现代微生物遗传学授课培训课件

现代微生物遗传学授课第五节基因结构和基因组什么是基因？这是一个贯穿整个遗传学发展过程的核心问题。可以说，一部遗传学的发展史，渗透和贯穿着人们对基因认识的不断深化过程。从而使基因概念不断得到充实和完善。2现代微生物遗传学授课1.经典遗传学（1900~1910）和孟德尔的“遗传因子”孟德尔以豌豆为材料进行杂交实验，首次提出分离定律和自由组合定律；首次提出“遗传因子”的概念，认为遗传性状由“遗传因子”决定；提出“颗粒式遗传”（一对相对性状的遗传因子在同一个体内分别存在，而不相沾染，不相混合。决定着不对应的性状的遗传因子在遗传传递上有相对独立性，可以完全拆开）。3现代微生物遗传学授课1900年，不同国家的三位学者经大量的杂交工作，分别在不同的植物上同时取得了与孟德尔相同的试验结果，即孟德尔定律被“再发现”。

荷兰狄夫瑞斯（deVries）用月见草为材料；德国的科伦斯（Correns,C.E）用玉米和豌豆为材料；奥地利的切尔迈克（Tschermak）用豌豆为材料；1909年，丹麦科学家约翰逊（Johannsen）创用了：基因（gene），代替孟德尔的遗传因子基因型（genotype）表型（phenotype）剑桥大学的遗传学教授贝特森(Bateson)创用遗传学（Genetics）。

遗传学作为一门独立的学科正式诞生。4现代微生物遗传学授课1910年摩尔根（Morgan,T.H）及其弟子通过果蝇杂交实验创立了连锁定律，成为遗传学中的第3个基本规律：提出同源染色体在减数分裂时发生交换(crossing-over)，而且位置相近的因子相互连锁。（其他两个个基本定律是什么？）2.细胞遗传学时期(1910－1940)摩尔根等还利用基因重组频率来分析不同基因之间的距离，即重组率(Recombinationfrequency)=（交换型配子数）/（总配子数）。并利用三点测交进行基因定位。证实了基因在染色体上是直线排列的，而且将位于同一条染色体上的许多基因统称为连锁群(Linkagegroup)。5现代微生物遗传学授课这一时期，摩尔根将基因的概念发展成为在染色体上占有一定空间位置的化学实体（染色体上的遗传功能单位）。

首次把代表某一特定性状的特定基因，与某一染色体联系起来，建立了遗传的染色体学说，为细胞遗传学奠定了重要基础。

6现代微生物遗传学授课到1927年，Muller通过X-射线诱发突变，结合前期实验，认为：基因是一个化学实体，基因控制相应的性状；基因可以发生突变；基因之间可以发生交换。从而提出“三位一体”的基因概念：基因既是功能单位，又是重组单位和突变单位。

7现代微生物遗传学授课3.微生物遗传学时期（1940~1960）1941Beadle和

Totum

提出一个基因一个酶学说沟通了生物化学中蛋白质的合成研究与遗传学中基因功能功能的研究，也为遗传密码的解码和细胞内大分子之间遗传信息传递过程的揭示奠定了基础。1944Avery确定遗传物质为DNA，证明基因是“有遗传功能的DNA片段”1951McClintockB.发现跳跃基因或称转座因子

1953Watson和

Crick建立双螺旋模型40年代起，主要阐明基因的化学本质、基因突变机制和基因作用机制。8现代微生物遗传学授课1955

Benzer提出了顺反子概念；提出了基因是可分的完整功能单位。发现一个基因内部的许多位点可以发生突变，位点之间可以发生交换。打破了基因“三位一体”概念。并提出以下术语：

顺反子（Cis-trons）：是一个功能单位，含500bp~1500bp。（单顺反子和多顺反子）突变子（muton）：一个基因内部能发生突变的最小单位。一个突变子可以是一个核苷酸的变化。交换子（recon）：也称重组子，发生重组时，一个基因内可交换的最小单位。一个交换子的大小可小到一个核苷酸。1957Crick提出中心法则9现代微生物遗传学授课这一时期，基因的概念发展为：“基因是负责编码特定遗传信息的功能单位，其内部是可分的，包含多个突变和重组单位。基因是可分的完整的功能单位”10现代微生物遗传学授课4.分子遗传学时期(1953~)随着重组DNA技术和DNA序列分析技术的发展，对基因的认识有了新的发展和更新。11现代微生物遗传学授课

1961:Jacob

和Monod建立乳糖操纵子模型

阐明了原核生物基因表达的调控机制，并大大丰富了基因的概念。基因在功能上是有差异的，可分为：

编码蛋白质的基因没有翻译产物的基因（即不产生蛋白质的基因）不转录的DNA区段。12现代微生物遗传学授课

1962，1968Arber，1978Smith发现限制性酶

1964，1965：Nirenberg，Khorana破译遗传密码

1972Berg建立重组技术

1975Temin发现反转录酶

1977Sanger&Gilbert

建立测序方法；而且在测定φX174的DNA全部核苷酸序列时，发现了重叠基因。

1977Sharp和Roberts发现内含子和外显子。真核细胞的核苷酸序列，中间有不转录成mRNA的间隔区，即能表达的外显子被不能表达的内含子一一隔开，故称作断裂基因。13现代微生物遗传学授课1980Shapiro发现转座子（可移动的基因）1981

Cech和Altman

发现核酶1985Mullis,K.

