生物化學(xué)與分子生物學(xué)：13 真核基因與基因組

1、目錄目錄 遺傳信息的傳遞遺傳信息的傳遞 第三篇第三篇 目錄目錄 真核基因與基因組真核基因與基因組 DNA的生物合成的生物合成 DNA的損傷和修復(fù)的損傷和修復(fù) RNA的生物合成的生物合成 蛋白質(zhì)的生物合成蛋白質(zhì)的生物合成 基因表達調(diào)控基因表達調(diào)控 細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo) 本篇重點學(xué)習(xí)內(nèi)容本篇重點學(xué)習(xí)內(nèi)容 目錄目錄 中心法則中心法則 (The Central Dogma) 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 錄錄 翻翻 譯譯 逆轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄 復(fù)復(fù) 制制 目錄目錄 生物體內(nèi)的遺傳信息傳遞遵循中心法則生物體內(nèi)的遺傳信息傳遞遵循中心法則 uDNA以半保留復(fù)制的方式將親代細胞的遺以半保留復(fù)制的方式將親代細胞的遺 傳物質(zhì)高度忠實地傳遞給

2、子代。傳物質(zhì)高度忠實地傳遞給子代。 u以以DNA為模板轉(zhuǎn)錄生成的為模板轉(zhuǎn)錄生成的mRNA作為信使，作為信使， 其核苷酸序列構(gòu)成的密碼子在合成蛋白質(zhì)其核苷酸序列構(gòu)成的密碼子在合成蛋白質(zhì) 時被翻譯為肽鏈中氨基酸的排列順序。時被翻譯為肽鏈中氨基酸的排列順序。 u細胞內(nèi)所有蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的信息全部來細胞內(nèi)所有蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的信息全部來 源于源于DNA序列。序列。 目錄目錄 真核基因與基因組真核基因與基因組 第十三章第十三章 Eukaryote Gene and Genome 目錄目錄 除了某些以除了某些以RNA為基因組的為基因組的RNA病毒外，基因病毒外，基因 通常是指染色體或基因組的一段通常是指染色

3、體或基因組的一段DNA序列。序列。 基因包括基因包括編碼序列編碼序列（外顯子）、（外顯子）、調(diào)控序列調(diào)控序列和和間間 隔序列隔序列（內(nèi)含子）（內(nèi)含子）。 基因（基因（genegene）：）：編碼蛋白質(zhì)或編碼蛋白質(zhì)或RNA等具有特等具有特 定功能產(chǎn)物的、負載遺傳信息的基本單位。定功能產(chǎn)物的、負載遺傳信息的基本單位。 目錄目錄 基因組（基因組（genome）：）：一個生物體內(nèi)所有遺傳一個生物體內(nèi)所有遺傳 信息的總和。信息的總和。 人類基因組包含了細胞人類基因組包含了細胞核染色體核染色體DNA（常（常 染色體和性染色體）及染色體和性染色體）及線粒體線粒體DNA所攜帶的所所攜帶的所 有遺傳物質(zhì)。有遺傳

4、物質(zhì)。 目錄目錄 真核基因的結(jié)構(gòu)與功能真核基因的結(jié)構(gòu)與功能 第一節(jié)第一節(jié) The Structure and Function of Eukaryote Gene 目錄目錄 利用堿基的不同排列荷載遺傳信息。利用堿基的不同排列荷載遺傳信息。 通過復(fù)制將遺傳信息穩(wěn)定、忠實地遺傳給子代通過復(fù)制將遺傳信息穩(wěn)定、忠實地遺傳給子代 細胞，在這一過程中為適應(yīng)環(huán)境變化，可能會細胞，在這一過程中為適應(yīng)環(huán)境變化，可能會 發(fā)生基因突變。發(fā)生基因突變。 作為基因表達（作為基因表達（gene expression）的模板，使）的模板，使 其所攜帶的遺傳信息通過各種其所攜帶的遺傳信息通過各種RNA和蛋白質(zhì)在和蛋白質(zhì)在 細

