基因和基因組

第29章基因和基因組第30章DNA的生物合成第31章DNA重組第32章RNA的生物合成第33章蛋白質的生物合成第34章基因表達調控第14章激素與細胞信號傳導第35章相關技術

遺傳信息傳遞第29章基因、基因組的結構第一節(jié)基因的概念遺傳因子，“一個因子決定一個性狀”?！盎蛘摗保蚴侵本€排列在染色體上的遺傳顆粒三位一體的概念：攜帶生物體遺傳信息的結構單位。控制一個特定性狀的功能單位。突變單位和交換單位?！耙粋€基因一個酶”“一個順反子，一條多肽鏈；一個基因一條多肽鏈順反子(cistron)即結構基因，為決定一條多肽鏈合成的功能單位。順反子的概念來自遺傳學中的順反重組試驗，是確定交換片段究竟在一個基因內還是屬于兩個基因的試驗.簡言之，順反子在一定條件下與基因同義，單順反子是一個基因，多順反子是多個基因?；虻纳飳W定義基因是位于染色體上呈直線排列的遺傳單位。它既是攜帶遺傳信息的結構單位，又是控制遺傳性狀的功能單位。即一個基因控制一個性狀。后來有人擴展為“一個基因一種蛋白”?；虻亩x基因(gene)

合成有功能的蛋白質多肽鏈或RNA所必需的全部核苷酸序列。一般是DNA序列（或RNA病毒中的RNA）。具有編碼一定生物功能分子的核苷酸序列?；虻姆肿由飳W定義一個基因是編碼有功能的蛋白質多肽鏈或RNA所必需的全部核酸序列。即一個基因不僅包含編碼蛋白質肽鏈或RNA的核酸序列，還包括保證轉錄所必需的調控序列、位于編碼區(qū)上游5’端和下游3’端的非編碼序列及內含子。模式生物基因組大小基因組大小物種基因組大小基因數(shù)人H.sapiens30億30000實驗小鼠M.musculus26億30000擬南芥A.thaliana1億25000圓線蟲C.elegans0.97億19000果蠅D.melanogaster1.37億13000酵母S.cerevisiae0.12億6000大腸桿菌E.coli460萬3200支原體M.genesis58萬480乙肝病毒HBV32004一個典型的真核基因①編碼序列：外顯子(exon)②插入外顯子之間的非編碼序列：內合子(intron)③5'-端和3'-端非翻譯區(qū)(UTR)④調控序列(可位于上述三種序列中)基因組(genome)是指一種生物體中的整套遺傳信息，一般為一個單倍體細胞的細胞核中所有DNA分子的總和。一特定生物體的整套(單倍體)遺傳物質的總和?；蚪M的大小用全部DNA的堿基對總數(shù)表示。每種真核生物的單倍體基因組中的全部DNA量稱為C值(C-Value)?；蚪M中不同的區(qū)域具有不同的功能，有些是編碼蛋白質的結構基因，有些是復制及轉錄的調控信號，有些區(qū)域的功能尚不清楚。人的23對染色體C值(C-Value)與C值矛盾C-value:生物單倍體基因組中DNA總量，以基因組的堿基對來表示。每個細胞中以皮克(pg)水平表示。在真核生物中，每種生物的單倍體基因組的DNA總量是恒定的，稱之為C值，C值是每種生物的一個特性。不同物種的C值差別很大。C值反常現(xiàn)象:C值一般隨生物進化而增加,但也存在某些低等生物的C值比高等生物大,即C值反?，F(xiàn)象。最簡單的多細胞生物秀麗隱桿線蟲8*107bp，是酵母的4倍。第二節(jié)原核基因組根據細胞的結構和遺傳物質在細胞內的分布，生物可分為原核生物（prokaryote）和真核生物（eukaryote）兩大類。

原核生物多為簡單的單細胞生物，只有類核，沒有核膜。

原核基因組主要包括病毒基因組和屬于原核生物的細菌基因組。一病毒基因組的結構特點1.結構簡單，基因組小。．病毒核酸大小差別很大，3kb－300kb；2.每種病毒核酸只有一種，或者DNA，或者RNA；3.

具有重疊基因的結構．

即同一段DNA片段能夠編碼2～3種蛋白質分子，這在其他生物細胞僅見于線粒體和質粒DNA。其意義在于使較小的基因組攜帶較多的遺傳信息。

．4.重復序列少5.非編碼區(qū)少6.

