基因與基因組的結(jié)構(gòu)與功能

關(guān)于基因與基因組的結(jié)構(gòu)與功能第一頁，共六十一頁，2022年，8月28日3.1基因的概念包括:編碼基因與非編碼區(qū)從生化學(xué)上來說指的是一段DNA或RNA順序，該順序可以產(chǎn)生或影響某種表型，可以由于突變生成等位基因變異體。從遺傳學(xué)上來說代表一個遺傳的功能單位，同時也是一個交換單位和突變單位?；颍╣ene）是DNA和RNA分子中具有遺傳效應(yīng)的核苷酸序列，是遺傳的基本的單位。第二頁，共六十一頁，2022年，8月28日基因概念的發(fā)展大致上分以下幾個階段:孟德爾所闡明的基因觀——“基因是生物體傳遞遺傳信息和表達遺傳信息的基本物質(zhì)單位”。

1865年，奧地利神父孟德爾從7個豌豆性狀的實驗提出了“遺傳因子假說”（每個性狀由定位在染色體上的遺傳因子控制，并提出了遺傳因子的分離與自由組合的兩大遺傳規(guī)律性）。第三頁，共六十一頁，2022年，8月28日第二階段摩爾根時代賦予基因以物質(zhì)的內(nèi)涵。隨后摩根通過對果蠅的研究提出了基因的連鎖遺傳規(guī)律，并定義了經(jīng)典的基因概念。（經(jīng)典基因概念：基因是孤立地、排列在染色體上的實體，具有特定功能，能獨立發(fā)生突變的遺傳交換的、“三位一體”的、最小的遺傳單位。呈線性排列在染色體上的遺傳實體。）第四頁，共六十一頁，2022年，8月28日3、順反子階段：順反子就是一段核苷酸序列，能編碼一條完整的多肽。4、現(xiàn)代基因階段：編碼基因的主要編碼產(chǎn)物是多肽鏈，另外還包括許多編碼RNA的基因?，F(xiàn)代基因概念：操縱子、轉(zhuǎn)座子、斷裂基因、重疊基因、假基因……第五頁，共六十一頁，2022年，8月28日5’…...AGCCGACTATGTCGAAGCTT…..…GCTTGACTATAAGACA……3’3‘…...TCGGCTGATACAGCTTCTAA…..…CGAACTGATATTCTGT……5‘轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)貯存RNA或蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)信息區(qū)轉(zhuǎn)錄終止區(qū)基因的基本結(jié)構(gòu)

基因結(jié)構(gòu)第六頁，共六十一頁，2022年，8月28日3.2基因的命名法基因原則：簡明、獨特、能夠表達基因的特征或功能基因符號：獨特、簡短、僅含拉丁字母和阿拉伯?dāng)?shù)字，不應(yīng)有標(biāo)點符號。第七頁，共六十一頁，2022年，8月28日3.3基因組基因組（genome)：細(xì)胞或生物體內(nèi)一套完整單體的遺傳物質(zhì)的總和；或所含有的全部基因。如人：22常+X，Y，+線粒體基因組基因組的功能是貯存和表達遺傳信息。主要由兩種基因組組成核基因組核外基因組：質(zhì)?；蚪M、線粒體基因組、葉綠體基因組等重要的遺傳信息存在于核基因組內(nèi)第八頁，共六十一頁，2022年，8月28日基因組的結(jié)構(gòu)主要指不同的基因功能區(qū)域在核酸分列中的分布和排布情況。第九頁，共六十一頁，2022年，8月28日基因及基因組的大小與C值矛盾

C值（C-value）：單倍體基因組中的全部DNA量。C值悖論：基因組的大小和DNA含量隨著生物進化復(fù)雜程度的增加而逐步上升，但也有另外。變形蟲的C值是人的200倍

第十頁，共六十一頁，2022年，8月28日3.4病毒及其基因組

病毒基因組的一般特點及病毒的核酸病毒基因組的特點1．基因組大小相差很大：2．核酸結(jié)構(gòu)多樣性：3．編碼序列>90%(基因組)HBV：3.2kb痘病毒：300kbDNA或RNA單鏈或雙鏈合環(huán)狀分子或線性分子第十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日4.多為單拷貝,即每個基因只出現(xiàn)一次5.基因有連續(xù)的和間斷的

