醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)基因與基因組

基因與基因組

第二章GeneandGenome

1精選課件第一節(jié)基因一、基因概念的發(fā)展二、基因的結(jié)構(gòu)2精選課件一、基因概念的發(fā)展1909，W.L.Johannsen

將遺傳因子改稱為基因（gene），提出基因型和表型的概念1910，T.H.Morgan

證實基因在染色體上1941，G.W.Beadle&E.L.Tatum

鏈孢霉中生化反應(yīng)的遺傳控制，

提出“一個基因一個酶”學(xué)說(1958，Nobel)3精選課件一個基因，一條多肽鏈4精選課件1944，M.McCarty&O.Avery

肺炎球菌轉(zhuǎn)化實驗1952，A.Hershey&ChaseT4噬菌體感染實驗

證實DNA是遺傳物質(zhì)5精選課件基因的概念：儲存有功能的蛋白質(zhì)多肽鏈或RNA序列信息，以及表達(dá)這些信息所必需的全部核苷酸序列所構(gòu)成的遺傳單位.重點6精選課件二、基因的結(jié)構(gòu)（一）結(jié)構(gòu)基因（structuregene）

基因中編碼RNA或蛋白質(zhì)的DNA序列（二）非結(jié)構(gòu)基因

結(jié)構(gòu)基因兩側(cè)的一段不編碼的DNA片段，參與基因表達(dá)調(diào)控重點7精選課件（一）結(jié)構(gòu)基因1.原核生物的結(jié)構(gòu)基因是連續(xù)的，RNA合成后不需要剪接加工。8精選課件2.真核生物的結(jié)構(gòu)基因

由外顯子（編碼序列）和內(nèi)含子（非編碼序列）兩部分組成，編碼序列不連續(xù)，稱為斷裂基因（splitgene/interruptedgene）9精選課件3.GT-AG法則

真核基因中RNA剪接的識別信號，內(nèi)含子的5’端以GT開始，3’端以AG結(jié)束10精選課件（二）非結(jié)構(gòu)基因

參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控的順式作用元件。順式作用元件（cis-actingelement）

能影響基因表達(dá)，但不編碼RNA和蛋白質(zhì)的DNA序列。包括啟動子和上游啟動子元件、反應(yīng)元件、增強(qiáng)子、Poly(A)加尾信號。重點11精選課件啟動子(核心啟動子和上游啟動子元件）

啟動子（promoter）：DNA分子上被RNA聚合酶、轉(zhuǎn)錄因子識別并特異結(jié)合和啟動轉(zhuǎn)錄的DNA序列。有方向性，位于轉(zhuǎn)錄起始位點上游。12精選課件AATAAA切離加尾轉(zhuǎn)錄終止點修飾點轉(zhuǎn)錄起始點-25bpTATA盒CAAT盒GC盒增強(qiáng)子外顯子翻譯起始點內(nèi)含子OCT-1結(jié)合位點

轉(zhuǎn)錄因子OCT-1：ATTTGCAT八聚體上游啟動子元件（UPE）真核生物RNApolⅡ的啟動子13精選課件TATA盒（TATAbox）

位于轉(zhuǎn)錄起始點上游-25bp左右，核心序列TATA(A/T)A(A/T)，與TATA結(jié)合蛋白結(jié)合，啟動基因轉(zhuǎn)錄。β珠蛋白基因啟動子突變：TATAA→TGTAA，降低mRNA的轉(zhuǎn)錄效率→β+地中海貧血。14精選課件上游啟動子元件（upstreampromoterelement）TATA盒上游的一些特定DNA序列，反式作用因子可與這些元件結(jié)合，調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄效率。15精選課件CAAT盒（CAATbox）位于-70bp左右，核心序列GGNCAATCT。與CTF結(jié)合，調(diào)控轉(zhuǎn)錄效率。16精選課件GC盒（GCbox）位于-120bp左右，核心序列CCGCC，與轉(zhuǎn)錄因子SP1結(jié)合，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄的過程。17精選課件CACA盒（CACAbox）位于-80~-90bp，核心序列GCCACACCβ珠蛋白基因CACA盒-88，-87，-86點突變，引起β+地中海貧血。18精選課件反應(yīng)元件（responseelement）

