分子生物學(xué)課件

1、分子生物學(xué)課件分子生物學(xué)課件五、真核生物的基因與基因組 1. 割裂基因 2. 外顯子序列保守,內(nèi)含子序列多變 3. 割裂基因的進(jìn)化模型 4. 外顯子捕獲 5. 細(xì)胞器基因與基因組六、原核生物基因組五、真核生物的基因與基因組七、基因概念的延伸(基因的分類)1. 基因組中的基因按拷貝數(shù)或重復(fù)頻率分為三種： 1.1 單拷貝序列 1.2 中度重復(fù)順序 1.3 高度重復(fù)順序2.基因組中的基因按結(jié)構(gòu)和功能分為六種： 2.1 編碼RNA的基因 2.2 編碼蛋白質(zhì)的基因 2.3 基因家族與基因簇七、基因概念的延伸(基因的分類)2.4 異常結(jié)構(gòu)基因 2.4.1 重疊基因 2.4.2 基因套基因 2.4.3 反義

2、基因2.5 假基因2.6 移動(dòng)基因(轉(zhuǎn)座子) 2.6.1 轉(zhuǎn)座子的概念及發(fā)現(xiàn) 2.6.2 轉(zhuǎn)座子的分類 2.6.3 轉(zhuǎn)座子的作用 2.6.4 插入序列IS2.4 異常結(jié)構(gòu)基因 2.6.5 復(fù)合型轉(zhuǎn)座子 2.6.6 轉(zhuǎn)座發(fā)生的機(jī)制 2.6.7 三種不同類型的轉(zhuǎn)座 2.6.8 反轉(zhuǎn)座子和反轉(zhuǎn)錄病毒八、基因的突變與誘變 2.6.5 復(fù)合型轉(zhuǎn)座子一、基因概念的發(fā)展染色體上的DNA與基因的關(guān)系：摩爾根的果蠅遺傳試驗(yàn)證明基因定位在染色體上?；蚺c順反子（cistron）的關(guān)系：擬等位基因（pseudoallele)：表型效應(yīng)類似緊密連鎖的功能性等位基因，但不是結(jié)構(gòu)性的等位基因，其發(fā)現(xiàn)證明：基因是可分的。一

3、、基因概念的發(fā)展順式排列：兩個(gè)擬等位（pseudoalleles）突變位點(diǎn)位于同一條染色體上，另一條同源染色體功能完全，表現(xiàn)為野生型。這種突變位點(diǎn)在同源染色體上的排列，即順式排列。反式排列：兩個(gè)突變位點(diǎn)分別位于兩條同源染色體上，使兩條染色體都有缺陷，雜合體表現(xiàn)為突變型，即反式排列。順反位置效應(yīng)（cis-trans position effect)： 反式表現(xiàn)為突變型，順式排列為野生型，這種由于排列方式不同而表型不同的現(xiàn)象成為順反位置效應(yīng)。順式排列：兩個(gè)擬等位（pseudoalleles）突變位點(diǎn)位遺傳上的突變單位和重組單位是突變子（muton)和重組子(recon)；突變子是基因內(nèi)改變后可以產(chǎn)

4、生突變表型的最小單位，它只相當(dāng)與一個(gè)核苷酸對(duì)，不能將其定義為一個(gè)基因；重組子是基因內(nèi)不能由重組分開的遺傳單位，也不能將其定義為一個(gè)基因；順反子（cistron）：Benzer認(rèn)為它是遺傳上一個(gè)不容分割的功能單位，但它并不是一個(gè)突變單位或重組單位。不同突變之間沒有互補(bǔ)的功能區(qū)，一個(gè)順反子就是一個(gè)基因，就是一個(gè)基因座位。遺傳上的突變單位和重組單位是突變子（muton)和重組子(r一個(gè)順反子包含著許多突變子（muton）和重組子（recon）。所以，基因可分為很多突變子和重組子。順反試驗(yàn)（互補(bǔ)測(cè)驗(yàn)） ：指將兩個(gè)擬突變分別處于順式和反式，根據(jù)其表型確定兩個(gè)突變是否是同一基因的試驗(yàn)?；パa(bǔ)測(cè)驗(yàn)即根據(jù)功能確

5、定等位基因的測(cè)驗(yàn)。即根據(jù)順式表現(xiàn)型和反式表現(xiàn)型來確定兩個(gè)突變體是否屬于同一個(gè)基因（順反子）。一個(gè)順反子包含著許多突變子（muton）和重組子（recon互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)隱性突變?nèi)绫憩F(xiàn)出互補(bǔ)效應(yīng)，則證明這兩個(gè)突變型分別屬于不同基因；如不能表現(xiàn)出互補(bǔ)，則證明這兩個(gè)突變型在同一基因內(nèi)。對(duì)于不同基因間的突變型在互補(bǔ)測(cè)驗(yàn)中，不論是順式還是反式排列均表現(xiàn)出互補(bǔ)效應(yīng)；但若屬于同一基因的不同位點(diǎn)的突變，則順式結(jié)構(gòu)表現(xiàn)互補(bǔ)，反式結(jié)構(gòu)則不能互補(bǔ)。說明基因是一個(gè)獨(dú)立的功能單位?；パa(bǔ)實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)隱性突變?nèi)绫憩F(xiàn)出互補(bǔ)效應(yīng)，則證明這兩個(gè)突變型判斷兩突變是否處于同一順反子的方法： 順式 反式 分析結(jié)論：兩突變 + +/-

