基因及基因組的結(jié)構(gòu)與功能

基因及基因組的結(jié)構(gòu)與功能Chapter1StructureandFunctionofGene

1.學(xué)習(xí)內(nèi)容一、基因的化學(xué)結(jié)構(gòu)1基因和基因組的概念2基因的化學(xué)組成3基因〔DNA〕的一、二、三級(jí)結(jié)構(gòu)二、真核基因的結(jié)構(gòu)與功能1基因的功能2真核生物基因結(jié)構(gòu)基因和調(diào)控序列三、真核生物基因組的結(jié)構(gòu)與功能特征真核生物基因組的特點(diǎn)真核生物基因組中的重復(fù)序列多基因家族和假基因2.第一節(jié)基因的化學(xué)結(jié)構(gòu)3.一、基因基因〔gene〕：是能夠編碼蛋白質(zhì)或RNA等具有特定功能產(chǎn)物的、負(fù)載遺傳信息的根本單位，除了某些以RNA基因組的RNA病毒外，通常是指染色體或基因組的一段DNA序列。包括編碼序列〔外顯子〕和對(duì)基因表達(dá)具有調(diào)控作用的序列〔調(diào)控序列〕和編碼序列間的間隔序列〔內(nèi)含子〕?；蚪M〔genome〕是指一個(gè)生物體內(nèi)所有遺傳物質(zhì)的總和。4.DNA和RNA的化學(xué)組成DNA：脫氧核糖核酸，由四種脫氧核糖核苷酸通過(guò)3’，5’磷酸二脂鍵連接而成dAMPdGMPdCMPdTMP5.RNA：核糖核酸，由四種核糖核苷酸通過(guò)3’，5’磷酸二脂鍵連接而成。分別為AMP、GMP、CMP、UMP。6.二、基因的結(jié)構(gòu)基因的結(jié)構(gòu)主要指DNA的結(jié)構(gòu)：包括一、二、三級(jí)結(jié)構(gòu)DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)：DNA分子中的所有脫氧核糖核苷酸的排列順序，這一順序是基因攜帶和傳遞遺傳信息的根底。7.DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)：雙鏈反向互補(bǔ)右手螺旋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1、DNA是反向平行互補(bǔ)雙鏈結(jié)構(gòu)2、DNA分子式右手雙螺旋3、疏水性堿基堆積力和氫鍵是DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定力。8.DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)原核生物DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)：雙鏈閉合環(huán)狀DNA真核生物高級(jí)結(jié)構(gòu)：屢次折疊的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)當(dāng)E.coli的細(xì)胞被裂解后，類核區(qū)DNA就釋放出去形成環(huán)狀9.第二節(jié)真核生物基因的結(jié)構(gòu)與功能基因的功能：荷載遺傳信息將遺傳信息向子代傳遞〔也有變異〕作為模板指導(dǎo)基因表達(dá)基因的功能由基因的結(jié)構(gòu)所決定10.基因的結(jié)構(gòu)：真核生物基因在結(jié)構(gòu)上可分為結(jié)構(gòu)基因和調(diào)控序列結(jié)構(gòu)基因：是決定合成某一種蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)相應(yīng)的一段DNA。結(jié)構(gòu)基因的功能：把攜帶的遺傳信息轉(zhuǎn)錄給mRNA，再以mRNA為模板合成具有特定氨基酸序列的蛋白質(zhì)少數(shù)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為一些有特定功能的RNA，如：rRNA，tRNA，小分子RNA。11.原核生物的結(jié)構(gòu)基因大多為連續(xù)基因；真核生物的基因?yàn)閿嗔鸦?；斷裂基因：真核生物的結(jié)構(gòu)基因是不連續(xù)的，內(nèi)含子與外顯子間隔排列，這種基因稱為斷裂基因。連續(xù)基因：原核生物的結(jié)構(gòu)基因是連續(xù)的，沒(méi)有內(nèi)含子序列，稱為連續(xù)基因12.斷裂基因優(yōu)點(diǎn)：不同的mRNA剪切加工方式產(chǎn)生不同蛋白質(zhì)突變產(chǎn)生在內(nèi)含子與外顯子之間可以促進(jìn)生物進(jìn)化內(nèi)含子可能與基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)。13.在真核結(jié)構(gòu)基因中，能夠在成熟RNA分子中保存的序列稱為外顯子〔exon〕不能在成熟RNA分子中保存的序列稱為內(nèi)含子〔intron〕。14.調(diào)控序列調(diào)控序列是基因中對(duì)結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)起調(diào)控作用的序列。這些調(diào)控序列也稱為順式作用元件。與順式作用元件之作用的酶或蛋白因子稱為反式作用因子。15.反式作用因子=蛋白質(zhì)順式作用元件=DNA16.真核生物基因的調(diào)控序列較原核生物復(fù)雜包括：?jiǎn)?dòng)子、上游調(diào)控元件、增強(qiáng)子、沉默子、加尾信號(hào)和一些細(xì)胞信號(hào)反響元件。17.啟動(dòng)子：?jiǎn)?dòng)子是DNA分子上能夠介導(dǎo)RNA聚合酶結(jié)合并形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體的序列，由于真核生物中有三種不同的RNA聚合酶，因此也有三種不同的啟動(dòng)子。分類：Ⅰ類啟動(dòng)子：富含GC堿基對(duì)，主要編碼rRNA基因。Ⅱ類啟動(dòng)子：具有TATA盒特征結(jié)構(gòu)，主要編碼蛋白質(zhì)的基因和一些小RNA基因。Ⅲ類啟動(dòng)子：包括A盒、B盒、C盒〔啟動(dòng)子特征性保守序列〕，主要編碼5SrRNA、tRNA等。18.真核生物啟動(dòng)子特點(diǎn)〔了解〕：〔1〕有多種元件：TATA框，GC框，CATT框，OCT等；〔2〕結(jié)構(gòu)不恒定。