《分子生物學(xué)》第三章 有機體、染色體和基因

1、.第三章第三章 有機體、有機體、染色體和基因染色體和基因(3、12). 第一節(jié)第一節(jié) 生命有機體生命有機體 第二節(jié)第二節(jié) 原核生物染色體和基因原核生物染色體和基因 第三節(jié)第三節(jié) 真核生物的染色體真核生物的染色體 第四節(jié)第四節(jié) 真核生物的基因真核生物的基因.第一節(jié)第一節(jié) 生命有機體生命有機體.一、生命有機體的劃分一、生命有機體的劃分按照細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和遺傳物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的分布，生命有機體可按照細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和遺傳物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的分布，生命有機體可大致劃分為：大致劃分為： 原核生物（原核生物（ Prokaryotes Prokaryotes ） 真核生物（真核生物（ Eukaryotes Eukaryotes

2、 ） 原核生物（原核生物（ Prokaryotes ）遺傳物質(zhì)類核或擬核遺傳物質(zhì)類核或擬核習(xí)慣上也稱為染色體習(xí)慣上也稱為染色體類核或擬核類核或擬核. 真核生物（真核生物（ Eukaryotes ）遺傳物質(zhì)集中存遺傳物質(zhì)集中存在于核膜包圍的在于核膜包圍的細(xì)胞核中細(xì)胞核中,并與并與特殊的蛋白質(zhì)結(jié)特殊的蛋白質(zhì)結(jié)合為核蛋白合為核蛋白染色體染色體. 超分子的亞細(xì)胞生命形式超分子的亞細(xì)胞生命形式 病毒（寄主為動、植物）病毒（寄主為動、植物） 使用真核生物的遺傳法則使用真核生物的遺傳法則 噬菌體噬菌體( (細(xì)菌或病毒細(xì)菌或病毒) ) 適應(yīng)了原核生物的遺傳策略適應(yīng)了原核生物的遺傳策略 繁殖必須在寄主體內(nèi)進行，

3、因而遺傳機制與寄主密切相關(guān)繁殖必須在寄主體內(nèi)進行，因而遺傳機制與寄主密切相關(guān)如：病毒（如：病毒（virus） 噬菌體噬菌體(phage ）.原核原核真核真核體積體積小（?。? 11010m m）較大較大( (（5 5100100m m）核膜核膜無核膜無核膜有核膜有核膜基因組基因組DNADNA與非組蛋白結(jié)合，與非組蛋白結(jié)合，基因組位于類核中基因組位于類核中DNADNA與組蛋白及非組蛋與組蛋白及非組蛋白結(jié)合，形成染色體白結(jié)合，形成染色體細(xì)胞器細(xì)胞器無無內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、線粒體、葉綠體線粒體、葉綠體能量代謝能量代謝無線粒體，氧化還原酶無線粒體，氧化還原酶系統(tǒng)位于質(zhì)膜上系統(tǒng)位于質(zhì)膜上

4、氧化還原酶系統(tǒng)位于氧化還原酶系統(tǒng)位于線粒體中線粒體中細(xì)胞骨架細(xì)胞骨架無無由微絲、微管和中間由微絲、微管和中間纖維組成纖維組成分裂形式分裂形式 裂殖或出芽裂殖或出芽有絲分裂和減數(shù)分裂有絲分裂和減數(shù)分裂真核細(xì)胞和原核細(xì)胞的區(qū)別：真核細(xì)胞和原核細(xì)胞的區(qū)別：.第二節(jié)第二節(jié) 原核生物染色體和基因原核生物染色體和基因.一、大腸桿菌（一、大腸桿菌（Escherichia coli ）1 1、大腸桿菌在實際工作中、大腸桿菌在實際工作中 的重要性的重要性 1885 Theodor Escherich ( 1885 Theodor Escherich (德國德國) ) 原命名為原命名為 Bacterium col

5、iBacterium coli 將其屬名改為將其屬名改為 Escherichia Escherichia 是為了紀(jì)念發(fā)現(xiàn)者是為了紀(jì)念發(fā)現(xiàn)者 經(jīng)常被當(dāng)作是所有生物的經(jīng)常被當(dāng)作是所有生物的 原型（原型（archetype）. b、生長迅速，要求營養(yǎng)物質(zhì)簡單，能進行很多生理生化過程、生長迅速，要求營養(yǎng)物質(zhì)簡單，能進行很多生理生化過程 c、有性生殖，可進行遺傳學(xué)的研究有性生殖，可進行遺傳學(xué)的研究 ( (如遺傳雜交及遺傳性狀如遺傳雜交及遺傳性狀 的分析的分析 ） d、能夠供應(yīng)病毒的生長，進行病毒擴增的研究、能夠供應(yīng)病毒的生長，進行病毒擴增的研究 a、在實驗室中容易操作、在實驗室中容易操作因為因為:. 類

