生物化學與分子生物學-授課教案醫(yī)學分子生物學教學方案:

課程名稱

醫(yī)學分子生物學

年級

2007

專業(yè)、層次

臨床醫(yī)學

授課教師

于海清

職稱

講師

課型（大、小)

大

學時

3

授課題目（章、節(jié))

緒論、第一章  基因的結構與功能

基本教材及主要參考書

藥立波 主編. 醫(yī)學分子生物學(第3版). 北京: 人民衛(wèi)生出版社, 2008

馮作化 主編. 醫(yī)學分子生物學. 北京: 人民衛(wèi)生出版社, 2001

教學目的與要求：

目的：理解醫(yī)學分子生物學的發(fā)展歷史和主要研究內容。理解和掌握基因的現(xiàn)代分子生物學概念。理解和掌握真核生物結構基因的特點。理解和掌握原核生物和真核生物基因的調控序列。

要求：

1. 掌握基因的現(xiàn)代分子生物學概念。掌握DNA和RNA的化學組成；DNA的一級結構；DNA的主要二級結構。熟悉DNA的細胞內組裝。

2. 掌握結構基因、斷裂基因、外顯子和內含子的概念；真核生物結構基因的特點；順式作用元件和反式作用因子的概念；原核生物基因的調控序列；真核生物基因的調控序列。熟悉原核生物啟動子的功能區(qū)。

3. 掌握信使RNA的結構特征；轉運RNA的結構特征。熟悉核糖體RNA的功能；小分子RNA的種類和功能。

4. 掌握核酸酶的概念；核酶的概念。熟悉核酸酶的類型和特點。

教學內容與時間安排、教學方法：

內容：

1. 醫(yī)學分子生物學的定義、發(fā)展歷史和主要研究內容、 現(xiàn)狀和未來   10分鐘

2. 基因的研究簡史和基因的現(xiàn)代分子生物學概念  25分鐘

3. 基因的化學結構      5分鐘

4. 結構基因為多肽鏈和特定RNA分子編碼       20分鐘

5. 基因包含結構基因和調控序列  40分鐘

6. RNA的結構與功能   10分鐘

7. 核酸酶 10分鐘

方法：舉例調動學生對此門課程的興趣，強調課程的重要性。盡量使用圖片簡圖加深感性認識，總結對比增強辨識力，動畫演示有助于理解。布置一些內容自學，嘗試課堂提問或討論。

教學重點及如何突出重點、難點及如何突破難點：

重點：基因的概念；真核生物結構基因的特點；原核生物基因的調控序列；真核生物基因的調控序列。對于重點內容，教學過程中應注意著重強調，以提醒學生注意。

難點：真核生物結構基因的特點；原核生物基因的調控序列；真核生物基因的調控序列。

有關基因的結構和調控序列等教學內容較為繁雜，應多使用圖片和動畫以助學生理解。

教研室審閱意見：

  教研室主任簽名：

    年   月 日

基本內容

教學手段

課堂設計和時間安排

緒論

1. 醫(yī)學分子生物學的基本含義，是一門從分子水平上研究生命本質的一門新興邊緣學科。

2. 醫(yī)學分子生物學研究的主要內容：基因的結構與功能，基因組的結構與功能，基因信息的貯存、復制、傳遞，基因表達調控，基因組學及相關組學，基因變異與疾病，基因操作技術及其應用，基因診斷，基因治療。

3. 醫(yī)學分子生物學的發(fā)展史：萌芽階段、起步階段、發(fā)展階段。

4. 醫(yī)學分子生物學的現(xiàn)狀與未來。

舉例

簡圖

討論

舉例結合圖示講解課程概況，引起對課程的興趣，強調學習此課程的重要性。

（10分鐘)

第一章  基因的結構與功能

――――――――――――――――――

（★－重點，☆－難點)

基因的研究簡史和現(xiàn)代分子生物學概念

•   1865年，Mendel ：hereditary factor

•   1869年，Miescher在研究細胞核時發(fā)現(xiàn)了DNA，隨后，RNA也被發(fā)現(xiàn)。

The word protein was first used in 1838.

