分子遺傳學第基因與基因組

1、編輯ppt1 3.1 早期的基因概念早期的基因概念 3.2 經(jīng)典的基因概念經(jīng)典的基因概念 3.3 基因概念的演變與發(fā)展基因概念的演變與發(fā)展 3.4 基因概念的多樣性基因概念的多樣性 3.5 細胞器基因組細胞器基因組 第第三章章 基因與基因組基因與基因組 編輯ppt2 3.1.1 融合遺傳理論融合遺傳理論 （Blending inheritance）Galton 母本體液母本體液 父本體液父本體液 子代具有父，母雙親的性狀子代具有父，母雙親的性狀 + 獲得的性狀是由環(huán)境影響獲得的性狀是由環(huán)境影響 (非遺傳物質(zhì)的改變非遺傳物質(zhì)的改變) 新性狀一旦獲得新性狀一旦獲得, 便能遺傳給后代便能遺傳給后代

2、L.B. Lamarck 3.1.2 獲得性遺傳理論獲得性遺傳理論(Inheritance of acquired characters) 物種物種 加強和完善對環(huán)境的適應加強和完善對環(huán)境的適應 逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾路N逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾路N 3.1 早期的基因概念早期的基因概念 編輯ppt3 3.1.3 泛生論假說泛生論假說 （Hypothesis of the Pangenesis） C. Darwin 1866 認為控制生物體性 狀的物質(zhì)是泛生粒， 各性狀由不同的泛 生粒控制；生殖時， 各個泛生粒流向生 殖細胞，再由生殖 細胞繁殖 編輯ppt4 3.1.4 種質(zhì)論種質(zhì)論（Theory of germpla

3、sm） A. Weismann 1883 生物體由種質(zhì)和體質(zhì)兩部分組成。種質(zhì)指生殖細胞，專營生物體由種質(zhì)和體質(zhì)兩部分組成。種質(zhì)指生殖細胞，專營 生殖和遺傳；體質(zhì)指體細胞，負責各種營養(yǎng)活動。種質(zhì)世生殖和遺傳；體質(zhì)指體細胞，負責各種營養(yǎng)活動。種質(zhì)世 代相傳，不受體質(zhì)影響；體質(zhì)由種質(zhì)分化而來，又隨個體代相傳，不受體質(zhì)影響；體質(zhì)由種質(zhì)分化而來，又隨個體 死亡而消失；死亡而消失； 種質(zhì)是種質(zhì)是“潛在的潛在的”，而體質(zhì)則是，而體質(zhì)則是“表達的表達的”，世代之間的，世代之間的 聯(lián)系是遺傳性狀的傳遞，并通過一定化學實體進行。聯(lián)系是遺傳性狀的傳遞，并通過一定化學實體進行。 編輯ppt5 3.1.5 遺傳因子假說

4、遺傳因子假說 (Hypothesis of the inherited factor) G. J. Mendel 1865. 生物性狀由遺傳因子控制生物性狀由遺傳因子控制 親代傳給子代的是遺傳因子親代傳給子代的是遺傳因子(A,a.) 遺傳因子在體細胞內(nèi)成雙遺傳因子在體細胞內(nèi)成雙(AA,aa), 在生殖細胞內(nèi)為單（在生殖細胞內(nèi)為單（A,a） 雜合子后代體細胞內(nèi)具有成雙的雜合子后代體細胞內(nèi)具有成雙的 遺傳因子遺傳因子(Aa) 等位的遺傳因子獨立分離等位的遺傳因子獨立分離, 非等非等 位遺傳因子間自由組合地分配到位遺傳因子間自由組合地分配到 配子中配子中 編輯ppt6 同時發(fā)現(xiàn)并證實同時發(fā)現(xiàn)并證實

5、Mendel 的兩大規(guī)律的兩大規(guī)律 否定了否定了泛生論，獲得性遺傳理論，融合遺傳假說泛生論，獲得性遺傳理論，融合遺傳假說 奠定了奠定了 顆粒遺傳理論顆粒遺傳理論 (theory of particulate inheritance) 提出了提出了 遺傳因子的分離規(guī)律遺傳因子的分離規(guī)律 (Law of segregation) 遺傳因子的自由組合規(guī)律遺傳因子的自由組合規(guī)律 (Law of independent assortment) 190 0 Hugo de vires E. Tchermark Carrens 191 0 The law of linkage T. H. Morgan 19

6、0 6 Batson F2 = 9：3：3：1 編輯ppt7 Theory of the gene 基因是染色體上的實體基因是染色體上的實體 基因象鏈珠基因象鏈珠(bead)一樣，孤立地呈一樣，孤立地呈 線狀地排列在染色體上線狀地排列在染色體上 基因是；基因是； 功能功能(functional unit)(functional unit) 突變突變(mutation unit)(mutation unit) 交換交換(cross-over unit)(cross-over unit) “三位一體三位一體”的的 (Three in one) 最小的最小的 不可分割的不可分割的 基本的基本的 遺傳

7、單位遺傳單位 (1926 T. H. Morgan) 3.2 經(jīng)典的基因概念經(jīng)典的基因概念 編輯ppt8 3.3 基因概念的基因概念的 演變與發(fā)展演變與發(fā)展 編輯ppt9 3.3.1 基因的位置效應是對經(jīng)典遺基因的位置效應是對經(jīng)典遺 傳學的第一次發(fā)展傳學的第一次發(fā)展 Bar eyeBar eye Position effectPosition effect Dosage effectDosage effect Duplication Duplication Wild typeWild type 16A 780個個 68個個 45個個 chromosome A H Sturtevent 果蠅的棒

