第一講基因與基因組

Gene,GenomeandGenomics第一講基因、基因組及基因組學(xué)

內(nèi)容二、基因組，人類基因組計(jì)劃一、基因的概念及其內(nèi)涵的變化基因（GENE）*基因是負(fù)載特定遺傳信息的DNA片段，可編碼RNA或蛋白質(zhì)的核苷酸序列

從生化學(xué)上來說指的是一段DNA或RNA（病毒）序列，該序列可以產(chǎn)生或影響某種表型，可以由于突變生成等位基因變異體。

從遺傳學(xué)上來說代表1個(gè)遺傳單位、1個(gè)功能單位、1個(gè)交換單位或1個(gè)突變單位。一個(gè)基因不僅包括編碼蛋白質(zhì)或RNA的核酸序列，還應(yīng)包括為保證轉(zhuǎn)錄所必需的調(diào)控序列本質(zhì)組成有功能的核酸（DNA和RNA）片斷，其堿基序列中儲(chǔ)存著遺傳信息；人類對基因概念認(rèn)識(shí)的發(fā)展變化順反子一個(gè)基因一個(gè)酶結(jié)構(gòu)基因、調(diào)控基因、操縱子斷裂基因，外顯子和內(nèi)含子重疊基因、跳躍/移動(dòng)基因假基因什么是基因？孟德爾發(fā)現(xiàn)了遺傳學(xué)的兩個(gè)基本規(guī)律——分離率和自由組合規(guī)律。推測，生物每一個(gè)性狀都是通過遺傳因子來傳遞的，遺傳因子是一些獨(dú)立的遺傳單位?；虻碾r形尋找基因?qū)嶓w—薩頓-鮑維里假想1903年薩頓（W.S.Sutton1877～1916）和鮑維里（T.Boveri1862～1915）兩人注意到在雜交試驗(yàn)中遺傳因子的行為與減數(shù)分裂和受精中染色體的行為非常吻合，他們作出“遺傳因子位于染色體上”的“薩頓-鮑維里假想”Gene1909年丹麥遺傳學(xué)家約翰遜（W.Johansen1859～1927）在《精密遺傳學(xué)原理》一書中提出“gene”，以此來替代孟德爾假定的“遺傳因子”。此時(shí)的基因仍然是一個(gè)未經(jīng)證實(shí)的概念基因的線性排列1911年，摩爾根（1866～1945）提出了“染色體遺傳理論”，發(fā)現(xiàn)了連鎖-交換定律，揭示了基因是組成染色體的基本遺傳單位，也是突變、遺傳、重組的基本單位。DNA雙螺旋1953年，J.Waston和F.Crick提出了DNA雙螺旋，揭示了基因的化學(xué)本質(zhì)是DNA，是具有遺傳功能的DNA片段，從分子水平建立了基因的概念。什么是基因？基因1基因2染色體DNA雙螺旋1955年，Benzer提出順反子、突變子、重組子。如果兩個(gè)突變單位在同一個(gè)基因內(nèi)部，順式和反式表型是不一樣的。60年代，遺傳密碼破譯：一個(gè)順反子決定一個(gè)多肽鏈。順反子基因不是最小單位順反子結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因：DNA分子上能轉(zhuǎn)錄出RNA的區(qū)段。轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物：mRNA，tRNA，rRNA，小分子RNA，核酶小分子RNA核內(nèi)小分子RNA（snRNA）snRNA+蛋白質(zhì)=小分子核內(nèi)核蛋白顆粒（snRNP）參與mRNA剪接7SLRNA（細(xì)胞質(zhì)）7SLRNA+蛋白質(zhì)=信號識(shí)別顆粒（SRP）