5、胞內(nèi)有序合成而表現(xiàn)出來。細胞內(nèi)有序合成而表現(xiàn)出來。 n 基因的功能基因的功能 目錄目錄 單個基因的組成結(jié)構(gòu)及一個完整的生物體內(nèi)基因的組織單個基因的組成結(jié)構(gòu)及一個完整的生物體內(nèi)基因的組織 排列方式統(tǒng)稱為排列方式統(tǒng)稱為基因組構(gòu)基因組構(gòu)（gene organization）。）。 n 與基因功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)與基因功能相關(guān)的結(jié)構(gòu) 編碼區(qū)序列（編碼區(qū)序列（coding region sequence ） 非編碼序列（非編碼序列（non-coding sequence） 基因表達需要的調(diào)控區(qū)（基因表達需要的調(diào)控區(qū)（regulatory region）序列，）序列， 包括啟動子（包括啟動子（promoter）

6、、增強子（）、增強子（enhancer）等。）等。 在細胞內(nèi)表達為蛋白質(zhì)或功能在細胞內(nèi)表達為蛋白質(zhì)或功能RNA的的DNA序列序列 目錄目錄 一、真核基因的基本結(jié)構(gòu)一、真核基因的基本結(jié)構(gòu) 編碼蛋白質(zhì)或編碼蛋白質(zhì)或RNA的的編碼序列編碼序列。 非編碼序列非編碼序列，包括編碼區(qū)兩側(cè)的調(diào)控序列和，包括編碼區(qū)兩側(cè)的調(diào)控序列和 編碼序列間的間隔序列。編碼序列間的間隔序列。 目錄目錄 真核基因結(jié)構(gòu)不連續(xù)，為斷裂基因（真核基因結(jié)構(gòu)不連續(xù)，為斷裂基因（split gene）。）。 真核基因結(jié)構(gòu)真核基因結(jié)構(gòu) 外顯子外顯子（exon）；在基因序列中，出現(xiàn)在成熟）；在基因序列中，出現(xiàn)在成熟mRNA分子分子 上的序列。

7、上的序列。 內(nèi)含子內(nèi)含子（intron）：外顯子之間、與）：外顯子之間、與mRNA剪接過程中被剪接過程中被 刪除部分相對應(yīng)的間隔序列。刪除部分相對應(yīng)的間隔序列。 目錄目錄 真核生物絕大部分編碼蛋白質(zhì)的基因都有內(nèi)含子。真核生物絕大部分編碼蛋白質(zhì)的基因都有內(nèi)含子。 編碼編碼rRNA和一些和一些tRNA的基因也都有內(nèi)含子。的基因也都有內(nèi)含子。 內(nèi)含子的數(shù)量和大小決定了真核基因的大小。不內(nèi)含子的數(shù)量和大小決定了真核基因的大小。不 同種屬中，外顯子序列通常比較保守，而內(nèi)含子同種屬中，外顯子序列通常比較保守，而內(nèi)含子 序列則變異較大。序列則變異較大。 外顯子與內(nèi)含子接頭處有一段高度保守的序列，外顯子與內(nèi)含

8、子接頭處有一段高度保守的序列， 這一共有序列是真核基因中這一共有序列是真核基因中RNA剪接的識別信剪接的識別信 號。號。 目錄目錄 基因的基因的5 端稱之為上游，端稱之為上游，3 端稱為下游端稱為下游 基因序列中開始基因序列中開始RNA鏈合成的第一個核苷酸所鏈合成的第一個核苷酸所 對應(yīng)的堿基記為對應(yīng)的堿基記為+1，此堿基上游的序列記為負，此堿基上游的序列記為負 數(shù)，下游的序列記為正數(shù)。數(shù)，下游的序列記為正數(shù)。 目錄目錄 二、基因編碼區(qū)編碼多肽鏈和特定的二、基因編碼區(qū)編碼多肽鏈和特定的 RNA分子分子 基因的編碼序列決定其編碼產(chǎn)物的序列和功能?；虻木幋a序列決定其編碼產(chǎn)物的序列和功能。 編碼序列

