第三章 基因与基因组的结构

第三章基因与基因组的结构3.1基因的概念基因（gene）：核酸分子中储存遗传信息的遗传单位。即储存有功能的蛋白质多肽链或RNA序列信息及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列。基因研究的阶段细胞染色体水平研究DNA大分子水平研究重组DNA技术研究基因的含义狭义：能产生一个特殊蛋白质的DNA序列。广义：一个基因应该是一个转录单位，它包括转录的启动子及其上游的其他调控区域、蛋白质编码区域和转录的终止序列等。3.1.1基因与DNA分子基因是DNA分子的功能单位，在染色体或DNA分子上，基因成串排列。基因是遗传的单位，同时也是交换单位和突变单位。1955年Benzer提出顺反子概念。即：一段能编码一条完整多肽链的核苷酸片段。现代生物学里面顺反子和狭义的基因概念通用。3.1.2基因与多肽链基因的主要产物是多肽链，其他还包括许多编码RNA的基因。20世纪中期“一种基因一种酶”20世纪末期密码子是基因与蛋白质的联系3.2基因命名简介三个小写英文斜体表示基因名字lac加上大写斜体字母表示基因座lacA正体书写表示蛋白质和表型lacA质粒自然产生CoeEⅠ人工pUC18动物小写字母sey人大写字母MYC3.3真核生物的断裂基因1977年Berget发现基因是不连续的断裂基因：基因的编码序列在DNA分子上不连续排列，被不编码序列隔开。外显子内含子“自私”DNA：是指真核生物基因组中大量的非编码序列，包括分散的高度重复序列、中度重复序列、内含子和间隔序列等。这些序列极少转录成mRNA并翻译成蛋白质，它们对细胞的存活、代谢等不作任何贡献，它们存在的唯一目的似乎就是复制自己，故称之为“自私”DNA。注意：1“自私”DNA并非毫无功能；

2真核生物有某些结构基因没有内含子，如组蛋白基因、干扰素基因等。

3某些原核生物也存在内含子，如E.coli噬菌体T4的胸腺嘧啶核苷酸合成酶基因中含有

1018个核苷酸构成的内含子。

-珠蛋白的mRNA与基因杂交-珠蛋白的pre-mRNA与基因的杂交鸡卵清蛋白mRNA与基因杂交图鸡卵清蛋白前体mRNA到成熟mRNA的过程断裂基因转录出包含全部顺序的初始转录物，称为前体mRNA。通过剪接（splicing）作用除去不必要部分(内含子)剩下部分(外显子)连接成为成熟mRNA外显子在基因中排序与成熟的mRNA排序是一致的。相同功能的基因的外显子机构相似，易证明是同源的，有共同的祖先。它的突变影响较大，不易遗传。内含子在基因中的排序往往很混乱，它的突变与基因功能没有关系，可以遗传下来。3.4基因与基因组大小与C值矛盾由于断裂基因的存在，基因远比它编码的蛋白质信息大。主要取决于内含子的大小。内含子通常比外显子大得多。比如二氢叶酸还原酶基因进化上断裂基因先在低等的真核生物中出现。比如酿酒酵母中内含子就较少，而哺乳动物中内含子较多。高等真核生物中开始出现长基因，多数在5-10Kb.真核基因组结构庞大，但C值矛盾：C值的概念：一个单倍体基因组的DNA含量总是恒定的，它通常称为该物种DNA的C值(Cvalue)。随着生物的进化，生物体的结构与功能越来越复杂，需要的基因产物种类也越来越多，也就是需要的基因越多，因而C值就越大。比如酵母菌的DNA含量约为2.3×107bp，是细菌DNA含量的5倍左右；而哺乳动物的基因组DNA约为3×109bp。C值矛盾：在真核生物中，物种进化的复杂程度与DNA含量C值并不完全一致，称之为C值矛盾(Cvalueparadox)。①一些植物和两栖类动物，它们的DNA含量高达1010－1011bp，而人类DNA含量仅为109bp，显然这是无法解释的。②在结构、功能很相似的同一类生物中，甚至在亲缘关系十分接近的物种之间，其C值可以相差数10倍乃至上百倍。如两栖类动物中，C值小的低至109bp以下，C值大的高达1011bp。③DNA的量远远大于编码蛋白质所需的量。

