分子生物學(xué) 第二章 基因與基因組-新

1、 第二章 基因與基因組第一節(jié) 基因與基因組的概念 一一 基因概念的發(fā)展基因概念的發(fā)展 從遺傳學(xué)史的角度看，基因概念的發(fā)展大致分以下幾個(gè)階段：孟德爾的遺傳因子階段，摩爾根的基因階段，順反子階段，操縱子階段和現(xiàn)代基因階段。 （一）孟德爾的遺傳因子（一）孟德爾的遺傳因子 1865年，奧地利的孟德爾在植物雜交試驗(yàn)的論文中提出生物體的各種特定性狀受遺傳因子所控制，一個(gè)因子決定一種性狀。 作為基因雛形名詞的遺傳因子，只是一種邏輯推理概念，沒有任何物質(zhì)內(nèi)容。 （二）摩爾根的基因概念（二）摩爾根的基因概念 染色體遺傳學(xué)之父摩爾根和他的學(xué)生們通過果蠅研究把基因定位在染色體上，首先使基因物質(zhì)化了。 1953年沃森

2、-克里克DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的提出，這個(gè)模型表明基因?qū)嶋H上就是DNA分子的一段核苷酸序列。 20世紀(jì)40年代末至50年代初，基因是通知控制特定蛋白質(zhì)合成來控制代謝，進(jìn)而決定生物性狀的原理變得清晰起來。 （三）（三） 順反子順反子 1957年，法國遺傳學(xué)家本茲爾的噬菌體重組試驗(yàn)結(jié)果表明： 基因可被分為更小的單位； 一個(gè)順反子就相當(dāng)于一個(gè)基因，它是一個(gè)功能單位，決定一個(gè)酶或一條多肽鏈的表達(dá)。 （四）操縱子及其基因（四）操縱子及其基因 1961年，法國分子生物學(xué)家雅各布和莫諾基于細(xì)菌酶誘導(dǎo)的研究，提出了關(guān)于原核生物基因表達(dá)調(diào)控的“乳糖操縱子模型”。 作為原核生物基因表達(dá)調(diào)控單元的操縱子，其基因根據(jù)功

3、能可分為結(jié)構(gòu)基團(tuán)、調(diào)節(jié)基團(tuán)（?）和控制基團(tuán)（包括啟動(dòng)基因和操縱基團(tuán)）三類。(五五) 現(xiàn)代基因概念的擴(kuò)展現(xiàn)代基因概念的擴(kuò)展 1. 重疊基因 重疊基因即一個(gè)基因包含或部分包含另一基因。 重疊基因的發(fā)現(xiàn)揭示了遺傳物質(zhì)的一種經(jīng)濟(jì)而巧妙的編排密碼子共用核苷酸序列，通過不同的三聯(lián)體密碼子讀框編碼不同的多肽鏈。 2. 斷裂基因 出現(xiàn)在成熟的mRNA上的DNA序列是不連續(xù)的，它們被一些間隔區(qū)DNA序列所分隔。 這些間隔區(qū)序列在RNA的轉(zhuǎn)錄后的加工成熟過程中被切除。 這種基因內(nèi)部的間隔區(qū)DNA序列稱為內(nèi)含子， 出現(xiàn)在成熟RNA中的各個(gè)DNA區(qū)段稱為外顯子。 由若干個(gè)外顯子和內(nèi)含子互相間隔而組成的嵌和體稱為斷裂基

4、團(tuán)。 3. 跳躍基因 跳躍基團(tuán)又稱為轉(zhuǎn)座元件，它是指那些可從染色體的一個(gè)位置跳到另一個(gè)位置，或從一條染色體跳到另外一條染色體上的可移動(dòng)遺傳元件。 4. 假基因 假基因也稱“擬基因”，是一類沒有功能的特殊基團(tuán)。 假基因的核苷酸序列與其相應(yīng)的有功能基因基本相同，原來也可能是有功能的基因，由于缺失或點(diǎn)突變等原因失去活性，成為無功能基因。 二 . 基因的概念 (一) 基因的概念 基因（gene）是生物體傳遞和表達(dá)遺傳信息的基本單位。 從化學(xué)角度觀察，基因則是一段具有特定功能和結(jié)構(gòu)的連續(xù)的脫氧核糖核酸序列，是構(gòu)成巨大遺傳單位染色體的重要組成部分。 指表達(dá)一種或多種蛋白質(zhì)或功能指表達(dá)一種或多種蛋白質(zhì)或功能

5、RNARNA的遺傳物的遺傳物質(zhì)的基本單位。質(zhì)的基本單位。 一段制造功能產(chǎn)物的完整的染色體片段（一段制造功能產(chǎn)物的完整的染色體片段（a complete chromosomal segment responsible for making a functional product.*)。包含基因的產(chǎn)物、基因的功能包含基因的產(chǎn)物、基因的功能性及性及完整性完整性（包括一個(gè)蛋白質(zhì)或（包括一個(gè)蛋白質(zhì)或RNA的全部的全部編碼序列編碼序列和編碼區(qū)之外對(duì)編碼區(qū)轉(zhuǎn)錄功能所必要的非編碼的和編碼區(qū)之外對(duì)編碼區(qū)轉(zhuǎn)錄功能所必要的非編碼的調(diào)調(diào)控區(qū)控區(qū)。）。）基因的分子生物學(xué)定義基因的分子生物學(xué)定義 一個(gè)基因不僅是編碼有功

6、能的蛋白質(zhì)多肽鏈或RNA所必需的核酸序列（通常指DNA序列），而且還包括為保證轉(zhuǎn)錄所必需的調(diào)控序列、5端非翻譯序列、內(nèi)含子以及3非翻譯序列等核酸序列。根據(jù)基因是否具有表達(dá)功能可以將其分為三類 第一類是編碼蛋白質(zhì)的基因，它具有轉(zhuǎn)錄和翻譯功能，包括編碼酶、其他功能蛋白和結(jié)構(gòu)蛋白的結(jié)構(gòu)基因以及編碼阻遏蛋白的調(diào)節(jié)基團(tuán)。 第二類是只有轉(zhuǎn)錄功能而沒有翻譯功能的基團(tuán)，包括tRNA基因和rRNA基因。 第三類是不轉(zhuǎn)錄的基因，它對(duì)基因表達(dá)起調(diào)節(jié)控制作用，包括啟動(dòng)基因和操縱基因，這類基因也稱控制基因。( (二二) ) 基因的命名法基因的命名法 目前對(duì)基因的命名一般根據(jù)種屬習(xí)慣，方法并未統(tǒng)一。 基因的命名一般用斜體

7、字，按種屬字母和數(shù)學(xué)符號(hào)來表示。 如果表示蛋白產(chǎn)物和表型，就用大寫字母。 如果表示隱性突變，用小寫字母。表示顯性突變，第一個(gè)字母要大寫。 在其它一些種屬包括人的基因命名中，基因全由大寫字母表示。大腸桿菌和其他細(xì)菌 三個(gè)小寫字母表示一個(gè)操縱子，接著的大寫字母表示不同基因座。 例如：lac操縱子；基因座：lacZ，lacY，lacA。 蛋白質(zhì)：LacZ，LacY，LacA。 另外還采用特殊慣例命名B.subilis的孢子發(fā)生基因。 這些基因以spo后加上表示孢子發(fā)生的形態(tài)階段的羅馬數(shù)字表示，再用大寫字母表示表示操縱子，而后為基因座， 例如，spoGA就表示在第二階段表達(dá)的操縱子G的第一個(gè)基因座。

8、酵母 三個(gè)字母表明基因功能，而后的數(shù)字表示不同的基因座。 啤酒酵母基因GAL4，CDC28； 蛋白質(zhì)：GAL4，CDC28。 非洲蜀酒酵母基因gal4，cdc2； 蛋白質(zhì)：Gal4，Cdc2。 線蟲 用三個(gè)小寫字母表示突變表型，如存在不只一個(gè)基因座，用連字符號(hào)接數(shù)字表示， 例如，基因unc-86，ced-9；蛋白UNC-86；CED-9。 果蠅 來自突變表型的描述可以用1-4個(gè)字母表示。 例 如 ， 基 因w h i t e ( w )，tailless(tll)，hedgehog(hh)；而蛋白為White，Tailless，Hedgehog。 植物 雖然沒有適用于所有植物的慣用法，但大多數(shù)

