基因与基因组的结构与功能

第3章基因与基因组的结构与功能,3.2.基因概念的多样性,3.3.基因组,3.1.基因概念的变迁,Theoryofthegene,基因是染色体上的实体,基因象链珠(bead)一样，孤立地呈线状地排列在染色体上,基因是；,功能(functionalunit)突变(mutationunit)交换(cross-overunit),“三位一体”的(Threeinone),最小的不可分割的基本的,遗传单位,(1926T.H.Morgan),经典的基因概念,3.1基因概念的变迁,顺反子理论Theoryofcistron(S.Benzer1955)对经典的基因概念的第一次重要修正与发展,顺反子假说（Theoryofcistron）,Cistron是基因的同义词,在一个顺反子内，有若干个突变单位突变子(muton),在一个顺反子内，有若干个交换单位交换子（recon）,传统的概念：基因是一个具有特定功能的，完整的不可分割的最小的遗传单位，基因内可以低频率发生重组，交换,cistron概念的提出是对经典的基因概念的动摇,现代基因的定义,基因（gene)是核酸分子中具有遗传效应的核苷酸序列，是遗传的基本单位和突变单位以及控制性状的功能单位，包括结构基基因和调控基因。,结构基因指编码蛋白质或RNA的DNA序列。,蛋白质基因：transcriptableandtranslatablegene；RNA基因：transcriptablebutnontranslatablegene；tDNA,rDNA。,调控基因：untranscriptablenontranslatablegene,调控邻近的结构基因的表达，如：启动基因，操纵基因不转录、不翻译,不是所有的基因都能为蛋白质编码,基因命名无严格统一标准一般：三个小写英文斜体字母表示，lac、leu三个小写英文斜体字母后面加一个斜体大写字母表示基因座，LacZ、LacY、LacA质粒：自然质粒，三个正体字母，第一个字母大写；重组质粒，两个大写字母前加一个p，大写字母表示构建该质粒的研究者或单位，如pSC101（SC代表StanleyCohen）。果蝇：对突变的表型用14个斜体字母代表，如white（w）、tailless（tll）。,酵母：一般用三个大写斜体字母表示基因的功能，后面的数字表示不同的基因座，如GAL4,CDC28，也有例外。线虫：三个小写斜体字母表示突变型，连字符加数字表示基因座，如unc-86，ced-9。植物：大多数情况用13个小写字母表示。脊椎动物：14个小写字母和数字表示，如sey，myc。人类：与脊椎动物类似，但需要大写，如MYC、ENO1。,1、取决于它所包含的内含子的长度例如：31Kb的二氢叶酸还原酶基因含6个外显子，mRNA长度为2Kb，内含子长29Kb，内含子比外显子大很多。2、取决于所包含的内含子的数目不同生物的外显子数目随着进化增加，基因平均长度也在增加。,3.2基因的大小,3.3基因组GenomeP30,基因组：一个细胞或病毒的全部遗传信息；,一套完整的单倍体的遗传物质的总和；,含有一种生物的一整套遗传信息的遗传物质；,3.3.1生物进化的C值矛盾(Cvalueparadox),ThetotalamountofDNAinthegenomeofhaploidisacharacteristicofeachlivingspeciesknownasitsMaximumCvalue(单倍体基因组总DNA的含量),最大C值MaximumCvalue,ThetotalamountofDNAforencodingthegenesinformationistermeditsMinimumcvalue（编码基因信息的总DNA含量）,最小C值Minimumcvalue,C-value：单倍体基因组总DNA的含量(bp),10610710810910101011,显花植物,骨鱼类,哺乳类,甲壳类,爬行类,鸟类,藻类,真菌,革兰氏阳性菌革兰氏阴性菌,枝原体,霉菌,蠕虫类,软体动物,棘皮类,昆虫类,软骨鱼类,两栖类,A生物体进化程度高低，与大C值不成明显正相关,B亲缘关系相近的生物大C值相差较大,C一种生物内大C值与小c值相差极大人体c=C/10,Frog的大C值为人的7倍lily(百合)的大C值为人的100倍！,3.3.2病毒基因组,DNA病毒RNA病毒,3.3.2.1基本结构,多数为双链(ds)、环状或线性,多数为单链(ss)、线性,3.3.2.2RNA病毒基因组,类型特点代表种类,1.