6、核中，染色體類核中，染色體DNA成分占成分占80，其余為，其余為RNA和蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì) 4.6 x 106bp的基因組的基因組DNA 與多種與多種DNA結(jié)合蛋白質(zhì)組裝成結(jié)合蛋白質(zhì)組裝成 基因組基因組DNA為為雙鏈環(huán)狀雙鏈環(huán)狀， 總長度為總長度為1.3mm，1400 以上以上的的基因（共基因（共30004000個）都已定位個）都已定位 （1） 染色體染色體DNA2 2、大腸桿菌的遺傳物質(zhì)、大腸桿菌的遺傳物質(zhì)包括染色體包括染色體DNA和質(zhì)粒和質(zhì)粒DNA. a、功能相關(guān)的幾個結(jié)構(gòu)基因以操縱元（功能相關(guān)的幾個結(jié)構(gòu)基因以操縱元（operon）的形式存在）的形式存在 其中包括共同的調(diào)節(jié)基因、啟動子（其中包

7、括共同的調(diào)節(jié)基因、啟動子（promoter）、操作子）、操作子 （operator）, 它們在基因轉(zhuǎn)錄時協(xié)同動作它們在基因轉(zhuǎn)錄時協(xié)同動作 iOperonRegulatoryGenepozyADNAm-RNA -GalactosidasePermeaseTransacetylaseProtein.i 染色體的基因圖染色體的基因圖. b、功能相關(guān)的、功能相關(guān)的RNA基因也串聯(lián)在一起基因也串聯(lián)在一起(rrn 操縱元操縱元)， 如：如：16S rRNA、23S rRNA、5S rRNA基因轉(zhuǎn)錄在同一個基因轉(zhuǎn)錄在同一個 轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中 d、RNA基因多拷貝基因多拷貝 有七個有七個rrn （其中六個

8、分布在（其中六個分布在 起點附近）起點附近） c、蛋白質(zhì)基因通常以單拷貝的形式存在蛋白質(zhì)基因通常以單拷貝的形式存在.3 3、大腸桿菌的酶類、大腸桿菌的酶類 細(xì)胞中含有核酸代謝所需的各種酶類細(xì)胞中含有核酸代謝所需的各種酶類 多種限制性內(nèi)切酶（多種限制性內(nèi)切酶（restriction endonuclease）只在特異順序堿基的位點上（迴文序列）與只在特異順序堿基的位點上（迴文序列）與DNA結(jié)合，并沿結(jié)合，并沿固定的位點切割固定的位點切割如：如：E.coli的的 EcoR的識別序列的識別序列 5.G-A-A-T-T-C3 3.C-T-T-A-A-G.5限制性內(nèi)切酶限制性內(nèi)切酶最基本的工具酶，最基本

9、的工具酶，在在DNA測序、片段分離、克隆測序、片段分離、克隆DNA的環(huán)節(jié)都要用到的環(huán)節(jié)都要用到.二、噬菌體（二、噬菌體（phage ）1 1、X174X174噬菌體噬菌體 DNA DNA為單鏈環(huán)狀，有為單鏈環(huán)狀，有53865386個核苷酸（個核苷酸（Frederick SangerFrederick Sanger 于于19771977分析測定，為此榮獲第二次諾貝爾獎分析測定，為此榮獲第二次諾貝爾獎 ） 2 2、X174X174噬菌體基因排列更加體現(xiàn)噬菌體基因排列更加體現(xiàn) 經(jīng)濟原則經(jīng)濟原則b b、DNADNA分子絕大部分用來編分子絕大部分用來編 碼蛋白質(zhì)，不翻譯部分只占碼蛋白質(zhì)，不翻譯部分只占4

10、 4 （基因之間的間隔區(qū)（基因之間的間隔區(qū) 控制基因表達的序列）控制基因表達的序列）a a、1111個蛋白質(zhì)基因，只轉(zhuǎn)錄成個蛋白質(zhì)基因，只轉(zhuǎn)錄成 三個三個mRNA mRNA . 重迭基因有以下幾種情況：重迭基因有以下幾種情況： * * 一個基因完全在另一個基因內(nèi)部一個基因完全在另一個基因內(nèi)部 如：如：B B和和A A E E和和D D 其讀碼結(jié)構(gòu)互不相同其讀碼結(jié)構(gòu)互不相同 c c、 最顯著的特點是有重疊基因最顯著的特點是有重疊基因 （overlapping genes overlapping genes 或或 嵌套基因嵌套基因 nested genesnested genes） -ATG-/-

11、AATGCC -/-ATAACG-/-TAA-A*BATGCCN-NNATAA. * * 部分重疊部分重疊 K K和和C C * * 兩個基因共用少數(shù)堿基對兩個基因共用少數(shù)堿基對 如：如：A A* *和和C DC D和和J J-ATGA-CStart codon-TAATG-A*Stop codonDStop codonJStart codon.2 2、噬菌體噬菌體 雙鏈雙鏈DNA DNA 長度長度48502bp(48Kb)48502bp(48Kb) * * 其其DNADNA分子有三種存在形式分子有三種存在形式 a a、兩個粘性末端分、兩個粘性末端分 離的線性分子離的線性分子 COSCOS位點

