基因组的结构.ppt

1、第十二章 基因组的结构解剖,按照基因的染色体学说，一个生物细胞核内所带有的基因呈串联排列在长长的分子上，构成一个基因组（genome）（所谓的基因组是指能维持配子或配子体正常功能的最低数目的一整套基因）。有些基因是一个个单独分布的在基因与基因之间，以及在一个基因内部有着长长的非编码区域，分别称为间隔顺序（spacer sequence）和内含子（nitron）。有些功能相关的基因是排列在一起的，由共同的调控系统加以调节，形成所谓的操纵子（operon）：有些功能相同的基因，则紧密排列在一起，形成基因簇（gene cluster）或称为基因复合体（gene complex）。,第一节原核生物的基

2、因组结构 一、操纵子（） 1961年由Jacob & Monod提出，指由操纵基因和启动基因以及紧密连锁着的若干个结构基因所组成的功能单位，其中结构基因的转录为操纵基因所控制。 ,：调节基因；：启动基因；：操纵基因；：半乳糖苷酶基因；：半乳糖苷透性酶基因；：转乙酰基酶基因。,现在已发现有多种类型的操纵子，它们的调节控制机制，将在下一章介绍。,二、转座因子（Transposable Element） 转座因子是指可以在染色体内或染色体间以及染色体与质粒（plasmid）间，从一个位置转移到另一个位置的一段脱氧核糖核酸序列。 转座因子的类别与结构特征：原核生物中的转座因子，根据分子结构和遗传学特性

3、可分为三种类型。 插入序列（insertion sequence，）：这是一类比较小的转座因子，除带有转座作用有关的基因外，不带有任何其它基因。大小在768（IS1）1530（IS50-R）bp，两端有941bp的IR。 ,转座子（Transposon,Tn）：这是一类较大的转座因子，除带有转座作用有关的基因外，还带有其它一些基因，例如抗药性基因。大小在2086（Tn1681）205000（Tn4）之间，两端有顺向或反向重复序列，这些重复序列有些就是IS（称复合型转座子），有些不是IS（称TnA族）。,Ampr,Tn3,某些温和噬菌体（Temperate phage）：例如大肠杆菌的（Muta

4、tor）噬菌体。该噬菌体感染大肠杆菌后使大肠杆菌产生约2%的突变而得名。Mu可以发生转座，但在结构上与IS或Tn有一定的区别，其末端不含有重复序列而是左端带有宿主染色体的1500bp，右端带有100bp。,转座因子的遗传学效应： （）引起插入突变。 （）插入位置上出现新的基因。 （）造成插入位置上出现受体的少数核苷酸对的重复。,（）某些转座因子转座后原来位置上保持原有的转座因子，而仅是其拷虫的转座。,（5）转座的排它性：一个质粒上如果有一个Tn3，则能排斥另一个Tn3转座到该质粒上，这样可以控制一个细胞内的转座因子的总数。 （6）插入位点的专一性：Mu可以插入到大肠杆菌染色体的任何位置，但有些

5、转座因子如Tn10则只能在特定的位点（GCTNAGC）插入。 （7）促使插入位点染色体发生缺失：缺失发生率比自发缺失高10.210.3倍。缺失发生在转座因子外的第一个核苷酸开始，向外侧延伸。 （8）打开临近的沉默基因,（9）切离（）：转座因子可以从原来的位置上消失，这种现象称为切离。准确的切离可带来和回复突变一样的遗传学效应；不准确切离则会带来多种效应，包括缺失，倒位，易位等。 请注意，切离和转座是两个不同的概念。,三、重叠基因(Overlapping gene) X174：年等人对噬菌体的核苷酸顺序进行分析时，发现了基因的重叠现象，同时还发现遗传密码也有重叠现象。 所谓重叠基因，是指相邻的两

6、个基因共用一段核苷酸顺序的现象。 ,有三中重叠方式： 完全重叠：如B基因落在A基因内，E基因落在D基因内。 部分重叠：如K基因与A及C基因。 少数核苷酸重叠：A基因与C基因 X174的重叠基因主要存在于5000-0-1000的区域内，这些基因也称nest genes.,G4噬菌体：基因全长都与其它基因重叠，端区与基因的最后个重叠，端与基因的开头个重叠，在和两个位点上，阅读框的三种方式都得到应用。,H,A,C,D,B,K,：B C T T C T G A T G,phe,终止,ser,asp,起始, A A A T G A G G,K,K asn glu,A lys 终止,C 起始 arg,Q噬

