基因概念的教案

基因概念的教案第1頁(yè)/共120頁(yè)2.7基因概念的多樣性一、C值矛盾（C-valueparadox）

基因組（genome）

核基因組（nucleicgenome）核外基因組（extranucleicgenome

）

線粒體基因組（mitochondrialgenome）葉綠體基因組（chloroplastgenome）第2頁(yè)/共120頁(yè)2.7基因概念的多樣性一、C值矛盾（C-valueparadox）

基因組（genome）

第3頁(yè)/共120頁(yè)基因數(shù)目與物種的關(guān)系基因數(shù)目的多少大致上與物種進(jìn)化的復(fù)雜性相關(guān)；在高等動(dòng)植物中，巨大的基因組并不意味著有巨量的基因數(shù)目。人類究竟有多少個(gè)基因？理論上：根據(jù)基因組的大小，可具有10萬個(gè)基因，實(shí)際上：大約3－4萬個(gè)?！吧矬w的復(fù)雜性并不是簡(jiǎn)單地與基因數(shù)量相關(guān)聯(lián)的?！?G.Rubin)

第4頁(yè)/共120頁(yè)人類基因組線粒體基因組(16.6kb)核基因組(3200Mb)基因外序列基因和基因有關(guān)序列約10%約90%專一或中等重復(fù)序列Non-codingDNA假基因內(nèi)含子基因片段<10%>90%專一的或低拷貝數(shù)序列中度至高度重復(fù)序列20~30%70~80%分散重復(fù)序列串聯(lián)重復(fù)序列/成簇重復(fù)序列約60%約40%蛋白編碼基因rRNA基因tRNA基因CodingDNA第5頁(yè)/共120頁(yè)第6頁(yè)/共120頁(yè)C值的資料表明，在不同的門中C值的變化是很大的。相對(duì)比較簡(jiǎn)單的單細(xì)胞真核生物象啤酒酵母，其基因組就有1.75×107bp大約是細(xì)菌（E.Coli）基因組的3-4倍。最簡(jiǎn)單的多細(xì)胞生物秀麗隱桿線蟲其基因組有8×107bp，大約是酵母的4倍。生物的復(fù)雜性和其DNA含量之間有較好的相關(guān)性第7頁(yè)/共120頁(yè)但在其它的一些門中，這種相關(guān)性有的并不存在實(shí)際上一個(gè)門中的C值變化并沒有一定的規(guī)律。例如在哺乳類、鳥類和爬行類的C值變化范圍都很小，而在兩棲類中這種變化范圍增大，而植物的C值變化范圍更為寬廣，常成倍成倍地增加。

C值和生物結(jié)構(gòu)或組成的復(fù)雜性不一致的現(xiàn)象稱為C值矛盾(C-valueparadox)。TheC-valueparadoxdescribesthelackofrelationshipbetweentheDNAcontent(C-value)ofanorganismanditscodingpotential.第8頁(yè)/共120頁(yè)目前還不能完全解釋這種矛盾：

在一定意義上說，生物類群中C值變化范圍寬就意味著在某些生物中有些DNA是冗余的，不能編碼有功能的活性物質(zhì)。DNA總量變化范圍的產(chǎn)生至少有一個(gè)原因，即在染色體上存在著不同數(shù)目的重復(fù)順序，這些重復(fù)順序是不表達(dá)的。第9頁(yè)/共120頁(yè)二、細(xì)菌的基因組及特點(diǎn)（一）組成：細(xì)菌染色體和質(zhì)粒（二）細(xì)菌基因組的特征

1.

基因組相對(duì)較?。ㄈ鏓coli,4.6×106bp，4000個(gè)基因），只有一個(gè)復(fù)制啟始位點(diǎn)。

2.具有操縱子結(jié)構(gòu)：功能上相關(guān)的幾個(gè)基因往往在一起組成操縱子結(jié)構(gòu)，即幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起，受它們上游的共同調(diào)控區(qū)控制。當(dāng)基因開放時(shí)，這幾個(gè)基因轉(zhuǎn)錄在一條mRNA鏈上，然后分別翻譯合成各自的蛋白肽鏈。操縱子的末端具有特殊的終止序列。第10頁(yè)/共120頁(yè)3.基因是連續(xù)的：結(jié)構(gòu)基因中沒有內(nèi)含子（intron）成分，在轉(zhuǎn)錄后不需剪接加工，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的壽命較短。4.大部分DNA是用于編碼蛋白質(zhì)的，只有一小部分是不翻譯的。不翻譯區(qū)中含有間隔區(qū)（Spacer）和基因表達(dá)的調(diào)控序列。

5.基因組中僅有少數(shù)基因存在基因重疊現(xiàn)象。

6.結(jié)構(gòu)基因是單拷貝，rRNA基因是多拷貝。第11頁(yè)/共120頁(yè)（三）質(zhì)粒(plasmid)質(zhì)粒:是細(xì)菌染色體外能夠進(jìn)行自主復(fù)制的遺傳單位

