基因基因组和基因组学ppt课件

* 1第三章 基因、基因组和基因组学 基因 的化学本质是 DNA，它是遗传信息的物质载体，传递着支配生命活动的指令，是构建生物体蓝图中的一页，也是可以人工操作用于改造生命属性的元件。* 2 基因组 是指生物体的细胞中一套完整的遗传信息， 包括所有的基因和基因间区域 。 专门研究基因组结构和功能的学科，称为 基因组学 ，它主要通过基因组作图、基因测序和基因定位等方法来研究基因组结构和变异。 * 3第一节 基因的概念 一、对基因的认识 对基因的认识和研究大体上可以分为三个阶段： 1）在 20世纪 50年代以前，主要从细胞的染色体水平上进行研究，属于基因的 染色体遗传学 阶段； 2） 50年代以后，主要从 DNA大分子水平上进行研究，属于基因的 分子生物学 阶段；* 4 3）最近 20多年来，由于重组 DNA技术的完善和应用，人们改变了从表型到基因的传统研究途径，而能够直接从克隆目的基因出发，研究基因的功能及其与表型的关系，使基因的研究进入了反向生物学阶段。 反向生物学 是指利用重组 DNA技术和离体定向诱变的方法研究结构已知基因的相应功能，在体外使基因突变，再导入体内，检测突变的遗传效应，即 以表型来探索基因的结构和功能 。* 5 二、基因概念的扩展 分子生物学和分子遗传学的不断发展，特别是 DNA分子克隆技术、 DNA序列的快速测定，以及核酸分子杂交技术等现代实验手段的不断涌现，为进一步深入研究基因结构和功能提供了条件， “ 移动基因 ” 、 “ 断裂基因 ” 、 “ 假基因 ”、 “ 重叠基因 ” 等有关基因的新概念，丰富了对基因本质的认识。* 6 1、移动基因 移动基因（ movable genes）又称转位因子（ transposable elements）。由于它可以从染色体基因组上的一个位置转移到另一个位置，甚至在不同染色体之间跃迁，因此也称跳跃基因（ jumping genes）。* 7 转位 和 易位 是两个不同的概念。 易位是指染色体发生断裂后，通过同另一条染色体断端连接转移到另一条染色体上。此时，染色体断片上的基因也随着染色体的重接而移动到新的位置。 转位则是在转位酶的作用下，转位因子或是直接从原来位置上切离下来，然后插入染色体新的位置；或是染色体上的 DNA序列转录成 RNA，随后反转录为 cDNA，再插入染色体上新的位置。这样，在原来位置上仍然保留转位因子，而其拷贝则插入新的位置，也就是使转位因子在基因组中的拷贝数又增加一份。* 8 2、断裂基因或不连续基因 通过对真核生物编码基因的研究发现，在编码序列中间插有与氨基酸编码无关的 DNA间隔区，这些间隔区称为 内含子（ intron） 、内元、介入序列或间隔子；而编码区则称为 外显子（ exon） 、外元或表达子。含有内含子的编码序列称为不连续基因或断裂基因（ split genes）。* 9 断裂基因最早是在腺病毒中发现的 。Sharp及其同事在 R-噜噗（ R-loop）实验中发现，腺病毒的 hexon基因在与其相对应的成熟转录产物 mRNA进行杂交时，会出现 DNA噜噗环（图 3-1）。 说明： mRNA分子与其模板 DNA相比，丢失了一些基因片段。 后来证实，这些片段是在 mRNA加工过程中从初级转录本上被 “ 剪切出去 ” 的。* 10* 11 内含子的起源和它存在的生物学意义 是一个极其诱人的研究课题，但是目前还不完全清楚，可能与基因的分子进化相关。* 12 断裂基因在表达时首先转录成初级转录产物，即前体 mRNA或核内不均一 RNA（ hnRNA）；然后经过删除和连接，除去无关的 DNA内含子序列的转录物，称为成熟的 mRNA分子 。 这种删除内含子、连接外显子的过程，称为 RNA拼接 （ RNA splicing）（图 3-2）。* 13* 14 例外： 现在已经知道，并非所有的内含子都 “ 含而不显 ” 。有些内含子可以编码蛋白质，这些蛋白质的功能与内含子序列的删除或传播扩散相关。 如 1980年， Church等人发现酵母线粒体 细胞色素氧化酶 基因的内含子产物是该基因mRNA前体进行拼接的 反式作用因子 。* 15 真核生物的外显子也并非都 “ 显 “ （编码氨基酸）。除了 tRNA基因和 rRNA基因的外显子是理所当然地不显以外，几乎全部的蛋白质基因的 首尾两个外显子 都只有部分核苷酸序列编码氨基酸，还有完全不编码氨基酸的外显子（如人类尿激酶基因的第一个外显子的 88个核苷酸序列）。* 16 3、假基因 有些基因核苷酸序列与相应的正常功能基因基本相同，但却不能合成出功能蛋白质，这些失活基因称为假基因（ pseudo gene），通常用 表示。 