真核基因與基因組課件

第三篇

基因信息的傳遞

FLOWOFGENETICINFORMATION第三篇真核基因與基因組DNA的生物合成DNA的損傷和修復(fù)RNA的生物合成蛋白質(zhì)的生物合成基因表達調(diào)控細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)本篇重點學(xué)習(xí)內(nèi)容真核基因與基因組本篇重點學(xué)習(xí)內(nèi)容1.本部分主要討論生物遺傳信息傳遞的具體機制及特征。通過學(xué)習(xí)和討論，掌握遺傳信息的穩(wěn)定性與不穩(wěn)定性(產(chǎn)生變異與進化)的矛盾統(tǒng)一。2.遺傳信息的基本單位是基因(gene)。所謂基因，是指DNA(在極少的情況下，如某些病毒是RNA)上為生物活性產(chǎn)物編碼的功能片斷，它們編碼的信息用于產(chǎn)生特定的功能產(chǎn)物(蛋白質(zhì)或RNA)。1.本部分主要討論生物遺傳信息傳遞的具體機制及特征。通過學(xué)Thecentraldogmaofmolecularbiology.Itshowsthegeneralpathwaysofinformationflowviareplication,transcription,andtranslation.Theterm“dogma”isamisnomer.IntroducedbyFrancisCrickatatimewhenlittleevidencesupportedtheseideas,thedogmahasbecomeawell-establishedprinciple.Thecentraldogmaofmolecular3.中心法則(Thecentraldogma)明確了遺傳信息傳遞的基本規(guī)律，即DNARNA蛋白質(zhì)。中心法則的三個基本過程為：復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯。

復(fù)制(replication)：從母代DNA拷貝產(chǎn)生序列相同的子代DNA。(dsDNAdsDNA)轉(zhuǎn)錄(transcription)：DNA的編碼信息抄錄至RNA分子上的過程。(dsDNAssRNA)翻譯(translation)：在核糖體上，以mRNA上的編碼信息為指導(dǎo)合成特定序列的多肽鏈(蛋白質(zhì))。(mRNApolypeptide)3.中心法則(Thecentraldogma)明確了遺生物體內(nèi)的遺傳信息傳遞遵循中心法則DNA以半保留復(fù)制的方式將親代細胞的遺傳物質(zhì)高度忠實地傳遞給子代。以DNA為模板轉(zhuǎn)錄生成的mRNA作為信使，其核苷酸序列構(gòu)成的密碼子在合成蛋白質(zhì)時被翻譯為肽鏈中氨基酸的排列順序。細胞內(nèi)所有蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的信息全部來源于DNA序列。生物體內(nèi)的遺傳信息傳遞遵循中心法則DNA以半保留復(fù)制的方式將NOTE:Thecentraldogmaisbroadlycorrect,althoughanumberofexamplesareknownwhichcontradictpartsofit.Retrovirusesreversetranscribe(逆轉(zhuǎn)錄)RNAintoDNA,anumberofvirusesareabletoreplicateRNAdirectlyintoanRNAcopy,andanumberoforganismscaneditamessengerRNA

(mRNA的編輯)sequencesothattheproteincodingsequenceisnotdirectlyspecifiedbyDNAsequence.NOTE:逆轉(zhuǎn)錄病毒以及逆轉(zhuǎn)錄酶的發(fā)現(xiàn)，補充完善了中心法則。HowardTemin在1962年最早推斷在逆轉(zhuǎn)錄病毒中必然存在一種逆催化逆轉(zhuǎn)錄的酶。Temin

和DavidBaltimore于1970年分別在各自的實驗室內(nèi)分離得到逆轉(zhuǎn)錄酶。逆轉(zhuǎn)錄病毒以及逆轉(zhuǎn)錄酶的發(fā)現(xiàn)，補充完善了中心法則。真核基因與基因組課件ContributionsofDavidBaltimore1982：ThefoundingdirectorofMIT'sWhiteheadInstitute1986：ThediscoveryofthekeytranscriptionfactorNF-κB1987：Thecreationoftransgenicmiceasamodelforthestudyofdisease.1989：TherecombinationactivatinggenesRAG-1andRAG-2a1990:Bcr-ablissufficienttostimulatecellgrowthandcausechronicmyelogenousleukemia(CML).——anti-cancerdrugImatinib(Gleevec)ContributionsofDavidBaltimo中心法則(TheCentralDogma)轉(zhuǎn)錄翻譯逆轉(zhuǎn)錄復(fù)制DNARNA蛋白質(zhì)中心法則(TheCentralDogma)轉(zhuǎn)錄真核基因與基因組

第十三章EukaryoteGeneandGenome真核基因與基因組第十三章EukaryoteGenean除了某些以RNA為基因組的RNA病毒外，基因通常是指染色體或基因組的一段DNA序列?；虬ň幋a序列（外顯子）、調(diào)控序列和間隔序列（內(nèi)含子）?；颍╣ene）：編碼蛋白質(zhì)或RNA等具有特定功能產(chǎn)物的、負載遺傳信息的基本單位。Thefundamentalunitofinformationinlivingsystemsisthegene除了某些以RNA為基因組的RNA病毒外，基因通常是指染色體或基因組（genome）：一個生物體內(nèi)所有遺傳信息的總和。(1920年，H.Winkles提出）人類基因組包含了細胞核染色體DNA（常染色體和性染色體）及線粒體DNA所攜帶的所有遺傳物質(zhì)。基因組（genome）：一個生物體內(nèi)所有遺傳信息的總和。(1真核基因的結(jié)構(gòu)與功能

第一節(jié)TheStructureandFunctionofEukaryoteGene真核基因的結(jié)構(gòu)與功能第一節(jié)TheStructurean利用堿基的不同排列荷載遺傳信息。通過復(fù)制將遺傳信息穩(wěn)定、忠實地遺傳給子代細胞，在這一過程中為適應(yīng)環(huán)境變化，可能會發(fā)生基因突變。作為基因表達（geneexpression）的模板，使其所攜帶的遺傳信息通過各種RNA和蛋白質(zhì)在細胞內(nèi)有序合成而表現(xiàn)出來。

