第三章 基因與基因組的結(jié)構(gòu)

第三章基因與基因組的結(jié)構(gòu)3.1基因的概念基因（gene）：核酸分子中儲存遺傳信息的遺傳單位。即儲存有功能的蛋白質(zhì)多肽鏈或RNA序列信息及表達這些信息所必需的全部核苷酸序列?；蜓芯康碾A段細(xì)胞染色體水平研究DNA大分子水平研究重組DNA技術(shù)研究基因的含義狹義：能產(chǎn)生一個特殊蛋白質(zhì)的DNA序列。廣義：一個基因應(yīng)該是一個轉(zhuǎn)錄單位，它包括轉(zhuǎn)錄的啟動子及其上游的其他調(diào)控區(qū)域、蛋白質(zhì)編碼區(qū)域和轉(zhuǎn)錄的終止序列等。3.1.1基因與DNA分子基因是DNA分子的功能單位，在染色體或DNA分子上，基因成串排列?；蚴沁z傳的單位，同時也是交換單位和突變單位。1955年Benzer提出順反子概念。即：一段能編碼一條完整多肽鏈的核苷酸片段?，F(xiàn)代生物學(xué)里面順反子和狹義的基因概念通用。3.1.2基因與多肽鏈基因的主要產(chǎn)物是多肽鏈，其他還包括許多編碼RNA的基因。20世紀(jì)中期“一種基因一種酶”20世紀(jì)末期密碼子是基因與蛋白質(zhì)的聯(lián)系3.2基因命名簡介三個小寫英文斜體表示基因名字lac加上大寫斜體字母表示基因座lacA正體書寫表示蛋白質(zhì)和表型lacA質(zhì)粒自然產(chǎn)生CoeEⅠ人工pUC18動物小寫字母sey人大寫字母MYC3.3真核生物的斷裂基因1977年Berget發(fā)現(xiàn)基因是不連續(xù)的斷裂基因：基因的編碼序列在DNA分子上不連續(xù)排列，被不編碼序列隔開。外顯子內(nèi)含子“自私”DNA：是指真核生物基因組中大量的非編碼序列，包括分散的高度重復(fù)序列、中度重復(fù)序列、內(nèi)含子和間隔序列等。這些序列極少轉(zhuǎn)錄成mRNA并翻譯成蛋白質(zhì)，它們對細(xì)胞的存活、代謝等不作任何貢獻，它們存在的唯一目的似乎就是復(fù)制自己，故稱之為“自私”DNA。注意：1“自私”DNA并非毫無功能；

2真核生物有某些結(jié)構(gòu)基因沒有內(nèi)含子，如組蛋白基因、干擾素基因等。

3某些原核生物也存在內(nèi)含子，如E.coli噬菌體T4的胸腺嘧啶核苷酸合成酶基因中含有

1018個核苷酸構(gòu)成的內(nèi)含子。

-珠蛋白的mRNA與基因雜交-珠蛋白的pre-mRNA與基因的雜交雞卵清蛋白mRNA與基因雜交圖雞卵清蛋白前體mRNA到成熟mRNA的過程斷裂基因轉(zhuǎn)錄出包含全部順序的初始轉(zhuǎn)錄物，稱為前體mRNA。通過剪接（splicing）作用除去不必要部分(內(nèi)含子)剩下部分(外顯子)連接成為成熟mRNA外顯子在基因中排序與成熟的mRNA排序是一致的。相同功能的基因的外顯子機構(gòu)相似，易證明是同源的，有共同的祖先。它的突變影響較大，不易遺傳。內(nèi)含子在基因中的排序往往很混亂，它的突變與基因功能沒有關(guān)系，可以遺傳下來。3.4基因與基因組大小與C值矛盾由于斷裂基因的存在，基因遠比它編碼的蛋白質(zhì)信息大。主要取決于內(nèi)含子的大小。內(nèi)含子通常比外顯子大得多。比如二氫葉酸還原酶基因進化上斷裂基因先在低等的真核生物中出現(xiàn)。比如釀酒酵母中內(nèi)含子就較少，而哺乳動物中內(nèi)含子較多。高等真核生物中開始出現(xiàn)長基因，多數(shù)在5-10Kb.真核基因組結(jié)構(gòu)龐大，但C值矛盾：C值的概念：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(Cvalue)。隨著生物的進化，生物體的結(jié)構(gòu)與功能越來越復(fù)雜，需要的基因產(chǎn)物種類也越來越多，也就是需要的基因越多，因而C值就越大。比如酵母菌的DNA含量約為2.3×107bp，是細(xì)菌DNA含量的5倍左右；而哺乳動物的基因組DNA約為3×109bp。C值矛盾：在真核生物中，物種進化的復(fù)雜程度與DNA含量C值并不完全一致，稱之為C值矛盾(Cvalueparadox)。①一些植物和兩棲類動物，它們的DNA含量高達1010－1011bp，而人類DNA含量僅為109bp，顯然這是無法解釋的。②在結(jié)構(gòu)、功能很相似的同一類生物中，甚至在親緣關(guān)系十分接近的物種之間，其C值可以相差數(shù)10倍乃至上百倍。如兩棲類動物中，C值小的低至109bp以下，C值大的高達1011bp。③DNA的量遠遠大于編碼蛋白質(zhì)所需的量。

