第二章 基因的概念與結(jié)構(gòu)(2)斷裂基因

1、第二章（第二章（2 2） 斷裂基因斷裂基因在真核生物基因的分子圖譜完成之前，我們一直設(shè)在真核生物基因的分子圖譜完成之前，我們一直設(shè)想真核生物基因與原核生物基因有著相同的組織結(jié)想真核生物基因與原核生物基因有著相同的組織結(jié)構(gòu)，我們認(rèn)為構(gòu)成基因一定長(zhǎng)度的構(gòu)，我們認(rèn)為構(gòu)成基因一定長(zhǎng)度的DNADNA和蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)之間呈線性關(guān)系，但是比較了之間呈線性關(guān)系，但是比較了DNADNA結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的mRNAmRNA之后，我們發(fā)現(xiàn)在很多情況下兩者之間存在之后，我們發(fā)現(xiàn)在很多情況下兩者之間存在差異，差異， mRNA mRNA總是包含著這樣一段核苷酸序列，這總是包含著這樣一段核苷酸序列，這段序列按照遺傳密碼

2、原則編碼相應(yīng)的蛋白質(zhì)產(chǎn)物，段序列按照遺傳密碼原則編碼相應(yīng)的蛋白質(zhì)產(chǎn)物，而基因中則含有額外序列，它位于編碼區(qū)域內(nèi)，并而基因中則含有額外序列，它位于編碼區(qū)域內(nèi)，并且打斷了最終翻譯成蛋白質(zhì)的序列。且打斷了最終翻譯成蛋白質(zhì)的序列。目前我們認(rèn)為，基因包括基因兩側(cè)的調(diào)控區(qū)目前我們認(rèn)為，基因包括基因兩側(cè)的調(diào)控區(qū)域，這個(gè)調(diào)控區(qū)域?yàn)槠鹗己徒K止（某些情況域，這個(gè)調(diào)控區(qū)域?yàn)槠鹗己徒K止（某些情況下）基因的表達(dá)需要。下）基因的表達(dá)需要。由斷裂基因組成的由斷裂基因組成的DNADNA序列被分成兩個(gè)部分：序列被分成兩個(gè)部分： 外顯子外顯子的序列包含在成熟的序列包含在成熟RNARNA中，精確地說，基因中，精確地說，基因起始于一

3、個(gè)外顯子的起始于一個(gè)外顯子的55端，終止于另一個(gè)外顯子的端，終止于另一個(gè)外顯子的33端。端。 內(nèi)含子內(nèi)含子是插入序列，在初始轉(zhuǎn)錄物加工成成熟是插入序列，在初始轉(zhuǎn)錄物加工成成熟RNARNA時(shí)被除去。時(shí)被除去。 斷裂基因與非斷裂基因相比，其表達(dá)需要一個(gè)額外斷裂基因與非斷裂基因相比，其表達(dá)需要一個(gè)額外的步驟。的步驟。DNADNA轉(zhuǎn)錄成的轉(zhuǎn)錄成的RNARNA代表基因組序列。但這個(gè)代表基因組序列。但這個(gè)RNARNA只是一個(gè)前體分子，它不能翻譯成蛋白質(zhì)。它首只是一個(gè)前體分子，它不能翻譯成蛋白質(zhì)。它首先要去除內(nèi)含子，形成只含外顯子的信使先要去除內(nèi)含子，形成只含外顯子的信使RNARNA，這個(gè)，這個(gè)過程稱為過程

4、稱為RNARNA剪接剪接（RNA splicingRNA splicing）。剪接過程包括內(nèi)）。剪接過程包括內(nèi)含子從初始轉(zhuǎn)錄物中精確去除，內(nèi)含子去除后形成的含子從初始轉(zhuǎn)錄物中精確去除，內(nèi)含子去除后形成的RNARNA的兩個(gè)末端連接在一起形成一個(gè)完整的共價(jià)分子。的兩個(gè)末端連接在一起形成一個(gè)完整的共價(jià)分子?；虻拈L(zhǎng)度由初始基因的長(zhǎng)度由初始RNARNA前體的長(zhǎng)度決定，前體的長(zhǎng)度決定，而不是由信使而不是由信使RNARNA決定。外顯子（決定。外顯子（exonexon）通常按照通常按照DNADNA中的相同排列順序連接在一中的相同排列順序連接在一起。起。所有的外顯子都來源于相同的所有的外顯子都來源于相同的RN

