第三章 基因与基因组的结构

null3 基因与基因组的结构3 基因与基因组的结构3.1基因的结构 3.2基因组的大小与C值矛盾3.3原核生物基因组 3.4真核生物基因组3.1 基因的结构3.1 基因的结构经典遗传学——基因是独立的功能单位、重组单位和突变单位。顺反子概念——基因是独立的功能单位，内含许多重组单位和突变单位。分子遗传学——基因是一段有编码功能的DNA（或RNA）序列。基因是遗传的基本单位，是具有遗传效应的核酸片段。3.1.1 基因概念的发展null启动子——SD序列——ORF1——SD序列—— ORF2——SD序列—— ORF3——终止子原核生物：真核生物：启动子——5‘-非翻译区——外显子1——内含子——外显子2——3’-非翻译区——终止子3.1.2 结构基因的基本构成真核生物的断裂基因的发现真核生物的断裂基因的发现● Splitting gene 的证实 1977 ChambonOvalbumin cDNA as probe EcoRI HindIII Oviduct DNAErythrocyte DNAnullOvalbumin cDNA RE map Hinf I Hinf II Hea III Hinf III Pst I Hinf IV ( No EcoRI Hind III RE site ) nullnullnull Hinf I Hinf II Hea III Hinf III Pst I Hinf IV EcoRI, HindIII EcoRI, HindIIISpacer Spacer cDNA mRNApresume Hinf I Hinf II HeaIII Hinf III Pst I Hinf IV DNA转录逆转录null真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。 断裂基因(splite gene)编码区 A、B、C、Dnull外显子(exon)和内含子(intron) 外显子：（基因上的编码序列） 在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟RNA的核酸序列。 内含子：（基因上的非编码序列） 在断裂基因及其初级转录产物上出现，而在剪接过程中被除去的核酸序列。 3.2 基因组的大小与C值矛盾3.2 基因组的大小与C值矛盾基因组的大小一般用碱基对的数量来表示。 基因组的大小大致上与进化的复杂性有关。C值：生物体的单倍体基因组所含DNA总量。 C值矛盾(C value paradox)：真核生物中DNA含量的反常现象。基因组：基因组是细胞中的所有DNA，包括所有基因和基因间区域。null3.3 原核生物基因组3.3 原核生物基因组● 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) ● 存在重叠基因X174 D-E-J-F-G-H mRNA 蛋白J、F、G H D E原核生物基因组结构特点3.3.1 大肠杆菌基因组3.3.1 大肠杆菌基因组DNA组织成为类核（nucleiod） DNA闭合环 状，4,200 Kb（1300微米），约4000个基因。 非编码区比例较小。 结构基因单拷贝， rRNA和 tRNA基因为寡拷贝3.3.2 重叠基因(overlapping gene)3.3.2 重叠基因(overlapping gene) 1977年Sanger首先发现。 X174， 5386nt， 11 个基因，3个转录单位，由3个启动子（pA,pB,pD）控制。 非翻译区只占4%(217/5386)重叠基因：是指两个或两个以上的基因共有 一段DNA序列。基因重叠的方式基因重叠的方式 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null 3 三个基因之间重叠 基因B phe 终止 基因A ser Asp Glu DNA序列 -T-T-C-T-G-A-T-G-A-A-A- 基因K 起始 Val null3.4 真核生物基因组3.4 真核生物基因组 核基因组 细胞器基因组 多为环状,多拷贝; 均编码自身所需的蛋白和RNA 真核生物基因组结构特点 真核生物基因组结构特点●真核基因组结构庞大 ●单顺反子 ●基因具不连续性 ●非编码区比例较大 ● 含有大量重复序列null DNA分类3.4.1 单一顺序和重复顺序3.4.1 单一顺序和重复顺序单一顺序 (Unique sequence )重复顺序短片段的重复顺序可分为三种类型：（1）正向重复(direct repeats)又叫顺向重复；5‘ CAGGCAGG 3’ 3‘ GTCCGTCC 5’（2）镜向重复(Palindromic sequence) ；5‘ CAGGAC 3’ 3‘ GTCCTG 5’5‘ GAATTC 3’ 3’ CTTAAG 5’ （3）回文顺序 (inverted repeats)null3.4.2 轻度重复顺序和中度重复顺序3.4.2 轻度重复顺序和中度重复顺序在基因组中含有2-10拷贝，酵母tRNA基因、人和小鼠的珠蛋白基因等。