导图社区 动物遗传学思维导图（中农遗传课作业）
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动物遗传学思维导图（中农遗传课作业）
内容;遗传的分子生物学基础、遗传信息的传递、基因表达与调控、遗传物质的改变、基因组与基因工程；持续更新！
编辑于2024-03-24 20:43:46- 基因表达调控
- 动物遗传学
- 遗传信息的传递
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动物遗传学指导文案2
遗传的分子生物学基础
遗传信息的载体
遗传物质发现的过程
1928，Frederick Griffth细菌转化实验，说明了R型菌接受了来自死亡的S型菌的转化因子转化为S型菌，获得了致病性
1944，Oswald Avery, et al.解析遗传物质，证明了DNA是是使R型菌转化为S型菌的转化因子，DNA是遗传信息的载体（正向依据、反向依据）
噬菌体侵染实验，再次证明了DNA是遗传物质（科学的结论需经过重复验证）
发现烟草花叶病毒的遗传物质是RNA，发现遗传物质的其它载体-RNA（一般性规律之外总有“例外”）
遗传物质认定的依据（即遗传物质的基本特征）
能控制代谢过程和性状的表达
基因与表型的对应关系
能够自我复制，使前后代保持一定的连续性
噬菌体侵染实验
能引起可遗传的变异
感染植物病毒
感染动物病毒——带毒控制/完全治愈
DNA作为主要遗传物质的间接证据：
含量：DNA含量恒定。配子中DNA含量为体细胞的一半，多倍体中DNA含量倍增
代谢：DNA分子代谢较稳定
突变：紫外线诱发突变时最有效的波长与 DNA所吸收的紫外线光谱一致，证明基因突变与DNA分子的变异密切联系
分布：DNA为所有生物染色体所共有（某些病毒不含DNA，以RNA作为遗传物质）
验证性状遗传基础的方法
基因与表型的对应关系——相关性、必要性、充分性
鸡绿壳蛋基因的发现
果蝇紫眼基因功能的验证
核酸的分子结构
核酸
核苷酸是DNA和RNA的基本结构单元，由戊糖与碱基和磷酸脱水缩合而成
DNA结构及生物学意义
DNA的一级结构——化学组成 特点：
DNA的一级结构指DNA分子中4种核苷酸的链接方式和排列顺序，通常以碱基序列为代表
Chargaff当量规律：[A]=[T]、[G]=[C]，A+G=C+T
第一定律——双链DNA，适用于局部和完整基因组
第二定律——单链DNA，适用于双链DNA完整基因组
DNA分子碱基序列的排列方式极其多样，碱基序列的变化可能引起遗传信息的改变
DNA的二级结构——Watson-Crick DNA双螺旋结构要点：
右手螺旋，两条互补链反向平行
磷酸基团与脱氧核糖在外侧，碱基在螺旋的内侧
两条链以氢键互补配对
双螺旋直径2nm，螺距3.32nm，每个螺旋10.5个碱基对
螺旋表面大沟、小沟交替出现，蛋白质通过这两个沟与碱基相识别
DNA结构的多态性：（DNA构象的意义）
已知的DNA双螺旋构象有7种，A、B、C、D、E、T型为右手螺旋，W-C模型是B构象，Z-DNA是左手螺旋
DNA的高级结构——物理构象
DNA的高级结构是指DNA双螺旋进一步扭曲盘旋所形成的特定空间结构
超螺旋结构是DNA高级结构的主要形式，可分为负超螺旋（天然双螺旋DNA）和正超螺旋两种
DNA与染色体
核小体是染色质的基本结构单位，由DNA与组蛋白结合而成
DNA占染色质质量的30-40%
染色体特殊结构的DNA序列
常染色质：染色质线中染色很浅的区段
异染色质：染色质线中染色很深的区段
组成型异染色质：主要为卫星DNA，如着丝点
兼性异染色质：存在于染色体的任何部位，如哺乳动物的X染色体
RNA分类及结构特点
原核生物和真核生物都含有许多种不同的RNA分子，其中最主要的有：
信使RNA——传递遗传信息，占RNA总量的5-10%
转移RNA——小分子量RNA，转运氨基酸，识别密码子，三叶草型二级结构，占RNA总量的10-15%
核糖体RNA——由大小亚基构成，蛋白质合成装配的场所，占RNA总量的75-80%
编码RNA与非编码RNA
