基因是指在不同物种中来自于共同祖先的基因。而并源同源基因是指在同一物种内由于基因复制而产生的同源基因。

6基因突变(Gene mutation)

指染色体上某一基因位点内部发生了化学结构改变，与原来基因形成对性关系，又称点突变（Point mutation），结果是原来的基因突变为它的等位基因之一。

突变体(Mutant) 与野生型(Wild type)

突变体指携带突变基因并具有某种突变表型的细胞或个体称为突变型或突变体；

野生型指存在于自然界中没有经过基因突变，具有正常生化代谢功能的遗传类型；

7★根据突变的起源分(Causes of mutation)

自发突变(Spontaneous mutation)：由外界环境条件自然作用或生物体内DNA复制时错配等发生的突变；

诱发突变(Induced mutation)：在特设的诱变因素（物理、化学、生物等）诱发下发生的突变。

上述二者产生的突变型没有本质不同，只是利用诱变因素可提高基因的突变率。

★根据突变的表型特征分(Phenotypic Characteristics)

1、形态突变(Morphological mutation)：突变主要影响生物的形态结构，导致形态、大小、色

泽等产生肉眼可识别变异的突变，也称可见突变

2、生化突变(Biochemical mutation)：突变主要影响生物的代谢过程，导致一个特定的生化功能的改变或丧失。最常见的是微生物的各种营养缺陷型。

3、致死突变(Lethal mutation)：突变主要影响生活力，发生突变后会导致特定基因型个体死亡的基因突变。大多数致死突变都为隐性致死，突变后代中的隐性纯合体表现为致死的效应。

致死基因（Lethal alleles）：指可以导致个体死亡的基因。包括以下两类：

（1）隐性致死基因（Recessive lethal alleles）：只在隐性纯合时才能使个体死亡。

（2）显性致死基因（Dominant lethal alleles）: 在杂合体状态时即可导致个体死亡。

因此，致死突变也相应分为以下四类即纯合显性致死突变、杂合显性致死突变、纯合隐性致死突变和伴性致死突变。

4、条件致死突变(Conditional lethal mutation)

指在一种条件下表现致死效应，但在另一种条件下能存活的突变。如细菌的某些温度敏感突变型在30℃左右可存活，但在42℃左右或低于30℃时就致死。

5、失去功能的突变(Loss-of-function mutation)

（1）无效突变（Null mutation）：完全丧失功能的突变；

（2）渗漏突变（Leaky mutation ）：功能的失活不完全，仍保留了一些功能，但在杂合状态下不能产生足够多的野生型表型，这类突变称为渗漏突变。

6、获得功能的突变(Gain-of-function mutation)

突变以后产生了某种新基因。如人的原发性红斑肢痛症是由于钠离子通道SCN9A基因的获得功能性突变所致。

7、抗性突变(Resistant mutation)

指突变细胞或生物体获得了对某种特殊抑制剂的抵抗能力。生物可以广泛产生对生物性和非生物性抑制物的抗性突变，包括动植物抗病虫性、细菌对抗生素的抗性等。

★基因突变发生的时期

(1) 体细胞突变(somatic mutation)

指体细胞发生的突变。其产生的突变体细胞，通常不能通过受精过程直接传递给后代。突变后的体细胞常会受到抑制或最终消失，因此，需及时与母体分离，通过无性繁殖再经有性繁殖传递给后代。

(2) 生殖细胞突变(germinal mutation)或性细胞突变（Sexual mutation）。

指发生在生殖细胞中的突变。生殖细胞基因突变，通过受精卵可将突变的遗传信息传给下一代(代代相传),即遗传性疾病。

显性突变,即aa→Aa，可通过受精过程传递给后代，并立即表现出来。

隐性突变，即AA→Aa，当代不表现，只有等到第二代突变基因处于纯合状态才能表现出来。

性细胞的突变率高于体细胞，主要由于性细胞在减数分裂末期对外界环境条件的敏感性较大所致。

基因突变的一般特征

★基因突变的重演性(Recapitulation of Gene Mutation)

指相同的基因突变，可以在同种生物不同个体、不同世代中重复出现，又叫基因突变的重复性。

★基因突变的可逆性(Reversibility of Gene Mutation)

指基因突变的发生方向是可逆的，正常的野生型显性基因A可以突变为隐性基因a，反之亦可。