基因、基因組的結(jié)構(gòu)及比較

1、基因、基因組的結(jié)構(gòu)及比較討論題基本概念： 基因、基因組、基因組學(xué)、人類基因組計劃真核生物基因組與原核生物基因組有何主要區(qū)別？以圖解說明真核細胞編碼蛋白質(zhì)的基因的一般結(jié)構(gòu)。第一節(jié) 基因的概念一、基因概念的發(fā)展（一）基因概念的提出1、遺傳學(xué)的奠基人孟德爾（Gregor Johann Mendel 18221884），在布爾諾的奧古斯丁教派修道院的菜園里，揮灑了8年的汗水，于1865年2月在奧地利自然科學(xué)學(xué)會會議上報告了自己植物雜交研究結(jié)果，第二年在奧地利自然科學(xué)學(xué)會年刊上發(fā)表了著名的植物雜交試驗的論文。文中指出，生物每一個性狀都是通過遺傳因子來傳遞的，遺傳因子是一些獨立的遺傳單位。這樣把可觀察的遺

2、傳性狀和控制它的內(nèi)在的遺傳因子區(qū)分開來了，遺傳因子作為基因的雛形名詞誕生了?？梢哉f，遺傳因子實際上是孟德爾根據(jù)其實驗結(jié)果所虛擬假想的某種東西，從那時起遺傳學(xué)家踏上了尋找基因?qū)嶓w的艱難歷程。1903年薩頓（W.S. Sutton 18771916）和鮑維里（T.Boveri 18621915）兩人注意到在雜交試驗中遺傳因子的行為與減數(shù)分裂和受精中染色體的行為非常吻合，他們作出“遺傳因子位于染色體上”的“薩頓鮑維里假想”。這種假想可以很好地解釋孟德爾的兩大規(guī)律，在以后的科學(xué)實驗中也得到了證實，即被稱為遺傳的染色體理論。1909年丹麥遺傳學(xué)家約翰遜（W.Johansen 18591927）在精密遺傳

3、學(xué)原理一書中提出“基因”概念，以此來替代孟德爾假定的“遺傳因子”。從此，“基因”一詞一直伴隨著遺傳學(xué)發(fā)展至今。（二）基因結(jié)構(gòu)和功能的探索摩爾根（Thoman Hunt Morgan 18661945）和他的學(xué)生們利用果蠅作了大量的潛心研究。1926年他的巨著基因論出版，從而建立了著名的基因?qū)W說，他還繪制了著名的果蠅基因位置圖，首次完成了當時最新的基因概念的描述，即基因以直線形式排列，它決定著一個特定的性狀，而且能發(fā)生突變并隨著染色體同源節(jié)段的互換而交換，它不僅是決定性狀的功能單位，而且是一個突變單位和交換單位。至此，人們對基因概念的理解更加具體和豐富了。但基因到底是何物?其物質(zhì)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成怎

4、樣?它是怎樣決定遺傳性狀的?當時一無所知。 自從1900年孟德爾定律重新發(fā)現(xiàn)后，“基因怎樣控制性狀”的問題引起了許多遺傳學(xué)家的濃厚興趣。經(jīng)過他們孜孜以求的努力，又出現(xiàn)了一批重要成果。如1941年比德爾（G.W. Beadle 1903）和塔特姆（E.L. Tatum 19091975）提出一個基因一個酶學(xué)說，證明基因通過它所控制的酶決定著代謝中生化反應(yīng)步驟，進而決定生物性狀。1949年鮑林（1901）與合作者在研究鐮刀型細胞貧血癥時推論基因決定著多肽鏈的氨基酸順序，這樣20世紀40年代末至20世紀50年代初，基因是通過控制合成特定蛋白質(zhì)以控制代謝決定性狀原理變得清晰起來。 1944年艾弗里（O

5、.T. Avery 18771955）、麥卡蒂（M.McCarty 1911）等人發(fā)表了關(guān)于“轉(zhuǎn)化因子”的重要論文，首次用實驗明確證實：DNA是遺傳信息的載體。1952年赫爾希（A.D. Hershey）和蔡斯（M.M. Chase 1927）進一步證明遺傳物質(zhì)是DNA而不是蛋白質(zhì)。1953年美國分子生物學(xué)家沃森（J.D. Watson）和英國分子生物學(xué)家克里克（F.H.C. Crick）通力協(xié)作，根據(jù)X射線衍射分析，提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，進一步說明基因成分就是DNA，它控制著蛋白質(zhì)合成。 1957年法國遺傳學(xué)家本滋爾（Benzer）以T4噬菌體作為研究材料分析了基因內(nèi)部的精細結(jié)構(gòu)

