高中生物竞赛辅导课件—DNA复制、基因表达、基因与人类基因组计划

1、高中生物竞赛辅导课件高中生物竞赛辅导课件DNA复制、基因表达、基因复制、基因表达、基因与人类基因组计划与人类基因组计划复制复制一、一、DNADNA复制的机制复制的机制DNADNA半保留半保留复制复制DNADNA半保留半保留复制的概念复制的概念 当细胞分裂时，当细胞分裂时，DNA的双链拆的双链拆开并分为两股单链，各自作为模板开并分为两股单链，各自作为模板，用以合成新的互补链。在两个子，用以合成新的互补链。在两个子细胞中新合成的细胞中新合成的DNA双链，都和双链，都和母细胞的母细胞的DNA双链的碱基序列完双链的碱基序列完成一样，其中一条链来自亲代，另成一样，其中一条链来自亲代，另一条链为新合成的。

2、遗传信息就这一条链为新合成的。遗传信息就这样高度准确地从亲代传给子代。这样高度准确地从亲代传给子代。这种复制方式称为半保留复制种复制方式称为半保留复制 DNA半保留复制的实验依据：半保留复制的实验依据： 1958年年 Meselson & Stahl 放射性同位素（放射性同位素（15N）标记）标记 CsCl密度梯度离心密度梯度离心StahlMeselson3. 半保留复制的证明半保留复制的证明2. 半保留复制的时期半保留复制的时期DNADNA半不连续半不连续复制复制子代子代DNA中中的一条链的合成是连续的，的一条链的合成是连续的，另一条链的合成是不连续的，另一条链的合成是不连续的，DNADNA

3、的这种复的这种复制制方式方式称为半不连续复制。称为半不连续复制。19681968年，冈崎的著名实验观察到年，冈崎的著名实验观察到DNADNA复制复制过程中，有一些不连续片段，称为冈崎片段过程中，有一些不连续片段，称为冈崎片段。原核生物中冈崎片段约含原核生物中冈崎片段约含1000100020002000个个核苷酸，真核生物约为核苷酸，真核生物约为400400个核苷酸，个核苷酸，新新DNADNA的一条链是按的一条链是按5 5，3 3，方向（与复制方向（与复制叉移动的方向一致）连续合成，称为叉移动的方向一致）连续合成，称为“前导前导链链”；另一条链的合成是不连续的，即先按；另一条链的合成是不连续的，

4、即先按5 5，3 3，方向（与复制叉移动的方向相反）方向（与复制叉移动的方向相反）合成冈崎片段，再连接成一条完整的链，称合成冈崎片段，再连接成一条完整的链，称为滞后链。为滞后链。DNADNA复制的有关物质复制的有关物质DNADNA聚合酶聚合酶( (DDDP)DDDP)DNADNA聚合酶的性质聚合酶的性质: :模板模板: : ssDNAssDNA引物引物: : RNARNA底物：底物： 四种四种dNTPdNTP辅助因子：辅助因子：MgMg2 2合成方向：合成方向：5 5-3-3方向延方向延伸伸原核生物原核生物DNADNA聚合酶聚合酶DNAPolDNAPolDNAPolDNAPolDNAPolDN

5、APol真核生物真核生物DNADNA聚合酶聚合酶亚基数44425分子量（KD)25036-38160-300170256细胞内定位核核线粒体核核53聚合活性35外切活性功能复制、引发修复复制复制复制l动物细胞和某些噬菌体连接酶动物细胞和某些噬菌体连接酶-T T4 4连接酶（以连接酶（以ATPATP为能量）为能量）l大肠杆菌大肠杆菌DNADNA连接酶（以连接酶（以NADNAD+ +为能量）为能量）该酶可将该酶可将DNADNA中单链缺口上相邻的两个核苷酸，中单链缺口上相邻的两个核苷酸， 以磷酸二酯键连接起来。以磷酸二酯键连接起来。需要能量需要能量需要镁离子需要镁离子1. 2. 拓朴异构酶拓朴异构酶

6、(Topo )Topo )：其作用是使双链其作用是使双链DNADNA中的一股切断，中的一股切断，使链的末端沿着螺旋轴按双螺旋反方向旋转，超螺旋消除后再将切使链的末端沿着螺旋轴按双螺旋反方向旋转，超螺旋消除后再将切口封闭。口封闭。 DNADNA变为松弛态。催化反应不需变为松弛态。催化反应不需ATPATP。 拓朴异构酶拓朴异构酶(Topo )Topo )：又称又称DNADNA旋转酶。旋转酶。作用方式：作用方式：（1 1）是在水解）是在水解ATPATP的同时能迅速使的同时能迅速使DANDAN双链断开又接上，而使松双链断开又接上，而使松弛态的弛态的DNADNA转变为超螺旋状态，引入负超螺旋。转变为超螺

7、旋状态，引入负超螺旋。（2 2）在没有）在没有ATPATP时，它又可使负超螺旋时，它又可使负超螺旋DNADNA变为松弛态。变为松弛态。 解链酶（或称解螺旋酶）解链酶（或称解螺旋酶）: : 此酶通过水解此酶通过水解ATPATP以获得能量去松开以获得能量去松开双股双股DNADNA，每解开一对核苷酸需水解每解开一对核苷酸需水解2 2分子分子ATPATP。 复制时大部他复制时大部他DNADNA解链酶可以沿着滞后链模板的解链酶可以沿着滞后链模板的5 5，3 3，方向随方向随着复制叉的前进而移动，以解开双链。着复制叉的前进而移动，以解开双链。引物酶与引物酶与RNARNA引物（引物（primase prim

