基因與基因組的結(jié)構(gòu)

1、3.1 3.1 基因的結(jié)構(gòu)基因的結(jié)構(gòu)經(jīng)典遺傳學(xué)經(jīng)典遺傳學(xué)基因是獨(dú)立的功能單位、重組基因是獨(dú)立的功能單位、重組單位和突變單位。單位和突變單位。順反子概念順反子概念基因是獨(dú)立的功能單位，內(nèi)含基因是獨(dú)立的功能單位，內(nèi)含許多重組單位和突變單位。許多重組單位和突變單位。分子遺傳學(xué)分子遺傳學(xué)基因是一段有編碼功能的基因是一段有編碼功能的DNADNA（或（或RNARNA）序列。）序列?；蚴沁z傳的基本單位，是具有遺傳效應(yīng)的核基因是遺傳的基本單位，是具有遺傳效應(yīng)的核酸片段酸片段。3.1.1 基因概念的發(fā)展基因概念的發(fā)展啟動子啟動子SD序列序列ORF1SD序列序列 ORF2SD序序列列 ORF3終止子終止子原核生

2、物：原核生物：真核生物：真核生物：啟動子啟動子5-5-非翻譯區(qū)非翻譯區(qū)外顯子外顯子11內(nèi)含子內(nèi)含子外顯外顯子子23-23-非翻譯區(qū)非翻譯區(qū)終止子終止子3.1.2 結(jié)構(gòu)基因的基本構(gòu)成結(jié)構(gòu)基因的基本構(gòu)成真核生物的斷裂基因的發(fā)現(xiàn)真核生物的斷裂基因的發(fā)現(xiàn) Splitting gene 的證實(shí)的證實(shí) 1977 ChambonOvalbumin cDNAas probe EcoRI HindIII Oviduct Oviduct DNA DNAErythrocyte Erythrocyte DNADNAOvalbumin cDNA RE map Hinf I Hinf II Hea III Hinf II

3、I Pst I Hinf IV ( No EcoRI Hind III RE site ) Berget , Sharp groupRoberts groupSplitting seq. in the leading region of Hexon cp gene of Ad2after monthsAnd presentation in CSHDNA of Ad2 + EcoRI & HindIIImRNA of Hexon cp132Chambon was inspired by Bergets reportTotal DNA of chicken cDNA7 DNA loop H

4、inHinf f I I HinHinf f II II HeaHea III III HinHinf f III III PstPst I I HinHinf f IVIV EcoRI, HindIII EcoRI, HindIIISpacer Spacer cDNA mRNApresume HinHinf I HinHinf II HeaHeaIII HinHinf III PstPst I HinHinf IV DNA轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)錄錄逆逆轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)錄錄真核生物結(jié)構(gòu)基因，由若干個(gè)編碼區(qū)和非真核生物結(jié)構(gòu)基因，由若干個(gè)編碼區(qū)和非編碼區(qū)互相間隔開但又連續(xù)鑲嵌而成，去除非編碼區(qū)互相間隔開但又連續(xù)鑲嵌而成，去除非

5、編碼區(qū)再連接后，可翻譯出由連續(xù)氨基酸組成編碼區(qū)再連接后，可翻譯出由連續(xù)氨基酸組成的完整蛋白質(zhì)，這些基因稱為斷裂基因。的完整蛋白質(zhì)，這些基因稱為斷裂基因。 斷裂基因斷裂基因(splite gene)CABD編碼區(qū)編碼區(qū) A、B、C、D非編碼區(qū)非編碼區(qū)外顯子外顯子(exon)和內(nèi)含子和內(nèi)含子(intron) 外顯子：外顯子：（基因上的編碼序列）（基因上的編碼序列）在斷裂基因及其初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，在斷裂基因及其初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，并表達(dá)為成熟并表達(dá)為成熟RNA的核酸序列。的核酸序列。 內(nèi)含子：內(nèi)含子：（基因上的非編碼序列）基因上的非編碼序列）在斷裂基因及其初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，在斷裂基因及其初級轉(zhuǎn)錄

