現(xiàn)代分子生物學第三章

1、Chapter 3Genome and Gene,第一節(jié) 基因,一、基因概念的發(fā)展 （一）經(jīng)典遺傳學 1、1865, Mendel: 控制性狀的因子-遺傳因子 2、 1909, Johannsen 提出基因（gene）的概念，取代遺傳因子 3、 1910, 1916, Morgan： 將基因定位在染色體上,1、In 1941, Beadle and Tatum 一基因一酶學說 闡明了基因是通過對酶的控制來決定性狀的 一基因一蛋白 一基因一多肽鏈 2、In 1944，Avery DNA是生物遺傳的物質(zhì)基礎,（二）分子遺傳學對基因概念的新發(fā)展,3、In 1961, Jacob and Monod

2、乳糖操縱子模型 （1）結(jié)構(gòu)基因（structural gene） 指可編碼非調(diào)控RNA或蛋白質(zhì)的一段DNA序列,血紅蛋白,編碼核糖體RNA基因,(2)調(diào)節(jié)基因(regulatory gene) 指其表達產(chǎn)物參與調(diào)控其它基因表達的基因。,mRNA,小 結(jié),基因可控制生物的性狀 基因位于染色體上 基因的物質(zhì)基礎是DNA（或RNA） 基因是通過指導合成蛋白質(zhì)或RNA來決定性狀的 基因有結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因之分,（三）基因概念的進一步發(fā)展,1、重疊基因(Overlapping genes) 指在同一段DNA序列上，由于閱讀框架不同或終止早晚不同，可同時編碼兩個以上多肽。 Sanger（1977）年發(fā)現(xiàn)了

3、174單鏈DNA病毒中有6個基因是重疊的。,Overlapping genes in phage X174,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。,2、斷裂基因（Split Genes） 指基因內(nèi)部被一個或更多不編碼順序所隔裂,（1）內(nèi)含子(intron)： DNA序列中不出現(xiàn)在成熟mRNA的片段； （2）外顯子(extron)： DNA序列中出現(xiàn)在成熟mRNA中的片段。,Discovery In 1977, Roberts and Sharp,3、跳躍基因：Jumping Genes (Transposons) 存在于染色體DNA上可自主轉(zhuǎn)移座位的基本單位，可

4、在同一染色體內(nèi)或不同染色體之間移動,Transposons in maize,40年代初，McClintock研究玉米花斑糊粉層和植株色素產(chǎn)生的遺傳基礎時發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)座因子,4、管家基因(組成型基因) Housekeeping genes ： 是那些(理論上)在所有細胞中都表達的基因，因為 其功能對任何細胞型都是必要的。 （維持細胞生存不可缺少） 5、奢侈基因（Luxury genes）： 在特殊的細胞類型中大量表達并編碼特殊功能 產(chǎn)物的基因。 （與細胞分化有關，與組織特異性表達有關）,二、基因的定義 產(chǎn)生一條多肽鏈或功能性RNA所必須的全部核苷酸序列,1、RNA基因（RNA genes） 編碼功能

5、性的RNA分子 RNA產(chǎn)物有很多參與基因表達的調(diào)控，如MicroRNA,2、蛋白質(zhì)編碼基因（protein-coding genes） （1）編碼區(qū)（coding region） 指在翻譯時對應于多肽的氨基酸序列的一段核苷酸序列 （2）非編碼區(qū)（Untranslated regions ，UTR) 能夠轉(zhuǎn)錄但不被翻譯的核苷酸序列 功能：蛋白質(zhì)合成的調(diào)控 5-UTR ；3-UTR,ATG,5,TAA,3,3、順反子： 等同于基因，是編碼一條完整多肽鏈的一段核苷酸序列。 多順反子：原核生物中數(shù)個結(jié)構(gòu)基因常串聯(lián)在一起，受同一調(diào)節(jié)區(qū)控制，轉(zhuǎn)錄生成的mRNA可編碼幾種功能相關的蛋白質(zhì)。,UAA,AUG,

6、AUG,UAA.,5,3,單順反子：一個編碼基因轉(zhuǎn)錄只生成一個mRNA分子，經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈。,UAAAAAA,AUG,5,3,第二節(jié) 遺傳信息的傳遞,一、 中心法則（The central dogma） In 1958, Crick 1. DNA是自身復制的模板； 2. DNA通過轉(zhuǎn)錄作用將遺傳信息傳遞給中間物質(zhì)RNA； 3. RNA通過翻譯作用將遺傳信息表達成蛋白質(zhì)。 中心法則揭示了遺傳信息的傳遞方向，反映了DNA、RNA和蛋白質(zhì)之間的相互關系。,DNA RNA Protein,Transcription Translation,replication,二、中心法則的挑戰(zhàn) 1、 反轉(zhuǎn)錄