12、位點 (cohesive-end site)(cohesive-end site) c c、閉合環(huán)狀分子閉合環(huán)狀分子（粘性末端（粘性末端 互補，互補，DNADNA連接酶連接）連接酶連接） b b、帶有切刻的環(huán)狀分子（開環(huán)的、帶有切刻的環(huán)狀分子（開環(huán)的 粘性末端互補后未連接的）粘性末端互補后未連接的）. * * 其基因均是按功能相近的聚集成簇的（兩個正調(diào)節(jié)基因其基因均是按功能相近的聚集成簇的（兩個正調(diào)節(jié)基因N N 和和Q Q除外）除外） * * 存在形式存在形式在寄主體內(nèi)有在寄主體內(nèi)有溶源溶源生長周期生長周期（原噬菌（原噬菌體）和體）和溶菌生長周溶菌生長周期期兩種生活途徑兩種生活途徑 . 第三節(jié)

13、第三節(jié) 真核生物的染色體真核生物的染色體.一、概述：一、概述： * * 真核真核DNADNA組蛋白組蛋白 核小體核小體 * * 核小體折疊壓積核小體折疊壓積 染色質(zhì)（染色質(zhì)（chromatinchromatin） （其它的蛋白質(zhì)和（其它的蛋白質(zhì)和RNARNA） * * 大部分細(xì)胞生活周期里以染色質(zhì)的形式存在（彌散狀）大部分細(xì)胞生活周期里以染色質(zhì)的形式存在（彌散狀） M M期染色體形式期染色體形式 * * 染色質(zhì)有兩種型染色質(zhì)有兩種型 a a、常染色質(zhì)：密度較低，能被表達、常染色質(zhì)：密度較低，能被表達 b b、異染色質(zhì)：密度較高，不被表達（著絲粒、端粒）、異染色質(zhì)：密度較高，不被表達（著絲粒、端

14、粒）.Cell cycle Cell cycle Interphase 間期間期: G1 + S + G2 M phase (mitosis 有絲分裂有絲分裂):.二、組蛋白（二、組蛋白（Histone） * * 染色體的主要蛋白質(zhì)組分染色體的主要蛋白質(zhì)組分 * * 富含富含LysLys、ArgArg等堿性氨基酸，等堿性氨基酸，11KD 11KD 23KD23KD * * 核心組蛋白有核心組蛋白有H2AH2A、H2BH2B、H3H3和和H4H4，另一種為，另一種為H1H1 * * 與與DNADNA緊密結(jié)合緊密結(jié)合 * * 保守性強，但保守性強，但H1H1的保守性較弱的保守性較弱H2BH2AH3

15、H4a2a3a1a2a3a1a2a3a1a2a3a1L1L2aN. * * 組蛋白八聚體（組蛋白八聚體（Histone octamer ） H2AH2A與與H2BH2B、H3H3與與H4H4的親和力強，的親和力強， 通過通過C C端的疏水氨基酸結(jié)合端的疏水氨基酸結(jié)合 兩個兩個H3H3、H4H4先形成四聚體先形成四聚體 結(jié)合兩個結(jié)合兩個H2AH2A和和H2BH2B的異二聚體的異二聚體 組蛋白八聚體組蛋白八聚體 .二、核小體（二、核小體（Nuclearsome） * * 染色體結(jié)構(gòu)的第一個層次，構(gòu)成染色質(zhì)的染色體結(jié)構(gòu)的第一個層次，構(gòu)成染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位基本結(jié)構(gòu)單位 * * 足量的微球菌核酸酶處理

16、染色質(zhì)可得到足量的微球菌核酸酶處理染色質(zhì)可得到 146bpDNA 146bpDNA 組蛋白組蛋白 八聚體八聚體核小體的核小體的核核 心顆粒心顆粒 直徑約直徑約10nm10nm 1 1、核小體的組成、核小體的組成. 組蛋白八聚體組蛋白八聚體146bp146bp的的核心核心DNADNA.Mononucleosomes typically have 200 bp DNA. End-trimming reduces the length of DNA first to 165 bp, and then generates core particles with 146 bp. 微球菌酶處理微球菌酶處理

17、所得核小體所得核小體DNADNA長長度的變化度的變化.Chromatosome166 bp, 2 superhelical turnHistone H1 * * 組蛋白組蛋白H1H1把核小體把核小體 “封鎖封鎖”起來起來其中，其中，166bp核小體核小體DAN的堆積比為的堆積比為10.連接連接 DNADNA 100 bp平均平均 55 bpNucleosomeHistone H1Nucleosome repeat:Core + linker DNA200 bp 2 2、染色體結(jié)構(gòu)的形成、染色體結(jié)構(gòu)的形成 （1 1） 首先若干個核小體形成念珠狀結(jié)構(gòu)首先若干個核小體形成念珠狀結(jié)構(gòu) .The 10