8、眼遺傳現(xiàn)象 385個個 基因不是孤立地排列在染色體上，而是有密切的鄰里關(guān)系基因不是孤立地排列在染色體上，而是有密切的鄰里關(guān)系 編輯ppt10 編輯ppt11 Multiple allelesMultiple alleles a1 A a2 a3 A a1 a2 a1a1 a2a2 a1a2 ( no wild typeno wild type ) 3.3.2 擬等位基因概念的提出擬等位基因概念的提出 （pseudo alleles） 等位基因：指野生型基因發(fā)生突變后形成的突變基因與野等位基因：指野生型基因發(fā)生突變后形成的突變基因與野 生基因互稱為等位基因。生基因互稱為等位基因。 編輯ppt12

9、 But ! W Xw Xa red eye (w.t) XwXw (白眼白眼) XaY （杏色眼） （杏色眼） Xa Y Xw Xw Xa Xw Y Xa Xa Xa XaY ? 1/1000 W.t white eye (mut) apricot eye (mut) in Drosophila 擬等位基因：擬等位基因：指表型效應類似，功能密切相關(guān)，在染色體指表型效應類似，功能密切相關(guān)，在染色體 上的位置又緊密連鎖的基因上的位置又緊密連鎖的基因 編輯ppt13 經(jīng)典的基因概念經(jīng)典的基因概念 基因內(nèi)不發(fā)生交換；基因內(nèi)不發(fā)生交換； 兩個兩個“等位基因可能位于同源染色體的不同位點上，能等位基因可能

10、位于同源染色體的不同位點上，能 通過交換發(fā)生重組，通過交換發(fā)生重組，1/1000的野生型即是重組的結(jié)果；的野生型即是重組的結(jié)果； Lewis和和Green證明在一個基因座位中包含有多個位點，證明在一個基因座位中包含有多個位點， 這些位點被稱為擬等位基因；這些位點被稱為擬等位基因； 緊密連鎖緊密連鎖 （交換率極低），功能相同（控制同一性狀）（交換率極低），功能相同（控制同一性狀） A1 A2 a1 a2 w.t Mut. A1 a2 a1 A2 編輯ppt14 3.3.3 順反子理論順反子理論 Theory of cistron (S. Benzer 1955) -是對是對 經(jīng)典基因概念的第經(jīng)典

11、基因概念的第 一次修正和發(fā)展一次修正和發(fā)展 E. coli T4噬菌體 rII突變?nèi)?T4噬菌體裂解細菌是由rII區(qū)編碼的 編輯ppt15 實驗實驗 野生型野生型E.coli T4噬菌體的噬菌體的RII區(qū)控制侵染寄主區(qū)控制侵染寄主E.coliB和和K12菌菌 株，并產(chǎn)生模糊、白色的小噬菌斑株，并產(chǎn)生模糊、白色的小噬菌斑 當當rII區(qū)發(fā)生突變，區(qū)發(fā)生突變，T4-rII突變體不能侵染突變體不能侵染K12菌株，而且侵染菌株，而且侵染 B菌株后，產(chǎn)生邊緣清晰、圓形的大噬菌斑菌株后，產(chǎn)生邊緣清晰、圓形的大噬菌斑 將誘變獲得的數(shù)百個將誘變獲得的數(shù)百個T4-rII突變體，按重組試驗設(shè)計，兩兩組突變體，按重組

12、試驗設(shè)計，兩兩組 合并同時侵染合并同時侵染E.coliB菌株，當菌株，當E.coliB培養(yǎng)皿上出現(xiàn)野生型和培養(yǎng)皿上出現(xiàn)野生型和 突變型兩種噬菌斑后，采用影印法轉(zhuǎn)運到含有突變型兩種噬菌斑后，采用影印法轉(zhuǎn)運到含有E.coliK12菌株菌株 的培養(yǎng)皿中，以統(tǒng)計的方法分析由于兩條的培養(yǎng)皿中，以統(tǒng)計的方法分析由于兩條T4-rII染色體交換而染色體交換而 形成的野生型噬菌斑的概率，并繪制突變位點的遺傳連鎖圖形成的野生型噬菌斑的概率，并繪制突變位點的遺傳連鎖圖 rII47 104 101 103 105 106 51 102 編輯ppt16 基于此實驗和基于此實驗和“一個基因一個酶一個基因一個酶”的理的理

13、論論Benzer認為在認為在rII區(qū)為雜合二倍體的區(qū)為雜合二倍體的 菌株內(nèi)，野生型基因?qū)ν蛔冃偷任换蚓陜?nèi)，野生型基因?qū)ν蛔冃偷任换?可以發(fā)生功能的補償，產(chǎn)生功能互補效可以發(fā)生功能的補償，產(chǎn)生功能互補效 應，從而使表型正常應，從而使表型正常 編輯ppt17 不同的不同的 等位基因等位基因 同一等位基因同一等位基因 功能互補效應功能互補效應 的測驗體系的測驗體系 具有具有 不具有不具有 突變突變 位點位點 處于處于 兩個帶有不同突變位點的噬菌體同時感染一個兩個帶有不同突變位點的噬菌體同時感染一個 E.coliE.coli，構(gòu)成雙突變雜合二倍體，組成，構(gòu)成雙突變雜合二倍體，組成互補測驗體系互補

14、測驗體系， 以測定各突變位點所在基因的以測定各突變位點所在基因的等位性等位性。 編輯ppt18 rII47 104 101 103 105 106 51 102 A gene B gene 順反子是功能單位，是由許多可以突變的位點順反子是功能單位，是由許多可以突變的位點 組成的，而這些位點之間又可以發(fā)生交換。組成的，而這些位點之間又可以發(fā)生交換。 編輯ppt19 順反子假說順反子假說（Theory of cistronTheory of cistron） CistronCistron 是基因的同義詞是基因的同義詞 在一個順反子內(nèi)，有若干個突變單位在一個順反子內(nèi)，有若干個突變單位 突變子突變子(

