基因和基因組課件1

第三章基因和基因組1ppt課件.基因？2ppt課件.

順反子通過順反試驗確定，如兩個位點可以互補，則不屬于一個順反子；如兩個位點不可以互補，則屬于同一個順反子。上圖為突變發(fā)生在相同基因無互補，下圖為突變發(fā)生在不同基因，圖中藍(lán)條表示基因，紅點表示突變位點。3ppt課件.中心法則修改后的中心法則4ppt課件.1961年Jacob和Monod提出操縱子學(xué)說，和結(jié)構(gòu)基因、調(diào)節(jié)基因、操縱基因等概念。

結(jié)構(gòu)基因(Structuregene)是指為蛋白質(zhì)或RNA編碼的基因，結(jié)構(gòu)基因的突變可導(dǎo)致蛋白質(zhì)或RNA一級結(jié)構(gòu)的改變。結(jié)構(gòu)基因的5'-端非編碼區(qū)(5'-untranslatedregion,5'-UTR)包括RNA聚合酶的識別和結(jié)合位點，被稱作啟動子(Promoter)，結(jié)構(gòu)基因的3'-非編碼區(qū)(3'-UTR)包括促使轉(zhuǎn)錄終止的終止子(terminator)序列，和真核生物的加尾信號等。

調(diào)節(jié)基因(regulatorgene)的功能是產(chǎn)生調(diào)控蛋白質(zhì)，調(diào)控結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。

操縱基因(operatorgene)的功能是與調(diào)控蛋白質(zhì)結(jié)合，控制結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。調(diào)節(jié)基因和操縱基因的突變會影響一個或多個基因的表達(dá)活性。5ppt課件.基因的基本結(jié)構(gòu)5’、、、AGCCGACTATGTCGAAGCTT、、、、、、GCTTGACTATAAGACA、、、3’3‘、、、TCGGCTGATACAGCTTCTAA、、、、、、CGAACTGATATTCTGT、、、5‘轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)貯存RNA或蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)信息區(qū)轉(zhuǎn)錄終止區(qū)6ppt課件.3.1基因（gene）的概念狹義：基因是核酸中貯存遺傳信息的遺傳單位，是編碼多肽鏈或RNA所必需的全部核苷酸序列，以及為保證轉(zhuǎn)錄所必需的調(diào)控序列，和編碼區(qū)上游5’-端和下游3’-端的非編碼序列。廣義：DNA或RNA分子中有特定遺傳功能的一段序列。從生化學(xué)上來說指的是一段DNA或RNA（病毒）順序，該順序可以產(chǎn)生或影響某種表型，可以由于突變生成等位基因變異體。從遺傳學(xué)上來說代表1個遺傳單位、1個功能單位、1個交換單位或1個突變單位。

7ppt課件.3.2基因的類型3.2.1基因家族和基因簇

基因家族(genefamily)是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?；蚣易甯鞒蓡T序列上具有相關(guān)性，但相似的程度以及組織方式不同?；蚣易蹇赡苡赡骋还餐嫦然?ancestralgene)經(jīng)重復(fù)(duplication)和突變產(chǎn)生。8ppt課件.按照基因家族的成員在染色體上的分布，可以將基因家族分成兩類。

串聯(lián)重復(fù)基因(tandemlyrepeatedgenes)，成簇的基因家族(clusteredgenefamily)，或基因簇(genecluster)，是基因家族的各成員緊密成簇排列而成的串聯(lián)重復(fù)單位，定位于染色體的特殊區(qū)域。在染色體上的分布相對集中。

分散的基因家族(interspersedgenefamily)，其家族成員在DNA上無明顯的物理聯(lián)系，甚至分散在多條染色體上，各成員在序列上有明顯的差別。9ppt課件.按照家族中各成員的序列相似程度分為：簡單得多基因家族：序列高度同源，同一轉(zhuǎn)錄單元重復(fù)排列成基因簇如rRNA基因復(fù)雜的多基因家族：幾個功能相關(guān)基因，串聯(lián)重復(fù)排列，不同轉(zhuǎn)錄單元，如組蛋白基因家族受發(fā)育調(diào)控的多基因家族：復(fù)雜多基因家族，在染色體上排列順序與其發(fā)育過程中的表達(dá)順序相關(guān)。10ppt課件.基因超家族（genesuperfamily）

基因超家族是指一組由多基因家族及單基因家族組成的更大的基因家族。它們的結(jié)構(gòu)有程度不等的同源性，因此它們可能起源于相同的祖先基因，但是它們的功能并不一定相同，這一點正是與多基因家族的差別所在。這些基因在進(jìn)化上也有親緣關(guān)系，但親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，故將其稱為基因超家族。11ppt課件.3.2.1.1簡單的多基因家族

家族中各基因的全序列或至少編碼序列具有高度的同源性，如rRNA基因家族。真核生物的rRNA基因串聯(lián)重復(fù)排列在一段很長的DNA區(qū)域內(nèi)。重復(fù)單位內(nèi)rRNA基因轉(zhuǎn)錄區(qū)的序列幾近相同，而非轉(zhuǎn)錄的間隔序列則有所不同。在低等真核生物如酵母的rRNA基因家族中，28S,18S,5.8S和5SrRNA基因構(gòu)成一個轉(zhuǎn)錄單元，而高等真核生物的5SrRNA基因則單獨作為一個基因家族排列在其它部位。每個轉(zhuǎn)錄單元重復(fù)排列成基因簇，基因之間由可轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū)(TS)分開，各轉(zhuǎn)錄單元之間由不可轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū)(NTS)分開(圖3-1)。

