《分子遗传学》第二章——基因和基因组课件.ppt

第二章 基因和基因组,第一节、染色体（Chromosome),内容提要：细胞周期染色体与染色质染色体的结构和组成（原核生物、真核生物）核小体原核生物和真核生物基因组结构特点比较,（一）细胞周期,（二）染色体与染色质,染色体（chromosome）是细胞在有丝分裂时遗传物质存在的特定形式，是间期细胞染色质结构紧密包装的结果。真核生物的染色体在细胞生活周期的大部分时间里都是以染色质(chromatin)的形式存在的。染色质是一种纤维状结构，叫做染色质丝，它是由最基本的单位核小体(nucleosome)成串排列而成的。,（三）染色体的结构和组成,原核生物(prokaryote),真核生物染色体的组成,组蛋白的一般特性：进化上的保守性保守程度：H1 H2A、H2B H3、H4无组织特异性肽链氨基酸分布的不对称性H5组蛋白的特殊性：富含赖氨酸（24%）组蛋白的可修饰性,1、组蛋白,在细胞周期特定时间可发生甲基化、乙酰化、磷酸化和ADP核糖基化等。H3、H4修饰作用较普遍，H2B有乙酰化作用、H1有磷酸化作用。,所有这些修饰作用都有一个共同的特点，即降低组蛋白所携带的正电荷。这些组蛋白修饰的意义：一是改变染色体的结构，直接影响转录活性；二是核小体表面发生改变，使其他调控蛋白易于和染色质相互接触，从而间接影响转录活性。,组蛋白的可修饰性,1)DNA的变性和复性 变性（Denaturation)DNA双链的氢键断裂，最后完全变成单链的过程称为变性。增色效应(Hyperchromatic effect)在变性过程中，260nm紫外线吸收值先缓慢上升，当达到某一温度时骤然上升，称为增色效应。,2、DNA,融解温度（Melting temperature Tm)变性过程紫外线吸收值增加的中点称为融解温度。生理条件下为85-95影响因素：G+C含量，pH值，离子强度，尿素，甲跣胺等,复性（Renaturation)热变性的DNA缓慢冷却，单链恢复成双链。减色效应（Hypochromatic effect)随着DNA的复性，260nm紫外线吸收值降低的现象。,2)C值反常现象(C值矛盾)（C-value paradox)C值是一种生物的单倍体基因组DNA的总量。真核细胞基因组的最大特点是它含有大量的重复序列，而且功能DNA序列大多被不编码蛋白质的非功能DNA所隔开，这就是著名的“C值反常现象”。,（四）核小体(nucleosome),1、定义：用于包装染色质的结构单位，是由DNA链缠绕一个组蛋白核构成的。,2、核小体的结构,核心颗粒、连接区DNA,3、染色体的包装超螺旋结构,基因组很小，大多只有一条染色体 结构简炼 存在转录单元(trnascriptional operon)多顺反子(polycistron),X174 D-E-J-F-G-H mRNA 蛋白J、F、G H D E,E.coli 色氨酸操纵子 9个顺反子 9个酶,1、原核生物基因组结构特点,（五）原核生物和真核生物基因组结构特点比较,有重叠基因（Sanger 发现）基因内基因 部分重叠基因 一个碱基重叠,2、真核生物基因组结构特点,真核基因组结构庞大 3109bp、染色质、核膜单顺反子基因不连续性 断裂基因（interrupted gene）、内含子(intron)、外显子(exon)基因的外显子与内含子的顺序特点：1、基因组中由内含子分隔的各个外显子的排列顺序与成熟mRNA中对应的外显子顺序保持一致；2、断裂基因在个体的所有组织细胞中，不论表达与否，其结构不变；3、绝大多数内含子都含有3种读码序框的终止密码子，当内含子未被切除时，翻译常常在内含子终止，产生残缺的多肽链；4、不同种属的同一基因中外显子的顺序组成比较保守，而内含子的顺序变化较大；5、外显子的长度一般小于300bp,内含子的长度较大，可达5060kb.,非编码区较多 多于编码序列(9:1)含有大量重复序列 不重复序列/单一序列：在基因组中有一个或几个拷贝。真核生物的大多数基因在单倍体中都是单拷贝的。