基因與基因組結(jié)構(gòu)

基因與基因組結(jié)構(gòu)第1頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)容第一節(jié)

基因和基因組

第二節(jié)病毒和原核生物的基因特點

第三節(jié)真核基因特點和基因組結(jié)構(gòu)第四節(jié)細胞器基因組第五節(jié)癌基因和藥物基因組第2頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)

基因和基因組

一、基因1、基因的概念2、基因定義的演變3、基因的編碼鏈4、基因的閱讀框架5、基因的其他重要發(fā)現(xiàn)二、基因組第3頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月一、基因1、基因的概念是DNA分子上具有特定遺傳效應(yīng)的一段的核苷酸序列。1）遺傳效應(yīng)：

a可以產(chǎn)生蛋白質(zhì)產(chǎn)物或RNA產(chǎn)物（包括rRNA和tRNA）形成生理功能；

b或?qū)ζ渌蚣捌湫纬傻纳砉δ芷鹫{(diào)節(jié)效應(yīng)。2）核苷酸序列：主要指DNA，對于RNA病毒來說則指染色體RNA。

朊病毒？第4頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月2、基因定義的演變（1）第一步：一個基因控制一個性狀：1909年，約翰遜首次提出了基因（gene）的名詞，用來表示孟德爾在豌豆雜交試驗中所證實的遺傳因子（控制生物性狀）。1910年，美國遺傳學(xué)家摩爾根通過果蠅雜文實驗證明基因在染色體上呈線性排列，“基因是染色體上的遺傳功能單位”

。第5頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月基因定義的演變（2）第二步：“一個基因一種酶”1902，尿黑酸癥（alkaptonuria）：酪氨酸苯環(huán)斷裂。1941，比德爾（Beadle）和塔圖姆鏈孢霉（Neurospora）：營養(yǎng)缺陷型菌株。單倍體，藥用菌（洛氏等基金資金支持）比德爾（Beadle）第6頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月基因定義的演變（3）第三步：“一個順反子一條多肽鏈”到1957年，本澤爾（Bnezer）進一步提出的論斷。這比“一個基因一種酶”的假說更為準(zhǔn)確。1、多亞基蛋白（編碼基因不連續(xù)或不在同一條鏈上；一個基因編碼多個肽鏈）。2、基因可以再分（重組子，突變子）第7頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月

P杏紅眼♀X白眼♂

Wa+

+WWa+Y↓F1

杏紅♂X杏紅眼♀

Wa+

Wa+

Y+W↓?F2

杏紅眼杏紅杏紅白眼

紅眼

Wa+

Wa+

Wa+

W

+Wa++WYY

基因內(nèi)重組

++

WaW

配子（突變的機率大）++

++

WaW

WaW

Wa+

或

Y或Wa+Y比較：F1

杏紅♀基因型紅眼♀基因型

Wa+

反式WaW

順式

+W+

+→第8頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月第9頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月2、基因定義的演變（4）第四步：確定核酸是基因的物質(zhì)基礎(chǔ)肺炎鏈球菌1967年發(fā)表了全套的遺傳密碼表，確定生物的遺傳信息以核苷酸堿基（A，T，G，C）的不同排列貯存干DNA分子中形成基因。遺傳信息的以“DNA→RNA→蛋白質(zhì)”這種中心法則的方式表達。第五步：朊病毒？第10頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月3、基因的編碼鏈一個基因的DNA雙鏈中，只有一條鏈可以用做轉(zhuǎn)錄的模板。關(guān)于這兩條鏈的稱呼有點混亂。以前的文獻稱模板鏈為編碼或有意義鏈。非模板鏈為無意義鏈，近年來則反過來稱模板鏈為反意義鏈（因其堿基序列與mRNA互補）．而非模板鏈為有意義鏈（因其堿基序列與mRNA相同，遺傳基因密碼和密碼子一般是指mRNA中的堿基序列，有時也指DNA中編碼鏈的堿基序列）。第11頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月4、基因的閱讀框架DNA——蛋白質(zhì)（翻譯過程的需要讀碼）閱讀mRNA是以密碼子為單位，連續(xù)閱讀。即每個核苷酸三聯(lián)體密碼子之間沒有空格。這樣任何核苷酸序列都可能以三種方式分成不同的密碼子，也就是說有三種讀框。對于DNA兩條鏈?zhǔn)橇N。第12頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月開放閱讀框一個基因組由兩部分組成的：1、實驗證明確有蛋白質(zhì)產(chǎn)物的真實基因2、根據(jù)起始密碼和終止密碼序列所確定的潛在基因。生物學(xué)家們把這兩類基因都稱為“開放閱讀框”(openreadingframe，ORF)——讀通的基因組。第13頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月ORF識別類似于波譜解析。ORF識別包括檢測這六個閱讀框架并決定哪一個包含以啟動子和終止子為界限的DNA序列而其內(nèi)部不包含啟動子或密碼子，符合這些條件的序列有可能對應(yīng)一個真正的單一的基因產(chǎn)物。ORF的識別是證明一個新的DNA序列為特定的蛋白質(zhì)編碼基因的部分或全部的先決條件。第14頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月5、基因的其他重要發(fā)現(xiàn)1．重疊基因

