遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析課件

遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的遺傳分析2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析2第十章基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的遺傳分析第一節(jié)經(jīng)典遺傳學(xué)中基因的概念1866年，G.J孟德爾提出了遺傳因子的概念1900年，孟德爾的工作被重新發(fā)現(xiàn)1909年，丹麥遺傳學(xué)家約翰遜（Johansson.W.L）提出基因這一名詞1910年，美國(guó)遺傳兼胚胎學(xué)家T.H.摩爾根（Morgan）在果蠅中發(fā)現(xiàn)白色復(fù)眼突變型，首先說明(1)基因可以發(fā)生突變；(2)證實(shí)基因位于染色體上，呈直線排列，象一串珠子一樣；(3)非等位基因間可以發(fā)生交換。當(dāng)時(shí)提出基因是一個(gè)功能單位，也是一個(gè)突變和交換單位的“三位一體”的概念。把基因看成是不可分割的最小的遺傳單位。

2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析3第二節(jié)基因與DNA

一、基因的化學(xué)本質(zhì)1928年，Griffith首先發(fā)現(xiàn)了肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象1944年，O.T.Avery(埃弗里)等證實(shí)肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化因子是DNA，才首次證明基因是由DNA構(gòu)成。

1953年，Watson和Crick提出了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。1957年Crick提出“中心法則”1961年，

Crick又提出“三聯(lián)體密碼”從化學(xué)本質(zhì)上看：基因是含有特定遺傳信息的DNA分子片斷，每個(gè)基因平均相當(dāng)于1000(500-6000)對(duì)核苷酸的特定序列。

(1)基因的自體復(fù)制：

DNA的復(fù)制。(2)基因決定性狀：

DNA→mRNA→蛋白質(zhì)。(3)基因突變：DNA核苷酸的改變。2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析4第二節(jié)基因與DNA

二、基因與基因組基因組(genome)

指的是生物體整套染色體所包含的全部基因。原核生物基因組就是原核細(xì)胞內(nèi)構(gòu)成染色體的一個(gè)DNA分子真核生物的核基因組是指單倍體細(xì)胞內(nèi)整套染色體所含的DNA分子?；蚪M學(xué)(Genomics):是指研究生物體基因和基因組的結(jié)構(gòu)組成、不穩(wěn)定性及功能性的一門學(xué)科。結(jié)構(gòu)基因組學(xué)(structuralgenomics）：研究基因和基因的結(jié)構(gòu)，各種遺傳元件的序列特征，基因組作圖和基因定位等功能基因組學(xué)（functionalgenomics)：研究不同的序列結(jié)構(gòu)具有的不同的功能，基因表達(dá)的調(diào)控，基因和環(huán)境(包括基因與基因之間，基因與其他DNA序列之間，基因與蛋白質(zhì)之間)的相互作用等。2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析5(一)基因組的序列復(fù)雜性1．C值悖理（Cvalueparadox）C值：生物體的單倍體基因組所含DNA總量。C值悖理（Cvalueparadox

）：生物基因組的大小同生物在進(jìn)化上所處的地位高低無(wú)關(guān)2．序列復(fù)雜性同一類生物中基因組大小相差懸殊，其主要差別在于多余(excess)DNA量的差別。(1)重復(fù)序列基因組不同序列的總長(zhǎng)度稱為序列復(fù)雜性(sequencecomplexity)。用bp來(lái)表示。序列復(fù)雜性的高低反映了序列包括的遺傳信息量的多少。(2)外顯子數(shù)目的多寡從進(jìn)化的角度看，更多的外顯子有助于形成更多的外顯子組合，對(duì)生物在多種環(huán)境下生存是有利的。2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析6(一)基因組的序列復(fù)雜性3．DNA復(fù)性動(dòng)力學(xué)：檢測(cè)基因組DNA序列的復(fù)雜性，反映基因組內(nèi)單一序列和重復(fù)序列的組成情況。(1)DNA的變性和復(fù)性。變性（denaturation）：將雙鏈DNA在中性鹽溶液中加熱，使兩條多核苷酸鏈互補(bǔ)堿基對(duì)間的氫鍵打開，分成兩條單鏈。復(fù)性（renaturation）或退火（annealing）：變性后成為單鏈的DNA，在適當(dāng)?shù)臈l件下又回復(fù)成雙鏈DNA。解鏈溫度（meltingtemperature，Tm）：使溶液中DNA分子的50%成為單鏈時(shí)，所需的溫度。因?yàn)镈NA分子中，氫鍵越多越穩(wěn)定，所以GC含量多，解鏈溫度高，DNA穩(wěn)定性高。2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析7(一)基因組的序列復(fù)雜性(2)復(fù)性速率(reassociationrate)與重復(fù)順序

