基因和基因組結構和功能

1、關于基因與基因組的結構與功能第一張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月3.1 基因的概念包括:編碼基因與非編碼區(qū)從生化學上來說指的是一段DNA或RNA順序，該順序可以產(chǎn)生或影響某種表型，可以由于突變生成等位基因變異體。從遺傳學上來說代表一個遺傳的功能單位，同時也是一個交換單位和突變單位。基因（gene）是DNA和RNA分子中具有遺傳效應的核苷酸序列，是遺傳的基本的單位。第二張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月基因概念的發(fā)展大致上分以下幾個階段:孟德爾所闡明的基因觀 “基因是生物體傳遞遺傳信息和表達遺傳信息的基本物質單位”。 1865年，奧地利神父孟德爾從7個豌豆性狀的實驗提出了“遺傳

2、因子假說”（每個性狀由定位在染色體上的遺傳因子控制，并提出了遺傳因子的分離與自由組合的兩大遺傳規(guī)律性）。第三張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第二階段摩爾根時代賦予基因以物質的內涵。 隨后摩根通過對果蠅的研究提出了基因的連鎖遺傳規(guī)律，并定義了經(jīng)典的基因概念。（經(jīng)典基因概念：基因是孤立地、排列在染色體上的實體，具有特定功能，能獨立發(fā)生突變的遺傳交換的、“三位一體”的、最小的遺傳單位。呈線性排列在染色體上的遺傳實體。）第四張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月3、順反子階段：順反子就是一段核苷酸序列，能編碼一條完整的多肽。4、現(xiàn)代基因階段：編碼基因的主要編碼產(chǎn)物是多肽鏈，另外還包括許多

3、編碼RNA的基因?，F(xiàn)代基因概念：操縱子、轉座子、斷裂基因、重疊基因、假基因第五張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月5.AGCCGACTATGTCGAAGCTT.GCTTGACTATAAGACA33.TCGGCTGATACAGCTTCTAA.CGAACTGATATTCTGT5轉錄調控區(qū) 貯存RNA或蛋白質結構信息區(qū) 轉錄終止區(qū)基因的基本結構基因結構第六張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月3.2 基因的命名法基因原則：簡明、獨特、能夠表達基因的特征或功能基因符號：獨特、簡短、僅含拉丁字母和阿拉伯數(shù)字，不應有標點符號。第七張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月3.3基因組基因組（ge

4、nome)：細胞或生物體內一套完整單體的遺傳物質的總和；或所含有的全部基因。如人： 22常+ X， Y，+ 線粒體基因組基因組的功能是貯存和表達遺傳信息。主要由兩種基因組組成核基因組核外基因組：質?；蚪M、線粒體基因組、葉綠體基因組等重要的遺傳信息存在于核基因組內第八張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月基因組的結構主要指不同的基因功能區(qū)域在核酸分列中的分布和排布情況。第九張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月基因及基因組的大小與C值矛盾 C值（C-value）：單倍體基因組中的全部DNA量。C值悖論：基因組的大小和DNA含量隨著生物進化復雜程度的增加而逐步上升，但也有另外。變形蟲的C

5、值是人的200倍 第十張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 4 病毒及其基因組3.4.1病毒基因組的一般特點及病毒的核酸病毒基因組的特點1基因組大小相差很大：2核酸結構多樣性：3編碼序列90%(基因組)HBV：3.2kb 痘病毒：300 kbDNA或RNA 單鏈或雙鏈 合環(huán)狀分子或線性分子第十一張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月4. 多為單拷貝,即每個基因只出現(xiàn)一次5.基因有連續(xù)的和間斷的 (有內含子)6.相關基因叢集: 功能上相關的基因排列在一起7.有重疊基因8.含有不規(guī)則結構基因第十二張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月病毒基因組核酸的主要類型雙鏈RNA單鏈負股RN

6、A 單鏈正股RNA分類DNARNA 雙鏈DNA：HBV 單鏈DNA：M13噬菌體正股(+)：序列與mRNA相同的鏈 負股(-)：序列與mRNA互補的鏈第十三張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月典型病毒基因組介紹SV40病毒基因組第十四張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月.雙鏈環(huán)狀DNA：5243bp早期轉錄區(qū)：一個基因（2個蛋白質 t，T）調控區(qū)（400bp）：復制起始點，啟動子，增強子晚期轉錄區(qū)：先轉錄出一個多順反子mRNAVP1 mRNAVP2 mRNAVP3 mRNAVP3比VP2N端少1/3AUG 位于VP2和 VP3內第十五張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月.UA

