第十三章 真核基因與基因組課件

遺傳信息的傳遞第三篇第十三章-真核基因與基因組真核基因與基因組DNA的生物合成DNA的損傷和修復(fù)RNA的生物合成蛋白質(zhì)的生物合成基因表達調(diào)控細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

本篇重點學(xué)習(xí)內(nèi)容第十三章-真核基因與基因組遺傳信息傳遞中心法則(TheCentralDogma)RNA蛋白質(zhì)DNA復(fù)制轉(zhuǎn)錄翻譯逆轉(zhuǎn)錄RNA復(fù)制第十三章-真核基因與基因組生物體內(nèi)的遺傳信息傳遞遵循中心法則

271頁DNA以半保留復(fù)制的方式將親代細(xì)胞的遺傳物質(zhì)高度忠實地傳遞給子代。以DNA為模板轉(zhuǎn)錄生成的mRNA作為信使，其核苷酸序列構(gòu)成的密碼子在合成蛋白質(zhì)時被翻譯為肽鏈中氨基酸的排列順序。細(xì)胞內(nèi)所有蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的信息全部來源于DNA序列。第十三章-真核基因與基因組真核基因與基因組

第十三章EukaryoteGeneandGenome第十三章-真核基因與基因組真核生物是所有單細(xì)胞或多細(xì)胞的、其細(xì)胞具有細(xì)胞核的生物的總稱，它包括所有動物、植物、真菌和其他具有由膜包裹著的復(fù)雜亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生物。真核生物與原核生物的根本性區(qū)別是前者的細(xì)胞內(nèi)含有成形的細(xì)胞核，因此以真核來命名這一類細(xì)胞。許多真核細(xì)胞中還含有其它細(xì)胞器，如線粒體、葉綠體、高爾基體等

。第十三章-真核基因與基因組染色體主要類群細(xì)胞器細(xì)胞核細(xì)胞大小真核細(xì)胞原核細(xì)胞細(xì)菌、藍藻、衣原體、放線菌有核膜，有成形的細(xì)胞核沒有核膜，稱為擬核較?。?μm～10μm）較大（10μm～100μ）有核糖體、線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、葉綠體（植物）等只有核糖體有染色體，染色體由DNA和蛋白質(zhì)結(jié)合無染色體，環(huán)狀DNA不與蛋白質(zhì)結(jié)合動物、植物、真菌等真核生物和原核生物的區(qū)別比較：第十三章-真核基因與基因組特征原核生物真核生物

DNA量少多基因數(shù)幾千大于幾萬、十萬轉(zhuǎn)錄和翻譯的時空關(guān)系同時進行核內(nèi)轉(zhuǎn)錄，細(xì)胞質(zhì)中翻譯第十三章-真核基因與基因組除了某些以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?；虬ň幋a序列（外顯子）、調(diào)控序列和間隔序列（內(nèi)含子）?；颍╣ene）：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。第十三章-真核基因與基因組基因組（genome）：一個生物體內(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)。

第十三章-真核基因與基因組真核基因的結(jié)構(gòu)與功能

第一節(jié)TheStructureandFunctionofEukaryoteGene第十三章-真核基因與基因組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，可能會發(fā)生基因突變。作為基因表達（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。

基因的功能272頁第十三章-真核基因與基因組單個基因的組成結(jié)構(gòu)及一個完整的生物體內(nèi)基因的組織排列方式統(tǒng)稱為基因組構(gòu)（geneorganization）。

與基因功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)編碼區(qū)序列（codingregionsequence