18、nm fiber is a continuous strong of nucleosomes.每個核小體單位包括：200bp左右的DNA、一個組蛋白八聚體、一分子H1. 高度有序高度有序 左手螺旋左手螺旋 每圈包括六個核小體每圈包括六個核小體 30 nm fiber(直徑直徑30nm)Solenoid (螺線管）螺線管）（2 2） 30nm30nm纖絲纖絲的構(gòu)成的構(gòu)成 染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的第二層次染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的第二層次a a、組成、組成.Nuclear matrix (核基質(zhì)核基質(zhì)) ), protein complex30 nm fiber300 nmb b、體內(nèi)存在狀態(tài)、體內(nèi)存在狀態(tài).從從DNA到染

19、到染色體的過程色體的過程Compaction ratio = 8000.Centromere著絲粒著絲粒Telomere有絲分裂中期的染有絲分裂中期的染色體色體姊妹染色單體姊妹染色單體Nuclear matrix核基質(zhì)核基質(zhì)30nm 纖絲環(huán)纖絲環(huán)Chromatid 染色染色單體單體 3 3、著絲粒（、著絲粒（centromerecentromere 或中心?；蛑行牧? ) 和端粒和端粒(telomere)(telomere).（1）著絲粒）著絲粒( centromere)Yeast centromere富含富含AT,兩側(cè)有高度重復(fù)的兩側(cè)有高度重復(fù)的衛(wèi)星衛(wèi)星DNA,屬異染色質(zhì)區(qū)屬異染色質(zhì)區(qū). a

20、、真核染色體線性、真核染色體線性DNA末端的特殊末端的特殊DNA序列序列 b、有數(shù)百個拷貝的、有數(shù)百個拷貝的短的正向重復(fù)序列短的正向重復(fù)序列 ,且總是且總是3端富含端富含G 如：人體內(nèi)如：人體內(nèi) 5-TTAGGG-3 c、復(fù)制靠端粒酶（、復(fù)制靠端粒酶（ telomerase 核蛋白核蛋白)來完成來完成 ，不同于正，不同于正常常DNA的復(fù)制的復(fù)制 d、端粒、端粒DNA形成形成特殊的二級結(jié)構(gòu)特殊的二級結(jié)構(gòu)（G四聯(lián)體形成四鏈結(jié)構(gòu)）四聯(lián)體形成四鏈結(jié)構(gòu)）以使染色體末端免遭降解以使染色體末端免遭降解（2） 端粒端粒(Telomere ).第四節(jié)第四節(jié) 真核生物的基因真核生物的基因.Genome &

21、 genes (基因組和基因的關(guān)系）基因組和基因的關(guān)系）Genome: all DNA sequences in a cellGenes: 編碼某一蛋白質(zhì)或編碼某一蛋白質(zhì)或RNA的一段的一段DNA序序列（列（a stretch of continuous DNA sequence encoding a protein or RNA）C-value is the quantity of DNA in the genome (per haploid set of chromosomes).C-value paradox (C值矛盾值矛盾) refers to the lack of a corre

22、lation between genome size and genetic complexity.一、相關(guān)概念一、相關(guān)概念 基因組（基因組（genome）：是指細(xì)胞或生物體的全套遺傳物：是指細(xì)胞或生物體的全套遺傳物 質(zhì)，即生物體維持配子或配子體正常功能的全套染色體質(zhì)，即生物體維持配子或配子體正常功能的全套染色體 所含的全部基因（所含的全部基因（DNA）。）。all DNA sequences in a cell 比如比如人人基因組的全長為大約基因組的全長為大約3 X 103 X 109 9對對堿基，編碼堿基，編碼 3-43-4萬個基因萬個基因基因（基因（Genes）：）：編碼某一蛋白質(zhì)或編碼

23、某一蛋白質(zhì)或RNA的一段的一段DNA序序 列。（列。（a stretch of continuous DNA sequence encoding a protein or RNA） 基因組和基因基因組和基因.C值（值（C-value）：一種生物體的單倍體基因組：一種生物體的單倍體基因組DNA的總量。的總量。 the quantity of DNA in the genome (per haploid set of chromosomes). C值反常理論（值反常理論（ C-value paradox)支支原原體體細(xì)細(xì)菌菌酵酵母母霉霉菌菌蠕蠕蟲蟲昆昆蟲蟲鳥鳥類類兩兩棲棲類類哺哺 乳乳類類1010

24、109108107106從編碼每類生物所從編碼每類生物所需要的需要的DNADNA的量的的量的最低值最低值看，生物細(xì)看，生物細(xì)胞中的胞中的C C值具有從值具有從低等生物到高等生低等生物到高等生物逐漸增加的趨勢物逐漸增加的趨勢.植物植物鳥類鳥類哺乳動物哺乳動物爬行動物爬行動物兩棲動物兩棲動物硬骨魚硬骨魚軟骨魚軟骨魚棘皮動物棘皮動物甲殼動物甲殼動物昆蟲昆蟲軟體動物軟體動物蠕蟲蠕蟲霉菌霉菌藻類藻類真菌真菌格蘭氏陽性菌格蘭氏陽性菌格蘭氏陰性菌格蘭氏陰性菌支原體支原體陰影部分為一個門內(nèi)陰影部分為一個門內(nèi)C-值的范圍值的范圍. 低等動物的低等動物的C值大于高等動物值大于高等動物 如：兩棲類的如：兩棲類的C值