2．?dāng)嗔鸦?/p>

3．移動基因

4．多個基因編碼一條多肽鏈

5．隱蔽基因

6．不編碼蛋白質(zhì)的基因

第15頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月1．重疊基因重疊基因就是同一段DNA序列可以編碼兩個以上的蛋白序列。ΦX174是一種單鏈DNA病毒，宿主為大腸桿菌，是噬菌體。重疊基因有以下幾種情況：（1）一個基因完全在另一個基因里。如：Ａ和Ｂ，Ｅ和Ｄ。（2）部分重疊。Ｋ和Ａ及Ｃ。（3）兩個基因只有一個堿基重疊。Ｄ的最后一個堿基是Ｊ的第一個堿基。第16頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月2．?dāng)嗔鸦虻?7頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月3．移動基因玉米的染色體中發(fā)現(xiàn)了可以改變自身位置的基因，稱之為“解離因子”。當(dāng)它移動到新的位置以后，可以引起染色體斷裂，使玉米籽粒出現(xiàn)色斑。細菌轉(zhuǎn)座子。轉(zhuǎn)座子除了含有與改變自身位置有關(guān)的基因以外，還攜帶與插入功能無關(guān)的基因，如耐藥基因、毒素基因和代謝基因等。

第18頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月轉(zhuǎn)座子第19頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月4．多個基因編碼一條多肽鏈有些病毒可以由一段DNA序列轉(zhuǎn)錄出一條mRNA分子，然后翻譯出一條多肽鏈，最后這條多肽鏈被切割成多個有生物功能的肽鏈。這種多個基因編碼一條多肽鏈的現(xiàn)象，不符合“一個基因決定一條多肽鏈”的普遍原則，使基因的定義更加復(fù)雜化。

第20頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月5．不編碼蛋白質(zhì)的基因一類是核糖體RNA簡稱rRNA，它是核糖體的組成部分。另一類是轉(zhuǎn)運RNA簡稱tRNA其功能是把氨基酸搬運到核糖體會成多肽鏈的位點上。

第21頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月二、基因組：生物體中，一套完整的遺傳物質(zhì)的總和稱為基因組（genome）。比如人類基因組包含22條常染色體和X、Y兩條性染色體上的全部遺傳物質(zhì)以及胞漿線粒體上的遺傳物質(zhì)。

第22頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月幾種生物基因組的比較第23頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)病毒、原核生物

基因組的結(jié)構(gòu)特點一、病毒基因組的結(jié)構(gòu)特點

二、原核生物：細菌染色體基因組結(jié)構(gòu)的特點

第24頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月一、病毒基因組的結(jié)構(gòu)特點（1）1.病毒的基因組很小。2.可以由DNA組成，也可以由RNA組成。3.多數(shù)RNA病毒的基因組是由連續(xù)的核糖核酸鏈組成，但也有些病毒的基因組RNA由幾條核酸鏈組成。4.噬菌體（細菌病毒）的基因是連續(xù)的；而真核細胞病毒的基因是不連續(xù)的，具有內(nèi)含子。第25頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月一、病毒基因組的結(jié)構(gòu)特點（2）5.病毒基因組的大部分是用來編碼蛋白質(zhì)的，只有非常小的一份不被翻譯（高效率）。6.功能上相關(guān)的蛋白質(zhì)的基因或rRNA的基因往往叢集在基因組的一個或幾個特定的部位,形成一個功能單位或轉(zhuǎn)錄單元。