7、菌体：与X174及G4的重叠不同， Q噬菌体的重叠基因是按相同的阅读框阅读的，即所谓的通读（read through)。如其外壳蛋白基因完全落在A1基因内。,外壳蛋白400bp,A1基因800bp,病毒及真核生物：SV40病毒的t基因落在T基因内；VP1，VP2，VP3三个外壳蛋白之间有122bp的重叠。,果蝇蛹角质蛋白基因（pupal cuticle protein PCP)落在参与嘌呤代谢的Gart基因的第一内含子内；Dopa脱羧酶基因Ddc与临近基因有一个88bp的重叠，两个重叠基因是以不同的模板链反向转录的。 基因重叠的意义： 用有限的核苷酸储存最大的信息量 与基因的表达调控有关 在进

8、化上有一定的意义,第二节 真核生物的基因组结构 一、断裂基因（split gene)intron & extron) 发现：1977年法国科学家Chambon在研究雌激素与蛋白质合成的关系时以外发现，并获1993年诺贝尔奖。 他从鸡的输卵管和血球中分离核DNA，分别用EcoRI和HindIII酶解、电泳，然后与卵清蛋白cDNA探针进行Southern bolt分子杂交，发现卵清蛋白基因在cDNA和核DNA的结构有些不同。,血球 输卵管 血球 输卵管,EcoRI HindIII,Southern blot: 1975年E.M.Southern建立 酶解 电泳 拍照 DNA DNA片段 电泳胶 变

9、性 中和 转移到膜上 漂洗 封闭 与probe杂交 漂洗 反射自显影 结果观察,转移的方法：虹吸法、电转移法及真空转移法。,其它分子杂交： Northern blot：1979年J.C.Alwine建立的DNA-RNA杂交 Western blot：抗原与抗体反应 Southwestern blot：利用Southern blot与Western blot两种方法的特点而设计，用于检测与蛋白质结合的特异DNA序列。,二、多基因家族（multigene family），也称基因家族（gene family）：指来源相同、结构相似、功能相关的一组基因。家族成员可以排列在一起构成所谓的基因簇（gen

10、e cluster)，也可以分散排列。 基因家族可分为四种类型： 简单的多基因家族 复杂的多基因家族 不同场合表达的复杂的多基因家族 散在分布的多基因家族，如癌基因。,三、基因复合体（gene complex），也称超基因（supergene）：是指紧密连锁在一起的共同决定某一性状的一组基因。亦有人认为超基因就是一个大的基因簇，其成员可达几百个。 人类的主要基因复合体有： 免疫球蛋白基因复合体 主要组织相容性复合体（major histocompatibility complex, MHC） 次要组织相容性复合体（minor histocompatibility complex）,MHC是一组

11、决定体细胞表面抗原的基因，这些抗原称为同源白细胞抗原（homologous leucocytic antigen HLA）。 MHC位于6p216pter，已知有35个基因座位，有几百个基因。这些基因编码两类抗原： I类抗原：包括A、B、C、E、F、G、H、J等基因座位。这类抗原在Tc细胞特异地杀伤被感染细胞是起约束作用，即Tc细胞必须同时识别病毒抗原及靶细胞的I类抗原才能起杀伤作用。 II类抗原：包括所有D系列的基因座位。这类抗原只存在于B细胞和巨噬细胞表面，在抗原提呈时起作用，即TH细胞必须同时识别外来抗原及II类抗原。,两个概念： 单倍型（haplotype）：指若干个决定同一形状的紧密

12、连锁的基因构成的基因型。 连锁不平衡（linkage disequilibrium）：指由于基因的紧密连锁而导致的一个基因的边上总是出现某个基因。,四、假基因（pseudogene）： 在多基因家族中某些成员和编码某一蛋白质的结构基因在结构上相似，但并不产生有功能的基因产物，这些基因称为假基因。 两中类型的假基因： 由正常基因的突变、缺失、重复等原因导致基因不能正常表达。 缺少正常基因的部分元件、内含子等，更象正常基因经反转录后产生的，有人称其为加工基因（processed gene）、反转录基因（retrogene）及反转录转座子（retrotrsansposon）。,五、转座因子 转座因子

13、最早是在真核生物中发现的。40年代，McClintock在研究玉米籽粒糊粉层色素合成时发现，与色素合成有关的C基因突变和回复突变的频率很高，这些突变与染色体内一些位置不确定的因子有关。由此提出了转座因子的概念。 真核生物中研究得最清楚的是玉米的激活解离系统（Activator-Dissociator,Ac-Ds）。在Ac-Ds系统中， 包括两个位点，一是激活位点（Ac），一是解离位点（Ds）。和都可转座，但在转座有赖于的存在，而则可自主转座。事实上是的缺失而形成的。,的转座可带来两个方面的遗传学效应，一是导致染色体断裂，另一是插入某一基因而使之失活。就是在研究玉米籽粒糊粉层色素合成时发现插入与

