醫(yī)學分子生物學：第五章 DNA及基因組-2

一、基因的概念1.

基因的生物學意義

1）1865年

一個遺傳因子決定生物體一個性狀。

-------《植物的雜交試驗》Mendel（孟德爾）

第二節(jié)基因12）1926年遺傳因子是在特定染色體上，基因是直線排列在染色體上遺傳顆粒。一個基因控制一個性狀。

-------《基因論》Morgan（摩爾根）

23）1941年提出了

“一個基因一個酶”

1950’s

一個基因一個蛋白質(zhì)

(一個基因決定一種多肽鏈)。

------LinusPauling

------BeadleandTatum3一個順反子，一條多肽鏈

------Benzer

m1++m2+為野生型，即正常基因型，m為突變型*順反實驗反式順式4順反子（cistron）：通過順反效應而發(fā)現(xiàn)的遺傳功能單位。如果兩個突變不能在反式排列中互補，就屬于同一個互補群，互補群相當于一個獨立的遺傳功能單位。5

基因是合成有功能的蛋白多肽鏈或RNA所必需的全部核酸序列（通常是DNA序列）。即除了編碼蛋白質(zhì)或RNA的核酸序列，還包括轉(zhuǎn)錄所必須的調(diào)控序列，5’端非翻譯序列，內(nèi)含子以及3’端非翻譯序列等所有的核酸序列。

**

用分子生物學的術(shù)語來給基因下定義:

2.

基因的分子定義6

二、基因的分類與結(jié)構(gòu)

1.基因的分類：

1）結(jié)構(gòu)基因（structuralgene)：可轉(zhuǎn)錄成mRNA并翻譯成蛋白質(zhì)多肽鏈的基因。

2）調(diào)控基因(regulatorygene)：一些調(diào)控結(jié)構(gòu)基因表達的基因，其產(chǎn)物往往是反式轉(zhuǎn)錄因子或DNA結(jié)合蛋白。

73)管家基因（housekeepinggene）：在絕大多數(shù)細胞中都表達為維持各種細胞基本活動所必需的結(jié)構(gòu)和功能蛋白質(zhì)編碼的基因。如：糖酵解中3-磷酸甘油醛脫氫酶

(glyceraldehyde3-phosphatedehydrogenase,GAPDH)84)奢侈基因(luxurygene)：對細胞自身生存并無影響，這種基因產(chǎn)物通常只在特化細胞類型中大量合成。如：紅細胞中合成血紅蛋白漿細胞中合成免疫球蛋白95）假基因(pseudogene):

在核苷酸序列上與有功能的基因相似，但它們或者不能轉(zhuǎn)錄，或者轉(zhuǎn)錄后生成無功能的基因產(chǎn)物。10*DNA雙鏈中一股鏈作為模板轉(zhuǎn)錄成mRNA，稱為模板鏈、（-）鏈、反意義鏈。*與模板鏈相互補的鏈，其編碼區(qū)的堿基序列與mRNA的密碼序列相同（僅T、U

互換），稱為編碼鏈、（+）鏈、有意義鏈

2.基因的結(jié)構(gòu)11DNA兩條鏈，一個基因的序列或基因結(jié)構(gòu)往往用有意義鏈（sensechain)來表示有意義鏈12三、基因的大小與數(shù)量哺乳動物基因的大小在5~100kb，很少小于2kb。基因的大小與mRNA長短無關(guān)，與外顯子數(shù)量無關(guān)13基因的數(shù)量：生殖道支原體470嗜血流感菌1,743大腸埃希菌4,288線蟲19,099人類20,000～25,00014

第三節(jié)基因組的結(jié)構(gòu)與功能

基因組（genome):

最早出現(xiàn)于1920年，是基因（gene）和染色體（chromosome）的縮合。

基因組的現(xiàn)代生物學定義是:

指導一個物種的結(jié)構(gòu)與功能的所有遺傳信息的總和。

15**人類基因組通常是指細胞核23對染色體中的所有DNA。16**人線粒體基因組

(humanmitochondriagenome)

是人細胞線粒體中基因及DNA?；蚪M學(genomics)定義:基因組學是研究基因組的結(jié)構(gòu)與功能的科學。17二、

原核生物基因組1.大腸埃希菌的DNA是環(huán)狀雙鏈DNA分子，三級結(jié)構(gòu)折疊盤旋凝集在一起,染色體密集的區(qū)域形成核質(zhì)體（nucleiod）

2.蛋白質(zhì)和RNA也是基因組織的成分，對于維持DNA分子折疊形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)域(domain)是必不可少的。18193.有些蛋白質(zhì)很像真核細胞中的組蛋白，稱為組蛋白樣蛋白質(zhì)

