分子生物學(xué)基因與基因組

1、物質(zhì)： 特定核苷酸序列功能： 遺傳遺傳一、概念 基因是分子上具有遺傳效應(yīng)的特定核苷酸序列的總稱，是具有遺傳效應(yīng)的分子片段。是遺傳物質(zhì)的最小功能單位多數(shù)生物的基因由（DNA）構(gòu)成，并在上作線狀排列。除某些的基因由（RNA）構(gòu)成。基因一詞通常指染色體基因。在中，由于染色體都在內(nèi)，所以又稱為。位于線粒體和等細(xì)胞器中的基因則稱為染色體外基因、核外基因或基因，也可以分別稱為基因、和葉綠體基因。脫氧核糖核酸染色體病毒核糖核酸真核生物細(xì)胞核核基因葉綠體細(xì)胞質(zhì)線粒體質(zhì)粒在通常的二倍體的細(xì)胞或個體中，能維持配子或配子體正常功能的最低數(shù)目的一套染色體稱為染色體組或基因組，一個基因組中包含一整套基因。相應(yīng)的全部細(xì)胞

2、質(zhì)基因構(gòu)成一個細(xì)胞質(zhì)基因組，其中包括線粒體基因組和葉綠體基因組等。原核生物的基因組是一個單純的DNA或RNA分子，因此又稱為基因帶，通常也稱為它的染色體.基因在染色體上的位置稱為座位，每個基因都有自己特定的座位。在同源染色體上占據(jù)相同座位相同座位的不同形態(tài)不同形態(tài)的基因都稱為等位基因。在自然群體中往往有一種占多數(shù)的（因此常被視為正常的）等位基因，稱為野生型基因；同一座位上的其他等位基因一般都直接或間接地由野生型基因通過突變產(chǎn)生，相對于野生型基因，稱它們?yōu)橥蛔冃突?。在二倍體的細(xì)胞或個體內(nèi)有兩個同源染色體，所以每一個座位上有兩個等位基因。如果這兩個等位基因是相同的，那么就這個基因座位來講，這種細(xì)

3、胞或個體稱為純合體；如果這兩個等位基因是不同的，就稱為雜合體。在雜合體中，兩個不同的等位基因往往只表現(xiàn)一個基因的性狀，這個基因稱為顯性基因，另一個基因則稱為隱性基因。在二倍體的生物群體中等位基因往往不止兩個，兩個以上的等位基因稱為復(fù)等位基因。在細(xì)菌中編碼同一生物合成途徑中有關(guān)酶的一系列基因常排列在一起，構(gòu)成一個操縱子.基因結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代分子生物學(xué)認(rèn)為，基因是核酸分子中儲存遺傳信息的遺儲存遺傳信息的遺傳單位傳單位，是核酸分子中由特定的核苷酸按一定的堿基順序排列特定的核苷酸按一定的堿基順序排列而成的有功能的一個片段。有功能的一個片段。是RNA序列和蛋白質(zhì)多肽鏈序列相關(guān)遺傳信息的基本存在形式，以及表達(dá)這

4、些信息所需要的全部核苷酸序列表達(dá)這些信息所需要的全部核苷酸序列?；蚴腔蚪M序列上的遺傳單位，有調(diào)節(jié)區(qū)、轉(zhuǎn)錄區(qū)和基因是基因組序列上的遺傳單位，有調(diào)節(jié)區(qū)、轉(zhuǎn)錄區(qū)和( (或或) )其他其他功能序列區(qū)。功能序列區(qū)?；虻幕瘜W(xué)本質(zhì)是DNA(RNA病毒除外)。在細(xì)胞中基因是含有編碼序列和非編碼序列的含有編碼序列和非編碼序列的DNADNA序列。序列。（P 1 ）基因包括:1.具有轉(zhuǎn)錄和翻譯功能的基因2.只有轉(zhuǎn)錄功能沒有翻譯功能的基因，包括tRNA基因和rRNA 基因。3.不轉(zhuǎn)錄的基因，對基因表達(dá)其調(diào)控作用，包括啟動基因和操縱基因等。( (一一) )基因的結(jié)構(gòu)基因的結(jié)構(gòu)1.原核生物基因結(jié)構(gòu)大多數(shù)真核生物的基