25、大于哺乳類值大于哺乳類 肺魚的肺魚的C值比哺乳動物大值比哺乳動物大1015倍倍同一門中的動物同一門中的動物C值變化很大值變化很大如：兩棲類中的如：兩棲類中的C值變化很大，可相差值變化很大，可相差100倍倍家蠅的比果蠅的大家蠅的比果蠅的大6倍倍C值反常（值反常（ C-value paradox)：基因組的大小與基因組的：基因組的大小與基因組的復(fù)雜性之間缺乏一定的聯(lián)系。復(fù)雜性之間缺乏一定的聯(lián)系。（ the lack of a correlation between genome size and genome complexity）許多的許多的DNA序列不編碼蛋白質(zhì)序列不編碼蛋白質(zhì)表現(xiàn)：表現(xiàn)：.二

26、、真核生物二、真核生物DNADNA的復(fù)性動力學(xué)的復(fù)性動力學(xué) ( (重新結(jié)合動力學(xué)重新結(jié)合動力學(xué) ReReassociationassociation kinetics kinetics） 基因組基因組DNA的提取的提取 超聲處理或剪切到一定的長度超聲處理或剪切到一定的長度 (x 100-1000 bp) 溫度變性溫度變性 退火（退火（ Re-annealing） 測量并捕捉退火過程得出復(fù)性動力學(xué)曲線測量并捕捉退火過程得出復(fù)性動力學(xué)曲線 CC01（1kC0t） (紫外吸收法、羥基磷灰石柱層析法紫外吸收法、羥基磷灰石柱層析法) 真核生物復(fù)性動力學(xué)研究真核生物復(fù)性動力學(xué)研究 .Highly repe

27、titive DNAmoderately repetitive DNAunique DNAHumanE. coli三三、真核生物基因組的真核生物基因組的DNA類型類型高度重復(fù)序列、高度重復(fù)序列、中度重復(fù)序列中度重復(fù)序列 單一序列單一序列復(fù)性反應(yīng)分為復(fù)性反應(yīng)分為三相，三相，每相代表不同每相代表不同復(fù)雜長復(fù)雜長度的序列類型度的序列類型. 1 1、高度重復(fù)序列（、高度重復(fù)序列（Highly repetitive sequence） 分布于分布于著絲點著絲點, 端粒區(qū)端粒區(qū)（原位雜交）（原位雜交）, 結(jié)構(gòu)基因兩側(cè)結(jié)構(gòu)基因兩側(cè) 往往沒有轉(zhuǎn)錄功能，（著絲粒往往沒有轉(zhuǎn)錄功能，（著絲粒 紡錘體）紡錘體） 占基

28、因組的占基因組的10-60%,長度長度2 10bp(6 100bp) ，重復(fù)數(shù)以，重復(fù)數(shù)以 百萬次百萬次 106 許多富含許多富含ATAT高度重復(fù)序列可以用密度梯度離心法分離出來高度重復(fù)序列可以用密度梯度離心法分離出來.衛(wèi)星衛(wèi)星DNA（Satellite DNA）：）：將將DNA切成數(shù)百個堿基對的片切成數(shù)百個堿基對的片 段進行超速離心時，由于富含段進行超速離心時，由于富含AT的簡單高度重復(fù)序的簡單高度重復(fù)序 列區(qū)段浮力密度較小，因而很容易和總體列區(qū)段浮力密度較小，因而很容易和總體DNA分開，分開， 即常會在主要的即常會在主要的DNA帶的上面有一個次要的帶相伴隨帶的上面有一個次要的帶相伴隨Mou

29、se genome DNA30% GC in satellite DNACsCl 離心離心.7 拷貝拷貝, 衛(wèi)星衛(wèi)星 25% genome6 拷貝拷貝, 衛(wèi)星衛(wèi)星 8% genome6 拷貝拷貝, 衛(wèi)星衛(wèi)星 8% genomeSatellites comprise more than 40% of the genome果蠅（果蠅（Drosophila）衛(wèi)星衛(wèi)星DNAn5 ATAAACTATAAACTATAAACT 33 TATTTGATATTTGATATTTGA 5. （根據(jù)重復(fù)頻率和大小又可分為衛(wèi)星、小衛(wèi)星和微衛(wèi)星（根據(jù)重復(fù)頻率和大小又可分為衛(wèi)星、小衛(wèi)星和微衛(wèi)星DNA） 數(shù)目可變的串聯(lián)重復(fù)或

