生物化学和分子生物学：第十三章 真核基因与基因组

1、遗传信息的传递遗传信息的传递 第三篇第三篇 DNADNA RNARNA PROTEINPROTEIN TranscriptionReverse-transcription RNA-replication DNA-replication Translation 复制复制 转录转录 逆转录逆转录 RNARNA复制复制 翻译翻译 中心法则中心法则 原核和真核细胞中遗传信息的传递原核和真核细胞中遗传信息的传递 真核基因与基因组真核基因与基因组 DNA的生物合成的生物合成 DNA的损伤和修复的损伤和修复 RNA的生物合成的生物合成 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成 基因表达调控基因表达调控 细胞信号转导

2、细胞信号转导 本篇学习内容：本篇学习内容： 真核基因与基因组真核基因与基因组 第十三章第十三章 Eukaryote Gene and Genome 核心内容：核心内容： 1. 1. 什么是基因（什么是基因（GeneGene）？）？ 2. 2. 基因的结构组成？功能？基因的结构组成？功能？ 3. 3. 什么是基因组（什么是基因组（GenomeGenome）？）？ 4. 4. 真核基因组的结构特点？真核基因组的结构特点？ 基因（基因（genegene）：编码蛋白质或编码蛋白质或RNA等具有特定功能等具有特定功能 产物的、负载遗传信息的基本单位。染色体或基因产物的、负载遗传信息的基本单位。染色体或基

3、因 组的一段组的一段DNADNA序列。序列。 Gene vs Genome 基因组（基因组（genomegenome）：泛指一个细胞或一个生物体泛指一个细胞或一个生物体 的全部遗传信息。包括核染色体及线粒体的全部遗传信息。包括核染色体及线粒体DNADNA。 真核基因的结构与功能真核基因的结构与功能 第一节第一节 The Structure and Function of Eukaryotic Genes 1. 利用碱基的不同排列荷载遗传信息利用碱基的不同排列荷载遗传信息 2. 指导指导RNA和蛋白质的合成，表达遗传信息和蛋白质的合成，表达遗传信息 基因的功能基因的功能 转录起始位点（转录起始位

4、点（mRNAmRNA合成起始位点）合成起始位点） 翻译起始位点（起始密码子翻译起始位点（起始密码子ATGATG） 上游调控区上游调控区 翻译终止密码子翻译终止密码子 3-端非翻译区端非翻译区 （3 UTR) )5-端非翻译区端非翻译区 （5 UTR) ) 编码序列编码序列 初级转录物初级转录物 成熟转录物成熟转录物 内含子内含子 一、真核基因的基本结构一、真核基因的基本结构 真核基因的编码序列被内含子隔开，是断裂基因真核基因的编码序列被内含子隔开，是断裂基因 1. 1. 编码序列编码序列 （coding sequence)coding sequence) 2. 2. 非编码序列非编码序列 (n

5、on-coding sequence)(non-coding sequence)，包括编码区两侧，包括编码区两侧 的的调控序列调控序列和编码序列间的和编码序列间的间隔序列间隔序列（内含子，内含子，intronintron） 在细胞内表达为蛋白质或功能在细胞内表达为蛋白质或功能RNA的的DNA序列序列 真核基因的结构包括两部分：真核基因的结构包括两部分： 转录起始点转录起始点 TATA盒盒 CAAT盒盒 GC盒盒 增强子增强子 AATAAA 剪切位点剪切位点 转录终止点转录终止点 加尾信号序列加尾信号序列 外显子外显子翻译起始点翻译起始点 内内 含含 子子 OCT-1 OCT-1：ATTTGCA

6、T八聚体八聚体 +1 核心启动子核心启动子 上游启动子元件上游启动子元件 基因表达需要调控区（基因表达需要调控区（regulatory region）序列，包括）序列，包括 启动子（启动子（promoter）、增强子（）、增强子（enhancer）等。）等。 5AATGCTACTAGTCGAAGCC3 +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7 +8 -8 -7 -6-5-4 -3 -2 -1-9 DNA 5 AGUCGAAGCC3 +9 +10 mRNA 基因序列的正负编号基因序列的正负编号 编码序列决定编码产物的序列和功能；编码序列决定编码产物的序列和功能； 编码序列碱基突变可导致基因功能变

