第二章 基因工程 第一节(2) 基因与基因组

第二章第一节基因与基因组

1、基因概念的历史演变2、割裂基因3、重叠基因4、基因和基因组大小5、真核生物DNA序列组织6、细胞器基因组7、基因鉴定8、人类基因组计划第一节基因概念的历史演变早期关于遗传物质的臆测基因的前奏——遗传因子遗传的染色体学说“基因”一词的创立基因存在的证实基因化学本质以及功能的认识近代基因的概念1早期关于遗传物质的臆测

1864年英国哲学家斯宾塞“生理单位”；1868年达尔文将其称为“微芽”；1883年德国生物学家魏斯曼称之为“种质”1884年瑞士植物学家冯内格列“异胞质”；1889年荷兰学者德弗里斯称为“泛生子”；2基因的前奏——遗传因子

1865年Mendel,两个基本遗传规律——分离规律和自由组合规律，并提出了“遗传因子”的观点。指出遗传因子是一种物质，它控制着生物的性状。3遗传的染色体学说

1903年，萨顿和鲍威尔遗传的染色体学说认为孟德尔的“遗传因子”与配子形成以及受精过程中的染色体传递行为具有平行性，且孟德尔的遗传因子位于染色体上，第一次把遗传物质和染色体联系起来。4“基因”一词的创立:1909年，丹麦遗传学家约翰逊。替代Mendel早年所提出的遗传因子(geneticfactor)一词，并创立了基因型(genotype)和表现型(phenotype)的概念。5基因存在的证实1926年美国摩尔根《基因论》出版认为基因是组成染色体的遗传单位，并且证明基因在染色体上占有一定位置，而且呈线性排列。提出“功能、交换、突变”三位一体的基因概念。6基因化学本质以及功能的认识“一个基因一种酶”和“一个基因一条多肽链”基因的化学本质是DNA(有时是RNA)

基因顺反子的概念基因是一段有功能的DNA序列

6.1从“一个基因一个酶”到“一个基因一条多肽链”1941年GWBeadle和ELTatum一个基因一个酶：红色链孢霉各种营养缺陷突变体与酶缺陷相关------基因对性状的控制是通过基因控制酶的合成来实现的。本世纪50年代，Yanofsky一个基因一条多肽链：有些蛋白质不只由一种肽链组成，如血红蛋白和胰岛素，不同肽链由不同基因编码。BeadleTatum

6.2DNA是遗传物质(有时是RNA)

1944年，Avery证实了DNA是遗传物质。有些病毒只含有RNA。

6.3基因顺反子（Cistron）的概念1955年，美国本兹尔(Benzer)提出顺反子的概念：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。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，两突变（a和b）在两条染色体上时，为反式构型；顺反互补测验（cis-transtest）：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。测验时: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，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。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；

6.4基因是一段有功能的DNA序列

DNA双螺旋模型1953年Watson和Crick提出遗传中心法则1957年Crick提出顺反互补试验1955年Benzer提出：顺反子三联遗传密码的破译Nirenberg等

1961-67年：

70年代：可移动基因的证实、隔裂基因和重叠基因的发现等。7近代基因的概念：基因是一段有功能的DNA序列，基因是遗传的功能单位，DNA分子中不同排列顺序的DNA片段构成特定的功能单位；★

可转录、可翻译的（结构基因：能够编码多肽链的基因

)★可转录但不翻译(

tDNA,rDNA)★不转录、不翻译(调控基因：调控邻近的结构基因的表达，如：启动基因，操纵基因)

基因的类型不是所有的基因都能为蛋白质编码基因的新概念断裂基因重叠基因跳跃基因等第三章基因与基因组

第一节基因概念的历史演变第二节真核生物的割裂基因第三节重叠基因第四节基因和基因组大小第五节真核生物DNA序列组织第六节细胞器基因组第七节基因鉴定第八节人类基因组计划

1割裂基因（splittinggene）

不连续基因

断裂基因发现：1977[美]Sharp&Roberts

同时发现了断裂基因

[法]Chambon

失机通过成熟mRNA（或cDNA）与编码基因的DNA杂交试验而发现。RichardJ.RobertsPhillipA.SharpNobelPrize1993杂交（hybridization）杂交：亲缘关系很近的不同来源的DNA单链或RNA单链与DNA单链之间通过碱基互补形成杂交分子的过程。图核酸杂交及其应用示意图1

杂化双链Ⅱ.突变体的鉴别I变性、复性和杂交Ⅲ.分子探针标记

[法]Chambon

失机

鸡的输卵管分泌卵清蛋白、卵粘蛋白和伴清蛋白，而其红细胞（鸟类的红细胞上有核的）只合成血红蛋白，那么两种组织之间DNA有什么不同呢？

southern杂交EcoR1HindIII

Berget,Sharp小组和Roberts小组用R环法鸡卵清蛋白基因DNA与其mRNA杂交图割裂基因：基因的编码序列在DNA上不是连续的，而是被不编码的序列隔开。外显子Exon