基因的功能利用堿基的不同排列荷載遺傳信息?；虻墓δ軉蝹€基因的組成結(jié)構(gòu)及一個完整的生物體內(nèi)基因的組織排列方式統(tǒng)稱為基因組構(gòu)（geneorganization）。

與基因功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)編碼區(qū)序列（codingregionsequence

）非編碼序列（non-codingsequence）基因表達需要的調(diào)控區(qū)（regulatoryregion）序列，包括啟動子（promoter）、增強子（enhancer）等。在細胞內(nèi)表達為蛋白質(zhì)或功能RNA的DNA序列單個基因的組成結(jié)構(gòu)及一個完整的生物體內(nèi)基因的組織排列方式統(tǒng)稱一、真核基因的基本結(jié)構(gòu)編碼蛋白質(zhì)或RNA的編碼序列。非編碼序列，包括編碼區(qū)兩側(cè)的調(diào)控序列和編碼序列間的間隔序列。一、真核基因的基本結(jié)構(gòu)編碼蛋白質(zhì)或RNA的編碼序列。非編碼序真核基因結(jié)構(gòu)不連續(xù)，為斷裂基因（splitgene）。真核基因結(jié)構(gòu)外顯子（exon）；在基因序列中，出現(xiàn)在成熟mRNA分子上的序列。內(nèi)含子（intron）：外顯子之間、與mRNA剪接過程中被刪除部分相對應(yīng)的間隔序列。真核基因結(jié)構(gòu)不連續(xù)，為斷裂基因（splitgene）。真核真核生物結(jié)構(gòu)基因，由若干個編碼區(qū)和非編碼區(qū)互相間隔開但又連續(xù)鑲嵌而成，去除非編碼區(qū)再連接后，可翻譯出由連續(xù)氨基酸組成的完整蛋白質(zhì)，這些基因稱為斷裂基因。斷裂基因(splitgene)CABD編碼區(qū)A、B、C、D非編碼區(qū)真核生物結(jié)構(gòu)基因，由若干個編碼區(qū)和非編碼區(qū)互相間隔開但又連續(xù)周芷（LouiseT.Chow）1977年《細胞》雜志第11卷第4期周芷（LouiseT.Chow）真核生物絕大部分編碼蛋白質(zhì)的基因都有內(nèi)含子。編碼rRNA和一些tRNA的基因也都有內(nèi)含子。內(nèi)含子的數(shù)量和大小決定了真核基因的大小。不同種屬中，外顯子序列通常比較保守，而內(nèi)含子序列則變異較大。外顯子與內(nèi)含子接頭處有一段高度保守的序列（大多數(shù)內(nèi)含子以GT為5’端開始，末端為AG-OH-3’），這一共有序列是真核基因中RNA剪接的識別信號。真核生物絕大部分編碼蛋白質(zhì)的基因都有內(nèi)含子。編碼rRNA和一基因的5端稱之為上游，3端稱為下游基因序列中開始RNA鏈合成的第一個核苷酸所對應(yīng)的堿基記為+1，此堿基上游的序列記為負數(shù)，下游的序列記為正數(shù)?；虻?端稱之為上游，3端稱為下游二、基因編碼區(qū)編碼多肽鏈和特定的RNA分子基因的編碼序列決定其編碼產(chǎn)物的序列和功能。編碼序列中一個堿基的改變或突變，可能使基因功能發(fā)生重要的變化。相同的DNA序列因起始位點的變化或不同的剪接方式而編碼不同的蛋白質(zhì)多肽鏈。基因編碼區(qū)中的DNA堿基序列決定特定的成熟RNA分子的序列，即DNA的一級結(jié)構(gòu)決定著其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA分子的一級結(jié)構(gòu)。二、基因編碼區(qū)編碼多肽鏈和特定的RNA分子基因的編碼序列決三、調(diào)控序列參與真核基因表達調(diào)控位于基因轉(zhuǎn)錄區(qū)前后，對基因表達起調(diào)控作用的區(qū)域，因其是緊鄰的DNA序列，又稱旁側(cè)序列(flankingsequence)。基因的調(diào)控區(qū)（順式作用元件）三、調(diào)控序列參與真核基因表達調(diào)控位于基因轉(zhuǎn)錄區(qū)前后，對基因轉(zhuǎn)錄起始點TATA盒CAAT盒GC盒增強子AATAAA剪接加尾轉(zhuǎn)錄終止點修飾點外顯子翻譯起始點內(nèi)含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚體+1結(jié)構(gòu)基因啟動子上游啟動子元件轉(zhuǎn)錄起始點TATA盒CAAT盒GC盒增強子AATAAA剪接加啟動子上游調(diào)控元件增強子加尾信號細胞信號反應(yīng)元件順式作用元件(cis-actingelements)啟動子順式作用元件(cis-actingelements)1.啟動子提供轉(zhuǎn)錄起始信號啟動子是DNA分子上能夠介導(dǎo)RNA聚合酶結(jié)合并形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體的序列。多數(shù)啟動子位于真核細胞基因轉(zhuǎn)錄起點的上游，啟動子本身通常不被轉(zhuǎn)錄。少數(shù)啟動子（如編碼tRNA基因的啟動子）位于轉(zhuǎn)錄起始點的下游，這些DNA序列可以被轉(zhuǎn)錄。1.啟動子提供轉(zhuǎn)錄起始信號啟動子是DNA分子上能夠介導(dǎo)R真核生物有3類啟動子，分別對應(yīng)于細胞內(nèi)存在的三種不同的RNA聚合酶和相關(guān)蛋白質(zhì)。rRNAmRNA5SrRNA,tRNA真核生物有3類啟動子，分別對應(yīng)于細胞內(nèi)存在的三種不同的RNA能夠在相對于啟動子的任何方向和位置（上游或者下游）上發(fā)揮這種增強作用，大部分位于上游。增強子序列距離所調(diào)控基因距離近者幾十個堿基對，遠的可達幾千個堿基對。通常數(shù)個增強子序列形成一簇。有時增強子序列也可位于內(nèi)含子之中。不同的增強子序列結(jié)合不同的調(diào)節(jié)蛋白。2.增強子增強鄰近基因的轉(zhuǎn)錄增強子是增強真核基因啟動子工作效率的順式作用元件，是真核基因中最重要的調(diào)控序列，決定著每一個基因在細胞內(nèi)的表達水平。能夠在相對于啟動子的任何方向和位置（上游或者下游）上發(fā)揮這種沉默子（silencer）是抑制基因轉(zhuǎn)錄的特定DNA序列，當其結(jié)合一些反式作用因子(repressors)時對基因的轉(zhuǎn)錄起阻遏作用，使基因沉默。REST/NSRF----RE-1/NRSE:silencingofneuronalgenes3.沉默子是負調(diào)節(jié)元件沉默子（silencer）是抑制基因轉(zhuǎn)錄的特定DNA序列，當4.絕緣子是異染色質(zhì)擴散的屏障絕緣子（insulator）是具有獨立調(diào)節(jié)作用的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，可位于增強子或沉默子與啟動子之間，阻止其對啟動子的增強或抑制作用（enhancer-blockinginsulators）；位于活化基因與異染色質(zhì)之間，阻止異染色質(zhì)擴展對活化基因造成的抑制作用（barrierinsulators）