6、- + -/- + 表現(xiàn)型：野生型 野生型 屬于兩個(gè)順反子 表現(xiàn)型：野生型 突變型 屬于同一順反子判斷兩突變是否處于同一順反子的方法：圖 順反子是通過互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)而定義的，(上圖為突變發(fā)生在相同基因無互補(bǔ)，下圖為突變發(fā)生在不同基因)圖中藍(lán)條表示基因，紅點(diǎn)表示突變位點(diǎn)。圖 順反子是通過互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)而定義的，(上圖為突變發(fā)生在相A gene is a physical and functional unit of genetic information with the potential to be expressed,i.e.to be used as a template to generate o

7、ne or more gene products of RAN or protein.A cistron is a unit of genetic function defined by a complementation test. The bacterial gene is the same as a cistron-a unit of genetic function which corresponds to an open reading frame .A gene is a physical and funct染色體由一條完整的DNA雙鏈組成，包括很多基因。每個(gè)基因（或者順反子）轉(zhuǎn)錄

8、成RNA產(chǎn)物，若基因編碼蛋白質(zhì)，則翻譯成一條多肽鏈?；虻腞NA或蛋白質(zhì)產(chǎn)物是反式作用的?；蛟诨パa(bǔ)實(shí)驗(yàn)中定義為DNA鏈上的單位。DNA上能夠影響相鄰基因活性的位點(diǎn)稱為順式作用。孟德爾：gene單位因子，要素，alleles染色體由一條完整的DNA雙鏈組成，包括很多基因。順反子學(xué)說把基因具體化為DNA分子上特定的一段順序 順反子，其內(nèi)部又是可分的，包含多個(gè)突變子和重組子。近代基因的概念：基因是一段有功能的DNA序列，是一個(gè)遺傳功能單位，其內(nèi)部存在有許多的重組子和突變子。順反子學(xué)說把基因具體化為DNA分子上特定的一段順序 順反Morgan: 基因是一個(gè)化學(xué)實(shí)體，它既是遺傳的功能單位，又是交換的單

9、位及突變的單位?？梢詮?fù)制，由一代傳至另一代，在表型（phenotype）形成上有一特定功能；不能由交換再行區(qū)分；可突變成一改變的狀態(tài)Gilbert：1985年提出，基因是一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位?；蚺c酶的關(guān)系： 一個(gè)基因一個(gè)酶？ 一個(gè)基因一條肽鏈？Morgan: 基因是一個(gè)化學(xué)實(shí)體，它既是遺傳的功能單位基因的定義基因在染色體上線形排列，大多數(shù)基因包括合成一條多肽鏈的信息： （1）一個(gè)酶常常不止一條多肽鏈，而一個(gè) 基因僅包含合成一條多肽鏈的信息；（2）大多數(shù)基因包含合成多肽鏈的信息，但多肽不是酶；（3）一些基因的終產(chǎn)物不是多肽，卻是RNAs?；蚪M學(xué)時(shí)代：基因是一段制造功能產(chǎn)物的完整染色體片斷。基因的定義

10、基因：嚴(yán)格定義在DNA分子上， DNA分子或是在染色體上，或是線粒體中，或是在大腸桿菌的質(zhì)粒中?；蚴菙嗔训?、重疊的、跳躍的，既可刪除缺失，又可復(fù)制擴(kuò)增。一個(gè)基因含有很多能發(fā)生突變的不同位點(diǎn)，這些位點(diǎn)之間可以發(fā)生交換。基因的三個(gè)主要功能：信息貯存，復(fù)制，突變積累。基因：嚴(yán)格定義在DNA分子上， DNA分子或是在染色體上，或一個(gè)基因可能有多個(gè)等位基因。隱性等位基因由功能喪失引起；無義等位基因失去了所有的功能；顯性等位基因由獲得功能產(chǎn)生。一個(gè)基因可能有多個(gè)等位基因。二、基因與遺傳密碼DNA中核苷酸序列的重要性并不是因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)，而在于它編碼了組成相應(yīng)多肽的氨基酸序列。DNA序列與相應(yīng)蛋白質(zhì)序列的關(guān)