6、，提出了順反子學(xué)說。這個學(xué)說打破了過去關(guān)于基因是突變、重組、決定遺傳性狀的“三位一體”概念及基因是最小的不可分割的遺傳單位的觀點，從而認為基因為DNA分子上一段核苷酸順序，負責著遺傳信息傳遞，一個基因內(nèi)部仍可劃分若干個起作用的小單位，即可區(qū)分成順反子、突變子和重組子。一個作用子通常決定一種多肽鏈合成，一個基因包含一個或幾個作用子。突變子指基因內(nèi)突變的最小單位，而重組子為最小的重組合單位，只包含一對核苷酸。所有這些均是基因概念的偉大突破。 關(guān)于基因的本質(zhì)確定后，人們又把研究視線轉(zhuǎn)移到基因傳遞遺傳信息的過程上。在20世紀50年代初人們已懂得基因與蛋白質(zhì)間似乎存在著相應(yīng)的聯(lián)系，但基因中信息怎樣傳遞到

7、蛋白質(zhì)上這一基因功能的關(guān)鍵課題在20世紀60年代至20世紀70年代才得以解決。從1961年開始，尼倫伯格（M.W. Nirenberg）和科拉納（H.G. Khorana）等人逐步搞清了基因以核苷酸三聯(lián)體為一組編碼氨基酸，并在1967年破譯了全部64個遺傳密碼，這樣把核酸密碼和蛋白質(zhì)合成聯(lián)系起來。然后，沃森和克里克等人提出的“中心法則”更加明確地揭示了生命活動的基本過程。1970年特明（H.M. Temin）以在勞斯肉瘤病毒內(nèi)發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶這一成就進一步發(fā)展和完善了“中心法則”，至此，遺傳信息傳遞的過程已較清晰地展示在人們的眼前。 過去人們對基因的功能理解是單一的即作為蛋白質(zhì)合成的模板。但是19

8、61年法國雅各布（F. Jacob）和莫諾（J.L. Monod）的研究成果，又大大擴大了人們關(guān)于基因功能的視野。他們在研究大腸桿菌乳糖代謝的調(diào)節(jié)機制中發(fā)現(xiàn)了有些基因不起合成蛋白質(zhì)模板作用，只起調(diào)節(jié)或操縱作用，提出了操縱子學(xué)說。從此根據(jù)基因功能把基因分為結(jié)構(gòu)基因、調(diào)節(jié)基因和操縱基因。 （三）基因概念的進一步發(fā)展70年代后，基因的概念隨著多學(xué)科滲透和實驗手段日新月異又有突飛猛進的發(fā)展，主要有以下幾個方面。1、基因具重疊性。1977年桑格（F. Sanger）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，根據(jù)大量研究事實繪制了共含有5375個核苷酸的X174噬菌體DNA堿基順序圖，第一次揭示了遺傳的一種經(jīng)濟而巧妙的編排B和E基

9、因核苷酸順序分別與A和D基因的核苷酸順序的一部分互相重疊。當然它們各有一套讀碼結(jié)構(gòu)，且基因末端密碼也有重疊現(xiàn)象（A基因終止密碼子TGA和C基因起始密碼子ATG重疊2個核苷酸；D基因的終止密碼子TAA與J基因起始密碼子ATG互相重疊1個核苷酸，順序為TAATG）2、內(nèi)含子和外顯子。人們在研究小雞卵清蛋白基因時發(fā)現(xiàn)其轉(zhuǎn)錄形成的mRNA只有該基因長度的1/4，其原因是基因中一些間隔序列的轉(zhuǎn)錄物在RNA成熟過程中被切除了。這些間隔序列叫內(nèi)含子，基因中另一些被轉(zhuǎn)錄形成RNA的序列叫外顯子。小雞的卵清蛋白基因中至少含7個內(nèi)含子。因而從基因轉(zhuǎn)錄效果看，基因由外顯子和內(nèi)含子構(gòu)成。3、管家基因和奢侈基因。具有相

