基因與基因組

基因與基因組1第1頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月1865，GregorMendel

遺傳因子學(xué)說一、基因的概念

1909，WilhelmLudvigJohannsen

基因第一節(jié)基因（genes）21910，T.H.Morgan基因在染色體上一個基因一種酶1941，G.W.Beadle&E.L.Tatum

1944，M.McCarty&O.Avery

1952，A.Hershey&M.Chase證實DNA是遺傳物質(zhì)DNA是遺傳物質(zhì)2第2頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月基因的概念：

合成有功能的蛋白質(zhì)或RNA的全部DNA(RNA病毒除外)，包括編碼蛋白質(zhì)或RNA的核酸序列及保證轉(zhuǎn)錄所必需的調(diào)控序列。DNAgene3第3頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

DNA

真核生物的結(jié)構(gòu)基因由外顯子(exon)和內(nèi)含子(intron)兩部分組成。編碼序列不連續(xù)，稱為斷裂基因。

intron

exon

RNA剪接成熟mRNAmRNA前體(一)結(jié)構(gòu)基因(structuralgene)二、基因的結(jié)構(gòu)

可被轉(zhuǎn)錄形成mRNA,編碼RNA或蛋白質(zhì)多肽鏈的DNA序列。4第4頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)非結(jié)構(gòu)基因TATAAAATATTT5′3′3′5′

順式作用元件(cis-actingelement)transcriptionstartpoint3′不編碼RNA或蛋白質(zhì)多肽鏈，參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控結(jié)構(gòu)基因表達的DNA序列。5第5頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月1.啟動子和上游啟動子元件啟動子（promoter）：

RNA聚合酶特異性識別結(jié)合和啟動轉(zhuǎn)錄的DNA序列，有方向性，位于轉(zhuǎn)錄起始位點上游。真生物啟動子為TATA盒。上游啟動子元件(upstreampromoterelement)

TATA盒上游的一些特定DNA序列，反式作用因子可與這些元件結(jié)合，調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄效率。CAAT盒、GC盒、CACA盒等6第6頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月CAAT盒：位于-70bp左右，核心序列GGNCAATCT。

與CTF結(jié)合，調(diào)控轉(zhuǎn)錄效率。-25+1-70transcriptionstartpointTATA盒:位于轉(zhuǎn)錄起始點上游-25bp左右，

核心序列TATA（A/T）A（A/T），與

TATA結(jié)合蛋白結(jié)合，啟動基因轉(zhuǎn)錄。β珠蛋白基因啟動子突變:TATAA→TGTAA，

降低mRNA的轉(zhuǎn)錄效率→β+地貧。7第7頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月2.反應(yīng)元件(responseelement)CAATboxTATAbox

promoter

3′responseelement

與被激活的信息分子受體結(jié)合，并能調(diào)控基因表達的特異DNA序列。糖皮質(zhì)激素反應(yīng)元件：cccaaagagctctgtgtcctexon

intron

exonintronexon5′8第8頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月3.增強子（enhancer）CAATbox

與反式作用因子結(jié)合，增強轉(zhuǎn)錄活性，在基因任意位置都有效、無方向性。TATAbox

enhancerpromoter

3′exon

intron

exonintronexonresponseelement凝血酶原基因增強子-922to-897:

5′-GTGTTCCTGCTCTTTGTCCCTCTGTC-3′3′5′4.沉默子（silencer）甲胎蛋白(AFP)基因沉默子：cttcattaacttaattt9第9頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

5′ttatggcttcattaacttaatttgagagaaattaattattctgcaacttagggacaagtcatctctttgaatattcTgtagtttgaggagaatatttgttatatttgcaaaataaaataagtttgcaagttttttttttctgccccaaagagctctgtgtccttgaa

cataaaatacaaataaccgctatgctgttaattattggcaaatgtcccattttcaacctaaggaaataccataaagtaacagatataccaacaaaaggttactagtt

aacaggcattgcctgaaaagagtataaaagaatttcagcatgattttccatattgtgcttccaccactgccaataacacaaaataactagcaaccatgaagtggg

甲胎蛋白基因(alpha-fetoprotein，AFP)5′側(cè)翼序列

5′

ttatggcttcattaacttaatttgagagaaattaattattctgcaacttagggacaagtcatctctttgaatattcTgtagtttgaggagaatatttgttatatttgcaaaataaaataagtttgcaagttttttttttctgccccaaagagctctgtgtccttgaa

cataaaatacaaataaccgctatgctgttaattattggcaaatgtcccattttcaacctaaggaaataccataaagtaacagatataccaacaaaaggttactagtt

Aacaggcattgcctgaaaagagtataaaagaatttcagcatgattttccatattgtgcttccaccactgccaataacacaaaataactagcaacc

atgaagtggg

translationstartpointTATAboxtranscriptionstartpointCAATboxglucocorticoidresponsiveelementssilencer第10頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月5′--------AATAAA----------GTGT---3′DNA

mRNA

前體5′--------AAUAAA----------GUGU---3′5′--------AAUAAA------AAAAAAAA3′mRNA

結(jié)構(gòu)基因末端保守的AATAAA順序及下游GT或T富含區(qū)，被多聚腺苷酸化特異因子識別，在mRNA3′端加約200個A。β珠蛋白基因突變：AATAAA→AACAAA，→β+地貧。5.Poly(A)加尾信號11第11頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