9、用1-3個(gè)小寫字母表示。 Arabidopsis基因用果蠅的方法命名，但 使 用 大 寫 字 母 ， 例 如 ， 基 因AGAMOUS(AG)，蛋白AGAMOUS。 脊椎動(dòng)物 一般以描述基因功能的1-4個(gè)小寫字母和數(shù)字表示其基因功能。 例如，基因sey，myc，蛋白Sey，Myc。 人類 方法如脊椎動(dòng)物但需大寫。例如基因MYC、ENO1。二. 基因組的概念 基因組（genome）是細(xì)胞或生物體的全套遺傳物質(zhì)。 The genome is the complete set of sequences in the genetic material of an organism. It includ

10、es the sequence of each chromosome plus any DNA in organelles. 是一種生物染色體內(nèi)全部遺傳物質(zhì)的總和，包括構(gòu)成基因和基因之間區(qū)域的所有DNA。 就細(xì)菌和噬菌體而言，它們的基因組是指單個(gè)染色體上所含的全部基因； 而二倍體真核生物的基因組則是指維持配子或配子體正常功能的最基本的一套染色體及其所攜帶的全部基因。（即由一個(gè)物種的單倍體的染色體構(gòu)成。由一個(gè)物種的單倍體的染色體構(gòu)成。/任一任一 生物染色體的單個(gè)單倍體組。生物染色體的單個(gè)單倍體組。） 基因組基因組在個(gè)體水平代表一個(gè)個(gè)體所有遺傳性狀的總和，在細(xì)胞水平代表一個(gè)細(xì)胞所有不同染色體（單倍

11、體）的總和，在分子水平代表一個(gè)物種所有DNA分子的總和。 簡(jiǎn)而言之，它表示一種生物的DNA或RNA所含的全部遺傳信息。 基因組與基因，一般以DNA的長度和序列來表示。 生物的復(fù)雜性與基因組內(nèi)的基因數(shù)量有關(guān)，進(jìn)化程度越高，基因組越復(fù)雜。 第二節(jié) 病毒(噬菌體) 基因組 病毒病毒（virus）是一類沒有細(xì)胞結(jié)構(gòu)但有遺傳、變異、共生和干擾等生命現(xiàn)象的微生物。 在結(jié)構(gòu)上，沒有細(xì)胞結(jié)構(gòu)，因此稱為病毒顆粒而非病毒細(xì)胞； 在化學(xué)組成上，完整的病毒顆粒通常由一種或幾種蛋白質(zhì)和一種核酸組成，有些種類還含有一定量的脂類物質(zhì)和碳水化合物，而類病毒僅僅以核酸形式存在； 在生命活動(dòng)上，這種最簡(jiǎn)單的生命形式需借助其他生物

12、細(xì)胞完成其生命過程，基因組信息的遺傳與變異是其生命活動(dòng)的最主要內(nèi)容。一. 病毒基因組核酸的主要類型 病毒（virus）是最簡(jiǎn)單的生物，外殼蛋白包裹著里面的遺傳物質(zhì)核酸。 1、雙鏈DNA 多數(shù)動(dòng)物病毒，如腺病毒、皰疹病毒、痘病毒，環(huán)形、線形。2、單鏈DNA 動(dòng)物病毒中僅微小病毒為單鏈病毒；噬菌體中僅含單鏈DNA。 RNA病毒基因組所攜帶的遺傳信息一般在同一條鏈上，序列與mRNA相同的為正股（+），與mRNA互補(bǔ)的為負(fù)股（）3、雙鏈RNA 以負(fù)鏈RNA為模板轉(zhuǎn)錄出mRNA如呼腸孤病毒及噬真菌體。4、單鏈負(fù)股RNA 5、單鏈正股RNA： 如逆轉(zhuǎn)錄病毒二. 病毒基因組結(jié)構(gòu)與功能1、不同病毒的基因組的大

13、小差異很大。 比細(xì)菌基因組小，只能編碼少數(shù)蛋白，遺傳信息量較小。 2、不同病毒的基因組可以是不同結(jié)構(gòu)的核酸; 每種病毒基因組由DNA或RNA中的一種組成。 核酸的結(jié)構(gòu)可以是單鏈或雙鏈，閉合環(huán)狀或線狀分子。 根據(jù)基因組的核酸類型，病毒可分為DNA病毒和RNA病毒。3、病毒基因組有連續(xù)的也有不連續(xù)的; 噬菌體的基因是連續(xù)的。而多數(shù)真核細(xì)胞的病毒常含有不連續(xù)基因。 除正鏈RNA病毒外，真核細(xì)胞病毒的基因先轉(zhuǎn)錄成mRNA前體，再加工為成熟的mRNA。故病毒基因的特性更像真核生物基因。 4、病毒基因組的編碼序列大于90%; 大部分序列用來編碼蛋白，基因之間的間隔序列（spacer sequence）非常

14、短。 如X174的非編碼區(qū)只占217/ 5386.5、一般屬單倍體基因組 ;7、功能上相關(guān)的基因往往集中成簇，在基因組的特定部位構(gòu)成一個(gè)功能單位或轉(zhuǎn)錄單元。 轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物往往是多順反子的RNA，然后加工成各蛋白質(zhì)的mRNA。8、病毒的DNA復(fù)制及基因表達(dá)往往依賴于宿主細(xì)胞的系統(tǒng)。 根據(jù)宿主不同，病毒又可分為動(dòng)物病毒、植物病毒和噬菌體。9、常有基因重疊現(xiàn)象. 一個(gè)基因可以完全在另一基因內(nèi)，或者部分重疊，甚至兩個(gè)基因之間只有一個(gè)核苷酸重疊。 重疊基因可能使用共同的核苷酸序列，但轉(zhuǎn)錄成的mRNA有不同的閱讀框架（open reading frame，ORF） ，產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子大不相同。 有些重疊基因會(huì)

15、使用相同的閱讀框架，但起始或終止密碼子不同。 基因重疊時(shí)，共同序列上發(fā)生的突變可能影響一個(gè)基因甚至兩個(gè)基因的功能。 重疊基因現(xiàn)象反映了原核生物利用有限遺傳資源表達(dá)更多生物功能的能力。 真核生物基因組中極少重疊基因現(xiàn)象。 例如， 174DNA全部5386個(gè)核苷酸序列的11個(gè)基因中，除了基因B完全在基因A內(nèi)，基因D和E部分重疊外，特別有趣的是蛋白D的終止密碼子最后一個(gè)核苷酸是蛋白J起始密碼子的第一個(gè)核苷酸。 劍橋的分子生物學(xué)家D.C.Show和J.E.Walker等，在測(cè)定G4噬菌體DNA的核苷酸序列時(shí)，又發(fā)現(xiàn)了一種三重重疊基因。 圖圖3-6 174噬菌體噬菌體DNA中基因中基因D和和E（以及相應(yīng)

16、的編碼以及相應(yīng)的編碼蛋白質(zhì)）的起點(diǎn)與終點(diǎn)蛋白質(zhì)）的起點(diǎn)與終點(diǎn) 第三節(jié) 原核生物基因組 一. 染色體基因組 原核生物原核生物是一些由無細(xì)胞核的細(xì)胞組成的單細(xì)胞或多細(xì)胞的低等生物，主要包括細(xì)菌、支原體和植物中的藍(lán)藻門。 原核生物無真正的細(xì)胞核，無核膜，遺傳物質(zhì)存在于整個(gè)細(xì)胞中。 DNA有時(shí)相對(duì)集中，以裸露的形式存在。 可與蛋白質(zhì)結(jié)合，但不構(gòu)成染色體結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)又叫類核體，習(xí)慣上仍將其基因組DNA與支架蛋白組成的結(jié)構(gòu)稱為染色體，有時(shí)也將其核酸分子稱做原核生物染色體。 原核生物基因組都很小，如大腸桿菌，整個(gè)基因組由4.6（也有說4.2的）106bp組成，相對(duì)分子質(zhì)量為2.4109，大約包括300040