11、系被稱為遺傳密碼(Genetic code )。 遺傳密碼以3 個(gè)核苷酸為單位閱讀。每三個(gè)核苷酸序列成為一個(gè)密碼子(Codon)。即每個(gè)密碼子由代表一個(gè)氨基酸的3 個(gè)核苷酸組成。二、基因與遺傳密碼一段DNA 可能編碼蛋白質(zhì)。DNA 的編碼序列由一系列密碼子組成，從一個(gè)固定的起始點(diǎn)開始。一個(gè)基因包括一系列密碼子，從一端的起始密碼(Initiation codon )往另一端的終止密碼(Termination codon)閱讀。按照通常的5到3順序，編碼蛋白質(zhì)的DNA核苷酸序列與從N 端到C 端的氨基酸序列一致。一段DNA 可能編碼蛋白質(zhì)。DNA 的編碼序列由一系列密碼子DNA 中兩條鏈只有一條編

12、碼蛋白質(zhì)。因此遺傳密碼是一個(gè)堿基序列(而不是堿基對(duì))?；驍y帶了活性多肽鏈所需要的所有信息。因此，基因這種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)完全能夠表示數(shù)不清的多肽鏈。細(xì)胞內(nèi)多種蛋白質(zhì)產(chǎn)物一起行使催化和結(jié)構(gòu)活性，最終產(chǎn)生細(xì)胞表型。DNA 中兩條鏈只有一條編碼蛋白質(zhì)。因此遺傳密碼是一個(gè)堿基序三、基因與DNA（基因組為何如此之大?）基因組：一個(gè)物種單倍體的染色體數(shù)目，即該物種的基因組。 基因組中DNA 的總量是物種所特有的，稱為C 值(C-value)。 C值的范圍變化很大，從微生物中的1011。 課本p68圖2.13總結(jié)了進(jìn)化中不同門類生物的C值范圍。三、基因與DNA（基因組為何如此之大?）隨著復(fù)雜度增加，每組中最小基

13、因組大小也會(huì)隨著增加。但是隨著高等真核生物DNA 絕對(duì)的增加，有些門類基因組大小有很大的變化。支原體是最小的原核生物，其基因組只相當(dāng)于一個(gè)大噬菌體的3 倍(T4為1.7105bp)。細(xì)菌基因組從2106bp開始。單細(xì)胞真核生物(其生活方式類似原核)基因組也很小，但比細(xì)菌基因組大。隨著復(fù)雜度增加，每組中最小基因組大小也會(huì)隨著增加。但是隨著高但是，真核生物基因組大小并非線性增加，酵母基因組可能是1.3107bp，僅僅是最大的細(xì)菌基因組的兩倍。分子生物學(xué)課件基因組大小與遺傳復(fù)雜性并非線性相關(guān)，無法用功能來解釋基因組的DNA含量稱為C值矛盾(C-value Paradox)。它涉及到真核基因組絕對(duì)和相

14、對(duì)的DNA數(shù)量。與預(yù)期的編碼蛋白質(zhì)的基因的數(shù)量相比，基因組DNA的量過多。一些物種之間的復(fù)雜性變化范圍并不大，但C值卻有很大的變化范圍?；蚪M大小與遺傳復(fù)雜性并非線性相關(guān)，無法用功能來解釋基因組的C值矛盾描述了真核基因組中編碼潛力和DNA含量并非一致。在進(jìn)化中積累并保留愈來愈多的不能決定性狀，不含遺傳信息的垃圾DNA?非編碼序列或冗余DNA都是不含遺傳信息的DNA嗎？C值矛盾描述了真核基因組中編碼潛力和DNA含量并非一致。最簡(jiǎn)單、最明確的解釋：雖然生物的復(fù)雜性是與它所含的遺傳信息成正相關(guān)，但是DNA所含有的并不全是遺傳信息，全部的遺傳信息也不是都包含在DNA之中。因而，生物的復(fù)雜性并不與基因組

15、DNA含量成正相關(guān)。最簡(jiǎn)單、最明確的解釋：雖然生物的復(fù)雜性是與它所含的遺傳信息成N值佯謬：基因數(shù)目(N)與生物進(jìn)化程度或生物復(fù)雜性的不對(duì)應(yīng)性,稱之N值佯謬。支原體和細(xì)胞內(nèi)寄生蟲的基因總量小于1000 個(gè)，細(xì)菌20004000 個(gè)，酵母大于6000個(gè)，昆蟲大于12,000 個(gè)，哺乳動(dòng)物大于100,000 個(gè)基因。但人類基因組30,000多個(gè)基因，只比低等的線蟲(20,000)多1/3，只等于最低等的細(xì)菌如Pseudomonas aeruginosa 的基因的5倍。N值佯謬：基因數(shù)目(N)與生物進(jìn)化程度或生物復(fù)雜性的不對(duì)應(yīng)性C值佯謬與N值佯謬只能說明：決定生物進(jìn)化程度或復(fù)雜性的遺傳信息并不全部地包