(histone-likeproteins，HLPs),

另一些蛋白質(zhì)則在基因調(diào)控或DNA復制時起作用。4.原核生物絕大多數(shù)是單倍體20

1）DNA兩條鏈上都有基因。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)細菌基因組織的特點大腸埃希菌乳糖操縱子基因圖212）基因組中只有一個復制起始點3）沒有內(nèi)含子（intron）成分,轉(zhuǎn)錄后不需要剪接加工。4）細菌的DNA絕大部分用于編碼蛋白質(zhì)，只有小部分是非翻譯區(qū)，其中包含基因表達調(diào)控的DNA序列。

5）極少有基因重疊現(xiàn)象。

6）重復序列很少。22三、病毒和噬菌體基因組

1.病毒顆粒（virion)

外殼蛋白

內(nèi)部基因組：DNA或RNA

231)每種病毒中核酸成分只能是一種。

2.病毒和噬菌體基因組的特點*肝炎病毒（hepatitisvirus):

甲肝病毒（HAV)RNA病毒乙肝病毒（HBV）DNA病毒丙肝病毒（HCV）RNA病毒丁肝病毒（HDV）RNA病毒戊肝病毒（HEV）RNA病毒242)病毒核酸大小差別很大。

3)大部分病毒核酸是一條單鏈或雙鏈分子，少數(shù)病毒由幾個核酸片段組成。

4)也具有操縱子結(jié)構(gòu)。

5)噬菌體基因中無內(nèi)含子，而感染真核細胞的病毒有內(nèi)含子。

256)有重疊基因存在。（overlappinggenes）261981年，首例表現(xiàn)為嚴重免疫缺陷癥狀的疾病，稱為“獲得性免疫缺陷綜合征”（acquiredimmunodeficiencysyndrome），簡稱AIDS中文譯為“艾滋病”。人類免疫缺陷綜合癥病毒為RNA腫瘤病毒

(humanimmunodeficiencevirus,HIV)27

一、HIV的分子結(jié)構(gòu)：

1.在逆轉(zhuǎn)錄病毒中，HIV的結(jié)構(gòu)最為復雜，它的基因組最長，所含基因數(shù)也最多。

2.HIV病毒顆粒呈球形，直徑為100nm，最外層有包膜:脂雙層膜，嵌有g(shù)p120和gp41

包膜內(nèi)側(cè)面有蛋白質(zhì)P17

衣殼:蛋白質(zhì)P24

核心部分:基因組RNA（兩條，單鏈）蛋白質(zhì)：P7，P9，逆轉(zhuǎn)錄酶，蛋白酶和整合酶。

28291.HIV的基因組是兩條相同的RNA單鏈，每條RNA單鏈含9749個核苷酸。2.5’和3’端均有一段相同的重復序列R.3.5’端有帽結(jié)構(gòu)，3’端有polyA尾巴.4.在5’附近附有tRNA以作為逆轉(zhuǎn)錄時的引物。5.兩條RNA單鏈在近5’端區(qū)以氫鍵相連。6.HIV的基因組除其他逆轉(zhuǎn)錄病毒均有的3個基因gag，pol，env外，還有6個為調(diào)節(jié)基因。二、HIV的基因組30二、HIV的基因組31325’和3’端的R序列是相同的，U5和U3不相同。LTR不編碼蛋白質(zhì)，LTR序列中有控制病毒基因轉(zhuǎn)錄的序列，有DNA復制的起始位點，并與病毒致病的特異性有關(guān)。3334

四、真核生物基因組3536

（一

）真核生物基因組織的C值矛盾

（C-valueparadox）*每種真核生物的單倍體基因組中的全部

DNA量稱C值*在真核生物中，進化的復雜程度與DNA

含量C值并不完全一致。

371.有的同類生物中C值差別有10

倍以上。3839各種生物的基因數(shù)目與DNA量的比較大腸埃希菌基因數(shù)2350DNA分子大小4.6*106編碼序列占基因組%98以上5酵母果蠅610087501.3*1071.4*108人300003.2*1092702.DNA的量遠遠大于編碼蛋白質(zhì)所需要的量400.00131.9630*復性動力學測定41快復性組分中間復性組分慢復性組分占基因組百分數(shù)253045Cot1/20.00131.9630復雜性bp10～103不均一3*108重復頻率105～1061Cot值范圍10-4~2*10-20.2~10080~100002～102

功能例子能編碼僅能轉(zhuǎn)錄不能轉(zhuǎn)錄血紅蛋白rRNA,tRNA,組蛋白基因（能編碼)衛(wèi)星DNA42中度重復序列高度重復序列單一序列

（二）高度重復順序*復性極快，由寡核苷酸串聯(lián)、重復排列而成的DNA序列*長度從幾個bp到幾百bp個或更長*重復次數(shù)105～106，在基因組DNA