4.絕緣子是異染色質(zhì)擴散的屏障絕緣子（insulator）Enhancer-blockinginsulatorsBarrierinsulatorsEnhancer-blockinginsulatorsBaThechickenβ-globinlocusThechickenβ-globinlocus真核基因組的結(jié)構(gòu)與功能

第二節(jié)TheStructureandFunctionofEukaryoteGenome真核基因組的結(jié)構(gòu)與功能第二節(jié)TheStructurea基因組：細胞或生物體的一套完整單倍體遺傳物質(zhì)的總和?；蚪M：細胞或生物體的一套完整單倍體遺傳物質(zhì)的總和。一、真核基因組具有獨特的結(jié)構(gòu)基因的編碼序列所占比例遠小于非編碼序列。高等真核生物基因組含有大量的重復(fù)序列，真核基因組中存在多基因家族和假基因。大多基因具有可變剪接，80%的可變剪接會使蛋白質(zhì)的序列發(fā)生改變?；蚪MDNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體，儲存于細胞核內(nèi)，除配子細胞外，體細胞的基因組為二倍體。結(jié)構(gòu)特點：一、真核基因組具有獨特的結(jié)構(gòu)基因的編碼序列所占比例遠小于非編二、真核基因組中存在大量重復(fù)序列高度重復(fù)序列（highlyrepetitivesequence）中度重復(fù)序列（moderatelyrepetitivesequence）單拷貝序列（singlecopysequence）或低度重復(fù)序列二、真核基因組中存在大量重復(fù)序列高度重復(fù)序列（highly（一）高度重復(fù)序列主要存在于染色體的著絲粒區(qū)域，重復(fù)單位一般由2～10bp組成，成串排列，在人基因組中約占5%～6%。重復(fù)頻率可達103以上，不編碼蛋白質(zhì)或RNA。反向重復(fù)序列（invertedrepeatsequence）衛(wèi)星DNA（satelliteDNA）兩個相同順序的互補拷貝在同一DNA鏈上反向排列而成，重復(fù)單位長度約300bp，多數(shù)散在于基因組中。分類：（一）高度重復(fù)序列主要存在于染色體的著絲粒區(qū)域，重復(fù)單位一般參與復(fù)制水平的調(diào)節(jié)

存在于DNA復(fù)制起點區(qū)的附近，是一些蛋白質(zhì)（包括酶）的結(jié)合位點。參與基因表達的調(diào)控

可以轉(zhuǎn)錄到核內(nèi)不均一RNA分子中，有些反向重復(fù)序列可以形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，有助于穩(wěn)定RNA分子。參與染色體配對

如衛(wèi)星DNA成簇樣分布在染色體著絲粒附近，可能與染色體減數(shù)分裂時染色體配對有關(guān)。功能：參與復(fù)制水平的調(diào)節(jié)功能：（二）中度重復(fù)序列重復(fù)數(shù)十至數(shù)千次,大多數(shù)與單拷貝基因間隔排列。短分散重復(fù)片段(shortinterspersedrepeatsequences,SINEs)長分散重復(fù)片段

(longinterspersedrepeatsequences,LINEs)平均長度約300bp～500bp，與長度約為1000bp的單拷貝序列間隔排列?？截悢?shù)可達數(shù)十萬。如Alu家族、KpnI家族、Hinf家族。平均長度為3500bp～5000bp，與長度約為13000bp的單拷貝序列間隔排列。（二）中度重復(fù)序列重復(fù)數(shù)十至數(shù)千次,大多數(shù)與單拷貝基因間隔排每個成員的長度約300bp。每個單位長度中一個限制性內(nèi)切酶Alu的切點（AG↓CT），將其切成長130bp和170bp的兩段。Alu家族僅次于Alu家族的第二大家族，重復(fù)序列中含有限制性內(nèi)切酶KpnⅠ的位點呈散在分布，拷貝數(shù)約為3000～4800個KpnI家族以319bp長度的串聯(lián)重復(fù)存在于人基因組中重復(fù)序列中含有限制性內(nèi)切酶HinfI的位點。Hinf家族短分散重復(fù)片段每個成員的長度約300bp。Alu家族僅次于Alu家族的第Karyotypefromafemalehumanlymphocyte(46,XX).ChromosomeswerehybridizedwithaprobeforAluelements(green)andcounterstainedwithTOPRO-3(red).ThemembersoftheAlufamily,maybemobileelements,capableofjumpingintoandoutofvarioussiteswithinthegenomeTheinsertionofAlusequencesintoagenecausesneurofibromatosis,whichisanautosomaldominantdisorder.Thenervetissuegrowstumors(neurofibromas)thatmaybebenignandmaycauseseriousdamagebycompressingnervesandothertissuesKaryotypefromafemalehumanrRNA基因重復(fù)序列屬于中度重復(fù)序列各重復(fù)單位中的rRNA基因都是相同的。rRNA基因集中成簇存在，這樣的區(qū)域稱為rDNA區(qū)。人類的rRNA基因位于13、14、15、21和22號染色體的核仁組織區(qū)，每個核仁組織區(qū)平均含有50個rRNA基因的重復(fù)單位。5SrRNA基因全部位于1號染色體，每個單倍體基因組約有1000個5SrRNA基因。rRNA基因重復(fù)序列屬于中度重復(fù)序列各重復(fù)單位中的rRNA基MicrosatelliteRepeatSequencesOnecategoryofrepeatsequences:microsatellitesequences

