医学分子生物学教案
第 1 次课 授课时间：2009年8月31日-9月4日
| 课程名称 | 医学分子生物学 | 年级 | 2007 | 专业、层次 | 临床医学 | |||||||
| 授课教师 | 于海清 | 职称 | 讲师 | 课型（大、小) | 大 | 学时 | 3 | |||||
| 授课题目（章、节) | 绪论、第一章 基因的结构与功能 | |||||||||||
| 基本教材及主要参考书 | 药立波 主编. 医学分子生物学(第3版). 北京: 人民卫生出版社, 2008 冯作化 主编. 医学分子生物学. 北京: 人民卫生出版社, 2001 | |||||||||||
| 教学目的与要求： 目的：理解医学分子生物学的发展历史和主要研究内容。理解和掌握基因的现代分子生物学概念。理解和掌握真核生物结构基因的特点。理解和掌握原核生物和真核生物基因的调控序列。 要求： 1. 掌握基因的现代分子生物学概念。掌握DNA和RNA的化学组成；DNA的一级结构；DNA的主要二级结构。熟悉DNA的细胞内组装。 2. 掌握结构基因、断裂基因、外显子和内含子的概念；真核生物结构基因的特点；顺式作用元件和反式作用因子的概念；原核生物基因的调控序列；真核生物基因的调控序列。熟悉原核生物启动子的功能区。 3. 掌握信使RNA的结构特征；转运RNA的结构特征。熟悉核糖体RNA的功能；小分子RNA的种类和功能。 4. 掌握核酸酶的概念；核酶的概念。熟悉核酸酶的类型和特点。 | ||||||||||||
| 教学内容与时间安排、教学方法： 内容： 1. 医学分子生物学的定义、发展历史和主要研究内容、 现状和未来 10分钟 2. 基因的研究简史和基因的现代分子生物学概念 25分钟 3. 基因的化学结构 5分钟 4. 结构基因为多肽链和特定RNA分子编码 20分钟 5. 基因包含结构基因和调控序列 40分钟 6. RNA的结构与功能 10分钟 7. 核酸酶 10分钟 方法：举例调动学生对此门课程的兴趣，强调课程的重要性。尽量使用图片简图加深感性认识，总结对比增强辨识力，动画演示有助于理解。布置一些内容自学，尝试课堂提问或讨论。 | ||||||||||||
| 教学重点及如何突出重点、难点及如何突破难点： 重点：基因的概念；真核生物结构基因的特点；原核生物基因的调控序列；真核生物基因的调控序列。对于重点内容，教学过程中应注意着重强调，以提醒学生注意。 难点：真核生物结构基因的特点；原核生物基因的调控序列；真核生物基因的调控序列。 有关基因的结构和调控序列等教学内容较为繁杂，应多使用图片和动画以助学生理解。 | ||||||||||||
| 教研室审阅意见： 教研室主任签名： 年 月 日 | ||||||||||||
| 基本内容 | 教学手段 | 课堂设计和时间安排 | ||||||||||
| 绪论 1. 医学分子生物学的基本含义，是一门从分子水平上研究生命本质的一门新兴边缘学科。 2. 医学分子生物学研究的主要内容：基因的结构与功能，基因组的结构与功能，基因信息的贮存、复制、传递，基因表达调控，基因组学及相关组学，基因变异与疾病，基因操作技术及其应用，基因诊断，基因治疗。 3. 医学分子生物学的发展史：萌芽阶段、起步阶段、发展阶段。 4. 医学分子生物学的现状与未来。 | 举例 简图 讨论 | 举例结合图示讲解课程概况，引起对课程的兴趣，强调学习此课程的重要性。 （10分钟)
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| 第一章 基因的结构与功能 ―――――――――――――――――― | （★－重点，☆－难点)
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| 基因的研究简史和现代分子生物学概念 • 1865年，Mendel ：hereditary factor • 1869年，Miescher在研究细胞核时发现了DNA，随后，RNA也被发现。 The word protein was first used in 1838. • 1879年，Flemming研究细胞分裂--染色体。 • 1903年，Sutton和Boveri：factor--chromosome • 1909年，Johansen: gene (birth) • 1926年，Morgan: line, smallest unit of mutation • 1928年，Griffith: Griffith riddle (R+S) • 1941年，Beadle和Tatum: one gene, one enzyme • 1944年，Avery: gene--DNA • 1949年，Pauling: gene--amino acid sequences • 1950年，McClintock：gene is jumping! C-Ds-Ac operate system, 转座因子, • 1952年，Hershey和Chase: gene--DNA (Herriott hypothesis) • 1953年4月25日，Watson和Crick: DNA double helix • 1956年，Kornberg: DNA聚合酶 • 1956年，Ingram: 珠蛋白第6位氨基酸残基由Glu突变为Val是镰刀状红细胞贫血的致病原因。 • 1957年，Benzer：顺反子Cistro • 1958年，Weiss: RNA聚合酶 • 1958年，Crick: Central dogma semiconservative replication • 1958年，Meselson和Stahl: 证明DNA半保留复制 • 1959年，Lejeune: Down氏综合征是由于21号染色体三体突变所致。 • 1960年，Kendrew等完成了抹香鲸血红蛋白三维结构的高分辨X-射线衍射分析。 • 1960年，Hirs，Moore和Stein: RNase的一级结构 • 1961年，Jacob和Monod：operon theory，mRNA Some genes are nothing but operating! • 1964年，Nirenberg和Khorana：the Genetic Code • 1965年，中国科学家人工合成了牛胰岛素。 • 1967年，Weiss发现了T4噬菌体DNA连接酶。 • 1968年，Okazaki提出DNA不连续复制学说。 • 1970年，Temin和Baltimore发现了逆转录酶。 • 1972年，Berg将病毒SV40的DNA与噬菌体P22的DNA在体外重组成功。 • 1973年，Kim用X-射线衍射法测定了酵母苯丙氨酸tRNA的三级结构。 • 1973年，中国科学家用X-射线衍射法测定了牛胰岛素的空间结构。 • 1975年，Sanger建立DNA序列测定的加减法。 • 1976年，Mexam和Gilbert建立了DNA序列测定的化学法。 • 1976年，Varmus 和Bishop：病毒癌基因v-src，随后又提出了癌基因假说。 • 1977年，Sanger：DNA序列测定的末端终止法。 • 1977年，Sanger：基因具有重叠性。 • 1977年，Boyer将生长激素释放抑制因子基因在E. coli中表达成功。 • 1977年，Roberts和Sharp：真核基因具有内含子和外显子，提出了断裂基因的概念。 • 1978年，Kan YM第一次利用DNA多态性与致病基因的关联性成功地对镰刀状红细胞贫血进行了产前诊断。 • 1981年，Costantini和Lacy首次报告转基因小鼠获得成功。 • 1982年，Cech发现了四膜虫RNA具有自催化活性，并提出了核酶（ribozyme)的概念。 • 1983年，Mullis建立了PCR技术。 • 1983年，第一次将亨丁顿病的致病基因定位于第4号染色体上。 • 1986年，第一个人类致病基因—慢性肉芽肿病的致病基因被定位和克隆。 • 1987年，美国开发完成DNA自动测序仪。 • 1990年，Blaese等完成了首例针对腺苷脱氨酶缺陷基因的基因治疗。 • 1990年，人类基因组计划启动，并于2006年完成了人类基因组DNA的全部测序工作。 • 1990~2000年，完成了多种致病微生物基因组的测序工作，其中包括流感病毒基因组、支原体基因组、结核杆菌基因组等。 • 1998年，Fire和Mello：RNA interference 阐明gene silencing的机制，RNAi已被广泛用作研究基因功能的一种手段，有望在未来帮助科学家开发出治疗疾病的新疗法。 | 讨论 简图 动画 | ★ 概念。 举例结合图示讲解基因，进一步引起对学生对课程的兴趣 (25分钟)
