醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)第一章 基因和基因組

基因與基因組

GeneandGenome除了某些以RNA為基因組的RNA病毒外，基因通常是指染色體或基因組的一段DNA序列。基因（gene）：編碼蛋白質(zhì)或RNA等具有特定功能產(chǎn)物的、負(fù)載遺傳信息的基本單位?；蚪M（genome）：一個生物體內(nèi)所有遺傳信息的總和。人類基因組包含了細(xì)胞核染色體DNA（常染色體和性染色體）及線粒體DNA所攜帶的所有遺傳物質(zhì)。真核基因的結(jié)構(gòu)與功能

第一節(jié)TheStructureandFunctionofGene利用堿基的不同排列荷載遺傳信息。通過復(fù)制將遺傳信息穩(wěn)定、忠實地遺傳給子代細(xì)胞，在這一過程中為適應(yīng)環(huán)境變化，可能會發(fā)生基因突變。作為基因表達(dá)（geneexpression）的模板，使其所攜帶的遺傳信息通過各種RNA和蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)有序合成而表現(xiàn)出來。

基因的功能單個基因的組成結(jié)構(gòu)及一個完整的生物體內(nèi)基因的組織排列方式統(tǒng)稱為基因組構(gòu)（geneorganization）。

與基因功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)編碼區(qū)序列（codingregionsequence

）非編碼序列（non-codingsequence）基因表達(dá)需要的調(diào)控區(qū)（regulatoryregion）序列，包括啟動子（promoter）、增強(qiáng)子（enhancer）等。在細(xì)胞內(nèi)表達(dá)為蛋白質(zhì)或功能RNA的DNA序列一、真核基因的基本結(jié)構(gòu)編碼蛋白質(zhì)或RNA的編碼序列。非編碼序列，包括編碼區(qū)兩側(cè)的調(diào)控序列和編碼序列間的間隔序列。真核基因結(jié)構(gòu)不連續(xù)，為斷裂基因（splitgene）。真核基因結(jié)構(gòu)外顯子（exon）；在基因序列中，出現(xiàn)在成熟mRNA分子上的序列。內(nèi)含子（intron）：外顯子之間、與mRNA剪接過程中被刪除部分相對應(yīng)的間隔序列。雞卵清蛋白基因DNA與其mRNA雜交圖斷裂基因真核生物絕大部分編碼蛋白質(zhì)的基因都有內(nèi)含子。編碼rRNA和一些tRNA的基因也都有內(nèi)含子。內(nèi)含子的數(shù)量和大小決定了真核基因的大小。不同種屬中，外顯子序列通常比較保守，而內(nèi)含子序列則變異較大。外顯子與內(nèi)含子接頭處有一段高度保守的序列，這一共有序列是真核基因中RNA剪接的識別信號?；虻?

端稱之為上游，3

端稱為下游基因序列中開始RNA鏈合成的第一個核苷酸所對應(yīng)的堿基記為+1，此堿基上游的序列記為負(fù)數(shù)，下游的序列記為正數(shù)。真核細(xì)胞的基因結(jié)構(gòu)編碼區(qū)含有外顯子（exon）：

內(nèi)含子(intron)：真核生物的結(jié)構(gòu)基因是斷裂基因非編碼區(qū)非編碼區(qū)編碼區(qū)與RNA聚合酶結(jié)合位點外顯子內(nèi)含子12345真核細(xì)胞編碼蛋白質(zhì)基因的典型結(jié)構(gòu)在真核生物中，轉(zhuǎn)錄單位由單個基因組成。成熟的轉(zhuǎn)錄物編碼單個多肽鏈，單順反子結(jié)構(gòu)。NC5’3’轉(zhuǎn)錄5’UTR3’UTRintronintronexon1exon3exon2前體RNADNA翻譯protein編碼區(qū)域5’3’mRNARNA加工（剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)）7meGAAAAAAAAAAAA不同基因所含的外顯子和內(nèi)含子數(shù)量不同如人血紅蛋白的－珠蛋白基因有1700個堿基對，含有3個外顯子和2個內(nèi)含子，編碼146個氨基酸。一種凝血因子基因有186000堿基對，含有26個外顯子和25個內(nèi)含子，編碼2552個氨基酸。請計算人的－珠蛋白和凝血因子基因中外顯子的堿基對在整個基因堿基對中所占的比例？(146×3)÷1700×100%=26%(2552×3)÷186000×100%=4%從這個比例中你能得出什么結(jié)論?在真核細(xì)胞中，不同基因的編碼序列，在各自基因中所占的比例是不同的。在真核細(xì)胞中，編碼序列在整個基因中所占的比例是較少的，而非編碼序列所占的比例則是較大的，從某種意義上體現(xiàn)了真核細(xì)胞基因結(jié)構(gòu)與功能的復(fù)雜性。2024/6/1116原核細(xì)胞的基因結(jié)構(gòu)編碼區(qū)非編碼區(qū)非編碼區(qū)與RNA聚合酶結(jié)合位點