相關基因叢集，具有操縱子的結構病毒基因組DNA序列中功能上相關的蛋白質基因或rRNA基因常集中在基因組的一個或幾個特定的部位，形成一個功能單位或者轉錄單元。它們可被一起轉錄為多順反子mRNA，然后再翻譯成各種蛋白質。7.除逆病毒外，基因組是單倍體。8.真核病毒基因有內含子，而噬菌體基因組是連續(xù)的，無內含子，但有操縱子結構。二細菌基因組細菌含有染色體和染色體外的DNA—質粒1.基因組常由一條環(huán)狀雙鏈DNA組成類核。2.具有操縱子（operon）結構。3.非編碼區(qū)少，基因組中無內含子，且結構基因多為單拷貝。4.不出現(xiàn)基因重疊現(xiàn)象，只有少數(shù)例外。

如大腸桿菌染色體是研究得比較清楚的細菌染色體。其基因組由4.7×106bp構成，分子量2.64×109D，約3500個基因，已定位定序1500個左右，有260個基因查明有操縱子結構，定位于75個操縱子中，在已知的基因中8%的順序具有調控作用。（二）質粒DNA在許多細菌和某些真核細胞中，除了染色體這一主要遺傳物質外，還有存在于細胞質中的環(huán)狀DNA。這種染色體外的DNA分子，含有遺傳信息，能進行自主復制，并傳至子代細胞，能表達，可轉移。這種染色體外的DNA稱為質粒（plasmid）。按復制機理分類嚴密控制型質粒松弛控制型質粒（用于基因工程克隆）按質粒功能分類

F質粒（性質粒）

R質粒（抗藥性質粒）（用于基因工程刪選）

Col質粒（大腸桿菌素因子）pBR322是E.coli中的質粒，長4367bp，是分子生物學研究中最初常用的質粒。通常使用的質粒載體還有pUC18/pUC19等第三節(jié)真核基因組真核生物的基因組由核內染色體DNA和核外細胞器DNA（線粒體DNA和葉綠體DNA）兩類，我們只介紹前者。一、真核生物基因組的特點：

1.體細胞內的基因組為二倍體。

2.

基因組遠遠大于原核生物的基因組，具有多復制起點。

3.基因組中不編碼的區(qū)域多于編碼區(qū)域。

4.

大部分基因含有內含子，因此，基因是不連續(xù)的（斷裂基因）。

5.真核細胞基因轉錄產物為單順反子。一個結構基因經過轉錄和翻譯生成一個mRNA分子和一條多肽鏈。

6.單一序列為主，存在大量重復序列。

7.某些有一定同源性而又不完全相同的基因簇組成一個基因家族二.人類基因組結構人類基因組結構非常復雜，基因組DNA總長度約3.2×109bp，包含約3~4萬個蛋白編碼基因，分散在23條染色單體上。其中編碼蛋白質的結構基因僅占基因組的2%~3%，多以單拷貝形式存在。人類DNA中，約有40%的順序是以重復序列形式存在的，而高度重復序列約占10%~20%基因家族（一）重復序列人類DNA中，約有40%的順序是以重復序列形式存在的，而高度重復序列約占10%~20%基因組中DNA序列的分類(一)高度重復序列(重復次數(shù)：>1O6)(二)中度重復序列(重復次數(shù)：1O2

－1O5)(三)單拷貝序列(UniqueSequence)

包括大多數(shù)編碼蛋白質的結構基因和基因間間隔序列。Typesofrepeat(I)高度重復序列（重復次數(shù)>lO6）在人基因組中約占20％（1）衛(wèi)星DNA(SatelliteDNA)衛(wèi)星DNA:重復序列長5~200bp，串聯(lián)排列，總長可達幾百kb。多態(tài)性不強小衛(wèi)星DNA:<25bp,串聯(lián)排列，<20kb。在常染色體中，呈高度多態(tài)性。微衛(wèi)星DNA:<6bp,<150bp。在常染色體中，也有高度多態(tài)性。這種重復序列又稱簡單串聯(lián)重復序列（Simpletandemrepeats,STRs），在人群中，許多STR存在拷貝數(shù)的多態(tài)性，這是進行DNA指紋分析的基礎。衛(wèi)星DNA(SatelliteDNA)（2）反向重復序列（invertedrepeat）反向重復序列由兩個順序相同，但反向排列在同一DNA鏈上的互補拷貝所組成。人類基因組約含5%的反向重復序列。如限制性核酸內切酶的識別與切割序列。如NotⅠ識別切割序列：↓5’GCGGCCGC3’

3’CGCCGGCG5↑（3）端粒（telomere）5’(TxGy)n3’

3’(AxCy)n5’人的端粒是由串聯(lián)的TTAGGG重復序列組成，總長約5～15kb(II)中度重復序列約占整個基因組的20%~30%1．中度重復序列的特點①重復單位序列相似，但不完全一樣，②散在分布于基因組中．③序列的長度和拷貝數(shù)非常不均一，④中度重復序列一般具有種屬特異性，可作為DNA標記．⑤中度重復序列可能是轉座元件。2．中度重復序列的分類①longinterspersedrepeatedsegments，LINES，長散在重復序列長度>1000bp(可達7Kb)，拷貝數(shù)104-105，如人LINES②Shortinterspersedrepeatedsegments，SINES，短散在重復序列