，是環(huán)狀閉合的雙鏈DNA。緊密控制型（stringentcontrol）質(zhì)粒:只在細(xì)胞周期的一定階段進(jìn)行復(fù)制，通常每個(gè)細(xì)胞內(nèi)只含有一個(gè)或幾個(gè)質(zhì)粒分子松弛控制型（relaxedcontrol）質(zhì)粒:在整個(gè)細(xì)胞周期中隨時(shí)可以復(fù)制，在每個(gè)細(xì)胞中有許多拷貝，一般在20個(gè)以上。在細(xì)胞培養(yǎng)過程中，加適當(dāng)氯霉素可使松弛型質(zhì)粒的拷貝數(shù)由原來的20多個(gè)擴(kuò)增至1000-3000個(gè)。第12頁(yè)/共120頁(yè)（三）質(zhì)粒(plasmid)質(zhì)?；蚩删幋a多種重要的生物學(xué)性狀：1)致育質(zhì)粒（F質(zhì)粒）與有性生殖功能關(guān)聯(lián)2)耐藥性質(zhì)粒編碼細(xì)菌對(duì)抗菌藥物或重金屬鹽類的耐藥性。分兩類，一是接合性耐藥質(zhì)粒（R質(zhì)粒），另一是非接合耐藥性質(zhì)粒3)毒力質(zhì)粒（Vi質(zhì)粒）編碼與該菌致病性有關(guān)的毒力因子4)細(xì)菌素質(zhì)粒編碼細(xì)菌產(chǎn)生細(xì)菌素5)代謝質(zhì)粒編碼產(chǎn)生相關(guān)的代謝酶。第13頁(yè)/共120頁(yè)質(zhì)粒具有自我復(fù)制的能力質(zhì)粒DNA所編碼的基因產(chǎn)物賦予細(xì)菌某些性狀特征質(zhì)?？勺孕衼G失與消除質(zhì)粒的轉(zhuǎn)移性質(zhì)?？煞譃橄嗳菪耘c不相容性兩種質(zhì)粒DNA的特征第14頁(yè)/共120頁(yè)四、病毒基因組的特點(diǎn)

1．每種病毒只有一種核酸，或者DNA，或者RNA

2．病毒核酸大小差別很大，3X103一3X106bp如：最小的3kb（乙肝），僅編碼4種蛋白質(zhì)最大的可達(dá)300kb以上（痘病毒

），有幾百個(gè)基因。一般DNA病毒較大，RNA病毒較小。3．除了反轉(zhuǎn)錄病毒以外，一切病毒基因組都是單倍體，每個(gè)基因在病毒顆粒中只出現(xiàn)一次。反轉(zhuǎn)錄病毒基因組有兩個(gè)拷貝。

第15頁(yè)/共120頁(yè)4．大部份病毒核酸是由一條雙鏈或單鏈分子(RNA或DNA)，僅少數(shù)RNA病毒由幾個(gè)核酸片段組成5．噬菌體（細(xì)胞病毒）的基因是連續(xù)的；而真核細(xì)胞病毒的基因是不連續(xù)的，具有內(nèi)含子，除了正鏈RNA病毒之外，真核細(xì)胞病毒的基因都是先轉(zhuǎn)錄成mRNA前體，再經(jīng)加工才能切除內(nèi)含子成為成熟的mRNA。噬菌體基因組中無內(nèi)含子，但感染真核細(xì)胞的病毒基因組中具有內(nèi)含子（SV40早期基因T和t）第16頁(yè)/共120頁(yè)6．有重疊基因（同ORF重疊、異ORF重疊和反ORF重疊）7.大部分DNA用于編碼蛋白質(zhì)，只有一小部分是不翻譯的。不翻譯區(qū)通常是基因表達(dá)的調(diào)控序列8.調(diào)控序列可以被宿主細(xì)胞所識(shí)別，其遺傳密碼和基因組的結(jié)構(gòu)必須與宿主體系相匹配第17頁(yè)/共120頁(yè)五、真核生物基因組的特點(diǎn)1.基因組含有更大的DNA分子，以染色體形式儲(chǔ)存于細(xì)胞核內(nèi)，除配子細(xì)胞外，體細(xì)胞內(nèi)的基因的基因組是雙份的。但應(yīng)注意：（1）并非生物越高等，基因組越大。即并非進(jìn)化的復(fù)雜程度與DNA含量成正比。如某些植物和兩棲類的DNA含量是人的幾十乃至上百倍。（2）同一類復(fù)雜性差不多，形態(tài)也相似的生物，理論上其基因組也應(yīng)比較接近，其實(shí)不然。如同是兩棲類可相差十倍以上。（3）基因組中DNA的量遠(yuǎn)大于編碼蛋白質(zhì)所需要的量。第18頁(yè)/共120頁(yè)2.基因組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有多個(gè)復(fù)制啟始位點(diǎn)，但每個(gè)復(fù)制子的長(zhǎng)度較小。3.基因是不連續(xù)的。4.轉(zhuǎn)錄單位一般是單順反子的。即一個(gè)基因一種mRNA一種蛋白質(zhì)，但蛋白質(zhì)的最終產(chǎn)物可因剪接方式的不同而有差異第19頁(yè)/共120頁(yè)6.存在多基因家族和超基因家族

