高中生物竞赛辅导课件―基因与基因组

基因与基因组本讲内容基因概念的历史演变割裂基因重叠基因基因和基因组细胞器基因组基因鉴定人类基因组计划第一组问题？1.早期关于遗传物质的臆测2.遗传因子？3.“基因”一词？4.基因的存在？5.基因化学本质以及功能？6.近代基因的概念发展1早期关于遗传物质的臆测•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”；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遗传的染色体学说•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。4“基因”一词的创立:•1909年，丹麦遗传学家约翰逊。•替代Mendel早年所提出的遗传因子一词，并创立了基因型和表现型的概念。5基因存在的证实•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。6基因化学本质以及功能的认识•“一个基因一种酶”和“一个基因一条多肽链”•基因的化学本质是DNA(有时是RNA)•基因顺反子的概念•基因是一段有功能的DNA序列6.1从“一个基因一个酶”到“一个基因一条多肽链”•1941年GWBeadle和ELTatum•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。•本世纪50年代，Yanofsky•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。BeadleTatum6.2DNA是遗传物质(有时是RNA)•1944年，Avery证实了DNA是遗传物质。•有些病毒只含有RNA。6.3基因顺反子（Cistron）的概念•1955年，美国本兹尔(Benzer)提出顺反子的概念：•是指编码一个蛋白质的全部组成所需信息的最短片段，即一个基因。•基因仅是一个功能单位，基因内部的碱基对才是重组单位和突变单位。•一对同源染色体上两突变（a和b）在同一染色体上时，称为顺式构型，•两突变（a和b）在两条染色体上时，为反式构型；•顺反互补测验（cis-transtest）：比较顺式和反式构型个体的表型来判断两个突变是否发生在一个基因（顺反子）内的测验。•测验时:两突变发生在同一基因上，杂合体就不存在野生型的基因，因而为突变体表型；•如果两突变在两个不同的基因上，后代杂合体中将有一个基因是野生型的，另外一个基因是突变型，杂合体的表型成了野生型。这两个基因的这种关系称为互补。6.4基因是一段有功能的DNA序列DNA双螺旋模型1953年Watson和Crick提出遗传中心法则1957年Crick提出顺反互补试验1955年Benzer提出：顺反子三联遗传密码的破译Nirenberg等1961-67年：70年代：可移动基因的证实、隔裂基因和重叠基因的发现等。7近代基因的概念：基因是一段有功能的DNA序列，基因是遗传的功能单位，DNA分子中不同排列顺序的DNA片段构成特定的功能单位；★可转录、可翻译的（结构基因：能够编码多肽链的基因)★可转录但不翻译(tDNA,rDNA)★不转录、不翻译(调控基因：调控邻近的结构基因的表达，如：启动基因，操纵基因)基因的类型不是所有的基因都能为蛋白质编码•断裂基因•重叠基因•……第二组问题？1、割裂基因（splittinggene）不连续基因断裂基因发现：1977[美]Sharp&Roberts同时发现了断裂基因通过成熟mRNA（或cDNA）与编码基因的DNA杂交试验而发现。RichardJ.RobertsPhillipA.SharpNobelPrize1993杂交（hybridization）•杂交：亲缘关系很近的不同来源的DNA单链或RNA单链与DNA单链之间通过碱基互补形成杂交分子的过程。图核酸杂交及其应用示意图1杂化双链Ⅱ.突变体的鉴别I变性、复性和杂交Ⅲ.分子探针标记鸡卵清蛋白基因DNA与其mRNA杂交图•割裂基因：基因的编码序列在DNA上不是连续的，而是被不编码的序列隔开。•外显子Exon：基因中编码的序列，与mRNA的序列相对应。•内含子Intron：基因中不编码的序列。PrecursormRNA(pre-mRNA)HeterogeneousnuclearRNA(HnRNA)真核生物基因的转录物又称为所以－－真核生物基因又称为SplittinggeneInterruptedgene间隔基因，断裂基因前体mRNA,核内不均一RNA由于真核生物的绝大多数结构基因都含有内含子剪接:前体RNA中由内含子转录下来的序列去除，并把由外显子转录的RNA序列连接起来的过程。割裂基因前体mRNAIntrons去除Exons连接剪接割裂基因的分布a)真核生物中：绝大部分结构基因tDNA,rDNAmtDNA,cpDNAb)原核生物中：SV40大T抗原gene小t抗原geneT4噬菌体的胸苷合成酶gene1017bpintronSplittinggene并非真核生物所特有c)并非真核生物所有的结构基因均为splittinggene不是splittinggene组蛋白基因家族干扰素酵母中多数基因割裂基因的性质：1）外显子在基因中的排列顺序和它在成熟mRNA产物中的排列顺序是相同的;2）某种割裂基因在所有组织中都有相同的内含子成分;3）核基因的内含子的可读框通常含无义密码子，没有编码功能;4）通常内含子上发生的突变不能影响蛋白质的结构，其突变对生物体没有影响；但也有例外。2、重叠基因1重叠基因的概念重叠基因：是指两个或两个以上的基因共有一段DNA序列。2重叠基因的发现：1978年，Sanger，FeirX174DNA全长：5386核苷酸编码的9种蛋白全长：2000个氨基酸；3X2000=6000核苷酸•噬菌体G4、MS2和SV40中都发现了重叠基因原核生物的重叠基因3基因重叠的方式1）大基因内包含小基因：如：B基因包含在A基因内，E基因完全包含在D基因内。