分子生物學課件2Ch2 Genomic DNA, Genes

1、Ch2. Genomic DNA, Genes基因基因gene具有遺傳功能的具有遺傳功能的DNA片段。片段?；蚪M基因組genome細胞內所攜帶的全部遺細胞內所攜帶的全部遺傳信息傳信息DNA的總和；對多倍體生物指單倍體的總和；對多倍體生物指單倍體DNA的總和。的總和。 編碼蛋白的結構基因編碼蛋白的結構基因 基因組基因組DNA 復制轉錄的調控序列復制轉錄的調控序列 功能尚不清楚的區(qū)域功能尚不清楚的區(qū)域virusesplasmidsbacteriafungiplantsalgaeinsectsmollusksreptilesbirdsmammalsGenome sizes in nucleotid

2、e pairs (base-pairs)10410810510610710111010109The size of the humangenome is 3 X 109 bp;almost all of its complexityis in single-copy DNA.The human genome is thoughtto contain 30,000 to 40,000 genes.bony fishamphibians 病毒基因組病毒基因組核基因組核基因組 原核生物基因組原核生物基因組 真核生物基因組真核生物基因組 線粒體線粒體DNA核外遺傳物質核外遺傳物質 葉粒體葉粒體DNA

3、質粒質粒DNA非獨立的基因組：非獨立的基因組： 轉位因子轉位因子能在基因組能在基因組DNA中移動的中移動的DNA序列，不能獨立存在，需插入核或核序列，不能獨立存在，需插入核或核外外DNA中。中。2.12.1病毒基因組的結構病毒基因組的結構 外殼蛋白：識別、侵襲特定的宿主細外殼蛋白：識別、侵襲特定的宿主細 胞，并保護基因組不被胞，并保護基因組不被 核酸酶破壞；核酸酶破壞； DNADNA（RNARNA）：編碼結構蛋白和少量）：編碼結構蛋白和少量調調 調控蛋白。調控蛋白。 不能獨立復制，必需進入宿主細胞，借不能獨立復制，必需進入宿主細胞，借助細胞內一些酶類和細胞器才能得以復制。助細胞內一些酶類和細胞

4、器才能得以復制。病毒基因組的結構：病毒基因組的結構： 1.基因組較小，大小差異較大；基因組較小，大小差異較大； 乙肝病毒乙肝病毒DNA 3kb，編碼，編碼4種蛋白質種蛋白質 痘病毒痘病毒DNA 300kb，編碼幾百種蛋白，編碼幾百種蛋白 基因組越小，編碼蛋白越少，對寄主依基因組越小，編碼蛋白越少，對寄主依賴性越大。賴性越大。 2.化學組成多樣；化學組成多樣； DNA病毒、病毒、RNA病毒病毒 單鏈、雙鏈單鏈、雙鏈 線狀、環(huán)狀線狀、環(huán)狀單鏈環(huán)狀單鏈環(huán)狀DNA，基，基因組共因組共5386個核苷個核苷酸，共編碼酸，共編碼11個蛋個蛋白質，構成白質，構成3個轉錄個轉錄單元，編碼序列共單元，編碼序列共6

5、078個核苷酸。個核苷酸。其中非編碼序列只其中非編碼序列只有有217/5386，不足，不足5%。3.基因重疊現(xiàn)象基因重疊現(xiàn)象 定義：核苷酸序列彼此重疊的定義：核苷酸序列彼此重疊的2個基因為重個基因為重疊基因疊基因overlapping genes，或稱嵌套基因，或稱嵌套基因nested genes。 類型：類型： 一個基因的核苷酸序列完全包含在另一個一個基因的核苷酸序列完全包含在另一個 基因中；基因中； 兩個基因的核苷酸序列部分重疊；兩個基因的核苷酸序列部分重疊； 兩個基因的核苷酸序列的末端密碼子相互兩個基因的核苷酸序列的末端密碼子相互 重疊。重疊。 實質：兩個基因雖共用一段核苷酸序列，實質：

6、兩個基因雖共用一段核苷酸序列，但其讀碼結構互不相同，編碼不同的蛋白但其讀碼結構互不相同，編碼不同的蛋白質。質。 意義：使意義：使DNA的利用率提高，是基因表的利用率提高，是基因表達調控的方式之一。達調控的方式之一。 目前，在少數(shù)原核生物（大腸桿菌、目前，在少數(shù)原核生物（大腸桿菌、病毒）中發(fā)現(xiàn)，在少數(shù)真核生物中也發(fā)現(xiàn)病毒）中發(fā)現(xiàn)，在少數(shù)真核生物中也發(fā)現(xiàn)了類似的基因重疊現(xiàn)象（果蠅）。了類似的基因重疊現(xiàn)象（果蠅）。 4.大部分大部分DNA序列用于編碼，只有很少序列序列用于編碼，只有很少序列不編碼（非編碼序列較少）；不編碼（非編碼序列較少）； 5. 基因組中功能基因叢集成一個或幾個特基因組中功能基因叢