與被激活的信息分子受體結(jié)合，并能調(diào)控基因表達(dá)的特異DNA序列。糖皮質(zhì)激素反應(yīng)元件：cccaaagagctctgtgtcct19精選課件3.增強(qiáng)子（enhancer）

與反式作用因子結(jié)合，增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄活性，在基因任意位置都有效，無方向性。凝血酶基因增強(qiáng)子-922to-897：5’-GTGTTCCTGCTCTTTGTCCCTCTGTC-3’

廣泛用于基因工程中，用于人工干擾素的合成。20精選課件4.沉默子（silencer）

基因表達(dá)負(fù)調(diào)控元件，與反式作用因子結(jié)合，抑制轉(zhuǎn)錄活性。e.g.甲胎蛋白基因沉默子：cttcattaacttaattt21精選課件5.Poly(A)加尾信號

結(jié)構(gòu)基因末端保守的AATAAA序列及下游GT或T富含區(qū)，被多聚腺苷酸化特異因子識別，在mRNA3’端加約200個A。e.g.β珠蛋白AATAAA→AACAAA，→β+地貧22精選課件基因的結(jié)構(gòu)開放閱讀框：openreadingframe,ORF非翻譯區(qū)：untranslatedregions,UTRORF23精選課件小結(jié)什么是基因？

儲存有功能的蛋白質(zhì)多肽鏈或RNA序列信息，以及表達(dá)這些信息所必需的全部核苷酸序列所構(gòu)成的遺傳單位。2.順式作用元件有哪些？

主要有啟動子和上游啟動子元件、增強(qiáng)子、沉默子、反應(yīng)元件、Poly(A)加尾信號。24精選課件25第二節(jié)基因組(genome)基因組：細(xì)胞或生物體一套完整單倍體的遺傳物質(zhì)的總稱。51619xy22xy25精選課件26例如：痘病毒：130-375kb；HBV：3.2kb1.不同病毒基因組可以是不同結(jié)構(gòu)的核酸單鏈線性RNA雙鏈線性DNA雙鏈線性RNA單鏈環(huán)狀DNA2.不同病毒基因組大小相差較大一、病毒基因組HIV腺病毒輪狀病毒噬菌體26精選課件3.除逆轉(zhuǎn)錄病毒外，通常為單倍體基因組。二倍體基因組27精選課件逆轉(zhuǎn)錄病毒基因組的復(fù)制與基因表達(dá)28精選課件逆轉(zhuǎn)錄病毒的復(fù)制與表達(dá)29精選課件

單鏈線性RNA，二倍體；

有三個基本的結(jié)構(gòu)基因：gag、pol、env；5’端有甲基化帽，3’端有poly(A)尾。30精選課件31

SARS冠狀病毒(SARScoronavirus)

4.有的病毒基因組連續(xù),甲型流感病毒（influenza

Avirus)

(H1N1)有的分節(jié)段單鏈RNA核衣殼蛋白膜蛋白血凝素（H）神經(jīng)氨酸酶（N）8節(jié)段單鏈RNA31精選課件5.基因有連續(xù)的和間斷的；大T抗原和小t抗原的mRNA有不同的剪接方式。猴病毒（SV40）32精選課件6.病毒基因組大部分為編碼序列；功能相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄為多順反子mRNA；核酸序列中功能相關(guān)的蛋白質(zhì)基因或rRNA基因往往叢集在基因組的一個或幾個特定的部位，形成一個轉(zhuǎn)錄單元。可被一起轉(zhuǎn)錄成多順反子mRNA。掌握概念33精選課件7.有基因重疊現(xiàn)象利用有限的核酸貯存更多的遺傳信息，提高自身在進(jìn)化過程中的適應(yīng)能力。34精選課件小結(jié)病毒基因組的結(jié)構(gòu)特點：不同病毒基因組可以是不同結(jié)構(gòu)的核酸；除逆轉(zhuǎn)錄病毒外，為單倍體基因組；病毒基因組有的是連續(xù)的，有的分節(jié)段；有的基因有內(nèi)含子；病毒基因組大部分為編碼序列；有基因重疊現(xiàn)象；7.功能相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄為多順反子mRNA；35精選課件36二、原核生物基因組以大腸桿菌（Escherichiacoli）為例染色體DNA質(zhì)粒DNA36精選課件37（一）原核生物基因組特點

