生物化學與分子生物學 第十三章真核基因與基因組

生物化學與分子生物學第三篇遺傳信息的傳遞

第三篇遺傳信息的傳遞真核基因與基因組DNA的生物合成DNA的損傷和修復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)導的分子機制22023/2/18中心法則（thecentraldogma）大多數(shù)生物的遺傳信息的傳遞的方向和規(guī)律生命科學的最基本原則概述1958年，F(xiàn).Crick提出32023/2/18中心法則里三個主要概念復制（replication）：以親代DNA為模板，合成子代DNA，將遺傳信息準確的從親代傳遞給子代。轉(zhuǎn)錄（transcription）：以DNA單鏈為模板，合成與DNA某段堿基序列互補的RNA分子，將遺傳信息從DNA傳遞給RNA的過程。翻譯（translation）：以mRNA為模板，指導蛋白質(zhì)的生物合成，由mRNA鏈上的遺傳密碼決定蛋白質(zhì)的氨基酸順序，這一過程被稱為翻譯。概述遺傳信息的儲存遺傳信息的表達42023/2/18基因表達：通過轉(zhuǎn)錄和翻譯，基因的遺傳信息在細胞內(nèi)合成了具有各種生理功能的RNA或蛋白質(zhì)概述DNA——遺傳信息的儲存者RNA——遺傳信息的傳遞者與體現(xiàn)者蛋白質(zhì)——遺傳信息的體現(xiàn)者52023/2/18中心法則的補充逆轉(zhuǎn)錄（reversetranscription）1970年，Temin和Baltimore分別從RNA病毒中發(fā)現(xiàn)以RNA為模板指導DNA的合成概述RNA自身的復制在某些病毒中發(fā)現(xiàn)62023/2/18第三篇遺傳信息的傳遞第十三章真核基因與基因組第一節(jié)真核基因的結(jié)構(gòu)與功能第二節(jié)真核基因組的結(jié)構(gòu)與功能DNA是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)1944年，Avery將有毒型肺炎雙球菌DNA與無毒型肺炎雙球菌一起培養(yǎng)結(jié)果：使無毒型肺炎雙球菌轉(zhuǎn)變?yōu)橛卸拘头窝纂p球菌。其原因就是有毒型肺炎雙球菌DNA進入無毒型肺炎雙球菌中，引起其遺傳性狀改變。結(jié)論：“轉(zhuǎn)化因子”就是DNA。Avery等人的試驗和結(jié)論是對DNA認識史上的一次重大突破，徹底改變了它在生物體內(nèi)無足輕重的傳統(tǒng)觀念。1877-195582023/2/18Avery的肺炎雙球菌DNA轉(zhuǎn)化實驗92023/2/18基因就是具有生物學功能的DNA片段。概述基因（gene）：是為蛋白質(zhì)或RNA編碼的DNA功能片段是以堿基排列順序的方式儲存的遺傳信息102023/2/18GeneIX112023/2/18DNA與染色體122023/2/18DNA與細胞132023/2/18基因的位置記述一特定帶時，需要寫明4個內(nèi)容：染色體號，長臂(q)短臂(p)，區(qū)的號序和帶的號序。這些內(nèi)容按順序?qū)?，不用間隔或加標點。如果某一帶被再細分，在原帶號數(shù)后加一小數(shù)點，編號原則仍按從著絲粒往臂端序貫編號。如1q21.2代表一號染色體長臂2區(qū)1帶第2亞帶142023/2/18基因的功能記載遺傳信息利用堿基的不同排列荷載遺傳信息。傳遞遺傳信息通過復制將遺傳信息穩(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。152023/2/18真核基因的基本結(jié)構(gòu)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)稱為基因組構(gòu)（geneorganization）。編碼區(qū)序列（codingregionsequence

