基因的概念和结构移动基因与核外基因

第 七 章 基因的概念和结构,第一节基因的概念及其发展,一、经典遗传学关于基因的概念 年:丹麦学者约翰逊提出基因的概念来的，用于取代孟德尔的遗传因子，但在这一阶段基因仍是一个形象的概念，并不知道它的物质基础是什么，而只能通过基因的遗传学效应来感知它。 19年:摩尔根等人首次将基因与染色体联系起来，认为基因在染色体上呈直线排列。按照经典遗传学对基因的概念，基因具有下列共性：,基因可自我复制并具有相对稳定性，在减数分裂和有丝分裂中有规律地进行分配这是染色体的主要特征之一。 基因在染色体上占有一定的位置（位点），并且是交换的最小单位，即在重组时不能再分割的单位（即基因是一个重组单位）。基因是一突变单位，以整体进行突变的。 基因是一个功能单位，控制着有机体生长和发育中的一个或某些性状。三位一体,二、基因的概念发展 上个世纪年代Benzer在噬菌体基因的研究中发现基因并不是最小的不可分割的单位，基因内部还有精细的结构。,互补测验：T4噬菌体迅速裂解大肠杆菌，所需的酶是在T4DNA的r区控制下合成的。两个突变型同时感染大肠杆菌，可以弥补对方的缺陷，引起溶菌的现象。 用于测定不同突变之间的功能关系。方法是使两个突变处于反式结构，观察两个突变之间是否可以互补，可以互补说明两个突变处于不同的功能单位，反之，生命处于相同的功能单位。,Benzer将顺式结构与反式结构的遗传学效益不同的现象称为顺反位置效应。并将具有顺反位置效应的功能单位称为顺反子（cistron)。 按照现代遗传学的概念， 基因的突变重组，功能这三个单位应分别是： 突变子（muton）：是性状突变时，产生突变的最小单位。一个突变子可以小到只有一对核苷酸。 重组子（recon）：在发生性状重组时，可交换的最小单位，一个交换子只包含一对核苷酸。 顺反子（作用子）（cistron）：是基因的功能单位，即起作用的单位。基本符合通常所指的基因,三、分子遗传学关于基因的概念 基因是DNA（RNA）分子上一段特定的核苷酸顺序，它具有突变、重组、转录并产生基因产物（RNA或蛋白质）的遗传学功能单位。,第二节 基因结构 一、操纵子（） 1961年由Jacob & Monod提出，指由操纵基因和启动基因以及紧密连锁着的若干个结构基因所组成的功能单位，其中结构基因的转录为操纵基因所控制。 ,：调节基因；：启动基因；：操纵基因；：半乳糖苷酶基因；：半乳糖苷透性酶基因；：转乙酰基酶基因。,现在已发现有多种类型的操纵子，它们的调节控制机制，将在以后介绍。,1 大肠杆菌的乳糖操纵子,无乳糖,加乳糖,2. 色氨酸操纵子 和乳糖操纵子正好相反，因为它是调控色氨酸合成有关酶的合成。在色氨酸存在时候关闭，没有色氨酸时打开。为色氨酸负控机制。,二、多基因家族（multigene family） 也称基因家族（gene family）：指来源相同、结构相似、功能相关的一组基因。家族成员可以排列在一起构成所谓的基因簇（gene cluster)，也可以分散排列。 基因家族可分为四种类型： 简单的多基因家族 、复杂的多基因家族 、不同场合表达的复杂的多基因家族 、散在分布的多基因家族，如癌基因。,三、基因复合体（gene complex），也称超基因（supergene）：是指紧密连锁在一起的共同决定某一性状的一组基因。亦有人认为超基因就是一个大的基因簇，其成员可达几百个。 人类的主要基因复合体有： 免疫球蛋白基因复合体 主要组织相容性复合体（major histocompatibility complex, MHC） 次要组织相容性复合体（minor histocompatibility complex）,人类白细胞抗原（hunman leuKocyte antigen，HLA）,是主要组织相容性抗原，有一组连锁基因编码，这组基因称为主要组织相容性复合体基因 （major histocompatibility complex gene , MHC）。 