第四章+基因和基因组的结构与功能.ppt

第四章遗传物质,DNA是主要的遗传物质遗传物质的性质可转移的遗传因子基因和基因组的概念原核生物基因组的结构与功能真核生物基因组的结构与功能,一、DNA是主要的遗传物质,生物通过_和_保证生物亲代与子代之间遗传性状的稳定性。生物的遗传特性，使生物界的物种能够保持相对稳定。,生物的各项生命活动都有它的物质基础。生物遗传的物质基础是什么呢？,金丝猴的后代仍然是金丝猴,牛的后代仍然是牛,减数分裂,受精作用,通过对细胞有丝分裂、减数分裂和受精过程的研究，人们了解到染色体在生物的传宗接代过程中，能够保持一定的稳定性和连续性。因此，人们认为染色体在遗传上起着主要作用。,实验一肺炎双球菌转化实验,将R型活菌注入小鼠体内,一段时间后,将S型活菌注入小鼠体内,一段时间后,将杀死的S型菌注入小鼠体内,一段时间后,将R型活菌与杀死的S型菌注入小鼠体内,一段时间后,细菌发生转化，性状的转化可以遗传。,DNA酶,只有加入DNA，R型转化为S型。,DNA是遗传物质。,实验二噬菌体侵染细菌的实验,Blendor实验噬菌体侵染细菌的实验,用放射性同位素35S标记外壳蛋白质,细菌内无放射性,吸附,注入,合成,组装,释放,DNA是唯一的遗传物质吗？,此实验证明:,烟草花叶病毒的遗传物质是RNA，蛋白质不是遗传物质,RNA（核糖核酸）有些病毒（如烟草花叶病毒），它们不含有DNA,只含有RNA。在这种情况下，RNA就起着遗传物质的作用。,目前，已有充分的科学研究资料证明，绝大多数生物都以是DNA作为遗传物质的。,DNA主要的遗传物质,DNA的分布,（所以说，染色体是DNA的主要载体）,二、遗传物质的性质（P76-80）,遗传物质由DNA储存和传递遗传信息从亲代传递到子代DNA具有化学稳定的特点（结构决定）遗传物质的变异性,三、可转移的遗传因子,质粒（一般性质、复制机制、几种主要质粒）转座因子,1.Plasmid(质粒)P81-90,染色体外能独立复制的小分子共价闭合环状DNA。MW:1100106dt,几几十个基因；遗传工程的重要载体。质粒的特性控制次要性状，自我复制，稳定遗传；大质粒数量少，小质粒数量多；具互不相容性；可转移；可整合；可重组；可清除；耐碱性。,大肠杆菌质粒的种类,F质粒（其本身与染色体基因一起能转移到无此质粒的细胞中）R质粒Col质粒（合成大肠杆菌素，对亲缘关系近而不含该质粒的菌株有毒）,质粒的种类,接合质粒抗性质粒降解质粒致瘤质粒共生质粒细菌素质粒,转座子(P91-103),插入序列复合转座子,质粒复制机制,复制方向：单向或双向复制复制终止点：单向起点终点相同。双向复制叉在同一区域终止；固定位置终止。复制方式：复制,四、基因和基因组,（一）基因概念的发展历程基因的生物学概念基因的分子水平概念几种基因,1、基因概念的发展历程,泛基因（或者称前基因）阶段孟德尔的遗传因子阶段，摩尔根的基因阶段，顺反子阶段，操纵子阶段现代基因阶段,Mendel(孟德尔)遗传因子（1866）Johannsen（1909）基因(Genesareunitsofgeneticinformation)Morgan(摩尔根，1926）基因落实到染色体上Beadle（比德尔）和Tatum（塔特姆）“一个基因一个酶”假说,基因对于遗传性状表达的作用,直接作用：基因表达产物性状表现例如：人类的镰形红血球贫血症的遗传，镰形红血球的血红蛋白是由一个正常血红蛋白基因（HbA）突变引起的，即HbAHbS或HbC进一步研究表明：HbA与HbS或HbC之间仅仅有一对碱基差异。间接作用基因通过酶的合成，间接地影响生物性状的表达,2、基因的生物学概念,突变子（Muton）：性状突变时，产生突变的最小单位。一个突变子可以小到只是一个核苷酸对。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个核苷酸对。顺反子（作用子）（cistron）：Cistronisthegeneticunitdefinedbythecis/transtest;equivalenttogene。基因功能的一个单位，可以编码特定产物（蛋白质或功能RNA）的一段DNA。一个作用子所包括的一段DNA与一个多肽链的合成相对应。