8、ase 与与primerprimer）单链单链DNADNA结合蛋白（结合蛋白（SSBSSB） 它与单链它与单链DNADNA结合。结合。防止两条单链防止两条单链DNADNA重新形成双螺旋。重新形成双螺旋。保护单链保护单链DNADNA不被核酸酶水解。不被核酸酶水解。 RNARNA引物和引物酶引物和引物酶: : 多数情况下是以多数情况下是以RNARNA片段为引物，由引物酶片段为引物，由引物酶催化合成。引物酶是一种不同于催化转录过程的催化合成。引物酶是一种不同于催化转录过程的RNARNA聚合酶。引物聚合酶。引物酶通常需要和几种蛋白质因子结合形成引发体才能发挥作用。例如酶通常需要和几种蛋白质因子结合形成

9、引发体才能发挥作用。例如大肠杆菌的大肠杆菌的dnadna蛋白能协助引物酶识别起始位点，并与起始部位结蛋白能协助引物酶识别起始位点，并与起始部位结合。合。 RNARNA引物的长度是不同的，在动物细胞中引物长度约引物的长度是不同的，在动物细胞中引物长度约1010个核苷个核苷酸，第一个核苷酸常用酸，第一个核苷酸常用ATPATP。细菌的引物为细菌的引物为5050100100个核苷酸，但个核苷酸，但也有仅也有仅2 24 4个核苷酸的。个核苷酸的。 真核生物真核生物引物为引物为1010个核苷酸左右。个核苷酸左右。三、三、DNADNA的复制过程的复制过程辨识起始点辨识起始点RNARNA引物的合成引物的合成高

10、级结构的解除高级结构的解除复制叉的移动复制叉的移动DNAPolDNAPol延模板滑动延模板滑动催化催化3 35 5- -P P二酯键形成二酯键形成RNARNA引物的切除引物的切除RNARNA引物的切除后填补引物的切除后填补缺口连接缺口连接1.4 DNA聚合酶的引物聚合酶的引物(primer) DNA复制为什么需要引物？复制为什么需要引物？ DNA聚合酶只能催化聚合酶只能催化dNTP到已有核酸链到已有核酸链的游离的游离3-OH上，而不能从游离核苷酸起上，而不能从游离核苷酸起始始DNA链的合成。链的合成。 DNA聚合酶需要引物来提供聚合酶需要引物来提供3-OH末端，末端，然后在其上加入核苷酸来延伸

11、然后在其上加入核苷酸来延伸DNA链。链。 复制叉（复制叉（Replication fork）：染色体中参与复制的）：染色体中参与复制的活性区域，即复制正在发生的位点。活性区域，即复制正在发生的位点。 复制眼（复制眼（replication eye）：）：电子显微镜下观察正在复制电子显微镜下观察正在复制的的DNA，复制的区域形如一，复制的区域形如一只眼睛。只眼睛。2 DNA连接酶（连接酶（ DNA Ligase ） 1967年，世界上数个实验室几乎同时发现该酶。年，世界上数个实验室几乎同时发现该酶。 2.1 基本性质：能将两段基本性质：能将两段DNA拼接起来的酶，催化拼接起来的酶，催化DNA相邻

12、的相邻的5磷酸基团和磷酸基团和3羟基末断之间形成磷酸羟基末断之间形成磷酸二酯键，封闭二酯键，封闭DNA单链缺口。单链缺口。 基因表达：基因通过转录和翻译，产生蛋白质产物和直接转录RNA参与生物功能的过程。 基因调控：涉及基因的启动关闭，活性的增加或减弱。发生在转录阶段，转录后加工阶段和翻译阶段。 负调控：阻遏蛋白结合在受控基因上时不表达，不结合时就表达的形式。 正调控：基因表达的活化物结合在受控基因上时，激活基因表达，不结合时就不表达的形式。( (一一) ) 大肠杆菌的乳糖操纵子模型大肠杆菌的乳糖操纵子模型一一 、原核生物基因表达的调控、原核生物基因表达的调控 2 2）操纵基因）操纵基因(O)

13、(O)：是：是DNADNA上仅为上仅为26bp26bp的一小段序的一小段序列，不编码蛋白质，它是调节基因所编码的阻遏蛋白列，不编码蛋白质，它是调节基因所编码的阻遏蛋白的结合部位。操纵基因决定了的结合部位。操纵基因决定了RNARNA聚合酶是否能够与聚合酶是否能够与DNADNA序列上的启动子接触从而沿着序列上的启动子接触从而沿着DNADNA分子移动，启分子移动，启动动RNARNA的转录。对结构基因起着的转录。对结构基因起着“开关开关”的作用，直的作用，直接控制结构基因的转录。接控制结构基因的转录。一一 、原核生物基因表达的调控、原核生物基因表达的调控一一 、原核生物基因表达的调控、原核生物基因表达