中約占25%。

43*高度重復序列具有的特點是：

a.重復順序中一部分常以“祖先序列片段”形式出現(xiàn)，進化上是原始的，趨向保守。另一部分則以新進化的家族形式出現(xiàn)。44b.不同家族常源于同一個“祖先重復序列”,故結(jié)構(gòu)很相似，但同一家族中各個體成員間存在個體突變。

c.新的高度重復序列家族，往往是在新的物種衍化時或在進化中，通過一定機制形成，隨基因擴大而被擴大。451.衛(wèi)星DNA（SatelliteDNA）

1）衛(wèi)星DNA的概念：真核生物DNA剪切后離心，顯示一個主峰和小峰。真核生物大部分DNA的

G-C含量在30%～50%,形成一個主峰。另外有些DNA的G-C含量高于或低于

30%～50%會出現(xiàn)小峰，稱衛(wèi)星DNA。

46472）衛(wèi)星DNA的產(chǎn)生與C-G含量有關(guān)3）衛(wèi)星DNA序列非常簡單，重復性極高4）衛(wèi)星DNA都位于異染色質(zhì)，通常不轉(zhuǎn)錄48小衛(wèi)星DNA（MinisatelliteDNA）ⅰ.重復序列為6-70bp。ⅱ.有的小衛(wèi)星DNA的重復單位內(nèi)含有共同的GC豐富的核心同源序列。常位于染色體近端粒和著絲區(qū)。又稱為同向重復序列可變數(shù)（variablenumbertandemrepeat，VNTRs）區(qū)，在不同個體和基因組的不同位點上數(shù)目都不同。49*2．反向重復順序（invertedrepeats）

1）概念：具有方向相反、序列相同的

DNA區(qū)域稱反向重復順序

2）鄰近（adjacent）反向重復順序也稱回文結(jié)構(gòu)(palindrome)。

…GGTACC……CCATGG…3）分隔（Separated）反向重復順序。

…GGTNNNNACC……CCANNNNTGG…504）在基因組約含5%。單拷貝散在分布。

5）常見于基因組調(diào)控區(qū)中,可能與復制

和轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)。51（三）中度重復序列（intermediaterepeat，

moderatelyrepetitiveDNA,middlerepetitivesequence）

在基因組DNA中約占30%，重復出現(xiàn)幾十次到幾千次

。2.重復單位序列相似，散在分布在基因組中,序列的長度和拷貝數(shù)非常不均一。52Alu家族(短片段間隔型）i.占人類基因組3％～10％，重復30萬~50萬次,Alu序列高度同源，大部分序列有限制性內(nèi)切酶AluⅠ酶切位點（AG↓CT）。ⅱ.人Alu順序長300bp，由兩個130bp的重復序列中間有31bp間隔序列,兩端各有一段7～21bp正向重復序列，可能屬可轉(zhuǎn)移成分。53ⅲ.在人類基因組中，大約5kbDNA中就有一個Alu序列ⅳ.Alu序列散在分布在基因組中,可能是Alu序列被轉(zhuǎn)錄成RNA后再逆轉(zhuǎn)錄形成cDNA片段，重新插入到基因組。v.Alu序列可能是在300～500萬年前起源于7SLRNA基因vi.Alu家族具有種屬特異性，可用于區(qū)分不同哺乳細胞vii.

Alu元件的插入、刪除和重組導致了許多先天性遺傳疾病和癌癥542）

kpnⅠ家族(長片段間隔型）Ⅰ.人和靈長類動物DNA用kpnⅠ酶切產(chǎn)生

1.2kb、1.5kb、1.8kb和1.9kb4個片段,

占人類基因組織3％~6％，散在分布。

Ⅱ.kpnⅠ家族成員中3’端序列具有廣泛的同源，不同長度的kpnⅠ成員又是高度不均一的。55Ⅲ.在有的細胞中kpnⅠ序列能被轉(zhuǎn)錄成無

polyA尾巴的hnRNAⅣ.kpnⅠ家族的散在分布可能是kpnⅠ轉(zhuǎn)錄物再逆轉(zhuǎn)錄形成cDNA片段，重新插入到基因組DNA563.可轉(zhuǎn)移的DNA元件（mobileDNAelements）也稱轉(zhuǎn)位因子（transposableelement）

可在DNA分子內(nèi)或DNA分子間進行轉(zhuǎn)移的

DNA片段。原來位置的DNA片段保留。

*40年代B.McClintock首先在玉米的遺傳學研究中發(fā)現(xiàn)*1968年Jordan分子水平證實了在大腸桿菌存在,引起重視。*現(xiàn)在認為所有的生物體內(nèi)都存在。57**插入序列（insertionsequences，IS)

是一類較小的轉(zhuǎn)移元件，1－2kb。*IS兩端有反向重復順序和正向重復順序，重復序列之間只有編碼與轉(zhuǎn)位有關(guān)的蛋白質(zhì)基因，如轉(zhuǎn)位酶（transposase)*IS已發(fā)現(xiàn)很多種，每種IS元件都有不同序列。