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| 第一节 基因的化学结构 1. DNA和RNA的化学组成 核苷酸：戊糖、碱基（嘌呤和嘧啶)、磷酸 2. DNA的一级结构：碱基组成 3. DNA的主要二级结构：双螺旋 4. DNA在细胞内的组装：核小体 | 讨论 简图 动画 | 结合图示和复习生化相关内容讲解：DNA和RNA的化学组成；DNA的一级结构；DNA的主要二级结构；DNA在细胞内的组装。 (5分钟) ――第1节课结束――
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| 第二节 基因的功能和组构 1. 结构基因为多肽链和特定RNA分子编码。 定义: 在基因片段中，贮存一特定转录RNA分子的DNA序列，这段序列决定该RNA分子的一级结构，结构基因又称为编码序列。 | 讨论 简图 动画 | ★ 结构基因的概念。 结合图示讲解：真核生物结构基因的结构特点。 (20分钟)
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| 设问 | 1. 原核生物结构基因与真核生物结构基因有何区别？ 2. 病毒结构基因与真核生物结构基因有何区别？
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| 2. 基因包含结构基因和调控序列。 基因的组成：一个编码特定多肽链的DNA序列(结构基因) + 与蛋白质编码无关的DNA序列(调控序列) 原核生物基因的调控序列： 1. 启动子（promoter)：是RNA聚合酶特异性识别和结合的DNA序列。位于结构基因转录起始点的上游，启动子本身并不被转录。包括三个部分:转录起始部位（＋1 bp)、－10 bp区和－35 bp区。RNA聚合酶全酶中的σ因子识别并结合在－35 bp区和－10 bp区 | 讨论 对比 简图 动画 | ★强调：原核生物基因的调控序列。 ☆结合图示讲解：原核生物基因的启动子特点，终止子，操纵元件，正调控蛋白结合位点。 (20分钟)
――第2节课结束――
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| 真核生物基因的调控序列 指结构基因中与成熟RNA分子中的保留序列相 对应的序列 指与RNA分子剪接时删除部分相对应的结构基因序列 n 内含子Chambon规则（GT-AG规则)：5’GT-AG3’是真核chrDNA剪接酶的识别信号 n GC岛（GC island)：人类DNA中有基因密集的“城市中心”，GC含量很高 n 与转录调控有关的DNA序列称为顺式作用元件（cis-acting elements) n 顺式作用元件：包括启动子、上游启动子元件、增强子、加尾信号和一些反应元件等。 1. 启动子 • RNA聚合酶特异性识别和结合的DNA序列。 • 多数位于转录起始点的上游，启动子本身不被转录。但有一些启动子（如tRNA启动子)可以位于转录起始点的下游，这些DNA序列可以被转录。 2. 上游启动子元件 • 指TATA盒上游的一些特定的DNA序列 • 与 TATA盒共同组成启动子 • 是反式作用因子（转录激活蛋白)识别与结合的位点 n 常见的上游启动子元件 • CAAT盒：含有5‘GGNCAATCT3’核心序列 －80 bp～－90 bp • CACA盒: 含有5‘GCCACACCC3’核心序列－80 bp～－90 bp (大多数真核生物基因具有) • GC盒: 含有5‘CCGCC 3’ 核心序列 －70 bp和－120 bp (组成型基因具有) 3. 反应元件 • 一类能介导基因对细胞外的某种信号产生反应的特异的DNA序列 • 特点： 具有较短的保守序列 通常位于启动子附近、启动子内或增强子区域 4. poly(A)信号 • II类基因除了调控转录起始的序列外，在结构 基因的3‘端下游还有加尾信号。由AATAAA序列和医学.全在线www.med126.comGT丰富区，或T丰富区组成。 • 作用: 终止mRNA转录和为其加上poly(A)尾 | 讨论 对比 简图 动画 | ★强调：真核生物基因的调控序列。 ☆结合图示讲解：真核生物基因的启动子特点，增强子，沉默子。 (20分钟)
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| 第三节 RNA的结构与功能
