基因與基因組的結(jié)構(gòu)與功能

第一頁，共七十五頁。3.2.

基因概念的多樣性3.3.基因組3.1.

基因概念的變遷第二頁，共七十五頁。Theoryofthegene

基因是染色體上的實(shí)體

基因象鏈珠(bead)一樣，孤立地呈線狀地排列在染色體上

基因是；

功能(functionalunit)突變(mutationunit)

交換(cross-overunit)

“三位一體”的(Threeinone)

最小的不可分割的基本的遺傳單位(1926T.H.Morgan)經(jīng)典的基因概念3.1基因概念的變遷

第三頁，共七十五頁。

順反子理論

Theoryofcistron

(S.Benzer1955)

對經(jīng)典的基因概念的

第一次重要修正與發(fā)展

第四頁，共七十五頁。順反子假說（Theoryofcistron）

Cistron

是基因的同義詞

在一個(gè)順反子內(nèi)，有若干個(gè)突變單位突變子(muton)

在一個(gè)順反子內(nèi)，有若干個(gè)交換單位交換子（recon）

傳統(tǒng)的概念：基因是一個(gè)具有特定功能的，完整的不可分割的最小的遺傳單位，基因內(nèi)可以低頻率發(fā)生重組，交換mut1Xmut2

W.t

是基因內(nèi)發(fā)生交換的結(jié)果cistron概念的提出是對經(jīng)典的基因概念的動(dòng)搖第五頁，共七十五頁?，F(xiàn)代基因的定義基因（gene)是核酸分子中具有遺傳效應(yīng)的核苷酸序列，是遺傳的基本單位和突變單位以及控制性狀的功能單位，包括結(jié)構(gòu)基基因和調(diào)控基因。結(jié)構(gòu)基因指編碼蛋白質(zhì)或RNA的DNA序列。第六頁，共七十五頁?！锏鞍踪|(zhì)基因：transcriptableandtranslatablegene；★RNA基因：transcriptablebutnontranslatablegene

；tDNA,rDNA?！镎{(diào)控基因：untranscriptable

nontranslatablegene,調(diào)控鄰近的結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)，如：啟動(dòng)基因，操縱基因不轉(zhuǎn)錄、不翻譯

不是所有的基因都能為蛋白質(zhì)編碼第七頁，共七十五頁。基因命名無嚴(yán)格統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)一般：三個(gè)小寫英文斜體字母表示，lac、leu三個(gè)小寫英文斜體字母后面加一個(gè)斜體大寫字母表示基因座，LacZ、LacY、LacA質(zhì)粒：自然質(zhì)粒，三個(gè)正體字母，第一個(gè)字母大寫；重組質(zhì)粒，兩個(gè)大寫字母前加一個(gè)p，大寫字母表示構(gòu)建該質(zhì)粒的研究者或單位，如pSC101（SC代表StanleyCohen）。果蠅：對突變的表型用1~4個(gè)斜體字母代表，如white（w）、tailless（tll）。第八頁，共七十五頁。酵母：一般用三個(gè)大寫斜體字母表示基因的功能，后面的數(shù)字表示不同的基因座，如GAL4,CDC28，也有例外。線蟲：三個(gè)小寫斜體字母表示突變型，連字符加數(shù)字表示基因座，如unc-86，ced-9。植物：大多數(shù)情況用1~3個(gè)小寫字母表示。脊椎動(dòng)物：1~4個(gè)小寫字母和數(shù)字表示，如sey，myc。人類：與脊椎動(dòng)物類似，但需要大寫，如MYC、ENO1。第九頁，共七十五頁。1、取決于它所包含的內(nèi)含子的長度例如：31Kb的二氫葉酸還原酶基因含6個(gè)外顯子，mRNA長度為2Kb，內(nèi)含子長29Kb，內(nèi)含子比外顯子大很多。2、取決于所包含的內(nèi)含子的數(shù)目不同生物的外顯子數(shù)目隨著進(jìn)化增加，基因平均長度也在增加。3.2基因的大小第十頁，共七十五頁。

3.3基因組GenomeP30第十一頁，共七十五頁?；蚪M：一個(gè)細(xì)胞或病毒的全部遺傳信息；

一套完整的單倍體的遺傳物質(zhì)的總和；

含有一種生物的一整套遺

傳信息的遺傳物質(zhì)；……第十二頁，共七十五頁。生物進(jìn)化的C值矛盾(Cvalueparadox)

ThetotalamountofDNAinthegenomeofhaploidisacharacteristicofeachlivingspeciesknownasitsMaximumCvalue

(單倍體基因組總DNA的含量)

最大C值MaximumCvalueThetotalamountofDNAforencodingthegenesinformationistermeditsMinimumcvalue