58**

轉(zhuǎn)座子（transposon,Tn）除了帶有轉(zhuǎn)座有關(guān)基因外還帶有其他基因，如抗藥基因。tnpAtnpRampr重復序列38bp3086bp558bp861bp38bptnpA轉(zhuǎn)座酶基因(轉(zhuǎn)座酶基因作用于原有轉(zhuǎn)座子末端)tnpR解體酶基因(作用于復制拷貝)ampr

抗氨芐青酶素的ampr基因Tn359**真核生物中的轉(zhuǎn)座子：逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子（retroposon）先轉(zhuǎn)錄成RNA然后逆轉(zhuǎn)錄成cDNA，再整合到基因組中。

ⅰ）非病毒樣反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子ⅱ）病毒樣逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子

60?。┓遣《緲臃崔D(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子

RNA聚合酶Ⅲ61ⅱ）病毒樣逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子62與部分病毒序列有很強的同源性分子較長，5-7kb兩端有LTR兩側(cè)的正向重復序列是轉(zhuǎn)移元件存在的特征之一。634）轉(zhuǎn)位的遺傳效應

Ⅰ.基因重排

Ⅱ.基因突變Ⅲ.插入位點引入新基因Ⅳ.轉(zhuǎn)移DNA元件可通過增強子的組合與分布來影響基因的表達64抗藥基因的轉(zhuǎn)移654.多基因家族（multigenefamily）也稱基因家族（genefamily)1）概念多基因家族是指一組具有類似功能，核苷酸序列又有同源性的基因。多基因家族是真核生物基因組最顯著的特征之一。它的家族成員在核酸上的同源性提示它們是由同一個祖先基因進化而來的。662）多基因家族的分類Ⅰ.按基因的終產(chǎn)物分類⑴編碼RNA的多基因家族如：編碼snRNA、tRNA、rRNA等基因⑵編碼蛋白質(zhì)的多基因家族如：組蛋白、干擾素、珠蛋白生長激素等基因67Ⅱ.按在基因組中的分布不同分類

⑴基因串聯(lián)排列在一起，形成基因簇

(genecluster)，也叫串聯(lián)重復基因

(tandemlyrepeatedgenes)。如：rRNA、tRNA、組蛋白等基因

68①rRNA

真核生物rRNA轉(zhuǎn)錄單位(18S、5.8S、

28S)，分布在13、14、15、21和22號染色體上。人類基因組約含280個拷貝。

②tRNA

人類約有1300個tRNA基因，每種

tRNA有10到幾百個基因拷貝，同種

tRNA串聯(lián)形成基因族（7q32~q36）6970③組蛋白（7q32~q36）

ⅰ）人類拷貝數(shù)為30~40，基因中沒有內(nèi)含子轉(zhuǎn)錄后mRNA無polyA尾巴。

ⅱ）組蛋白基因家族有5個成員：即H1、H2A、H2B、H13、H4

5個成員的基因串聯(lián)排列在一起構(gòu)成一個重復單位，各種生物中這5個基因的排列順序有所不同7172①干擾素

INF－α

白細胞產(chǎn)生至少10個基因9p21INF－β

成纖維細胞產(chǎn)生1個基因9p21INF－r

淋巴細胞產(chǎn)生1個基因12q24.1⑵.分散在染色體不同的部位。如：干擾素，珠蛋白，生長激素等等。73

α類16p12②珠蛋白

β類11p15α類基因5’－ζ－

ζ－

a1－a2－a1－3’β類基因5’－ε－Gr－Ar－

β－δ－β－3’

74③生長激素人生長激素（hGH）17q

包括3種基因人胎盤促乳素（hCS）17q

催乳素6號染色體hGH-NhCS-LhCS-AhGH-VhCS-B正常表達假基因正常表達未發(fā)現(xiàn)表正常表達達產(chǎn)物75Ⅲ.

假基因（pseudogene）⑴概念：假基因在核苷酸順序上與有功能基因相似，它們或者不能轉(zhuǎn)錄，或者轉(zhuǎn)錄后生成無功能基因產(chǎn)物。假基因常用符號

來表示。76⑵假基因有兩類①有內(nèi)含子的假基因這種類型的假基因保留原來基因的外顯子和內(nèi)含子，但失去起始轉(zhuǎn)錄信號，或外顯子-內(nèi)含子連接處不能剪接或翻譯不能終止,細菌與真核生物中都有發(fā)現(xiàn)。77②無內(nèi)含子的假基因僅含有親本基因的外顯子，常常有3’端polyA尾巴，并隨機分布于基因組中。這種假基因是源于mRNA并通過逆轉(zhuǎn)錄而重新整合進基因組。只在真核生物中被發(fā)現(xiàn)。7879（四）超基因家族（Supergenefamily）

