第二章與基因組

第二章基因與基因組GeneandGenome第一節(jié)生命有機體第二節(jié)基因第三節(jié)基因組概述第四節(jié)病毒的基因組第五節(jié)細菌的基因組第六節(jié)真核生物的基因組主要內(nèi)容第一節(jié)生命有機體一、生命有機體的劃分林奈1735?？藸?866李代爾1974魏泰克1969陳世驤等的三總界六界分類系統(tǒng)（1979）生物分界到現(xiàn)在都有爭論！

按照細胞的結(jié)構和遺傳物質(zhì)在細胞內(nèi)的分布，生命有機體可大致劃分為：原核生物（Prokaryotes）真核生物（Eukaryotes）超分子的亞細胞生命形式動物、植物、真菌細菌、藍細菌病毒1、真核生物（Eukaryotes）遺傳物質(zhì)集中存在于核膜包圍的細胞核中,并與特殊的蛋白質(zhì)結(jié)合為核蛋白－－染色體2、原核生物（Prokaryotes）遺傳物質(zhì)－－類核或擬核習慣上也稱為染色體3、超分子的亞細胞生命形式

繁殖必須在寄主體內(nèi)進行，因而遺傳機制與寄主密切相關。如：病毒（virus寄主為動、植物）使用真核生物的遺傳法則

噬菌體(phage細菌病毒)適應了原核生物的遺傳策略二、真核細胞和原核細胞的區(qū)別

原核細胞真核細胞核膜無核膜，故無成形的細胞核有核膜核仁無有染色質(zhì)只有裸露的DNA，無染色質(zhì)有染色質(zhì)細胞壁由粘多糖構成由纖維素構成細胞器沒有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、線粒體、葉綠體細胞器較多第二節(jié)基因基因a基因b基因f基因c基因d基因eGene一、基因概念的產(chǎn)生與發(fā)展“基因”概念的提出基因概念的進一步發(fā)展基因本質(zhì)、結(jié)構和功能的探索三個階段：1、“基因”概念的提出GregoryMendel（1822－1884）“遺傳因子”（Mendelianfactor)

他認為：“生物每一個性狀都是通過遺傳因子來傳遞的，遺傳因子是一些獨立的遺傳單位?！睘楝F(xiàn)代基因概念的產(chǎn)生奠定了基礎“基因”一詞的創(chuàng)立1909年丹麥遺傳學家約翰遜（W.Johansen1859-1927）在《精密遺傳學原理》一書中提出“基因”概念，以此來替代孟德爾的“遺傳因子”。從此，“基因”一詞一直被使用至今。此時的基因仍然是一個未經(jīng)證實的，僅靠邏輯推理得出的概念。染色體是基因的載體“基因以直線形式排列，它決定著一個特定的性狀，而且能發(fā)生突變并隨著染色體同源節(jié)段的互換而交換，它不僅是決定性狀的功能單位，而且是一個突變單位和交換單位?！?/p>

-

《基因論》，1926ThomasHuntMorgan（1866－1945）“三位一體”（Threeinone）的基因概念2、基因本質(zhì)、結(jié)構和功能的探索

把基因與染色體聯(lián)系起來，說明了基因的物質(zhì)性，基因存在的場所及排列方式，基因從此就不再是一個抽象的概念了。

當然這時人們?nèi)匀徊涣私饣虻幕瘜W本質(zhì)以及基因是如何控制生物性狀的。基因的化學本質(zhì)是DNA1944年，奧斯瓦德·埃弗里肺炎鏈球菌遺傳轉(zhuǎn)化研究OswaldAvery證明遺傳物質(zhì)是DNA而不是蛋白質(zhì)。肺炎鏈球菌體外轉(zhuǎn)化實驗組成：5%RNA，95%蛋白質(zhì)1956年，德國科學家

A.Gierer和G.SchraimRNA可以作為遺傳物質(zhì)嗎？煙草花葉病毒（Tobaccomosaicvirus，TMV）分離實驗(TMV)蛋白質(zhì)RNAA.

GIERER

&

G.

SCHRAMM.InfectivityofRibonucleicAcidfromTobaccoMosaicVirus.Nature,1956,177,702-703

