真核基因與基因組

關(guān)于真核基因與基因組遺傳信息傳遞的中心法則

遺傳信息傳遞的中心法則（TheGeneticCentralDogma）主要闡述了遺傳信息的傳遞方式，即闡述了遺傳信息的流動(dòng)方向。它包括了DNA的復(fù)制、RNA的轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)的翻譯，以及RNA的逆轉(zhuǎn)錄及RNA的復(fù)制等過程。第2頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天遺傳信息傳遞的中心法則

蛋白質(zhì)雖然不能作為DNA、RNA、蛋白質(zhì)自身合成的模板，指導(dǎo)DNA、RNA或自身蛋白質(zhì)的合成，但蛋白質(zhì)參與了DNA、RNA及蛋白質(zhì)自身的合成及合成調(diào)節(jié)的全過程。DNARNA蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄翻譯復(fù)制RNA復(fù)制【RNA病毒】第3頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天第十三章真核基因與基因組

EukaryoteGeneandGenome第4頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天主要內(nèi)容一、基因、基因組的概念二、真核生物基因的結(jié)構(gòu)與功能三、真核生物基因組的結(jié)構(gòu)與功能四、原核生物基因、基因組的結(jié)構(gòu)第5頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、基因、基因組的概念（一）基因

基因（gene）是編碼蛋白質(zhì)或RNA等具有特定功能產(chǎn)物的、負(fù)載遺傳信息的基本單位。

除了某些以RNA為基因組的RNA病毒外，基因通常是指染色體或基因組的一段DNA序列。

基因包括編碼序列（外顯子）、調(diào)控序列和間隔序列（內(nèi)含子）。第6頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天基因表達(dá)的調(diào)控區(qū)（II類啟動(dòng)子）轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)TATA盒CAAT盒GC盒增強(qiáng)子AATAAA剪接加尾轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)修飾點(diǎn)外顯子翻譯起始點(diǎn)內(nèi)含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚體+1結(jié)構(gòu)基因啟動(dòng)子上游啟動(dòng)子元件第7頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、基因、基因組的概念（一）基因

基因（gene）是編碼蛋白質(zhì)或RNA等具有特定功能產(chǎn)物的、負(fù)載遺傳信息的基本單位。

除了某些以RNA為基因組的RNA病毒外，基因通常是指染色體或基因組的一段DNA序列。

基因包括編碼序列（外顯子）、調(diào)控序列和間隔序列（內(nèi)含子）。基因是DNA分子上的一個(gè)最小的功能片段第8頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天基因的功能利用堿基的不同排列荷載遺傳信息。通過復(fù)制將遺傳信息穩(wěn)定、忠實(shí)地遺傳給子代細(xì)胞，在這一過程中為適應(yīng)環(huán)境變化，可能會(huì)發(fā)生基因突變。作為基因表達(dá)（geneexpression）的模板，使其所攜帶的遺傳信息通過各種RNA和蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)有序合成而表現(xiàn)出來(lái)?；虮磉_(dá)（geneexpression）就是基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程，即生成具有生物學(xué)功能的產(chǎn)物的過程。（p356）第9頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、基因、基因組的概念（二）基因組