15、 (mutonmuton) ) 在一個順反子內(nèi)，有若干個交換單位在一個順反子內(nèi)，有若干個交換單位 交換子（交換子（reconrecon） 基因是一個具有特定功能的，完整的，不可分割的基因是一個具有特定功能的，完整的，不可分割的 最小的遺傳單位最小的遺傳單位 基因內(nèi)可以較低頻率發(fā)生基因內(nèi)的重組，交換基因內(nèi)可以較低頻率發(fā)生基因內(nèi)的重組，交換 pseudo allelespseudo alleles 是基因內(nèi)發(fā)生突變的等位基因是基因內(nèi)發(fā)生突變的等位基因 mut1 X mut2mut1 X mut2 W.tW.t 是基因內(nèi)發(fā)生交換的結(jié)果是基因內(nèi)發(fā)生交換的結(jié)果 cistron cistron 概念的提出

16、概念的提出是對經(jīng)典的基因概念的動搖是對經(jīng)典的基因概念的動搖 是對是對pseudo allelespseudo alleles概念概念的修正的修正 編輯ppt20 one gene one function ( one gene one function (Ribozyme, Abzyme, rDNA, tDNARibozyme, Abzyme, rDNA, tDNA.).) one gene one enzyme one gene one enzyme Lac. OperonLac. Operon LactoseLactose 3.3.5 操縱子理論操縱子理論 (Lactose operonL

17、actose operon 1961. Jacob, Monod Jacob, Monod ) 一個基因功能的表現(xiàn)是若干基因組成的信息表達的整體行為一個基因功能的表現(xiàn)是若干基因組成的信息表達的整體行為 I P O Z Y A z one gene one peptideone gene one peptide ya 編輯ppt21 編碼細胞必要的蛋白，如酶或結(jié)構(gòu)蛋白的基因編碼細胞必要的蛋白，如酶或結(jié)構(gòu)蛋白的基因 稱為稱為結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因（structural genes） 編碼調(diào)節(jié)蛋白的基因稱編碼調(diào)節(jié)蛋白的基因稱調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因（regulator genes） 誘導基因的底物稱為誘導基因的底

18、物稱為誘導物誘導物（inducer），它是），它是 一類小分子效應物（一類小分子效應物（effectors）的成員之一，）的成員之一， 與很多被調(diào)節(jié)基因的表達控制有關(guān)與很多被調(diào)節(jié)基因的表達控制有關(guān) 基因僅對誘導物反應而表達的現(xiàn)象叫做基因僅對誘導物反應而表達的現(xiàn)象叫做誘導誘導 （induction） 任何任何促進轉(zhuǎn)錄促進轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)都稱為的調(diào)節(jié)都稱為正調(diào)控正調(diào)控(positive regulation)，任何，任何阻礙轉(zhuǎn)錄阻礙轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)都稱為的調(diào)節(jié)都稱為負調(diào)負調(diào) 控控(negative regulation) 編輯ppt22 transcriptable, translatable genetra

19、nscriptable, translatable gene ( Z,Y,A ) ( Z,Y,A ) cis action factor（順式作用因子）（順式作用因子） transcriptable but nontranslatable genetranscriptable but nontranslatable gene ( tDNA, rDNA ) ( tDNA, rDNA ) nontranscriptable, nontranslatable genenontranscriptable, nontranslatable gene ( ( promoterpromoter, , ope

20、rator operator ) ) 通過核苷酸自身的特異二級結(jié)構(gòu)控制與它緊密連鎖的結(jié)構(gòu)基通過核苷酸自身的特異二級結(jié)構(gòu)控制與它緊密連鎖的結(jié)構(gòu)基 因的表達因的表達或調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的或調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的DNADNA序列如啟動子、終止子、增強子序列如啟動子、終止子、增強子 一般不編碼蛋白質(zhì)。一般不編碼蛋白質(zhì)。( (無基因產(chǎn)物的無基因產(chǎn)物的DNADNA功能區(qū)功能區(qū)) ) 3.3.6 基因的類型基因的類型 編輯ppt23 trans action factor（反式作用因子）（反式作用因子） 通過擴散自身表達產(chǎn)物（酶，調(diào)節(jié)蛋白）控制其他基通過擴散自身表達產(chǎn)物（酶，調(diào)節(jié)蛋白）控制其他基 因的表達因的表達 或指可以和順式

21、作用元件結(jié)合的調(diào)節(jié)蛋白，如啟動轉(zhuǎn)或指可以和順式作用元件結(jié)合的調(diào)節(jié)蛋白，如啟動轉(zhuǎn) 錄因子、終止因子、調(diào)節(jié)蛋白等錄因子、終止因子、調(diào)節(jié)蛋白等 可轉(zhuǎn)錄，可翻譯調(diào)節(jié)蛋白的可轉(zhuǎn)錄，可翻譯調(diào)節(jié)蛋白的DNADNA功能區(qū)功能區(qū) 可通過互補測驗體系確定其功能區(qū)域可通過互補測驗體系確定其功能區(qū)域 編輯ppt24 3.4.1 生物進化的生物進化的C值矛盾值矛盾 (C value paradox of nucleotide) 一個物種單倍體基因組總一個物種單倍體基因組總DNA 的含量（是恒定的）的含量（是恒定的） 單倍體：具有配子(精子或卵子，植物的卵細胞和花粉) 染色體數(shù)目的細胞或個體 最大最大C值值 Maximu

22、m C value 編碼基因信息的總編碼基因信息的總DNA含量含量 最小最小C值值 Minimum c value 3.43.4 基因概念的多樣性基因概念的多樣性 編輯ppt25 C value paradox of nucleotideC value paradox of nucleotide A 生物體進化程度高低生物體進化程度高低 與大與大C值不成值不成明顯正相關(guān)明顯正相關(guān) B 親緣關(guān)系相近親緣關(guān)系相近的生的生 物大物大C值相差較大值相差較大 C 一種生物內(nèi)大一種生物內(nèi)大C值與值與 小小c值相差極大值相差極大 （Euk. 人體人體 c = C/10） ( Prok. x174 c C )