5、因?yàn)椴贿B續(xù)基因（interruptesd或discontinuous gene）。所謂不連續(xù)基因就是基因的編碼順序在DNA分子上是不連續(xù)的，被非編碼順序所隔開。編碼區(qū)，包括外顯子（exon）與內(nèi)含子（intron）,又稱插入順序（intervening sequence,IVS）。 外顯子（exon），是一個基因表達(dá)多肽鏈的部分；內(nèi)含子只轉(zhuǎn)錄，在前mRNA(pre-mNRA)時被剪切掉。前導(dǎo)區(qū)，位于編碼區(qū)上游，相當(dāng)于RNA5末端非編碼區(qū)（非翻譯區(qū)）尾部區(qū)，位于RNA3編碼區(qū)下游，相當(dāng)于末端非編碼區(qū)（非翻譯區(qū)）調(diào)控區(qū)，包括啟動子和增強(qiáng)子等。啟動子啟動子（promoter）包括下列幾種不同順序，能

6、促進(jìn)轉(zhuǎn)錄過程：TATA框（TATA box）CAAT框（CAAT box）GC框（GC box）調(diào)控區(qū)2增強(qiáng)子（增強(qiáng)子（enhancerenhancer）在真核基因轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的上游或下游,它不能啟動一個基因的轉(zhuǎn)錄，但有增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄的作用。此外，增強(qiáng)子順序可與特異性細(xì)胞因子結(jié)合而促進(jìn)轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行。3終止子在一個基因的末端往往有一段特定順序，它具有轉(zhuǎn)錄終止的功能沉默子(silencer)參與基因表達(dá)負(fù)調(diào)控的一種元件儲存，傳遞，表達(dá)遺傳信息（中心法則）基因表達(dá)活性調(diào)節(jié)目的：發(fā)現(xiàn)基因的功能隨著人類基因組計劃的計劃的完成，許多新基因被發(fā)現(xiàn)?；蚬δ苎芯砍蔀樯茖W(xué)領(lǐng)域匯總的重大課題，這是后基因組時代功能基因組

7、學(xué)的研究內(nèi)容。目前基因功能研究方法主要有基因轉(zhuǎn)導(dǎo)、反義技術(shù)、轉(zhuǎn)基因和基因剔除、染色體轉(zhuǎn)導(dǎo)、RNA干涉，微陣列等微陣列（微陣列（microarray)大規(guī)?？焖贆z測基因差異表達(dá)、基因組表達(dá)譜、DNA序列多態(tài)性、致病基因或疾病相關(guān)基因的一項(xiàng)研究基因功能的新技術(shù)。包括cDNA微陣列（cDNA microarray)和DNA芯片。方法原理：將成千上萬條DNA片段（cDNA、表達(dá)序列標(biāo)簽（expressed sequence tag, EST)或特異的寡核苷酸片段）按橫行縱裂方式有序點(diǎn)樣在固相支持物上。支持物為硝基纖維素膜或尼龍膜時稱為微陣列，為玻片或硅片時稱為DNA芯片。100000個cDNA, 3.

8、6cm2分析：用來自不同生理狀態(tài)和發(fā)育階段的mDNA作為模板，以放射性同位素或熒光標(biāo)記的dNTP為底物反轉(zhuǎn)錄合成cDNA。再用所得cDNA 與微陣列或DNA芯片進(jìn)行雜交，然后通過計算機(jī)對結(jié)果進(jìn)行判讀和處理，這樣就可以知道芯片中哪些基因在細(xì)胞里表達(dá)，哪些基因不表達(dá)，或哪些基因表達(dá)水平高，哪些低?；蚯贸ɑ蚯贸℅ene knockout)又稱基因打又稱基因打靶（靶（gene targeting).基因敲入（基因敲入（Gene knock in），轉(zhuǎn)基），轉(zhuǎn)基因（基因過表達(dá)）因（基因過表達(dá)）基因敲除：用外源DNA與受體細(xì)胞基因組中順序相同或者非常相近的基因發(fā)生同源重組，整合，使特定的基因失活或

