真核基因和基因組專家講座

生物化學(xué)與分子生物學(xué)真核基因和基因組第1頁遺傳信息傳遞第三篇真核基因和基因組第2頁真核基因與基因組DNA生物合成DNA損傷和修復(fù)RNA生物合成蛋白質(zhì)生物合成基因表示調(diào)控細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)本篇重點(diǎn)學(xué)習(xí)內(nèi)容真核基因和基因組第3頁中心法則(TheCentralDogma)轉(zhuǎn)錄翻譯逆轉(zhuǎn)錄復(fù)制DNARNA蛋白質(zhì)真核基因和基因組第4頁生物體內(nèi)遺傳信息傳遞遵照中心法則DNA以半保留復(fù)制方式將親代細(xì)胞遺傳物質(zhì)高度忠實(shí)地傳遞給子代。以DNA為模板轉(zhuǎn)錄生成mRNA作為信使，其核苷酸序列組成密碼子在合成蛋白質(zhì)時被翻譯為肽鏈中氨基酸排列次序。細(xì)胞內(nèi)全部蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)信息全部起源于DNA序列。真核基因和基因組第5頁真核基因與基因組

第十三章EukaryoteGeneandGenome真核基因和基因組第6頁除了一些以RNA為基因組RNA病毒外，基因通常是指染色體或基因組一段DNA序列?；虬幋a序列（外顯子）、調(diào)控序列和間隔序列（內(nèi)含子）。基因（gene）：編碼蛋白質(zhì)或RNA等含有特定功效產(chǎn)物、負(fù)載遺傳信息基本單位。真核基因和基因組第7頁基因組（genome）：一個生物體內(nèi)全部遺傳信息總和。人類基因組包含了細(xì)胞核染色體DNA（常染色體和性染色體）及線粒體DNA所攜帶全部遺傳物質(zhì)。真核基因和基因組第8頁真核基因結(jié)構(gòu)與功效

第一節(jié)TheStructureandFunctionofEukaryoteGene真核基因和基因組第9頁利用堿基不一樣排列荷載遺傳信息。經(jīng)過復(fù)制將遺傳信息穩(wěn)定、忠實(shí)地遺傳給子代細(xì)胞，在這一過程中為適應(yīng)環(huán)境改變，可能會發(fā)生基因突變。作為基因表示（geneexpression）模板，使其所攜帶遺傳信息經(jīng)過各種RNA和蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)有序合成而表現(xiàn)出來。

基因功效真核基因和基因組第10頁單個基因組成結(jié)構(gòu)及一個完整生物體內(nèi)基因組織排列方式統(tǒng)稱為基因組構(gòu)（geneorganization）。

