基因的組織與結(jié)構(gòu)

關(guān)于基因的組織與結(jié)構(gòu)第1頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三一、基因“Particulatefactor”——在孟德爾遺傳學(xué)的定律中，孟德爾用于命名從親代傳遞給子代而不發(fā)生改變的遺傳物質(zhì)；遺傳因子位于染色體上——薩頓假設(shè)，1903年W.S.Sutton;Gene——由W.Johannsen于1909年首先使用,但當(dāng)時(shí)對其物質(zhì)本質(zhì)尚一無所知；1、基因概念的演化第2頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三遺傳粒子理論——摩爾根《基因論》，基因是染色體上象念珠一樣線形排列的遺傳物質(zhì)單位，是突變、重組和功能表達(dá)三位一體；基因與性狀的相關(guān)性——1940年，G.Beadle和R.Tatum提出“一個(gè)基因一個(gè)酶”的假設(shè)，第一次明確地把基因和蛋白質(zhì)直接相關(guān)聯(lián)；基因物質(zhì)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)——轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)染等實(shí)驗(yàn)證實(shí)了DNA是遺傳物質(zhì)，基因的化學(xué)本質(zhì)是脫氧核糖核酸，基因是具有一定的遺傳學(xué)功能的DNA片段；第3頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型：基因調(diào)控模型的建立——Jacob和Monod的操縱子學(xué)說。第4頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三2、基因的概念

基因是指存在于細(xì)胞內(nèi)有自體繁殖能力的遺傳單位，這種單位在染色體上占有一定位置而作直線排列。

基因是具有特定的核苷酸順序的核酸分子中一個(gè)片段，是攜帶有特定遺傳信息的功能單位。在大多數(shù)生物中基因的化學(xué)本質(zhì)是DNA，但在某些病毒中可以是RNA。第5頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三3、不連續(xù)基因/斷裂基因StructuralgenecodesforanyRNAorproteinproductotherthanaregulator.

結(jié)構(gòu)基因：RNA或蛋白質(zhì)的編碼基因，而非調(diào)節(jié)基因。ExonisanysegmentofaninterruptedgenethatisrepresentedinthematureRNAproduct.

外顯子：基因中的編碼區(qū)，即在成熟的RNA中出現(xiàn)的基因的片段。IntronisasegmentofDNAthatistranscribed,butremovedfromwithinthetranscriptbysplicingtogetherthesequences(exons)oneithersideofit.

內(nèi)含子：基因中的非編碼區(qū)，即在成熟的RNA中沒有出現(xiàn)的基因的片段。第6頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三Transcript

istheRNAproductproducedbycopyingonestrandofDNA.ItmayrequireprocessingtogeneratematureRNAs.

轉(zhuǎn)錄本：由模版DNA拷貝得到的RNA產(chǎn)物，需進(jìn)一步加工后才能成為成熟的RNA。RNAsplicingistheprocessofexcisingthesequ-encesinRNAthatcorrespondtointrons,sothatthesequencescorrespondingtoexonsareconnectedintoacontinuousmRNA.

RNA剪接：除去內(nèi)含子，連接外顯子序列，以產(chǎn)生功能的mRNA、tRNA、rRNA的過程。第7頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三斷裂基因的轉(zhuǎn)錄與表達(dá)InterruptedgenesareexpressedviaaprecursorRNA.Intronsareremovedwhentheexonsaresplicedtogether.ThemRNAhasonlythesequencesoftheexons.第8頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三英國科學(xué)家，因發(fā)現(xiàn)斷裂基因于1993年獲諾貝爾獎(jiǎng)RichardJ.Roberts

從事腺病毒Ad2研究。

1974年，羅伯茨與其同事用限制酶作Ad2DNA限制酶圖譜，并對一些片段進(jìn)行測序。發(fā)現(xiàn)其中有一個(gè)小片段包含Ad2mRNA的末端和一個(gè)啟動(dòng)子。正是對這個(gè)包含啟動(dòng)子片段的搜索，導(dǎo)致斷裂基因的發(fā)現(xiàn)。斷裂基因的發(fā)現(xiàn)是羅伯茨測序研究的意外發(fā)現(xiàn)。1）基因不連續(xù)性的發(fā)現(xiàn)與證實(shí)第9頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三