17、00個(gè)基因。 所有原核生物的遺傳物質(zhì)均為DNA。 與病毒相比，原核生物有較完整的代謝系統(tǒng)，進(jìn)行較復(fù)雜的代謝活動(dòng)，如從外界環(huán)境攝取營養(yǎng)物質(zhì)、對(duì)外界環(huán)境的改變做出反應(yīng)等。故原核生物基因組結(jié)構(gòu)基因的數(shù)量和功能遠(yuǎn)多于病毒基因組。 二. 染色體基因組的特點(diǎn)1. 常僅由一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成 細(xì)菌染色體的環(huán)化性使得在缺少端粒（telomere）的情況下，仍能夠完整的復(fù)制。 這條環(huán)狀雙鏈DNA分子在細(xì)胞內(nèi)形成一個(gè)較為致密的區(qū)域，稱為類核。 類核無核膜與胞漿分開，其中央部分由RNA和支架蛋白組成，外圍是呈超螺旋狀的雙鏈閉環(huán)染色體DNA。 但現(xiàn)在也發(fā)現(xiàn)有線形基因組。2. 只有一個(gè)復(fù)制起始點(diǎn)，一個(gè)復(fù)制起點(diǎn) 。

18、3. 具有操縱子（operon)結(jié)構(gòu)。 DNA序列中功能相關(guān)的RNA或蛋白質(zhì)基因往往前后排列在一起形成一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，從同一啟動(dòng)子開始轉(zhuǎn)錄形成一個(gè)多順反子mRNA，再被分別表達(dá)成不同的RNA或蛋白質(zhì)。4. 基因組的序列絕大部分是用來編碼蛋白質(zhì)的，只有極少部分不轉(zhuǎn)錄，而不轉(zhuǎn)錄部分通常是控制基因表達(dá)的序列。 越是簡(jiǎn)單的生物，其已知 基因數(shù)越接近于從其DNA分子量所估計(jì)的基因數(shù)。 5. 基因是連續(xù)的，無內(nèi)含子，轉(zhuǎn)錄后不需剪接。6. 編碼區(qū)在基因組中所占比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于真核基因組，小于病毒基因組小于病毒基因組。 編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因是單拷貝的，而rRNA基因往往是多拷貝的。7. 存在著少量基因重疊的現(xiàn)象。

19、編碼順序一般不會(huì)重疊。8、基因組中重復(fù)序列很少，一般為單拷貝，如結(jié)構(gòu)基因。 但編碼rRNA的基因往往是多拷貝。9、具有編碼同工酶的基因（isogene).10、細(xì)菌基因組中存在可移動(dòng)的細(xì)菌基因組中存在可移動(dòng)的DNA序列，序列，包括插入序列和轉(zhuǎn)座子。包括插入序列和轉(zhuǎn)座子。11、基因組DNA有多種調(diào)控區(qū)（也有人稱之為功能識(shí)別區(qū)域），如復(fù)制起始區(qū)、終止區(qū)、轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)子、終止子等特殊序列，還有重復(fù)序列，比病毒基因組要復(fù)雜。病毒和原核生物基因組總結(jié)病毒和原核生物基因組總結(jié)病毒基因組病毒基因組細(xì)菌基因組細(xì)菌基因組基因組較小，編碼少數(shù)蛋白質(zhì)基因組較小，編碼少數(shù)蛋白質(zhì)基因組基因組 106 bp ；具有單一的復(fù)制

20、起點(diǎn)具有單一的復(fù)制起點(diǎn)可以為單可以為單/雙鏈、環(huán)狀雙鏈、環(huán)狀/線性線性DNA或或RNA；單一片段或多個(gè)片段單一片段或多個(gè)片段（節(jié)段基因組）（節(jié)段基因組）環(huán)狀或線形，均為環(huán)狀或線形，均為DNA; “類核類核”的主基的主基因組和獨(dú)立的因組和獨(dú)立的DNA分子（質(zhì)粒）分子（質(zhì)粒）常為常為重疊基因重疊基因存在存在重疊基因重疊基因非編碼區(qū)占基因組的小部分非編碼區(qū)占基因組的小部分非編碼區(qū)占基因組比例很小非編碼區(qū)占基因組比例很小功能相關(guān)基因集中成簇，構(gòu)成一功能相關(guān)基因集中成簇，構(gòu)成一個(gè)功能單元或轉(zhuǎn)錄單位個(gè)功能單元或轉(zhuǎn)錄單位有有操縱子操縱子結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)連續(xù)（噬菌體）連續(xù)（噬菌體）/不連續(xù)基因不連續(xù)基因（真核細(xì)胞病毒

21、）（真核細(xì)胞病毒）連續(xù)，無內(nèi)含子連續(xù)，無內(nèi)含子大部分序列是單一序列（結(jié)構(gòu)基因和調(diào)大部分序列是單一序列（結(jié)構(gòu)基因和調(diào)控區(qū)）；控區(qū)）；重復(fù)序列少重復(fù)序列少, 1%, 拷貝數(shù)拷貝數(shù) 10有可移動(dòng)的有可移動(dòng)的DNA序列序列三. 質(zhì)粒（plasmid)基因組 (一) 質(zhì)粒的概念 質(zhì)粒是細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)攜帶的染色體外的DNA分子，是共價(jià)閉合的環(huán)狀DNA分子（covalent closed circular DNA cccDNA),大小在1200 kb,能獨(dú)立進(jìn)行復(fù)制。 它存在于許多細(xì)菌以及酵母菌等生物中。 質(zhì)粒離開宿主細(xì)胞則無法復(fù)制和擴(kuò)增，質(zhì)?！坝押谩钡亟杈佑谒拗骷?xì)胞內(nèi)?？克拗骷?xì)胞才能完成自己的復(fù)制。 而質(zhì)粒對(duì)

22、宿主細(xì)胞的生存而言卻不是必需的，宿主細(xì)胞丟失了質(zhì)粒依然能夠存活。 質(zhì)粒不是單純的寄生，所攜帶的遺傳信息能賦予細(xì)菌特定的遺傳性狀。 例如，致育性質(zhì)粒（F質(zhì)粒）可以決定細(xì)菌的性別； 耐藥性質(zhì)粒（R質(zhì)粒）帶有耐藥基因，可以使宿主菌獲得耐受相應(yīng)抗生素的能力； 大腸桿菌素質(zhì)粒(Col質(zhì)粒)能使大腸桿菌合成大腸桿菌素，后者可以殺死不含大腸桿菌素質(zhì)粒的親緣細(xì)菌。(二) 質(zhì)粒的分類 1.嚴(yán)緊型粒和松弛型粒 根據(jù)復(fù)制性質(zhì)，可以把質(zhì)粒劃分為兩類： 一是嚴(yán)緊型粒（stringent plasmid），當(dāng)細(xì)胞染色體復(fù)制一次時(shí)質(zhì)粒也復(fù)制一次，每個(gè)細(xì)胞只有12個(gè)質(zhì)粒，也稱為低拷貝數(shù)質(zhì)粒; 另一類是松弛型粒（relaxed