如哺乳动物的基因组由3×109bp组成，假定哺乳动物每个基因平均是10000bp，那么哺乳动物基因组应该有300000个基因。但核酸杂交测定哺乳动物一个细胞中的mRNA种类约为10000个，考虑不同细胞基因表达的不同，推算哺乳动物基因组约有30000－40000个基因，这样来看，基因组DNA量是已知基因的10倍，余下那么多DNA有什么功能？3.5重叠基因3.5.1原核生物的重叠基因重叠基因在表达时利用不同阅读框。重叠基因及基因内基因的现象反映了原核生物利用有限的遗传资源表达更多生物功能的能力。ф×174噬菌体的基因结构HGFJDCA

BE蛋白D

丙谷甘缬蛋终止……GCGGAAGGAGTGATGTAATGTCT……蛋白E

精赖谷终止起始丝

蛋白J3.5.2真核生物的重叠基因通常情况下真核生物中很少有重叠基因。在特殊情况下，可以在几个外显子之间选择性剪切以获得不同功能表达物。利用多个加多聚（A）位点和不同的剪接方式产生不同的蛋白质基因组（genome）：细胞或生物体中，一套完整单倍体的遗传物质的总和。3.6基因组3.6.1原核生物的染色体基因组原核生物基因组结构和功能的特点质粒原核生物基因组研究及意义原核生物基因组的特点1、通常仅有一条环状双链DNA分子组成，一般不具核小体结构。2、基因组小，DNA含量低。3、只有一个复制起点。4、结构简炼，基因组内多用于编码蛋白质。5、重复序列少。6、存在转录单元。7、有重叠基因,多顺反子。质粒(plasmid)质粒是细菌细胞内携带的染色体外的共价闭合的环状DNA分子，能独立进行复制。只有在宿主细胞内才能复制可以赋予宿主细胞特定的遗传性状质粒的遗传控制复制调控系统：控制质粒的拷贝数。由复制起点、rep基因和cop基因构成分配系统：使质粒在细菌分裂过程中精确分配到子细胞中细胞分裂控制系统：能抑制细胞分裂，使细胞分裂与质粒复制协调质粒的遗传控制位点特异重组系统：控制高拷贝质粒在菌体中有形成多聚体，使其在分裂时拆开成单体，而向子代细胞平均分配质粒的不相容性：具有相同复制起始位点和分配区的两种质粒不能共存与一个宿主菌质粒的类型接合型质粒、可移动型质粒和自传递型质粒严谨型质粒（stringentplasmid）、松弛型质粒(relaxedplasmid)窄宿主谱及广宿主谱质粒原核生物基因组研究及意义更好的了解病原微生物的治病机理加快致病微生物致病基因的发现提高临床诊断的效率和准确性筛选有效药物及发展疫苗3.6.2真核生物基因组真核生物基因组结构与功能特点真核生物基因组结构真核生物基因组结构与功能特点1.体细胞一般为双倍体，即含有两份同源的基因组2.基因组大，结构复杂、基因数庞大、具有许多复制起点，每个复制子大小不一3.转录产物为单顺反子4.含大量重复序列5.非编码序列占90%以上6.基因是断裂基因7.功能相关的基因构成各种基因家族8.存在可移动的遗传因素真核生物基因组的结构结构基因断裂基因顺式调控元件(cis-actingelement)基因家族(genefamily)重复序列(repeatsequence)转座子(transposon)端粒(telomere)GeneStructure

Transcriptionstartsite(AAAA)5’(CAP)AUGTranslationstartsiteTAA5’UTR3’UTRTranscriptionTranslationstopsiteNote:5’CAP,polyAtailandintrononlypresentineukaryotes

UTR=untranslatedregion.3.7真核生物DNA序列组织真核生物中DNA可分为：单拷贝序列轻度重复序列中度重复序列高度重复序列单拷贝序列：真核基因转录产物为单顺反子，即一个编码基因转录生成一个mRNA分子，翻译生成一条多肽链。一个基因组中只有一个拷贝。大多数基因如此。轻度重复序列：在真核细胞DNA中发现某些核苷酸序列2-10次重复出现。比如：tRNA基因，组蛋白基因中度重复序列：拷贝数十至几百个。一般是不编码的序列。每个重复序列为数百至几千个碱基对大小，分布于单拷贝的DNA大片段之间。多数可能在基因表达调控中起重要作用。比如复制的起始，开启等。高度重复序列：拷贝数在106以上，重复单位短小，一般由10个