分子遺傳學(xué)第基因與基因組

3.1早期的基因概念3.2經(jīng)典的基因概念3.3基因概念的演變與開展3.4基因概念的多樣性3.5細(xì)胞器基因組第三章基因與基因組1編輯ppt3.1.1融合遺傳理論〔Blendinginheritance〕Galton母本體液

父本體液

子代具有父，母雙親的性狀

+

獲得的性狀是由環(huán)境影響(非遺傳物質(zhì)的改變)

新性狀一旦獲得,便能遺傳給后代L.B.Lamarck3.1.2獲得性遺傳理論(Inheritanceofacquiredcharacters)

物種加強(qiáng)和完善對(duì)環(huán)境的適應(yīng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾路N3.1早期的基因概念2編輯ppt3.1.3泛生論假說(shuō)〔HypothesisofthePangenesis〕C.Darwin1866

認(rèn)為控制生物體性狀的物質(zhì)是泛生粒，各性狀由不同的泛生?？刂?；生殖時(shí)，各個(gè)泛生粒流向生殖細(xì)胞，再由生殖細(xì)胞繁殖3編輯ppt3.1.4種質(zhì)論〔Theoryofgermplasm〕A.Weismann1883

生物體由種質(zhì)和體質(zhì)兩局部組成。種質(zhì)指生殖細(xì)胞，專營(yíng)生殖和遺傳；體質(zhì)指體細(xì)胞，負(fù)責(zé)各種營(yíng)養(yǎng)活動(dòng)。種質(zhì)世代相傳，不受體質(zhì)影響；體質(zhì)由種質(zhì)分化而來(lái)，又隨個(gè)體死亡而消失；種質(zhì)是“潛在的〞，而體質(zhì)那么是“表達(dá)的〞，世代之間的聯(lián)系是遺傳性狀的傳遞，并通過(guò)一定化學(xué)實(shí)體進(jìn)行。4編輯ppt3.1.5遺傳因子假說(shuō)

(Hypothesisoftheinheritedfactor)G.J.Mendel1865.

生物性狀由遺傳因子控制

親代傳給子代的是遺傳因子(A,a….)遺傳因子在體細(xì)胞內(nèi)成雙(AA,aa),在生殖細(xì)胞內(nèi)為單〔A,a〕

雜合子后代體細(xì)胞內(nèi)具有成雙的遺傳因子(Aa)等位的遺傳因子獨(dú)立別離,非等位遺傳因子間自由組合地分配到配子中5編輯ppt?同時(shí)發(fā)現(xiàn)并證實(shí)

Mendel的兩大規(guī)律

否定了泛生論，獲得性遺傳理論，融合遺傳假說(shuō)

奠定了顆粒遺傳理論(theoryofparticulateinheritance)提出了遺傳因子的分離規(guī)律(Lawofsegregation)

遺傳因子的自由組合規(guī)律

(Lawofindependentassortment)1900．HugodeviresE.TchermarkCarrens!1910．ThelawoflinkageT.H.Morgan1906．BatsonF2=9：3：3：1

6編輯pptTheoryofthegene

基因是染色體上的實(shí)體

基因象鏈珠(bead)一樣，孤立地呈線狀地排列在染色體上

基因是；

功能(functionalunit)突變(mutationunit)

交換(cross-overunit)

“三位一體〞的(Threeinone)最小的不可分割的根本的遺傳單位(1926T.H.Morgan)3.2經(jīng)典的基因概念

7編輯ppt3.3基因概念的演變與開展8編輯ppt3.3.1基因的位置效應(yīng)－－是對(duì)經(jīng)典遺傳學(xué)的第一次開展Bareye

Positioneffect

Dosageeffect

DuplicationWildtype16A780個(gè)68個(gè)45個(gè)Ｘ－chromosomeAHSturtevent果蠅的棒眼遺傳現(xiàn)象385個(gè)基因不是孤立地排列在染色體上，而是有密切的鄰里關(guān)系9編輯ppt♀♂10編輯pptMultiplealleles

a1Aa2a3Aa1a2a1a1×a2a2

a1a2(nowildtype)

3.3.2擬等位基因概念的提出〔pseudoalleles〕等位基因：指野生型基因發(fā)生突變后形成的突變基因與野生基因互稱為等位基因。11編輯pptBut!W