,Gene(cistron)isthesegmentofDNAinvolvedinproducingapolypeptidechainaswellasafunctionalRNA。(a)为编码多肽链的一个功能单位。突变子和重组子最少可到一个核苷酸。(b)功能上被顺反测验（cis-transtest）或互补测验（complementarytest）所规定。,Genescodeforproteins;dominanceisexplainedbythepropertiesofmutantproteins.Arecessivealleledoesnotcontributetothephenotypebecauseitproducesnoprotein(orproteinthatisnonfunctional).,顺反试验,根据功能确定等位基因的测验称为互补测验或顺反测验,等位基因（allele）:相对于一种特殊性状的一个基因的变异形式（位于同源染色体的同一位置上的相对基因）。从分子水平来讲，是一个基因序列的变异。,顺反测验：根据顺式表现型和反式表现型来确定两个突变体是否属于同一个基因（顺反子）。顺式排列（是两个突变座位位于同一条染色体上），其表现型是野生型。反式测验（反式排列：是两个突变座位位于不同的染色体上）。反式排列为野生型：突变分属于两个基因位点；反式排列为突变型：突变分属于同一基因位点。,3.分子水平上的基因概念,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。一个基因DNA分子上一定区段，携带有特殊遗传信息转录成RNA翻译成多肽链，或对其它基因的活动起调控作用(如调节基因、启动基因、操纵基因)。,基因的共性,自我复制与相对稳定性，在有丝分裂和减数分裂中有规律的进行分配。在染色体上占一定位置（座位），是交换的最小单位，在重组中不能分隔。以一个整体进行突变，是一个突变单位。是一个功能单位,4.几种基因,断裂基因（splitgene）：外显子被内含子分隔假基因（pseudogene）:同已知的基因相似，处于不同的位点，因缺失或突变而不能转录或翻译，是没有功能的基因。真核生物中的血红素蛋白基因家族中就存在假基因现象。跳跃基因(jumpinggene):即转座因子，指染色体组上可以转移的基因。实质：能够转移位置的DNA片断。功能：在同一染色体内或不同染色体之间移动,引起插入突变、DNA结构变异（如重复、缺失、畸变）通过表现型变异得到鉴别。遗传工程：转座子标签法。重叠基因(overlappinggene):指在同一段DNA顺序上，由于阅读框架不同或终止早晚不同,同时编码两个以上基因的现象。,5、基因类别,具有转录和翻译功能，编码蛋白质的基因。包括结构基因和调节基因；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；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。,（二）、基因组,1、概念：Genomeisthecompletesetofsequencesinthegeneticmaterialofanorganism.ItincludesthesequenceofeachchromosomeplusanyDNAinorganelles.,“基因组”，是表示某物种单倍体的总DNA。又称单倍体基因组。真核生物99%以上的DNA存在于核基因组中，少量存在于细胞器中。基因组结构是指不同功能区域在整个DNA分子中的分布情况。,不同生物体中DNA的大小,染色体C值：一个物种单倍体基因组的DNA总量。用碱基对、相对分子量等表示。C值悖理（C值矛盾）(Cvalueparadox)：物种C值与其生物进化复杂性之间不相对应的现象。,2、DNA的变性和复性（P23）,变性：由天然双螺旋状态到近于无规则线团构型的转变过程。热变性和碱变性。增色效应(Hyperchromicity)Tm:鉴定DNA的参数(A260增加到最大值一半时的温度)复性：变性DNA在一定条件下回复到天然DNA结构状态。杂交：两条来源不同的DNA发生复性Cot曲线：函数式C/Co=1/(1+kCot)用图表示，就是Cot曲线。