编码RNA：能指导翻译出蛋白质的RNA
非编码RNA：不编码蛋白质的RNA，都从基因组上转录而来，但是不翻译成蛋白，在RNA 水平上就能行使各自的生物学功能。包括rRNA、tRNA、snRNA、snoRNA 和microRNA等多种已知功能的 RNA，还包括未知功能的RNA
例，小分子RNA（micro－RNA），长链非编码RNA
3D基因组测序与T2T测序
基因
基因概念的由来
孟德尔，遗传因子——基因的抽象概念
约翰逊，基因(Gene)代替遗传因子，基因型和表型——基因的名词体系
摩尔根，基因位于染色体上——基因的物质载体
艾弗里，赫希和蔡斯，基因的化学本质是DNA——基因的物质基础
沃森和克里克，DNA双螺旋模型的提出——基因信息的传递方式
基因内涵的发展
跳跃基因：指基因的位置可以在染色体上移动，例，转座子。
操纵子：很多功能上相关的基因前后相连成串，由一个共同的控制区进行转录的控制，包括结构基因以及调节基因的整个DNA序列。
断裂基因：真核基因的编码序列往往是不连续的，它们被一些非编码的序列隔开，形成断裂的基因结构。
重叠基因：指两个基因之间存在着共有的DNA序列。
假基因：失去原有功能的基因。具有与正常功能基因相似的序列，但由于突变不能合成出功能蛋白质的失活基因。
融合基因：转录由编码某个蛋白质的DNA序列开始，一直进入到另一个编码完全不同蛋白质的基因。
非编码基因：不包含制造蛋白质的指令，不以蛋白质的形式行使功能的基因
编码蛋白质的外显子与另一处的外显子结合基因可以跨越染色体的界限
表观遗传学
基因的定义（2015）：基因：是一段与调控、转录或功能相关联的，在基因组序列中可找到的，对应于一个遗传单位的区域
基因的分类（按照功能形式）
编码蛋白质的基因，具有转录和翻译功能
非编码RNA基因，只有转录产物而不进行翻译的基因
不转录的基因，以DNA的形式存在，对基因表达起调节控制作用
真核编码基因的一般结构
翻译成肽链的区域——起始密码子到终止密码子
转录成mRNA的区域——转录起始位点到转录终止位点,包括5’UTR、编码区、3’UTR
参与转录调节过程的区域——5’侧翼至3’侧翼
真核基因结构中的主要元件
内含子和外显子：RNA剪接信号，GT-AG法则
转录起始位点：转录开始时模板上第一个碱基（+1）
启动子：RNA聚合酶识别和结合的部位（-100bp）
增强子：提高基因的转录效率，作用与其位置、方向及其与基因的距离无关，具有组织特异性和细胞特异性
沉默子：与特定蛋白结合，抑制基因转录
绝缘子：位于启动子与调控元件之间，阻止调控元件发挥作用，其作用具有方向性
遗传信息的传递
DNA复制
定义：以亲代DNA分子为模板，合成新的与亲代模板结构相同的子代DNA分子的过程。
DNA复制的基本法则
复制起点和复制子
参与DNA复制的有关酶和蛋白质
DNA聚合酶——聚合、外切功能
原核生物DNA聚合酶
DNA聚合酶Ⅰ（DNA校正修复）、Ⅱ（DNA损伤修复）
DNA聚合酶I具有5’-3’外切酶活性，切除5’- RNA引物。
DNA聚合酶Ⅲ为细菌DNA复制的主力酶
DNA聚合酶Ⅲ特性：5’-3’聚合酶活性，催化dNTP加到生长中的DNA链的3’- OH末端，不具有直接起始合成DNA的能力；3’-5’外切酶活性，起着校对功能；不具有5’-3’外切酶活性。
真核生物DNA聚合酶
真核生物中存在α、β、γ、δ和ε五种DNA聚合酶。DNA聚合酶
δ被认为是催化真核生物DNA复制的主力酶。
解旋酶——解开DNA双链。
单链结合蛋白——保护DNA不被水解，不回复成双链。
拓扑异构酶——Ⅰ-消除正超螺旋（压紧），Ⅱ-恢复负超螺旋（松弛）。
引发酶——RNA聚合酶，催化合成RNA引物（11-12nt）。
DNA聚合酶需要3’游离羟基，RNA聚合酶则不需要。真核生物DNA聚合酶α具有引发酶活性。
DNA连接酶——连接冈崎片断，但不连接单股DNA分子
DNA复制的一般过程
DNA复制的起始，复制叉
DNA复制的延伸，复制叉前行，后随链生成
DNA复制的终止：RNA引物切除、缺口补齐、冈崎片段连接、恢复超螺旋。环状DNA单向复制终止于复制起点附近；线状DNA和环状DNA双向复制的复制终点不固定。
