第一章-基因和基因組-2012

染色質(zhì)、染色體、基因和基因組金晶Chromatin,Chromatosome,GeneandGenome2023/7/141OutlineForChapterOneSection1:GeneSection2:GenomeGeneandGenome

基因與基因組2023/7/142WhatistheGenes?GenesisgeneticinstructionscodedforbyDNAthattransmitsgeneticinheritancefromparentstooffspring2023/7/143基因概念的歷史演變早期關(guān)于遺傳物質(zhì)的臆測基因的前奏——遺傳因子遺傳的染色體學(xué)說“基因”一詞的創(chuàng)立基因存在的證實(shí)基因化學(xué)本質(zhì)以及功能的認(rèn)識近代基因的概念2023/7/1441早期關(guān)于遺傳物質(zhì)的臆測

1864年英國哲學(xué)家斯賓塞“生理單位”；1868年達(dá)爾文將其稱為“微芽”；1883年德國生物學(xué)家魏斯曼稱之為“種質(zhì)”1884年瑞士植物學(xué)家馮內(nèi)格列“異胞質(zhì)”；1889年荷蘭學(xué)者德弗里斯稱為“泛生子”；2023/7/1452基因的前奏——遺傳因子

1865年Mendel,兩個基本遺傳規(guī)律——分離規(guī)律和自由組合規(guī)律，并提出了“遺傳因子”的觀點(diǎn)。指出遺傳因子是一種物質(zhì)，它控制著生物的性狀。2023/7/1463遺傳的染色體學(xué)說

1903年，薩頓和鮑威爾遺傳的染色體學(xué)說認(rèn)為孟德爾的“遺傳因子”與配子形成以及受精過程中的染色體傳遞行為具有平行性，且孟德爾的遺傳因子位于染色體上，第一次把遺傳物質(zhì)和染色體聯(lián)系起來。2023/7/1474“基因”一詞的創(chuàng)立:1909年，丹麥遺傳學(xué)家約翰遜。替代Mendel早年所提出的遺傳因子(geneticfactor)一詞，并創(chuàng)立了基因型(genotype)和表現(xiàn)型(phenotype)的概念。2023/7/1485基因存在的證實(shí)1926年美國摩爾根《基因論》出版認(rèn)為基因是組成染色體的遺傳單位，并且證明基因在染色體上占有一定位置，而且呈線性排列。提出“功能、交換、突變”三位一體的基因概念。2023/7/1496基因化學(xué)本質(zhì)以及功能的認(rèn)識

“一個基因一種酶”和“一個基因一條多肽鏈”基因的化學(xué)本質(zhì)是DNA(有時是RNA)

基因順反子的概念基因是一段有功能的DNA序列2023/7/1410

6.1從

“一個基因一個酶”到“一個基因一條多肽鏈”1941年GWBeadle和ELTatum一個基因一個酶：紅色鏈孢霉各種營養(yǎng)缺陷突變體與酶缺陷相關(guān)------基因?qū)π誀畹目刂剖峭ㄟ^基因控制酶的合成來實(shí)現(xiàn)的。本世紀(jì)50年代，Yanofsky一個基因一條多肽鏈：有些蛋白質(zhì)不只由一種肽鏈組成，如血紅蛋白和胰島素，不同肽鏈由不同基因編碼。BeadleTatum

2023/7/1411

6.2DNA是遺傳物質(zhì)(有時是RNA)

1944年，Avery證實(shí)了DNA是遺傳物質(zhì)。有些病毒只含有RNA。2023/7/1412

6.3基因順反子（Cistron）的概念1955年，美國本茲爾(Benzer)提出順反子的概念：是指編碼一個蛋白質(zhì)的全部組成所需信息的最短片段，即一個基因?；騼H是一個功能單位，基因內(nèi)部的堿基對才是重組單位和突變單位。2023/7/1413一對同源染色體上兩突變（a和b）在同一染色體上時，稱為順式構(gòu)型，兩突變（a和b）在兩條染色體上時，為反式構(gòu)型；順反互補(bǔ)測驗(yàn)（cis-transtest）：比較順式和反式構(gòu)型個體的表型來判斷兩個突變是否發(fā)生在一個基因（順反子）內(nèi)的測驗(yàn)。2023/7/1414測驗(yàn)時:兩突變發(fā)生在同一基因上，雜合體就不存在野生型的基因，因而為突變體表型；如果兩突變在兩個不同的基因上，后代雜合體中將有一個基因是野生型的，另外一個基因是突變型，雜合體的表型成了野生型。這兩個基因的這種關(guān)系稱為互補(bǔ)。2023/7/1415基因內(nèi)突變位點(diǎn)在同一基因上突變位點(diǎn)在不同的基因上基因上；的基因上；2023/7/1416