其中，Co是完全变性DNA的总浓度，C是单链DNA浓度，k是二级反应常数，取决于阳离子浓度、温度、片断大小和DNA分子序列的复杂性。Cot1/2=1/k,浓度-时间,引自NeilCampbell著Biology第4版，1996,3、染色体,细胞周期,染色体(chromosome)：携带必需遗传信息的DNA分子和决定其结构的相关蛋白质。,A.原核生物染色体,1.Asingleclosed-circularDNA,4.6106bp（单链闭合环状DNA）2.TheDNApackagedintoaregionknownasNucleoid(类核)thatcontainshighconcentrationofDNA(upto30-50mg/ml)aswellasallproteinsassociatedwithDNA.（DNA裹在类核中，含高浓度DNA及与DNA结合的蛋白）3.Continuousreplication(morethanonecopyofgenome/cell)（连续复制，每个细胞中不止一个基因组拷贝）4.Attachtoapartofcellmembrane（附在部分细胞膜上）,类核(Nucleoid),灯刷染色体（扫描电镜观察）,StructureofE.colichromosome大肠杆菌的染色体结构,1.Negativelysupercoiledasawhole2.DNAdomains/loops(50-100kbinsize):Theendsconstrainedbyproteinmembranescaffold(骨架)Mayspool（缠绕）onpolymerasesorotherenzymesandproteins3.DNA-bindingproteins:essentialforDNApackingtonucleoidproteinHU-smalldimericbasic,non-specificbindingproteinH-NSmonomericneutralprotein,SpecificDNAbindingproteins(polymerases,enzymesetc）.,Organellegenomes:circular,multiplecopies细胞器基因组：环状多拷贝,1.ctDNA:chloroplast(叶绿体)DNA,ca140kbinplants,and100kbinplant(similartoa-purplebacteria,Rickettsia）,B.Eukaryoticchromosome真核染色体,Chromatin(染色质):ThehighlyorderedDNA-protein(nucleoprotein)complexwhichmakesuptheeukaryoticchromosomes(真核染色体).50%ofthemassisprotein.Solvingthepackingproblem:chromatin(染色质):ThelengthofachromosomalDNAisatcmlevel,butthediameterofnucleusis1-10m.TheDNAconcentrationinnucleusisabout200mg/ml真核染色体的长度是以厘米为单位计的，细胞核大小是微米为单位的，这就产生了一个包裹的问题。,ChromatinStructure染色质结构,Histones(组蛋白):一类特殊的带正电荷的蛋白质，能与DNA结合并维持真核细胞染色体的空间结构。