1.概念：超基因家族指一組由多基因家族及單基因組成的更大基因家族。它們在結(jié)構(gòu)上有程度不等的同源，可能起源于相同的祖先基因，但功能并不相同。

2.最經(jīng)典的超基因家族免疫球蛋白超基因家族

（免疫球蛋白樣的結(jié)構(gòu)域）

80

表5-3免疫球蛋白超基因家族主要成員分類表類別人類染色體定位類別人類染色體定位免疫球蛋白T細胞表面分子重鏈14q32一q33CD21p13

輕鏈

2p12CD412pter-p12CD8(A)2p12 CD8(B)2p12

輕鏈

22q11．1一q11．2CD58(LFA—3)1p13Thy-l11q22．3-q23主要組織相容性復合物神經(jīng)組織分子

I類α鏈6p21．3NCAM(CD56)11q23-q24β2m15q21一q22MAG19q13．1II類α鏈6p21．3MRCox--23q12-q13β鏈6p21．3Po蛋白未定·T細胞抗原受體復合物腫瘤抗原

TCRα鏈14q11．2CEA(癌胚抗原)19q13.1一ql3.2

生長因子受體

β鏈7q35PDGFRA4q11一q12γ鏈7ql5PDGFRB5q33一q35

鏈

14q11．2CSFlR5Q33一q35CD3非細胞表面分子

鏈

1lq23αl—BGP19q13.2．

鏈

11q23基底膜連接蛋白未定

鏈

11q23免疫球蛋白受體

LNIR1

8182新的與免疫球蛋白超基因家族有關(guān)分子：

CD7，CD28，IgE受體α亞基，BLAST-l，原癌基因c-kit,神經(jīng)粘附分子L1，細胞間粘附分子-1、-2、-3，血管細胞粘附分子-1，血小板內(nèi)皮細胞粘附分子,IL-1和IL-6的受體及EB病毒編碼的兩種糖蛋白(QQBE48及QQBE4L)等。833.原來的多基因家族成為超基因家族如：絲氨酸蛋白酶超基因家族

（功能區(qū)中絲氨酸是活性中心的關(guān)鍵氨基酸殘基）84它的家族成員如下：單純蛋白酶：胰蛋白酶，糜蛋白酶，彈性蛋白酶，激肽釋放酶凝血系統(tǒng)：凝血因子Ⅸ、X，凝血酶原，凝血酶原轉(zhuǎn)變加速因子前體纖溶系統(tǒng)：血纖溶酶原，組織纖溶酶原激活物，尿激酶其他：觸珠蛋白，載脂蛋白LP(a)85（五）單一序列（uniquesequence）*占人類基因組DNA45％

*大多數(shù)轉(zhuǎn)錄開放的結(jié)構(gòu)基因是單一順序86（六）“自私”DNA（SelfishDNA）指真核生物基因中大量的非編碼序列，包括分散的高度、中度重復序列、內(nèi)含子和間隔序列。87“垃圾DNA”不垃圾——重新認知垃圾DNAENCODE項目（EncyclopediaofDNAElements，DNA元素百科全書）

五、細胞器基因組*細胞器基因組的一些特征：

1.基因組常常是環(huán)狀的，并且是多拷貝的。

2.絕大多數(shù)細胞器基因組都是有基因表達功能的，但大多數(shù)蛋白質(zhì)是由核編碼后運輸進來的。

3.細胞器基因組的表達對于抗生素敏感，但對真核基因的抑制因子并不敏感。89線粒體DNA

（mitochondrialDNA，mtDNA）獨立于細胞核染色體外的又一基因組，能自主復制。90線粒體由內(nèi)外兩層膜封閉，包括外膜、內(nèi)膜、膜間隙和基質(zhì)四個功能區(qū)隔。一、線粒體結(jié)構(gòu)91ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATPH+H+H+胞液側(cè)基質(zhì)側(cè)++++++++++---------二、線粒體的功能:

生物體內(nèi)進行氧化磷酸化的場所92三、線粒體DNA的結(jié)構(gòu)1963年，首先在雞胚細胞中發(fā)現(xiàn)線粒體DNA，一般都呈環(huán)狀。不同物種線粒體基因組大小相差懸殊*已知：哺乳動物最小，果蠅和蛙的稍大，酵母的更大，植物最大。*人、大鼠、小鼠的線粒體基因組都是16.5kb左右。

93mtDNA位于線粒體內(nèi)基質(zhì)。每個線粒體有多個拷貝的mtDNA。通常體細胞mtDNA只有細胞總DNA含量的不到0.1%，在受精的卵細胞中，線粒體增多，mtDNA含量也就上升。94在動物的mtDNA中基因之間的空隙很小，轉(zhuǎn)錄是多順反子，只有單個控制復制和基因表達的非編碼區(qū)。植物的絕大多數(shù)的線粒體mRNA是單順反子，轉(zhuǎn)錄有多個起始位點。95⒈人mtDNA基因組的結(jié)構(gòu)