7.基因類型多樣8.DNA序列組織的可變性：DNA序列從胚胎到成人并非一成不變。如B細(xì)胞成熟過程中Ig基因結(jié)構(gòu)的重排及TCR基因在分化過程中的重排5.存在重復(fù)序列(repetitivesequence)

第20頁(yè)/共120頁(yè)五、真核生物基因組的特點(diǎn)第21頁(yè)/共120頁(yè)第22頁(yè)/共120頁(yè)Genetics與Genomics第23頁(yè)/共120頁(yè)水生動(dòng)物基因組:對(duì)1600多種魚類及其他少數(shù)水產(chǎn)動(dòng)物研究表明:水生動(dòng)物基因組大小差異很大:多數(shù)魚類/甲殼類單倍體染色體數(shù)為20—25,相當(dāng)于人類基因組大小的50%--70%鯉科和鮭科某些魚類達(dá)100條染色體(四倍體化)斑馬魚的基因組研究中,構(gòu)建了多個(gè)基因圖譜斑馬魚的基因組測(cè)序已經(jīng)完成第24頁(yè)/共120頁(yè)水生動(dòng)物基因組:第25頁(yè)/共120頁(yè)水生動(dòng)物基因組:ZebrafishTheZebrafishInformationNetworkWellconceived,easilynavigatedtroveofzebrafishinfoTheInteractiveAtlasofZebrafishVascularAnatomyExtraordinarydevelopmental-biologysite,featuredinScience'sNetWatchcolumn,offeringviewsof"thecompletevascularanatomyofthedevelopingzebrafish."WashU-ZebrafishGenomeResourcesProject第26頁(yè)/共120頁(yè)水生動(dòng)物基因組:美國(guó)農(nóng)業(yè)部在上世紀(jì)90年代初已開始資助個(gè)別水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物的基因組研究并在1997年9月正式啟動(dòng)了較為全面的水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物的基因組計(jì)劃選5種水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物斑點(diǎn)叉尾(Ictaluruspunctatus)虹鱒(Onchorhynchusmykiss)羅非魚(Oreochromisniloticus)太平洋對(duì)蝦(Penaeusvannamei)牡蠣(Crassostreagigas)第27頁(yè)/共120頁(yè)水生動(dòng)物基因組:我國(guó)特有的養(yǎng)殖對(duì)象如鯉、草魚(Ctenopharyngodonidellus)鰱和鳙(Aristichthysnobilis)等的基因組要由中國(guó)自己來完成我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物的基因組研究對(duì)象多數(shù)將是我國(guó)特有的養(yǎng)殖種類,難以直接從發(fā)達(dá)國(guó)家的同類研究中獲得可借鑒的資源第28頁(yè)/共120頁(yè)水生動(dòng)物基因組:鯉魚:100條染色體我國(guó)學(xué)者已經(jīng)建立了50多個(gè)連鎖群,覆蓋5789cM基因組第29頁(yè)/共120頁(yè)水生動(dòng)物基因組:對(duì)羽管狀海洋生物佛羅里達(dá)文昌魚（Branchiostomafloridae）基因組的最新分析表明，5.5億年以來進(jìn)化進(jìn)程中脊椎動(dòng)物比原始祖先的基因組多出四倍的拷貝量，對(duì)文昌魚的基因組分析為此結(jié)論提供了證據(jù)。2008年6月19日,Nature上發(fā)表了文昌魚的基因組序列第30頁(yè)/共120頁(yè)線蟲基因組果蠅基因組小鼠基因組大鼠基因組人類基因組?；蚪M豬基因組綿羊基因組家蠶基因組家雞基因組狗基因組第31頁(yè)/共120頁(yè)/第32頁(yè)/共120頁(yè)結(jié)構(gòu)基因組學(xué)

基因組研究的第一階段工作，功能基因組學(xué)的基礎(chǔ)；其主要目標(biāo)是繪制生物的遺傳圖、物理圖、轉(zhuǎn)錄圖和序列圖。第33頁(yè)/共120頁(yè)

各基因或DNA標(biāo)記之間精確距離的圖譜；反映的是DNA序列上兩點(diǎn)之間的實(shí)際距離

物理圖譜（physicalmap）繪制第34頁(yè)/共120頁(yè)物理圖譜方法：原位雜交（Insituhybridization）

原理：

DNA標(biāo)記探針與染色體同源位置雜交結(jié)合，經(jīng)同位素自顯影或熒光顯微鏡可顯示出相應(yīng)雜交部位。第35頁(yè)/共120頁(yè)