(有內(nèi)含子)6.相關(guān)基因叢集:功能上相關(guān)的基因排列在一起7.有重疊基因8.含有不規(guī)則結(jié)構(gòu)基因第十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日病毒基因組核酸的主要類型雙鏈RNA單鏈負(fù)股RNA

單鏈正股RNA分類DNARNA

雙鏈DNA：HBV

單鏈DNA：M13噬菌體正股(+)：序列與mRNA相同的鏈負(fù)股(-)：序列與mRNA互補的鏈第十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日典型病毒基因組介紹SV40病毒基因組第十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日.雙鏈環(huán)狀DNA：5243bp早期轉(zhuǎn)錄區(qū)：一個基因（2個蛋白質(zhì)t，T）調(diào)控區(qū)（400bp）：復(fù)制起始點，啟動子，增強子晚期轉(zhuǎn)錄區(qū)：先轉(zhuǎn)錄出一個多順反子mRNAVP1mRNAVP2mRNAVP3mRNAVP3比VP2N端少1/3AUG位于VP2和VP3內(nèi)第十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日.UAA內(nèi)含子1內(nèi)含子2前體mRNA剪接方式1：去除內(nèi)含子1剪接方式2：去除內(nèi)含子2T-mRNAt-mRNAT-抗原t-抗原分布于核內(nèi)：100KD分布于胞漿內(nèi)：18KDT-抗原和t-抗原mRNA前體的不同剪接方式UAA第十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日.2、逆轉(zhuǎn)錄病毒(retroviruses，HIV)（1）一般特征

病毒(+)股RNA為2個拷貝,基本結(jié)構(gòu)為:５＇帽－R－U5－PB－－DLS－－gag－pol－env－(onc－)－C－PB＋－U3－R－poly(A)n病毒顆粒中有兩條相同的正股RNA+兩條來自宿主細(xì)胞的tRNA第十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日A：編碼區(qū):所有逆轉(zhuǎn)錄病毒均含有3個基本結(jié)構(gòu)基因gag:病毒衣殼蛋白pol:肽鏈內(nèi)切酶,一個逆轉(zhuǎn)錄酶,一個與前病毒整合相關(guān)的酶env:包膜蛋白B：非編碼區(qū):與基因組復(fù)制和基因表達有關(guān)A:R區(qū):兩端的重復(fù)序列,與cDNA合成有關(guān)B:引物結(jié)合區(qū)(primerbindingsite,PB)C:U區(qū):U3含強啟動子,起始轉(zhuǎn)錄RNA.U5與轉(zhuǎn)錄終止和加polyA有關(guān)D:DLS--C區(qū):DLS:兩條病毒(+)RNA鏈結(jié)合位點

:包裝信號:RNA裝入病毒顆粒

C:調(diào)控區(qū).第十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日（2）前病毒基因組的轉(zhuǎn)錄和翻譯A：逆轉(zhuǎn)錄病毒基因組的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄都需要經(jīng)過DNA中間體才能完成.RNA病毒DNA前病毒RNA病毒(cDNA)末端形成新的重復(fù)序列(U3-R-U5)稱長末端重復(fù)序列(LTR)longterminalrepeatB：翻譯多順反子mRNAgag-------------------pol(無起始密碼子)第十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日90%形成gag蛋白

10%形成gag-pol蛋白剪接后形成envmRNA第二十頁，共六十一頁，2022年，8月28日3.4.2噬菌體基因組重疊基因

:不同基因的核苷酸序列有時是可以共用的。也就是說，它們的核苷酸序列是彼此重疊的，這樣的2個基因被稱為重疊基因。

①兩個或兩個以上的基因共有一段DNA序列或者是指一段DNA序列為兩個或兩個以上基因的組成部分。②重疊方式有大基因內(nèi)包含小基因，前后兩個基因首尾重疊等。第二十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日第二十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日RNA噬菌體

MS2，R17，f2和Qβ的重疊第二十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日3.5細(xì)菌基因組原核基因組Prokaryoticgenome，以細(xì)菌為代表講述，又稱Bacteriagenome。原核生物的染色體基因組是指其環(huán)狀或線狀的雙鏈DNA分子所含有的全部基因，有的原核生物還含有染色體外的質(zhì)粒基因組。第二十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日以細(xì)菌為代表進行研究，有許多優(yōu)勢：