10、同遺傳信息的同一個體細胞間其所利用的基因并不相同，有的基因活動是維持細胞基本代謝所必須的，而有的基因則在一些分化細胞中活動，這正是細胞分化、生物發(fā)育的基礎(chǔ)。前者稱為管家基因，而后者被稱為奢侈基因。4、基因的游動性。早在20世紀40年代美國遺傳學(xué)家麥克林托克（）在玉米研究中發(fā)現(xiàn)“轉(zhuǎn)座因子”，直至1980年夏皮羅（）等人證實了可移位的遺傳基因存在，說明某些基因具有游動性。為此，這位“玉米夫人”榮獲了1983年度諾貝爾獎。所有這些成果無疑給基因概念中注入鮮活科學(xué)的內(nèi)容，幫助人們揭開層層面紗去更加全面了解基因的真面目。時代在發(fā)展，科學(xué)在進步，基因概念的深入發(fā)展，必將對人類的文明進步產(chǎn)生強大的推動作用。

11、 二、基因的定義基因 (gene) DNA分子上有遺傳效應(yīng)的片段。（分子水平） 轉(zhuǎn)錄效應(yīng) 轉(zhuǎn)錄基因遺傳效應(yīng)： 非轉(zhuǎn)錄效應(yīng) 操縱基因轉(zhuǎn)錄基因有4種：1）mRNA基因：產(chǎn)物為mRNA，能夠翻譯出細胞重要的結(jié)構(gòu)和功能蛋白，又叫結(jié)構(gòu)基因；2）tRNAr基因：產(chǎn)物為tRNA，不能翻譯為蛋白質(zhì)，在合成蛋白質(zhì)過程中起作用3）RNA基因：產(chǎn)物為rRNA，同上4）調(diào)節(jié)基因：也能通過轉(zhuǎn)錄和翻譯產(chǎn)出蛋白質(zhì)，但是這些蛋白作為反式作用因子，對基因的轉(zhuǎn)錄起調(diào)節(jié)作用，故稱調(diào)節(jié)基因操縱基因包括（不轉(zhuǎn)錄，無產(chǎn)物）1）啟動基因：RNA轉(zhuǎn)錄酶識別、結(jié)合的位點（特定的序列、間距）；2）操縱基因：阻遏蛋白結(jié)合的序列。他們雖然不能轉(zhuǎn)錄，

12、但其上特定的序列如果改變，結(jié)構(gòu)基因的表達就會受影響，整個基因的活性就會改變，因此他們也有遺傳效應(yīng)。真核基因與原核基因的策略不同：一、原核細胞的基因結(jié)構(gòu)非編碼區(qū)非編碼區(qū)編碼區(qū)編碼區(qū)上游 編碼區(qū)下游 與RNA聚酶結(jié)合位點啟動子終止子RNA聚合酶能夠識別調(diào)控序列中的結(jié)合位點，并與其結(jié)合。轉(zhuǎn)錄開始后，RNA聚合酶沿DNA分子移動，并與DNA分子的一條鏈為模板合成RNA。轉(zhuǎn)錄完畢后，RNA鏈釋放出來，緊接著RNA聚合酶也從DNA模板鏈上脫落下來。接能夠轉(zhuǎn)錄為相應(yīng)的信使RNA，進而指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，也就是說能夠編碼蛋白質(zhì) 不能轉(zhuǎn)錄為信使RNA，不能編碼蛋白質(zhì) 非編碼區(qū)編碼區(qū)二、真核細胞的基因結(jié)構(gòu)編碼區(qū)非編

13、碼區(qū)非編碼區(qū)與RNA聚酶結(jié)合位點內(nèi)含子 外顯子 能夠編碼蛋白質(zhì)的序列叫做外顯子 不能夠編碼蛋白質(zhì)的序列叫做內(nèi)含子，內(nèi)含子能轉(zhuǎn)錄為信使RNA 啟動子終止子編碼區(qū)上游 編碼區(qū)上游 內(nèi)含子 外顯子 一個典型的真核基因編碼序列：外顯子(exon)插入外顯子之間的非編碼序列：內(nèi)合子(intron)5-端和3-端非翻譯區(qū)(UTR) 調(diào)控序列(可位于上述三種序列中) 真核生物中編碼蛋白質(zhì)的基因通常是間斷的、不連續(xù)的，由于轉(zhuǎn)錄時內(nèi)含子和外顯子是一起轉(zhuǎn)錄的，因而轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的信使RNA必須經(jīng)過加工，將內(nèi)含子轉(zhuǎn)錄部分剪切掉，將外顯子轉(zhuǎn)錄部分拼接起來，才能成為有功能的成熟的信使RNA。而原核生物的基因由于不含有外顯子和