遺傳圖譜（geneticmap）繪制稱連鎖圖譜（linkagemap），基因或DNA標(biāo)記之間連鎖關(guān)系和染色體定位圖譜；利用兩點(diǎn)的重組程度，反映兩點(diǎn)之間連鎖關(guān)系。第36頁(yè)/共120頁(yè)豬12號(hào)染色體的物理圖譜遺傳圖譜與物理圖譜的區(qū)別基因排列順序一致位置并不一一對(duì)應(yīng)第37頁(yè)/共120頁(yè)

基因表達(dá)譜（geneexpressionprofile）

處于某一特定狀態(tài)下的細(xì)胞或組織cDNA文庫(kù)，收集cDNA序列片段，定性、定量分析其mRNA群體組成，描繪出該特定細(xì)胞或組織在特定狀態(tài)下基因表達(dá)種類（ESTs）和豐度信息。由此編制成的數(shù)據(jù)表稱為基因表達(dá)譜。從分子水平反映細(xì)胞或組織特異性表型和表達(dá)模式第38頁(yè)/共120頁(yè)序列圖（Sequencemap）通過基因組測(cè)序得到的堿基排列次序?；蚪M計(jì)劃的最終目標(biāo)。第39頁(yè)/共120頁(yè)第40頁(yè)/共120頁(yè)第41頁(yè)/共120頁(yè)第42頁(yè)/共120頁(yè)六、基因類型的多樣性(一)重疊基因(overlappinggene)Agenewhosesequenceoverlapsthatofanothergeneinthesameoradifferentreadingframe.指在同一段DNA順序上，由于閱讀框架不同或終止早晚不同，同時(shí)編碼兩個(gè)以上基因的現(xiàn)象第43頁(yè)/共120頁(yè)重疊基因的發(fā)現(xiàn)重疊基因是1977年Sanger在研究ΦX174時(shí)發(fā)現(xiàn)的。ΦX174是一種單鏈DNA病毒，宿主為大腸桿菌，因此，又是噬菌體。第44頁(yè)/共120頁(yè)ΦX174感染大腸桿菌后共合成11個(gè)蛋白質(zhì)分子，總分子量為25萬左右，相當(dāng)于6078個(gè)核苷酸所容納的信息量。而該病毒DNA本身只有5375個(gè)核苷酸，最多能編碼總分子量為20萬的蛋白質(zhì)分子，Sanger在弄清ΦX174的11個(gè)基因中有些是重疊的之前,這樣一個(gè)矛盾長(zhǎng)時(shí)間無法解決。第45頁(yè)/共120頁(yè)重疊方式:（1）一個(gè)基因完全在另一個(gè)基因里面。如基因Ａ和Ｂ是兩個(gè)不同基因，而Ｂ包含在基因Ａ內(nèi)。同樣，基因Ｅ在基因Ｄ內(nèi)。

（2）部分重疊。這些重疊的基因具有不同的讀碼框架（3）兩個(gè)基因只有一個(gè)堿基重疊。如基因Ｄ的終止密碼子的最后一個(gè)堿基是Ｊ基因起始密碼子的第一個(gè)堿基(如TAATG)。第46頁(yè)/共120頁(yè)Howoverlappinggenescanoperate:

Transcriptaselooksforany"AUG"startcodons:

第47頁(yè)/共120頁(yè)

b.Itbeginsreadingthereandintripletreadingframesfromthereafteruntilitreachesoneofthe"stop"codons.第48頁(yè)/共120頁(yè)這些重疊基因盡管它們的DNA大部分相同，但是由于將mRNA翻譯成蛋白質(zhì)時(shí)的讀框不一樣產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子往往并不相同。第49頁(yè)/共120頁(yè)有些重疊基因讀框相同，只是起始部位不同如SV40DNA基因組中，編碼三個(gè)外殼蛋白VP1、VP2、VP3基因之間有122個(gè)堿基的重疊但密碼子的讀框不一樣而小t抗原完全在大T抗原基因里面，它們有共同的起始密碼子。第50頁(yè)/共120頁(yè)第51頁(yè)/共120頁(yè)第52頁(yè)/共120頁(yè)同向重疊基因:重疊基因分布在同一DNA區(qū)域的同一單鏈上AB重疊基因種類第53頁(yè)/共120頁(yè)反向重疊基因:重疊基因分布在同一DNA區(qū)域的不同單鏈上

