基因與基因組的結(jié)構(gòu)

1、3.1 3.1 基因的結(jié)構(gòu)基因的結(jié)構(gòu)經(jīng)典遺傳學經(jīng)典遺傳學基因是獨立的功能單位、重組基因是獨立的功能單位、重組單位和突變單位。單位和突變單位。順反子概念順反子概念基因是獨立的功能單位，內(nèi)含基因是獨立的功能單位，內(nèi)含許多重組單位和突變單位。許多重組單位和突變單位。分子遺傳學分子遺傳學基因是一段有編碼功能的基因是一段有編碼功能的DNADNA（或（或RNARNA）序列。）序列。基因是遺傳的基本單位，是具有遺傳效應的核基因是遺傳的基本單位，是具有遺傳效應的核酸片段酸片段。3.1.1 基因概念的發(fā)展基因概念的發(fā)展啟動子啟動子SD序列序列ORF1SD序列序列 ORF2SD序序列列 ORF3終止子終止子原核生

2、物：原核生物：真核生物：真核生物：啟動子啟動子5-5-非翻譯區(qū)非翻譯區(qū)外顯子外顯子11內(nèi)含子內(nèi)含子外顯外顯子子23-23-非翻譯區(qū)非翻譯區(qū)終止子終止子3.1.2 結(jié)構(gòu)基因的基本構(gòu)成結(jié)構(gòu)基因的基本構(gòu)成真核生物的斷裂基因的發(fā)現(xiàn)真核生物的斷裂基因的發(fā)現(xiàn) Splitting gene 的證實的證實 1977 ChambonOvalbumin cDNAas probe EcoRI HindIII Oviduct Oviduct DNA DNAErythrocyte Erythrocyte DNADNAOvalbumin cDNA RE map Hinf I Hinf II Hea III Hinf II

3、I Pst I Hinf IV ( No EcoRI Hind III RE site ) Berget , Sharp groupRoberts groupSplitting seq. in the leading region of Hexon cp gene of Ad2after monthsAnd presentation in CSHDNA of Ad2 + EcoRI & HindIIImRNA of Hexon cp132Chambon was inspired by Bergets reportTotal DNA of chicken cDNA7 DNA loop H

4、inHinf f I I HinHinf f II II HeaHea III III HinHinf f III III PstPst I I HinHinf f IVIV EcoRI, HindIII EcoRI, HindIIISpacer Spacer cDNA mRNApresume HinHinf I HinHinf II HeaHeaIII HinHinf III PstPst I HinHinf IV DNA轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)錄錄逆逆轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)錄錄真核生物結(jié)構(gòu)基因，由若干個編碼區(qū)和非真核生物結(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)互相間隔開但又連續(xù)鑲嵌而成，去除非

5、編碼區(qū)再連接后，可翻譯出由連續(xù)氨基酸組成編碼區(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。的完整蛋白質(zhì)，這些基因稱為斷裂基因。 斷裂基因斷裂基因(splite gene)CABD編碼區(qū)編碼區(qū) A、B、C、D非編碼區(qū)非編碼區(qū)外顯子外顯子(exon)和內(nèi)含子和內(nèi)含子(intron) 外顯子：外顯子：（基因上的編碼序列）（基因上的編碼序列）在斷裂基因及其初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，在斷裂基因及其初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，并表達為成熟并表達為成熟RNA的核酸序列。的核酸序列。 內(nèi)含子：內(nèi)含子：（基因上的非編碼序列）基因上的非編碼序列）在斷裂基因及其初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，在斷裂基因及其初級轉(zhuǎn)錄

6、產(chǎn)物上出現(xiàn)，而在剪接過程中被除去的核酸序列。而在剪接過程中被除去的核酸序列。 3.2 3.2 基因組的大小與基因組的大小與C C值矛盾值矛盾基因組的大小一般用堿基對的數(shù)量來表示?；蚪M的大小一般用堿基對的數(shù)量來表示?；蚪M的大小大致上與進化的復雜性有關(guān)?；蚪M的大小大致上與進化的復雜性有關(guān)。C值：生物體的單倍體基因組所含值：生物體的單倍體基因組所含DNA總量?？偭?。C值矛盾值矛盾(C value paradox)：真核生物中：真核生物中DNA含量的反常現(xiàn)象。含量的反?，F(xiàn)象?；蚪M：基因組是細胞中的所有基因組：基因組是細胞中的所有DNA，包括所有基因和，包括所有基因和基因間區(qū)域?；蜷g區(qū)域。 基

7、因組很小，大多只有一條染色體 結(jié)構(gòu)簡煉 存在轉(zhuǎn)錄單元(trnascriptional operon) 多順反子(polycistron) 存在重疊基因X174 D-E-J-F-G-H mRNA 蛋白J、F、G H D E原核生物基因組結(jié)構(gòu)特點原核生物基因組結(jié)構(gòu)特點3.3 3.3 原核生物基因組原核生物基因組3.3.1 3.3.1 大腸桿菌基因組大腸桿菌基因組DNA組織成為類核（組織成為類核（nucleiod）DNA閉合環(huán)閉合環(huán) 狀，狀，4,200 Kb（1300微米），約微米），約4000個基因。個基因。非編碼區(qū)比例較小。非編碼區(qū)比例較小。結(jié)構(gòu)基因單拷貝，結(jié)構(gòu)基因單拷貝， rRNA和和 tRN