14、合成色素有关的基因的失活，从而发现系统 Ac全长4500bp，末端有11bp的IR，有两个基因，即转座酶基因和阻遏物基因，因此可以自主转座。Ds是Ac的缺失类型，缺失范围可以从0.4kb4kb，甚至只剩下IR也可以在转座酶作用下发生转座。 除了玉米外，果蝇、酵母地转座因子也研究的比较多。 注意：真核生物转座因子的转座是切离转座。,六、原核基因组与真核基因组的比较 真核生物基因组比较大。 真核生物的一个基因组包括若干个染色体，一般不呈环状。 真核生物的全长都与蛋白质稳定地结合，构成染色体。原核生物的并不是全长与蛋白质稳定地结合。 真核生物上有大量的重复序列。编码顺序仅占基因组的，而原核生物基因则

15、大多是编码顺序。 真核生物基因组存在无功能的假基因。,原核生物的基因组中功能相关的基因常聚集在一起构成操纵子。真核生物的基因组虽然作用上密切相关的基因聚集在一起的情况也并不少见，但关于操纵子的确切报道还是绝无仅有。,第三节 tRNA与rRNA基因 一、基因（,4S基因） 原核生物：原生物的分布有二种情况： （）以基因簇形式组成多顺反子转录单位：在E.coli中以基因簇形式组成的多顺反子已测定了约个，例如年鉴定的一个操纵子含个tRNA基因：Met-Leu-Gln-Gln-Met-Glu-Glu，它们可以转录出一条，经剪切后形成个。,（）与rRNA基因（rDNA）连接在一起：原核生物的tDNA有些

16、是与rDNA连接在一起，随rRNA一道转录。,真核生物：真核生物也是多拷贝，成簇地排列在一起的，与原核生物不同在于它的是单顺反子转录的并且具有内含子。 二、基因（） 原核生物rDNA：原核生物有16S，23S和5S三种rRNA，这三个rRNA串联在一起，在其间又插入一些tRNA组成一个操纵子，转录出一条30S rRNA的前体，经剪切加工后形成三种 。 这么一个操纵子在基因组中是多次重复的，形成一个基因复合体。,真核生物rDNA：真核生物有18S，28S，5.8S和5S四种rRNA。在真核生物中，18S，28S和5.8S rDNA串联在一起构成一个基因簇，这一基因复合体位于核仁组织者区。转录时是

17、18S，28S，5.8S rDNA一起转录（即多顺反子转录）出一条45S rRNA前体，经剪切加工后形成三种rRNA。位于核仁组织者区的rRNA，由RNA pol I转录。 真核生物的5S rRNA位于核仁组织者区之外，也是多拷贝重复的，由RNA pol III转录。,几种生物的rRNA基因数目,*在卵母细胞内可扩增达10004000拷贝,第四节基因的概念及其发展 一、经典遗传学关于基因的概念 基因的概念是年丹麦学者约翰逊提出来的，用于取代孟德尔的遗传因子，但在这一阶段基因仍是一个形象的概念，并不知道它的物质基础是什么，而只能通过基因的遗传学效应来感知它。到了年代摩尔根等人首次将基因与染色体联

18、系起来，认为基因在染色体上呈直线排列。按照经典遗传学对基因的概念，基因具有下列共性：,基因可自我复制并具有相对稳定性，在减数分裂和有丝分裂中有规律地进行分配这是染色体的主要特征之一。 基因在染色体上占有一定的位置（位点），并且是交换的最小单位，即在重组时不能再分割的单位（即基因是一个重组单位）。 基因是一个突变单位，是以整体进行突变的。 基因是一个功能单位，它控制着有机体生长和发育中的一个或某些性状，如红花、白花等。,二、顺反子 年代在噬菌体基因的研究中发现基因并不是最小的不可分割的单位，基因内部还有精细的结构。按照现代遗传学的概念， 基因的突变重组，功能这三个单位应分别是： 突变子（muton）：是性状突变时，产生突变的最小单位。一个突变子可以小到只有一对核苷酸。 重组子（recon）：在发生性状重组时，可交换的最小单位，一个交换子只包含一对核苷酸。 顺反子（作用子）（cistron）：这是基因的功能单位，即起作用的单位。基本上符合通常所指的