）非編碼序列（non-codingsequence）基因表達需要的調(diào)控區(qū)（regulatoryregion）序列，包括啟動子（promoter）、增強子（enhancer）等。在細(xì)胞內(nèi)表達為蛋白質(zhì)或功能RNA的DNA序列第十三章-真核基因與基因組一、真核基因的基本結(jié)構(gòu)編碼蛋白質(zhì)或RNA的編碼序列。非編碼序列，包括編碼區(qū)兩側(cè)的調(diào)控序列和編碼序列間的間隔序列。第十三章-真核基因與基因組真核生物結(jié)構(gòu)基因，由若干個編碼區(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。斷裂基因(splitegene)CABD編碼區(qū)A、B、C、D非編碼區(qū)能產(chǎn)生初級轉(zhuǎn)錄，但后加工被去掉了真核基因結(jié)構(gòu)第十三章-真核基因與基因組真核基因結(jié)構(gòu)不連續(xù)，為斷裂基因（splitgene）。真核基因結(jié)構(gòu)外顯子（exon）：在基因序列中，出現(xiàn)在成熟mRNA分子上的序列。內(nèi)含子（intron）：外顯子之間、與mRNA剪接過程中被刪除部分相對應(yīng)的間隔序列。第十三章-真核基因與基因組高等真核生物絕大部分編碼蛋白質(zhì)的基因都有內(nèi)含子。原核細(xì)胞的基因基本沒有內(nèi)含子。編碼rRNA和一些tRNA的基因也都有內(nèi)含子。內(nèi)含子的數(shù)量和大小決定了真核基因的大小。不同種屬中，外顯子序列通常比較保守，而內(nèi)含子序列則變異較大。外顯子與內(nèi)含子接頭處有一段高度保守的序列，這一共有序列是真核基因中RNA剪接的識別信號。第十三章-真核基因與基因組5′PdAPdCPdGPdTOH3′5′PAPCPGPUOH′

或5′ACGTGCGT3′5′ACGUAUGU3′

ACGTGCGTACGUAUGUDNA

RNAT5′3′OHU5′3′OHOHOHOHOH第十三章-真核基因與基因組基因的5

端稱之為上游，3

端稱為下游基因序列中開始RNA鏈合成的第一個核苷酸所對應(yīng)的堿基記為+1，此堿基上游的序列記為負(fù)數(shù)，下游的序列記為正數(shù)。第十三章-真核基因與基因組二、基因編碼區(qū)編碼多肽鏈和特定的RNA分子273頁

基因編碼區(qū)中的DNA堿基序列決定特定的成熟RNA分子的序列，即DNA的一級結(jié)構(gòu)決定著其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA分子的一級結(jié)構(gòu)。第十三章-真核基因與基因組基因的編碼序列決定其編碼產(chǎn)物的序列和功能。編碼序列中一個堿基的改變或突變，可能使基因功能發(fā)生重要的變化。相同的DNA序列因起始位點的變化或不同的剪接方式而編碼不同的蛋白質(zhì)多肽鏈。第十三章-真核基因與基因組順式作用元件(cis-actingelement)：在轉(zhuǎn)錄起始點上游參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控的DNA序列。不同物種、不同細(xì)胞或不同的基因，轉(zhuǎn)錄起始點上游可以有不同的DNA序列，但這些序列都可統(tǒng)稱為順式作用元件(cis-actingelement)。三、調(diào)控序列參與真核基因表達調(diào)控

第十三章-真核基因與基因組順式作用元件包括啟動子、上游調(diào)控元件、增強子、加尾信號和一些細(xì)胞信號反應(yīng)元件等。第十三章-真核基因與基因組位于基因轉(zhuǎn)錄區(qū)前后，對基因表達起調(diào)控作用的區(qū)域，因其是緊鄰的DNA序列，又稱旁側(cè)序列?；虻恼{(diào)控區(qū)（順式作用元件）273頁第十三章-真核基因與基因組轉(zhuǎn)錄起始點TATA盒CAAT盒GC盒增強子AATAAA剪接加尾轉(zhuǎn)錄終止點修飾點外顯子翻譯起始點內(nèi)含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚體+1結(jié)構(gòu)基因啟動子上游啟動子元件順式作用元件第十三章-真核基因與基因組啟動子上游調(diào)控元件增強子加尾信號細(xì)胞信號反應(yīng)元件順式作用元件第十三章-真核基因與基因組1.啟動子提供轉(zhuǎn)錄起始信號

啟動子是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。多數(shù)啟動子位于真核細(xì)胞基因轉(zhuǎn)錄起點的上游，啟動子本身通常不被轉(zhuǎn)錄。少數(shù)啟動子（如編碼tRNA基因的啟動子）位于轉(zhuǎn)錄起始點的下游，這些DNA序列可以被轉(zhuǎn)錄。第十三章-真核基因與基因組真核生物有3類啟動子，分別對應(yīng)于細(xì)胞內(nèi)存在的三種不同的RNA聚合酶和相關(guān)蛋白質(zhì)。274頁具有I類啟動子的基因主要編碼rRNA的基因上游啟動子元件核糖體起始因子