DNA復(fù)性速率與基因組中堿基順序的復(fù)雜情況和重復(fù)程度有關(guān)。Cot復(fù)性曲線：以復(fù)性的百分比為縱坐標(biāo)，以反應(yīng)時(shí)間t和反應(yīng)起始時(shí)的DNA單鏈的濃度Co的乘積Cot的對(duì)數(shù)為橫坐標(biāo)作圖得到的曲線。Cot1/2：當(dāng)復(fù)性達(dá)到一半時(shí)的Cot值，是Cot曲線的拐點(diǎn)。2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析8二、基因與基因組(一)基因組的序列復(fù)雜性(2)復(fù)性速率(reassociationrate)與重復(fù)順序

DNA復(fù)性速率與基因組中堿基順序的復(fù)雜情況和重復(fù)程度有關(guān)。2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析9四、DNA重復(fù)順序和Cot曲線對(duì)非重復(fù)順序，基因組越大，基因組的復(fù)雜性越大，復(fù)性的速率也就越慢重復(fù)次數(shù)越少，則復(fù)性越慢，那么拐點(diǎn)越在后重復(fù)次數(shù)越多，則復(fù)性越快，那么拐點(diǎn)越在前人的Cot曲線可分成三部分，分別代表：高度重復(fù)序列一般不轉(zhuǎn)錄中度重復(fù)序列單一非重復(fù)序列2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析102024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析112024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析12（二）基因組DNA序列的分類1．基因序列和非基因序列

基因序列是指基因組里決定蛋白質(zhì)（或RNA產(chǎn)物）的DNA序列。ATG開始，終止密碼子結(jié)束。非基因序列是基因組中除基因以外的所有DNA序列，主要是兩個(gè)基因間的插序列。2．編碼序列和非編碼序列

(1)編碼序列是指編碼RNA和蛋白質(zhì)的DNA序列（不含內(nèi)含子）。(2)非編碼序列包括內(nèi)含子序列及居間序列的總和。2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析13（二）基因組DNA序列的分類3．單一序列和重復(fù)序列(1)單一序列（uniquesequence）是基因組里只出現(xiàn)一次的DNA序列。(2)重復(fù)序列（repetitivesequence）是在基因組中重復(fù)出現(xiàn)的DNA序列。重復(fù)序列又可分為：A．輕度重復(fù)序列：一般指?jìng)€(gè)基因組內(nèi)有2-10個(gè)拷貝。但有時(shí)2-3個(gè)拷貝的DNA也被視作非重復(fù)序列，如組蛋白基因和酵母tRNA基因。B．中度重復(fù)序列：一般指10到幾百拷貝的DNA序列,復(fù)性時(shí)間以分計(jì)。通常是非編碼序列，平均長(zhǎng)度300bp，往往構(gòu)成序列家族，用單一序列相隔排列，分散在基因組中?？赡茉诨蛘{(diào)控中起作用。C．高度重復(fù)序列：約為300bp的重復(fù)順序，一個(gè)基因組中有幾百份甚至幾百萬(wàn)份拷貝，復(fù)性時(shí)間以秒計(jì)。既有重復(fù)幾百份拷貝的基因，如rRNA基因和某些tRNA基因，更多的則是很短的非編碼序列。呈頭尾銜接的串聯(lián)重復(fù)序列（tandemrepeat）2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析14（三）重復(fù)序列家族重復(fù)序列家族(sequencefamily)：是指一類核苷酸序列高度相似的重復(fù)序列，包括基因和基因以外的序列?；蚣易澹╣enefamily）:真核生物基因組中來(lái)源相同、結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的一組基因可歸為一個(gè)基因家族。根據(jù)重復(fù)序列在基因組中的組織形式，可分為串聯(lián)重復(fù)序列和散在重復(fù)序列。多數(shù)來(lái)源于反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座位子。2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析15（三）重復(fù)序列家族1．衛(wèi)星DNA（satelliteDNA）:一類高度重復(fù)的DNA序列