14、的调控阻遏蛋白阻遏蛋白)一一 、原核生物基因表达的调控、原核生物基因表达的调控一一 、原核生物基因表达的调控、原核生物基因表达的调控一一 、原核生物基因表达的调控、原核生物基因表达的调控一一 、原核生物基因表达的调控、原核生物基因表达的调控一一 、原核生物基因表达的调控、原核生物基因表达的调控一一 、原核生物基因表达的调控、原核生物基因表达的调控( (二二) ) 色氨酸操纵子色氨酸操纵子1.1.阻遏物对色氨酸操纵子的负调控阻遏物对色氨酸操纵子的负调控 调控基因调控基因 结构基因结构基因 催化分支酸转变为色氨酸催化分支酸转变为色氨酸 的酶的酶trpRtrp一一 、原核生物基因表达的调控、原核生物

15、基因表达的调控二、真核生物基因表达的调控二、真核生物基因表达的调控 在真核生物中基因表达的调节其特点是（在真核生物中基因表达的调节其特点是（1 1）多层次，）多层次，（2 2）无操纵子和衰减子）无操纵子和衰减子( (在色氨酸操纵子中存在一种在色氨酸操纵子中存在一种转录水平上调节基因表达的衰减作用，用以终止和减转录水平上调节基因表达的衰减作用，用以终止和减弱转录。这种调节作用称为衰减子弱转录。这种调节作用称为衰减子) )（3 3）个体发育复）个体发育复杂，（杂，（4 4）受环境影响较小）受环境影响较小 在真核生物中，在真核生物中，DNA的三级超螺旋结构与蛋白质结合，的三级超螺旋结构与蛋白质结合，

16、构成染色质的基本单位构成染色质的基本单位-核小体。其核心由组蛋白八聚体核小体。其核心由组蛋白八聚体(由由H2A、H2B、H3、H4各两分子组成各两分子组成)和盘绕其上的一和盘绕其上的一段段DNA双链组成，连接区双链组成，连接区含有组蛋白含有组蛋白H1和一小段和一小段DNA双链。核小体彼此连成串珠双链。核小体彼此连成串珠状染色质细丝，经高度螺旋状染色质细丝，经高度螺旋化形成染色质纤维，进一步化形成染色质纤维，进一步卷曲、折叠成染色单体。这卷曲、折叠成染色单体。这样，样，DNA的长度被压缩近万的长度被压缩近万倍。核小体可能通过阻止转倍。核小体可能通过阻止转录酶接近录酶接近DNA分子的方式起分子的方

17、式起到了调节基因表达的作用。到了调节基因表达的作用。二、真核生物基因表达的调控二、真核生物基因表达的调控 多线染色体来源于核内有丝分裂，多线染色体来源于核内有丝分裂，即核内即核内DNA多次复制产生子染色体多次复制产生子染色体并行排列，且体细胞内同源染色体并行排列，且体细胞内同源染色体配对，紧密地结合在一起，从而阻配对，紧密地结合在一起，从而阻止了染色质纤维的进一步聚缩，形止了染色质纤维的进一步聚缩，形成体积很大的多线染色体。成体积很大的多线染色体。 光镜下观察多线染色体，可见一光镜下观察多线染色体，可见一系列交替分布的带和间带，带区的系列交替分布的带和间带，带区的染色质包装程度比间带染色质包装

18、染色质包装程度比间带染色质包装程度高得多，所以呈带色较深间带程度高得多，所以呈带色较深间带较浅的染色。多线染色体上的数目、较浅的染色。多线染色体上的数目、形态、大小及分布位置都很稳定。形态、大小及分布位置都很稳定。果蝇幼虫唾液腺多线染色体果蝇幼虫唾液腺多线染色体二、真核生物基因表达的调控二、真核生物基因表达的调控 个体发育的某个阶段，多线个体发育的某个阶段，多线染色体的某些区段变得疏松膨染色体的某些区段变得疏松膨大而形成胀泡。最大的胀泡叫大而形成胀泡。最大的胀泡叫Balbiani环。胀泡是基因活跃环。胀泡是基因活跃转录的形态学标志。控制果蝇转录的形态学标志。控制果蝇多线染色体基因转录的主要因多

19、线染色体基因转录的主要因素之一就是蜕皮激素，这种激素之一就是蜕皮激素，这种激素水平在幼虫发育期间周期性素水平在幼虫发育期间周期性变化，从而诱导那些编码每次变化，从而诱导那些编码每次蜕皮和蛹化所需的蛋白质转录。蜕皮和蛹化所需的蛋白质转录。多线染色体的带与胀泡多线染色体的带与胀泡,(a) 带与间带带与间带;(b)胀泡胀泡二、真核生物基因表达的调控二、真核生物基因表达的调控 2.异染色质化与基因的表达失活 在染色质中可分为常染色质和异染色质，它们在细在染色质中可分为常染色质和异染色质，它们在细胞中凝聚的时期不同。异染色质是包装成胞中凝聚的时期不同。异染色质是包装成20-30nm20-30nm，不，不

20、具有转录活性的染色质。它又分为组成性异染色质和具有转录活性的染色质。它又分为组成性异染色质和兼性异染色质。前者是指在各种细胞中，在整个细胞兼性异染色质。前者是指在各种细胞中，在整个细胞周期内都处于凝聚状态的染色质，如着丝粒，端粒等周期内都处于凝聚状态的染色质，如着丝粒，端粒等。后者指在某些特定的细胞中，或在一定的发育时期。后者指在某些特定的细胞中，或在一定的发育时期和生理条件下凝聚，由常染色质变成异染色质，这本和生理条件下凝聚，由常染色质变成异染色质，这本身也是真核生物的一种表达调控的途经。身也是真核生物的一种表达调控的途经。二、真核生物基因表达的调控二、真核生物基因表达的调控 在正常女性的细

