分子遗传学课件：5-基因与基因组

1、第四节 基因与基因组一、基因顺反子（Cistron）的概念 顺反子是指编码一个蛋白质的全部组成所需信息的最短片段，即一个基因。 基因仅是一个功能单位，基因内部的碱基对才是重组单位和突变单位。Benzer1955年第四节 基因与基因组 两突变（a和b）在两条染色体上时， 为反式构型。 一对同源染色体上两突变（a和b）在同一染色体上时，称为顺式构型。第四节 基因与基因组 顺反互补测验（cis-trans test）：比较顺式和反式构型个体的表型来判断两个突变是否发生在一个基因（顺反子）内的测验。 两突变发生在同一基因上，杂合体就不存在野生型的基因，因而为突变体表型。 如果两突变在两个不同的基因上，

2、后代杂合体中将有一个基因是野生型的，另外一个基因是突变型，杂合体的表型成了野生型。这两个基因的这种关系称为互补。第四节 基因与基因组基因内突变位点在同一基因上突变位点在不同的基因上基因上；的基因上； 顺式测验 反式测验 突变位点在同一顺反子内 A B + A B 突变位点在不同的顺反子内 + A B + A B 图 顺反测验结果的图解。当顺式有功能，而反式没有功能时，突变 位点突变位点在同一顺反子内；当顺式有功能，而反式也有功能时，突变 位点突变位点在不同顺反子内。 第四节 基因与基因组 二、基因的类型 结构基因：指可编码非调控RNA或蛋白质的一段DNA 序列。如编码核糖体RNA基因血红蛋白基

3、因第四节 基因与基因组 可转录但不翻译基因：编码非编码RNA的基因，如 tDNA、rDNA。 调控基因：不转录、不翻译的基因， 如：启动基因， 操纵基因。mRNAlacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacI第四节 基因与基因组原核生物基因 特点： 结构紧密，缺少非编码序列，具有公用的启动子，高突变。三、真核生物基因断裂基因第四节 基因与基因组Chambon的杂交实验鸡卵清蛋白mRNA逆转录cDNADNA探针EcoR1 HindIII 10S 珠蛋白前体RNA以及其15S 珠蛋白mRNA与小鼠 珠蛋白基因杂交形成R环的电镜图。第四节 基因与基因组Richard J. Roberts

4、 Phillip A. Sharp Nobel Prize 19931977年第四节 基因与基因组鸡卵清蛋白基因DNA与其mRNA杂交图组成：1. 编 码 链（coding strand）： 基因53的单链。 非编码链（non-coding strand）：基因35的单链。2.外显子（exon）： 编码链上的编码序列。内含子（intron）：编码链上的非编码序列。3.GTAG法则：在内含子的5和3端分别存在一个 保守序列GT和AG。断裂基因结构 1978年，Gilbert提出内含子、外显子概念。第四节 基因与基因组4. 侧翼序列（Flanking sequence）启动子（promotor）：

5、与转录因子和RNA聚合酶结合，调 制基因转录的DNA序列。 TATA框（TATA box）：-1927bp，TATAA（T） AA（T） CAAT框（CAAT box）：-70 80bp，GGC（T）CAATCA GC框（GC box）： GGCGGG，位于CAAT box两侧。增强子（enhancer）：具有核心重复序列，可增强基因转录 效率的DNA序列。终止子（terminator）：控制基因转录终止的DNA序列。 poly A信号：AATAAA 倒位重复序列：DNA回文序列。第四节 基因与基因组第四节 基因与基因组倒位重复序列断裂基因的特点 外显子保守而内含子可变，不同基因可能存在相同的

