現(xiàn)代分子生物學(xué)第三章

1、Chapter 3Genome and Gene,第一節(jié) 基因,一、基因概念的發(fā)展 （一）經(jīng)典遺傳學(xué) 1、1865, Mendel: 控制性狀的因子-遺傳因子 2、 1909, Johannsen 提出基因（gene）的概念，取代遺傳因子 3、 1910, 1916, Morgan： 將基因定位在染色體上,1、In 1941, Beadle and Tatum 一基因一酶學(xué)說 闡明了基因是通過對(duì)酶的控制來(lái)決定性狀的 一基因一蛋白 一基因一多肽鏈 2、In 1944，Avery DNA是生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ),（二）分子遺傳學(xué)對(duì)基因概念的新發(fā)展,3、In 1961, Jacob and Monod

2、乳糖操縱子模型 （1）結(jié)構(gòu)基因（structural gene） 指可編碼非調(diào)控RNA或蛋白質(zhì)的一段DNA序列,血紅蛋白,編碼核糖體RNA基因,(2)調(diào)節(jié)基因(regulatory gene) 指其表達(dá)產(chǎn)物參與調(diào)控其它基因表達(dá)的基因。,mRNA,小 結(jié),基因可控制生物的性狀 基因位于染色體上 基因的物質(zhì)基礎(chǔ)是DNA（或RNA） 基因是通過指導(dǎo)合成蛋白質(zhì)或RNA來(lái)決定性狀的 基因有結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因之分,（三）基因概念的進(jìn)一步發(fā)展,1、重疊基因(Overlapping genes) 指在同一段DNA序列上，由于閱讀框架不同或終止早晚不同，可同時(shí)編碼兩個(gè)以上多肽。 Sanger（1977）年發(fā)現(xiàn)了

3、174單鏈DNA病毒中有6個(gè)基因是重疊的。,Overlapping genes in phage X174,采蓮人在綠楊津， 在綠楊津一闕新； 一闕新歌聲漱玉， 歌聲漱玉采蓮人。,2、斷裂基因（Split Genes） 指基因內(nèi)部被一個(gè)或更多不編碼順序所隔裂,（1）內(nèi)含子(intron)： DNA序列中不出現(xiàn)在成熟mRNA的片段； （2）外顯子(extron)： DNA序列中出現(xiàn)在成熟mRNA中的片段。,Discovery In 1977, Roberts and Sharp,3、跳躍基因：Jumping Genes (Transposons) 存在于染色體DNA上可自主轉(zhuǎn)移座位的基本單位，可

4、在同一染色體內(nèi)或不同染色體之間移動(dòng),Transposons in maize,40年代初，McClintock研究玉米花斑糊粉層和植株色素產(chǎn)生的遺傳基礎(chǔ)時(shí)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)座因子,4、管家基因(組成型基因) Housekeeping genes ： 是那些(理論上)在所有細(xì)胞中都表達(dá)的基因，因?yàn)?其功能對(duì)任何細(xì)胞型都是必要的。 （維持細(xì)胞生存不可缺少） 5、奢侈基因（Luxury genes）： 在特殊的細(xì)胞類型中大量表達(dá)并編碼特殊功能 產(chǎn)物的基因。 （與細(xì)胞分化有關(guān)，與組織特異性表達(dá)有關(guān)）,二、基因的定義 產(chǎn)生一條多肽鏈或功能性RNA所必須的全部核苷酸序列,1、RNA基因（RNA genes） 編碼功能

5、性的RNA分子 RNA產(chǎn)物有很多參與基因表達(dá)的調(diào)控，如MicroRNA,2、蛋白質(zhì)編碼基因（protein-coding genes） （1）編碼區(qū)（coding region） 指在翻譯時(shí)對(duì)應(yīng)于多肽的氨基酸序列的一段核苷酸序列 （2）非編碼區(qū)（Untranslated regions ，UTR) 能夠轉(zhuǎn)錄但不被翻譯的核苷酸序列 功能：蛋白質(zhì)合成的調(diào)控 5-UTR ；3-UTR,ATG,5,TAA,3,3、順反子： 等同于基因，是編碼一條完整多肽鏈的一段核苷酸序列。 多順反子：原核生物中數(shù)個(gè)結(jié)構(gòu)基因常串聯(lián)在一起，受同一調(diào)節(jié)區(qū)控制，轉(zhuǎn)錄生成的mRNA可編碼幾種功能相關(guān)的蛋白質(zhì)。,UAA,AUG,