6.4基因是一段有功能的DNA序列

DNA雙螺旋模型1953年Watson和Crick提出遺傳中心法則1957年Crick提出順反互補(bǔ)試驗(yàn)1955年Benzer提出：順反子三聯(lián)遺傳密碼的破譯Nirenberg等1961-67年：

70年代：可移動基因的證實(shí)、隔裂基因和重疊基因的發(fā)現(xiàn)等。7近代基因的概念：基因是一段有功能的DNA序列，基因是遺傳的功能單位，DNA分子中不同排列順序的DNA片段構(gòu)成特定的功能單位；2023/7/1417★

可轉(zhuǎn)錄、可翻譯的（結(jié)構(gòu)基因：能夠編碼多肽鏈的基因

)★可轉(zhuǎn)錄但不翻譯(

tDNA,rDNA)★不轉(zhuǎn)錄、不翻譯

(調(diào)控基因：調(diào)控鄰近的結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)，如：啟動基因，操縱基因)

基因的類型不是所有的基因都能為蛋白質(zhì)編碼2023/7/1418基因的生物學(xué)定義基因（gene）是攜帶生物體遺傳信息的結(jié)構(gòu)單位。功能上：是遺傳物資的結(jié)構(gòu)、功能單位本質(zhì)上：是有遺傳效應(yīng)的DNA片斷(有時是RNA)結(jié)構(gòu)上：含有特定遺傳信息的核苷酸序列位置上：在染色體上有特定的座位，呈線性排列2023/7/1419基因與染色體2023/7/1420基因的分子生物學(xué)定義

DNA分子中含有特定遺傳信息的核苷酸序列，是遺傳物質(zhì)的最小功能單位。合成有功能的蛋白質(zhì)多肽鏈或RNA所必需的全部核酸序列（通常是DNA序列）。2023/7/1421基因的分子生物學(xué)內(nèi)容按照這個定義，一個基因應(yīng)包括：⑴編碼蛋白質(zhì)多肽鏈或RNA的核酸序列⑵保證轉(zhuǎn)錄所必需的調(diào)控序列、5′端非翻譯序列、內(nèi)含子、3′端非翻譯序列等所有的核酸序列2023/7/1422現(xiàn)代關(guān)于基因概念的認(rèn)識2023/7/1423基因功能

分子生物學(xué)的中心法則

轉(zhuǎn)錄翻譯復(fù)制DNARNA蛋白質(zhì)

逆轉(zhuǎn)錄基因信息的傳遞2023/7/1424原核生物基因特征1、功能上相關(guān)的基因高度集中，組成操縱子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄時產(chǎn)生一個多基因的mRNA。多順反子X-geneZ-geneY-genepromoter例如大腸桿菌中參與乳糖代謝的β－半乳糖苷酶、半乳糖苷透性酶、半乳糖苷乙酰化酶三個酶基因與啟動子、操縱基因和調(diào)節(jié)基因一起組成乳糖操縱子。2023/7/1425原核生物基因特征編碼蛋白的基因大多是是單拷貝編碼RNA（rRNA）基因是多拷貝基因是連續(xù)的：結(jié)構(gòu)基因中沒有內(nèi)含子成分，在轉(zhuǎn)錄后不需剪接加工，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的壽命較短2023/7/1426原核生物基因特征細(xì)菌中的DNA大部分是用于編碼蛋白質(zhì)，只有一小部分是不翻譯的。結(jié)構(gòu)基因重復(fù)序列少單個染色體呈環(huán)狀，染色體DNA并不和蛋白質(zhì)固定結(jié)合。2023/7/1427Prokaryoticgenemodel:ORF-genes“Small”genomes,highgenedensityHaemophilusinfluenzagenome85%genicOperonsOnetranscript,manygenesNointrons.Onegene,oneproteinOpenreadingframesOneORFpergeneORFsbeginwithstart,endwithstopcodon(def.)TIGR:NCBI:2023/7/1428真核生物基因特征2023/7/14291、結(jié)構(gòu)基因、內(nèi)含和外顯子、斷裂基因（1）結(jié)構(gòu)基因（structuralgene）指能轉(zhuǎn)錄成為mRNA、rRNA或tRNA的DNA順序。（2）內(nèi)含子和外顯子真核生物的結(jié)構(gòu)基因是不連續(xù)的，編碼序列被非編碼序列打斷，在編碼序列之間的序列稱為內(nèi)含子（intron），編碼序列稱為外顯子（extron）。（3）斷裂基因（splitgene）在真核類結(jié)構(gòu)基因組中，編碼順序被許多稱為內(nèi)含子的非編碼區(qū)分割成幾段稱之。真核基因的基本結(jié)構(gòu)2023/7/14302.調(diào)控元件

