現代微生物遺傳學授課專家講座

第三單元講課課件現代微生物遺傳學授課第1頁第五節(jié)基因結構和基因組什么是基因？這是一個貫通整個遺傳學發(fā)展過程關鍵問題。能夠說，一部遺傳學發(fā)展史，滲透和貫通著人們對基因認識不停深化過程。從而使基因概念不停得到充實和完善。現代微生物遺傳學授課第2頁1.經典遺傳學（1900~1910）和孟德爾“遺傳因子”孟德爾以豌豆為材料進行雜交試驗，首次提出分離定律和自由組合定律；首次提出“遺傳因子”概念，認為遺傳性狀由“遺傳因子”決定；提出“顆粒式遺傳”（一對相對性狀遺傳因子在同一個體內分別存在，而不相沾染，不相混合。決定著不對應性狀遺傳因子在遺傳傳遞上有相對獨立性，能夠完全拆開）?，F代微生物遺傳學授課第3頁1900年，不一樣國家三位學者經大量雜交工作，分別在不一樣植物上同時取得了與孟德爾相同試驗結果，即孟德爾定律被“再發(fā)覺”。

荷蘭狄夫瑞斯（deVries）用月見草為材料；德國科倫斯（Correns,C.E）用玉米和豌豆為材料；奧地利切爾邁克（Tschermak）用豌豆為材料；1909年，丹麥科學家約翰遜（Johannsen）創(chuàng)用了：基因（gene），代替孟德爾遺傳因子基因型（genotype）表型（phenotype）劍橋大學遺傳學教授貝特森(Bateson)創(chuàng)用遺傳學（Genetics）。

遺傳學作為一門獨立學科正式誕生?，F代微生物遺傳學授課第4頁1910年摩爾根（Morgan,T.H）及其弟子經過果蠅雜交試驗創(chuàng)建了連鎖定律，成為遺傳學中第3個基本規(guī)律：提出同源染色體在減數分裂時發(fā)生交換(crossing-over)，而且位置相近因子相互連鎖。（其它兩個個基本定律是什么？）2.細胞遺傳課時期(1910－1940)摩爾根等還利用基因重組頻率來分析不一樣基因之間距離，即重組率(Recombinationfrequency)=（交換型配子數）/（總配子數）。并利用三點測交進行基因定位。證實了基因在染色體上是直線排列，而且將位于同一條染色體上許多基因統(tǒng)稱為連鎖群(Linkagegroup)?，F代微生物遺傳學授課第5頁這一時期，摩爾根將基因概念發(fā)展成為在染色體上占有一定空間位置化學實體（染色體上遺傳功效單位）。

首次把代表某一特定性狀特定基因，與某一染色體聯(lián)絡起來，建立了遺傳染色體學說，為細胞遺傳學奠定了主要基礎。

現代微生物遺傳學授課第6頁到1927年，Muller經過X-射線誘發(fā)突變，結合前期試驗，認為：基因是一個化學實體，基因控制對應性狀；基因能夠發(fā)生突變；基因之間能夠發(fā)生交換。從而提出“三位一體”基因概念：基因既是功效單位，又是重組單位和突變單位。

現代微生物遺傳學授課第7頁3.微生物遺傳課時期（1940~1960）1941Beadle和Totum

提出一個基因一個酶學說溝通了生物化學中蛋白質合成研究與遺傳學中基因功效功效研究，也為遺傳密碼解碼和細胞內大分子之間遺傳信息傳遞過程揭示奠定了基礎。1944Avery確定遺傳物質為DNA，證實基因是“有遺傳功效DNA片段”1951McClintockB.發(fā)覺跳躍基因或稱轉座因子

1953Watson和Crick建立雙螺旋模型40年代起，主要說明基因化學本質、基因突變機制和基因作用機制?，F代微生物遺傳學授課第8頁1955

Benzer提出了順反子概念；提出了基因是可分完整功效單位。發(fā)覺一個基因內部許多位點能夠發(fā)生突變，位點之間能夠發(fā)生交換。打破了基因“三位一體”概念。并提出以下術語：