6、AUG,UAA.,5,3,單順反子：一個(gè)編碼基因轉(zhuǎn)錄只生成一個(gè)mRNA分子，經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈。,UAAAAAA,AUG,5,3,第二節(jié) 遺傳信息的傳遞,一、 中心法則（The central dogma） In 1958, Crick 1. DNA是自身復(fù)制的模板； 2. DNA通過轉(zhuǎn)錄作用將遺傳信息傳遞給中間物質(zhì)RNA； 3. RNA通過翻譯作用將遺傳信息表達(dá)成蛋白質(zhì)。 中心法則揭示了遺傳信息的傳遞方向，反映了DNA、RNA和蛋白質(zhì)之間的相互關(guān)系。,DNA RNA Protein,Transcription Translation,replication,二、中心法則的挑戰(zhàn) 1、 反轉(zhuǎn)錄

7、（Reverse transcription） In 1970, Baltimore and Temin 發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶 （reverse transcriptase）,2、RNA 復(fù)制 3、RNA 編輯（RNA editing） 是指轉(zhuǎn)錄后的RNA在編碼區(qū)發(fā)生堿基的加入，丟失或轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象,4、表觀遺傳（Epigenetic Inheritance） 是指在DNA序列沒有發(fā)生變化的情況下，基因表達(dá)的可遺傳的改變,The calico phenotype shows effects of mosaicism of X-linked traits in female mammals an epige

8、netic phenomenon.,（1）表觀遺傳修飾（Epigenetic modification） DNA甲基化; 組蛋白修飾; microRNA （2）表觀遺傳學(xué)補(bǔ)充了“中心法則”忽略的兩個(gè)問題： a、哪些因素決定了基因的正常轉(zhuǎn)錄和翻譯 b、對(duì)基因組而言，不僅僅是序列包含遺傳信息，而且其修飾也可以記載遺傳信息。,5、朊病毒 （Prion） 瘋牛病,學(xué)名為牛海綿狀腦病(BSE) 人和動(dòng)物的可轉(zhuǎn)移性神經(jīng)退化疾病 In 1982, Prusiner, discovering prion PrPC PrPSc,三、修改后的中心法則,replication,transcription,Rever

9、se transcription,RNA editing,RNA replication,translation,第三節(jié) 基因組（Genome）,一、概述： 1、概念： 是指細(xì)胞或生物體單倍體染色體上的所有遺傳物質(zhì)的總稱（包括所有的遺傳信息） （1）細(xì)菌和病毒基因組：是指染色體上所含的全部DNA （2）二倍體及多倍體真核生物的基因組： 一個(gè)物種單倍體所有染色體上的遺傳物質(zhì)的總稱。 如人類基因組：包括24條染色體,2、基因組大?。℅enome size） haploid genome C值（C-value）： size of the haploid genome 一種生物單倍體基因組DNA的總量

10、 討論：C值大小與生物遺傳復(fù)雜性是否成正相關(guān)？,C值在低等真核生物中與遺傳復(fù)雜性有一定的正相關(guān)，但在高等真核生物中卻并非如此，它們的C值變化不定。,Insects4.7 107 1.2 107 Amphibians9.5 108 1.0 1011 Flowering plants 9.5 107 1.2 1011,C值矛盾（C-value paradox） 生物基因組的大小同生物在進(jìn)化上所處地位的高低無(wú)關(guān),3. 基因密度 是指每Mb基因組DNA上基因的平均數(shù)目。 生物體的復(fù)雜度與基因密度存在大致負(fù)相關(guān)的關(guān)系。Why？,二、真核生物基因組,（一）非編碼DNA 不編碼蛋白質(zhì)的DNA序列 （沒有確定