23、 plasmid），當(dāng)染色體復(fù)制停止后仍繼續(xù)復(fù)制，每一個(gè)細(xì)胞內(nèi)一般有20個(gè)左右的質(zhì)粒，也稱為高拷貝數(shù)質(zhì)粒。 一般分子量較大的質(zhì)粒屬嚴(yán)緊型，分子量較小的屬松弛型。 需要指出，一種質(zhì)粒屬于松弛型還是嚴(yán)緊型并不是絕對(duì)的，這往往同宿主的狀況有關(guān)。 同一質(zhì)粒在不同的宿主細(xì)胞中可能具有不同的復(fù)制型，這說明質(zhì)粒的復(fù)制不僅受自身的制約，同時(shí)還受到宿主的控制。 2.接合質(zhì)粒和非接合型質(zhì)粒 根據(jù)質(zhì)粒DNA中是否含有接合轉(zhuǎn)移基因，可以分成兩大類。 接合型質(zhì)粒（conjugative plasmid）也稱自我轉(zhuǎn)移的質(zhì)粒，這類質(zhì)粒除含有自我復(fù)制的基因外，還帶有一整套控制細(xì)菌配對(duì)和質(zhì)粒接合轉(zhuǎn)移的基因，因此能從一個(gè)細(xì)胞自我

24、轉(zhuǎn)移到另的細(xì)胞。 如F質(zhì)粒，部分R質(zhì)粒和部分Col質(zhì)粒。 如F質(zhì)粒，雌雄細(xì)胞通過性纖毛相互接觸而結(jié)合，質(zhì)粒便從一個(gè)細(xì)胞傳遞給另一個(gè)細(xì)胞。 非接合型質(zhì)粒也稱不能自我轉(zhuǎn)移的質(zhì)粒。 此類質(zhì)粒含有自我復(fù)制的基因，能進(jìn)行自我復(fù)制，但不含轉(zhuǎn)移基因。 因此，這類質(zhì)粒不能從一個(gè)細(xì)胞自我轉(zhuǎn)移到另外的細(xì)胞。 3.相容性質(zhì)粒和不相容性質(zhì)粒 質(zhì)粒有相容性和不相容性兩種。 相容性質(zhì)?？梢栽谕凰拗骶募?xì)胞內(nèi)同時(shí)存在。 但也有些質(zhì)粒不能相容，不能在同一個(gè)宿主菌的細(xì)胞內(nèi)同時(shí)存在。 通常親緣關(guān)系密切的兩種質(zhì)粒不能在同一宿主細(xì)胞中穩(wěn)定共存，這一現(xiàn)象稱為質(zhì)粒的不相容性（plasmid incompatibility），也稱不親和

25、性。 4.窄宿主譜質(zhì)粒和廣宿主譜質(zhì)粒 窄宿主譜質(zhì)粒存在于一種或數(shù)種密切相關(guān)的宿主，而廣宿主譜質(zhì)粒可以在不同科，屬，種細(xì)菌之間傳遞。 質(zhì)粒的宿主范圍是由質(zhì)粒復(fù)制時(shí)對(duì)宿主的依賴程度決定的。 5.按功能分類 R質(zhì)粒：抗藥性質(zhì)粒 F質(zhì)粒(fertility factor):性質(zhì)粒（sex plasmid)可決定細(xì)菌的性別 Col質(zhì)粒：大腸桿菌素質(zhì)粒,合成大腸桿菌素，殺死不含大腸桿菌素質(zhì)粒的親緣細(xì)菌。質(zhì)粒質(zhì)粒DNApBR322EcoR、Pst、Hind、BamH、Sal只有一個(gè)酶切位點(diǎn)，便于外源基因的插入。(三) 質(zhì)粒的遺傳控制 1. 復(fù)制調(diào)控系統(tǒng)：控制質(zhì)粒的拷貝數(shù)。 復(fù)制調(diào)控系統(tǒng)控制質(zhì)粒的拷貝數(shù)。 該

26、系統(tǒng)由質(zhì)粒的復(fù)制起點(diǎn)（ori）、rep基因和cop基因構(gòu)成。 Rep基因產(chǎn)物Rep蛋白結(jié)合于復(fù)制起始位點(diǎn)，啟動(dòng)質(zhì)粒的復(fù)制。 但當(dāng)Rep蛋白過量時(shí)，即可通過抑制自身基因的啟動(dòng)子（promoter）抑制其基因的進(jìn)一步轉(zhuǎn)錄，減少Rep蛋白的生成，從而使質(zhì)粒的復(fù)制保持一定頻率。 Cop基因序列及其表達(dá)產(chǎn)物對(duì)復(fù)制起抑制作用，從而控制質(zhì)粒的拷貝數(shù)。 2. 分配系統(tǒng)：使質(zhì)粒在細(xì)菌分裂過程中精確分配到子細(xì)胞。 分配系統(tǒng)的作用是使質(zhì)粒在細(xì)菌分裂過程中精確地分配到子細(xì)胞中。該系統(tǒng)的缺陷將影響質(zhì)粒在細(xì)胞中的穩(wěn)定存在，導(dǎo)致質(zhì)粒丟失頻率增高。 3.細(xì)胞分裂控制系統(tǒng)：抑制細(xì)胞分裂，使細(xì)胞分裂與質(zhì)粒復(fù)制相協(xié)調(diào)。 細(xì)胞分裂控

27、制系統(tǒng)能夠抑制宿主細(xì)胞的分裂，使細(xì)胞分裂與質(zhì)粒復(fù)制協(xié)調(diào)。該系統(tǒng)對(duì)低拷貝數(shù)質(zhì)粒的穩(wěn)定遺傳尤其重要。 4.位點(diǎn)特異重組系統(tǒng)。 位點(diǎn)特異重組系統(tǒng)由質(zhì)粒的附著位點(diǎn)、質(zhì)粒編碼的整合酶、切除酶和宿主提供的輔助因子FIS（factor for inversion stimulation）等組成。其作用是調(diào)節(jié)高拷貝質(zhì)粒向子代細(xì)胞的平均分配過程。 5.質(zhì)粒的不相容性。具有相同復(fù)制起始位點(diǎn)和分配區(qū)的兩種質(zhì)粒不能共存于一個(gè)宿主菌。(四) 質(zhì)粒DNA的提取 1.細(xì)菌的培養(yǎng)：可加少量抗生素（如氯霉素）抑制宿主蛋白質(zhì)的合成，質(zhì)粒大量擴(kuò)增。 2.細(xì)菌的收集和裂解：離心棄上清 3.質(zhì)粒DNA的分離純化第四節(jié)真核生物基因組及其

28、特點(diǎn)第四節(jié)真核生物基因組及其特點(diǎn) 真核生物的遺傳物質(zhì)主要集中在核膜包圍著的細(xì)胞核中，DNA和特殊的蛋白質(zhì)(如組蛋白、非組蛋白 )相結(jié)合組裝成為染色體。 在真核細(xì)胞中每條染色體只含有一個(gè)DNA分子。 真核生物的基因組一般比較龐大，例如人的單倍體基因組由3109 bp堿基組成，按1000個(gè)堿基編碼一種蛋白質(zhì)計(jì)，理論上可有300萬個(gè)基因。 但實(shí)際上，人細(xì)胞中所含基因總數(shù)大概不會(huì)超過4萬個(gè)。 這就說明在人細(xì)胞基因組中有許多DNA序列并不編碼蛋白質(zhì)或RNA。 DNA的復(fù)性動(dòng)力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)這些非編碼區(qū)往往都是一些大量的重復(fù)序列，這些重復(fù)序列或集中成簇，或分散在基因之間。 在基因內(nèi)部也有許多能轉(zhuǎn)錄但不翻譯的間

29、隔序列（內(nèi)含子）。 因此，在人細(xì)胞的整個(gè)基因組當(dāng)中只有很少一部份（約占2-3）的DNA序列用以編碼蛋白質(zhì)。 從是否編碼蛋白質(zhì)或RNA來看，龐大的真核生物基因組實(shí)際上由兩大類序列組成： 1.基因和基因相關(guān)DNA序列，包括編碼的DNA序列和非編碼的DNA序列（如內(nèi)含子、基因片段和假基因等）。 2.基因外DNA序列，包括各種重復(fù)序列以及非編碼的單拷貝和低拷貝序列。一. 基因組結(jié)構(gòu)與功能的特點(diǎn) 1.含兩份同源的基因組 真核生物基因組DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體，儲(chǔ)存于細(xì)胞核內(nèi)，除配子細(xì)胞外，體細(xì)胞內(nèi)的基因的基因組是雙份的（即雙倍體,diploid），即有兩份同源的基因組。 2.結(jié)構(gòu)復(fù)雜，基因數(shù)龐大，基