21、胞核核膜附近有一团高度凝聚的染在正常女性的细胞核核膜附近有一团高度凝聚的染色质小体与性别及色质小体与性别及X染色体的数目有关，称为性染色质染色体的数目有关，称为性染色质体又名巴氏小体，在正常男性的细胞核中都没有。正体又名巴氏小体，在正常男性的细胞核中都没有。正常的女性个体中有常的女性个体中有XX染色体，而它们的体细胞中有一染色体，而它们的体细胞中有一个巴氏小体。在正常男个巴氏小体。在正常男性个体中有性个体中有XY染色体，染色体，没有巴氏小体。在带有没有巴氏小体。在带有多条多条X染色体的个体，染色体的个体，只有一条只有一条X染色体是有染色体是有活性的。巴氏小体的数活性的。巴氏小体的数目为目为X染

22、色体的条数减染色体的条数减1。图图18-25 巴氏小体巴氏小体 (a) 正常女人的细胞，在核膜附正常女人的细胞，在核膜附近存在巴氏小体近存在巴氏小体(箭头所指箭头所指)；(b ) 正常男人的细胞，正常男人的细胞，在核膜附近无巴氏小体在核膜附近无巴氏小体(转引自转引自Russell,1992) 二、真核生物基因表达的调控二、真核生物基因表达的调控2.异染色质化与基因的表达失活 1961 1961年提出了莱昂假说，其主要论点是：巴尔年提出了莱昂假说，其主要论点是：巴尔小体是一个失活的小体是一个失活的X X染色体，失活的过程就称为莱昂化；染色体，失活的过程就称为莱昂化；在哺乳动物中，雌雄个体细胞中的

23、两个在哺乳动物中，雌雄个体细胞中的两个X X染色体中有染色体中有一个一个X X染色体在受精后的第染色体在受精后的第1616天（受精卵增殖到天（受精卵增殖到5000-5000-60006000，植入子宫壁时）失活；两条，植入子宫壁时）失活；两条X X染色体中哪一染色体中哪一条失活是随机的；条失活是随机的；X X染色体失活后，在细胞继续分裂染色体失活后，在细胞继续分裂形成的克隆中，此条染色体都是失活的；生殖细胞形成的克隆中，此条染色体都是失活的；生殖细胞形成时失活的形成时失活的X X染色体可得到恢复。染色体可得到恢复。二、真核生物基因表达的调控二、真核生物基因表达的调控2.异染色质化与基因的表达失

24、活 实例：实例：三色猫（又叫做玳瑁猫）的雌性个体腹部的三色猫（又叫做玳瑁猫）的雌性个体腹部的毛是白色的，背部和头部的皮毛由桔黄色和黑色斑组毛是白色的，背部和头部的皮毛由桔黄色和黑色斑组成。这种雌猫是一个成。这种雌猫是一个X-X-连锁基因杂合体，连锁基因杂合体，X-X-连锁的连锁的b b基基因控制橙色毛皮，其等位因控制橙色毛皮，其等位基因基因B B是控制黑色的毛皮。是控制黑色的毛皮。基因是基因是X Xb b染色体若失活，染色体若失活，X XB B表达，产生黑色毛斑，表达，产生黑色毛斑，若基因是若基因是X XB B染色体失活，染色体失活，X Xb b表达，则产生橙黄色毛表达，则产生橙黄色毛斑。斑。

25、 三色猫三色猫二、真核生物基因表达的调控二、真核生物基因表达的调控2.异染色质化与基因的表达失活二、真核生物基因表达的调控二、真核生物基因表达的调控二、真核生物基因表达的调控二、真核生物基因表达的调控二、真核生物基因表达的调控二、真核生物基因表达的调控二、真核生物基因表达的调控二、真核生物基因表达的调控二、真核生物基因表达的调控二、真核生物基因表达的调控基因是一段有功能的基因是一段有功能的DNADNA序列序列 DNADNA双螺旋模型双螺旋模型 19531953年年 WatsonWatson和和CrickCrick提出提出 遗传中心法则遗传中心法则 19571957年年 CrickCrick提出

26、提出 顺反互补试验顺反互补试验 19551955年年 BenzerBenzer提出：顺反子提出：顺反子 三联遗传密码的破译三联遗传密码的破译 NirenbergNirenberg等等 1961-671961-67年：年： 7070年代：可移动基因的证实、隔裂基因和重叠年代：可移动基因的证实、隔裂基因和重叠 基因的发现等。基因的发现等。7 7 近代基因的概念近代基因的概念：基因是一段有功能的基因是一段有功能的DNADNA序列，序列，基因是遗传的功能单位，基因是遗传的功能单位，DNA分子中不同排分子中不同排列顺序的列顺序的DNA片段构成特定的功能单位；片段构成特定的功能单位； 可转录、可翻译的（结

