MolecularBiologyChap2-Gene1

1、2-1 基因概念的歷史演變基因概念的歷史演變基因（gene）一詞是 Johannsen 于1911年提出的。以表達(dá)近代孟德爾法則研究者們所說的配子中的單位因子、要素或alleles。由基因一詞引導(dǎo)出了基因型（genotype）一詞和表型（phenotype）一詞。1、Mendel雜交實(shí)驗(yàn)中，認(rèn)為基因是顆粒狀的分散的獨(dú)立遺傳因子。2、1910年Morgan果蠅突變體的研究驗(yàn)證了Mondel的推測。他認(rèn)為基因是一個化學(xué)實(shí)體，它既是遺傳的功能單位，又是交換的單位及突變的單位。3、Benzer 的順反子概念 基因是一個不能分割的功能單位：Benzer 通過互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)證明而發(fā)現(xiàn)的遺傳功能單位稱為順反子順反

2、子（cistron）就是基因。認(rèn)為“一個順反子，一條多肽鏈。”一個順反子實(shí)際上是一個編碼多肽的DNA片段，其內(nèi)部可以發(fā)生突變或重組。4、Gilbert 的基本概念基因是一個轉(zhuǎn)錄單位斷裂基因的發(fā)現(xiàn)對傳統(tǒng)的基因概念是個挑戰(zhàn)。 Gilbert 認(rèn)為真核基因是通過重組匯集成的外顯子集合物而出現(xiàn)的，內(nèi)含子是外顯子重組匯集過程中產(chǎn)生的殘片，并預(yù)言，外顯子編碼蛋白質(zhì)的功能區(qū)。Gilbert認(rèn)為基因是一個轉(zhuǎn)錄單位，由內(nèi)含子（intron）和外顯子（exon）交替組成。實(shí)際上基因是一個不同來源的外顯子為構(gòu)件的嵌合體，處于沉默的DNA基質(zhì)（內(nèi)含子）之中。總上所述：總上所述：基因是獨(dú)立遺傳因子；是一個化學(xué)實(shí)體，它基

3、因是獨(dú)立遺傳因子；是一個化學(xué)實(shí)體，它既是遺傳的功能單位，又是交換的單位及突既是遺傳的功能單位，又是交換的單位及突變的單位；是一個不能分割的功能單位；是變的單位；是一個不能分割的功能單位；是一個轉(zhuǎn)錄單位，由內(nèi)含子（一個轉(zhuǎn)錄單位，由內(nèi)含子（intron）和外顯）和外顯子（子（exon）交替組成。）交替組成。TCATTTGTACTGGTAAACTTTAGTCTCAAACTTGTTATCTTCCCTCCACCACTGATGAATCCCATGAGCTTGTTTGAAATCTCTCGAGGAGCTTAAGTTCACCGTCAAAACCGAAGATGGAATCAGATGTACCGGCTCTTGTCCTCCT

4、AACAGCATACCGCCCAACGAGTGCTGCGTCGCTACCCGCTCTACAAACCCAATCCCGATTTCT/ctacattttagataacatctaggatcaaagtcaaaacagaagtaatgttaaagtttatatctctggttatgtcacacttcaaagcctaatttgatcagtaatataaagaatgaaactgaagggaagatataagttacttac/CTGCAATGCGTATCCCATGTTTAATCCTCTTATCCTTAATTTTTTCGATAGGGGCAGACAAAAACGGCGGATTGAATGCGAAACACTCAGGAAA

5、AAACCCGGTTCTAGCGATGGTTTTCCCGGTAAGTAATGCCATAGATGCACCAAGAGAATGACCAGCAAGCCAAACACTAGAACCACCAACCGAAGCAACAATGTTTCTCACTGCTTGGATAGCTATCTCAAACCGTGTTGTCGTGTGAAGCCCGTTTCTAATAACATGGATGTCACTCGATGTCACGGGAAATGGAGTCCACTTTTGTAACCGTTCCTCTGAAAG/ctgcatattcaagaacacaaataagacagacgatttcttacacaagtaaatgaagcattttaaacacaaaggaa