1957年，HeinzFraenkel-Conrat和B.Singre煙草花葉病毒（TMV）的重建實驗基因的化學本質(zhì)是DNA，有時是RNA1953年沃森和克里克DNA分子的雙螺旋結(jié)構模型基因就是DNA分子的一個區(qū)段。每個基因由成百上千個脫氧核苷酸組成，一個DNA分子可以包含幾個乃至幾千個基因。明晰了基因與DNA的關系?！耙粋€基因一個酶”1941年,G.W.Beadle和E.L.Tatum研究證實紅色鏈孢霉各種突變體的異常代謝是一種酶的缺陷，產(chǎn)生這種酶缺陷的原因是單個基因的突變。“一個基因一條多肽鏈”本世紀50年代，Yanofsky有些蛋白質(zhì)不只由一種肽鏈組成，如血紅蛋白和胰島素，不同肽鏈由不同基因編碼，因而又提出了“一個基因一條多肽鏈”的假設?；蚴峭ㄟ^控制合成特定蛋白質(zhì)以控制代謝決定性狀變得清晰起來?；虻幕瘜W本質(zhì)是DNA（有時是RNA），它控制著蛋白質(zhì)合成?；蚺cDNA的關系：基因就是DNA分子的一個區(qū)段。每個基因由成百上千個脫氧核苷酸組成，一個DNA分子可以包含幾個乃至幾千個基因?；蚺c性狀的關系：基因是通過控制合成特定蛋白質(zhì)以控制代謝決定性狀?；蝽樂醋樱–istron）的概念1955年，美國分子生物學家本澤（Benzer）對大腸桿菌T4噬菌體作了深入研究，揭示了基因內(nèi)部的精細結(jié)構，提出了基因的順反子（Cistron）概念。是指編碼一個蛋白質(zhì)的全部組成所需信息的最短片段，即一個基因?；騼H是一個功能單位，基因內(nèi)部的堿基對才是重組單位和突變單位。打破了過去關于基因是突變、重組、決定遺傳性狀的“三位一體”概念，對經(jīng)典的基因概念的第一次重要修正，是基因概念的偉大突破。基因的“操縱子”學說1961年，法國雅各布（F.Jacob）和莫諾（J.L.Monod）在研究大腸桿菌乳糖代謝的調(diào)節(jié)機制中提出了操縱子學說?！安⒉皇撬械幕蚨寄転殡逆溸M行編碼。于是便把能為多肽鏈編碼的基因稱為結(jié)構基因。還有些DNA區(qū)段，其本身并不進行轉(zhuǎn)錄，但對其鄰近的結(jié)構基因的轉(zhuǎn)錄起控制作用，被稱為調(diào)控基因。調(diào)控基因與其控制下的一系列結(jié)構基因組成一個功能單位叫做操縱子（operon）。擴大了人們關于基因功能的視野，大大拓寬了人們對基因功能及相互關系的認識。3、基因概念的進一步發(fā)展

基因具重疊性---重疊基因內(nèi)含子和外顯子---斷裂基因基因的游動性---跳躍基因70年代后，基因的概念隨著多學科滲透和實驗手段日新月異又有突飛猛進的發(fā)展，主要有以下幾個方面：二、現(xiàn)代基因的概念

-Conceptofgene基因(Gene):

是合成一條有功能的多肽或RNA分子所必須的全部核苷酸序列。

一般是DNA序列（或RNA病毒中的RNA）。三、基因的種類按照基因在細胞內(nèi)分布的部位劃分：

細胞核基因位于細胞核內(nèi)的染色體上，絕大多數(shù)基因?qū)儆诩毎嘶颉?/p>

細胞質(zhì)基因位于細胞質(zhì)內(nèi)，如細菌中的質(zhì)粒，真核細胞中的線粒體基因（動物）和葉綠體基因（植物）。按照基因產(chǎn)物劃分：蛋白質(zhì)基因和RNA基因。按照基因的功能劃分：結(jié)構基因（Structuralgene）調(diào)節(jié)基因（Regulatorygene）結(jié)構基因：可被轉(zhuǎn)錄形成mRNA，并進而翻譯成多肽鏈，構成各種結(jié)構蛋白質(zhì)，催化各種生化反應的酶和激素等。調(diào)節(jié)基因：指某些可調(diào)節(jié)控制結(jié)構基因表達的基因，合成阻遏蛋白和轉(zhuǎn)錄激活因子。只轉(zhuǎn)錄不翻譯的基因：核糖體RNA基因（rRNA基因簡稱rDNA）轉(zhuǎn)移RNA基因（tRNA基因簡稱tDNA）四、基因的結(jié)構（Geneorganization）必須具備以下幾個基本的組成成分：

編碼區(qū)（CodingRegion）

基因中編碼RNA或蛋白質(zhì)的DNA序列。

非編碼區(qū)（Non-CodingRegion）

習慣上有時也稱其為結(jié)構基因或基因。

起始密碼子到終止密碼子之間的序列。

不能編碼蛋白質(zhì)，可調(diào)控遺傳信息的表達，習慣上稱為調(diào)控序列。基因結(jié)構的草圖

在顯示基因結(jié)構時，通常只用DNA編碼鏈的堿基順序來表示，左側(cè)為編碼鏈的5′端，右側(cè)為3′端。基因結(jié)構的示意圖ORF：openreadingframe，開放閱讀框UTR：un-translatedregions，非翻譯區(qū)Transcriptionunit：轉(zhuǎn)錄單位/轉(zhuǎn)錄區(qū)域，即可以轉(zhuǎn)錄為mRNA的一段區(qū)域。EnhancerResponseElementsPromoter5′UTR3′UTRStartCondonStopCondonTranscriptioninitiationsiteTranscriptionterminationsite非編碼區(qū)非編碼區(qū)CodingRegion(ORF)編碼區(qū)TerminatorTranscriptionunit五、原核生物基因結(jié)構特點2、原核生物基因的開放式閱讀框架（ORF）/結(jié)構基因是連續(xù)的。1、在原核生物中，一個轉(zhuǎn)錄單位（transcriptionunit）可能包括多個ORF/結(jié)構基因。3、原核生物的mRNA是多順反子mRNA。

