分子遺傳學(xué)課件：5-基因與基因組

1、第四節(jié) 基因與基因組一、基因順反子（Cistron）的概念 順反子是指編碼一個(gè)蛋白質(zhì)的全部組成所需信息的最短片段，即一個(gè)基因。 基因僅是一個(gè)功能單位，基因內(nèi)部的堿基對才是重組單位和突變單位。Benzer1955年第四節(jié) 基因與基因組 兩突變（a和b）在兩條染色體上時(shí)， 為反式構(gòu)型。 一對同源染色體上兩突變（a和b）在同一染色體上時(shí)，稱為順式構(gòu)型。第四節(jié) 基因與基因組 順反互補(bǔ)測驗(yàn)（cis-trans test）：比較順式和反式構(gòu)型個(gè)體的表型來判斷兩個(gè)突變是否發(fā)生在一個(gè)基因（順反子）內(nèi)的測驗(yàn)。 兩突變發(fā)生在同一基因上，雜合體就不存在野生型的基因，因而為突變體表型。 如果兩突變在兩個(gè)不同的基因上，

2、后代雜合體中將有一個(gè)基因是野生型的，另外一個(gè)基因是突變型，雜合體的表型成了野生型。這兩個(gè)基因的這種關(guān)系稱為互補(bǔ)。第四節(jié) 基因與基因組基因內(nèi)突變位點(diǎn)在同一基因上突變位點(diǎn)在不同的基因上基因上；的基因上； 順式測驗(yàn) 反式測驗(yàn) 突變位點(diǎn)在同一順反子內(nèi) A B + A B 突變位點(diǎn)在不同的順反子內(nèi) + A B + A B 圖 順反測驗(yàn)結(jié)果的圖解。當(dāng)順式有功能，而反式?jīng)]有功能時(shí)，突變 位點(diǎn)突變位點(diǎn)在同一順反子內(nèi)；當(dāng)順式有功能，而反式也有功能時(shí)，突變 位點(diǎn)突變位點(diǎn)在不同順反子內(nèi)。 第四節(jié) 基因與基因組 二、基因的類型 結(jié)構(gòu)基因：指可編碼非調(diào)控RNA或蛋白質(zhì)的一段DNA 序列。如編碼核糖體RNA基因血紅蛋白基

3、因第四節(jié) 基因與基因組 可轉(zhuǎn)錄但不翻譯基因：編碼非編碼RNA的基因，如 tDNA、rDNA。 調(diào)控基因：不轉(zhuǎn)錄、不翻譯的基因， 如：啟動(dòng)基因， 操縱基因。mRNAlacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacI第四節(jié) 基因與基因組原核生物基因 特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)緊密，缺少非編碼序列，具有公用的啟動(dòng)子，高突變。三、真核生物基因斷裂基因第四節(jié) 基因與基因組Chambon的雜交實(shí)驗(yàn)雞卵清蛋白mRNA逆轉(zhuǎn)錄cDNADNA探針EcoR1 HindIII 10S 珠蛋白前體RNA以及其15S 珠蛋白mRNA與小鼠 珠蛋白基因雜交形成R環(huán)的電鏡圖。第四節(jié) 基因與基因組Richard J. Roberts

4、 Phillip A. Sharp Nobel Prize 19931977年第四節(jié) 基因與基因組雞卵清蛋白基因DNA與其mRNA雜交圖組成：1. 編 碼 鏈（coding strand）： 基因53的單鏈。 非編碼鏈（non-coding strand）：基因35的單鏈。2.外顯子（exon）： 編碼鏈上的編碼序列。內(nèi)含子（intron）：編碼鏈上的非編碼序列。3.GTAG法則：在內(nèi)含子的5和3端分別存在一個(gè) 保守序列GT和AG。斷裂基因結(jié)構(gòu) 1978年，Gilbert提出內(nèi)含子、外顯子概念。第四節(jié) 基因與基因組4. 側(cè)翼序列（Flanking sequence）啟動(dòng)子（promotor）：

5、與轉(zhuǎn)錄因子和RNA聚合酶結(jié)合，調(diào) 制基因轉(zhuǎn)錄的DNA序列。 TATA框（TATA box）：-1927bp，TATAA（T） AA（T） CAAT框（CAAT box）：-70 80bp，GGC（T）CAATCA GC框（GC box）： GGCGGG，位于CAAT box兩側(cè)。增強(qiáng)子（enhancer）：具有核心重復(fù)序列，可增強(qiáng)基因轉(zhuǎn)錄 效率的DNA序列。終止子（terminator）：控制基因轉(zhuǎn)錄終止的DNA序列。 poly A信號(hào)：AATAAA 倒位重復(fù)序列：DNA回文序列。第四節(jié) 基因與基因組第四節(jié) 基因與基因組倒位重復(fù)序列斷裂基因的特點(diǎn) 外顯子保守而內(nèi)含子可變，不同基因可能存在相同的