16、含在DNA中。復(fù)雜性應(yīng)該直接地與基因的種類相關(guān)，而不能僅僅用基因所表達(dá)的性狀的數(shù)量(轉(zhuǎn)錄本群體的數(shù)量)來定義。生物體不是眾多基因轉(zhuǎn)錄本的任意組合的萬花筒。DNA的復(fù)雜性不能充分地反映生物整體的復(fù)雜性及進(jìn)化水平。C值佯謬與N值佯謬只能說明：決定生物進(jìn)化程度或復(fù)雜性的遺傳信 四、DNA復(fù)性與重復(fù)序列 Cot曲線與Cot Cot：即初始濃度和反應(yīng)時(shí)間乘積的函數(shù)。C為t 時(shí)間時(shí)單鏈DNA的濃度。單鏈DNA所占百分?jǐn)?shù)C/C0 是DNA濃度（C0 ）反應(yīng)時(shí)間乘積（t）的函數(shù)Cot曲線：以C/C0 對(duì)C0t作圖，得到如圖1所示的曲線，稱為C0t曲線。 四、DNA復(fù)性與重復(fù)序列Cot 1/2：當(dāng)復(fù)性進(jìn)行到一半

17、時(shí)， C/Co=1/2，這時(shí)的C0t定義為 C0t1/2。Cot 1/2 為起始濃度DNA在保溫t時(shí)間后有半數(shù)DNA完全復(fù)性的數(shù)值。DNA序列的復(fù)雜性(complexity)X與C0t1/2成正比。C0t1/2和基因組的大小成正比，因此通過C0t1/2可估計(jì)基因組的大小。Cot 1/2：當(dāng)復(fù)性進(jìn)行到一半時(shí)， C/Co=1/2，這時(shí)DNA復(fù)性通常符合Cot 曲線(Cot curve)，見課本: p87兩種不同復(fù)雜性的DNA序列，當(dāng)DNA的絕對(duì)含量（即總的核苷數(shù)）相同時(shí)，則復(fù)雜性小的DNA分子濃度高，復(fù)性就快，需要的時(shí)間t就短，因而Cot1/2值就??；而復(fù)雜性大的DNA復(fù)性慢， Cot1/2值就大

18、。DNA復(fù)性通常符合Cot 曲線(Cot curve)，見課本圖2.29(p87) 給出了幾個(gè)簡(jiǎn)單基因組的Cot 曲線。每一曲線的形狀都相同，跨度一般只有兩個(gè)數(shù)量級(jí)。但是每個(gè)曲線的Cot1/2值是不同的。表明各種原核生物的DNA都是單一序列，只是其序列復(fù)雜性不同。圖1 中的基因組代表了不同的DNA，其序列不同且越來越長(zhǎng)。Cot1/2值直接與基因組中DNA含量相關(guān)。這表明隨著基因組復(fù)雜性增加，在給定的DNA中一個(gè)特定序列的拷貝數(shù)減少。圖2.29(p87) 給出了幾個(gè)簡(jiǎn)單基因組的Cot 曲線。 圖1 不同種類原核生物Cot 曲線Cot （摩爾x秒/升） 圖1 不同種類原核生物Cot 曲線Cot （

19、摩爾x秒/分子生物學(xué)課件例如，如果DNA 的C0值為12pg，那么一個(gè)大小為0.004pg的細(xì)菌基因組中每個(gè)序列有3000 個(gè)拷貝，但是在3pg 的真核基因組中每個(gè)序列只有4 個(gè)拷貝。因此同樣以摩爾核苷酸每升表示的DNA 絕對(duì)濃度(即C0)表明每個(gè)真核序列比細(xì)菌序列少3000/4=750倍。 例如，如果DNA 的C0值為12pg，那么一個(gè)大小為0.00由于復(fù)性的速率依賴于互補(bǔ)鏈的濃度，假如真核序列和細(xì)菌序列有相同的濃度，那么真核序列應(yīng)多達(dá)750 倍的DNA(或者將同樣大的DNA 反應(yīng)750 倍長(zhǎng)的時(shí)間)。因此真核反應(yīng)的Cot1/2是細(xì)菌的750 倍。一個(gè)反應(yīng)的Cot1/2表明所包含不同序列的總

20、長(zhǎng)度，用復(fù)雜度(Complexity)表示，通常以堿基對(duì)為單位。由于復(fù)性的速率依賴于互補(bǔ)鏈的濃度，假如真核序列和細(xì)菌序列有相任何基因組(或者基因組的一部分)復(fù)性的Cot1/2 與其復(fù)雜度成正比。任何DNA的復(fù)雜度可以通過與復(fù)雜度已知的DNA Cot1/2比較得出。通常以大腸桿菌DNA作為標(biāo)準(zhǔn)。假設(shè)4.2106 bp 大腸桿菌基因組由不同序列組成： 基因組復(fù)雜度= Cot1/2(基因組DNA)4.2106 bp / Cot1/2(大腸桿菌DNA)任何基因組(或者基因組的一部分)復(fù)性的Cot1/2 與其復(fù)雜圖2 真核DNA復(fù)性動(dòng)力學(xué)常數(shù)表明三種組分。箭頭指明每一組分的Cot1/2。（參照課本圖2.