（編碼基因信息的總DNA含量）

最小C值Minimumcvalue第十三頁，共七十五頁。C-value：單倍體基因組總DNA的含量(bp)

10610710810910101011顯花植物骨魚類哺乳類甲殼類爬行類鳥類藻類真菌革蘭氏陽性菌革蘭氏陰性菌枝原體霉菌蠕蟲類軟體動(dòng)物棘皮類昆蟲類軟骨魚類兩棲類A生物體進(jìn)化程度高低，與大C值不成明顯正相關(guān)B親緣關(guān)系相近的生物大C值相差較大

C一種生物內(nèi)大C值與小c值相差極大人體c=C/10

Frog的大C值為人的7倍lily(百合)的大C值為人的100倍！第十四頁，共七十五頁。病毒基因組DNA病毒

RNA病毒

基本結(jié)構(gòu)多數(shù)為雙鏈(ds)、環(huán)狀或線性多數(shù)為單鏈(ss)、線性第十五頁，共七十五頁。

RNA病毒基因組

類型特點(diǎn)代表種類第十六頁，共七十五頁。1.單股正鏈RNA病毒SARS冠狀病毒SARScoronavirus

包膜蛋白膜蛋白核衣殼蛋白刺突蛋白

病毒RNA聚合酶第十七頁，共七十五頁。

單股正鏈RNA、不分節(jié)段，

5′端有甲基化帽，

3′端有poly(A)結(jié)構(gòu)。具有感染性，直接翻譯蛋白質(zhì)脊髓灰質(zhì)炎病毒冠狀病毒

第十八頁，共七十五頁。.

禽流感病毒(H5N1)

avianinfluenzaAvirus2.單股負(fù)鏈RNA病毒8節(jié)段-ssRNA血凝素（HA）神經(jīng)氨酸酶（N)第十九頁，共七十五頁。

單股負(fù)鏈RNA、8節(jié)段，均編碼蛋白質(zhì)，

流感病毒腮腺炎病毒狂犬病毒第二十頁，共七十五頁。輪狀病毒3.雙鏈RNA病毒11節(jié)段dsRNA內(nèi)衣殼蛋白外衣殼蛋白每段編碼一個(gè)蛋白質(zhì)第二十一頁，共七十五頁。4.逆轉(zhuǎn)錄病毒(retrovirus)核心蛋白逆轉(zhuǎn)錄酶膜蛋白poly(A)Cap人類免疫缺陷病毒（HIV）第二十二頁，共七十五頁。

單股正鏈RNA，有三個(gè)基本的結(jié)構(gòu)

基因：gag、pol（逆轉(zhuǎn)錄酶）、env，

白血病病毒、肉瘤病毒、

人類免疫缺陷病毒

5′端有甲基化帽，3′端有poly(A)，

另有多個(gè)基因表達(dá)調(diào)控位點(diǎn)。第二十三頁，共七十五頁。

DNA病毒基因組

類型特點(diǎn)代表種類第二十四頁，共七十五頁。1.線性雙鏈DNA病毒

早期蛋白（E）

晚期蛋白（L）

腺病毒adenovirusE1AE1BE3E4E2BE2A0102030405060708090100%L2L3L4L5L1ITRITRITR:反向末端重復(fù)序列ITR在病毒復(fù)制過程有重要作用第二十五頁，共七十五頁。2.雙鏈環(huán)狀DNA病毒SV40病毒基因組

第二十六頁，共七十五頁。重疊基因(overlappinggene)

tVp1Vp2Vp3

SV405000bpT靜思伊久阻歸期，久阻歸期憶別離；憶別離時(shí)聞漏轉(zhuǎn)，時(shí)聞漏轉(zhuǎn)靜思伊。秦少游給蘇小妹第二十七頁，共七十五頁。第二十八頁，共七十五頁。3.單鏈環(huán)狀DNA病毒5387nt噬菌體φX174重疊基因5387nt

編碼2500AA1977，Sanger第二十九頁，共七十五頁。乙型肝炎病毒（HBV）4.開環(huán)部分雙鏈DNA病毒

聚合酶HBsAgHBcAg第三十頁，共七十五頁。第三十一頁，共七十五頁。第三十二頁，共七十五頁。病毒繁殖的原則在宿主體內(nèi)合成了mRNA就意為著勝利。能用宿主的絕對不用自己的。實(shí)在用不了宿主的就用自己的。也有例外。第三十三頁，共七十五頁。病毒基因組的特點(diǎn)1．基因組大小相差很大：HBV：3.2kb痘病毒：300kb2．核酸結(jié)構(gòu)多樣性：DNA或RNA單鏈或雙鏈合環(huán)狀分子或線性分子3．基因組有連續(xù)的，有不連續(xù)的大多數(shù)連續(xù)流感病毒：8條單鏈RNA4、編碼序列>90%(基因組)，多為單拷貝,即每個(gè)基因只出現(xiàn)一次5、功能上相關(guān)的基因排列在一起6、有重疊基因第三十四頁，共七十五頁。原核生物基因組細(xì)菌染色體DNA質(zhì)粒DNA以大腸桿菌（Escherichiacoli）為例第三十五頁，共七十五頁。類核（nucleoid）：細(xì)菌染色體在