异体移植的免疫作用： 抗宿主反应：受体抗原供体抗体； 排斥反应： 受体抗体供体抗原,HLA的遗传机制：,1 、主要组织相容性抗原按免疫性分为三类：第一类：移植抗原（transplantation antigen）, 位于T淋巴细胞上， 编码基因为：HLAA，B，第二类： 免疫反应的信息传递抗原。 编码基因为：HLADR，DQ，DP第三类： 补体蛋白，与抗原抗体复合物作用。 编码基因为：HLAC2，C4，Bf同一条染色体上的基因组成被称为单倍型（haplotype）,HLA-ABCDPDQDR .DP DQ DR C4 C2 B C A 70 41 123 212 51 55第II类 第三类 第一类 一组功能相近，紧密连锁的基因，称为超基因（Super gene） 同一条染色体上的基因组成被称为单倍型(haplotype）,2 白细胞抗原基因连锁图与基因,HLA-A HLA-B HLA-C HLA-DR HLA-DQ HLA-DPA1 B5 Cw1 DR1 DQ1 DPw1A2 B7 Cw2 DR2 DQ2 DPw2A3 B8 Cw3 DR3 DQ3 DPw3A9 B12 Cw4 DR4 . DPw4A11 B13 Cw5 DR5 . Aw19 B14 Cw6 DRw6Aw33 Bw22 Cw7 DR7Aw36 Bw59 Cw8 DRw8. . . .,3 白细胞抗原的基因分布,HLA-A 白人 黑人 黄种人 A1 0.15 0.03 /A2 0.26 0.15 0.30A3 0.12 0.07 0.01A11 0.06 0.01 0.25A25 0.02 / /Aw43 / 0.01 /Aw36 / 0.02 /,HLA-B 白人 黑人 黄种人 Bw4 0.41 0.41 0.35 B7 0.09 0.09 0.02 B13 0.03 0.01 0.03 B38 0.03 / 0.02 Bw45 0.04 0.04 / Bw46 / / 0.05,A26 B38 A2 Bw46 犹太人单倍型 黄种人单倍型Bw45 在黄种人中极少，在美洲的印第安人，爱斯基摩人等人群中，该抗原也极少，推测与种族的起源有关。HLA基因座频率可作为一种特定的标记来研究人的婚配和迁徙及各民族间的遗传上的关系。,同一种族中，不同地区的白细胞抗原基因分布也有不同。 广西 四川 武汉 上海 北京 爱斯基摩人 A2 5 24 27 23 57 58,HLA-B27抗原与强直性脊椎炎强关联。 患者中90以上都是B27抗原。如果一个人有50的可能是强直性脊椎炎，检查他的白细胞抗原，有B27抗原，他的患病的机会就大大增高。反之，则减少有病的可能性。 HLA-DR3抗原在疱疹样皮炎患者中占85%。,4 白细胞抗原与人类疾病,四、假基因（pseudogene） 在多基因家族中某些成员和编码某一蛋白质的结构基因在结构上相似，但并不产生有功能的基因产物，这些基因称为假基因。 两类型的假基因： 由正常基因的突变、缺失、重复等原因导致基因不能正常表达。 缺少正常基因的部分元件、内含子等，更象正常基因经反转录后产生的，有人称其为加工基因（processed gene）、反转录基因（retrogene）及反转录转座子（retrotrsansposon）。,五、断裂基因（split gene)intron & extron) (一）、断裂基因的发现： 1977年法国科学家Chambon 在研究雌激素与蛋白质合成的关系时以外发现，并获1993年诺贝尔奖。 他从鸡的输卵管和血球中分离核DNA，分别用EcoRI和HindIII酶解、电泳，然后与卵清蛋白cDNA探针进行Southern bolt分子杂交，发现卵清蛋白基因在cDNA和核DNA的结构有些不同。