1977年在爪蟾的5S基因家族中首先发现了假基因。以后在珠蛋白基因家族、免疫球蛋白基因家族以及组织相容性抗原基因家族中也都发现了假基因。* 17 如： 珠蛋白基因编码血红蛋白的珠蛋白链，人类珠蛋白基因由分别位于不同染色体上的两个相关的基因家族（ 和 ）组成，其中，人类的 簇分布在 50kb范围的DNA上，包含 5个有功能的基因（ ，两个 ， ， ）和一个假基因 1。两个 基因只有一个氨基酸的差别，第 136位在 G中为 Gly，而在 A为 Ala。* 18 簇含有 3个功能基因， 3个假基因和 1个未知功能的 基因，排列顺序为 、 、2、 1、 2、 1、 （ 图 3-3）。序列分析表明， 1基因同三个有功能的 -珠蛋白基因 DNA序列相似（ 1基因同有功能的 2基因的序列相似性为 73），只是假基因中含有很多突变，如起始密码子ATG变成 GTG； 5 端的两个内含子也有突变， 可能导致 RNA拼接的破坏 ；在编码区内也存在许多点突变和缺失。* 19* 20 假基因的来源： 来源一： 1假基因被认为是由 -珠蛋白基因复制产生的：开始复制生成的基因是有功能的，后来在进化中产生了一个失活突变。由于该基因是复制产生的，所以尽管失去了功能，但是不至影响到生物体的存活。随后在假基因中又积累了更多的突变，从而形成了现今的假基因序列。* 21 除了 重复的假基因 外，在真核生物的染色体基因组中还存在着一类 加工的假基因 （ processed pseudogene）。这类假基因不与 “ 亲本基因 ” 连锁，结构与转录本而非 “ 亲本基因 ” 相似，如都没有启动子和内含子，但在基因的 3 端都有一段延伸的腺嘌呤短序列，类似 mRNA 3 末端的 polyA尾巴。这些特征表明 （假基因的来源二）： 这类假基因很可能来自加工后的 RNA的DNA拷贝，称为加工的假基因。* 22 4、重叠序列 传统的基因概念把基因看作彼此独立的、非重叠的实体。但是，随着 DNA测序技术的发展，在一些噬菌体和动物病毒中发现，不同基因的核苷酸序列有时是可以共用的。也就是说，它们的核苷酸序列可以是彼此重叠的。这种具有独立性但使用部分共同序列的基因称为重叠基因（ overlapping genes）或嵌套基因（nested genes）。* 23 如： 大肠杆菌 X174噬菌体单链 DNA共有 5 387个核苷酸。如果使用单一的读码结构，它最多只能编码 1 795个氨基酸。按每个氨基酸的平均分子量为 110计算，该噬菌体所合成的全部蛋白质总分子量最多为 197 000。* 24 但实际测定发现 ： X174噬菌体共编码 11种蛋白质，总分子量高达 262 000。 如何设计实验解释？ 1977年， Sanger等人测定了 X174噬菌体的核苷酸序列，发现它的一部分 DNA能够编码两种不同的蛋白质，从而解释了上述矛盾。* 25 根据 Sanger等人的研究， X174噬菌体DNA中存在两种不同的重叠基因： 第一种是一个基因的核苷酸序列完全包含在另一个基因的核苷酸序列中。例如， B基因位于 A基因之中， E基因位于 D基因中，只是它们的读码结构不同，因此编码不同的蛋白质（图 3-4）。* 26 第二种类型，两个基因的核苷酸序列的末端密码子相互重叠。例如， A基因终止密码子的 3个核苷酸 TGA，与 C基因的起始密码子 ATG相互重叠了 2个核苷酸； D基因的终止密码子 TAA与 J基因的起始密码子 ATG重叠了一个核苷酸。后来在 G4病毒的单链环状 DNA基因组中还发现三个基因共有一段重叠的 DNA序列。* 27 不仅在细菌、噬菌体和病毒等低等生物基因组中存在重叠序列，在 一些真核生物中也存在不同于原核生物的其它类型的重叠序列。 有一种特殊的重叠基因，一个基因的编码序列完全寓居于另一个基因的内含子序列中。例如果蝇的 GART基因（该基因编码参与嘌呤生物合成的酶蛋白）的内含子中寓居着一个与之无关的编码蛹角质膜蛋白（ cuticle protein）的基因，但是它的转录方向与 GART基因相反。* 28 重叠基因是近年来在基因结构与功能研究上的一个非常有意义的发现。它修正了关于各个基因的多核苷酸序列彼此分立、互不重叠的传统观念。 目前在 X174噬菌体、 G4噬菌体以及一些病毒和少数真核基因中发现了重叠基因的现象。但是，它是否具有普遍意义，特别是在真核生物中是否广泛存在，都还有待于进一步深入研究。* 29三 、基因的种类和结构 1、基因的种类 基因按其功能主要分为结构基因、调控基因和RNA基因。 （ 1）、结构基因（ structure gene）：结构基因是能决定某些多