第一章-基因和基因組-2012

染色質、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于遺傳物質的臆測基因的前奏——遺傳因子遺傳的染色體學說“基因”一詞的創(chuàng)立基因存在的證實基因化學本質以及功能的認識近代基因的概念2023/7/1441早期關于遺傳物質的臆測

1864年英國哲學家斯賓塞“生理單位”；1868年達爾文將其稱為“微芽”；1883年德國生物學家魏斯曼稱之為“種質”1884年瑞士植物學家馮內格列“異胞質”；1889年荷蘭學者德弗里斯稱為“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。指出遺傳因子是一種物質，它控制著生物的性狀。2023/7/1463遺傳的染色體學說

1903年，薩頓和鮑威爾遺傳的染色體學說認為孟德爾的“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)和表現型(phenotype)的概念。2023/7/1485基因存在的證實1926年美國摩爾根《基因論》出版認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基因化學本質以及功能的認識

“一個基因一種酶”和“一個基因一條多肽鏈”基因的化學本質是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------基因對性狀的控制是通過基因控制酶的合成來實現的。本世紀50年代，Yanofsky一個基因一條多肽鏈：有些蛋白質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(有時是RNA)

1944年，Avery證實了DNA是遺傳物質。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，稱為順式構型，兩突變（a和b）在兩條染色體上時，為反式構型；順反互補測驗（cis-transtest）：比較順式和反式構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）內的測驗。2023/7/1414測驗時: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系稱為互補。2023/7/1415基因內突變位點在同一基因上突變位點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提出順反互補試驗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、隔裂基因和重疊基因的發(fā)現等。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片段構成特定的功能單位；2023/7/1417★

可轉錄、可翻譯的（結構基因：能夠編碼多肽鏈的基因

)★可轉錄但不翻譯(

tDNA,rDNA)★不轉錄、不翻譯

(調控基因：調控鄰近的結構基因的表達，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編碼2023/7/1418基因的生物學定義基因（gene）是攜帶生物體遺傳信息的結構單位。功能上：是遺傳物資的結構、功能單位本質上：是有遺傳效應的DNA片斷(有時是RNA)結構上：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，是遺傳物質的最小功能單位。合成有功能的蛋白質多肽鏈或RNA所必需的全部核酸序列（通常是DNA序列）。2023/7/1421基因的分子生物學內容按照這個定義，一個基因應包括：⑴編碼蛋白質多肽鏈或RNA的核酸序列⑵保證轉錄所必需的調控序列、5′端非翻譯序列、內含子、3′端非翻譯序列等所有的核酸序列2023/7/1422現代關于基因概念的認識2023/7/1423基因功能

分子生物學的中心法則

轉錄翻譯復制DNARNA蛋白質

逆轉錄基因信息的傳遞2023/7/1424原核生物基因特征1、功能上相關的基因高度集中，組成操縱子結構，轉錄時產生一個多基因的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?；溉齻€酶基因與啟動子、操縱基因和調節(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：結構基因中沒有內含子成分，在轉錄后不需剪接加工，轉錄產物的壽命較短2023/7/1426原核生物基因特征細菌中的DNA大部分是用于編碼蛋白質，只有一小部分是不翻譯的。結構基因重復序列少單個染色體呈環(huán)狀，染色體DNA并不和蛋白質固定結合。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、結構基因、內含和外顯子、斷裂基因（1）結構基因（structuralgene）指能轉錄成為mRNA、rRNA或tRNA的DNA順序。（2）內含子和外顯子真核生物的結構基因是不連續(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含子（intron），編碼序列稱為外顯子（extron）。（3）斷裂基因（splitgene）在真核類結構基因組中，編碼順序被許多稱為內含子的非編碼區(qū)分割成幾段稱之。真核基因的基本結構2023/7/14302.調控元件