基因組（genome）是一個(gè)生物體內(nèi)所有遺傳信息的總和。

人類基因組包含了細(xì)胞核染色體DNA（常染色體和性染色體）及線粒體DNA所攜帶的所有遺傳物質(zhì)。第10頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天主要內(nèi)容一、基因、基因組的概念二、真核生物基因的結(jié)構(gòu)與功能三、真核生物基因組的結(jié)構(gòu)與功能四、原核生物基因、基因組的結(jié)構(gòu)第11頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、真核生物基因的結(jié)構(gòu)與功能（一）真核基因的基本結(jié)構(gòu)真核基因中的DNA序列可以分成兩部分結(jié)構(gòu)編碼序列：基因中經(jīng)轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄加工后生成的mRNA所對(duì)應(yīng)的DNA序列。非編碼序列：基因中編碼區(qū)兩側(cè)的調(diào)控序列和編碼序列間的間隔序列所對(duì)應(yīng)的DNA序列。 調(diào)控序列又可以分為啟動(dòng)子、終止子及其他調(diào)控序列。第12頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天真核mRNA基因的結(jié)構(gòu)DNA5'3'基因上游調(diào)控序列下游調(diào)控序列5'3'hnRNA轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄后加工mRNAAAA...AAA5'3'外顯子內(nèi)顯子起始密碼子終止密碼子NC蛋白質(zhì)翻譯啟動(dòng)子多聚A信號(hào)(原核：終止子)第13頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天外顯子、內(nèi)含子、斷裂基因、基因組構(gòu)外顯子（exon）——在基因序列中出現(xiàn)，并出現(xiàn)在成熟mRNA分子上的序列。內(nèi)含子（intron）——位于外顯子之間、在mRNA剪接過程中被刪除部分相對(duì)應(yīng)的間隔序列。斷裂基因（splitegene）——真核生物結(jié)構(gòu)基因，由若干個(gè)編碼區(qū)和非編碼區(qū)互相間隔開但又連續(xù)鑲嵌而成，去除非編碼區(qū)再連接后，可翻譯出由連續(xù)氨基酸組成的完整蛋白質(zhì)，這些基因稱為斷裂基因。第14頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天外顯子、內(nèi)含子、斷裂基因、基因組構(gòu)基因組構(gòu)（geneorganization）——單個(gè)基因的組成結(jié)構(gòu)及一個(gè)完整的生物體內(nèi)基因的組織排列方式統(tǒng)稱為基因組構(gòu)。血紅蛋白基因家族的基因組構(gòu)圖第15頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、真核生物基因的結(jié)構(gòu)與功能（二）基因編碼區(qū)的功能

——編碼多肽鏈或特定的RNA分子5′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtcatgtacag···5′5′···GCAGUACAUGUC···3′mRNAN······Ala·Val·His·Val······C蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯基因（DNA）第16頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、真核生物基因的結(jié)構(gòu)與功能（三）調(diào)控序列參與真核基因表達(dá)調(diào)控1.基因表達(dá)的調(diào)控區(qū)（順式作用元件）

位于基因轉(zhuǎn)錄區(qū)前后，對(duì)基因表達(dá)起調(diào)控作用的區(qū)域稱為基因表達(dá)的調(diào)控區(qū)。

因其是緊鄰基因轉(zhuǎn)錄區(qū)的DNA序列，又稱旁側(cè)序列（flankingsequence）或稱為順式作用元件（cis-actingelement）。

常見的順式作用元件包括：?jiǎn)?dòng)子、上游調(diào)控元件、增強(qiáng)子、加尾信號(hào)、各種細(xì)胞反應(yīng)元件等等。第17頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天基因表達(dá)的調(diào)控區(qū)（II類啟動(dòng)子）轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)TATA盒CAAT盒GC盒增強(qiáng)子AATAAA剪接加尾轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)修飾點(diǎn)外顯子翻譯起始點(diǎn)內(nèi)含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚體+1結(jié)構(gòu)基因啟動(dòng)子上游啟動(dòng)子元件第18頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、真核生物基因的結(jié)構(gòu)與功能（三）調(diào)控序列參與真核基因表達(dá)調(diào)控1.基因表達(dá)的調(diào)控區(qū)（順式作用元件）2.啟動(dòng)子

啟動(dòng)子（promoter）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。多數(shù)啟動(dòng)子位于真核細(xì)胞基因轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)的上游，啟動(dòng)子本身通常不被轉(zhuǎn)錄。少數(shù)啟動(dòng)子（如編碼tRNA基因的啟動(dòng)子）位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的下游，這些DNA序列可以被轉(zhuǎn)錄。第19頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天真核生物有三類啟動(dòng)子

真核生物有三大類RNA聚合酶，分別對(duì)應(yīng)有三種不同類型的啟動(dòng)子。RNA聚合酶IRNA聚合酶IIRNA聚合酶III啟動(dòng)子I類啟動(dòng)子II類啟動(dòng)子III類啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物rRNA(除5SrRNA)hnRNA(即mRNA的前體)tRNA前體、5SrRNA、snRNA第20頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天真核生物有三類啟動(dòng)子