一個mRNA分子上攜有幾種多肽分子的氨基酸序列信息，這一mRNA就稱作為多順反子mRNA（PolycistronicmRNA）。它是能轉(zhuǎn)譯成兩條或多條多肽鏈。

結(jié)構基因多順反子（攜帶幾種蛋白質(zhì)的氨基酸序列信息的mRNA）蛋白質(zhì)4、原核生物（噬菌體和病毒）的基因重疊現(xiàn)象。重疊基因（overlappinggene）：指兩個或兩個以上的結(jié)構基因共同一段DNA順序的現(xiàn)象。重疊基因有多種重疊方式。例如，大基因內(nèi)包含小基因；前后兩個基因首尾重疊一個或兩個核苷酸；幾個基因的重疊等等。舉例：我國古代的回文詩蓮人在綠楊津

采一

玉漱聲歌新闕采蓮人在綠楊津，在綠楊津一闕新，一闕新歌聲漱玉，歌聲漱玉采蓮人1977年Sanger首先發(fā)現(xiàn)重疊基因噬菌體X174測序,全長5387bp。X174含有的5387bp最多能編碼1795個氨基酸，若每個氨基酸的平均分子量為110Da，則總的蛋白質(zhì)分子量為197kD，但實際蛋白質(zhì)總分子量卻為262kD。將全部DNA順序和蛋白質(zhì)的氨基酸順序進行比較，發(fā)現(xiàn)了重疊基因。六、真核生物的基因結(jié)構特點割裂基因（splittinggene）：基因的編碼序列被非編碼序列所間隔，形成嵌合排列的斷裂形式稱為割裂基因。不連續(xù)基因（discontinuousgene）斷裂基因（interruptedgene）上世紀70年代，羅伯茨和夏普通過成熟mRNA（或cDNA）與編碼基因的DNA雜交試驗而發(fā)現(xiàn)。1、真核生物的基因割裂現(xiàn)象將雞輸卵管的卵清白蛋白mRNA反轉(zhuǎn)錄成cDNA，同卵清白蛋白基因作分子雜交后置于顯微鏡下觀察：突出成環(huán)的為無互補序列的基因序列。R-環(huán)結(jié)構：DNA與cDNA（mRNA）雜交發(fā)現(xiàn)許多不配對區(qū)R-環(huán)結(jié)構上世紀70年代，羅伯茨和夏普。外顯子（Exon）：斷裂基因中的編碼序列稱為外顯子，它是基因中可表達為多肽的部分。內(nèi)含子（Intron）：斷裂基因中的非編碼序列稱為內(nèi)含子。

內(nèi)含子的生物學意義

-儲存較多的遺傳信息

割裂基因的特性（1）外顯子在基因中的排列順序和它在成熟mRNA產(chǎn)物中的排列順序是相同的。（2）在割裂基因中，外顯子和內(nèi)含子是相間排列的。

一個割裂基因中外顯子的數(shù)目總是等于內(nèi)含子的數(shù)目加1。不同的割裂基因外顯子和內(nèi)含子的數(shù)目相差很大，基因的長度也相差懸殊。如人血紅蛋白β珠蛋白鏈基因含有3個外顯子，2個內(nèi)含子，長約1.7kb(千堿基)。苯丙氨酸羥化酶基因則含有13個外顯子和12個內(nèi)含子，僅編碼區(qū)全長就達90kb。（3）在每個外顯子與內(nèi)含子的交界處，都有一段高度保守的特異性堿基順序。

每個內(nèi)含子的5′端以GT開始，3′端以AG結(jié)束，這一特異的堿基順序稱為外顯子－內(nèi)含子接頭，也稱GT－AG法則。它是RNA的剪切識別信號。（4）并非真核生物所有的結(jié)構基因均為割裂基因。Histonegenefamily干擾素Yeast中多數(shù)基因不是splittinggene（5）割裂基因并非真核生物所特有。T4phage的胸苷合成酶基因1017bpintron（6）Intron并非“含而不露”（7）Exon并非“表里如一”

酵母細胞色素氧化酶基因反式拼接的反式作用因子就是其內(nèi)含子的產(chǎn)物。tRNA、rRNA基因理所當然不顯；人類尿激酶原基因ExonI不編碼氨基酸序列2、真核生物的mRNA是單順反子mRNA

一個（成熟的）mRNA分子上只攜有一種多肽分子的氨基酸序列信息，這一mRNA就稱作為單順反子mRNA(monocistronicmRNA)。它是只能轉(zhuǎn)譯成一條多肽鏈。

第三節(jié)基因組概述Outlineofgenome基因組（genome）一、基因組（genome）的定義：是生物體內(nèi)所有基因與基因間序列總和。：一個細胞或病毒所包含的全部基因。：……：細胞或生物體中，一套完整

單倍體的遺傳物質(zhì)的總和。真核生物基因組（DNA）核基因組（染色體DNA）細胞器基因組（染色體外DNA）

單倍體細胞（精、卵子）:

細胞核中所有DNA分子。

二倍體細胞（體細胞）：細胞核中一套染色體上的DNA分子。

線粒體基因組：線粒體中所有DNA分子。

葉綠體基因組：葉綠體中所有DNA分子。如人：核基因組+線粒體基因組22常+X、Y+線粒體基因組細菌基因組（DNA）“染色體”外DNA質(zhì)粒DNA

“染色體”全部DNA全部DNA或RNA序列。病毒基因組：一個物種（個體、細胞）的基因組有四個內(nèi)涵：代表DNA或RNA分子的總和；代表遺傳信息的總和；代表染色體的總和；代表基因的總和。二、基因組大小與C值矛盾基因組、基因、核酸片段大小表示法：1、堿基（對）數(shù)目

單鏈核酸：堿基數(shù)nucleotide,nt雙鏈核酸：堿基對basepair,bp千堿基對kilobasepair,Kb兆堿基對megabasepair,Mb1Mb=103Kb=106bp乙肝病毒基因組DNA有3,200bp。

例如：人基因組DNA的全長為大約3×109bp。2、C值（Cvalue）C值：生物體單倍體DNA總量，基因組DNA全部堿基（對）數(shù)。C值是物種的一個重要特性常數(shù)。人類基因組C值:3×109

bp（約30多億堿基對）。乙肝病毒基因組C值:3,200bp或3.2Kb。痘病毒基因組C值:300,000bp或300Kb。*陰影部分為一門類中C-值的分布范圍不同生物門類基因組的C值分布C值進化程度

原核和低等真核生物中，C-值與生物在進化上所處的地位和形態(tài)學復雜程度相關。

C-值在不同生物之間差別很大。

在高等真核生物中，C-值不隨生物的進化程度和復雜性而增加。例如：兩棲類與哺乳類之間

在高等真核生物中，親緣關系密切的生物C值相差甚大。例如：兩棲類、顯花植物等的C-值范圍

在高等生物中，存在C值與功能復雜程度不完全成比例的現(xiàn)象。

高等真核生物的進化程度與基因組大小（C值）之間不完全成比例的現(xiàn)象，稱為C值矛盾（Cvalueparadox）或C值悖論。3、C值矛盾（Cvalueparadox）第四節(jié)病毒基因組Viralgenome一、什么是病毒？病毒是介于生命與非生命之間的一種物質(zhì)形式。

-邊緣生命

游離于細胞之外時，不能復制，不表現(xiàn)生命流行性，只以一種有機物的物質(zhì)形式存在。但病毒進入細胞之后，借助細胞內(nèi)的一些酶類和細胞器以復制方式增殖，表現(xiàn)它的生命形式。是最小的非細胞型微生物，結(jié)構簡單（核酸及蛋白質(zhì)），只能在電子顯微鏡下觀察；結(jié)構簡單

–

核蛋白體最小的非細胞型微生物二、病毒基因組核酸的主要類型分類DNARNA單鏈DNA（single

strandDNA,dsDNA）單鏈負股RNA(negativesinglestrandRNA,-ssRNA)

單鏈正股RNA(positivesinglestrandRNA,+ssRNA)

雙鏈RNA（doublestrandRNA,dsRNA）雙鏈DNA（doublestrandDNA,dsDNA）（十）鏈RNA和（一）鏈RNA的區(qū)分DNARNA三、病毒基因組結(jié)構與特點1、每種病毒核酸只有一種，或者DNA，或者

RNA，兩者不共存于同一病毒顆粒中；2、核酸結(jié)構類型多樣。5大類3、病毒基因組小而且基因組大小差別很大。乙肝病毒，雙鏈DNA，3.2Kb，編碼6個蛋白質(zhì)。4、病毒基因組的編碼序列大于90%。ΦX174中不編碼的部份只占217/5375（bp),即4%；G4DNA中占282/5577(bp),即5%。5、病毒基因組有連續(xù)的也有不連續(xù)的。大多數(shù)病毒基因是連續(xù)的，沒有內(nèi)含子；

多瘤病毒基因是不連續(xù)的，有內(nèi)含子。6、除了逆轉(zhuǎn)錄病毒外，所有的病毒基因都是單倍體基因。即每個基因在某個病毒顆粒中只出現(xiàn)一次，即只有1套基因。7、基因常常成簇排列。ΦX174基因組中的D-E-J-F-G-H基因轉(zhuǎn)錄在同一mRNA中，然后再翻譯成各種蛋白質(zhì)，其中Ｊ、F、G及H都是編碼外殼蛋白的，D蛋白與病毒的裝配有關，E蛋白負責細菌的裂解，它們在功能上也是相關的。

病毒基因組核酸序列中功能相關的蛋白質(zhì)基因往往叢集在基因組的一個或幾個特定的部位，形成一個功能單位或轉(zhuǎn)錄單元。它們可被一起轉(zhuǎn)錄成為多順反子mRNA，然后再加工成各種蛋白質(zhì)的模板mRNA。8、基因重疊。同一段核酸序列能夠編碼2種或2種以上蛋白質(zhì)。重疊基因雖然共用一段核酸序列，但轉(zhuǎn)錄成的mRNA鏈的讀框不同，產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子大不相同。9、病毒基因組含有不規(guī)則結(jié)構基因。