consistof2–6bprepeatedupto50timesAC(mostcommonly),CG,AT,andCATheACrepeatsequencesoccurat50,000–100,000locationsinthegenomeThisisaheritabletraitandusefulinconstructinggeneticlinkagemapsMicrosatelliteRepeatSequenceTrinucleotidesequencesthatincreaseinnumber(micro-satelliteinstability)cancausedisease.Unstablep(CGG)nrepeatsequenceisassociatedwiththefragileXsyndromeOthertrinucleotiderepeatsthatundergodynamicmutation(usuallyanincrease)areassociatedwithHuntington‘schorea(CAG),myotonicdystrophy(CTG),spinobulbarmuscularatrophy(CAG).

TrinucleotidesequencesthatiFragileXsyndromeisassociatedwiththeexpansionoftheCGGtrinucleotiderepeataffectingtheFragileXmentalretardation1(FMR1)geneontheXchromosome,resultinginafailuretoexpressthefragileXmentalretardationprotein(FMRP),whichisrequiredfornormalneuraldevelopment.Physicalcharacteristics:anelongatedface,largeorprotrudingears,andlargetestesBehavioralcharacteristics:stereotypicmovements(e.g.hand-flapping),andsocialanxietyFragileXsyndromeisassociatMyotonicdystrophyisachronic,slowlyprogressing,highlyvariable,inheritedmultisystemicdisease.TheaffectedgeneiscalledDMPK,whichcodesformyotonicdystrophyproteinkinase,aproteinexpressedpredominantlyinskeletalmuscle.Thegeneislocatedonthelongarmofchromosome19.thereisanexpansionofthecytosine-thymine-guanine(CTG)tripletrepeatintheDMPKgene.40-year-oldpatientwithmyotonicdystrophypresentingwithbilateralcataractsandcompleteheartblock.Myotonicdystrophyisachroni在單倍體基因組中只出現(xiàn)一次或數(shù)次，大多數(shù)為蛋白質(zhì)編碼的基因。（三）單拷貝序列（低度重復(fù)序列）在單倍體基因組中只出現(xiàn)一次或數(shù)次，大多數(shù)為蛋白質(zhì)編碼的基因。三、真核基因組中存在大量的多基因家族與假基因多基因家族是指由某一祖先基因經(jīng)過重復(fù)和變異所產(chǎn)生的一組在結(jié)構(gòu)上相似、功能相關(guān)的基因?；蚣易宄纱氐胤植荚谀骋粭l染色體上，同時發(fā)揮作用，合成某些蛋白質(zhì)。如組蛋白基因家族。基因家族的不同成員成簇地分布于不同染色體上，編碼一組功能上緊密相關(guān)的蛋白質(zhì)。如球蛋白基因家族（11，16號染色體）。三、真核基因組中存在大量的多基因家族與假基因多基因家族是指由DNA序列相似，但功能不一定相關(guān)的若干個單拷貝基因或若干組基因家族總稱。(免疫球蛋白超家族基因）超家族基因（superfamilygene）基因組中存在的一段與正?；蚍浅Ｏ嗨频荒鼙磉_的DNA序列。以來表示。假基因（psuedogene）DNA序列相似，但功能不一定相關(guān)的若干個單拷貝基因或若干組基Anillustrationofthemutationsthatcancausepseudogenes.Thehumansequenceisofapseudogeneintheolfactorygenefamily.Thechimpanzeesequenceisthefunctionalortholog.ThesepsuedogenesconsistofDNAsequencesidenticalornearlyidenticaltothoseofthemessengerRNAfortheappropriategeneproduct.——the5'-nontranslatedregion,thecodingregionwithoutintronrepresentation,andthe3'poly(A)tailareallpresentcontiguously.ThisparticularDNAsequencearrangementmusthaveresultedfromthereversetranscriptionofanappropriatelyprocessedmessengerRNAmolecule

fromwhichtheintronregionshadbeenremovedandthepoly(A)tailadded.Theycontainnonsensecodonsthatprecludetheirabilitytoencodeafunctional,intactprotein.Anillustrationofthemutatio四、線粒體DNA結(jié)構(gòu)有別于染色體DNA線粒體DNA（mitochondrialDNA，mtDNA）是核外遺傳物質(zhì)，能獨立編碼線粒體中的一些蛋白質(zhì)。mtDNA的結(jié)構(gòu)為環(huán)狀分子，與原核生物的DNA類似，結(jié)構(gòu)特點也與原核生物相似。四、線粒體DNA結(jié)構(gòu)有別于染色體DNA線粒體DNA（mito人的線粒體基因組線粒體基因組編碼37個基因，包括13個編碼呼吸鏈多酶體系的一些多肽的基因、22個編碼mt-tRNA的基因、2個編碼mt-rRNA（16S和12S）的基因。人的線粒體基因組線粒體基因組編碼37個基因，包括13個編碼呼物種基因組大小(Mb)基因數(shù)染色體數(shù)*支原體M.genitalium0.58470無流感嗜血桿菌H.influrnzae1.831743無枯草芽孢桿菌B.subtilis4.204100無大腸桿菌E.coli4.604288無釀酒酵母S.cerevisiae13.50603416裂殖酵母