7、集成一個或幾個特定區(qū)域，構成多順反子結構；定區(qū)域，構成多順反子結構； 6. 除反轉錄病毒外，病毒基因組只有一個除反轉錄病毒外，病毒基因組只有一個拷貝；拷貝； 7.有的病毒基因組中具有宿主細胞基因組的有的病毒基因組中具有宿主細胞基因組的結構特點；結構特點； 2.2 原核生物基因組原核生物基因組 細菌基因組的結構特點：細菌基因組的結構特點： 1. 擬核（類核）結構；擬核（類核）結構； 2. 存在存在多順反子結構多順反子結構； 3. 除除RNA基因外，基本是單拷貝的；基因外，基本是單拷貝的； 利于核糖體的快速組裝，短時間內合成利于核糖體的快速組裝，短時間內合成 大量核糖體。大量核糖體。 4. 非編碼

8、序列相對較少；非編碼序列相對較少； 5. 存在不同的功能識別區(qū)存在不同的功能識別區(qū) 復制起始區(qū)、復制終止區(qū)等復制起始區(qū)、復制終止區(qū)等大腸桿菌的類核結構大腸桿菌的類核結構核中央由支架蛋核中央由支架蛋白和白和RNA組成，組成，環(huán)狀雙鏈環(huán)狀雙鏈DNA繞繞在支架蛋白的外在支架蛋白的外圍，只有一個復圍，只有一個復制起點，制起點，DNA與與細胞膜粘在一起細胞膜粘在一起DNA上有結合蛋上有結合蛋白。白。 大腸桿菌基因組結構：大腸桿菌基因組結構： 1. 基因組基因組DNA在在4000kb，估計有，估計有3500個基因，已個基因，已確定的基因有確定的基因有900個，已確定有個，已確定有260個基因具有操個基因具

9、有操縱子結構（縱子結構（75個操縱子中），每個基因平均長度個操縱子中），每個基因平均長度1000bp； 2. 已確定的基因中，多數(shù)是與代謝有關的酶、核已確定的基因中，多數(shù)是與代謝有關的酶、核糖體蛋白；糖體蛋白； 3. 大多數(shù)基因是隨機分布的，兩條單鏈作為模板大多數(shù)基因是隨機分布的，兩條單鏈作為模板的概率基本相等；的概率基本相等； 4. 多數(shù)基因都是單拷貝。多數(shù)基因都是單拷貝。2.3真核生物核基因組的特點真核生物核基因組的特點 1.基因組較大，基因組較大，l低等真核生物：低等真核生物：107-108 bp,較原核生物大較原核生物大10倍；倍；l高等真核生物：高等真核生物：5X108-1010 b

10、p，某些植物和兩棲生物某些植物和兩棲生物可達可達1011 bp；l哺乳類生物大于哺乳類生物大于2X109它們可編碼它們可編碼100萬個基因。萬個基因。2.真核生物核真核生物核DNA與蛋白質結合，形成核小體，與蛋白質結合，形成核小體，再纏繞成染色質（染色體）；再纏繞成染色質（染色體）；Nucleosome structureNucleosome core (left) 146 bp DNA; 1 3/4 turns of DNA DNA is negatively supercoiled two each: H2A, H2B, H3, H4 (histone octomer)Nucleosome

11、 (right) 200 bp DNA; 2 turns of DNA plus spacer also includes H1 histoneNucleofilament structure3. 基因組一般為雙倍體（基因組一般為雙倍體（diploid）;4. 基因為單順反子。一個基因單獨轉錄，一個基基因為單順反子。一個基因單獨轉錄，一個基 因因 一條一條mRNA, 翻譯成一條多肽鏈；翻譯成一條多肽鏈；5. 存在大量重復序列，重復次數(shù)可高達百萬倍；存在大量重復序列，重復次數(shù)可高達百萬倍；6. 基因組中非編碼序列多余編碼序列，有大量的基因組中非編碼序列多余編碼序列，有大量的 冗余冗余DNA；7.

12、 大部分基因有內含子，因此基因不連續(xù)；大部分基因有內含子，因此基因不連續(xù)；8. 具有多個復制起點，而每個復制子的長度較小。具有多個復制起點，而每個復制子的長度較小。 真核生物基因組的特點：真核生物基因組的特點： 重復性、基因家族、不連續(xù)性。重復性、基因家族、不連續(xù)性。 Properties of the human genomeNuclear the haploid human genome has 3 X 109 bp of DNA single-copy DNA comprises 75% of the human genome the human genome contains 30,0

13、00 to 40,000 genes most genes are single-copy in the haploid genome genes are composed of from 1 to 75 exons genes vary in length from 2,300,000 bp Alu sequences are present throughout the genomeMitochondrial circular genome of 17,000 bp contains 40 genes 1. The genomic landscape shows marked variat

14、ion in the distribution of a number of features, including genes, transposable elements, GC content, CpG islands and recombination rate. This gives us important clues about function. For example, the developmentally important HOX gene clusters are the most repeat-poor regions of the human genome, pr

15、obably reflecting the very complex coordinate regulation of the genes in the clusters. 2.There appear to be about 30,00040,000 protein-coding genes in the human genome. only about twice as many as in worm or fly. However, the genes are more complex, with more alternative splicing generating a larger

16、 number of protein products.3.The full set of proteins (the proteome) encoded by the human genome is more complex than those of invertebrates. This is due in part to the presence of vertebrate-specific protein domains and motifs (an estimated 7% of the total), but more to the fact that vertebrates a