7.除了反轉(zhuǎn)錄病毒以外，一切病毒基因組都是單倍體。8.基因重疊

第26頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月SARS-CoV單鏈（＋）RNA全長29,736bp第27頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月SARS-CoV基因組結(jié)構(gòu)有11個編碼序列（cds，coding

sequence），而其中的一個cds（putativeorf1abpolyprotein）與鼠類的肝炎病毒（murinehepatitisvirus）結(jié)構(gòu)類似。第28頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月二、原核生物：細菌染色體基因組結(jié)構(gòu)的一般特點（1）1.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）。2.具有操縱子結(jié)構(gòu)。3.單拷貝。4.和病毒的基因組相似，不編碼的DNA部份所占比例比真核細胞基因組少得多（高效）。

第29頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月二、原核生物：細菌染色體基因組結(jié)構(gòu)的一般特點（2）5.具有編碼同工酶的同基因（isogene）。6.不會出現(xiàn)基因重疊現(xiàn)象。7.在DNA分子中具有各種功能的識別區(qū)域如復(fù)制起始區(qū)OriC，復(fù)制終止區(qū)TerC,轉(zhuǎn)錄啟動區(qū)和終止區(qū)等。這些區(qū)域往往具有特殊的順序，并且含有反向重復(fù)順序。第30頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)

真核生物基因特點和基因組結(jié)構(gòu)

人類基因組特點人類基因組結(jié)構(gòu)第31頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月真核生物基因組特點1.基因組是雙拷貝。2.真核細胞基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子。一個結(jié)構(gòu)基因生成一個mRNA分子和一條多肽鏈。3.含有內(nèi)含子，基因是不連續(xù)的，基因組中不編碼的區(qū)域多于編碼區(qū)域（低效）。4.存在重復(fù)序列，重復(fù)次數(shù)可達百萬次以上。5.基因組遠遠大于原核生物的基因組。第32頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月基因組分類的依據(jù)：DNA退火實驗

把一種有機體的DNA打斷成平均長度約1000bp的片斷，并變性成單股DNA，再在適當(dāng)溫度和離子濃度條件下使單股DNA退火形成雙股DNA。

單股DNA退火合成雙股的速度卻相差很大。影響單股DNA退火程度的參數(shù)是它的初始濃度以及反應(yīng)時間。DNA的初始摩爾濃度（Co）與以秒計算的反應(yīng)時間（t）的乘積稱為Cot值。DNA組份復(fù)性一半時的Cot稱為Cot1/2。Cot1/2越低，說明其退火速度越高。

第33頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月基因組的分類1、高度重復(fù)序列的DNA：在哺乳動物基因組中，約10%-15%的DNA的Cot1/2小于等于0.01，短的寡聚核苷酸串聯(lián)重復(fù)而成的。2、中度重復(fù)序列的DNA：25-40%DNA以中等速率退火，Cot1/2在0.01～10范圍。3、稱為單拷貝DNA（低度重復(fù)順序）：50～60%DNA在Cot1/2100～10000范圍,。絕大多數(shù)編碼mRNA的基因包含于此。

第34頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月人體基因組結(jié)構(gòu)高度重復(fù)序列：反向重復(fù)序列，衛(wèi)星DNA，較復(fù)雜的重復(fù)單位組成的重復(fù)順序，高度重復(fù)序列的功能。中度重復(fù)順序：Alu家族，KpnⅠ家族，Hinf家族，rRNA基因，多聚dＴ－dＧ家族，組蛋白基因。單拷貝順序（低度重復(fù)順序）：多基因家族與假基因，自私DNA(selfishDNA)。第35頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月一、高度重復(fù)序列（簡單重復(fù)序列）（1）反向（倒位）重復(fù)序列