真核生物DNA复制的特点
真核生物DNA复制发生在细胞周期的特定时期——细胞分裂间期的合成期（S），一般要在第一轮复制结束后才会进行第二轮复制；原核生物在整个细胞生长过程中都可以进行DNA复制，复制起点可以连续发动复制
根据分裂能力可把细胞分为三类：
周期性细胞，始终保持活跃的分裂能力，连续进入细胞周期循环，如造血干细胞，表皮与胃肠粘膜上皮的干细胞。
暂不增殖细胞群（G0期细胞），是分化的，并执行特定功能的细胞，在通常情况下处于G0期，故又称G0期细胞。在某种刺激下，这些细胞重新进入细胞周期。如肝细胞、肾小管上皮细胞、心肌细胞、甲状腺滤泡上皮细胞。肝部分切除术后，剩余的肝细胞迅速分裂。
终端分化细胞，丧失了分裂能力，又称终末细胞，如成熟的红细胞、神经细胞等高度分化的细胞。
真核生物有很多个复制起点，在S期并不同时被激活，在不同的发育时期，真核生物的复制起点数目和复制子大小会改变。
真核生物DNA复制速率（每分钟复制完成的碱基数）比原核生物慢。但是，真核生物多复制子，因而整个染色体的复制速度并不比原核的慢。
真核生物核小体的重新组装。真核生物DNA复制与核小体组装耦联，复制叉合成新DNA链的同时进行核小体组装，旧的组蛋白修饰可以传递到新的核小体上。原核生物的DNA是裸露的，没有组蛋白与之结合，没有核小体结构。
真核生物染色体末端——端粒：由短序列串联重复和端粒结合蛋白组成，对染色体结构起保护作用，通过3’单链末端折入双链重复序列，形成环状，保护染色体末端。端粒、着丝粒和复制原点是染色体保持完整和稳定的三大要素。
真核生物染色体末端DNA的复制：线性DNA分子，末端引物切除后，由于没有游离的3'-OH，导致5’端无法合成而带来缺失。
端粒修复的意义
DNA复制与遗传的关系：
遗传信息的传递
细胞增殖，更新
变异的发生与校正
形成遗传多样性，进化或新性状的基础
性状选择或疾病治疗靶点
基因的转录
以DNA的一条单链为模板，4种核糖核苷酸为原料，在RNA聚合酶的催化下合成RNA链的过程
转录与复制的异同点
转录与复制的相同点
聚合酶的催化
以DNA为模板
按碱基互补配对的原则合成
沿5’向3’方向生成新链
转录与复制的差别
转录只发生在一部分区域
转录时只有一条链为模板，称为模板链或反义链，而另一条称为有意义链或编码链
转录起始不需要引物的参与，RNA聚合酶不需要3’游离羟基，RNA链的合成是连续的
转录的底物是4种核糖核苷三磷酸(rNTP)，即ATP、GTP、CTP和UTP
转录时DNA-RNA杂合双链分子是不稳定的，RNA单链在延伸过程中不断从模板链上游离出来，模板DNA又恢复双链状态
真核生物基因经转录生成的初级转录物,一般都需经过加工才成为成熟的RNA分子，具有生物功能。
RNA聚合酶
大肠杆菌RNA聚合酶
大肠杆菌中只有一种RNA聚合酶负责所有mRNA、rRNA和tRNA的合成，是一种复合酶，由5个亚基组成(α2 ββ’σ)。 α2ββ’四个亚基构成核心酶，核心酶与σ亚基构成全酶，核心酶具有聚合活性，σ亚基无催化活性，但能识别启动子，并与DNA形成稳定的起始复合物，参与转录的起始。
启动子（原核）：是基因的一个组成部分，是DNA分子上能与RNA聚合酶结合并形成转录起始复合体的区域，控制基因转录表达
真核生物RNA聚合酶
真核生物细胞内负责转录的RNA聚合酶有三类：即RNA聚合酶I，II和III，它们在细胞中处于不同的部位。RNA聚合酶II为mRNA合成的主力酶，催化合成mRNA和核内小RNA（如snRNA、microRNA）
启动子（真核）：启动子是基因的一个组成部分，就像“开关”，决定基因的活动，控制基因表达（转录）的起始时间和表达的程度。启动子本身并不单独控制基因活动，而是通过与称为转录因子（TF）的这种蛋白质结合而控制基因活动。
基因转录的一般过程
转录起始
核心酶+因子搜寻启动子
RNA聚合酶作用下解链
全酶移动至转录起始位点，合成RNA链的第一个rNTP
因子解离，核心酶与模板亲和性降低，在DNA上移动
转录的延伸