如：蛋清蛋白、血红蛋白等 功能：主要是编码蛋白质。中度重复序列：在基因组中的拷贝数为101104。如：rRNA、tRNA 一般是不编码蛋白质的序列，在调控基因表达中起重要作用,高度重复序列：拷贝数达到几百个到几百万个。特点：1、它们是由极其相似的重复拷贝首尾相连串接排列；2、在介质绿化铯中作密度梯度离心时，可以形成特定的梯度带，故又称为卫星DNA;3、集中分散在染色体的特定区域。卫星DNA：A T含量很高的简单高度重复序列。,第二节 基因概念的发展,Mendel(1822-1884):“Mendelian factor”Experiments on plant hybrids Particulate inheritance1909 Johanson:“Gene”1910 Morgan:genes were physically in the chromosomes1941 Beadle&Tatum:“one gene one enzyme”1951 McClintock:Ds-Ac Controlling element1957 Benzer:Cistron1961 Jacob&Monod:Operon1977 Berger:Ad2 Interrupted gene1978 Gibert:Intron and exon1977 Sanger:Overlapping gene,A brief history of genetics.,一、基因是遗传结构和遗传功能的单位 遗传结构的不可分割单位 基因位于染色体上 重组作图定位单个基因 是遗传信息结构和功能的基本单位 从结构和功能来看，它们以线性的形式相互连接(串珠理论，the beads on a string theory)。噬菌体重组实验结果的挑战:基因可被分为更小的单位。Seymour Benzer引入了突变子(muton)，重组子(recon)和顺反子(cistron)分别定义突变、重组和功能的不可分割单位。在噬菌体感染中，如果突变位于同一基因不同亚元件中，那么，这只可能是基因内重组(intragenic recombination)的结果。这说明基因可被分为更小的单位，这些单位可发生重组和突变。这样，重组子和突变子等价于单个核苷酸对。,基因作为遗传功能的不可分割单位 顺反子 基因功能的不可分割的单位。互补实验的基础是顺反测验(cis-trans test)建立了一基因一顺反子的概念 即基因可被定义为遗传的功能单位 顺式测验是对照组，如果两个突变均在同一个基因组中，那么另一个基因组的两个基因座均为野生型，其产物为正常的基因产物，细胞表现出野生表型。反式测验是互补实验，可以确定功能单位的边界。如果两个突变在同一个基因中，那么它们以反式构型出现在细胞中时，每一基因组都携带有这一基因的突变体拷贝，因而在细胞中不能产生具有功能的产物即不出现互补。如果突变位于不同基因中，当它们以反式构型出现时，那么每个基因组均可补偿另一个基因组缺少的正常产物。细胞具有所有基因产物，表现为野生型这就是正互补(positive complementation)。,原核和真核细胞中基因顺反子的相互关系1.在简单基因组中基因与顺反子等价 原核和低等真核细胞：基因与产物之间的关系比较简单。通常是一基因一相应产物，而且基因往往与产物共线性。基因和顺反子等价：基因是遗传的功能单位；也是可表达的遗传信息的单位。在细菌中：基因是编码区(开放阅读框)。细菌基因常常组合成一个操纵子，这样几种产物均由一条多顺反子mRNA(polycistronic mRNA)翻译而成；（多顺反子）在真核细胞中：基因是转录的单位。大多数基因以单顺反子 mRNA(monocistronic mRNA)的形式转录,单顺反子（monocistron）:只编码一条多肽链的顺反子。多顺反子（polycistron）：可编码多条肽链的mRNA分子。,2.复杂基因组中基因与顺反子不等价 在高等真核细胞的基因组中，基因和产物之间的关系较为复杂(下图)。