,血球 输卵管 血球 输卵管,（二）、与断裂基因有关的几个基本概念 1.外显子(exon):是存在于成熟RNA中的序列。（根据这个定义，一个基因起始于5端的外显子，终止于3端的外显子）。 2.内含子(intron)：是指存在于初始转录物中，而在RNA加工过程中被剪接除去的那些间隔序列。 内含子和外显子是相互依赖而存在的, 有N个外显子,就有N-1个内含子。 不同基因的内含子数目多少，链长大小并不相同。 人dystrophin 基因(与营养障碍有关)有64个内含子；人 c-abl 基因的第一个内含子有20多万bp；烟草叶绿体 Lys-tRNA 基因的内含子长达2526 bp, 比 tRNA 本身(70 bp)长35倍。,内含子起源于约35亿年前,直到1977年才首次被发现。 内含子存在于 真核细胞大部分 核编码的蛋白基因 细胞器编码的蛋白基因 一些细菌和噬菌体中也发现有内含子。 至今为止，尚无例外，内含子和外显子是同时被转录的。,（三）、剪接(splicing) 剪接是RNA加工的一种机制，其作用是从前体RNA上除去内含子并拼接外显子。剪接可有多种方式A. 根据剪接反应是发生在同一个前体RNA分子内，还是发生在两个或多个不同的前体RNA分子之间，可分为: (1) 顺式剪接: 剪接反应发生在同一个前体RNA分子内。(分子内剪接) (2) 反式剪接: 剪接反应发生在两个或多个不同的前体RNA分子之间。(分子间剪接)B. 根据剪接反应是否需要蛋白酶的参与，可分为: (3）自我剪接: 不需要蛋白酶的参与。 (4）酶促剪接: 需要有一系列酶催化剪接反应。C. 根据剪接反应的产物是固定的,还是可变的，可分为: (5) 固定剪接: 只产生固定的一种剪接产物。 (6) 可变剪接: 可产生多种不同的剪接产物。,D. 剪切识别顺序：为了使剪接能够正确无误地进行，必然要求在内含子与外显子之间的交界处有某种特异的识别信号。从许多实验结果中发现，内含子与外显子的交界序列和内含子的内部结构对剪接的识别有重要作用。(1) Chambon规则 (Chambons rule) Chambon在分析总结了多种真核生物基因的90个内含子顺序后，发现在前体mRNA中，内含子的5和3端的碱基组成有很强的规律性: EX 1 5GU-AG 3 EX 2 供位 受位 Donor Acceptor,(2) 剪接点的灵活性 在许多基因的外显子和内含子两端交界处的序列上发现有一致序列（consensus sequence）, 具推测，它们的作用除了与剪接识别有关外，还可使剪接点有一定的灵活性。(3) A区前体mRNA剪接时，除了需要符合Chambon规则外，还与内含子3端剪接点上游的一段几十个核苷酸的序列有关。(A区)EXON 1 ag GUaugu- uacuaAc-(Y)n-YAG g EXON 2 5 3 EXON 1 agg EXON 2,（四）、断裂基因的普遍性及其生物学意义 1. 断裂基因的普遍性 现已证明,断裂的基因结构是真核生物体中最常见的结构。 从: 酵母 植物 人类 从核基因 线粒体基因 叶绿体基因都发现有断裂基因。 断裂基因不仅存在于编码蛋白质的基因, 而且也存在于编码以RNA为终产物的基因(rRNA, tRNA, SnRNA)。 在比细菌高级的生物体中,99%以上的基因是断裂基因。平均每个基因只有大约20%的长度是可以表达的，每个基因通常有8-10个插入序列，而且插入序列的长度要远大于可表达序列。,2. 断裂基因的生物学意义 (1). 有利于变异和进化 A. 内含子序列的变化要比外显子序列快得多，其中尤以内含子序列长度的变化最为显著, 某些内含子在进化过程种会被丢失。这些现象表明，内含子序列通常是没有功能的，所以它的变化很少受约束。 B. 在进化过程中，单一点突变通常很难产生经过改变很大的蛋白质。尤其当它发生在编码序列中某个密码子的第三位核苷酸时该突变往往是沉默的，即没有明显的异常表型。