參與蛋白質(zhì)的分泌和靶向輸送反義RNA與mRNA互補(bǔ)配對，抑制其翻譯原核生物：常為多順反子，即幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)，共用同一套轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列，轉(zhuǎn)錄出多個(gè)RNA。結(jié)構(gòu)基因1結(jié)構(gòu)基因2結(jié)構(gòu)基因3調(diào)控區(qū)調(diào)控區(qū)RNA真核生物：常為單順反子，即1個(gè)結(jié)構(gòu)基因，用1套轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列，轉(zhuǎn)錄出1個(gè)RNA。結(jié)構(gòu)基因調(diào)控區(qū)調(diào)控區(qū)RNA蛋白質(zhì)例外：18S-5.8S-28SrRNA轉(zhuǎn)錄為多順反子操縱子與調(diào)節(jié)基因結(jié)構(gòu)基因調(diào)控區(qū)啟動(dòng)子操縱序列操縱子原核生物操縱子示意圖調(diào)節(jié)基因斷裂基因真核生物的結(jié)構(gòu)基因通常為斷裂基因：內(nèi)含子和外顯子間隔排列。內(nèi)含子（intron）：外顯子（exon）：非編碼序列，RNA剪接時(shí)除去編碼序列選擇性剪接產(chǎn)生不同mRNA；翻譯出不同多肽鏈。hnRNAmRNA內(nèi)含子外顯子5’3’開放閱讀框+（openreadingframe）5’和3’端非翻譯區(qū)（untranslatedregion）UTRORFUTR真核生物mRNA結(jié)構(gòu)成熟mRNA：5’帽子，3’polyA尾，只有外顯子重疊基因兩個(gè)或兩個(gè)以上的基因共用一段DNA序列。

1977年，Sanger在噬菌體ΦX174中證實(shí)了重疊基因的存在。測序：5386nt，11個(gè)基因，3個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，3個(gè)啟動(dòng)子（pA，pB，pD）。矛盾：5386nt編碼1795aa，蛋白質(zhì)分子量預(yù)計(jì)197000Da（110Da/aa)，實(shí)際262000Da。解釋：比對DNA序列和氨基酸序列，發(fā)現(xiàn)重疊基因。轉(zhuǎn)座子/跳躍基因有些DNA序列可以移動(dòng)到基因組內(nèi)的其它位置上去，這類序列稱為轉(zhuǎn)座元件(transposableelements)或轉(zhuǎn)座子(transposons)。插入序列復(fù)合轉(zhuǎn)座子插入序列假基因與功能基因相似的序列，卻因突變失去了功能，即沒有功能的基因，常用Ψ表示。1977年，爪蟾的5S基因系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)來自于mRNA的逆轉(zhuǎn)錄？結(jié)構(gòu)有缺陷，無法表達(dá)假基因來自于mRNA的猜想？沒有內(nèi)含子

3’端有poly（dA）有些假基因與正?；蛟陧樞蚪M成上只限于mRNA3’端之前的部分序列基因的現(xiàn)代分子生物學(xué)解釋是指貯存RNA序列信息和有功能的蛋白質(zhì)多肽鏈序列信息、以及表達(dá)這些信息所必需的全部核苷酸序列。大部分生物中構(gòu)成基因的是DNA，少數(shù)生物（如病毒）是RNA?；蚪Y(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列原核真核1.多順反子2.連續(xù)基因3.在基因組中比例大1.單順反子2.斷裂基因3.在基因組中比例小啟動(dòng)子，終止子，正、負(fù)調(diào)控蛋白結(jié)合位點(diǎn)等操縱元件啟動(dòng)子、.增強(qiáng)子、poly（A）等順式作用元件

內(nèi)容二、基因組，人類基因組計(jì)劃一、基因的概念及其內(nèi)涵的變化基因組（genome）一個(gè)細(xì)胞或生物所攜帶的整套遺傳信息、或全部基因。人類基因組包含多染色體和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）。原核細(xì)胞和噬菌體：基因組是單個(gè)的環(huán)狀染色體所含的全部基因。真核生物：基因組指一個(gè)生物體的染色體所包含的全部DNA，又稱染色體基因組。RNA病毒/DNA病毒，單鏈/雙鏈，線性/環(huán)狀病毒基因組：相對較小，利用有限的核酸序列儲(chǔ)存盡可能多的遺傳信息。核外遺傳物質(zhì)：真核細(xì)胞線粒體、葉綠體中分別含有線粒體DNA或葉綠體DNA線粒體葉綠體生物物種越高級，基因組越復(fù)雜哺乳動(dòng)物鳥兩棲植物真菌昆蟲軟骨魚硬骨魚細(xì)菌病毒軟體動(dòng)物爬行并不是基因組越大生物就越高等原核生物基因組1.基因組通常僅由一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成，與蛋白質(zhì)以復(fù)合物形式存在。2.類核（nucleoid）