30、因組遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原核生物的基因組，具有許多復(fù)制起點(diǎn)。 每個(gè)復(fù)制子大小不一,每個(gè)復(fù)制子的長度較小。3.真核基因由一個(gè)結(jié)構(gòu)基因與相關(guān)的調(diào)控區(qū)組成，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子。 一個(gè)結(jié)構(gòu)基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄和翻譯生成一個(gè)mRNA分子和一條多肽鏈。4.含有大量重復(fù)序列。 真核基因組的非編碼序列中含有高度重復(fù)的衛(wèi)星DNA反向重復(fù)序列和中度重復(fù)的散在重復(fù)序列； 編碼序列也有含有一些重復(fù)的編碼蛋白質(zhì)或RNA的結(jié)構(gòu)基因。 5 .非編碼序列（non-coding sequence NCS)占90%以上, 基因組中不編碼的區(qū)域多于編碼區(qū)域。 非編碼序列的高比例是真核生物與細(xì)菌和病毒的重要區(qū)別，而且在一定程度上也是生物進(jìn)化的標(biāo)尺。 非

31、編碼序列包括高度和中度重復(fù)序列、內(nèi)含子、間隔序列等。存在的目的似乎是復(fù)制自己，故而有自私DNA之稱。 6 .存在斷裂基因（split gene),有內(nèi)含子結(jié)構(gòu) ,基因與基因間的非編碼序列為間隔DNA（ spacer DNA).7 .功能相關(guān)的基因構(gòu)成各種基因家族，可串聯(lián)在一起，也可相距很遠(yuǎn)。 8. 真核基因組中存在逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子 真核基因組中存在大量的轉(zhuǎn)座元件。 其中既有結(jié)構(gòu)與原核生物轉(zhuǎn)座子相似，由DNA介導(dǎo)轉(zhuǎn)座過程的DNA轉(zhuǎn)座子； 也有真核基因組特有的逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子或逆轉(zhuǎn)錄元件。 9.真核基因組中存在大量的順式作用元件 順式作用元件是指那些與結(jié)構(gòu)基因表達(dá)調(diào)控相關(guān)、能夠被基因調(diào)控蛋白特異性識(shí)別和結(jié)

32、合的DNA序列。 真核基因組具有啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、沉默子、反應(yīng)元件和加尾信號(hào)等順式作用元件。 10.真核生物基因組具有端粒結(jié)構(gòu) 端粒是真核生物線性基因組DNA末端的一種特殊結(jié)構(gòu)。 該結(jié)構(gòu)DNA序列相當(dāng)保守，一般由多個(gè)串聯(lián)在一起的短寡核苷酸序列構(gòu)成，是一段DNA序列和蛋白質(zhì)形成的一種復(fù)合體。 端粒具有保護(hù)線性DNA的完整復(fù)制、保護(hù)染色體末端和決定細(xì)胞的壽命等功能。 11. 真核基因組中存在大量的DNA多態(tài)性 DNA多態(tài)性是指DNA序列發(fā)生中變異而導(dǎo)致的個(gè)體間核苷酸序列的差別。 真核基因組的DNA多態(tài)性主要包括單核苷酸多態(tài)性和串聯(lián)重復(fù)序列多態(tài)性兩大類。 1) 串聯(lián)重復(fù)序列多態(tài)性 衛(wèi)星DNA這類可變數(shù)

33、目串聯(lián)重復(fù)序列由于其重復(fù)單位的重復(fù)次數(shù)變化而形成串聯(lián)重復(fù)序列多態(tài)性。 這主要發(fā)生于小衛(wèi)星和微衛(wèi)星DNA中，人群中頻率極高。 2)單核苷酸多態(tài)性（SNP） SNP是指在基因組水平上由單個(gè)核苷酸的變異引起的DNA序列多態(tài)性。 人類基因組中每500-1000個(gè)堿基對(duì)中就有1個(gè)SNP，屬于最常見的一種變異。 它越益被認(rèn)為與人體的表型差異、不同群體和個(gè)體對(duì)各種藥物的耐受性差異、對(duì)環(huán)境因子的反應(yīng)差異、對(duì)疾病的易感性差異有關(guān)。 SNP可導(dǎo)致等位基因間在特定位點(diǎn)上的DNA序列差異，這種現(xiàn)象叫DNA 位點(diǎn)多態(tài)性（DNA site polymorphism ） SNP如果發(fā)生在限制性內(nèi)切酶識(shí)別位點(diǎn)上，則可導(dǎo)致酶切

34、位點(diǎn)的變化，從而在用限制性內(nèi)切酶切割DNA時(shí)出現(xiàn)長度不等的限制性片段，這種現(xiàn)象稱為限制性片段長度多態(tài)性（restriction fragment length polymorphism, RFLP）。二二. .真核生物基因組的真核生物基因組的C C值悖理（值悖理（ C C值矛盾）值矛盾） 真核生物基因組較原核生物大得多，真核生物基因組來源不同，分子量差別也很大。 與大腸桿菌染色體DNA分子量相比，果蠅染色體DNA分子量差不多是大腸桿菌染色體DNA的300倍。 而人含有比大腸桿菌多600800倍的DNA。 生物體的一個(gè)特征是一個(gè)物種單倍體基因組的全部DNA含量總是相對(duì)穩(wěn)定的，這個(gè)含量即為該物種的

35、C值（C-Value），以pg表示（1pg=10-12g）。 (現(xiàn)在的文獻(xiàn)似更傾向于用堿基對(duì)bp來表示。) 不同物種的C值差異很大，最小的支原體為106bp，而兩棲動(dòng)物可達(dá)1011bp。 每個(gè)物種的C值是相對(duì)恒定的。 隨著生物的進(jìn)化，生物體的結(jié)構(gòu)和功能越顯復(fù)雜，其C值就越大，像真菌和高等植物同屬于真核生物，但后者的C值大很多。 因?yàn)檫@時(shí)所需要的基因產(chǎn)物的種類越多，所需基因也越多。 但從另一方面看，隨著進(jìn)化，生物體的復(fù)雜性和DNA含量之間的關(guān)系模糊了甚至令人費(fèi)解。主要表現(xiàn)在如下方面1）C值不（一定就）隨生物的進(jìn)化程度和復(fù)雜性（的增加）而增加，如肺魚的C值為112.2，而人的是3.2，與牛的相近；

36、 昆蟲的C值大約是108 bp ，而兩棲類動(dòng)物如兩棲鯢（amphiuma）的C值是8.61010 bp在昆蟲與兩棲類之間，C值相差近千倍； 兩棲類的C值竟然比包括人類在內(nèi)的哺乳類（3109 bp）的C值還高。2）（即使）親緣關(guān)系密切的生物，其C值（也可能）相差甚大，如豌豆為14，而蠶豆為2；3）高等真核生物具有比用于遺傳高得多的C值，如人的染色體組DNA含量在理論上包括300萬個(gè)基因，但有實(shí)際用途的基因只有5萬10萬個(gè)左右。 目前，很難令人相信這樣的差異與生物復(fù)雜性有什么關(guān)系。 很難解釋牛與人的DNA含量相等，而豌豆與蠶豆DNA含量卻相差7倍。 顯然，DNA的含量與物種間的差異有一定關(guān)系，但與