順式調(diào)控元件（cis—actingelements）指與結(jié)構(gòu)基因表達(dá)調(diào)控相關(guān)，能夠被基因調(diào)控蛋白特異性識別和結(jié)合的DNA序列。反式作用因子（trans—actingfactors）能與順式作用元件結(jié)合調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄活性的蛋白質(zhì)因子。真核基因的基本結(jié)構(gòu)2023/7/1431順式調(diào)控元件有：（1）啟動子（promoter）（2）上游啟動子元件（upstreampromoterelementsups）（3）反應(yīng)元件（responseelements）（4）增強(qiáng)子（enhancer）和沉默子（silencer）（5）加尾信號真核基因的基本結(jié)構(gòu)2023/7/1432真核生物基因特征1.真核生物基因組DNA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)胞內(nèi)的基因的基因組是雙份的，即雙倍體。2.真核細(xì)胞基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子。一個結(jié)構(gòu)基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄和翻譯生成一個mRNA分子和一條多肽鏈。2023/7/14333.存在重復(fù)序列，重復(fù)次數(shù)可達(dá)百萬次以上。4.基因組中不編碼的區(qū)域多于編碼區(qū)域。5.大部分基因含有內(nèi)含子，因此，基因是不連續(xù)的6.基因組遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原核生物的基因組，具有許多復(fù)制起點(diǎn)，而每個復(fù)制子的長度較小真核生物基因特征2023/7/1434原核-多順反子功能上相關(guān)的幾個結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起組成操縱子(operon)結(jié)構(gòu)。當(dāng)基因開放時，這幾個基因錄在一條mRNA鏈上，然后翻譯成幾條功能相關(guān)蛋白質(zhì)多肽鏈，故稱之為多順反子(polycistron)。真核-單順反子與原核生物不同，真核基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子(monocistron)，即一個編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個mRNA分子，翻譯生成一條多肽鏈。原核和真核細(xì)胞中基因和順反子的關(guān)系2023/7/1435OutlineForChapterOneSection1:GeneSection2:GenomeGeneandGenome2023/7/1436基因組（gencme）基因組：生物細(xì)胞中單套染色體的所含全部DNA分子，包括編碼編碼序列和非編碼序列?；颍簲y帶有遺傳信息的DNA或RNA序列，也稱為遺傳因子，是控制性狀的基本遺傳單位?；蛲ㄟ^指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成來表達(dá)自己所攜帶的遺傳信息，從而控制生物個體的性狀表現(xiàn)。2023/7/1437基因組的結(jié)構(gòu)主要指不同的基因功能區(qū)域在核酸分列中的分布和排布情況，基因組的功能是貯存和表達(dá)遺傳信息。人類基因組包含22條染色體和XY兩條性染色體上的全部遺傳物質(zhì)（核基因組）以及胞線粒體上的遺傳物質(zhì)（線粒體基因組）。2023/7/1438VirusesProcaryotesEucaryotesViralgenomeBacterialchromosomePlasmidsChromosomes(Nucleargenome)MitochondrialgenomeChloroplastgenomeCapsidNucleus不同生物的基因組2023/7/1439幾個代表物種的基因組大小2023/7/1440（1）基因組較小,平均1Kb，大小變化不大（2）幾乎無蛋白質(zhì)同核酸結(jié)合（3）具有操縱子結(jié)構(gòu)（4）結(jié)構(gòu)基因是單拷貝，rRNA基因是多拷貝（5）有基因重疊現(xiàn)象（6）多順反子原核生物基因組結(jié)構(gòu)與功能的特點(diǎn)2023/7/1441真核生物基因組結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn)（1）基因組大，基因多，存在大量重復(fù)序列，大部分與組蛋白和非組蛋白結(jié)合在一起；（2）基因主要以單順反子形式存在；（3）多數(shù)基因是斷裂的；（4）存在基因家族；（5）基因表達(dá)的調(diào)控位點(diǎn)多，位置多樣化；（6）部分基因組序列存在重排、擴(kuò)增、丟失等規(guī)律性變化。2023/7/1442真核生物與原核生物基因組的區(qū)別（1）真核生物基因組DNA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)胞內(nèi)的基因組是雙份的。細(xì)菌染色體基因組通常由一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成，染色體形成類核，無核膜與胞漿分開。（2）真核生物基因組遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原核生物的基因組，具有許多復(fù)制起點(diǎn)，而每個復(fù)制子的長度較小。（3）真核細(xì)胞基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子。一個結(jié)構(gòu)基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄和翻譯生成一個mRNA分子和一條肽鏈。原核生物基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為多順反子，功能上相關(guān)的幾個基因往往在一起組成操縱子結(jié)構(gòu)。2023/7/1443真核生物與原核生物基因組的區(qū)別（4）真核基因大部分基因含有內(nèi)含子，因此，基因是不連續(xù)的，稱為斷裂基因，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)錄后加工；原核基因沒有內(nèi)含子結(jié)構(gòu)，不需進(jìn)行轉(zhuǎn)錄后剪接加工。（5）真核基因組中不編碼的區(qū)域多于編碼區(qū)域。原核基因組大部分為編碼序列，不編碼區(qū)域僅占一小部分。（6）真核生物基因組存在重復(fù)序列，重復(fù)次數(shù)可達(dá)百萬次以上基因組遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原核生物的基因組。（7）真核生物基因組存在多基因家族、超基因家族和假基因。2023/7/1444人類基因組