9、缺失的技術(shù)。優(yōu)點(diǎn)：整合位點(diǎn)確定，精確，可以用正?；蚯贸蛔兊幕?，進(jìn)行性狀改良和遺傳病的治療，又可以用突變的基因敲除正常的基因一研究此基因在發(fā)育和調(diào)控方面的作用。如基因敲除動物模型基因敲入：對于許多基因來說，簡單的失活常導(dǎo)致令人費(fèi)解的無改變的表型。最常見的解釋是某些其他基因取代了靶基因的功能，但要在普通基因敲除小鼠中證明這十分困難，基因敲入即通過基因打靶用一種基因替換另一種基因以確定它們是否具有相同功能?；蚯贸话銘?yīng)用于鼠?；蜣D(zhuǎn)導(dǎo)技術(shù)通過載體將目的基因?qū)肽骋患?xì)胞中，通過觀察細(xì)胞生物學(xué)行為的變化來認(rèn)識基因的功能，是目前應(yīng)用最多、技術(shù)最成熟的基因功能研究方法。常用的基因轉(zhuǎn)導(dǎo) 系統(tǒng)分為非病毒

10、性表達(dá)系統(tǒng)非病毒性表達(dá)系統(tǒng)和病毒性表病毒性表達(dá)系統(tǒng)達(dá)系統(tǒng)。非病毒性表達(dá)載體：DNA直接注射或多聚賴氨酸、陽離子脂類，是目的基因穿過細(xì)胞膜。病毒表達(dá)載體病毒為載體介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)染效率高，目的基因可穩(wěn)定表達(dá)等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用。逆轉(zhuǎn)錄病毒載體可攜帶外源基因整合進(jìn)靶細(xì)胞的基因組中，從而實(shí)現(xiàn)目的基因的穩(wěn)定持久表達(dá)，但缺點(diǎn)是只能感染正在分裂的細(xì)胞，有插入突變和激活癌基因的危險，并且繁殖滴度較低。人腺病毒載體具有宿主范圍廣、滴度高、 裝載量大（重組腺病毒最大包裝容量為野生型腺病毒的105%）等優(yōu)點(diǎn)，是對分裂細(xì)胞和靜息細(xì)胞均有效的基因傳遞系統(tǒng)。如以門靜脈注射的方式用腺病毒載體介導(dǎo)入LDLR基因，在90%以上

11、的肝細(xì)胞中得到表達(dá)。但不能將外源基因整合到細(xì)胞染色體上，所介導(dǎo)的基因只能短暫表達(dá)。反義技術(shù)反義技術(shù)是通過人工合成或構(gòu)建的反義表達(dá)載體表達(dá)的寡核苷酸片段，長度多為15-30個核苷酸，通過堿基互補(bǔ)原理，干擾基因的解旋、復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、mRNA的剪接加工乃至輸出和翻譯等各個環(huán)節(jié)，從而調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長、分化等。反義DNA（asDNA), 反義RNA（asRNA),自催化性核酶（ribozyme) 突變絕大多數(shù)會導(dǎo)致疾病，另外的一小部分是非致病突變。非致病突變使生物可以在自然選擇中被選擇出最適合自然的個體。 基因有兩個特點(diǎn)，一是能忠實(shí)地復(fù)制自己，以保持生物的基本特征；二是基因能夠“突變”。因有毒物質(zhì)的作用、傳