長度<500bp，拷貝數(shù)>105．如人Alu序列A1u序列含有Alu酶切位點重復單位長300bp：130bp+31bp+130bp，其5′端有-17-21bp的正向重復序列。通過RNA，再反轉錄成cDNA，插入人類基因組可轉錄成hnRNA，但在mRNA成熟過程中被切除（二）單拷貝序列單拷貝序列在基因組中只出現(xiàn)一次或少數(shù)幾次。真核生物的大多數(shù)編碼蛋白質的基因屬于此類，故這類基因突變易造成遺傳性狀改變或產生遺傳性疾病。人類基因組中，單拷貝順序約占60%~65%。（三）基因家族(genefamily)一組功能相似、核苷酸序列具有同源性的基因．可能由某一共同祖先基因經重復和突變產生?；蚣易宓奶攸c：①基因家族的成員可以串聯(lián)排列在一起，形成基因簇(genecluster)或串聯(lián)重復基因，如rRNA、tRNA和組蛋白的基因；②有些基因家族的成員也可位于不同的染色體上，如珠蛋白基因；③有些成員不產生有功能的基因產物，這種基因稱為假基因(Pseudogene)．

Ψa1表示與a1相似的假基因．基因家族分類編碼RNA的:rRNA、tRNA、snRNA等；編碼蛋白質的:組蛋白基因珠蛋白基因生長激素rRNA基因>l00copy．rRNA基因簇(重復單元18S-5.8S-28SRNA）珠蛋白基因（四）超基因家族

(Supergenefamily)由基因家族和單基因組成的大基因家族，結構上有程度不等的同源性，但功能不同．免疫球蛋白超基因家族,絲氨酸蛋白酶族,ras超基因家族（五）擬基因和基因遺跡擬基因（pseudogene）：由于某種原因而失活的基因。

常規(guī)擬基因：基因編碼區(qū)產生一個終止密碼子

已加工擬基因：產生于基因表達的異常而非進化截短的基因：完整基因的一端缺少大小不等的一段?；蚱危簭囊粋€基因中分離出來的短片斷。來源于DNA重排和缺失，常存在于多基因家族基因外DNA

2100Mb基因和基因相關序列

900Mb人類基因組

3000Mb

編碼DNA

90Mb非編碼DNA

810Mb重復DNA

420Mb單拷貝和低拷貝DNA

1680Mb擬基因基因片斷內含子前導區(qū)尾區(qū)串聯(lián)重復散布于整個基因組的重復小衛(wèi)星DNALTR元件LINE微衛(wèi)星DNASINEDNA轉座子衛(wèi)星DNA人類基因組的組成

Strachan和Red(1996)線粒體基因組人線粒體基因組的特點：1、人線粒體基因組為16，569bp的雙鏈閉環(huán)分子，一條鏈為重鏈(H鏈)，一條鏈為輕鏈(L鏈)，兩條鏈均有編碼功能，每個mtDNA分于編碼13種蛋白質和24種結構RNA(22rRNA，2tRNA)．2、線粒體DNA為母系遺傳．人線粒體基因組的特點：3、結構基因不含內含子，部分區(qū)域有基因重疊，因此病理性mtDNA突變更易發(fā)生．4、mtDNA突變頻率更高．5、線粒體DNA突變的表型表達與核DNA不同。第四節(jié)基因組學

與人類基因組計劃發(fā)展和應用DNA制圖、測序新技術以及計算機程序，分析生命體（包括人類）全部基因組結構及功能稱為基因組學。基因組學研究領域包括：結構基因組學（structuregenomics）：物理圖譜、遺傳圖譜、

基因組DNA序列測定（包括模式生物）功能基因組學（functionalgenomics）：用國際生物技術信息

中心（NCBI）的BLAST程序，同源搜索設計基因功

能；描述基因表達模式（轉錄組和蛋白質組）。

比較基因組學（comparativegenomics）：比較不同物種的整個基因組，以理解每個基因組的功能和進化關系。二十世紀的三大計劃癌癥研究的轉折點-----人類基因組的全序列分析

DulbeccoRScience1986

回顧了70年代以來癌癥研究的進展，使人們認識到包括癌癥在人類疾病的發(fā)生，都與基因直接、間接有關；同時指出，要么仍處在零打碎敲的方法研究，要么從整體上研究和分析整個人類基因組及其序列。這一計劃的意義，可以與征服宇宙的計劃媲美。這樣的工作是任何一個實驗室難以單獨承擔的項目。這個世界所發(fā)生的一切事情，都與這一人類的DNA序列息息相關HGP的研究內容總體目標：15年內投入30億美元，完成人類24條染色體的30億個核苷酸序列分析主要內容：