1.由一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成，

2.通常只有一個DNA復(fù)制起點。大腸桿菌染色體DNAOriC4.6×106bpTerC37精選課件掌握概念乳糖操縱子(Lacoperon)結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：半乳糖通透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶調(diào)控基因I調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點啟動子操縱基因ZYAOPDNA操縱子(operon):多個功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因成簇串聯(lián)排列，與上游共同的調(diào)控區(qū)和下游轉(zhuǎn)錄終止信號組成的基因表達(dá)單位。3.結(jié)構(gòu)基因大多組成操縱子38精選課件P51--3939PromoterGene1Gene2Gene3TerminatorDNA多順反子(polycistronic):原核生物的一個mRNA分子帶有幾個結(jié)構(gòu)基因的遺傳信息。39精選課件4.結(jié)構(gòu)基因無重疊現(xiàn)象；5.基因沒有內(nèi)含子；6.基因密度非常高，基因組中編碼區(qū)大于非編碼區(qū)；7.多為單拷貝；40精選課件8.有編碼同工酶的等基因（isogene）分支酸別構(gòu)酶：entC：isochorismatesynthase；entB：isochorismatase；乙酰乳酸合酶：ilvBN：acetolactatesynthaseⅠ；ilvIH：acetolactatesynthaseⅢ。41精選課件429.存在可移動的DNA序列BarbaraMcClintock1902-199242精選課件10.具有多種功能的識別區(qū)域

復(fù)制起始區(qū)（OriC）復(fù)制終止區(qū)（TerC）轉(zhuǎn)錄起始區(qū)轉(zhuǎn)錄終止區(qū)43精選課件復(fù)制起始區(qū)（OriC）44精選課件轉(zhuǎn)錄終止區(qū)強(qiáng)終止子：有反向重復(fù)順序，可形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)，其后為poly(T)45精選課件（二）質(zhì)粒

質(zhì)粒（plasmid）：為多數(shù)細(xì)菌和某些真核細(xì)胞染色體外的，具有自主復(fù)制能力的環(huán)狀雙鏈DNA分子。46精選課件質(zhì)粒的特性：

