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1 第四章基因与基因组的结构与功能

2 基因 基因组的概念 基因 : 是原核 真核生物以及病毒的 DNA 和 RNA 分子中具有遗传效应的核苷酸序列, 是遗传的基本单位和突变单位以及控制性状的功能单位 基因组 : 是指生物体或者细胞中, 一套完整单体遗传物质的总和 不同生物的基因组大小及复杂性不同 生物的复杂性与基因组内的基因数量有关 进化程度越高, 基因组越复杂

3 比如人基因组的全长为大约 3 X 10 9 对碱基, 编码 3-4 万个蛋白分子

4 C 值 (C-value): 在真核生物中, 每种生物的单倍体基因组的 DNA 总量总是恒定的, 称为 C- 值 C-value is the quantity of DNA in the genome(per haploid set of chromosomes). 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

5 C 值悖理 : 是指真核生物中 DNA 含量的反常现象 表现为 : C 值不随生物的进化程度和复杂性而增加, 如肺鱼的 C 值为 112.2, 而人的 C 值是 3.2, 与牛的相近 关系密切的生物 C 值相差甚大, 如豌豆为 14, 蚕豆为 2, 相差 7 倍 真核生物 DNA 的量远远大于编码蛋白质等物质所需的量

6 例 : 人类与 E.coli 编码基因数目的比较研究 E.coli. 4 X 10 6 bp DNA 约编码 3000 种基因 人类 29 X 10 8 bp 的 DNA 是大肠杆菌的 700 多倍 有上百万个基因???

7 不同生物种类的 C 值分布范围 植物 动物 真菌等 细菌

8 噬菌体 (PHAGE ) 1 ΦX174 噬菌体 : 很小的 E.coli 噬菌体 DNA 为单链环状, 有 5386 个核苷酸 (Frederick Sanger 于 1977 分析测定, 为此荣获第二次诺贝尔奖 ) 2 ΦX174 噬菌体基因排列更加体现经济原则 a 11 个蛋白质基因, 转录成三个 mrna b DNA 分子绝大部分用来编码蛋白质, 不翻 译部分只占 4%

9 C 显著的特点是有重叠基因 (overlapping genes 或嵌套基因 nested genes) 重叠基因有以下几种情况 : * 一个基因完全在另一个基因内部 如 :B 和 A * E 和 D 其读码结构互不相同 ---ATG-----//------AATGCC ----//---ATAACG---//--TAA---- A* B ATGCCN----NNATAA

10 * 部分重叠 K 和 C * 两个基因共用少数碱基对如 :A * 和 C D 和 J C Start codon ATGA A* Stop codon D Stop codon TAATG J Start codon

11 λ 噬菌体 : 双链 DNA 长度 48502bp(48Kb) * 其 DNA 分子有三种存在形式 a 两个粘性末端分离的线性分子 COS 位点 (cohesive-end site) b 带有切刻的环状分子 ( 开环的粘性末端互补后未连接的 ) c 闭合环状分子 ( 粘性末端互补,DNA 连接酶连接 )

12

13 * 其基因均是按功能相近聚集成簇的 ( 两个正调节基因 N 和 Q 除外 ) * 存在形式 在寄主体内有溶源 生长周期 ( 原噬菌 体 ) 和溶菌生长周 期两种生活途径

14 大肠杆菌 (Escherichia coli E.coli ) 1885 Theodor Escherich ( 德国 ) 原命名为 Bacterium coli 将其属名改为 Escherichia 是为了纪念发现者 1 大肠杆菌在实际工作中的重要性 经常被当作是所有生物的原型 (archetype)

15 特点 : a 在实验室中容易操作 b 生长迅速, 要求营养物质简单, 能进行很多生理生化过程 c 其有性生殖的存在使得遗传学的研究成为可能 ( 遗传杂交 遗传性状 存在性状 ) d 能够供应细菌病毒的生长, 使病毒的本性即病 毒扩增的深入研究成为可能

16 大肠杆菌的遗传物质 (1) 染色体 DNA 对数生长期的 E.coli (2~4 个类核 )-- 丰富的基因组 DNA 类核中, 染色体 DNA 成分占 80%, 其余为 RNA 和蛋白质 4.6 x 10 6 bp 的基因组 DNA 与多种 DNA 结合蛋白质组装成 E.coli 的染色体 基因组 DNA 为双链环状, 总长度为 1100~1400μm, 1400 个基因都已定位