6、產(chǎn)物上出現(xiàn)，而在剪接過程中被除去的核酸序列。而在剪接過程中被除去的核酸序列。 3.2 3.2 基因組的大小與基因組的大小與C C值矛盾值矛盾基因組的大小一般用堿基對的數(shù)量來表示?；蚪M的大小一般用堿基對的數(shù)量來表示。基因組的大小大致上與進(jìn)化的復(fù)雜性有關(guān)?；蚪M的大小大致上與進(jìn)化的復(fù)雜性有關(guān)。C值：生物體的單倍體基因組所含值：生物體的單倍體基因組所含DNA總量。總量。C值矛盾值矛盾(C value paradox)：真核生物中：真核生物中DNA含量的反?，F(xiàn)象。含量的反常現(xiàn)象?；蚪M：基因組是細(xì)胞中的所有基因組：基因組是細(xì)胞中的所有DNA，包括所有基因和，包括所有基因和基因間區(qū)域?；蜷g區(qū)域。 基

7、因組很小，大多只有一條染色體 結(jié)構(gòu)簡煉 存在轉(zhuǎn)錄單元(trnascriptional operon) 多順反子(polycistron) 存在重疊基因X174 D-E-J-F-G-H mRNA 蛋白J、F、G H D E原核生物基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)原核生物基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)3.3 3.3 原核生物基因組原核生物基因組3.3.1 3.3.1 大腸桿菌基因組大腸桿菌基因組DNA組織成為類核（組織成為類核（nucleiod）DNA閉合環(huán)閉合環(huán) 狀，狀，4,200 Kb（1300微米），約微米），約4000個(gè)基因。個(gè)基因。非編碼區(qū)比例較小。非編碼區(qū)比例較小。結(jié)構(gòu)基因單拷貝，結(jié)構(gòu)基因單拷貝， rRNA和和 tRN

8、A基因?yàn)楣芽截惢驗(yàn)楣芽截?.3.2 3.3.2 重疊基因重疊基因(overlapping gene)(overlapping gene) 19771977年年SangerSanger首先發(fā)現(xiàn)。首先發(fā)現(xiàn)。 X174， 5386nt， 11 個(gè)基因，個(gè)基因，3個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，由個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，由3個(gè)個(gè)啟動子（啟動子（pA,pB,pD）控制。）控制。非翻譯區(qū)只占非翻譯區(qū)只占4%(217/5386)重疊基因重疊基因：是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的基因共有：是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的基因共有 一段一段DNA序列。序列?；蛑丿B的方式基因重疊的方式 1 大基因內(nèi)包含小基因大基因內(nèi)包含小基因： 如：如：B基因包含在基因包含在A基

9、因內(nèi)，基因內(nèi)，E基因完全包含在基因完全包含在D基因內(nèi)?；騼?nèi)。 2 前后兩基因首尾重疊前后兩基因首尾重疊： 例例1： 如：基因如：基因D 終止終止 X174DNA序列：序列：5TAATG3重疊一個(gè)堿基重疊一個(gè)堿基 基因基因J 起始起始 例例2： 如：基因如：基因A 終止終止 X174DNA序列序列5ATGA3 重疊重疊4個(gè)堿基個(gè)堿基 基因基因C 起始起始 3 3 三個(gè)基因之間重疊三個(gè)基因之間重疊 基因基因B pheB phe 終止終止 基因基因A ser Asp GluA ser Asp Glu DNA DNA序列序列 -T-T-C-T-G-T-T-C-T-G-A A-T-G-A-A-A-T-

10、G-A-A-A- 基因基因K K 起始起始 Val Val 3.4 3.4 真核生物基因組真核生物基因組核基因組核基因組細(xì)胞器基因組細(xì)胞器基因組多為環(huán)狀多為環(huán)狀,多拷貝多拷貝;均編碼自身所需的蛋白和均編碼自身所需的蛋白和RNA 真核生物基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)真核基因組結(jié)構(gòu)龐大真核基因組結(jié)構(gòu)龐大單順反子單順反子基因具不連續(xù)性基因具不連續(xù)性 非編碼區(qū)比例較大非編碼區(qū)比例較大 含有大量重復(fù)序列含有大量重復(fù)序列 DNA分類分類3.4.1 3.4.1 單一順序和重復(fù)順單一順序和重復(fù)順序序單一順序單一順序 (Unique sequence )重復(fù)順序重復(fù)順序短片段的重復(fù)順序可分為三種類型：短片段的重復(fù)順序可分為三