•   1879年，F(xiàn)lemming研究細胞分裂--染色體。

•   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, 轉座因子,

•   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位氨基酸殘基由Glu突變?yōu)閂al是鐮刀狀紅細胞貧血的致病原因。

•   1957年，Benzer：順反子Cistro

•   1958年，Weiss: RNA聚合酶

•   1958年，Crick: Central dogma

semiconservative replication

•   1958年，Meselson和Stahl: 證明DNA半保留復制

•   1959年，Lejeune: Down氏綜合征是由于21號染色體三體突變所致。

•   1960年，Kendrew等完成了抹香鯨血紅蛋白三維結構的高分辨X-射線衍射分析。

•   1960年，Hirs，Moore和Stein: RNase的一級結構

•   1961年，Jacob和Monod：operon theory，mRNA Some genes are nothing but  operating!

•   1964年，Nirenberg和Khorana：the Genetic Code

•   1965年，中國科學家人工合成了牛胰島素。

•   1967年，Weiss發(fā)現(xiàn)了T4噬菌體DNA連接酶。

•   1968年，Okazaki提出DNA不連續(xù)復制學說。

•   1970年，Temin和Baltimore發(fā)現(xiàn)了逆轉錄酶。

•   1972年，Berg將病毒SV40的DNA與噬菌體P22的DNA在體外重組成功。

•   1973年，Kim用X-射線衍射法測定了酵母苯丙氨酸t(yī)RNA的三級結構。

•   1973年，中國科學家用X-射線衍射法測定了牛胰島素的空間結構。

•   1975年，Sanger建立DNA序列測定的加減法。

•   1976年，Mexam和Gilbert建立了DNA序列測定的化學法。

•   1976年，Varmus 和Bishop：病毒癌基因v-src，隨后又提出了癌基因假說。

•   1977年，Sanger：DNA序列測定的末端終止法。

•   1977年，Sanger：基因具有重疊性。

•   1977年，Boyer將生長激素釋放抑制因子基因在E. coli中表達成功。

•   1977年，Roberts和Sharp：真核基因具有內含子和外顯子，提出了斷裂基因的概念。

•   1978年，Kan YM第一次利用DNA多態(tài)性與致病基因的關聯(lián)性成功地對鐮刀狀紅細胞貧血進行了產前診斷。

•   1981年，Costantini和Lacy首次報告轉基因小鼠獲得成功。

•   1982年，Cech發(fā)現(xiàn)了四膜蟲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技術。

•   1983年，第一次將亨丁頓病的致病基因定位于第4號染色體上。

•   1986年，第一個人類致病基因—慢性肉芽腫病的致病基因被定位和克隆。

•   1987年，美國開發(fā)完成DNA自動測序儀。

•   1990年，Blaese等完成了首例針對腺苷脫氨酶缺陷基因的基因治療。

•   1990年，人類基因組計劃啟動，并于2006年完成了人類基因組DNA的全部測序工作。

•   1990~2000年，完成了多種致病微生物基因組的測序工作，其中包括流感病毒基因組、支原體基因組、結核桿菌基因組等。

•   1998年，F(xiàn)ire和Mello：RNA interference

闡明gene silencing的機制，RNAi已被廣泛用作研究基因功能的一種手段，有望在未來幫助科學家開發(fā)出治療疾病的新療法。

基因（gene)是指核酸分子中貯存與表達遺傳信息的單位，包括編碼序列、非編碼序列和調控序列。大部分生物中構成基因的核酸物質是DNA，少數(shù)生物（如RNA病毒)中是RNA。

討論

簡圖

動畫

★  概念。

舉例結合圖示講解基因，進一步引起對學生對課程的興趣

　　　　　　　   　(25分鐘)