14、內(nèi)含子，因此，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的信使RNA不需要剪切、拼接等加工過程。 原核生物沒有內(nèi)含子，DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄相對較容易也比較簡單，調(diào)控幾乎完全由基因上游的RNA聚合酶結(jié)合位點控制； 而真核生物由于內(nèi)含子的存在，有了“可變剪接”的可能，內(nèi)含子也可以調(diào)控部分DNA合成的問題，比如針對環(huán)境變化調(diào)整轉(zhuǎn)錄出的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、組成等； 另外，真核原核生物的核糖體也是不一樣的，其中蛋白質(zhì)和核糖體RNA都有顯著的區(qū)別。原核生物在擬核區(qū)發(fā)生轉(zhuǎn)錄，而真核生物則在細胞核內(nèi)。 第二節(jié) 原核生物基因組原核的基本特征：核質(zhì)與細胞質(zhì)之間無核膜因而無成形的細胞核（擬核或類核）核膜對信息傳遞的影響：轉(zhuǎn)錄、翻譯幾乎同步，調(diào)控粗放，容易出錯

15、真核特點 一、原核基因組的特點：1、基因組小2、利用率高，表現(xiàn)：1）、全是編碼基因，極少數(shù)不轉(zhuǎn)錄；2）、基因重疊3）、連續(xù)3、操縱子結(jié)構(gòu)一、細菌基因組的特點1、類型：1）細胞的染色體、基因組；2）質(zhì)粒DNA：獨立于染色體外的能自主復(fù)制的共價環(huán)狀雙鏈DNA。2、特點： 1）細菌DNA通常僅由一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成 大部分為編碼序列。 2）結(jié)構(gòu)基因中沒有內(nèi)含子，也無重疊現(xiàn)象。 3）具有操縱子結(jié)構(gòu)。Bacterial DNA is a compact nucleoid細菌遺傳物質(zhì)表現(xiàn)為相當致密的小塊（擬核：nucleoid)，或一串小塊占細胞體的1/3，但沒出現(xiàn)真核生物細胞染色體形態(tài)特征Bact

16、erial DNA is tightly coiled thread 大腸桿菌（）的擬核在菌體破碎后以環(huán)狀纖維的形式被釋放出來。但沒有伸展為游離雙鏈體。細菌的染色體基因組通常僅由一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成細菌的染色體相對聚集在一起，形成一個較為致密的區(qū)域，稱為類核（nucleoid），或核質(zhì)體結(jié)構(gòu)。核質(zhì)體由3050bpDNA組成環(huán)狀的結(jié)構(gòu)域，中央部分由RNA和支架蛋白組成，外圍是雙鏈閉環(huán)的DNA超螺旋。 細菌基因組共同結(jié)構(gòu)特征：擬核有約100個這樣獨立的負超螺旋結(jié)構(gòu)域。每個結(jié)構(gòu)域是一個DNA環(huán)（40 kb)，其兩端以某種（未知的）方法固定住，使旋轉(zhuǎn)不會從一個結(jié)構(gòu)域波及另一個結(jié)構(gòu)域。細菌擬核（n

17、ucleoid ）的突環(huán)結(jié)構(gòu)RNA-蛋白質(zhì)核心突環(huán)由雙鏈DNA結(jié)合堿性蛋白質(zhì)組成平均一個突環(huán)含有約40 kbDNA二、病毒基因組的特點 1每種病毒核酸只有一種，或者DNA，或者RNA； 2病毒核酸大小差別很大，3 kb300kb； 3大部分病毒核酸是由一條雙鏈或單鏈分子(RNA或DNA)，僅少數(shù)RNA病毒由幾個核酸片段組成 4具有操縱子的結(jié)構(gòu)，具有重疊基因的結(jié)構(gòu) 5除逆病毒外，所有病毒基因都是單拷貝的。噬菌體基因組噬菌體：是感染細菌、真菌、放線菌或螺旋體等微生物的細菌病毒的總稱 。1、特點：1）組成2）寄生3）基因組：編碼蛋白2、侵染細菌頭部頸圈尾部基板尾絲尖釘T4噬菌體的結(jié)構(gòu)3、噬菌體的發(fā)育

