基因的概念及作用.ppt

基因的概念及作用 A 基因的概念及其发展B 基因的作用及其调控C 基因组学 一 基因的研究简史 概述 19世纪60年代孟德尔提出遗传因子 1909年W Johannsen首先使用基因 gene 一词 1926年Morgan发表了 基因论 20世纪40年代Bendle和Tatum提出了 一个基因 一个酶 的学说 20世纪50年代Benzer提出了 顺反子 概念 20世纪60年代遗传密码的破译使人们对基因表达的机理有了更多的了解 20世纪90年代形成了基因的现代概念 孟德尔 GregorJohannMendel1822 1884 植物杂交试验 一文中指出 生物每一个性状都是通过遗传因子来传递的 遗传因子是一些独立的遗传单位 孟德尔的遗传因子阶段 摩尔根的基因阶段 顺反子阶段 1957年法国遗传学家本滋尔 Benzer 以T4噬菌体作为研究材料分析了基因内部的精细结构 提出了顺反子学说 经典遗传学对基因的最后认识 认为顺反子是编码一条多肽链的单位的概念 一个基因内部仍可划分若干个起作用的小单位 这个学说打破了过去关于基因是突变 重组 决定遗传性状的 三位一体 概念及基因是最小的不可分割的遗传单位的观点 操纵子阶段 1961年法国雅各布 F Jacob 和莫诺 J L Monod 提出了操纵子学说 从此根据基因功能把基因分为结构基因 调节基因和操纵基因 基因概念的进一步发展 70年代后 基因的概念随着多学科渗透和实验手段日新月异又有突飞猛进的发展1 基因具重叠性 2 断裂基因3 McClintock转座子4 假基因 基因重叠示意图 噬菌体 X174基因图 二 基因的概念 基因是原核 真核生物以及病毒的DNA和RNA分子中具有遗传效应的核苷酸序列 是遗传的基本单位 基因是DNA分子中含有特定遗传信息的一段核苷酸序列 是遗传物质的最小功能单位对于编码蛋白质的结构基因来说 基因是决定一条多肽链的DNA片段 第一类是编码蛋白质的基因 它具有转录和翻译功能 包括编码酶和结构蛋白的结构基因以及编码阻遏蛋白的调节基因第二类是只有转录功能而没有翻译功能的基因 包括tRNA基因和rRNA基因第三类是不转录的基因 它对基因表达起调节控制作用 包括启动基因和操纵基因 三 基因分类 三个小写英文斜体字母三个小写英文斜体字母加一个斜体大写字母质粒p 四 基因的命名 非编码区编码区非编码区53enhancerpromoter5UTR 3UTRexonintron 五 基因的结构 一 基因的作用基因对性状的表达作用可分为直接作用和间接作用 基因的作用及其调控 绝大多数情况下 基因是通过控制酶的合成间接地控制性状的表现 大多数生物性状的表现都属于此种作用 1 间接作用 指由基因直接作用于某个遗传性状 原因在于 遗传性状本身就是生物体的结构蛋白或功能蛋白 2 直接作用 人类的镰刀形红血球贫血症是由于控制血红蛋白的基因的结构中有1个碱基发生了变异 镰状细胞贫血 镰刀形红细胞 患者的红细胞呈镰刀状且极易破裂 因而引起严重贫血 甚至死亡 正常红细胞 镰刀形红细胞 红细胞圆盘状镰刀状 血红蛋白正常异常 氨基酸谷氨酸缬氨酸 mRNAGAAGUA 镰状细胞贫血发生原因 突变 CTT CTT GAA GUA 谷氨酸 缬氨酸 DNA mRNA 蛋白质 二 基因作用的调控 生物体的每一个细胞都含有相同的一整套基因 都具有发育成一个完整个体的潜能 而在个体发育的过程中 不可能所有的基因在任何时间 任何部位都发挥作用 而是只有在需要的分化时期和分化器官中才能发挥作用 进行遗传信息的转录和翻译 表达相应的性状 发育成相应的器官 执行相应的功能 否则就处于关闭状态 这说明基因具有对自身的调控作用 通过基因的调节系统 基因在生物个体发育的过程中各司其职 表现出各种不同功能的性状 这些性状组成一个完整而协调的生物体 细胞或生物体中 一套完整单倍体的遗传物质的总和 人类基因组包含24条染色体以及线粒体上的全部的遗传物质 一 基因组 genomic 基因组中不同的区域具有不同的功能有些区域编码蛋白质的结构基因有些区域复制及转录的调控信号有些区域的功能尚不清楚 基因组学 基因组学 genomics 是遗传学研究进入分子水平后发展起来的一个分支 主要研究生物体全基因组 genome 的分子特征 基因组学强调的是以基因组为单位 而不是以单个基因为单位作为研究对象 因此 