Geneticcomponentsofthehumangenome

2023/7/1445人類基因組人類基因組定義人類生物體一個細(xì)胞所包含的DNA結(jié)構(gòu)一整套基因，攜帶生物特性的全部遺傳信息。

記錄基因組全部DNA序列

2023/7/1446基因組中的重復(fù)序列(repetitivesequences)

單拷貝序列輕度重復(fù)序列中度重復(fù)序列高度重復(fù)序列2023/7/14471、單拷貝序列(singlecopysequences)

又稱非重復(fù)序列：一個基因組中只有一個拷貝。結(jié)構(gòu)基因

(蛋白質(zhì)基因)大多是單拷貝序列。2、輕度重復(fù)序列(lightrepetitivesequences)在基因組中重復(fù)數(shù)2-10的重復(fù)順序，少數(shù)在基因組中成串排列在一個區(qū)域，大多數(shù)與單拷貝基因間隔排列。多為編碼功能的序列2023/7/14483、中度重復(fù)序列(middlerepetitivesequence)概念：在基因組中重復(fù)數(shù)十至數(shù)萬（<105）次的重復(fù)序列。這些重復(fù)序列不是串聯(lián)排列集中在某一區(qū)域，而是散在分布于基因組中，約占基因組DNA總量的10-40%序列的長度和拷貝數(shù)很不均一。但它們有種屬特異性，可制成探針以鑒別不同常種屬的細(xì)胞DNA來源多為非編碼序列，如Alu序列也有編碼基因產(chǎn)物的，如rDNA、tDNA、組蛋白基因家族,一般往往以基因家族的形式組織。2023/7/1449Alu家族Alu家族：人類基因組中最常見的短散在的重復(fù)DNA序列(shortinterspersedelement,SINE，短散在元件)。?至少有750,000Alu拷貝，每個含有約300bp，占人類DNA的11%。?每個Alu序列由兩個130bp序列組成（Alu左序列和Alu右序列），以頭尾相接，在右手單體中有32bp的插入序列。?Alu序列中有限制性酶AluI的識別位點(diǎn)。–AG↓CT2023/7/14502023/7/1451300,000copies廣泛分布于非重復(fù)序列間Function?300bp300bp300bp5000bp5000bp5000bp5000bpDRDRIRIRAGCTAlusiteAcopyofAlufamilyTransposon?遺傳性疾病真核生物的Alufamily2023/7/1452中度重復(fù)序列的分類①longinterspersedrepeatedsegments，LINES，長散在重復(fù)序列長度>1000bp(可達(dá)7Kb)，拷貝數(shù)104-105，如人LINES②Shortinterspersedrepeatedsegments，SINES，短散在重復(fù)序列長度<500bp，拷貝數(shù)>105．如人Alu序列2023/7/14534、高度重復(fù)序列(highrepetitivesequence)概念：在真核生物細(xì)胞基因組中重復(fù)出現(xiàn)可達(dá)106次以上的DNA序列，稱為高度重復(fù)序列基因或高度重復(fù)序列DNA。這類序列復(fù)性速度很快，在人類基因組占20%。高度重復(fù)序列按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為：反向重復(fù)序列(invertedrepeatsequence)；衛(wèi)星DNA(satelliteDNA)2023/7/1454（1）反向重復(fù)序列(invertedrepeatsequence)雙鏈DNA分子中某一段序列，方向相反，序列相同，也就是每條鏈從5’-3’，方向的核苷酸序列都相同，這段DNA稱為反向重復(fù)序列