5、ARNA分子，分子，它們的剪接只是一種分子內(nèi)反應(yīng)。通常不它們的剪接只是一種分子內(nèi)反應(yīng)。通常不存在不同存在不同RNARNA分子之間的外顯子的連接，分子之間的外顯子的連接，因此從剪接機(jī)制上排除了任何不同等位基因此從剪接機(jī)制上排除了任何不同等位基因序列之間的剪接。若基因中位于不同外因序列之間的剪接。若基因中位于不同外顯子的突變不能由另一個(gè)突變互補(bǔ)，則把顯子的突變不能由另一個(gè)突變互補(bǔ)，則把它們視為相同互補(bǔ)組中的成員。它們視為相同互補(bǔ)組中的成員。直接影響蛋白質(zhì)序列的突變位于外顯子中，直接影響蛋白質(zhì)序列的突變位于外顯子中，那么內(nèi)含子中的突變有什么作用呢？?jī)?nèi)含子那么內(nèi)含子中的突變有什么作用呢？?jī)?nèi)含子的突變會(huì)

6、不會(huì)影響蛋白質(zhì)序列？的突變會(huì)不會(huì)影響蛋白質(zhì)序列？ 既然內(nèi)含子不包含在信使既然內(nèi)含子不包含在信使RNARNA中，那么它們發(fā)生突變中，那么它們發(fā)生突變就不會(huì)直接影響蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。但是內(nèi)含子的突變卻可以就不會(huì)直接影響蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。但是內(nèi)含子的突變卻可以抑制信使抑制信使RNARNA產(chǎn)物的生成，比如抑制外顯子的剪接。這種產(chǎn)物的生成，比如抑制外顯子的剪接。這種類型的突變只作用于攜帶該基因的等位基因，因此，它們類型的突變只作用于攜帶該基因的等位基因，因此，它們不能被等位基因中的其他突變所互補(bǔ)并且像外顯子一樣是不能被等位基因中的其他突變所互補(bǔ)并且像外顯子一樣是同一互補(bǔ)組的組成成分。同一互補(bǔ)組的組成成分。 影響

7、剪接的突變通常是有害的。這種突變大部分是在影響剪接的突變通常是有害的。這種突變大部分是在外顯子和內(nèi)含子的連接處發(fā)生單個(gè)堿基的置換，這樣就導(dǎo)外顯子和內(nèi)含子的連接處發(fā)生單個(gè)堿基的置換，這樣就導(dǎo)致產(chǎn)物中外顯子的丟失和內(nèi)含子的不切除，或使在異常位致產(chǎn)物中外顯子的丟失和內(nèi)含子的不切除，或使在異常位點(diǎn)發(fā)生剪接。最通常的結(jié)果是產(chǎn)生一個(gè)終止密碼子，從而點(diǎn)發(fā)生剪接。最通常的結(jié)果是產(chǎn)生一個(gè)終止密碼子，從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)序列的截短。引起人類疾病的約導(dǎo)致蛋白質(zhì)序列的截短。引起人類疾病的約15%15%的點(diǎn)突變的點(diǎn)突變是由剪接的破壞而引起的。是由剪接的破壞而引起的。只有在已知只有在已知DNADNA功能或已功能或已經(jīng)鑒定出突變

8、經(jīng)鑒定出突變的情況下才能的情況下才能得到該得到該DNADNA的的限制性酶切圖限制性酶切圖譜？譜？斷裂基因僅存在于真核生物中嗎？?jī)?nèi)含子通常不具備可讀框，去除內(nèi)含子后內(nèi)含子通常不具備可讀框，去除內(nèi)含子后mRNAmRNA序列序列才會(huì)產(chǎn)生一個(gè)完整的讀框。才會(huì)產(chǎn)生一個(gè)完整的讀框。所有種類的基因都有可能被打斷，如編碼蛋白質(zhì)的核所有種類的基因都有可能被打斷，如編碼蛋白質(zhì)的核基因、編碼基因、編碼rRNArRNA的核仁基因和編碼的核仁基因和編碼tRNAtRNA的基因。在的基因。在低等真核生物的線粒體和葉綠體基因中，我們也發(fā)現(xiàn)低等真核生物的線粒體和葉綠體基因中，我們也發(fā)現(xiàn)了斷裂基因。斷裂基因并非只存在于真核生物中