幾個結(jié)構基因的編碼區(qū)無間隔：幾個基因的編碼區(qū)是連續(xù)的、不間斷的，即編碼一條多肽鏈，翻譯后切割成幾個蛋白質(zhì)。

mRNA沒有5′端帽子結(jié)構。

5′端非編碼區(qū)的RNA形成特殊的空間結(jié)構稱翻譯增強子。10、分段基因組（segmentedgenome）基因組被分為兩個或兩個以上的不同的核酸分子，或指病毒的基因組分布在不同的核酸鏈上，導致基因組由數(shù)條不同的核酸分子組成。分段基因組有的包裝在同一病毒顆粒中，有的包裝在不同的病毒顆粒中，后者見于植物病毒。

結(jié)構基因本身沒有翻譯起始序列，必須在轉(zhuǎn)錄后進行加工、剪接，與病毒RNA5′端的帽結(jié)構相連，或與其它基因的起始密碼子連接，成為有翻譯功能的完整mRNA。流感病毒的分段基因組包裝在同一病毒顆粒中RCNMV的分段基因組包裝在不同病毒顆粒中只有全部基因組核酸片段存在時，病毒才具有侵染能力。四、典型病毒基因組

-SV40病毒SV40病毒又稱猴病毒40

(simianvirus40)。是最小的球狀

DNA病毒之一，屬乳頭多瘤空泡病毒科多瘤病毒屬。

無包膜，直徑45nm。

基因組是雙鏈環(huán)狀DNA，DNA長5243bp，由早期基因、調(diào)控區(qū)和晚期基因構成。早期區(qū)和晚期區(qū)，分別排列在兩條DNA鏈上，以互為相反的方向進行轉(zhuǎn)錄。

重疊基因

不規(guī)則基因基因第五節(jié)細菌的基因組“染色體”DNA質(zhì)粒bacteriagenome一、細菌“染色體”基因組結(jié)構與特點(一)基因組由一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成。

其DNA是與蛋白質(zhì)結(jié)合，但并不形成染色體結(jié)構，只是習慣上將之稱為“染色體”。細菌染色體DNA在胞內(nèi)形成一個致密區(qū)域，即類核（nucleoid），類核無核膜將之與胞漿分開。大腸桿菌類核結(jié)構模型：花瓣狀結(jié)構超螺旋DNA環(huán)核心蛋白松弛DNA環(huán)

中央部分（20%）：RNA和核心蛋白組成。核心蛋白有幫助DNA盤曲包裝、啟動DNA復制的功能。

外圍部分（80%）：dsDNA超螺旋結(jié)構扭結(jié)成約100個DNA環(huán)，每個環(huán)是一個獨立的功能區(qū)，常與質(zhì)膜結(jié)合。（二）基因組中只有1個復制起點。C-Value:4.6×106bp（三）具有操縱子結(jié)構。操縱子（operon）：是指數(shù)個功能相關的結(jié)構基因串聯(lián)在一起，構成信息區(qū)，連同其上游的調(diào)控區(qū)（包括啟動和操縱區(qū)）及其下游的轉(zhuǎn)錄終止信號構成的基因表達單位。操縱子中結(jié)構基因的表達結(jié)構基因多順反子（攜帶幾種蛋白質(zhì)的氨基酸序列信息的mRNA）蛋白質(zhì)（四）結(jié)構基因無重疊現(xiàn)象，基因組中任何一段DNA不會用于編碼2種蛋白質(zhì)。（五）結(jié)構基因的序列是連續(xù)的，無內(nèi)含子結(jié)構。（六）基因組中的重復序列很少。（七）編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構基因多為單拷貝，但編碼rRNA的基因往往是多拷貝的。（八）基因密度非常高，編碼區(qū)在基因組中所占比例大（50%左右）。（病毒：90%以上）有色部分代表編碼序列，外環(huán)為順時針轉(zhuǎn)錄的編碼序列，內(nèi)環(huán)為逆時針轉(zhuǎn)錄的編碼序列（九）具有轉(zhuǎn)座現(xiàn)象。（p57）轉(zhuǎn)座，或稱移位（transposition）：

可移位因子（transposableelement）在基因組不同位置間的移動，是由可移位因子介導的遺傳物質(zhì)重排現(xiàn)象?？梢莆灰蜃樱╰ransposableelement）

：也被稱為轉(zhuǎn)位因子、轉(zhuǎn)座因子，即可移動的基因成分（可移動基因，movablegene，mob），是指能夠在一個DNA分子內(nèi)部或兩上DNA分子之間移動的DNA片段。文獻上有時形象地稱其為是跳躍基因，jumpinggene）。轉(zhuǎn)座過程示意圖1、轉(zhuǎn)座因子的類別與特征