細(xì)胞內(nèi)形成的一個(gè)致密區(qū)域大腸桿菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)nucleoid質(zhì)粒plasmid第三十六頁，共七十五頁。大腸桿菌染色體結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)核心超螺旋DNA環(huán)第三十七頁，共七十五頁。1.由一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成，通常只有一個(gè)DNA復(fù)制起點(diǎn)。C-Value:4.6×106bp大腸桿菌染色體DNA

大腸桿菌4000K3000K2000K1000K0OriCTerC第三十八頁，共七十五頁。2.結(jié)構(gòu)基因大多組成操縱子乳糖操縱子

lacoperontayz

opstructural

genepromoterterminatoroperator?-galactosidase半乳糖苷酶z?-galactosidepermease透酶y

?-galactosidetransacetylase

半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶a

第三十九頁，共七十五頁。4.

基因組DNA具有多種調(diào)控區(qū)域3、基因密度非常高，編碼區(qū)所占比例大；5、結(jié)構(gòu)基因沒有內(nèi)含子，多為單拷貝，rRNA基因?yàn)槎嗫截悾?、存在可移動(dòng)DNA序列第四十頁，共七十五頁。3.3.4真核生物基因組**特點(diǎn)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(gè)復(fù)制起始點(diǎn)3、mRNA為單順反子.4、含大量重復(fù)序列.非編碼序列占90%以上.5、轉(zhuǎn)錄和翻譯存在時(shí)空差異第四十一頁，共七十五頁。8、存在可移動(dòng)成分.類似細(xì)菌的:如玉米中發(fā)現(xiàn)的.類似逆轉(zhuǎn)錄病毒的:轉(zhuǎn)位機(jī)制需RNA介導(dǎo)7、功能相關(guān)的基因串聯(lián)在一起形成基因家族6、基因間有間隔區(qū)(spacerDNA),基因?yàn)閿嗔鸦?splitgene)即內(nèi)含子,外顯子.第四十二頁，共七十五頁。1978Gilbert真核生物基因的新概念

Exon(外顯子)DNA與成熟RNA間的對應(yīng)區(qū)域氨基酸的編碼區(qū)（aminoacidcodingregion）非間隔區(qū)（unspacer）

isanysegmentofaninterruptedgenethatisrepresentedinthematureRNAproduct3.3.4.2真核生物基因的結(jié)構(gòu)1、斷裂基因（splitgene）第四十三頁，共七十五頁。Intron(內(nèi)含子)isasegmentofDNAthatistranscribed,butremovedfromwithinthetranscriptbysplicingtogetherthesequences(exons)oneithersideofit.DNA與成熟RNA間的非對應(yīng)區(qū)域氨基酸的非編碼區(qū)（uncodingregion）間隔區(qū)（spacer）內(nèi)含子存在意義：保證或增強(qiáng)基因的穩(wěn)定表達(dá)；內(nèi)含子中包含有其他基因的編碼序列（即基因內(nèi)基因）。GT-AG法則：真核生物基因內(nèi)含子高度保守的一致序列：內(nèi)含子5`端大多數(shù)以GT開始，3`端大多數(shù)以AG結(jié)束，稱為GT-AG法則。此法則可用作真核基因中RNA剪接的識別信號。第四十四頁，共七十五頁。第四十五頁，共七十五頁。DNAXcDNAElectro-microscope7introns8exons第四十六頁，共七十五頁。PrecursormRNA(pre-mRNA)HeterogeneousnuclearRNA(HnRNA)真核生物基因的轉(zhuǎn)錄物又稱為真核生物基因又稱為SplitgeneInterruptedgene間隔基因，斷裂基因前體mRNA,核內(nèi)不均一RNA第四十七頁，共七十五頁。Pre-mRNAIntronsRemovedExonsjunctionsSplitgene第四十八頁，共七十五頁。SplitGene真核生物的結(jié)構(gòu)基因是由若干exon和intron相間隔排列的序列組成的間隔基因

l

SplitGene的普遍性a)在真核生物(inEukaryots)mostofstructuralgenetDNA,rDNAmtDNA,cpDNA第四十九頁，共七十五頁。b)在原核生物中(inProkaryots)SplitgeneisnothallmarkofeukaryoticgenesafewstructuralgenearesplitgenesSV40T抗原基因Tantigengenet抗原基因tantigengeneT4噬菌體胸線嘧啶合成酶基因(T4phagethyminesynthetasegene)第五十頁，共七十五頁。l