Xw

Xa

redeye(w.t)XwXw(白眼)×XaY〔杏色眼〕Xa

Y

Xw

Xw

Xa

XwY

Xa

XaXa

XaY

?1/1000W.twhiteeye(mut)apricoteye(mut)inDrosophila

擬等位基因：指表型效應(yīng)類似，功能密切相關(guān)，在染色體上的位置又緊密連鎖的基因12編輯ppt經(jīng)典的基因概念基因內(nèi)不發(fā)生交換；兩個(gè)“等位基因可能位于同源染色體的不同位點(diǎn)上，能通過(guò)交換發(fā)生重組，1/1000的野生型即是重組的結(jié)果；Lewis和Green證明在一個(gè)基因座位中包含有多個(gè)位點(diǎn)，這些位點(diǎn)被稱為擬等位基因；緊密連鎖〔交換率極低〕，功能相同〔控制同一性狀〕A1

A2

a1a2

w.tMut.A1a2

a1A2

13編輯ppt3.3.3順反子理論Theoryofcistron(S.Benzer1955)----是對(duì)經(jīng)典基因概念的第一次修正和開展E.coliT4噬菌體rII突變?nèi)篢4噬菌體裂解細(xì)菌是由rII區(qū)編碼的14編輯ppt實(shí)驗(yàn)野生型E.coliT4噬菌體的RII區(qū)控制侵染寄主E.coliB和K12菌株，并產(chǎn)生模糊、白色的小噬菌斑當(dāng)rII區(qū)發(fā)生突變，T4-rII突變體不能侵染K12菌株，而且侵染B菌株后，產(chǎn)生邊緣清晰、圓形的大噬菌斑將誘變獲得的數(shù)百個(gè)T4-rII突變體，按重組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，兩兩組合并同時(shí)侵染E.coliB菌株，當(dāng)E.coliB培養(yǎng)皿上出現(xiàn)野生型和突變型兩種噬菌斑后，采用影印法轉(zhuǎn)運(yùn)到含有E.coliK12菌株的培養(yǎng)皿中，以統(tǒng)計(jì)的方法分析由于兩條T4-rII染色體交換而形成的野生型噬菌斑的概率，并繪制突變位點(diǎn)的遺傳連鎖圖rII4710410110310510651102

●●●●●●●●15編輯ppt基于此實(shí)驗(yàn)和“一個(gè)基因一個(gè)酶〞的理論Benzer認(rèn)為在rII區(qū)為雜合二倍體的菌株內(nèi)，野生型基因?qū)ν蛔冃偷任换蚩梢园l(fā)生功能的補(bǔ)償，產(chǎn)生功能互補(bǔ)效應(yīng)，從而使表型正常16編輯ppt不同的等位基因

同一等位基因

功能互補(bǔ)效應(yīng)的測(cè)驗(yàn)體系具有

不具有

突變位點(diǎn)處于

兩個(gè)帶有不同突變位點(diǎn)的噬菌體同時(shí)感染一個(gè)E.coli，構(gòu)成雙突變雜合二倍體，組成互補(bǔ)測(cè)驗(yàn)體系，以測(cè)定各突變位點(diǎn)所在基因的等位性。

17編輯pptrII4710410110310510651102

●●●●●●●●Agene

Bgene

rIIofT4phageincludingtwogenes順反子是功能單位，是由許多可以突變的位點(diǎn)組成的，而這些位點(diǎn)之間又可以發(fā)生交換。18編輯ppt順反子假說(shuō)〔Theoryofcistron〕

Cistron

是基因的同義詞在一個(gè)順反子內(nèi)，有假設(shè)干個(gè)突變單位突變子(muton)在一個(gè)順反子內(nèi)，有假設(shè)干個(gè)交換單位交換子〔recon〕

基因是一個(gè)具有特定功能的，完整的，不可分割的最小的遺傳單位

基因內(nèi)可以較低頻率發(fā)生基因內(nèi)的重組，交換

pseudoalleles

是基因內(nèi)發(fā)生突變的等位基因

mut1Xmut2

W.t

是基因內(nèi)發(fā)生交換的結(jié)果

cistron概念的提出是對(duì)經(jīng)典的基因概念的動(dòng)搖是對(duì)pseudoalleles概念的修正19編輯pptonegene→onefunction(Ribozyme,Abzyme,rDNA,tDNA..)

onegene→oneenzymeLac.OperonLactose3.3.5操縱子理論(Lactoseoperon

1961.Jacob,Monod)