12ppt課件.3.2.1.2復(fù)雜的多基因家族

復(fù)雜的多基因家族由幾個相關(guān)基因構(gòu)成獨立的轉(zhuǎn)錄單元，家族間由間隔序列分開。例如，組蛋白基因的5個成員(H1,H2A,H2B,H3,H4)就屬于這一類型。人類組蛋白基因分布在第7號染色體，拷貝數(shù)為30～40個。13ppt課件.3.2.1.3受發(fā)育調(diào)控的復(fù)雜多基因家族：人類珠蛋白基因家族基因排列的次序與它們在個體發(fā)育階段基因表達(dá)的先后次序一致。在α家族中，ξ（Xi）基因在胚胎早期(前8周)表達(dá)，胎兒期(8周后)關(guān)閉，α2和α1在胎兒(8周后)和成人期都表達(dá)。在β家族中，ε基因排在最前面，在胚胎早期(8周內(nèi))表達(dá)，之后關(guān)閉。Gγ和Aγ基因在胎兒期表達(dá)，出生前表達(dá)量逐漸衰減，而出生后并不完全關(guān)閉，仍然少量表達(dá)。δ基因在胚胎期和成年期都有少量表達(dá)。β基因在胚胎期開始表達(dá)，表達(dá)量逐漸增加，是成人階段表達(dá)的主要基因(表3-1)。14ppt課件.16號染色體11號染色體15ppt課件.3.2.1.4超基因家族

超家族基因(genesuperfamily)是指一組由多個基因家族組成的更大的基因家族。在高等真核細(xì)胞內(nèi)，有些基因簇內(nèi)含有數(shù)百個功能相關(guān)的基因，它們是由基因擴(kuò)增后結(jié)構(gòu)上的輕微變化而形成的，在結(jié)構(gòu)上有著不同程序的同源性。這些基因或保持了原始基因的基本功能，或進(jìn)化產(chǎn)生了某些新功能。目前已發(fā)現(xiàn)了很多的超基因家族，典型的例子有免疫球蛋白超基因家族、核受體超基因家族、細(xì)胞因子超基因家族等。

免疫球蛋白(immunoglobin,Ig)超基因家族包括β2微球蛋白、MHCI類α鏈、II類α和β鏈、T細(xì)胞受體(TCR)的α鏈和β鏈、CD4和CD8等與免疫有關(guān)的大分子。還有許多與免疫反應(yīng)無關(guān)的蛋白質(zhì)分子，如IgE受體α亞基，神經(jīng)黏附分子L-1，白細(xì)胞介素IL-1和IL-6的受體等。16ppt課件.Superfamilyisasetofgenesallrelatedbypresumeddescentfromacommonancestor,butnowshowingconsiderablevariation.

Immunoglobulintypeandfunctionisdeterminedbytheheavychain.JisajoiningproteininIgMandIgA;allotherIgtypesexistastetramers.17ppt課件.3.2.2假基因（pseudogene)

假基因：在多基因家族中，某些與正常功能基因在核苷酸序列上相似，但不能轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后生成無功能基因產(chǎn)物的DNA序列，被稱為假基因。

假基因常用符號ψ表示，如ψα1

表示與α1

相似的假基因.

假基因與有功能的基因同源,原來也可以是有功能的基因,由于發(fā)生缺失(deletion)、例位(inversion)或點突變（pointmutaion）等，成為無功能的基因，即形成了假基因，哺乳動物基因組中的1/4基因為假基因，可能為進(jìn)化的痕跡。(假基因的產(chǎn)生，基因重排？反轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生？假基因有無可能變?yōu)橛泄δ芑?18ppt課件.

傳統(tǒng)的基因概念把基因看作彼此獨立的、非重疊的實體。但是，隨著DNA測序技術(shù)的發(fā)展，在一些噬菌體和動物病毒中發(fā)現(xiàn)，不同基因的核苷酸序列有時是可以共用的。也就是說，它們的核苷酸序列是彼此重疊的。這種具有獨立性但部分序列彼此重疊的基因稱重疊基因(overlappinggenes)或嵌套基因(nestedgenes)。

近年來的研究發(fā)現(xiàn)，重疊基因在真核生物中是廣泛存在的。值得注意的是，高等真核生物中既存在大量的非編碼序列，又普遍存在重疊基因，其生物學(xué)意義目前所知甚少，有待于進(jìn)一步深入研究。3.2.3重疊基因19ppt課件.3.2.4移動基因

移動基因(movablegenes)又稱轉(zhuǎn)座因子(transposableelements)。由于它可以從染色體的一個位置轉(zhuǎn)移到另一個位置，甚至在不同染色體之間轉(zhuǎn)移，因此也稱跳躍基因(jumpinggenes)。關(guān)于移動基因的詳細(xì)介紹見第6章。20ppt課件.3.2.5斷裂基因3.2.5.1斷裂基因的概念過去人們一直認(rèn)為，基因是連續(xù)不斷地排列在一起一段DNA序列。但是對真核生物編碼基因的研究發(fā)現(xiàn)，在編碼序列中間插有非編碼的DNA間隔區(qū)，這些間隔區(qū)稱為內(nèi)含子(intron)；而編碼區(qū)則稱為外顯子(exon)。含有內(nèi)含子的基因稱為不連續(xù)基因或斷裂基因(splitgenes)。21ppt課件.mRNA的前體是核內(nèi)不均一RNA，實驗證據(jù)P47（如何發(fā)現(xiàn)的，雜交、限制性酶切圖譜）不連續(xù)基因是普遍現(xiàn)象（原核極為少見，古細(xì)菌和噬菌體中發(fā)現(xiàn)了斷裂基因）斷裂基因共性：外顯子排列順序與產(chǎn)物相同，在不同組織中其內(nèi)含子成分相同，內(nèi)含子突變不影響蛋白產(chǎn)物22ppt課件.

