医学生物学生命的遗传和变异基因的结构和功能

医学生物学,第二篇 生命的延续,讲师：陈晶 QQ：354275129 email:354275129,第四章 生命的遗传和变异,第九节 基因的结构和功能,（一）基因组（Genome),基因组:是指在细胞或生物体中，一套完整单体的遗传物质的总和。,一 基因组与基因的一般概念,合成功能多肽或RNA顺序必须的完全核酸顺序（通常是DNA顺序）。,编码蛋白质肽链或RNA分子的核酸序列,保证转录所必需的非编码的调控序列,结构基因,编码区上游5端的启动子非编码序列,内含子（intron）,位于编码区下游3端的终止子非编码序列。,非编码区（包含调节基因）,（二）基因（Gene）,（三）基因组的结构,基因组的结构:主要指不同DNA功能区域在DNA分子中的分布和排列情况。,绝大多数生物体的遗传物质是DNA，个别生物（主要指RNA病毒）的基因组由RNA组成。,（四）原核生物和真核生物的转录单位,1. 细菌操纵子产生多顺反子mRNA,操纵子（operon） ：在细菌中，一些功能上相关的酶的基因常一个紧接着一个地串联排列，受同一操纵区控制，这种由多个结构基因及其共同的转录操纵区组成的单一转录单位称为操纵子。,顺反子（cistron）：编码一个多肽的mRNA称顺反子。,多顺反子（polycistronic）：编码若干多肽的mRNA被称为多顺反子。,2.大多数真核基因产生单顺反子,二 病毒基因组的一般结构特点,（一）病毒概述：,完整的病毒颗粒包括外壳蛋白和内部的基因组DNA或RNA。,根据病毒宿主分：植物病毒、动物病毒和细菌病毒（又称噬菌体）。,根据基因组的核酸类型分：DNA病毒和RNA病毒。,（二）病毒基因组结构特点：,1.不同病毒基因组大小相差较大。如乙肝病毒（HBV）基因组DNA为3.2kb，编码4种蛋白，而痘病毒基因组DNA为300kb，编码几百种蛋白。,2.病毒基因组可由DNA组成，也可由RNA组成，但每种病毒颗粒只含有一种核酸。病毒基因组的DNA或RNA可能是单链的，也可能是双链的，可能是闭合环状的，也可能是线性的分子。如X174基因组DNA为单链环状DNA，腺病毒基因组为线性双链DNA。,流感病毒,3.DNA病毒基因组均由连续的DNA分子组成。多数RNA病毒基因组也由连续的核糖核酸链组成，但有些则以不连续的核糖核酸组成。如流感病毒由8条不同的单链RNA分子构成，均含有编码蛋白质的信息。,4.常见基因重叠现象，即同一段DNA可编码两种甚至三种蛋白质分子，这种现象在其他生物细胞中仅见于线粒体DNA和质粒DNA中。,基因重叠可分为以下几种情况：,（1）一个基因完全包含在另一个基因之内； （2）部分重叠； （3）两个基因只有一个碱基重叠。,5.病毒基因组的大部分是用来编码蛋白质的，只有很小的一部分不编码蛋白质。, 6.病毒基因组DNA序列中功能上相关的蛋白 质基因往往丛集在基因组的一个或几个特定的部位，形成一个功能单位或转录单元，它们可被一起转录成含有多个mRNA的分子（称为多顺反子mRNA），后加工成各种蛋白质的mRNA模板。,7.除逆转录病毒基因组有两个拷贝外，至今发现的病毒基因组都是单倍体，每个基因在病毒颗粒中只出现一次。,8.噬菌体的基因都是连续的，而多数真核细胞病毒常含不连续基因。,三 原核生物染色体基因组结构的一般特点,1.原核生物的遗传物质以一大团或几大团的形式集中在一起，形成类核，占细胞体积的大约三分之一.,（一）原核染色体的结构特点,Ecoli的类核，细胞内一团紧密的组织就是类核,2.其质量大约80%为DNA，其他的为蛋白质和RNA，蛋白质对类核具有稳定作用。,3.原核生物的DNA分子量较小，形成闭合环状.,4.E.coli的类核由支架和向四周伸出的100多个DNA环组成。,5. 支架是RNA和蛋白质的复合结构，四周的每个环就是一个独立的功能区。长40Kb，13um。,Ecoli的类核由支架和向四周伸出的DNA环组成,Ecoli的细胞被裂解后，类核区的DNA就会释放出去形成环状,6.