在宿舍細(xì)胞內(nèi)可自主復(fù)制；

細(xì)胞分裂時恒定地傳給子代；

所攜帶的遺傳信息能賦予宿主特定的遺傳性狀；

質(zhì)?？梢赞D(zhuǎn)移。47精選課件48（三）轉(zhuǎn)座因子BarbaraMcClintock1902-1992轉(zhuǎn)座或移位：轉(zhuǎn)座因子在基因組不同位置間的移動。轉(zhuǎn)座因子：能夠在一個DNA分子內(nèi)部或兩個DNA分子之間移動的DNA片段。如IS和轉(zhuǎn)座子。48精選課件轉(zhuǎn)座因子的類別（1）插入序列（insertionsequence，IS）小于2000bp，只有轉(zhuǎn)座相關(guān)基因IS349精選課件（2）轉(zhuǎn)座子（transposon，Tn）2~20kb，常帶有抗性基因等其他基因Tn3Tn1050精選課件（3）可轉(zhuǎn)座的噬菌體：Mu噬菌體Mu噬菌體51精選課件2.轉(zhuǎn)座機(jī)制復(fù)制型轉(zhuǎn)座：是轉(zhuǎn)座因子復(fù)制出一個新拷貝轉(zhuǎn)移到基因組新的位置簡單轉(zhuǎn)座：是轉(zhuǎn)座因子從原來位置上切除并轉(zhuǎn)移到基因組新的位置52精選課件+轉(zhuǎn)座酶交錯切割原來的轉(zhuǎn)座子末端和靶序列。復(fù)制型的轉(zhuǎn)座過程：切割產(chǎn)生的靶序列3′端和轉(zhuǎn)座子5′端之間發(fā)生DNA鏈交換，形成假復(fù)制叉。然后以靶序列的3′端為復(fù)制引物，以轉(zhuǎn)座子鏈為模板進(jìn)行復(fù)制產(chǎn)生共整合。最后在解離酶的作用下，2個拷貝的轉(zhuǎn)座子發(fā)生同源重組并釋放出2個復(fù)制子53精選課件轉(zhuǎn)座作用的遺傳學(xué)效應(yīng)①轉(zhuǎn)座引起插入突變。血友病②轉(zhuǎn)座產(chǎn)生新的基因，促進(jìn)生物進(jìn)化54精選課件551.基因組由一條環(huán)狀雙鏈DNA組成；2.只有一個復(fù)制起始點；3.大多數(shù)結(jié)構(gòu)基因組成操縱子結(jié)構(gòu)；5.無內(nèi)含子，轉(zhuǎn)錄后不需要剪接；4.結(jié)構(gòu)基因無重疊現(xiàn)象；原核生物基因組的結(jié)構(gòu)特點：6.基因組中編碼區(qū)大于非編碼區(qū)；7.多為單拷貝；9.基因組中存在可移動的DNA序列；10.非編碼區(qū)主要是調(diào)控序列。8.有編碼同工酶的基因；掌握55精選課件三、真核生物基因組人類染色體核型染色體DNA線粒體DNA（葉綠體DNA）（一）真核生物基因組的特點1.每一種真核生物都有一定的染色體數(shù)目。56精選課件2.遠(yuǎn)大于原核基因組，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，基因組龐大C值（C-value）：單倍體基因組中的全部DNA量（bp）57精選課件TranslationTranscriptionmRNADNAProteinPromoterGene3′5′3.真核基因為斷裂基因，轉(zhuǎn)錄為單順反子

單順反子(monocistronic)：一個編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個mRNA。58精選課件59間隔序列4.有大量重復(fù)序列，非編碼序列多于編碼序列編碼序列＜3％非編碼序列＞95％多數(shù)結(jié)構(gòu)基因tRNA、rRNA、組蛋白、免疫球蛋白內(nèi)含子調(diào)控序列單一序列重復(fù)序列59精選課件5.功能相關(guān)基因構(gòu)成各種基因家族

核苷酸序列或編碼產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)上具有一定程度同源性的一組基因。家族內(nèi)成員由同一個祖先基因進(jìn)化而來。人生長激素（hGH）與絨毛膜生長催乳素（hCS）序列60精選課件真核生物基因組的結(jié)構(gòu)特點每一種真核生物都有一定的染色體數(shù)目基因組龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多個復(fù)制起點

轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子

存在大量重復(fù)序列

非編碼序列多于編碼序列

功能相關(guān)基因構(gòu)成各種基因家族掌握61精選課件（二）基因家族（genefamily）基因家族：是指一組有類似功能，核苷酸序列又有同源性的基因。（1）基因超家族（supergenefamily）