转录起始以后，σ因子已解离，延伸过程由核心酶催化
RNA聚合酶延模板DNA链的3’-5’方向移动，延新合成的RNA链自身的延伸方向为5’-3’
核心酶覆盖的区域DNA双链解开
RNA与DNA配对的杂合链区约为12bp
转录的终止
终止子：是存在于初级转录产物中的一段序列，一般位于 poly（A）位点下游，长度约几百个碱基。
强终止子：存在回文结构，且富含GC序列，不易解开，阻止RNA聚合酶前移。其3’端有多个核苷酸的寡聚U，与模板形成A-U配对，使RNA易于释放。无需其他蛋白因子的帮助即可完成转录。
弱终止子：也存在回文序列，其发夹结构中的G-C含量少，且3’端没有寡聚U。可引起聚合酶暂停，若没有其他蛋白质因子的帮助，聚合酶将会越过终止子继续“通读”下去。只有当蛋白质因子ρ存在时，转录才会终止。
ρ因子依赖性转录终止机制
真核生物DNA转录的特点
RNA聚合酶
真核生物3种RNA聚合酶，每种酶转录不同的RNA；原核生物只有1种RNA聚合酶，催化所有的RNA的合成。
转录的起始
真核生物RNA聚合酶不能独立转录RNA，必须有启动蛋白 （转录因子）结合在启动子上，才能与启动子结合。调节蛋白结合部位有TATA框，CAT框，GC框，增强子序列等。
RNA的转运与加工
真核生物RNA转录后必须从核内运输到细胞质，才能指导蛋白质合成。转录产生的RNA前体经过加工，才能成为成熟的有功能的RNA。
真核基因转录与细胞周期
间期1（G1）——细胞内发生活跃的转录
间期2（G2）——少量的RNA和蛋白质合成
RNA的加工和成熟
rRNA的加工
rRNA的序列被转录为一个RNA前体，经过折叠、甲基化、末端修饰等加工后形成成熟rRNA
tRNA的加工
包括：剪切和拼接；碱基修饰；3’-OH连接-ACC结构
mRNA的加工
5’端帽子的生成
真核生物的帽子是一个7-甲基鸟苷基团通过5’端三磷酸酯键连接到mRNA5’端所形成的。帽子结构不在DNA上编码，但在转录达到50 个核苷酸前即加到mRNA的第一个核苷酸上。
主要功能：避免mRNA受到磷酸酶和核酸酶的攻击，稳定mRNA一级结构；提供核糖体结合位点，促进核糖体和mRNA结合，促进蛋白质合成。
3’端多聚A 尾巴的生成
加尾位点上游10-30个核苷酸区域存在加尾信号序列 （3’-AAUAAA-5’），核酸内切酶识别加尾信号，在信号下游20个核苷酸处剪切mRNA前体，形成游离3’-OH，多聚A聚合酶，在3’端加上100-200个腺苷酸。
主要功能：增加mRNA的稳定性，延缓降解速度；有助于成熟mRNA从细胞核运输到细胞质；增强翻译效率。
mRNA剪接作用
mRNA的剪接：真核生物转录时，外显子和内含子都转录到hnRNA中。hnRNA在核酸内切酶的作用下剪切掉内含子，然后在连接酶的作用下，将外显子各部分连接起来，成为成熟的mRNA，此过程为mRNA的剪接。
mRNA的可变剪接：不同组织或同种细胞的不同发育阶段，剪接作用存在差异，导致翻译成不同的蛋白质产物，称为mRNA的可变剪接。
micro-RNA的加工
转录组——RNA 的时空性
转录组：转录后的所有RNA的总称。
定义中包含了时间和空间的限定，同一细胞在不同的生长时期及生长环境下其基因表达情况是不完全相同的。
表达谱的差异即可以作为分子标志直接对疾病进行诊断
蛋白质的生物合成
遗传密码
三联体密码子——3个相邻核苷酸构成一个三联体密码，没有空格，没有重叠，也没有跳跃。
阅读框：一段核苷酸可翻译成蛋白质的读码方式。
开放阅读框：一条DNA序列的 3种阅读框中只有一种具有编码的作用，能翻译成由起始密码子到终止密码子编码的氨基酸序列。
封闭阅读框：有的阅读框因终止密码频繁出现而被阻断，不能翻译成蛋白质。
破译密码的实验：马特伊和尼伦伯格在体外无细胞蛋白质合成体系中加入人工合成的polyＵ 开创了破译遗传密码的先河。
64个三联体组合，61个有义密码子；1个起始密码子；3 个终止密码子。
密码子特性：
简并性——几种密码子编码同一种氨基酸
通用性——除少数例外，所有生物的遗传密码都是相同，表明了生命的共同本质和共同起源。