RNA聚合酶能夠識別調(diào)控序列中的結(jié)合位點，并與其結(jié)合。轉(zhuǎn)錄開始后，RNA聚合酶沿DNA分子移動，并與DNA分子的一條鏈為模板合成RNA。轉(zhuǎn)錄完畢后，RNA鏈釋放出來，緊接著RNA聚合酶也從DNA模板鏈上脫落下來。NCNCNC5’5’3’3’轉(zhuǎn)錄

翻譯5’UTR3’UTRUTRUTRgene1gene3gene2原核細(xì)胞編碼蛋白質(zhì)基因的典型結(jié)構(gòu)在細(xì)菌中，同一轉(zhuǎn)錄單位包含多個基因，每一個基因編碼一條獨(dú)立的多肽鏈。多順反子結(jié)構(gòu)RNADNA翻譯翻譯protein2024/6/1118原核細(xì)胞基因真核細(xì)胞基因相同點不同點原核細(xì)胞基因與真核細(xì)胞基因的比較

都是由能夠編碼蛋白質(zhì)的編碼區(qū)和具有調(diào)控作用的非編碼區(qū)組成。編碼區(qū)是連續(xù)的編碼區(qū)是間隔的，是不連續(xù)的二、基因編碼區(qū)編碼多肽鏈和特定的RNA分子基因的編碼序列決定其編碼產(chǎn)物的序列和功能。編碼序列中一個堿基的改變或突變，可能使基因功能發(fā)生重要的變化。相同的DNA序列因起始位點的變化或不同的剪接方式而編碼不同的蛋白質(zhì)多肽鏈?；蚓幋a區(qū)中的DNA堿基序列決定特定的成熟RNA分子的序列，即DNA的一級結(jié)構(gòu)決定著其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA分子的一級結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)錄起始點TATA盒CAAT盒GC盒增強(qiáng)子AATAAA剪接加尾轉(zhuǎn)錄終止點修飾點外顯子翻譯起始點內(nèi)含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚體+1結(jié)構(gòu)基因啟動子上游啟動子元件基因的調(diào)控區(qū)（順式作用元件）啟動子上游調(diào)控元件增強(qiáng)子加尾信號細(xì)胞信號反應(yīng)元件順式作用元件1.啟動子提供轉(zhuǎn)錄起始信號啟動子是DNA分子上能夠介導(dǎo)RNA聚合酶結(jié)合并形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體的序列。多數(shù)啟動子位于真核細(xì)胞基因轉(zhuǎn)錄起點的上游，啟動子本身通常不被轉(zhuǎn)錄。少數(shù)啟動子（如編碼tRNA基因的啟動子）位于轉(zhuǎn)錄起始點的下游，這些DNA序列可以被轉(zhuǎn)錄。真核生物有3類啟動子，分別對應(yīng)于細(xì)胞內(nèi)存在的三種不同的RNA聚合酶和相關(guān)蛋白質(zhì)。能夠在相對于啟動子的任何方向和位置（上游或者下游）上發(fā)揮這種增強(qiáng)作用，大部分位于上游。增強(qiáng)子序列距離所調(diào)控基因距離近者幾十個堿基對，遠(yuǎn)的可達(dá)幾千個堿基對。通常數(shù)個增強(qiáng)子序列形成一簇。有時增強(qiáng)子序列也可位于內(nèi)含子之中。不同的增強(qiáng)子序列結(jié)合不同的調(diào)節(jié)蛋白。2.增強(qiáng)子增強(qiáng)鄰近基因的轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)子是增強(qiáng)真核基因啟動子工作效率的順式作用元件，是真核基因中最重要的調(diào)控序列，決定著每一個基因在細(xì)胞內(nèi)的表達(dá)水平。沉默子（silencer）是抑制基因轉(zhuǎn)錄的特定DNA序列，當(dāng)其結(jié)合一些反式作用因子時對基因的轉(zhuǎn)錄起阻遏作用，使基因沉默。3.沉默子是負(fù)調(diào)節(jié)元件