27、构基因：能够编码多肽可转录、可翻译的（结构基因：能够编码多肽链的基因链的基因 ) 可转录但不翻译可转录但不翻译( tDNA, rDNA) 不转录、不翻译不转录、不翻译 (调控基因：调控调控基因：调控邻近的结构基因邻近的结构基因的表达，如：的表达，如：启动基因，操纵基因启动基因，操纵基因) 基因的类型基因的类型不是所有的基因都能为蛋白质编码不是所有的基因都能为蛋白质编码 1、 割裂基因（割裂基因（splitting gene） 不连续基因不连续基因 断裂基因断裂基因n发现：发现：1977 美美Sharp & Roberts 同时同时发现了断裂基因发现了断裂基因n 通过成熟通过成熟mRNA（或（或

28、cDNA） 与编码基因与编码基因的的DNA杂交试验而发现。杂交试验而发现。Richard J. Roberts Phillip A. Sharp Nobel Prize 1993鸡卵清蛋白基鸡卵清蛋白基因因DNA与其与其mRNA杂交图杂交图 割裂基因：基因的编码序列在割裂基因：基因的编码序列在DNA上不是连续上不是连续的，而是被不编码的序列隔开。的，而是被不编码的序列隔开。 外显子外显子Exon ：基因中编码的序列，与：基因中编码的序列，与mRNA的序列相对应。的序列相对应。 内含子内含子Intron ：基因中不编码的序列。：基因中不编码的序列。Precursor mRNA (pre-mRNA

29、)Heterogeneous nuclear RNA (HnRNA)真核生物基因的转录物又称为真核生物基因的转录物又称为 所以真核生物基因又称为所以真核生物基因又称为 SplittinggeneInterruptedgene间隔基因，断裂基因间隔基因，断裂基因前体前体mRNA, 核内不均一核内不均一 RNA由于真核生物的绝大多数结构基因都含有内含子由于真核生物的绝大多数结构基因都含有内含子 剪接剪接: 前体前体RNA中由内含子转录下来的序列去除，中由内含子转录下来的序列去除，并把由外显子转录的并把由外显子转录的RNA序列连接起来的过程。序列连接起来的过程。割裂基因割裂基因前体前体mRNAInt

30、rons 去除去除Exons 连接连接剪接剪接割裂基因割裂基因的分布的分布a) a) 真核生物中：真核生物中：绝大部分结构基因绝大部分结构基因 tDNA, rDNA tDNA, rDNA mtDNA, cpDNA mtDNA, cpDNAb) b) 原核生物中：原核生物中：SV40 SV40 大大T T 抗原抗原gene gene 小小t t 抗原抗原 gene gene T4 T4 噬菌体的胸苷合成酶噬菌体的胸苷合成酶 genegene1017 bp intron 1017 bp intron Splitting gene Splitting gene 并非真核生物所特有并非真核生物所特有c

31、) 并非真核生物所有的结构基因均为并非真核生物所有的结构基因均为splitting genesplitting gene 不是不是splitting splitting genegene组蛋白基因家族组蛋白基因家族 干扰素干扰素酵母酵母中多数基因中多数基因割裂基因的性质：割裂基因的性质：1）外显子在基因中的排列顺序和它在成熟）外显子在基因中的排列顺序和它在成熟mRNA产物中的排列顺序是相同的产物中的排列顺序是相同的;2）某种割裂基因在所有组织中都有相同的内含子）某种割裂基因在所有组织中都有相同的内含子成分成分;3）核基因的内含子的可读框通常含无义密码子，）核基因的内含子的可读框通常含无义密码子

32、，没有编码功能没有编码功能;4）通常内含子上发生的突变不能影响蛋白质的结）通常内含子上发生的突变不能影响蛋白质的结构，其突变对生物体没有影响；但也有例外。构，其突变对生物体没有影响；但也有例外。1 1 重叠基因的概念重叠基因的概念 重叠基因：是指两个或两个以上的基因共有重叠基因：是指两个或两个以上的基因共有 一段一段DNADNA序列。序列。2 2 重叠基因的发现：重叠基因的发现：19781978年，年，SangerSanger，Feir X174DNAX174DNA全长：全长：53865386核苷酸核苷酸 编码的编码的9 9种蛋白全长：种蛋白全长：20002000个氨基酸；个氨基酸； 3X20

33、00 = 60003X2000 = 6000核苷酸核苷酸 噬菌体噬菌体G4、MS2和和SV40中都发现了重叠基因中都发现了重叠基因 原核生物的重叠基因原核生物的重叠基因3 基因重叠的方式基因重叠的方式 1） 大基因内包含小基因：大基因内包含小基因： 如：如：B基因包含在基因包含在A基因内，基因内，E基因完全包含在基因完全包含在D基因内。基因内。 2） 前后两基因首尾重叠：前后两基因首尾重叠： 例例1： 如：基因如：基因D 终止终止 X174DNA序列：序列：5TAATG3 重叠一个碱基重叠一个碱基 基因基因J 起始起始 例例2： 如：基因如：基因A 终止终止 X174DNA序列序列 5ATGA