有的有多種框盒如組蛋白H2B；有的只有TATA框和GC框，如SV40早期轉(zhuǎn)錄蛋白，〔3〕它們距離結(jié)構(gòu)基因的位置、序列、距離和方向都不完全相同，〔4〕不直接和RNApol結(jié)合。轉(zhuǎn)錄時(shí)先和其它轉(zhuǎn)錄激活因子相結(jié)合，再和聚合酶結(jié)合。19.轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成1、TFⅡD識(shí)別TATA盒2、RNApol識(shí)別并結(jié)合TFⅡD-DNA復(fù)合物3、其他轉(zhuǎn)錄因子與RNApol結(jié)合20.增強(qiáng)子：可增強(qiáng)真核生物基因啟動(dòng)子的工作效率的順式作用元件，是真核生物基因中最重要的調(diào)控序列。特點(diǎn)〔了解〕：1、具有遠(yuǎn)距離效應(yīng)。常在上游-200bp處，但可增強(qiáng)遠(yuǎn)處啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄，即使相距十幾Kb也能發(fā)揮其作用；可能機(jī)制：〔1〕拓樸效應(yīng)；〔2〕滑動(dòng)模型；〔3〕成環(huán)模型2、無(wú)方向性。無(wú)論在靶基因的上游，下游或內(nèi)部都可發(fā)揮增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄的作用；3、順式調(diào)節(jié)。只調(diào)節(jié)位于同一染色體體上的靶基因，而對(duì)其它染色體上的基因無(wú)作用。21.沉默子：是參與基因表達(dá)負(fù)調(diào)控的一種元件，與增強(qiáng)子作用相反，是抑制基因轉(zhuǎn)錄的特定DNA序列。。沉默子DNA序列結(jié)合調(diào)控蛋白→阻斷轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成或活化→基因表達(dá)關(guān)閉。22.第三節(jié)真核基因組的結(jié)構(gòu)與功能23.一、真核生物基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1、真核生物基因組都是大分子雙鏈線狀DNA;這些DNA通常與組蛋白、非組蛋白組成核小體、染色體等復(fù)合體而存在。染色體通常成對(duì)出現(xiàn)〔雙倍體〕。24.2、基因組非常龐大，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，有多個(gè)復(fù)制起始位點(diǎn)。人類基因組：長(zhǎng)3X106bp，編碼2-2.5個(gè)基因，編碼序列僅占1%，含有大量重復(fù)序列和非編碼序列。25.3、基因組中存在大量的重復(fù)序列以及非編碼序列。4、真核生物中，假設(shè)干功能相似或相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因常常串聯(lián)組織在一起形成多基因家族。26.〔二〕真核生物基因組中的重復(fù)序列真核生物基因組中通常存在大量的重復(fù)序列占整個(gè)基因組DNA的90%以上。按重復(fù)頻率的上下分為：高度重復(fù)序列中度重復(fù)序列單拷貝序列27.1、高度重復(fù)序列：高度重復(fù)序列：重復(fù)頻率高，106以上，復(fù)性速度很快。在基因組中所占比例隨種屬而異一般在1～30%范圍內(nèi)。人的高度重復(fù)序列約占整個(gè)基因組的20%左右。28.高度重復(fù)序列按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為：反向重復(fù)序列和衛(wèi)星DNA.①反向重復(fù)序列〔invertedrepeats〕：兩個(gè)相同順序的互補(bǔ)拷貝在同一DNA鏈上反向排列形成。長(zhǎng)度一般在300～600bp分散于整個(gè)基因組中結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為DNA分子的每一條單鏈中，堿基序列回排對(duì)稱即回文序列29.回文對(duì)聯(lián)畫上荷花和尚畫書臨漢字翰林書30.回文序列結(jié)構(gòu)特征莖環(huán)結(jié)構(gòu)/發(fā)卡結(jié)構(gòu)十字結(jié)構(gòu)31.②衛(wèi)星DNA(satelliteDNA)定義:一類高度重復(fù)序列，其重復(fù)單位一般由2-10bp組成，成串排列。由于這類序列的堿基組成不同于其它部份，可用等密度梯度離心法將其與主體DNA分開(kāi)，因而稱為衛(wèi)星DNA或隨體DNA。特點(diǎn)：具有種屬特異性和個(gè)體特異性。應(yīng)用：可用于制備DNA指紋用于法醫(yī)學(xué)個(gè)體識(shí)別和親子鑒定。32.高度重復(fù)序列功能〔了解〕：參與復(fù)制水平的調(diào)節(jié)：蛋白質(zhì)〔包括酶〕和DNA的結(jié)合位點(diǎn)。參與基因表達(dá)的調(diào)控：發(fā)卡結(jié)構(gòu)參與轉(zhuǎn)位作用：反向重復(fù)順序。可以作為每一個(gè)體的特征，即DNA指紋。可能與染色體減數(shù)分裂時(shí)染色體配對(duì)有關(guān)：特定衛(wèi)星DNA順序。33.2、中度重復(fù)序列：重復(fù)頻率十幾次至幾十萬(wàn)次在基因組中所占比例種屬差異很大，一般12～35%人類基因組中約占12%。有些屬于結(jié)構(gòu)基因，有些屬于調(diào)控序列34.組蛋白基因是最典型的中度重復(fù)序列各種生物組蛋白基因在基因組中重復(fù)頻率不同。如海膽中的組蛋白基因重復(fù)300～1000次，果蠅的重復(fù)約110次，人的組蛋白基因重復(fù)30～40次。35.中度重復(fù)序列按重復(fù)片段長(zhǎng)度分類可分為：短分散重復(fù)片段〔300－500bp〕代表基因：Alu家族\KpnⅠ家族長(zhǎng)分散重復(fù)片段〔3500－5000bp〕Alu基因家族結(jié)構(gòu)特征36.3、單拷貝序列：基因組中只出現(xiàn)一次或幾次單拷貝序列屬于結(jié)構(gòu)基因SNP〔單核苷酸多態(tài)性〕是單拷貝序列的代表。37.ACGTGTCGGTCTTAAA