细菌的染色体约有75%的DNA编码基因，余下的25%为基因间DNA（intergenic DNA)。,有一部分基因间DNA具有重要功能，如复制原点，另一些基因间区域可能涉及到和DNA包装蛋白的相互作用。,1.细菌染色体基因组通常仅由一条环状双链DNA分子组成。,（二）原核生物基因组结构特点,2.基因组中只有一个复制起点。,3.具有操纵子结构。,6.具有编码同工酶的同基因（isogene）。,5.和病毒基因组相似，不编码的DNA部分所占比例比真核基因组少得多。,7.编码顺序一般不会重叠。,4.在大多数情况下，编码蛋白质的结构基因在细菌染色体基因组中是单拷贝的，但编码rRNA的基因往往是多拷贝的，这可能有利于核糖体的快速组装。,8.在DNA分子中具有多种功能的识别区域，如复制起始区、终止区、转录启动区和终止区等。这些区域往往具有特殊的序列，并且常含有反向重复序列。,9.在基因或操纵子的终末具有特殊终止序列，可导致转录终止和使RNA聚合酶从DNA链上脱落。,（三）染色体外的遗传物质质粒 概念 1.质粒（plasmid） 是独立于许多细菌及某些真核细胞染色体外的双链共价闭合环状DNA分子（covalant closed circnlar,cccDNA），能独立复制的最小遗传单位。 2.质粒大小在1200kb之间，和病毒不同，它们没有衣壳蛋白（裸DNA）。,从生化学来说，除酵母的杀伤质粒（killer plasmid）是RNA外，其余质粒是染色体外的DNA分子。 从遗传学来说，质粒是在细胞分裂时能恒定传递给子代细胞的独立遗传因子或能在胞内寄生和复制的复制子。,3.质粒与宿主细胞的关系（1）质粒对宿主的生存不是必需的，只是“友好”的“借居”宿主细胞中，既不杀伤细胞，对宿主的代谢活动也无影响，宿主离开质粒照样的生存下去。（2）质粒离开宿主就无法生存，只有依赖宿主细胞的（酶和蛋白质）帮助，才能完成自身的复制（扩增）、转录。（3）质粒经常为宿主执行一些适当的遗传功能，赋于宿主各种有利的表型（质粒编码蛋白质或酶），使宿主获得生存优势，作为对宿主细胞的补偿（“交房租”）。与我们基因工程实验紧密相关的，如抗生素抗性基因：Ampr 酶，水解-内酰胺环,解除氨苄毒性,使细菌抗氨苄。Tetr 膜蛋白,可阻止四环素进入细胞,使细菌抗四环素。,4.质粒发现和研究意义 1）理论意义 质粒能够复制、传递和表达遗传信息，从分子遗传学观点来看是一种有机体，是比病毒更原始的生命形式，是生命起源研究的起一块体重要基石。 2）实践意义 是基因工程的重要载体（vector），能把外源基因（目的基因）送到宿主细胞中去克隆扩增或克隆表达。 质粒是可以改造的，可以剪切、剪接的，,作为基因工程载体的3个特点： A.都能独立自主的复制； B.都能便利的加以检测（抗生素抗性）； C.都能容易引进宿主细胞中去，也易从宿主细胞中分离纯化（提质粒）。 质粒符合上述3个条件。 基因工程中主要使用人工构建的质粒。,四 真核生物基因组结构特点,（一）真核染色体的结构,DNA是怎样组装在染色体中的？,问题的提出：已知一个真核染色体中含有一个完整的DNA分子，并且此DNA分子是线形的和不具分支的。,在人类细胞的46个染色体中，每个染色体含4800万-24000万bp DNA，其线型长度为1.6-8.2cm，而染色体的长度仅1.3-10um，其染色体的堆积比（packing ratio）大于8000。,染色质中的DNA是怎样达到如此高度凝聚的？,（1）DNA盘绕在一个组蛋白八聚体上形成核小体的核心颗粒,真核生物染色体DNA高度凝聚的形成-三个水平的折叠,第一个水平：核小体,染色体结构的第一层次。,（2）组蛋白H1把核小体“封锁”起来形成直径为10 nm 的纤维状结构,此时,DNA的长度被压缩了约7倍。,核小体电镜图,由10nm核小体纤丝卷绕成为圆筒型线圈而形成30nm纤丝;,第二个水平： 30nm纤丝,染色体结构的第二层次,2) 此线圈的每一圈约为6个核小体，螺距为11nm。DNA的长度在一级结构的基础上又被压缩了6倍。