7、（Reverse transcription） In 1970, Baltimore and Temin 發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶 （reverse transcriptase）,2、RNA 復制 3、RNA 編輯（RNA editing） 是指轉(zhuǎn)錄后的RNA在編碼區(qū)發(fā)生堿基的加入，丟失或轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象,4、表觀遺傳（Epigenetic Inheritance） 是指在DNA序列沒有發(fā)生變化的情況下，基因表達的可遺傳的改變,The calico phenotype shows effects of mosaicism of X-linked traits in female mammals an epige

8、netic phenomenon.,（1）表觀遺傳修飾（Epigenetic modification） DNA甲基化; 組蛋白修飾; microRNA （2）表觀遺傳學補充了“中心法則”忽略的兩個問題： a、哪些因素決定了基因的正常轉(zhuǎn)錄和翻譯 b、對基因組而言，不僅僅是序列包含遺傳信息，而且其修飾也可以記載遺傳信息。,5、朊病毒 （Prion） 瘋牛病,學名為牛海綿狀腦病(BSE) 人和動物的可轉(zhuǎn)移性神經(jīng)退化疾病 In 1982, Prusiner, discovering prion PrPC PrPSc,三、修改后的中心法則,replication,transcription,Rever

9、se transcription,RNA editing,RNA replication,translation,第三節(jié) 基因組（Genome）,一、概述： 1、概念： 是指細胞或生物體單倍體染色體上的所有遺傳物質(zhì)的總稱（包括所有的遺傳信息） （1）細菌和病毒基因組：是指染色體上所含的全部DNA （2）二倍體及多倍體真核生物的基因組： 一個物種單倍體所有染色體上的遺傳物質(zhì)的總稱。 如人類基因組：包括24條染色體,2、基因組大?。℅enome size） haploid genome C值（C-value）： size of the haploid genome 一種生物單倍體基因組DNA的總量

10、 討論：C值大小與生物遺傳復雜性是否成正相關？,C值在低等真核生物中與遺傳復雜性有一定的正相關，但在高等真核生物中卻并非如此，它們的C值變化不定。,Insects4.7 107 1.2 107 Amphibians9.5 108 1.0 1011 Flowering plants 9.5 107 1.2 1011,C值矛盾（C-value paradox） 生物基因組的大小同生物在進化上所處地位的高低無關,3. 基因密度 是指每Mb基因組DNA上基因的平均數(shù)目。 生物體的復雜度與基因密度存在大致負相關的關系。Why？,二、真核生物基因組,（一）非編碼DNA 不編碼蛋白質(zhì)的DNA序列 （沒有確定

11、功能） 如人類：30億對核苷酸，預計10萬個基因， 實際為22.5萬蛋白編碼基因（占整 個基因組的2%） 內(nèi)含子 基因間隔序列（功能未知）,1、內(nèi)含子,內(nèi)含子的普遍性 不僅大多數(shù)蛋白質(zhì)編碼的基因有內(nèi)含子, rRNA, tRNA基因也有內(nèi)含子。 大腸桿菌噬菌體T4胸腺嘧啶合成酶基因有內(nèi)含子。 某些低等真核生物的線粒體和葉綠體基因中有內(nèi)含子。,內(nèi)含子的相對性 內(nèi)含子有時也編碼蛋白 并非真核生物所有的基因都有內(nèi)含子 真核生物組蛋白基因, 酵母的大多數(shù)基因無內(nèi)含子,具有編碼功能的內(nèi)含子： 如可移動內(nèi)含子 編碼3種蛋白質(zhì)： （1）內(nèi)切核酸酶：能切割DNA上的靶序列并且 允許內(nèi)含子插入 （2）反轉(zhuǎn)錄酶：以

12、自身RNA為模板產(chǎn)生DNA拷貝 （3）成熟酶：在將特定內(nèi)含子從前體mRNA中剪 除時起作用 內(nèi)含子的移動類似轉(zhuǎn)座機制,內(nèi)含子的類型 （1）GU-AG 內(nèi)含子：真核細胞核mRNA前體中 （2）AU-AC 內(nèi)含子：真核細胞核mRNA前體中 （3）型內(nèi)含子：主要在真核細胞核rRNA前體中 自我剪接 （4）型內(nèi)含子：細胞器RNA、某些原核生物RNA 自我剪接,內(nèi)含子與進化 （1）特點：外顯子的保守程度遠高于內(nèi)含子， 內(nèi)含子的序列是多變的 （2）合理解釋： 內(nèi)含子序列最終不出現(xiàn)在mRNA的序列 中，即使發(fā)生改變也不會受到自然選擇 的壓力 （3）在進化上的意義 a、 有利于生物遺傳的相對穩(wěn)定 b、積累突變

13、的內(nèi)含子可能演化為新的基因 c、擴大了生物體的遺傳信息儲量,2、基因間隔序列（功能未知） -主要由重復序列組成 串聯(lián)重復序列：如衛(wèi)星DNA 分散重復序列 ：如Alu元件,（二）重復序列DNA 單一序列 / 中度重復序列 / 高度重復序列 附:,復性動力學: 根據(jù)序列的拷貝數(shù)不同在基因組DNA復性過程中的復性速率不同的原理，來識別不同種類的重復序列DNA的一種技術。 思考: 復性速度與基因組重復序列拷貝數(shù)的有什么關系?,人類和E.coli DNA的理想復性動力學曲線,(一)單一序列（ unique sequence DNA） 基因組中只有一個或幾個拷貝的DNA序列 （真核生物結(jié)構(gòu)基因多屬于單一序