单股正链RNA病毒,SARS冠状病毒SARScoronavirus,单股正链RNA、不分节段，5端有甲基化帽，3端有poly(A)结构。具有感染性，直接翻译蛋白质,脊髓灰质炎病毒冠状病毒,.,禽流感病毒(H5N1)avianinfluenzaAvirus,2.单股负链RNA病毒,单股负链RNA、8节段，均编码蛋白质，,流感病毒腮腺炎病毒狂犬病毒,3.双链RNA病毒,内衣壳蛋白,外衣壳蛋白,每段编码一个蛋白质,4.逆转录病毒(retrovirus),核心蛋白逆转录酶膜蛋白,poly(A),Cap,人类免疫缺陷病毒（HIV）,单股正链RNA，有三个基本的结构基因：gag、pol（逆转录酶）、env，,白血病病毒、肉瘤病毒、人类免疫缺陷病毒,5端有甲基化帽，3端有poly(A)，另有多个基因表达调控位点。,3.3.2.3DNA病毒基因组,类型特点代表种类,1.线性双链DNA病毒,早期蛋白（E）晚期蛋白（L）,ITR在病毒复制过程有重要作用,2.双链环状DNA病毒,SV40病毒基因组,重叠基因(overlappinggene),静思伊久阻归期，久阻归期忆别离；忆别离时闻漏转，时闻漏转静思伊。秦少游给苏小妹,3.单链环状DNA病毒,乙型肝炎病毒（HBV）,4.开环部分双链DNA病毒,病毒繁殖的原则在宿主体内合成了mRNA就意为着胜利。能用宿主的绝对不用自己的。实在用不了宿主的就用自己的。也有例外。,病毒基因组的特点,1基因组大小相差很大：,HBV：3.2kb痘病毒：300kb,2核酸结构多样性：,DNA或RNA单链或双链合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)，多为单拷贝,即每个基因只出现一次,5、功能上相关的基因排列在一起,6、有重叠基因,3.3.3原核生物基因组,以大肠杆菌（Escherichiacoli）为例,类核（nucleoid）：细菌染色体在细胞内形成的一个致密区域,大肠杆菌细胞结构,大肠杆菌染色体结构,1.由一条环状双链DNA分子组成，通常只有一个DNA复制起点。,C-Value:4.6106bp,大肠杆菌染色体DNA,2.结构基因大多组成操纵子,乳糖操纵子lacoperon,-galactosidase半乳糖苷酶z,-galactosidepermease透酶y,-galactosidetransacetylase半乳糖苷乙酰转移酶a,4.基因组DNA具有多种调控区域,3、基因密度非常高，编码区所占比例大；,5、结构基因没有内含子，多为单拷贝，rRNA基因为多拷贝；,6、存在可移动DNA序列,3.3.4真核生物基因组*,3.3.4.1特点,1、体细胞:两套基因组性细胞:一套基因组,2、基因组结构复杂,数目庞大,多个复制起始点,3、mRNA为单顺反子.,4、含大量重复序列.非编码序列占90%以上.,5、转录和翻译存在时空差异,8、存在可移动成分.,类似细菌的:如玉米中发现的.类似逆转录病毒的:转位机制需RNA介导,7、功能相关的基因串联在一起形成基因家族,6、基因间有间隔区(spacerDNA),基因为断裂基因(splitgene)即内含子,外显子.,1978Gilbert真核生物基因的新概念,Exon(外显子),DNA与成熟RNA间的对应区域,氨基酸的编码区（aminoacidcodingregion）,非间隔区（unspacer）,isanysegmentofaninterruptedgenethatisrepresentedinthematureRNAproduct,3.3.4.2真核生物基因的结构1、断裂基因（splitgene）,Intron(内含子),isasegmentofDNAthatistranscribed,butremovedfromwithinthetranscriptbysplicingtogetherthesequences(exons)oneithersideofit.,DNA与成熟RNA间的非对应区域,氨基酸的非编码区（uncodingregion）,间隔区（spacer）,内含子存在意义：保证或增强基因的稳定表达；内含子中包含有其他基因的编码序列（即基因内基因）。GT-AG法则：真核生物基因内含子高度保守的一致序列：内含子5端大多数以GT开始，3端大多数以AG结束，称为GT-AG法则。此法则可用作真核基因中RNA剪接的识别信号。