26-硕士研究课现代分子生物学基因基因组和基因组学-胡忠

Gene,GenomeandGenomics一、基因1.基因的研究简史孟德尔（Mendel）的颗粒因子：一个因子决定一个性状(1865年)。约翰森（Johannsen）：首先提出基因一词（1909年）摩尔根（Morgan）的基因论：一个基因控制一个性状（1926年），明确了基因存在于染色体上。Beadle和Tatum：一个基因一个酶学说（1941年）。Avery肺炎双球菌转化实验：证实了遗传物质的本质是DNA（1944年）。Herhey和Chase：噬菌体大肠杆菌感染实验，只有DNA能进入大肠杆菌（1952年）。Benzer：提出一个顺反子，一条多肽链的概念（1955年）。Watson和Crick：提出DNA右手双螺旋理论（1953年）。Crick：提出中心法则（1957年）。Jacob和Monod：提出了操纵子模型（1961年）。Nirenberg：三联密码子学说将DNA结构与生物功能结合起来（1966年）。Mc-Clintock：在玉米中发现了遗传因子可以转移位置（1951年代）(1983年诺贝尔生理学奖）。Sharp等：真核生物基因中的断裂现象（1977年）。Feir等：发现噬菌体中重叠基因（1978年）。2.基因的分子定义DNA分子中含有特定遗传信息的核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。合成有功能的蛋白质多肽链或RNA所必需的全部核酸序列（通常是DNA序列）。故一个基因应包含不仅是编码蛋白质肽链或RNA的核酸序列，还包括为保证转录所必需的调控序列、5′非翻译序列、内含子以及3′非翻译序列等所有的核酸序列（蛋白质基因和RNA基因）。2.0nm小沟大沟泛指一个有生命体、病毒或细胞器的全部遗传物质；在真核生物，基因组是指一套染色体（单倍体）DNA，即细胞中基因以及非基因的DNA序列的总称。二、基因组(genome)一）概念二）基因组的特点1、病毒基因组的特点1)每种病毒中只有一种核酸，或为DNA，或为RNA。2)病毒核酸大小差别很大。最小的3kb（乙肝病毒），仅编码4种蛋白质，最大的可达300kb以上（痘病毒），有几百个基因。一般DNA病毒较大，RNA病毒较小。3)大部分病毒核酸是单倍体（除反转录）。4)病毒基因组中也具有操纵子结构。如ФX174从PD启动子开始转录生成的mRNA包含D，（E），J，F，G和H结构基因。5.噬菌体基因组中无内含子，但感染真核细胞的病毒基因组中具有内含子（SV40早期基因T和t）6.有基因重叠（同ORF重叠、异ORF重叠和反ORF重叠）。7.大部分DNA用于编码蛋白质，只有一小部分是不翻译的。不翻译区通常是基因表达的调控序列。8.调控序列可以被宿主细胞所识别，其遗传密码和基因组的结构必须与宿主体系相匹配。HBV基因结构2、细菌的基因组及特点1）组成：细菌染色体和质粒2）细菌基因组的特征（1）基因组相对较小（E.coli4.6×106bp，4000个基因），只有一个复制启始位点。（2）具有操纵子结构：功能上相关的几个基因往往在一起组成操纵子结构，即几个结构基因串联在一起，受它们上游的共同调控区控制。当基因开放时，这几个基因转录在一条mRNA链上，然后分别翻译合成各自的蛋白肽链。操纵子的末端具有特殊的终止序列。（3）基因是连续的：结构基因中没有内含子（intron）成分，在转录后不需剪接加工，转录产物的寿命较短。细菌乳糖操纵子LacZ（z）：β-半乳糖苷酶LacY（y）：半乳糖苷渗透酶LacA（a）：半乳糖苷转酰酶LacO（o）：操纵基因LacP（p）：启动基因（4）大部分DNA是用于编码蛋白质的，只有一小部分是不翻译的。不翻译区中含有间隔区（Spacer）和基因表达的调控序列。（5）基因组中仅有少数基因存在基因重叠现象。（6）结构基因是单拷贝，rRNA基因是多拷贝。3）质粒(plasmid)（1）概念：是细菌染色体以外的遗传物质，是环状闭合的双链DNA。