斷裂基因是Roberts和Sharp于1997年在研究腺病毒六鄰體外殼蛋白質(zhì)的mRNA時首先發(fā)現(xiàn)的，病毒DNA與它的mRNA進(jìn)行分子雜交時，在電鏡下觀察到未與mRNA配對的DNA形成多個突環(huán)，稱R環(huán)。R環(huán)的形成說明腺病毒外殼蛋白質(zhì)的基因具有mRNA中不存在的序列，這些序列就是內(nèi)含子。

圖3-5中的(a)為電子顯微鏡照片，(b)為對電子顯微鏡照片進(jìn)行解釋的示意圖，(c)為腺病毒六鄰體外殼蛋白質(zhì)基因結(jié)構(gòu)的示意圖。后來發(fā)現(xiàn)，雞卵清蛋白質(zhì)的基因與其mRNA雜交也會出現(xiàn)與其內(nèi)含子數(shù)對應(yīng)的7個R環(huán)。23ppt課件.

研究斷裂基因的另一個方法是比較基因組DNA和cDNA的限制性核酸內(nèi)切酶圖譜。cDNA是由成熟的mRNA通過逆轉(zhuǎn)錄生成的，因而不含內(nèi)含子。若用相同的限制性核酸內(nèi)切酶水解基因組DNA和cDNA，在同樣的條件下進(jìn)行凝膠電泳，如果內(nèi)含子中有限制性核酸內(nèi)切酶的水解位點，基因組DNA的電泳圖譜中就會有相應(yīng)的條帶，而cDNA電泳圖譜中的相應(yīng)條帶則會缺失。研究發(fā)現(xiàn)，斷裂基因在表達(dá)時首先轉(zhuǎn)錄成初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，即前體mRNA，然后經(jīng)過后加工，除去內(nèi)含子序列的轉(zhuǎn)錄物，成為成熟的mRNA分子。這種刪除內(nèi)含子、連接外顯子的過程，稱為RNA拼接或剪接。24ppt課件.ComparisonoftherestrictionmapsofcDNAandgenomicDNAformouseβ-globinshowsthatthegenehastwointronsthatarenotpresentinthecDNA.TheexonscanbealignedexactlybetweencDNAandgene.

通過比較cDNA與基因組DNA的限制性核酸內(nèi)切酶圖譜，也可以分析內(nèi)含子的數(shù)量。25ppt課件.

Theovalbumingene,shownhere,hasintronsAtoGandexons1to7andL(Lencodesasignalpeptidesequencethattargetstheproteinforexportfromthecell).Aboutthree-quartersoftheRNAisremovedduringprocessing.PolIIextendstheprimarytranscriptwellbeyondthecleavageandpolyadenylationsite(“extraRNA”)beforeterminatingtranscription.TerminationsignalsforPolIIhavenotyetbeendefined.OverviewoftheprocessingofaeukaryoticmRNA26ppt課件.3.2.5.2斷裂基因的分子進(jìn)化

在真核生物的進(jìn)化過程中，斷裂基因的比例在逐漸增加。低等真核生物釀酒酵母中的大多數(shù)基因是連續(xù)的。在高等真核生物中，開始出現(xiàn)長基因，蠅類和哺乳動物基因很少小于2kb，大多數(shù)長度在5～100kb，含有幾個到幾十個內(nèi)含子。但當(dāng)基因的長度大到一定程度后，DNA的復(fù)雜性與生物的復(fù)雜性之間開始失去對應(yīng)關(guān)系。例如，雖然屬于同一個門，家蠅細(xì)胞的DNA總量卻是果蠅的6倍。在較高等的真核生物中，基因大小主要取決于內(nèi)含子的長度，與外顯子的大小和數(shù)目關(guān)系不大。動物細(xì)胞的內(nèi)含子一般為80～100kb，平均1127bp，有保守的分支點序列及多聚嘧啶區(qū)段。植物細(xì)胞的內(nèi)含子較短，一般為80～2000bp，平均183bp。27ppt課件.

DHFR（二氫葉酸還原酶）有一個較大的基因，由6個外顯子組成，相對應(yīng)mRNA長度為2000bp，但是它的DNA序列卻十分長，這是由于它的內(nèi)含子非常長的緣故，在三種哺乳動物中，外顯子基本保持一樣，內(nèi)含子的相對位置也不改變，但長度變化卻非常大，這就導(dǎo)致了基因長度范圍為25～31kp。MammaliangenesforDHFRhavethesamerelativeorganizationofrathershortexonsandverylongintrons,butvaryextensivelyinthelengthsofcorrespondingintrons.28ppt課件.

在基因的進(jìn)化中，可能發(fā)生外顯子的復(fù)制，結(jié)果在結(jié)構(gòu)基因內(nèi)出現(xiàn)了重復(fù)序列。在雞的膠原蛋白質(zhì)基因中，一個54bp的外顯子多次重復(fù)，某些外顯子累積突變，失去編碼功能，就可能轉(zhuǎn)化為內(nèi)含子。

外顯子作一種功能模塊，可以組裝到不同的基因內(nèi)。因此，在基因進(jìn)化中，經(jīng)常發(fā)生著外顯子在不同基因之間的復(fù)制、遷移和吸納。例如，在多種脫氫酶的基因內(nèi)，均有幾乎相同的與輔酶結(jié)合或脫氫酶催化區(qū)域功能有關(guān)的外顯子結(jié)構(gòu)。另一個典型的例子是人類低密度脂蛋白質(zhì)(lowdensitylipoprotein,LDL)受體與其他蛋白質(zhì)之間的關(guān)系。LDL受體基因由18個外顯子構(gòu)成，中間的幾個外顯子也出現(xiàn)在生長因子前體的基因內(nèi)，其N端的幾個外顯子也為血蛋白質(zhì)互補因子C9編碼。29ppt課件.TheLDLreceptorgeneconsistsof18exons,someofwhicharerelatedtoEGFprecursorandsometotheC9bloodcomplementgene.Trianglesmarkthepositionsofintrons.OnlysomeoftheintronsintheregionrelatedtoEGFprecursorareidenticalinpositiontothoseintheEGFgene.LDL（低密度脂蛋白）受體基因的中心部分的一系列外顯子和EGF（表皮生長因子）前體基因同源，在其N端的外顯子序列和血蛋白補充因子C9的基因同源，這說明LDL基因中一系列不同功能的組份組合而具備了新的功能，而這些組份也存在于別的蛋白中。30ppt課件.