9、中一個堿基的改變或突變，可能使基因功能編碼序列中一個堿基的改變或突變，可能使基因功能 發(fā)生重要的變化。發(fā)生重要的變化。 相同的相同的DNA序列因起始位點的變化或不同的剪接方式序列因起始位點的變化或不同的剪接方式 而編碼不同的蛋白質(zhì)多肽鏈。而編碼不同的蛋白質(zhì)多肽鏈。 基因編碼區(qū)中的基因編碼區(qū)中的DNA堿基序列堿基序列決定特定的成熟決定特定的成熟RNA分分 子的序列，即子的序列，即DNA的一級結(jié)構(gòu)決定著其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的一級結(jié)構(gòu)決定著其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA分分 子的一級結(jié)構(gòu)。子的一級結(jié)構(gòu)。 目錄目錄 三、調(diào)控序列參與真核基因表達調(diào)控三、調(diào)控序列參與真核基因表達調(diào)控 位于基因轉(zhuǎn)錄區(qū)前后，對基因表達起調(diào)控作用的區(qū)

10、位于基因轉(zhuǎn)錄區(qū)前后，對基因表達起調(diào)控作用的區(qū) 域，因其是緊鄰的域，因其是緊鄰的DNA序列，又稱旁側(cè)序列。序列，又稱旁側(cè)序列。 基因的調(diào)控區(qū)（順式作用元件）基因的調(diào)控區(qū)（順式作用元件） 目錄目錄 轉(zhuǎn)錄起始點轉(zhuǎn)錄起始點 TATA盒盒 CAAT盒盒 GC盒盒 增強子增強子 AATAAA 剪接加尾剪接加尾 轉(zhuǎn)錄終止點轉(zhuǎn)錄終止點 修飾點修飾點 外顯子外顯子翻譯起始點翻譯起始點 內(nèi)內(nèi) 含含 子子 OCT-1 OCT-1：ATTTGCAT八聚體八聚體 +1 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因啟動子啟動子 上游啟動子元件上游啟動子元件 目錄目錄 啟動子啟動子 上游調(diào)控元件上游調(diào)控元件 增強子增強子 加尾信號加尾信號 細胞信號反

11、應(yīng)元件細胞信號反應(yīng)元件 順式作用元件順式作用元件 目錄目錄 1. 1. 啟動子提供轉(zhuǎn)錄起始信號啟動子提供轉(zhuǎn)錄起始信號 啟動子啟動子是是DNA分子上能夠介導(dǎo)分子上能夠介導(dǎo)RNA聚合酶聚合酶 結(jié)合并形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體的序列。結(jié)合并形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體的序列。 多數(shù)啟動子位于真核細胞基因轉(zhuǎn)錄起點的上游，多數(shù)啟動子位于真核細胞基因轉(zhuǎn)錄起點的上游， 啟動子本身通常不被轉(zhuǎn)錄。啟動子本身通常不被轉(zhuǎn)錄。 少數(shù)啟動子（如編碼少數(shù)啟動子（如編碼tRNA基因的啟動子）位于基因的啟動子）位于 轉(zhuǎn)錄起始點的下游，這些轉(zhuǎn)錄起始點的下游，這些DNA序列可以被轉(zhuǎn)錄。序列可以被轉(zhuǎn)錄。 目錄目錄 真核生物有真核生物有3類啟動子，分

12、別對應(yīng)于細胞內(nèi)存類啟動子，分別對應(yīng)于細胞內(nèi)存 在的三種不同的在的三種不同的RNA聚合酶和相關(guān)蛋白質(zhì)。聚合酶和相關(guān)蛋白質(zhì)。 目錄目錄 能夠在相對于啟動子的任何方向和位置（上游或者下游）能夠在相對于啟動子的任何方向和位置（上游或者下游） 上發(fā)揮這種增強作用，大部分位于上游。上發(fā)揮這種增強作用，大部分位于上游。 增強子序列距離所調(diào)控基因距離近者幾十個堿基對，遠增強子序列距離所調(diào)控基因距離近者幾十個堿基對，遠 的可達幾千個堿基對。的可達幾千個堿基對。 通常數(shù)個增強子序列形成一簇。通常數(shù)個增強子序列形成一簇。 有時增強子序列也可位于內(nèi)含子之中。有時增強子序列也可位于內(nèi)含子之中。 不同的增強子序列結(jié)合不同