1.構(gòu)造相對簡單，基因結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜，取材便利，易于培養(yǎng)，可選擇突變株進行研究，實驗結(jié)果容易重復(fù)。

2.與人類有共同的主要生物學(xué)規(guī)律，如：①遺傳物質(zhì)都是DNA；②主要的功能分子都是蛋白質(zhì)；③基因密碼是通用的，等等。

3.尤其是E.coli，是分子克隆是“明星“，基因工程最主要的工程菌，因為基因工程的主要工作是克隆真核基因在原核系統(tǒng)中表達。第二十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日原核生物基因組結(jié)構(gòu)與功能的特點：1.基因組通常僅由一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成。2.基因組中只有1個復(fù)制起點。3.

具有操縱子結(jié)構(gòu)。操縱子（operon）是指數(shù)個功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起，構(gòu)成信息區(qū)，連同其上游的調(diào)控區(qū)（包括啟動和操縱區(qū)）及其下游的轉(zhuǎn)錄終止信號構(gòu)成的基因表達單位。4.

細(xì)菌的結(jié)構(gòu)基因一般無重疊現(xiàn)象。5.

原核基因的基因序列是連續(xù)的，無內(nèi)含子結(jié)構(gòu)。第二十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日6.編碼區(qū)和非編碼區(qū)在基因組中約各占50%。7.

基因組中的重復(fù)序列很少。8.

具有編碼同功酶的基因（isogene）這是一類結(jié)構(gòu)不完全相同，而功能相同的基因。如E.coli含有2個編碼乙酸乳酸合成酶的基因和2個編碼分支酸變位酶同工酶的基因。9.細(xì)菌基因組中存在可移動的DNA序列，包括插入序列和轉(zhuǎn)座子。10.原核基因的基本結(jié)構(gòu)特點：啟動子（promoter）、操縱基因（operator）、調(diào)控序列、結(jié)構(gòu)基因（structuregene）、終止子（terminator）。第二十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日Bacterialchromosome（大腸桿菌）基因組圖第二十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日染色體外的遺傳物質(zhì)———質(zhì)粒質(zhì)粒（plasmid）是獨立于許多細(xì)菌及某些真核細(xì)胞染色體外共價閉合環(huán)狀的DNA分子（covalantclosedcircnlar,cccDNA），能獨立復(fù)制的最小遺傳單位。

質(zhì)粒是雙鏈的DNA分子，大小在1—200kb之間，和病毒不同，它們沒有衣殼蛋白（裸DNA）。質(zhì)?？赏ㄟ^復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯，從而賦予寄主細(xì)胞某種性狀，許多性狀已作為DNA重組技術(shù)中的較為成熟的選擇標(biāo)記。第二十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日質(zhì)粒的特點1、最大特點:可獨立復(fù)制2、質(zhì)粒的遺傳控制第三十頁，共六十一頁，2022年，8月28日柯斯（Cosmid）質(zhì)粒cos位點,粘性位點第三十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日(1).復(fù)制控制系統(tǒng):控制質(zhì)粒的拷貝數(shù)

復(fù)制起始點(ori)Rep基因:Rep蛋白結(jié)合于ori,促進復(fù)制過量可抑制復(fù)制

Cop基因:抑制復(fù)制(2).分配系統(tǒng):使質(zhì)粒在細(xì)菌分裂時精確分配到子細(xì)胞中.(3).細(xì)胞分裂抑制系統(tǒng):控制細(xì)胞分裂,使細(xì)胞分裂與質(zhì)粒復(fù)制協(xié)調(diào)(4).位點特異重組系統(tǒng):多聚體單體(細(xì)菌內(nèi))(分裂時)(5)質(zhì)粒的不相容性:具有相同復(fù)制起始點和分配區(qū)的兩種質(zhì)粒不能共存于一個宿主,這種現(xiàn)象稱.第三十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日

共存一宿主兩種質(zhì)粒不共存一宿主另:凡經(jīng)改建作為基因克隆載體的質(zhì)粒必須包括三種共同的組成成分:復(fù)制基因(replicator)

選擇性標(biāo)記克隆位點第三十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日質(zhì)粒與宿主細(xì)胞的關(guān)系