AB第54頁(yè)/共120頁(yè)OverlappinggenestructureofhumanVLCADandDLG4

GeneVol305,2,2003,Pages161-166

DuringanalysisoftheVLCADpromoter,wediscoveredthatanothergene,discs-large-related4(DLG4),overlapsVLCADandistranscribedintheoppositedirection.AhighfrequencyofoverlappinggeneexpressionincompactedeukaryoticgenomesPNAS,August2,2005vol.102no.31:10936-41真核生物中的重疊基因MakalowskaI,LinCF,HernandezK.Birthanddeathofgeneoverlapsinvertebrates.BMCEvolBiol.2007Oct16;7(1):193第55頁(yè)/共120頁(yè)重疊基因的生物學(xué)意義基因的重疊性使有限的DNA序列包含了更多的遺傳信息，是生物對(duì)它的遺傳物質(zhì)經(jīng)濟(jì)而合理的利用。豐富和發(fā)展了基因的概念第56頁(yè)/共120頁(yè)重復(fù)基因即在基因組中有多個(gè)拷貝的基因在真核生物基因組中發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象，真核生物中的重復(fù)基因可以達(dá)到30%重復(fù)基因主要是為了滿足生物體快速發(fā)育的需要。當(dāng)基因產(chǎn)物的需求量很大時(shí)，一個(gè)基因可以產(chǎn)生大量的串聯(lián)重復(fù)

第57頁(yè)/共120頁(yè)IfeukaryoticDNAismeltedandallowedtore-anneal,itdoessoin3distinctphasesTheexplanationisthatthereishighlyrepetitiveDNA(whichre-annealsquickly)moderatelyrepetitiveDNA(intermediate)anduniqueorsinglecopyDNA(re-annealsslowly)UniqueandrepeatedDNA第58頁(yè)/共120頁(yè)DNAmelting第59頁(yè)/共120頁(yè)第一部分：快速?gòu)?fù)性部分，占基因組DNA摩爾分?jǐn)?shù)的25％，在Cot值10-4-2×10-2范圍內(nèi)復(fù)性第二部分：中速?gòu)?fù)性部分，占基因組DNA摩爾分?jǐn)?shù)的30％，在Cot值0.2-102范圍內(nèi)復(fù)性第三部分：慢速?gòu)?fù)性部分，占基因組DNA摩爾分?jǐn)?shù)的45％，在Cot值80-104范圍內(nèi)復(fù)性第60頁(yè)/共120頁(yè)C0t1/2（任何基因組DNA）任何基因組DNA的復(fù)雜性=C0t1/2（大腸桿菌DNA）4.2X106bp

任何基因組DNA的復(fù)雜性

4.2X106bp×C0t1/2（任何基因組DNA）=C0t1/2（大腸桿菌DNA）

第61頁(yè)/共120頁(yè)第62頁(yè)/共120頁(yè)重復(fù)序列分類1）高度重復(fù)序列（>105次）

（1）衛(wèi)星DNA：根據(jù)長(zhǎng)度可將其分為3類

★衛(wèi)星（satellite）DNA：重復(fù)長(zhǎng)度5-10bp，其在人群中多態(tài)性不強(qiáng)。

第63頁(yè)/共120頁(yè)重復(fù)序列分類

衛(wèi)星DNA(Satellite)CsCl超高速離心第64頁(yè)/共120頁(yè)★小衛(wèi)星DNA(minisatellite)或不同數(shù)目的串聯(lián)重復(fù)(VNTR,variablenumberoftandemrepeats)

：重復(fù)長(zhǎng)度15-70bp，其在人群中有高度的特異性。

DNA指紋

第65頁(yè)/共120頁(yè)DNAfingerprintingAnapplicationofrepeatedDNAsequencesfoundinmammaliangenomesHighlyvariablebetweenindividualsNo2peoplearethesame,exceptidenticaltwins第66頁(yè)/共120頁(yè)第67頁(yè)/共120頁(yè)★微衛(wèi)星DNA（簡(jiǎn)單串聯(lián)重復(fù)序列）：（microsatelliteDNA，又稱為STRshorttandemrepeat短串聯(lián)重復(fù)序列）

MicrosatelliteDNA2-10bp/copy105-106

copies/genomeC0t(1/2)<0.001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)

heterochromatin第68頁(yè)/共120頁(yè)微衛(wèi)星DNA由于核心序列重復(fù)數(shù)目的變化而在群體中呈現(xiàn)出遺傳多態(tài)性但在同一家系內(nèi)具有高度的遺傳保守性，以孟德爾方式遺傳散布于整個(gè)基因組中。第69頁(yè)/共120頁(yè)微衛(wèi)星DNASequenceinsatelliteDNASeacrab2ATATAT…..Drosophila5ATAATATAAT…..Mouse9GAAAAATGAGAAAAATGAbpofrepeatunit

sequence第70頁(yè)/共120頁(yè)高度重復(fù)順序的功能:

a.參與復(fù)制水平的調(diào)節(jié)。

b.參與基因表達(dá)的調(diào)控

c.參與轉(zhuǎn)位作用

d.與進(jìn)化有關(guān)

e.DNA指紋

f.α衛(wèi)星DNA成簇的分布在染色體著絲粒附近，可能與染色體減數(shù)分裂時(shí)染色體配對(duì)有關(guān)第71頁(yè)/共120頁(yè)微衛(wèi)星DNA的應(yīng)用遺傳作圖:例如:魚類微衛(wèi)星DNA的分離在過去幾年中進(jìn)展很快,在羅非魚的人工雌核發(fā)育個(gè)體中,已用微衛(wèi)星DNA標(biāo)記檢測(cè)到父本精子小片段遺傳物質(zhì)整合的影響應(yīng)用微衛(wèi)星和AFLP指紋技術(shù)構(gòu)建了尼羅羅非魚包含全部22條染色體的遺傳連鎖圖(Kocher等,1998)系譜確證遺傳多樣性估計(jì)標(biāo)記輔助選擇第72頁(yè)/共120頁(yè)2)

