医学分子生物学基因与基因组

基因与基因组 第二章 GeneandGenome 第一节基因 一 基因概念的发展二 基因的结构 一 基因概念的发展 1909 W L Johannsen将遗传因子改称为基因 gene 提出基因型和表型的概念1910 T H Morgan证实基因在染色体上1941 G W Beadle E L Tatum链孢霉中生化反应的遗传控制 提出 一个基因一个酶 学说 1958 Nobel 一个基因 一条多肽链 1944 M McCarty O Avery肺炎球菌转化实验1952 A Hershey ChaseT4噬菌体感染实验证实DNA是遗传物质 基因的概念 储存有功能的蛋白质多肽链或RNA序列信息 以及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列所构成的遗传单位 重点 二 基因的结构 一 结构基因 structuregene 基因中编码RNA或蛋白质的DNA序列 二 非结构基因结构基因两侧的一段不编码的DNA片段 参与基因表达调控 重点 一 结构基因1 原核生物的结构基因是连续的 RNA合成后不需要剪接加工 2 真核生物的结构基因由外显子 编码序列 和内含子 非编码序列 两部分组成 编码序列不连续 称为断裂基因 splitgene interruptedgene 3 GT AG法则真核基因中RNA剪接的识别信号 内含子的5 端以GT开始 3 端以AG结束 二 非结构基因参与转录调控的顺式作用元件 顺式作用元件 cis actingelement 能影响基因表达 但不编码RNA和蛋白质的DNA序列 包括启动子和上游启动子元件 反应元件 增强子 Poly A 加尾信号 重点 启动子 核心启动子和上游启动子元件 启动子 promoter DNA分子上被RNA聚合酶 转录因子识别并特异结合和启动转录的DNA序列 有方向性 位于转录起始位点上游 上游启动子元件 UPE 真核生物RNApol 的启动子 TATA盒 TATAbox 位于转录起始点上游 25bp左右 核心序列TATA A T A A T 与TATA结合蛋白结合 启动基因转录 珠蛋白基因启动子突变 TATAA TGTAA 降低mRNA的转录效率 地中海贫血 上游启动子元件 upstreampromoterelement TATA盒上游的一些特定DNA序列 反式作用因子可与这些元件结合 调控基因的转录效率 CAAT盒 CAATbox 位于 70bp左右 核心序列GGNCAATCT 与CTF结合 调控转录效率 GC盒 GCbox 位于 120bp左右 核心序列CCGCC 与转录因子SP1结合 促进转录的过程 CACA盒 CACAbox 位于 80 90bp 核心序列GCCACACC 珠蛋白基因CACA盒 88 87 86点突变 引起 地中海贫血 反应元件 responseelement 与被激活的信息分子受体结合 并能调控基因表达的特异DNA序列 糖皮质激素反应元件 cccaaagagctctgtgtcct 3 增强子 enhancer 与反式作用因子结合 增强转录活性 在基因任意位置都有效 无方向性 凝血酶基因增强子 922to 897 5 GTGTTCCTGCTCTTTGTCCCTCTGTC 3 广泛用于基因工程中 用于人工干扰素的合成 4 沉默子 silencer 基因表达负调控元件 与反式作用因子结合 抑制转录活性 e g 甲胎蛋白基因沉默子 cttcattaacttaattt 5 Poly A 加尾信号结构基因末端保守的AATAAA序列及下游GT或T富含区 被多聚腺苷酸化特异因子识别 在mRNA3 端加约200个A e g 珠蛋白AATAAA AACAAA 地贫 基因的结构 开放阅读框 openreadingframe ORF非翻译区 untranslatedregions UTR ORF 小结什么是基因 储存有功能的蛋白质多肽链或RNA序列信息 以及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列所构成的遗传单位 2 顺式作用元件有哪些 主要有启动子和上游启动子元件 增强子 沉默子 反应元件 Poly A 加尾信号 25 第二节基因组 genome 基因组 细胞或生物体一套完整单倍体的遗传物质的总称 26 例如 痘病毒 130 375kb HBV 3 2kb 1 