9、，也了斷裂基因。斷裂基因并非只存在于真核生物中，也存在于細(xì)菌和噬菌體中，盡管在原核生物基因組中發(fā)存在于細(xì)菌和噬菌體中，盡管在原核生物基因組中發(fā)現(xiàn)斷裂基因的概率非常低?，F(xiàn)斷裂基因的概率非常低。外顯子序列保守而內(nèi)含子序列變化多端是由于外顯子和內(nèi)含子中發(fā)生突變的概率不同的結(jié)果？外顯子捕捉技術(shù)外顯子捕捉技術(shù)分離基因分離基因外顯子捕獲外顯子捕獲(exon trapping) (exon trapping) 是構(gòu)建是構(gòu)建一種載體，從其插入片段中識(shí)別一種載體，從其插入片段中識(shí)別和回收外顯子序列，從而克隆目和回收外顯子序列，從而克隆目的基因。凡是有內(nèi)含子和外顯子的基因。凡是有內(nèi)含子和外顯子的基因在轉(zhuǎn)錄后都要經(jīng)

10、過的基因在轉(zhuǎn)錄后都要經(jīng)過RNARNA剪剪接，這就需要有剪接供體接，這就需要有剪接供體(splicing (splicing donordonor，SD)SD)位點(diǎn)和剪接受體位點(diǎn)和剪接受體(splicing acceptor(splicing acceptor，SA)SA)位點(diǎn)。因此，位點(diǎn)。因此，SASA位點(diǎn)可作為基因的標(biāo)志。位點(diǎn)可作為基因的標(biāo)志。pETVpETV咀載體的克隆位點(diǎn)上游有咀載體的克隆位點(diǎn)上游有一個(gè)一個(gè)“外顯子捕獲序列外顯子捕獲序列”(exon (exon trap cassette)trap cassette)，可用來識(shí)別載體的，可用來識(shí)別載體的插入片段中有無插入片段中有無SASA

11、位點(diǎn)。位點(diǎn)。大多數(shù)基因由一條大多數(shù)基因由一條DNADNA序列組成，這個(gè)序列組成，這個(gè)DNADNA序列序列只編碼一種蛋白質(zhì)（盡管基因兩端可能包含非編碼只編碼一種蛋白質(zhì)（盡管基因兩端可能包含非編碼區(qū)域或編碼區(qū)內(nèi)含有內(nèi)含子），但是，也存在區(qū)域或編碼區(qū)內(nèi)含有內(nèi)含子），但是，也存在DNADNA單條序列編碼一種以上蛋白質(zhì)的情況。單條序列編碼一種以上蛋白質(zhì)的情況。 重疊基因重疊基因（overlapping geneoverlapping gene）發(fā)生在相對(duì)簡(jiǎn)單的）發(fā)生在相對(duì)簡(jiǎn)單的情況下，其中一條基因是另一條基因的一部分，基情況下，其中一條基因是另一條基因的一部分，基因的第二部分（或第一部分）獨(dú)立地用來翻譯

12、一種因的第二部分（或第一部分）獨(dú)立地用來翻譯一種蛋白質(zhì)，這種蛋白質(zhì)代表整條基因翻譯出的蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)，這種蛋白質(zhì)代表整條基因翻譯出的蛋白質(zhì)的第一（或第二）部分。的第一（或第二）部分。重疊基因重疊基因可變剪接可變剪接早期內(nèi)含子模型：編編碼的序列需要精密重碼的序列需要精密重組，重組失敗，則細(xì)組，重組失敗，則細(xì)胞損傷。胞損傷。RNARNA的剪接的剪接為了利用轉(zhuǎn)錄出的新為了利用轉(zhuǎn)錄出的新鏈的嘗試，如果不成鏈的嘗試，如果不成功還可利用原來的鏈。功還可利用原來的鏈。則則RNARNA缺失時(shí)不產(chǎn)生缺失時(shí)不產(chǎn)生損害性后果，但若損害性后果，但若DNADNA缺失，則會(huì)產(chǎn)生缺失，則會(huì)產(chǎn)生損害性的不穩(wěn)定性。損害性的不穩(wěn)定