6、區(qū)域。因此，基因的單一性主要是由內(nèi)含子決定。 內(nèi)含子多為非編碼區(qū)，因此多不受選擇的影響，變異較快，由堿基插入、缺失或替換造成。但內(nèi)含子的非編碼性并非絕對。 相近物種的外顯子相近基因克隆的一種思路 第四節(jié) 基因與基因組Intron Prevalence第四節(jié) 基因與基因組Intron Size Exon Size第四節(jié) 基因與基因組 外顯子數(shù)目變化較大第四節(jié) 基因與基因組 每一個(gè)外顯子均有其特殊的功能 第四節(jié) 基因與基因組第四節(jié) 基因與基因組 Splitting gene 并非真核生物所特有： T4 噬菌體的胸苷合成酶 gene有1017 bp intron。 并非真核生物所有的結(jié)構(gòu)基因均為sp

7、litting gene： 組蛋白基因家族、干擾素、酵母中多數(shù)基因 Intron、 Exon 相對性： 酵母細(xì)胞色素b基因 Intron II 編碼成熟酶。 人類尿激酶原基因 Exon I 不編碼氨基酸序列。斷裂基因的注意事項(xiàng) 一個(gè)基因可控制多個(gè)產(chǎn)物的產(chǎn)生 第四節(jié) 基因與基因組 一個(gè)基因可控制多個(gè)產(chǎn)物的產(chǎn)生 第四節(jié) 基因與基因組第四節(jié) 基因與基因組重疊基因（1977年Sanger） 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。采蓮人在綠楊津一闕新歌聲漱玉 B在A內(nèi)，E在D內(nèi)；K與C部分重疊；D的終止密碼的最后一個(gè)堿基是J起始密碼的第一個(gè)堿基。第四節(jié) 基因與基因組跳躍基因(j

8、umping gene) 轉(zhuǎn)座因子：存在于染色體DNA上可自主轉(zhuǎn)移座位的基本單位，在同一染色體內(nèi)或不同染色體之間移動(dòng)，引起插入突變、染色體結(jié)構(gòu)變異（如倒位、缺失等）玉米轉(zhuǎn)座因子Ac第四節(jié) 基因與基因組 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。1983年度諾貝爾獎(jiǎng) 第四節(jié) 基因與基因組管家基因(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，維持細(xì)胞生存不可缺少。 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)。四、

9、基因的特點(diǎn) 滿足生物多樣性要求。 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。 自我復(fù)制能力。 可變性。第四節(jié) 基因與基因組第四節(jié) 基因與基因組 nuclear genome 3 200 000 000 nucleotides mitochondrial genome 16 569 nucleotides 基因組（genome）：指一個(gè)物種單倍體的染色體所攜帶的一整套基因。第四節(jié) 基因與基因組第四節(jié) 基因與基因組，內(nèi)含子、啟動(dòng)子第四節(jié) 基因與基因組 C值 (C Value)：在每一種生物中其單倍體基因組的DNA總量，是每種生物的一個(gè)特征，不同生物之間差別很大。第四節(jié) 基因與基因組 生物體進(jìn)化程度高低與C值不成明顯線性相關(guān) 親緣

10、關(guān)系相近的生物C值相差較大 高等生物的C值不一定就意味著它的C值高于比它低等 的生物 C值矛盾/ C值悖論：C值和生物結(jié)構(gòu)或組成的復(fù)雜性不 一致的現(xiàn)象 C值變化范圍寬意味著在某些生物中有DNA是不編碼的。第四節(jié) 基因與基因組人類和E.coli DNA的理想復(fù)性動(dòng)力學(xué)曲線第四節(jié) 基因與基因組根據(jù)復(fù)性動(dòng)力學(xué)研究將真核生物DNA序列歸類： 單拷貝序列 輕度重復(fù)序列 中度重復(fù)序列 高度重復(fù)序列第四節(jié) 基因與基因組單拷貝序列(single copy sequences) 一個(gè)基因組中只有一個(gè)拷貝 慢復(fù)性速度 單一序列的復(fù)性曲線常只有一個(gè)拐點(diǎn)，而重復(fù) 序列常有多個(gè)拐點(diǎn)。 結(jié)構(gòu)基因 (蛋白質(zhì)基因)大多是單拷

11、貝序列第四節(jié) 基因與基因組 輕度重復(fù)序列(light repetitive sequences) 在基因組中重復(fù)數(shù)2-10的重復(fù)順序 為慢復(fù)性速度 少數(shù)在基因組中成串排列在一個(gè)區(qū)域，大多數(shù)與單 拷貝基因間隔排列 多為編碼功能的序列第四節(jié) 基因與基因組 中度重復(fù)序列(moderate repetitive sequences) 散在重復(fù)序列（dispersed repetitive DNA） 基因組中重復(fù)數(shù)十至數(shù)萬（105）次的重復(fù)順序 復(fù)性速度快于單拷貝順序，慢于高度重復(fù)順序 多與單拷貝基因間隔排列 多為非編碼序列，短散在元件（ Alu 元件300 bp） 長散在元件（L1元件6500 bp）