產(chǎn)生新基因的另一種方式是某些內(nèi)含子插入到外顯子內(nèi)，使外顯子變得更小，或?qū)?nèi)含子切除，使外顯子變得更大。例如，珠蛋白超家族包括血紅蛋白(hematoglobin)、肌紅蛋白(myoglobin)和豆血紅蛋白(leghemoglobin)，以及其它血紅素結(jié)合蛋白。血紅蛋白分子是由2個α-珠蛋白和2個β-珠蛋白分子構(gòu)成的四聚體。肌紅蛋白為單體，結(jié)構(gòu)類似于珠蛋白。豆血紅蛋白類似于肌紅蛋白，可能是珠蛋白相關(guān)基因的共同祖先。肌紅蛋白和珠蛋白基因內(nèi)第2外顯子負(fù)責(zé)與血紅素結(jié)合，而豆血紅蛋白不同于珠蛋白和肌紅蛋白，它的基因有3個內(nèi)含子，其中第2內(nèi)含子把血紅素結(jié)合域的外顯子又分隔成2個外顯子。可能的進(jìn)化途徑是，豆血紅蛋白丟失內(nèi)含子，使珠蛋白或肌紅蛋白的兩個外顯子融合成了一個。31ppt課件.Theratinsulingenewithoneintronevolvedbylosinganintronfromanancestorwithtwointerruptions.

哺乳動物（除了嚙齒類）和鳥類編碼胰島素的基因是由同一基因演化分離而來的。雞的胰島素基因有2個內(nèi)含子，大鼠的其中一個基因與之有相同的結(jié)構(gòu)。這個共同性說明胰島素最初有2個內(nèi)含子，而大鼠的另一個基因只含有1個內(nèi)含子，說明它在演化過程中首先進(jìn)行復(fù)制，然后從一個拷貝中精確地移去了一個內(nèi)含子。32ppt課件.

原始的魚類只有一種珠蛋白鏈，硬骨魚和兩棲類有連鎖的α基因和β基因，說明在大約5億年前,硬骨魚進(jìn)化期間，珠蛋白祖先基因倍增，并變異形成了α基因和β基因。哺乳類和鳥類是在約3.5億年前同兩棲類分開的，α基因和β基因的分開應(yīng)在此之前，也許發(fā)生在2.7億年前(圖3-7)。隨后，突變引起的趨異進(jìn)化形成了α基因簇和β基因簇的各個成員。β和δ珠蛋白基因間置換位點的差別是3.7%，單位進(jìn)化時間，即產(chǎn)生1%差異所需的百萬年數(shù)為10.4，估算趨異的時間為10.4×3.7百萬年，大約在4000萬年前。γ和ε基因間置換位點的趨異度為9.6%，估算趨異的時間大約在1億年前(圖3-8)。33ppt課件.Actin(肌動蛋白)genesvarywidelyintheirorganization.Thesitesofintronsareindicatedinpurple;thenumberidentifiesthecodoninterruptedbytheintron.34ppt課件.

根據(jù)內(nèi)含子的保守序列組分、二級結(jié)構(gòu)以及剪接機(jī)制可將其分為4種類型。I型內(nèi)含子主要出現(xiàn)在細(xì)菌、真菌線粒體和低等真核生物的rRNA基因中，估計出現(xiàn)于35億年前，主要特點是具有自我剪接能力。II型內(nèi)含子的特點是轉(zhuǎn)錄初始產(chǎn)物自我剪接時，能形成套索結(jié)構(gòu)(lariat)，可能與I型內(nèi)含子同時或稍后出現(xiàn)。III型內(nèi)含子存在于大多數(shù)真核生物編碼蛋白質(zhì)的基因中，其RNA產(chǎn)物在剪接時需要有酶和蛋白質(zhì)的參與，應(yīng)在真核生物出現(xiàn)之后，即7億～10億年出現(xiàn)。IV型內(nèi)含子出現(xiàn)在tRNA中，剪接時，由內(nèi)切酶切除內(nèi)含子，連接酶連接外顯子，應(yīng)在真細(xì)菌和真核生物分化之前，即大約17億年前出現(xiàn)。35ppt課件.內(nèi)含子比外顯子變化快

用重復(fù)基因的內(nèi)含子片段和外顯子片段分別作探針，進(jìn)行分子雜交實驗發(fā)現(xiàn)，重復(fù)基因之間的外顯子序列著很大的同源性，但內(nèi)含子序列幾乎沒有同源性。說明在進(jìn)化過程中，相關(guān)基因的內(nèi)含子比外顯子變化快得多。雖然突變以相同的頻率發(fā)生在外顯子和內(nèi)含子上，但發(fā)生在外顯子上的突變將使基因編碼的產(chǎn)物喪失功能，導(dǎo)致生物體無法通過自然選擇，這種突變就被淘汰了。而內(nèi)含子由于沒有編碼功能，可以自然的累積各種突變，導(dǎo)致它產(chǎn)生了較大的變化。36ppt課件.

