基因和基因組生物學(xué)自然科學(xué)專業(yè)資料課件

生物體內(nèi)的一切生命活動都直接或間接地在基因的控制之下,人們會越來越多地在深入研究基因結(jié)和功能的基礎(chǔ)上,改良物種,控制疾病,提高人類的生活水平和生活質(zhì)量。因此,基因及其功能的研究直是分子生物學(xué)的核心內(nèi)容。1990年代以來,隨著DNA序列測定技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步,結(jié)枃基因組學(xué)的發(fā)展十分迅連,十多種重要模式生物的基因組全序列測定已經(jīng)完成。人類基因組的全序列測定已于2003年宣告完成,不同人群DNA序列的多態(tài)性研究,個人基因組全序列的測定正在積極推進(jìn)。結(jié)枃基因組學(xué)和比較基因組學(xué)的研究成果.已經(jīng)和正在推進(jìn)著生命科學(xué)基礎(chǔ)硏究和應(yīng)用研究的迅速發(fā)展。同時。功能基因組學(xué)的研究也在快速發(fā)展?；蚣捌浔磉_(dá)產(chǎn)物的功能研究,正在為疾病控制和新荺開發(fā)提供越來越多的思路。同時,也為作物和畜禽品種的改良提供新思路,為人類解決健康問題、食物冋題、能源冋題和環(huán)境冋題提供新方法?；蚝突蚪M生物學(xué)自然科學(xué)專業(yè)資料生物體內(nèi)的一切生命活動都直接或間接地在基因的控制之下,人們會越來越多地在深入研究基因結(jié)和功能的基礎(chǔ)上,改良物種,控制疾病,提高人類的生活水平和生活質(zhì)量。因此,基因及其功能的研究直是分子生物學(xué)的核心內(nèi)容。1990年代以來,隨著DNA序列測定技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步,結(jié)枃基因組學(xué)的發(fā)展十分迅連,十多種重要模式生物的基因組全序列測定已經(jīng)完成。人類基因組的全序列測定已于2003年宣告完成,不同人群DNA序列的多態(tài)性研究,個人基因組全序列的測定正在積極推進(jìn)。結(jié)枃基因組學(xué)和比較基因組學(xué)的研究成果.已經(jīng)和正在推進(jìn)著生命科學(xué)基礎(chǔ)硏究和應(yīng)用研究的迅速發(fā)展。同時。功能基因組學(xué)的研究也在快速發(fā)展?；蚣捌浔磉_(dá)產(chǎn)物的功能研究,正在為疾病控制和新荺開發(fā)提供越來越多的思路。同時,也為作物和畜禽品種的改良提供新思路,為人類解決健康問題、食物冋題、能源冋題和環(huán)境冋題提供新方法。3.1基因的概念Mendel提出的遺傳因子是決定某個遺傳性狀的抽象帶號,l909年丹麥生物學(xué)家Johannsen根據(jù)希臘文“給予生命”之義,用基因(gene)一詞代替了Mendel的遺傳因子。然而,這里的基因依然是一種與細(xì)胞的可見形態(tài)結(jié)枃毫無關(guān)系的抽象概念。Morgan及其助手通過對果蠅的研究發(fā)現(xiàn),一些性狀的遺傳行為之所以不符合Mende的獨(dú)立分配定律,是因?yàn)榇磉@些性狀的基因位于同一條染色體上彼此連鎖。Morgan將代表某一特定性狀的基因,同某一特定的染色體聯(lián)系起來?；虿辉偈浅橄蟮姆?而是在染色體上占有一定空間的實(shí)體但是早期研究曾認(rèn)為遺傳物質(zhì)是蛋白質(zhì),1941年Beadle.和Tatun研究紅色面包霉的營養(yǎng)缺陷突變體,發(fā)現(xiàn)毎一種突變都同一種酶有關(guān),因而提出一個基因一個酶的學(xué)說。Beadle和Tatun因此而榮狹了1958年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎,但這學(xué)說并未解決基因的化學(xué)本質(zhì)問題。直到1944年,Avery等人通過肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)證明,基因的化學(xué)本質(zhì)是DNA。在遺傳學(xué)的早期階段,基因被看作是在功能、突變和交換方面都不可再分割的遺傳單位。1957年Benzer研究發(fā)現(xiàn)T4噬菌體感棨大腸杄菌后,控制寄主細(xì)胞致死效應(yīng)(快速溶菌)的功能,是由該噬菌體的r區(qū)編碼的。深入研究發(fā)現(xiàn)r分為rIIA和rIB亞區(qū),用rIA或rI的突變型分別單獨(dú)感染E.colik菌株,很少發(fā)生溶菌裂解。而用兩種突變型混合感染時,則發(fā)生大量宿主菌的溶菌裂解。即一個突變點(diǎn)在rIIA,另一個突變點(diǎn)在B時,兩個噬菌體顆粒才能彼此互補(bǔ),出現(xiàn)野生型的表型。說明rIIA和rIB是兩個不同的功能單位,Benzer用順反子(cistron)一詞,將其分別稱為TIA順反子和rlB順反子,認(rèn)為順鳳子就是一段能編碼一—條完整彡肽鏈的核苷酸序列。