DNA片段在氯化銫密度梯度離心中，按其大小在離心管內(nèi)，形成不同的條帶，根據(jù)熒光強(qiáng)度分析，可以看到在一條主帶以外還有一個(gè)或多個(gè)小的衛(wèi)星帶，稱衛(wèi)星DNA衛(wèi)星DNA按其重復(fù)單元的多少可分為兩類:(1)小衛(wèi)星DNA(minisatelliteDNA)，由幾百個(gè)核苷酸對(duì)的單元重復(fù)組成。（又：由11-60個(gè)bp的串聯(lián)重復(fù)序列組成）。(2)微衛(wèi)星DNA（microsatelliteDNA），由2-20bp重復(fù)成百上千次組成。（又：1-5bp）2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析16（三）重復(fù)序列家族2．散在重復(fù)序列以散在方式分布于基因組內(nèi)，一般都是中度重復(fù)序列。分為(1)短分散重復(fù)序列(shortinterspersednuclearelements)SINEs長(zhǎng)度在500bp以下。人類基因組中，重復(fù)拷貝數(shù)達(dá)10萬(wàn)以上。Alu序列家族：人類基因組中一組含量最豐富的長(zhǎng)度相似，性質(zhì)相似的中度重復(fù)順序家族，大小約300bp，其中含有一個(gè)限制性內(nèi)切AluI的識(shí)別序列。(2)長(zhǎng)散在重復(fù)序列(longinterspersednuclearelements,LINEs)重復(fù)序列單元長(zhǎng)度1000bp2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析17第三節(jié)基因內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)

一、重組測(cè)驗(yàn)（recombination）T4噬菌體rⅡ區(qū)中有3000多個(gè)突變型，它們都有相同的表型。Benzer把rⅡ突變型一對(duì)對(duì)地雜交，測(cè)量每對(duì)突變位點(diǎn)間的重組頻率。如rx+ry在許可條件下雙重感染B菌株，形成噬菌斑后收集菌液，稀釋后分成兩份，一份再接種到B菌株，這樣，rx+，+ry，rxry，++都能生長(zhǎng)，另一份接種于K(λ)，在這里，只有++重組子才能生長(zhǎng)，交互重組子rxry不能生長(zhǎng)。2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析18一、重組測(cè)驗(yàn)（recombination）2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析19第三節(jié)基因內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)

二、互補(bǔ)測(cè)驗(yàn)互補(bǔ)作用（complementation）：兩個(gè)突變型之間互相彌補(bǔ)對(duì)方的缺陷，從而產(chǎn)生正常的表型?；パa(bǔ)測(cè)驗(yàn)（complementationTest）（順反位置效應(yīng)測(cè)驗(yàn)）:比較順式和反式構(gòu)型的細(xì)胞，從而判斷兩個(gè)突變是否屬于同一基因的測(cè)驗(yàn)——測(cè)驗(yàn)基因間是否互補(bǔ)。反式構(gòu)型：兩個(gè)突變分別位于兩條同源染色體上的基因組合。順式構(gòu)型：兩個(gè)突變位于同一個(gè)染色體上的基因組合。2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析202024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析212024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析222024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析232024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析24例如：m1、m2為影響同一性狀的兩個(gè)突變型

m1×m2反式雜合體突變型表示m1、m2屬同一順反子，不互補(bǔ)，是等位的野生型表示m1、m2屬不同順反子，互補(bǔ)，是非等位的2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析25Figure：Thecistronisdefinedbythecomplementationtest.Genesarerepresentedbybars;redstarsidentifysitesofmutation.