13、性。與之相反的例子。無論內(nèi)含子存在與否，我與之相反的例子。無論內(nèi)含子存在與否，我們?nèi)阅馨l(fā)現(xiàn)一些們?nèi)阅馨l(fā)現(xiàn)一些rRNA rRNA 和和tRNAtRNA基因的可變剪基因的可變剪接。似乎進(jìn)化不能將基本基因連接在一起，接。似乎進(jìn)化不能將基本基因連接在一起，最大可能就是連續(xù)的基因中插入內(nèi)含子。最大可能就是連續(xù)的基因中插入內(nèi)含子。 如果目前的蛋白質(zhì)是由最初分開但后來組合在一起的如果目前的蛋白質(zhì)是由最初分開但后來組合在一起的祖先蛋白質(zhì)進(jìn)化而來，那么基因單位的增長(zhǎng)可能經(jīng)過幾個(gè)祖先蛋白質(zhì)進(jìn)化而來，那么基因單位的增長(zhǎng)可能經(jīng)過幾個(gè)連續(xù)的時(shí)期，一次增加一個(gè)外顯子。在現(xiàn)在的基因結(jié)構(gòu)中連續(xù)的時(shí)期，一次增加一個(gè)外顯子。在現(xiàn)

14、在的基因結(jié)構(gòu)中能觀察到基因的不同功能被拼湊在一起的現(xiàn)象嗎？即，我能觀察到基因的不同功能被拼湊在一起的現(xiàn)象嗎？即，我們能將目前蛋白質(zhì)的特殊功能等同于單一外顯子嗎？們能將目前蛋白質(zhì)的特殊功能等同于單一外顯子嗎？ 這種觀念解釋了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的另一種特征：在外顯子、這種觀念解釋了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的另一種特征：在外顯子、內(nèi)含子邊界的位點(diǎn)所編碼的氨基酸似乎通常位于蛋白質(zhì)的內(nèi)含子邊界的位點(diǎn)所編碼的氨基酸似乎通常位于蛋白質(zhì)的表面。當(dāng)一個(gè)模塊添加到蛋白質(zhì)中，至少大部分新近添加表面。當(dāng)一個(gè)模塊添加到蛋白質(zhì)中，至少大部分新近添加的模塊的連接都是趨向位于蛋白質(zhì)的表面。的模塊的連接都是趨向位于蛋白質(zhì)的表面。一些例子證明在基因結(jié)

15、構(gòu)和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)之間一些例子證明在基因結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)之間有著清楚的關(guān)系。免疫球蛋白就是其中一個(gè)有著清楚的關(guān)系。免疫球蛋白就是其中一個(gè)最典型的一例，編碼此基因的每個(gè)外顯子與最典型的一例，編碼此基因的每個(gè)外顯子與蛋白質(zhì)的一個(gè)已知功能的結(jié)構(gòu)域完全一致。蛋白質(zhì)的一個(gè)已知功能的結(jié)構(gòu)域完全一致。很多例子表明基因的某些外顯子可以通過特很多例子表明基因的某些外顯子可以通過特殊的功能而被鑒定出來，如在分泌蛋白質(zhì)中，殊的功能而被鑒定出來，如在分泌蛋白質(zhì)中，它的第一個(gè)外顯子編碼多肽的它的第一個(gè)外顯子編碼多肽的N N端區(qū)域，通端區(qū)域，通常是參與膜分泌的信號(hào)序列，胰島素就是其常是參與膜分泌的信號(hào)序列，胰島素就是其中一例。中一例。 這種觀念解釋了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的另一種特征：在外顯這種觀念解釋了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的另一種特征：在外顯子、內(nèi)含子邊界的位點(diǎn)所編碼的氨基酸似乎通常位于子、內(nèi)含子邊界的位點(diǎn)所編碼的氨基酸似乎通常位于蛋白質(zhì)的表面。當(dāng)一個(gè)模塊添加到蛋白質(zhì)中，至少大蛋白質(zhì)的表面。當(dāng)一個(gè)模塊添加到蛋白質(zhì)中，至少大部分新近添加的模塊的連接都是趨向位于蛋白質(zhì)的表部分新近添加的模塊的連接都是趨向位于蛋白質(zhì)的表面。面。思考 1、 Interrupted gene 2、 Overlapping gene 3、 Alternative splicing