但当它发生在影响正常剪接的部位时，就会使蛋白发生较大的结构改变，表现出明显的突变效应。 C. 内含子序列大大长于外显子序列，这就增加了基因间重组的机会，有利于产生新的基因。,(2). 有利于储存较多的遗传信息 在断裂基因中,同一段DNA可以通过转录后的不同加工方式，表达出不同结构的蛋白质。 猴病毒SV40中同一段DNA可以转录出编码两种蛋白质的两种mRNA(大T和小t)。 多瘤病毒中同一段DNA可以转录出编码大、中、小三种不同的mRNA。 人的一个纤维粘连蛋白基因(Fibronectin gene)在不同的组织中或条件下，通过可变剪接方式可以表达出至少20种不同的蛋白质。,六、重叠基因(Overlapping gene) X174：年等人对噬菌体的核苷酸顺序进行分析时，发现了基因的重叠现象，同时还发现遗传密码也有重叠现象。 所谓重叠基因，是指相邻的两个基因共用一段核苷酸顺序的现象。 ,有三种重叠方式： 完全重叠：如B基因落在A基因内，E基因落在D基因内。 部分重叠：如K基因与A及C基因。 少数核苷酸重叠：A基因与C基因,基因重叠的意义： 用有限的核苷酸储存最大的信息量 与基因的表达调控有关 在进化上有一定的意义,六 可动基因( mobile gene),这些基因或转座因子既可以沿染色体移动，也可以在不同染色体之间跳跃。转座因子又称为跳跃基因（jumping gene）。,6.1 转座因子的发现 1914年Emerson 研究玉米果皮色素遗传, 发现一种花斑果皮的突变类型可发生多次回复突变，从而产生宽窄不同、红白相间的花斑。这种花斑的产生在于突变基因的不稳定性，但如何不稳定他不得其解。1938年Rhoades 研究玉米籽粒糊粉层色素遗传，发现修饰的孟德尔分离比：有色：斑点:白色12: 3:1，而这两个基因是不连锁的。他认为 基因A1（控制色素）a1表现为无色； 另一基因Dt（斑点）表型为有色斑点。这样原品系的基因型为A1A1dtdt，突变后产生了A1a1Dtdt的植株，这种双突变植株自交就产生了上述比例,（a）由于转座因子而引起的玉米籽粒花斑的表型（b）最初认为玉米籽粒花斑形成是双突变的结果,但是什么因素导致或产生花斑呢？一种可能是在体细胞中产生了回复突变a1A1，但大量的斑点需要很高频率的回复突变。Rhoades用a1a1Dt_（花斑）特殊无性生殖植物与a1a1的植株测交,结果有的后代完全是有颜色的,表明在亲本中每个斑点实际上是回复突变的表型效应。 a1成为首次发现的不稳定突变等位基因的例子,而这种等位基因的不稳定性取决于不连锁Dt基因的存在。一旦回复突变发生，它们就变得稳定了；即Dt基因能离开A1基因，这时A1的表型不再改变。因而Dt的缺乏使得表型保持稳定。Rhoades发现了某些基因的不稳定性，而且这种不稳定性是由另一个独立的因子所控制。但仍未揭示这种不稳定性的遗传学机制，也缺乏实验证据,1940年至1950年McClintock 在美国康奈尔大学和冷泉港实验室工作期间，研究了玉米胚乳的紫色、白色以及白色背景上带有紫色斑点这些表型之间的相互关系。她发现花斑表型是不稳定的，并根据自己的遗传学和细胞学研究结果推断“花斑”这种表型并不是一般的基因突变产生的，而是由于一种控制因子的存在所导致的。,McClintock认为原来的C突变（无色素）是由一个“可移动的遗传因子”，即解离因子（dissociator）Ds的插入所引起，它插入到C基因中。另一个可移动的因子是激活因子Ac（activator），它的存在激活Ds转座进入C基因或其他基因中，也能使Ds从基因中转出，使突变基因回复，这就是著名的AcDs系统。 McClintock还发现Ds可导致所在位置的染色体断裂，这种断裂可以通过细胞学和遗传学的方法加以检测。Ds存在的玉米的9号染色体的一条臂上，该染色体一端带有结节（knob），这一特征性结构极易辨认，在Ds处易发生断裂。