,DNAXcDNA,Electro-microscope,7introns8exons,Pre-mRNA,IntronsRemovedExonsjunctions,Splitgene,SplitGene,真核生物的结构基因是由若干exon和intron相间隔排列的序列组成的间隔基因,lSplitGene的普遍性,b)在原核生物中(inProkaryots),Splitgeneisnothallmarkofeukaryoticgenes,afewstructuralgenearesplitgenes,SV40T抗原基因Tantigengene,t抗原基因tantigengene,T4噬菌体胸线嘧啶合成酶基因(T4phagethyminesynthetasegene),lSplitgene概念的相对性,c)并非真核生物所有的结构基因均为splitgene,不是splitgene,b)Exon并非“表里如一”,a)Intron并非“含而不露”,YeastIntronIIofcyt.bgenecodingamaturase(成熟酶),人类尿激酶原基因ExonI不编码氨基酸序列,Histone（组蛋白）genefamily,Interferon（干扰素）gene,Yeast中多数基因,Splitgene存在的生物学意义,a)有利于遗传的相对稳定,mutationfrequency,即使错误剪接留下的intron部分也会被mRNA监测系统降解，从而避免细胞病变和死亡。,inintroninexon,b)增加变异机率，有利于生物的进化,对intron不同方式的剪接，形成不同的基因产物（5%isoformproteininmammalian）,c)扩大生物体的遗传信息储量,UAA,内含子1,内含子2,前体mRNA,剪接方式1：去除内含子1,剪接方式2：去除内含子2,T-mRNA,t-mRNA,T-抗原,t-抗原,分布于核内：100KD,分布于胞浆内：18KD,SV40T-抗原和t-抗原mRNA前体的不同剪接方式,UAA,2、重复基因(Repetitivegene)真核生物染色体DNA中存在着许多重复序列，根据DNA序列出现频率的不同，可分为：单拷贝和低度重复序列、中度重复序列、高度重复序列。,a)高度重复序列(Highrepetitivesequence),satelliteDNA,105-106copies/genome,多为串联重复排列,分布于着丝点,端粒区,结构基因两侧,卫星DNA定义：串联集中分布在着丝点附近的异染色区的高度重复序列，一般不转录，可能与细胞分裂时染色体的运动有关。分子标记,根据核心顺序的长短分为卫星DNA、小卫星DNA、微卫星DNA。,高度重复序列的小峰,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（variablenumberoftandemrepeat,VNTR）,端粒DNA：（TTAGGG）n，2-20kb，染色体复制，末端保护。,核心序列GGGCAGGAXG；,微卫星DNA（microsatelliteDNA):重复单位为15bp,重复次数为1060次，总长度小于150bp，常见以(AC)n和(TG)n二聚核苷酸为重复单位，1981年发现。在染色体DNA中散在分布，其数量可达五到十万。,高度多态性，可作遗传标记,b)中度重复序列,重复次数10-105，约占基因组的35,AlufamilyrDNAtDNAHistonegenecluster,0.1-1Kb/copy,rDNAgenefamily,Histonegenefamily,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有关。有形成Z-DNA的能力。可能具有转录调节作用。,还有许多其它家族如：Kpn家族、Hinf家族、多聚d-d家族等。,3.跳跃基因/转座子（Jumpinggene/Transposon）,转座子:可转移或可插入的基因，可以在同一条染色体或不同染色体间甚至在染色体与质粒间跳跃。专门介绍,4、真核生物的假基因（pseudogene）,概念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.缺失(deletion)、倒位(inversion)或点突变（pointmutaion）等，成为无功能的基因，即形成了假基因,b)种类,重复的假基因加工的假基因,，内含子、启动子,3.3.4.3基因家族（genefamily),真核生物的基因组中有很多来源相同、结构相似、功能