8、A基因為寡拷貝基因為寡拷貝3.3.2 3.3.2 重疊基因重疊基因(overlapping gene)(overlapping gene) 19771977年年SangerSanger首先發(fā)現(xiàn)。首先發(fā)現(xiàn)。 X174， 5386nt， 11 個基因，個基因，3個轉(zhuǎn)錄單位，由個轉(zhuǎn)錄單位，由3個個啟動子（啟動子（pA,pB,pD）控制。）控制。非翻譯區(qū)只占非翻譯區(qū)只占4%(217/5386)重疊基因重疊基因：是指兩個或兩個以上的基因共有：是指兩個或兩個以上的基因共有 一段一段DNA序列。序列?；蛑丿B的方式基因重疊的方式 1 大基因內(nèi)包含小基因大基因內(nèi)包含小基因： 如：如：B基因包含在基因包含在A基

9、因內(nèi)，基因內(nèi)，E基因完全包含在基因完全包含在D基因內(nèi)?；騼?nèi)。 2 前后兩基因首尾重疊前后兩基因首尾重疊： 例例1： 如：基因如：基因D 終止終止 X174DNA序列：序列：5TAATG3重疊一個堿基重疊一個堿基 基因基因J 起始起始 例例2： 如：基因如：基因A 終止終止 X174DNA序列序列5ATGA3 重疊重疊4個堿基個堿基 基因基因C 起始起始 3 3 三個基因之間重疊三個基因之間重疊 基因基因B pheB phe 終止終止 基因基因A ser Asp GluA ser Asp Glu DNA DNA序列序列 -T-T-C-T-G-T-T-C-T-G-A A-T-G-A-A-A-T-

10、G-A-A-A- 基因基因K K 起始起始 Val Val 3.4 3.4 真核生物基因組真核生物基因組核基因組核基因組細胞器基因組細胞器基因組多為環(huán)狀多為環(huán)狀,多拷貝多拷貝;均編碼自身所需的蛋白和均編碼自身所需的蛋白和RNA 真核生物基因組結(jié)構(gòu)特點真核基因組結(jié)構(gòu)龐大真核基因組結(jié)構(gòu)龐大單順反子單順反子基因具不連續(xù)性基因具不連續(xù)性 非編碼區(qū)比例較大非編碼區(qū)比例較大 含有大量重復序列含有大量重復序列 DNA分類分類3.4.1 3.4.1 單一順序和重復順單一順序和重復順序序單一順序單一順序 (Unique sequence )重復順序重復順序短片段的重復順序可分為三種類型：短片段的重復順序可分為三

11、種類型：（1）正向重復正向重復(direct repeats)又叫又叫順向重復順向重復；5 CAGGCAGG 33 GTCCGTCC 5（2）鏡向重復鏡向重復(Palindromic sequence) ；5 CAGGAC 33 GTCCTG 55 GAATTC 33 CTTAAG 5 （3）回文順序回文順序 (inverted repeats)3.4.2 3.4.2 輕度重復順序和中度重復順序輕度重復順序和中度重復順序在基因組中含有在基因組中含有2-10拷貝，酵母拷貝，酵母tRNA基因、基因、人和小鼠的珠蛋白基因等。人和小鼠的珠蛋白基因等。長約長約300bp 基因組中約有基因組中約有10-幾

12、百個拷貝的順序幾百個拷貝的順序 如如rRNA和和tRNA基因?；颉］p度重復順序輕度重復順序中度重復順序中度重復順序3.4.3 3.4.3 基因家族與基因簇基因家族與基因簇由同一個祖先基因經(jīng)過重復由同一個祖先基因經(jīng)過重復(duplication)與變異進化而形成結(jié)構(gòu)與功能相似的一與變異進化而形成結(jié)構(gòu)與功能相似的一組基因，組成了一個基因家族。組基因，組成了一個基因家族。由功能相同或相關(guān)的鄰近基因組成的一由功能相同或相關(guān)的鄰近基因組成的一個基因群或一組基因。個基因群或一組基因?；蚣易寤蚣易?gene family)：（2）基因簇）基因簇(gene cluster): 3.4.4 3.4.4 假

13、基因假基因(pseudogene(pseudogene) ) 根據(jù)起源和結(jié)構(gòu)的不同，假基因分為兩類：根據(jù)起源和結(jié)構(gòu)的不同，假基因分為兩類： 未加工的假基因未加工的假基因 加工的假基因加工的假基因多基因家族經(jīng)常包含結(jié)構(gòu)保守的基因，它們是通過積累多基因家族經(jīng)常包含結(jié)構(gòu)保守的基因，它們是通過積累突變產(chǎn)生，來滿足不同的功能需要。如果突變產(chǎn)生，來滿足不同的功能需要。如果突變使基因功突變使基因功能完全喪失能完全喪失，這樣的，這樣的無功能的基因拷貝稱為假基因無功能的基因拷貝稱為假基因，經(jīng)，經(jīng)常用希臘字母常用希臘字母表示。表示。未加工的假基因未加工的假基因(nonprocess pseudogenes(non

