生物化學(xué)與分子生物學(xué)：13-真核基因與基因組

Chapter13EukaryoticGeneandGenome基因（gene）是指DNA（少數(shù)為RNA）分子上與遺傳信息貯存或表達(dá)直接相關(guān)的片段?；蚪M（genome）是指攜帶某一生物體全部遺傳信息的核酸（DNA或RNA）?；蚪M的結(jié)構(gòu)是指具有一定生物學(xué)功能的片段在核酸分子上的分布與排列情況?；蚪M的功能是貯存和表達(dá)遺傳信息。Section1StructureandFunctionofEukaryoticGenesDNA是基因的物質(zhì)基礎(chǔ)，基因的功能包括：遺傳信息的貯存；遺傳信息的復(fù)制；遺傳信息的表達(dá)?；蚪M構(gòu)（基因組織，geneorganization）：(1)狹義：指單個(gè)基因的組成結(jié)構(gòu)。一般包含啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、非翻譯序列、編碼序列等。(2)廣義：指一個(gè)完整的生物個(gè)體內(nèi)基因的組織排列方式。一、真核基因的基本結(jié)構(gòu)

TheBasicStructureofEukaryoticGenes在真核生物中，功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因通常在染色體上成簇排列，形成多基因家族，但每個(gè)結(jié)構(gòu)基因都有相對(duì)獨(dú)立的調(diào)控系統(tǒng)。每一結(jié)構(gòu)基因單位均包括編碼區(qū)序列（轉(zhuǎn)錄區(qū)）和非編碼區(qū)序列（調(diào)控區(qū)）。珠蛋白多基因家族的組織結(jié)構(gòu)-類珠蛋白基因家族-類珠蛋白基因家族chromosome11chromosome16真核基因的基本結(jié)構(gòu)大多數(shù)真核基因是斷裂基因大多數(shù)真核生物的結(jié)構(gòu)基因是由若干編碼序列（外顯子）與非編碼序列（內(nèi)含子）互相間隔且連續(xù)鑲嵌而構(gòu)成，這些基因通常被稱為斷裂基因（splitgene）。重要概念：exon

and

intron外顯子

——在斷裂基因及其初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，并表達(dá)為成熟RNA的核酸序列（結(jié)構(gòu)基因中能夠指導(dǎo)多肽鏈合成的編碼序列）。內(nèi)含子

——隔斷基因的線性表達(dá)而在剪接過(guò)程中被除去的核酸序列（結(jié)構(gòu)基因中不能指導(dǎo)多肽鏈合成的非編碼序列）。雞卵清蛋白基因的結(jié)構(gòu)二、基因編碼區(qū)編碼多肽鏈或特定的RNA

TheCodingRegionofaGeneCorrespondstoGuidingPeptideorRNASynthesis真核基因編碼區(qū)的DNA堿基序列可通過(guò)轉(zhuǎn)錄過(guò)程，指導(dǎo)合成特定的RNA分子，包括HnRNA，tRNA，rRNA等。其中，HnRNA可加工為成熟的mRNA分子，并指導(dǎo)特定多肽鏈的合成。相當(dāng)多的真核斷裂基因存在選擇性剪接。因此，同一結(jié)構(gòu)基因可編碼若干不同的多肽鏈。三、基因非編碼區(qū)參與基因表達(dá)調(diào)控

Non-codingRegionofaGeneParticipatesinGeneExpressionRegulation位于真核結(jié)構(gòu)基因上游或下游的非編碼DNA堿基序列，通常參與基因表達(dá)的調(diào)控，故稱為調(diào)控序列。凡與基因表達(dá)調(diào)控相關(guān)的DNA序列，統(tǒng)稱為順式作用元件（cis-actingelement）。常見(jiàn)的順式作用元件包括：?jiǎn)?dòng)子、增強(qiáng)子、沉默子、終止子等。（一）啟動(dòng)子提供轉(zhuǎn)錄起始信號(hào)通常位于結(jié)構(gòu)基因上游，與RNA聚合酶識(shí)別、結(jié)合，形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體并起始轉(zhuǎn)錄有關(guān)的DNA序列被稱為啟動(dòng)子。真核基因啟動(dòng)子分為三類，通常由一些帶共性的保守序列構(gòu)成。重要概念：promoterⅡ類真核基因啟動(dòng)子的結(jié)構(gòu)（二）增強(qiáng)子促進(jìn)基因表達(dá)在遠(yuǎn)離受控基因處存在的，能夠促進(jìn)真核基因啟動(dòng)子工作效率的DNA序列稱為增強(qiáng)子。重要概念：enhancer（三）沉默子抑制基因的表達(dá)位于結(jié)構(gòu)基因附近，可抑制基因轉(zhuǎn)錄水平的DNA序列稱為沉默子（silencer）或負(fù)性增強(qiáng)子。沉默子的特點(diǎn)與增強(qiáng)子類似。Section2StructureandFunctionofEukaryoticGenome真核基因組都是由大分子雙鏈線狀DNA構(gòu)成，這些DNA通常與組蛋白、非組蛋白組成核小體、染色質(zhì)及染色體等復(fù)合體而存在。染色體通常成對(duì)出現(xiàn)（雙倍體）。真核基因組非常龐大，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，有多個(gè)復(fù)制起始位點(diǎn)。一、真核基因組的特點(diǎn)