6、caatatttcaggtttttaaacacaagggttaactctaaactctaaagtctataccaattggtgccaaaacattagctaactcaacaacattctatgaacacaaagtttcagttttcgacataacaaaatctcgaaaatggaagtaaatgaagcatttttcacataaaggaacaatttttcaggtcttttaacacaagggttagctctaaactaatggtgccaagacattagctaactcaacaacatttcataaacataaagattcagttttcgacgaaacaaaatctcgaaaaatgcaaa

7、aggagagtagaagtagtagatgcatac/CAATCTATAGATGTTAAGTGTAATGGTCCAGTGAGACTAAAATCATCTCTTTCACTAATCATCAT ATGTTTGTACTGGTAAACTTTAGTCTCAAACTTGTTATCTTCCCTCCACCACTGATGAATCCCATGAGCTTGTTTGAAATCTCTCGAGGAGCTTAAGTTCACCGTCAAAACCGAAGATGGAATCAGATGTACCGGCTCTTGTCCTCCTAACAGCATACCGCCCAACGAGTGCTGCGTCGCTACCCGCTCTACAAACCCAATCCCGA

8、TTTCT/ctacattttagataacatctaggatcaaagtcaaaacagaagtaatgttaaagtttatatctctggttatgtcacacttcaaagcctaatttgatcagtaatataaagaatgaaactgaagggaagatataagttacttac/CTGCAATGCGTATCCCATGTTTAATCCTCTTATCCTTAATTTTTTCGATAGGGGCAGACAAAAACGGCGGATTGAATGCGAAACACTCAGGAAAAAACCCGGTTCTAGCGATGGTTTTCCCGGTAAGTAATGCCATAGATGCACCAAGAGAA

9、TGACCAGCAAGCCAAACACTAGAACCACCAACCGAAGCAACAATGTTTCTCACTGCTTGGATAGCTATCTCAAACCGTGTTGTCGTGTGAAGCCCGTTTCTAATAACATGGATGTCACTCGATGTCACGGGAAATGGAGTCCACTTTTGTAACCGTTCCTCTGAAAG/ctgcatattcaagaacacaaataagacagacgatttcttacacaagtaaatgaagcattttaaacacaaaggaacaatatttcaggtttttaaacacaagggttaactctaaactctaaagtctataccaat

10、tggtgccaaaacattagctaactcaacaacattctatgaacacaaagtttcagttttcgacataacaaaatctcgaaaatggaagtaaatgaagcatttttcacataaaggaacaatttttcaggtcttttaacacaagggttagctctaaactaatggtgccaagacattagctaactcaacaacatttcataaacataaagattcagttttcgacgaaacaaaatctcgaaaaatgcaaaaggagagtagaagtagtagatgcatac/CAATCTATAGATGTTAAGTGTAATGGTCCA

11、GTGAGACTAAAATCATCTCTTTCACTAATCATTGA 2-2 基因與基因組學(xué)（基因與基因組學(xué)（Genomics）1、基因組（、基因組（Genome）：即一個物種的單倍體的染色體數(shù)目或一種生物的全部基因總和。2、基因組學(xué)（、基因組學(xué)（Genomics）：五種鑒定基因（功能）的方法五種鑒定基因（功能）的方法1、可讀框、可讀框（open reading frame, ORF）：可讀框可讀框是基因起始密碼子與終止密碼子所界定的一串密碼子。在所有密碼子中，在所有密碼子中，AUG不僅編碼蛋氨酸，而不僅編碼蛋氨酸，而且又是翻譯（且又是翻譯（translation，以，以mRNA上的遺傳上的

12、遺傳信息指導(dǎo)核蛋白體上多肽鏈合成的過程）的信息指導(dǎo)核蛋白體上多肽鏈合成的過程）的起始信號，起始信號， UAA、UAG和和UGA不編碼任何氨不編碼任何氨基酸，而是作為翻譯的終止信號，統(tǒng)稱為終基酸，而是作為翻譯的終止信號，統(tǒng)稱為終止碼（止碼（stop codon），又常被叫作無意義碼），又常被叫作無意義碼 （nonsense codon） 2、序列特征、序列特征不同的ORF對密碼子是有偏愛的偏愛的（codon bias），一旦確定了ORF，就可以利用密碼子偏愛來確定這個ORF是否是一個基因。界定基因的位點(diǎn)：splice sites（剪接位點(diǎn)）。3、序列保守、序列保守基因中往往有一些保守序列，而且在