美國科學(xué)家，因發(fā)現(xiàn)mRNA剪接獲諾貝爾獎(jiǎng)PhillipA.Sharp

從事腫瘤病毒的分子生物學(xué)和RNA剪接研究。利用DNA和RNA雜交的方法發(fā)現(xiàn)mRNA不能與DNA全部雜交。在電子顯微鏡下發(fā)現(xiàn)有三個(gè)環(huán)。這表明mRNA比DNA小了許多；一個(gè)連續(xù)的DNA分子包含了沒有反映在mRNA中的信息。夏普提出hnRNA的內(nèi)含子被切除，而外顯子片斷拼接起來。第10頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三R-環(huán)腺病毒DNA與其mRNA雜交形成R-環(huán)結(jié)構(gòu)第11頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三斷裂基因的檢測方法：DNA酶切分析若同一基因的基因組DNA和cDNA的限制性圖譜相同，則一般不含內(nèi)含子；若基因組DNA的長度大于cDNA則很可能是不連續(xù)基因。第12頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三斷裂基因現(xiàn)象廣泛存在于真核生物中，甚至在少數(shù)原核生物中也存在；并非所有的真核生物基因都是斷裂基因，如組蛋白基因和干擾素基因。斷裂基因存在的范圍：第13頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三2）內(nèi)含子與外顯子特點(diǎn)不同的斷裂基因所含的內(nèi)含子數(shù)目有很大差別，有些基因只有一個(gè)或若干個(gè)內(nèi)含子，而有的基因內(nèi)含子與外顯子是高度嵌合的；內(nèi)含子的長度常大于外顯子；在同一基因家族內(nèi)，斷裂基因的組織結(jié)構(gòu)、外顯子序列及其長度通常比較保守，而內(nèi)含子變化迅速，不論是序列還是長度差異性很大。第14頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三哺乳動(dòng)物二氫葉酸還原酶（DHFR）基因

人類、小鼠和中國倉鼠的DHFR都有6個(gè)外顯子，外顯子基本相同，各內(nèi)含子的相對位置沒有改變，但長度變化很大。第15頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三3）基因外顯子與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域的關(guān)系外顯子常相當(dāng)于多肽折疊的結(jié)構(gòu)域；外顯子的邊界非常精確地相當(dāng)于結(jié)構(gòu)域之間的聯(lián)結(jié)處；外顯子與結(jié)構(gòu)域并非在任何情況下都一一對應(yīng)。4）內(nèi)含子與外顯子的關(guān)系外顯子與內(nèi)含子聯(lián)結(jié)處具有1-4bp的保守的共同序列（GT-AG規(guī)則），可能與剪接反應(yīng)有關(guān)；一個(gè)基因的內(nèi)含子可以是另一基因的外顯子，即內(nèi)含子和外顯子是相對的。第16頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三4、基因家族（genefamily）基因家族：來自于一個(gè)共同的祖先基因，通過復(fù)制和變異形成的結(jié)構(gòu)、功能相似的基因群體；家族成員其外顯子具有相似性?；蚣易逯械幕虺４?lián)排列，構(gòu)成基因簇（genencluster）；但也可以不集中在一起，甚至分布在不同的染色體上?；蚣易宓念愋停?）簡單的多基因家族；2）復(fù)雜的多基因家族；3）有時(shí)空表達(dá)差異的復(fù)雜的多基因家族。第17頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三1）簡單的多基因家族——rRNA基因家族真核生物rRNA基因包括18-5.8-28S三個(gè)基因，構(gòu)成同一轉(zhuǎn)錄單元，在染色體上中等重復(fù)。重復(fù)單元包括轉(zhuǎn)錄序列和將轉(zhuǎn)錄序列分隔開的非轉(zhuǎn)錄區(qū)；rRNA重復(fù)單元分布在一條或幾條染色體的核仁區(qū)。

真核生物rDNA重復(fù)單元結(jié)構(gòu)第18頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三rDNA非轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)結(jié)構(gòu)長度固定區(qū)域與可變區(qū)域相間排列；可變區(qū)域由短重復(fù)序列組成，重復(fù)次數(shù)變化導(dǎo)致非轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)序列長度差異；最前端的固定區(qū)域其序列和長度與其它固定區(qū)域不同；后三個(gè)固定區(qū)域稱做BamIsland;第19頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三2）復(fù)雜的多基因家族——組蛋白基因家族特點(diǎn)：由多個(gè)基因構(gòu)成一個(gè)重復(fù)單位，重復(fù)數(shù)百次；每個(gè)基因單獨(dú)地按一定方向轉(zhuǎn)錄；各重復(fù)單元含有多個(gè)不同的轉(zhuǎn)錄單元和非轉(zhuǎn)錄區(qū)；組蛋白基因家族中的5個(gè)基因串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)重復(fù)單元，然后又以多拷貝組織成串聯(lián)的重復(fù)基因簇。一個(gè)重復(fù)單元中含5個(gè)不同的轉(zhuǎn)錄單元和5個(gè)短而不同的間隔區(qū)。幾種動(dòng)物組蛋白基因的拷貝數(shù)：海膽：300-1000；果蠅：100；雞：10小鼠：10-20；人：30-40；酵母：1第20頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三3）時(shí)空特異性表達(dá)的復(fù)雜的多基因家族