一個(gè)基因功能的表現(xiàn)是假設(shè)干基因組成的信息表達(dá)的整體行為IPOZYA

zonegene→onepeptideya20編輯ppt編碼細(xì)胞必要的蛋白，如酶或結(jié)構(gòu)蛋白的基因稱為結(jié)構(gòu)基因〔structuralgenes〕編碼調(diào)節(jié)蛋白的基因稱調(diào)節(jié)基因〔regulatorgenes〕誘導(dǎo)基因的底物稱為誘導(dǎo)物〔inducer〕，它是一類小分子效應(yīng)物〔effectors〕的成員之一，與很多被調(diào)節(jié)基因的表達(dá)控制有關(guān)基因僅對(duì)誘導(dǎo)物反響而表達(dá)的現(xiàn)象叫做誘導(dǎo)〔induction〕任何促進(jìn)轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)都稱為正調(diào)控(positiveregulation)，任何阻礙轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)都稱為負(fù)調(diào)控(negativeregulation)21編輯ppt★transcriptable,translatablegene(Z,Y,A)★cisactionfactor〔順式作用因子〕transcriptablebutnontranslatablegene(tDNA,rDNA)nontranscriptable,nontranslatablegene(promoter,operator)通過(guò)核苷酸自身的特異二級(jí)結(jié)構(gòu)控制與它緊密連鎖的結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)或調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的DNA序列如啟動(dòng)子、終止子、增強(qiáng)子一般不編碼蛋白質(zhì)。(無(wú)基因產(chǎn)物的DNA功能區(qū))

3.3.6基因的類型22編輯ppt★transactionfactor〔反式作用因子〕通過(guò)擴(kuò)散自身表達(dá)產(chǎn)物〔酶，調(diào)節(jié)蛋白〕控制其他基因的表達(dá)或指可以和順式作用元件結(jié)合的調(diào)節(jié)蛋白，如啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄因子、終止因子、調(diào)節(jié)蛋白等可轉(zhuǎn)錄，可翻譯調(diào)節(jié)蛋白的DNA功能區(qū)可通過(guò)互補(bǔ)測(cè)驗(yàn)體系確定其功能區(qū)域23編輯ppt3.4.1生物進(jìn)化的C值矛盾(Cvalueparadoxofnucleotide)

一個(gè)物種單倍體基因組總DNA的含量〔是恒定的〕單倍體：具有配子(精子或卵子，植物的卵細(xì)胞和花粉)染色體數(shù)目的細(xì)胞或個(gè)體最大C值MaximumCvalue編碼基因信息的總DNA含量最小C值Minimumcvalue3.4

基因概念的多樣性24編輯pptCvalueparadoxofnucleotide

A生物體進(jìn)化程度上下與大C值不成明顯正相關(guān)B

親緣關(guān)系相近的生物大C值相差較大C一種生物內(nèi)大C值與小c值相差極大〔Euk.人體c=C/10〕(Prok.Φx174c＞C)不同種類生物基因組的C值分布25編輯ppt26編輯ppt大腸桿菌4300個(gè)基因27編輯ppt釀酒酵母6000個(gè)基因28編輯ppt25500個(gè)基因29編輯ppt秀麗隱桿線蟲19000個(gè)基因30編輯ppt3.4.2.重疊基因(overlappinggene)

Mis-readingforstopcodon

(1973.哈佛大學(xué)的A.Weiner大腸桿菌Q

RNAvirus)

400Nt800NtAUG----------------------UGA-----------------------UAA

UGA,UAG

易被漏讀，錯(cuò)讀

UAA

能嚴(yán)格終止

14KdCp97%38KdIp3%定義：不同的基因共用一段相同的DNA序列31編輯ppt?X174(F.Sanger,1977)單鏈環(huán)狀病毒

通過(guò)改變閱讀框重復(fù)編碼5387bp11genes3mRNA9peptidesC=5387bpc=11×2000bp

---ATG-----//------AATGCC----//---ATAACG---//--TAA----ABATGCCN----NNATAA32編輯ppt--------------TCAUGCCCAAACUAGGC--------------StartStopstopstart

通過(guò)改變閱讀框重復(fù)編碼33編輯ppt---AUG--------TCAUGCCCAA----AUGAGGC--------------Vp2Start

Selectiondifferentstartcodonorstopcodon(SimianVirus40,SV40)編碼5個(gè)基因，其中3個(gè)外殼蛋白基因及2個(gè)外表抗原基因SV40Vp1StartVp3StartVp1Vp2Vp334編輯ppt重疊基因的生物學(xué)意義

a)原核生物進(jìn)化的經(jīng)濟(jì)原那么(較小的C值編碼較多的基因信息)b)修正了經(jīng)典的各個(gè)基因互相獨(dú)立、互不重疊的傳統(tǒng)觀念c)豐富和開展了基因的概念(局部答復(fù)C=c)35編輯ppt按基因間相互重疊的區(qū)段及基因轉(zhuǎn)錄方向，將重疊基因歸類為反向重疊基因和同向重疊基因。編碼在同一DNA區(qū)段不同極性單鏈上的重疊基因稱為反向重疊基因。編碼在同一DNA區(qū)段同一極性單鏈上的重疊基因稱為同向重疊基因36編輯ppt3.4.3真核生物中的單一序列和重復(fù)序列

a)