順式調控元件（cis—actingelements）指與結構基因表達調控相關，能夠被基因調控蛋白特異性識別和結合的DNA序列。反式作用因子（trans—actingfactors）能與順式作用元件結合調節(jié)基因轉錄活性的蛋白質因子。真核基因的基本結構2023/7/1431順式調控元件有：（1）啟動子（promoter）（2）上游啟動子元件（upstreampromoterelementsups）（3）反應元件（responseelements）（4）增強子（enhancer）和沉默子（silencer）（5）加尾信號真核基因的基本結構2023/7/1432真核生物基因特征1.真核生物基因組DNA與蛋白質結合形成染色體，儲存于細胞核內，除配子細胞外，體細胞內的基因的基因組是雙份的，即雙倍體。2.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。2023/7/14333.存在重復序列，重復次數可達百萬次以上。4.基因組中不編碼的區(qū)域多于編碼區(qū)域。5.大部分基因含有內含子，因此，基因是不連續(xù)的6.基因組遠遠大于原核生物的基因組，具有許多復制起點，而每個復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的幾個結構基因串聯(lián)在一起組成操縱子(operon)結構。當基因開放時，這幾個基因錄在一條mRNA鏈上，然后翻譯成幾條功能相關蛋白質多肽鏈，故稱之為多順反子(polycistron)。真核-單順反子與原核生物不同，真核基因轉錄產物為單順反子(monocistron)，即一個編碼基因轉錄生成一個mRNA分子，翻譯生成一條多肽鏈。原核和真核細胞中基因和順反子的關系2023/7/1435OutlineForChapterOneSection1:GeneSection2:GenomeGeneandGenome2023/7/1436基因組（gencme）基因組：生物細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^指導蛋白質的合成來表達自己所攜帶的遺傳信息，從而控制生物個體的性狀表現。2023/7/1437基因組的結構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（核基因組）以及胞線粒體上的遺傳物質（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）幾乎無蛋白質同核酸結合（3）具有操縱子結構（4）結構基因是單拷貝，rRNA基因是多拷貝（5）有基因重疊現象（6）多順反子原核生物基因組結構與功能的特點2023/7/1441真核生物基因組結構與功能特點（1）基因組大，基因多，存在大量重復序列，大部分與組蛋白和非組蛋白結合在一起；（2）基因主要以單順反子形式存在；（3）多數基因是斷裂的；（4）存在基因家族；（5）基因表達的調控位點多，位置多樣化；（6）部分基因組序列存在重排、擴增、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與蛋白質結合形成染色體，儲存于細胞核內，除配子細胞外，體細胞內的基因組是雙份的。細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）真核生物基因組遠遠大于原核生物的基因組，具有許多復制起點，而每個復制子的長度較小。（3）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分子和一條肽鏈。原核生物基因轉錄產物為多順反子，功能上相關的幾個基因往往在一起組成操縱子結構。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含子，因此，基因是不連續(xù)的，稱為斷裂基因，需要進行轉錄后加工；原核基因沒有內含子結構，不需進行轉錄后剪接加工。（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序列，重復次數可達百萬次以上基因組遠遠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胞所包含的DNA結構一整套基因，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基因組中的重復序列(repetitivesequences)

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

又稱非重復序列：一個基因組中只有一個拷貝。結構基因

(蛋白質基因)大多是單拷貝序列。2、輕度重復序列(lightrepetitivesequences)在基因組中重復數2-10的重復順序，少數在基因組中成串排列在一個區(qū)域，大多數與單拷貝基因間隔排列。多為編碼功能的序列2023/7/14483、中度重復序列(middlerepetitivesequence)概念：在基因組中重復數十至數萬（<105）次的重復序列。這些重復序列不是串聯(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胞DNA來源多為非編碼序列，如Alu序列也有編碼基因產物的，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。–AG↓CT2023/7/14502023/7/1451300,000copies廣泛分布于非重復序列間Function?300bp300bp300bp5000bp5000bp5000bp5000bpDRDRIRIRAGCTAlusiteAcopyofAlufamilyTransposon?遺傳性疾病真核生物的Alufamily2023/7/1452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104-105，如人LINES②Shortinterspersedrepeatedsegments，SINES，短散在重復序列長度<500bp，拷貝數>105．如人Alu序列2023/7/14534、高度重復序列(highrepetitivesequence)概念：在真核生物細胞基因組中重復出現可達106次以上的DNA序列，稱為高度重復序列基因或高度重復序列DNA。這類序列復性速度很快，在人類基因組占20%。高度重復序列按結構特點可分為：反向重復序列(invertedrepeatsequence)；衛(wèi)星DNA(satelliteDNA)2023/7/1454（1）反向重復序列(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稱為反向重復序列

回文結構：GGTACCCCATGG

常見于基因的調控區(qū)和特異蛋白結合區(qū)2023/7/1455（回文重復序列）（鏡像重復序列）重復序列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實際上是出現在非編碼區(qū)的串聯(lián)重復序列其特點是具有固定的重復單位，該重復單位首尾相連形成重復序列片段，通常存在于間隔DNA和內含子中串聯(lián)重復單位可以從2個堿基起，長短不等；重復次數可以從幾次到數百次、甚至幾十萬次2023/7/1458衛(wèi)星DNA(satelliteDNA)的特點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105-107次，而且其堿基序列比較保守④一般不能編碼蛋白質或轉錄成RNA2023/7/1459小衛(wèi)星DNA（minisatelliteDNA）可變數目串聯(lián)重復（variablenumbertandemrepeat，VNTRs）。這是一種特殊的串聯(lián)重復，在不同個體和基因組的不同位點上數目都不同。在人類中VNTRs位點是1－5kb的序列，此序列由單位長15－100nt的重復序列組成。?有極強的個體特異性，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含子中分離出132bp的重復順序，內含4個長33bp的重復單位，內有13bp為核心順序：（GGAGGTGGGCAGG）用16bp重復單位（主要為核心序列）重復29次而成的小衛(wèi)星33.15做探針，與人基因組酶切片段進行Southern

雜交，在低嚴謹條件下雜交產生由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物的結構具有一定程度的同源性，且功能相關的一組基因。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其產物雖具有相關的功能，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構特征。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。最經典的是免疫球蛋白超家族。（4）假基因

基因家族中不產生有功能基因產物的一類基因。（3）超基因家族2023/7/1464真核生物染色體上的各種重復順序和結構元件：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中一系列重要的基礎性研究。如基因組遺傳語言的破譯，基因的結構與功能關系，生命的起源和進化，細胞發(fā)育、生產、分化的分子機理，疾病發(fā)生的機理等。人類基因組計劃的意義2023/7/1468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.

相關課題的研究人類基因組計劃2023/7/1469人類基因組計劃HGP的終極目標：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據庫開發(fā)數據分析工具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