（2）分类A、按复制机理分：严紧控制型质粒，松弛控制型质粒B、按功能分：F质粒、R质粒、Col（colicin）质粒（可产生大肠杆菌素）、Ent质粒（可产生肠毒素）。C、按性状分：结合性质粒，非结合性质粒（3）质粒的一般性质A、多为DNA分子，但酵母杀伤质粒为RNAB、质粒并非细菌生存所必不可少的遗传物质，可以在细菌间转移与丢失。C、质粒的传递（转移）是细菌遗传物质转移的一个重要方式。但分子量107的质粒一般无自我转移能力，而分子量2.5×107的质粒可从供体细胞转移一个副本给受体细胞，如F质粒6.2×107，R质粒2.5×107）D、质粒可自行失去或经人工处理而消失（称为消除）。E、质粒复制依赖宿主细胞的复制机器，但可以独立复制。F、可有几种质粒同时共存在于一个细菌内，但同群质粒有不相容性（同群质粒具有同源性，可以产生相同的阻遏蛋白，故彼此间有相互抑制作用，不能共存于同一细胞）。4）示例：流感嗜血杆菌(Haemophilusinfluenzae)采用鸟枪法(shotgun)策略将基因组DNA打成2kb左右的小片段分别克隆,用了19687个模板,进行了28643个测序反应,组建了140个片段重叠群,仅用了3～4个月的时间完成全部的测序工作,于1995年7月第一个细菌基因组全序列发表,大小为1.8Mb。含1703个基因或开放阅读框架(ORF)。从其DAN全序列中鉴定出76个基因,其中32个(与其它病原菌同源)均表达细胞表面蛋白。这是微生物以至整个生物学领域的一个里程碑（FleischmannR,etal.,Science,1995,269:496).AbstractScience,Vol269,Issue5223,496-512Whole-genomerandomsequencingandassemblyofHaemophilusinfluenzaeRdRDFleischmann,MDAdams,OWhite,RAClayton,EFKirkness,ARKerlavage,CJBult,JFTomb,BADougherty,JMMerrick,andal.etJohnsHopkinsUniversitySchoolofMedicine,Baltimore,MD21205,USA.AnapproachforgenomeanalysisbasedonsequencingandassemblyofunselectedpiecesofDNAfromthewholechromosomehasbeenappliedtoobtainthecompletenucleotidesequence(1,830,137basepairs)ofthegenomefromthebacteriumHaemophilusinfluenzaeRd.Thisapproacheliminatestheneedforinitialmappingeffortsandisthereforeapplicabletothevastarrayofmicrobialspeciesforwhichgenomemapsareunavailable.TheH.influenzaeRdgenomesequence(GenomeSequenceDataBaseaccessionnumberL42023)representstheonlycompletegenomesequencefromafree-livingorganism.●大肠杆菌的基因组●特点●其基因组大小为4.7×106bp,基因数为4100个，它是1997年由Wisconsin大学的Blattner等人完成，目前62％的基因功能已阐明，38％的基因功能尚不清楚。1）遗传信息具有连续性；2）功能相关的结构基因组成操纵子结构；4）基因组的重复序列少而短。3）结构基因的单拷贝及rRNA的多拷贝；3、真核生物基因组的特点1）基因组含有更大的DNA分子，以染色体形式储存于细胞核内，除配子细胞外，体细胞内的基因的基因组是双份的。