大多数高等真核细胞基因包含有内含子，它们是一些不出现在最终产物中因而不是功能组成部分的DNA插入序列。真核基因代表整个转录单位，而顺反子可能被内含子插入所分隔，因而顺反子等价于真核基因的外显子。,图2-9：在真核细胞中基因与顺反子不等价的例子(图中较宽的框表示DNA，窄框表示RNA，链表示蛋白质)。(a)在反式剪接与RNA编辑中，单个多肽链的合成需要多个基因的表达，每个基因都是同一功能单位的部分并构成单个顺反子。空白的框代表来自某一基因的信息而填充的框代表来自另一基因的信息。注意在所有已知的反式剪接的例子中，5剪接转录物不被翻译，虽然在理论上还不能解释它为何不产生蛋白产物。,(b)一个基因通过多种剪接方式或其他选择性信息利用方式产生多种产物。基因中包含相互覆盖的顺反子。内含子用有斜纹的框表示，它们在RNA加工过程中被剪切。外显子也用框表示，如果不被翻译用空白框表示，填充框表示编码区。注意内含子可以插入到编码或非编码的外显子中，而外显子可以包含翻译或非翻译信息(即外显子2和5)。,在真核基因中，基因与产物相互关系的复杂性还来源与某些遗传信息被选择地利用以产生多种产物。这种过程可通过选择性剪接来完成，这种选择性反映了在RNA加工过程中或在启动子选择，及转录过程中多聚腺苷酸位点的使用等水平的调节。这些结构上相联系的基因产物往往具有不同的功能，因而基因还可能包含一系列的相互重叠的顺反子。,同上述情况相反，有时一种产物需要两个基因共同产生，如反式剪接，即两个分别编码的mRNA被剪接在一起翻译，另一个例子是在锥体虫中的RNA编辑，mRNA和gRNA都是产生蛋白合成的成熟模板所必需的。这种情况中每个基因对于产生共同产物都是必需的；它们是同一顺反子的一部分。还有一些例子中几种不同蛋白都来源于同一个开放阅读框：翻译首先产生一个多蛋白(polyprotein)，随后再被剪切成具有不同功能的产物。一些RNA病毒采用这种策略以适应真核细胞中单顺反子的机制。这种情况也发生在一些内源基因中，例如在哺乳动物的脑中，前强啡肽原基因可以产生七种有着不同功能的多肽。在这种情况中，编码每种肽段的开放阅读框被认为是一个顺反子。,重叠和嵌套基因：重叠基因(overlapping genes)：指调控具有独立性但部分使用共同基因序列的基因。基因重叠发生在两种水平：1.在细菌系统或其他的空间限制必需的情况中(如在RNA病毒基因组中和动物的线粒体DNA中)，基因可以在阅读框水平上重叠，这样同样的遗传信息产生两种或多种互不相关的蛋白质。例：轻小病毒的裂解蛋白基因(包括噬菌体MS2)与复制酶和衣壳蛋白基因重叠，但是它们从不同的方向和以不同的开放阅读框翻译。在一些种属中，裂解蛋白基因完全包含在复制酶基因中,2.在真核细胞中，基因在转录单位的水平中相互重叠，但是外显子保持分立。由于在一个基因中的外显子DNA被作为其重叠基因内含子的一部分，因而两个基因的蛋白产物中并不出现相同的信息(例如，人的TCRA和TCRDT细胞的受体基因在外显子水平上重叠)。偶然还会出现一个完整的基因包含在另一较大基因的内含子中：与内含子代谢有关的编码蛋白的开放阅读框往往位于自剪接内含子中(见RNA加工)。例如有3个小基因就隐含在较大的人类基因NF1的第26号内含子中。重叠基因可能反映了一类调控机制。在质粒中，基因编码的反义RNA往往同其调控的基因相重叠(参见反向转录)。,嵌套基因(nested gene):指那些通过调节蛋白合成终点而 产生两种或更多种嵌套蛋白产物 的基因。这可能通过终止子的渗漏通读(例如Qp病毒的衣壳蛋白基因)，或者是翻译时发生移码(如在大肠杆菌danX基因和F质粒的trax基因)。真核细胞的RNA病毒也采用类似策略如反转录病毒，并且真核基因也可通过选择性剪接或采用选择性多聚腺苷酸位点产生嵌套产物。,二、基因的分类按产物的类别按 其 功 能结构基因：可被转录形成mRNA，并进而翻译成多肽链，构成各种结构蛋白质，催化各种生化反应的酶和激素等。调节基因：指某些可调节控制结构基因表达的基因，合成阻遏蛋白和转录激活因子。其突变可影响一个或多个结构基因的功能，或导致一个或多个蛋白质（或酶）量的改变。