7、A內含子1內含子2前體mRNA剪接方式1：去除內含子1剪接方式2：去除內含子2T-mRNAt -mRNAT- 抗原t-抗原分布于核內：100 KD分布于胞漿內：18 KDT - 抗原和t-抗原mRNA前體的不同剪接方式UAA第十六張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月.2、逆轉錄病毒(retroviruses，HIV)（1）一般特征 病毒(+)股RNA為2個拷貝,基本結構為:帽RU5PBDLSgagpolenv(onc) CPBU3Rpoly(A)n病毒顆粒中有兩條相同的正股RNA+兩條來自宿主細胞的tRNA第十七張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月A：編碼區(qū):所有逆轉錄病毒均含有3

8、個基本結構基因gag: 病毒衣殼蛋白pol: 肽鏈內切酶,一個逆轉錄酶,一個與前病毒整 合相關的酶env: 包膜蛋白B：非編碼區(qū): 與基因組復制和基因表達有關A: R區(qū): 兩端的重復序列,與cDNA合成有關B: 引物結合區(qū)(primer binding site, PB)C: U區(qū): U3 含強啟動子,起始轉錄RNA. U5 與轉錄終止和加polyA有關D: DLS-C區(qū): DLS:兩條病毒(+)RNA鏈結合位點 : 包裝信號:RNA裝入病毒顆粒 C: 調控區(qū).第十八張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）前病毒基因組的轉錄和翻譯A：逆轉錄病毒基因組的復制和轉錄都需要經(jīng)過DNA中間體才

9、能完成.RNA病毒DNA前病毒RNA病毒(cDNA)末端形成新的重復序列(U3-R-U5)稱長末端重復序列(LTR) long terminal repeatB：翻譯多順反子mRNA gag-pol(無起始密碼子)第十九張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月90% 形成gag蛋白 10%形成gag- pol 蛋白 剪接后形成env mRNA第二十張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月3.4.2 噬菌體基因組重疊基因 : 不同基因的核苷酸序列有時是可以共用的。也就是說，它們的核苷酸序列是彼此重疊的，這樣的2個基因被稱為重疊基因。 兩個或兩個以上的基因共有一段DNA序列或者是指一段DNA序

10、列為兩個或兩個以上基因的組成部分。 重疊方式有大基因內包含小基因，前后兩個基因首尾重疊等。第二十一張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十二張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月RNA噬菌體MS2，R17，f2和Q的重疊第二十三張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月3.5 細菌基因組原核基因組Prokaryotic genome ，以細菌為代表講述，又稱Bacteria genome。原核生物的染色體基因組是指其環(huán)狀或線狀的雙鏈DNA分子所含有的全部基因，有的原核生物還含有染色體外的質?；蚪M。第二十四張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月以細菌為代表進行研究，有許多優(yōu)勢：

11、 1.構造相對簡單，基因結構也不復雜，取材便利，易于培養(yǎng)，可選擇突變株進行研究，實驗結果容易重復。 2.與人類有共同的主要生物學規(guī)律，如：遺傳物質都是DNA；主要的功能分子都是蛋白質；基因密碼是通用的，等等。 3.尤其是E.coli，是分子克隆是“明星“，基因工程最主要的工程菌，因為基因工程的主要工作是克隆真核基因在原核系統(tǒng)中表達。第二十五張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月原核生物基因組結構與功能的特點：1. 基因組通常僅由一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成。2. 基因組中只有1個復制起點。3. 具有操縱子結構。 操縱子（operon） 是指數(shù)個功能相關的結構基因串聯(lián)在一起，構成信息區(qū)，連同其

12、上游的調控區(qū)（包括啟動和操縱區(qū)）及其下游的轉錄終止信號構成的基因表達單位。4. 細菌的結構基因一般無重疊現(xiàn)象。5. 原核基因的基因序列是連續(xù)的，無內含子結構。第二十六張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月6. 編碼區(qū)和非編碼區(qū)在基因組中約各占50%。7. 基因組中的重復序列很少。8. 具有編碼同功酶的基因（isogene） 這是一類結構不完全相同，而功能相同的基因。如E.coli含有2個編碼乙酸乳酸合成酶的基因和2個編碼分支酸變位酶同工酶的基因。9. 細菌基因組中存在可移動的DNA序列，包括插入序列和轉座子。10.原核基因的基本結構特點： 啟動子（promoter）、操縱基因（operat

13、or）、調控序列、結構基因（structure gene）、終止子（terminator）。第二十七張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月Bacterial chromosome（大腸桿菌）基因組圖第二十八張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月染色體外的遺傳物質質粒質粒（plasmid） 是獨立于許多細菌及某些真核細胞染色體外共價閉合環(huán)狀的DNA分子（covalant closed circnlar,cccDNA），能獨立復制的最小遺傳單位。 質粒是雙鏈的DNA分子，大小在1200kb之間，和病毒不同，它們沒有衣殼蛋白（裸DNA）。質?？赏ㄟ^復制、轉錄、翻譯，從而賦予寄主細胞某種性狀，