堿基組成：16.569kb。

DNA的結(jié)構(gòu)：裸露的環(huán)狀雙鏈DNA,由兩條鏈組成，外環(huán)是重鏈（H鏈），內(nèi)環(huán)是輕鏈（L鏈）

編碼的基因：共編碼37個基因，

13種蛋白質(zhì)基因

22種tRNA基因

2種rRNA基因*人線粒體基因組/bio/webcourse/xdycx/course/G08/webtext/G08-4-4.HTM96線粒體DNA的電鏡照片97線粒體基因所編碼的13種蛋白質(zhì)：7個為NADH-CoQ的亞基3個為構(gòu)成CytC氧化酶復合體催化活性中心的亞單位2個為ATP酶復合體F0部分的2個亞基1個為CoQH2-細胞色素c還原酶復合體中細胞色素b的亞基98線粒體的半自主性：

線粒體能合成與自身結(jié)構(gòu)有關(guān)的一部分蛋白質(zhì)，同時又依賴于核編碼的蛋白質(zhì)的輸入。因此，它與核遺傳體系處于相互依存之中。992.人線粒體基因組的特點：⑴mtDNA結(jié)構(gòu)緊密，幾乎都是編碼順序，不含內(nèi)含子，只有87個核苷酸不參與基因的組成。⑵mtDNA沒有組蛋白包繞，而且兩條鏈不對稱，H鏈有28個編碼序列，L鏈有9個編碼序列。⑶遺傳密碼子的意義有所不同。甚至不同種屬的線粒體所用的遺傳密碼也有所不同。100表5-4線粒體遺傳密碼與標準遺傳密碼有所差異

線粒體密碼 細胞核標準密碼 —————————————————

哺乳動物酵母 果蠅 植物UGA Stop TrpTrp Trp StopAGA,AGG Arg Stop Arg Ser ArgAUA,AUU Ile MetMet Met IleCUU,CUC Leu LeuThr Leu Leu

101⑷mtDNA的突變率高于核DNA，并且缺乏修復能力。（比核基因大10-20倍，4/1000bp）⑸mtDNA為嚴格母系遺傳。102五、線粒體與疾病線粒體病的概念以線粒體結(jié)構(gòu)和功能缺陷為主要疾病原因的疾病稱為線粒體病。一般情況下，線粒體病主要是由于基因的突變引起的。103

許多人類疾病的發(fā)生與線粒體功能缺陷相關(guān)，如線粒體肌病和腦肌病、線粒體眼病，老年性癡呆、帕金森病、Ⅱ型糖尿病、心肌病及衰老等，有人統(tǒng)稱為線粒體疾病。

104*分類：

遺傳性疾??；病因包括核DNA損害、線粒體DNA損害和基因組間的通訊障礙

獲得性疾?。褐饕啥舅?、藥物和衰老引起。105*線粒體DNA突變的致病機制：1.線粒體DNA丟失：

通過印跡雜交、原位雜交和免疫組化分析,線粒體DNA丟失的患者轉(zhuǎn)錄因子A（TFA）表達減低。線粒體TFA表達減少的機制可能是由于翻譯過程受損，進入線粒體障礙和TFA的不穩(wěn)定性.

1062.大規(guī)模線粒體DNA重排：

線粒體DNA重排包括缺失（deletion）和重復（duplication），主要見于Kearns-Sayre綜合征、慢性進行性眼外肌癱瘓及Pearson綜合征.

107

3.線粒體DNA結(jié)構(gòu)基因的突變：

有兩種疾病被發(fā)現(xiàn)有線粒體DNA結(jié)構(gòu)基因的突變，即Leber遺傳性視神經(jīng)病(LHON)及Leigh病。

1084.線粒體tRNA基因突變：肌陣攣性癲癇合并破碎紅纖維(myoclonicepilepsyandraggedredfiber，MERRF)一般被認為是由于線粒體DNA上tRNALys基因上第8344處A到G的點突變(A8344G)引起。線粒體腦肌病伴乳酸血癥和卒中樣發(fā)作(MELAS)，主要由線粒體DNA上的tRNALeu(UUR)基因第3243處發(fā)生T到G的點突變引起1095.線粒體rRNA基因的突變：

12SrRNA基因上第1555位A到G的突變，這個突變導致了母系遺傳的氨基甙類誘導的耳聾和家族性耳聾。110*線粒體病的特點：⒈高突變率⒉異質(zhì)性異質(zhì)性－指野生型mtDNA與突變型共存與組織細胞的現(xiàn)象。由于突變型異質(zhì)性遺傳的波動性，癥狀程度與突變型mtDNA的百分比有關(guān)。

1113.母系遺傳(maternalinheritance)