基因组学的研究目标是认识基因组的结构 功能及进化 弄清基因组包含的遗传物质的全部信息及相互关系 为最终充分合理地利用各种有效资源 为预防和治疗人类遗传疾病提供科学依据 二 基因组学 基因组学的重要组成部分是基因组计划 如人类 水稻基因组计划 大体可分为 1 构建基因组的遗传图谱2 构建基因组的物理图谱3 测定基因组DNA的全部序列4 构建基因组的转录本图谱5 分析基因组的功能 基因组计划研究开始于1990年 美国国立卫生研究院 NIH 和能源部 DOE 联合启动了被誉为 人体阿波罗计划 的 人类基因组计划 humangenomeproject HGP 在美国提出人类基因组计划后 英 法 日 前苏联 中等 也相继启动了类似的研究项目 2000年6月26日 各国科学家公布了人类基因组工作草图 2001年8月26日 人类基因组计划中国部分测序项目汇报及联合验收会在京召开 标志人类基因组 中国卷 通过验收 1992年8月 中国根据国情正式宣布实施自己的 水稻基因组研究计划 已完成水稻基因组物理图谱的构建 2002年4月5日 Science 以14页的篇幅刊登和宣布中国科学家独立绘制完成的水稻基因组草图序列 4 6亿 一 基因组图谱的构建在进行大规模序列测定之前 构建基因组图谱是测定大基因组全部核苷酸序列的重要一环 基因组图谱可作为序列测定中制定测序方案的依据 以便先重后轻地分析基因 锚定测知的核酸序列在染色体上的位置 因此 在人类基因组计划实施过程中 首先用了六年时间构建高密度的基因组图谱 然后才进入测序工作 1 遗传图谱 1 图谱标记图谱构建中需要可以鉴别的标记 marker 在构建遗传图谱中 可用基因和DNA作为标记 基因标记 用基因作为标记 分析各基因间的连锁关系及遗传距离 绘制出连锁遗传图谱DNA标记 限制性内切酶多型性 RFLP 简单序列长度多型性 SSLP 单核苷酸多型性 SNPs 2 遗传图谱的构建人类基因组遗传图谱的构建 人类的遗传图谱是利用家系分析法 在对8个家系的134个成员的分析中 主要根据5264个STR标记绘制而成的 利用这些家系的资料绘制第1至22号染色体图谱 对于X染色体图谱 还利用了来自另外12个家系 170个成员的资料绘制而成 将5264个标记定位在2335个位点 据此构建的人类基因组遗传图谱的密度为每个标记599Kb 植物基因组遗传图谱的构建 选择亲本产生构图群体遗传标记的染色体定位标记间的连锁分析 2 物理图谱由于遗传图谱的分辨率有限 精确性不高 所以还要构建物理图谱 基因组物理图谱的构建主要有三种途径 限制性酶图谱 荧光原位杂交技术 FISH 序列标签位点 STS 如表达的序列标签 EST 来自cDNA 图9 27酵母菌第III染色体遗传图谱 A 与物理图谱 B 的比较 二 基因组图谱的应用 1 基因组序列测定2 基因定位3 基因组比较分析4 分子标记辅助选择5 基因的克隆与分离 三 后基因组学后基因组学 post genomics 是在完成基因组图谱构建以及全部序列测定的基础上 进一步研究全基因组的基因功能 基因之间的相互关系和调控机制为主要内容的学科 后基因组学主要利用DNA微列阵技术 蛋白质组学 酵母菌双杂交系统以及生物信息学等技术相结合 对已知的基因组序列进行研究 1 DNA微列阵DNA微列阵 DNAmicroarrays 就是利用DNA芯片技术 同时进行大量分子杂交 以分析比较不同组织或器官的基因表达水平 筛选突变基因 从核酸水平分析基因表达模式 2 蛋白质组学蛋白质组学 proteomics 是从蛋白质水平来研究基因组的基因表达 分析基因组的蛋白质类型 数量 空间结构变异以及相互作用的机制 3 酵母菌双杂交系统酵母菌双杂交系统 twohybrid systems 是利用在酵母菌的同一个细胞中共同表达不同蛋白质 以鉴定蛋白质之间互作的一种分析方法 4 生物信息学生物信息学 bioinformatics 是利用计算机贮存原始资料 分析生物信息 将DNA芯片以及蛋白质双向电泳结果转变成为可读的遗传学信息的学科 生物信息学是将现代生物技术与计算机科学结合 收集 加工和处理生物资料 图8 29酵母菌双杂交系统A 双杂交系统组成B 将A中的构建体混合 转化酵母菌 自从1996年酵母菌基因组全序列测定以来 在4年多时间里 全世界已有1000多个实验室 5000多名科学家从事酵母菌后基因组学的研究 共发表论文7000多篇 