基因組第二節(jié)Genome基因組：細(xì)胞或生物體的一套完整單倍體遺傳物質(zhì)的總和。

細(xì)菌（大腸桿菌、質(zhì)粒）藍(lán)綠藻原核生物立克氏體支原體

原生動物真核生物真菌（酵母）動、植物（人類基因組）

病毒亞細(xì)胞生物病原體(類病毒、擬病毒、侵染性蛋白)一、真核基因組具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)基因的編碼序列所占比例遠(yuǎn)小于非編碼序列。高等真核生物基因組含有大量的重復(fù)序列，真核基因組中存在多基因家族和假基因。大多基因具有可變剪接，80%的可變剪接會使蛋白質(zhì)的序列發(fā)生改變。基因組DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體，儲存于細(xì)胞核內(nèi)，除配子細(xì)胞外，體細(xì)胞的基因組為二倍體。結(jié)構(gòu)特點：二、真核基因組中存在大量重復(fù)序列高度重復(fù)序列（highlyrepetitivesequence）中度重復(fù)序列（moderatelyrepetitivesequence）單拷貝序列（singlecopysequence）或低度重復(fù)序列（一）高度重復(fù)序列主要存在于染色體的著絲粒區(qū)域，重復(fù)單位一般由2～10bp組成，成串排列，在人基因組中約占5%～6%。重復(fù)頻率可達(dá)106以上，不編碼蛋白質(zhì)或RNA。反向重復(fù)序列（invertedrepeatsequence）衛(wèi)星DNA（satelliteDNA）兩個相同順序的互補(bǔ)拷貝在同一DNA鏈上反向排列而成，重復(fù)單位長度約300bp，多數(shù)散在于基因組中，總長度約占人基因組的5％。分類：人類基因組中可分離出三類衛(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。微衛(wèi)星DNA（microsatelliteDNA）：遺傳標(biāo)記其重復(fù)單位為2~5bp，存在于常染色體。2024/6/1133參與復(fù)制水平的調(diào)節(jié)

存在于DNA復(fù)制起點區(qū)的附近，是一些蛋白質(zhì)（包括酶）的結(jié)合位點。參與基因表達(dá)的調(diào)控

可以轉(zhuǎn)錄到核內(nèi)不均一RNA分子中，有些反向重復(fù)序列可以形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，有助于穩(wěn)定RNA分子。參與染色體配對