建立了PCR体外扩增技术。此期基因的概念：

一段可以转录为功能性RNA的DNA，它可以重叠、断裂的形式存在，并可转座。14现代微生物遗传学授课基因是什么？

是实体，其物质基础是DNA

（或RNA）；

是一个含有特定遗传信息的DNA分子区段；

是遗传信息传递和性状分化发育的依据；

基因是可分的，根据功能不同，分为：

编码蛋白质的基因结构基因（结构蛋白，酶）

调节基因（阻遏蛋白或激活蛋白）无翻译产物的基因tRNA基因（简称tDNA

）

rRNA基因（简称rDNA

）

不转录的DNA区段

启动子（promotor）

操纵基因（operator）基因是一个含有特定遗传信息的核苷酸序列，它是遗传的功能单位。15现代微生物遗传学授课此期间发现的重叠基因、断裂基因、转座因子和假基因的确切定义如下：(1)重叠基因一个基因的核苷酸与另一个基因的核苷酸之间存在一定程度的重叠现象。包括两种类型。类型1：一个基因的序列完全包含在另一个基因序列之中。类型2：一个基因的末端密码区与另一个基因的起始密码区重叠出一个新的基因。噬菌体ΦX174基因组最显著的特征是基因的重叠现象，ΦX174共有11个基因，其中基因B,K,E分别位于基因A,C,D中，但使用不同的阅读框架，见图示（ΦX174基因组结构和重叠基因）。16现代微生物遗传学授课17现代微生物遗传学授课(2)断裂基因（Splitgene）：基因的编码序列在DNA分子上是不连续的，被不编码的序列所隔开。编码序列称为外显子，不编码的序列称为内含子。(3)假基因(Pseudogene)：是与功能性基因密切相关的DNA序列，但由于缺失、插入和无义突变失去阅读框架而不能编码蛋白质产物。(4)转座因子(transposableelement)：可以从染色体DNA的一个位置转移到另一个位置，因此，有时也称为移动基因(movablegene)、跳跃基因(jumpinggene)。18现代微生物遗传学授课二、基因的符号采用以下统一命名规则：1.每个基因用斜体小写的三个字母来表示，这三个字母取自表示该基因特性的一个或一组英文单词的前三个字母。2.产生同一表型的不同基因，在三个字母后用不同的大写斜体英文字母表示。如trp代表色氨酸基因，各个不同的色氨酸基因分别用trpA和trpB来表示。3.突变型基因的表示方法是在基因符号的右上角加“—”，如亮氨酸缺陷型用leu—来表示。抗药性基因是在基因符号的右上角加“r”，加“s”表示敏感，如链霉素抗性基因则表示为strr。4.某一突变型基因的表型一般也是用相应的正体三个字母表示第一个字母大写。例如乳糖发酵缺陷的基因符号是lacZ—，那么其表型符号便写为LacZ—。5.当染色体上存在缺失时可用表示，缺失部分放在后的括号中，例如(lac,pro)表示乳糖发酵基因到脯氨酸基因这一段染色体发生了缺失。19现代微生物遗传学授课三、基因结构1.原核基因的结构所有原核基因都有一个编码区，在编码区的两侧，还存在着控制转录作用的调节区，即启动子和终止子。开放阅读框架(openreadingframe,ORF)：在DNA链上，从起始密码子开始到终止密码子为止的一个连续编码序列，也就是所谓的编码区。20现代微生物遗传学授课启动子(promoter)？位于基因5’末端上游外侧紧挨转录起点的一段长度为20~200bp的非编码的核苷酸序列。其功能是与RNA聚合酶结合形成转录起始复合物。+1：转录起始点-10区：TATAAT。是RNA聚合酶核心酶与DNA分子紧密结合的部位。-35区：TTGACA。是RNA聚合酶σ因子识别DNA分子的部位。21现代微生物遗传学授课位于一个基因或一个操纵子的末端，提供转录停止信号的DNA区段。与启动子不同的是：终止子仍能被转录成mRNA。大肠杆菌的终止子分两类：强终止子：不依赖于ρ因子就能终止转录。弱终止子：依赖于ρ因子才能终止转录。终止子(terminator)？22现代微生物遗传学授课23现代微生物遗传学授课2.真核生物基因的结构真核生物的蛋白质编码基因以及其它基因的编码序列中，被一种称为内含子（Intron）的非编码序列所间断。有3种RNA聚合酶，各自分工转录不同类型的基因：PolI转录rRNA基因（5srRNA除外），PolII转录蛋白质编码基因，PolIII转录编码众多小分子RNA，包括tRNA和5srRNA。24现代微生物遗传学授课此外，真核生物中还存在一些调空元件，如增强子和沉默子等。增强子（Enhancer）：真核生物基因表达的重要调控元件。能使与其连锁的基因转录频率明显增强的DNA序列，长度一般为100～200bp。具有下列特点：使基因转录增强10～200倍，有的达上千倍。增强效应与位置和取向无关。可远离转录起始点起作用。无基因的专一性，对同源、异源基因都有效。沉默子（Silencer）：属于负调控元件，对成簇基因的选择性表达起重要作用。25现代微生物遗传学授课基因组学：是研究生物体基因和基因组的结构组成、不稳定性及功能的一门学科。基因组学又可分为：结构基因组学和功能基因组学：结构基因组学（StructuralGenomics）：研究基因和基因组的结构、各种遗传元件的序列特征、基因组作图和基因定位。功能基因组学（FunctionalGenomics）：研究基因不同序列结构的不同功能、基因表达的调控、基因与环境，基因与蛋白，基因与基因之间的相互作用。由于基因的功能是通过其编码的蛋白质产物来实现的，1994年又提出了蛋白质组学(Proteomics)，是指研究细胞内全部蛋白质的组成及其活动规律的一门科学。27现代微生物遗传学授课2.基因组和蛋白质组发展过程（1986~）