——珠蛋白基因家族人血紅蛋白是四聚體，分別由家族（16號(hào)染色體）和家族（11號(hào)染色體）的基因編碼。在個(gè)體發(fā)育過程中，血紅蛋白的亞基組成不同，基因的表達(dá)具有時(shí)序性?；蚺帕蟹绞脚c基因在發(fā)育階段的表達(dá)順序一致第21頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三5、假基因假基因（pseudogene）：核苷酸序列同相應(yīng)的正常功能基因基本相同，但不能合成功能蛋白質(zhì)的失活基因。重復(fù)的假基因：與“親本基因”連鎖，通過含“親本基因”的染色體區(qū)段重復(fù)而成。珠蛋白基因家族中的假基因就屬于此類型。加工的假基因（processedpseudogene）：不與“親本基因”連鎖，其結(jié)構(gòu)與親本基因的轉(zhuǎn)錄本類似，如沒有啟動(dòng)子和內(nèi)含子，3‘末端有延伸的腺嘌呤短序列。因此很可能來自加工的親本RNA之DNA拷貝。第22頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三重復(fù)的假基因基因簇中的假基因1同功能的1珠蛋白基因密切相關(guān)，1與1的編碼和間隔序列同源性達(dá)73%，因此可能由后者重復(fù)而來；假基因并非起初就失活，而是隨著進(jìn)化產(chǎn)生許多突變慢慢失活的。

第23頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三加工的假基因（processedpseudogene）第24頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三6、重疊基因定義：兩個(gè)基因共同使用同一DNA序列，卻編碼兩種不同的蛋白質(zhì)。存在范圍：僅見于病毒、線粒體和質(zhì)粒DNA。X174的遺傳圖第25頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三重疊基因的類型全重疊：一個(gè)基因完全在另一個(gè)基因序列內(nèi)，如基因B在基因A內(nèi)，基因E在基因D內(nèi)。部分重疊：K基因與C基因在一段序列內(nèi)重疊。1-2個(gè)堿基的重疊：大多數(shù)發(fā)生在一個(gè)基因的終止密碼子與下一個(gè)基因的起始密碼子之間。如D基因終止密碼子TAA與J基因起始密碼子ATG間“A”的重疊。

5‘…GAAGGAGUGAUGUAAUGUCUAAAGGU…3’φX174mRNA的一段序列

5‘…GAAGGAGUGAUGUAA…3’基因DmRNA3’端序列

GluGlyValMetStop5‘…AUGUCUAAA…3’基因JmRNA5’端序列

MetSerLys5‘…GAAGGAGUGA…3’基因EmRNA3’端序列

LysGlyStopφX174mRNA內(nèi)基因D、J、E的部分重疊序列第26頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三7、轉(zhuǎn)位因子（transposableelements）Transposon

isaDNAsequenceabletoinsertitselfatanewlocationinthegenome(withoutanysequencerelationshipwiththetargetlocus).

Directrepeats

areidentical(orrelated)sequencespresentintwoormorecopiesinthesameorientationinthesamemoleculeofDNA.

Invertedterminalrepeats

aretheshortrelatedoridenticalsequencespresentinreverseorientationattheendsofsometransposons.

Transposase

istheenzymeactivityinvolvedininsertionoftransposonatanewsite.第27頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三1）轉(zhuǎn)位因子的發(fā)現(xiàn)BarbaraMcClintock第28頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三2）玉米中的轉(zhuǎn)位因子的分類自主性轉(zhuǎn)位因子：具有自主剪接和轉(zhuǎn)座的功能；非自主性轉(zhuǎn)位因子：單獨(dú)存在時(shí)是穩(wěn)定的，不轉(zhuǎn)座，當(dāng)基因組中存在與非自主性因子同家族的自主性因子時(shí)，它才具備轉(zhuǎn)座功能，成為與自主性因子相同的轉(zhuǎn)座子。同一家族的自主性轉(zhuǎn)座因子為非自主性因子提供轉(zhuǎn)座酶，不同家族間無此反應(yīng)。第29頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三

玉米中的轉(zhuǎn)位因子的結(jié)構(gòu)特征在轉(zhuǎn)座子的兩個(gè)末端具有反向重復(fù)序列。例如在AC轉(zhuǎn)座子的兩端具有11bp的反向重復(fù)序列。