①質(zhì)粒對宿主的生存不是必需的，只是“友好”的“借居”宿主細(xì)胞中，既不殺傷細(xì)胞，對宿主的代謝活動也無影響，宿主離開質(zhì)粒照樣的生存下去。②質(zhì)粒離開宿主就無法生存，只有依賴宿主細(xì)胞的（酶和蛋白質(zhì)）幫助，才能完成自身的復(fù)制（擴增）、轉(zhuǎn)錄。③質(zhì)粒經(jīng)常為宿主執(zhí)行一些適當(dāng)?shù)倪z傳功能，作為對宿主細(xì)胞的補償（“交房租”）。④質(zhì)粒賦于宿主各種有利的表型（質(zhì)粒編碼蛋白質(zhì)或酶），使宿主獲得生存優(yōu)勢，與我們基因工程實驗緊密相關(guān)的，如抗生素抗性基因。第三十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日4.質(zhì)粒發(fā)現(xiàn)和研究意義①理論意義

質(zhì)粒能夠復(fù)制、傳遞和表達遺傳信息，從分子遺傳學(xué)觀點來看是一種有機體，是比病毒更原始的生命形式，是生命起源研究的一塊重要基石。②實踐意義

是基因工程的重要載體（vector），能把外源基因（目的基因）送到宿主細(xì)胞中去克隆擴增或克隆表達。第三十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日質(zhì)粒是可以改造的，可以剪切、剪接的，基因工程的重要任務(wù)之一就是嚴(yán)格改造質(zhì)粒的同時，控制質(zhì)粒不傳遞，若一個致癌質(zhì)粒可以傳遞就會傳到外部。作為基因工程載體的3個特點：

A.都能獨立自主的復(fù)制；

B.都能便利的加以檢測（如抗生素抗性）；

C.都能容易引進宿主細(xì)胞中去，也易從宿主細(xì)胞中分離純化（提質(zhì)粒）。工程質(zhì)粒必須同時符合上述3個條件?；蚬こ讨兄饕褂萌斯?gòu)建的質(zhì)粒。第三十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日3.6真核生物基因組3.6.1特點1、體細(xì)胞:兩套基因組性細(xì)胞:一套基因組2、基因組結(jié)構(gòu)復(fù)雜,數(shù)目龐大,多個復(fù)制起始點。3、mRNA為單順反子。4、含大量重復(fù)序列。5、非編碼序列占90%以上。6、基因間有間隔區(qū)(spacerDNA),基因為斷裂基因(splitgene)即內(nèi)含子,外顯子。7、功能相關(guān)的基因串聯(lián)在一起形成基因家族8、存在可移動成分第三十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日3.6.2真核生物的基因組結(jié)構(gòu)1.結(jié)構(gòu)基因、內(nèi)含和外顯子、斷裂基因。（1）結(jié)構(gòu)基因（structuralgene）指能轉(zhuǎn)錄成為mRNA、rRNA或tRNA的DNA順序。（2）斷裂基因（splitgene）在真核類結(jié)構(gòu)基因組中，編碼順序被許多稱為內(nèi)含子的非編碼區(qū)分割成幾段稱之?dāng)嗔鸦?。第三十八頁，共六十一頁?022年，8月28日斷裂基因（不連續(xù)基因、割裂基因）:

核苷酸序列中間插入有與編碼無關(guān)的DNA間隔區(qū)，使1個基因分隔成不連續(xù)的若干區(qū)段。這種編碼序列不連續(xù)的間斷基因被稱為斷裂基因。

第三十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日內(nèi)含子和外顯子真核生物的結(jié)構(gòu)基因是不連續(xù)的，編碼序列被非編碼序列打斷，在編碼序列之間的序列稱為內(nèi)含子（intron），編碼序列稱為外顯子（extron）。第四十頁，共六十一頁，2022年，8月28日第四十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日第四十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日假基因

:

這是一種核苷酸序列同其相應(yīng)的正常功能基因基本相同，但卻不能合成出功能蛋白質(zhì)的失活基因。假基因常用符號ψ表示，如ψα1表示與α1相似的假基因.假基因與有功能的基因同源,原來也可以是有功能的基因,由于發(fā)生缺失(deletion)、例位(inversion)或點突變（pointmutaion）等，成為無功能的基因，即形成了假基因。第四十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日假基因結(jié)構(gòu)示例