隨后分析了幾千種r的突變,其中有幾百個不同的線性排列的突變位點(diǎn)。根據(jù)Benzer的計(jì)箅,在功能DNA中,最小交換單位為1~3個核苷酸。后來的研究發(fā)現(xiàn),順反子中的最小交換單位(交換子)和最小突變單位(突變子,均為DNA分子中的一個核苷酸對。作為功能單位的順反子,包含多個突變位點(diǎn)和交換位點(diǎn)。3.1基因的概念Mendel提出的遺傳因子是決定某個遺傳性狀的抽象帶號,l909年丹麥生物學(xué)家Johannsen根據(jù)希臘文“給予生命”之義,用基因(gene)一詞代替了Mendel的遺傳因子。然而,這里的基因依然是一種與細(xì)胞的可見形態(tài)結(jié)枃毫無關(guān)系的抽象概念。Morgan及其助手通過對果蠅的研究發(fā)現(xiàn),一些性狀的遺傳行為之所以不符合Mende的獨(dú)立分配定律,是因?yàn)榇磉@些性狀的基因位于同一條染色體上彼此連鎖。Morgan將代表某一特定性狀的基因,同某一特定的染色體聯(lián)系起來?；虿辉偈浅橄蟮姆?而是在染色體上占有一定空間的實(shí)體但是早期研究曾認(rèn)為遺傳物質(zhì)是蛋白質(zhì),1941年Beadle.和Tatun研究紅色面包霉的營養(yǎng)缺陷突變體,發(fā)現(xiàn)毎一種突變都同一種酶有關(guān),因而提出一個基因一個酶的學(xué)說。Beadle和Tatun因此而榮狹了1958年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎,但這學(xué)說并未解決基因的化學(xué)本質(zhì)問題。直到1944年,Avery等人通過肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)證明,基因的化學(xué)本質(zhì)是DNA。在遺傳學(xué)的早期階段,基因被看作是在功能、突變和交換方面都不可再分割的遺傳單位。1957年Benzer研究發(fā)現(xiàn)T4噬菌體感棨大腸杄菌后,控制寄主細(xì)胞致死效應(yīng)(快速溶菌)的功能,是由該噬菌體的r區(qū)編碼的。深入研究發(fā)現(xiàn)r分為rIIA和rIB亞區(qū),用rIA或rI的突變型分別單獨(dú)感染E.colik菌株,很少發(fā)生溶菌裂解。而用兩種突變型混合感染時,則發(fā)生大量宿主菌的溶菌裂解。即一個突變點(diǎn)在rIIA,另一個突變點(diǎn)在B時,兩個噬菌體顆粒才能彼此互補(bǔ),出現(xiàn)野生型的表型。說明rIIA和rIB是兩個不同的功能單位,Benzer用順反子(cistron)一詞,將其分別稱為TIA順反子和rlB順反子,認(rèn)為順鳳子就是一段能編碼一—條完整彡肽鏈的核苷酸序列。隨后分析了幾千種r的突變,其中有幾百個不同的線性排列的突變位點(diǎn)。根據(jù)Benzer的計(jì)箅,在功能DNA中,最小交換單位為1~3個核苷酸。后來的研究發(fā)現(xiàn),順反子中的最小交換單位(交換子)和最小突變單位(突變子,均為DNA分子中的一個核苷酸對。作為功能單位的順反子,包含多個突變位點(diǎn)和交換位點(diǎn)。MUTATIONSINSAMEGENEfransconfguration順反子通過mutantdnhn順反試驗(yàn)確定,會如兩個位點(diǎn)可以互補(bǔ),則不屬于Onegeneiswild-typWildphenotype個順反子;如兩個位點(diǎn)不可以mutant2互補(bǔ),則屬于同個順反子。MUTATIONSINDIFFERENTGENESransconfguration)上圖為突變發(fā)生在相同基因mutant1wildtype無互補(bǔ),下圖為突變發(fā)生在不同Onecopyofeach基因。圖中藍(lán)條geneiswild-type表示基因,紅點(diǎn)表示突變位點(diǎn)1958年Crick提出中心法則,認(rèn)為DNA通過轉(zhuǎn)錄和翻譯控制蛋白質(zhì)的合成。1961年Jacob和Monod提出操縱子學(xué)說,和結(jié)枃基因、調(diào)節(jié)基因、操縱基因等概念。結(jié)構(gòu)基因(Structuregne)是指為蛋白質(zhì)或RNA編碼的基因,結(jié)構(gòu)基因的突變可導(dǎo)致蛋白質(zhì)或RNA一級結(jié)構(gòu)的改變。結(jié)構(gòu)基因的5-端非編碼區(qū)(5-untranslatedregion,5-UTR)包括RNA聚合酶的識別和結(jié)合位點(diǎn),被稱作啟動子(Promoter),以及原核生物mRNA起始密碼子上游的核糖體結(jié)合位點(diǎn)〔ribosome-bindingsite,RBS),或SD序列(以發(fā)現(xiàn)者的名字命名)。