－母親傳給兒子和女兒，女兒繼續(xù)傳遞。12123456712345678910123456IIIIIIIV112閾值－能夠引起特定組織器官功能障礙的突變mtDNA的最少數(shù)量。閾值與組織器官有關(guān)－中樞神經(jīng)系統(tǒng)→骨骼肌→心臟→胰腺→腎→肝閾值與發(fā)育階段有關(guān)－新生兒無癥狀，成年人表現(xiàn)癥狀閾值與個體差異有關(guān)－不同人發(fā)病狀況具有差異分裂旺盛的細胞表現(xiàn)出排斥突變型mtDNA趨勢，表現(xiàn)野生趨同現(xiàn)象。靜止細胞表現(xiàn)出突變mtDNA復制優(yōu)勢，導致突變積累。⒋閾值效應113第四節(jié)人類基因組計劃

1.HGP的基本目標和任務基本目標與任務目標：測定30億個堿基對的排列順序，確定基因在染色體上的位置，破譯人類全部遺傳信息。任務：在制圖的基礎(chǔ)上測序，最后獲得四張圖譜

遺傳圖

物理圖

轉(zhuǎn)錄圖

序列圖2.HGP發(fā)展過程：

（1）源起美國“腫瘤計劃”擱淺60年代初期，腫瘤發(fā)病率在世界各國急劇上升美國決心在20年內(nèi)解決腫瘤的早期診斷和治療斥資幾百億美元，動員全國的力量幾乎所有同細胞增殖有關(guān)的基因，都與腫瘤有關(guān)人類所有疾病，都直接或間接與基因有關(guān)（2）提議1985年，美國能源部(DepartmentofEnergy，DOE)在加州大學圣克魯滋會議上第一次對人類基因組全部測序進行可行性論證形成“人類基因組計劃”草案。（2）提議1986年，諾貝爾獎獲得者RenatoDulbecco發(fā)表于《Science》雜志的短文《腫瘤研究的轉(zhuǎn)折點：人類基因組測序》中高瞻遠矚地率先向世界公開提出人類基因組計劃，并倡導全世界有能力的科學家共同完成這一國際性大課題。“如果我們想更多地了解腫瘤，我們從現(xiàn)在起必須關(guān)注細胞的基因組。……人類的DNA序列是人類的真諦，這個世界上發(fā)生的一切事情，都與這一序列息息相關(guān)?！?987年人類基因組創(chuàng)意報告（美國能源部）1988年人類基因組的作圖與測序報告（美國科學院），同年底美國國會通過1990年開始實施，預計15年完成，撥款30億美元.J.Watson擔任“國家人類基因組計劃研究中心”首任主任1998年：CraigVenter宣布成立Celera公司，并宣稱將采用“全基因組鳥槍法”完成人類基因組的全部測序。從此，人類基因組測序在“公、私”之間展開了激烈競爭

（3）發(fā)展/CreationofaBacterialCellControlledbyaChemicallySynthesizedGenome.Science2010:329（5987）：52-561999年：中國獲準參加HGP，承擔測定人類基因組1%測序任務；英國日本和美國共同完成了第一條人染色體—第22條染色體的全部測序工作。（3）發(fā)展（3）發(fā)展2000年：6月26日，HGP與Celera公司的領(lǐng)導人在白宮的慶祝儀式上共同宣布了人類基因組工作框架圖的完成，并約定將雙方的研究成果同時發(fā)表2000年6月公共領(lǐng)域測序計劃工作框架圖2001年2月：

HGP將人類基因組工作框架圖發(fā)表在《Nature》;Celera公司則將其成果發(fā)表在《Science》上?！肮ぷ骺蚣軋D”已能覆蓋人類基因組的97%，其中至少92%的序列已組裝得準確無誤，并顯示其中只有3萬到3.5萬個編碼蛋白質(zhì)的基因，這是人類基因組研究的一個重要里程碑。Celera公司：Science,2001,291:1304-1351

六國科學家：Nature,2001,Vol.409:860

（作者274人，其中中國科學家57人）（3）發(fā)展（3）發(fā)展2003年4月14日當?shù)貢r間11時

美國HGP負責人CollinsF.在華盛頓宣布，人類基因組序列圖繪制成功，人類基因組計劃的所有目標全部實現(xiàn)2006年5月18日

人類最后一個染色體－1號染色體基因測序完成，發(fā)表在Nature上。至此“生命之書”覆蓋基因組99.99%。國際人類基因組

測序任務分配情況遺傳圖譜轉(zhuǎn)錄圖譜0.7cM或kb

序列圖譜物理圖譜100kbSTSmap四張圖：遺傳圖、物理圖、序列圖、轉(zhuǎn)錄圖4.HGP的主要內(nèi)容（1）遺傳圖（geneticmap,又稱連鎖圖）