34、3 重叠重叠4个碱基个碱基 基因基因C 起始起始 根据密码子的起始位置，根据密码子的起始位置，一个一个DNA顺序可能有顺序可能有3种种阅读框阅读框 例如，序列例如，序列ATTCGATCGCAACAA A ATT CGA TCGA TTC GAT CGC AAAT TCG ATC GCA（1）（3）（2）n但只有一种具有编码的作用，称为开放阅读框。但只有一种具有编码的作用，称为开放阅读框。n开放阅读框：基因序列的一部分，包含一段可以开放阅读框：基因序列的一部分，包含一段可以编码蛋白的碱基序列，不能被终止子打断。编码蛋白的碱基序列，不能被终止子打断。 (2013高考山东卷高考山东卷) 某二倍体植物

35、宽叶某二倍体植物宽叶(M)对窄叶对窄叶(m)为为显性，高茎显性，高茎(H)对矮茎对矮茎(h)为显性，红花为显性，红花(R)对白花对白花(r)为为显性。基因显性。基因M、m与基因与基因R、r在在2号染色体上，基因号染色体上，基因H、h在在4号染色体上。号染色体上。 (1)基因基因M、R编码各自蛋白质前编码各自蛋白质前3个氨基酸的个氨基酸的DNA序列序列如右图，起始密码子均为如右图，起始密码子均为AUG。若基因。若基因M的的b链中箭头链中箭头所指碱基所指碱基C突变为突变为A，其对应的密码子将由，其对应的密码子将由_变变为为_。正常情况下，基因。正常情况下，基因R在细胞中最多有在细胞中最多有_个，其

36、转录时的模板位于个，其转录时的模板位于_(填填“a”或或“b”)链中。链中。GUCUUC4a 果蝇蛹上皮蛋白质基因位于另一个基因的内含子之中果蝇蛹上皮蛋白质基因位于另一个基因的内含子之中 人人I型神经纤维瘤型神经纤维瘤(NF1)基因的第一个内含子中有三个编基因的第一个内含子中有三个编码蛋白质的基因，码蛋白质的基因， 其转录方向与其转录方向与NF1的相反。的相反。 线虫基因组中每个基因平均有线虫基因组中每个基因平均有5个内含子，有的内含子个内含子，有的内含子中包含中包含tRNA基因，其转录方向不一定与包含它的基因基因，其转录方向不一定与包含它的基因的转录方向一致。的转录方向一致。 可见，两个重叠

37、基因的转录是各自独立、互不依赖。可见，两个重叠基因的转录是各自独立、互不依赖。4、真核生物的重叠基因、真核生物的重叠基因真核生物的重叠基因真核生物的重叠基因（1）取决于它所包含的内含子的长度）取决于它所包含的内含子的长度 例如：例如：31Kb的二氢叶酸还原酶基因含的二氢叶酸还原酶基因含6个外显个外显子，子，mRNA长度为长度为2Kb，内含子长，内含子长29Kb，内含，内含子比外显子大很多。子比外显子大很多。 在进化相关的相似组织的基因，其外显子基本在进化相关的相似组织的基因，其外显子基本一致，内含子的位置也是保守的，只是长度有一致，内含子的位置也是保守的，只是长度有变化。变化。 如小鼠的如小鼠

38、的a-珠蛋白基因长度珠蛋白基因长度850bp，b-珠蛋白珠蛋白1382bp，两个的，两个的mRNA却大小差不多。却大小差不多。基因的大小基因的大小（2）取决于所包含的内含子的数目）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。平均长度也在增加。 基因组（基因组（genome）：指一个物种单倍体的染色）：指一个物种单倍体的染色体所携带的一整套基因。体所携带的一整套基因。 2 基因组：基因组： 例：人类与编码基因数目的比较例：人类与编码基因数目的比较 E.coli. 4.2 X 106bp 编码约编码约3000种基因种基因

39、 人类人类 3.3 X 109 bp 大肠杆菌的大肠杆菌的700多倍多倍 有上百万个基因？有上百万个基因？ 根据不同细胞中的根据不同细胞中的 mRNA数目估算表达基因数目估算表达基因 人类编码基因约为人类编码基因约为3-4 万个万个 约为大肠杆菌的约为大肠杆菌的30倍，那么倍，那么90以上的以上的DNA功能何在？功能何在？果蝇基因组的基因果蝇基因组的基因 与预期的编码蛋白质的基因的数量相比，基因组的与预期的编码蛋白质的基因的数量相比，基因组的DNADNA含量过多含量过多真核生物与原核生物基因组的比较：真核生物与原核生物基因组的比较：1）真核生物基因分布在多个染色体上，而原核生物只一个染）真核生

40、物基因分布在多个染色体上，而原核生物只一个染色体。色体。2）真核生物在基因组转录后的绝大部分前体）真核生物在基因组转录后的绝大部分前体RNA必须经过剪必须经过剪接过程才能形成成熟的接过程才能形成成熟的mRNA，而原核生物的基因几乎不，而原核生物的基因几乎不需要转录后加工。需要转录后加工。3）真核生物细胞中）真核生物细胞中DNA与组蛋白和大量非组蛋白结合，并有与组蛋白和大量非组蛋白结合，并有核膜将其与细胞质隔离，结果真核细胞的转录和翻译在时核膜将其与细胞质隔离，结果真核细胞的转录和翻译在时间上和空间上都是分离的，而原核细胞的基因转录和翻译间上和空间上都是分离的，而原核细胞的基因转录和翻译是同步的