23、 不同種類生物基因組的不同種類生物基因組的C值分布值分布 編輯ppt26 編輯ppt27 大腸桿菌大腸桿菌 4300個基因個基因 編輯ppt28 釀酒酵母釀酒酵母 6000個基因個基因 編輯ppt29 25500個基因個基因 編輯ppt30 秀麗隱桿線蟲秀麗隱桿線蟲 19000個基因個基因 編輯ppt31 3.4.2. 重疊基因重疊基因 (overlapping gene) Mis-reading for stop codon (1973. 哈佛大學的哈佛大學的A. Weiner 大腸桿菌大腸桿菌 Q RNA virus) 400Nt 800Nt AUG-UGA-UAA UGA, UAG 易被

24、漏讀，易被漏讀， 錯讀錯讀 UAA 能嚴格終止能嚴格終止 14Kd Cp 97% 38Kd Ip 3% 定義：不同的基因共用一段相同的定義：不同的基因共用一段相同的DNA序列序列 編輯ppt32 X174 ( F. Sanger, 1977 ) 單鏈環(huán)狀病毒單鏈環(huán)狀病毒 通過改變閱讀框重復編碼通過改變閱讀框重復編碼 5387 bp 11 genes 3 mRNA 9 peptides C = 5387 bp c = 11 2000 bp -ATG-/-AATGCC -/-ATAACG-/-TAA- A B ATGCCN-NNATAA 編輯ppt33 -TCAUGCCCAAACUAGGC- St

25、art Stop stop start 通過改變閱讀框重復編碼通過改變閱讀框重復編碼 編輯ppt34 -AUG-TCAUGCCCAA-AUGAGGC- Vp2 Start Selection different start codon or stop codon (Simian Virus 40, SV40) 編碼5個基因，其中3個外殼蛋 白基因及2個表面抗原基因 Vp1 Start Vp3 Start Vp1 Vp2 Vp3 編輯ppt35 重疊基因的生物學意義重疊基因的生物學意義 a) a) 原核生物進化的原核生物進化的經(jīng)濟經(jīng)濟原則原則 ( (較小的較小的C C值編碼較多的基因信息值編碼較

26、多的基因信息) ) b) b) 修正了經(jīng)典的各個基因互相獨立、互不重疊的修正了經(jīng)典的各個基因互相獨立、互不重疊的 傳統(tǒng)觀念傳統(tǒng)觀念 c) c) 豐富和發(fā)展了基因的概念豐富和發(fā)展了基因的概念 ( (部分回答部分回答 C = c)C = c) 編輯ppt36 按基因間相互重疊的區(qū)段及基因轉(zhuǎn)錄方向，將按基因間相互重疊的區(qū)段及基因轉(zhuǎn)錄方向，將 重疊基因歸類為重疊基因歸類為反向重疊基因反向重疊基因和和同向重疊基因同向重疊基因。 編碼在同一DNA區(qū)段不同極性單鏈上的重疊基因 稱為反向重疊基因反向重疊基因。 編碼在同一DNA區(qū)段同一極性單鏈上的重疊基因 稱為同向重疊基因同向重疊基因 編輯ppt37 3.4.

27、3 真核生物中的單一序列和重復序列真核生物中的單一序列和重復序列 a) 高度重復序列高度重復序列 ( High repetitive sequence) satellite DNAsatellite DNA屬于高度重復序列屬于高度重復序列 2-10 bp / copy 105-106 copies / genome 多為串聯(lián)重復排列多為串聯(lián)重復排列 分布于著絲點分布于著絲點, 端粒區(qū)端粒區(qū), 結(jié)構(gòu)基因兩側(cè)結(jié)構(gòu)基因兩側(cè) 缺少轉(zhuǎn)錄所必需的啟動子，一般不轉(zhuǎn)錄缺少轉(zhuǎn)錄所必需的啟動子，一般不轉(zhuǎn)錄 編輯ppt38 衛(wèi)星衛(wèi)星DNA 有些高度重復有些高度重復DNADNA序列序列 的堿基組成和浮力密度的堿基組成

28、和浮力密度 同主體同主體DNADNA有區(qū)別，在有區(qū)別，在 浮力密度梯度離心時，浮力密度梯度離心時， 形成不同于主形成不同于主DNADNA帶的帶的 衛(wèi)星帶。衛(wèi)星衛(wèi)星帶。衛(wèi)星DNADNA由許由許 多簡單的重復序列組多簡單的重復序列組 成，一般位于染色體上成，一般位于染色體上 的異染色質(zhì)區(qū)域的異染色質(zhì)區(qū)域 衛(wèi)星衛(wèi)星DNADNA是高度重復序列，但并非是高度重復序列，但并非 所有高度重復序列都以衛(wèi)星所有高度重復序列都以衛(wèi)星DNADNA的的 形式出現(xiàn)，有的浮力密度與主體形式出現(xiàn)，有的浮力密度與主體 DNADNA相近，稱為隱蔽衛(wèi)星相近，稱為隱蔽衛(wèi)星DNADNA 編輯ppt39 SSR（simple sequ

29、ence repeats)標記標記 SSR是一類由是一類由2-6個核苷酸個核苷酸為重復單位組成的為重復單位組成的 長達幾十個核苷酸片段的串聯(lián)重復序列，其長達幾十個核苷酸片段的串聯(lián)重復序列，其 兩側(cè)由兩側(cè)由特異序列特異序列構(gòu)成。構(gòu)成。 首先發(fā)現(xiàn)于首先發(fā)現(xiàn)于人類基因組人類基因組中，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)在許多真中，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)在許多真 核生物中，如核生物中，如哺乳動物、魚類、鳥類、昆蟲哺乳動物、魚類、鳥類、昆蟲 類、單子葉植物、雙子葉植物類、單子葉植物、雙子葉植物中中SSR也廣泛也廣泛 存在。存在。 高度重復序列的高度重復序列的 應用應用 編輯ppt40 SSR標記標記 原理：原理：以重復序列及兩側(cè)的特異序列作模板