偏好性——不同物种、不同生物体的简并密码子使用频率不同，往往具有物种的偏向性。
密码子与反密码子的相互识别
摆动假说：tRNA分子可与一种以上的mRNA密码子配对识别，密码子的第一、二位碱基严格配对，第三碱基是可变动的。
核糖体的结构和功能
原核生物核糖体的大 小亚基为50S和30S
真核生物核糖体由60S 和40S大小两个亚基组成
核糖体的功能区：P位点、A位点、E位点
蛋白质生物合成过程：mRNA可以同多个核糖体结合，在一条mRNA链上同时合成多条肽链，提高翻译效率
合成起始：核糖体大小亚基、tRNA、mRNA在起始因子的协助下组合成起始复合物的过程
肽链的延伸过程：mRNA上的信息从5’端向3’端阅读，肽链由N端向C端合成
进位：第二个aa-tRNA在 EF-Tu及GTP作用下，生成复合物，并结合到核糖体的A位。 EF-Tu结合GDP离开核糖体。
成肽：肽酰转移酶（转肽酶）催化P位fMet-tRNA携带的fMet转向A位与进入的aa-tRNA形成第一个肽键，催化的实质是使一个酯键转变成肽键。
移位：移位因子EF-G催化，GTP和EF-Ts、EF-Tu参与，P位的tRNA脱落，核糖体沿mRNA移动，原A位带有肽链的tRNA转到P位，下一个密码子进入A位，以供继续翻译。
终止反应：释放因子RF识别进入核糖体A位的终止密码UAA、UAG、UGA，大亚基上肽酰转移酶变构，表现水解酶的活性，使P位上tRNA所携带的多肽链与tRNA之间的酯键水解。tRNA从P位脱落，70S核糖体随即也从mRNA上脱落，解离为30S和50S亚基，投入下一轮核糖体循环，合成另一新的蛋白质分子
真核生物蛋白质合成的特点
真核生物起始是Met-tRNA不需要N端甲酰化；原核生物起始tRNA是fMet-tRNA
真核生物40S小亚基先与Met－tRNA结合，再与mRNA结合；原核生物小亚基先与mRNA结合，再与fMet-tRNA结合
真核生物40S小亚基与mRNA识别的主要标志是帽子结构；原核生物mRNA识别SD序列
翻译后的加工
肽链N端甲硫氨酸或甲酰甲硫氨酸的切除；肽链中氨基酸残基的化学修饰（甲基化、乙酰化）；二硫键的形成；信号肽的切除；肽链的折叠；切除前体中功能不需要的肽段
多肽的切割加工
多肽的化学修饰
磷酸化指由蛋白激酶催化的，把ATP或GTP的磷酸基转移到蛋白质氨基酸残基上的过程，在细胞信号转导的过程中起重要作用。磷酸化和去磷酸化是控制细胞周期的关键。丝氨酸磷酸化常常可以提高蛋白的活力；酪氨酸磷酸化主要是促进蛋白质间相互作用，形成多蛋白复合体。
糖基化是在酶的控制下，蛋白质或脂质附加上糖类的过程，发生于内质网或高尔基体。蛋白质经过糖基化作用，形成糖蛋白。蛋白构型改变，抵御蛋白酶的降解作用，提高蛋白质的可溶性，可使蛋白质准确地进入各自的细胞器。 蛋白聚糖有些被分泌到细胞外形成细胞外基质或粘液层，有些锚定在膜上，对细胞有保护作用。
乙酰化指在乙酰基转移酶的作用下，在蛋白质赖氨酸残基上添加乙酰基的过程，是细胞控制基因表达，蛋白质活性或生理过程的一种机制。在细胞核内，组蛋白乙酰化与组蛋白去乙酰化过程处于动态平衡，精确地调控基因的转录和表达。组蛋白赖氨酸残基的乙酰化使其侧链不再带正电而失去与 DNA紧密结合能力，有利于DNA从核小体上脱离，核心组蛋白的乙酰化程度高低代表基因转录活性的高低。
分泌蛋白：在细胞内合成后，分泌到细胞外起作用的蛋白质。例如：唾液淀粉酶，胃蛋白酶，消化酶，抗体和一部分激素。
在核糖体上合成的分泌蛋白，要经过内质网和高尔基体，而不是直接运输到细胞膜。
信号肽：肽链起始端的一段疏水性氨基酸序列，被内质网膜上的受体识别并与之相结合，由膜中蛋白质孔道到达内质网内腔，随即被位于腔表面的信号肽酶水解而断裂。
信号肽序列：从起始密码子开始，编码信号肽的一段序列。
蛋白质合成与细胞周期
当细胞准备进入分裂期时，蛋白质合成加快；基因组复制
在细胞处于有丝分裂阶段，蛋白质合成受到抑制
蛋白质组：一个细胞在特定生理或病理状态下表达的所有种类的蛋白质称为蛋白质组(proteome)。
蛋白质组定义中包含了时间和空间的限定，不同细胞在不同生理或病理状态下所表达的蛋白质的种类也不尽相同。