只转录不翻译的基因：核糖体RNA基因 rRNA基因 tRNA基因,蛋白质基因RNA 基 因,结构基因：Structural gene调节基因：Regulatory gene,三、基因的组构（Gene organization）基因的结构和组成：通常是指结构基因的结构和组成。结构基因 一定功能的RNA或蛋白质必须具备以下几个基本的组成成分：启动子（Promoter）编码序列（Coding sequence）终止子（Terminator）以及基因在启动子的上游或其它区域有一些调节基因转录的序列：顺式调节元件（cis-regulatory element）/上游调节序列（upstream regulatory sequence）/上游激活序列（upstream activation sequence）它们是转录调节因子的识别和结合位点，是调节基因转录的杆杠,表达,一个真核生物的结构基因：,1、基因可划分为具有特定功能的分立区域(定义基因功能性成分的术语)等位基因：基因的一个序列变异体(或者称为遗传标记，如RFLP，VNTR序列)。顺反子：基因功能的一个单位，可以编码特定产物的一段DNA。编码区，开放阅读框(ORF)可以翻译成蛋白质的DNA区域，在细菌中，即为一个基因。在真核细胞中，编码区可以被内含子隔断。分段基因：具有处于不同基因座上的外显子区的断裂基因，这些 外显子必须分别转录并通过反式剪接相连接。实际上每 一基因座应被认为是一独立的基因，这属于术语的误用。基 因：在细菌中，是指编码一个独立的蛋白质或RNA分子的遗 传功能单位。在真核细胞中，是指编码一个或多个产物 的，或对某一个产物产生有贡献的一个转录单位。,基因座：染色体上一个基因的位置，包括两侧的调控元件。基因 座一词的本义是指任何标记物的位置包括基因，调 控元件，复制起始区，细胞遗传学中的标记等等。操纵子：包含几个基因(可作为一个多顺反子的转录物被转录)及 其共同调控元件的细菌基因座。假基因：类似基因的一段无功能的序列。被分隔基因：包含内含子的基因。转录间隔区：RNA基因或RNA基因操纵子中不出现在成熟RNA 分子中的部分。转录单位，转录区域：可以转录为RNA的一段DNA区域。在真核 细胞中即为一个基因。在细菌中可能包含多个基因。非翻译区(UTR)，非编码区(NCR)：转录单位中不能翻译成蛋白 的部分。在编码区或操纵子两侧的UTRs为5和 3UTRs(或称为前导和尾随序列),任何基因座，被转录的DNA称为转录单位(transcription unit)。在原核细胞中，一个转录单位可能包括多个基因组成一个操纵子，但在真核细胞中，转录单位几乎总是等价于单个基因(由RNA聚合酶I转录的rRNA基因多顺反子，RNA病毒基因和细胞器基因组等例外；参见内部核糖体进入位点、反式剪接)。对于编码蛋白质的基因，翻译成多肽序列后的信息和未翻译的信息之间可能存在差别。在细菌中，被翻译的区域开放阅读框(open reading frame)、编码区(coding region)同基因等价，并且，基因间通常被短的内部非编码区(internal noncoding regions)分隔。操纵子的末端基因的侧翼存在有5非翻译区(5untranslated region，UTR)或称为前导序列(leader sequence)和3UTR也称为尾随序列(trailer sequence)。这些序列往往具有调控功能；5UTR控制核糖体的结合还可能促进衰减子控制(anenuator control)；而3UTR 在mRNA的稳定性中起重要作用。,在真核细胞中，编码区的两侧也存在具有调控功能的UTRs，两侧的UTRs和开放阅读框都被非编码序列即内含子插入，内含子在RNA从核仁运输出来时被剪切掉，也就是说它们不出现在成熟的转录物中。在真核和原核细胞中，RNA基因可被单独或作为操纵子的一部分转录。基因中与蛋白编码区类同部分即最终形成成熟RNA的部分。一些RNA作为成熟转录物被转录，而另一些需经过剪切，加工和内含子的剪接等过程。