30、，以重復序列及兩側(cè)的特異序列作模板，以以 與特異序列互補的特異引物來擴增與特異序列互補的特異引物來擴增SSR等位基等位基 因，擴增產(chǎn)物在高濃度的瓊脂糖凝膠或聚丙烯因，擴增產(chǎn)物在高濃度的瓊脂糖凝膠或聚丙烯 酰胺凝膠上電泳檢測。酰胺凝膠上電泳檢測。 高度重復序列兩側(cè)高度重復序列兩側(cè)DNA的序列分析；的序列分析； 特異引物的合成；特異引物的合成； PCR反應；反應； 編輯ppt41 TTCAGCTAGCTCAGCAGCAGCAGCAGCAGAGCTTGC AAGTCGATCGAGTCGTCGTCGTCGTCGTCTCGAACG 編輯ppt42 A B C PCR A B C SSR多態(tài)性分析示意圖多

31、態(tài)性分析示意圖 ABC分別代表不同的基因型分別代表不同的基因型 編輯ppt43 引物 1 Alu (CA)n Alu Alu (GT)n Alu 引物 2 顯性表型 (P) A F 和 H 總是一道遺傳鏈鎖？ B A 和 B 總是分開遺傳是等位基因？ C D A 和 D 有 50是重組的不連鎖？ E F，H 和 E 之間 F 和 H 緊密連鎖， F F 和 E 不連鎖(不在一條染色體上) G H P 等位基因可能和 I 及 C 連鎖。 I 圖 10 在作圖中用 DNA 指紋作為標記 編輯ppt44 SSR引物在大豆中的擴增引物在大豆中的擴增 編輯ppt45 b) 中度重復序列中度重復序列 (

32、middle repetitive sequence middle repetitive sequence ) 0.1-1 kb / copy 10-104 copies / genome 在基因調(diào)控中起重要作用，包括開啟或 關(guān)閉基因的活性，促進或終止轉(zhuǎn)錄等 rDNA tDNA Alu family Histone gene family 編輯ppt46 基因家族基因家族(gene family)：真核生物基因組中來源相：真核生物基因組中來源相 同、結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的一組基因。同、結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的一組基因。如血紅蛋白如血紅蛋白 基因家族、組蛋白基因家族?；蚣易濉⒔M蛋白基因家族。 分為成

33、簇存在的基因分為成簇存在的基因 家族或基因簇以及散布的基因家族家族或基因簇以及散布的基因家族 基因簇基因簇(gene cluster)：真核生物中同一條：真核生物中同一條DNA分子分子 上排列的高度重復的基因。上排列的高度重復的基因。 基因家族的各個成員緊密成簇排列成大段的串聯(lián)基因家族的各個成員緊密成簇排列成大段的串聯(lián) 重復單位，定位于染色體的特殊區(qū)域。重復單位，定位于染色體的特殊區(qū)域。是一個串聯(lián)重是一個串聯(lián)重 復，可同向也可反向，可有間隔區(qū)也可無間隔區(qū)。復，可同向也可反向，可有間隔區(qū)也可無間隔區(qū)。 編輯ppt47 基因家族分類：基因家族分類： n簡單多基因家族：簡單多基因家族：5S rRNA

34、5S rRNA基因家族基因家族 n復雜多基因家族：各個成員并不都是相同的復雜多基因家族：各個成員并不都是相同的 如如 tRNAtRNA、rRNArRNA基因家族、組蛋白基因家族基因家族、組蛋白基因家族 n由發(fā)育階段控制的多基因家族：人類珠蛋白的基因家族由發(fā)育階段控制的多基因家族：人類珠蛋白的基因家族 組蛋白基因、組蛋白基因、rRNA 基因和基因和 tRNA往往以往往以 串聯(lián)重復基因簇的形式出現(xiàn)串聯(lián)重復基因簇的形式出現(xiàn) 串聯(lián)重復基因簇的特點：串聯(lián)重復基因簇的特點： 各成員之間有高度的序列一致性各成員之間有高度的序列一致性 拷貝數(shù)高拷貝數(shù)高 幾十幾十 幾百幾百 非轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū)短而一致非轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū)

35、短而一致 正好滿足組蛋白基因、正好滿足組蛋白基因、rRNA 基因和基因和 tRNA的的 基因產(chǎn)物被細胞大量需要基因產(chǎn)物被細胞大量需要 編輯ppt48 重復單位間由中度重復序列隔開重復單位間由中度重復序列隔開 5S rRNA基因成簇排列基因成簇排列 10 102 2 10103 3、10104 4拷貝拷貝 簡單多基因家族 編輯ppt49 rDNA gene familyrDNA gene family Sea urchia450copies Tobacco750 copies Drosophila100 copies 28s 5.8s T 18s T 5.8s T 28s NT 18s T 5.

36、8s T 一個重復單位內(nèi)的轉(zhuǎn)錄 間隔區(qū)（內(nèi)含子） 重復單位間不 轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū) 復雜多基因家族 編輯ppt50 tRNA基因基因 tRNA約長約長 70 80 bp，其基因約長，其基因約長140 bp (內(nèi)含子內(nèi)含子) 串聯(lián)重復排列，但各重復單位內(nèi)的各串聯(lián)重復排列，但各重復單位內(nèi)的各tRNA基因可以不同基因可以不同 Histone gene familyHistone gene family H1H4H2BH3H2A 不轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū) 一個重復單位一個重復單位( (基因簇基因簇 gene cluster)gene cluster)的組織情況的組織情況 編輯ppt51 真核生物的真核生物的 Alu