17

18 E.coli 的基因结构的特点 a 功能相关的几个结构基因以操纵子 (operon) 的形式存在其中包括共同的调节基因 启动子 (promoter) 操纵基因 (operator), 在基因转录时协同动作 RegulatoryGene Operon i p o z y a DNA m-rna Protein β -Galactosidase Permease Transacetylase

19 b 包括功能相关的 RNA 基因也串联在一起 (rrn 操纵元 ), 如 :16S rrna 23S rrna 5S rrna 基因转录在同一个转录产物中 c 蛋白质基因通常以单拷贝的形式存在 d RNA 基因多拷贝 大多数的 E.coli 菌株都含 有七个 rrn( 其中六个分布 在 E.coliDNA 的双向复制 起点附近 )

20 真核生物基因组 特点 : 真核基因组的分子质量大 真核生物一般有多条呈线状的染色体 细胞核 DNA 与蛋白质稳定地结合, 形成染色质的复杂高级结构 染色质内除含有 DNA 和组蛋白之外, 还有大量非组蛋白 真核细胞被核膜分隔成细胞核和细胞质, 在基因表达中, 转录和翻译在时间和空间上被分隔, 不偶联

21 真核细胞基因组 DNA 有大量重复序列, 这些重复序列的单位长度不一, 从几个至几千个碱基对不等 ; 重复程度各异 真核生物的蛋白质基因一般以单拷贝形式存在, 转录产物为单顺反子 mrna 功能上密切相关的基因密集程度不如原核生物高 真核生物基因组存在着可移动的 DNA 序列 绝大多数真核生物基因都含有内含子, 因此基因的编码区不是连续排列的

22 与原核基因组的区别 : 真核生物基因组远远大于原核生物基因组, 且具有相当的复杂度 基因组中不编码区域远远多于编码区域 基因组中的 DNA 与蛋白质结合, 形成的染色体存在于细胞核内 大部分基因有内含子, 因此基因的编码区域不连续 存在重复序列, 重复次数从几次到几百万次不等 基因组中以多复制起点的形式复制 转录单位为单顺反子

23 真核生物的断裂基因 断裂基因 (interrupted gene) 也称割裂基因 ( splitting gene) 不连续基因 (discontinuous gene ) 概念 : 基因内部插入了不编码序列, 使一个完整的基因分裂成不连续的若干区段 断裂基因的发现实验 : 通过成熟 mrna( 或 cdna) 与编码基因的 DNA 杂交试验而发现 后来发现鸡的卵清蛋白基因与其 mrna 杂交也出现了 R 环

24 鸡的卵清蛋白基因 DNA 与其 mrna 杂交图 R- 环 7 introns 8 exons

25 真核生物基因的外显子和内含子 概念 : 在不连续基因中有编码功能的区段称为外显子, 而无编码功能的区段称为内含子 Exon ( 外显子 外元 ) is any segment of an interrupted gene that is represented in the mature RNA product Intron ( 内含子 内元 ) is a segment of DNA that is transcribed, but removed from within the transcript by splicing together the sequences (exons) on either side of it.

26 割裂基因 前体 mrna Introns 去除 Exons 连接

27 由于真核生物的绝大多数结构基因都含有内元 所以 -- 真核生物基因又称为 间隔基因, 断裂基因 Splitting gene Interrupted gene 真核生物基因的转录物又称为 Precursor mrna (pre-mrna) Heterogeneous nuclear RNA (hnrna) 前体 mrna, 核内不均一 RNA

28 真核生物基因组的序列类型 单拷贝的 DNA 序列 低度重复的 DNA 序列, 有 2-10 个拷贝数 中度重复的 DNA 序列, 有几十至数十万个拷贝数 高度重复 DNA, 重复次数上万至数百万次

29 单一拷贝的基因序列 绝大多数编码蛋白质的基因都是单拷贝的序列 持家蛋白 : 将生物体内所有细胞都共同具有的蛋白质称为持家蛋白 持家 维持生命必须的

30 低度重复序列 许多蛋白质家族, 其氨基酸序列具有很高的同源性, 典型例子有珠蛋白基因 细胞骨架蛋白基因等 珠蛋白家族包括 α - 珠蛋白和 β - 珠蛋白 人类 α - 珠蛋白基因簇在第 16 号染色体上, 由 3 个基因串联而成 β - 珠蛋白基因簇在第 11 号染色体上, 由 5 个基因构成

31 假基因 (pesudogene): 是一种类似于基因序列, 但在转录 转录后加工或翻译水平上有缺陷, 缺乏正常功能, 没有表达活性的 DNA 序列 假基因没有表达活性原因 : 缺乏有功能的调控区 由于突变和缺失导致 mrna 加工缺陷 使 mrna 翻译提前终止 产生无功能的肽链