18、4、重疊基因：是指兩個或兩個以上的基因共有一段DNA序列，或是指一段DNA序列成為兩個或兩個以上基因的組成部分。重疊基因有多種重疊方式。例如，大基因內(nèi)包含小基因；前后兩個基因首尾重疊一個或兩個核苷酸；幾個基因的重疊，幾個基因有一段核苷酸序列重疊在一起，等等。重疊基因中不僅有編碼序列也有調(diào)控序列，說明基因的重疊不僅是為了節(jié)約堿基，能經(jīng)濟和有效地利用DNA遺傳信息量，更重要的可能是參與對基因的調(diào)控。 這是英國劍橋分子生物學(xué)家Sanger（1978）分析了X174DNA全序列后，發(fā)現(xiàn)它只有5386個核苷酸卻組成了9個基因，而這9個基因編碼了2000個氨基酸，按三聯(lián)體密碼子的原則應(yīng)有6000個核苷酸，

19、而實際數(shù)和理論數(shù)卻相差614個核苷酸，這是什么原因呢？還是Sanger實驗室的Barrell等發(fā)現(xiàn)X174基因組中有些密碼是重讀的，也就是重疊密碼，從而形成重疊基因 重疊：B在A中，B序列為A、B、K共享，E在D中第三節(jié) 真核生物基因組一、真核生物基因組的特點： 1. 基因組分布在多個染色體上。 2. 基因組遠遠大于原核生物的基因組，具有多 復(fù)制起點。 3. 轉(zhuǎn)錄后前體RNA必須經(jīng)過剪接過程才能形成成熟的mRNA 4. 大部分基因含有內(nèi)含子，因此，基因是不連 續(xù)的（斷裂基因）。5. 真核細胞基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子。一個結(jié)構(gòu)基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄和翻譯生成一個mRNA分子和一條多肽鏈。6. 單一序列為主，

20、存在大量重復(fù)序列。二、 真核生物基因組的包裝DNA 核小體染色質(zhì)染色體 2.3.1 核小體的概念核小體(nucleosome)：染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)亞基，由約200 bp的DNA和約等量的組蛋白所組成。當分裂間期的細胞核懸浮于低離子強度的溶液中時，它們膨脹破裂，釋放出染色質(zhì)纖維（電鏡圖）染色質(zhì)是一串核小體用微球菌核酸酶處理染色質(zhì)可以釋放出單個核小體2.3.2 核小體的結(jié)構(gòu)組成每個核小體含有約200bp的DNA，核心組蛋白H2A、H2B、H3和H4各2份拷貝，1份拷貝的H1組蛋白位于核小體外側(cè)。微球菌核酸酶(micrococcal nuclease)處理染色體可得到單個核小體。組蛋白與DNA的結(jié)合核

21、小體 核小體的結(jié)構(gòu)2.3.4 真核生物染色體DNA組裝不同層次的結(jié)構(gòu)DNA （2nm）核小體鏈（ 10nm，每個核小體200bp）纖絲（ 30nm，每圈6個核小體）突環(huán)（ 150nm，每個突環(huán)大約75000bp）玫瑰花結(jié)（ 300nm ，6個突環(huán)）螺旋圈（ 700nm，每圈30個玫瑰花結(jié)）染色體（ 1400nm，2個染色單體， 每個染色體單體含10個螺旋圈）電鏡下的人X染色體和Y染色體從染色體的一級結(jié)構(gòu)到四級結(jié)構(gòu)，DNA分子一共被壓縮了76405=8400倍。例如，人的染色體中DNA分子伸展開來的長度平均約為幾個厘米，而染色體被壓縮到只有幾微米長。 從DNA到染色體10nm纖維30nm纖維螺線

22、管結(jié)構(gòu)染色質(zhì)(chromatin)：是指細胞周期間期細胞核內(nèi)由DNA、組蛋白、非組蛋白和少量RNA組成的一種纖維狀結(jié)構(gòu)，因其易被堿性染料染色而得名。染色體(chromosome)：是指在細胞分裂期出現(xiàn)的一種能被堿性染料強烈染色，并具有一定形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征的物體。 攜帶很多基因的分離單位。只有在細胞分裂中才可見的形態(tài)單位。（二）染色體與染色質(zhì)從細胞到分子的再認識脫氧核糖和磷酸基通過3，5磷酸二酯鍵連接形成螺旋鏈的骨架。堿基處于螺旋的內(nèi)側(cè)Helical turn: 10 base pairs/turn 34 Ao/turn C值1、在每一種生物中其單倍體基因組的DNA總量是特異的，被稱為C值（CVa