）非編碼序列（non-codingsequence）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162023/2/18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。轉(zhuǎn)錄起始位點（+1）1977年，RJRoberts和PASharp提出，1993年獲得諾貝爾生理學與醫(yī)學獎。172023/2/18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)。182023/2/18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調(diào)控序列參與真核基因表達調(diào)控192023/2/18順式作用元件位于基因轉(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。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202023/2/181.啟動子提供轉(zhuǎn)錄起始信號啟動子是DNA分子上能夠介導RNA聚合酶結(jié)合并形成轉(zhuǎn)錄起始復合體的序列。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。212023/2/18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)。222023/2/18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。232023/2/18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時對基因的轉(zhuǎn)錄起阻遏作用，使基因沉默。3.沉默子是負調(diào)節(jié)元件242023/2/18第二節(jié)真核基因組的結(jié)構(gòu)域功能基因組學概念及范疇基因組(genome)泛指一個有生命體、病毒或細胞器的全部遺傳物質(zhì)；在真核生物，基因組是指一套染色體（單倍體）DNA。包括細胞核與線粒體。基因組學(genomics)就是發(fā)展和應(yīng)用DNA制圖、測序新技術(shù)以及計算機程序，分析生命體（包括人類）全部基因組結(jié)構(gòu)及功能。262023/2/18人的基因組的構(gòu)成GeneIX書P275圖13-4272023/2/18TypesofsequencesinthehumangenomeLehninger's.Principles.of.Biochemistry.4th45%轉(zhuǎn)座子LINE：longinterspersedelement6to8kbp（3.5-5kb）SINE：shortinterspersedelement100to300bp（300-500bp）25%其它重復序列和間隔序列SSR:simple-sequencerepeatsSD:largesegmentalduplications30%基因

30億堿基對，2-2.5萬個基因60%基因有可變剪接體80%的可變剪接造成不同的蛋白產(chǎn)物蛋白組：5-6萬個不同蛋白282023/2/18真核基因組中存在大量重復序列高度重復序列（highlyrepetitivesequence）中度重復序列（moderatelyrepetitivesequence）單拷貝序列（singlecopysequence）或低度重復序列292023/2/18（一）高度重復序列主要存在于染色體的著絲粒區(qū)域，重復單位一般由2～10bp組成，成串排列，在人基因組中約占5%～6%。重復頻率可達106以上，不編碼蛋白質(zhì)或RNA。反向重復序列（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，重復單位長度約300bp，多數(shù)散在于基因組中，總長度約占人基因組的5％。分類：302023/2/18參與復制水平的調(diào)節(jié)

存在于DNA復制起點區(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)。高度重復序列的功能312023/2/18（二）中度重復序列重復數(shù)十至數(shù)千次,大多數(shù)與單拷貝基因間隔排列。短分散重復片段長分散重復片段平均長度約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。322023/2/18重復達30~50萬次，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)重復存在于人基因組中重復序列中含有限制性內(nèi)切酶HinfI的位點。Hinf家族332023/2/18rRNA基因重復序列屬于中度重復序列各重復單位中的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基因的重復單位。5SrRNA基因似乎全部位于1號染色體，每個單倍體基因組約有1000個5SrRNA基因。342023/2/18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。單拷貝序列（低度重復序列）352023/2/18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?；蚣易宓牟煌蓡T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。362023/2/18GeneIX基因家族與基因個數(shù)比較372023/2/18GeneIX小鼠基因組中的基因和假基因（Pseudogenes）382023/2/18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。392023/2/18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。402023/2/18酵母大腸桿菌果蠅線蟲小鼠研究中使用的五種“模式生物”412023/2/18ModelorganismssequencedDatesequencedaSpeciesTotalbasesb7/28/1995Haemophilisinfluenzae(流感嗜血桿菌)1,830,13810/30/1995Mycoplasmagenitalium(生殖支原體)580,0735/29/1997Saccharomycescerevisiae(釀酒酵母)12,069,2479/5/1997Escherichiacoli(大腸桿菌)4,639,22111/20/1997Bacillussubtillis(枯草芽胞桿菌)4,214,81412/31/1998Caenorhabditiselegans(秀麗線蟲)97,283,3713/24/2000Drosophilamelanogaster(果蠅)?137,000,00012/14/2000Arabidopsisthaliana(擬南芥)?115,400,0001/26/2001Oryzasativa(水稻)?430,000,0002/15/2001Homosapiens(人)?3,200,000,000SOURCE:"ModelOrganismsSequenced,"inGenetics,vol.2,E–I,MacmillanReferenceUSA,GaleGroup,2002422023/2/18

分類生物基因組大?。▔A基對）病毒噬菌體Φ-