21、 30 ，P88）圖2 真核DNA復(fù)性動(dòng)力學(xué)常數(shù)表明三種組分。箭頭指明每一第一相：快復(fù)性組分第二相：中間復(fù)性組分第三相：慢復(fù)性組分序列種類高度重復(fù)中度重復(fù)單一序列占總DNA的百分比25%30%45%Cot范圍10-4210-20.21008010000Cot1/20.00131.9630復(fù)雜度340bp61053108重復(fù)頻率50000（105左右）350（102左右）1（10左右）第一相：快復(fù)性組分第二相：中間復(fù)性組分第三相：慢復(fù)性組分序列2重復(fù)(Repetitive)DNA 在每個(gè)基因組中不止一次出現(xiàn)的序列稱為重復(fù)(Repetitive)DNA，其在每個(gè)基因組中出現(xiàn)的拷貝數(shù)稱為重復(fù)頻率(R

22、epetition frequency, f )。 根據(jù)其重復(fù)頻率，重復(fù)DNA 通常分為兩大類型，與圖3所示中間成分和快成分相對(duì)應(yīng)。 中等重復(fù)(Moderately repetitive)DNA占據(jù)中間復(fù)性部分，Cot值通常在10-2和非重復(fù)序列之間。2重復(fù)(Repetitive)DNA高度重復(fù)(Highly repetitive)序列占據(jù)快復(fù)性部分，在Cot達(dá)到10-2前復(fù)性。重復(fù)DNA 成分的行為只可用來表示其序列的平均值，相近的參數(shù)并不代表任何特定序列的性質(zhì)。高度重復(fù)(Highly repetitive)序列占據(jù)快復(fù)性 真核生物染色體上DNA序列的類型根據(jù)DNA復(fù)性動(dòng)力學(xué)的研究，真核生物

23、染色體上的DNA序列可以分為四種類型： (1)單一序列（非重復(fù)序列） 在一個(gè)基因組中只有一個(gè)拷貝。 原核生物的基因大都是不重復(fù)序列，而真核生物的大多數(shù)的結(jié)構(gòu)基因在單倍體中都是單拷貝的。單拷貝基因通過基因擴(kuò)增等放大作用仍可以獲得大量的蛋白質(zhì)。 真核生物染色體上DNA序列的類型 （2）輕度重復(fù)序列在一個(gè)基因組內(nèi)有210個(gè)拷貝。在某些情況下，這些序列并非一點(diǎn)不差地重復(fù)，這些基因的產(chǎn)物在氨基酸組成上略有差異。例如胚胎、胎兒和成人的血紅蛋白鏈的一系列基因就是如此。 （2）輕度重復(fù)序列 （3）中度重復(fù)序列在基因組中一般有10幾百個(gè)拷貝。中度重復(fù)序列一般是不編碼的序列。一般認(rèn)為在基因的調(diào)控中起重要的作用，包

24、括開啟或關(guān)閉基因的活性，DNA復(fù)制的起始、促進(jìn)或終止轉(zhuǎn)錄以及轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的處理等。最典型的例子就是Alu序列家族。Alu家族序列成員眾多，約有300,000個(gè)，廣泛散布于非重復(fù)序列之間。 （3）中度重復(fù)序列（4）高度重復(fù)序列（衛(wèi)星DNA序列）這類DNA序列只在真核生物中發(fā)現(xiàn)，占基因組的1060。由6100個(gè)堿基組成，在DNA鏈上串聯(lián)重復(fù)幾百萬次。衛(wèi)星DNA大多位于染色體的著絲粒部分，是異染色質(zhì)的組成部分。衛(wèi)星DNA是不轉(zhuǎn)錄的，可能與染色體的穩(wěn)定性有關(guān)。（4）高度重復(fù)序列（衛(wèi)星DNA序列）小 結(jié)組成真核基因組的序列可分為三類：非重復(fù)序列是獨(dú)特的，中度重復(fù)序列是分散但并非已知的拷貝，高重復(fù)序列是短的前

25、后串聯(lián)重復(fù)序列。每個(gè)基因組中各成分所占比率不同，但較大的基因組非重復(fù)序列部分較少。復(fù)雜度描述了其中獨(dú)特序列的長(zhǎng)度，重復(fù)頻率描述了每個(gè)序列重復(fù)的次數(shù)。小 結(jié)大多數(shù)結(jié)構(gòu)基因位于非重復(fù)DNA內(nèi)。非重復(fù)DNA的復(fù)雜度比總基因組能更好地反映生物的復(fù)雜程度，非重復(fù)DNA 最大復(fù)雜度達(dá)2109 bp。分子生物學(xué)課件五、真核生物的基因與基因組 1. 割裂基因 2. 外顯子序列保守，內(nèi)含子序列多變 3. 割裂基因的進(jìn)化模型 4. 外顯子捕獲 5. 細(xì)胞器基因與基因組五、真核生物的基因與基因組1. 割裂基因(斷裂基因或不連續(xù)基因) （interrupted/discontinuous genes）1977年，Br

