基因的结构和功能.ppt

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1、基因的结构和功能,1、基因的概念和特征2、基因序列及链特征3、真核生物的基因结构及其功能4、原核生物、病毒的基因结构及其功能,提纲,1、基因的概念和特征,基因概念的发展,基因（Gene Mendelian Factor），也称为遗传因子，是控制性状的基本遗传单位（突变单位、重组单位和功能单位），是指线性排列在染色体上的，携带有一定遗传信息，具有一定结构，并能进行自我信息复制与传递，控制生物个体性状表现的一段DNA或RNA序列常常称为“染色体基因”。,1.1 基因的定义,M Snyder,M Gerstein(2003)Science 300:258-60,A.基因座（Gene Locus）：基

2、因在染色体上的特定位置。B.等位基因（Alleles）：同源染色体上占据相同座位、具有不同形式的基因。C.纯合子/体（Homozygous/Homozygotes)：同一基因座位上，具有两个相同等位基因的基因型，称为纯合子，其对应细胞或个体称为纯合体。D.杂合子/体（Heterozygous/Heterozygote)：同一基因座位上，具有两个不同等位基因的基因型，称为杂合子，其对应细胞或个体称为杂合体。E.显性基因(Dominant Genes)：杂合体中，表现为显性性状的基因。F.隐性基因(Recessive Genes)：杂合体中，表现为隐形性状的基因。,基因相关遗传术语,了解知识,E.

3、复等位基因(Multiple Alleles):在群体中，同一基因座上具有三个或三个以上的等位基因。F.拟等位基因(Pseudo Alleles)：在功能上密切相关、在位置上又邻接的几个基因。F.突变型基因(Mutant Genes)：同一基因座位，等位基因直接或间接地由野生型基因突变产生的基因。G.野生型基因(Wild-type Genes):在自然群体中占有多数的（视为正常的）等位基因。H.复合基因(Complex Genes):在作用上有关的几个基因排列在一起，构成一个基因复合体或基因簇。,了解知识,了解知识,三大特点：自我复制（半保留复制）：是生物得以繁衍，保证物种稳定，保持生物的基本

4、特征。基因决定性状：能够突变,1.2.基因的特点,蛋白/酶,能够突变,http:/www.shigen.nig.ac.jp,致死突变,非致死突变,物种进化,致病突变,此外，,不同物种，其基因大小不同。总的来说，低等生物的基因小，高等生物的基因（通常含大量的内含子或重复序列）大。即使在同一生物内，不同基因大小不同。原核生物：基因数目少，结构简单、紧凑，常具有操纵子结构，序列利用效率高，易突变，大多为多顺反子。真核生物：基因数目很多，结构复杂，常含重复序列和非编码序列，机制复杂，相对稳定，大多为单顺反子。,结构基因-编码蛋白和酶分子结构（蛋白基因）；调控基因(Regulatory Gene)-调节

5、结构基因表达，包含调节基因、操纵基因和启动基因；转录而不翻译的基因（RNA基因）：rRNA基因rRNA核仁形成区，核糖体组成。tRNA基因tRNA转运氨基酸。,1.3 基因分类,按功能,看家基因(House-keeping Gene):维持细胞最低限度功能所不可少的基因,如编码组蛋白基因、编码核糖体蛋白基因、线粒体蛋白基因、糖酵解酶的基因等。这类基因在所有类型的细胞中都进行表达。必需基因(Essential Gene):突变时会引起致死表型的基因.,按重要程度,按物种,原核基因；病毒基因；真核基因,按拷贝数,单拷贝基因(多出现在原核和病毒)；多拷贝基因；,2、基因序列及链特征,基因核酸链的化学

6、组成：核苷+磷酸,O,C,OH,H,1,2,3,4,5,脱氧核苷,-H2,HO-,O,AGCT,AGCU,了解知识,核苷,腺嘌呤A,鸟嘌呤G,了解知识,了解知识,胸腺嘧啶T,1,2,3,4,5,了解知识,双链DNA(Double-stranded Genomic DNA)5-ATGGTTTCCCAATTATTCGAAGAAAAAGCTAAAGCC-3+or sense strand（正义链）3-TACCAAAGGGTTAATAAGCTTCTTTTTCGATTTCGG-5-or antisense strand（反义链）,基因核酸链的极性,了解知识,了解知识,两类核酸的基本化学组成比较,脱氧核糖