7、化；编码序列碱基突变可导致基因功能变化； 相同序列起始位点的变化或不同的剪接方相同序列起始位点的变化或不同的剪接方 式可导致产物不同。式可导致产物不同。 编码序列编码多肽链和特定的编码序列编码多肽链和特定的RNARNA分子分子 1. 1. 启动子提供转录起始信号启动子提供转录起始信号 启动子启动子是结合是结合RNA聚合酶并形成转录聚合酶并形成转录 起始复合体的起始复合体的DNA序列。序列。 调控序列参与真核基因表达调控调控序列参与真核基因表达调控 可在启动子的上游或下游发挥作用；可在启动子的上游或下游发挥作用； 距离所调控基因几百至几千个碱基对；距离所调控基因几百至几千个碱基对； 通常数个增强

8、子序列形成一簇；通常数个增强子序列形成一簇； 有时位于内含子之中；有时位于内含子之中； 不同的增强子结合不同调节蛋白。不同的增强子结合不同调节蛋白。 2. 2. 增强子增强邻近基因的转录增强子增强邻近基因的转录 增强子（增强子（Enhancer)是是增强真核基因启动子工作效增强真核基因启动子工作效 率的最重要的顺式作用元件。率的最重要的顺式作用元件。 沉默子沉默子（silencer）是抑制基因转录的特定）是抑制基因转录的特定 DNA序列，当其结合一些反式作用因子时对基序列，当其结合一些反式作用因子时对基 因的转录起阻遏作用，使基因沉默。因的转录起阻遏作用，使基因沉默。 3. 3. 沉默子是负调

9、节元件沉默子是负调节元件 真核基因组的结构与功能真核基因组的结构与功能 第二节第二节 The Structure and Function of Eukaryote Genome 人基因组构成人基因组构成 1. 1. 编码序列比例远小于非编码序列编码序列比例远小于非编码序列; ; 2. 2. 含有大量的含有大量的重复序列重复序列; ; 3. 3. 存在存在多基因家族多基因家族和和假基因假基因; ; 4. 4. 多数基因进行可变剪接，导致蛋白多样性多数基因进行可变剪接，导致蛋白多样性; ; 5. 5. 基因组基因组DNA与蛋白质结合形成染色体。与蛋白质结合形成染色体。 一、真核基因组独特的结构特

10、点一、真核基因组独特的结构特点 二、根据重复频率将重复序列分为三类二、根据重复频率将重复序列分为三类 （一）高度重复序列（一）高度重复序列 重复频率重复频率10106 6，不编码蛋白质或，不编码蛋白质或RNARNA。 2. 2. 反向重复序列反向重复序列（inverted repeat sequence） 重复单位长度约重复单位长度约300 bp，多数散在分布，约占，多数散在分布，约占5 依据结构特点分为：依据结构特点分为： 着丝粒区域，重复单位长度着丝粒区域，重复单位长度210 bp，成串排列，成串排列， 约占约占5%6%。 1. 卫星卫星DNA（satellite DNA） 5 5 3 3

11、 5 5 3 3 AGGATTTC CTTTAGGATCCTAAAG GAAATCCT 53 AGGATTTCGAAATCCT Inverted repeats：同一个序列的两个：同一个序列的两个 拷贝在一个分子中以相反的方向重复。拷贝在一个分子中以相反的方向重复。 l参与复制水平的调节参与复制水平的调节 存在于存在于DNA复制起点附近复制起点附近 l参与基因表达的调控参与基因表达的调控 转录转录hnhnRNA分子中，形成发夹结构，稳定分子中，形成发夹结构，稳定RNA l参与染色体配对参与染色体配对 如如 卫星卫星DNA成簇样分布在染色体着丝粒附近，可能成簇样分布在染色体着丝粒附近，可能 与染

12、色体减数分裂时染色体配对有关。与染色体减数分裂时染色体配对有关。 高度重复序列的功能：高度重复序列的功能： （二）中度重复序列（二）中度重复序列 重复数十至数千次重复数十至数千次,与单拷贝基因间隔排列。与单拷贝基因间隔排列。 1. 短分散重复片段短分散重复片段 300 bp500 bp，与，与1000 bp的单拷贝序列间隔排列的单拷贝序列间隔排列 Alu家族家族：300 bp，重复，重复3050万次，万次，Alu酶切位点酶切位点 （AGCT），分成），分成130bp和和170bp两段。两段。 KpnI家族家族：仅次于：仅次于Alu家族，家族，Kpn位点，散在分布，位点，散在分布， 300048