基因表达与调控
真核生物基因表达调控
DNA水平
基因丢失
低等真核生物在细胞分化过程中，一些体细胞可以通过丢 失掉某些基因去除这些基因的活性，从而达到基因调控的 目的，此过程不可逆。
基因扩增
细胞内某些特定基因的拷贝数专一性地大量增加，使细胞 在短期内为满足某种需要而产生足够基因产物。
基因重排
通过基因组结构的改变而改变细胞合成蛋白质种类的调控方式。
染色质结构对转录调控的影响
DNA的甲基化、组蛋白的乙酰化
RNA水平-真核生物对转录起始活性的调节
顺式调控元件：基因的一个组成部分，控制基因表达（转录）的起始时间和表达的程度，与转录因子（TF）相互识别，控制基因的活动，包括启动子、增强子、沉默子等调节元件
增强子：存在核心特征序列，与方向性、位置、距离无关，有组织特异性，要有启动子才能发挥作用
反式元件
转录因子：由特定基因编码的蛋白质，一般具有比较特殊的结构。
转录因子的分子结构域：DNA结合域、二聚体化域和转录激活域
RNA水平-真核生物转录后水平的调控
mRNA前体的可变剪接：指从一个mRNA前体通过不同的剪接方式产生不同的mRAN剪接异构体的过程。
RNA编辑：mRNA在转录后因插入、缺失或替换碱基而改变了DNA模板原来的信息，从而表达出多种不同氨基酸序列的蛋白质。
长非编码RNA调控转录和翻译
蛋白质水平-翻译水平
mRNA的稳定性：mRNA的寿命受自身结构和细胞内其他因素的影响。5’帽子和3'尾巴有助于提高mRNA分子的稳定性。
mRNA结构对翻译起始效率的调节
5’非翻译区参与调控翻译的起始
起始密码子的位置和其侧翼的序列对翻译的效率有影响
3’-UTR的结构对翻译存在调控作用
miRNA对靶mRNA的作用，序列是否互补
miRNA调控
miRNA与靶mRNA不完全配对结合，主要影响翻译过程
miRNA与靶mRNA完全配对结合，发生特异性切割，使靶mRNA降解
miRNA具有物种间的保守性，其表达具有时序性和组织特异性
反义RNA（与mRNA互补的RNA分子）对翻译的调控
应用
反义RNA通过对翻译模板的抑制来调控靶基因的表达
用于基因功能验证；抑制动、植物病毒；进行基因治疗等
蛋白质水平-翻译后的加工与运输
肽链的剪接
氨基酸化学修饰
多肽链的折叠
蛋白质的定向输送
原核生物基因表达调控
为使代谢过程适应环境的变化，维持自身的生存和繁衍，原核生物有一套准确地调节基因表达和蛋白质合成的机制
操纵子模型（Jacob和Monod）
操纵子（Operon）：在原核生物中发现的，调节基因、操纵基因和结构基因成簇排列，共同组成的一个转录功能单位，由共有的调控区操控结构基因的表达
具体实例-葡萄糖乳糖敏感性操纵子
乳糖操纵子的结构
三个结构基因，编码与乳糖分解代谢相关的酶
结构基因的上游，由近及远依次为操纵基因lacO、启动子PZYA、调节 基因lacI和调节基因启动子PI
启动子PZYA的上游还有1个代谢产物激活蛋白（CAP）的结合位点
乳糖操纵子的负调控机制
无乳糖诱导物，阻遏蛋白与操纵基因结合，阻止RNA聚合酶与启 动子结合，结构基因不转录，抑制乳糖分解代谢。
有乳糖或其衍生物，与阻遏蛋白结合，使之发生构象变化，丧失与操纵 基因结合的能力，RNA聚合酶启动结构基因的正常转录，编码乳糖分解 酶，将乳糖分解成半乳糖和葡萄糖。
负反馈：乳糖分解为半乳糖和葡萄糖后，乳糖分子缺乏，又造成了阻遏 蛋白与操纵基因结合，使结构基因表达关闭。
乳糖操纵子的正调控机制
葡萄糖缺乏时，乳糖操纵子转录活性增强。腺苷酸环化酶将ATP转变成环一磷酸腺苷（cAMP），cAMP与CAP结合形成二聚体，再与特定的DNA序列 （CAP结合位点）结合，可使乳糖操纵子转录效率提高50倍。
葡萄糖存在时，cAMP浓度降低，cAMP与CAP结合受阻，因此乳糖操纵子表达下降。
有葡萄糖的时候，大肠杆菌优先利用葡萄糖
乳糖操纵子调控大肠杆菌对碳源的利用过程
乳糖操纵子是大肠杆菌调控乳糖代谢的自动控制系统
有葡萄糖存在时，细菌优先选择葡萄糖供应能量。葡萄糖通过降低 cAMP浓度，阻碍cAMP与CAP结合而抑制乳糖操纵子转录，使细菌只能利用葡萄糖。