順反子（Cis-trons）：是一個功效單位，含500bp~1500bp。（單順反子和多順反子）突變子（muton）：一個基因內部能發(fā)生突變最小單位。一個突變子能夠是一個核苷酸改變。交換子（recon）：也稱重組子，發(fā)生重組時，一個基因內可交換最小單位。一個交換子大小可小到一個核苷酸。1957Crick提出中心法則現代微生物遺傳學授課第9頁這一時期，基因概念發(fā)展為：“基因是負責編碼特定遺傳信息功效單位，其內部是可分，包含多個突變和重組單位?；蚴强煞滞暾π挝弧爆F代微生物遺傳學授課第10頁4.分子遺傳課時期(1953~)伴隨重組DNA技術和DNA序列分析技術發(fā)展，對基因認識有了新發(fā)展和更新?，F代微生物遺傳學授課第11頁1961:Jacob和Monod建立乳糖操縱子模型

說明了原核生物基因表示調控機制，并大大豐富了基因概念?；蛟诠π鲜怯胁町?，可分為：

編碼蛋白質基因沒有翻譯產物基因（即不產生蛋白質基因）不轉錄DNA區(qū)段?，F代微生物遺傳學授課第12頁1962，1968Arber，1978Smith發(fā)覺限制性酶1964，1965：Nirenberg，Khorana破譯遺傳密碼1972Berg建立重組技術1975Temin發(fā)覺反轉錄酶1977Sanger&Gilbert建立測序方法；而且在測定φX174DNA全部核苷酸序列時，發(fā)覺了重合基因。1977Sharp和Roberts發(fā)覺內含子和外顯子。真核細胞核苷酸序列，中間有不轉錄成mRNA間隔區(qū)，即能表示外顯子被不能表示內含子一一隔開，故稱作斷裂基因?，F代微生物遺傳學授課第13頁1980Shapiro發(fā)覺轉座子（可移動基因）1981

Cech和Altman發(fā)覺核酶1985Mullis,K.