ATATATATCGCGCGBBBBCGCGCGATATATATATATATCGCGCGBBTATATATAGCGCGCBB

第36頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月高度重復(fù)序列（2）（2）衛(wèi)星DNA衛(wèi)星DNA(satelliteDNA)是另一類高度重復(fù)序列，這類重復(fù)順序的重復(fù)單位一般由2-10堿基組成，成串排列。由于這類序列的堿基組成不同于其他部份，可用等密度梯度離心法將其與主體DNA分開，因而稱為衛(wèi)星DNA或隨體DNA。（3）較復(fù)雜的重復(fù)單位組成的重復(fù)順序。第37頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月MouseDNAisseparatedintoamainbandandasatellitebycentrifugationthroughadensitygradientofCsCl.SatelliteDNAsoftenlieinheterochromatin第38頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月CytologicalhybridizationshowsthatmousesatelliteDNAislocatedatthecentromeres.第39頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月高度重復(fù)順序的功能（1）a.參與復(fù)制水平的調(diào)節(jié)反向序列常存在于DNA復(fù)制起點區(qū)的附近。是一些蛋白質(zhì)（包括酶）和DNA的結(jié)合位點。b.可以轉(zhuǎn)錄到核內(nèi)不均一RNA分子中，而有些反向重復(fù)順序可以形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，這對穩(wěn)定RNA分子，免遭分解有重要作用。c.參與轉(zhuǎn)位作用幾乎所有轉(zhuǎn)座子的末端都包括反向重復(fù)順序。由于這種順序可以形成回文結(jié)構(gòu)，因此在轉(zhuǎn)位作用中即能連接非同源的基因，又可以被參與轉(zhuǎn)位的特異酶所識別。第40頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月高度重復(fù)順序的功能（2）d.不同種屬的高度重復(fù)順序的核苷酸序列不同，具有種屬特異性，但相近種屬又有相似性（用于物種鑒別）。e.同一種屬中不同個體的高度重復(fù)順序的重復(fù)次數(shù)不一樣，這可以作為每一個體的特征，即DNA指紋（分子標(biāo)記）。f.

可能與染色體減數(shù)分裂時染色體配對有關(guān)，即同源染色體之間的聯(lián)會可能依賴于具有染色體專一性的特定衛(wèi)星DNA順序。第41頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月二、中度重復(fù)順序中度重復(fù)序列大致指在真核基因組中重復(fù)數(shù)十至數(shù)萬（<105）次的重復(fù)順序。其復(fù)性速度快于單拷貝順序，但慢于高度重復(fù)順序。少數(shù)在基因組中成串排列在一個區(qū)域，大多數(shù)與單拷貝基因間隔排列。第42頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月兩種類型中度重復(fù)順序依據(jù)重復(fù)順序的長度，可分為兩種類型：（1）短分散片段（shortinterspersedrepeatedsegments,SINES）:平均長度約為300bp（〈500bp），它們平均長度約為1000bp的單拷貝順序間隔排列。

（2）長分散片段（Longinterspersedrepeatedsegments,LINES）:平均長度為3500-5000bp，它們與平均長度為13000bp（個別長幾萬bp）的單拷貝順序間隔排列。第43頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月Alu家族Alu家族每個成員的長度約300bp，由于每個單位長度中有一個限制性內(nèi)切酶Alu的切點（AG↓CT）從而將其切成長130和170bp的兩段，因而定名為Alu序列（或Alu家族）。

Alu順序具有種的特異性，人的Alu順序制備的探針只能用于檢測人的基因組中的Alu序列。

第44頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月KpnⅠ家族：

Hinf家族：

多聚dＴ－dＧ家族：

第45頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月rRNA基因rRNA基因通常集中成簇存在，而不是分散于基因組中，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)。

第46頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月

第47頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月三、低度重復(fù)順序（單拷貝順序）

單拷貝順序在單倍體基因組中只出現(xiàn)一次或數(shù)次，因而復(fù)性速度很慢。單拷貝順序在基因組中占50-80％，如人基因組中，大約有60-65％的順序?qū)儆谶@一類。

第48頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月多基因家族與假基因多基因家族是指由某一祖先基因經(jīng)過重復(fù)和變異所產(chǎn)生的一組基因。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)；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。

在多基因家族中，某些成員并不產(chǎn)生有功能的基因產(chǎn)物，這些基因稱為假基因（pseudogene）或歧化基因。

第49頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月Eachofthea-likeandb-likeglobingenefamiliesisorganizedintoasingleclusterthatincludesfunctionalgenesandpseudogenes.第50頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月自私DNA(selfishDNA)在哺乳動物包括人體基因組中，存在著大量的非編碼順序，這些順序中，只有很小一部份具有重要的調(diào)節(jié)功能，絕大部部分都沒有什么特殊功用,對生物并沒有什么影響，它們的功能似乎只是自身復(fù)制，所以人們稱這類DNA為自私DNA或寄生DNA(parasiteDNA)。自私DNA也許有重要的功能，但目前我們還不了解。

第51頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月四、人類基因組人類基因組結(jié)構(gòu)龐大、復(fù)雜：基因組DNA總長度為3×109bp，3-4萬個基因分布在24條染色體上，非編碼區(qū)遠遠多于編碼區(qū)，占90%以上，結(jié)構(gòu)基因占3%，以單拷貝形式存在。第52頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月人類基因組作圖2000/6/27全世界各個國家同時宣布，人類基因組草圖