不同病毒基因组可以是不同结构的核酸 单链线性RNA 双链线性DNA 双链线性RNA 单链环状DNA 2 不同病毒基因组大小相差较大 一 病毒基因组 HIV 腺病毒 轮状病毒 噬菌体 3 除逆转录病毒外 通常为单倍体基因组 二倍体基因组 逆转录病毒基因组的复制与基因表达 逆转录病毒的复制与表达 单链线性RNA 二倍体 有三个基本的结构基因 gag pol env 5 端有甲基化帽 3 端有poly A 尾 31 SARS冠状病毒 SARScoronavirus 4 有的病毒基因组连续 甲型流感病毒 influenzaAvirus H1N1 有的分节段 5 基因有连续的和间断的 大T抗原和小t抗原的mRNA有不同的剪接方式 猴病毒 SV40 6 病毒基因组大部分为编码序列 功能相关基因转录为多顺反子mRNA 核酸序列中功能相关的蛋白质基因或rRNA基因往往丛集在基因组的一个或几个特定的部位 形成一个转录单元 可被一起转录成多顺反子mRNA 掌握概念 7 有基因重叠现象 利用有限的核酸贮存更多的遗传信息 提高自身在进化过程中的适应能力 小结病毒基因组的结构特点 不同病毒基因组可以是不同结构的核酸 除逆转录病毒外 为单倍体基因组 病毒基因组有的是连续的 有的分节段 有的基因有内含子 病毒基因组大部分为编码序列 有基因重叠现象 7 功能相关基因转录为多顺反子mRNA 36 二 原核生物基因组 以大肠杆菌 Escherichiacoli 为例 染色体DNA 质粒DNA 37 一 原核生物基因组特点1 由一条环状双链DNA分子组成 2 通常只有一个DNA复制起点 掌握概念 乳糖操纵子 Lacoperon 结构基因 Z 半乳糖苷酶Y 半乳糖通透酶A 乙酰基转移酶 DNA 操纵子 operon 多个功能相关的结构基因成簇串联排列 与上游共同的调控区和下游转录终止信号组成的基因表达单位 3 结构基因大多组成操纵子 P51 39 39 多顺反子 polycistronic 原核生物的一个mRNA分子带有几个结构基因的遗传信息 4 结构基因无重叠现象 5 基因没有内含子 6 基因密度非常高 基因组中编码区大于非编码区 7 多为单拷贝 8 有编码同工酶的等基因 isogene 分支酸别构酶 entC isochorismatesynthase entB isochorismatase 乙酰乳酸合酶 ilvBN acetolactatesynthase ilvIH acetolactatesynthase 42 9 存在可移动的DNA序列 BarbaraMcClintock1902 1992 10 具有多种功能的识别区域复制起始区 OriC 复制终止区 TerC 转录起始区转录终止区 复制起始区 OriC 转录终止区 强终止子 有反向重复顺序 可形成茎环结构 其后为poly T 二 质粒 质粒 plasmid 为多数细菌和某些真核细胞染色体外的 具有自主复制能力的环状双链DNA分子 质粒的特性 在宿舍细胞内可自主复制 细胞分裂时恒定地传给子代 所携带的遗传信息能赋予宿主特定的遗传性状 质粒可以转移 48 三 转座因子 BarbaraMcClintock1902 1992 转座或移位 转座因子在基因组不同位置间的移动 转座因子 能够在一个DNA分子内部或两个DNA分子之间移动的DNA片段 如IS和转座子 转座因子的类别 1 插入序列 insertionsequence IS 小于2000bp 只有转座相关基因 IS3 2 转座子 transposon Tn 2 20kb 常带有抗性基因等其他基因 3 可转座的噬菌体 Mu噬菌体 Mu噬菌体 2 转座机制 复制型转座 是转座因子复制出一个新拷贝转移到基因组新的位置 简单转座 是转座因子从原来位置上切除并转移到基因组新的位置 转座酶交错切割原来的转座子末端和靶序列 复制型的转座过程 切割产生的靶序列3 端和转座子5 端之间发生DNA链交换 形成假复制叉 然后以靶序列的3 端为复制引物 以转座子链为模板进行复制产生共整合 最后在解离酶的作用下 2个拷贝的转座子发生同源重组并释放出2个复制子 转座作用的遗传学效应 转座引起插入突变 血友病 转座产生新的基因 促进生物进化 55 1 基因组由一条环状双链DNA组成 2 只有一个复制起始点 3 大多数结构基因组成操纵子结构 5 无内含子 转录后不需要剪接 4 结构基因无重叠现象 原核生物基因组的结构特点 6 