17、ppear to have arranged pre-existing components into a richer collection of domain architectures. 4. Hundreds of human genes appear likely to have resulted from horizontal transfer from bacteria at some point in the vertebrate lineage. Dozens of genes appear to have been derived from transposable ele

18、ments. 5.Although about half of the human genome derives from transposable elements, there has been a marked decline in the overall activity of such elements in the hominid lineage. DNA transposons appear to have become completely inactive and long-terminal repeat (LTR) retroposons may also have don

19、e so. 6.The pericentromeric and subtelomeric regions of chromosomes are fillled with large recent segmental duplications of sequence from elsewhere in the genome. Segmental duplication is much more frequent in humans than in yeast, fly or worm.7.Analysis of the organization of Alu elements explains

20、the longstanding mystery of their surprising genomic distribution, and suggests that there may be strong selection in favour of preferential retention of Alu elements in GC-rich regions and that these selfish elements may benefit their human hosts.8.The mutation rate is about twice as high in male a

21、s in female meiosis, showing that most mutation occurs in males. 9.Cytogenetic analysis of the sequenced clones confirms suggestions that large GC-poor regions are strongly correlated with dark G-bands in karyotypes. 10.Recombination rates tend to be much higher in distal regions (around 20 megabase

22、s (Mb) of chromosomes and on shorter chromosome arms in general, in a pattern that promotes the occurrence of at least one crossover per chromosome arm in each meiosis. 11.More than 1.4 million single nucleotide polymorphisms (SNPs) in the human genome have been identified. This collection should al

23、low the initiation of genome-wide linkage disequilibrium mapping of the genes in the human population. Type of DNA % of Genome Features Single-copy (unique)75% Includes most genes 1Repetitive Interspersed15% Interspersed throughout genome between and within genes; includes Alu sequences 2 and VNTRs

24、or mini (micro) satellites Satellite (tandem)10% Highly repeated, low complexity sequences usually located in centromeres and telomeres 2 Alu sequences are about 300 bp in length and are repeated about 300,000 times in the genome. They can be found adjacent to or within genes in introns or nontransl

25、ated regions.1 Some genes are repeated a few times to thousands-fold and thus would be in the repetitive DNA fraction501000I I I I I I I I Ifast 10%intermediate 15%slow (single-copy) 75%Classes of repetitive DNAInterspersed (dispersed) repeats (e.g., Alu sequences)TTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTandem repe

26、ats (e.g., microsatellites)GCTGAGGGCTGAGGGCTGAGG基因組結構與進化的關系：基因組結構與進化的關系： 1.基因組的物質組成從多樣基因組的物質組成從多樣 單一；單一； DNA、RNA分工明確分工明確 單鏈、雙鏈，線狀、環(huán)狀單鏈、雙鏈，線狀、環(huán)狀 雙鏈線狀雙鏈線狀 2. 基因組由小基因組由小 大；大； 3. DNA的利用率越來越低；（多拷貝、非編碼的利用率越來越低；（多拷貝、非編碼 區(qū)、基因不連續(xù)）區(qū)、基因不連續(xù)） 4. 調控序列增多，調控方式更復雜。調控序列增多，調控方式更復雜。 重復性（重復序列）重復性（重復序列） DNA的復雜性的復雜性 Cot1/

27、2=1/ k 基因的重復次數(shù)基因的重復次數(shù)=實際長度實際長度 / DNA復雜度復雜度 據(jù)基因組重復次數(shù)高低：據(jù)基因組重復次數(shù)高低： 單拷貝序列單拷貝序列重復序列重復序列 輕度重復序列輕度重復序列 2 101 中度重復序列中度重復序列 10 103 高度重復序列高度重復序列 103 106 1. 單拷貝序列：單拷貝序列： 只有一個拷貝，只有一個拷貝，占基因組的占基因組的40-70%. 主要是功主要是功能基因。能基因。 2. 輕度重復輕度重復 基因組中有基因組中有2-10個拷貝個拷貝, 主要是組蛋主要是組蛋白和白和tRNA基因基因. 幾個基因都有功能幾個基因都有功能, 編碼同一個蛋白質或編碼同一個

28、蛋白質或tRNA;分兩種分兩種 幾個拷貝中有的有功能幾個拷貝中有的有功能,有的無功能（假基因）有的無功能（假基因） 假基因假基因結構與功能基因相同，但不表達。結構與功能基因相同，但不表達。 突變失活，啟動子缺陷突變失活，啟動子缺陷3.中度重復序列中度重復序列 拷貝數(shù)有幾十至幾千個拷貝數(shù)有幾十至幾千個，一般無一般無RNARNA轉錄產(chǎn)物轉錄產(chǎn)物（非編碼序列）（非編碼序列）,一般認為與基因的表達調控有一般認為與基因的表達調控有關關(包括轉錄調控序列包括轉錄調控序列，復制控制序列復制控制序列，轉錄后轉錄后的加工等的加工等). 這類序列的平均長度是這類序列的平均長度是300bp左右左右. 長周期分散的重