26、oker和Sharp等人發(fā)現(xiàn)了斷裂基因?，F(xiàn)在已經(jīng)知道絕大多數(shù)真核生物的基因都是斷裂基因。斷裂基因是通過mRNA與DNA雜交試驗(yàn)而發(fā)現(xiàn)的。認(rèn)為原核基因包括一段與蛋白質(zhì)線性關(guān)聯(lián)的 DNA。但是真核基因DNA 結(jié)構(gòu)與相應(yīng)mRNA 比較表明，基因卻包含位于編碼區(qū)的額外序列，將代表蛋白質(zhì)的序列割裂。 1. 割裂基因(斷裂基因或不連續(xù)基因) Kaine（1983）和Chu（1984）相繼在原核生物中發(fā)現(xiàn)了內(nèi)含子，特別是Chu對(duì)于大腸桿菌噬菌體T4胸腺嘧啶核苷酸合成酶基因中核苷酸內(nèi)含子的研究，顛覆了內(nèi)含子是真核生物“真質(zhì)標(biāo)記”之說。斷裂基因廣泛存在于各種不同的生物中。 Kaine（1983）和Chu（198

27、4）相繼在原核生物中大多數(shù)真核生物的基因?yàn)椴贿B續(xù)基因，又稱割裂基因。所謂不連續(xù)基因就是基因的編碼順序在DNA分子上是不連續(xù)的，被非編碼順序所隔開。割裂基因DNA 序列可分為兩大類，編碼的序列稱為外顯子（exon），是在成熟RNA 中出現(xiàn)的序列，是一個(gè)基因編碼多肽鏈的部分 。根據(jù)定義，一個(gè)基因以外顯子起始和結(jié)束。大多數(shù)真核生物的基因?yàn)椴贿B續(xù)基因，又稱割裂基因。所謂不連續(xù)基非編碼的序列稱為內(nèi)含子（intron），內(nèi)含子(intron) 是插入的序列。內(nèi)含子可以被轉(zhuǎn)錄，然后在初始轉(zhuǎn)錄本（前體mRNA）加工時(shí)被剪切掉，從而產(chǎn)生成熟mRNA 。割裂基因的表達(dá)需要一些在非割裂基因中不存在的額外步驟。非編碼

28、的序列稱為內(nèi)含子（intron），內(nèi)含子(intron分子生物學(xué)課件含有內(nèi)含子的基因首先轉(zhuǎn)錄成原初轉(zhuǎn)錄物（primary transcript），正好代表基因組序列。這樣的前體mRNA不能翻譯蛋白質(zhì)，前體rRNA或tRNA也不能執(zhí)行其功能。將原初轉(zhuǎn)錄物中相應(yīng)于DNA內(nèi)含子的介入序列去除以后，將外顯子序列連接起來，才能產(chǎn)生有功能的mRNA、rRNA、tRNA，這個(gè)過程稱為RNA的剪接（RNA splicing）。剪接涉及內(nèi)含子從原始轉(zhuǎn)錄本(Transcript)中的精確刪除，外顯子兩端連接形成一個(gè)共價(jià)分子。含有內(nèi)含子的基因首先轉(zhuǎn)錄成原初轉(zhuǎn)錄物（primary tra分子生物學(xué)課件分子生物學(xué)課件內(nèi)

29、含子剪切后，外顯子以其在基因上的順序連接起來，因此基因和蛋白質(zhì)的線性關(guān)聯(lián)在獨(dú)立的外顯子和蛋白質(zhì)的相應(yīng)的部分仍然保留，基因中的突變順序與蛋白質(zhì)中氨基酸替換保持一致。但是基因間的距離和蛋白質(zhì)內(nèi)的距離不再一致，基因的長(zhǎng)度用前體RNA 的長(zhǎng)度衡量，而不是用mRNA 的長(zhǎng)度定義。內(nèi)含子剪切后，外顯子以其在基因上的順序連接起來，因此基因和蛋如果一個(gè)基因有幾個(gè)內(nèi)含子，一般總是把基因的外顯子分割成n+1部分。內(nèi)含子的長(zhǎng)度可比外顯子長(zhǎng)許多倍。真核生物中有些基因也是沒有內(nèi)含子的。如組蛋白的基因、干擾素的基因等。它們大多以基因簇的形式出現(xiàn)。大多數(shù)編碼酵母蛋白質(zhì)的基因也沒有內(nèi)含子。真細(xì)菌的基因組內(nèi)不存在內(nèi)含子。如果一