與基因功效相關(guān)結(jié)構(gòu)編碼區(qū)序列（codingregionsequence

）非編碼序列（non-codingsequence）基因表示需要調(diào)控區(qū)（regulatoryregion）序列，包含開啟子（promoter）、增強(qiáng)子（enhancer）等。在細(xì)胞內(nèi)表示為蛋白質(zhì)或功效RNADNA序列真核基因和基因組第11頁一、真核基因基本結(jié)構(gòu)編碼蛋白質(zhì)或RNA編碼序列。非編碼序列，包含編碼區(qū)兩側(cè)調(diào)控序列和編碼序列間間隔序列。真核基因和基因組第12頁真核基因結(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)間隔序列。真核基因和基因組第13頁真核生物絕大部分編碼蛋白質(zhì)基因都有內(nèi)含子。編碼rRNA和一些tRNA基因也都有內(nèi)含子。內(nèi)含子數(shù)量和大小決定了真核基因大小。不一樣種屬中，外顯子序列通常比較保守，而內(nèi)含子序列則變異較大。外顯子與內(nèi)含子接頭處有一段高度保守序列，這一共有序列是真核基因中RNA剪接識別信號。真核基因和基因組第14頁基因5端稱之為上游，3端稱為下游基因序列中開始RNA鏈合成第一個核苷酸所對應(yīng)堿基記為+1，此堿基上游序列記為負(fù)數(shù)，下游序列記為正數(shù)。真核基因和基因組第15頁二、基因編碼區(qū)編碼多肽鏈和特定RNA分子基因編碼序列決定其編碼產(chǎn)物序列和功效。編碼序列中一個堿基改變或突變，可能使基因功效發(fā)生主要改變。相同DNA序列因起始位點(diǎn)改變或不一樣剪接方式而編碼不一樣蛋白質(zhì)多肽鏈?；蚓幋a區(qū)中DNA堿基序列決定特定成熟RNA分子序列，即DNA一級結(jié)構(gòu)決定著其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA分子一級結(jié)構(gòu)。真核基因和基因組第16頁三、調(diào)控序列參加真核基因表示調(diào)控位于基因轉(zhuǎn)錄區(qū)前后，對基因表示起調(diào)控作用區(qū)域，因其是緊鄰DNA序列，又稱旁側(cè)序列。基因調(diào)控區(qū)（順式作用元件）真核基因和基因組第17頁轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)TATA盒CAAT盒GC盒增強(qiáng)子AATAAA剪接加尾轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)修飾點(diǎn)外顯子翻譯起始點(diǎn)內(nèi)含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚體+1結(jié)構(gòu)基因開啟子上游開啟子元件真核基因和基因組第18頁開啟子上游調(diào)控元件增強(qiáng)子加尾信號細(xì)胞信號反應(yīng)元件順式作用元件真核基因和基因組第19頁1.開啟子提供轉(zhuǎn)錄起始信號開啟子是DNA分子上能夠介導(dǎo)RNA聚合酶結(jié)合并形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體序列。多數(shù)開啟子位于真核細(xì)胞基因轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)上游，開啟子本身通常不被轉(zhuǎn)錄。少數(shù)開啟子（如編碼tRNA基因開啟子）位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)下游，這些DNA序列能夠被轉(zhuǎn)錄。真核基因和基因組第20頁真核生物有3類開啟子，分別對應(yīng)于細(xì)胞內(nèi)存在三種不一樣RNA聚合酶和相關(guān)蛋白質(zhì)。真核基因和基因組第21頁能夠在相對于開啟子任何方向和位置（上游或者下游）上發(fā)揮這種增強(qiáng)作用，大部分位于上游。增強(qiáng)子序列距離所調(diào)控基因距離近者幾十個堿基對，遠(yuǎn)可達(dá)幾千個堿基對。通常數(shù)個增強(qiáng)子序列形成一簇。有時增強(qiáng)子序列也可位于內(nèi)含子之中。不一樣增強(qiáng)子序列結(jié)合不一樣調(diào)整蛋白。2.增強(qiáng)子增強(qiáng)鄰近基因轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)子是增強(qiáng)真核基因開啟子工作效率順式作用元件，是真核基因中最主要調(diào)控序列，決定著每一個基因在細(xì)胞內(nèi)表示水平。真核基因和基因組第22頁緘默子（silencer）是抑制基因轉(zhuǎn)錄特定DNA序列，當(dāng)其結(jié)合一些反式作用因子時對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用，使基因緘默。3.緘默子是負(fù)調(diào)整元件真核基因和基因組第23頁真核基因組結(jié)構(gòu)與功效

第二節(jié)TheStructureandFunctionofEukaryoteGenome真核基因和基因組第24頁基因組：細(xì)胞或生物體一套完整單倍體遺傳物質(zhì)總和。真核基因和基因組第25頁一、真核基因組含有獨(dú)特結(jié)構(gòu)基因編碼序列所占百分比遠(yuǎn)小于非編碼序列。高等真核生物基因組含有大量重復(fù)序列，真核基因組中存在多基因家族和假基因。大多基因含有可變剪接，80%可變剪接會使蛋白質(zhì)序列發(fā)生改變?；蚪MDNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體，儲存于細(xì)胞核內(nèi)，除配子細(xì)胞外，體細(xì)胞基因組為二倍體。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：真核基因和基因組第26頁二、真核基因組中存在大量重復(fù)序列高度重復(fù)序列（highlyrepetitivesequence）中度重復(fù)序列（moderatelyrepetitivesequence）單拷貝序列（singlecopysequence）或低度重復(fù)序列真核基因和基因組第27頁（一）高度重復(fù)序列主要存在于染色體著絲粒區(qū)域，重復(fù)單位普通由2～10bp組成，成串排列，在人基因組中約占5%～6%。重復(fù)頻率可達(dá)106以上，不編碼蛋白質(zhì)或RNA。反向重復(fù)序列（invertedrepeatsequence）衛(wèi)星DNA（satelliteDNA）兩個相同次序互補(bǔ)拷貝在同一DNA鏈上反向排列而成，重復(fù)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5％。分類：真核基因和基因組第28頁參加復(fù)制水平調(diào)整