CAATboxTATAbox

Enhancerpromoter

基因的結(jié)構(gòu)exonexon非翻譯區(qū)(untranslatedregions，UTR)

UTRUTRPoly(A)加尾信號5′3′intronintronexonTGAATG開放閱讀框(openreadingframe，ORF)responseelement結(jié)構(gòu)基因+1termination12第12頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)基因組(genomes)

基因組：細胞或生物體一套完整單倍體的

遺傳物質(zhì)的總稱。51619xy13第13頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月一、原核生物基因組大腸桿菌（Escherichiacoli）OriCTerC1.由一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成，

2.通常只有一個DNA復(fù)制起點。4.6×106bp14第14頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月PromoterGene1Gene2Gene3TerminatorDNATranscriptionmRNA3′1235′TranslationProteins123

操縱子(operon):多個功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因成簇串聯(lián)排列，與上游共同的調(diào)控區(qū)和下游轉(zhuǎn)錄終止信號組成的基因表達單位。3.結(jié)構(gòu)基因大多組成操縱子多順反子(polycistron):

原核生物的一個mRNA分子帶有幾個

結(jié)構(gòu)基因的遺傳信息。15第15頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月ⅢGATCTCTTATTAGⅰTGTGGATAAⅱTTATACACAⅲTTTGGATAAⅳTTATCCACA復(fù)制起始區(qū)（OriC）～250bp4.非編碼區(qū)主要是調(diào)控序列復(fù)制起始區(qū)、復(fù)制終止區(qū)轉(zhuǎn)錄起動區(qū)、轉(zhuǎn)錄終止區(qū)ⅠGATCTNTTTATTT

Ⅰ

?、騁ATCTNTTNTATTⅡⅢⅱⅲⅳ16第16頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

C值：4,639,221bp基因數(shù)：42885.基因密度非常高，基因組中編碼區(qū)

大于非編碼區(qū)；6.結(jié)構(gòu)基因沒有內(nèi)含子；7.結(jié)構(gòu)基因多為單拷貝；

50kb8.結(jié)構(gòu)基因無重疊現(xiàn)象；9.有編碼同工酶的等基因（isogene）分支酸別構(gòu)酶entBentC17第17頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月10.存在可移動的DNA序列BarbaraMcClintock1902-1992轉(zhuǎn)座或移位(transposition）：轉(zhuǎn)座因子在基因組不同位置間的移動。轉(zhuǎn)位因子（transposableelement）：能夠在一個DNA分子內(nèi)部或兩個DNA分子之間移動的DNA片段。18第18頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月簡單轉(zhuǎn)座是轉(zhuǎn)座因子從原來位置上切除并轉(zhuǎn)移到基因組新的位置。復(fù)制性轉(zhuǎn)座是轉(zhuǎn)座因子復(fù)制出一個新拷貝轉(zhuǎn)移到基因組新的位置。轉(zhuǎn)座作用的機制供體DNA轉(zhuǎn)座子受體DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)座新的DNA切除和連接供體DNA轉(zhuǎn)座子受體DNA新的DNA19第19頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月質(zhì)粒(plasmid)

質(zhì)粒是存在于細菌染色體外的，具有自主復(fù)制能力的環(huán)狀雙鏈DNA分子。20第20頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月腸出血性大腸桿菌(EHEC)O157：H7O104：H4菌體抗原（O）鞭毛抗原（H）表面抗原（K）21第21頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月1.基因組由一條環(huán)狀雙鏈DNA組成；2.只有一個復(fù)制起始點；3.大多數(shù)結(jié)構(gòu)基因組成操縱子結(jié)構(gòu)；6.無內(nèi)含子，轉(zhuǎn)錄后不需要剪接；8.結(jié)構(gòu)基因無重疊現(xiàn)象；原核生物基因組的結(jié)構(gòu)特點5.基因組中編碼區(qū)大于非編碼區(qū)；7.重復(fù)基因少，結(jié)構(gòu)基因一般為單拷貝；10.基因組中存在可移動的DNA序列；4.非編碼區(qū)主要是調(diào)控序列。9.有編碼同工酶的等基因；22第22頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月二、真核生物基因組人類染色體核型C值＞3000Mb,基因數(shù)＞20,000人類線粒體DNA1.每一種真核生物都有一定的染色體數(shù)目；

2.遠大于原核基因組，結(jié)構(gòu)復(fù)雜,基因數(shù)龐大；23第23頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月TranslationTranscriptionmRNADNAProteinPromoterStructureGene3′5′3.真核基因有內(nèi)含子;