第一節(jié)  基因的化學結構

   1. DNA和RNA的化學組成

  核苷酸：戊糖、堿基（嘌呤和嘧啶)、磷酸

   2. DNA的一級結構：堿基組成

3. DNA的主要二級結構：雙螺旋

4. DNA在細胞內的組裝：核小體

討論

簡圖

動畫

結合圖示和復習生化相關內容講解：DNA和RNA的化學組成；DNA的一級結構；DNA的主要二級結構；DNA在細胞內的組裝。

(5分鐘)

――第1節(jié)課結束――

第二節(jié)  基因的功能和組構

1. 結構基因為多肽鏈和特定RNA分子編碼。

定義: 在基因片段中，貯存一特定轉錄RNA分子的DNA序列，這段序列決定該RNA分子的一級結構，結構基因又稱為編碼序列。

討論

簡圖

動畫

★  結構基因的概念。

結合圖示講解：真核生物結構基因的結構特點。

(20分鐘)

設問

1. 原核生物結構基因與真核生物結構基因有何區(qū)別？

2. 病毒結構基因與真核生物結構基因有何區(qū)別？

2. 基因包含結構基因和調控序列。

基因的組成：一個編碼特定多肽鏈的DNA序列(結構基因) + 與蛋白質編碼無關的DNA序列(調控序列)

原核生物基因的調控序列：

1. 啟動子（promoter)：是RNA聚合酶特異性識別和結合的DNA序列。位于結構基因轉錄起始點的上游，啟動子本身并不被轉錄。包括三個部分:轉錄起始部位（＋1 bp)、－10 bp區(qū)和－35 bp區(qū)。RNA聚合酶全酶中的σ因子識別并結合在－35 bp區(qū)和－10 bp區(qū)

討論

對比

簡圖

動畫

★強調：原核生物基因的調控序列。

☆結合圖示講解：原核生物基因的啟動子特點，終止子，操縱元件，正調控蛋白結合位點。

(20分鐘)

――第2節(jié)課結束――

真核生物基因的調控序列

外顯子（exon)

指結構基因中與成熟RNA分子中的保留序列相 

對應的序列

 內含子（intron)

指與RNA分子剪接時刪除部分相對應的結構基因序列

n 內含子Chambon規(guī)則（GT-AG規(guī)則)：5’GT-AG3’是真核chrDNA剪接酶的識別信號

n GC島（GC island)：人類DNA中有基因密集的“城市中心”，GC含量很高

n 與轉錄調控有關的DNA序列稱為順式作用元件（cis-acting elements)

n 順式作用元件：包括啟動子、上游啟動子元件、增強子、加尾信號和一些反應元件等。

1. 啟動子

•   RNA聚合酶特異性識別和結合的DNA序列。

•   多數(shù)位于轉錄起始點的上游，啟動子本身不被轉錄。但有一些啟動子（如tRNA啟動子)可以位于轉錄起始點的下游，這些DNA序列可以被轉錄。

2. 上游啟動子元件

•   指TATA盒上游的一些特定的DNA序列

•   與 TATA盒共同組成啟動子

•   是反式作用因子（轉錄激活蛋白)識別與結合的位點 

n 常見的上游啟動子元件

•   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 (大多數(shù)真核生物基因具有)

•   GC盒:  含有5‘CCGCC 3’ 核心序列

  －70 bp和－120 bp (組成型基因具有)

3. 反應元件

•   一類能介導基因對細胞外的某種信號產生反應的特異的DNA序列

•   特點：

具有較短的保守序列

通常位于啟動子附近、啟動子內或增強子區(qū)域

4. poly(A)信號

•   II類基因除了調控轉錄起始的序列外，在結構

   基因的3‘端下游還有加尾信號。由AATAAA序列和醫(yī)學.全在線jfsoft.net.cnGT豐富區(qū)，或T豐富區(qū)組成。

•   作用:  終止mRNA轉錄和為其加上poly(A)尾

討論

對比

簡圖

動畫

★強調：真核生物基因的調控序列。

☆結合圖示講解：真核生物基因的啟動子特點，增強子，沉默子。

(20分鐘)