12、300bp300bp300bp6000bp6000bp6000bp6000bpAlu序列第四節(jié) 基因與基因組串聯(lián)重復(fù)序列（Tandem repeat sequences）rDNA gene familyHistone gene family 組蛋白基因家族TS: 可轉(zhuǎn)錄的間隔序列 NTS:不轉(zhuǎn)錄的間隔序列NTSNTS第四節(jié) 基因與基因組第四節(jié) 基因與基因組附： 基因家族：一個(gè)祖先基因經(jīng)重復(fù)或突變所產(chǎn)生的 同源基因 孤獨(dú)基因：基因家族中在獨(dú)立位點(diǎn)上的單個(gè)基因 假基因：基因家族中因突變而失去功能的基因第四節(jié) 基因與基因組 高度重復(fù)序列(highly repetitive sequences) 在基

13、因組中重復(fù)頻率高，可達(dá)百萬(106)以上 復(fù)性速度很快 序列一般較短，長10-300bp，如真核生物的衛(wèi)星 DNA，位于著絲粒部位，是異染色質(zhì)的組成成分螃蟹2ATATAT.果蠅5ATAATATAAT.老鼠9GAAAAATGAGAAAAATGA第四節(jié) 基因與基因組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 densityOptical absorbanceMouse DNA / CsClMainbandsatellite第四節(jié) 基因與基因組 微衛(wèi)星DNA(microsatellite) 又稱短串聯(lián)重復(fù)-STR （1）重復(fù)單位長度在26bp

14、之間 （2）較為平均地沿染色體分布 小衛(wèi)星DNA(minisatellite DNA) 又稱可變串聯(lián)重復(fù)-VNTR （1）拷貝數(shù)具有高度可變性 （2）重復(fù)單位長度在1565bp之間 （3）一般出現(xiàn)在染色體的末端DNA fingerprintingGGGCAGGAXGCCCGTCCTXCProgenyParents56789第四節(jié) 基因與基因組RFLP第四節(jié) 基因與基因組 SNP第四節(jié) 基因與基因組遺傳標(biāo)記的應(yīng)用 連鎖分析 flash1 RFLP AND LINKAGE.swf 個(gè)體識(shí)別 flash2 DNA_DetectivePC.exe 親子鑒定 flash3 DNA_DetectivePC

15、.exe 第四節(jié) 基因與基因組第四節(jié) 基因與基因組猴圖騰：傳說羌族巫師因神猴引路才學(xué)得法術(shù)。故巫師以猴皮為帽，崇拜猴頭，并尊稱猴為老祖宗、老師傅。羅剎女與獼猴第四節(jié) 基因與基因組 20世紀(jì)科學(xué)史上三個(gè)里程碑: “曼哈頓原子彈計(jì)劃” “人類登月計(jì)劃” “人類基因組計(jì)劃 (Human Genome Project, HGP)”第四節(jié) 基因與基因組人類基因組計(jì)劃(human genome project, HGP) 遺傳圖譜(genetic map) / 遺傳連鎖圖(linkage map) 物理圖譜 序列圖譜 轉(zhuǎn)錄圖譜/表達(dá)圖譜第四節(jié) 基因與基因組 遺傳圖譜(genetic map) / 遺傳連鎖

16、圖(linkage map) 是指基因或DNA標(biāo)志在染色體上的相對位置與遺傳距離。遺傳距離用重組率來衡量。即通過計(jì)算兩個(gè)連鎖的遺傳標(biāo)記在每次減數(shù)分裂中的重組概率，確定兩者的相對距離。其單位用厘摩（cM ）表示。1厘摩表示每次減數(shù)分裂的重組頻率為。厘摩值越高表明遺傳標(biāo)志物兩點(diǎn)之間距離越遠(yuǎn)，值越低則兩點(diǎn)間距離越近。第四節(jié) 基因與基因組 物理圖譜 物理圖以一段已知核苷酸序列的DNA片段為路標(biāo)，以堿基對 (Mb、kb、bp)作為基本測量單位（圖距）的基因組圖?？梢源_定兩個(gè)遺傳標(biāo)記之間的實(shí)際（絕對）距離。第四節(jié) 基因與基因組 物理圖譜 遺傳標(biāo)記： 序列標(biāo)簽部位（sequence tagged site,

17、 STS） 為染色體定位明確、可用PCR擴(kuò)增的單拷貝序列。 STS多數(shù)來自于表達(dá)序列標(biāo)簽（expressed sequence Tags，EST)，每隔100kb距離就有一個(gè)標(biāo)志。 第四節(jié) 基因與基因組 物理圖譜 物理圖譜構(gòu)建載體 酵母人工染色體（yeast artificial chromosome, YAC）：具有著絲粒、端粒、自主復(fù)制順序（ARS）、外源基因（插入DNA片段為數(shù)百個(gè)kb2Mb）。 細(xì)菌人工染色體（BAC）： 插入DNA序列為80 300 kb。 噬菌體人工染色體（PAC）：插入片段為300kb以下。 第四節(jié) 基因與基因組第四節(jié) 基因與基因組第四節(jié) 基因與基因組 序列圖譜 是分別將各染色體全部堿基序列繪制的圖譜。包括轉(zhuǎn)錄序列和非轉(zhuǎn)錄序列。 目前的策略是把龐大的基因組分成若干有路標(biāo)的區(qū)域后，進(jìn)行測序分析。將測出的每