13、的調(diào)節(jié)蛋白。不同的增強子序列結(jié)合不同的調(diào)節(jié)蛋白。 2. 增強子增強鄰近基因的轉(zhuǎn)錄增強子增強鄰近基因的轉(zhuǎn)錄 增強子增強子是增強真核基因啟動子工作效率的順是增強真核基因啟動子工作效率的順 式作用元件，是真核基因中最重要的調(diào)控序列，式作用元件，是真核基因中最重要的調(diào)控序列， 決定著每一個基因在細胞內(nèi)的表達水平。決定著每一個基因在細胞內(nèi)的表達水平。 目錄目錄 沉默子沉默子（silencer）是抑制基因轉(zhuǎn)錄的特定）是抑制基因轉(zhuǎn)錄的特定 DNA序列，當(dāng)其結(jié)合一些反式作用因子時對基序列，當(dāng)其結(jié)合一些反式作用因子時對基 因的轉(zhuǎn)錄起阻遏作用，使基因沉默。因的轉(zhuǎn)錄起阻遏作用，使基因沉默。 3. 沉默子是負調(diào)節(jié)元件

14、沉默子是負調(diào)節(jié)元件 目錄目錄 真核基因組的結(jié)構(gòu)與功能真核基因組的結(jié)構(gòu)與功能 第二節(jié)第二節(jié) The Structure and Function of Eukaryote Genome 目錄目錄 基因組基因組：細胞或生物體的一套完整單倍體：細胞或生物體的一套完整單倍體 遺傳物質(zhì)的總和。遺傳物質(zhì)的總和。 目錄目錄 一、真核基因組具有獨特的結(jié)構(gòu)一、真核基因組具有獨特的結(jié)構(gòu) 基因的編碼序列所占比例遠小于非編碼序列?；虻木幋a序列所占比例遠小于非編碼序列。 高等真核生物基因組含有大量的重復(fù)序列，高等真核生物基因組含有大量的重復(fù)序列， 真核基因組中存在多基因家族和假基因。真核基因組中存在多基因家族和假基因

15、。 大多基因具有可變剪接，大多基因具有可變剪接，80%的可變剪接會的可變剪接會 使蛋白質(zhì)的序列發(fā)生改變。使蛋白質(zhì)的序列發(fā)生改變。 基因組基因組DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體，儲存與蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體，儲存 于細胞核內(nèi)，除配子細胞外，體細胞的基因于細胞核內(nèi)，除配子細胞外，體細胞的基因 組為二倍體。組為二倍體。 結(jié)構(gòu)特點：結(jié)構(gòu)特點： 目錄目錄 二、真核基因組中存在大量重復(fù)序列二、真核基因組中存在大量重復(fù)序列 高度重復(fù)序列高度重復(fù)序列（highly repetitive sequence） 中度重復(fù)序列中度重復(fù)序列（moderately repetitive sequence） 單拷貝序列單拷貝序列

16、（single copy sequence）或低度重復(fù)序列或低度重復(fù)序列 目錄目錄 （一）高度重復(fù)序列（一）高度重復(fù)序列 主要存在于染色體的著絲粒區(qū)域，重復(fù)單位一般由主要存在于染色體的著絲粒區(qū)域，重復(fù)單位一般由 210 bp組成，成串排列，在人基因組中約占組成，成串排列，在人基因組中約占5%6%。 重復(fù)頻率可達重復(fù)頻率可達106以上，不編碼蛋白質(zhì)或以上，不編碼蛋白質(zhì)或RNA。 反向重復(fù)序列反向重復(fù)序列（inverted repeat sequence） 衛(wèi)星衛(wèi)星DNA（satellite DNA） 兩個相同順序的互補拷貝在同一兩個相同順序的互補拷貝在同一DNA鏈上反向排列而鏈上反向排列而 成，