29、復序列長周期分散的重復序列 5000bp分兩種分兩種 短周期分散的重復序列短周期分散的重復序列 100 300bp 4. 高度重復序列高度重復序列 重復次數(shù)重復次數(shù) 103 106 ，序列較短，大部分集，序列較短，大部分集中在異染色質中（中心粒和端粒的附近）真中在異染色質中（中心粒和端粒的附近）真核生物中含核生物中含1020%。特點：特點：A、T含量高，序列簡單，不轉錄，含量高，序列簡單，不轉錄， 其功能尚不清楚。其功能尚不清楚。 衛(wèi)星衛(wèi)星DNA（satellite DNA） 含有異常的堿基，在密度梯度離心中形成一種含有異常的堿基，在密度梯度離心中形成一種區(qū)別于其它區(qū)別于其它DNA的衛(wèi)星條帶。

30、的衛(wèi)星條帶。 通常由數(shù)千個較長的串聯(lián)排列的相關序列構成。通常由數(shù)千個較長的串聯(lián)排列的相關序列構成。重復單位常存在序列變異，反映衛(wèi)星重復單位常存在序列變異，反映衛(wèi)星DNA可能在可能在經(jīng)過串聯(lián)重復后發(fā)生突變、重復和缺失而得以進經(jīng)過串聯(lián)重復后發(fā)生突變、重復和缺失而得以進化。在真核生物之間，化。在真核生物之間， satellite DNA 總量在總量在2%5%，甚至在親緣關系密切相關的兩個物種，甚至在親緣關系密切相關的兩個物種之間，之間， satellite DNA也會有懸殊的差別。也會有懸殊的差別。 應用：應用：1. 生物進化生物進化 2. DNA指紋圖譜（親子鑒定）指紋圖譜（親子鑒定） 3.RFL

31、P分析分析 檢測基因缺失、突變、檢測基因缺失、突變、 擴增擴增 微衛(wèi)星微衛(wèi)星DNA minisatellite DNA 高度多態(tài)性高度多態(tài)性短串聯(lián)重復短串聯(lián)重復:2-8個堿基的重復個堿基的重復,有的短串聯(lián)重有的短串聯(lián)重復具有個體差異復具有個體差異,即所謂的即所謂的STR(Short Tandem Repeat) 基因家族基因家族 gene family 1.概念概念 基因組中來源相同、結構相似、功能相關的基因組中來源相同、結構相似、功能相關的一組基因成為基因家族（一組基因成為基因家族（gene family）。一些基）。一些基因彼此靠近，成串地排列在一起，這種基因排列因彼此靠近，成串地排列在一

32、起，這種基因排列結構叫基因簇（結構叫基因簇（gene cluster）。在基因家族結構在基因家族結構中經(jīng)常會看到基因簇結構。中經(jīng)常會看到基因簇結構。 基因簇基因簇多順反子結構多順反子結構 分類：分類：l 串聯(lián)重復多基因家族串聯(lián)重復多基因家族 組蛋白、組蛋白、tRNA rRNAl 分散重復多基因家族分散重復多基因家族 Alu 家族家族l 不同組織、細胞類型、發(fā)育時期表達的多基因不同組織、細胞類型、發(fā)育時期表達的多基因 家族家族 同工酶（珠蛋白）同工酶（珠蛋白）真核生物中重要的基因家族真核生物中重要的基因家族 1. Alu基因家族基因家族 分散重復序列分散重復序列在單倍體人基因組中有在單倍體人基因

33、組中有5X105個拷貝，約占個拷貝，約占人基因組的人基因組的3-6%。每個重復單元的長度為。每個重復單元的長度為300bp,含一個含一個Alu酶切位點，因而得名。酶切酶切位點，因而得名。酶切后生成后生成130bp和和170bp兩個片段，每個兩個片段，每個Alu片片段兩側有段兩側有6-20bp的同向重復序列，存在于間的同向重復序列，存在于間隔區(qū)（隔區(qū)（space）和內含子中。）和內含子中。 功能：可能與基因轉錄、調控、加工有關。功能：可能與基因轉錄、調控、加工有關。ALU007 ALU007 GGCCGGGCGC GGTGGCTCAC GCCTGTAATC GGCCGGGCGC GGTGGCTC

34、AC GCCTGTAATC CCAGCACTTT GGGAGGCCGA GGCGGGCGGA CCAGCACTTT GGGAGGCCGA GGCGGGCGGA TCACCTGAGG TCAGGAGTTC GAGACCAGCC TCACCTGAGG TCAGGAGTTC GAGACCAGCC TGGCCAACAT GGTGAAACCC CGTCTCTACT TGGCCAACAT GGTGAAACCC CGTCTCTACT AAAAATACAA A AATTAGCCG GGCGTGGTGG AAAAATACAA A AATTAGCCG GGCGTGGTGG CGCGCGCCTG TAATCCCCG

35、CGCGCCTG TAATCCCAGCAGC T TACTCGGGAG ACTCGGGAG G CTGAGGCAG G AGAATCGCT TGAACCCGGG G CTGAGGCAG G AGAATCGCT TGAACCCGGG AGGCGGAGGT TGCAGTGAGC CGAGATCGCG AGGCGGAGGT TGCAGTGAGC CGAGATCGCG CCACTGCACT CCAGCCTGGG CGACAGAGCG CCACTGCACT CCAGCCTGGG CGACAGAGCG AGACTCCGTC TCAAAAAAAA AGACTCCGTC TCAAAAAAAA LDL rece