FeaturesofEukaryoticGenome真核基因組中存在多基因家族和假基因。真核基因組中存在大量的重復(fù)序列以及非編碼序列，非編碼序列可占90%以上。真核基因組中也存在一些可移動(dòng)的DNA序列（轉(zhuǎn)座元件），但這些序列無(wú)明確的生物學(xué)功能。真核生物基因組中通常存在大量的重復(fù)序列，可占整個(gè)基因組DNA的90%以上。采用復(fù)性動(dòng)力學(xué)方法來(lái)研究真核生物基因組時(shí)，可按其復(fù)性速率的快慢或出現(xiàn)頻率的高低，將這些重復(fù)序列分為高度重復(fù)序列，中度重復(fù)序列和單拷貝序列三大類。

二、真核基因組中存在大量重復(fù)序列

AlotofrepeatSequencecanbeFoundinEukaryoticGenome（一）高度重復(fù)序列高度重復(fù)序列在基因組中重復(fù)頻率高，可達(dá)百萬(wàn)次，因此復(fù)性速率很快。高度重復(fù)序列在基因組中所占比例隨種屬而異，一般在1～30%范圍內(nèi)。人基因組中的高度重復(fù)序列約占整個(gè)基因組的20%左右。高度重復(fù)序列按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為三種：反向重復(fù)序列（invertedrepeats）：反向重復(fù)序列的長(zhǎng)度一般在300～600bp范圍內(nèi)，分散于整個(gè)基因組中。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是由兩個(gè)相同順序的互補(bǔ)拷貝在同一DNA雙鏈上反向排列而成。當(dāng)反向重復(fù)序列的雙鏈DNA分離后，每一條單鏈內(nèi)的回排部分可通過(guò)鏈內(nèi)氫鍵相連，形成發(fā)卡結(jié)構(gòu)或十字架結(jié)構(gòu)。反向重復(fù)序列及其發(fā)卡/十字架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單重復(fù)序列（simplerepeats）：