1. 信使RNA具有特征结构。 u 原核生物mRNA的结构特点：多顺反子结构 u 真核生物mRNA的结构特点： ① 单顺反子结构，只编码一条多肽链 ② 3’-端具有polyA的”tail“结构，不由DNA编码，防止mRNA被核酸酶水解，核质转运有关 ③ 5’端具有 m7G5’pppN的“cap”结构， 防止核酸外切酶对mRNA的降解，识别起始点（核糖体识别mRNA ) | 讨论 对比 | ☆结合图示讲解：原核生物与真核生物mRNA的特征结构。 (8分钟)
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| 2. 转运RNA有氨基酸接纳茎和反密码环。 u 分子量25KD左右，沉降系数4s；多数为70~90个核苷酸 u 三叶草形结构 u 3’末端（接受末端)CAOH结构，接受活化的aa u 5’端多为pG，也有pC结构的 u 执业药师具有不等的稀有碱基及位置不变的恒定核苷酸2 3. 核糖体RNA是核糖体的组成成分。 u 原核生物的rRNA：16S、5S、23S u 真核生物的rRNA：18S、5S、5.8S、28S 4. 小分子RNA有不同的种类和功能。 u 真核细胞的小分子RNA snRNA 参与mRNA的剪接 snoRNA参与rRNA前体的剪接 scRNA参与蛋白质的翻译和转运 miRNA、siRNA、antisense RNA参与基因表达调控 u 原核细胞的小分子RNA：antisense RNA | 讨论 对比 简图 动画 | 结合图示和复习生化相关内容讲解：DNA和RNA的化学组成；DNA的一级结构；DNA的主要二级结构；DNA在细胞内的组装。 (5分钟)
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| 第四节 核酸酶 核酸酶是指所有可以水解核酸的酶
• DNA酶（deoxyribonuclease，DNase)，专一切割DNA • RNA酶（ribonuclease，RNase)，专一切割RNA 2. 依据切割部位不同 • 核酸内切酶 限制性核酸内切酶 非限制性核酸内切酶 • 核酸外切酶 5’--3’或3‘--5’核酸外切酶 ² 参与DNA的合成与修复及RNA合成后的剪接等重要基因复制和基因表达过程 ² 负责清除多余的，结构和功能异常的核酸，同时也可以清除侵入细胞的外源性核酸 ² 消化液中降解食物中的核酸以利吸收 ² 体外重组DNA技术中的重要工具酶 核酶（ribozyme)：是一类具有催化活力的RNA l 功能 主要参与RNA的加工和成熟 l 应用 剪切、破坏特定的RNA分子，如切割RNA的基因组或癌基因的mRNA等，达到治疗疾病的目的 | 讨论 简图 动画 | ★强调：核酸酶，核酶的概念。 ☆结合图示讲解：核酸酶的种类和特点。 (7分钟)
――第3节课结束――
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| 小 结 |
原核生物基因与真核生物基因的结构特点。 原核生物基因与真核生物基因的调控序列。 (2分钟)
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| 复 习 思 考 题 、 作 业 题 | 1. 什么是DNA的一级结构？ 2. DNA的主要二级结构的要点有哪些？ 3. 什么是Chargaff规则？ 4. 原核生物与真核生物DNA的细胞内组装有何不同？ 5. 原核生物的结构基因与调控序列是怎样进行组织的？ 6. 真核生物的顺式作用元件包括哪些？ 7. 什么是启动子、增强子和沉默子？ 8. 真核生物信使RNA有何结构特征？ 9. 原核生物和真核生物核蛋白体的组成有何不同？ 10. 小分子RNA的种类和功能有哪些？ 11. 核酸酶的类型有哪些，各有什么特点？ 12. 核酶的本质和功能是什么？
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| 下 次 课 预 习 要 点 | 1. 真核细胞基因组存在三种重复序列 2. 多基因家族及假基因的概念； 3. 原核生物基因组的特点 4. 操纵子的概念。 5. 病毒基因组的分类和特点 6. 重叠基因的概念。
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| 实 施 情 况 及 分 析 |
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基因（gene)是指核酸分子中贮存与表达遗传信息的单位，包括编码序列、非编码序列和调控序列。大部分生物中构成基因的核酸物质是DNA，少数生物（如RNA病毒)中是RNA。