13、不同的生物物種中該序列也是保守的，說明該保守序列對基因功能作用的重要性。也可從一個側(cè)面反應(yīng)物種的進(jìn)化。4、基因功能的證據(jù)基因功能的證據(jù) 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄找尋基因的產(chǎn)物：RNA或蛋白質(zhì)，也可以鑒定基因。一般通過微陣列雜交（microarray hybridization），SAGE（基因表達(dá)的系列分析），cDNA圖譜或表達(dá)標(biāo)簽序列的分析，就可達(dá)到目的。5、基因失活、基因失活使基因突變或阻抑它的產(chǎn)物形成也是確定基因功能的一個方法。 物理化學(xué)方法處理誘變； 生物學(xué)方法處理誘變：如T-DNA、轉(zhuǎn)座子等插入標(biāo)簽法，RNA干涉（RNAi）方法等。以上五種鑒定基因的方法并不是放之以上五種鑒定基因的方法并不是放之四海

14、而皆準(zhǔn)的，在鑒定基因時，有時四海而皆準(zhǔn)的，在鑒定基因時，有時會遇到一些問題。會遇到一些問題。基因重疊與斷裂基因：基因重疊與斷裂基因：在重疊基因重疊基因中，有編碼蛋白質(zhì)重疊讀框、重疊的轉(zhuǎn)錄單元（如，一個基因的外顯子在另一個基因的內(nèi)含子之內(nèi)）。斷裂基因斷裂基因：由于內(nèi)含子的存在，基因的編碼區(qū)域序列被分割成幾個互不相鄰的段落。變通性斷裂基因：變通性斷裂基因：假基因假基因（pseudogene）：假基因與正?；蛴邢嗨频男蛄?，但是在編碼序列中往往含有移碼或終止密碼，從而使此類基因不能產(chǎn)生功能性產(chǎn)物或可察覺的表型。假基因與真基因之間沒有絕對的界限。定義基因的現(xiàn)狀定義基因的現(xiàn)狀僅根據(jù)基因組序列來解讀基因，

15、目前看來是非常困難的，而且晦澀難懂。因?yàn)樵诨虻谋磉_(dá)過程中，轉(zhuǎn)錄過程的剪接的多樣性，轉(zhuǎn)錄后及翻譯后修飾的多樣性，完全打破了“一個基因，一個蛋白質(zhì)” 或 “一個基因，一個性狀” 的概念。如何定義基因呢？如何定義基因呢？可根據(jù)基因組學(xué)（即結(jié)構(gòu)基因組學(xué)和功能基因組學(xué)）研究結(jié)果進(jìn)行定義。2-3 基因概念的發(fā)展基因概念的發(fā)展 蛋白質(zhì)基因蛋白質(zhì)基因阮病毒阮病毒（ prion）阮病毒阮病毒作為一種遺傳因子，就是一種蛋白質(zhì)組成的基因，是一種蛋白質(zhì)病原體。動物或人感染這種病毒，目前是無藥可救的。瘋牛病：感染阮病毒，患腦軟化病。 組蛋白密碼組蛋白密碼作為功能單位的基因可能是由DNA和蛋白質(zhì)組合而成的。染色體主要由

16、DNA和組蛋白組成。細(xì)胞分裂中期人類染色體染色質(zhì)中組蛋白的共價鍵修飾，如甲基化、乙酰化、磷酸化等在組蛋白上是以組合的形式進(jìn)行的，這種組合形式被稱為“組蛋白密碼”。這些化學(xué)修飾改變了染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使DNA（基因）的轉(zhuǎn)錄打開或關(guān)閉，對基因的表達(dá)進(jìn)行調(diào)控?；蚴且欢沃圃旃δ墚a(chǎn)物的完整基因是一段制造功能產(chǎn)物的完整的染色體片段。的染色體片段。 RNA遺傳遺傳RNA能自我復(fù)制，不需要任何的蛋白質(zhì)，能自我復(fù)制，不需要任何的蛋白質(zhì)，完全由完全由RNA酶及酶及RNA模板完成。模板完成。2-4 新基因的產(chǎn)生新基因的產(chǎn)生發(fā)生在基因復(fù)制過程中發(fā)生在基因復(fù)制過程中發(fā)生在基因轉(zhuǎn)錄過程中發(fā)生在基因轉(zhuǎn)錄過程中2-5 基因的進(jìn)