12、染或暴露于放射性物質(zhì)下而導(dǎo)致基因結(jié)構(gòu)本身發(fā)生的變化?；蛲蛔儯╣ene mutation）從分子水平上看，基因突變是指基因在結(jié)構(gòu)上發(fā)生堿基對組成或排列順序的改變。由于DNA堿基對的置換、增添或缺失而引起的基因結(jié)構(gòu)的變化，亦稱點(diǎn)突變（point mutationpoint mutation）。（鐮刀型細(xì)胞貧血（ sickle-cell disease）在自然條件下發(fā)生的突變叫自發(fā)突變，由人工利用物理因素或化學(xué)藥劑誘發(fā)的突變叫誘發(fā)突變。基因突變與DNA復(fù)制、DNA損傷與修復(fù)、癌變和衰老都有關(guān)系是生物變異的主要原因，也是生物進(jìn)化的主要因素。在生產(chǎn)上人工誘變是產(chǎn)生生物新品種的重要方法?；蛲蛔兲匦裕弘S

13、機(jī)性隨機(jī)性：任何時期，任何細(xì)胞低頻性低頻性（稀有性）：自然突變率10-5-10-8。T.H.摩爾根1910年在飼養(yǎng)的許多紅色復(fù)眼的果蠅中偶然發(fā)現(xiàn)了一只白色復(fù)眼的果蠅?？赡嫘钥赡嫘裕嚎赡嫘钥赡嫘砸吧突蚪?jīng)過突變成為突變型基因的過程稱為正向突變。正向突變的稀有性說明野生型基因是一個比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。突變基因又可以通過突變而成為野生型基因，這一過程稱為回復(fù)突變。正向突變率總是高于回復(fù)突變率，這是因?yàn)橐粋€野生型基因內(nèi)部的許多位置上的結(jié)構(gòu)改變都可以導(dǎo)致基因突變，但是一個突變基因內(nèi)部只有一個位置上的結(jié)構(gòu)改變才能使它恢復(fù)原狀。少利多害性少利多害性一般基因突變會產(chǎn)生不利的影響，被淘汰或是死亡，但有極少數(shù)會使物

14、種增強(qiáng)適應(yīng)性。不定向性不定向性例如控制黑毛A基因可能突變?yōu)榭刂瓢酌腶+或控制綠毛的a-基因。一般，基因突變后身體會發(fā)出抗體或其他修復(fù)體進(jìn)行自行修復(fù)?？墒怯幸恍┩蛔兪遣豢苫剞D(zhuǎn)性的。突變可能導(dǎo)致立即死亡，也可以導(dǎo)致慘重后果，如器官無法正常運(yùn)作，DNA嚴(yán)重受損，身體免疫力低下等。如果是有益突變，可能會發(fā)生奇跡。基因?。╣ene disease),是指基因突變或其表達(dá)調(diào)控障礙引起的疾病，包括單基因病和多基因病。人類單基因病6457種。單基因疾?。?單基因病是指由1對等位基因控制的疾病或病理性狀。 由于基因是位于染色體上，而染色體有常染色體和性染色體之分，基因也有顯性基因與隱性基因之別。常染色體顯性遺

15、傳病，如短指癥等常染色體隱性遺傳病，如白化病等x伴性顯性遺傳病，如抗維生素D缺乏病等x伴性隱性遺傳病，如色盲等Y伴性遺傳病，如耳廓長毛癥等誘變育種誘變育種誘發(fā)使生物產(chǎn)生大量而多樣的基因突變，從而可以根據(jù)需要選育出優(yōu)良品種。以色列培育“彩色青椒”-把青椒種子送上太空，使其在完全下發(fā)生基因突變來育種。害蟲防治害蟲防治用誘變劑處理雄性害蟲使之發(fā)生致死的或條件致死的突變，然后釋放這些雄性害蟲，便能使它們和野生的雄性昆蟲相競爭而產(chǎn)生致死基因突變的或不育的子代。單倍體細(xì)胞中的全部基因?yàn)橐粋€基因組。單倍體細(xì)胞中的全部基因?yàn)橐粋€基因組。包括編碼序列和非編碼序列在內(nèi)的全部DNA分子。（單倍體細(xì)胞中的全套染色體。