由多基因家族及單基因組成，成員間有不同程度的同源，但它們的功能不一定相同。62精選課件（2）基因簇：核酸序列相同多拷貝基因形成的基因簇，如rRNA、tRNA、組蛋白基因家族。63精選課件（3）核苷酸序列高度同源人生長激素（hGH）與絨毛膜生長催乳素（hCS）序列是指一組有類似功能，核苷酸序列又有同源性的基因。64精選課件（4）編碼產(chǎn)物的功能或功能區(qū)相同，但基因的核苷酸序列可能不同。PKCfamilyofproteins(human)65精選課件（5）假基因（pseudogene，ψ）與有功能的基因相似，不表達(dá)或表達(dá)產(chǎn)物沒有功能。珠蛋白基因簇中的假基因66精選課件（三）人類基因組的重復(fù)序列（1）單拷貝序列在單倍體基因組中只出現(xiàn)一次或數(shù)次，結(jié)構(gòu)基因主要是單拷貝序列。占DNA總量的40%～80%。如：蛋清蛋白基因、蠶的絲心蛋白基因、血紅蛋白基因和珠蛋白基因等都是單拷貝的。67精選課件（2）中度重復(fù)序列（散在重復(fù)序列）10～105拷貝/基因組0.1-1Kb/拷貝占總DNA的10%～40%。如：rRNA、tRNA的基因、某些結(jié)構(gòu)基因如組蛋白基因、免疫球蛋白基因該基因序列串聯(lián)重復(fù)5000次間隔區(qū)21-100bp非洲爪蟾的rRNA基因結(jié)構(gòu)示意圖間隔區(qū)21-100bp68精選課件靈長類動物特有的Alu家族：最豐富的中度重復(fù)序列，重復(fù)單位約300bp，重復(fù)30萬-50萬次，散在分布；具有種的特異性。300bp300bp300bp6000bp6000bp6000bp6000bpDRDRIRIRAGCTAlusite有AluⅠ酶切位點（AG/CT）而得名。69精選課件（3）高度重復(fù)序列——衛(wèi)星DNA（串聯(lián)重復(fù)序列）只存在于真核生物中，占基因組的10%～60%

2-100bp/拷貝，105-106拷貝/基因組衛(wèi)星DNA：是異染色質(zhì)的組成，如端粒、著絲粒，不轉(zhuǎn)錄，可能與染色體的穩(wěn)定性有關(guān)。70精選課件71A.反向重復(fù)序列5'AAACCACCGCTGGTAGCGGTGGTTT

3'

3'TTTGGTGGCGACCATCGCCACCAAA5'5'AAACCACCGCTAGCGGTGGTTT3‘3'TTTGGTGGCGATCGCCACCAAA5'回文結(jié)構(gòu)兩個序列相同的拷貝在DNA鏈上呈反向排列。常見于基因調(diào)控區(qū)，在基因組中約占5％。71精選課件回文序列可形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)72精選課件73B.串聯(lián)重復(fù)序列（衛(wèi)星DNA，satelliteDNA）有相同的核心序列，多為2-70bp。73精選課件74a.大衛(wèi)星（macro-satellite）DNA：

重復(fù)單位5-10bp，在群體中多態(tài)性不顯著。74精選課件75b.小衛(wèi)星（minisatellite）DNA

重復(fù)單位9-24bp，呈高度多態(tài)性?？勺償?shù)目串聯(lián)重復(fù)序列：

核心序列：GGGCAGGAXG；端粒DNA：（TTAGGG）n，2-20kb。染色體復(fù)制，末端保護(hù)75精選課件什么是DNA指紋？

某些小衛(wèi)星DNA序列的排列中的拷貝數(shù)是高度可變的,在不同個體中的變異極大，體現(xiàn)了基因的多態(tài)性。特點：高度的特異性穩(wěn)定的遺傳性體細(xì)胞穩(wěn)定性

方法：限制性酶切、Southern雜交小衛(wèi)星DNA與DNA指紋技術(shù)76精選課件c.微衛(wèi)星DNA(micro-satelliteDNA)短串聯(lián)重復(fù)（shorttandemrepeat,STR）重復(fù)單位2-6bp，常見為(AC)n和(TG)n，重復(fù)次數(shù)10-60次高