基因概念和結(jié)構(gòu)斷裂基因

1、關(guān)于基因的概念與結(jié)構(gòu)斷裂基因第1頁，共36頁，2022年，5月20日，8點17分，星期四在真核生物基因的分子圖譜完成之前，我們一直設(shè)想真核生物基因與原核生物基因有著相同的組織結(jié)構(gòu)，我們認(rèn)為構(gòu)成基因一定長度的DNA和蛋白質(zhì)之間呈線性關(guān)系，但是比較了DNA結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的mRNA之后，我們發(fā)現(xiàn)在很多情況下兩者之間存在差異， mRNA總是包含著這樣一段核苷酸序列，這段序列按照遺傳密碼原則編碼相應(yīng)的蛋白質(zhì)產(chǎn)物，而基因中則含有額外序列，它位于編碼區(qū)域內(nèi)，并且打斷了最終翻譯成蛋白質(zhì)的序列。第2頁，共36頁，2022年，5月20日，8點17分，星期四目前我們認(rèn)為，基因包括基因兩側(cè)的調(diào)控區(qū)域，這個調(diào)控區(qū)域為起始和

2、終止（某些情況下）基因的表達(dá)需要。第3頁，共36頁，2022年，5月20日，8點17分，星期四由斷裂基因組成的DNA序列被分成兩個部分： 外顯子的序列包含在成熟RNA中，精確地說，基因起始于一個外顯子的5端，終止于另一個外顯子的3端。 內(nèi)含子是插入序列，在初始轉(zhuǎn)錄物加工成成熟RNA時被除去。 斷裂基因與非斷裂基因相比，其表達(dá)需要一個額外的步驟。DNA轉(zhuǎn)錄成的RNA代表基因組序列。但這個RNA只是一個前體分子，它不能翻譯成蛋白質(zhì)。它首先要去除內(nèi)含子，形成只含外顯子的信使RNA，這個過程稱為RNA剪接（RNA splicing）。剪接過程包括內(nèi)含子從初始轉(zhuǎn)錄物中精確去除，內(nèi)含子去除后形成的RNA的

3、兩個末端連接在一起形成一個完整的共價分子。第4頁，共36頁，2022年，5月20日，8點17分，星期四第5頁，共36頁，2022年，5月20日，8點17分，星期四基因的長度由初始RNA前體的長度決定，而不是由信使RNA決定。外顯子（exon）通常按照DNA中的相同排列順序連接在一起。所有的外顯子都來源于相同的RNA分子，它們的剪接只是一種分子內(nèi)反應(yīng)。通常不存在不同RNA分子之間的外顯子的連接，因此從剪接機制上排除了任何不同等位基因序列之間的剪接。若基因中位于不同外顯子的突變不能由另一個突變互補，則把它們視為相同互補組中的成員。第6頁，共36頁，2022年，5月20日，8點17分，星期四直接影響

4、蛋白質(zhì)序列的突變位于外顯子中，那么內(nèi)含子中的突變有什么作用呢？內(nèi)含子的突變會不會影響蛋白質(zhì)序列？ 既然內(nèi)含子不包含在信使RNA中，那么它們發(fā)生突變就不會直接影響蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。但是內(nèi)含子的突變卻可以抑制信使RNA產(chǎn)物的生成，比如抑制外顯子的剪接。這種類型的突變只作用于攜帶該基因的等位基因，因此，它們不能被等位基因中的其他突變所互補并且像外顯子一樣是同一互補組的組成成分。 影響剪接的突變通常是有害的。這種突變大部分是在外顯子和內(nèi)含子的連接處發(fā)生單個堿基的置換，這樣就導(dǎo)致產(chǎn)物中外顯子的丟失和內(nèi)含子的不切除，或使在異常位點發(fā)生剪接。最通常的結(jié)果是產(chǎn)生一個終止密碼子，從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)序列的截短。引起人類疾

5、病的約15%的點突變是由剪接的破壞而引起的。第7頁，共36頁，2022年，5月20日，8點17分，星期四只有在已知DNA功能或已經(jīng)鑒定出突變的情況下才能得到該DNA的限制性酶切圖譜？第8頁，共36頁，2022年，5月20日，8點17分，星期四第9頁，共36頁，2022年，5月20日，8點17分，星期四第10頁，共36頁，2022年，5月20日，8點17分，星期四斷裂基因僅存在于真核生物中嗎？內(nèi)含子通常不具備可讀框，去除內(nèi)含子后mRNA序列才會產(chǎn)生一個完整的讀框。所有種類的基因都有可能被打斷，如編碼蛋白質(zhì)的核基因、編碼rRNA的核仁基因和編碼tRNA的基因。在低等真核生物的線粒體和葉綠體基因中，

6、我們也發(fā)現(xiàn)了斷裂基因。斷裂基因并非只存在于真核生物中，也存在于細(xì)菌和噬菌體中，盡管在原核生物基因組中發(fā)現(xiàn)斷裂基因的概率非常低。第11頁，共36頁，2022年，5月20日，8點17分，星期四第12頁，共36頁，2022年，5月20日，8點17分，星期四外顯子序列保守而內(nèi)含子序列變化多端是由于外顯子和內(nèi)含子中發(fā)生突變的概率不同的結(jié)果？第13頁，共36頁，2022年，5月20日，8點17分，星期四第14頁，共36頁，2022年，5月20日，8點17分，星期四第15頁，共36頁，2022年，5月20日，8點17分，星期四外顯子捕捉技術(shù)分離基因外顯子捕獲(exon trapping) 是構(gòu)建一種載體，從