17、化基因的進(jìn)化主要是因?yàn)榛虻闹貜?fù)而導(dǎo)致的基因的空間位置變化并伴以DNA序列突變的產(chǎn)物。轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座插入。2-6 基因與基因與DNA染色體不僅僅是基因的載體，不僅僅是一串基因?；蚴荄NA，但DNA并不一定就是基因。在DNA長鏈中，還有許多未知的領(lǐng)域。1、非編碼序列：、非編碼序列：在基因組中，有些DNA序列，不論是單拷貝或多拷貝的都是非轉(zhuǎn)錄的。大腸桿菌的基因組 3x106 bp，約有4x103個基因，而哺乳動物的基因組 3x109bp，該有4x106個基因，而實(shí)際上約有30 000個基因。人類基因只有30 000個左右，而只有1000個體細(xì)胞的線蟲卻有20 000個基因，作為萬物之靈的人類僅僅比

18、線蟲多了10 000個基因，該如何解釋？2、Z-DNA構(gòu)象是另一種遺傳信息編碼構(gòu)象是另一種遺傳信息編碼Z-DNA是左手螺旋的，B-DNA是右手螺旋的。對Z-DNA的研究表明，DNA中除了它的一級結(jié)構(gòu)含有氨基酸序列信息外，DNA的不同構(gòu)象也是一種遺傳信息。3、C值佯謬值佯謬C值值：一個單倍體基因組的DNA含量總是恒定的，它通常稱為該物種DNA的C值(圖3-1）。酵母的基因組：14Mb ； 線蟲：100Mb ； 變形蟲（鯨魚）：變形蟲（鯨魚）：200,000Mb ； 果蠅：164Mb ； 海綿：49Mb; 人類：3000Mb； 擬南芥：120Mb； 水稻：430Mb； 煙草：1500Mb； 硬骨魚

19、類：139000Mb；蕨類植物：蕨類植物：307000Mb圖3-1基因組的DNA含量與物種形態(tài)的復(fù)雜性并不對應(yīng)。4、N值佯謬值佯謬基因數(shù)目與生物進(jìn)化程度或生物復(fù)雜性的不對應(yīng)性，稱為N值佯謬（N表示基因的數(shù)目）。線蟲（1 000個體細(xì)胞）：20 000個基因；果蠅： 14 000個基因；人類等哺乳動物： 30 000個基因。 生物體的生物體的DNA的含量（的含量（C值）與質(zhì)量值）與質(zhì)量（N值）與生物進(jìn)化復(fù)雜程度的關(guān)系。值）與生物進(jìn)化復(fù)雜程度的關(guān)系。 理論上應(yīng)該成正相關(guān)，但是？理論上應(yīng)該成正相關(guān)，但是？ 生物的復(fù)雜性？生物的復(fù)雜性？ 基因的大?。夯虻拇笮。?擬南芥（Arabidopsis）: 5

20、Kb， 啟動子（Promoter）: 11.5Kb。 基因組的基因數(shù)目：基因組的基因數(shù)目： 取決于基因組的大小，基因的大小，基因密度。2-7 重復(fù)序列重復(fù)序列重復(fù)序列可以自由積累各種突變而不會使生重復(fù)序列可以自由積累各種突變而不會使生物體致死；物體致死；重復(fù)重復(fù) DNA可能是新基因發(fā)生的材料?？赡苁切禄虬l(fā)生的材料。真核細(xì)胞真核細(xì)胞DNA序列的重復(fù)頻率：序列的重復(fù)頻率：單拷貝單拷貝DNA；中等重復(fù)；中等重復(fù)DNA；高度重復(fù)；高度重復(fù)DNA1、DNA 復(fù)性反應(yīng)：復(fù)性反應(yīng)：DNA雙鏈在溶液中加熱（高溫）時，可以分開成為兩條單鏈。當(dāng)溫度降低到適當(dāng)溫度(Tm)時,互補(bǔ)的雙鏈間可以重新形成穩(wěn)定的雙鏈結(jié)構(gòu)