36、ptor geneAlu repeats present within intronsAlu repeats in exons444555666AluAluAluAluX46Aluunequalcrossing overone product has a deleted exon 5(the other product is not shown) 2. rRNA基因家族基因家族 串聯(lián)重復，有轉錄活性串聯(lián)重復，有轉錄活性 大多數(shù)真核生物大多數(shù)真核生物rRNA基因家族基因家族 集中分布集中分布在一條或幾條染色體上，以核仁區(qū)含量最高。在一條或幾條染色體上，以核仁區(qū)含量最高。 通常編碼區(qū)較為保守，內間

37、區(qū)具有種間特通常編碼區(qū)較為保守，內間區(qū)具有種間特異性，常被用作物種種類鑒定及進化分析。異性，常被用作物種種類鑒定及進化分析。 rRNA基因家族（基因家族（gene cluster） 5S rRNA 基因家族基因家族 在所有染色體上都有，分布頻率較高。在所有染色體上都有，分布頻率較高。 一般由一般由120bp組成每個重復單元由組成每個重復單元由5sRNA基因和和轉錄區(qū)前的非轉錄區(qū)組成，重復基因和和轉錄區(qū)前的非轉錄區(qū)組成，重復串聯(lián)形成基因簇。串聯(lián)形成基因簇。 非洲爪蟾卵母細胞的非洲爪蟾卵母細胞的5sRNA基因：富含基因：富含A-T的序列，由不同的的序列，由不同的15bp序列重復而成，序列重復而成，

38、 （CAAAGTTTGAGTTTT）這段序列的串）這段序列的串連數(shù)不同，非轉錄的間隔區(qū)的長度會有所連數(shù)不同，非轉錄的間隔區(qū)的長度會有所改變。改變。 真核生物真核生物tRNA基因家族基因家族 l tRNA基因長約基因長約70-90bp, 基因全長約基因全長約140bp；l基因之間串聯(lián)重復排列；基因之間串聯(lián)重復排列；l多個不同的多個不同的tRNA基因組成一個串聯(lián)重復，基因組成一個串聯(lián)重復，每個基因的方向不同，并單獨轉錄。每個基因的方向不同，并單獨轉錄。組蛋白基因家族組蛋白基因家族l 與細胞與細胞DNA復制有關復制有關 中度重復序列（幾十中度重復序列（幾十幾百幾百 個重復），不含內含子，無需轉錄后加

39、工，個重復），不含內含子，無需轉錄后加工，mRNA產(chǎn)物無產(chǎn)物無3polyA 基因家族基因家族l 與與DNA復制無關的組蛋白復制無關的組蛋白 l 組織特異性表達的組蛋白組織特異性表達的組蛋白 單拷貝單拷貝 Nucleosome structureNucleosome core (left) 146 bp DNA; 1 3/4 turns of DNA DNA is negatively supercoiled two each: H2A, H2B, H3, H4 (histone octomer)Nucleosome (right) 200 bp DNA; 2 turns of DNA plus

40、 spacer also includes H1 histone 特點：特點： 組蛋白基因組蛋白基因缺乏內含子缺乏內含子； 組蛋白基因家族是重復序列中組蛋白基因家族是重復序列中唯一已知唯一已知具有蛋白質編碼功能的基因具有蛋白質編碼功能的基因。珠蛋白基因家族珠蛋白基因家族 血紅蛋白分子是珠蛋白的四聚體血紅蛋白分子是珠蛋白的四聚體 2 2， 型亞型亞基基因在基基因在16號染色體上，號染色體上， 型亞基基因在型亞基基因在11號染色號染色體上，珠蛋白基因以基因家族的形式排列體上，珠蛋白基因以基因家族的形式排列。5. 基因的不連續(xù)性基因的不連續(xù)性真核基因的重要特征真核基因的重要特征l 發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn) 1977

41、年研究病毒年研究病毒mRNA 時發(fā)現(xiàn)，時發(fā)現(xiàn)，隨后在隨后在 珠蛋白基因、卵清蛋白基因中證珠蛋白基因、卵清蛋白基因中證實了斷裂基因的存在。實了斷裂基因的存在。l 證據(jù)證據(jù) 1.R環(huán)結構環(huán)結構 2.限制性內切酶分析限制性內切酶分析(exon-intron-exon)n structure of various genes -globinHGPRT(HPRT)total = 1,660 bp; exons = 990 bphistonefactor VIIItotal = 400 bp; exon = 400 bptotal = 42,830 bp; exons = 1263 bptotal = 1

42、86,000 bp; exons = 9,000 bp雞的卵清蛋白基因用雞的卵清蛋白基因用EcoR和和Hind兩種酶切，兩種酶切，可得到可得到3或或4個片段，把該基因的個片段，把該基因的mRNA逆轉錄產(chǎn)逆轉錄產(chǎn)物物cDNA（雙鏈）用以上兩種酶切，發(fā)現(xiàn)（雙鏈）用以上兩種酶切，發(fā)現(xiàn)cDNA不不能被這兩種酶切。能被這兩種酶切。 mRNAcDNA酶切（不能被酶切）DNA酶切DNA中有的序列在中有的序列在mRNA中丟失中丟失, 且丟失部分不且丟失部分不影響基因功能影響基因功能, 酶切位點在內含子中酶切位點在內含子中。l 內含子的概念內含子的概念 外顯子外顯子extron：成熟的成熟的mRNA或蛋白質中或