外顯子的差異主要由于堿基替代造成的，在被翻譯的序列內(nèi)，若突變會引起AA序列的改變，則相應(yīng)的生物可能在進(jìn)化中被淘汰。許多保留下來的變化并未影響密碼子的含義，因為這些發(fā)生變化的堿基常是密碼子的第三個堿基，或在非翻譯序列（如5'-端和3'-端序列）中。而在內(nèi)含子中，序列變化多是由于堿基插入或缺失或替換造成的。內(nèi)含子演化的速度比外顯子快得多，不同物種相同基因相比較，有時發(fā)現(xiàn)外顯子是同源的，而內(nèi)含子卻有很大差異。在內(nèi)含子、外顯子中突變速率是相同的，但外顯子通過自然選擇不易保留突變，而內(nèi)含子由于不編碼AA，可以自由地發(fā)生突變，通過不斷積累最終導(dǎo)致巨大差別，這種差異也說明了內(nèi)含子不具備序列特異性這個特征。37ppt課件.3.2.5.3斷裂基因的生物學(xué)意義

(1)增加基因表達(dá)產(chǎn)物的多樣性-RNA選擇性剪接

(2)促進(jìn)重組

(3)增加基因組的復(fù)雜性

(4)有些內(nèi)含子含有可讀框(ORF)(5)有些內(nèi)含子含有部分剪接信號

(6)有些內(nèi)含子對基因表達(dá)有影響38ppt課件.3.3基因組3.3.1基因組的概念

基因組(genome)指的是細(xì)胞或生物體全套染色體中所有的DNA，包括所有的基因和基因之間的間隔序列。

原核生物基因組就是其細(xì)胞內(nèi)構(gòu)成染色體的DNA分子，

真核生物的核基因組是指單倍體細(xì)胞核內(nèi)整套染色體所含有的DNA分子。核基因組+細(xì)胞器基因組（動物細(xì)胞線粒體基因組偶或植物細(xì)胞的葉綠體基因組。39ppt課件.物種基因組大小（bp）基因數(shù)目平均外顯子數(shù)平均基因長度(kb)平均mRNA長度(kb)大腸桿菌4.2×1064288010.95酵母1.3×107610011.41.4果蠅1.4×10813600411.32.7哺乳動物3.3×109約30000716.62.2表3-2不同生物的基因數(shù)目和大小表3.2總結(jié)了一些生物體的平均基因大小，可以看出從低等到高等真核生物的mRNA的平均大小略有增加，而平均外顯子數(shù)目則明顯增加。可見，真核生物基因的大小在很大程度上取決于內(nèi)含子的數(shù)目和長度。40ppt課件.

真核生物單倍基因組所包含的全部DNA量是相對恒定的，稱該物種的C值(C-value)。隨著生物的進(jìn)化，生物體的結(jié)構(gòu)和功能越復(fù)雜，其C值就越大。41ppt課件.

另一方面，生物體復(fù)雜性和C值之間的關(guān)系也有令人不解的現(xiàn)象。一些物種C值的變化范圍很窄，如鳥類、爬行類和哺乳動物各門內(nèi)C值的變化范圍只有約2倍。但大多數(shù)昆蟲、兩棲動物和植物的C值可以相差數(shù)十倍乃至上百倍。突出的例子是肺魚和百合屬植物，具有比人類大得多的C值，兩棲動物C值小的在109bp以下，大的則高達(dá)1011bp，而哺乳動物的C值均為109bp數(shù)量級。真核生物的C值與生物體復(fù)雜性之間對應(yīng)關(guān)系的的反常現(xiàn)象稱C值悖理(Cvalueparadox)。42ppt課件.43ppt課件.3.3.2病毒的基因組病毒的基本結(jié)構(gòu)是由外殼蛋白質(zhì)包裹著里面的遺傳物質(zhì)核酸。病毒進(jìn)入活的易感宿主細(xì)胞后，以其基因組核酸為模板，借助于宿主細(xì)胞本身提供的原料，消耗宿主細(xì)胞的能量，以自我復(fù)制的方法進(jìn)行繁殖。根據(jù)病毒基因組的核酸類型，將病毒分為DNA病毒和RNA病毒。根據(jù)宿主的不同，病毒又可分為動物病毒、植物病毒和噬菌體。不同類型的病毒，有不同的復(fù)制方式。

病毒是分子生物學(xué)研究中的重要模式物種。44ppt課件.3.3.2.1病毒基因組的一般特點病毒核酸的大小僅為細(xì)菌基因組的0.1%～10%，病毒基因組具有以下結(jié)構(gòu)特點：

(1)基因組很小，只能編碼少數(shù)的蛋白質(zhì)。有基因重疊，即同一個DNA序列可以編碼2種或2種以上的蛋白質(zhì)。

(2)病毒基因組可以由DNA或RNA組成，但一種病毒不會既含有DNA，又含有RNA。核酸的結(jié)構(gòu)可以是單鏈或雙鏈、閉合環(huán)狀或線狀分子。

(3)基因之間的間隔序列(spacersequence)非常短，非編碼區(qū)只占基因組的很小部分。

(4)功能上相關(guān)的基因一般集中成簇，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物一般多為順反子mRNA，之后加工成各個蛋白質(zhì)的mRNA。

(5)噬菌體的基因是連續(xù)的，但大多數(shù)真核細(xì)胞的病毒都含有不連續(xù)基因。除正鏈RNA病毒外，真核細(xì)胞病毒的基因一般先轉(zhuǎn)錄成mRNA的前體，再經(jīng)剪接才能成為成熟的mRNA。所以，真核細(xì)胞病毒基因的特性更像真核生物基因。45ppt課件.3.3.2.2病毒的核酸病毒的DNA多數(shù)為雙鏈結(jié)構(gòu)(dsDNA)，如腺病毒。也有單鏈DNA(ssDNA)，如微小病毒科的病毒。病毒的RNA多數(shù)為單鏈線狀結(jié)構(gòu)，少數(shù)呈雙鏈結(jié)構(gòu)。不少RNA病毒含有多個RNA片段，例如呼腸孤病毒(reovirus)有10個雙鏈RNA片段，輪狀病毒有11個雙鏈RNA片段，流感病毒有8個單鏈RNA片段。如果病毒的單鏈RNA可直接作為mRNA，則稱為正鏈RNA。若病毒以其RNA鏈的互補序列作為mRNA，則稱為負(fù)鏈RNA。負(fù)鏈RNA病毒感染宿主細(xì)胞后，需要合成與其基因組RNA互補的RNA，這一過程由依賴于RNA的RNA聚合酶(RNA-dependentRNApolymerase)催化，但此酶在宿主細(xì)胞內(nèi)不存在，而是由病毒顆粒攜帶的。因此，只有用完整的負(fù)鏈RNA病毒顆粒感染宿主細(xì)胞，才能復(fù)制病毒。46ppt課件.positive