：基因中编码的序列，与mRNA的序列相对应。内含子Intron

：基因中不编码的序列。PrecursormRNA(pre-mRNA)HeterogeneousnuclearRNA(HnRNA)真核生物基因的转录物又称为所以－－真核生物基因又称为SplittinggeneInterruptedgene间隔基因，断裂基因前体mRNA,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剪接:前体RNA中由内含子转录下来的序列去除，并把由外显子转录的RNA序列连接起来的过程。割裂基因前体mRNAIntrons

去除Exons

连接剪接2割裂基因的分布a)真核生物中：绝大部分结构基因

tDNA,rDNA

mtDNA,cpDNAb)原核生物中：SV40大T抗原gene小t抗原geneT4噬菌体的胸苷合成酶gene1017bp

intron

Splittinggene并非真核生物所特有c)

并非真核生物所有的结构基因均为splittinggene

不是splittinggene组蛋白基因家族干扰素酵母中多数基因成熟酶合成受

intronII的调控

a)

Intron

并非“含而不露”

酵母细胞色素b基因IntronII编码成熟酶3割裂基因概念的相对性

b)

Exon

并非“表里如一”

人类尿激酶原基因ExonI不编码氨基酸序列4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mRNA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成分，3）核基因的内含子的可读框通常含无义密码子，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构，其突变对生物体没有影响；但也有例外。第三章基因与基因组

第一节基因概念的历史演变第二节真核生物的割裂基因第三节重叠基因第四节基因和基因组大小第五节真核生物DNA序列组织第六节细胞器基因组第七节基因鉴定第八节人类基因组计划1重叠基因1.1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一段DNA序列。1.2重叠基因的发现：1978年，Sanger，Feir

X174DNA全长：5386核苷酸编码的9种蛋白全长：2000个氨基酸；

3X2000=6000核苷酸噬菌体G4、MS2和SV40中都发现了重叠基因原核生物的重叠基因

1.3基因重叠的方式

1）大基因内包含小基因：如：B基因包含在A基因内，E基因完全包含在D基因内。

2）前后两基因首尾重叠：

例1：如：基因D终止

X174DNA序列：5’—T—A—A—T—G—3’重叠一个碱基基因J起始例2：如：基因A终止

X174DNA序列5’—A—T—G—A—3’重叠4个碱基基因C起始根据密码子的起始位置，一个DNA顺序可能有3种阅读框例如，序列ATTCGATCGCAACAAA

ATTCGATCGATTCGATCGCAAATTCGATCGCA（1）（3）（2）但只有一种具有编码的作用，称为开放阅读框（openreadingframe，ORF）。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。

果蝇蛹上皮蛋白质基因位于另一个基因的内含子之中人I型神经纤维瘤(NF1)基因的第一个内含子中有三个编码蛋白质的基因，其转录方向与NF1的相反。线虫基因组中每个基因平均有5个内含子，有的内含子中包含tRNA基因，其转录方向不一定与包含它的基因的转录方向一致。可见，两个重叠基因的转录是各自独立、互不依赖。2真核生物的重叠基因真核生物的重叠基因第三章基因与基因组

第一节基因概念的历史演变第二节真核生物的割裂基因第三节重叠基因第四节基因和基因组大小第五节真核生物DNA序列组织第六节细胞器基因组第七节基因鉴定第八节人类基因组计划1.1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。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，只是长度有变化。如小鼠的a-珠蛋白基因长度850bp，b-珠蛋白1382bp，两个的mRNA却大小差不多。1基因的大小1.2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。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。2基因组：例：人类与E.coli编码基因数目的比较

E.coli.4.2X106bp编码约3000种基因人类3.3X109

bp

大肠杆菌的700多倍

有上百万个基因？？？根据不同细胞中的mRNA数目估算表达基因

人类编码基因约为3-4万个

约为大肠杆菌的30倍，那么90％以上的DNA功能何在？？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DNA含量过多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色体。2）真核生物在基因组转录后的绝大部分前体RNA必须经过剪接过程才能形成成熟的mRNA，而原核生物的基因几乎不需要转录后加工。3）真核生物细胞中DNA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。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。3基因组大小和C值C值(CValue)：在每一种生物中其单倍体基因组的DNA总量是特异的。DNA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，不同生物之间差别很大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生物体进化程度高低与C值不成明显线性相关亲缘关系相近的生物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。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

ΦX1740.7kb10λ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基因组的基因数目第三章基因与基因组

第一节基因概念的历史演变第二节真核生物的割裂基因第三节重叠基因第四节基因和基因组大小第五节真核生物DNA序列组织第六节细胞器基因组第七节基因鉴定第八节人类基因组计划1DNA的复性动力学2重复序列3真核生物的DNA序列第五节真核生物DNA序列组织DNA复性过程遵循二级反应动力学DNA复性过程中单链消失的速度用公式表示：