存在于DNA復(fù)制起點(diǎn)區(qū)附近，是一些蛋白質(zhì)（包含酶）結(jié)合位點(diǎn)。參加基因表示調(diào)控

能夠轉(zhuǎn)錄到核內(nèi)不均一RNA分子中，有些反向重復(fù)序列能夠形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，有利于穩(wěn)定RNA分子。參加染色體配對

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)分裂時染色體配對相關(guān)。功效：真核基因和基因組第29頁（二）中度重復(fù)序列重復(fù)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(fù)片段長分散重復(fù)片段平均長度約300bp～500bp，與長度約為1000bp單拷貝序列間隔排列。拷貝數(shù)可達(dá)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單拷貝序列間隔排列。真核基因和基因組第30頁重復(fù)達(dá)30~50萬次，每個組員長度約300bp。每個單位長度中一個限制性內(nèi)切酶Alu切點(diǎn)（AG↓CT），將其切成長130bp和170bp兩段。Alu家族僅次于Alu家族第二大家族，重復(fù)序列中含有限制性內(nèi)切酶KpnⅠ位點(diǎn)呈散在分布，拷貝數(shù)約為3000～4800個KpnI家族以319bp長度串聯(lián)重復(fù)存在于人基因組中重復(fù)序列中含有限制性內(nèi)切酶HinfI位點(diǎn)。Hinf家族真核基因和基因組第31頁rRNA基因重復(fù)序列屬于中度重復(fù)序列各重復(fù)單位中rRNA基因都是相同。rRNA基因集中成簇存在，這么區(qū)域稱為rDNA區(qū)。人類rRNA基因位于13、14、15、21和22號染色體核仁組織區(qū)，每個核仁組織區(qū)平均含有50個rRNA基因重復(fù)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。真核基因和基因組第32頁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)編碼基因。（三）單拷貝序列（低度重復(fù)序列）真核基因和基因組第33頁三、真核基因組中存在大量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(fù)和變異所產(chǎn)生一組在結(jié)構(gòu)上相同、功效相關(guān)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，合成一些蛋白質(zhì)。如組蛋白基因家族?；蚣易宀灰粯咏M員成簇地分布于不一樣染色體上，編碼一組功效上緊密相關(guān)蛋白質(zhì)。如球蛋白基因家族。真核基因和基因組第34頁DNA序列相同，但功效不一定相關(guān)若干個單拷貝基因或若干組基因家族總稱。超家族基因（superfamilygene）基因組中存在一段與正?；蚍浅Ｏ嗤荒鼙硎綝NA序列。以來表示。假基因（psuedogene）真核基因和基因組第35頁四、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(dú)立編碼線粒體中一些蛋白質(zhì)。mtDNA結(jié)構(gòu)為環(huán)狀分子，與原核生物DNA類似，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也與原核生物相同。真核基因和基因組第36頁人線粒體基因組線粒體基因組編碼37個基因，包含13個編碼呼吸鏈多酶體系一些多肽基因、22個編碼mt-tRNA基因、2個編碼mt-rRNA（16S和12S）基因。真核基因和基因組第37頁物種基因組大小(Mb)基因數(shù)染色體數(shù)*支原體M.genitalium0.58470無流感嗜血桿菌H.influrnzae1.831743無枯草芽孢桿菌B.subtilis4.204100無大腸桿菌E.coli4.604288無釀酒酵母S.cerevisiae13.50603416裂殖酵母

S.pombe12.50492916燕麥O.sativa4663000021果蠅D.melanogaster165136014秀麗隱桿線蟲

C.elegans97184246小鼠mouse27003000020人H.sapiens30002500023不一樣生物體基因組比較五、人基因組中有兩萬多