strand

virusnegativestrandvirus47ppt課件.λ噬菌體48ppt課件.3.3.2.3λ噬菌體的基因組

λ噬菌體的基因組大小為4.85×104bp，包括46個基因，分為頭部基因、尾部基因、調(diào)控(免疫)區(qū)、復(fù)制控制區(qū)和晚期基因調(diào)控區(qū)等區(qū)域(圖3-9)。λ噬菌體依賴宿主細(xì)胞的RNA聚合酶合成3組RNA產(chǎn)物，有兩種不同的結(jié)果，即裂解生長和溶原性反應(yīng)。用外源DNA替代λ噬菌體基因組內(nèi)與溶原化有關(guān)的基因區(qū)段(如整合基因int、切離基因xis和附著位點att等)，可構(gòu)建重組DNA分子，在基因工程和基因文庫構(gòu)建方面有廣泛的應(yīng)用。49ppt課件.3.3.2.4ΦX174噬菌體基因組

ΦX174噬菌體基因組是單鏈環(huán)狀DNA，含5386個核苷酸。共11個基因，構(gòu)成3個轉(zhuǎn)錄單元，從3個轉(zhuǎn)錄啟動子Pa、Pb和Pd分別開始轉(zhuǎn)錄基因A、B和D。在基因A和H之間有一強(qiáng)終止信號，所有轉(zhuǎn)錄均可在此位置終止。在基因J和F之間有一個弱終止信號，部分轉(zhuǎn)錄在此位置被終止，一部分mRNA繼續(xù)轉(zhuǎn)錄到基因H結(jié)束?；駾-(E)-J-F-G-H都轉(zhuǎn)錄在同一條mRNA分子上(見圖3-4)。

ΦX174噬菌體11個基因的蛋白質(zhì)產(chǎn)物都已被分離，蛋白質(zhì)編碼的總長度超過了DNA編碼容量。將蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)與DNA全部序列進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)ΦX174噬菌體基因組內(nèi)存在部分基因重疊。50ppt課件.3.3.2.5SV40病毒基因組

SV40病毒(simianvacuolatingvirus40,SV40)

最初是在猴腎細(xì)胞中分離出來的，能引起人的培養(yǎng)細(xì)胞轉(zhuǎn)化，在倉鼠和人體內(nèi)可致腫瘤。SV40基因組只有5個基因，要完全依靠哺乳動物細(xì)胞內(nèi)的系統(tǒng)進(jìn)行它的DNA復(fù)制和基因表達(dá)。因此，常用SV40病毒作為模式生物，研究真核生物的基因表達(dá)，和病毒致癌的機(jī)制。SV40病毒的啟動子和增強(qiáng)子被廣泛用于真核生物基因表達(dá)載體的構(gòu)建。

SV40病毒的外殼是二十面對稱體的球狀顆粒，中心包含有全長5243bp的雙鏈環(huán)狀DNA。DNA與組蛋白相連，形成24個核小體，稱為微小染色體，是真核細(xì)胞染色質(zhì)的最小模型。51ppt課件.T抗原和t抗原基因以逆時針方向轉(zhuǎn)錄，發(fā)生在DNA復(fù)制之前，稱為早期基因及早期轉(zhuǎn)錄。Vp1、Vp2和Vp3基因以順時針方向轉(zhuǎn)錄，發(fā)生在DNA復(fù)制之后，稱為晚期基因和晚期轉(zhuǎn)錄。在早期和晚期基因之間是SV40基因組的調(diào)控區(qū)，約400bp，這個區(qū)域內(nèi)的早期和晚期基因調(diào)控序列及DNA復(fù)制起位點等大部分序列都被重疊使用。

此外，早期的T抗原和t抗原為基因重疊，t基因完全在T基因之內(nèi)，并通用共同的起始密碼子。這種基因的重疊結(jié)構(gòu)與基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)，能保證兩個連續(xù)的基因在轉(zhuǎn)錄和翻譯水平上偶聯(lián)協(xié)調(diào)，進(jìn)行有效的翻譯。52ppt課件.SV40載體基因組只有5243bp，序列已確定，基因組為共價閉合環(huán)DNA(cccDNA)，酶切圖譜及各種功能的基因定位均已詳細(xì)了解。病毒DNA較易制備，但是，用SV40重組病毒轉(zhuǎn)染細(xì)胞時，隨著病毒的繁殖，細(xì)胞會裂解，這對基因工程中的應(yīng)用是很不理想的。SV40DNA分子小，插入的DNA不能大于2500bp。SV40DNA的早期功能區(qū)插入外源DNA，存在致癌的隱患，為此，人們對病毒載體進(jìn)行了改造，同時插入tk,dhfr,neo,cat等標(biāo)記基因，構(gòu)成了適用于不同目的的表達(dá)載體。pSV載體就是以SV40為基礎(chǔ)構(gòu)建的一群載體的總稱。53ppt課件.蛋白質(zhì)合成時間功能T抗原早期啟動DNA復(fù)制t抗原早期未知VP1晚期主要的病毒外殼蛋白VP2晚期次要的病毒外殼蛋白VP3晚期次要的病毒外殼蛋白54ppt課件.3.3.2.6腺病毒基因組

腺病毒(adenovirus,Ad)是一種無外殼的雙鏈DNA病毒，基因組長約36kb，衣殼（capsid）呈規(guī)則的20面體結(jié)構(gòu)，直徑約80-110nm。

以病毒DNA開始復(fù)制為分界線，按轉(zhuǎn)錄時間的先后，將腺病毒基因大致區(qū)分為早期（E1~4）和晚期轉(zhuǎn)錄單位（L1~5）。各種腺病毒基因又可以進(jìn)一步地分為更小的轉(zhuǎn)錄單位，如E1區(qū)可以進(jìn)一步分為E1A和E1B，每個轉(zhuǎn)錄單位都至少有一個獨特的啟動子。病毒的兩條鏈均有編碼功能。

55ppt課件.