32 中度重复序列 以 Alu 序列为代表范例的不编码序列 Alu family(alu 家族 ): 在长约 300bp 的片段中, 大多数片段含有一个限制性内切酶 AluⅠ 的酶切位点 (AG CT) 均匀分散在整个 genome 中的非重复序列间, 在人类 genome 中占 1% ~ 3%

33

34 有编码基因产物的 rdna 基因 tdna 基因 Histone cluster 往往以基因家族的形式组织 gene 低等真核生物 10-20% 高等植物 80% repetitive sequence 高等动物 50% 海胆 H1 H4 H2B H3 H2A 紫球海胆 基因 间隔序列

35

36 高度重复序列 高度重复序列 (Highly repetitive sequence) 长度 2 ~ 10bp, 重复数百万次 10 6 分为 : 卫星 DNA (satellite DNA) 小卫星 DNA (minisatellite DNA) 微卫星 DNA (microsatellite DNA) 分布于着丝点, 端粒区 ( 原位杂交 ), 结构基因两侧往往没有功能,( 着丝粒纺锤体 )

37 卫星 DNA(Satellite DNA): 将 DNA 切成数百个碱基对的片段进行超速离心时, 由于富含 AT 的简单高度重复序列区段浮力密度较小, 因而很容易和总体 DNA 分开, 即常会在主要的 DNA 带的上面有一个次要的带相伴随 CsCl 离心 Mouse genome DNA 30% GC in satellite DNA

38 真核生物的基因家族和基因簇 (Gene cluster Gene family) 基因家族 (Gene family): 真核生物的基因组中许多来源相同, 结构相似 功能相关的一组基因 目前可分为三类 : 简单多基因家族 :5SrRNA 基因家族

39 复杂多基因家族 : 各个成员并不都是相同的 a 五个组蛋白基因( 果蝇 海胆等的 ) b rrna trna 基因家族往往以串联重复基因簇的形式出现 由发育阶段控制的多基因家族 : 人类珠蛋白的基因家族

40

41 基因簇 (gene cluster): 基因家族的各成员紧密成簇, 排 列成大段的串联重复单位, 定位于染色体的特殊区域 各成员之间有高度的序列一致性 串联重复基因簇的特点 : 拷贝数高 几十 ~ 几百 非转录的间隔区短而一致 正好满足组蛋白基因 rrna 基因和 trna 的基因产物被细胞大量需要

42 a 组蛋白基因家族 (Histone gene family) 一个重复单位 ( 基因簇 gene cluster) 的组织情况 海胆 H 1 H 4 H 2B H 3 H 2A 不转录间隔区组织方式因不同生物而异 : 基因次序 转录方向 间隔区的长短 重复频率 不算是典型的串联重复基因簇 ( 有些以散在形式出现 ) 组蛋白基因表达特点 :1 没有内元 2 没有多聚 A 尾巴

43 b rrna 基因家族 (rdna gene family) 重复单位的组织 T 18s T 5.8s T 28s NT 18s T 5.8s T 45s 一个重复单位内的转录的间隔区 ( 内元 ) 重复单位之间的不转录间隔区 41s 20s 18s 5.8s 32s 28s 海胆 果蝇 烟草 450copies 100 copies 750 copies

44 c trna 基因 trna 约长 70 ~ 80 bp, 其基因约长 140 bp ( 内元 ) 串联重复排列, 但各重复单位内的各 trna 基因可以不同 d 5SrRNA 基因 简单多基因家族成簇排列 10 2 ~ 拷贝 S rrna 2 假基因 3 不转录的间隔区 重复单位间由重度重复序列隔开

45 发育过程中的珠蛋白 ( 血红蛋白 ) 的亚基组成 α - 样亚基 α 2 γ 2 2% 97% 1% β - 样亚基 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每个基因簇中的基因按其在发育过程中的表达次序从 5 3 排列在编码链上 ( 其中包括有功能的基因和假基因 )

46 Each of the a-like and b-like globin gene families is organized into a single cluster that includes functional genes and pseudogenes.

47

48 本章习题 断裂基因 外显子和内含子的概念是什么? 它们的关系如何? 重叠基因最初是在什么生物中发现的? 重叠基因存在的意义是什么? 简述真核生物的 DNA 序列的几种类型? 写出下列英文缩写的含义? HGP STS STR MS ETS SNP SAGE BAC YAC RFLP ORF 2-DE

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