是一類非編碼區(qū)串聯(lián)重復(fù)序列，即衛(wèi)星DNA（satelliteDNA）。衛(wèi)星DNA的堿基組成不同于其它部分，故可用等密度梯度離心法從基因組中分離出來(lái)。衛(wèi)星DNA的重復(fù)單位一般由2～10bp組成，成串排列。衛(wèi)星DNA占基因組的比例隨種屬而異，在0.5～31%范圍內(nèi)。衛(wèi)星DNA人類基因組中可分離出3類衛(wèi)星DNA，共占人類基因組的5~6%：大衛(wèi)星DNA（macrosatelliteDNA）：其重復(fù)單位為5~171bp，主要分布于染色體的著絲粒區(qū)。小衛(wèi)星DNA（minisatelliteDNA）：其重復(fù)單位為15~70bp，存在于常染色體。微衛(wèi)星DNA（microsatelliteDNA）：其重復(fù)單位為2~5bp，存在于常染色體。復(fù)雜重復(fù)序列（complexrepeats）：這種高度重復(fù)序列的重復(fù)單位是較為復(fù)雜的核苷酸序列，多見(jiàn)于哺乳類動(dòng)物。高度重復(fù)序列的生物學(xué)功能主要有：參與復(fù)制水平的調(diào)節(jié)。參與基因表達(dá)的調(diào)控。參與染色體配對(duì)。參與轉(zhuǎn)位作用。（二）中度重復(fù)序列：中度重復(fù)序列是指在基因組中重復(fù)十幾次至幾十萬(wàn)次的部分，其復(fù)性速率快于單拷貝序列，但慢于高度重復(fù)序列。中度重復(fù)序列在基因組中所占比例在不同種屬之間差異很大，一般為12～35%，人類基因組中約占12%。中度重復(fù)序列中有些屬于結(jié)構(gòu)基因，如rRNA基因、組蛋白基因、免疫球蛋白基因、tRNA基因等，這些結(jié)構(gòu)基因常常以串聯(lián)形式排列在基因組中，故也屬于串聯(lián)重復(fù)序列；另一些中度重復(fù)序列則屬于轉(zhuǎn)座元件。中度重復(fù)序列中，典型的編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因是組蛋白基因。各種生物組蛋白基因在基因組中重復(fù)頻率不同。如海膽中的組蛋白基因重復(fù)300～1000次，果蠅的重復(fù)約110次，人的組蛋白基因重復(fù)30～40次。不同物種中的組蛋白基因真核基因組中，屬于轉(zhuǎn)座元件的中度重復(fù)序列主要包括短散在核元件（shortinterspersednuclearelements，SINEs）和長(zhǎng)散在核元件（longinterspersednuclearelements，LINEs）。典型的短散在核元件（SINEs）是靈長(zhǎng)類所特有的Alu重復(fù)序列家族，因在其序列中存在限制酶Alu的切點(diǎn)而得名。Alu家族的重復(fù)單位為300bp，由兩段130bp的重復(fù)序列與一段31bp的間隔序列構(gòu)成，兩側(cè)各有一段6~20bp的正向重復(fù)序列，類似于轉(zhuǎn)座元件的靶位點(diǎn)。因此，Alu家族可通過(guò)逆轉(zhuǎn)錄機(jī)制進(jìn)行轉(zhuǎn)座。Alu家族的重復(fù)單位Alu家族的功能是多方面的，可能參與hnRNA的加工與成熟，也與遺傳重組及染色體不穩(wěn)定性有關(guān)。最近研究表明，Alu順序可能具有轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)作用。典型的長(zhǎng)散在核元件（LINEs）是KpnⅠ重復(fù)序列家族，因在其序列中存在限制酶KpnⅠ的切點(diǎn)而得名。KpnⅠ家族的重復(fù)單位一般為6~7kb或更長(zhǎng)，其兩側(cè)也各有一段正向重復(fù)序列，功能上與Alu家族相似。（三）單拷貝序列單拷貝序列在基因組中只出現(xiàn)一次或幾次，因此復(fù)性速率很慢。單拷貝序列通常是結(jié)構(gòu)基因，它代表了巨大的遺傳信息。

真核基因組中的重復(fù)序列三、真核基因組中存在大量的多基因家族與假基因

ManyMultigeneFamilyandPseudogenecanbeFoundinEukaryoticGenome多基因家族（multigenefamily）——指DNA序列具有較高的同源性（通常大于50%），并且其編碼產(chǎn)物具有相同或相似生理功能的一組結(jié)構(gòu)基因。多基因家族中的基因通常是由同一祖先基因經(jīng)進(jìn)化或變異而來(lái)。多基因家族可分為兩類：基因家族成簇地分布在同一染色體上并同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，如組蛋白基因家族。chromosome7基因家族成簇地分布于不同的染色體上并分別進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，且不同基因編碼的蛋白質(zhì)在功能上相關(guān)，如珠蛋白基因家族。-類珠蛋白基因家族-類珠蛋白基因家族chromosome11chromosome16假基因（pseudogene）——又稱為加工基因或非功能基因，以Ψ來(lái)表示。這類基因的核苷酸順序雖然與正常的結(jié)構(gòu)基因很相似，但基本上不能表達(dá)。人血紅蛋白基因家族中的假基因（ψ）-類珠蛋白基因家族-類珠蛋白基因家族chromosome11chromosome16假基因是由于在進(jìn)化過(guò)程中，某些DNA片段發(fā)生了缺失、倒位或點(diǎn)突變，導(dǎo)致調(diào)控基因丟失；或無(wú)剪接加工信號(hào)；或編碼區(qū)出現(xiàn)終止信號(hào)；或編碼無(wú)功能或不完整的基因。四、線粒體DNA的結(jié)構(gòu)有別于染色體DNA

TheStructureofMitochondrialDNAisDifferentfromChromosomalDNA線粒體DNA（mitochondrialDNA,mtDNA）屬于真核細(xì)胞核外遺傳物質(zhì)，可獨(dú)立編碼存在于線粒體中的多肽鏈、rRNA或tRNA。mtDNA為雙鏈環(huán)狀DNA，其分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與原核生物DNA相同。人mtDNA長(zhǎng)16,569bp，含37個(gè)結(jié)構(gòu)基因，編碼13種蛋白、22種tRNA和2種rRNA。這13種蛋白為呼吸鏈酶復(fù)合物的單位。五、人基因組中有兩萬(wàn)多個(gè)編碼蛋白質(zhì)的基因

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