腺病毒易于培養(yǎng)純化，其基因組為線性雙鏈DNA，可插入較大的外源DNA片段，最大的可達(dá)約7kb，且可在宿主細(xì)胞內(nèi)大量擴(kuò)增，宿主細(xì)胞范圍廣泛，可用于基因工程和基因治療。不足之處是Ad在細(xì)胞內(nèi)復(fù)制時可大量釋出殼體蛋白質(zhì)，容易引起宿主細(xì)胞介導(dǎo)的免疫反應(yīng)，使轉(zhuǎn)導(dǎo)的細(xì)胞遭到免疫攻擊而被破壞。56ppt課件.

逆轉(zhuǎn)錄病毒屬于正鏈RNA病毒，其主要的結(jié)構(gòu)基因有種群特異性抗原(groupspecificantigen,gag)，聚合酶(polymerase,pol)和被膜蛋白質(zhì)(envelope,env)，兩端有長末端重復(fù)序列(longterminalrepeat,LTR)，5'-端有帽子結(jié)構(gòu)，3'-端有polyA。3.3.2.7逆轉(zhuǎn)錄病毒基因組57ppt課件.

人類免疫缺陷病毒(HIV)顆粒是至今發(fā)現(xiàn)的最復(fù)雜的逆轉(zhuǎn)錄病毒。HIV的基本形態(tài)與其它逆轉(zhuǎn)錄病毒相似，有核心部分，衣殼和包膜等3種主要結(jié)構(gòu)。核心部分含兩個單股正鏈RNA基因組，兩個單體在5'-端由氫鍵相連。每個RNA基因組長9.2kb，基因排列順序為5'-LTR-gag-pol-env-3'-LTR，除上述3個結(jié)構(gòu)基因外，還有tat,rev,nef,vif,vpr和vpu6個調(diào)節(jié)基因，編碼6種調(diào)控蛋白質(zhì)，這在逆轉(zhuǎn)錄病毒中較少見。HIV的基因編碼區(qū)域有許多重疊，除基因tat和rev兩側(cè)含有內(nèi)含子外，大多數(shù)基因無內(nèi)含子，最大限度地利用了有限的RNA序列(圖3-11)。58ppt課件.59ppt課件.HIV的結(jié)構(gòu)及其與宿主細(xì)胞的附著60ppt課件.3.3.3原核生物的基因組原核生物的細(xì)胞內(nèi)沒有明顯的細(xì)胞核形態(tài)，其遺傳物質(zhì)均為DNA，與蛋白質(zhì)結(jié)合形成類核(nucleoid)，基因組大小在106bp以上。在雙鏈DNA的兩條鏈上都有基因的編碼序列。除類核構(gòu)成的主基因組外，原核生物還有許多獨立的DNA小分子，稱作質(zhì)粒。61ppt課件.3.3.3原核生物基因組Prokaryoticgenome以細(xì)菌為代表講述，有稱bacteriagenome。細(xì)菌對醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)有重要貢獻(xiàn)，是基因工程研究的主要材料之一。因為：1.構(gòu)造相對簡單，基因結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜，取材便利，易于培養(yǎng)，可選擇突變株進(jìn)行研究，實驗結(jié)果容易重復(fù)。2.與人類有共同的分子生物學(xué)規(guī)律，如：（1）遺傳物質(zhì)都是DNA；（2）主要的功能分子都是蛋白質(zhì)；（3）基因密碼是通用的，等等。3.尤其是E.coli,是分子克隆是“明星“,基因工程主要原因的工程菌，因為基因工程的主要工作是克隆克核基因在原核系統(tǒng)中表達(dá)。62ppt課件.3.3.3.1、原核生物基因組結(jié)構(gòu)與功能的特點1.基因組通常僅由一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成。其DNA是與蛋白質(zhì)結(jié)合，但并不形成染色體結(jié)構(gòu)，只是習(xí)慣上將之稱為染色體。細(xì)菌染色體DNA在胞內(nèi)形成一個致密區(qū)域，即類核（nucleoid），類核無核膜將之與胞漿分開。2.基因組中只有1個復(fù)制起點。3.具有操縱子結(jié)構(gòu)。操縱子（operon）是指數(shù)個功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起，構(gòu)成信息區(qū)，連同其上游的調(diào)控區(qū)（包括啟動和操縱區(qū)）及其下游的轉(zhuǎn)錄終止信號構(gòu)成的基因表達(dá)單位。（見第六章）4.

結(jié)構(gòu)基因無重疊現(xiàn)象，基因組中任何一段DNA不會用于編碼2種蛋白質(zhì)。5.基因序列是連續(xù)的，無內(nèi)含子結(jié)構(gòu)。63ppt課件.6.非編碼DNA所占比例很少，基因組中的重復(fù)序列很少。編碼蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)基因多為單拷貝，但編碼rRNA的基因往往是多拷貝的，這有利于核糖體的快速組裝。７.細(xì)菌基因組中存在可移動的DNA序列，包括插入序列和轉(zhuǎn)座子。８.原核基因的基本結(jié)構(gòu)特點：啟動子（promoter）、操縱基因（operator）、調(diào)控序列、結(jié)構(gòu)基因（structuregene）、終止子（terminator）。（見第六章）64ppt課件.DNAfromalysedE.colicell.Inthiselectronmicrographseveralsmall,circularplasmidDNAsareindicatedbywhitearrows.Theblackspotsandwhitespecksareartifactsofthepreparation.65ppt課件.E.coli細(xì)胞內(nèi)的DNA形成大量的雙鏈環(huán)狀結(jié)構(gòu)，每個環(huán)平均40kb，形成超螺旋結(jié)構(gòu)，底部固定在蛋白質(zhì)上，形成獨立的結(jié)構(gòu)域。整個基因組DNA約有100個左右這種小的結(jié)構(gòu)域。由于每個小結(jié)構(gòu)域相對獨立，不同小結(jié)構(gòu)域內(nèi)的啟動子對基因表達(dá)的調(diào)控有不同的敏感性。66ppt課件.3.3.3.3細(xì)菌的自主遺傳物質(zhì)－質(zhì)粒１．質(zhì)粒是細(xì)菌染色體外的可以自主復(fù)制的DNA分子，大多數(shù)為環(huán)狀超螺旋雙鏈DNA，稱為共價閉合環(huán)狀DNA。