細菌的轉(zhuǎn)位因子包插入序列，轉(zhuǎn)座子及可轉(zhuǎn)座的噬菌體。（1）插入序列（insertionsequence,IS）/IS因子

是一類最簡單的轉(zhuǎn)座因子，只攜帶轉(zhuǎn)移的必需基因（轉(zhuǎn)位酶基因），不含有其它偏碼基因，本身沒有表型效應。它們是細菌染色體或質(zhì)粒DNA的正常組成部分。一個細菌細胞常帶有少于10個IS序列。

常見的IS序列都是很小的DNA片段（約1kb），按發(fā)現(xiàn)順序IS1、IS2…命名。

IS兩側(cè)：為反向（倒置）重復順序（invertedrepeatedsequence，IR）

（16-41bp）。中間：大部分IS序列只有一個開放讀碼框，翻譯起點緊挨著第一個倒置重復區(qū)，終止點位于第二個倒置重復區(qū)或附近，編碼轉(zhuǎn)位酶基因。

轉(zhuǎn)座時：常復制宿主靶位點4~15bp的DNA形成正向重復區(qū)。IS序列的結(jié)構特征比較表

（2）轉(zhuǎn)座子（Transposon,Tn）Tn是一類較大的可移動成分，除轉(zhuǎn)位酶基因外，尚含有其它基因，如抗藥基因等。

根據(jù)結(jié)構特征的不同，Tn可以分為2個亞類：①

復合型Tn（compositetransposon）轉(zhuǎn)座酶由IS編碼，其兩翼往往是兩個相同或高度同源的IS序列，IS可以是反向（或正向）重復構型。一旦形成復合轉(zhuǎn)座子，IS序列就不能再單獨移動，因為它們的功能被修飾了，只能作為復合體移動。②TnA家族沒有IS序列的、體積龐大的轉(zhuǎn)座子（5000bp以上）常帶有3個基因，一個編碼β-內(nèi)酰胺酶（AmpR），另兩個則是轉(zhuǎn)座作用所必須的。所有TnA類轉(zhuǎn)座子兩翼都帶有38bp的倒置重復序列。（3）可轉(zhuǎn)座的噬菌體（transposablephage）

包括Mu和D108兩種噬菌體。

感染細菌后，可以整合到細菌染色體中，插入位點是隨機的。插到結(jié)構基因內(nèi)部，引起突變，Mu即Mutator(突變子)因此得名。Mu噬菌體DNA的結(jié)構2、轉(zhuǎn)座作用的機制在復制性轉(zhuǎn)座中，整個轉(zhuǎn)座子被復制，所移動的僅僅是原轉(zhuǎn)座子的拷貝。轉(zhuǎn)座酶（transposase）和解離酶（resolvase）分別作用于原始及復制轉(zhuǎn)座子。TnA類主要是這種形式。在非復制性轉(zhuǎn)座中，原始轉(zhuǎn)座子作為一個可移動的實體直接被移位，IS序列、Mu及Tn5等都以這種方式進行轉(zhuǎn)座。轉(zhuǎn)座可以分為復制型和非復制型兩大類。供體DNA轉(zhuǎn)座子受體DNA復制和轉(zhuǎn)座新的DNA切除和連接復制性轉(zhuǎn)座：轉(zhuǎn)座因子復制出一個新拷貝轉(zhuǎn)移到基因組新的位置非復制性轉(zhuǎn)座：轉(zhuǎn)座因子從原來位置上切除并轉(zhuǎn)移到基因組新的位置轉(zhuǎn)座發(fā)生時，在靶DNA序列（3~12bp）上制造一個交錯的切口，然后轉(zhuǎn)座子與突出的單鏈末端相連接，并通過復制填充缺口，使插入的轉(zhuǎn)座子位于兩個重復的靶序列之間。不同轉(zhuǎn)座子的靶序列長度不同，但特定轉(zhuǎn)座子所復制的靶序列長度是一樣的。IS1兩翼總有9個堿基對的靶序列，而Tn3兩端總有5bp的靶序列。靶位點直接重復序列的形成靶位點特征性粘性末端切割形成具有單鏈粘性末端的Tn粘性末端復制形成直接重復序列3、轉(zhuǎn)座作用的遺傳學效應①轉(zhuǎn)座引起插入突變，導致結(jié)構基因失活。②轉(zhuǎn)座產(chǎn)生新的基因。Tn自身攜帶的基因使受體DNA增添新基因③轉(zhuǎn)座產(chǎn)生的染色體畸變。當復制性轉(zhuǎn)座發(fā)生在宿主DNA原有位點附近時，往往導致轉(zhuǎn)座子兩個拷貝之間的同源重組，引起染色體DNA缺失或倒位。④轉(zhuǎn)座引起生物進化。由于轉(zhuǎn)座作用，使某些原來在染色體上相距甚遠的基因組合到一起，構建成新的表達單元，產(chǎn)生新的基因和蛋白質(zhì)分子。二、質(zhì)粒（plasmid）質(zhì)粒（廣義）：是一類獨立于染色體外的、能自主復制的核酸分子（DNA或RNA）。存在于細菌、放線菌、真菌以及一些動植物細胞中，在細菌細胞中最多，細菌質(zhì)粒大多是環(huán)狀雙鏈DNA。質(zhì)粒（狹義）：是存在于細菌“染色體”外的小型環(huán)狀雙鏈DNA分子。細菌質(zhì)粒結(jié)構的三種狀態(tài)：超螺旋環(huán)狀雙鏈DNA