,30nm纤丝连接到脚手架上形成辐射环。 DNA的长度在二级结构的基础上被压缩了40倍。,第三个水平：辐射的环，染色体结构的第三层次,DNA包装为染色体具有几个重要功能：,DNA为什么要包装为染色体？,1.染色体是DNA的紧密结构，更适合存在于细胞中；,2.这种包装可以保护DNA免受损伤；,3.只有包装成染色体的DNA才能在每次细胞分裂时有效地将DNA传递给两个子代细胞。,4.有助于基因的表达和亲本染色体之间的重组。,真核染色体的三个重要元件,在真核染色体上有几个重要的元件：复制起始位点（origins of replication)：每隔30-40kb均匀分布在每条真核染色体上，一般位于非编码区。着丝粒(centromere)：是DNA复制后染色体正确分离所必须的。每条染色体上只有一个着丝粒。大多数真核生物的着丝粒大于40kb，且主要由重复DNA序列组成。端粒（telomere）：位于线性染色体的末端。维持染色体稳定及染色体的末端复制。它们对于细胞分裂过程中染色体的正确复制和分离是至关重要的。,着丝粒、复制起始位点和端粒是真核染色体必需的,多于或少于一个着丝粒导致染色体的缺失或断裂,与端粒有关的疾病早老征; 癌症;,(二)真核生物基因组结构的特点,（1）基因组DNA与蛋白质结合形成染色体；（2）除了核基因组，还有细胞器基因组；（3）基因簇存在大量非编码序列；（4）存在大量重复序列；（5）含有内含子；（6）基因组远大于原核生物的基因组；（7）存在许多结构相似、功能相关的基因家族。,(三) DNA序列的类别,根据DNA复性速率的高低，DNA可以被分为4类：,1.单一序列（unique sequence）/低度重复序列，即每个单拷贝基因组中含一个/几个拷贝。 主要是结构基因和基因内/间的间隔序列，编码蛋白质及其基因的调控序列。,2.中度重复序列（moderately repetitive sequence），每个单倍体基因组中含10-105拷贝。 编码组蛋白、免疫球蛋白、rRNA、tRNA、核糖体蛋白。,3.高度重复序列（highly repetitive sequence），每个单倍体基因组含105拷贝。,分类：卫星DNA反向重复DNA卫星DNA,功能：参与复制和基因表达的调控；与进化有关：有种属特异性；DNA指纹；与减数分裂有关。,1)卫星DNA：,将真核细胞的DNA打碎后进行CsCl密度梯度离心，其沉降图谱中除了主带外还有几条密度不等的额外的小带，称之为卫星带，它们的DNA称为卫星DNA（satellite DNA），也叫简单序列DNA（simple sequence DNA）。,人的主带DNA的平均浮力密度为1.701gcm-3，其GC含量平均为40.3%，主要由单拷贝DNA片段组成。卫星DNA的浮力密度分别为1.678、1.693和1.697gcm-3，其GC含量取决于它们的重复序列组成。,106-108 copies / genome,多为串联重复排列,分布于着丝点, 端粒区, 结构基因两侧不编码蛋白质或RNA,小卫星DNA（minisatellite DNA）：几百个核苷酸对的单元重复。 微卫星DNA（microsatellite DNA）：以1-6个核苷酸为基本单位，长度在100bp以内。,2）反向重复序列（inverted repeats）：,也叫回文序列（palindrome），在DNA双螺旋分子中，一条链的碱基序列（53）和另一条链沿同一方向（53）的序列相同。,3）卫星DNA 灵长类特有，用HindIII酶切DNA得到的172bp重复单位的高度重复序列。由嘌呤和嘧啶交替组成。,（四）基因家族,多基因家族（multigene family）：来源相同（同一个祖先基因ancestral gene）、结构相似、功能相关的一组基因。超基因家族（supergene family）：基因家族由中等重复序列构成大的基因群，包含几百个功能相关的基因，紧密成簇排列。