16、）像人類這樣的脊椎動物，基因組通常指的只是染色體DNA。線粒體有自己的基因組，通常叫做線粒體基因組。一、原核生物基因組特點(diǎn)一、原核生物基因組特點(diǎn)細(xì)菌基因組特點(diǎn)：1.基因組較小，通常只有一個環(huán)形或線形的DNA分子。2.基因組的大部分序列是用來編碼蛋白質(zhì)的，基因之間的間隔序列很短。3.功能相關(guān)的序列常串連在一起，由共同的調(diào)控元件調(diào)控，并轉(zhuǎn)錄成同一mRNA分子，可指導(dǎo)多種蛋白質(zhì)的合成，這種結(jié)構(gòu)稱操縱子。3.一般沒有內(nèi)含子。4.只有一個復(fù)制起點(diǎn)。5.以RNA為產(chǎn)物的基因往往是多拷貝的，蛋白質(zhì)基因是單拷貝的。6.編碼順序一般不會重疊。 7.同基因（isogenez)（編碼同酶,isoenzyme）如大腸

17、桿菌基因組中有兩個編碼分支酸變位酶基因，兩個編碼乙酰乳酸合成酶的基因。病毒是最簡單的生物，完整的病毒顆粒包括外殼蛋白和內(nèi)部的基因組DNA或RNA。（有些病毒的外殼蛋白外面有一層由宿主細(xì)胞構(gòu)成的被膜（envelope），被膜內(nèi)含有病毒基因編碼的糖蛋白。）病毒不能獨(dú)立地復(fù)制，必需進(jìn)入宿主細(xì)胞中借助細(xì)胞內(nèi)的一些酶類和細(xì)胞器才能使病毒得以復(fù)制。外殼蛋白（或被膜）的功能是識別和侵襲特定的宿主細(xì)胞并保護(hù)病毒基因組不受核酸酶的破壞。1.病毒基因組大小相差較大,與細(xì)菌或真核細(xì)胞相比，病毒的基因組很小，但是不同的病毒之間其基因組相差亦甚大。如乙肝病毒DNA只有3kb大小，所含信息量也較小，只能編碼4種蛋白質(zhì)，而

18、痘病毒的基因組有300kb之大，可以編碼幾百種蛋白質(zhì)，不但為病毒復(fù)制所涉及的酶類編碼，甚至為核苷酸代謝的酶類編碼，因此，痘病毒對宿主的依賴性較乙肝病毒小得多。2.病毒基因組可以由DNA組成，也可以由RNA組成。組成病毒基因組的DNA和RNA可以是單鏈的，也可以是雙鏈的，可以是閉環(huán)分子，也可以是線性分子。 如乳頭瘤病毒是一種閉環(huán)的雙鏈DNA病毒，而的基因組則是線性的雙鏈DNA,脊髓灰質(zhì)炎病毒是一種單鏈的RNA病毒，而呼腸孤病毒的基因組是雙鏈的RNA分子。一般說來，大多數(shù)DNA病毒的基因組雙鏈DNA分子，而大多數(shù)RNA病毒的基因組是單鏈RNA分子。3.多數(shù)RNA病毒的基因組是由連續(xù)的核糖核酸鏈組成

19、。但也有些病毒的基因組RNA由不連續(xù)的幾條核酸鏈組成如流感病毒的基因組RNA分子是節(jié)段性的，由八條RNA分子構(gòu)成，每條RNA分子都含有編碼蛋白質(zhì)分子的信息；而呼腸孤病毒的基因組由雙鏈的節(jié)段性的RNA分子構(gòu)成，共有10個雙鏈RNA片段，同樣每段RNA分子都編碼一種蛋白質(zhì)。目前，還沒有發(fā)現(xiàn)有節(jié)段性的DNA分子構(gòu)成的病毒基因組。4.基因重疊（overlapping gene）即同一段DNA片段能夠編碼兩種甚至三種蛋白質(zhì)分子。這種結(jié)構(gòu)使較小的基因組能夠攜帶較多的遺傳信息。指兩個或兩個以上的基因共有一段DNA序列。 大基因內(nèi)包含小基因；前后兩個基因首尾重疊一個或兩個核苷酸；幾個基因的重疊，幾個基因有一段