11、功能） 如人類：30億對(duì)核苷酸，預(yù)計(jì)10萬(wàn)個(gè)基因， 實(shí)際為22.5萬(wàn)蛋白編碼基因（占整 個(gè)基因組的2%） 內(nèi)含子 基因間隔序列（功能未知）,1、內(nèi)含子,內(nèi)含子的普遍性 不僅大多數(shù)蛋白質(zhì)編碼的基因有內(nèi)含子, rRNA, tRNA基因也有內(nèi)含子。 大腸桿菌噬菌體T4胸腺嘧啶合成酶基因有內(nèi)含子。 某些低等真核生物的線粒體和葉綠體基因中有內(nèi)含子。,內(nèi)含子的相對(duì)性 內(nèi)含子有時(shí)也編碼蛋白 并非真核生物所有的基因都有內(nèi)含子 真核生物組蛋白基因, 酵母的大多數(shù)基因無(wú)內(nèi)含子,具有編碼功能的內(nèi)含子： 如可移動(dòng)內(nèi)含子 編碼3種蛋白質(zhì)： （1）內(nèi)切核酸酶：能切割DNA上的靶序列并且 允許內(nèi)含子插入 （2）反轉(zhuǎn)錄酶：以

12、自身RNA為模板產(chǎn)生DNA拷貝 （3）成熟酶：在將特定內(nèi)含子從前體mRNA中剪 除時(shí)起作用 內(nèi)含子的移動(dòng)類似轉(zhuǎn)座機(jī)制,內(nèi)含子的類型 （1）GU-AG 內(nèi)含子：真核細(xì)胞核mRNA前體中 （2）AU-AC 內(nèi)含子：真核細(xì)胞核mRNA前體中 （3）型內(nèi)含子：主要在真核細(xì)胞核rRNA前體中 自我剪接 （4）型內(nèi)含子：細(xì)胞器RNA、某些原核生物RNA 自我剪接,內(nèi)含子與進(jìn)化 （1）特點(diǎn)：外顯子的保守程度遠(yuǎn)高于內(nèi)含子， 內(nèi)含子的序列是多變的 （2）合理解釋： 內(nèi)含子序列最終不出現(xiàn)在mRNA的序列 中，即使發(fā)生改變也不會(huì)受到自然選擇 的壓力 （3）在進(jìn)化上的意義 a、 有利于生物遺傳的相對(duì)穩(wěn)定 b、積累突變

13、的內(nèi)含子可能演化為新的基因 c、擴(kuò)大了生物體的遺傳信息儲(chǔ)量,2、基因間隔序列（功能未知） -主要由重復(fù)序列組成 串聯(lián)重復(fù)序列：如衛(wèi)星DNA 分散重復(fù)序列 ：如Alu元件,（二）重復(fù)序列DNA 單一序列 / 中度重復(fù)序列 / 高度重復(fù)序列 附:,復(fù)性動(dòng)力學(xué): 根據(jù)序列的拷貝數(shù)不同在基因組DNA復(fù)性過程中的復(fù)性速率不同的原理，來(lái)識(shí)別不同種類的重復(fù)序列DNA的一種技術(shù)。 思考: 復(fù)性速度與基因組重復(fù)序列拷貝數(shù)的有什么關(guān)系?,人類和E.coli DNA的理想復(fù)性動(dòng)力學(xué)曲線,(一)單一序列（ unique sequence DNA） 基因組中只有一個(gè)或幾個(gè)拷貝的DNA序列 （真核生物結(jié)構(gòu)基因多屬于單一序

14、列）,(二) 中度重復(fù)序列（moderately repetitive DNA） 基因組中重復(fù)次數(shù)在10 105之間的DNA序列 如rRNA、tRNA的基因，組蛋白基因 1、串聯(lián)重復(fù)序列（Tandem repeat sequences） 基因簇： 基因家族中一組相同或相關(guān)基因串聯(lián) 排列在一起 如： rDNA-基因簇重復(fù)多次 組蛋白基因（5 genes）-基因簇重復(fù)多次,2、散在重復(fù)序列（dispersed repetitive DNA） 分散分布在基因組中的中等重復(fù)序列 （1）短散在元件 SINE：Alu 元件（300 bp） （2）長(zhǎng)散在元件 LINE：L1 元件（6500 bp） Alu