細(xì)菌染色體DNA在胞內(nèi)形成一個(gè)致密區(qū)域，無核膜將之與胞漿分開。3.基因組中只有1個(gè)復(fù)制起點(diǎn)。4.具有操縱子結(jié)構(gòu)：啟動(dòng)子、操縱基因、調(diào)控序列、結(jié)構(gòu)基因、終止子。一、原核生物基因組結(jié)構(gòu)與功能5.結(jié)構(gòu)基因無重疊現(xiàn)象，基因組中任何一段DNA不會(huì)用于編碼2種蛋白質(zhì)？6.基因序列是連續(xù)的，無內(nèi)含子結(jié)構(gòu)。7.結(jié)構(gòu)基因所占比例較大（70%以上）8.基因組中的重復(fù)序列很少。編碼蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)基因多為單拷貝，但編碼rRNA的基因往往是多拷貝的，這有利于核糖體的快速組裝。9.具有編碼同功酶的基因（isogene）這是一類結(jié)構(gòu)不完全相同，而功能相同的基因。10.細(xì)菌基因組中存在可移動(dòng)的DNA序列，包括插入序列和轉(zhuǎn)座子。

11.細(xì)菌有限制—修飾系統(tǒng)，限制酶和甲基化酶構(gòu)成的自我保護(hù)系統(tǒng)。1.基因重排可能產(chǎn)生1個(gè)新的蛋白分子等，基因重排是進(jìn)化的動(dòng)力。2.基因突變插入到基因內(nèi)部，可引起插入失活。3.插入位點(diǎn)引入新的基因如引進(jìn)抗藥基因。轉(zhuǎn)座的遺傳效應(yīng)是獨(dú)立于許多細(xì)菌及某些真核細(xì)胞染色體外共價(jià)閉合環(huán)狀的DNA分子，能獨(dú)立復(fù)制的最小遺傳單位。二、質(zhì)粒（Plasmid）——染色體外的遺傳物質(zhì)特點(diǎn)：1.雙鏈DNA分子，裸DNA；2.復(fù)制與增殖依賴于宿主；3.可以賦予宿主新的特性；4.在同一宿主中具有不相容性；5.具有嚴(yán)格的遺傳控制系統(tǒng)；6.種類繁多。

1）理論意義

質(zhì)粒能夠復(fù)制、傳遞和表達(dá)遺傳信息，從分子遺傳學(xué)觀點(diǎn)來看是一種有機(jī)體，是比病毒更原始的生命形式，是生命起源研究的一塊重要基石。

質(zhì)粒的研究意義2）實(shí)踐意義

是基因工程的重要載體（vector），能把外源基因（目的基因）送到宿主細(xì)胞中去克隆擴(kuò)增或克隆表達(dá)。①質(zhì)粒是可以改造的，可以剪切、剪接的，②作為基因工程載體的3個(gè)特點(diǎn)：A.都能獨(dú)立自主的復(fù)制；B.都能便利的加以檢測（抗生素抗性）；C.都能容易引進(jìn)宿主細(xì)胞中去，也易從宿主細(xì)胞中分離純化（提質(zhì)粒）。1.按質(zhì)粒轉(zhuǎn)移方式，分為3類1）接合型質(zhì)粒（conjugaativeplasmid）

帶有效接觸基因質(zhì)粒，只能使細(xì)菌接合，本身不被傳遞.2）可移動(dòng)質(zhì)粒（mobiliableplasmid）

可以被傳遞，但不能使細(xì)菌接合，接合型與可移動(dòng)型共存時(shí)，能傳遞可移動(dòng)質(zhì)粒。3)自傳遞質(zhì)粒（selftranmissibleplasmid）

兼具1）2）兩種功能因而可以自傳遞，如F質(zhì)粒。質(zhì)粒的分類2.按質(zhì)粒的復(fù)制機(jī)理，分為2類：1）嚴(yán)謹(jǐn)型（strigenttype）

(1)拷貝數(shù)少，一般<10個(gè)，分子量大；(3)可以自傳遞；2）松弛型（relaxedtype）（1）拷貝數(shù)多，10-200個(gè)，分子量?。唬?）分子量小，不具備自傳遞能力；（3）基因工程使用松弛型（高拷貝數(shù)）質(zhì)粒，以獲得列多的基因產(chǎn)物。3.按分子量大小，分為2類1）小型質(zhì)粒，<15kb

可移動(dòng)型，無接合和自傳遞能力，也可心通過轉(zhuǎn)化作用進(jìn)入受體細(xì)胞，種類較多，幾乎每種