21、。判斷DNA復(fù)性的方法：測減色性測減色性A260值（260是核苷酸的光吸收峰）：2、Alu 族重復(fù)序列族重復(fù)序列靈長類動物DNA的特點(diǎn)之一：含有兩類高拷貝量的，可以轉(zhuǎn)位的DNA序列，而且分布在整個基因組中： Li轉(zhuǎn)位因子（Li transposable element） Alu序列或Alu族（Alu sequence, Alu family） Alu 序列為300bp，經(jīng)Alu內(nèi)切酶可切成130bp和170bp的兩個片段，故名Alu 族。 該族在人類基因組中約有500 000個拷貝，重復(fù)頻率為3X105，約占基因組的5%，平均每5000個核苷酸就會間隔一個Alu序列。Alu成員有80%88%序

22、列相同，它們之間的差異多為點(diǎn)突變。Alu成分兩側(cè)有短的同向重復(fù)序列（2080bp）。Alu序列的作用：序列的作用：* 參與基因的轉(zhuǎn)錄，調(diào)控；* Alu 族成員是可轉(zhuǎn)位成分，轉(zhuǎn)位與其轉(zhuǎn)錄過程結(jié)合進(jìn)行，會形成 cDNA，然后插入另一位置，成為新的轉(zhuǎn)錄單位。3、衛(wèi)星衛(wèi)星DNA（Satellite DNA）衛(wèi)星DNA是一種高度重復(fù)的DNA。由于其DNA中（G+C）的含量異乎尋常的高或低，在氯化銫密度梯度離心時，其浮力密度曲線則在主帶DNA的前后出現(xiàn)。這些DNA叫做衛(wèi)星DNA。多位于著絲點(diǎn)的異染色質(zhì)中，可能在染色體的配對、分離中起作用。也能轉(zhuǎn)錄。2-8 重復(fù)基因重復(fù)基因1、核糖體核糖體RNA基因基因（r

23、RNA）：是一種中等重復(fù)并有轉(zhuǎn)錄活性的基因，多集中在核仁形成區(qū)?；虼?lián)重復(fù)。2、tRNA基因：基因：tRNA是一類小的分子，含7590個核苷酸。有轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的功能。基因串聯(lián)重復(fù)。2-9 斷裂基因斷裂基因(split gene)所謂斷裂基因斷裂基因是指基因的編碼序列外顯子（exon）在DNA分子上不是連續(xù)排列的，而是被不編碼的序列內(nèi)含子（intron）所隔開。例如： 珠蛋白基因，卵清蛋白基因等。2-10 重疊基因重疊基因(overlapping gene)X174病毒的重疊基因2-11 模糊基因模糊基因 (cryptogene) 又稱隱秘基因，是轉(zhuǎn)錄本RNA的大幅度的序列改編即RNA編輯（RN

24、A editing）的結(jié)果。2-12 轉(zhuǎn)座子系統(tǒng)轉(zhuǎn)座子系統(tǒng)(transposon system) Barbara McClintock根據(jù)她對玉米的長期研究，發(fā)現(xiàn)玉米粒上有色素與斑點(diǎn)的變化，于1952年提出了生物基因組中有可移動的控制因子的假說。玉米的轉(zhuǎn)座子以兩種形式之一而存在：玉米的轉(zhuǎn)座子以兩種形式之一而存在： 自主因子：具有自主轉(zhuǎn)座的能力； 非自主因子：必須與自主因子并存時才能轉(zhuǎn)座。轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座子（transposon or transposable element)基因組（或質(zhì)粒）中可移動的獨(dú)立的一段DNA序列，兩端具有重復(fù)序列（反向或同向），中間往往具有轉(zhuǎn)座酶基因等序列。轉(zhuǎn)座子可分為兩種基本類型：轉(zhuǎn)座子可分為兩種基本類型： 從DNA到DNA的轉(zhuǎn)移過程轉(zhuǎn)座。 從DNA到RNA再到DNA的轉(zhuǎn)移過程反轉(zhuǎn)座。轉(zhuǎn)座子的結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)座子的結(jié)構(gòu)：1、插入序列（、插入序列（insertion sequence, IS) 最簡單的轉(zhuǎn)座子。2、復(fù)合型轉(zhuǎn)座子（、復(fù)合型轉(zhuǎn)座子（composite transposon) 兩