15、元件和L1 元件占人類基因組的10% 功能：沒有被證明有功能,（三）高度重復(fù)序列（highly repetitive DNA） 基因組中重復(fù)次數(shù)超過106 的DNA序列 衛(wèi)星DNA（Satellite DNA） 1、概念：真核生物基因組中由許多短的基本重復(fù)單位構(gòu)成的連續(xù)重復(fù)的一種高度重復(fù)序列。 短重復(fù)單位：2bp至2030bp,5 ATAAACTATAAACTATAAACT 3 3 TATTTGATATTTGATATTTGA 5,果蠅的衛(wèi)星DNA重復(fù)單位,n,密度梯度離心，衛(wèi)星DNA與其他DNA分開。形成兩個(gè)峰：較大的主峰和高度重復(fù)序列小峰,Buoyant density,Optical ab

16、sorbance,Mouse DNA / CsCl,Main band,satellite,2、特點(diǎn)：GC 含量低，因而具有較低的浮力密度,3、位置：衛(wèi)星DNA位于著絲粒部位 是異染色質(zhì)的組成成分 4、功能：沒有被證明有功能,5、微衛(wèi)星DNA (microsatellite DNA) 簡(jiǎn)短串聯(lián)重復(fù)-STR 特點(diǎn)： （1）重復(fù)單位長(zhǎng)度在26bp之間 （2）較為平均地沿染色體分布,6、小衛(wèi)星DNA (minisatellite DNA) 可變串聯(lián)重復(fù)-VNTR 特點(diǎn)： （1）拷貝數(shù)具有高度可變性 （2）重復(fù)單位長(zhǎng)度在1565bp之間 （3）一般出現(xiàn)在染色體的末端,DNA fingerprintin

17、g,Progeny,Parents,（三）基因家族 一個(gè)祖先基因經(jīng)重復(fù)或突變所產(chǎn)生的功能相關(guān) 的同源基因 假基因：基因家族中因突變而失去功能的基因 基因簇：基因家族中一組相同或相關(guān)基因串聯(lián)排列在一起而形成 如rRNA、tRNA和組蛋白的基因； 孤獨(dú)基因 ：基因家族中在獨(dú)立位點(diǎn)上的單個(gè)基因,典型的基因家族1tRNA基因 單倍體人基因組中1300個(gè)tRNA基因，tRNA 基因簇2rRNA基因 l00copy rRNA基因簇(重復(fù)單元: 28S、18S、5.8s-rRNA),3組蛋白基因 30-40copy 組蛋白基因簇(重復(fù)單位：H1，H2A，H2B，H3、H4)特點(diǎn)：無(wú)intron，Poly(A

18、)- RNA 4珠蛋白基因,（四）DNA的多態(tài)性 DNA序列發(fā)生變化而導(dǎo)致的個(gè)體間核苷酸序列的差異 1、RFLP（限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性） DNA序列上的微小變化，甚至1個(gè)核苷酸的變化，也能引起限制性內(nèi)切酶切點(diǎn)的丟失或產(chǎn)生，導(dǎo)致酶切片段長(zhǎng)度的變化,2、DNA重復(fù)序列多態(tài)性（RSP） 表現(xiàn)為重復(fù)序列拷貝數(shù)的變異 （1）小衛(wèi)星DNA：（可變串聯(lián)重復(fù)-VNTR） 重復(fù)單位長(zhǎng)度在15-65個(gè)核苷酸左右 （2）微衛(wèi)星DNA： 重復(fù)單位長(zhǎng)度在2-6個(gè)核苷酸之間，又稱為簡(jiǎn)短串聯(lián)重復(fù)（STR、STRP或SSLP）。,3、單核苷酸的多態(tài)性（SNP）： 分散于基因組中的單個(gè)堿基的差異，即包括單個(gè)堿基的缺失、插入和替換。,三、原核生物的基因組,特點(diǎn)： 1、功能相關(guān)的幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因往往串聯(lián)在起， 受它們上游的共同調(diào)控區(qū)控制，形成操縱子 2、結(jié)構(gòu)基因?yàn)槎囗樂醋?3、結(jié)構(gòu)基因中沒有內(nèi)含子 4、DNA大部分為編碼序列 5、重復(fù)序列不多（單拷貝基因） 6、有重疊基因,四、病毒基因組的特點(diǎn)1每種病毒只有一種核酸，DNA或RNA；2病毒核酸大小差別很大；3除逆轉(zhuǎn)錄病毒外，病毒基因都是單拷貝的。4大部分病毒核酸是由一條雙鏈或單鏈分子 (RNA或DNA) 5真核病毒基因有內(nèi)含子