中度重復(fù)序列

(middlerepetitivesequence)0.1-1Kb/copy10-104

copies/genomeC0t(1/2)

~0.001-0.1rDNAtDNAAlufamilyHistonegenecluster第73頁(yè)/共120頁(yè)多基因家族（multigenefamily）：亦稱基因家族。是指一組具有類似功能，核苷酸序列又有同源性的基因。

★分類：

▲按基因的終產(chǎn)物分為兩類：一類編碼RNA，另一類編碼蛋白質(zhì)。

▲按在基因組中的分布分為兩類：一類串聯(lián)排列在一起，形成基因簇，亦稱串聯(lián)重復(fù)基因。另一類家族成員則可以分散在不同的部位上。（2）超基因家族（supergenefamily）：由多基因家族及單基因組成的更大的基因家族。成員間有不同程度的同源，但它們的功能并不相似，這是與多基因家族的差別所在。如Ig超家族。

第74頁(yè)/共120頁(yè)rDNAgenefamilySeaurchin450copiesTobacco750copiesDrosophila100copiesHistonegenefamilyH1H4H2BH3H2AT18sT5.8sT28s

NT

18sT5.8sT20s32s28s5.8s45s41s18s第75頁(yè)/共120頁(yè)★Alu家族：平均每6kb就有一個(gè)，Alu家族是哺乳動(dòng)物包括人基因組中含量最豐富的一種中度重復(fù)順序家族，在單倍體人基因組中重復(fù)達(dá)30萬-50萬次，約占人基因組的3-6％。Alu家族每個(gè)成員的長(zhǎng)度約300bp，由于每個(gè)單位長(zhǎng)度中有一個(gè)限制性內(nèi)切酶Alu的切點(diǎn)（AG↓CT）從而將其切成長(zhǎng)130和170bp的兩段，因而定名為Alu序列（或Alu家族）

第76頁(yè)/共120頁(yè)真核生物的Alufamily30,0000copies廣泛分布于非重復(fù)序列間300bp300bp300bp6000bp6000bp6000bp6000bp第77頁(yè)/共120頁(yè)第78頁(yè)/共120頁(yè)★Alu家族：

Alu順序具有種的特異性，功能尚不清楚?？赡茉趆nRNA轉(zhuǎn)錄和加工中起作用遺傳重組及染色體不穩(wěn)定性有關(guān)人類質(zhì)粒（humanplasmid）:最近發(fā)現(xiàn)在人的組織細(xì)胞中存在自然發(fā)生的染色體外雙鏈環(huán)狀DAN，被稱為人類質(zhì)粒，而這些質(zhì)粒又毫無例外地含有Alu順序

形成Z-DNAheterogeneousnuclearRNA,核內(nèi)不均一RNAhnRNA是mRNA的未成熟前體第79頁(yè)/共120頁(yè)★KpnⅠ家族：人類和靈長(zhǎng)類DNA經(jīng)KpnⅠ酶解后，產(chǎn)生4個(gè)片段（1.2、1.5、1.8、1.9kb），這些就被命名為KpnⅠ家族。人類基因組中的KpnⅠ序列約在3-6%，也是散在分布的。功能尚不清楚。第80頁(yè)/共120頁(yè)

組蛋白基因在各種生物體內(nèi)重復(fù)的次數(shù)不一樣，但都在中度重復(fù)的范圍內(nèi)。通常每種組蛋白的基因在同一種生物中拷貝數(shù)是相同的。雞的基因組中組蛋白基因有10個(gè)拷貝，在哺乳動(dòng)物中為20拷貝，非洲爪蟾為40拷貝，而海膽的每種組蛋白的基因達(dá)300-600拷貝。第81頁(yè)/共120頁(yè)