37、物種間的復(fù)雜性并沒有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 這種C值與生物進(jìn)化復(fù)雜性不相對(duì)應(yīng)的現(xiàn)象稱為C值悖理（C value paradox）。 這暗示著真核生物基因組中必然存在大量的不編碼基因產(chǎn)物的DNA序列。 三三. .DNA復(fù)性動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用與真核生物復(fù)性動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用與真核生物DNA序列的類型序列的類型 （一）DNA復(fù)性的速度能夠指明該DNA的單一序列的長度 在DNA復(fù)性過程中，由于雙螺旋重聚合要求兩種游離互補(bǔ)的堿基序列在溶液中發(fā)生碰撞，因此復(fù)性的速率決定于兩者碰撞的概率。 復(fù)性動(dòng)力學(xué)方程：C/C0=1/（1+KC0t） 在實(shí)驗(yàn)條件恒定時(shí)，C/C0（反應(yīng)t秒后余留的DNA單鏈的百分?jǐn)?shù)）僅僅決定于C0t，即決定

38、于DNA單鏈起始濃度與保溫（宜為反應(yīng)）時(shí)間的乘積。 當(dāng)C/C0=1/2時(shí)，KC0t=1， 即C0t1/2 =1/k 此時(shí)的C0t值以C0t1/2表示，它代表DNA序列的復(fù)雜程度。 在變性的DNA樣品中，彼此互不相同的核苷酸堿基序列的數(shù)目越多，單位時(shí)間內(nèi)，跟另一股互補(bǔ)鏈可能相遇的概率也就越低，復(fù)性速度就越慢； 反之，在變性DNA樣品中含有的重復(fù)序列數(shù)目越多，則互補(bǔ)鏈相遇的概率就會(huì)高，復(fù)性速度就越快。 因此，C0t1/2值與復(fù)性速度大小成反比，也就是基因組的復(fù)雜度與其C0t1/2成正比。 任何DNA的復(fù)雜度都可以通過與已知復(fù)雜度的標(biāo)準(zhǔn)DNA的C0t1/2作比較來確定。 通常用E.coli DNA作

39、標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗膹?fù)雜度同它的基因組DNA長度4.2106 bp相同，兩者的關(guān)系可以寫成：任何DNA的C0t 1/2 /E.coli的C0t 1/2 =任何DNA的復(fù)雜度 /4.2106bp （二）（二）真核生物基因組DNA序列的類型序列的類型 根據(jù)真核生物基因組DNA的重復(fù)頻率可把其分為四種序列類型。 真核生物的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是富含重復(fù)序列。 這些重復(fù)序列的長短不同，短的僅有幾個(gè)甚至兩個(gè)核苷酸，長的有幾百乃至上千個(gè)核苷酸。 重復(fù)序列的重復(fù)程度也不一樣。重復(fù)多的可在基因組中出現(xiàn)幾十萬到幾百萬次，稱為高度重復(fù)序列; 重復(fù)幾十到幾千次稱中度重復(fù)序列; 重復(fù)極少的稱為輕度重復(fù)序列; 不重復(fù)的序列則稱為單

40、一序列或單拷貝序列。 1單拷貝序列（single copy sequence）或單一序列（單一序列（unique sequenceunique sequence） 真核生物的大多數(shù)基因在單倍體中都是單拷貝的，乃(復(fù)性曲線中)復(fù)性最慢的組分。 單拷貝序列最重要的作用是具有編碼功能。 在單倍體基因組里，這些序列包括編碼蛋白質(zhì)和酶的結(jié)構(gòu)基因,其兩側(cè)為間隔序列和散在分布的重復(fù)序列。 編碼蛋白質(zhì)的單拷貝序列決定生物的各種功能，因此對(duì)這些序列的研究具有特別重要的意義。 不重復(fù)序列長約7502000 bp，相當(dāng)于一個(gè)結(jié)構(gòu)基因的長度，這類序列的Cot值與基因組中DNA的含量成正比。 真核生物基因組中單拷貝序列

41、約在4070，人類基因組中單拷貝序列約占60%65%。 有學(xué)者認(rèn)為，編碼序列只占單拷貝序列的一小部分，所以單拷貝序列除了編碼以外似還應(yīng)有其它功能。2 2輕度重復(fù)序列（輕度重復(fù)序列（slightly repetitive slightly repetitive sequencesequence） 這種重復(fù)序列在基因組中只有210個(gè)拷貝，主要是組蛋白和tRNA基因。 輕度重復(fù)序列包括兩種情況。 一是重復(fù)序列中的基因都是有功能的，編碼同一蛋白或RNA。 例如血紅蛋白鏈的基因有胚胎型和胎兒型，只是基因產(chǎn)物在氨基酸組成上是各有差異； 二是重復(fù)序列中的基因有的有功能，有的沒有功能，如假基因等。 輕度重復(fù)序

42、列很難用點(diǎn)突變方法進(jìn)行鑒定，因?yàn)槿魏我粋€(gè)拷貝的失活都不能影響其它拷貝的活性。 3 3中度重復(fù)序列（中度重復(fù)序列（moderately moderately repetitive sequencerepetitive sequence） 中度重復(fù)序列一般都是不編碼（蛋白質(zhì)）的序列，有幾十至數(shù)千個(gè)拷貝（也有學(xué)者說是數(shù)萬到數(shù)十萬），例如rRNA基因和tRNA基因等。 其復(fù)性速度快于單拷貝序列，但慢于高度重復(fù)序列。 目前認(rèn)為，大部分中度重復(fù)序列與基因表達(dá)的調(diào)控有關(guān)，它們可能是與DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄的起始和終止有關(guān)的酶及蛋白質(zhì)因子的識(shí)別位點(diǎn)。 還有學(xué)者認(rèn)為，此類序列可以開關(guān)基因的活性,其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物參與hnRN

43、A的加工等。 根據(jù)重復(fù)序列的長度，中度重復(fù)序列可分為兩種類型。 （1）短周期的分散重復(fù)序列（即基礎(chǔ)單位短的散在重復(fù)序列），每個(gè)序列長約100300bp，它們與平均長度均為1000bp的單拷貝序列間隔排列。 有學(xué)者說其拷貝數(shù)大于10萬。 主要在人、爪蟾和海膽等中已有發(fā)現(xiàn),如Alu家族 ； （2）長周期的分散重復(fù)序列（即基礎(chǔ)單位長的散在重復(fù)序列），每個(gè)大約5000bp。 長、短周期的中度重復(fù)序列的共同特征是兩端有類似于轉(zhuǎn)座子兩端的重復(fù)序列，這種現(xiàn)象十分類似于逆轉(zhuǎn)錄病毒的結(jié)構(gòu)。 基因組中有幾千種中度重復(fù)序列,其中有的構(gòu)成序列家族。 各家族成員有的重復(fù)串聯(lián)在一起,有的分散，與非重復(fù)序列相間排列。 中度

44、重復(fù)序列具有較強(qiáng)的種特異性，可作為探針區(qū)分不同的哺乳動(dòng)物細(xì)胞的DNA。 4高度重復(fù)序列（highly repetitive sequence） 高度重復(fù)序列在基因組中所占比例隨物種而異，約占10-60%， 大多數(shù)高等真核生物的DNA都含有20以上的高度重復(fù)序列（在人類基因組中約占20%） 復(fù)性速度很快。 由非常短的序列重復(fù)多次，可達(dá)幾百萬個(gè)拷貝，串聯(lián)成長長的一大簇。 典型的高度重復(fù)序列有衛(wèi)星DNA和反向重復(fù)序列兩類。 高度重復(fù)序列大部分集中在異染色質(zhì)區(qū)，特別是在著絲粒和端粒附近。 在這些高度重復(fù)序列中，常有一些AT含量很高的簡(jiǎn)單高度重復(fù)序列，因?yàn)樾蛄泻?jiǎn)單，缺乏轉(zhuǎn)錄必要的啟動(dòng)子而不具轉(zhuǎn)錄能力。