富含GC堿基對第十三章-真核基因與基因組真核生物有3類啟動子，分別對應(yīng)于細(xì)胞內(nèi)存在的三種不同的RNA聚合酶和相關(guān)蛋白質(zhì)。起始元件具有II類啟動子的基因主要是編碼蛋白質(zhì)（mRNA）的基因和一些小RNA基因。下游啟動子元件第十三章-真核基因與基因組真核生物有3類啟動子，分別對應(yīng)于細(xì)胞內(nèi)存在的三種不同的RNA聚合酶和相關(guān)蛋白質(zhì)。具有III類啟動子的基因主要是5SrRNA、tRNA、U6snRNA等RNA分子的編碼基因。第十三章-真核基因與基因組2.增強子增強鄰近基因的轉(zhuǎn)錄增強子是增強真核基因啟動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，決定著每一個基因在細(xì)胞內(nèi)的表達水平。第十三章-真核基因與基因組能夠在相對于啟動子的任何方向和位置（上游或者下游）上發(fā)揮這種增強作用，大部分位于上游。增強子序列距離所調(diào)控基因距離近者幾十個堿基對，遠的可達幾千個堿基對。通常數(shù)個增強子序列形成一簇。有時增強子序列也可位于內(nèi)含子之中。不同的增強子序列結(jié)合不同的調(diào)節(jié)蛋白。第十三章-真核基因與基因組沉默子（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對基因的轉(zhuǎn)錄起阻遏作用，使基因沉默。3.沉默子是負(fù)調(diào)節(jié)元件第十三章-真核基因與基因組真核基因組的結(jié)構(gòu)與功能

第二節(jié)TheStructureandFunctionofEukaryoteGenome第十三章-真核基因與基因組基因組：細(xì)胞或生物體的一套完整單倍體遺傳物質(zhì)的總和。275頁第十三章-真核基因與基因組一、真核基因組具有獨特的結(jié)構(gòu)275頁基因的編碼序列所占比例遠小于非編碼序列。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%的可變剪接會使蛋白質(zhì)的序列發(fā)生改變?；蚪MDNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體，儲存于細(xì)胞核內(nèi)，除配子細(xì)胞外，體細(xì)胞的基因組為二倍體。結(jié)構(gòu)特點：第十三章-真核基因與基因組二、真核基因組中存在大量重復(fù)序列高度重復(fù)序列（highlyrepetitivesequence）中度重復(fù)序列（moderatelyrepetitivesequence）單拷貝序列（singlecopysequence）或低度重復(fù)序列第十三章-真核基因與基因組（一）高度重復(fù)序列275頁重復(fù)頻率可達106以上，不編碼蛋白質(zhì)或RNA。反向重復(fù)序列（invertedrepeatsequence）衛(wèi)星DNA（satelliteDNA）分類：第十三章-真核基因與基因組反向重復(fù)序列（invertedrepeatsequence）兩個相同順序的互補拷貝在同一DNA鏈上反向排列而成，重復(fù)單位長度約300bp，多數(shù)散在于基因組中，總長度約占人基因組的5％。第十三章-真核基因與基因組反向重復(fù)序列：在同一多核苷酸鏈內(nèi)的相反方向上存在的一段重復(fù)的核苷酸序列。在雙鏈DNA中反向重復(fù)可能引起十字形結(jié)構(gòu)的形成。

第十三章-真核基因與基因組形成RNA時容易形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)第十三章-真核基因與基因組

5'ATGACTCACGGTTCAGTA3'

3'TACTGAGTGCCAAGTCAT

5'

反向重復(fù)序列：第十三章-真核基因與基因組回文結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)相同、方向相反的序列。雙鏈DNA中含有的兩個結(jié)構(gòu)相同、方向相反的序列稱為反向重復(fù)序列，也稱為回文結(jié)構(gòu)，每條單鏈以任一方向閱讀時都與另一條鏈以相同方向閱讀時的序列是一致的?；蚪M某一DNA由于自身單鏈DNA上有反向重復(fù)序列而自已配對，形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)或莖環(huán)結(jié)構(gòu)。