Splitgene

概念的相對性c)

并非真核生物所有的結(jié)構(gòu)基因均為splitgene

不是splitgeneb)

Exon

并非“表里如一”a)

Intron

并非“含而不露”YeastIntronIIofcyt.bgenecodingamaturase(成熟酶)人類尿激酶原基因ExonI不編碼氨基酸序列Histone（組蛋白）genefamilyInterferon（干擾素）geneYeast中多數(shù)基因第五十一頁，共七十五頁?！馭plitgene

存在的生物學(xué)意義

a)有利于遺傳的相對穩(wěn)定

mutationfrequency即使錯(cuò)誤剪接留下的intron部分也會被mRNA監(jiān)測系統(tǒng)降解，從而避免細(xì)胞病變和死亡。inintron>inexon

第五十二頁，共七十五頁。b)增加變異機(jī)率，有利于生物的進(jìn)化

不對稱交換形成splitgene

是生物體產(chǎn)生變異導(dǎo)致進(jìn)化的重要途徑之一splitgene（含有intron）

增加了基因的長度

增加了基因內(nèi)的重組交換幾率

有利于形成變異和生物多樣性

第五十三頁，共七十五頁。對intron不同方式的剪接，形成不同的基因產(chǎn)物

（5%isoformproteininmammalian）c)擴(kuò)大生物體的遺傳信息儲量鼠的兩個(gè)胰島素基因珠蛋白豆血紅蛋白亞鐵血紅素結(jié)合蛋白質(zhì)Heme-bindingprotein亞鐵血紅素結(jié)合功能域第五十四頁，共七十五頁。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)：18KDSV40T-抗原和t-抗原mRNA前體的不同剪接方式UAA第五十五頁，共七十五頁。2、

重復(fù)基因(Repetitivegene)

真核生物染色體DNA中存在著許多重復(fù)序列，根據(jù)DNA序列出現(xiàn)頻率的不同，可分為：單拷貝和低度重復(fù)序列、中度重復(fù)序列、高度重復(fù)序列。第五十六頁，共七十五頁。a)

高度重復(fù)序列(Highrepetitivesequence)satelliteDNA105-106

copies/genome多為串聯(lián)重復(fù)排列分布于著絲點(diǎn),端粒區(qū),結(jié)構(gòu)基因兩側(cè)

衛(wèi)星DNA定義：串聯(lián)集中分布在著絲點(diǎn)附近的異染色區(qū)的高度重復(fù)序列，一般不轉(zhuǎn)錄，可能與細(xì)胞分裂時(shí)染色體的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。分子標(biāo)記第五十七頁，共七十五頁。根據(jù)核心順序的長短分為衛(wèi)星DNA、小衛(wèi)星DNA、微衛(wèi)星DNA。高度重復(fù)序列的小峰第五十八頁，共七十五頁。小衛(wèi)星（minisatellite）

DNA：重復(fù)單位9-24bp，呈高度多態(tài)性?？勺償?shù)目串聯(lián)重復(fù)序列（variable

numberoftandemrepeat,VNTR）端粒DNA：（TTAGGG）n，2-20kb，

染色體復(fù)制，末端保護(hù)。核心序列GGGCAGGAXG；第五十九頁，共七十五頁。微衛(wèi)星DNA（microsatelliteDNA):重復(fù)單位為1~5bp,重復(fù)次數(shù)為10~60次，總長度小于150bp，常見以(AC)n和(TG)n二聚核苷酸為重復(fù)單位，1981年發(fā)現(xiàn)。在染色體DNA中散在分布，其數(shù)量可達(dá)五到十萬。高度多態(tài)性，可作遺傳標(biāo)記第六十頁，共七十五頁。b)中度重復(fù)序列重復(fù)次數(shù)10-105，約占基因組的35％AlufamilyrDNAtDNAHistonegenecluster0.1-1Kb/copy第六十一頁，共七十五頁。rDNAgenefamilyHistonegenefamilyH1H4H2BH3H2AT18sT5.8sT28s

NT

18sT5.8sT45sTobacco750copiesDrosophila100copies20s32s28s5.8s18s第六十二頁，共七十五頁。功能：可能參與hnRNA的加工與成熟。與遺傳重組及染色體不穩(wěn)定性有關(guān)。有形成Z-DNA的能力。可能具有轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)作用。還有許多其它家族如：KpnⅠ家族、Hinf家族、多聚dＴ-dＧ家族等。第六十三頁，共七十五頁。第六十四頁，共七十五頁。第六十五頁，共七十五頁。

c)

單拷貝和低度重復(fù)序列

(singlecopysequence,1-3copies)

低等