玉米中轉(zhuǎn)位因子轉(zhuǎn)位時(shí)，轉(zhuǎn)位因子的靶序列發(fā)生倍增，使插入序列的兩端各有一段同向重復(fù)序。第30頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三玉米中的轉(zhuǎn)位因子——Ac/Ds組C基因：位于第9染色體上，是合成紫糊粉層色素所必須的基因，如果它失去正常功能，糊粉層無色。Ac因子(activator)：Ac是自主因子，與Ds有同源性，Ds因子(dissociator)：與染色體的斷裂有關(guān)，它可以從一個(gè)座位跳到另一個(gè)座位，但是它的移動(dòng)必須在另一個(gè)基因Ac存在時(shí)才能進(jìn)行，Ds是非自主因子。第31頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三3）細(xì)菌的轉(zhuǎn)位因子：（I）：插入序列（IS）IS是一類自主單位，除自身轉(zhuǎn)位作用的基因外不含其它基因；IS兩端具有對稱的反向重復(fù)序列；轉(zhuǎn)位因子轉(zhuǎn)位時(shí)，基因組上的靶序列發(fā)生倍增，使插入序列的兩端各有一段同向重復(fù)序列。第32頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三插入序列長度反向重復(fù)長度靶DNA的長度編碼蛋白數(shù)目轉(zhuǎn)座所需蛋白靶點(diǎn)選擇IS1IS2IS3

IS4IS10RIS50RIS903768bp13271428119513291531105723bp411816229189511或12499922243322111111區(qū)域優(yōu)先熱點(diǎn)熱點(diǎn)熱點(diǎn)熱點(diǎn)熱點(diǎn)不詳5‘GGTGATGCTGCCAACTTACTGAT…………….ATCAATAAGTTGGACTCATTACC3’CCACTACGACGGTTGAATGACTA…722bp…..TAGTTATTCAACCTGAGTAATGGIS1分子末端反向重復(fù)序列細(xì)菌的插入序列（IS）第33頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三（II）細(xì)菌轉(zhuǎn)座子(Transposon)轉(zhuǎn)座子常帶有多個(gè)基因，除轉(zhuǎn)位相關(guān)的酶基因外，往往還帶有抗性基因。轉(zhuǎn)座子可分為兩個(gè)亞類：亞類I轉(zhuǎn)座子兩末端由IS構(gòu)成，亞類II末端由反向重復(fù)序列構(gòu)成第34頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三4）總結(jié)：轉(zhuǎn)位因子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在轉(zhuǎn)位因子的兩端存在末端反向重復(fù)序列（TIR），它們在轉(zhuǎn)位過程中至關(guān)重要；絕大多數(shù)轉(zhuǎn)位因子含有開放讀框（ORF），可能編碼一種酶，其功能促進(jìn)轉(zhuǎn)位因子的轉(zhuǎn)位；受體DNA上很短的一段靶序列，由于轉(zhuǎn)位因子的插入，在轉(zhuǎn)位因子的兩側(cè)形成正向重復(fù)序列，靶序列的長短對每類轉(zhuǎn)位因子都是特異的。第35頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三5）轉(zhuǎn)位作用的類型：轉(zhuǎn)位作用有兩種類型：一種是保留型轉(zhuǎn)位(conservativetransposition)，另一種是復(fù)制型轉(zhuǎn)位(replicativetransposition)；保留型轉(zhuǎn)位：在轉(zhuǎn)位酶的作用下，轉(zhuǎn)位因子從原來位點(diǎn)上刪除下來，再轉(zhuǎn)移插入到另一個(gè)位點(diǎn)，如復(fù)合轉(zhuǎn)座子Tn10；復(fù)制型轉(zhuǎn)座：轉(zhuǎn)位因子的一個(gè)拷貝插入到靶子位點(diǎn)，而另一拷貝則仍然保留在給體原來的位置上，如Tn3。第36頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三二、基因組的結(jié)構(gòu)與功能Genome：isthecompletesetofsequencesinthegeneticmaterialofanorganism.ItincludesthesequenceofeachchromosomeplusanyDNAinorganelles（細(xì)胞器）.基因組：一個(gè)細(xì)胞中含有的一整套完整遺傳信息即基因組(genome)。第37頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三基因組結(jié)構(gòu)：不同功能區(qū)域在整個(gè)DNA分子中的分布情況?；蚪M不同區(qū)域有不同的功能,有些是編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因,有些是復(fù)制及轉(zhuǎn)錄的調(diào)控序列,有些區(qū)域的功能尚不清楚；C值：一個(gè)單倍體基因組的DNA含量即該物種DNA的C值，某一特定物種其C值是恒定的；C值矛盾：一般而言，隨著進(jìn)化，生物體的結(jié)構(gòu)與功能趨于復(fù)雜，其C值增大。但某些生物其基因組的大小與基因組的復(fù)雜度缺乏相關(guān)性，即C值矛盾。第38頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三代表性生物體基因組大小