43、蛋白質中存在的序列。（在存在的序列。（在DNA或或mRNA中都存在中都存在的序列）的序列） 內含子內含子intron：在在DNA上存在，而在上存在，而在mRNA（或或cDNA）中不存在的序列，初級中不存在的序列，初級轉錄產(chǎn)物加工成成熟轉錄產(chǎn)物加工成成熟mRNA時被切除的間時被切除的間隔序列。隔序列。53promoter regionexons (filled and unfilled boxed regions)introns (between exons)transcribed regiontranslated regionmRNA structure+1 Gene structure （一

44、個完整的具有轉錄功能的單元）（一個完整的具有轉錄功能的單元）(exon-intron-exon)n structure of various genes -globinHGPRT(HPRT)total = 1,660 bp; exons = 990 bphistonefactor VIIItotal = 400 bp; exon = 400 bptotal = 42,830 bp; exons = 1263 bptotal = 186,000 bp; exons = 9,000 bpl 基因內含子的特點：基因內含子的特點： 1.內含子是真核生物獨有的，但并不是所內含子是真核生物獨有的，但并不是

45、所有真核基因一定有內含子；（組蛋白基因有真核基因一定有內含子；（組蛋白基因家族）家族） 2.內含子的數(shù)量和長度對不同的基因不同，內含子的數(shù)量和長度對不同的基因不同，一般基因越長，內含子越多；一般基因越長，內含子越多； 3. 在同一基因家族中，編碼序列在進化過在同一基因家族中，編碼序列在進化過程中一直比較保守，而內含子變化迅速，程中一直比較保守，而內含子變化迅速，差異較大；差異較大；（內含子變異較外顯子大）（內含子變異較外顯子大） 4.內含子與外顯子間的連接處有特殊的序列內含子與外顯子間的連接處有特殊的序列（序列（序列GTAG）。）。 高度保守序列高度保守序列 不連續(xù)基因剪接成不連續(xù)基因剪接成m

46、RNA可能可能 遵照一種通用機制。遵照一種通用機制。 5. 一個基因的內含子可以是另一個基因的一個基因的內含子可以是另一個基因的外顯子。外顯子。 （閱讀框和剪切方式不同）（閱讀框和剪切方式不同）l 內含子可能的功能內含子可能的功能: 1.調控轉錄速度；調控轉錄速度； 通過與啟動子、起始位點的精確堿基配對，阻通過與啟動子、起始位點的精確堿基配對，阻止或增強止或增強RNA聚合酶的活性，從而調控轉錄。聚合酶的活性，從而調控轉錄。 2. 內含子具有各種內含子具有各種剪接信號剪接信號，使用不同的剪接方，使用不同的剪接方式形成不同的成熟式形成不同的成熟mRNA ； 2.4 核外遺傳物質的結構及功能核外遺傳

47、物質的結構及功能l 質粒質粒DNA Plasmid 質粒的結構與功能質粒的結構與功能 1. 存在于原核生物、真菌和少數(shù)植物細胞中，存在于原核生物、真菌和少數(shù)植物細胞中，是是一種核外遺傳物質一種核外遺傳物質，但不是細胞生存所必，但不是細胞生存所必需的；需的； 2. 有自己的復制起始序列，獨立于核有自己的復制起始序列，獨立于核DNA進行進行復制；（復制；（有獨立的復制系統(tǒng)有獨立的復制系統(tǒng)） 3. 質粒質粒DNA含有少量編碼蛋白的基因，這些基含有少量編碼蛋白的基因，這些基因對宿主細胞的生存影響不大，但能改變細因對宿主細胞的生存影響不大，但能改變細胞的某些性狀，如抗性、降解有機物的酶等；胞的某些性狀，

48、如抗性、降解有機物的酶等； 4. 質粒是分子生物學中最常見的克隆載體。質粒是分子生物學中最常見的克隆載體。 質粒質粒DNA的一般特性：的一般特性： 1.多數(shù)質粒是閉合環(huán)狀、雙鏈超螺旋結構多數(shù)質粒是閉合環(huán)狀、雙鏈超螺旋結構（covalently closed and circular DNA），簡稱），簡稱cccDNA，少數(shù)線狀；，少數(shù)線狀； 2. 質粒具有可轉移性，如質粒具有可轉移性，如F質粒；質粒； 3. 可整合性；（整合、重組可整合性；（整合、重組 DNA的交換）的交換） 4. 拷貝數(shù)；拷貝數(shù)； 嚴緊型（一個或幾個）嚴緊型（一個或幾個） 據(jù)細胞中質粒的多少據(jù)細胞中質粒的多少 松弛型（十松弛