45、此類存在于幾乎所有高等真核生物的基因組內(nèi),其數(shù)目變化很大,其功能至今不清,可能與穩(wěn)定染色體有關(guān) 。 例如，果蠅染色體之著絲點(diǎn)附近存在有幾種高度重復(fù)序列: ACAAACT有1.1X107個(gè)拷貝,占基因組DNA的25/100, ATAAACT及ACAAATT各占3.6X106個(gè)拷貝,各占基因組DNA8/100。 此區(qū)段中,一條鏈之A或T含量多，導(dǎo)致兩條鏈浮力密度不同，故復(fù)性時(shí)一條鏈為重鏈,一條鏈為輕鏈。 三.重復(fù)序列的分類 真核生物基因組中的重復(fù)序列，根據(jù)其在基因組中的分布方式又可分為三類： 一類散在基因組中，稱為散在重復(fù)序列，如Alu家族； 另一類重復(fù)單位呈串聯(lián)狀，首尾相連排列在一起，稱為串聯(lián)重

46、復(fù)序列。 衛(wèi)星、小衛(wèi)星和微衛(wèi)星是串聯(lián)重復(fù)序列中最常見的三種類型。 另外還有反向重復(fù)序列（一）反向重復(fù)序列反向重復(fù)序列（inverted repeats) 指兩個(gè)順序相同的拷貝在同一DNA鏈上呈反向排列。有學(xué)者認(rèn)為有2種形式。 一種形式為兩個(gè)反向排列的拷貝之間隔著一段間隔順序如： 5AAACCACCGCTGGTAGCGGTGGTTT3 3TTTGGTGGCGACCATCGCCACCAAA5 另一種是兩個(gè)拷貝反向串聯(lián)在一起，中間沒有間隔序列，這種沒有間隔的反向重復(fù)序列也稱回文結(jié)構(gòu)（palindrome) 。 回文指正讀與反讀意義都相同的句子。例如，斗雞山上山雞斗，龍隱巖中巖隱龍斗雞山上山雞斗，龍隱

47、巖中巖隱龍。 對(duì)DNA結(jié)構(gòu)來說，即在一個(gè)假想軸的兩側(cè)，某些堿基序列之間有倒轉(zhuǎn)重復(fù)的關(guān)系。DNA變性后，倒轉(zhuǎn)重復(fù)序列之間可以形成十字結(jié)構(gòu)或發(fā)夾結(jié)構(gòu)。 回文結(jié)構(gòu)指 DNA上的倒轉(zhuǎn)重復(fù)的序列。回文序列回文序列（palindromic sequence）：指）：指DNA序列序列中，以某一中心區(qū)域?yàn)閷?duì)稱軸，其兩側(cè)堿基序列中，以某一中心區(qū)域?yàn)閷?duì)稱軸，其兩側(cè)堿基序列正讀和反讀都相同的雙螺旋結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)正讀和反讀都相同的雙螺旋結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)180 后對(duì)后對(duì)稱重復(fù)稱重復(fù)發(fā)卡結(jié)構(gòu)發(fā)卡結(jié)構(gòu)十字形結(jié)構(gòu)十字形結(jié)構(gòu) 這種重復(fù)序列具有極快的復(fù)性速度，即使在極稀的DNA濃度下也能很快復(fù)性，因此又稱零時(shí)復(fù)性部分。 反向重復(fù)序列約占人

48、類基因組的5%，散布于整個(gè)基因組中，常見于基因組調(diào)控區(qū)，可能調(diào)控基因的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。（二）串聯(lián)重復(fù)序列（tandem repeats) 有學(xué)者按是否編碼區(qū)來分為兩類。 1）編碼區(qū)串聯(lián)重復(fù)順序：如組蛋白基因。編碼五種組蛋白的基因密集在一個(gè)基本的7.0kb的重復(fù)單位上，各重復(fù)單位之間有高度的序列一致性。 2）非編碼區(qū)串聯(lián)重復(fù)順序：常存在于間隔DNA和內(nèi)含子內(nèi)。是組成衛(wèi)星DNA（satellite DNA)的基礎(chǔ)。1. 衛(wèi)星DNA（ satellite DNA）的概念 當(dāng)把斷成約104 bp的DNA片段進(jìn)行氯化銫（CsCl）密度梯度離心分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)原核生物基因組DNA只出現(xiàn)一條寬帶。而真核生物的基因組

49、DNA除了出現(xiàn)一條與原核基因組DNA一致的主要寬帶外，在主要寬帶的上方或下方還有其它條帶。這些在主要條帶上方或者下方的條帶像是主要寬帶的衛(wèi)星，故稱為衛(wèi)星DNA。 衛(wèi)星DNA的浮力密度與主要寬帶不同是由于其（G+C）/(A+T)的比值與主帶不同，并且高度重復(fù)。 如果DNA分子之間存在浮力密度的差異，在氯化銫密度梯度離心將會(huì)沉降于不同的位置。 DNA的浮力密度（）與其G-C含量存在關(guān)系：=1.660+0.00098(G-C%)。 因此經(jīng)過密度梯度離心，高度重復(fù)序列DNA可以在基因組DNA的主帶旁形成一條或多條小帶，這取決于其G-C含量及重復(fù)程度，故又稱為衛(wèi)星DNA或隨機(jī)DNA。根據(jù)核心順序的長短分

50、為大衛(wèi)星DNA、小衛(wèi)星DNA、微衛(wèi)星DNA。 衛(wèi)星序列是由寡核苷酸串聯(lián)、重復(fù)排列 構(gòu) 成 數(shù) 量 可 變 的 串 聯(lián) 重 復(fù) 序 列（variable number of tandem repeats，VNTR）。 2. （大）衛(wèi)星DNA（macrosatellite DNA) 又稱為經(jīng)典（衛(wèi)星）DNA。總長度100kb幾個(gè)Mb。 根據(jù)浮力密度的不同分為、和、衛(wèi)星DNA。 各類型都由不同的重復(fù)順序家族組成。 同一類型不同家族的成員之間的堿基組成的比例相同，因而有相同的浮力密度，但DNA序列未必相同。 原位雜交技術(shù)顯示大量的衛(wèi)星DNA容易在中期著絲粒周圍集中。 大衛(wèi)星DNA重復(fù)單位約5200bp

51、，多分布在染色體著絲粒異染色質(zhì)和其他異染區(qū)。 推測(cè)它作用于DNA復(fù)制結(jié)束時(shí)分開姊妹染色單體纏繞成DNA雙鏈的起始點(diǎn)，并認(rèn)為衛(wèi)星DNA是DNA聚合酶識(shí)別的核苷酸序列，因?yàn)橹z粒是復(fù)制最快的DNA序列。3. 小衛(wèi)星DNA（ minisatellite DNA) 由中等大小 的串聯(lián)重復(fù)序列構(gòu)成，總長約0.120kb，分布在所有染色體，往往近于端粒處。（ 670bp的？） 包括高度可變的小衛(wèi)星DNA、端粒DNA（串聯(lián)的短片段重復(fù)序列（TTAGGGG)n 高度可變的小衛(wèi)星DNA重復(fù)單位約924bp，重復(fù)次數(shù)變化很大，呈高度多態(tài)性。 其重復(fù)單位均有一共同的核心序列GGGCAGGAXG(X 為任意核苷酸)。

52、 端粒DNA的主要組分是串聯(lián)的短片段重復(fù)序列（TTAGGG），組成一個(gè)220kb的區(qū)段。 端粒在染色體的定位、復(fù)制、末端保護(hù)以及控制細(xì)胞壽命等方面起重要作用。其功能與這些短片段重復(fù)序列有直接關(guān)系。4. 微衛(wèi)星DNA（microsatellite DNA) 微衛(wèi)星DNA由短的串聯(lián)重復(fù)序列組成，分布在所有染色體，其重復(fù)單位為26bp，重復(fù)次數(shù)1060次左右，其總長度常小于150bp。 常見以(AC)n和(TG)n二聚核苷酸為重復(fù)單位，由Miesfeld 1981年發(fā)現(xiàn)。 微衛(wèi)星DNA存在于內(nèi)含子、間隔DNA以及編碼區(qū)。 編碼區(qū)的重復(fù)序列都為3個(gè)堿基組成的重復(fù)單位，如人雄激素受體基因內(nèi)的（AGC）n