真核生物的mRNA不含SD序列,其5-端的帽子結(jié)構(gòu)可以同核糖體相互識別。結(jié)構(gòu)基因的3·非編碼區(qū)(3-UTR)包括促使轉(zhuǎn)錄終止的終止子((terminator)序列,和真核生物的加尾信號等。調(diào)節(jié)基因(regulatorgene)的功能是產(chǎn)生調(diào)控蛋白質(zhì),調(diào)控結(jié)枃基因的表達(dá)。操縱基因(operatorgene)的功能是與調(diào)控蛋白質(zhì)結(jié)合,控制結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。調(diào)節(jié)基因和操縱基因的突變會影響一個或多個基因的表達(dá)活性。1977年Sanger測定了ΦX174的DNA序列,發(fā)現(xiàn)了重疊基因。同年,Jacp發(fā)現(xiàn)了與基因序列相似,但不能產(chǎn)生表達(dá)產(chǎn)物的假基因。Shap和Robert發(fā)現(xiàn)了真核生物的多數(shù)基因的編碼區(qū)被一些被稱作內(nèi)含子的非編碼區(qū)分割成了若干個稱作外顯子的小片段,提出斷裂基因的概念。所以,將基因定義為編碼序列及其調(diào)控區(qū)是不全面的。廣義來講,應(yīng)當(dāng)將基因定義為,DNA或RNA分子中有特定遺傳功能的一段序列?；蛑饕挥谌旧w上,此外,細(xì)菌的質(zhì)粒、真核生物的葉綠體、線粒體等細(xì)胞器都含有一定的DNA序列,其中大部分是具有遺傳功能的基因。這些染色體外的DNA稱為染色體外遺傳物質(zhì)。3.2基因的類型3.21基因家族和基因簇基因家族(genefamily)是真核生物基因組中來源相同、結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的一組基因?；蚣易甯鞒蓡T序列上具有相關(guān)性,但相似的程度以及組織方式不同?；蚣易蹇赡苡赡骋还餐嫦然?ancestralgene)經(jīng)重復(fù)(duplication)和突變產(chǎn)生。按照基因家族的成員在染色體上的分布,可以將基因家族分成兩類。一類是串聯(lián)重復(fù)基因(tandemlyrepeatedgenes),成簇的基因家族(clusteredgenefamily,或基因簇(genecluster),是基因家族的各成員緊密成簇排列而成的串聯(lián)重復(fù)單位,定位于染色體的特殊區(qū)域。從分子進(jìn)化的角度看,它們可能是同個祖先基因擴(kuò)増的產(chǎn)物。在基因簇中,也有一些基因家族的成員中間包含一些間隔序列.但大多數(shù)分布在染色體上相對集中的區(qū)域。另一類稱作分散的基因家族((interspersedgenefamily),其家族成員在DNA上無明顯的物理聯(lián)系,甚至分散在多條染色體上.各成員在序列上有明顯的差別3211簡單的多基因家族家族中各基因的全序列或至少編碼序列具有高度的同源性,如rRNA基因家族。真核生物的rRNA基因串聯(lián)重復(fù)排列在段很長的DNA區(qū)域內(nèi)。重復(fù)單位內(nèi)rRNA基因轉(zhuǎn)錄區(qū)的序列幾近相同,而非轉(zhuǎn)錄的間隔序列則有所不同。在低等真核生物如酵母的rRNA基因家族中,28S、18S、5.8S和5SrRNA基因構(gòu)成一個轉(zhuǎn)錄單元,而高等真核生物的5SrRNA基因則單獨(dú)作為一個基因家族排列在其它部位。每個轉(zhuǎn)錄單元重復(fù)排列成基因簇,基因之間由可轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū)(TS)分開,各轉(zhuǎn)錄單元之間由不可轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū)(NTS)分開(圖3-1)。NTS18S5.SSNTSTS圖3-1非洲爪蟾1RNA基因家族的排列TS:可轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū)NTS:不可轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū)3.212復(fù)雜的多基因家族復(fù)條的多基因家族由幾個相關(guān)基因構(gòu)成獨(dú)立的轉(zhuǎn)錄單元,家族間由間隔序列分開。例如,組蛋白基因的5個成員(H1,H2A,H2B,H3,H4)就屬于這一類型。人類組蛋白基因分布在第7號染色體,拷貝數(shù)為30~40個。H4H2BH3H2A海膽R)6000bpHIH3H4H2AH2B果蠅4800圖3-2海膽和果蠅組蛋白基因家族的排列3.213受發(fā)育調(diào)控的復(fù)雜多基因家族人類珠蛋白基因家族是典型的受發(fā)育調(diào)控的復(fù)雜多基因家族,α-珠蛋