没有葡萄糖而只有乳糖的条件下，阻遏蛋白与 lacO 序列解聚，同时，CAP结合cAMP后作用于乳糖操纵子的CAP位点，激活转录，使得细菌高效利用乳糖，将乳糖分解为半乳糖和葡萄糖，提供能量
CAP是正调节因素，乳糖阻遏蛋白是负调节因素
具体实例-色氨酸操纵子的衰减作用
色氨酸操纵子的结构
调节基因trpR、启动子P、操纵基因trpO、前导序列trpL和 衰减子trpa，以及结构基因trpEDCBA——色氨酸合成基因。调节基因远离操纵子
编码基因上游的前导序列：不依赖ρ因子的转录弱终止子
衰减作用：
色氨酸处于高水平时，核糖体翻译出前导肽，停止于终止密码子处， 核糖体覆盖1、2区，前导序列的3-4区形成配对，RNA聚合酶终止转录。
色氨酸饥饿时，核糖体停顿在两个色氨酸密码子上，核糖体占据1区， 前导序列的2-3区形成配对，RNA聚合酶继续向前移动，结构基因转录。
时序调控
遗传物质的改变
基因突变
基因水平上遗传物质发生可以检测的能遗传的改变
基因突变的一般特征
突变的重演性——同种生物的不同个体、不同时间、地点重复发生
突变的可逆性——正突变、回复突变
突变的多向性——复等位基因
突变的平行性——相似物种发生相似突变
突变的低频率性——突变在一定时间内发生的次数少
突变的有利性和有害性——多样性与选择
基因突变的分子基础
基因突变的类型
碱基替代： DNA分子中一个碱基对被另一个碱基对所代替的现象，包括转换和颠换。
插入缺失：引入或丢失1个或多个碱基。
碱基替代与移码突变的遗传效应
编码区突变可产生的遗传效应
同义突变：碱基替代后，mRNA上产生的新的密码子与原密码子代表同一氨基酸，不造成蛋白质序列的改变。
错义突变：DNA序列上的碱基替代，改变了mRNA上的密码子，导致氨基酸发生替代非编码区突变可产生的遗传效应。
无义突变：碱基替代后，使得mRNA无义密码子提前出现，产生不完整的肽链。
移码突变：在基因组中增加或减少碱基对，使基因的阅读框发生改变，从而使位点之后的密码子都发生改变的现象。
非编码区突变可产生的遗传效应
基因变异发生的机制
化学物质诱发突变
碱基类似物的诱发突变：复制过程中，碱基类似物掺入DNA，其互变异构体与碱基配 对的方式不同，引起碱基替换
使DNA化学结构改变的化学诱变剂：一些亚硝酸盐、烷化剂及羟胺能改变DNA中核苷酸的化学结构，因而导致碱基的替换。
结合到DNA分子上的诱变化合物
高能射线诱发突变：紫外线
重组：染色体的重排即为重组；重组发生在减数分裂过程中，也会发生在真核生物的体细胞中。
同源重组
在重组酶的作用下两个DNA分子中任何一对同源 序列作底物进行交换。
位点专一性重组
不依赖于DNA顺序的同源性，而依赖于能与某 些酶相结合的特异DNA序列，这些酶能催化DNA 链的断裂和重接。
转座重组
转座指一段DNA顺序可以从原位上复制或断裂下来， 环化后插入另一位点。如果这个位点在基因的内部， 转座的片段常引起移码突变或基因失活。
转座元件分为三类：剪切与粘贴转座子、复制型转座 子、反转座子
突变的抑制与DNA损伤的修复
突变的抑制
密码子的兼并性——同义突变（主要方式）
基因内突变的抑制——双移码突变
基因间突变的抑制：无义突变和错义突变的抑制，移码突变的抑制
DNA聚合酶的复制修复作用
DNA的错配修复系统
嘧啶二聚体的修复——光修复
切除修复——暗修复
重组修
DNA多态性
基本概念
遗传多态性：在群体中，一个基因座位存在两个或两个以上等位基因的现象。
DNA多态：在群体中，一个序列位点存在两个或两个以上变异类型的现象。
遗传标记：是指能够用以区别生物个体或群体及其特定基因型，并能稳定遗传的物质标志。
遗传标记类型
表型标记——外观、行为等特性
蛋白质标记——蛋白质分子大小、构型差异
DNA标记——碱基组成的差异
单核苷酸多态性（SNP）
小片段插入缺失多态性（indel）
串联重复数目多态性（VNTR）
拷贝数目变异（CNP）
遗传标记的检测与应用
PCR与酶切结合检测SNP
PCR与测序结合检测微卫星多态
PCR与电泳结合检测inde