千堿基對/

染色體長度

(cm）染色體數(shù)

(單倍體）形狀病毒SV405.20.000171環(huán)狀噬菌體φX1745.40.000181線狀單鏈?zhǔn)删wλ460.00151線狀大腸桿菌40000.131環(huán)狀酵母10000.03317

果蠅410001.44

人1250004.123

第39頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三一）、病毒基因組1、病毒基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1）基因組大小相差較大

乙肝病毒DNA只有3kb，編碼4種蛋白質(zhì)；痘病毒基因組有300kb，編碼幾百種蛋白質(zhì)；2）基因組可以是DNA組成，也可以是RNA，但只含一種；病毒基因組DNA和RNA可以是單鏈，也可以是雙鏈的，可以是閉環(huán)分子，也可以是線性分子如乳頭瘤病毒是閉環(huán)雙鏈DNA，腺病毒則是線性雙鏈DNA,脊髓灰質(zhì)炎病毒單鏈RNA，而呼腸孤病毒的基因組雙鏈RNA分子；φX174

是單鏈DNA嗜菌體病毒第40頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三3）多數(shù)RNA病毒基因組由連續(xù)的核糖核酸鏈組成，但也有些病毒的基因組RNA由不連續(xù)的幾條核酸鏈組成

流感病毒的基因組RNA分子是節(jié)段性的，由八條RNA分子構(gòu)成，每條RNA分子都含有編碼蛋白質(zhì)分子的信息；4）基因重疊：即同一段DNA片段能夠編碼兩種甚至三種蛋白質(zhì)分子5）基因組的大部分是用來編碼蛋白質(zhì)，只有非常小的一份不被翻譯

在ΦX174中不翻譯的部份只占217/5375，G4DNA中占282/5577，都不到5％；不翻譯的DNA順序通常是基因表達(dá)的控制序列。第41頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三6）功能上相關(guān)的基因常叢集形成一個(gè)功能單位或轉(zhuǎn)錄單元，一起轉(zhuǎn)錄成多順反子mRNA，然后再加工成各種蛋白質(zhì)的模板mRNA

如腺病毒晚期基因編碼病毒的12種外殼蛋白，在晚期基因轉(zhuǎn)錄時(shí)是在一個(gè)啟動(dòng)子的作用下生成多順反子mRNA，然后再加工成各種mRNA。編碼病毒的各種外殼蛋白，它們在功能上都是相關(guān)的；7）除反轉(zhuǎn)錄病毒外，所有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42頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三8）噬菌體的基因是連續(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。除正鏈RNA病毒外，真核細(xì)胞病毒基因都是先轉(zhuǎn)錄成mRNA前體，再切除內(nèi)含子成為成熟mRNA。有些真核病毒的內(nèi)含子或其中的一部分，對某一個(gè)基因來說是內(nèi)含子，而對另一個(gè)基因卻是外顯子。

SV40的早期基因從4555到4900之間一段346bp的片段是大T抗原基因的內(nèi)含子，而該內(nèi)含子中從4624-4900之間的DNA序列則是小t抗原的編碼基因。第43頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三2、乙肝病毒基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能

HBV是目前已知感染人類最小的雙鏈DNA病毒，基因組結(jié)構(gòu)高度緊湊。長約3.2kb。部分雙鏈環(huán)狀結(jié)構(gòu)，雙鏈不等長，1/3為單鏈。長鏈5‘端與3’端未共價(jià)連接，而是與一種蛋白質(zhì)共價(jià)相連；重疊的基因序列比較多；調(diào)節(jié)序列位于基因內(nèi)部；與HBV基因表達(dá)有關(guān)的調(diào)節(jié)序列有4種：啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、polyA附加信號(hào)、糖皮質(zhì)激素敏感因子（GRE）；第44頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三二）、原核生物染色體基因組

1、細(xì)菌染色體基因組結(jié)構(gòu)的一般特點(diǎn)1）無細(xì)胞核，染色體聚集形成較為致密的類核(nucleoid)類核中央部分是RNA和支架蛋白，外圍是DNA雙鏈超螺旋；染色體DNA與細(xì)胞膜多點(diǎn)相連，起固定作用。與DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄有關(guān)的信號(hào)區(qū)域優(yōu)先與膜結(jié)合。2）基因組小，基因數(shù)目少，大多只含有一條環(huán)狀染色體，只有一個(gè)復(fù)制起點(diǎn)；第45頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三3）基因結(jié)構(gòu)緊湊，大部分序列用來編碼蛋白質(zhì)，重復(fù)序列和不編碼序列少；且編碼序列一般不會(huì)重疊；4）具操縱子結(jié)構(gòu)，即數(shù)個(gè)功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起，受一個(gè)調(diào)節(jié)區(qū)調(diào)節(jié)；數(shù)個(gè)操縱子還可以由一個(gè)共同調(diào)節(jié)基因（regulatorygene）調(diào)控；5）結(jié)構(gòu)基因大都是單拷貝，但rRNA的基因（rrn）往往是多拷貝；第46頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三6）DNA分子中具有各種功能的識(shí)別區(qū)域