基因组中编码区大于非编码区 7 多为单拷贝 9 基因组中存在可移动的DNA序列 10 非编码区主要是调控序列 8 有编码同工酶的基因 掌握 三 真核生物基因组 人类染色体核型 染色体DNA线粒体DNA 叶绿体DNA 一 真核生物基因组的特点1 每一种真核生物都有一定的染色体数目 2 远大于原核基因组 结构复杂 基因组庞大C值 C value 单倍体基因组中的全部DNA量 bp 3 真核基因为断裂基因 转录为单顺反子 单顺反子 monocistronic 一个编码基因转录生成一个mRNA 59 4 有大量重复序列 非编码序列多于编码序列 内含子调控序列 单一序列 重复序列 5 功能相关基因构成各种基因家族核苷酸序列或编码产物的结构上具有一定程度同源性的一组基因 家族内成员由同一个祖先基因进化而来 人生长激素 hGH 与绒毛膜生长催乳素 hCS 序列 真核生物基因组的结构特点 每一种真核生物都有一定的染色体数目基因组庞大 结构复杂 多个复制起点转录产物为单顺反子存在大量重复序列非编码序列多于编码序列功能相关基因构成各种基因家族 掌握 二 基因家族 genefamily 基因家族 是指一组有类似功能 核苷酸序列又有同源性的基因 1 基因超家族 supergenefamily 由多基因家族及单基因组成 成员间有不同程度的同源 但它们的功能不一定相同 2 基因簇 核酸序列相同多拷贝基因形成的基因簇 如rRNA tRNA 组蛋白基因家族 3 核苷酸序列高度同源 人生长激素 hGH 与绒毛膜生长催乳素 hCS 序列 是指一组有类似功能 核苷酸序列又有同源性的基因 4 编码产物的功能或功能区相同 但基因的核苷酸序列可能不同 PKCfamilyofproteins human 5 假基因 pseudogene 与有功能的基因相似 不表达或表达产物没有功能 珠蛋白基因簇中的假基因 三 人类基因组的重复序列 1 单拷贝序列在单倍体基因组中只出现一次或数次 结构基因主要是单拷贝序列 占DNA总量的40 80 如 蛋清蛋白基因 蚕的丝心蛋白基因 血红蛋白基因和珠蛋白基因等都是单拷贝的 2 中度重复序列 散在重复序列 10 105拷贝 基因组0 1 1Kb 拷贝占总DNA的10 40 如 rRNA tRNA的基因 某些结构基因如组蛋白基因 免疫球蛋白基因 该基因序列串联重复5000次 间隔区21 100bp 非洲爪蟾的rRNA基因结构示意图 间隔区21 100bp 灵长类动物特有的Alu家族 最丰富的中度重复序列 重复单位约300bp 重复30万 50万次 散在分布 具有种的特异性 有Alu 酶切位点 AG CT 而得名 3 高度重复序列 卫星DNA 串联重复序列 只存在于真核生物中 占基因组的10 60 2 100bp 拷贝 105 106拷贝 基因组卫星DNA 是异染色质的组成 如端粒 着丝粒 不转录 可能与染色体的稳定性有关 71 A 反向重复序列 5 AAACCACCGCTGGTAGCGGTGGTTT3 3 TTTGGTGGCGACCATCGCCACCAAA5 5 AAACCACCGCTAGCGGTGGTTT3 3 TTTGGTGGCGATCGCCACCAAA5 回文结构 两个序列相同的拷贝在DNA链上呈反向排列 常见于基因调控区 在基因组中约占5 回文序列可形成发夹结构 73 B 串联重复序列 卫星DNA satelliteDNA 有相同的核心序列 多为2 70bp 74 a 大卫星 macro satellite DNA 重复单位5 10bp 在群体中多态性不显著 75 b 小卫星 minisatellite DNA重复单位9 24bp 呈高度多态性 可变数目串联重复序列 核心序列 GGGCAGGAXG 端粒DNA TTAGGG n 2 20kb 染色体复制 末端保护 什么是DNA指纹 某些小卫星DNA序列的排列中的拷贝数是高度可变的 在不同个体中的变异极大 体现了基因的多态性 特点 高度的特异性稳定的遗传性体细胞稳定性方法 限制性酶切 Southern杂交 小卫星DNA与DNA指纹技术 c 微卫星DNA micro satelliteDNA 短串联重复 shorttandemrepeat STR 重复单位2 6bp 常见为 AC n和 TG n 重复次数10 60次高度多态性 可作遗传标记 微卫星DNA与多态性分析 微卫星DNA的核心序列的拷贝数在个体间呈现高度变异 因而具有高度多态性