14、process pseudogenes) ) 是通過基因組是通過基因組DNADNA復制產(chǎn)生，經(jīng)常位于相同復制產(chǎn)生，經(jīng)常位于相同基因有功能拷貝的附近?；蛴泄δ芸截惖母浇?。加工的假基因加工的假基因(processed pseudogenes) 也也稱為反轉(zhuǎn)錄假基因稱為反轉(zhuǎn)錄假基因(retropseudogenes)，是通，是通過對過對mRNA的反轉(zhuǎn)錄和獲得的的反轉(zhuǎn)錄和獲得的cDNA的隨機整的隨機整合而產(chǎn)生；它們經(jīng)常是分散的。合而產(chǎn)生；它們經(jīng)常是分散的。3.4.5 3.4.5 高度重復順序高度重復順序 衛(wèi)星衛(wèi)星DNA (satellite DNA) DNA (satellite DNA) 小衛(wèi)星小

15、衛(wèi)星DNA(minisatelliteDNA(minisatellite DNA) DNA) 微衛(wèi)星微衛(wèi)星DNA (microsatelliteDNA (microsatellite DNA) DNA) 轉(zhuǎn)座序列轉(zhuǎn)座序列 衛(wèi)星衛(wèi)星DNA（Satellite DNA）:由長的串聯(lián)重復序列構(gòu)成，大多數(shù)位由長的串聯(lián)重復序列構(gòu)成，大多數(shù)位于著絲粒區(qū)于著絲粒區(qū) 小衛(wèi)星小衛(wèi)星DNA(Minisatellite DNA) ：如位于端粒處的如位于端粒處的DNA，由中等數(shù)目，由中等數(shù)目 核苷酸核苷酸 對的單元重復組成。對的單元重復組成。 微衛(wèi)星微衛(wèi)星DNA (Microsatellite DNA)： 由由14個

16、左右的核苷酸對的單元個左右的核苷酸對的單元 重復若干次組成。重復若干次組成。 小衛(wèi)星小衛(wèi)星DNA 端粒端粒DNA VNTR序列序列(variable number of tandem repeats， 可變數(shù)目的可變數(shù)目的 串聯(lián)重復序列串聯(lián)重復序列)DNA指紋指紋 ( DNA fingerprints) 把把小衛(wèi)星小衛(wèi)星DNA(VNTR)核心序列串聯(lián)起來核心序列串聯(lián)起來作為分子探針，與不同個體的作為分子探針，與不同個體的DNA進行進行分子雜交，就會呈現(xiàn)出各自特有的雜交分子雜交，就會呈現(xiàn)出各自特有的雜交圖譜，它們與人的指紋一樣，具有專一圖譜，它們與人的指紋一樣，具有專一性和特征性，因人而異，因此

17、被稱作性和特征性，因人而異，因此被稱作“DNA指紋指紋” 。 用小衛(wèi)星用小衛(wèi)星DNA(VNTR)產(chǎn)生產(chǎn)生DNA片段組，片段組，以電泳分離時，提供的任何個體的獨特以電泳分離時，提供的任何個體的獨特模式模式- (DNA fingerprint) DNA可以從犯罪現(xiàn)場的組織和體液中提取可以從犯罪現(xiàn)場的組織和體液中提取(經(jīng)經(jīng)常是血液、精液或毛發(fā)常是血液、精液或毛發(fā))，然后與懷疑對象取，然后與懷疑對象取得的對照樣品比較。得的對照樣品比較。 DNADNA指紋的特點指紋的特點 1 1、多位點性、多位點性2 2、簡單的遺傳方式、簡單的遺傳方式 3 3、高度變異性、高度變異性 應用應用 : 1 可應用在犯罪研究

18、中?？蓱迷诜缸镅芯恐?。人類VNTRs的第一個探針 1985年由Alec Jeffries制備 在肌紅蛋白基因的第一個內(nèi)含子中分離出132bp的重復順序，內(nèi)含4個長33bp的重復單位，有13bp為核心順序（GGAGGTGGGCAGG）VNTR2 2 幫助確立親子關(guān)系，證實家譜或顯示個體的相關(guān)性。幫助確立親子關(guān)系，證實家譜或顯示個體的相關(guān)性。SINEsSINEs是短散布核元件是短散布核元件(short interspersed (short interspersed nuclear element)nuclear element) 對應于加工的對應于加工的7SLRNA7SLRNA假基因的拷貝，它在人類中假基因的拷貝，它在人類中稱為稱為AluAlu元件，在小鼠中是元件，在小鼠中是B1B1元件。元件。轉(zhuǎn)座序列轉(zhuǎn)座序列LINEsLINEs是長散布核元件是長散布核元件 (long interspersed nuclear elements)(long interspersed nuclear elements) 對應于稱為對應于稱為LINE1(L1)LINE1(L1)的豐富反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的的豐富反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的拷貝拷貝.L1.L1元件最大長度為