基因的结构和功能

第九节 基因的结构和功能,基因（gene） 染色体上编码一个特定功能产物的一段核苷酸序列。,一、基因概念的发展（一）遗传“因子”： 孟德尔认为，生物性状的遗传由遗传因子所控制，性状本身不遗传。,（二）染色体是基因的载体： 摩尔根实验证明基因位于染色体上，并呈直线排列，并由此提出基因既是一个功能单位，是一个突变单位，也是一个交换单位的“三位一体”概念。,（三）DNA是遗传物质： 1944年Avery通过肺炎球菌的转化实验，证实DNA是遗传物质而非蛋白质。,（四）基因是有功能的DNA片段1941年Beadle和Tatum提出一个基因一个酶假说，沟通了蛋白质合成与基因功能的研究。1953年Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型，明确了DNA的复制方式。,1958年Crick提出中心法则，1961年提出三联体遗传密码，从而将DNA分子结构与生物体结合起来。1957年Benzer用大肠杆菌T4噬菌体为材料，提出了顺反子（cistor)的概念，证明基因是DNA分之上一个特定的区段，是一个功能单位，包括许多突变位点（突变子），突变位点之间可以发生重组（重组子）。,（五）操纵子模型 1961年法国分子生物学家Jacob和Monod通过对大肠杆菌乳糖突变体研究，提出了操纵子学说（operon theory)。阐明了基因在乳糖利用中的作用。,（六）跳跃基因（转座子）和断裂基因的发现 40年代芭芭拉在玉米的控制因子的研究中指出跳跃基因。 70年代后发现大多真核生物基因都是不连续的，被不编码序列隔开，称断裂基因。,基因组(genome) :指生物完整的一套 单倍体细胞(性细胞)中所含有的全 部基因，用n表示。,二、基因组的特点,如人： 22常+ X， Y，+ 线粒体基因组,基因组的结构：,指不同的基因功能区域在核酸分子中的分布和排列情况。,基因组的功能：贮存和表达遗传信息。,1基因组大小相差很大：,HBV：3.2kb 痘病毒：300 kb,2核酸结构多样性,DNA或RNA单链或双链环状分子或线性分子,3基因组有连续的，有不连续的,大多数连续流感病毒：8条单链RNA,4编码序列90%(基因组),(一)病毒基因组,1.基因组为环状双链DNA分子,2.只有一个复制起始点.,3.具有操纵子结构,4.基因是连续的,无内含子,5.编码区在基因组中的比例, 真核基因组 105,卫星DNA成串排列，简单重复，集中分布在染色体的着丝粒、端粒、随体上，占5%-6%,卫星DNA分类:卫星DNA：重复长度5-10bp小卫星DNA：重复长度15-70bp，高度特异性。微卫星DNA：重复单位为2-5bp，常见的是以（AC）n、（TG）n的二聚核苷酸为重复单位。卫星DNA：人类中重复单位为171bp,4.多基因家族(multigene family),多基因家族:是指一个祖先基因经过 重复和变异所形成的一组基因,它们 在基因组中相互之间仅有微小的差 别,行使相关的功能。,如:组蛋白基因家族: 5个成员（H1,H2A,H2B, H3,H4）,5个基因串联排列形成一个重复单位,但不同生物中排列不同,海胆: H1-H4-H2B-H3-H2A果蝇: H2B-H2A-H4-H3-H1水螈: H1-H3-H2B-H2A-H4,一类是由一个基因在进化过程中产生的多个拷贝,碱基序列基本相同,成簇排列于同一条染色体上,形成一个基因家族,同时合成某种蛋白质。 另一类是一个多基因家族中的不同成员成簇地分布于几条不同的染色体上，这些成员的序列虽然不完全相同，但是编码的蛋白质在功能上密切相关。,假基因（pseudogene) 在多基因家族中某些与正常功能基因在核苷酸序列上相似，但不能转录或转录后生成无功能基因产物的DNA序列，被称为假基因。 假基因常用符号表示，如1 表示与1 相似的假基因。,5. 超基因家族（supergene family）,在结构上有不同程度的同源性，但功能不一定相同。,如：免疫球蛋白超基因家族,三、真核基因的断裂基因,Phillip A.Sharp,Richard J.Roberts,1993年度诺贝尔生理学奖,(一)概念,断裂基因:真核生物结构基因中的编码序列被非编码序列隔开,形成镶嵌排列的断裂形式,这种基因被称为“断裂基因”。,(二)外显子和内含子,外显子（exon或extron)：在成熟mRNA上反映出的DNA区段，即DNA序列中被转录成为mRNA的片段。内含子(intron)：在成熟mRNA上未反映出的DNA区段。,人珠蛋白基因结构示意图,E：外显子 I：内含子,(二)外显子和内含子的接头,GT,AG,(三)调控序列,调控序列,启动子,TATA框,CAAT框,GC框,增强子,终止子,启动子（promoter),RNA聚合酶特异性识别和结合的DNA序列，位于结构基因转录起始点的上游-25bp处，本身不被转录。启动子必须与转录因子结合才能被RNA聚合酶识别与结合。TATA，CAAT，GC,增强子（enhancer),其中含有多个能被反式作用因子识别与结合的顺式作用元件，能调控（常为增强）邻近基因的转录。一般位于转录起始点上游-100-300bp处，但在基因外或某些内含子中也有增强子序列。负增强子（negative enhancer)又称沉默子（silencer)：负调控序列。,终止子（terminator),位于3端非编码区的下游，在转录中提供终止信息。 在结构基因的最后一个外显子中有一个保守的AATAAA序列，此位点下游有一段GT丰富区或T丰富区，这两部分序列共同构成poly(A)加尾信号。 终止子的终止作用不是DNA序列本身，而是发生在转录成的RNA。,人珠蛋白基因结构示意图,E：外显子 I：内含子,结构基因,编 码 区,非编码区,四、转座因子(transposable element),1940s, B.McClintock(荣获1983年诺贝尔生物医学奖)在玉米中首次发现。,五、基因表达的调控,(一)原核生物基因表达的调控,操纵子(operon):是指功能上相关的一组基因串联组成的一个转录单位,由调控序列和结构基因两部分组成。调控序列位于转录起始点附近，包括启动子和操纵基因（operator,O）。,1.操纵子,2. 乳糖操纵子,调节基因（R）,操纵子,启动基因（P）,操纵基因（O）,结构基因(LacZ、LacY、LacA),2.乳糖代谢调控,(1)阻遏,(2)诱导,(二)真核生物基因表达的调控 1.转录前的调控,(二)真核