S.pombe12.50492916燕麥O.sativa4663000021果蠅D.melanogaster165136014秀麗隱桿線蟲

C.elegans97184246小鼠mouse27003000020人H.sapiens30002500023不同生物體基因組的比較五、人基因組中有兩萬多個基因物種基因組大小(Mb)基因數(shù)染色體數(shù)*支原體M.geni基因組大小和基因數(shù)量在生物進化中可能并不具有特別重要的意義，人類的基因較其他生物體可能更為“有效”，其發(fā)揮功能的方式與其他生物不同?；蚪M大小和基因數(shù)量在生物進化中可能并不具有特別重要的意義，六、人的基因在染色體上的分布特征人類基因組的染色體DNA六、人的基因在染色體上的分布特征人類基因組的染色體DNA最長的染色體：1號染色體，250kb，含3000多個基因最小的染色體：21號染色體，約47kb，含300-400個基因肌萎縮性側(cè)索硬化癥SOD1mutation唐氏綜合癥，21-三體綜合征Downsyndrome

最長的染色體：1號染色體，250kb，含3000多個基因肌萎基因在染色體上并不是均勻分布?；蛎芏茸畲蟮氖堑?9號染色體，密度最小的是第13號和Y染色體。染色體上存在著無基因的“沙漠區(qū)”，即在500kb區(qū)域內(nèi)，沒有任何基因的編碼序列。基因在染色體上的分布特征基因在染色體上并不是均勻分布。基因密度最大的是第19號染色體小結(jié)基因：能夠編碼蛋白質(zhì)或RNA等具有特定功能產(chǎn)物的、負載遺傳信息的基本單位，通常是指染色體或基因組的一段DNA序列基因基本結(jié)構(gòu)包含編碼蛋白質(zhì)或RNA的編碼序列及其與之相關(guān)的非編碼序列?；蚪M是指一個生物體內(nèi)所有遺傳信息的總和。線粒體DNA是核外遺傳物質(zhì)，可以獨立編碼線粒體中的一些蛋白質(zhì)。人類線粒體基因組全長16569bp，共編碼37個基因。人類基因組有2萬多個基因。小結(jié)基因：能夠編碼蛋白質(zhì)或RNA等具有特定功能產(chǎn)物的、第三篇

基因信息的傳遞

FLOWOFGENETICINFORMATION第三篇真核基因與基因組DNA的生物合成DNA的損傷和修復(fù)RNA的生物合成蛋白質(zhì)的生物合成基因表達調(diào)控細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)本篇重點學(xué)習(xí)內(nèi)容真核基因與基因組本篇重點學(xué)習(xí)內(nèi)容1.本部分主要討論生物遺傳信息傳遞的具體機制及特征。通過學(xué)習(xí)和討論，掌握遺傳信息的穩(wěn)定性與不穩(wěn)定性(產(chǎn)生變異與進化)的矛盾統(tǒng)一。2.遺傳信息的基本單位是基因(gene)。所謂基因，是指DNA(在極少的情況下，如某些病毒是RNA)上為生物活性產(chǎn)物編碼的功能片斷，它們編碼的信息用于產(chǎn)生特定的功能產(chǎn)物(蛋白質(zhì)或RNA)。1.本部分主要討論生物遺傳信息傳遞的具體機制及特征。通過學(xué)Thecentraldogmaofmolecularbiology.Itshowsthegeneralpathwaysofinformationflowviareplication,transcription,andtranslation.Theterm“dogma”isamisnomer.IntroducedbyFrancisCrickatatimewhenlittleevidencesupportedtheseideas,thedogmahasbecomeawell-establishedprinciple.Thecentraldogmaofmolecular3.中心法則(Thecentraldogma)明確了遺傳信息傳遞的基本規(guī)律，即DNARNA蛋白質(zhì)。中心法則的三個基本過程為：復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯。

復(fù)制(replication)：從母代DNA拷貝產(chǎn)生序列相同的子代DNA。(dsDNAdsDNA)轉(zhuǎn)錄(transcription)：DNA的編碼信息抄錄至RNA分子上的過程。(dsDNAssRNA)翻譯(translation)：在核糖體上，以mRNA上的編碼信息為指導(dǎo)合成特定序列的多肽鏈(蛋白質(zhì))。(mRNApolypeptide)3.中心法則(Thecentraldogma)明確了遺生物體內(nèi)的遺傳信息傳遞遵循中心法則DNA以半保留復(fù)制的方式將親代細胞的遺傳物質(zhì)高度忠實地傳遞給子代。以DNA為模板轉(zhuǎn)錄生成的mRNA作為信使，其核苷酸序列構(gòu)成的密碼子在合成蛋白質(zhì)時被翻譯為肽鏈中氨基酸的排列順序。細胞內(nèi)所有蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的信息全部來源于DNA序列。生物體內(nèi)的遺傳信息傳遞遵循中心法則DNA以半保留復(fù)制的方式將NOTE:Thecentraldogmaisbroadlycorrect,althoughanumberofexamplesareknownwhichcontradictpartsofit.Retrovirusesreversetranscribe(逆轉(zhuǎn)錄)RNAintoDNA,anumberofvirusesareabletoreplicateRNAdirectlyintoanRNAcopy,andanumberoforganismscaneditamessengerRNA

(mRNA的編輯)sequencesothattheproteincodingsequenceisnotdirectlyspecifiedbyDNAsequence.NOTE:逆轉(zhuǎn)錄病毒以及逆轉(zhuǎn)錄酶的發(fā)現(xiàn)，補充完善了中心法則。HowardTemin在1962年最早推斷在逆轉(zhuǎn)錄病毒中必然存在一種逆催化逆轉(zhuǎn)錄的酶。Temin