2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析26第三節(jié)基因內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)

三、順反子、突變子與重組子的概念

1、順反子（cistron）：Benzer把在反式構(gòu)型中不能互補(bǔ)的各個(gè)突變型在染色體上所占的一個(gè)區(qū)域稱為一個(gè)順反子。順反子:具有正常生理功能的遺傳物質(zhì)最小單位。實(shí)際上它是基因的同義詞。是一個(gè)功能水平上的基因。2、突變子（muton）：是指一個(gè)順反子內(nèi)部能發(fā)生突變的最小單位。一個(gè)突變子可以小到只有一對(duì)堿基。如鐮形細(xì)胞貧血癥:HbS和HbA。這對(duì)基因的差別只是β鏈第6位氨基酸谷氨酸變?yōu)槔i氨酸:

DNA→mRNA→蛋白質(zhì)

正常HbA：CTTGAA谷氨酸

↓

鐮形HbS：CATGUA纈氨酸3、重組子（recon）是基因內(nèi)不能由重組分開的遺傳單位，即基因內(nèi)出現(xiàn)重組的最小區(qū)間。2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析27

每個(gè)順反子在染色體（DNA）上的區(qū)域稱為基因座（locas），而每個(gè)基因座上有許多突變位點(diǎn)（site），它是一個(gè)順反子內(nèi)部能發(fā)生突變的最小結(jié)構(gòu)單位，稱為突變子；一個(gè)突變可以小到一對(duì)堿基，我們知道，DNA中每一核苷酸對(duì)的改變都可引起肽鏈中氨基酸的改變，從而影響順反子的功能，但它本身沒有獨(dú)立的功能，它們之間可以重組，而重組的最小結(jié)構(gòu)單位稱為重組子，重組子可以小到鄰近堿基對(duì)間的重組。由此可見，順反子既具有功能上的完整性，又具有結(jié)構(gòu)上的可分割性。2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析28第三節(jié)基因內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)

四、基因的不連續(xù)性及斷裂基因（splitgene）斷裂基因：由于基因內(nèi)部存在間隔順序，從而導(dǎo)致基因的不連續(xù)性，使得每個(gè)基因由幾個(gè)互不相鄰的段落組成，這種不連續(xù)的基因即為斷裂基因2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析292024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析30Figure:InterruptedgenesareexpressedviaaprecursorRNA.Intronsareremovedwhentheexonsaresplicedtogether.ThemRNAhasonlythesequencesoftheexons.

2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析31四、基因的不連續(xù)性及斷裂基因（splitgene）斷裂基因在進(jìn)化中的意義：有利于儲(chǔ)存較多的遺傳信息有利于變異和進(jìn)化增加重組發(fā)生的機(jī)會(huì)可能是基因調(diào)控裝置2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析32第四節(jié)基因空間位置關(guān)系一、重疊基因（overlappinggene）

重疊基因：參與編碼兩種或兩種以上有功能蛋白質(zhì)的核苷酸序列。每一種蛋白質(zhì)只有一種閱讀框架，在每一個(gè)框架中，密碼子是連續(xù)而不重疊分析噬菌體φX174DNA全序列，發(fā)現(xiàn)它只有5375個(gè)核苷酸，共組成了九個(gè)基因，而這九種基因共編碼了2000種氨基酸，按三聯(lián)體密碼子的原則應(yīng)有6000個(gè)核苷酸，而實(shí)際數(shù)與理論數(shù)卻相差625個(gè)核苷酸。2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析332024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析34Figure：Twoproteinscanbegeneratedfromasinglegenebystarting(orterminating)expressionatdifferentpoints.