建立了PCR體外擴增技術。此期基因概念：

一段能夠轉錄為功效性RNADNA，它能夠重合、斷裂形式存在，并可轉座?，F代微生物遺傳學授課第14頁基因是什么？

是實體，其物質基礎是DNA（或RNA）；

是一個含有特定遺傳信息DNA分子區(qū)段；

是遺傳信息傳遞和性狀分化發(fā)育依據；

基因是可分，依據功效不一樣，分為：

編碼蛋白質基因結構基因（結構蛋白，酶）

調整基因（阻遏蛋白或激活蛋白）無翻譯產物基因tRNA基因（簡稱tDNA）

rRNA基因（簡稱rDNA）不轉錄DNA區(qū)段

開啟子（promotor）

操縱基因（operator）基因是一個含有特定遺傳信息核苷酸序列，它是遺傳功效單位?，F代微生物遺傳學授課第15頁此期間發(fā)覺重合基因、斷裂基因、轉座因子和假基因確實切定義以下：(1)重合基因一個基因核苷酸與另一個基因核苷酸之間存在一定程度重合現象。包含兩種類型。類型1：一個基因序列完全包含在另一個基因序列之中。類型2：一個基因末端密碼區(qū)與另一個基因起始密碼區(qū)重合出一個新基因。噬菌體ΦX174基因組最顯著特征是基因重合現象，ΦX174共有11個基因，其中基因B,K,E分別位于基因A,C,D中，但使用不一樣閱讀框架，見圖示（ΦX174基因組結構和重合基因）。現代微生物遺傳學授課第16頁現代微生物遺傳學授課第17頁(2)斷裂基因（Splitgene）：基因編碼序列在DNA分子上是不連續(xù)，被不編碼序列所隔開。編碼序列稱為外顯子，不編碼序列稱為內含子。(3)假基因(Pseudogene)：是與功效性基因親密相關DNA序列，但因為缺失、插入和無義突變失去閱讀框架而不能編碼蛋白質產物。(4)轉座因子(transposableelement)：能夠從染色體DNA一個位置轉移到另一個位置，所以，有時也稱為移動基因(movablegene)、跳躍基因(jumpinggene)?，F代微生物遺傳學授課第18頁二、基因符號采取以下統(tǒng)一命名規(guī)則：1.每個基因用斜體小寫三個字母來表示，這三個字母取自表示該基因特征一個或一組英文單詞前三個字母。2.產生同一表型不一樣基因，在三個字母后用不一樣大寫斜體英文字母表示。如trp代表色氨酸基因，各個不一樣色氨酸基因分別用trpA和trpB來表示。3.突變型基因表示方法是在基因符號右上角加“—”，如亮氨酸缺點型用leu—來表示?？顾幮曰蚴窃诨蚍栍疑辖羌印皉”，加“s”表示敏感，如鏈霉素抗性基因則表示為strr。4.某一突變型基因表型普通也是用對應正體三個字母表示第一個字母大寫。比如乳糖發(fā)酵缺點基因符號是lacZ—，那么其表型符號便寫為LacZ—。5.當染色體上存在缺失時可用表示，缺失部分放在后括號中，比如(lac,pro)表示乳糖發(fā)酵基因到脯氨酸基因這一段染色體發(fā)生了缺失?，F代微生物遺傳學授課第19頁三、基因結構1.原核基因結構全部原核基因都有一個編碼區(qū)，在編碼區(qū)兩側，還存在著控制轉錄作用調整區(qū)，即開啟子和終止子。開放閱讀框架(openreadingframe,ORF)：在DNA鏈上，從起始密碼子開始到終止密碼子為止一個連續(xù)編碼序列，也就是所謂編碼區(qū)。現代微生物遺傳學授課第20頁開啟子(promoter)？位于基因5’末端上游外側緊挨轉錄起點一段長度為20~200bp非編碼核苷酸序列。其功效是與RNA聚合酶結合形成轉錄起始復合物。+1：轉錄起始點-10區(qū)：TATAAT。是RNA聚合酶關鍵酶與DNA分子緊密結合部位。-35區(qū)：TTGACA。是RNA聚合酶σ因子識別DNA分子部位?，F代微生物遺傳學授課第21頁位于一個基因或一個操縱子末端，提供轉錄停頓信號DNA區(qū)段。與開啟子不一樣是：終止子仍能被轉錄成mRNA。大腸桿菌終止子分兩類：強終止子：不依賴于ρ因子就能終止轉錄。弱終止子：依賴于ρ因子才能終止轉錄。終止子(terminator)？現代微生物遺傳學授課第22頁現代微生物遺傳學授課第23頁2.真核生物基因結構真核生物蛋白質編碼基因以及其它基因編碼序列中，被一個稱為內含子（Intron）非編碼序列所間斷。有3種RNA聚合酶，各自分工轉錄不一樣類型基因：PolI轉錄rRNA基因（5srRNA除外），PolII轉錄蛋白質編碼基因，PolIII轉錄編碼眾多小分子RNA，包含tRNA和5srRNA。現代微生物遺傳學授課第24頁另外，真核生物中還存在一些調空元件，如增強子和緘默子等。增強子（Enhancer）：真核生物基因表示主要調控元件。能使與其連鎖基因轉錄頻率顯著增強DNA序列，長度普通為100～200bp。含有以下特點：使基因轉錄增強10～200倍，有達上千倍。增強效應與位置和取向無關?？蛇h離轉錄起始點起作用。無基因專一性，對同源、異源基因都有效。緘默子（Silencer）：屬于負調控元件，對成簇基因選擇性表示起主要作用。現代微生物遺傳學授課第25頁四、基因組1.基因組定義基因組是指存在于單倍體細胞或病毒中全部一套基因

。因為當前發(fā)覺許多非編碼序列含有主要功效，所以基因組含義實際上是指細胞中基因以及非基因DNA序列組成總稱，包含編碼蛋白質結構基因、調控序列以及當前功效還不清楚DNA序列。微生物基因組普通都比較小。其中最小大腸桿菌噬菌體MS2只有3000bp，含3個基因。最小能獨立生活最小基因組是一個生殖道支原體，只含有473個基因?，F代微生物遺傳學授課第26頁基因組學：是碩士物體基因和基因組結構組成、不穩(wěn)定性及功效一門學科?；蚪M學又可分為：結構基因組學和功效基因組學：結構基因組學（StructuralGenomics）：研究基因和基因組結構、各種遺傳元件序列特征、基因組作圖和基因定位。功效基因組學（FunctionalGenomics）：研究基因不一樣序列結構不一樣功效、基因表示調控、基因與環(huán)境，基因與蛋白，基因與基因之間相互作用。因為基因功效是經過其編碼蛋白質產物來實現，1994年又提出了蛋白質組學(Proteomics)，是指研究細胞內全部蛋白質組成及其活動規(guī)律一門科學?，F代微生物遺傳學授課第27頁2.基因組和蛋白質組發(fā)展過程（1986~）