1986[美]Dulbecco首次提出了“人类基因组工程”19904月美国宣布人类基因组测序工作的5年计划。1991StepkenFodor把基因芯片的设想第一次变成了现实.199210月[美]VollrathD.等分别完成人类Y染色体染色体的物理图谱.28现代微生物遗传学授课199310月美国公布了1993－1995年的人类基因组测序工作计划，并预计2005年完成整个的测序工作。1995Smith,H.O等第一个细菌基因组—流感嗜血杆菌(H.influenzae)全基因组序列发表。199512月美、法科学家公布了有15000个标记的人类基因组的物理图谱。1996DietrichW.F等绘制了小鼠基因组的完整遗传图谱。199610月Goffeau等完成了酵母基因组的测序。1996

DNA芯片进入商业化。29现代微生物遗传学授课1997

Wilmut

完成了体细胞克隆199812月，第一个多细胞真核生物线虫的基因组在Science上发表。1999CateJ.H第一次绘制出完整核糖体的晶体结构，揭示了其中的很多细节。1999国际人类基因组计划联合研究小组完成了人类第22号染色体测序工作。20003月塞莱拉公司宣布完成了果蝇的基因组测序。30现代微生物遗传学授课2000完成了人类第21号染色体的测序20006,26

人类基因组草图发表（约3万个基因，由30亿个碱基组成）200012,14英美等国科学家宣布绘出拟南芥基因组的完整图谱20011,12中、美、日、德、法、英等国科学家和美国塞莱拉公司各自公布人类基因组图谱和初步分析结果。约3万基因。31现代微生物遗传学授课遗传学发展的新动态：1.基因组(genome)学2.后基因组学3.蛋白质组学(Proteomics)4.生物信息学(Bioinformatic)：定义为分子生物学和计算生物学的交叉.

包含三个重要的内容:1.基因组信息学;2.蛋白质的结构模拟;3.药物设计.32现代微生物遗传学授课3.典型微生物的基因组举例微生物基因组随不同类型（真细菌、古生菌、真核微生物）表现出多样性，第一个被测序的原核微生物：流感嗜血杆菌；第一个被测序的真核微生物：酿酒酵母；第一个被测序的自养微生物：詹氏甲烷球菌。33现代微生物遗传学授课（1）大肠杆菌基因组基因组序列于1997年由Wisconsin大学的Blattner等人完成的，其基因组的结构特点如下：遗传信息的连续性功能相关的结构基因组成操纵子结构结构基因的单拷贝及rRNA的多拷贝基因组的重复序列少而短模式菌株为E.coliK-12。其基因组大小为4.6106bp。基因组中87.8%的DNA编码蛋白质，0.8%编码RNA，0.7%是非编码的重复序列，约11%左右参与调节和其他功能。大肠杆菌共有基因4288个，基因平均长度为951bp，最大的基因长度为7149bp，最小的基因长度比300bp还小。34现代微生物遗传学授课大肠杆菌中染色体上的学多基因是以操纵子(operator)的形式组织起来的，即功能相关的几个结构基因前后相连，利用一个共同的启动子和终止子。操纵子也是一个转录单元(operon，凡是由启动子、结构基因及其终止子组成的一段DNA顺序)。大肠杆菌基因组中共有2584个转录单元，其中73%只有一个结构基因，16.6%有2个结构基因，4.6%有3个基因，6%有4个或4个以上基因。所有转录单元至少含有一个启动子，有些含有2个、3个或以上的启动子。35现代微生物遗传学授课在大肠杆菌中，许多基因最终产物是RNA，而不翻译成蛋白质，这些基因主要有下面5种：1)rRNA基因组;2)tRNA基因;3)重复序列:主要有Rhs、RFP、ERIC、Chi(位点)等。4)插入序列和转座子;5)噬菌体及噬菌体残迹.36现代微生物遗传学授课（2）啤酒酵母的基因组1997年由欧洲、美国、加拿大和日本共