和DavidBaltimore于1970年分別在各自的實驗室內(nèi)分離得到逆轉(zhuǎn)錄酶。逆轉(zhuǎn)錄病毒以及逆轉(zhuǎn)錄酶的發(fā)現(xiàn)，補充完善了中心法則。真核基因與基因組課件ContributionsofDavidBaltimore1982：ThefoundingdirectorofMIT'sWhiteheadInstitute1986：ThediscoveryofthekeytranscriptionfactorNF-κB1987：Thecreationoftransgenicmiceasamodelforthestudyofdisease.1989：TherecombinationactivatinggenesRAG-1andRAG-2a1990:Bcr-ablissufficienttostimulatecellgrowthandcausechronicmyelogenousleukemia(CML).——anti-cancerdrugImatinib(Gleevec)ContributionsofDavidBaltimo中心法則(TheCentralDogma)轉(zhuǎn)錄翻譯逆轉(zhuǎn)錄復(fù)制DNARNA蛋白質(zhì)中心法則(TheCentralDogma)轉(zhuǎn)錄真核基因與基因組

第十三章EukaryoteGeneandGenome真核基因與基因組第十三章EukaryoteGenean除了某些以RNA為基因組的RNA病毒外，基因通常是指染色體或基因組的一段DNA序列?；虬ň幋a序列（外顯子）、調(diào)控序列和間隔序列（內(nèi)含子）?；颍╣ene）：編碼蛋白質(zhì)或RNA等具有特定功能產(chǎn)物的、負載遺傳信息的基本單位。Thefundamentalunitofinformationinlivingsystemsisthegene除了某些以RNA為基因組的RNA病毒外，基因通常是指染色體或基因組（genome）：一個生物體內(nèi)所有遺傳信息的總和。(1920年，H.Winkles提出）人類基因組包含了細胞核染色體DNA（常染色體和性染色體）及線粒體DNA所攜帶的所有遺傳物質(zhì)?；蚪M（genome）：一個生物體內(nèi)所有遺傳信息的總和。(1真核基因的結(jié)構(gòu)與功能

第一節(jié)TheStructureandFunctionofEukaryoteGene真核基因的結(jié)構(gòu)與功能第一節(jié)TheStructurean利用堿基的不同排列荷載遺傳信息。通過復(fù)制將遺傳信息穩(wěn)定、忠實地遺傳給子代細胞，在這一過程中為適應(yīng)環(huán)境變化，可能會發(fā)生基因突變。作為基因表達（geneexpression）的模板，使其所攜帶的遺傳信息通過各種RNA和蛋白質(zhì)在細胞內(nèi)有序合成而表現(xiàn)出來。

基因的功能利用堿基的不同排列荷載遺傳信息?；虻墓δ軉蝹€基因的組成結(jié)構(gòu)及一個完整的生物體內(nèi)基因的組織排列方式統(tǒng)稱為基因組構(gòu)（geneorganization）。

與基因功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)編碼區(qū)序列（codingregionsequence