23、lue）2、每個物種C值相對恒定，不同物種C值差異極大。相對比較簡單的單細胞真核生物象啤酒酵母，其基因組就有1.75107bp大約是細菌基因組的3-4倍。最簡單的多細胞生物隱桿線蟲其基因組有8107bp，大約是酵母的4倍。看來生物的復(fù)雜性和其DNA含量之間有較好的相關(guān) C值 (C-Value)3、高等生物具有比低等生物更復(fù)雜的生命活動，所以，理論上應(yīng)該是它們的C值也應(yīng)該更高。但是事實上C值沒有體現(xiàn)出與物種進化程度相關(guān)的趨勢。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。這種C值和生物結(jié)構(gòu)或組成的復(fù)雜性不一致的現(xiàn)象稱為C值悖論(C-valueparadox) 。兩棲鯢C值遠大于人；豌豆

24、和蠶豆的C值相差7倍 二、真核基因組DNA序列的分類(一)高度重復(fù)序列（重復(fù)次數(shù)lO6） 約占10-60，在人基因組中約占20 1. 衛(wèi)星DNA (Satellite DNA) 2. 反相重復(fù)DNA： 回文結(jié)構(gòu)： GGTACC CCATGG 常見于基因的調(diào)控區(qū)和特異蛋白結(jié)合區(qū)。衛(wèi)星DNA：將真核DNA切成小的片段，用CsCl進行密度梯度離心，檢測各組分在260nm紫外吸收值：主峰； 小峰（衛(wèi)星帶）衛(wèi)星DNA (Satellite DNA) (二)中度重復(fù)序列 1中度重復(fù)序列的特點 重復(fù)單位序列相似，但不完全一樣， 散在分布于基因組中 序列的長度和拷貝數(shù)非常不均一， 中度重復(fù)序列一般具有種屬特異

25、性，可作為DNA標記 中度重復(fù)序列可能是轉(zhuǎn)座元件。 2中度重復(fù)序列的分類 long interspersed repeated segments，LINES，長散在重復(fù)序列 長度1000bp(可達7Kb)，拷貝數(shù)104-105，如人LINES Short interspersed repeated segments， SINES，短散在重復(fù)序列 長度105如人Alu序列三、基因家族(gene family)在真核細胞中許多相關(guān)的基因常按功能成套組合，被稱為基因家族（gene family）。同一家族中的成員有時緊密的排列在一起，成為一個基因簇；更多的時候，它們卻分散在同一染色體的不同部位，甚至

26、位于不同染色體上，具有各自不同的表達調(diào)控 真核基因組的特點之一就是存在多基因家族多基因家族大致可分為兩類：一類是基因家族成簇地分布在某一條染色體上，它們可同時發(fā)揮作用，合成某些蛋白質(zhì)，如組蛋白基因家族就成簇地集中在第7號染色體長臂3區(qū)2帶到3區(qū)6帶區(qū)域內(nèi)；另一類是一個基因家族的不同成員成簇地分布不同染色體上，這些不同成員編碼一組功能上緊密相關(guān)的蛋白質(zhì)，如珠蛋白基因家族。 基因家族的特點： 基因家族的成員可以串聯(lián)排列在一起，形成基因簇(gene cluster)或串聯(lián)重復(fù)基因，如rRNA、tRNA和組蛋白的基因；有些基因家族的成員也可位于不同的染色體上，如珠蛋白基因；有些成員不產(chǎn)生有功能的基因產(chǎn)

27、物，這種基因稱為假基因 (Pseudogene) a1表示與a1相似的假基因基因家族分類編碼RNA的:rRNA 、tRNA、 snRNA等；編碼蛋白質(zhì)的:組蛋白基因 珠蛋白基因 生長激素rRNA 基因l00copyrRNA基因簇(重復(fù)單元18S - 5.8S - 28S RNA）在真核生物基因組中18S和28S以及是在同一轉(zhuǎn)錄單位中1 、rRNA基因編碼構(gòu)成核糖體的RNA成分，在原核中有三類，按大小分為（5SrRNA、16S、23SrRNA），在真核中有四類（18S，28S，5SrRNA）2：rRNA基因具有多個拷貝；如在原核生物如大腸桿菌基因組中，rRNA基因一共是七套；在真核生物中rRNA