MaternalchromosomeACGTGTCCGTCTTAAA

PaternalchromosomeACGTGTCGGTCTTAAA

Maternalchromosome

ACGTGTCGGTCTTAAA

PaternalchromosomeACGTGTCCGTCTTAAA

MaternalchromosomeACGTGTCCTACTTAAA

PaternalchromosomeThepositionoftheSNPisindicatedbythebox.Individual1isheterozygous,whileindividuals2and3arehomozygous.Individual1Individual2Individual3SNPSinglenucleotidepolymorphism(SNP)38.真核生物基因組中的重復(fù)序列高度重復(fù)序列中度重復(fù)序列單拷貝序列反向重復(fù)序列衛(wèi)星DNA短分散重復(fù)片段長(zhǎng)分散重復(fù)片段結(jié)構(gòu)基因39.〔三〕多基因家族與假基因多基因家族〔multigenefamily〕定義：某一祖先基因經(jīng)過(guò)重復(fù)和變異所產(chǎn)生的一組在結(jié)構(gòu)上相似、功能相關(guān)的基因。來(lái)源：多基因家族中的基因通常是由同一祖先基因經(jīng)進(jìn)化或變異而來(lái)。40.多基因家族分類〔了解〕：第一類：基因家族成簇地分布在同一染色體上同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，并同時(shí)發(fā)揮作用如組蛋白基因家族組蛋白基因家族集中分布在第7號(hào)染色體長(zhǎng)臂3區(qū)2帶到3區(qū)6帶的區(qū)域內(nèi)41.第二類：基因家族成簇地分布于不同的染色體上分別進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，且不同基因編碼的蛋白質(zhì)在功能上相關(guān)如珠蛋白基因家族。

-類珠蛋白基因家族

-類珠蛋白基因家族chromosome11chromosome1642.假基因〔pseudogene〕定義：又稱為加工基因或非功能基因。這類基因的核苷酸順序雖然與正常的結(jié)構(gòu)基因很相似，但根本上不能表達(dá)。假基因復(fù)活：克羅恩氏病〔克隆病〕43.三、真核生物線粒體DNA的結(jié)構(gòu)功能特點(diǎn)44.人mtDNA特點(diǎn)：長(zhǎng)為16,569bp雙鏈閉合環(huán)狀分子編碼13條多肽鏈、22種tRNA和2種rRNA13種蛋白質(zhì)均是呼吸鏈酶復(fù)合物的亞單位缺乏組蛋白的保護(hù)且線粒體中沒(méi)有DNA損傷修復(fù)系統(tǒng)，因此突變率非常高。45.本章要點(diǎn)基因基因組定義，概念：斷裂基因，連續(xù)基因，內(nèi)含子，外顯子，順式作用元件，反式作用因子概念及其本質(zhì)真核生物主要調(diào)控序列分類及概念重復(fù)序列的分類、高度重復(fù)序列的分類反向重復(fù)序列定義衛(wèi)星DNA定義、特點(diǎn)、應(yīng)用中度重復(fù)序列分類及代表性基因單拷貝序列：主要是結(jié)構(gòu)基因、代表為SNP多基因家族及假基因定義46.練習(xí)題1、在真核結(jié)構(gòu)基因中，能夠在成熟RNA分子中保存的序列稱為〔