7、核酸(DNA)-核糖核酸(RNA),核苷酸及相应的核苷、碱基名称中英文对照表,了解知识,单链DNA/RNA（Single Stranded DNA，ssDNA/RNA)单链线性DNA/RNA（Single Stranded Linear DNA/RNA）单链环状DNA/RNA（Single Stranded Circular DNA/RNA)双链DNA/RNA（Double Stranded DNA，dsDNA/RNA）双链线性DNA/RNA（Double Stranded Linear DNA/RNA）双链环状DNA/RNA（Single Stranded Circular DNA/RNA)

8、共价闭合环状DNA（Covalently Closed Circular DNA，cccDNA）共价闭合环状双链DNA质粒（Plasmid）,DNA/RNA链的形式,DNA分子由两条反向平行多核苷酸链围绕同一中心轴构成的双螺旋结构。双螺旋表面形成大沟和小沟 双螺旋直径2nm，碱基平面垂直于螺旋纵轴 两条链都由磷酸和脱氧核糖以3，5-磷酸二酯键相连而成，它们位于螺旋的外侧。嘌呤碱基与嘧啶碱基位于螺旋的内侧，糖基平面与碱基平面相垂直 两条多核苷酸链依照碱基互补配对的原则形成的氢键相连接：A-T间形成两个氢键；G-C间形成三个氢键,右手双螺旋模型要点,5,3,3,5,了解知识,A-DNA：右手螺旋，

9、DNA与RNA混合配对时B-DNA：Watson-Crick模型，右手螺旋，生理条件下最稳定的结构Z-DNA：左手螺旋Triple Helix DNA：两股碱基按Watson-Crick方式配对，第三股多聚嘧啶（镜像重复）通过TAT和CGC+配对,DNA链结构多样性,A-DNA,B-DNA,Z-DNA,三股螺旋,了解知识,DNA序列中以某一中心区域为对称轴，其两侧的碱基对顺序正读和反读都相同的双螺旋结构。即对称轴一侧的片段旋转180后，与另一侧片段对称重复。回文结构能形成十字结构和发夹结构。,回文结构,存在于同一股上的某些DNA区段的反向重复序列。此序列各单股中没有互补序列，不能形成十字型或发

10、夹结构。,镜像重复,AATTCAAGGGAGAAGTAATGAAGAGGGAAGGATTTAAGTT CCC T CT T CATTAC T T CT CC C T TC CTA,DNA双螺旋结构进一步盘曲形成的复杂的超螺旋结构：线状DNA形成的纽结；超螺旋和多重螺旋；环状DNA形成的结；超螺旋连环.,DNA三级结构,线状DNA形成的超螺旋,环状DNA形成的超螺旋,约200个碱基对的DNA和包括H1,H2A，H2B，H3，H4在内的5种组蛋白结合在一起所构成。,DNA四级结构,长约140bp的DNA分子绕核心部位1圈,核小体,核小体和染色质,核小体构成染色质丝,RNA链结构多样性,mRNA,r

11、RNA,3、真核生物的基因结构及其功能,所有含细胞的(单细胞或多细胞)生物的总称，包括动物、植物、真菌和原生动物。特点：均含有细胞核（核遗传）和其他细胞器（核外物质遗传/胞质遗传/母系遗传），如线粒体或叶绿体，有细胞骨架基因编码区不连续单顺反子（一个基因序列编码一种产物）基因内部存在大量重复序列多拷贝基因基因间大小差异大表达调控较复杂,3.1 真核生物基因结构(Eukaryotic Gene Structure),结构基因,断裂基因(Richard J.Roberts&Phillip A.Sharp,1993）,指基因编码区域的不连续性，是真核基因的结构特点，即基因的外显子被内含子间隔成不连续

12、、按顺序镶嵌排列在基因的ORF区域（外显子和内含子交替出现，每个内含子具有5-GT-AG-3边界序列）.,内含子,外显子,内含子,外显子,外显子,A.并非所有基因都是断裂基因：如组蛋白基因和干扰素基因等。在单细胞真核生物中，其多数基因编码区是连续的，非断裂。B.断裂基因是基因选择性剪接的结构基础：一个简单基因编码不同蛋白。人类基因35%的基因存在选择性剪接。C.断裂基因具有生物演化意义：1）不同外显子不同功能域蛋白 2）外显子的不同组合新蛋白 3）同一基因外显子的不同剪接功能有别的蛋白 4）外显子间隔有利于基因重组和演化，防止或减少突变,启动子,启动子(Promoter),位于结构基因5端转录

