基因與基因組的結(jié)構(gòu)與功能

基因與基因組的結(jié)構(gòu)與功能第1頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第2頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.2.

基因概念的多樣性3.3.基因組3.1.

基因概念的變遷第3頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四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4頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

順?lè)醋永碚?/p>

Theoryofcistron

(S.Benzer1955)

對(duì)經(jīng)典的基因概念的

第一次重要修正與發(fā)展

第5頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四順?lè)醋蛹僬f(shuō)（Theoryofcistron）

Cistron

是基因的同義詞

在一個(gè)順?lè)醋觾?nèi)，有若干個(gè)突變單位突變子(muton)

在一個(gè)順?lè)醋觾?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(duì)經(jīng)典的基因概念的動(dòng)搖第6頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四現(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7頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四★蛋白質(zhì)基因：transcriptableandtranslatablegene；★RNA基因：transcriptablebutnontranslatablegene

；tDNA,rDNA。★調(diào)控基因：untranscriptable

nontranslatablegene,調(diào)控鄰近的結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)，如：?jiǎn)?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8頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四基因命名無(wú)嚴(yán)格統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)一般：三個(gè)小寫(xiě)英文斜體字母表示，lac、leu三個(gè)小寫(xiě)英文斜體字母后面加一個(gè)斜體大寫(xiě)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(xiě)；重組質(zhì)粒，兩個(gè)大寫(xiě)字母前加一個(gè)p，大寫(xiě)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(duì)突變的表型用1~4個(gè)斜體字母代表，如white（w）、tailless（tll）。第9頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四酵母：一般用三個(gè)大寫(xiě)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(chóng)：三個(gè)小寫(xiě)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(xiě)字母表示。脊椎動(dòng)物：1~4個(gè)小寫(xiě)字母和數(shù)字表示，如sey，myc。人類(lèi)：與脊椎動(dòng)物類(lèi)似，但需要大寫(xiě)，如MYC、ENO1。第10頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1、取決于它所包含的內(nèi)含子的長(zhǎng)度例如：31Kb的二氫葉酸還原酶基因含6個(gè)外顯子，mRNA長(zhǎng)度為2Kb，內(nèi)含子長(zhǎng)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(zhǎng)度也在增加。3.2基因的大小第11頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

3.3基因組GenomeP30第12頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四基因組：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13頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.3.1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14頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四C-value：?jiǎn)伪扼w基因組總DNA的含量(bp)

10610710810910101011顯花植物骨魚(yú)類(lèi)哺乳類(lèi)甲殼類(lèi)爬行類(lèi)鳥(niǎo)類(lèi)藻類(lèi)真菌革蘭氏陽(yáng)性菌革蘭氏陰性菌枝原體霉菌蠕蟲(chóng)類(lèi)軟體動(dòng)物棘皮類(lèi)昆蟲(chóng)類(lèi)軟骨魚(yú)類(lèi)兩棲類(lèi)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15頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.3.2病毒基因組DNA病毒

RNA病毒

3.3.2.1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16頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.3.2.2

RNA病毒基因組

類(lèi)型特點(diǎn)代表種類(lèi)第17頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1.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18頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

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19頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四.

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20頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

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21頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四輪狀病毒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22頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.逆轉(zhuǎn)錄病毒(retrovirus)核心蛋白逆轉(zhuǎn)錄酶膜蛋白poly(A)Cap人類(lèi)免疫缺陷病毒（HIV）第23頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

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(lèi)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24頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.3.2.3

DNA病毒基因組

類(lèi)型特點(diǎn)代表種類(lèi)第25頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1.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(guò)程有重要作用第26頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.雙鏈環(huán)狀DNA病毒SV40病毒基因組

第27頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四重疊基因(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28頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第29頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.單鏈環(huán)狀DNA病毒5387nt噬菌體φX174重疊基因5387nt

編碼2500AA1977，Sanger第30頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四乙型肝炎病毒（HBV）4.開(kāi)環(huán)部分雙鏈DNA病毒

聚合酶HBsAgHBcAg第31頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第32頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第33頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四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(duì)不用自己的。實(shí)在用不了宿主的就用自己的。也有例外。第34頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四病毒基因組的特點(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35頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.3.3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36頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四類(lèi)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37頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四大腸桿菌染色體結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)核心超螺旋DNA環(huán)第38頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1.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39頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.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40頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.

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(méi)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41頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.3.4真核生物基因組**3.3.4.1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?lè)醋?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42頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四8、存在可移動(dòng)成分.類(lèi)似細(xì)菌的:如玉米中發(fā)現(xiàn)的.類(lèi)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43頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1978Gilbert真核生物基因的新概念

Exon(外顯子)DNA與成熟RNA間的對(duì)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44頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四Intron(內(nèi)含子)isasegmentofDNAthatistranscribed,butremovedfromwithinthetranscriptbysplicingtogetherthesequences(exons)oneithersideofit.DNA與成熟RNA間的非對(duì)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(kāi)始，3`端大多數(shù)以AG結(jié)束，稱(chēng)為GT-AG法則。此法則可用作真核基因中RNA剪接的識(shí)別信號(hào)。第45頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第46頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四DNAXcDNAElectro-microscope7introns8exons第47頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四PrecursormRNA(pre-mRNA)HeterogeneousnuclearRNA(HnRNA)真核生物基因的轉(zhuǎn)錄物又稱(chēng)為真核生物基因又稱(chēng)為SplitgeneInterruptedgene間隔基因，斷裂基因前體mRNA,核內(nèi)不均一RNA第48頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四Pre-mRNAIntronsRemovedExonsjunctionsSplitgene第49頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四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50頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四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51頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四l

Splitgene

概念的相對(duì)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(lèi)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52頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四●Splitgene

存在的生物學(xué)意義

a)有利于遺傳的相對(duì)穩(wěn)定

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

第53頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四b)增加變異機(jī)率，有利于生物的進(jìn)化

不對(duì)稱(chēng)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(zhǎng)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54頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四對(duì)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(chǔ)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55頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四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56頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2、

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：?jiǎn)慰截惡偷投戎貜?fù)序列、中度重復(fù)序列、高度重復(fù)序列。第57頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四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58頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四根據(jù)核心順序的長(zhǎng)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59頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四小衛(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60頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四微衛(wèi)星DNA（microsatelliteDNA):重復(fù)單位為1~5bp,重復(fù)次數(shù)為10~60次，總長(zhǎng)度小于150bp，常見(jiàn)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(wàn)。高度多態(tài)性，可作遺傳標(biāo)記第61頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四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62頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四rDNAgenefamilyHistonegenefamilyH1H4H2BH3H2AT18sT5.8sT28s

NT

18sT5.8sT45sTobacco750copiesDrosophila100copies20s32s28s5.8s18s第63頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四功能：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64頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第65頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第66頁(yè)，共76頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

c)

單拷貝和低度重復(fù)序列

(singlecopysequence,1-3copies)

低等真核生物10-20%

高等植物