当Ds插入C 基因后籽粒为无色，当Ac激活Ds从C基因切离后，则籽粒出现有色斑点，而且斑点大小取决于产生它的细胞分裂次数。,Ds转座导致籽粒斑点表型,染色体的断裂结果还会形成断裂融合桥（breakagefusionbridge）,玉米色粒调控元件 :玉米转座子Ac-Ds系统 第9染色体 C基因: 色素合成基因。 Ac基因:自主移动的调节因子。4.5 kb, 5个exon, 编码转座酶。 Ds基因: 非自主移动的受体因子。 0.5-4.0 kb, 与Ac有同源序列。 插入引起色素不能合成。,McClintock根据大量遗传学和细胞学研究结果，于1951年提出了生物的基因组中存在转座因子学说。这些转座因子既可以沿染色体移动，也可以在不同染色体之间跳跃。这是遗传学发展史中划时代的重大发现，将基因概念向前推进了一大步。但这项划时代的成果并未受到当时同行们重视。直到20世纪60年代Jacob和Monod的乳糖操纵子模型和基因调控理论发表后，特别是Shapiro在细菌中也发现了可转座的遗传因子后，这一成果才被接受。,（1）转座重组 转座：在转座酶的作用下，转座因子或是直接从原来位置上切了下来，然后插入染色体的新的位置；或是染色体上的DNA序列转录成RNA,RNA反转录产生的cDNA插入染色体上新的位置，这样，在原来位置上仍然保留转座因子，而其拷贝则插入新的位置。 转座重组：由于在转座酶的作用下转座因子插入染色体或切离染色体而产生的遗传重组。,（2）、转座子的类别,2.1 原核生物中的转座因子,从分子遗传学角度解释极性效应：（1）IS中可能有终止子信号，它的插入会造成mRNAmRNA的转录的终止（2）含有无义密码子，造成翻译的终止由此影响到后续基因的翻译,插入序列IS (Insertion sequence),IS结构模式图,转座子(transposon, Tn),带有转座酶基因等必需基因及抗药性等与转座无关基因的转座因子。 结构特征:两端具有同向或反向插入序列，同时，两端的IS可能相同或不同。 常见的转座子：转座子 长度 标记 末端 取向 Tn 5 5700 KanR IS50 反向Tn10 9300 TetR IS10 反向Tn 9 2500 CamR IS 1 正向,转座噬菌体 1963年Taylor 发现Muphage（Mutatorphage） Mu噬菌体是一种以大肠杆菌为寄主的温和噬菌体，以裂解生长和溶源生长两种方式交替繁衍自已，同时它又能像IS和Tn一样可以在宿主基因组上随机进行转座。即Mu噬菌体具有温和噬菌体和转座因子的双重特性。 Mu是一种DNA噬菌体，38000bp 线状DNA，游离噬菌体和整合状态具相同的基因次序，Mu-DNA不含末端反向重复序列，这是和其它转座子不同的地方。游离时与整合时的差别，在于两个末端序列的变化游离：两端连接着一段寄主DNA，左端100bp,右端1500bp整合：再一次整合时，这两段序列消失,Mu的插入途径：（1）溶源化过程：插入寄主的任意部位，造成靶点的倍增5bp (2) 裂解生长：子代MuDNA全部随机插入寄主DNA，能作为转座子再造成其它靶点上的插入。Mu的复制能力和它的转座能力是密切相关的，Mu的生存依靠转座，复制转座是其正常生活史中的一种方式。Muphage的另一结构特点：区：含有包括A、B基因等大多数基因右侧3kb的G区序列：含Sv、U、U和Sv4个基因区：含gin等两个基因在转录时G区序列的不同走向导致了不同的寄主特异性：G（）Sv和U基因表达吸附E.coilK12菌株G（）Sv和U基因表达E.coilC菌株,DNA转座的转座机制,(1)复制转座 Replicative transposition(2)非复制转座 Nonreplicative transposition(3)保守转座 Conservative transposition复制转座:转座子在转座过程中被完整地复制。