37、family（哺乳動物和人類基因組中存在） 500,000 copies 廣泛分布于非重復序列間廣泛分布于非重復序列間 300bp300bp 300bp/copy 6000bp 6000bp6000bp6000bp DRDR IRIR AGCT Alu site A copy of Alu family 復雜多基因家族 編輯ppt52 Alu序列是以序列是以7SL RNA基因（編碼基因（編碼SRP, signal- recognition particle）的啟動子啟動轉(zhuǎn)錄，以）的啟動子啟動轉(zhuǎn)錄，以 RNA為中間體，以為中間體，以3-末端回折形成引物，反轉(zhuǎn)錄成末端回折形成引物，反轉(zhuǎn)錄成 cDN

38、A，按反轉(zhuǎn)座機制插入到基因組的另一位點上，按反轉(zhuǎn)座機制插入到基因組的另一位點上， 形成重復的新拷貝。形成重復的新拷貝。 Alu外顯子的發(fā)現(xiàn)，表明外顯子的發(fā)現(xiàn)，表明Alu成員在不危及基因組完成員在不危及基因組完 整的前提下，具有增強基因組編碼容量，產(chǎn)生新基整的前提下，具有增強基因組編碼容量，產(chǎn)生新基 因以及調(diào)控多能性的進化潛力因以及調(diào)控多能性的進化潛力。 編輯ppt53 由發(fā)育階段控制的多基因家族 人類珠蛋白基因家族典型的人類珠蛋白基因家族典型的 血紅蛋白血紅蛋白 珠蛋白珠蛋白 血紅素血紅素 2 2 2 2 不同的亞基由各自的基因編碼不同的亞基由各自的基因編碼 編輯ppt54 發(fā)育過程中的珠蛋白

39、（血紅蛋白）的亞基組成發(fā)育過程中的珠蛋白（血紅蛋白）的亞基組成 兩種亞基的編碼基因分別形成兩個不同的基因簇兩種亞基的編碼基因分別形成兩個不同的基因簇, ,并存在于并存在于 不同的染色體上不同的染色體上 每個基因簇中的基因按其在發(fā)育過程中的表達次序從每個基因簇中的基因按其在發(fā)育過程中的表達次序從5 533 排列在編碼鏈上排列在編碼鏈上( (其中包括有功能的基因和假基因其中包括有功能的基因和假基因) ) 2 2 2 2 2% 97% 1%2% 97% 1% 類類 - -亞基亞基 類類 - -亞基亞基 編輯ppt55 位于第位于第11 號染色體號染色體 位于第位于第16 號染色體號染色體 假基因 含

40、有含有5個功能基因和個功能基因和1個假基因個假基因 含有含有3個功能基因和個功能基因和3個假基因個假基因 編輯ppt56 在中度重復的基因家族內(nèi)由于突變的發(fā)生，導在中度重復的基因家族內(nèi)由于突變的發(fā)生，導 致不同的成員之間有序列相同和序列相似兩大致不同的成員之間有序列相同和序列相似兩大 類，相似成員間類，相似成員間DNA分子的復性速度較相同成分子的復性速度較相同成 員間的偏慢。員間的偏慢。 中度重復基因的中度重復基因的共同特點共同特點：基因拷貝數(shù)多，各：基因拷貝數(shù)多，各 重復成員之間的序列相同或相似，排列成束狀重復成員之間的序列相同或相似，排列成束狀 串聯(lián)，功能相同，具有進化的整體性，在整個串聯(lián)

41、，功能相同，具有進化的整體性，在整個 基因家族中可以積累突變?；蚣易逯锌梢苑e累突變。 編輯ppt57 c) 單拷貝序列單拷貝序列 (single copy sequence, 1-3 copies) 多為結(jié)構(gòu)基因多為結(jié)構(gòu)基因 (structural gene): 可編碼RNA或蛋白質(zhì)的一段DNA序列 低等真核生物低等真核生物 10-20% 高等植物高等植物 80% 高等動物高等動物 50% repetitive sequence 編輯ppt58 3.4.4 斷裂基因（斷裂基因（splitting gene） Chamobon (France)Chamobon (France) 1977 ov

42、albumin of chicken ovalbumin of chicken（雞卵清蛋白）（雞卵清蛋白） 雞的輸卵管輸卵管分泌卵清蛋白、卵粘蛋白和伴清蛋白，而其紅細紅細 胞胞只合成血紅蛋白，那么兩種組織兩種組織之間DNA有什么不同呢？ 于是他們提取兩種組織的DNA，分別用EcoRI和HindIII切成 幾段，電泳，再用卵清蛋白mRNA制備cDNA探針和以上片 段進行southern雜交，結(jié)果兩種組織中的DNA不論用哪一種 酶來切，都出現(xiàn)了相同的3陽性雜交帶。但cDNA序列內(nèi)并沒 有EcoRI和HindIII的切點，為什么會出現(xiàn)多條陽性帶？ 定義：由若干定義：由若干exon 和和intron

43、相間隔排列組成的基因相間隔排列組成的基因 或基因的編碼序列在或基因的編碼序列在DNA分子上是不連續(xù)的，被不分子上是不連續(xù)的，被不 編碼的序列所隔開編碼的序列所隔開 編輯ppt59 1977年Roberts 和和Sharp 分別用腺病毒的不同組織發(fā)現(xiàn)了斷 裂基因。當用RNA與其模板DNA分子雜交時，RNA鏈取代DNA 雙鏈中對應的鏈，形成R-突環(huán)(R-loop)。用電鏡觀察突環(huán)結(jié)構(gòu)發(fā) 現(xiàn)mRNA的5端和其它部分分別與不同的DNA限制片段形成雜 交。Sharp 等也觀察到類似結(jié)果。這說明腺病毒mRNA 5端前 導序列和其余序列分別由基因組的不同部位轉(zhuǎn)錄而來。1993年 同時獲得Nobel獎 斷裂基