真核生物有三大類RNA聚合酶，分別對(duì)應(yīng)有三種不同類型的啟動(dòng)子。第21頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、真核生物基因的結(jié)構(gòu)與功能（三）調(diào)控序列參與真核基因表達(dá)調(diào)控1.基因表達(dá)的調(diào)控區(qū)（順式作用元件）2.啟動(dòng)子3.增強(qiáng)子

增強(qiáng)子（enhancer）是增強(qiáng)真核基因啟動(dòng)子工作效率的順式作用元件，是真核基因中最重要的調(diào)控序列，決定著每一個(gè)基因在細(xì)胞內(nèi)的表達(dá)水平。第22頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天增強(qiáng)子作用的特點(diǎn)能夠在相對(duì)于啟動(dòng)子的任何方向和位置（上游或者下游）上發(fā)揮這種增強(qiáng)作用，大部分位于上游。增強(qiáng)子序列距離所調(diào)控基因距離近者幾十個(gè)堿基對(duì)，遠(yuǎn)的可達(dá)幾千個(gè)堿基對(duì)。通常數(shù)個(gè)增強(qiáng)子序列形成一簇。有時(shí)增強(qiáng)子序列也可位于內(nèi)含子之中。不同的增強(qiáng)子序列結(jié)合不同的調(diào)節(jié)蛋白。增強(qiáng)子有組織特異性。第23頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天增強(qiáng)子作用示意圖第24頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、真核生物基因的結(jié)構(gòu)與功能（三）調(diào)控序列參與真核基因表達(dá)調(diào)控1.基因表達(dá)的調(diào)控區(qū)（順式作用元件）2.啟動(dòng)子3.增強(qiáng)子4.沉默子

沉默子（silencer）是抑制基因轉(zhuǎn)錄的特定DNA序列，當(dāng)其結(jié)合一些反式作用因子時(shí)對(duì)基因的轉(zhuǎn)錄起阻遏作用，使基因沉默。

沉默子作用特點(diǎn)類似增強(qiáng)子。第25頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、真核生物基因的結(jié)構(gòu)與功能（三）調(diào)控序列參與真核基因表達(dá)調(diào)控1.基因表達(dá)的調(diào)控區(qū)（順式作用元件）2.啟動(dòng)子3.增強(qiáng)子4.沉默子5.其他一些調(diào)控序列絕緣子（insulator）——位于增強(qiáng)子或沉默子與基因之間抑制增強(qiáng)子或沉默子的作用細(xì)胞反應(yīng)元件（應(yīng)答元件）第26頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天應(yīng)答元件（responseelements）