指基因根據(jù)重組頻率在染色體上的線形排列和分布。是以具有遺傳多態(tài)性的遺傳標記為路標,以遺傳學距離為圖距繪制的基因組圖。遺傳多態(tài)性：在某個遺傳位點上具有一個以上的等位基因,且其在群體中出現(xiàn)的頻率均高于1%。遺傳學距離：在減數(shù)分裂事件中,兩個位點之間進行交換、重組的百分率,規(guī)定1%的重組率為1cＭ(厘摩爾根）。cM值越大，兩者之間距離越遠。第一代多態(tài)性標記:RFLP（restrictionfragmentlengthpolymorphism，限制性片段長度多態(tài)性）不同個體的DNA在用某種限制性內(nèi)切酶水解時，會產(chǎn)生兩種不同長度的水解片段。由一個多態(tài)性位點出現(xiàn)在某種限制性內(nèi)切酶的酶切位點上造成的。缺點：數(shù)量較少，信息量有限

第二代多態(tài)性標記

微衛(wèi)星標記（microsatellitemarker，MS),

簡短串聯(lián)重復序列（shorttandemrepeat，STR）,

短序列長度多態(tài)性（shortsequencelengthpolymorphism,SSLP)

重復單元2-6bp，多態(tài)性主要來自重復序列拷貝數(shù)的變化優(yōu)點：高度多態(tài)性，信息量大，符合孟德爾遺傳規(guī)律可采PCR使操作自動化CTAGCTTATATATATATATATATATATATAAGCTTGC1994年底，完成由RFLP和STR組成的遺傳圖譜，包括5826個標記，分辨率為0.7cM第三代多態(tài)性標記：單核苷酸的多態(tài)性（singlenucleotidepolymorphism，SNP）是由于單個核苷酸改變而導致的核酸序列多態(tài)性。

人類基因密碼差異不到0.1％，不同人群僅有140萬個核苷酸差異。這些差異是SNP產(chǎn)生的，它構(gòu)成了不同個體的遺傳基礎(chǔ)。特點：SNP在基因組中的數(shù)目多，可達到300萬個，平均每1000個堿基對就有一個。因而成為一種信息量非常大的遺傳標記系統(tǒng)。SNP可能在密度上達到人類基因組“多態(tài)”位點數(shù)目的極限。SNP與RFLP、STR等DNA標記的不同,是不再以“長度”的差異作為檢測手段,而直接以序列的差異作為標記。SNP為DNA芯片技術(shù)應用于遺傳作圖提供了基礎(chǔ)。

定位基因的重要手段，大致了解各個基因或DNA片斷之間的相對距離與方向研究人類基因組遺傳與變異的重要手段意義：(2)物理圖（physicalmap)

以已知核苷酸序列的DNA片段為“位標”（STS），以DNA實際長度為圖距的基因組圖譜。

標記：序列標記位點(sequence-taggedsite，STS)。指基因組中任何單拷貝的長度在100～500bp之間的DNA序列，與核酸內(nèi)切酶識別序列相關(guān)聯(lián)。在基因組中有明確位置。圖距：Mb或Kb主要內(nèi)容：建立含有STS對應序列的相互重疊連接的DNA片段重疊群（Contig）只要有一定數(shù)量的STS標簽，所有DNA大片段在該染色體或基因組中的位置都能被確定。1995年，完成分辨率為200kb，以STS為標志的物理制圖意義:

把遺傳學的位點信息轉(zhuǎn)化為基因組位點的物理信息基于STS位點信息的大片段DNA克隆重疊群(clonecontig)提供基因定位的參考依據(jù)(3)序列圖最詳盡的物理圖。測定總長約lm、由30億個核苷酸組成的全序列。既包括可轉(zhuǎn)錄序列，也包括非轉(zhuǎn)錄序列，是轉(zhuǎn)錄序列、調(diào)節(jié)序列和功能未知序列的總和HGP的基本目標(4)轉(zhuǎn)錄圖(基因圖譜）目的：在人類基因組中鑒定出全部基因的位置、結(jié)構(gòu)、功能。方法：把mRNA先分離、定位，再轉(zhuǎn)錄成cDNA片段，就構(gòu)成一張人類基因的轉(zhuǎn)錄圖。cDNA片段又稱表達序列標簽(expressedsequencetag，EST)。

EST：通過從cDNA文庫中隨機挑選的克隆進行測序所獲得的部分cDNA的5'或3'端序列稱為表達序列標簽（EST），一般長300-500bp左右。意義有效反映在正?；蚴芸貤l件中表達的全基因的時空圖EST除提供序列信息外，同時也提供了該基因表達的組織、生理狀況與發(fā)育階段的信息。1990年，提出了HGP的大規(guī)模cDNA測序研究戰(zhàn)略并建立了EST技術(shù)。至1998年，公共數(shù)據(jù)庫中EST序列已達一百多萬條，加上各公司已測但未公布的數(shù)據(jù)，估計現(xiàn)有的EST已包含了絕大多數(shù)的人類基因序列。

5.HGP的大規(guī)模測序方法

（1）實驗室測序Sanger的末端終止法：在PCR時加入熒光標記的復制終止劑，比如ddA,ddT,ddC,ddG（相應于4種堿基）ddX的兩個作用：可以當作正常堿基參與復制一旦鏈入DNA