如

衛(wèi)星DNA成簇樣分布在染色體著絲粒附近，可能與染色體減數(shù)分裂時染色體配對有關(guān)。功能：（二）中度重復(fù)序列重復(fù)數(shù)十至數(shù)千次,大多數(shù)與單拷貝基因間隔排列。短分散重復(fù)片段長分散重復(fù)片段平均長度約300bp～500bp，與長度約為1000bp的單拷貝序列間隔排列?？截悢?shù)可達(dá)數(shù)十萬。如Alu家族、KpnI家族、Hinf家族。平均長度為3500bp～5000bp，與長度約為13000bp的單拷貝序列間隔排列。重復(fù)達(dá)30~50萬次，每個成員的長度約300bp。每個單位長度中一個限制性內(nèi)切酶Alu的切點（AG↓CT），將其切成長130bp和170bp的兩段。Alu家族僅次于Alu家族的第二大家族，重復(fù)序列中含有限制性內(nèi)切酶KpnⅠ的位點呈散在分布，拷貝數(shù)約為3000～4800個KpnI家族以319bp長度的串聯(lián)重復(fù)存在于人基因組中重復(fù)序列中含有限制性內(nèi)切酶HinfI的位點。Hinf家族rRNA基因重復(fù)序列屬于中度重復(fù)序列各重復(fù)單位中的rRNA基因都是相同的。rRNA基因集中成簇存在，這樣的區(qū)域稱為rDNA區(qū)。人類的rRNA基因位于13、14、15、21和22號染色體的核仁組織區(qū)，每個核仁組織區(qū)平均含有50個rRNA基因的重復(fù)單位。5SrRNA基因似乎全部位于1號染色體，每個單倍體基因組約有1000個5SrRNA基因。在單倍體基因組中只出現(xiàn)一次或數(shù)次，大多數(shù)為蛋白質(zhì)編碼的基因。（三）單拷貝序列（低度重復(fù)序列）三、真核基因組中存在大量的多基因家族與假基因多基因家族是指由某一祖先基因經(jīng)過重復(fù)和變異所產(chǎn)生的一組在結(jié)構(gòu)上相似、功能相關(guān)的基因?；蚣易宄纱氐胤植荚谀骋粭l染色體上，同時發(fā)揮作用，合成某些蛋白質(zhì)。如組蛋白基因家族?；蚣易宓牟煌蓡T成簇地分布于不同染色體上，編碼一組功能上緊密相關(guān)的蛋白質(zhì)。如球蛋白基因家族。DNA序列相似，但功能不一定相關(guān)的若干個單拷貝基因或若干組基因家族總稱。超家族基因（superfamilygene）基因組中存在的一段與正常基因非常相似但不能表達(dá)的DNA序列。以

來表示。假基因（psuedogene）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chromosome11chromosome162024/6/1142免疫球蛋白超家族四、線粒體DNA結(jié)構(gòu)有別于染色體DNA線粒體DNA（mitochondrialDNA，mtDNA）是核外遺傳物質(zhì)，能獨(dú)立編碼線粒體中的一些蛋白質(zhì)。mtDNA的結(jié)構(gòu)為環(huán)狀分子，與原核生物的DNA類似，結(jié)構(gòu)特點也與原核生物相似。人的線粒體基因組線粒體基因組編碼37個基因，包括13個編碼呼吸鏈多酶體系的一些多肽的基因、22個編碼mt-tRNA的基因、2個編碼mt-rRNA（16S和12S）的基因。物種基因組大小(Mb)基因數(shù)染色體數(shù)*支原體M.genitalium0.58470無流感嗜血桿菌H.influrnzae1.831743無枯草芽孢桿菌B.subtilis4.204100無大腸桿菌E.coli4.604288無釀酒酵母S.cerevisiae13.50603416裂殖酵母

S.pombe12.50492916燕麥O.sativa4663000021果蠅D.melanogaster165136014秀麗隱桿線蟲

C.elegans97184246小鼠mouse27003000020人H.sapiens30002500023不同生物體基因組的比較五、人基因組中有兩萬多個基因2024/6/1146基因組大?。℅enomesize） haploidgenome