組蛋白基因組蛋白基因不同物種中，基因的排列次序、轉(zhuǎn)錄方向和間隔區(qū)都不同。第82頁(yè)/共120頁(yè)倒位（反向）重復(fù)序列又稱零時(shí)復(fù)性部分，重復(fù)單位約長(zhǎng)300bp，兩個(gè)單位之間有一平均1.6kb的片段相隔，多數(shù)散布于基因組中。較復(fù)雜的重復(fù)單位組成的重復(fù)順序靈長(zhǎng)類所獨(dú)有，用HindⅢ消化非洲綠猴DNA，可以得到重復(fù)單位為172bp的高度重復(fù)順序，這種順序大部份由交替變化的嘌呤和嘧啶組成，又稱為α衛(wèi)星DNA。第83頁(yè)/共120頁(yè)StructureofrepetitivesequenceofDNADRdirectrepeatsIRInvertedrepeatsATCGGCTATAGCCGATBilateralsymmetryATCGNNNNNGCTATAGCNNNNNCGATBilateralsymmetryATCGATCGATCGTAGCTAGCTAGCTandemdirectrepeatsATCGNNNATCGNNNNNNATCGTAGCNNNTAGCNNNNNNTAGCDisperseddirectrepeatsATCGNNNNNCGATTAGCNNNNNGCTAStem-looppalindromeAAGCTTTTCGAAHindIIIRE第84頁(yè)/共120頁(yè)重復(fù)序列形成的原因1.不均等交換(unequalcrossover):考慮一個(gè)具有末端“X”和“Y”的由重復(fù)單位“ab”組成的序列。這兩個(gè)“等位”序列之間的準(zhǔn)確排列將是:xababababababababababababababababyxababababababababababababababababy但是在一條染色體上的任何ab很可能會(huì)與另一條染色體上的任何ab序列配對(duì)，從而產(chǎn)生錯(cuò)排，如：xababababababababababababababababy

xababababababababababababababababy第85頁(yè)/共120頁(yè)第86頁(yè)/共120頁(yè)第87頁(yè)/共120頁(yè)2.跳躍復(fù)制saltatoryreplication產(chǎn)生某些序列大量拷貝的偶然單向擴(kuò)增原理:在某一特定時(shí)刻可能由于某種原因使一個(gè)DNA序列突然橫向擴(kuò)增隨后,由于突變的積累,使個(gè)重復(fù)單位失去了同一性,然后再經(jīng)歷一次跳躍復(fù)制,出現(xiàn)更長(zhǎng)的重復(fù)單位,….第88頁(yè)/共120頁(yè)2.跳躍復(fù)制saltatoryreplicationCAACMutationin4siteInsertCInserttriplemutationSaltatoryreplication9bprepeat27bprepeat58bprepeat58bprepeat116bprepeat第89頁(yè)/共120頁(yè)3)滾環(huán)擴(kuò)增—突變(Amplification-Mutation)

Mutationinsertioncyclingamplification5‘切離環(huán)化3‘3‘3‘滾環(huán)復(fù)制第90頁(yè)/共120頁(yè)4)反轉(zhuǎn)座插入第91頁(yè)/共120頁(yè)3.不連續(xù)基因(interruptedordiscontinousgenes)斷裂基因(Splitgene)在基因編碼蛋白質(zhì)的序列中插入與蛋白質(zhì)編碼無關(guān)的DNA間隔區(qū)，使一個(gè)基因分隔成不連續(xù)的若干區(qū)段。RichardJ.RobertsPhillipA.SharpNobelPrize19931977年美國(guó)的Sharp和Roberts兩組科學(xué)家分別同時(shí)發(fā)現(xiàn)了斷裂基因(splitgene),Crick稱此為分子遺傳學(xué)上的一次微型革命，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)與1993年榮獲了諾貝爾獎(jiǎng)。第92頁(yè)/共120頁(yè)a)

E.colirestrictionalienDNAwithrestrictionendonuclease(RE)b)

Modificationenzymeinhostc)

AlienDNAfateofberestrictedorbemodifiedd)TherearedifferentREindifferenthostofbacterial

WernerArberNobelPrize1978限制性核酸內(nèi)切酶的發(fā)現(xiàn)1965

第93頁(yè)/共120頁(yè)限制性核酸內(nèi)切酶第94頁(yè)/共120頁(yè)在Sharp和Roberts發(fā)現(xiàn)內(nèi)含子之前