）非編碼序列（non-codingsequence）基因表達需要的調(diào)控區(qū)（regulatoryregion）序列，包括啟動子（promoter）、增強子（enhancer）等。在細胞內(nèi)表達為蛋白質(zhì)或功能RNA的DNA序列單個基因的組成結(jié)構(gòu)及一個完整的生物體內(nèi)基因的組織排列方式統(tǒng)稱一、真核基因的基本結(jié)構(gòu)編碼蛋白質(zhì)或RNA的編碼序列。非編碼序列，包括編碼區(qū)兩側(cè)的調(diào)控序列和編碼序列間的間隔序列。一、真核基因的基本結(jié)構(gòu)編碼蛋白質(zhì)或RNA的編碼序列。非編碼序真核基因結(jié)構(gòu)不連續(xù)，為斷裂基因（splitgene）。真核基因結(jié)構(gòu)外顯子（exon）；在基因序列中，出現(xiàn)在成熟mRNA分子上的序列。內(nèi)含子（intron）：外顯子之間、與mRNA剪接過程中被刪除部分相對應(yīng)的間隔序列。真核基因結(jié)構(gòu)不連續(xù)，為斷裂基因（splitgene）。真核真核生物結(jié)構(gòu)基因，由若干個編碼區(qū)和非編碼區(qū)互相間隔開但又連續(xù)鑲嵌而成，去除非編碼區(qū)再連接后，可翻譯出由連續(xù)氨基酸組成的完整蛋白質(zhì)，這些基因稱為斷裂基因。斷裂基因(splitgene)CABD編碼區(qū)A、B、C、D非編碼區(qū)真核生物結(jié)構(gòu)基因，由若干個編碼區(qū)和非編碼區(qū)互相間隔開但又連續(xù)周芷（LouiseT.Chow）1977年《細胞》雜志第11卷第4期周芷（LouiseT.Chow）真核生物絕大部分編碼蛋白質(zhì)的基因都有內(nèi)含子。編碼rRNA和一些tRNA的基因也都有內(nèi)含子。內(nèi)含子的數(shù)量和大小決定了真核基因的大小。不同種屬中，外顯子序列通常比較保守，而內(nèi)含子序列則變異較大。外顯子與內(nèi)含子接頭處有一段高度保守的序列（大多數(shù)內(nèi)含子以GT為5’端開始，末端為AG-OH-3’），這一共有序列是真核基因中RNA剪接的識別信號。真核生物絕大部分編碼蛋白質(zhì)的基因都有內(nèi)含子。編碼rRNA和一基因的5端稱之為上游，3端稱為下游基因序列中開始RNA鏈合成的第一個核苷酸所對應(yīng)的堿基記為+1，此堿基上游的序列記為負數(shù)，下游的序列記為正數(shù)?；虻?端稱之為上游，3端稱為下游二、基因編碼區(qū)編碼多肽鏈和特定的RNA分子基因的編碼序列決定其編碼產(chǎn)物的序列和功能。編碼序列中一個堿基的改變或突變，可能使基因功能發(fā)生重要的變化。相同的DNA序列因起始位點的變化或不同的剪接方式而編碼不同的蛋白質(zhì)多肽鏈?；蚓幋a區(qū)中的DNA堿基序列決定特定的成熟RNA分子的序列，即DNA的一級結(jié)構(gòu)決定著其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA分子的一級結(jié)構(gòu)。二、基因編碼區(qū)編碼多肽鏈和特定的RNA分子基因的編碼序列決三、調(diào)控序列參與真核基因表達調(diào)控位于基因轉(zhuǎn)錄區(qū)前后，對基因表達起調(diào)控作用的區(qū)域，因其是緊鄰的DNA序列，又稱旁側(cè)序列(flankingsequence)?；虻恼{(diào)控區(qū)（順式作用元件）三、調(diào)控序列參與真核基因表達調(diào)控位于基因轉(zhuǎn)錄區(qū)前后，對基因轉(zhuǎn)錄起始點TATA盒CAAT盒GC盒增強子AATAAA剪接加尾轉(zhuǎn)錄終止點修飾點外顯子翻譯起始點內(nèi)含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚體+1結(jié)構(gòu)基因啟動子上游啟動子元件轉(zhuǎn)錄起始點TATA盒CAAT盒GC盒增強子AATAAA剪接加啟動子上游調(diào)控元件增強子加尾信號細胞信號反應(yīng)元件順式作用元件(cis-actingelements)啟動子順式作用元件(cis-actingelements)1.啟動子提供轉(zhuǎn)錄起始信號啟動子是DNA分子上能夠介導(dǎo)RNA聚合酶結(jié)合并形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體的序列。多數(shù)啟動子位于真核細胞基因轉(zhuǎn)錄起點的上游，啟動子本身通常不被轉(zhuǎn)錄。少數(shù)啟動子（如編碼tRNA基因的啟動子）位于轉(zhuǎn)錄起始點的下游，這些DNA序列可以被轉(zhuǎn)錄。1.啟動子提供轉(zhuǎn)錄起始信號啟動子是DNA分子上能夠介導(dǎo)R真核生物有3類啟動子，分別對應(yīng)于細胞內(nèi)存在的三種不同的RNA聚合酶和相關(guān)蛋白質(zhì)。rRNAmRNA5SrRNA,tRNA真核生物有3類啟動子，分別對應(yīng)于細胞內(nèi)存在的三種不同的RNA能夠在相對于啟動子的任何方向和位置（上游或者下游）上發(fā)揮這種增強作用，大部分位于上游。增強子序列距離所調(diào)控基因距離近者幾十個堿基對，遠的可達幾千個堿基對。通常數(shù)個增強子序列形成一簇。有時增強子序列也可位于內(nèi)含子之中。不同的增強子序列結(jié)合不同的調(diào)節(jié)蛋白。2.增強子增強鄰近基因的轉(zhuǎn)錄增強子是增強真核基因啟動子工作效率的順式作用元件，是真核基因中最重要的調(diào)控序列，決定著每一個基因在細胞內(nèi)的表達水平。能夠在相對于啟動子的任何方向和位置（上游或者下游）上發(fā)揮這種沉默子（silencer）是抑制基因轉(zhuǎn)錄的特定DNA序列，當其結(jié)合一些反式作用因子(repressors)時對基因的轉(zhuǎn)錄起阻遏作用，使基因沉默。REST/NSRF----RE-1/NRSE:silencingofneuronalgenes3.沉默子是負調(diào)節(jié)元件沉默子（silencer）是抑制基因轉(zhuǎn)錄的特定DNA序列，當4.絕緣子是異染色質(zhì)擴散的屏障絕緣子（insulator）是具有獨立調(diào)節(jié)作用的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，可位于增強子或沉默子與啟動子之間，阻止其對啟動子的增強或抑制作用（enhancer-blockinginsulators）；位于活化基因與異染色質(zhì)之間，阻止異染色質(zhì)擴展對活化基因造成的抑制作用（barrierinsulators）

4.絕緣子是異染色質(zhì)擴散的屏障絕緣子（insulator）Enhancer-blockinginsulatorsBarrierinsulatorsEnhancer-blockinginsulatorsBaThechickenβ-globinlocusThechickenβ-globinlocus真核基因組的結(jié)構(gòu)與功能

第二節(jié)TheStructureandFunctionofEukaryoteGenome真核基因組的結(jié)構(gòu)與功能第二節(jié)TheStructurea基因組：細胞或生物體的一套完整單倍體遺傳物質(zhì)的總和?；蚪M：細胞或生物體的一套完整單倍體遺傳物質(zhì)的總和。一、真核基因組具有獨特的結(jié)構(gòu)基因的編碼序列所占比例遠小于非編碼序列。高等真核生物基因組含有大量的重復(fù)序列，真核基因組中存在多基因家族和假基因。大多基因具有可變剪接，80%的可變剪接會使蛋白質(zhì)的序列發(fā)生改變?；蚪MDNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體，儲存于細胞核內(nèi)，除配子細胞外，體細胞的基因組為二倍體。結(jié)構(gòu)特點：一、真核基因組具有獨特的結(jié)構(gòu)基因的編碼序列所占比例遠小于非編二、真核基因組中存在大量重復(fù)序列高度重復(fù)序列（highlyrepetitivesequence）中度重復(fù)序列（moderatelyrepetitivesequence）單拷貝序列（singlecopysequence）或低度重復(fù)序列二、真核基因組中存在大量重復(fù)序列高度重復(fù)序列（highly（一）高度重復(fù)序列主要存在于染色體的著絲粒區(qū)域，重復(fù)單位一般由2～10bp組成，成串排列，在人基因組中約占5%～6%。重復(fù)頻率可達103以上，不編碼蛋白質(zhì)或RNA。反向重復(fù)序列（invertedrepeatsequence）衛(wèi)星DNA（satelliteDNA）兩個相同順序的互補拷貝在同一DNA鏈上反向排列而成，重復(fù)單位長度約300bp，多數(shù)散在于基因組中。分類：（一）高度重復(fù)序列主要存在于染色體的著絲粒區(qū)域，重復(fù)單位一般參與復(fù)制水平的調(diào)節(jié)