14、列）,(二) 中度重復序列（moderately repetitive DNA） 基因組中重復次數(shù)在10 105之間的DNA序列 如rRNA、tRNA的基因，組蛋白基因 1、串聯(lián)重復序列（Tandem repeat sequences） 基因簇： 基因家族中一組相同或相關基因串聯(lián) 排列在一起 如： rDNA-基因簇重復多次 組蛋白基因（5 genes）-基因簇重復多次,2、散在重復序列（dispersed repetitive DNA） 分散分布在基因組中的中等重復序列 （1）短散在元件 SINE：Alu 元件（300 bp） （2）長散在元件 LINE：L1 元件（6500 bp） Alu

15、元件和L1 元件占人類基因組的10% 功能：沒有被證明有功能,（三）高度重復序列（highly repetitive DNA） 基因組中重復次數(shù)超過106 的DNA序列 衛(wèi)星DNA（Satellite DNA） 1、概念：真核生物基因組中由許多短的基本重復單位構(gòu)成的連續(xù)重復的一種高度重復序列。 短重復單位：2bp至2030bp,5 ATAAACTATAAACTATAAACT 3 3 TATTTGATATTTGATATTTGA 5,果蠅的衛(wèi)星DNA重復單位,n,密度梯度離心，衛(wèi)星DNA與其他DNA分開。形成兩個峰：較大的主峰和高度重復序列小峰,Buoyant density,Optical ab

16、sorbance,Mouse DNA / CsCl,Main band,satellite,2、特點：GC 含量低，因而具有較低的浮力密度,3、位置：衛(wèi)星DNA位于著絲粒部位 是異染色質(zhì)的組成成分 4、功能：沒有被證明有功能,5、微衛(wèi)星DNA (microsatellite DNA) 簡短串聯(lián)重復-STR 特點： （1）重復單位長度在26bp之間 （2）較為平均地沿染色體分布,6、小衛(wèi)星DNA (minisatellite DNA) 可變串聯(lián)重復-VNTR 特點： （1）拷貝數(shù)具有高度可變性 （2）重復單位長度在1565bp之間 （3）一般出現(xiàn)在染色體的末端,DNA fingerprintin

17、g,Progeny,Parents,（三）基因家族 一個祖先基因經(jīng)重復或突變所產(chǎn)生的功能相關 的同源基因 假基因：基因家族中因突變而失去功能的基因 基因簇：基因家族中一組相同或相關基因串聯(lián)排列在一起而形成 如rRNA、tRNA和組蛋白的基因； 孤獨基因 ：基因家族中在獨立位點上的單個基因,典型的基因家族1tRNA基因 單倍體人基因組中1300個tRNA基因，tRNA 基因簇2rRNA基因 l00copy rRNA基因簇(重復單元: 28S、18S、5.8s-rRNA),3組蛋白基因 30-40copy 組蛋白基因簇(重復單位：H1，H2A，H2B，H3、H4)特點：無intron，Poly(A

18、)- RNA 4珠蛋白基因,（四）DNA的多態(tài)性 DNA序列發(fā)生變化而導致的個體間核苷酸序列的差異 1、RFLP（限制性片段長度多態(tài)性） DNA序列上的微小變化，甚至1個核苷酸的變化，也能引起限制性內(nèi)切酶切點的丟失或產(chǎn)生，導致酶切片段長度的變化,2、DNA重復序列多態(tài)性（RSP） 表現(xiàn)為重復序列拷貝數(shù)的變異 （1）小衛(wèi)星DNA：（可變串聯(lián)重復-VNTR） 重復單位長度在15-65個核苷酸左右 （2）微衛(wèi)星DNA： 重復單位長度在2-6個核苷酸之間，又稱為簡短串聯(lián)重復（STR、STRP或SSLP）。,3、單核苷酸的多態(tài)性（SNP）： 分散于基因組中的單個堿基的差異，即包括單個堿基的缺失、插入和替換。,三、原核生物的基因組,特點： 1、功能相關的幾個結(jié)構(gòu)基因往往串聯(lián)在起， 受它們上游的共同調(diào)控區(qū)控制，形成操縱子 2、結(jié)構(gòu)基因為多順反子 3、結(jié)構(gòu)基因中沒有內(nèi)含子 4、DNA大部分為編碼序列 5、重復序列不多（單拷貝基因） 6、有重疊基因,四、病毒基因組的特點1每種病毒只有一種核酸，DNA或RNA；2病毒核酸大小差別很大；3除逆轉(zhuǎn)錄病毒外，病毒基因都是單拷貝的。4大部分病毒核酸是由一條雙鏈或單鏈分子 (RNA或DNA) 5真核病毒基因有內(nèi)含子