高度重復(fù)序列(Highrepetitivesequence)satelliteDNA屬于高度重復(fù)序列2-10bp/copy105-106

copies/genome多為串聯(lián)重復(fù)排列分布于著絲點(diǎn),端粒區(qū),結(jié)構(gòu)基因兩側(cè)缺少轉(zhuǎn)錄所必需的啟動(dòng)子，一般不轉(zhuǎn)錄37編輯ppt

衛(wèi)星DNA

有些高度重復(fù)DNA序列的堿基組成和浮力密度同主體DNA有區(qū)別，在浮力密度梯度離心時(shí)，形成不同于主DNA帶的衛(wèi)星帶。衛(wèi)星DNA由許多簡(jiǎn)單的重復(fù)序列組成，一般位于染色體上的異染色質(zhì)區(qū)域衛(wèi)星DNA是高度重復(fù)序列，但并非所有高度重復(fù)序列都以衛(wèi)星DNA的形式出現(xiàn)，有的浮力密度與主體DNA相近，稱為隱蔽衛(wèi)星DNA38編輯pptSSR〔simplesequencerepeats)標(biāo)記SSR是一類由2-6個(gè)核苷酸為重復(fù)單位組成的長(zhǎng)達(dá)幾十個(gè)核苷酸片段的串聯(lián)重復(fù)序列，其兩側(cè)由特異序列構(gòu)成。首先發(fā)現(xiàn)于人類基因組中，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)在許多真核生物中，如哺乳動(dòng)物、魚類、鳥類、昆蟲類、單子葉植物、雙子葉植物中SSR也廣泛存在。高度重復(fù)序列的應(yīng)用39編輯pptSSR標(biāo)記原理：以重復(fù)序列及兩側(cè)的特異序列作模板，以與特異序列互補(bǔ)的特異引物來(lái)擴(kuò)增SSR等位基因，擴(kuò)增產(chǎn)物在高濃度的瓊脂糖凝膠或聚丙烯酰胺凝膠上電泳檢測(cè)。高度重復(fù)序列兩側(cè)DNA的序列分析；特異引物的合成；PCR反應(yīng)；多態(tài)性通常是SSR結(jié)構(gòu)內(nèi)部重復(fù)單元的數(shù)量變化或重復(fù)單元的序列變異引起的。40編輯pptTTCAGCTAGCTCAGCAGCAGCAGCAGCAGAGCTTGCAAGTCGATCGAGTCGTCGTCGTCGTCGTCTCGAACG41編輯pptABCPCRABCSSR多態(tài)性分析示意圖ABC分別代表不同的基因型42編輯ppt43編輯pptSSR引物在大豆中的擴(kuò)增44編輯pptb)

中度重復(fù)序列

(middlerepetitivesequence)0.1-1kb/copy10-104

copies/genome在基因調(diào)控中起重要作用，包括開啟或關(guān)閉基因的活性，促進(jìn)或終止轉(zhuǎn)錄等rDNAtDNAAlufamilyHistonegenefamily45編輯ppt基因家族(genefamily)：真核生物基因組中來(lái)源相同、結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的一組基因。如血紅蛋白基因家族、組蛋白基因家族。分為成簇存在的基因家族或基因簇以及散布的基因家族基因簇(genecluster)：真核生物中同一條DNA分子上排列的高度重復(fù)的基因。

基因家族的各個(gè)成員緊密成簇排列成大段的串聯(lián)重復(fù)單位，定位于染色體的特殊區(qū)域。是一個(gè)串聯(lián)重復(fù)，可同向也可反向，可有間隔區(qū)也可無(wú)間隔區(qū)。46編輯ppt基因家族分類：簡(jiǎn)單多基因家族：5SrRNA基因家族復(fù)雜多基因家族：各個(gè)成員并不都是相同的如tRNA、rRNA基因家族、組蛋白基因家族由發(fā)育階段控制的多基因家族：人類珠蛋白的基因家族組蛋白基因、rRNA基因和tRNA往往以串聯(lián)重復(fù)基因簇的形式出現(xiàn)串聯(lián)重復(fù)基因簇的特點(diǎn)：各成員之間有高度的序列一致性拷貝數(shù)高幾十～幾百非轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū)短而一致正好滿足組蛋白基因、rRNA基因和tRNA的基因產(chǎn)物被細(xì)胞大量需要47編輯ppt重復(fù)單位間由中度重復(fù)序列隔開5SrRNA基因成簇排列102～103、104拷貝簡(jiǎn)單多基因家族48編輯pptrDNAgenefamilySeaurchia450copiesTobacco750copiesDrosophila100copies45s41s20s32s28s5.8s18sT18sT5.8s