在新的位点上的转座子是供体转座子的一个完整的拷贝。 即：一个拷贝仍在原位，而另一个同样的拷贝插入新的位点。在该转座过程中，伴随着转座子的拷贝数的增加。复制转座由两种酶催化： 转座酶 作用于原转座子的末端 解离酶 对已复制的拷贝起作用TnA等一组相关的转座子的移动仅由复制转座机理而进行。,2.2 真核生物中的转座子,果蝇的转座子P (P Element),雌M果蝇 X 雄P果蝇 不育雄M果蝇 X 雌P果蝇 育,开放阅读框 Exon0Exon1Exon2Exon3 内含子 1 2 3P因子表达差异： Exon 0，1，2 66 KD，转座阻遏物 Exon 0，1，2，3 87KD，转座酶P型细胞质：含66 KD，阻遏转座,P雌 X P雄 细胞质含p因子转座阻遏物 含p因子 P因子不能转移 可育 P雌 X M雄 细胞质含P因子转座阻遏物 无p因子 P因子不能转移 可育 P雄 X M雌 含P因子 细胞质不含阻遏物 P因子能转移 不育,不育机理,反转录转座子（retrotransposon）,反转录转座子：通过RNA为中介，反转录成DNA后进行 转座的可动元件。 病毒超家族（viral super family），可编码反转录酶或整和酶，自主转录。呈DNA时，具有LTR序列。 非病毒超家族（nonviral super family）,不编码反转录酶或整和酶，不能自主转录。呈DNA时，无LTR序列。在细胞内已有的酶系统作用下进行转坐。,酵母的转座子 Ty （Transposon yeast）,真核基因组中的重复序列,1. 长散在重复序列 LINE Long Interspersed Nuclear Elements 可自主转座的反转录转座子，来源于RNA polymeraseII 的转录产物L1为LINE中的一种重复序列，长约6500bp，哺乳动物基因组中的拷贝高达10万份，主要分布在AT富集区。2. 短散在重复序列 SINE short Interspersed Nuclear Elements 非自主转座的反转录转座子，来源于RNA polymeraseIII 的转录产物长度在130bp到300bp间。Alu序列为SINE家族成员，约50万份拷贝，平均每4-6kb就有一个Alu序列。Alu序列一般散在分布，少数成簇分布。在所有已知基因的内含子中，几乎都发现了Alu序列。,2.3转座机制比较,插入突变插入失活插入带来新的基因非精确解离形成突变(缺失，重复，到位)插入激活,2.4转座引起的遗传效应,核遗传 细胞质遗传1.性状由核基因控制 性状由胞质基因控制2.遗传方式为mendel式 非mendel式3.后代出现一定的分离比 不出现分离比4.正反交结果一样 正反交结果不一样 F1显性性状 F1表现为母方性状,七、染色体外基因,线粒体基因组,线粒体是真核细胞中的细胞器。每个细胞中含有几十至数千个线粒体。每个线粒体有多个线粒体基因组拷贝。线粒体是非孟德尔式遗传方式，在高等生物中具有母性遗传的特征。,mt DNA的遗传特征,1. 母性遗传：mtDNA全部来自母亲，非孟德尔式遗传，线粒体随机分配到子细胞。2. 高突变率：具有突变和缺失热点。3. mtDNA无内含子，无修复系统。4. mtDNA复制，转录，翻译所需的酶由核基因组提供。5. mtDNA一般没有蛋白质保护。6. mtDNA合成存在与细胞整个周期。,mtDNA致病的遗传机制,线粒体基因组本身突变线粒体基因组突变可以引起视觉神经和心肌性疾病。点突变：由于mtDNA裸露，易受损伤，且无修复机制。所以突变频率较高。11778密码突变，Arg-His 视觉神经性疾病。,缺失：常见5kb, 8470bp-13447bp 缺血性心肌病 7.4kb, 8637bp-16073bp 原发性心肌病mtDNA插入核基因组溶酶体途径：核酸水