11、種類型：（1）正向重復(fù)正向重復(fù)(direct repeats)又叫又叫順向重復(fù)順向重復(fù)；5 CAGGCAGG 33 GTCCGTCC 5（2）鏡向重復(fù)鏡向重復(fù)(Palindromic sequence) ；5 CAGGAC 33 GTCCTG 55 GAATTC 33 CTTAAG 5 （3）回文順序回文順序 (inverted repeats)3.4.2 3.4.2 輕度重復(fù)順序和中度重復(fù)順序輕度重復(fù)順序和中度重復(fù)順序在基因組中含有在基因組中含有2-10拷貝，酵母拷貝，酵母tRNA基因、基因、人和小鼠的珠蛋白基因等。人和小鼠的珠蛋白基因等。長約長約300bp 基因組中約有基因組中約有10-幾

12、百個(gè)拷貝的順序幾百個(gè)拷貝的順序 如如rRNA和和tRNA基因。基因。輕度重復(fù)順序輕度重復(fù)順序中度重復(fù)順序中度重復(fù)順序3.4.3 3.4.3 基因家族與基因簇基因家族與基因簇由同一個(gè)祖先基因經(jīng)過重復(fù)由同一個(gè)祖先基因經(jīng)過重復(fù)(duplication)與變異進(jìn)化而形成結(jié)構(gòu)與功能相似的一與變異進(jìn)化而形成結(jié)構(gòu)與功能相似的一組基因，組成了一個(gè)基因家族。組基因，組成了一個(gè)基因家族。由功能相同或相關(guān)的鄰近基因組成的一由功能相同或相關(guān)的鄰近基因組成的一個(gè)基因群或一組基因。個(gè)基因群或一組基因。基因家族基因家族(gene family)：（2）基因簇）基因簇(gene cluster): 3.4.4 3.4.4 假

13、基因假基因(pseudogene(pseudogene) ) 根據(jù)起源和結(jié)構(gòu)的不同，假基因分為兩類：根據(jù)起源和結(jié)構(gòu)的不同，假基因分為兩類： 未加工的假基因未加工的假基因 加工的假基因加工的假基因多基因家族經(jīng)常包含結(jié)構(gòu)保守的基因，它們是通過積累多基因家族經(jīng)常包含結(jié)構(gòu)保守的基因，它們是通過積累突變產(chǎn)生，來滿足不同的功能需要。如果突變產(chǎn)生，來滿足不同的功能需要。如果突變使基因功突變使基因功能完全喪失能完全喪失，這樣的，這樣的無功能的基因拷貝稱為假基因無功能的基因拷貝稱為假基因，經(jīng)，經(jīng)常用希臘字母常用希臘字母表示。表示。未加工的假基因未加工的假基因(nonprocess pseudogenes(non

14、process pseudogenes) ) 是通過基因組是通過基因組DNADNA復(fù)制產(chǎn)生，經(jīng)常位于相同復(fù)制產(chǎn)生，經(jīng)常位于相同基因有功能拷貝的附近。基因有功能拷貝的附近。加工的假基因加工的假基因(processed pseudogenes) 也也稱為反轉(zhuǎn)錄假基因稱為反轉(zhuǎn)錄假基因(retropseudogenes)，是通，是通過對過對mRNA的反轉(zhuǎn)錄和獲得的的反轉(zhuǎn)錄和獲得的cDNA的隨機(jī)整的隨機(jī)整合而產(chǎn)生；它們經(jīng)常是分散的。合而產(chǎn)生；它們經(jīng)常是分散的。3.4.5 3.4.5 高度重復(fù)順序高度重復(fù)順序 衛(wèi)星衛(wèi)星DNA (satellite DNA) DNA (satellite DNA) 小衛(wèi)星小