法國(guó)的科學(xué)家Chambon也率領(lǐng)一個(gè)小組進(jìn)行了有關(guān)實(shí)驗(yàn):雞的輸卵管分泌卵清蛋白、卵粘蛋白和伴清蛋白，而其紅細(xì)胞（鳥類的紅細(xì)胞上有核的）只合成血紅蛋白，那么兩種組織之間DNA有什么不同呢？于是他們提取兩種組織的DNA，分別用酶（EcoR1和HindIII）切成幾段，走電泳，再用卵清蛋白mRNA來制備cDNA探針和以上兩片進(jìn)行southern雜交結(jié)果兩種組織中的DNA不論用哪一種酶來切，都出現(xiàn)了相同的多條陽(yáng)性雜交帶。第95頁(yè)/共120頁(yè)cDNA順序內(nèi)并沒有EcoRI和Hind=3\*ROMANIII的切點(diǎn)，為什么會(huì)出現(xiàn)多條陽(yáng)性帶第96頁(yè)/共120頁(yè)Berget，Sharp小組和Roberts小組同時(shí)發(fā)現(xiàn)了腺病毒外殼蛋白六聚體基因（Hexongene）前導(dǎo)區(qū)有斷裂現(xiàn)象。他們用限制性內(nèi)切酶EcoRI和Hind=3\*ROMANIII分別消解腺病毒的DNA得到了大小不同的很多片段分別選擇兩種酶切片段中的最大的A片段DNA和Hexon的mRNA進(jìn)行雜交在電鏡下可以觀察到EcoRI酶切的A片段的3'段可以和上述mRNA形成雜合雙鏈但在雜合雙鏈的5'端逸出3個(gè)單鏈DNA環(huán)，說明它們不能和mDNA完全互補(bǔ)第97頁(yè)/共120頁(yè)外顯子（exon），外元編碼的DNA序列，即被表達(dá)的DNA區(qū)段內(nèi)含子（intron），內(nèi)元不編碼的DNA序列Gilbert（1978年）提出內(nèi)含子、外顯子概念第98頁(yè)/共120頁(yè)Berget在冷泉港作了有關(guān)發(fā)現(xiàn)斷裂基因的學(xué)術(shù)報(bào)告，提出在Hexon基因內(nèi)近5'端有不編碼的部分Chambon聽了報(bào)告后便意識(shí)到，他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也是可以用斷裂基因來解釋的:即卵清蛋白的基因上可能有多個(gè)斷裂區(qū)（內(nèi)含子）在這些斷裂區(qū)上有酶切位點(diǎn)的存在，可將卵清蛋白基因切成大小不同的片段，但它們都可以和mRNA進(jìn)行雜交事后Chambon(1977,1981)等用Berget的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了分子雜交，果然出現(xiàn)了7個(gè)單鏈DNA的環(huán)

第99頁(yè)/共120頁(yè)斷裂基因的結(jié)構(gòu)成熟mRNA或cDNA與對(duì)應(yīng)單鏈DNA雜交TotalDNAofchickencDNA7DNAloopChambonwasinspiredbyBerget’sreportBerget,S.M.,C.Moore,andP.Sharp.1977.PNAS74;3171-3175第100頁(yè)/共120頁(yè)用S1核酶處理異源雙鏈分子核酸酶能專一降解未配對(duì)的單鏈核苷酸，在RNA-DNA異源雙鏈分子中，外顯子形成雙鏈而保留，內(nèi)含子仍為單鏈被降解.第101頁(yè)/共120頁(yè)內(nèi)含子是如何來的？?jī)?nèi)含子的存在究竟有何意義？它擔(dān)負(fù)著什么樣的功能？?jī)?nèi)含子又何以能在一些真核生物中非常廣泛地分布呢？

第102頁(yè)/共120頁(yè)內(nèi)含子的特點(diǎn):1.內(nèi)含子和外顯子的分布

真核基因一般都含有內(nèi)含子，也有少數(shù)基因不含內(nèi)含子，如組蛋白基因，干擾素基因，酵母的多數(shù)蛋白質(zhì)基因1986年ChuF.K等發(fā)現(xiàn)T4噬菌體的胸苷合成酶基因也含有內(nèi)含子此外猿猴病毒SV40的T和t蛋白的基因中也含有長(zhǎng)度不等的內(nèi)含子第103頁(yè)/共120頁(yè)內(nèi)含子的特點(diǎn):1.內(nèi)含子和外顯子的分布

不同的基因其內(nèi)含子的大小不相同有的基因內(nèi)含子少，如珠蛋白基因只有2個(gè)內(nèi)含子，有的基因內(nèi)含子很多，如雞的膠原蛋白（1a2）蛋白基因含有50個(gè)外顯子

第104頁(yè)/共120頁(yè)Exoncontentvs.length人類基因組計(jì)劃第105頁(yè)/共120頁(yè)Exoncontentvs.length第106頁(yè)/共120頁(yè)Exoncontentvs.length第107頁(yè)/共120頁(yè)內(nèi)含子的特點(diǎn):2.內(nèi)含子的相對(duì)性

第108頁(yè)/共120頁(yè)內(nèi)含子是相對(duì)的，一個(gè)基因的內(nèi)含子可能是另一個(gè)基因的外顯子第109頁(yè)/共120頁(yè)內(nèi)含子種類:

I:內(nèi)含子可自我剪接,不需任何蛋白質(zhì)參與,需鳥苷參與

II:內(nèi)含子的剪接需要蛋白酶的參與，如tRNA

III:內(nèi)含子的剪接需形成剪接體的形式，除各種蛋白因子外還需各種snRNP的參與第110頁(yè)/共120頁(yè)第111頁(yè)/共120頁(yè)如:I類內(nèi)含子包括四膜蟲rRNA的內(nèi)含子，幾種酵母線粒體的內(nèi)含子，噬菌體T4胸苷酸合成酶的內(nèi)含子等。第112頁(yè)/共120頁(yè)內(nèi)含子自1977年被發(fā)現(xiàn)以來，逐漸被明確地定義為：基因中間插著的若干段序列，在RNA轉(zhuǎn)錄物水平上經(jīng)剪接除去，不參與該基因在蛋白質(zhì)水平上的表達(dá)。

第113頁(yè)/共