长约300bp 基因组中约有10-几百个拷贝的顺序 如rRNA和tRNA基因。轻度重复顺序中度重复顺序3.4.3 基因家族与基因簇3.4.3 基因家族与基因簇由同一个祖先基因经过重复(duplication)与变异进化而形成结构与功能相似的一组基因，组成了一个基因家族。由功能相同或相关的邻近基因组成的一个基因群或一组基因。基因家族(gene family)：（2）基因簇(gene cluster):nullnullnullnull 3.4.4 假基因(pseudogene) 根据起源和结构的不同，假基因分为两类： 未加工的假基因 加工的假基因多基因家族经常包含结构保守的基因，它们是通过积累突变产生，来满足不同的功能需要。如果突变使基因功能完全丧失，这样的无功能的基因拷贝称为假基因，经常用希腊字母Ψ表示。null①未加工的假基因(nonprocess pseudogenes) 是通过基因组DNA复制产生，经常位于相同基因有功能拷贝的附近。②加工的假基因(processed pseudogenes) 也称为反转录假基因(retropseudogenes)，是通过对mRNA的反转录和获得的cDNA的随机整合而产生；它们经常是分散的。3.4.5 高度重复顺序 3.4.5 高度重复顺序 卫星DNA (satellite DNA) 小卫星DNA(minisatellite DNA) 微卫星DNA (microsatellite DNA) 转座序列 null①卫星DNA（Satellite DNA）: 由长的串联重复序列构成，大多数位于着丝粒区 ②小卫星DNA(Minisatellite DNA) ： 如位于端粒处的DNA，由中等数目 核苷酸 对的单元重复组成。 ③微卫星DNA (Microsatellite DNA)： 由1－4个左右的核苷酸对的单元 重复若干次组成。null 小卫星DNA 端粒DNA VNTR序列(variable number of tandem repeats， 可变数目的 串联重复序列)DNA指纹 ( DNA fingerprints)DNA指纹 ( DNA fingerprints) 把小卫星DNA(VNTR)核心序列串联起来作为分子探针，与不同个体的DNA进行分子杂交，就会呈现出各自特有的杂交图谱，它们与人的指纹一样，具有专一性和特征性，因人而异，因此被称作“DNA指纹” 。 用小卫星DNA(VNTR)产生DNA片段组，以电泳分离时，提供的任何个体的独特模式------- (DNA fingerprint)null DNA可以从犯罪现场的组织和体液中提取(经常是血液、精液或毛发)，然后与怀疑对象取得的对照样品比较。 DNA指纹的特点 1、多位点性2、简单的遗传方式 3、高度变异性 应用 : 1 可应用在犯罪研究中。人类VNTRs的第一个探针人类VNTRs的第一个探针 1985年由Alec Jeffries制备 在肌红蛋白基因的第一个内含子中分离出132bp的重复顺序，内含4个长33bp的重复单位，有13bp为核心顺序（GGAGGTGGGCAGG）nullnullVNTR2 帮助确立亲子关系，证实家谱或显示个体的相关性。nullSINEs是短散布核元件(short interspersed nuclear element) 对应于加工的7SLRNA假基因的拷贝，它在人类中称为Alu元件，在小鼠中是B1元件。转座序列LINEs是长散布核元件 (long interspersed nuclear elements) 对应于称为LINE—1(L1)的丰富反转录转座子的拷贝.L1元件最大长度为6kb，拷贝数10。5 Alu元件长约300bp，由RNA聚合酶III转录 在基因组中30 万个拷贝, 在170bp处有一AluI 的酶切位点, 由两个130bp的串联重复顺序组成本章要点 本章要点 原核生物基因组结构特点(复习) 重叠基因 真核生物基因组结构特点(复习题) 基因家族与基因簇 假基因种类及其分布(复习题) DNA指纹特点及其应用(复习题)