17、重復(fù)單位長度約成，重復(fù)單位長度約300 bp，多數(shù)散在于基因組中，總，多數(shù)散在于基因組中，總 長度約占人基因組的長度約占人基因組的5 。 分類：分類： 目錄目錄 l參與復(fù)制水平的調(diào)節(jié)參與復(fù)制水平的調(diào)節(jié) 存在于存在于DNA復(fù)制起點區(qū)的附近，是一些蛋白質(zhì)（包復(fù)制起點區(qū)的附近，是一些蛋白質(zhì)（包 括酶）的結(jié)合位點。括酶）的結(jié)合位點。 l參與基因表達的調(diào)控參與基因表達的調(diào)控 可以轉(zhuǎn)錄到核內(nèi)不均一可以轉(zhuǎn)錄到核內(nèi)不均一RNA分子中，有些反向重復(fù)分子中，有些反向重復(fù) 序列可以形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，有助于穩(wěn)定序列可以形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，有助于穩(wěn)定RNA分子。分子。 l參與染色體配對參與染色體配對 如如 衛(wèi)星衛(wèi)星DNA成簇樣分

18、布在染色體著絲粒附近，可能成簇樣分布在染色體著絲粒附近，可能 與染色體減數(shù)分裂時染色體配對有關(guān)。與染色體減數(shù)分裂時染色體配對有關(guān)。 功能：功能： 目錄目錄 （二）中度重復(fù)序列（二）中度重復(fù)序列 重復(fù)數(shù)十至數(shù)千次重復(fù)數(shù)十至數(shù)千次,大多數(shù)與單拷貝基因大多數(shù)與單拷貝基因 間隔排列。間隔排列。 短分散重復(fù)片段短分散重復(fù)片段 長分散重復(fù)片段長分散重復(fù)片段 平均長度約平均長度約300 bp500 bp，與長度約為，與長度約為1000 bp的單的單 拷貝序列間隔排列?？截悢?shù)可達數(shù)十萬。如拷貝序列間隔排列?？截悢?shù)可達數(shù)十萬。如Alu家族、家族、 KpnI家族、家族、Hinf家族。家族。 平均長度為平均長度為3

19、500 bp5000bpbp，與長度約為，與長度約為13000bp 的單拷貝序列間隔排列。的單拷貝序列間隔排列。 目錄目錄 l重復(fù)達重復(fù)達3050萬次萬次，每個成員的長度約每個成員的長度約300 bp。 l每個單位長度中一個限制性內(nèi)切酶每個單位長度中一個限制性內(nèi)切酶Alu的切點的切點 （AGCT），將其切成長），將其切成長130bp和和170bp的兩段。的兩段。 Alu家族家族 l僅次于僅次于Alu家族的第二大家族，家族的第二大家族， l重復(fù)序列中含有限制性內(nèi)切酶重復(fù)序列中含有限制性內(nèi)切酶Kpn的位點的位點 l呈散在分布，拷貝數(shù)約為呈散在分布，拷貝數(shù)約為30004800個個 KpnI家族家族

20、l以以319bp長度的串聯(lián)重復(fù)存在于人基因組中長度的串聯(lián)重復(fù)存在于人基因組中 l重復(fù)序列中含有限制性內(nèi)切酶重復(fù)序列中含有限制性內(nèi)切酶Hinf I的位點。的位點。 Hinf家族家族 目錄目錄 rRNA基因重復(fù)序列屬于中度重復(fù)序列基因重復(fù)序列屬于中度重復(fù)序列 l各重復(fù)單位中的各重復(fù)單位中的rRNA基因都是相同的?；蚨际窍嗤摹?lrRNA基因集中成簇存在，這樣的區(qū)域稱為基因集中成簇存在，這樣的區(qū)域稱為rDNA區(qū)。區(qū)。 l人類的人類的rRNA基因位于基因位于13、14、15、21和和22號染色號染色 體的核仁組織區(qū)，每個核仁組織區(qū)平均含有體的核仁組織區(qū)，每個核仁組織區(qū)平均含有50個個 rRNA基因