30、數(shù)目可變的串聯(lián)重復(fù)或小衛(wèi)星小衛(wèi)星 ( Variable number tandem repeats . VNTR ) 短的串聯(lián)重復(fù)短的串聯(lián)重復(fù) 5-50 copies 有共同的核心序列，有共同的核心序列，同一群體中個體間重復(fù)次數(shù)變動很大，所以個體間長度變同一群體中個體間重復(fù)次數(shù)變動很大，所以個體間長度變化很大（化很大（DNA長度多態(tài)性）長度多態(tài)性）可利用其得到可利用其得到DNA指紋圖（指紋圖（DNA finger printing）.DNA指紋圖的制作指紋圖的制作DNA指紋圖在法醫(yī)上得到廣泛應(yīng)用指紋圖在法醫(yī)上得到廣泛應(yīng)用限制性內(nèi)切酶切割限制性內(nèi)切酶切割DNA電泳分離不同長度的電泳分離不同長度的

31、DNA片段片段小衛(wèi)星探針與之雜交小衛(wèi)星探針與之雜交顯示不同長度的小衛(wèi)星片段顯示不同長度的小衛(wèi)星片段.微衛(wèi)星（微衛(wèi)星（Microsatellite) 又稱簡單序列重復(fù)（又稱簡單序列重復(fù)（simple Sequence Repeat, SSR) 一般以一般以16個堿基為核心序列個堿基為核心序列 存在于基因組的廣泛區(qū)域：基因的間隔區(qū)，內(nèi)含子，存在于基因組的廣泛區(qū)域：基因的間隔區(qū)，內(nèi)含子，外顯子，調(diào)控區(qū)外顯子，調(diào)控區(qū) 不同物種，微衛(wèi)星含量不同：真核生物平均不同物種，微衛(wèi)星含量不同：真核生物平均50150kb一一 個微衛(wèi)星個微衛(wèi)星 不同微衛(wèi)星在不同物種中豐度不同：哺乳動物基因組，不同微衛(wèi)星在不同物種中豐

32、度不同：哺乳動物基因組，(AC)n最豐富，植物基因組，最豐富，植物基因組， (AT)n最豐富最豐富 真核生物基因組中，二核苷酸微衛(wèi)星最豐富，三核苷真核生物基因組中，二核苷酸微衛(wèi)星最豐富，三核苷酸微衛(wèi)星比二核苷酸微衛(wèi)星低酸微衛(wèi)星比二核苷酸微衛(wèi)星低10倍，四核苷酸微衛(wèi)星更倍，四核苷酸微衛(wèi)星更少少 作為作為DNA分子標(biāo)記，構(gòu)建遺傳圖譜分子標(biāo)記，構(gòu)建遺傳圖譜. 2、中度重復(fù)序列、中度重復(fù)序列 ( middle repetitive sequence middle repetitive sequence )100-幾千幾千bp / copy10-104 copies / genome占基因組的占基因組的

33、1040（小鼠占（小鼠占20，果蠅中占，果蠅中占15）分散在不重復(fù)序列之間分散在不重復(fù)序列之間無編碼功能的中度重復(fù)序列無編碼功能的中度重復(fù)序列 如：如： Alu 家族家族有編碼功能的中度重復(fù)序列有編碼功能的中度重復(fù)序列 如：如： rDNA tDNA Histone gene . a a、 以以AluAlu序列為代表的不編碼序列序列為代表的不編碼序列 Alu familyAlu family（Alu Alu 家族）：在長約家族）：在長約300bp300bp的片段中，大多的片段中，大多數(shù)數(shù) 片段含有一個限制性內(nèi)切酶片段含有一個限制性內(nèi)切酶AluAlu的酶切位的酶切位點點 （AGCT） 均勻分散在整

34、個均勻分散在整個genomegenome中的非重復(fù)序列間中的非重復(fù)序列間 在人類在人類genomegenome中占中占1 1 3 3 Alu Alu序列顯然是一個編碼序列顯然是一個編碼7SL RNA7SL RNA的基因衍生來的的基因衍生來的 7SL RNA-7SL RNA-一種信號識別顆粒的組分一種信號識別顆粒的組分. b b、 有編碼基因產(chǎn)物的中等重復(fù)序列有編碼基因產(chǎn)物的中等重復(fù)序列 rDNA tDNArDNA tDNA Histone gene cluster Histone gene cluster 往往以基因家族的形式組織往往以基因家族的形式組織多為結(jié)構(gòu)基因多為結(jié)構(gòu)基因 (蛋白質(zhì)基因蛋

35、白質(zhì)基因) 低等真核生物低等真核生物 10-20% 高等植物高等植物 80% repetitive sequence 高等動物高等動物 50% 3、 單拷貝序列單拷貝序列 (single copy sequence, 1-3 copies) .大部分結(jié)構(gòu)基因大部分結(jié)構(gòu)基因位于非重復(fù)的位于非重復(fù)的DNA序列內(nèi)序列內(nèi).四、基因簇與基因家族四、基因簇與基因家族 （Gene cluster、Gene family） 基因家族（基因家族（Gene familyGene family）: :真核生物的基因組中許多來源相同，真核生物的基因組中許多來源相同， 結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的一組基因結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的一