,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.,一个基因家族的成员彼此在结构和功能上是相似的，但也包括假基因。,一个基因家族的基因常常是成簇地存在于一个染色体上，但也有分散的，甚至位于不同染色体上。,基因簇（gene cluster）：同一家族的成员有时紧密的排列在一起，叫基因簇。,基因家族可分为三种类型：,1.简单多基因家族：其中的基因结构是相同的，基因与基因之间由中度重复序列隔开，如rDNA gene family等。,rDNA gene family,2.复杂多基因家族：各个成员并不都是相同的。如海胆和果蝇的5个组蛋白基因构成一个复杂的多基因家族。,Histone gene family,海胆组蛋白基因重复1000次/基因组；,胚胎的,胎儿的,成年人的,3.由发育阶段控制的多基因家族：如人类珠蛋白基因家族。,（五）自私DNA（selfish DNA） 哺乳动物基因组中存在的大量未知功能的DNA序列，也称寄生DNA（parasite DNA）。,（六）真核基因组的结构（一些特征性的结构）,1 断裂基因（split gene）,在真核生物中，大多数编码蛋白质的基因是不连续的，即在其编码氨基酸的序列之间插入了不编码的序列，故称之为断裂基因。,断裂基因中，编码氨基酸的序列称为外显子（exon）；非翻译的间插序列称为内含子（intron）。,卵清蛋白mRNA与DNA杂交结果,在已分析的DNA序列中，原核生物基因中几乎没有内含子，低等真核生物如酵母内含子也不普遍，但在高等真核生物中则大量存在内含子，且多数情况下，内含子要比外显子长得多。,并非所有的高等生物的基因都含有内含子。在已经分析过的基因中，已知编码组蛋白和干扰素的基因是不含内含子的。,2 结构基因的侧翼序列与调控序列 侧翼序列（flanking sequence）：每个断裂基因第一个和最后一个外显子的外侧的不转录非编码区。 启动子、增强子、终止子,（1）启动子（promoter） 概念：启动子是促进DNA转录的DNA序列，是DNA分子上可与RNA pol 特异性识别结合并使之转录的部位，但启动子本身不被转录。 功能特点：启动子位于结构基因上游启动子有方向性决定转录方向及那一条DNA链作模板转录（以信息链的互补链作模板转录，转录的mRNA与信息链一致）。 真核生物的启动子元件：TATA框、CAAT框、GC框,（2）增强子（enhancer）和沉默子（silencer） 增强子是一段DNA序列，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。反式作用因子与这些元件结合后,通常为增强邻近基因的转录。增强子一般位于转录起始点上游-100-300bp处，但在基因之外或某些内含子中也有增强子序列（P42）。 增强子作用特点：可在5端或3端发挥作用；不受序列方向制约；通过增强启动子发挥作用。沉默子 负调控序列、负增强子；,（3）终止子（terminator） 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。 mRNA转录到此部位后，产生AAUAAA和随后的GU（或U）丰富区。与RNApol结合的延长因子可以识别这种结构并与之结合，然后在AAuAAA下游10-30个碱基的部位切断RNA,并加上poly(A)尾.,五 转座因子（transposable element） 可移动的基因成分（可移动基因，movable gene mob），是指能够在一个DNA分子内部或两上DNA分子之间移动的DNA片段。在细菌中指在质粒和染色体之间或在质粒和质粒之间移动的DNA片段（文献上有时形象地称其为是跳跃基因，jumping gene）。转位也是DNA重组的一种形式。,移动基因最早由美国冷泉港实验室（cold spring Harbor Laboratory）的女科学家Barbara MClintock于上个世纪40年代晚期在玉米中首次发现的。60年代，为J.A.Shapirc研究大肠杆菌高效突变实验证实。