41、。是同步的。4）真核生物的基因是不连续的，中间存在不被翻译的内含子）真核生物的基因是不连续的，中间存在不被翻译的内含子序列，而原核生物几乎每一个基因都是完整的连续的序列，而原核生物几乎每一个基因都是完整的连续的DNA片段。片段。3 基因组大小和基因组大小和C值值 C值值 (C Value)：在每一种生物中其单倍体基因组：在每一种生物中其单倍体基因组的的DNA总量是特异的。总量是特异的。 DNA的长度是根据碱基对的多少推算出来的。的长度是根据碱基对的多少推算出来的。 C值是每种生物的一个特征，不同生物之间差别值是每种生物的一个特征，不同生物之间差别很大很大显 花 植 物鸟 类哺 乳 类爬 行 类

42、两 栖 类骨 鱼 类软 骨 鱼 类棘 皮 类甲 壳 类昆 虫 类软 体 动 物蠕 虫 类酶 菌藻 类真 菌革 兰 氏 阳 性 菌革 兰 氏 阴 性 菌枝 原 体 106 107 108 109 1010 1011图 10-37 不 同 门 类 生 物 的 C 值 分 布(仿 B.Lewin: GENES ,1997,Fig21.1) 低等真核生物中与形态学复杂程度相关，低等真核生物中与形态学复杂程度相关，但高等真核生物中变化很大但高等真核生物中变化很大 生物体进化程度高低与生物体进化程度高低与C值不值不成明显线性相关成明显线性相关 亲缘关系相近的生物亲缘关系相近的生物C值相差值相差较大。较大。

43、 高等生物的高等生物的C值不一定就意味值不一定就意味着它的着它的C值高于比它低等的生值高于比它低等的生物。物。 C值矛盾值矛盾/ C值悖论：值悖论：C值和生值和生物结构或组成的复杂性不一物结构或组成的复杂性不一致的现象。致的现象。 C值变化范围宽意味着在某些值变化范围宽意味着在某些生物中有生物中有DNA是不编码的。是不编码的。显 花 植 物鸟 类哺 乳 类爬 行 类两 栖 类骨 鱼 类软 骨 鱼 类棘 皮 类甲 壳 类昆 虫 类软 体 动 物蠕 虫 类酶 菌藻 类真 菌革 兰 氏 阳 性 菌革 兰 氏 阴 性 菌枝 原 体 106 107 108 109 1010 1011图10-37 不 同

44、 门 类 生 物 的C值 分 布 (仿B.Lewin: GENES ,1997,Fig21.1)某些生物的基因组数据物种 基因组大小 基因数目 基因长度X1740.7kb10噬菌体45Kb100大肠杆菌4.2Mb42001.2kb酿酒酵母13.5Mb63001.4kb果蝇14Mb1200011.3kb人3.3Gb3500016.3kb拟南芥70Gb250004 基因组的基因数目基因组的基因数目真核生物基因组的重复序列真核生物基因组的重复序列根据复性动力学研究将真核生物根据复性动力学研究将真核生物DNA序列归类：序列归类：p 单拷贝序列单拷贝序列p 轻度重复序列轻度重复序列p 中度重复序列中度重

45、复序列p 高度重复序列高度重复序列 1）单拷贝序列）单拷贝序列(single copy sequences) 又称非重复序列：又称非重复序列： 一个基因组中只有一个拷贝。一个基因组中只有一个拷贝。 慢复性速度慢复性速度 单一序列的复性曲线常只有一个拐点，而重复序单一序列的复性曲线常只有一个拐点，而重复序列常有多个拐点。列常有多个拐点。 结构基因结构基因 (蛋白质基因蛋白质基因)大多是单拷贝序列。大多是单拷贝序列。2）轻度重复序列）轻度重复序列(light repetitive sequences) 在基因组中重复数在基因组中重复数2-10的重复顺序，的重复顺序， 为慢复性速度。为慢复性速度。

46、少数在基因组中成串排列在一个区域，大多数与少数在基因组中成串排列在一个区域，大多数与单拷贝基因间隔排列。单拷贝基因间隔排列。 多为编码功能的序列多为编码功能的序列3）中度重复序列）中度重复序列(moderate repetitive sequences) 基因组中重复数十至数万（基因组中重复数十至数万（105）次的重复顺序，）次的重复顺序， 复性速度快于单拷贝顺序，慢于高度重复顺序。复性速度快于单拷贝顺序，慢于高度重复顺序。 多与单拷贝基因间隔排列。多与单拷贝基因间隔排列。 多为非编码序列，如多为非编码序列，如Alu序列序列 也有编码基因产物的，如也有编码基因产物的，如rDNA、tDNA、组蛋

47、白、组蛋白基因家族基因家族, 一般往往以基因家族的形式组织。一般往往以基因家族的形式组织。4）高度重复序列）高度重复序列(highly repetitive sequences) 在基因组中重复频率高，可达百万在基因组中重复频率高，可达百万(106)以上，以上， 复性速度很快。复性速度很快。 序列一般较短，长序列一般较短，长10-300bp， 如真核生物的卫星如真核生物的卫星DNA。卫星 DNA序列螃蟹螃蟹2ATATAT.果蝇果蝇5ATAATATAAT.老鼠老鼠9GAAAAATGAGAAAAATGA重复碱基数重复碱基数 序列序列 ，内含子、启动子，内含子、启动子人类人类基因组基因组计划计划(h