36、組基因 簡單多基因家族：簡單多基因家族：5SrRNA5SrRNA基因家族基因家族 復(fù)雜多基因家族：各個成員并不都是相同的復(fù)雜多基因家族：各個成員并不都是相同的 組蛋白基因家族組蛋白基因家族，rRNArRNA、tRNAtRNA基因家族基因家族目前基因家族可分為三類：目前基因家族可分為三類：基因簇（基因簇（gene clustergene cluster）：基因家族的各成員緊密成簇，排列：基因家族的各成員緊密成簇，排列 成大段的串聯(lián)重復(fù)單位，定位于染色體的特殊區(qū)域成大段的串聯(lián)重復(fù)單位，定位于染色體的特殊區(qū)域 由發(fā)育階段控制的多基因家族：人類珠蛋白的基因家族由發(fā)育階段控制的多基因家族：人類珠蛋白的基

37、因家族.串聯(lián)重復(fù)基因簇的特點：串聯(lián)重復(fù)基因簇的特點：各成員之間有高度的序列一致性各成員之間有高度的序列一致性拷貝數(shù)高拷貝數(shù)高 幾十幾十 幾百幾百非轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū)短而一致非轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū)短而一致正好滿足組蛋白基因、正好滿足組蛋白基因、rRNA rRNA 基因和基因和 tRNAtRNA的的 基因產(chǎn)物被細(xì)胞大量需要基因產(chǎn)物被細(xì)胞大量需要組蛋白基因、組蛋白基因、rRNA rRNA 基因和基因和 tRNAtRNA往往以串聯(lián)重復(fù)往往以串聯(lián)重復(fù)基因簇的形式出現(xiàn)基因簇的形式出現(xiàn). a a、組蛋白基因家族（、組蛋白基因家族（Histone gene familyHistone gene family）H1H4H2B

38、H3H2A一個重復(fù)單位一個重復(fù)單位( (基因簇基因簇 gene cluster)gene cluster)的組織情況的組織情況組織方式因不同生物而異：組織方式因不同生物而異：基因次序、轉(zhuǎn)錄方向、間隔區(qū)的長短、重復(fù)頻率基因次序、轉(zhuǎn)錄方向、間隔區(qū)的長短、重復(fù)頻率不轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)不轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)參見參見 P359P359頁圖頁圖12122020不算是典型的串聯(lián)重復(fù)基因簇不算是典型的串聯(lián)重復(fù)基因簇 ( (有些有些以散在形式出現(xiàn)以散在形式出現(xiàn)) )海膽海膽組蛋白基因表達特點：組蛋白基因表達特點： 沒有內(nèi)元沒有內(nèi)元 沒有多聚沒有多聚A A尾巴尾巴 P359P359頁頁. b b、rRNA rRNA 基因家族基因家

39、族 （rDNA gene familyrDNA gene family）海膽海膽450copies煙草煙草750 copies果蠅果蠅100 copiesT 18s T 5.8s T 28s NT 18s T 5.8s T28s5.8s重復(fù)單位的組織重復(fù)單位的組織一個重復(fù)單位內(nèi)的一個重復(fù)單位內(nèi)的轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū)的間隔區(qū)（內(nèi)元）（內(nèi)元）重復(fù)單位之間的重復(fù)單位之間的不轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)不轉(zhuǎn)錄間隔區(qū). c、tRNA基因基因 tRNAtRNA約長約長 70 70 80 bp80 bp，其基因約長，其基因約長140 bp 140 bp ( (內(nèi)元內(nèi)元) )串聯(lián)重復(fù)排列，但各重復(fù)單位內(nèi)的各串聯(lián)重復(fù)排列，但各重復(fù)單

40、位內(nèi)的各tRNAtRNA基因可以不同基因可以不同 c、5SrRNA基因基因 簡單多基因家族簡單多基因家族成簇排列、成簇排列、10102 2 10103 3、10104 4拷貝拷貝123 3 不轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū)不轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū)1 5S rRNA2 假基因假基因 重復(fù)單位間由重重復(fù)單位間由重 度重復(fù)序列隔開度重復(fù)序列隔開. 假基因（假基因（ Pseudogenes ）：）： 與正常基因結(jié)構(gòu)相似，但沒有正常與正?；蚪Y(jié)構(gòu)相似，但沒有正常功能的功能的DNADNA序列序列 P363P363頁頁 d、由發(fā)育階段控制的多基因家族、由發(fā)育階段控制的多基因家族 人類珠蛋白基因家族典型的人類珠蛋白基因家族典型的血紅蛋白

41、血紅蛋白在基因組中可形成穩(wěn)定的無活性的拷貝在基因組中可形成穩(wěn)定的無活性的拷貝珠蛋白珠蛋白血紅素血紅素 2 2 2 2 不同的亞基由各自不同的亞基由各自 的基因編碼的基因編碼. 發(fā)育過程中的珠蛋白（血紅蛋白）的亞基組成發(fā)育過程中的珠蛋白（血紅蛋白）的亞基組成兩種亞基的編碼基因分別形成兩個不同的基因簇兩種亞基的編碼基因分別形成兩個不同的基因簇, ,并存在于并存在于不同的染色體上不同的染色體上每個基因簇中的基因按其在發(fā)育過程中的表達次序從每個基因簇中的基因按其在發(fā)育過程中的表達次序從5533排列在編碼鏈上排列在編碼鏈上( (其中包括有功能的基因和假基因其中包括有功能的基因和假基因) ) 2 2 2