13、00个拷贝个拷贝 Hinf家族家族：串联重复，：串联重复，319 bp，Hinf I酶切位点。酶切位点。 3. rRNArRNA基因重复序列属于中度重复序列基因重复序列属于中度重复序列 l各重复单位中的各重复单位中的rRNA基因都是相同的。基因都是相同的。 lrRNA基因集中成簇存在，这样的区域称为基因集中成簇存在，这样的区域称为rDNA区。区。 lrRNA基因位于核仁组织区，每个核仁组织区平均基因位于核仁组织区，每个核仁组织区平均 含有含有50个个rRNA基因的重复单位。基因的重复单位。 l5SrRNA基因似乎全部位于基因似乎全部位于1号染色体，每个单倍体号染色体，每个单倍体 基因组约有基因

14、组约有1000个个5SrRNA基因。基因。 2. 长分散重复片段长分散重复片段 3500 bp5000bpbp，与，与13000bp的单拷贝序列间隔排列。的单拷贝序列间隔排列。 在单倍体基因组中只出现一次，大多在单倍体基因组中只出现一次，大多 数为蛋白质编码的基因。数为蛋白质编码的基因。 （三）单拷贝序列（三）单拷贝序列 多基因家族（多基因家族（multigene family)multigene family)是指一类结构是指一类结构 相似（核苷酸序列具有同源性）、功能相关的相似（核苷酸序列具有同源性）、功能相关的 基因。可分为两类：基因。可分为两类： 1. 1. 基因家族成簇地分布在某一条

15、染色体上，同时发挥作基因家族成簇地分布在某一条染色体上，同时发挥作 用，合成某些蛋白质。如组蛋白基因家族。用，合成某些蛋白质。如组蛋白基因家族。 2. 2. 基因家族的不同成员成簇地分布于不同染色体上，编基因家族的不同成员成簇地分布于不同染色体上，编 码一组功能上紧密相关的蛋白质。如球蛋白基因家族。码一组功能上紧密相关的蛋白质。如球蛋白基因家族。 三、真核基因组存在多基因家族与假基因三、真核基因组存在多基因家族与假基因 与正常基因非常相似但不能表达的与正常基因非常相似但不能表达的DNA序列。序列。 假基因（假基因（pseudogene），）， DNA序列相似，功能不一定相关的若干个基序列相似，

16、功能不一定相关的若干个基 因或若干组基因家族的总称。如因或若干组基因家族的总称。如IgGIgG超家族。超家族。 超家族基因超家族基因 （superfamily gene） 四、线粒体四、线粒体DNA （mitochondrial DNA，mtDNA） 3737个基因：个基因： 1313个编码呼吸链个编码呼吸链 多酶体系，多酶体系， 2222个编码个编码mt-mt- tRNAtRNA， 2 2个编码个编码mt-rRNAmt-rRNA （16S16S和和12S12S）。）。 物种物种基因组大小基因组大小( (Mb) )基因数基因数染色体数染色体数* * 支原体支原体 M. genitalium0.

17、58470无无 流感嗜血杆菌流感嗜血杆菌 H. influrnzae1.831743无无 枯草芽孢桿菌枯草芽孢桿菌 B. subtilis4.204100无无 大肠杆菌大肠杆菌 E. coli 4.604288无无 酿酒酵母酿酒酵母 S. cerevisiae 13.50603416 裂殖酵母裂殖酵母 S. pombe12.50492916 燕麦燕麦 O. sativa4663000021 果蝇果蝇 D. melanogaster165136014 秀丽隐杆线虫秀丽隐杆线虫 C. elegans97184246 小鼠小鼠 mouse27003000020 人人 H. sapiens300025

18、00023 不同生物体基因组的比较不同生物体基因组的比较 五、基因组大小或基因数量与生物体复杂度五、基因组大小或基因数量与生物体复杂度 六、人的基因在染色体上的分布特征六、人的基因在染色体上的分布特征 非均匀分布非均匀分布, 19, 19号基因密度最大，号基因密度最大，1313号和号和Y Y 基因密度最小。基因密度最小。 存在存在“沙漠区沙漠区”，即在，即在500kb500kb区域内，没有区域内，没有 任何基因的编码序列。任何基因的编码序列。 全部人类基因组约有全部人类基因组约有2.91Gbp 基因基因数量约数量约3-4万，万，目前已定位了目前已定位了2.6万多个基万多个基 因，但其中尚有因，但其中尚有42%的功能不明。的功能不明。 人类基因组中存在人类基因组中存在“热点热点”和大片和大片“