單順反子(monocistron)：真核生物的一個結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄生成一個mRNA分子。4.真核生物的結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄為單順反子；24第24頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月編碼序列非編碼序列單拷貝序列5.非編碼序列多于編碼序列；＜3％＞95％高度重復(fù)序列（≥106）低度重復(fù)序列（2～9）中度重復(fù)序列（10～105）6.存在大量重復(fù)序列;25第25頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

低度重復(fù)序列(Lowcopynumberrepeat)

在單倍體基因組中只出現(xiàn)一次或數(shù)次，含量＞50％

，結(jié)構(gòu)基因主要是單一序列。(1)單拷貝序列（uniquesequenceDNA）(2)中度重復(fù)序列(ModeratelyrepeatedDNA)

重復(fù)次數(shù)10～105。tRNA、rRNA、組蛋白、免疫球蛋白基因，可能與基因調(diào)控相關(guān)序列等。(3)高度重復(fù)序列(highlyrepeatedDNA)重復(fù)次數(shù)＞106。①反向重復(fù)序列②衛(wèi)星DNA（串聯(lián)重復(fù)序列）26第26頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月①反向重復(fù)序列:5′AAACCACCGCTGGTAGCGGTGGTTT3′

3′TTTGGTGGCGACCATCGCCACCAAA5′5′AAACCACCGCTAGCGGTGGTTT3′

3′TTTGGTGGCGATCGCCACCAAA5′回文結(jié)構(gòu)

兩個順序相同的拷貝在DNA鏈上呈反向排列。27第27頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月②衛(wèi)星DNA（satelliteDNA）

存在于非編碼區(qū)的串聯(lián)重復(fù)序列，有相同的核心序列,多為2～70bp。28第28頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月a.大衛(wèi)星（macro-satellite）DNA：ACAAACTACAAACTACAAACT…

重復(fù)單位5-10bp，在群體中多態(tài)性不顯著。b.小衛(wèi)星（minisatellite）DNA：重復(fù)單位9-24bp，呈高度多態(tài)性。核心序列GGGCAGGAXGc.微衛(wèi)星DNA(micro-satelliteDNA)重復(fù)單位2-6bp，常見為(AC)n和(TG)n，呈高度多態(tài)性，可作遺傳標記。29第29頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

MotherChildFatherAlleged

Father親子(親權(quán))鑒定ParentageTesting

30第30頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）核酸序列相同：多拷貝基因形成的基因簇，

rRNA、tRNA、組蛋白基因家族等。組蛋白基因家族（2）核酸序列高度同源生長激素（GH）與絨毛膜生長催乳激素（CS）部分序列比對GHCSATGGCTCCAGGCTCCCGGACGTCCCTGCTCCTGGCTTTTGCC…ATGGCTACAGGCTCCCGGACGTCCCTGCTCCTGGCTTTTGGC…7.存在多基因家族與假基因；31第31頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）編碼產(chǎn)物的功能或功能區(qū)相同人類蛋白激酶C家族（4）假基因（Ψ）：與有功能的基因相似，

不表達或表達產(chǎn)物沒有功能。珠蛋白基因簇中的假基因

GA21Alu10kb32第32頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月人類線粒體DNA2個rRNA基因和22個tRNA基因，13個編碼蛋白質(zhì)基因，編碼序列占93%。

能自主復(fù)制

在細胞內(nèi)具有多拷貝

主要編碼與氧化磷酸化相關(guān)的酶系

基因無內(nèi)含子

基因排列緊密,無間隔,

有少數(shù)重疊。33第33頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月DNA基因組:多數(shù)為雙鏈、環(huán)狀或線性1.不同病毒基因組可以是不同結(jié)構(gòu)的核酸；雙鏈線性DNA單鏈環(huán)狀DNA三、病毒基因組環(huán)狀雙鏈DNA多數(shù)為單鏈、線性RNA基因組:單鏈線性RNA雙鏈線性RNA34第34頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月腺病毒(adenovirus)線性雙鏈DNA，編碼兩大類蛋白質(zhì)。E4E2BE2AE1AE1BE3L2L3L4L5L13.功能相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄成多順反子；DNA2.病毒基因組大部分為編碼序列；35第35頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月噬菌體ΦX174（phagephix174

）利用有限的核酸貯存更多的遺傳信息，提高自身在進化過程中的適應(yīng)能力。5386nt編碼2500個氨基酸5386nt編碼2500個氨基酸環(huán)狀單鏈DNA4.基因重疊（geneoverlap）36第36頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月5.感染真核細胞的病毒，有的基因有內(nèi)含子；環(huán)狀雙鏈DNA大T抗原和小t抗原的mRNA有不同的剪接方式。5243bpOri猴病毒

(simianvirus40,SV40)小t抗原大T抗原37第37頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月6.有的病毒基因組連續(xù)；

單股正鏈RNA核衣殼蛋白(N)

膜蛋白(M)病毒RNA聚合酶

SARS冠狀病毒(SARScoronavirus)

刺突蛋白(S)38第38頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月埃博拉病毒(Ebolavirus)SKGireetal.Science2014;345:1369-1372單股負鏈RNA(18959nt)Genomicsurveillanceelucid