6、区域。因此，基因的单一性主要是由内含子决定。 内含子多为非编码区，因此多不受选择的影响，变异较快，由碱基插入、缺失或替换造成。但内含子的非编码性并非绝对。 相近物种的外显子相近基因克隆的一种思路 第四节 基因与基因组Intron Prevalence第四节 基因与基因组Intron Size Exon Size第四节 基因与基因组 外显子数目变化较大第四节 基因与基因组 每一个外显子均有其特殊的功能 第四节 基因与基因组第四节 基因与基因组 Splitting gene 并非真核生物所特有： T4 噬菌体的胸苷合成酶 gene有1017 bp intron。 并非真核生物所有的结构基因均为sp

7、litting gene： 组蛋白基因家族、干扰素、酵母中多数基因 Intron、 Exon 相对性： 酵母细胞色素b基因 Intron II 编码成熟酶。 人类尿激酶原基因 Exon I 不编码氨基酸序列。断裂基因的注意事项 一个基因可控制多个产物的产生 第四节 基因与基因组 一个基因可控制多个产物的产生 第四节 基因与基因组第四节 基因与基因组重叠基因（1977年Sanger） 采莲人在绿杨津，在绿杨津一阙新；一阙新歌声漱玉，歌声漱玉采莲人。采莲人在绿杨津一阙新歌声漱玉 B在A内，E在D内；K与C部分重叠；D的终止密码的最后一个碱基是J起始密码的第一个碱基。第四节 基因与基因组跳跃基因(j

8、umping gene) 转座因子：存在于染色体DNA上可自主转移座位的基本单位，在同一染色体内或不同染色体之间移动，引起插入突变、染色体结构变异（如倒位、缺失等）玉米转座因子Ac第四节 基因与基因组 40年代初，McClintock研究玉米花斑糊粉层和植株色素产生的遗传基础时发现转座因子。1983年度诺贝尔奖 第四节 基因与基因组管家基因(组成型基因) Housekeeping genes ： 是那些(理论上)在所有细胞中都表达的基因，维持细胞生存不可缺少。 奢侈基因（Luxury genes）： 在特殊的细胞类型中大量表达并编码特殊功能产物的基因，与细胞分化有关，与组织特异性表达有关。四、

9、基因的特点 满足生物多样性要求。 结构稳定。 自我复制能力。 可变性。第四节 基因与基因组第四节 基因与基因组 nuclear genome 3 200 000 000 nucleotides mitochondrial genome 16 569 nucleotides 基因组（genome）：指一个物种单倍体的染色体所携带的一整套基因。第四节 基因与基因组第四节 基因与基因组，内含子、启动子第四节 基因与基因组 C值 (C Value)：在每一种生物中其单倍体基因组的DNA总量，是每种生物的一个特征，不同生物之间差别很大。第四节 基因与基因组 生物体进化程度高低与C值不成明显线性相关 亲缘

10、关系相近的生物C值相差较大 高等生物的C值不一定就意味着它的C值高于比它低等 的生物 C值矛盾/ C值悖论：C值和生物结构或组成的复杂性不 一致的现象 C值变化范围宽意味着在某些生物中有DNA是不编码的。第四节 基因与基因组人类和E.coli DNA的理想复性动力学曲线第四节 基因与基因组根据复性动力学研究将真核生物DNA序列归类： 单拷贝序列 轻度重复序列 中度重复序列 高度重复序列第四节 基因与基因组单拷贝序列(single copy sequences) 一个基因组中只有一个拷贝 慢复性速度 单一序列的复性曲线常只有一个拐点，而重复 序列常有多个拐点。 结构基因 (蛋白质基因)大多是单拷

11、贝序列第四节 基因与基因组 轻度重复序列(light repetitive sequences) 在基因组中重复数2-10的重复顺序 为慢复性速度 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 多为编码功能的序列第四节 基因与基因组 中度重复序列(moderate repetitive sequences) 散在重复序列（dispersed repetitive DNA） 基因组中重复数十至数万（105）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 多与单拷贝基因间隔排列 多为非编码序列，短散在元件（ Alu 元件300 bp） 长散在元件（L1元件6500 bp）