15、衛(wèi)星DNA(minisatelliteDNA(minisatellite DNA) DNA) 微衛(wèi)星微衛(wèi)星DNA (microsatelliteDNA (microsatellite DNA) DNA) 轉(zhuǎn)座序列轉(zhuǎn)座序列 衛(wèi)星衛(wèi)星DNA（Satellite DNA）:由長的串聯(lián)重復(fù)序列構(gòu)成，大多數(shù)位由長的串聯(lián)重復(fù)序列構(gòu)成，大多數(shù)位于著絲粒區(qū)于著絲粒區(qū) 小衛(wèi)星小衛(wèi)星DNA(Minisatellite DNA) ：如位于端粒處的如位于端粒處的DNA，由中等數(shù)目，由中等數(shù)目 核苷酸核苷酸 對的單元重復(fù)組成。對的單元重復(fù)組成。 微衛(wèi)星微衛(wèi)星DNA (Microsatellite DNA)： 由由14個(gè)

16、左右的核苷酸對的單元個(gè)左右的核苷酸對的單元 重復(fù)若干次組成。重復(fù)若干次組成。 小衛(wèi)星小衛(wèi)星DNA 端粒端粒DNA VNTR序列序列(variable number of tandem repeats， 可變數(shù)目的可變數(shù)目的 串聯(lián)重復(fù)序列串聯(lián)重復(fù)序列)DNA指紋指紋 ( DNA fingerprints) 把把小衛(wèi)星小衛(wèi)星DNA(VNTR)核心序列串聯(lián)起來核心序列串聯(lián)起來作為分子探針，與不同個(gè)體的作為分子探針，與不同個(gè)體的DNA進(jìn)行進(jìn)行分子雜交，就會呈現(xiàn)出各自特有的雜交分子雜交，就會呈現(xiàn)出各自特有的雜交圖譜，它們與人的指紋一樣，具有專一圖譜，它們與人的指紋一樣，具有專一性和特征性，因人而異，因此

17、被稱作性和特征性，因人而異，因此被稱作“DNA指紋指紋” 。 用小衛(wèi)星用小衛(wèi)星DNA(VNTR)產(chǎn)生產(chǎn)生DNA片段組，片段組，以電泳分離時(shí)，提供的任何個(gè)體的獨(dú)特以電泳分離時(shí)，提供的任何個(gè)體的獨(dú)特模式模式- (DNA fingerprint) DNA可以從犯罪現(xiàn)場的組織和體液中提取可以從犯罪現(xiàn)場的組織和體液中提取(經(jīng)經(jīng)常是血液、精液或毛發(fā)常是血液、精液或毛發(fā))，然后與懷疑對象取，然后與懷疑對象取得的對照樣品比較。得的對照樣品比較。 DNADNA指紋的特點(diǎn)指紋的特點(diǎn) 1 1、多位點(diǎn)性、多位點(diǎn)性2 2、簡單的遺傳方式、簡單的遺傳方式 3 3、高度變異性、高度變異性 應(yīng)用應(yīng)用 : 1 可應(yīng)用在犯罪研究

18、中。可應(yīng)用在犯罪研究中。人類VNTRs的第一個(gè)探針 1985年由Alec Jeffries制備 在肌紅蛋白基因的第一個(gè)內(nèi)含子中分離出132bp的重復(fù)順序，內(nèi)含4個(gè)長33bp的重復(fù)單位，有13bp為核心順序（GGAGGTGGGCAGG）VNTR2 2 幫助確立親子關(guān)系，證實(shí)家譜或顯示個(gè)體的相關(guān)性。幫助確立親子關(guān)系，證實(shí)家譜或顯示個(gè)體的相關(guān)性。SINEsSINEs是短散布核元件是短散布核元件(short interspersed (short interspersed nuclear element)nuclear element) 對應(yīng)于加工的對應(yīng)于加工的7SLRNA7SLRNA假基因的拷貝，它在人類中假基因的拷貝，它在人類中稱為稱為AluAlu元件，在小鼠中是元件，在小鼠中是B1B1元件。元件。轉(zhuǎn)座序列轉(zhuǎn)座序列LINEsLINEs是長散布核元件是長散布核元件 (long interspersed nuclear elements)(long interspersed nuclear elements) 對應(yīng)于稱為對應(yīng)于稱為LINE1(L1)LINE1(L1)的豐富反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的的豐富反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的拷貝拷貝.L1.L1元件最大長度為