第一章 基因与基因组

（GENEANDGENOME）第一章基因与基因组本章内容„基因的由来„基因的概念„基因组１人类早期对基因的臆测…1864年英国哲学家斯宾塞“生理单位”；…1868年达尔文将其称为“微芽”；…1883年德国生物学家魏斯曼称之为“种质”…1884年瑞士植物学家冯内格列“异胞质”；…1889年荷兰学者德弗里斯称为“泛生子”。一基因的由来2基因的前奏——遗传因子1865年Mendel,„两个基本遗传规律——分离规律和自由组合规律，并提出了“遗传因子”的观点。„指出遗传因子是一种物质，它控制着生物的性状。３“基因”一词的创立„1909年，丹麦遗传学家约翰逊为了强调“遗传因子”与生命的关系首创；„“”基因（gene）－－希腊文“给予生命”之义。基因当时被用来描述遗传性状，但对基因的物质概念还未能认识，只是遗传的一个符号。４基因与染色体„1903年，萨顿和鲍威尔„遗传的染色体学说„认为孟德尔的“遗传因子”与配子形成以及受精过程中的染色体传递行为具有平行性，且孟德尔的遗传因子位于染色体上„第一次把遗传物质和染色体联系起来„1926年美国摩尔根《基因论》出版；„认为基因是组成染色体的遗传单位，并且证明基因在染色体上占有一定位置，而且呈线性排列；„提出“功能、交换、突变”三位一体的基因概念。8５基因与蛋白质¾1941年GWBeadle和ELTatum¾一个基因一个酶：红色链孢霉各种营养缺陷突变体与酶缺陷相关------基因对性状的控制是通过基因控制酶的合成来实现的。¾本世纪50年代，Yanofsky¾一个基因一条多肽链：有些蛋白质不只由一种肽链组成，如血红蛋白和胰岛素，不同肽链由不同基因编码。DNA是遗传物质1944年，Avery发现DNA是遗传物质６基因与DNA最初的双螺旋模型1952,FranklinDNAX-射线衍射图(51号照片)Waston,Crick,Wilkins三人共获1962年诺贝尔生理学或医学奖。111958年M.Meselson和F.W.Stall采用梯度离心的方法说明DNA半保留复制。半保留复制是遗传信息能准确传代的保证，是物质稳性的分子基础。1958年，F.Crick又从DNARNA蛋白质的流向提出了蛋白质合成的“中心法则”。12分子生物学的新时代就此开始了！分子生物学的新时代分子生物学的新时代就此开始了！就此开始了！2.1经典的基因概念基因是遗传的基本单位，定位于染色体。一条染色体上有多个基因，它们在染色体上线性排列组成连锁群，确切的说，基因是指具有特定生物遗传信息的DNA序列，在一定条件下能够表达这种遗传信息，产生特定的生理功能。有些生物的基因为RNA。二基因的概念结构基因（structuralgene）指可被转录为mRNA，并被翻译成各种具有生物功能的蛋白质的DNA序列。调节基因（regulatorygene）指某些可调节控制结构基因表达的DNA序列，通常位于结构基因间。基因按其功能可分为结构基因1间隔序列调控区结构基因2编码区DNA终止点增强子启动子起始点外显子外显子外显子内含子内含子增强子DNA真核生物基因结构图真核生物的结构基因包括3个区域：①编码区：包括外显子与内含子；②前导区：位于编码区上游；③调节区：包括调节结构基因的侧翼序列，如启动子、增强子等。2.2基因的新概念„移位基因„断裂基因„重叠基因„假基因17¾又叫转位因子(transposableelements)，由于它可以在染色体基因组上移动，甚至可在不同染色体间跃迁，故又称跳跃基因(jumpinggene)，后来称这种DNA片段为插入序列(insertionsequences，IS)¾现在一般叫做IS因子(ISelements)，其长度介于数百个到数千个碱基对之间。移动基因(movablegene)18细菌中的转位因子三种类型¾插入序列（IS):分子量小于2000bp¾转位子（transposonTn):分子量大于2000bp¾噬菌体Mu和D108复合转位子Tn168119在真核细胞的核苷酸序列中间插入与氨基酸编码无关的DNA间隔区段，使一个有功能的结构基因分隔成不连续的若干区段，将含有该间隔区段的DNA片段称为断裂基因（splitgene）。断裂基因(splitgene）21不同基因的核苷酸序列有时为相邻两个基因共用，将核苷酸彼此重叠的两个基因称为重叠基因。单链DNA噬菌体φX174的重叠基因图（黑色区表示基因间的间隔序列）重叠基因(overlappinggene)重叠方式1）大基因内包含小基因2）前后两基因首尾重叠23在分析珠蛋白基因簇(genecluster)各片段核苷酸序列时发现，除了有正常的功能基因之外，还有功能失活的特殊序列片段，它不能行使表达功能。该类无表达功能的畸变核苷酸序列片段，称为假基因特点：缺少正常基因的内含子两侧有顺向重复序列原因：缺失、倒位或点突变等假基因是基因的退化形式三基因组(genome)是细胞或生物体的全套遗传物质不同生物基因组大小和数目不同种类基因组大小（bp）基因数目支原体1.0×10570T4噬菌体1.6×105200大肠杆菌4.2×1062350酵母1.3×1076100果蝇1.4×1088750„“基因组”是表示某物种单倍体的总DNA，对于二倍体高等生物其配子的DNA总和为一组基因组,因此二倍体有两份同源基因组。„在真核细胞中含有多个染色体中通常都含有成千上万个独特的基因。