49、型（十幾十）幾十）5. 質粒質粒DNA的不相容性的不相容性 incompatibility 在同一個宿主細胞中，不能同時存在兩種在同一個宿主細胞中，不能同時存在兩種同一同一 不相容群不相容群的質粒（同一類型、同一復制系統(tǒng)的的質粒（同一類型、同一復制系統(tǒng)的不同質粒不能同時存在于同一細胞中，但兩種不同質粒不能同時存在于同一細胞中，但兩種不同類型的質?？纱嬖谟谕患毎?。）不同類型的質?？纱嬖谟谕患毎?。）6. 質粒質粒DNA在分子生物學中的應用在分子生物學中的應用l基因克隆基因克隆lDNA擴增擴增 （松弛型質粒）（松弛型質粒）l測序、表達測序、表達 幾種常見的質粒幾種常見的質粒 1. 細菌質粒細

50、菌質粒 F質粒質粒 （又稱（又稱F-因子或性質粒因子或性質粒sex plasmid） 高頻重組質粒，具可轉移性和整合性，高頻重組質粒，具可轉移性和整合性， 拷貝數(shù)低；拷貝數(shù)低； R質粒質粒 抗性質粒，含抗藥、分解有毒物質抗性質粒，含抗藥、分解有毒物質 等的基因；等的基因； Col質粒（大腸桿菌素因子）質粒（大腸桿菌素因子） 含有編碼控制含有編碼控制大腸桿菌素大腸桿菌素合成的基因，合成的基因， （一種可以使不帶（一種可以使不帶Col質粒的細菌菌株致死的質粒的細菌菌株致死的蛋白）蛋白） Ti質粒質粒一種常用的基因工程載體一種常用的基因工程載體 土壤中有一種叫根癌農(nóng)桿菌土壤中有一種叫根癌農(nóng)桿菌( (

51、Agrobacterium Agrobacterium tumerfacienstumerfaciens) )的一種土壤微生物，它能感染的一種土壤微生物，它能感染9090個個科的雙子葉植物的受傷組織。當這種土壤桿菌侵科的雙子葉植物的受傷組織。當這種土壤桿菌侵入受傷組織后，受傷組織便不斷增生成為冠癭瘤入受傷組織后，受傷組織便不斷增生成為冠癭瘤(craw gall tumor)(craw gall tumor)。這種瘤的產(chǎn)生是由于根癌農(nóng)。這種瘤的產(chǎn)生是由于根癌農(nóng)桿菌細胞中存在的一種質粒引起的，這種質粒簡桿菌細胞中存在的一種質粒引起的，這種質粒簡稱為稱為TiTi（tumor inducingtumo

52、r inducing）質粒。植物受傷組織）質粒。植物受傷組織細胞所發(fā)生的一系列變化就是由于細胞所發(fā)生的一系列變化就是由于TiTi質粒中的一質粒中的一段稱為段稱為T-DNAT-DNA的片段插入植物細胞染色體后所引起的片段插入植物細胞染色體后所引起的。的。 Ti質粒是一種雙鏈環(huán)狀質粒是一種雙鏈環(huán)狀DNA分子，長度為分子，長度為160-250 kb，它有，它有6個功能區(qū)：個功能區(qū)：l致癌區(qū)，合成植物生長素和細胞分裂素；致癌區(qū)，合成植物生長素和細胞分裂素；l冠癭堿合成區(qū)；冠癭堿合成區(qū)；l冠癭堿分解區(qū)；冠癭堿分解區(qū)；lTi質粒接合轉移區(qū)質粒接合轉移區(qū)(tra)；l毒性區(qū)（毒性區(qū)（Vir）；）；lDNA復

53、制區(qū)（復制區(qū)（Rep）。）。 在致癌區(qū)和冠癭堿合成區(qū)的兩側存在著一個在致癌區(qū)和冠癭堿合成區(qū)的兩側存在著一個25 bp直接重復序列，由這三部分所構成的直接重復序列，由這三部分所構成的DNA區(qū)域叫做區(qū)域叫做T-DNA。T-DNA 2. 酵母質粒酵母質粒l 2u 質粒質粒 雙鏈環(huán)狀雙鏈環(huán)狀DNA，周長周長2um，6318bpl 3u 質粒質粒 環(huán)狀環(huán)狀DNA，周長周長3uml 線狀殺傷質粒線狀殺傷質粒 RNA質粒，線狀，能分泌一種質粒，線狀，能分泌一種 殺傷因子，對其他酵母有殺傷作用，殺傷因子，對其他酵母有殺傷作用， 以以 保護自身。保護自身。 3. 真菌質粒真菌質粒 有線狀，也有環(huán)狀，有的能整合到

54、線粒體中，有線狀，也有環(huán)狀，有的能整合到線粒體中，有的與菌絲的衰老有關。有的與菌絲的衰老有關。 4. 植物中的質粒植物中的質粒 類似于真菌，有線狀，也有環(huán)狀，有的能整類似于真菌，有線狀，也有環(huán)狀，有的能整合到線粒體中。合到線粒體中。l 線粒體線粒體DNA mitochondrion DNA（mtDNA） 線粒體線粒體DNA的結構特點的結構特點 1.化學結構化學結構 cccDNA covalently closed and circular DNA 少數(shù)線狀（存在于原核生物：草少數(shù)線狀（存在于原核生物：草 履蟲、四膜蟲等）履蟲、四膜蟲等） 2.大小大小 16 300kb 植物線粒體植物線粒體DN