13、起始点上游的大约100-200bp 范围内，并有若干具有独立功能的DNA序列元件，每个元件约长730bp，序列本身不被转录，是RNA聚合酶特异性识别和结合的一段DNA序列，能控制基因表达（转录）的起始时间和转录程度。,注意：启动子包含转录起始点，内部还有精细的序列结构，其本身不能影响和控制转录起始时间和转录程度，而是通过与转录因子(Transcription factor)蛋白质结合互作发生作用。,转录起始点(5-9bp)，常见序列为CAT（原核），第一个转录通常为G/A,5-UTR,-10,-35,转录起始位点上游大约10/25bp和35/70bp处有两个共有序列（Consensus Seq

14、uence），称为-10和-35序列(分别控制转录起点和频率)。共有序列只有少数几个核苷酸有差异，能影响RNA聚合酶与启动子的相互识别。,Pribnow box（原核）,Hogness box/TATA box（真核）,TTGACA(原核),TATAA(原核),TFII,CTF,SP1,核心启动子元件（起始转录所必需的最小的DNA序列）转录起始点及其上游25/30bp处的TATA盒,上游启动子元件（70bp附近的CAAT盒和GC盒及更远）,TATA框（TATA Box）：一段高度保守序列(7bp)，TATAA/TAA/T，位于转录起始点上游2530 bp（-3050）。TATA框与转录因子TF

15、II结合，再与RNA 聚合酶II形成复合物，从而准确地识别转录起始位置，对转录水平有定量效应。CAAT框（CAAT Box）：一段保守序列GGGC/TCAATAC（9bp），位于转录起始点上游-70-80bp，转录因子CTF识别位点并与之结合，激活转录。GC框（GC Box）：碱基序列为GGCGGG，有两个拷贝，位于CAAT Box两侧，与转录因子SP1结合。（SP1有锌指区可以与DNA结合，在N端有激活转录的作用）GC框有激活转录的功能。,不同的启动子序列,应答元件(ResponsiveElements),人金属硫蛋白基因调控区域,位于结构基因上游（通常位于转录起点上游200bp内，也有位于

16、启动子或增强子内的，如HSE和GRE）能被转录因子识别和结合，从而调控基因专一性表达的DNA序列。应答元件是对某些特定的环境作出应答，能在一些特定情况下被表达调控因子识别.,常见应答元件：热激应答元件(Heat Shock Response Element，HSE)、金属应答元件(Metal Response Element，MRE)、糖皮质激素应答元件(Glucor-ticoid Response Element，GRE)血清应答元件(Serum Response Element，SRE),顺式调控元件,对基因表达有调控活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处于一个DNA分子上的基因。通常

17、把顺式调控元件中的核心序列称为共有序列或一致序列（Consensus Sequence），包含启动子、增强子、负调控元件、应答元件和加尾信号等。,TBP:TATA-binding proteinCTF:CAAT box transcription factor,反式作用因子,一组识别与结合顺式调控元件核心序列，进而调控靶基因转录效率的蛋白质。它由反式作用因子基因编码，通常具有锌指结构、碱性亮氨酸拉链、螺旋-环-螺旋基元等特征，具有DNA结合结构域和转录活化结构域两个重要的结构域。,广谱表达型启动子；组织特异性启动子；肿瘤特异性启动子；物种特异性启动子；,启动子,增强子Enhancer,启动子上

18、游或下游的一段DNA序列（核心序列常为8-12bp），可以增强启动子发动转录，提高转录效率。特点：在任意位置都有效无方向性有组织特或细胞特异性,Beta珠蛋白基因增强子,2个串联重复,72bp,效率提高200倍,外显子,结构基因中，编码序列称为外显子(Exon)，表达多肽链部分。非编码序列称为内含子(Intron)。,内含子,外显子、内含子,真核基因内含子和外显子并非完全固定不变：如编码某一多肽链时，为外显子，而编码另一多肽链时，则是内含子。这样，同一基因却可以转录两种或两种以上的mRNA。某些真核基因无内含子：如组蛋白基因，干扰素基因等，它们多以基因簇形式存在。此外，大多数酵母结构基因也无内

19、含子。,DMD基因(2300kb)：79个外显子+78 个内含子,Duchenne Muscular Dystrophy(杜氏肌营养不良症),终止子Terminator,使RNA聚合酶转录终止的DNA序列。包含一段回文序列、5-AATAAA-3(PolyA)序列及富含GT/T序列。,终止子,回文序列：转录终止信号7-20bp,阻碍RNA聚合酶的移动。一串U与DNA模板中的A的结合不稳定，从模板上脱落下来，终止转录。,因子非依赖性终止子，GC含量高,Rho-dependentTerminator,UTR：Untranslated Region,mRNA,5-UTR:翻译起始密码子上游,mRNA翻