44、因斷裂基因 的發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn) 編輯ppt60 R-環(huán)（環(huán)（R-loop）：mRNA與編碼單鏈與編碼單鏈DNA雜交時，不互補的雜交時，不互補的 intron部分形成的環(huán)部分形成的環(huán) 編輯ppt61 OvalbuminOvalbumin DNA X cDNADNA X cDNA Electro-microscope 7 introns 8 exons 編輯ppt62 1978 Gilbert 真核生物基因的新概念真核生物基因的新概念 Exon (外顯子外顯子) DNA 與成熟與成熟RNA間的對應區(qū)域間的對應區(qū)域 氨基酸的編碼區(qū)（氨基酸的編碼區(qū)（amino acid coding region） 非間隔

45、區(qū)（非間隔區(qū)（unspacer） is any segment of an interrupted gene that is represented in the mature RNA product 原初轉(zhuǎn)錄物中通過原初轉(zhuǎn)錄物中通過RNA剪接反應而保留于成熟剪接反應而保留于成熟RNA中的中的 序列或基因中與成熟序列或基因中與成熟RNA序列相對應的序列相對應的DNA序列序列 編輯ppt63 Intron (內(nèi)含子內(nèi)含子) is a segment of DNA that is transcribed, but removed from within the transcript by spli

46、cing together the sequences (exons) on either side of it. DNA 與成熟與成熟RNA間的非對應區(qū)域間的非對應區(qū)域 氨基酸的非編碼區(qū)（氨基酸的非編碼區(qū)（uncoding region） 間隔區(qū)（間隔區(qū)（spacer） 原初轉(zhuǎn)錄物中通過原初轉(zhuǎn)錄物中通過RNARNA剪接反應而被去除的剪接反應而被去除的RNARNA序列序列或或 基因中與這種基因中與這種RNARNA序列相對應的序列相對應的DNADNA序列序列 編輯ppt64 Precursor mRNA (pre-mRNA) Heterogeneous nuclear RNA (HnRNA) 真

47、核生物基因的轉(zhuǎn)錄物又稱為真核生物基因的轉(zhuǎn)錄物又稱為 所以真核生物基因又稱為：所以真核生物基因又稱為： Splitting gene Interrupted gene 斷裂基因，間隔基因斷裂基因，間隔基因 前體前體mRNA, 核內(nèi)不均一核內(nèi)不均一 RNA 由于真核生物的絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)基因都含有內(nèi)含子由于真核生物的絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)基因都含有內(nèi)含子 編輯ppt65 割裂基因割裂基因 前體前體mRNA Introns 去除去除 Exons 連接連接 編輯ppt66 Splitting Gene l Splitting Gene 的普遍性的普遍性 a) in Eukaryotesa) in Eukaryote

48、s most of structural gene most of structural gene tDNA, rDNA tDNA, rDNA mtDNA, cpDNA mtDNA, cpDNA 編輯ppt67 tDNA Pre-tRNA Mature tRNA tDNA also is interrupted gene 編輯ppt68 b) in Prokaryotesb) in Prokaryotes Splitting gene is not Hall Mark of Eukaryotic genes Splitting gene is not Hall Mark of Eukaryot

49、ic genes a few structural gene are splitting a few structural gene are splitting SV40 T antigen gene SV40 T antigen gene t antigen gene t antigen gene 1984 Dr. Chu 1984 Dr. Chu T4 phage T4 phage 胸腺嘧啶合成酶胸腺嘧啶合成酶 genegene 1017 dNt intron 1017 dNt intron 編輯ppt69 l Splitting geneSplitting gene 概念的相對性概念的相

50、對性 c) 并非真核生物所有的結(jié)構(gòu)基因均為并非真核生物所有的結(jié)構(gòu)基因均為splitting genesplitting gene 不是不是splitting gene b) ExonExon 并非并非“表里如一表里如一” a) IntronIntron 并非并非“含而不露含而不露” 1980年年Church等人發(fā)現(xiàn)等人發(fā)現(xiàn) Yeast線粒體 細胞色素b gene的Intron II 編碼 mRNA maturase 人類尿激酶基因人類尿激酶基因 Exon I Exon I （8888個核苷酸）個核苷酸）不編碼氨基酸序列不編碼氨基酸序列 tDNA和和rDNA外顯子不編碼外顯子不編碼 Histon

51、e gene family （組蛋白） Interferon gene （干擾素） Yeast 中多數(shù)基因（中多數(shù)基因（ADH抗利 尿激素） (果蠅果蠅 ADH 乙醇脫氫酶基因為間隔基因基因為間隔基因) 編輯ppt70 Splitting gene 存在的生物學意義存在的生物學意義 a) 有利于遺傳的相對穩(wěn)定有利于遺傳的相對穩(wěn)定 mutation frequency 即使錯誤剪接留下的即使錯誤剪接留下的intron部分部分 被被mRNA監(jiān)測系統(tǒng)降解，避免病變和死亡監(jiān)測系統(tǒng)降解，避免病變和死亡 in intron in exon （剪除）（剪除） （密碼）（密碼） 編輯ppt71 b) 增加變異

52、機率，增加變異機率， 有利于生物的進化有利于生物的進化 不對稱交換形成不對稱交換形成 splitting gene 是生物體產(chǎn)生變異導致進化的重要途徑之一是生物體產(chǎn)生變異導致進化的重要途徑之一 splitting gene （含有（含有intron ） 增加了基因的長度增加了基因的長度 增加了基因內(nèi)的重組交換幾率增加了基因內(nèi)的重組交換幾率 有利于形成變異和生物多樣性有利于形成變異和生物多樣性 編輯ppt72 對對 intron intron 不同方式的剪接，形成不同的基因產(chǎn)物不同方式的剪接，形成不同的基因產(chǎn)物 （5% isoform protein in mammalian） c) 擴大生物體