2）前后两基因首尾重叠：例1：如：基因D终止X174DNA序列：5’—T—A—A—T—G—3’重叠一个碱基基因J起始例2：如：基因A终止X174DNA序列5’—A—T—G—A—3’重叠4个碱基基因C起始•根据密码子的起始位置，一个DNA顺序可能有3种阅读框•例如，序列ATTCGATCGCAACAAAATTCGATCGATTCGATCGCAAATTCGATCGCA（1）（3）（2）但只有一种具有编码的作用，称为开放阅读框。开放阅读框：基因序列的一部分，包含一段可以编码蛋白的碱基序列，不能被终止子打断。•果蝇蛹上皮蛋白质基因位于另一个基因的内含子之中•人I型神经纤维瘤(NF1)基因的第一个内含子中有三个编码蛋白质的基因，其转录方向与NF1的相反。•线虫基因组中每个基因平均有5个内含子，有的内含子中包含tRNA基因，其转录方向不一定与包含它的基因的转录方向一致。•可见，两个重叠基因的转录是各自独立、互不依赖。4、真核生物的重叠基因真核生物的重叠基因•基因大小•基因组大小•……第三组问题？（1）取决于它所包含的内含子的长度•例如：31Kb的二氢叶酸还原酶基因含6个外显子，mRNA长度为2Kb，内含子长29Kb，内含子比外显子大很多。•在进化相关的相似组织的基因，其外显子基本一致，内含子的位置也是保守的，只是长度有变化。•如小鼠的a-珠蛋白基因长度850bp，b-珠蛋白1382bp，两个的mRNA却大小差不多。基因的大小（2）取决于所包含的内含子的数目•不同生物的外显子数目随着进化增加，基因平均长度也在增加。•基因组（genome）：指一个物种单倍体的染色体所携带的一整套基因。2基因组：例：人类与E.coli编码基因数目的比较E.coli.4.2X106bp编码约3000种基因人类3.3X109bp大肠杆菌的700多倍有上百万个基因？？？根据不同细胞中的mRNA数目估算表达基因人类编码基因约为3-4万个约为大肠杆菌的30倍，那么90％以上的DNA功能何在？？果蝇基因组的基因与预期的编码蛋白质的基因的数量相比，基因组的DNA含量过多真核生物与原核生物基因组的比较：1）真核生物基因分布在多个染色体上，而原核生物只一个染色体。2）真核生物在基因组转录后的绝大部分前体RNA必须经过剪接过程才能形成成熟的mRNA，而原核生物的基因几乎不需要转录后加工。3）真核生物细胞中DNA与组蛋白和大量非组蛋白结合，并有核膜将其与细胞质隔离，结果真核细胞的转录和翻译在时间上和空间上都是分离的，而原核细胞的基因转录和翻译是同步的。4）真核生物的基因是不连续的，中间存在不被翻译的内含子序列，而原核生物几乎每一个基因都是完整的连续的DNA片段。3基因组大小和C值•C值(CValue)：在每一种生物中其单倍体基因组的DNA总量是特异的。•DNA的长度是根据碱基对的多少推算出来的。•C值是每种生物的一个特征，不同生物之间差别很大显花植物鸟类哺乳类爬行类两栖类骨鱼类软骨鱼类棘皮类甲壳类昆虫类软体动物蠕虫类酶菌藻类真菌革兰氏阳性菌革兰氏阴性菌枝原体10610710810910101011图10-37不同门类生物的C值分布(仿B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997,Fig21.1)低等真核生物中与形态学复杂程度相关，但高等真核生物中变化很大•生物体进化程度高低与C值不成明显线性相关•亲缘关系相近的生物C值相差较大。•高等生物的C值不一定就意味着它的C值高于比它低等的生物。•C值矛盾/C值悖论：C值和生物结构或组成的复杂性不一致的现象。•C值变化范围宽意味着在某些生物中有DNA是不编码的。显花植物鸟类哺乳类爬行类两栖类骨鱼类软骨鱼类棘皮类甲壳类昆虫类软体动物蠕虫类酶菌藻类真菌革兰氏阳性菌革兰氏阴性菌枝原体10610710810910101011图10-37不同门类生物的C值分布(仿B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997,Fig21.1)某些生物的基因组数据物种基因组大小基因数目基因长度ΦX1740.7kb10λ噬菌体45Kb100大肠杆菌4.2Mb42001.2kb酿酒酵母13.5Mb63001.4kb果蝇14Mb1200011.3kb人3.3Gb3500016.3kb拟南芥70Gb250004基因组的基因数目真核生物基因组的重复序列根据复性动力学研究将真核生物DNA序列归类：单拷贝序列轻度重复序列中度重复序列高度重复序列•1）单拷贝序列(singlecopysequences)•又称非重复序列：•一个基因组中只有一个拷贝。•慢复性速度•单一序列的复性曲线常只有一个拐点，而重复序列常有多个拐点。•结构基因(蛋白质基因)大多是单拷贝序列。2）轻度重复序列(lightrepetitivesequences)•在基因组中重复数2-10的重复顺序，•为慢复性速度。•少数在基因组中成串排列在一个区域，大多数与单拷贝基因间隔排列。•多为编码功能的序列3）中度重复序列(moderaterepetitivesequences)•基因组中重复数十至数万（105）次的重复顺序，•复性速度快于单拷贝顺序，慢于高度重复顺序。•多与单拷贝基因间隔排列。•多为非编码序列，如Alu序列•也有编码基因产物的，如rDNA、tDNA、组蛋白基因家族,一般往往以基因家族的形式组织。4）高度重复序列(highlyrepetitivesequences)•在基因组中重复频率高，可达百万(106)以上，•复性速度很快。•序列一般较短，长10-300bp，•如真核生物的卫星DNA。卫星DNA序列螃蟹2ATATAT…..果蝇5ATAATATAAT…..