第三節(jié)  RNA的結構與功能

1. 信使RNA具有特征結構。

u 原核生物mRNA的結構特點：多順反子結構

u 真核生物mRNA的結構特點：

① 單順反子結構，只編碼一條多肽鏈

② 3’-端具有polyA的”tail“結構，不由DNA編碼，防止mRNA被核酸酶水解，核質轉運有關

③ 5’端具有 m7G5’pppN的“cap”結構， 防止核酸外切酶對mRNA的降解，識別起始點（核糖體識別mRNA )

討論

對比

☆結合圖示講解：原核生物與真核生物mRNA的特征結構。

    (8分鐘)

2. 轉運RNA有氨基酸接納莖和反密碼環(huán)。

u 分子量25KD左右，沉降系數(shù)4s；多數(shù)為70~90個核苷酸

u 三葉草形結構

u 3’末端（接受末端)CAOH結構，接受活化的aa

u 5’端多為pG，也有pC結構的

u 執(zhí)業(yè)藥師具有不等的稀有堿基及位置不變的恒定核苷酸2

3. 核糖體RNA是核糖體的組成成分。

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有不同的種類和功能。

u 真核細胞的小分子RNA

snRNA 參與mRNA的剪接

snoRNA參與rRNA前體的剪接

scRNA參與蛋白質的翻譯和轉運

miRNA、siRNA、antisense RNA參與基因表達調控

u 原核細胞的小分子RNA：antisense RNA

討論

對比

簡圖

動畫

結合圖示和復習生化相關內容講解：DNA和RNA的化學組成；DNA的一級結構；DNA的主要二級結構；DNA在細胞內的組裝。

  (5分鐘)

 第四節(jié)  核酸酶

核酸酶是指所有可以水解核酸的酶

1. 依據(jù)底物不同分類

•   DNA酶（deoxyribonuclease，DNase)，專一切割DNA

•   RNA酶（ribonuclease，RNase)，專一切割RNA

2. 依據(jù)切割部位不同

•   核酸內切酶 限制性核酸內切酶  非限制性核酸內切酶

•   核酸外切酶 5’--3’或3‘--5’核酸外切酶

²  參與DNA的合成與修復及RNA合成后的剪接等重要基因復制和基因表達過程

²  負責清除多余的，結構和功能異常的核酸，同時也可以清除侵入細胞的外源性核酸

²  消化液中降解食物中的核酸以利吸收

²  體外重組DNA技術中的重要工具酶

核酶（ribozyme)：是一類具有催化活力的RNA

l   功能

  主要參與RNA的加工和成熟

l 應用

剪切、破壞特定的RNA分子，如切割RNA的基因組或癌基因的mRNA等，達到治療疾病的目的

討論

簡圖

動畫

★強調：核酸酶，核酶的概念。

☆結合圖示講解：核酸酶的種類和特點。

(7分鐘)

――第3節(jié)課結束――

小

結

原核生物基因與真核生物基因的結構特點。

原核生物基因與真核生物基因的調控序列。

  (2分鐘)

復

習

思

考

題

、

作

業(yè)

題

1. 什么是DNA的一級結構？

2. DNA的主要二級結構的要點有哪些？

3. 什么是Chargaff規(guī)則？

4. 原核生物與真核生物DNA的細胞內組裝有何不同？

5. 原核生物的結構基因與調控序列是怎樣進行組織的？

6. 真核生物的順式作用元件包括哪些？

7. 什么是啟動子、增強子和沉默子？

8. 真核生物信使RNA有何結構特征？

9. 原核生物和真核生物核蛋白體的組成有何不同？

10. 小分子RNA的種類和功能有哪些？

11. 核酸酶的類型有哪些，各有什么特點？

12. 核酶的本質和功能是什么？

下

次

課

預

習

要

點

1. 真核細胞基因組存在三種重復序列

2. 多基因家族及假基因的概念；

3. 原核生物基因組的特點

4. 操縱子的概念。

5. 病毒基因組的分類和特點

6. 重疊基因的概念。

實

施

情

況

及

分

析