如復(fù)制起始區(qū)OriC，復(fù)制終止區(qū)TerC。這些區(qū)域往往有特殊的順序。

在基因或操縱子的終末往往具有特殊的終止順序，它可使轉(zhuǎn)錄終止。第47頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三2、大腸桿菌染色體基因組TheodorvonEscherich(1857-1911)Austriandoctor第48頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三1）基因組：大腸桿菌K-12基因組全長4,639,221bp，含4283個(gè)結(jié)構(gòu)基因或ORF；E.coliK12物理圖譜第49頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三2）染色體結(jié)構(gòu)DNA為雙鏈閉合環(huán)狀，對數(shù)生長期類核有2-4個(gè)DNA分子；DNA結(jié)合蛋白：形成腳手架結(jié)構(gòu)。DNA小結(jié)構(gòu)域與超螺旋：50-100個(gè)長度50-100kb的超螺旋結(jié)構(gòu)染色體局部與細(xì)胞膜結(jié)合，穩(wěn)定染色體結(jié)構(gòu)。大腸桿菌染色體的腳手架結(jié)構(gòu)第50頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三3）基因排列方式基因內(nèi)部連續(xù)，一般不存在非編碼序列；基因間排列緊密；形成多順反子mRNA。4）DNA兩條鏈作為模板指導(dǎo)mRNA合成的機(jī)率幾乎相等；5）基因拷貝數(shù)大腸桿菌蛋白質(zhì)編碼基因基本為單拷貝；少量基因?yàn)槎嗫截?，如核糖體rrn操縱子有7個(gè)拷貝。第51頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三三）、真核生物染色體基因組1、真核生物基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

遠(yuǎn)大于原核生物基因組，多復(fù)制起點(diǎn)，復(fù)制子較短；DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體，一般為多條；基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子。存在重復(fù)序列，重復(fù)次數(shù)可達(dá)百萬次以上?；蚪M中不編碼的區(qū)域多于編碼區(qū)域，如在人基因組中編碼序列只占2~3%。大部分基因含有內(nèi)含子，基因是不連續(xù)的。第52頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三2、真核生物基因組的重復(fù)序列重復(fù)序列：核苷酸排列順序基本相同并多次重復(fù)出現(xiàn)的DNA序列。重復(fù)序列類型單一拷貝（低度重復(fù)）順序：單拷貝順序在單倍體基因組中只出現(xiàn)一次或數(shù)次；中度重復(fù)順序：重復(fù)數(shù)十至數(shù)萬（<105）次的重復(fù)順序。高度重復(fù)順序：重復(fù)頻率高，可達(dá)百萬以上。所占比例隨種屬而異，約占10-60％，在人基因組中約占20％。第53頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三1）高度重復(fù)序列

反向（倒位）重復(fù)序列

1、定義：由兩個(gè)相同順序的核苷酸片段在同一DNA分子上反向排列而成。兩個(gè)互補(bǔ)拷貝間可有一到幾個(gè)核苷酸的間隔，也可以沒有間隔。沒有間隔的又稱回文（palimdrome）。

反向重復(fù)序列約占人基因組的5％。第54頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三

衛(wèi)星DNA衛(wèi)星DNA(satelliteDNA)

由2-10bp的重復(fù)單位成串排列組成的一類高度重復(fù)序列。由于這類序列的GC含量不同于其他部份，可用等密度梯度離心法將其與主體DNA分開,因而稱為衛(wèi)星DNA或隨體DNA。隱蔽衛(wèi)星DNA

若高度重復(fù)序列GC含量與總體的堿基組成相似，密度梯度離心后將觀察不到衛(wèi)星峰，這類高度重復(fù)序列就是隱蔽衛(wèi)星DNA。小鼠DNA在CsCl密度梯度離心中分成主峰和衛(wèi)星峰第55頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三

衛(wèi)星DNA往往集中于異染色質(zhì)，如著絲點(diǎn)部位；CytologicalhybridizationshowsthatmousesatelliteDNAislocatedatthecentromeres.第56頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三人基因組中衛(wèi)星DNA約占5-6％，按照浮力密度不同可分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四種；果蠅衛(wèi)星DNA按順序分為四類，均為7堿基重復(fù)；在蟹發(fā)現(xiàn)有AT2堿基高度重復(fù)的衛(wèi)星DNA；衛(wèi)星DNA的產(chǎn)生推測是由于DNA復(fù)制過程中突變的積累及DNA不均等交換引起的。果蠅（Drosophilavirilis