在真核生物細(xì)胞處于某一特定環(huán)境時(shí)，在基因上游有一些DNA序列能和專一性蛋白質(zhì)因子結(jié)合，從而控制基因特異表達(dá)，這些DNA序列稱為應(yīng)答元件。如：結(jié)合于反應(yīng)元件的特殊轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)劑組件保守順序DNA長(zhǎng)度因子大小（kDa）熱休克HSECNNGAANNTCCNNG27bpHSTF93糖皮質(zhì)激素GRETGGTACAAATGTTCT20bp受體94弗波酯TREGACTCA22bpAP139血清SRECCATATTAGG20bpSRF52第27頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天總結(jié)：真核mRNA基因的結(jié)構(gòu)第28頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天主要內(nèi)容一、基因、基因組的概念二、真核生物基因的結(jié)構(gòu)與功能三、真核生物基因組的結(jié)構(gòu)與功能四、原核生物基因、基因組的結(jié)構(gòu)第29頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、真核生物基因組的結(jié)構(gòu)與功能（一）真核基因組的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)人類基因組細(xì)胞核基因組2800Mb線粒體基因組16.6kb約25%約75%編碼蛋白質(zhì)基因序列基因外序列2個(gè)rRNA基因22個(gè)tRNA基因13個(gè)蛋白編碼基因外顯子內(nèi)含子基因間序列中度至高度重復(fù)序列約1%約24%第30頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、真核生物基因組的結(jié)構(gòu)與功能（一）真核基因組的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)基因的編碼序列所占比例遠(yuǎn)小于非編碼序列高等真核生物基因組含有大量的重復(fù)序列真核基因組中存在多基因家族和假基因大多基因具有可變剪接，80%的可變剪接會(huì)使蛋白質(zhì)的序列發(fā)生改變基因組DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體，儲(chǔ)存于細(xì)胞核內(nèi)除配子細(xì)胞外，體細(xì)胞的基因組為二倍體第31頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、真核生物基因組的結(jié)構(gòu)與功能（二）重復(fù)序列重復(fù)序列低度重復(fù)序列(單拷貝序列)中度重復(fù)序列高度重復(fù)序列反向重復(fù)序列衛(wèi)星DNA短分散重復(fù)片段(SINES)長(zhǎng)分散重復(fù)片段(LINES)第32頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天反向重復(fù)序列軸向?qū)ΨQ鏡像對(duì)稱第33頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天經(jīng)CsCl密度梯度離心后的小鼠DNA第34頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天rRNA基因的重復(fù)序列屬于中度重復(fù)序列各重復(fù)單位中的rRNA基因都是相同的。rRNA基因集中成簇存在，這樣的區(qū)域稱為rDNA區(qū)。人類的rRNA基因位于13、14、15、21和22號(hào)染色體的核仁組織區(qū)，每個(gè)核仁組織區(qū)平均含有50個(gè)rRNA基因的重復(fù)單位。5SrRNA基因似乎全部位于1號(hào)染色體，每個(gè)單倍體基因組約有1000個(gè)5SrRNA基因。DNA內(nèi)含子內(nèi)含子28S5.8S18SrDNA第35頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、真核生物基因組的結(jié)構(gòu)與功能（二）重復(fù)序列重復(fù)序列的功能參與復(fù)制水平的調(diào)節(jié)：存在于DNA復(fù)制起點(diǎn)區(qū)的附近，是一些蛋白質(zhì)（包括酶）的結(jié)合位點(diǎn)。參與基因表達(dá)的調(diào)控：可以轉(zhuǎn)錄到核內(nèi)不均一RNA分子中，有些反向重復(fù)序列可以形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，有助于穩(wěn)定RNA分子。參與染色體配對(duì)：如衛(wèi)星DNA成簇樣分布在染色體著絲粒附近，可能與染色體減數(shù)分裂時(shí)染色體配對(duì)有關(guān)。第36頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、真核生物基因組的結(jié)構(gòu)與功能（三）多基因家族與假基因1.多基因家族（multigenefamily）

多基因家族是指由某一祖先基因經(jīng)過重復(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。

如血紅蛋白多基因家族。第37頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天血紅蛋白基因?qū)儆诙嗷蚣易濡伶湥?6號(hào)染色體）β鏈（11號(hào)染色體）珠蛋白基因的順序表達(dá)

G

A

1

2

1

2

1第38頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、真核生物基因組的結(jié)構(gòu)與功能（三）多基因家族與假基因1.多基因家族（multigenefamily）2.超基因家族（superfamilygene）

DNA序列相似，但功能不一定相關(guān)的若干個(gè)單拷貝基因或若干組基因家族總稱。

如免疫球蛋白超基因家族。第39頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天免疫球蛋白分子結(jié)構(gòu)第40頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天免疫球蛋白基因輕鏈基因及其重組機(jī)制第41頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、真核生物基因組的結(jié)構(gòu)與功能（三）多基因家族與假基因1.多基因家族（multigenefamily）2.超基因家族（superfamilygene）3.假基因（pseudogene）

基因組中存在的一段與正?；蚍浅Ｏ嗨频荒鼙磉_(dá)的DNA序列稱為假基因，以

來(lái)表示。

假基因在基因組中形成穩(wěn)定的和無(wú)活性的拷貝。一般認(rèn)為由活化的原始基因突變而來(lái)，但因基因完整性存在缺陷（如缺失啟動(dòng)子）而不具有活性。第42頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天形成假基因的假說(shuō)第43頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星