-dC/dt=kC2

1DNA的复性动力学其中，C是单位时间的单链DNA的浓度K＝复性速度常数DNA复性的影响因素：DNA序列的复杂性、初始浓度、片段大小、温度、离子强度1DNA的复性动力学2重复序列3真核生物的DNA序列第五节真核生物DNA序列组织2重复序列(repetitivesequences)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1）单拷贝序列(singlecopysequences)

又称非重复序列：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)大多是单拷贝序列。大部分结构基因位于非重复的DNA序列内2）轻度重复序列(lightrepetitivesequences)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3）中度重复序列(moderaterepetitivesequences)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，如Alu序列也有编码基因产物的，如rDNA、tDNA、组蛋白基因家族,一般往往以基因家族的形式组织。rDNAgenefamily海胆450copies烟草750copies果蝇100copiesHistonegenefamily

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真核生物的Alufamily300,000copies广泛分布于非重复序列间300bp300bp300bp6000bp6000bp6000bp6000bp4）高度重复序列(highlyrepetitivesequences)在基因组中重复频率高，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。卫星DNA序列螃蟹2ATATAT…..果蝇5ATAATATAAT…..老鼠9GAAAAATGAGAAAAATGA重复碱基数序列不同生物的非重复基因占基因组的比例差别很大；原核生物无重复序列

低等真核生物10-20%repetitivesequence

高等植物80%

高等动物50%、1DNA的复性动力学2重复序列3真核生物的DNA序列3.1真核生物的单一序列3.2真核生物的重复序列第五节真核生物DNA序列组织3.1真核生物的单一序列单拷贝顺序在基因组占50-80％，平均长度为13000bp单拷贝顺序储存了巨大的遗传信息。只有一小部分单拷贝序列编码蛋白质。3.2真核生物的重复序列基因家族(有编码功能)基因外的重复DNA序列(无编码功能)3.2.1基因家族1）基因家族（genefamily）：真核生物基因组中来源相同，结构和功能相关的基因聚集在一起形成基因家族。根据分布形式分基因簇和散布的基因家族：A基因簇（genecluster）基因家族的各个成员紧密成簇排列成大段的串联重复单位，分布在某一条染色体的特殊区域；它们可同时发挥作用，合成某些蛋白质。如组蛋白基因家族聚集在第7号染色体长臂3区内。Histonegenefamily

组蛋白基因家族假基因（pseudogene）：具有与功能基因相似的序列，但由于有许多突变以致失去了原有的功能，所以假基因是没有功能的基因，用ψ表示。来源：一般认为是由mRNA反转录成cDNA，然后整合在基因组中，假基因不含内含子。B散布的基因家族（interspersedgenefamily）概念：一个基因家族的不同成员成簇地分布不同染色体上，各成员在序列上有明显差异。这些不同成员编码一组功能上紧密相关的蛋白质，如珠蛋白基因家族。两种亚基的编码基因分别形成两个不同的基因簇，并存在于不同的染色体上.人类珠蛋白基因家族－－－典型的血红蛋白珠蛋白血红素α2β2

不同的亚基由各自的基因编码2)广义的基因家族

根据基因家族成员序列的相似程度分类：A经典的基因家族，家族成员序列有高度的同源性，序列一致，拷贝数高，非转录间隔区短而一致。B基因家族各成员的编码产物保守（大段的高度保守氨基酸序列）；只是DNA序列的相似性低。C基因家族各成员的编码产物之间只有很短的保守氨基酸序列，DNA序列的相似性更低。D超基因家族，各基因序列之间无同源性，但其基因产物的功能相似。编码产物之间也无明显的保守氨基酸序列，但也有一些共同特征。1DNA的复性动力学2重复序列3真核生物的DNA序列3.1真核生物的单一序列3.2真核生物的重复序列3.2.1基因家族(有编码功能)3.2.2基因外的重复DNA序列(无编码功能)第五节真核生物DNA序列组织3.3.2基因外的重复序列即为无编码功能的重复序列1)串联重复DNA-卫星DNA(高度重复序列)2)散布的重复DNA1)卫星DNA(satelliteDNA)特点：高度重复序列，重复单位由2-10bp组成，成串排列，重复数以百万次106。卫星DNA序列螃蟹2ATATAT…..果蝇5ATAATATAAT…..老鼠9GAAAAATGAGAAAAATGA重复碱基数序列卫星DNA：这类高度重复序列的碱基组成不同与其他部分，浮力密度也不同，用等密度梯度离心法可将其与主体DNA分开。等密度梯度离心法浮力密度卫星DNA的分类(1)卫星DNA：长串联重复序列，位于染色体上的异染色区域。(2)小卫星DNA重复序列(minisatellite)：中等大小的串联重复序列，位于染色体末端，或其他部位。高变小卫星DNA：重复单位之间的序列差异大，但是有一个核心序列GGGCAGGAXG,近端粒部位；端粒DNA：

主要有六个串联重复单位组成TTAGGG卫星DNA的分类(3)微卫星(microsatellite,MS)或为简短串联重复(STR,shorttandemrepeats):由更简单的重复单位组成的小序列，一般为