1986[美]Dulbecco首次提出了“人類基因組工程”19904月美國宣告人類基因組測序工作5年計劃。1991StepkenFodor把基因芯片構想第一次變成了現實.199210月[美]VollrathD.等分別完成人類Y染色體染色體物理圖譜.現代微生物遺傳學授課第28頁199310月美國公布了1993－1995年人類基因組測序工作計劃，并預計年完成整個測序工作。1995Smith,H.O等第一個細菌基因組—流感嗜血桿菌(H.influenzae)全基因組序列發(fā)表。199512月美、法科學家公布了有15000個標識人類基因組物理圖譜。1996DietrichW.F等繪制了小鼠基因組完整遺傳圖譜。199610月Goffeau等完成了酵母基因組測序。1996

DNA芯片進入商業(yè)化?，F代微生物遺傳學授課第29頁1997

Wilmut

完成了體細胞克隆199812月，第一個多細胞真核生物線蟲基因組在Science上發(fā)表。1999CateJ.H第一次繪制出完整核糖體晶體結構，揭示了其中很多細節(jié)。1999國際人類基因組計劃聯(lián)合研究小組完成了人類第22號染色體測序工作。3月塞萊拉企業(yè)宣告完成了果蠅基因組測序?，F代微生物遺傳學授課第30頁完成了人類第21號染色體測序6,26

人類基因組草圖發(fā)表（約3萬個基因，由30億個堿基組成）12,14英美等國科學家宣告繪出擬南芥基因組完整圖譜1,12中、美、日、德、法、英等國科學家和美國塞萊拉公司各自公布人類基因組圖譜和初步分析結果。約3萬基因。現代微生物遺傳學授課第31頁遺傳學發(fā)展新動態(tài)：1.基因組(genome)學2.后基因組學3.蛋白質組學(Proteomics)4.生物信息學(Bioinformatic)：定義為分子生物學和計算生物學交叉.

包含三個主要內容:1.基因組信息學;2.蛋白質結構模擬;3.藥品設計.現代微生物遺傳學授課第32頁3.經典微生物基因組舉例微生物基因組隨不一樣類型（真細菌、古生菌、真核微生物）表現出多樣性，第一個被測序原核微生物：流感嗜血桿菌；第一個被測序真核微生物：釀酒酵母；第一個被測序自養(yǎng)微生物：詹氏甲烷球菌。現代微生物遺傳學授課第33頁（1）大腸桿菌基因組基因組序列于1997年由Wisconsin大學Blattner等人完成，其基因組結構特點以下：遺傳信息連續(xù)性功效相關結構基因組成操縱子結構結構基因單拷貝及rRNA多拷貝基因組重復序列少而短模式菌株為E.coliK-12。其基因組大小為4.6106bp?；蚪M中87.8%DNA編碼蛋白質，0.8%編碼RNA，0.7%是非編碼重復序列，約11%左右參加調整和其它功效。大腸桿菌共有基因4288個，基因平均長度為951bp，最大基因長度為7149bp，最小基因長度比300bp還小?，F代微生物遺傳學授課第34頁大腸桿菌中染色體上學多基因是以操縱子(operator)形式組織起來，即功效相關幾個結構基因前后相連，利用一個共同開啟子和終止子。操縱子也是一個轉錄單元(operon，凡是由開啟子、結構基因及其終止子組成一段DNA次序)。大腸桿菌基因組中共有2584個轉錄單元，其中73%只有一個結構基因，16.6%有2個結構基因，4.6%有3個基因，6%有4個或4個以上基因。全部轉錄單元最少含有一個開啟子，有些含有2個、3個或以上開啟子?，F代微生物遺傳學授課第35頁在大腸桿菌中，許多基因最終產物是RNA，而不翻譯成蛋白質，這些基因主要有下面5種：1)rRNA基因組;2)tRNA基因;3)重復序列:主要有Rhs、RFP、ERIC、Chi(位點)等。4)插入序列和轉座子;5)噬菌體及噬菌體殘跡.現代微生物遺傳學授課第36頁（2）啤酒酵母基因組1997年由