Corehistones(H2A,H2B,H3andH4):1.10-20kDa，102-135aminoacids2.locatedinthenucleosomecoreoctamercore(H2A)2(H2B)2(H3)2(H4)23.highlyconservedintheirsequences,H1histone(组蛋白H1):1.Largersize(23kDa)2.Locatedoutsideofnucleosomecore,bindtoDNAmoreloosely3.LessconservedinitssequenceTheroleofH1:1.StabilizethepointatwhichDNAentersandleavesthenucleosomecore.2.C-tailofH1(thecorehistones):stabilizetheDNAbetweenthenucleosomecores.,StepstomakeaNucleosome(核小体组装步骤),DNA+Histoneoctamer(组蛋白八聚体)Nucleosomecore(核小体核心146bp)H1Chromatosome(染色小体166bp)linkerDNA(55bp)Nucleosome(核小体)(200bpofDNA),SummaryoftheFoldingofDNAinEukaryoticChromosome,染色体结构,五、原核生物基因组,（一）病毒基因组的特点,(1)结构简单，基因组小。(2)基因组可由DNA或RNA组成，但二者不能共存于同一病毒。组成病毒基因组的DNA或RNA，可以是双链、单链，有环状分子和线性分子。(3)病毒基因组中存在转录单元，即DNA序列中功能相关的RNA和蛋白质基因，往往丛集在基因组的一个或几个特定部位，形成一个功能单位或转录单位，它们可被一起转录成为多顺反子mRNA。(4)有重叠基因，即一段DNA片段能编码2-3种蛋白质分子，其意义在于使较小的基因组携带较多的遗传信息（病毒得以在最小化的基因体积中包容最大量的遗传信息，基因组体积的选择压力）。(5)噬菌体基因是连续的；而真核细胞病毒的基因是不连续的，具有内含子。除了正链RNA病毒之外，真核细胞病毒的基因都是先转录成mRNA前体，再经加工才能切除内含子成为成熟的mRNA。更为有趣的是，有些真核病毒的内含子或其中的一部分，对某一个基因来说是内含子，而对另一个基因却是外显子。(6)除了反转录病毒以外，一切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。反转录病毒基因组有两个拷贝。,（二）细菌基因组的特点,基因组由一条双链环状DNA组成,形成类核结构。具有操纵子结构，即几个功能相关的结构基因串联在一起受同一个调控区所调节，当基因开放时，这几个基因转录在一条mRNA上，即多顺反子mRNA。蛋白质基因通常是以单拷贝形式存在，而rRNA的基因则是多拷贝的,有利于核糖体的快速组装。和病毒的基因组相似，不编码的DNA部份所占比例比真核细胞基因组少得多。无基因重叠结构。DNA分子中有多种功能区，如复制起始区、复制终止区、转录启动区、转录终止区等，这些区域常具有反向重复序列。,（三）质粒(plasmid),是一种在细菌染色体以外的遗传单位，绝大多数质粒由环状DNA双链组成(除酵母的杀伤质粒是一种RNA)，在受体细胞中可以有多个存在。通常质粒对于宿主细胞的生存不是必需的，但质粒含有的某些基因，可对宿主细胞的生物特征产生影响。,质粒DNA的复制类型,“严紧型”：低拷贝数质粒，每个寄主细胞中仅含1-3个拷贝，其复制受到宿主细胞的严格控制。“松弛型”：高拷贝数质粒，每个宿主细胞可含10-60个拷贝，质粒复制不受宿主细胞的严格控制，当宿主细胞蛋白合成受到抑制时，质粒可继续复制，拷贝数可增至1000-3000之多。,大肠杆菌质粒DNA的功能类型,F质粒：F因子或性质粒(sexplasmid)。能够使寄主染色体上的基因和F质粒一道转移至原先不存在该质粒的受体细胞中去。R质粒：通称抗药性因子。它们编码一种或数种抗菌素抗性基因，且常能将这种抗性转移到缺乏该质粒的适宜的受体细胞，使后者也获得同样的抗菌素抗性能力。Col质粒：大肠杆菌素因子。它们编码控制大肠杆菌素合成的基因。,六、真核生物基因组,（一）真核生物基因组的基本特点,真核生物基因组DNA与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞核内，除配子细胞外，体细胞内的基因是双份的（即双倍体,diploid），即有两份同源的基因组。基因组中有大量低度、中度、高度重复序列，重复次数可达百万次以上。基因大多含有内含子，是不连续的，即断裂基因；非编码区多于编码区。转录产物为单顺反子，一个结构基因经过转录和翻译生成一个mRNA分子和一条多肽链。