DNA芯片
理想遗传标记应具备的特征
标记数量——单一、少量、丰富（测序、芯片）
标记分布——集中、分散（SNP）
标记区分度——显性、共显性（区分杂合子）
遗传多态性——二态、三态或更高（指纹）
DNA多态性标记在动物遗传育种中的应用
基因组与基因工程
基因组概述
基因组结构特征
基因组：一个物种一套染色单体所携带的全部DNA的集合。
分类1
单一序列：一个或几个拷贝的DNA序列（哺乳动物基因组的50-80%）
重复序列：成百甚至上万次反复出现的序列
分类2
高度重复序列：重复频率高——反向重复，串联重复，散布重复
反向重复序列：回文结构或镜像重复
串联重复序列：卫星DNA（着丝粒），小卫星DNA（端粒）和微卫星DNA
散布重复序列：转座子等
中度重复序列：重复几十到上万次——长分散片段，短分散片段
长分散片段（LINE）：KpnI家族，长度3-5kb，散在分布
短分散片段（SINE）：Alu序列，长度300bp，平均5kb一个Alu序列
多基因家族：一群具有相似序列的基因，编码在结构和功能上相关联的一个蛋白质家族的若干个基因
假基因：在同一多基因家族中，某些成员虽与其它基因相似，但并不产生具有功能的基因产物
基因组C值与C值悖论
C值，指每一种生物中的单倍体基因组DNA的总量
最大C值，指每一种生物中单倍体基因组DNA的总量。
最小C值，指每一种生物中编码基因信息的DNA（即外显子DNA）总含量。
C值悖论及相关解释
C值悖论：物种的C值与其进化的复杂性之间没有严格的对应关系，即生物的复杂性与基因组的大小并不完全成比例增加。
C值悖论的可能原因：
基因组大小（C值）的变异主要是由非编码的DNA区段的变异所造成
在染色体上存在着不同数目的重复序列，导致基因组C值较大的变化范围
基因组的起源与演化——“RNA世界”论
“RNA世界”向“DNA”世界的转化：
RNA的编码功能由DNA取代，DNA更稳定
RNA的催化功能由蛋白质取代，蛋白质更多样
RNA仍然保留着调节的功能，RNA更灵活
基因组的演化
新基因的产生
基因图谱
用以描述基因在染色体上的分布状态、线 性排列顺序等信息的图谱
基因组图谱类型
遗传图谱
通过遗传重组分析所得到的基因或标记在染 色体上线性排列图称为遗传连锁图。它是通过计算连锁的 遗传标记之间的重组频率，确定它们的相对距离，一般用 厘摩(cM，即每次减数分裂的重组频率为1%)来表示。
物理图谱
通过限制性酶切片段排列，或利用杂交、测 序等技术确定的基因或标记在染色体上的线性排列图称为 物理图谱。常以遗传标记之间物理距离(bp，即碱基对数， 或kb/Mb等)表示。
连锁图谱的构建
连锁分析(linkage analysis)：以位于同一染色体上 相邻的两个遗传标记或基因的重组率为基础，定位 遗传标记或基因之间的相对位置关系。
物理定位(physical mapping)：用染色体原位杂交 或体细胞杂交等方法，将基因或遗传标记定位在某 一染色体或染色体的某一特定的区域
典型的物理图谱有：
染色体图谱
荧光原位杂交
限制性酶切图谱
基因组全序列
基因组解析的意义
控制复杂性状关键基因的解析
分子遗传鉴定
标记辅助选择
全基因组选择育种
优良遗传种质资源的挖掘
动物基因工程概述
定义：以分子遗传学为理论基础，以分子生物学和微生物学的现代方法为手段，将不同来源的基因按预先设计的蓝图，在体外构建杂种DNA分子，然后导入活细胞，以改变生物原有的遗传特性、获得新品种、生产新产品。基因工程技术为基因结构和功能研究提供了有力手段。
基因工程的主要操作技术
获取符合要求的DNA片段-扩增、酶切、人工合成
构建基因的表达载体-利 用DNA连接酶，把载体和外源 片段连接起来
将目的基因导入受体细胞
目的基因的检测与鉴定
动物转基因技术应用及举例
人类疾病模型
药物蛋白的生物反应器
发现和验证基因功能
动物品种的培育和改良
动物基因编辑技术应用及举例
基因编辑技术:指对基因组的目标位置进行编写，实现对特定DNA片段的敲除、加入或改写等。
细菌对病毒的CRISPR/Cas防御系统
CRISPR Cas9系统工作原理