55、A較大，動物較小；較大，動物較?。?3. 復制方式復制方式 半保留復制，半保留復制， 型、型、 D-環(huán)、滾環(huán)復制。環(huán)、滾環(huán)復制。 母性遺傳母性遺傳，常用于動物進化研究，常用于動物進化研究；母性遺傳：母性遺傳：由于父本線粒體由于父本線粒體DNA不進入子代不進入子代DNA中。中。 Y-染色體染色體 父性遺傳父性遺傳 常染色體常染色體 雙性遺傳雙性遺傳群體群體 家系家系 X-染色體、線粒體染色體、線粒體DNA 母性遺傳母性遺傳 4. 動物線粒體基因組中不存在內含子，甚至還有動物線粒體基因組中不存在內含子，甚至還有基因重疊現(xiàn)象?；蛑丿B現(xiàn)象。線線粒粒體體基基因因組組結結構構 線粒體線粒體DNA上的基因

56、上的基因 蛋白質合成需要的蛋白質合成需要的RNA基因基因（tRNA rRNA）分三類分三類 編碼蛋白質的基因編碼蛋白質的基因（與呼吸相關的酶基因）（與呼吸相關的酶基因） 抗性基因抗性基因 1.蛋白質合成需要的蛋白質合成需要的RNA基因基因 tRNA基因基因 啤酒酵母中啤酒酵母中mtDNA上有上有24個個tRNA基因基因 粗鏈孢酶中有粗鏈孢酶中有40個，人和爪蟾中有個，人和爪蟾中有22個個 rRNA基因基因 啤酒酵母中有啤酒酵母中有1S和和21S rRNA 人類細胞中有人類細胞中有12S和和16S rRNA 真核：真核：28S 18S 5.8S 5S 原核：原核：23S 16S 5S 2. 編碼

57、蛋白質的基因編碼蛋白質的基因（與呼吸相關的酶基因）（與呼吸相關的酶基因）l 細胞色素氧化酶基因細胞色素氧化酶基因 7個亞基中個亞基中3個由個由mtDNA編碼編碼 NAD FMN CoQ Cytb CC1.ca3 O2 細胞色素還原酶細胞色素還原酶 細胞色素氧化酶細胞色素氧化酶l 細胞色素還原酶基因細胞色素還原酶基因 7個亞基中個亞基中1個由個由mtDNA編碼編碼l ATP酶基因酶基因 10 個亞基中個亞基中4個由個由mtDNA編碼編碼 33. OSCP 3. 抗性基因抗性基因 主要在真菌中發(fā)現(xiàn)，如抗氯霉素、抗紅霉主要在真菌中發(fā)現(xiàn)，如抗氯霉素、抗紅霉素、抗寡酶素基因等，但不是每個素、抗寡酶素基因

58、等，但不是每個mtDNA上均上均有抗性基因。有抗性基因。 1.線粒體中可以合成蛋白；線粒體中可以合成蛋白； 小結：小結：2.線粒體中合成蛋白所需的基因有的可線粒體中合成蛋白所需的基因有的可 能來自核能來自核DNA； 3.mtDNA的結構類似原核生物；的結構類似原核生物； 4.質粒、原核質粒、原核DNA、mtDNA有結構的相有結構的相 似性。似性。l 線粒體密碼子的特殊性：線粒體密碼子的特殊性： 在在mtDNA中，大部分密碼子與核中，大部分密碼子與核DNA相同，相同，但少部分有所不同。但少部分有所不同。 密碼子密碼子 UGA AUA AGG/AGA 線粒體線粒體 終止終止 Ile Arg 核基因

59、核基因 Try Met 終止終止 l 線粒體遺傳性狀的雙重控制線粒體遺傳性狀的雙重控制 線粒體的性狀由核基因和線粒體基因雙重控制線粒體的性狀由核基因和線粒體基因雙重控制 線粒體的組分一方面由線粒編碼，另一些組分由線粒體的組分一方面由線粒編碼，另一些組分由核基因編碼。核基因編碼。l 葉綠體葉綠體DNA chloroplast DNA chlDNA葉綠體葉綠體DNA的結構特性的結構特性 1.cccDNA，少數(shù)線狀，如傘藻；少數(shù)線狀，如傘藻； 90%為超螺旋為超螺旋 離心后，離心后， chlDNA中中 10%為松馳型為松馳型DNA 2. 大小大小 140 160kb，低等衣藻低等衣藻200kb 一般

60、單子葉植物較雙子葉植物一般單子葉植物較雙子葉植物 大大, 一個葉綠體可能有一個葉綠體可能有10-50個相個相 同的同的DNA分子，而一個線粒體中分子，而一個線粒體中 只有一個分子只有一個分子 3. 有反向重復序列，功能不清楚，但在玉有反向重復序列，功能不清楚，但在玉米中的米中的20%的序列編碼的序列編碼rRNA基因；基因； 4.在些在些核苷酸序列核苷酸序列(RNA(RNA序列序列) )，在菠菜和豌，在菠菜和豌豆中發(fā)現(xiàn)豆中發(fā)現(xiàn)RnaseA和和RnaseT可將葉綠體可將葉綠體DNADNA切切開，推算有開，推算有18-24個堿基的核苷酸序列，生個堿基的核苷酸序列，生菜中有菜中有12 2個堿基的核苷酸