48、uman genome project, HGP)是由是由美美国国科学家于科学家于1985年率先提出，于年率先提出，于1990年正式启动的。美国、年正式启动的。美国、英国、法国、德国、日本和我国科学家共同参与了这一英国、法国、德国、日本和我国科学家共同参与了这一30亿亿美元的人类基因组计划。这一计划旨在为美元的人类基因组计划。这一计划旨在为30多亿个多亿个碱基碱基对构对构成的人类基因组精确测序，发现所有人类基因并搞清其在成的人类基因组精确测序，发现所有人类基因并搞清其在染染色体色体上的位置，破译人类全部上的位置，破译人类全部遗传信息遗传信息。与曼哈顿原子弹计。与曼哈顿原子弹计划和阿波罗计划并称

49、为三大科学计划。划和阿波罗计划并称为三大科学计划。 举世瞩目的人类基因组研究计划举世瞩目的人类基因组研究计划 美国联邦政府雄心勃勃的人类基因组计划历时美国联邦政府雄心勃勃的人类基因组计划历时15年，年，(19912005），耗资），耗资30亿美元，完成全部人类基亿美元，完成全部人类基因的测序工作。因的测序工作。1994年低，一张覆盖整个基因组的人年低，一张覆盖整个基因组的人类遗传图谱已经完成，而高质量的物理图谱也已能覆类遗传图谱已经完成，而高质量的物理图谱也已能覆盖盖95%的基因组。更为精细的物理图谱（每的基因组。更为精细的物理图谱（每100kb含含有一个标记位点）在有一个标记位点）在2003

50、年年4月完成。月完成。 人类基因组计划的倡导者是美国人类基因组计划的倡导者是美国人体基因组的特征人体基因组的特征1) 人体基因组的大小人体基因组的大小: 30亿个碱基对的序列亿个碱基对的序列 。2) 人体基因组结构：人体基因组结构： 人体基因组中含有大量的重复顺序。非重复顺序人体基因组中含有大量的重复顺序。非重复顺序约只占总基因组的约只占总基因组的54-58。 3) 人体基因特征：人体基因特征： 基因数目为基因数目为3-5万；万；95以上的基因含有内含子以上的基因含有内含子结构，平均外显子数为结构，平均外显子数为7个；平均基因长度为。个；平均基因长度为。基因是控制生物体遗传性状的基本单元。基因

51、是控制生物体遗传性状的基本单元。基因组则是表示一个生物体所有遗传信息的总和。基因组则是表示一个生物体所有遗传信息的总和。 HGP的首要目标是测定全部的首要目标是测定全部DNA序列，序列，因目前的因目前的测序技术不能进行很长的测序技术不能进行很长的DNA测序，测序，因此计划的第因此计划的第一阶段要分解基因组这一巨大的研究对象，将其分一阶段要分解基因组这一巨大的研究对象，将其分为容易操作的小的区域，这个过程简称为染色体作为容易操作的小的区域，这个过程简称为染色体作图。图。HGP的基本任务可用的基本任务可用4张图谱来概括；即遗传图谱，张图谱来概括；即遗传图谱，物理图谱，序列图谱和表达图谱。物理图谱，

52、序列图谱和表达图谱。 人类基因组测序研究的主要内容人类基因组测序研究的主要内容1） 遗传图谱遗传图谱(genetic map) / 遗传连锁图遗传连锁图(linkage map)p是指基因或是指基因或DNA标志在染色体上的相对位置与遗传标志在染色体上的相对位置与遗传距离。距离。p遗传距离用重组率来衡量。遗传距离用重组率来衡量。即通过计算两个连锁的即通过计算两个连锁的遗传标记在每次减数分裂中的重组概率，确定两者遗传标记在每次减数分裂中的重组概率，确定两者的相对距离。的相对距离。p其单位用厘摩（其单位用厘摩（cM ）表示。）表示。1厘摩表示每次减数分厘摩表示每次减数分裂的重组频率为。裂的重组频率为

53、。p厘摩值越高表明厘摩值越高表明遗传遗传标志物两点之间距离越远，值标志物两点之间距离越远，值越低则两点间距离越近。越低则两点间距离越近。通过遗传图谱，可大致了解各个基因或通过遗传图谱，可大致了解各个基因或DNA片断之片断之间的相对距离与方向，如哪个基因更靠近着丝粒，哪间的相对距离与方向，如哪个基因更靠近着丝粒，哪个更靠近端粒等。个更靠近端粒等。 2） 物理图谱物理图谱 物理图以物理图以一段已知核苷酸序列的一段已知核苷酸序列的DNA片段片段为路标，为路标，以以碱基对碱基对 (Mb、kb、bp)作为基本测量单位（图作为基本测量单位（图距）的基因组图。距）的基因组图。 可以确定两个遗传标记之间的实际（绝对）距离。可以确定两个遗传标记之间的实际（绝对）距离。3）序列图谱）序列图谱 p是分别将各染色体全部碱基序列绘制的图谱。包是分别将各染色体全部碱基序列绘制的图谱。包括转录序列和非转录序列。括转录序列和非转录序列。p目前的策略是把庞大的基因组分成若干有路标的目前的策略是把庞大的基因组分成若干有路标的区域后，进行测序分析。将测出的每一个区域后，进行测序分析。将测出的每一个DNA片片段按其染色体位置进行准确的排列，段按其染色体位置进行准