回文結(jié)構(gòu)：GGTACCCCATGG

常見于基因的調(diào)控區(qū)和特異蛋白結(jié)合區(qū)2023/7/1455（回文重復(fù)序列）（鏡像重復(fù)序列）重復(fù)序列2023/7/1456畫上荷花和尚畫書臨漢字翰林書順反相同2023/7/1457（2）衛(wèi)星DNA(satelliteDNA)衛(wèi)星DNA實(shí)際上是出現(xiàn)在非編碼區(qū)的串聯(lián)重復(fù)序列其特點(diǎn)是具有固定的重復(fù)單位，該重復(fù)單位首尾相連形成重復(fù)序列片段，通常存在于間隔DNA和內(nèi)含子中串聯(lián)重復(fù)單位可以從2個堿基起，長短不等；重復(fù)次數(shù)可以從幾次到數(shù)百次、甚至幾十萬次2023/7/1458衛(wèi)星DNA(satelliteDNA)的特點(diǎn)①

一般長度為5-10bp②常常位于著絲粒和端粒區(qū)③一種或幾種簡單順序串聯(lián)重復(fù)105-107次，而且其堿基序列比較保守④一般不能編碼蛋白質(zhì)或轉(zhuǎn)錄成RNA2023/7/1459小衛(wèi)星DNA（minisatelliteDNA）可變數(shù)目串聯(lián)重復(fù)（variablenumbertandemrepeat，VNTRs）。這是一種特殊的串聯(lián)重復(fù)，在不同個體和基因組的不同位點(diǎn)上數(shù)目都不同。在人類中VNTRs位點(diǎn)是1－5kb的序列，此序列由單位長15－100nt的重復(fù)序列組成。?有極強(qiáng)的個體特異性，可用于DNA的指紋分析。2023/7/1460人類VNTRs的第一個探針

1985年由AlecJeffries制備在肌紅蛋白基因的第一個內(nèi)含子中分離出132bp的重復(fù)順序，內(nèi)含4個長33bp的重復(fù)單位，內(nèi)有13bp為核心順序：（GGAGGTGGGCAGG）用16bp重復(fù)單位（主要為核心序列）重復(fù)29次而成的小衛(wèi)星33.15做探針，與人基因組酶切片段進(jìn)行Southern

雜交，在低嚴(yán)謹(jǐn)條件下雜交產(chǎn)生由10多條帶組成的雜交圖譜，不同個體雜交圖譜上帶的位置是千差萬別的－DNAfingerprint2023/7/14612023/7/1462基因家族（genefamily)定義：核苷酸序列或編碼產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)具有一定程度的同源性，且功能相關(guān)的一組基因。類型：（1）核酸序列相同或幾乎相同：rRNA基因家族、tRNA基因家族、組蛋白基因家族等（2）核酸序列高度同源：如：人生長激素、人胎盤促乳素、催乳素2023/7/1463其產(chǎn)物雖具有相關(guān)的功能，但缺乏大片段的DNA同源序列，也無明顯的保守氨基酸基序，而是大體上具有共同的結(jié)構(gòu)特征。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。最經(jīng)典的是免疫球蛋白超家族。（4）假基因

基因家族中不產(chǎn)生有功能基因產(chǎn)物的一類基因。（3）超基因家族2023/7/1464真核生物染色體上的各種重復(fù)順序和結(jié)構(gòu)元件：2023/7/14652023/7/14662023/7/1467人類基因研究的意義在于它可以支持和推動生命科學(xué)中一系列重要的基礎(chǔ)性研究。如基因組遺傳語言的破譯，基因的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系，生命的起源和進(jìn)化，細(xì)胞發(fā)育、生產(chǎn)、分化的分子機(jī)理，疾病發(fā)生的機(jī)理等。人類基因組計(jì)劃的意義2023/7/1468總體目標(biāo)：15年內(nèi)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(nèi)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(shù)的建立、改進(jìn)4.

模式生物基因組的圖譜繪制及測序5.

相關(guān)課題的研究人類基因組計(jì)劃2023/7/1469人類基因組計(jì)劃HGP的終極目標(biāo)：闡明人類基因組全部DNA序列識別基因建立存儲這些信息的數(shù)據(jù)庫開發(fā)數(shù)據(jù)分析工具HGP帶來的倫理、法律和社會問題基因組多樣性和比較基因組研究2023/7/1470人類基因組測序2023/7/1471二000年六月二十六日克林頓宣布人類基因組草圖繪制