）衛(wèi)星DNA有四類序列，合計(jì)占其基因組的40%。其中第一類衛(wèi)星DNA可能為原始類型，先于物種的形成。第57頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三

較復(fù)雜的重復(fù)單位組成的重復(fù)序列（衛(wèi)星DNA）

特點(diǎn)：為哺乳動(dòng)物所特有；多層次大的重復(fù)單位由若干小重復(fù)單位組成，小重復(fù)單位又由若干更小的重復(fù)單位串聯(lián)而成；相似性各層次重復(fù)單位之間彼此有很高的序列相似性；短基序高度重復(fù)的序列是由一個(gè)或數(shù)個(gè)很短的祖先序列（如小鼠為9bps）演化而來。第58頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三小鼠衛(wèi)星DNA解剖：1/2亞單位小鼠衛(wèi)星DNA用限制性內(nèi)切酶EcoRII酶切可出現(xiàn)一234bp主帶，即其基本重復(fù)單位；234bp基本重復(fù)單位可一分為二，序列匹配排列可發(fā)現(xiàn)其高度一致性；有22個(gè)差異位點(diǎn)，分歧率為19%。234bp基本重復(fù)單位是在進(jìn)化過程中由117bp重復(fù)單位復(fù)制加倍而成，差異位點(diǎn)是加倍后突變積累的結(jié)果。第59頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三小鼠衛(wèi)星DNA解剖：1/4亞單位117bp亞單位可再一分為二，圖中前2個(gè)序列為第一個(gè)1/2亞單位，后2個(gè)序列為第二個(gè)1/2亞單位；4個(gè)序列的匹配排列顯示在58個(gè)位點(diǎn)中有23個(gè)差異位點(diǎn)，分歧率為40%；前三個(gè)序列相似性較高，分歧率主要由第4個(gè)序列造成。第60頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三高度重復(fù)順序的功能

參與復(fù)制的調(diào)節(jié)：DNA復(fù)制起點(diǎn)區(qū)附近常存在反向序列。許多反向重復(fù)序列還是一些調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)（包括酶）的結(jié)合位點(diǎn)。參與基因表達(dá)調(diào)控：DNA反向重復(fù)順序能轉(zhuǎn)錄到核不均一RNA分子中，可以形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定RNA分子。參與轉(zhuǎn)位作用：轉(zhuǎn)位因子末端大都包括反向重復(fù)順序。在轉(zhuǎn)位作用中，可以被參與轉(zhuǎn)位的特異酶所識(shí)別。與進(jìn)化有關(guān)：不同種屬的高度重復(fù)順序的核苷酸序列不同，具有種屬特異性，但相近種屬又有相似性；與細(xì)胞減數(shù)分裂時(shí)染色體配對有關(guān)：α衛(wèi)星DNA成簇分布于染色體著絲粒附近，同源染色體之間的聯(lián)會(huì)可能依賴于具有染色體專一性的特定衛(wèi)星DNA序列。第61頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三衛(wèi)星DNA的應(yīng)用——DNA指紋同一種屬中不同個(gè)體的高度重復(fù)順序的重復(fù)次數(shù)不一樣，這可以作為每一個(gè)體的特征，即DNA指紋。第62頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三2）中度重復(fù)序列短分散片段(shortinterspersedrepeatedsegments,SINES):平均長度約300bp(<500bp)，拷貝距離為1000bp?？截悢?shù)達(dá)10萬左右。如Alu家族,Hinf家族。長分散片段(longinterspersedrepeatedsegments,LINES):平均長度為3500-5000bp，它們與平均距離為13000bp（個(gè)別長幾萬bp）。也有實(shí)驗(yàn)顯示人基因組中所有LINES之間的平均距離為2.2kb，拷貝數(shù)一般在1萬左右，如KpnⅠ家族等。中度重復(fù)順序在基因組中所占比例在不同種屬之間差異很大，一般約占10-40％，在人約為12％。第63頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三單拷貝順序在基因組中占50-80％，如人基因組中，大約有60-65％的順序?qū)儆谶@一類；單拷貝順序中儲(chǔ)存了巨大的遺傳信息，但只有一小部分編碼各種不同功能的蛋白質(zhì)；但單拷貝順序中其他部份的功能尚不清楚。3）單一序列及低度重復(fù)序列第64頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三自私DNA(selfishDNA)定義：在哺乳動(dòng)物包括人類基因組中，存在著大量的非編碼序列，如前述的高度重復(fù)順序，內(nèi)含子，間隔DNA等。這些順序中，只有很小一部份具有重要的調(diào)節(jié)功能，絕大部部分都沒有特殊功能。在這些DNA序列中雖然積累了大量缺失，重復(fù)或其他突變，但對生物并沒有影響，它們的功能似乎只是自身復(fù)制，所以稱為自私DNA或寄生DNA(parasiteDNA)。自私DNA也許有重要功能，但目前還不了解。第65頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三三、染色體外遺傳因子第66頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三