2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析35Figure：TwogenesmaysharethesamesequencebyreadingtheDNAindifferentframes.

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重疊基因存在的生物學(xué)意義：最經(jīng)濟(jì)和有效地利用DNA上的遺傳信息，節(jié)約堿基對(duì)基因的表達(dá)起調(diào)控作用翻譯偶聯(lián)（translationalcoupling）：trp操縱子中的trpD基因的轉(zhuǎn)譯依賴于上游基因trpE的轉(zhuǎn)譯，這種依賴性稱為翻譯偶聯(lián)

重疊基因越多，那么適應(yīng)性越小，在進(jìn)化中趨于保守2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析37二、超基因

超基因(supergene)是指作用于一種性狀或作用于一系列相關(guān)性狀的幾個(gè)緊密連鎖的基因。一個(gè)基因經(jīng)過重復(fù)(duplication)和變異而產(chǎn)生的一組基因，組成一個(gè)基因家族(genefamily),基因家族中的各個(gè)成員可以聚集成簇也可以分散在不同的染色體上。一個(gè)共同的祖先基因通過各種各樣的變異，產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)大致相同但功能卻不盡相同的一大批基因，分屬于不同的基因家族，但可以總稱為一個(gè)基因超家族(supfamily).功能相同或相關(guān)的許多基因緊密連鎖，聚集成簇，排列在某一染色體上，形成一個(gè)基因簇（genecluster）。在成簇的基因家族中通過染色體重排而分散到其他位置上的成員，被稱為孤獨(dú)基因(orphangene).在多基因家族中，某些成員并不產(chǎn)生有功能的基因產(chǎn)物，但在結(jié)構(gòu)和DNA序列上與有功能的基因具有相似性，這種成員稱為假基因（pseudogene）2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析38第五節(jié)基因的功能與類別一、基因的功能1、onegene-oneenzymehypothesisBeadle（1954）的實(shí)驗(yàn)：用X射線得到不同的精氨酸突變型菌株，在培養(yǎng)基上分別添加鳥氨酸、瓜氨酸、精氨酸，其生長(zhǎng)情況如表所示表4-3鏈孢霉精氨酸依賴型的不同菌株對(duì)添加的氨基酸的反應(yīng)2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析39通過鏈孢霉的生化突變型說明Arg的合成2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析40通過鏈孢霉的生化突變型說明Arg的合成2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析41通過鏈孢霉的生化突變型說明Arg的合成2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析42Phe、Tyr的代謝途徑2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析432024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析44PP或Pp→pp羥化酶不能形成導(dǎo)致phe的積累苯丙酮尿癥AA或Aa→aaTyr氧化酶的合成受阻白化病A1A1或A1a1→a1a1尿黑酸氧化酶不能形成黑尿癥人的先天性代謝缺陷病產(chǎn)生的原因基因是通過控制酶的合成來(lái)控制某一代謝途徑，最后決定某一性狀的表現(xiàn)2024/9/26遺傳學(xué)第八章-基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析45第五節(jié)基因的功能與類別一、基因的功能2、onegene-oneprotein3、onegene-onepolypeptidechain

許多蛋白質(zhì)往往又是由兩條或多條多肽鏈組成（特別是那些由不同的多肽鏈組成的蛋白質(zhì)）。如成人血紅蛋白A由4條多肽鏈組成α2β2，而每個(gè)基因只有一種遺傳信息，編碼一種多肽鏈。顯然α和β多肽鏈?zhǔn)怯刹煌蛩刂频?。所以提出“一個(gè)基因一條多肽鏈”的假說。

4、有些基因如rRNA、tDNA只轉(zhuǎn)錄rRNA、tRNA，而不翻譯肽鏈。還有些基因，如操縱基因