存在于DNA復(fù)制起點區(qū)的附近，是一些蛋白質(zhì)（包括酶）的結(jié)合位點。參與基因表達的調(diào)控

可以轉(zhuǎn)錄到核內(nèi)不均一RNA分子中，有些反向重復(fù)序列可以形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，有助于穩(wěn)定RNA分子。參與染色體配對

如衛(wèi)星DNA成簇樣分布在染色體著絲粒附近，可能與染色體減數(shù)分裂時染色體配對有關(guān)。功能：參與復(fù)制水平的調(diào)節(jié)功能：（二）中度重復(fù)序列重復(fù)數(shù)十至數(shù)千次,大多數(shù)與單拷貝基因間隔排列。短分散重復(fù)片段(shortinterspersedrepeatsequences,SINEs)長分散重復(fù)片段

(longinterspersedrepeatsequences,LINEs)平均長度約300bp～500bp，與長度約為1000bp的單拷貝序列間隔排列。拷貝數(shù)可達數(shù)十萬。如Alu家族、KpnI家族、Hinf家族。平均長度為3500bp～5000bp，與長度約為13000bp的單拷貝序列間隔排列。（二）中度重復(fù)序列重復(fù)數(shù)十至數(shù)千次,大多數(shù)與單拷貝基因間隔排每個成員的長度約300bp。每個單位長度中一個限制性內(nèi)切酶Alu的切點（AG↓CT），將其切成長130bp和170bp的兩段。Alu家族僅次于Alu家族的第二大家族，重復(fù)序列中含有限制性內(nèi)切酶KpnⅠ的位點呈散在分布，拷貝數(shù)約為3000～4800個KpnI家族以319bp長度的串聯(lián)重復(fù)存在于人基因組中重復(fù)序列中含有限制性內(nèi)切酶HinfI的位點。Hinf家族短分散重復(fù)片段每個成員的長度約300bp。Alu家族僅次于Alu家族的第Karyotypefromafemalehumanlymphocyte(46,XX).ChromosomeswerehybridizedwithaprobeforAluelements(green)andcounterstainedwithTOPRO-3(red).ThemembersoftheAlufamily,maybemobileelements,capableofjumpingintoandoutofvarioussiteswithinthegenomeTheinsertionofAlusequencesintoagenecausesneurofibromatosis,whichisanautosomaldominantdisorder.Thenervetissuegrowstumors(neurofibromas)thatmaybebenignandmaycauseseriousdamagebycompressingnervesandothertissuesKaryotypefromafemalehumanrRNA基因重復(fù)序列屬于中度重復(fù)序列各重復(fù)單位中的rRNA基因都是相同的。rRNA基因集中成簇存在，這樣的區(qū)域稱為rDNA區(qū)。人類的rRNA基因位于13、14、15、21和22號染色體的核仁組織區(qū)，每個核仁組織區(qū)平均含有50個rRNA基因的重復(fù)單位。5SrRNA基因全部位于1號染色體，每個單倍體基因組約有1000個5SrRNA基因。rRNA基因重復(fù)序列屬于中度重復(fù)序列各重復(fù)單位中的rRNA基MicrosatelliteRepeatSequencesOnecategoryofrepeatsequences:microsatellitesequences

consistof2–6bprepeatedupto50timesAC(mostcommonly),CG,AT,andCATheACrepeatsequencesoccurat50,000–100,000locationsinthegenomeThisisaheritabletraitandusefulinconstructinggeneticlinkagemapsMicrosatelliteRepeatSequenceTrinucleotidesequencesthatincreaseinnumber(micro-satelliteinstability)cancausedisease.Unstablep(CGG)nrepeatsequenceisassociatedwiththefragileXsyndromeOthertrinucleotiderepeatsthatundergodynamicmutation(usuallyanincrease)areassociatedwithHuntington‘schorea(CAG),myotonicdystrophy(CTG),spinobulbarmuscularatrophy(CAG).

TrinucleotidesequencesthatiFragileXsyndromeisassociatedwiththeexpansionoftheCGGtrinucleotiderepeataffectingtheFragileXmentalretardation1(FMR1)geneontheXchromosome,resultinginafailuretoexpressthefragileXmentalretardationprotein(FMRP),whichisrequiredfornormalneuraldevelopment.Physicalcharacteristics:anelongatedface,largeorprotrudingears,andlargetestesBehavioralcharacteristics:stereotypicmovements(e.g.hand-flapping),andsocialanxietyFragileXsyndromeisassociatMyotonicdystrophyisachronic,slowlyprogressing,highlyvariable,inheritedmultisystemicdisease.TheaffectedgeneiscalledDMPK,whichcodesformyotonicdystrophyproteinkinase,aproteinexpressedpredominantlyinskeletalmuscle.Thegeneislocatedonthelongarmofchromosome19.thereisanexpansionofthecytosine-thymine-guanine(CTG)tripletrepeatintheDMPKgene.40-year-oldpatientwithmyotonicdystrophypresentingwithbilateralcataractsandcompleteheartblock.Myotonicdystrophyisachroni在單倍體基因組中只出現(xiàn)一次或數(shù)次，大多數(shù)為蛋白質(zhì)編碼的基因。（三）單拷貝序列（低度重復(fù)序列）在單倍體基因組中只出現(xiàn)一次或數(shù)次，大多數(shù)為蛋白質(zhì)編碼的基因。三、真核基因組中存在大量的多基因家族與假基因多基因家族是指由某一祖先基因經(jīng)過重復(fù)和變異所產(chǎn)生的一組在結(jié)構(gòu)上相似、功能相關(guān)的基因?；蚣易宄纱氐胤植荚谀骋粭l