42、22% 97% 1%2% 97% 1% - -樣亞基樣亞基 - -樣亞基樣亞基.Each of the a-like and b-like globin gene families is organized into a single cluster that includes functional genes and pseudogenes.四、割裂基因（四、割裂基因（splitting gene） 不連續(xù)基因（不連續(xù)基因（discontinuous gene ）、）、 斷裂基因（斷裂基因（interrupted gene）概念：編碼某一概念：編碼某一RNARNA的基因中有些序列并不出現(xiàn)在成

43、熟的基因中有些序列并不出現(xiàn)在成熟 的的RNARNA序列中，成熟序列中，成熟RNARNA的序列在基因中被其他的的序列在基因中被其他的 序列隔開序列隔開P360P360頁的表述有一定的片面性頁的表述有一定的片面性1 1、割裂基因的發(fā)現(xiàn)、割裂基因的發(fā)現(xiàn) 通過成熟通過成熟mRNAmRNA（或（或cDNAcDNA）與編碼基因的）與編碼基因的DNADNA雜交雜交試試 驗而發(fā)現(xiàn)驗而發(fā)現(xiàn).7 introns8 exonsR環(huán)環(huán)雞的卵清蛋白基因雞的卵清蛋白基因DNADNA與其與其mRNAmRNA雜交圖雜交圖.1978 Gilbert 真核生物基因的新概念真核生物基因的新概念 Exon (外顯子、外元外顯子、外元

44、)DNA 與成熟與成熟RNA間的對應(yīng)區(qū)域間的對應(yīng)區(qū)域氨基酸的編碼區(qū)（氨基酸的編碼區(qū)（amino acid coding region） 非間隔區(qū)（非間隔區(qū)（unspacer） is any segment of an interrupted gene that is represented in the mature RNA product原初轉(zhuǎn)錄物中通過原初轉(zhuǎn)錄物中通過RNARNA拼接反應(yīng)而保留于成熟拼接反應(yīng)而保留于成熟RNARNA中的中的序列或基因中與成熟序列或基因中與成熟RNARNA序列相對應(yīng)的序列相對應(yīng)的DNADNA序列序列.Intron (內(nèi)含子、內(nèi)元內(nèi)含子、內(nèi)元)is a segm

45、ent of DNA that is transcribed, but removed from within the transcript by splicing together the sequences (exons) on either side of it. DNA 與成熟與成熟RNA間的非對應(yīng)區(qū)域間的非對應(yīng)區(qū)域 氨基酸的非編碼區(qū)（氨基酸的非編碼區(qū)（uncoding region） 間隔區(qū)（間隔區(qū)（spacer） 但被轉(zhuǎn)錄但被轉(zhuǎn)錄原初轉(zhuǎn)錄物中通過原初轉(zhuǎn)錄物中通過RNARNA拼接反應(yīng)而被去除的拼接反應(yīng)而被去除的RNARNA序列序列或或基因中與這種基因中與這種RNARNA序列相對應(yīng)的序

46、列相對應(yīng)的DNADNA序列序列R R環(huán)（環(huán)（R-loopR-loop）：mRNAmRNA與編碼單鏈與編碼單鏈DNADNA雜交時，不互補的雜交時，不互補的 intronintron部分形成的環(huán)部分形成的環(huán).割裂基因割裂基因前體前體mRNAIntrons 去除去除Exons 連接連接.Precursor mRNA (pre-mRNA)Heterogeneous nuclear RNA (HnRNA)真核生物基因的轉(zhuǎn)錄物又稱為真核生物基因的轉(zhuǎn)錄物又稱為 所以真核生物基因又稱為所以真核生物基因又稱為 Splitting gene Interrupted gene間隔基因，斷裂基因間隔基因，斷裂基因前體

47、前體mRNA, 核內(nèi)不均一核內(nèi)不均一 RNA由于真核生物的絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)基因都含有內(nèi)元由于真核生物的絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)基因都含有內(nèi)元.2 2、 Splitting Gene 的普遍性的普遍性a) a) 真核生物（真核生物（EukaryotsEukaryots）中）中絕大部分結(jié)構(gòu)基因絕大部分結(jié)構(gòu)基因 tDNA, rDNAtDNA, rDNA mtDNA, cpDNAmtDNA, cpDNAb) b) 原核生物原核生物 （ProkaryotsProkaryots）中）中SV40 SV40 大大T T 抗原抗原gene gene 小小t t 抗原抗原 gene gene 1984 Dr. Chu 1984 Dr. Chu T4 phage T4 phage 的胸苷合成酶的胸苷合成酶 genegene1017 dNt intron 1017 dNt intron Splitting gene Splitting gene 并非真核生物所特有并非真核生物所特有.酵母酵母Maturase Maturase 合成受合成受 Cyt.