２．質(zhì)粒是雙鏈的DNA分子，大小在1—200kb之間，和病毒不同，它們沒有衣殼蛋白（裸DNA）67ppt課件.3.質(zhì)粒與宿主細(xì)胞的關(guān)系（1）質(zhì)粒對宿主的生存不是必需的，只是“友好”的“借居”宿主細(xì)胞中，宿主離開質(zhì)粒照樣的生存下去。（2）質(zhì)粒離開宿主就無法生存，只有依賴宿主細(xì)胞的（酶和蛋白質(zhì)）幫助，才能完成自身的復(fù)制（擴(kuò)增）、轉(zhuǎn)錄。（3）質(zhì)粒經(jīng)常為宿主執(zhí)行一些適當(dāng)?shù)倪z傳功能，作為對宿主細(xì)胞的補償（“交房租”）。（4）質(zhì)粒賦于宿主各種有利的表型（質(zhì)粒編碼蛋白質(zhì)或酶），使宿主獲得生存優(yōu)勢，與我們基因工程實驗緊密相關(guān)的，如抗生素抗性基因：Ampr

酶，水解β-內(nèi)酰胺環(huán),解除氨關(guān)毒性,使細(xì)菌抗氨關(guān)。Tetr

膜蛋白,可阻止四環(huán)素進(jìn)入細(xì)胞,使細(xì)菌抗四環(huán)素。68ppt課件.4.質(zhì)粒發(fā)現(xiàn)和研究意義

1）理論意義質(zhì)粒能夠復(fù)制、傳遞和表達(dá)遺傳信息，從分子遺傳學(xué)觀點來看是一種有機(jī)體，是比病毒更原始的生命形式，是生命起源研究的起一塊體重要基石。

2）實踐意義是基因工程的重要載體（vector），能把外源基因（目的基因）送到宿主細(xì)胞中去克隆擴(kuò)增或克隆表達(dá)（見第八章）。

①質(zhì)粒是可以改造的，可以剪切、剪接的，基因工程的重要任務(wù)之一就是嚴(yán)格改造質(zhì)粒的同時，控制質(zhì)粒不傳遞，若一個致癌質(zhì)?？梢詡鬟f就會傳到外都是。

69ppt課件.②作為基因工程載體的3個特點：

A.都能獨立自主的復(fù)制；

B.都能便利的加以檢測（抗生素抗性）；

C.都能容易引進(jìn)宿主細(xì)胞中去，也易從宿主細(xì)胞中分離純化（提質(zhì)粒）。質(zhì)粒符合上述3個條件?；蚬こ讨兄饕褂萌斯?gòu)建的質(zhì)粒。70ppt課件.3.4真核生物的基因組3.4.1真核生物基因組的特點

(1)基因組大低等真核生物的基因組為107～108bp，比原核細(xì)胞大10倍以上。而高等真核生物可以達(dá)到5×108～1010bp。

(2)有染色體結(jié)構(gòu)細(xì)胞核DNA與組蛋白質(zhì)及多種非組蛋白質(zhì)穩(wěn)定地結(jié)合，形成多條呈線狀的染色體，每條染色體DNA有多個復(fù)制起點(ori)。

(3)重復(fù)序列和可移動序列多真核細(xì)胞基因組DNA有大量重復(fù)序列，這些重復(fù)序列的單位長度從幾個至幾千個堿基對不等，重復(fù)次數(shù)從幾次到幾百萬次不等。與原核生物相比，真核生物基因組中的可移動DNA序列比例較高。

(4)多數(shù)基因為斷裂基因真核生物的絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)基因都含有內(nèi)含子，屬于斷裂基因。

(5)基因表達(dá)的調(diào)控復(fù)雜轉(zhuǎn)錄和翻譯在時間和空間上被分隔，基因表達(dá)的各個階段均有特定的調(diào)控機(jī)制。功能上密切相關(guān)的基因通常分散存在于染色體的不同位置，甚至不同的染色體上?；虮磉_(dá)的調(diào)控更復(fù)雜，有數(shù)目眾多的調(diào)控因子，對功能上密切相關(guān)而又分離很遠(yuǎn)的基因表達(dá)進(jìn)行調(diào)控。71ppt課件.3.4.2真核生物基因組的重復(fù)序列3.4.2.1DNA序列的復(fù)性動力學(xué)與序列重復(fù)頻度根據(jù)DNA的復(fù)性動力學(xué)方程，C0t1/2與DNA序列復(fù)雜度有關(guān)，序列越復(fù)雜，C0t1/2值越高，復(fù)性反應(yīng)速度越慢。在一定長度的DNA中特定序列的拷貝數(shù)越少，C0t1/2值越高?；蚪MDNA復(fù)性反應(yīng)的C0t1/2值能反映出基因組不同序列的長度之和，即DNA序列的復(fù)雜度(用堿基對的數(shù)目表示)。

用已知復(fù)雜度的標(biāo)準(zhǔn)DNA的C0t1/2做標(biāo)準(zhǔn)，通過比例關(guān)系可以計算任何DNA的復(fù)雜度。一般以E.coli的C0t1/2為