30、個(gè)基因有幾個(gè)內(nèi)含子，一般總是把基因的外顯子分割成n+1所有外顯子都出現(xiàn)在一個(gè)RNA 分子上，并且剪接只是作為分子間的反應(yīng)發(fā)生。通常沒有來自不同RNA 分子上的外顯子發(fā)生剪接。由于內(nèi)含子不是信使RNA 的一部分，其突變不直接影響蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。但內(nèi)含子通過阻止外顯子的剪接，能夠阻止信使RNA 的產(chǎn)生。所有外顯子都出現(xiàn)在一個(gè)RNA 分子上，并且剪接只是作為分子間mRNA初級(jí)轉(zhuǎn)錄本的剪輯真核細(xì)胞mRNA的5及3剪輯位點(diǎn)的保守序列 mRNA前體的可變剪輯與蛋白質(zhì)異形體的形成mRNA初級(jí)轉(zhuǎn)錄本的剪輯真核細(xì)胞mRNA的5及3剪輯位點(diǎn)結(jié)構(gòu)基因(Structural gene)是指基因組中與成熟mRNA 5和3

31、端之間相對(duì)應(yīng)的區(qū)域。轉(zhuǎn)錄從mRNA的5端起始延伸到3端，經(jīng)RNA剪接產(chǎn)生?；虻姆秶梢詳U(kuò)大到包括基因兩端激活或終止基因表達(dá)的調(diào)節(jié)區(qū)域。結(jié)構(gòu)基因(Structural gene)是指基因組中與成熟真核基因并不一定都是割裂的，有些用原核基因中同樣的方式與蛋白質(zhì)產(chǎn)物直接對(duì)應(yīng)。在酵母中，大多數(shù)基因是連續(xù)基因。高等真核基因大多是割裂基因，并且內(nèi)含子比外顯子長(zhǎng)，使基因比其編碼區(qū)域長(zhǎng)得多。大多數(shù)高等原核基因是割裂的，但是內(nèi)含子在數(shù)量和大小上變化非常大。核基因的內(nèi)含子一般在讀碼框上有終止密碼子，因而無編碼功能。 真核基因并不一定都是割裂的，有些用原核基因中同樣的方式與蛋白所有類型的基因都可能是割裂基因，包括

32、編碼蛋白質(zhì)的核基因，編碼rRNA的核基因，以及編碼tRNA的基因。在低等真核生物中，線粒體也存在割裂基因。割裂基因在細(xì)菌和細(xì)菌噬菌體中也已發(fā)現(xiàn)，盡管在原核基因組中是很少見。有些割裂基因只有一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)內(nèi)含子。珠蛋白基因便是很好的例子。所有類型的基因都可能是割裂基因，包括編碼蛋白質(zhì)的核基因，編碼2. 外顯子序列保守，內(nèi)含子序列多變一般而言，當(dāng)兩個(gè)基因是相關(guān)的，它們外顯子的關(guān)系比內(nèi)含子的關(guān)系更緊密。在特殊情況下，兩個(gè)基因的外顯子可能編碼同一個(gè)蛋白質(zhì)，但其內(nèi)含子可能不同。說明這兩個(gè)基因可能起源于一個(gè)共同的祖先基因，拷貝間內(nèi)含子差異積累，但因編碼蛋白質(zhì)功能的需要，其外顯子區(qū)域是保守。 2. 外顯子序

33、列保守，內(nèi)含子序列多變外顯子可能是基因進(jìn)化的基石，它們可以通過不同的方式進(jìn)行組合。一個(gè)基因可能含有幾個(gè)與其他基因相關(guān)的外顯子，但也存在一些并不相關(guān)的外顯子。一般而言，此時(shí)其內(nèi)含子也不相關(guān)。這些基因可能是由同一些外顯子經(jīng)復(fù)制和轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的。外顯子可能是基因進(jìn)化的基石，它們可以通過不同的方式進(jìn)行組合。 割裂基因的進(jìn)化模型 割裂基因是如何進(jìn)化而來的? 現(xiàn)在割裂基因的原始形式是怎樣的呢? 目前有兩種模型。 “內(nèi)含子占先(Introns early)” 模型支持內(nèi)含子總是基因的整體部分。認(rèn)為基因起始于割裂的結(jié)構(gòu)，沒有內(nèi)含子的基因是在進(jìn)化過程中丟失的。 “內(nèi)含子滯后(Introns late)”模型認(rèn)為原始