53、的遺傳信息儲量擴大生物體的遺傳信息儲量 鼠的兩個胰島素 基因 珠蛋白（人或動物） 豆血紅蛋白（植物） 亞鐵血紅素結(jié)合蛋白質(zhì) Heme-binding protein 亞鐵血紅素結(jié)合功能域 植物豆血紅蛋白基因有一個額外的內(nèi)含子，尚不清楚是由植物豆血紅蛋白基因有一個額外的內(nèi)含子，尚不清楚是由 一個額外的內(nèi)含子插入到植物的相應基因中，還是從其它一個額外的內(nèi)含子插入到植物的相應基因中，還是從其它 的進化路線中丟失此內(nèi)含子的進化路線中丟失此內(nèi)含子 編輯ppt73 One genes Intron is another genes Exon (Nature 1981. 289 p439) t Vp1 Vp

54、2 Vp3 SV40 5000bp T 通過改變讀碼框架，利用通過改變讀碼框架，利用 intron intron 編碼基因編碼基因 （SV40 T antigen, t antigen） 編輯ppt74 酵母的細胞色素酵母的細胞色素b基因含有基因含有6個外顯子和個外顯子和5個內(nèi)含子，轉(zhuǎn)個內(nèi)含子，轉(zhuǎn) 錄成錄成mRNA后首先切除了內(nèi)含子后首先切除了內(nèi)含子1，形成未成熟的，形成未成熟的 mRNA。核糖體結(jié)合這種。核糖體結(jié)合這種mRNA，利用外顯子利用外顯子1，2和和 內(nèi)含子內(nèi)含子2的部分序列為模板，翻譯一種蛋白，成熟酶的部分序列為模板，翻譯一種蛋白，成熟酶 (maturase)，此酶回過頭來又可將未

55、成熟的，此酶回過頭來又可將未成熟的mRNA中中 的內(nèi)含子的內(nèi)含子2切除掉，產(chǎn)生成熟的切除掉，產(chǎn)生成熟的mRNA，最終以此，最終以此 mRNA為模板翻譯成細胞色素為模板翻譯成細胞色素b。當成熟酶過量時當成熟酶過量時，成，成 熟酶會提前將內(nèi)含子熟酶會提前將內(nèi)含子2剪掉，以減少成熟酶的合成，但剪掉，以減少成熟酶的合成，但 當成熟酶不足時當成熟酶不足時，又利用內(nèi)含子合成成熟酶，從而對成，又利用內(nèi)含子合成成熟酶，從而對成 熟酶進行調(diào)控熟酶進行調(diào)控。 利用內(nèi)含子進行代謝調(diào)節(jié)利用內(nèi)含子進行代謝調(diào)節(jié) d) 實例實例 編輯ppt75 Maturase synthesis auto-control by Cyt.

56、 b intron II in yeast maturase 過剩過剩 （利用（利用intron II） 編碼成熟酶編碼成熟酶 maturase 減少減少 提前剪切提前剪切 intron II 編輯ppt76 3.4.5 跳躍基因轉(zhuǎn)座因子轉(zhuǎn)座子跳躍基因轉(zhuǎn)座因子轉(zhuǎn)座子 （Jumping gene/Transposable element/TransposonJumping gene/Transposable element/Transposon） 1914 A. Emerson Cornell universityA. Emerson Cornell university 玉米果皮花斑突變玉米果

57、皮花斑突變 pV V pv v 1936 Marcus . M. Rhoabes Indiana UniversityMarcus . M. Rhoabes Indiana University 玉米糊粉層斑點（玉米糊粉層斑點（Dotted Dt）突變）突變 3.4.5.1. 基因轉(zhuǎn)座現(xiàn)象的最初發(fā)現(xiàn)基因轉(zhuǎn)座現(xiàn)象的最初發(fā)現(xiàn) A a Dt Dt a A 定義：是染色體上一段可以移動的定義：是染色體上一段可以移動的DNA序列序列, 可以可以 從一個基因座位轉(zhuǎn)移到另一個基因座位從一個基因座位轉(zhuǎn)移到另一個基因座位 編輯ppt77 1947 Barbara McClintock1947 Barbara M

58、cClintock 玉米糊粉層花斑不穩(wěn)定現(xiàn)象伴隨的遺傳事件玉米糊粉層花斑不穩(wěn)定現(xiàn)象伴隨的遺傳事件 a) 系列染色體遺傳重組事件系列染色體遺傳重組事件 b) 在在 AcAc (Activater) (Activater) 因子存在時因子存在時 CI ci spots in aleurone layer（糊粉層） 染色體染色體 BFBC ( Breakage Fusion Bridge Cycle ) site namedsite named Ds Ds ( Dissociator) ( Dissociator) Chro.9 糊粉層色素形成抑制基因CI 表現(xiàn)無色 編輯ppt78 Barbara

59、McClintock 1983 Nobel Prize 編輯ppt79 McClintock B,1942, Proc Natl Acad Sci USA 28:458463 McClintock B,1946,Carnegie Inst Washington Year Book 45:176-186 McClintock B,1950, The origin and behavior of mutable loci in maize. Proc Natl Acad Sci USA, 36:244349 McClintock B,1984, Science 226:792-801 Histor

60、y of Transposable Element Study 編輯ppt80 transposable element 是引起玉米糊粉層花是引起玉米糊粉層花 斑不穩(wěn)定現(xiàn)象的遺傳因子斑不穩(wěn)定現(xiàn)象的遺傳因子 Sh Bz Wx Ac ci Bz Wx Ac chr.9 CI Sh Bz Wx large colored sectors Ds Ds CI CI ci Shsh 糯飽滿顏色 Bronze 是種子糊粉層中的花青素生物合成酶基因 古銅色 編輯ppt81 玉米糊粉層色斑不穩(wěn)定遺玉米糊粉層色斑不穩(wěn)定遺 傳是由可轉(zhuǎn)座因子傳是由可轉(zhuǎn)座因子Ac-Ds 引起引起 -1947 J .Watson (2)