20、译起点的鸟嘌呤核苷酸G（甲基化帽CAP）延伸至ATG起始密码子,能被核糖体识别结合，充当滑道的序列（SD序列原核）；3-UTR:编码区末端终止密码子到多聚A末端。,注：3-UTR可脱离mRNA单独存在，称为游离3-UTR,侧翼序列Flanking sequence,结构基因的第一个和最后一个外显子的外侧，不被转录的非编码区，称为侧翼序列。基因的调控序列，对基因的有效表达起调控作用，包括：启动子、增强子、终止子等。,基因家族（Gene Family）,基因家族：指由某一祖先基因经过重复复制和变异所产生的一组基因，其核苷酸序列或编码产物的结构具有一定程度的同源性。（每个基因都有自己的启动子，与操纵

21、子不同；功能相近，利于功能发挥。）,低密度脂蛋白受体基因家族,分拣蛋白,http:/www.mdc-berlin.de,清除血液中的脂蛋白（介导内吞作用，传递信号到靶细胞）,B.簇集在不同染色体上，编码功能紧密相关的一组蛋白。,基因家族簇集方式,A.簇集在同一条染色体上，可同时发挥作用，合成某些蛋白质。如组蛋白基因家族：第7号染色体长臂3区2带到3区6带区域内。,基因家族类型：A.多拷贝基因家族（彼此核酸序列相同）：rRNA家族、tRNA家族、组蛋白家族。B.序列高度同源基因家族（同源性80%）：人类生长激素基因家族。C.同源功能基因家族（编码产物具有同源功能区）：src癌基因家族。D.保守基

22、序基因家族（编码产物具有小段保守基序）：DEAD盒。E.基因超家族：指一组由多基因家族及单基因组成的更大的基因家族。F.假基因（Pseudo gene，）：多基因家族中，具有功能基因相似的基因序列，但不能产生功能性产物的基因。,来源：复制插入突变：功能基因复制插入序列中，后经过突变形成非功能性基因。反转录插入：自主的反转录转座元件，来源于RNA聚合酶的转录产物（由mRNA反转录为cDNA，后整合在基因组中）。它通常具有mRNA的特征（5端有mRNA分子特有的多聚腺苷Poly(A)序列）特点：不含内含子序列，末端有很短一段AT碱基对，两端各有一个短的正向重复序列。,假基因（Pseudo gene

23、）,假基因中可以积累许多突变，并常常同时存在三种终止密码子序列,复制插入突变,反转录插入,4、原核、病毒的基因结构和功能特征,真核生物与原核生物的最大区别在于出现了胞质和核质的区域化，使遗传信息的复制、转录与翻译在时空上完全分开。,单倍体一条染色体+质粒+转座因子.,原核生物基因结构Prokaryotic Gene Structure,操纵子（Operon）：原核基因功能单位，含有一个启动子序列和多个结构基因。指数个功能上相关的基因串联在一起，连同上游的调控区和下游的转录终止信号构成基因的表达单位。,原核生物基因结构乳糖操纵子（Lactose Operon),调节基因：可转录翻译出调节蛋白/阻

24、遏蛋白,调节操纵基因的活动（本身能转录出mRNA）操纵基因：位于基因启动子后或与启动子重叠,可控制邻近基因或基因群的表达及表达速度（本身不能转录成mRNA)启动基因：位于操纵基因附近，其作用是发出信号，mRNA合成开始（不能转录成mRNA）,一段DNA序列从原位上单独复制或断裂下来，插入另DNA序列位点，并调控其后基因的转录，此过程称转座（Transposition）。这段序列称跳跃基因、转座子或转座元件（Tranposable Element）。,转座子（Tansposon）,TranposableElement,相关基因丛集:功能上相关的基因排列在一起含有不规则基因结构序列有重叠基因,病毒

25、基因特点,重叠基因（Overlapping Gene）,1977年Sanger在研究X174噬菌体时发现，有两个或两个以上的基因共用一段DNA序列，或一段DNA序列成为两个或两个以上基因的组成部分。重叠基因有编码序列，也有调控序列：节约碱基，参与对基因的调控。仅见于线粒体和质粒DNA（其它的生物细胞）,两基因首尾重叠：A-K几个基因重叠一段核苷酸序列：A-A-B-K,E,重叠基因重叠类型,正向重复（DR)：5-TTCACCTCTGC-3,特点,HBV(Hepatitis B Virus),1、基因的概念和特征2、基因序列及链特征(知识回顾与了解)3、真核生物的基因结构及其功能增强子、启动子、内含子/外显子、终止子、UTR、侧翼序列、基因家族、假基因、断裂基因4、原核生物、病毒的基因结构及其功能操纵子、转坐子、重叠基因,总结,