1.基因組制圖（遺傳圖譜、物理圖譜、序列圖譜、基因圖譜）

2.基因的定位與分析

3.基因組研究技術的建立、改進

4.模式生物基因組的圖譜繪制及測序

5.相關課題的研究：建立收集、貯存、分類與分析所有有關分子生物資料和數(shù)據的工作系統(tǒng)過程中形成了生物信息學（bioinformatics）。HGP有關新技術和新方法1．脈沖電場電泳（pulsedfieldelectrophoresis）1984年發(fā)展和建立了這種新的大片段DNA分離技術，可以分離大到4×106bp的DNA片段。這是基因組測序所必需的技術與方法。2．大分子克隆技術一般的克隆載體，最大的可克隆的DNA片段僅有幾個到45kb，不能克隆更大的DNA片段，不能滿足基因組測序的需要。YAC載體能克隆500～1000kb的DNA片斷。重組的YAC載體可轉化酵母細胞，在酵母細胞內復制。3．新的DNA測序技術

目前能進行準確測序的DNA片段，一般最多在1kb以下，不能滿足需要。現(xiàn)創(chuàng)造了熒光標記核苷酸—DNA外切酶法；寡核苷酸探針分子雜交法以及掃描隧道顯微鏡法等新測序方法，大大加快了測序的精確度與速度。4.生物芯片技術生物芯片技術是在20世紀末發(fā)展起來的一項新的規(guī)模化生物信息分析技術。它是由分子生物學、生物信息學、物理學、化學、計算機技術等學科融合形成的一項高新技術。基因芯片和蛋白質芯片它應用于基因表達檢測、基因突變檢測、基因診斷、功能基因組研究、基因組作圖、雜交測序和新基因的發(fā)現(xiàn)等方面。后基因組時代的工作分析所有的這些基因及其編碼產物（主要是蛋白質）是如何單獨和共同在生命過程中發(fā)揮作用的。在目前階段研究蛋白比研究基因難得多，而成千上萬的結構和功能都復雜多樣的蛋白分子才是生命過程的最后執(zhí)行者。我們現(xiàn)在還沒有有效的研究手段去揭示蛋白分子在生物體內究竟完成什么功能、又是通過何種機制去完成其生物功能的等等。跟蹤基因組最新研究動態(tài)的雜志和網站主要雜志：1.AnnualReviewofBiochemistry2.AnnualReviewofGenetics3.Bioessays4.CurrentBiology5.CrrentOpinioninCellBiology6.CrrentOpinioninGeneticsandDevelopment7.CrrentOpinioninStructuralBiology8.NewScientist9.ScientificAmerican10.TrendsinBiochemicalSciences11.TrendsinBiotechnology12.TrendsinGenetics13.Cell14.Nature15.Science16.NatureBiotechnology17.NatureGenetics18.NatureStructuralBiology國際著名的生物信息中心NCBI NationalCenterforBiotechnologyInformation(US)

EBI EuropeanBioinformaticsInstitute(EU)

HGMP HumanGenomeMappingProjectResourceCentre(UK)ExPASyExpertofProteinAnalysisSystem(Switzerland)CMBI CentreofMolecularandBiomolecule(TheNetherlands)ANGIS NationalGenomeInformationService(Australia)NIG NationalInstituteofGenetics(Japan)BIC NationalBioinformaticsCentre(Singapore)63國內部分生物信息學和生物醫(yī)學信息服務器北京大學生物信息中心中國生物信息/北京大學物理化學研究所北京醫(yī)科大學生物醫(yī)學信息中國科學院微生物研究所天津大學生物信息中心中科院計算所智能信息處理重點實驗室生物信息學研究組 /中國科學院基因組信息學中心/北京大學生物信息中心安裝了70多個數(shù)據庫，提供200多種軟件下載建立了14個國外著名生物信息中心鏡象提供了數(shù)據庫和文獻查詢、搜索構建了中華民族基因多樣性等專用數(shù)據庫集成和開發(fā)了基于Web的生物信息軟件工具開展了分子模擬、序列分析等應用研究舉辦了國際國內培訓班、講習班、討論會開設了生物信息學概論研究生課程其他數(shù)據庫EMBLhttp://www.embl-heidelberg.de/

http://www.ebi.ac.uk/embl/

GenBank/Web/Genbank/

DDBJhttp://www.ddbj.nig.ac.jp/

Ensembl/

Medline/medline/query－form.html

BioMedNethttp://www.BioMedN/Staden:/tools/staden/(biologicalpackage)RCSB（結構生物信息學研究聯(lián)合實驗室）

PRESAGE（Collaborativeresourceforstructuralgenomics

結構基因組學聯(lián)合資源）/

ExPASyhttp://www.expasy.ch/

SRShttp