12、300bp300bp300bp6000bp6000bp6000bp6000bpAlu序列第四节 基因与基因组串联重复序列（Tandem repeat sequences）rDNA gene familyHistone gene family 组蛋白基因家族TS: 可转录的间隔序列 NTS:不转录的间隔序列NTSNTS第四节 基因与基因组第四节 基因与基因组附： 基因家族：一个祖先基因经重复或突变所产生的 同源基因 孤独基因：基因家族中在独立位点上的单个基因 假基因：基因家族中因突变而失去功能的基因第四节 基因与基因组 高度重复序列(highly repetitive sequences) 在基

13、因组中重复频率高，可达百万(106)以上 复性速度很快 序列一般较短，长10-300bp，如真核生物的卫星 DNA，位于着丝粒部位，是异染色质的组成成分螃蟹2ATATAT.果蝇5ATAATATAAT.老鼠9GAAAAATGAGAAAAATGA第四节 基因与基因组n 密度梯度离心，卫星DNA与其他DNA分开。形成两个峰：较大的主峰和高度重复序列小峰Buoyant densityOptical absorbanceMouse DNA / CsClMainbandsatellite第四节 基因与基因组 微卫星DNA(microsatellite) 又称短串联重复-STR （1）重复单位长度在26bp

14、之间 （2）较为平均地沿染色体分布 小卫星DNA(minisatellite DNA) 又称可变串联重复-VNTR （1）拷贝数具有高度可变性 （2）重复单位长度在1565bp之间 （3）一般出现在染色体的末端DNA fingerprintingGGGCAGGAXGCCCGTCCTXCProgenyParents56789第四节 基因与基因组RFLP第四节 基因与基因组 SNP第四节 基因与基因组遗传标记的应用 连锁分析 flash1 RFLP AND LINKAGE.swf 个体识别 flash2 DNA_DetectivePC.exe 亲子鉴定 flash3 DNA_DetectivePC

15、.exe 第四节 基因与基因组第四节 基因与基因组猴图腾：传说羌族巫师因神猴引路才学得法术。故巫师以猴皮为帽，崇拜猴头，并尊称猴为老祖宗、老师傅。罗刹女与猕猴第四节 基因与基因组 20世纪科学史上三个里程碑: “曼哈顿原子弹计划” “人类登月计划” “人类基因组计划 (Human Genome Project, HGP)”第四节 基因与基因组人类基因组计划(human genome project, HGP) 遗传图谱(genetic map) / 遗传连锁图(linkage map) 物理图谱 序列图谱 转录图谱/表达图谱第四节 基因与基因组 遗传图谱(genetic map) / 遗传连锁

16、图(linkage map) 是指基因或DNA标志在染色体上的相对位置与遗传距离。遗传距离用重组率来衡量。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，确定两者的相对距离。其单位用厘摩（cM ）表示。1厘摩表示每次减数分裂的重组频率为。厘摩值越高表明遗传标志物两点之间距离越远，值越低则两点间距离越近。第四节 基因与基因组 物理图谱 物理图以一段已知核苷酸序列的DNA片段为路标，以碱基对 (Mb、kb、bp)作为基本测量单位（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。第四节 基因与基因组 物理图谱 遗传标记： 序列标签部位（sequence tagged site,

17、 STS） 为染色体定位明确、可用PCR扩增的单拷贝序列。 STS多数来自于表达序列标签（expressed sequence Tags，EST)，每隔100kb距离就有一个标志。 第四节 基因与基因组 物理图谱 物理图谱构建载体 酵母人工染色体（yeast artificial chromosome, YAC）：具有着丝粒、端粒、自主复制顺序（ARS）、外源基因（插入DNA片段为数百个kb2Mb）。 细菌人工染色体（BAC）： 插入DNA序列为80 300 kb。 噬菌体人工染色体（PAC）：插入片段为300kb以下。 第四节 基因与基因组第四节 基因与基因组第四节 基因与基因组 序列图谱 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。 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