14、許多性狀已作為DNA重組技術中的較為成熟的選擇標記。第二十九張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月質粒的特點1、最大特點: 可獨立復制2、質粒的遺傳控制第三十張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月柯斯（Cosmid）質粒cos位點,粘性位點 第三十一張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月(1).復制控制系統(tǒng): 控制質粒的拷貝數(shù) 復制起始點(ori) Rep基因: Rep蛋白結合于ori, 促進復制 過量可抑制復制 Cop基因: 抑制復制(2).分配系統(tǒng): 使質粒在細菌分裂時精確分配到子細胞中.(3). 細胞分裂抑制系統(tǒng): 控制細胞分裂,使細胞分裂與質粒 復制協(xié)調(4).位點特異重組

15、系統(tǒng): 多聚體 單體 (細菌內) (分裂時)(5) 質粒的不相容性: 具有相同復制起始點和分配區(qū)的兩種質粒不能共 存于一個宿主,這種現(xiàn)象稱.第三十二張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 共存一宿主 兩種質粒 不共存一宿主另:凡經(jīng)改建作為基因克隆載體的質粒必須包括三種共同的組成成分: 復制基因(replicator) 選擇性標記 克隆位點第三十三張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月質粒與宿主細胞的關系 質粒對宿主的生存不是必需的，只是“友好”的“借居”宿主細胞中，既不殺傷細胞，對宿主的代謝活動也無影響，宿主離開質粒照樣的生存下去。 質粒離開宿主就無法生存，只有依賴宿主細胞的（酶和蛋白

16、質）幫助，才能完成自身的復制（擴增）、轉錄。 質粒經(jīng)常為宿主執(zhí)行一些適當?shù)倪z傳功能，作為對宿主細胞的補償（“交房租”）。 質粒賦于宿主各種有利的表型（質粒編碼蛋白質或酶），使宿主獲得生存優(yōu)勢，與我們基因工程實驗緊密相關的，如抗生素抗性基因。第三十四張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月4.質粒發(fā)現(xiàn)和研究意義 理論意義 質粒能夠復制、傳遞和表達遺傳信息，從分子遺傳學觀點來看是一種有機體，是比病毒更原始的生命形式，是生命起源研究的一塊重要基石。 實踐意義 是基因工程的重要載體（vector），能把外源基因（目的基因）送到宿主細胞中去克隆擴增或克隆表達。第三十五張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于202

17、2年6月質粒是可以改造的，可以剪切、剪接的，基因工程的重要任務之一就是嚴格改造質粒的同時，控制質粒不傳遞，若一個致癌質粒可以傳遞就會傳到外部。作為基因工程載體的3個特點： A.都能獨立自主的復制； B.都能便利的加以檢測（如抗生素抗性）； C.都能容易引進宿主細胞中去，也易從宿主細胞中分離純化（提質粒）。 工程質粒必須同時符合上述3個條件。 基因工程中主要使用人工構建的質粒。第三十六張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月3.6 真核生物基因組3.6.1 特點1、體細胞: 兩套基因組 性細胞: 一套基因組2、基因組結構復雜,數(shù)目龐大, 多個復制起始點。3、mRNA為單順反子。4、含大量重復序

18、列。5、非編碼序列占90%以上。6、基因間有間隔區(qū)(spacer DNA),基因為斷裂基因(split gene) 即內含子,外顯子。7、功能相關的基因串聯(lián)在一起形成基因家族8、存在可移動成分第三十七張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月3.6.2 真核生物的基因組結構1.結構基因、內含和外顯子、斷裂基因。（1）結構基因（structural gene）指能轉錄成為mRNA、rRNA或tRNA的DNA順序。（2）斷裂基因（split gene） 在真核類結構基因組中，編碼順序被許多稱為內含子的非編碼區(qū)分割成幾段稱之斷裂基因。第三十八張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月斷裂基因 （不連

19、續(xù)基因、割裂基因） : 核苷酸序列中間插入有與編碼無關的DNA間隔區(qū)，使1個基因分隔成不連續(xù)的若干區(qū)段。這種編碼序列不連續(xù)的間斷基因被稱為斷裂基因。 第三十九張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月內含子和外顯子 真核生物的結構基因是不連續(xù)的，編碼序列被非編碼序列打斷，在編碼序列之間的序列稱為內含子（intron），編碼序列稱為外顯子（extron）。第四十張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十一張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十二張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月假基因 : 這是一種核苷酸序列同其相應的正常功能基因基本相同，但卻不能合成出功能蛋白質的失活基因