相關(guān)概念質(zhì)粒(plasmid)：可自我復(fù)制并遺傳的染色體外DNA

分子，細(xì)菌和某些低等真核生物中常見，可被用做基因工程載體。細(xì)胞質(zhì)遺傳(cytoplasmicinheritance)：線粒體或葉綠體基因的遺傳特性。第67頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三3.1質(zhì)粒(plasmid)質(zhì)粒的存在：普遍存在于細(xì)菌中，如G+、G、藍(lán)細(xì)菌、放線菌；在真菌、藻類等真核生物中也存在。質(zhì)粒的應(yīng)用：基因工程載體。第68頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三3.1.1質(zhì)粒的一般生物學(xué)特性1、質(zhì)粒的一般特性絕大多數(shù)為雙鏈環(huán)狀DNA分子，但也存在線形DNA質(zhì)粒和RNA質(zhì)粒（酵母殺傷質(zhì)粒）；質(zhì)?？煞€(wěn)定持續(xù)地游離于染色體外，但一定條件下可整合到染色體上；環(huán)形雙鏈DNA三種構(gòu)型：共價(jià)閉合環(huán)狀、開環(huán)結(jié)構(gòu)和線性分子。分子量差異顯著，最小的質(zhì)粒僅編碼2-3種中等大小的蛋白質(zhì)，其分子量大小為1-2103bp，而巨大質(zhì)粒（megaplasmid）分子量可達(dá)1-2106bp。第69頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三2、質(zhì)粒的功能質(zhì)粒賦予寄主細(xì)胞一些額外特性，如編碼抗菌素和重金屬抗性基因、產(chǎn)生抗菌素和細(xì)菌素的基因、芳香族化合物降解基因、誘發(fā)植物腫瘤基因，以及寄主控制的限制和修飾系統(tǒng)的基因等數(shù)十余種；隱蔽質(zhì)粒(crypticplasmid)：是指其功能尚不明了的質(zhì)粒。第70頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三3、質(zhì)粒DNA的轉(zhuǎn)移1）質(zhì)粒的類型：根據(jù)是否可以轉(zhuǎn)移，質(zhì)?？煞譃榻雍闲唾|(zhì)粒和非接合型質(zhì)粒。二者都有自我復(fù)制基因；但前者帶有控制細(xì)菌配對和質(zhì)粒接合轉(zhuǎn)移的基因，后者則缺。2）質(zhì)粒接合轉(zhuǎn)移細(xì)菌配對的形成：F-性須的形成與裝配和維持交配期間細(xì)胞對的穩(wěn)定均依賴于tra基因群；質(zhì)粒的轉(zhuǎn)移：TraY和TraI分別有單鏈切割和解旋酶的活性，以oriT為轉(zhuǎn)移起點(diǎn)，在兩種酶的作用下，一條鏈從給體細(xì)胞進(jìn)入受體細(xì)胞,并進(jìn)行新鏈的合成。第71頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三質(zhì)粒DNA的接合轉(zhuǎn)移與復(fù)制TraY和TraI分別具有單鏈切割和解旋酶的活性，以oriT為轉(zhuǎn)移起點(diǎn)，在兩種酶作用下，一條鏈從給體細(xì)胞進(jìn)入受體細(xì)胞經(jīng)滾環(huán)復(fù)制合成新鏈。第72頁，講稿共84頁，2023年5月2日，星期三4、質(zhì)粒DNA的復(fù)制類型按拷貝數(shù)的多少，質(zhì)?？煞殖蓛煞N復(fù)制型

嚴(yán)緊型(stringent)質(zhì)粒：拷貝數(shù)低，每細(xì)胞1-3拷貝；

松弛型(relaxed)質(zhì)粒：高拷貝數(shù)，每個(gè)寄主細(xì)胞中可高達(dá)10-60份拷貝一般來講，接合型質(zhì)粒分子量較大，每個(gè)細(xì)胞拷貝數(shù)少，屬嚴(yán)緊型；非接合型質(zhì)粒分子量較低，細(xì)胞中拷貝數(shù)較多，屬松弛型。例外，接合型質(zhì)粒R6K的分子量較小，為松弛型質(zhì)粒。松弛型與嚴(yán)緊型質(zhì)