C值（C-value）：sizeofthehaploidgenome

一種生物單倍體基因組DNA的總量C值大小與生物遺傳復(fù)雜性是否成正相關(guān)？2024/6/1147C值在低等真核生物中與遺傳復(fù)雜性有一定的正相關(guān)，但在高等真核生物中卻并非如此，它們的C值變化不定。2024/6/1148C值矛盾（悖論）是指真核生物的基因組大小并非都與其進(jìn)化程度呈正相關(guān)C值矛盾的主要表現(xiàn)為：高等真核生物具有比用于編碼蛋白質(zhì)所需的DNA量高得多的C值親緣關(guān)系密切的生物C值相差甚大；進(jìn)化程度高的生物C值未必大；C值大的生物基因未必多基因組大小和基因數(shù)量在生物進(jìn)化中可能并不具有特別重要的意義，人類的基因較其他生物體可能更為“有效”，其發(fā)揮功能的方式與其他生物不同。六、人的基因在染色體上的分布特征人類基因組的染色體DNA基因在染色體上并不是均勻分布。基因密度最大的是第19號染色體，密度最小的是第13號和Y染色體。染色體上存在著無基因的“沙漠區(qū)”，即在500kb區(qū)域內(nèi)，沒有任何基因的編碼序列。基因在染色體上的分布特征2024/6/11521.基因組由一條環(huán)狀雙鏈DNA組成；2.只有一個復(fù)制起始點；3.大多數(shù)結(jié)構(gòu)基因組成操縱子結(jié)構(gòu)；5.無內(nèi)含子，轉(zhuǎn)錄后不需要剪接；4.結(jié)構(gòu)基因無重疊現(xiàn)象；原核生物基因組的結(jié)構(gòu)特點6.基因組中編碼區(qū)大于非編碼區(qū)7.重復(fù)基因少，結(jié)構(gòu)基因一般為單拷貝；9.基因組中存在可移動的DNA序列；10.非編碼區(qū)主要是調(diào)控序列。8.有編碼同工酶的等基因；原核生物基因組2024/6/1153細(xì)菌染色體DNA質(zhì)粒DNA以大腸桿菌（Escherichiacoli）為例2024/6/1154類核（nucleoid）：細(xì)菌染色體在

細(xì)胞內(nèi)形成的一個致密區(qū)域大腸桿菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)nucleoid2024/6/1155（一）由一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成，

通常只有一個DNA復(fù)制起始點。大腸桿菌染色體DNA大腸桿菌4000K3000K2000K1000K0OriCTerCC-Value:4.6×106bp2024/6/1156(二)結(jié)構(gòu)基因大多組成操縱子乳糖操縱子(lacoperon)tayz

opstructuralgenespromoterterminatoroperator半乳糖苷酶z透酶y

半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶a

操縱子(operon):多個功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因

成簇串聯(lián)排列，與上游共同的調(diào)控區(qū)和

下游轉(zhuǎn)錄終止信號組成的基因表達(dá)單位。2024/6/1157其它結(jié)構(gòu)特點C值：4,639,221bp基因數(shù)：4288基因大小：950bp/gene基因間隔：118bp/２gene1.基因密度非常高，基因組中編

碼區(qū)大于非編碼區(qū)；2.結(jié)構(gòu)基因沒有內(nèi)含子，多為

單拷貝，結(jié)構(gòu)基因無重疊現(xiàn)象；3.重復(fù)序列很少，重復(fù)片段為

轉(zhuǎn)座子；

4.有編碼同工酶的等基因（isogene）2024/6/1158（六）質(zhì)粒(plasmid)

質(zhì)粒是存在于細(xì)菌染色體外的，具有自主復(fù)制能力的環(huán)狀雙鏈DNA分子。2024/6/1159質(zhì)粒的特性

在宿主細(xì)胞內(nèi)可自主復(fù)制；

所攜帶的遺傳信息能賦予宿主特

定的遺傳性狀；

細(xì)胞分裂時恒定地傳給子代；

質(zhì)粒可以轉(zhuǎn)移。2024/6/1160病毒基因組的結(jié)構(gòu)特點2.除逆轉(zhuǎn)錄病毒外，為單倍體基因組；1.不同病毒基因組可以是不同結(jié)構(gòu)的核酸；3.病毒基因組有的是連續(xù)的，有的分節(jié)段；4.有的基因有內(nèi)含子；5.病毒基因組大部分為編碼序列；90%7.功能相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄為多順反子mRNA。6.有基因重疊現(xiàn)象；病毒基因組病毒是由一個或幾個核酸分子組成的基因組，有一層蛋白或脂蛋白保護(hù)性外殼，且可在一定宿主細(xì)胞中自我復(fù)制的感染性因子。第2節(jié)病毒基因組2024/6/1162130~375kb痘病毒(Poxvirus)1.不同病毒基因組大小相