鉴定1060个新基因的功能 但仍然还有约1600个阅读框架的功能不清楚 这些结果充分说明后基因组学研究的复杂性 酵母1 5 107拟南芥1 0 107水稻4 3 108人类3 3 109玉米5 4 109 人类基因组计划 扩展课 humangenomeproject HGP 人类基因组计划 曼哈顿原子计划 阿波罗登月计划 六国科学家公布人类基因组细节研究成果一 基因数量少得惊人 一些研究人员曾经预测人类约有14万个基因 但塞莱拉公司将人类基因总数定在2 6383万 3 9114万个之间 如果最终确定出的基因数在这个范围内 比如3万个左右 那么 人类只比果蝇多大约1 3万个基因 塞莱拉公司的科学家测出的序列准确地覆盖了基因组的95 并已经确定了所有基因的2 3 平均测序精度为99 96 二 人类基因组中存在 热点 和大片 荒漠 人类基因组序列中所谓的 荒漠 就是包含极少或根本不包含基因的部分 基因组上大约1 4的区域是长长的 没有基因的片段 基因密度在第17 第19和第22号染色体上最高 在X染色体 第4 第18号和Y染色体上相对贫瘠 三 35 3 的基因组包含重复的序列 这意味着所有这些重复序列 即原来被认为的 垃圾DNA 应该被进一步研究 事实上 第19号染色体57 是重复的 除了重复片段 科学家还鉴定了210万个人与人之间不同的基因序列 这些序列被称为 单核苷酸多态性 它们通常是无害的 四 地球上人与人之间99 99 的基因密码是相同的 研究发现 来自不同人种的人比来自同一人种的人在基因上更为相似 在整个基因组序列中 人与人之间的变异仅为万分之一 人类基因组计划大事记1990年10月被誉为生命科学 阿波罗登月计划 的国际人类基因组计划启动 1998年5月一批科学家在美国罗克威尔组建Celera遗传公司 目标是投入3亿美元 到2001年绘制出完整的人体基因图谱 与国际人类基因组计划展开竞争 10月23日美国国家人类基因组研究所在美国 Science 科学 杂志上发表声明说 人类基因组计划的全部测序工作将比原计划提前两年 即在2003年完成 1999年3月15日英国韦尔科姆基金会宣布 由于科学家加快工作步伐 人类基因组工作草图将提前至2000年完成 9月中国获准加入人类基因组计划 负责测定人类基因组全部序列的1 也就是3号染色体上的3000万个碱基对 使中国成为继美 英 日 德 法之后第六个国际人类基因组计划参与国 也是参与这一计划的唯一发展中国家 12月1日国际人类基因组计划联合研究小组宣布 他们完整地译出人体第22对染色体的遗传密码 这是人类首次成功地完成人体染色体基因完整序列的测定 2000年3月14日美国总统克林顿和英国首相布莱尔发表联合声明 呼吁将人类基因组研究成果公开 以便世界各国的科学家都能自由地使用这些成果 他们是针对一些私营生物技术公司为了商业利益而与国际人类基因组计划展开竞争 并试图将自己的研究成果申请专利而发出此声明的 4月6日Celera公司宣布已破译出一名实验者的完整遗传密码 但不少欧美科学家对Celera公司的成果表示质疑 认为该公司的研究 没有提供有关基因序列的长度和完整性的可靠参数 因而是 有漏洞的 4月末我国科学家按照国际人类基因组计划的部署 完成了1 人类基因组的工作框架图 5月国际人类基因组计划完成时间再度提前 预计从原定的2003年6月提前至2001年6月 5月8日由德国和日本等国科学家组成的国际科研小组宣布 他们已经基本完成了人体第21对染色体的测序工作 6月26日各国科学家公布了人类基因组工作草图 我国1994年提出并开始实施的 中华民族基因组中若干点位基因结构的研究 项目 则正式将人类基因组计划纳入国家重点研究项目 同时在国家863计划中也做了适当的调整和安排 国家863计划在 九五 以重大疾病基因分离克隆及结构功能研究为目标正式立项 给予了较大的支持 在1997年列为重大项目后 支持的力度大大加强 为了合理配置和利用有限的资金和设备资源 我国人类基因组研究 南方中心 1998年初在上海成立了以陈竺院士为核心的国家人类基因组南方研究中心北京成立了中科院人类基因组研究中心和国家人类基因组北方研究中心 我国人类基因组研究工作正在紧张有序地进行着 完成了南北方两个汉族人群和西南 东北12个少数民族的DNA样本的收集整理工作 建立了733个永生细胞株 为我国多民族基因组的研究保存了宝贵的资源材料