1983年荣获诺贝尔生物学医学奖。,（一） 转座因子的种类及特征 细菌的转座因子包插入序列，转座子及可转座的噬菌体。 （1）插入序列（insertion sequence,IS）,TS target site靶位点Transposase gene 转位酶基因IR inverted repeated 反向（倒转重复顺序）,IS的形体图,（1）IS是一类较小的转座因子，长度约700-2000bp，按发现顺序IS1、IS2命名， 只携带转移的必需基因，不含有其它偏码蛋白质结构基因，本身没有表型效应。（2）IS两侧为反向（倒转）重复顺序（16-41bp），中间为转位酶基因，在插入新的位点侧有3116p顺向重复顺序（direct repeated sequence）,DR是靶位点序列复制的产物。（3）IS到处活动，可以插入到E.coli染色体的各个位置上，也可以插入到质粒和某些噬菌体基因组上，甚至同一基因不同位点上。这种插入作用可以双向进行，可以是正向，也可以是反向插入IS这种移动方式称为转位作用（transposition）。 （4）在一个世代的107细菌中有1次插入。*TR（反向倒转重复序列）：GGAAGGT、ACCTTC CCTTCCA、TGGAAGG*DR（正同向重复序列）：TACGTTACGT,2.转座子（transposon,Tn）(1)Tn是一类较大的可移动成分，除mob gene外，尚含有其它基因，如抗药基因等。Tn是在研究抗药基因中发现的，由此知道抗药基因可在质粒之间，质粒与染色体之间或质粒与可转座的噬菌体之间来回移动，Tn的转位原理和Is基本相同，转位频率为10-310-6/拷贝。(2)根据结构特征的不同，Tn可以分为2个亚类： 复合型Tn:转座酶由IS编码，IS可以是反向（或正向）重复构型。 TnA:数个结构基因（mob、mdr等）十IR组成。,Structural genes,IR,IR,Structural gene,IS1,IS1,部分细菌的转座子 长度（bp） 末端结构 抗药性基因Tn9(复合型) 2650 IS1 氯霉素Tn3(TnA族) 5000 （38bp）IR 氯卡青霉素,3.可转座的噬菌体（transposable phage）(1)包括Mu和D108两种噬菌体，是一类温和噬菌体*。(2)感染细菌后，可以整合到细菌染色体中，插入位点是随机的（而入phage插入位点是专一的），可以插到结构基因内部，引起突变，Mu即Mutator(突变子)因此得名。(3)插入部位的2侧有短的DR，插入时，一个拷贝留在原位，新合成的拷贝插入新的部位。(4)和IS，Tn相比，Mu末端不含IR，这是可转座成分的一个例外。,*噬菌体（phage）是侵袭细菌的病毒，主要由蛋白质和核酸组成。噬菌的生活周期分为溶菌周期和溶原周期。溶原性噬菌体（温和噬菌体）宿主菌将自身DNA整合到细菌染色体中和细菌染色体一起复制随细菌增殖传到细菌子代中去，不产生子代Phage.,(二)转座作用的机理1.复制性转位机理共联体生成和解离，靶序列的切割与复制。2.非复制型转位作用转位将供体DNA转座因子两侧各切断一条单链并与靶序列的两个游离末端连接，随后并没有复制过程，而是由转座酶将供体DNA转座因子的另一端也切断，因此在供体DNA留下一个致死性缺口。转座子的两条游离单链在靶位点退火接合，DNA聚合酶项平缺口。,（三）转位的遗传效应1.基因重排 可能产生1个新的蛋白分子等，基因重排是进化的动力。2.基因突变 插入到基因内部，可引起插入失活。3.插入位点引入新的基因 如引进抗药基因。4.基因倍增,六 线粒体基因组（mitochondrion genome）,特点：基因排列紧凑，无内含子缺少终止密码子，以U/UA结尾突变率高母系遗传密码子与核DNA不完全相同,原核基因组、真核基因组、病毒基因组比较 原核基因组 真核基因组 病毒基因组1.生物学特征 类核、无核膜转录、翻译 有核膜,录在核,译在浆 DNA或RNA不共存1个V颗粒(一 同时进行 般利用宿主机制转录、翻译)2.