但应注意：（1）并非生物越高等，基因组越大。即并非进化的复杂程度与DNA含量成正比。如某些植物和两栖类的DNA含量是人的几十乃至上百倍（如小鼠基因组大小为250Mb，猪基因组大小为270Mb，人类基因组为285Mb，而水稻基因组为389Mb）（2）同一类复杂性差不多，形态也相似的生物，理论上其基因组也应比较接近，其实不然。如同是两栖类可相差十倍以上。（3）基因组中DNA的量远大于编码蛋白质所需要的量。2）基因组结构复杂，有多个复制启始位点，但每个复制子的长度较小。3）基因是不连续的。4）转录单位一般是单顺反子的。即一个基因一种mRNA一种蛋白质，但蛋白质的最终产物可因剪接方式的不同而有差异（如Bcl-x：Bcl-x1Bcl-xs）5）存在重复序列（1）高度重复序列（105次）。A、卫星DNA：根据长度可将其分为3类★卫星（satellite）DNA：重复长度几百个bp，其在人群中多态性不强。★小卫星DNA：重复长度15-70bp，其在人群中有高度的特异性。★微卫星DNA（简单串联重复序列）：重复长度2-5bp，其在人群中存在个体间的高度变化，是DNA指纹的形成基础。B、倒位（反向）重复序列又称临时复性部分，重复单位约长300bp，两个单位之间有一平均1.6kb的片段相隔，多数散布于基因组中。C、较复杂的重复单位组成的重复顺序灵长类所独有，用HindⅢ消化非洲绿猴DNA，可以得到重复单位为172bp的高度重复顺序，这种顺序大部份由交替变化的嘌呤和嘧啶组成，又称为α卫星DNA。D、高度重复顺序的功能a.参与复制水平的调节。b.参与基因表达的调控c.参与转位作用d.与进化有关e.DNA指纹f.α卫星DNA成簇的分布在染色体着丝粒附近，可能与染色体减数分裂时染色体配对有关（2）中度重复序列（105次）。100-几千bp片段的重复，其产物是细胞大量需要的。★rRNA基因：可重复数百次，可作为一种遗传标志。★tRNA基因★组蛋白基因★Alu家族：有3万个成员，平均每6kb就有一个，长度约300bp，因在170bp处有一AluⅠ位点（AG/CT）而得名。Alu顺序具有种的特异性，功能：目前尚不清楚，可能在hnRNA（heterogeneousnuclearRNA）转录和加工中起作用，也可能与遗传重组及染色体不稳定性有关。★KpnⅠ家族：人类和灵长类DNA经KpnⅠ酶解后，产生4个片段（1.2、1.5、1.8、1.9kb），这些就被命名为KpnⅠ家族。人类基因组中的KpnⅠ序列约在3-6%，也是散在分布的。功能尚不清楚。（3）单一序列（uniquesequence）单拷贝顺序在基因组中占50-80％，如人基因组中，大约有60-65％的顺序属于这一类。6）存在多基因家族和超基因家族（1）多基因家族（multigenefamily）：亦称基因家族。是指一组具有类似功能，核苷酸序列又有同源性的基因。★分类：▲按基因的终产物分为两类：一类编码RNA，另一类编码蛋白质。▲按在基因组中的分布分为两类：一类串联排列在一起，形成基因簇，亦称串联重复基因。另一类家族成员则可以分散在不同的部位上。（2）超基因家族（supergenefamily）：由多基因家族及单基因组成的更大的基因家族。成员间有不同程度的同源，但它们的功能并不相似，这是与多基因家族的差别所在。如Ig超家族。免疫球蛋白超家族7）基因类型多样（1）假基因（Ψ）：在多基因家族中，不产生有功能基因产物的基因。即序列与有功能的基因相似，但或者不能转录，或者转录后生成无功能的基因产物。原因：可能基因在进化过程中，发生突变所致（如缺失、倒位、点突变等）。假基因往往缺少正常基因的内含子，两侧有顺向重复序列。（2）分（断）裂基因（不连续基因）：编码序列称外显子（extron），非编码序列称内含子（intron，orinterveningsequence）。（3）非剪接基因（连续基因）：原核和真核细胞都有。真核rRNA基因也是非剪接基因。（4）跳动（跃）基因（可转移的DNA成分