21、的重復(fù)單位?；虻闹貜?fù)單位。 l5SrRNA基因似乎全部位于基因似乎全部位于1號染色體，每個單倍體號染色體，每個單倍體 基因組約有基因組約有1000個個5SrRNA基因?；颉?目錄目錄 在單倍體基因組中只出現(xiàn)一次或數(shù)次，在單倍體基因組中只出現(xiàn)一次或數(shù)次， 大多數(shù)為蛋白質(zhì)編碼的基因。大多數(shù)為蛋白質(zhì)編碼的基因。 （三）單拷貝序列（低度重復(fù)序列）（三）單拷貝序列（低度重復(fù)序列） 目錄目錄 三、真核基因組中存在大量的多基因家三、真核基因組中存在大量的多基因家 族與假基因族與假基因 多基因家族多基因家族是指由某一祖先基因經(jīng)過重復(fù)是指由某一祖先基因經(jīng)過重復(fù) 和變異所產(chǎn)生的一組在結(jié)構(gòu)上相似、功能相關(guān)和變異

22、所產(chǎn)生的一組在結(jié)構(gòu)上相似、功能相關(guān) 的基因。的基因。 基因家族成簇地分布在某一條染色體上，同時發(fā)揮作基因家族成簇地分布在某一條染色體上，同時發(fā)揮作 用，合成某些蛋白質(zhì)。如組蛋白基因家族。用，合成某些蛋白質(zhì)。如組蛋白基因家族。 基因家族的不同成員成簇地分布于不同染色體上，編基因家族的不同成員成簇地分布于不同染色體上，編 碼一組功能上緊密相關(guān)的蛋白質(zhì)。如球蛋白基因家族。碼一組功能上緊密相關(guān)的蛋白質(zhì)。如球蛋白基因家族。 目錄目錄 DNA序列相似，但功能不一定相關(guān)的若序列相似，但功能不一定相關(guān)的若 干個單拷貝基因或若干組基因家族總稱。干個單拷貝基因或若干組基因家族總稱。 超家族基因超家族基因 （sup

23、erfamily gene） 基因組中存在的一段與正?；蚍浅Ｏ嗷蚪M中存在的一段與正?；蚍浅Ｏ?似但不能表達的似但不能表達的DNA序列。以序列。以 來表示。來表示。 假基因（假基因（psuedogene） 目錄目錄 四、線粒體四、線粒體DNA結(jié)構(gòu)有別于染色體結(jié)構(gòu)有別于染色體DNA 線粒體線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA） 是核外遺傳物質(zhì)，能獨立編碼線粒體中的一些是核外遺傳物質(zhì)，能獨立編碼線粒體中的一些 蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)。 mtDNA的結(jié)構(gòu)為環(huán)狀分子，與原核生物的的結(jié)構(gòu)為環(huán)狀分子，與原核生物的 DNA類似，結(jié)構(gòu)特點也與原核生物相似。類似，結(jié)構(gòu)特點也與原核生物相似。

24、目錄目錄 人的線粒體基因組人的線粒體基因組 線粒體基因組編碼線粒體基因組編碼 3737個基因，包括個基因，包括1313個編個編 碼呼吸鏈多酶體系的一碼呼吸鏈多酶體系的一 些多肽的基因、些多肽的基因、2222個編個編 碼碼mt-tRNAmt-tRNA的基因、的基因、2 2 個編碼個編碼mt-rRNAmt-rRNA（16S16S 和和12S12S）的基因。）的基因。 目錄目錄 例：人的線粒體基因例：人的線粒體基因Opa1 基因敲除鼠制備與鑒定基因敲除鼠制備與鑒定 線蟲感染降低線蟲感染降低OPA1KO肥胖鼠體重、提高糖耐量水平肥胖鼠體重、提高糖耐量水平 Glucose Tolerance Test 結(jié)果結(jié)果 目錄目錄 物種物種基因組大小基因組大小( (Mb) )基