帶缺口的環(huán)狀DNA

線性DNA絕大多數(shù)是環(huán)狀雙鏈DNA（dsDNA）、共價閉合環(huán)狀DNA(cccDNA），（一）質(zhì)粒的結(jié)構（二）質(zhì)粒的特性1、質(zhì)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(zhì)粒照樣的生存下去。2、質(zhì)粒離開宿主就無法生存，只有依賴宿主細胞的（酶和蛋白質(zhì)）幫助，才能完成自身的復制（擴增）、轉(zhuǎn)錄。3、質(zhì)粒賦于宿主各種有利的表型（質(zhì)粒編碼蛋白質(zhì)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：Ampr

水解β-內(nèi)酰胺環(huán),解除氨關毒性,使細菌抗氨關。Tetr

可阻止四環(huán)素進入細胞,使細菌抗四環(huán)素。（三）質(zhì)粒的應用

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。

①質(zhì)粒是可以改造的，可以剪切、剪接的。②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（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（質(zhì)粒提?。?。

質(zhì)粒符合上述3個條件。

基因工程中主要使用人工構建的質(zhì)粒。質(zhì)粒重組子克隆小結(jié)基因組較小，基因組由一條環(huán)狀雙鏈DNA組成，或有質(zhì)粒；只有一個復制起始點；基因組中重復序列少；結(jié)構基因一般為單拷貝；大多數(shù)結(jié)構基因組成操縱子結(jié)構；結(jié)構基因無內(nèi)含子；編碼區(qū)在基因組中所占比例遠大于真核基因組，小于病毒基因組；存在可移動的DNA序列（轉(zhuǎn)座因子）第六節(jié)真核生物基因組Eukaryotegenome染色體DNA線粒體DNA葉綠體DNA一、真核生物核基因組的結(jié)構與特點（四）其他特點（一）染色體結(jié)構（二）重復序列（三）斷裂基因（一）染色體的組成與結(jié)構

染色體（chromosome）是細胞在有絲分裂時遺傳物質(zhì)存在的特定形式，是間期細胞染色質(zhì)結(jié)構緊密包裝的結(jié)果。真核生物的染色體在細胞生活周期的大部分時間里都是以染色質(zhì)(chromatin)的形式存在的。

染色質(zhì)是一種纖維狀結(jié)構，又叫做染色質(zhì)絲，它是由最基本的單位—核小體(nucleosome)成串排列而成的。細胞周期1、染色體的化學組成

染色體包括DNA和蛋白質(zhì)兩大部分。

染色體蛋白質(zhì)與相應DNA的質(zhì)量比約為2:1{組蛋白非組蛋白}核小體{DNA蛋白質(zhì)染色體

同一物種內(nèi)每條染色體所帶DNA的量是一定的，但不同染色體或不同物種之間變化很大。（1）組蛋白（Histone）

組蛋白是染色體的主要組成部分，分為H1、

H2A、H2B、H3及H4五種；

含量與DNA相當（組蛋白：DNA=1：1）；

與DNA共同組成核小體，控制染色質(zhì)絲的螺旋化和超螺旋化。

組蛋白含有大量的賴氨酸和精氨酸，其中H3、H4富含精氨酸，H1富含賴氨酸。H2A、H2B介于兩者之間。組蛋白具有如下特性：

進化上的極端保守性。

不同種生物組蛋白的氨基酸組成十分相似。牛、豬、大鼠的H4氨基酸序列完全相同，與豌豆序列相比也只有兩個氨基酸的差異。保守程度：H1∠H2A、H2B

∠H3、H4

上海生化所分子遺傳學1998年試題：在真核生物核內(nèi)，五種組蛋白（H1H2AH2BH3和H4）在進化過程中，H4極為保守，H2A最不保守（）

無組織特異性。

只有鳥類、魚類及兩棲類紅細胞染色體不含H1而帶有H5，精細胞染色體的組蛋白是魚精蛋白這兩個例外。

富含賴氨酸的組蛋白H5。

賴氨酸（24%）、丙氨酸（16%）、絲氨酸（13%）、精氨酸（11%）=64%

與H1無同源性；推測H5與染色體失活有關，其磷酸化在失活中可能起重要作用。

存在較普遍的修飾作用簡述真核生物染色體上組蛋白的種類，組蛋白修飾的種類及其生物學意義。中國科學院2003年碩士研究生入學《生物化學與分子生物學》試題

肽鏈上氨基酸分布的不對稱性

堿性氨基酸集中分布在N端的半條鏈上，而大部分疏水基團都分布在C端。堿性的半條鏈易與DNA的負電荷區(qū)結(jié)合，而另外半條鏈與其他組蛋白、非組蛋白結(jié)合。