28、基因的重復(fù)次數(shù)更多。 3：rRNA基因的排布具有成簇的特征；這種成簇有兩個層次： 第一個層次：在真核生物基因組中18S和28S以及是在同一轉(zhuǎn)錄單位中，5SrRNA是單獨轉(zhuǎn)錄的;低等的真核生物如酵母中，5SrRNA也和16S,23SrRNA在同一轉(zhuǎn)錄單位中； 第二個層次：在真核中，rRNA的轉(zhuǎn)錄單位成簇排列，把這樣的區(qū)域稱為rDNA，如染色體的核仁組織區(qū)即為rDNA區(qū)。 珠蛋白基因胚胎胎兒成年血紅蛋白含2個和2個鏈，分別由鏈珠蛋白基因和鏈珠蛋白基因的信息而形成。哺乳動物的鏈基因和鏈基因在結(jié)構(gòu)上相似，都是由2個內(nèi)含子而分為3個外顯子部分。鏈基因和鏈基因的內(nèi)含子1的長度約為120個堿基對，而對內(nèi)含子

29、2，鏈很長（例如人的鏈基因之一的2，內(nèi)含子2含140個堿基對，而鏈基因含849個堿基對）。珠蛋白基因在哺乳類是數(shù)次重復(fù)的結(jié)構(gòu)，形成一種多重基因群。例如人的擬鏈珠蛋白基因，在整個65000個堿基對程度的長度上，從5末端按順序連鎖地存在2、Gy、A、1、和7個基因。其中在胚期表達，在胎兒期表達，和在成年時表達，在量上極少。2和1為假基因狀態(tài)，無表達。而人的擬鏈珠蛋白基因，最少有、1、1、2 4個，在胎兒時期表達。1及2在成年時期表達。1為假基因。有證據(jù)說明這些重復(fù)結(jié)構(gòu)基因是同時進化的。（參見多重基因群）。在哺乳動物以外的動物，例如對非洲瓜蛙珠蛋白基因有所了解，據(jù)報道其鏈和鏈的基因在同一染色體上是相

30、鄰存在的。 斷裂基因一、外顯子與內(nèi)含子1、基本概念斷裂基因：一個基因往往由幾個互不相鄰的段落組成，它們內(nèi)部被長達數(shù)百個乃至上千個核苷酸對的間隔序列所隔開。外顯子：將DNA序列中被轉(zhuǎn)錄成為mRNA的片段稱為外顯子（exon或extron）。內(nèi)含子：而在成熟mRNA上未反應(yīng)出的DNA區(qū)段稱為內(nèi)含子（intron）。 2、斷裂基因的結(jié)構(gòu)自從1977年開始在猴類病毒SV40和腺病毒（adenovirus）中發(fā)現(xiàn)斷裂基因以后，目前在珠蛋白基因、卵清蛋白基因、免疫球蛋白基因、tRNA基因、rRNA基因均是具有這種間隔順序的斷裂基因。 在一個DNA片段中，往往由數(shù)個外顯子和內(nèi)含子組成，在轉(zhuǎn)錄時，外顯子轉(zhuǎn)錄成

31、為mRNA，而內(nèi)含子不進行轉(zhuǎn)錄。例如卵清蛋白基因含有7個內(nèi)含子，從而將基因分隔為7個外顯子，此外還有一個前導(dǎo)序列（圖4-8）。Gilbert認為基因是由被表達的外顯子鑲嵌在沉默的內(nèi)含子中的一種嵌合體，而且內(nèi)含子的核苷酸數(shù)量可比外顯子多510倍。高等真核生物的基因多數(shù)都有內(nèi)含子，只有少數(shù)基因沒有內(nèi)含子。原核生物的基因一般沒有內(nèi)含子。二、斷裂基因的意義有利于儲存較多的信息，增加信息量：一般說，一個基因只轉(zhuǎn)錄出一種mRNA，但是一些斷裂基因以不同的剪接方式可以產(chǎn)生兩種以至多種mRNA，于是編碼不同功能的多肽。有利于變異和進化：雖然單個堿基的改變有時可以引起氨基酸的變更而造成蛋白質(zhì)的變化，但是很難產(chǎn)生