如哺乳動物的基因組由3×109bp組成，假定哺乳動物每個基因平均是10000bp，那么哺乳動物基因組應(yīng)該有300000個基因。但核酸雜交測定哺乳動物一個細(xì)胞中的mRNA種類約為10000個，考慮不同細(xì)胞基因表達的不同，推算哺乳動物基因組約有30000－40000個基因，這樣來看，基因組DNA量是已知基因的10倍，余下那么多DNA有什么功能？3.5重疊基因3.5.1原核生物的重疊基因重疊基因在表達時利用不同閱讀框。重疊基因及基因內(nèi)基因的現(xiàn)象反映了原核生物利用有限的遺傳資源表達更多生物功能的能力。ф×174噬菌體的基因結(jié)構(gòu)HGFJDCA

BE蛋白D

丙谷甘纈蛋終止……GCGGAAGGAGTGATGTAATGTCT……蛋白E

精賴谷終止起始絲

蛋白J3.5.2真核生物的重疊基因通常情況下真核生物中很少有重疊基因。在特殊情況下，可以在幾個外顯子之間選擇性剪切以獲得不同功能表達物。利用多個加多聚（A）位點和不同的剪接方式產(chǎn)生不同的蛋白質(zhì)基因組（genome）：細(xì)胞或生物體中，一套完整單倍體的遺傳物質(zhì)的總和。3.6基因組3.6.1原核生物的染色體基因組原核生物基因組結(jié)構(gòu)和功能的特點質(zhì)粒原核生物基因組研究及意義原核生物基因組的特點1、通常僅有一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成，一般不具核小體結(jié)構(gòu)。2、基因組小，DNA含量低。3、只有一個復(fù)制起點。4、結(jié)構(gòu)簡煉，基因組內(nèi)多用于編碼蛋白質(zhì)。5、重復(fù)序列少。6、存在轉(zhuǎn)錄單元。7、有重疊基因,多順反子。質(zhì)粒(plasmid)質(zhì)粒是細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)攜帶的染色體外的共價閉合的環(huán)狀DNA分子，能獨立進行復(fù)制。只有在宿主細(xì)胞內(nèi)才能復(fù)制可以賦予宿主細(xì)胞特定的遺傳性狀質(zhì)粒的遺傳控制復(fù)制調(diào)控系統(tǒng)：控制質(zhì)粒的拷貝數(shù)。由復(fù)制起點、rep基因和cop基因構(gòu)成分配系統(tǒng)：使質(zhì)粒在細(xì)菌分裂過程中精確分配到子細(xì)胞中細(xì)胞分裂控制系統(tǒng)：能抑制細(xì)胞分裂，使細(xì)胞分裂與質(zhì)粒復(fù)制協(xié)調(diào)質(zhì)粒的遺傳控制位點特異重組系統(tǒng)：控制高拷貝質(zhì)粒在菌體中有形成多聚體，使其在分裂時拆開成單體，而向子代細(xì)胞平均分配質(zhì)粒的不相容性：具有相同復(fù)制起始位點和分配區(qū)的兩種質(zhì)粒不能共存與一個宿主菌質(zhì)粒的類型接合型質(zhì)粒、可移動型質(zhì)粒和自傳遞型質(zhì)粒嚴(yán)謹(jǐn)型質(zhì)粒（stringentplasmid）、松弛型質(zhì)粒(relaxedplasmid)窄宿主譜及廣宿主譜質(zhì)粒原核生物基因組研究及意義更好的了解病原微生物的治病機理加快致病微生物致病基因的發(fā)現(xiàn)提高臨床診斷的效率和準(zhǔn)確性篩選有效藥物及發(fā)展疫苗3.6.2真核生物基因組真核生物基因組結(jié)構(gòu)與功能特點真核生物基因組結(jié)構(gòu)真核生物基因組結(jié)構(gòu)與功能特點1.體細(xì)胞一般為雙倍體，即含有兩份同源的基因組2.基因組大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、基因數(shù)龐大、具有許多復(fù)制起點，每個復(fù)制子大小不一3.轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子4.含大量重復(fù)序列5.非編碼序列占90%以上6.基因是斷裂基因7.功能相關(guān)的基因構(gòu)成各種基因家族8.存在可移動的遺傳因素真核生物基因組的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)基因斷裂基因順式調(diào)控元件(cis-actingelement)基因家族(genefamily)重復(fù)序列(repeatsequence)轉(zhuǎn)座子(transposon)端粒(telomere)GeneStructure

Transcriptionstartsite(AAAA)5’(CAP)AUGTranslationstartsiteTAA5’UTR3’UTRTranscriptionTranslationstopsiteNote:5’CAP,polyAtailandintrononlypresentineukaryotes

UTR=untranslatedregion.3.7真核生物DNA序列組織真核生物中DNA可分為：單拷貝序列輕度重復(fù)序列中度重復(fù)序列高度重復(fù)序列單拷貝序列：真核基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子，即一個編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個mRNA分子，翻譯生成一條多肽鏈。一個基因組中只有一個拷貝。大多數(shù)基因如此。輕度重復(fù)序列：在真核細(xì)胞DNA中發(fā)現(xiàn)某些核苷酸序列2-10次重復(fù)出現(xiàn)。比如：tRNA基因，組蛋白基因中度重復(fù)序列：拷貝數(shù)十至幾百個。一般是不編碼的序列。每個重復(fù)序列為數(shù)百至幾千個堿基對大小，分布于單拷貝的DNA大片段之間。多數(shù)可能在基因表達調(diào)控中起重要作用。比如復(fù)制的起始，開啟等。高度重復(fù)序列：拷貝數(shù)在106以上，重復(fù)單位短小，一般由10個