渐次丢失的所有序列都被称为转录间隔序列(transcribed spacer sequence),2、基因命名法 基因的命名一般根据种属习惯。一般用斜体表示基因的名 称，等位基因及其基因型，或在必要时表示基因转录而成的mRNA，而蛋白产物和表型用正体来表示。但是在研究不同生物的同一遗传机制时，往往会产生一些混淆，如在研究酿酒酵母和粟米酵母的细胞周期有关基因的命名中。此外，许多基因在不同实验中从相同组织被分离出好几次而具有不同命名：重要的果蝇的发育基因torpedo便是其中一例它在筛选不同表型的过程中三次被鉴定并被命名三种不同名称。果蝇提供了关于遗传命名的最为丰富的例子，特别是在发育生物学中这种趋势也扩展至脊椎动物中。在许多种属中，基因由包括几个字母和数字的符号来表示，一些种属命名惯例(如果蝇、大肠杆菌)认为使用小写字母表示隐性突变，而用第一个字母大写来表示显性突变。在其他一些种属包括人的基因命名中，基因全由大写字母表示。现在，通过大规模的测序方法，更多的基因不断被鉴定，因而十分需要一个统一的命名方法,传统基因命名法提要 物种 惯例大肠杆菌和其他细菌 三个小写字母表示一个操纵子，接着的 大写字母表示不同基因座。例如：lac操纵子；基因座：lacZ，lacY，lacA 蛋白质：LacZ，LacY，LacA 另外还采用特殊惯例命名Bsubilis的孢子发生基因。这些基因以spo后加上表示孢子发生的形态阶段的罗马数 字表示，再用大写字母表示操纵子，而后为基因座，例如，spoGA就表示在第二阶段表达的操纵子G的第一个基 因座。,酵 母 三个字母表明基因功能，而后的数字 表示不同的基因座。啤酒酵母基因:GAL4，CDC28 蛋白质：GAL4，CDC28 非洲粟酒酵母基因:gal4，cdc2 蛋白质:Gal4，Cdc2线 虫 用三个小写字母表示突变表型，如存在不只一个基因座，用连字符后接数字表示，例如，基因:unc86，ced9 蛋白:UNC86；CED9,果 蝇 来自突变表型的描述可以用14个字母代表。例如，基因:white(w)，tailless(tll)，hedgehog(hh)；而 蛋 白为:White，Tailless,Hedgehog。植 物 虽然没有适用于所有植物的惯用法，但大多数用13个 小写字母表示。Arabidopsis基因用果蝇的方法命名但使 用大写字母，例如，基因AGAMOUS(AG)，蛋白 AGAMOUS。脊椎动物 一般以描述基因功能的14个小写字母和数字表示其 基因功能。例如，基因semyc，蛋白Sey，Myc。人 类 方法如脊椎动物但需大写。例如基因：MYC、ENO1 蛋白：MYC、ENO1,F-1,返回,F-2,返回,F-3,返回,F-4,返回,返回,顺反子细菌基因 它是基因功能的不可分割的单位,返回,功能相关的结构基因和操纵基因紧密连锁 构成一个功能协调的操纵子,返回,6）断裂基因和重叠基因,1978年 Gilbert 提出内含子、外显子概念,1977年 Berger 首次报道腺病毒基因中存在内部间隔区,返回,Outline of splicing:The introns in a gene are transcribed along with the extrons(colored boxes)in the primary transcript.Then they are removed as the extrons are spliced together.,1977年 Sanger 174 DNA 全序列测定 发现基因重叠现象,返回,DNA seq:5386bpBut:coding 2000aa6000-5386=641bp?,7）跳跃基因、可移动因子、转座子,1951年 Maclintock 玉米 Ds-Ac控制系统,返回,返回,返回,返回,突变子（muton）:顺反子内可能发生突变的最小 单位，即核苷酸对。重组子（recon）:可进行重组的最小遗传单位。顺反子（cistron）:编码多肽链的遗传单位；基因的功能单位或遗传的功能 单位,返回,