基因组的复制起始点很多，而每个复制子的长度较小。基因组主要位于细胞核中。基因组转录后须剪接加工成成熟mRNA，再转运到细胞质中完成翻译。存在多基因家族（multigenefamily）。,复性数,（二）真核生物基因组的序列类型,单一序列(单拷贝、低拷贝序列)(慢性复性序列),中度重复序列(中性复性序列),高度重复序列(快速复性序列和回文序列),1、单一序列(单拷贝序列),在基因组中只有1-10个拷贝复性速度极慢编码各种不同功能的蛋白质(结构基因)，单拷贝序列的研究在医学上意义重大有些序列有时并非一点不差地重复，其基因产物在氨基酸组成上也略有差异。单拷贝顺序在基因组中占50-80，如人基因组中，大约有60-65的顺序属于这一类。,2、中度重复序列,10-几百个拷贝复性速度居中重复单位的序列相似，但不完全一样，散在分布具有种属特异性，可制成探针以鉴别不同种属的细胞DNA来源。在基因调控中起重要作用有些序列有转座子的功能结构上有一定特征，常被某限制性内切酶所消化,短散布元件（shortinterspersedelements,SINEs）：平均长度约为300bp，500bp，它们与平均长度约为1000bp的单拷贝顺序间隔排列。拷贝数可达10万左右。如Alu家族、Hinf家族长散布元件（Longinterspersedelements,LINEs)：长度大于1000bp，平均长度为3500-5000bp，它们与平均长度为13000bp（个别长几万bp）的单拷贝顺序间隔排列。如KpnI家族,根据顺序的长度，分为：,类型：基因家族成簇地分布在一条染色体上，如rRNA、tRNA、组蛋白等基因属这一类；基因家族中的各成员分布在不同的染色体上，如干扰素、生长激素、珠蛋白等。,基因家族(genefamily):某一祖先基因由于重复和变异产生的一系列基因（来源相同、结构相似、功能相关的一组基因）。可散在分布或集中分布。基因簇（genecluster）：少则可以是由重复产生的两个相邻相关基因所组成，多则可以是几百个相同基因串联排列而成。,Alu顺序在基因组中含量丰富,原因可能是:1.左边的途径2.转座,Alu序列的功能,可能参与hnRNA的加工与成熟与遗传重组及染色体不稳定性可能有关可能具有转座因子的作用某些区段有形成Z-DNA的能力可能具有转录调节作用,KpnI家族,限制性内切酶Kpn消化，产生1.2kb，1.5kb，1.8kb和1.9kb的DNA片断Kpn家族。散在分布，属于中度重复顺序的长分散片段型。不同长度的Kpn家族间不能相互杂交,但其3端具有广泛的同源性。形成过程类似于Alu家族,Hinf家族,限制性内切酶Hinf消化人体DNA。319bp的串联重复单位,可分成172和147bp的两个亚单位。在单位基因组内约有50-100个拷贝，分散在不同的区域。,多聚dd家族,基本单位是dd双核苷酸这个家族的一个成员位于人类和珠蛋白基因之间，含有17个dd双核苷酸组成的串联重复顺序。功能：可能是基因转变（geneconversion）或不等交换（unequalcrossing-over）的识别信号；有助于Z-DNA的形成，在基因调节中可能起着重要的作用。,假基因(pseudogene):与功能基因相关的、有缺陷的序列。,rRNA基因,tRNA基因,真核细胞都有几百到上千个tRNA基因，人类约有1300个tRNA基因。有50多种tRNA转运不同的氨基酸，每种tRNA可有10到几百个基因拷贝。tRNA往往串联在一起形成基因簇，但基因间有非转录间隔区相分隔，,组蛋白基因,H1、H2A、H2B、H3和H4，5种基因,在同种生物中拷贝数相同。不同生物中的排列次序不同，如：海胆为H1-H4-H2B-H3-H2A，果蝇为H2B-H2A-H4-H3-H1，水蛭是H1-H3-H2B-H2A-H4哺乳动物组蛋白基因的排列未确定。,3、高度重复序列,在基因组中重复频率高（几百-几百万个拷贝)复性速度很快高度重复顺序又按其结构特点分为三种：倒位（反向）重复序列，卫星DNA和较复杂的重复单位组成的重复顺序。,反向重复（即两个互补拷贝）间可有一到几个核苷酸的间隔，也可以没有间隔。没有间隔的称回文序列（palimdrome）,反向重复(i