染色体数目 单倍体 配子为单倍体、体细胞 单倍体、逆转录病毒除外 双倍体3.核酸分子结构 双链环状DNA分子 双链线型 以ssDNA，dsRNA突出4.基因组大小 5000多个基因（E.coli） 510万（2.8万） 3几百个5.核酸类型 DNA DNA DNA或RNA6.核酸数目 中 多 少7.结构基因 连续性 无内含子，连续基因 有内含子、断裂基因 真核病毒不连续、原核连续8.重叠基因 无 无 有9.操纵子结构 有，多顺反子 无操纵子结构、单顺反子 无操纵子结构10.重复顺序 大量重复顺序 有、少 有、少11.编码区/ 非编码区 50%，50% 5%、95% 95%、5%12.基因家簇 13.假基因 14.可移动基因 15.端粒 16.复制方式 半保留 半保留 多样,七 基因表达的调控,1 概念 基因表达 （gene expression） 是指生物体基因组种结构基因所携带的遗传信息经过转录及翻译等一系列过程，合成特定的蛋白质，进而发挥其特定生物学功能的全过程。 基因表达产物 各种RNA(tRNA、mRNA和rRNA)以及蛋白质、多肽。,2 基因表达的特异性,（1）时间特异性 按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性(temporal specificity)。 多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stage specificity)。,84,（2）空间特异性 在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。 基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。,3 基因表达的方式,（1）组成性表达 管家基因 在生命全过程都是必需的、且在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。 组成性基因表达 （constitutive expression） 无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被视为组成性基因表达。,按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：,（2）适应性表达(adaptive expression) 受环境影响诱导表达 在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因。可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导(induction)。阻遏表达 如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏(repression)。,（3）协调表达（coordinate expression） 协调表达 在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协调表达(coordinate expression)，这种调节称为协调调节(coordinate regulation)。,4 基因表达调控的生物学意义,（1）适应环境变化、维持细胞增殖、分化（2）维持个体生长、发育,控制区,信息区,结构基因(S),操纵序列（O）,启动序列（P）,调节基因（I）,CPA,5 原核基因表达调控的乳糖操纵子学说,乳糖操纵子调节机制 多顺反子（polycistronic mRNA）,（1）乳糖操纵子(lac operon)的结构,没有乳糖存在时,（2）阻遏蛋白的负性调节,有乳糖存在时,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,（3）CAP(catabolic gene