第四十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日2真核生物編碼序列真核生物基因組編碼序列只占DNA總量的5%，但由于其基因組非常大，故其基因數(shù)量就原核生物基因組要大得多（幾十倍）。第四十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日重復(fù)序列（repeatsequence)據(jù)出現(xiàn)的頻率不同可將DNA序列分為3類：

1.高度重復(fù)序列在基因組中的重復(fù)次數(shù)>1052.中度重復(fù)序列在基因組中的重復(fù)次數(shù)為101-1053.單拷貝序列和低度重復(fù)序列在整個基因組中出現(xiàn)1次或少數(shù)幾次（100-101）。第四十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日重復(fù)序列中，除了編碼rRNA、tRNA、組蛋白及免疫球蛋白的結(jié)構(gòu)基因外，大部分是非編碼序列。它們的功能主要與基因組的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，組織形式以及基因表達調(diào)控有關(guān)。第四十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日3真核生物的基因家族(genefamily)和基因簇基因家族是指真核生物基因組中核苷酸序列或編碼產(chǎn)物具有一定程度同源性的一組基因?；蚣易逯懈鱾€基因之間的關(guān)系:

（1）家族中各基因的核苷酸序列相同這些基因族也被稱為單純多基因家庭（如rRNA,tRNA家族）和復(fù)合多基因家族（如組蛋白基因家族）。第四十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日

組蛋白基因家族第四十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日（2）家族中各基因核苷酸序列高度同源

①人類生長激素基因家族②α-株蛋白和β-株蛋白基因家族（3）家族中各基因編碼的蛋白質(zhì)有高度的同源性，但基因的核苷酸序列可能不同。如src癌基因家族src，abl，fes，fgr，fps，fym，kck，lyn，ros，tkl，yes。

第五十頁，共六十一頁，2022年，8月28日第五十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日（4）家族各基因編碼的蛋白質(zhì)中具有很小的保守基因序列（conservedmotif)。如DEADbox基因家族。DEADbox：Asp-Glu-Ala-Asp.（5）基因超家族（genesuperfamily）基因超家族，是指一組由多基因家族及單基因家族組成的更大的基因家族。如：（1）免疫球蛋白超基因家族（2）絲氨酸蛋白酶基因超家族（3）信號傳遞途徑中的小GTP接合蛋白，現(xiàn)在稱為ras超家族，包括ras家族、rho家族、rab家族，大約已有30個蛋白質(zhì)基因被確定為該家族成員。第五十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日人類基因組DNA多態(tài)性某一機體可以觀察到的特征，稱為表現(xiàn)(phenotype)，與表型相應(yīng)的基因組成稱為基因型(genotype)。人類個體之間所以表現(xiàn)為千差萬別，其物質(zhì)基礎(chǔ)在于基因組DNA的差異。

DNA序列的多態(tài)性就是這些差異中十分重要的1種，DNA序列多態(tài)性可分為位點的多態(tài)性和串聯(lián)重復(fù)順序多態(tài)性，前者又可造成限制性片段長度多態(tài)性。第五十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日(一)DNA位點多態(tài)性(DNAsitepolymorphism)DNA位點多態(tài)性是由于等位基因間在特定位點上DNA序列存在差異造成的。在各種DNA位點多態(tài)性系統(tǒng)中，HLA（人類白細(xì)胞抗原）是最復(fù)雜的一種。就其表型而言,從理論上來說,已遠遠超過了現(xiàn)有地球人口，人類為遠交群體，因此要在無血緣關(guān)系人群找到HLA表型完全相同的個體幾乎是不可能的。第五十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日(二)限制性中段長度多態(tài)性(restictionfragmentlengthpolymorplism,RFLP)DNA位點的多態(tài)性可影響限制酶的切割位點，造成限制片段長度多態(tài)性，即用同一種限制酶消化不同個體DNA時，會得到長度各不相同的限片段類型。是DNA多態(tài)性的一種特別有用的形式，當(dāng)DNA分子由于中性突變，使某種限制酶切點數(shù)增加，減少或移位，導(dǎo)致限制性片段長度發(fā)生改變（也稱為RFLP），就會得到不同限制性片段類型，這樣的位點稱為多態(tài)性位點。第五十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日（三）重復(fù)順序長度多態(tài)性小衛(wèi)星DNA多態(tài)性很復(fù)雜，個體之間的差異極高。微衛(wèi)星DNA多態(tài)性,功能不太清楚。（四