Chromosomescanbe“painted”foreasyidentification.„Anormalhumanhas23pairsofmorphologicallydistinctchromosomes;onememberofeachpairisinheritedfromthemotherandtheothermemberfromthefather.„Fluorescent-labeledstainingreagentsallowchromosomestoappearinadifferentcolorwhenviewedinafluorescencemicroscope.基因组的组成AMitoticHumanChromosomeDNAlength:4.6x107bp=1.5cmChromosomelength:2µmCompactionratio=8000130nmfilament29病毒颗粒是由以核酸(RNA或DNA)为核心，外壳由蛋白质包裹所组成。病毒具有如下的共同特点:¾结构简单，无细胞结构。¾病毒基因组中存在调控元件和转录单元（又称转录单元）。¾有重叠基因的存在。¾以RNA为基因组的逆转录病毒。3.1病毒基因组HIV病毒颗粒303.2细菌基因组细菌基因组的一般特点：¾它由一条双链DNA组成细菌染色体，为无核仁、核膜的原核结构。¾结构基因通常是单拷贝基因，而rRNA基因则是多拷贝的。¾细菌中的结构基因中无内含子(intron)，是连续的。¾无基因重叠结构。具有操纵子结构。¾DNA分子中有多种功能调控区，这些区域常具有反向重复序列。大肠杆菌染色体的类核结构（含3500个基因）31是细菌染色体以外的遗传物质，是环状的DNA分子。质粒按其功能可以分为：¾F质粒(F因子)：可由性菌毛来进行质粒传递和转移。¾R质粒(抗药性因子):能编码一种或几种抗生素的抗性物质。¾col质粒(大肠杆菌因子):质粒中含有编码控制大肠杆菌素的基因。3.3质粒(plasmid)323.4真核生物基因组真核生物基因组的特点:¾真核生物基因组比原核生物大而复杂。¾真核生物基因组存在有大量低度、中度和高度重复序列。¾真核生物基因组中的功能基因大多是不连续的，为断裂基因(splitgene)。¾真核生物基因组中非编码区多于编码区，基因表达系统中不存在操纵子结构。¾真核生物基因组DNA大多与蛋白质结合形成染色体。333.5真核生物基因组的C值和C值矛盾¾同一物种的基因组DNA含量总是恒定的，一个单倍体基因组中的全部DNA量称为该物种DNA的C值(Cvalue)。¾与进化复杂性不一致的C值反常现象称为C值矛盾(Cvalueparadox)。Arrangementofgenesequencesyeast,fruitfly,andhumangenomes„Genesabovethelinearetranscribedtotheright;below—left„BlueblocksrepresentexonsgreenblocksrepresentintronsYeastgenescontainfewifanyintrons,scanninggenomicsequencesforopenreadingframes(ORFs)correctlyidentifiesmostgenesequences.353.6真核生物DNA序列的类型¾单拷贝序列(uniquesequence）¾中度重复序列(moderatedlyrepetitivesequence):¾高度重复序列(highlyrepetitivesequence)：卫星DNA(satelliteDNA)及微卫星DNA反向重复序列(invertedrepeat)¾多基因家族(multigenefamily)¾自私DNA(selfishDNA)真核生物的基因组通常有一些重复序列。①高度重复序列：重复频率高，重复序列较短，多数为5~15bp。在高度重复序列中有一种由简单的重复单位组成的重复序列，可用等密度梯度离心法将其与主体DNA分开，因而称其为卫星DNA（satelliteDNA）。可分为小卫星DNA（minisatelliteDNA）和微卫星DNA（microsatelliteDNA）是一种较好的分子遗传标记，高度重复序列具有种属特异性，可能参与DNA复制及基因表达的调节。②中度重复序列：重复频率和重复序列长度差异较大，平均长度为6×105bp，平均重复350次。中度重复序列有些是编码蛋白质的结构基因，有些不编码蛋白质。③低重复序列：又称单拷贝序列，序列不重复或只重复几次、十几次，长度大于1000bp。它们编码各种功能不同的蛋白质，有些是基因的间隔序列。373.7多基因家族(multigenefamily)是指由某一祖先基因经过重复和变异所产生的一组基因。分两类一类基因家族成簇地分布在某一条染色体上，它们可同时发挥作用，合成某些蛋白质。如组蛋白基因家族一类基因家族的成员成簇地分布在不同染色体上，这些不同成员编码一组功能上紧密相关的蛋白质。如珠蛋白基因家族组蛋白基因家族383.8自私DNA(selfishDNA)„在哺乳动物包括人体基因组中，存在着大量的非编码序列，如高度重复序列、内含子、间隔DNA等1）调节功能：极少部分2）有缺失、重复或突变，对生物没有影响3）自我复制，故称自私DNA或寄生DNA也许有重要功能，但还不了解