34、蛋白質(zhì)編碼單位由非割裂的DNA 序列組成，內(nèi)含子是隨后插入進(jìn)去的。 割裂基因的進(jìn)化模型檢驗(yàn)這些模型的方法是明確真核和原核基因的區(qū)別，是否等同于真核基因中內(nèi)含子的獲得或者原核基因中內(nèi)含子的丟失。內(nèi)含子占先模型表明，基因的鑲嵌結(jié)構(gòu)是基因重組從而產(chǎn)生新蛋白質(zhì)的一種原始方法。試想，早期細(xì)胞有許多不同的蛋白質(zhì)編碼區(qū)域，其進(jìn)化的一個(gè)方面很可能是不同多肽鏈單位重新組合和并列，從而產(chǎn)生新的蛋白質(zhì)。檢驗(yàn)這些模型的方法是明確真核和原核基因的區(qū)別，是否等同于真核4. 外顯子捕獲 外顯子捕獲(Exon trapping)技術(shù)：一種在遺傳片段上迅速找到外顯子的方法。該技術(shù)從一個(gè)攜帶強(qiáng)啟動(dòng)子，在兩個(gè)外顯子間僅有一個(gè)內(nèi)含子

35、的載體開始。用這種載體轉(zhuǎn)染細(xì)胞時(shí)，其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生大量含有兩個(gè)外顯子序列的RNA。內(nèi)含子上有一個(gè)限制性克隆位點(diǎn)，用來插入一段感興趣區(qū)域的片段。如果這個(gè)片段不包括外顯子，那么剪接模式不會(huì)改變，并且RNA 僅包含親本載體一樣的序列。4. 外顯子捕獲當(dāng)插入片段具有由兩部分內(nèi)含子包圍的外顯子時(shí)，其兩端的剪接點(diǎn)就會(huì)被識(shí)別，將外顯子序列插入到載體外顯子之間的RNA中。所獲得的RNA可通過逆轉(zhuǎn)錄成cDNA，使用PCR擴(kuò)增載體兩個(gè)外顯子之間的序列進(jìn)行檢測(cè)。因此若能擴(kuò)增出來自目標(biāo)片段的序列，則表明外顯子被捕獲。由于動(dòng)物細(xì)胞中內(nèi)含子通常很大而外顯子很小，基因組DNA 可能含有這種所需要的結(jié)構(gòu)，即一個(gè)外顯子兩端被部分內(nèi)含

36、子包圍是有可能的。當(dāng)插入片段具有由兩部分內(nèi)含子包圍的外顯子時(shí)，其兩端的剪接點(diǎn)就小 結(jié)所有類型的真核基因包括割裂基因。在酵母和低等真核生物中割裂基因的比率很低，在高等真核生物中很少有非割裂基因。在所有類型的真核基因都含有內(nèi)含子。割裂基因的結(jié)構(gòu)在所有器官中都是一樣的，外顯子以DNA中同樣的組織形式在RNA中連接起來，并且內(nèi)含子通常沒有編碼功能。內(nèi)含子從RNA 中剪切掉。小 結(jié)一些基因以選擇性剪接方式表達(dá)，有些情況下一段序列被視為內(nèi)含子被移走，而在另一些情況下作為外顯子保留下來。種屬間同源基因的組織比較時(shí)，內(nèi)含子的位置是保守的。內(nèi)含子序列富于變化，并可能不相關(guān)，盡管外顯子序列總是相關(guān)的。外顯子的保守

37、性質(zhì)可以用來分離不同種屬中相關(guān)基因。一些基因以選擇性剪接方式表達(dá)，有些情況下一段序列被視為內(nèi)含子5. 細(xì)胞器基因與基因組真核生物細(xì)胞器中有兩類細(xì)胞器能攜帶遺傳物質(zhì)，即線粒體和葉綠體。 線粒體和葉綠體DNA可編碼自身所需的部分蛋白質(zhì)及tRNA和rRNA。細(xì)胞器基因組只編碼其中的一部分蛋白質(zhì)，其余所需的蛋白質(zhì)和酶均由核基因編碼。但線粒體和葉綠體基因表達(dá)所需要的RNA均由自身提供。5. 細(xì)胞器基因與基因組大多數(shù)細(xì)胞器基因組是具有不同序列的環(huán)狀單鏈DNA分子(在線粒體中被稱為mtDNA，葉綠體中ctDNA)。也有一些罕見的例外，通常在低等真核生物中，線粒體DNA是線狀的。通常在一個(gè)細(xì)胞器中有幾個(gè)拷貝的基因組。細(xì)胞中有多個(gè)細(xì)胞器，因此每個(gè)細(xì)胞中有很多細(xì)胞器基因組。大多數(shù)細(xì)胞器DNA是閉合環(huán)狀的。大多數(shù)細(xì)胞器基因組是具有不同序列的環(huán)狀單鏈DNA分子(在線粒線粒體有自己的蛋白質(zhì)合成體系，其中rRNA和tRNA均由線粒體自身編碼合成。但其RNA聚合酶、氨酰tRNA合成酶和核糖體蛋白均由核基因編碼。線粒體其他蛋白質(zhì)的合成也常常由核基因組和線粒體基因組共同參與。每個(gè)細(xì)胞中有幾百個(gè)線粒體。每個(gè)線粒體有多個(gè)DNA 拷貝。線粒體有自己的蛋白質(zhì)合成體系，其中rRNA和tR