32、重大改變而形成新的蛋白質(zhì)。更何況如這些單個堿基突變發(fā)生在密碼子第三位上往往是沉默的，于是大大地降低了突變的效應(yīng)。而在斷裂基因中如果突變發(fā)生在內(nèi)含子與外顯子結(jié)合部位，那么就會造成剪接方式的改變，結(jié)果使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生大幅度的變化，從而加速進化。增加重組機率：內(nèi)含子有可能不斷地增減造成新的剪接方式，一方面形成新的基因，另一方面在剪接過程中無疑地會增加重組頻率；同時在斷裂基因中，由于內(nèi)含子的存在，基因長度增加，于是也增加了重組頻率?？赡苁腔蛘{(diào)控裝置：內(nèi)含子可能在基因表達中有一定的調(diào)控作用，在基因轉(zhuǎn)錄水平上以及在合成了mRNA以后的加工過程中起著調(diào)控基因表達的作用。第四節(jié) 人類基因組計劃 人類基因組計

33、劃(human genome project, HGP)是由美國科學(xué)家于1985年率先提出，于1990年正式啟動的。美國、英國、法蘭西共和國、德意志聯(lián)邦共和國、日本和我國科學(xué)家共同參與了這一預(yù)算達30億美元的人類基因組計劃。按照這個計劃的設(shè)想，在2005年，要把人體內(nèi)約10萬個基因的密碼全部解開，同時繪制出人類基因的譜圖。換句話說，就是要揭開組成人體4萬個基因的30億個堿基對的秘密。人類基因組計劃與曼哈頓原子彈計劃和阿波羅計劃并稱為三大科學(xué)計劃。 為什么選擇人類的基因組進行研究？因為人類是在“進化”歷程上最高級的生物，對它的研究有助于認識自身、掌握生老病死規(guī)律、疾病的診斷和治療、了解生命的起源

34、。 測出人類基因組DNA的30億個堿基對的序列，發(fā)現(xiàn)所有人類基因，找出它們在染色體上的位置，破譯人類全部遺傳信息。 在人類基因組計劃中，還包括對五種生物基因組的研究：大腸桿菌、酵母、線蟲、果蠅和小鼠，稱之為人類的五種“模式生物”。 HGP的目的是解碼生命、了解生命的起源、了解生命體生長發(fā)育的規(guī)律、認識種屬之間和個體之間存在差異的起因、認識疾病產(chǎn)生的機制以及長壽與衰老等生命現(xiàn)象、為疾病的診治提供科學(xué)依據(jù)。 二十世紀的三大計劃ManhatonApolloHGP癌癥研究的轉(zhuǎn)折點-人類基因組的全序列分析Dulbecco R Science 1986 回顧了70年代以來癌癥研究的進展，使人們認識到包括癌

35、癥在人類疾病的發(fā)生，都與基因直接、間接有關(guān)；同時指出，要么仍處在零打碎敲的方法研究，要么從整體上研究和分析整個人類基因組及其序列。這一計劃的意義，可以與征服宇宙的計劃媲美。這樣的工作是任何一個實驗室難以單獨承擔的項目。這個世界所發(fā)生的一切事情，都與這一人類的DNA序列息息相關(guān)HGP的研究內(nèi)容總體目標：15年內(nèi)投入30億美元，完成人類24條染色體的30億個核苷酸序列分析主要內(nèi)容： 1. 基因組制圖（遺傳圖譜、物理圖譜、序列圖譜、基因圖譜） 2. 基因的定位與分析 3. 基因組研究技術(shù)的建立、改進 4. 模式生物基因組的圖譜繪制及測序 5. 相關(guān)課題的研究人類基因組計劃大事記1986年 Dulbe

36、cco 在“Science”首次提出1990年 國際人類基因組計劃正式啟動1996年 真核生物酵母(15Mb)1997年 大腸桿菌(4,653,831 bp，4283個基因)1997年底 線蟲（28Mb，19,000基因)1998年5月 celera公司宣布加入該計劃人類基因組計劃大事記1999年初 celera公司宣布完成果蠅（120Mb)的測序1999年9月 中國獲準加入該計劃，測1的基因組，也就是3號染色體上的30,000,000個鹼基對。1999年12月 國際人類基因組計劃聯(lián)合研究小組宣布完成對第22對染色體的測序，長度為3340萬堿基，編碼有545個基因和134個“假基因”，某些遺傳性疾病相關(guān)基因，如貓眼綜合征。表明用克隆技術(shù)可以完成一條完整染色體全長的測序人類基因組計劃大事記2000年4月中國科學(xué)家按照國