53、。 它均勻遍布于基因組中，是重復(fù)序列中主要組成部分之一，呈共顯性遺傳。 微衛(wèi)星序列的拷貝數(shù)在個(gè)體間呈現(xiàn)高度變異，因而具有高度多態(tài)性，已經(jīng)成為真核生物基因組繪制遺傳圖的重要分子標(biāo)志。 在基因組的間隔序列和內(nèi)含子等非編碼區(qū)內(nèi)，廣泛存在著比小衛(wèi)星DNA序列更短的一類小重復(fù)單位。 重復(fù)序列為16bp稱為微衛(wèi)星DNA（microsatellite DNA），如(A)n/(T)n、(CA)n/(TG)n、(CT)n/(AG)n等。 衛(wèi)星DNA的功能尚不明確，一般認(rèn)為與染色體的折疊壓縮和減數(shù)分裂時(shí)染色體配對(duì)有關(guān)。 此外，衛(wèi)星DNA具有種屬特異性，不同種屬的衛(wèi)星DNA 核苷酸序列不同，但相近種屬又有相近核苷酸

54、序列。 衛(wèi)星DNA為可變數(shù)目串聯(lián)重復(fù)序列，在同一種屬的不同個(gè)體中重復(fù)序列的重復(fù)次數(shù)也不一樣，這可作為每一個(gè)體的特征，即DNA指紋。 衛(wèi)星DNA在不同個(gè)體的多態(tài)性還用于遺傳病的診斷與分析。（三） 散在重復(fù)順序（interspersed repeats) 1. 短散在核元件（short interspersed nuclear elements SINEs) 主要是Alu 重復(fù)序列家族。 Alu家族（Alu family）屬于中度重復(fù)序列中最為普遍的一類，也是研究最多的一種散在型重復(fù)序列。3kb 由于此序列中含有限制性內(nèi)切酶Alu特異識(shí)別順序（AG/CT）而得名。 Alu家族在人類基因組中含量最豐

55、富，平均每6 kb 的DNA就有一個(gè)，重復(fù)序列為300bp，此序列可被Alu內(nèi)切酶切成130bp和170bp兩個(gè)片斷是其家族的共同特征。 Alu序列由左右兩個(gè)單體串聯(lián)構(gòu)成， 左右(前后)單體都有相似的135bp序列,但右單體還插入有30bp無關(guān)序列。 前單體長135bp，含有RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄控制區(qū)；后單體長165bp，由于其中插入了另外的30bp無關(guān)序列，致使此聚合酶控制區(qū)失效。Alu家族在人類基因組中的重復(fù)頻率為3105 (有說重復(fù)次數(shù)3050萬）， 約占人類基因組的3%6%。 Alu家族中各成員都相關(guān),但互不相同，有80%88%同源性，長度,性質(zhì)相似,故統(tǒng)稱為Alu序列。 它們之間的差別

56、多為點(diǎn)突變。人類Alu家族DNA的5 端都有較精確的序列，相對(duì)保守；但其3 端區(qū)長短不一。兩端都具有720bp的順向重復(fù)序列，各個(gè)Alu成員兩端的順向重復(fù)序列長度不相同。 Alu序列具有種的特異性，人類Alu序列制備的探針只能用于檢測(cè)人類基因組中Alu序列。 Alu家族散在分布于基因組中，但相對(duì)集中于染色體的R帶。 Alu家族的具體作用仍不清楚，但Alu序列中有一個(gè)14bp區(qū)域與某些病毒（papova，heputitisB）中的復(fù)制起始的序列相同，因此推測(cè)Alu家族與真核細(xì)胞基因組的復(fù)制起始點(diǎn)有關(guān)。 另外，有些Alu家族成員可在試管中被RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄為小的RNA，此類轉(zhuǎn)錄單位往往位于其它轉(zhuǎn)錄

57、單位附近。 例如在人-球蛋白基因群內(nèi)就有兩個(gè)這樣的轉(zhuǎn)錄單元。而另一些Alu家族成員往往包含在結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄單位之內(nèi)，例如在細(xì)胞核RNA（nuclear RNA，nRNA）之中。在一個(gè)nRNA分子內(nèi)存在著多個(gè)Alu拷貝將有助于該nRNA分子二級(jí)結(jié)構(gòu)的形成。所有這些暗示Alu家族成員還可能與基因的轉(zhuǎn)錄、調(diào)控有關(guān)。同時(shí)，Alu家族成員是可移動(dòng)的成分。Alu的轉(zhuǎn)位與共轉(zhuǎn)錄過程結(jié)合進(jìn)行，它們以RNA為中間體，自我引物，逆轉(zhuǎn)錄成cDNA，然后插入另一位置，成為新的轉(zhuǎn)錄單位。這種Alu成分的轉(zhuǎn)位會(huì)引起DNA的重排，從而影響細(xì)胞的分化。 2. 長散在核元件（long interspersed nuclear e

58、lements,LINEs) 例如， Kpn重復(fù)順序。 Kpn家族是中度重復(fù)序列中僅次于Alu家族的第二大家族。 用限制性內(nèi)切酶Kpn消化人類及其他靈長類動(dòng)物的DNA，在電泳譜上可以看到4個(gè)不同長度的片段，分別為1.2kp、1.5kp、1.8kp和1.9kp，因此得名。 Kpn家族比Alu家族更長，約67kb，而且更不均一，拷貝數(shù)約為30004800個(gè)，占人類基因組的1%。 與Alu相似，Kpn I序列的兩側(cè)也含有短的正向重復(fù)序列，因而也可能是一種轉(zhuǎn)座元件。 Kpn序列在分布上與Alu序列不同，集中于染色體G帶或Q帶處，差異的意義尚不清楚。 非編碼的中度重復(fù)序列的功能可能類似于高度重復(fù)序列，有

59、些中度重復(fù)序列可能參與基因的調(diào)控。 還有些中度重復(fù)序列則是編碼蛋白質(zhì)或RNA的結(jié)構(gòu)基因，如人類白細(xì)胞抗原(HLA) 基因、rRNA基因、組蛋白基因和免疫球蛋白基因等。(本書) 五五. . 基因家族和基因簇基因家族和基因簇真核細(xì)胞中許多相關(guān)的基因常常按功能成套組合，一套基因就是所謂的一個(gè)基因家族（gene family）。 基因家族實(shí)際上就是一些具有特殊作用的重復(fù)序列,各單個(gè)基因家族的成員(拷貝)按一定規(guī)律組成家族單位。 真核生物有些基因組成多基因簇,它們來源相同,結(jié)構(gòu)相似,功能相關(guān)的基因形成一個(gè)家族。 一個(gè)基因家族中各成員表達(dá)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和功能是密切相關(guān)的，但其表達(dá)調(diào)控和表達(dá)水平以及表達(dá)產(chǎn)物的活

60、性可能很不相同它們常常成串地集中在一起,中間常隔以中度重復(fù)序列,也可以不集中在一起,乃至不在同一染色體上?；蚣易逋ǔ？梢苑譃楹?jiǎn)單多基因家族、復(fù)雜多基因家族和受發(fā)育調(diào)控的復(fù)雜多基因家族。一個(gè)家族的成員可以在染色體上緊密地排列在一起，成為一簇，稱為基因簇（gene cluster）。在人類基因組中有12個(gè)大的基因簇，如-珠蛋白基因簇、-珠蛋白基因簇和組蛋白基因簇等。（一）簡(jiǎn)單多基因家族（一）簡(jiǎn)單多基因家族簡(jiǎn)單多基因家族是指由一個(gè)或數(shù)個(gè)基因以串聯(lián)方式重復(fù)排列，各個(gè)基因含有單一的轉(zhuǎn)錄單元和非轉(zhuǎn)錄區(qū)。 各基因結(jié)構(gòu)相似, 它們?cè)诨蚪M內(nèi)分散成若干個(gè)基因簇。編碼5SrRNA的基因是一個(gè)典型的簡(jiǎn)單多基因家族