20、核苷酸序列重疊在一起，等等。重疊基因中不僅有編碼序列也有調(diào)控序列。5.病毒基因組的大部分是用來編碼蛋白質(zhì)的，只有非常小的一份不被翻譯。不翻譯的DNA順序通常是基因表達(dá)的控制序列。乳頭瘤病毒是一類感染人和動物的病毒，基因組約8.0Kb,其中不翻譯的部份約為1.0kb。6.病毒基因組DNA序列中功能上相關(guān)的蛋白質(zhì)的基因或rRNA的基因往往叢集在基因組的一個或幾個特定的部位,形成一個功能單位或轉(zhuǎn)錄單元。它們可被一起轉(zhuǎn)錄成為含有多個mRNA的分子，稱為多順反子mRNA（polycistroniemRNA），然后再加工成各種蛋白質(zhì)的模板mRNA。X174基因組中的D-E-J-F-G-H基因也轉(zhuǎn)錄在同一m

21、RNA中，然后再翻譯成各種蛋白質(zhì)，其中、F、G及H都是編碼外殼蛋白的，D蛋白與病毒的裝配有關(guān)，E蛋白負(fù)責(zé)細(xì)菌的裂解，它們在功能上也是相關(guān)的。7.除了反轉(zhuǎn)錄病毒以外，一切病毒基因組都是單倍體，每個基因在病毒顆粒中只出現(xiàn)一次。反轉(zhuǎn)錄病毒基因組有兩個拷貝。8.噬菌體（細(xì)胞病毒）的基因是連續(xù)的；而真核細(xì)胞病毒的基因是不連續(xù)的，具有內(nèi)含子噬菌體遺傳圖1.基因組較大。的基因組由多條線形的構(gòu)成，每條染色體有一個線形的DNA分子，每個DNA分子有多個復(fù)制起點(diǎn)。2.不存在操縱子結(jié)構(gòu)。真核生物的同一個基因簇的基因，不會像原核生物的操縱子結(jié)構(gòu)那樣，轉(zhuǎn)錄到同一個mRNA上。3.存在大量的重復(fù)序列。真核生物的基因組里存

22、在大量重復(fù)序列，通過其重復(fù)程度可將其分成高度重復(fù)序列、中度重復(fù)序列、輕度重復(fù)序列和單一序列。重復(fù)序列中，除了編碼rRNA ,tRNA,組蛋白及免疫球蛋白的結(jié)構(gòu)基因外，大部分是非編碼序列。 根據(jù)出現(xiàn)的頻率不同將DNA序列分為3類：1. 高度重復(fù)序列 在基因組中的重復(fù)次數(shù)105。衛(wèi)星DNA，反向重復(fù)序列。2. 中度重復(fù)序列 在基因組中的重復(fù)次數(shù)為101-105. 編碼rRNA, tRNA,組蛋白及免疫球蛋白的結(jié)構(gòu)基因。3. 單拷貝序列 在整個基因組中出現(xiàn)1次或少數(shù)幾次，大多數(shù)編碼蛋白質(zhì)的基因。小鼠DNA經(jīng)CsClMI度梯度離心顯示出主帶和衛(wèi)星DNA帶4.有斷裂基因。大多數(shù)真核生物為蛋白質(zhì)編碼的基因

23、都含有“間隔序列”，即不為多肽編碼，其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物在mRNA前體的加工過程中被切除的成分。 5. 有許多來源相同、結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的基因組成為單一基因簇或基因家簇(Gene family)，如血紅蛋白基因家簇 珠蛋白基因家族(Pseudogenes)，6. 細(xì)胞器基因 核生物除具有核基因外，還有細(xì)胞器基因，細(xì)胞器基因主要存在于線粒體和葉綠體中。動物沒有葉綠體，所以動物細(xì)胞器基因只存在于線粒體中。7.端粒（telommere)以線性染色體形式存在的真核基因組DNA末端膨大結(jié)構(gòu)，稱為端粒。基因在基因組中分布不均勻。 有些染色體基因分布很少，25%的序列不含任何基因。即使基因最豐富的染色體，也有10%是“荒漠”。