在細胞周期特定時間和組蛋白的特定位點，可發(fā)生甲基化、乙?；⒘姿峄虯DP核糖基化等。H3、H4修飾作用較普遍，H2B有乙?；饔?、H1有磷酸化作用。所有這些修飾作用都有一個共同的特點，即降低組蛋白所攜帶的正電荷。這些組蛋白修飾的意義：一是改變?nèi)旧w的結(jié)構，直接影響轉(zhuǎn)錄活性；二是核小體表面發(fā)生改變，使其他調(diào)控蛋白易于和染色質(zhì)相互接觸，從而間接影響轉(zhuǎn)錄活性。（2）非組蛋白非組蛋白約為組蛋白總量的60%~70%，可能有20~100種(常見的有15~20種)，主要包括酶類、與細胞分裂有關的收縮蛋白、骨架蛋白、核孔復合物蛋白以及肌動蛋白、肌球蛋白、微管蛋白、原肌蛋白等。

HMG蛋白：可能與DNA的超螺旋結(jié)構有關

DNA結(jié)合蛋白：與DNA復制或轉(zhuǎn)錄、調(diào)節(jié)有關

A24非組蛋白（3）染色體DNADNA是由許許多多個核苷酸連接而成的生物大分子，而每個核苷酸又由磷酸、核糖和堿基3部分組成。2、染色質(zhì)（體）的結(jié)構

核小體（nucleosome）

用于包裝染色質(zhì)的結(jié)構單位，是由DNA鏈纏繞一個組蛋白核構成的。

電鏡下看到的染色質(zhì)結(jié)構染色質(zhì)結(jié)構示意圖“Beadsonastring”structure：念珠模型，染色質(zhì)的基本結(jié)構由一系列核小體相互連接而成的念珠狀。

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--Kornberg,19742個（H3和H4）四聚體146bpDNA分子以左手方式在其上纏繞1.8圈H2A、H2B形成2個異二聚體組合于四聚體的兩側(cè)并結(jié)合組蛋白H1與特定的DNA構象結(jié)合，封住了核小體的進口與出口。由于H1的存在，又有20bp的DNA得到保護而免受核酸酶的降解，總體上受保護的DNA達到166bp，相當于繞組蛋白八聚體兩圈。

核小體：由200bp左右DNA雙螺旋與1個組蛋白八聚體和1分子的組蛋白H1所組成。連接DNA平均長度55bp在核小體中，DNA盤繞組蛋白八聚體核心，使分子收縮1/7。人染色體中含6.2×109堿基對，其理論長度應是200cm，這么長的DNA被包裝在5μm的細胞核中，其壓縮比約為104。分裂間期染色質(zhì)比較松散，壓縮比大約是102~103。核小體的形成是染色體DNA壓縮的第一階段。核小體進一步呈螺旋形旋繞形成30nm纖維，又稱為螺線管（solenoid）。螺線管的每一個螺旋約六個核小體。染色體DNA的某一些部分和“核骨架”(nuclearscaffold)相連。這些與核骨架相聯(lián)系的部分，把染色體DNA隔成許多染色體環(huán)（chromosomalloop）。核骨架含有好幾種蛋白，其中，組蛋白H1和Ⅱ型DNA拓撲異構酶占大部分。Chromosomalloop結(jié)構進一步螺旋折疊則形成超螺線管結(jié)構。超螺線管再進一步螺旋折疊則形成染色單體。

真核染色體DNA包裝好象是一次纏繞再接一次更高級的纏繞!FromDNAtoChromosome6.8:140:11000:18000:1意義：將近200cm長的DNA分子容納于直徑只有5微米的細胞核中。影響解鏈，影響與蛋白質(zhì)的相互作用，調(diào)控基因表達。（二）重復序列

Repetitivesequences

真核細胞基因組的最大特點是它含有大量的重復序列。概念：在基因組中反復出現(xiàn)，在基因組中含有一個以上相同順序拷貝的DNA序列稱為重復序列據(jù)組織形式，一般可被分為3類：反向重復序列

----兩個序列相同的拷貝在DNA上呈反向排列

重復序列間有間隔

重復序列間無間隔串聯(lián)重復序列

----相對恒定的序列為重復單位，首尾相接

大衛(wèi)星DNA（macrosatelliteDNA）

小衛(wèi)星DNA

(minisatelliteDNA)

微衛(wèi)星DNA

(microsatelliteDNA）散在重復序列

----相同序列的重復單位散在分布

短散布元件＜500bpAlu序列長散布元件＞6-7kbKpn序列TypesofrepeatTandem：串聯(lián)重復Interspersed：散在重復據(jù)出現(xiàn)的頻率不同,一般可被分為3類：不重復序列/單一序列中度重復序列高度重復序列1、不重復序列

uniquesequence在基因組里，只有1個或幾個拷貝。占DNA總量的

10%~80%。不重復序列長約750~2000bp，相當于一個結(jié)構基因的長度。真核生物的大多數(shù)結(jié)構基因在單倍體中都是單拷貝的。如：蛋清蛋白、蠶的絲心蛋白、血紅蛋白和珠蛋白等都是單拷貝基因。2、中度重復序列

moderaterepetitivesequences

在基因組里，重復次數(shù)在10~104之間，占總

DNA的10%~40%。如小鼠中占