例如DNA雙鏈：5'GTACGTAC3‘3'CATGCATG5'

第十三章-真核基因與基因組主要存在于染色體的著絲粒區(qū)域，重復(fù)單位一般由2～10bp組成，成串排列，在人基因組中約占5%～6%。衛(wèi)星DNA（satelliteDNA）第十三章-真核基因與基因組衛(wèi)星DNA按其重復(fù)單元的核苷酸的多少，分為兩類1、小衛(wèi)星DNA(minisatelliteDNA)：由大約25bp的DNA序列頭-尾串聯(lián)重復(fù)組成的重復(fù)DNA片段，又稱可變數(shù)目串聯(lián)重復(fù)（variablenumbertandemrepeat,VNTR）。2、微衛(wèi)星DNA(microsatelliteDNA)：又稱為短串聯(lián)重復(fù)序列（ShortTandemRepeatSTR)。廣泛分布于基因組中，其中富含A-T堿基對，由2－20個左右的核苷酸對的單元重復(fù)成百上千次所組成。

第十三章-真核基因與基因組第十三章-真核基因與基因組參與復(fù)制水平的調(diào)節(jié)

存在于DNA復(fù)制起點區(qū)的附近，是一些蛋白質(zhì)（包括酶）的結(jié)合位點。參與基因表達的調(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

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)分裂時染色體配對有關(guān)。高度重復(fù)序列的功能：276頁第十三章-真核基因與基因組（二）中度重復(fù)序列276頁重復(fù)數(shù)十至數(shù)千次,大多數(shù)與單拷貝基因間隔排列。短分散重復(fù)片段長分散重復(fù)片段平均長度約300bp～500bp，與長度約為1000bp的單拷貝序列間隔排列。拷貝數(shù)可達數(shù)十萬。如Alu家族、KpnI家族、Hinf家族。平均長度為3500bp～5000bp，與長度約為13000bp的單拷貝序列間隔排列。第十三章-真核基因與基因組重復(fù)達30~50萬次，每個成員的長度約300bp。每個單位長度中一個限制性內(nèi)切酶Alu的切點（AG↓CT），將其切成長130bp和170bp的兩段。Alu家族僅次于Alu家族的第二大家族，重復(fù)序列中含有限制性內(nèi)切酶KpnⅠ（CTTAA↑G）的位點呈散在分布，拷貝數(shù)約為3000～4800個KpnI家族以319bp長度的串聯(lián)重復(fù)存在于人基因組中重復(fù)序列中含有限制性內(nèi)切酶HinfI的位點。Hinf家族短分散重復(fù)片段包括：第十三章-真核基因與基因組rRNA基因重復(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號染色體的核仁組織區(qū)，每個核仁組織區(qū)平均含有50個rRNA基因的重復(fù)單位。5SrRNA基因似乎全部位于1號染色體，每個單倍體基因組約有1000個5SrRNA基因。第十三章-真核基因與基因組在單倍體基因組中只出現(xiàn)一次或數(shù)次，大多數(shù)為蛋白質(zhì)編碼的基因。（三）單拷貝序列（低度重復(fù)序列）第十三章-真核基因與基因組三、真核基因組中存在大量的多基因家族與假基因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?；蚣易宄纱氐胤植荚谀骋粭l染色體上，同時發(fā)揮作用，合成某些蛋白質(zhì)。如組蛋白基因家族?；蚣易宓牟煌蓡T成簇地分布于不同染色體上，編碼一組功能上緊密相關(guān)的蛋白質(zhì)。如球蛋白基因家族。

第十三章-真核基因與基因組DNA序列相似，但功能不一定相關(guān)的若干個單拷貝基因或若干組基因家族總稱。超家族基因（superfamilygene）基因組中存在的一段與正?；蚍浅Ｏ嗨频荒鼙磉_的DNA序列。以

來表示。假基因（psuedogene）第十三章-真核基因與基因組四、線粒體DNA結(jié)構(gòu)有別于染色體DNA線粒體DNA（mitochondrialDNA，mtDNA）是核外遺傳物質(zhì)，能獨立編碼線粒體中的一些蛋白質(zhì)。mtDNA的結(jié)構(gòu)為環(huán)狀分子，與原核生物的DNA類似，結(jié)構(gòu)特點也與原核生物相似。第十