20、。 假基因常用符號表示，如1 表示與1 相似的假基因. 假基因與有功能的基因同源,原來也可以是有功能的基因,由于發(fā)生缺失(deletion)、例位(inversion)或點突變（point mutaion）等，成為無功能的基因，即形成了假基因。第四十三張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月假基因結構示例第四十四張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2 真核生物編碼序列真核生物基因組編碼序列只占DNA總量的5%，但由于其基因組非常大，故其基因數(shù)量就原核生物基因組要大得多（幾十倍）。第四十五張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月重復序列（repeat sequence)據(jù)出現(xiàn)的頻率不同

21、可將DNA序列分為3類： 1.高度重復序列 在基因組中的重復次數(shù) 105 2.中度重復序列 在基因組中的重復次數(shù)為 101-105 3.單拷貝序列和低度重復序列 在整個基因組中出現(xiàn)1次或少數(shù)幾次（100-101）。第四十六張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月重復序列中，除了編碼rRNA 、tRNA 、組蛋白及免疫球蛋白的結構基因外，大部分是非編碼序列。 它們的功能 主要與基因組的結構穩(wěn)定性，組織形式以及基因表達調控有關。第四十七張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月3 真核生物的基因家族(gene family)和基因簇基因家族 是指真核生物基因組中核苷酸序列或編碼產(chǎn)物具有一定程度同

22、源性的一組基因?；蚣易?中各個基因之間的關系: （1）家族中各基因的核苷酸序列相同這些基因族也被稱為單純多基因家庭（如rRNA,tRNA家族）和復合多基因家族（如組蛋白基因家族）。第四十八張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 組蛋白基因家族第四十九張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）家族中各基因核苷酸序列高度同源 人類生長激素基因家族 -株蛋白和-株蛋白基因家族（3）家族中各基因編碼的蛋白質有高度的同源性，但基因的核苷酸序列可能不同。如src癌基因家族 src，abl，fes，fgr，fps，fym，kck，lyn，ros，tkl，yes。 第五十張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作

23、于2022年6月第五十一張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（4）家族各基因編碼的蛋白質中具有很小的保守基因序列（conserved motif)。 如DEAD box基因家族。DEAD box：Asp-Glu-Ala-Asp.（5）基因超家族（gene superfamily） 基因超家族，是指一組由多基因家族及單基因家族組成的更大的基因家族。如：（1）免疫球蛋白超基因家族（2）絲氨酸蛋白酶基因超家族 （3）信號傳遞途徑中的小GTP接合蛋白，現(xiàn)在稱為ras超家族，包括ras家族、rho家族、rab家族，大約已有30個蛋白質基因被確定為該家族成員。 第五十二張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2

24、022年6月人類基因組DNA多態(tài)性某一機體可以觀察到的特征，稱為表現(xiàn)(phenotype)，與表型相應的基因組成稱為基因型(genotype)。人類個體之間所以表現(xiàn)為千差萬別，其物質基礎在于基因組DNA的差異。 DNA序列的多態(tài)性就是這些差異中十分重要的1種，DNA序列多態(tài)性可分為位點的多態(tài)性和串聯(lián)重復順序多態(tài)性，前者又可造成限制性片段長度多態(tài)性。第五十三張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月(一)DNA位點多態(tài)性(DNA site polymorphism)DNA位點多態(tài)性 是由于等位基因間在特定位點上DNA序列存在差異造成的。 在各種DNA位點多態(tài)性系統(tǒng)中，HLA（人類白細胞抗原）是最

25、復雜的一種。就其表型而言,從理論上來說,已遠遠超過了現(xiàn)有地球人口，人類為遠交群體，因此要在無血緣關系人群找到HLA表型完全相同的個體幾乎是不可能的。第五十四張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月(二)限制性中段長度多態(tài)性(restiction fragment length polymorplism,RFLP)DNA位點的多態(tài)性可影響限制酶的切割位點，造成限制片段長度多態(tài)性，即用同一種限制酶消化不同個體DNA時，會得到長度各不相同的限片段類型。是DNA多態(tài)性的一種特別有用的形式，當DNA分子由于中性突變，使某種限制酶切點數(shù)增加，減少或移位，導致限制性片段長度發(fā)生改變（也稱為RFLP），就會得到不同限制性片段類型，這樣的位點稱為多態(tài)性位點。第五十五張，PPT共六十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（三）重復順序長度多態(tài)性小衛(wèi)星DNA多態(tài)性很復雜，個體之間的差異極高。微衛(wèi)星DNA多態(tài)性,功能不太清楚。（四） DNA位點的多態(tài)性 可以作為遺傳標記重復順序長度多態(tài)性，用于基因診斷或個體鑒定，其與疾病的相關