7、其插入片段中識別和回收外顯子序列，從而克隆目的基因。凡是有內(nèi)含子和外顯子的基因在轉(zhuǎn)錄后都要經(jīng)過RNA剪接，這就需要有剪接供體(splicing donor，SD)位點和剪接受體(splicing acceptor，SA)位點。因此，SA位點可作為基因的標(biāo)志。pETV咀載體的克隆位點上游有一個“外顯子捕獲序列”(exon trap cassette)，可用來識別載體的插入片段中有無SA位點。第16頁，共36頁，2022年，5月20日，8點17分，星期四第17頁，共36頁，2022年，5月20日，8點17分，星期四第18頁，共36頁，2022年，5月20日，8點17分，星期四大多數(shù)基因由一條DNA

8、序列組成，這個DNA序列只編碼一種蛋白質(zhì)（盡管基因兩端可能包含非編碼區(qū)域或編碼區(qū)內(nèi)含有內(nèi)含子），但是，也存在DNA單條序列編碼一種以上蛋白質(zhì)的情況。 重疊基因（overlapping gene）發(fā)生在相對簡單的情況下，其中一條基因是另一條基因的一部分，基因的第二部分（或第一部分）獨立地用來翻譯一種蛋白質(zhì)，這種蛋白質(zhì)代表整條基因翻譯出的蛋白質(zhì)的第一（或第二）部分。第19頁，共36頁，2022年，5月20日，8點17分，星期四重疊基因第20頁，共36頁，2022年，5月20日，8點17分，星期四可變剪接第21頁，共36頁，2022年，5月20日，8點17分，星期四第22頁，共36頁，2022年，5

9、月20日，8點17分，星期四早期內(nèi)含子模型：編碼的序列需要精密重組，重組失敗，則細(xì)胞損傷。RNA的剪接為了利用轉(zhuǎn)錄出的新鏈的嘗試，如果不成功還可利用原來的鏈。則RNA缺失時不產(chǎn)生損害性后果，但若DNA缺失，則會產(chǎn)生損害性的不穩(wěn)定性。第23頁，共36頁，2022年，5月20日，8點17分，星期四與之相反的例子。無論內(nèi)含子存在與否，我們?nèi)阅馨l(fā)現(xiàn)一些rRNA 和tRNA基因的可變剪接。似乎進(jìn)化不能將基本基因連接在一起，最大可能就是連續(xù)的基因中插入內(nèi)含子。第24頁，共36頁，2022年，5月20日，8點17分，星期四 如果目前的蛋白質(zhì)是由最初分開但后來組合在一起的祖先蛋白質(zhì)進(jìn)化而來，那么基因單位的增長

10、可能經(jīng)過幾個連續(xù)的時期，一次增加一個外顯子。在現(xiàn)在的基因結(jié)構(gòu)中能觀察到基因的不同功能被拼湊在一起的現(xiàn)象嗎？即，我們能將目前蛋白質(zhì)的特殊功能等同于單一外顯子嗎？ 這種觀念解釋了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的另一種特征：在外顯子、內(nèi)含子邊界的位點所編碼的氨基酸似乎通常位于蛋白質(zhì)的表面。當(dāng)一個模塊添加到蛋白質(zhì)中，至少大部分新近添加的模塊的連接都是趨向位于蛋白質(zhì)的表面。第25頁，共36頁，2022年，5月20日，8點17分，星期四一些例子證明在基因結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)之間有著清楚的關(guān)系。免疫球蛋白就是其中一個最典型的一例，編碼此基因的每個外顯子與蛋白質(zhì)的一個已知功能的結(jié)構(gòu)域完全一致。第26頁，共36頁，2022年，5月20

11、日，8點17分，星期四很多例子表明基因的某些外顯子可以通過特殊的功能而被鑒定出來，如在分泌蛋白質(zhì)中，它的第一個外顯子編碼多肽的N端區(qū)域，通常是參與膜分泌的信號序列，胰島素就是其中一例。第27頁，共36頁，2022年，5月20日，8點17分，星期四第28頁，共36頁，2022年，5月20日，8點17分，星期四 這種觀念解釋了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的另一種特征：在外顯子、內(nèi)含子邊界的位點所編碼的氨基酸似乎通常位于蛋白質(zhì)的表面。當(dāng)一個模塊添加到蛋白質(zhì)中，至少大部分新近添加的模塊的連接都是趨向位于蛋白質(zhì)的表面。第29頁，共36頁，2022年，5月20日，8點17分，星期四第30頁，共36頁，2022年，5月20日，8點17分，星期四第31頁，共36頁，2022年，5月20日，8點17分，星期四第32頁，共36頁，2022年，5月20日，8點17分，星期四第33頁，共36頁，2022年，5月20日，8點17分，星期四思考1、 Interrupted gene2、 Overlapping gene3、 Alternative splicing4、 Intron5、 Exon6、 Southern blotting第34頁，共36頁，2022年，5月20日，8點17分，星期四1、斷裂基因僅存在于真核生物