T28s

NT

18sT5.8sT一個(gè)重復(fù)單位內(nèi)的轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)（內(nèi)含子）重復(fù)單位間不轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū)復(fù)雜多基因家族49編輯ppttRNA基因tRNA約長(zhǎng)70～80bp，其基因約長(zhǎng)140bp(內(nèi)含子)串聯(lián)重復(fù)排列，但各重復(fù)單位內(nèi)的各tRNA基因可以不同HistonegenefamilyH1H4H2BH3H2A不轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū)一個(gè)重復(fù)單位(基因簇genecluster)的組織情況50編輯ppt真核生物的Alufamily〔哺乳動(dòng)物和人類基因組中存在〕500,000copies廣泛分布于非重復(fù)序列間300bp300bp300bp/copy6000bp6000bp6000bp6000bpDRDRIRIRAGCTAlusiteAcopyofAlufamily復(fù)雜多基因家族51編輯pptAlu序列是以7SLRNA基因〔編碼SRP,signal-recognitionparticle〕的啟動(dòng)子啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄，以RNA為中間體，以3‘-末端回折形成引物，反轉(zhuǎn)錄成cDNA，按反轉(zhuǎn)座機(jī)制插入到基因組的另一位點(diǎn)上，形成重復(fù)的新拷貝。Alu外顯子的發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明Alu成員在不危及基因組完整的前提下，具有增強(qiáng)基因組編碼容量，產(chǎn)生新基因以及調(diào)控多能性的進(jìn)化潛力。52編輯ppt由發(fā)育階段控制的多基因家族

人類珠蛋白基因家族－－－典型的血紅蛋白珠蛋白血紅素α2β2

不同的亞基由各自的基因編碼53編輯ppt?發(fā)育過(guò)程中的珠蛋白〔血紅蛋白〕的亞基組成兩種亞基的編碼基因分別形成兩個(gè)不同的基因簇,并存在于不同的染色體上每個(gè)基因簇中的基因按其在發(fā)育過(guò)程中的表達(dá)次序從5’→3’排列在編碼鏈上(其中包括有功能的基因和假基因)α2γ22%97%1%

類α-亞基

類β-亞基54編輯ppt位于第11號(hào)染色體位于第16號(hào)染色體Ψ假基因含有5個(gè)功能基因和1個(gè)假基因含有3個(gè)功能基因和3個(gè)假基因55編輯ppt在中度重復(fù)的基因家族內(nèi)由于突變的發(fā)生，導(dǎo)致不同的成員之間有序列相同和序列相似兩大類，相似成員間DNA分子的復(fù)性速度較相同成員間的偏慢。中度重復(fù)基因的共同特點(diǎn)：基因拷貝數(shù)多，各重復(fù)成員之間的序列相同或相似，排列成束狀串聯(lián)，功能相同，具有進(jìn)化的整體性，在整個(gè)基因家族中可以積累突變。56編輯ppt

c)

單拷貝序列

(singlecopysequence,1-3copies)

多為結(jié)構(gòu)基因(structuralgene):

可編碼RNA或蛋白質(zhì)的一段DNA序列

低等真核生物10-20%高等植物80%高等動(dòng)物50%repetitivesequence57編輯ppt3.4.4斷裂基因〔splittinggene〕Chamobon(France)1977ovalbuminofchicken〔雞卵清蛋白〕雞的輸卵管分泌卵清蛋白、卵粘蛋白和伴清蛋白，而其紅細(xì)胞只合成血紅蛋白，那么兩種組織之間DNA有什么不同呢？于是他們提取兩種組織的DNA，分別用EcoRI和HindIII切成幾段，電泳，再用卵清蛋白mRNA制備cDNA探針和以上片段進(jìn)行southern雜交，結(jié)果兩種組織中的DNA不管用哪一種酶來(lái)切，都出現(xiàn)了相同的3陽(yáng)性雜交帶。但cDNA序列內(nèi)并沒有EcoRI和HindIII的切點(diǎn)，為什么會(huì)出現(xiàn)多條陽(yáng)性帶？定義：由假設(shè)干exon和intron相間隔排列組成的基因或基因的編碼序列在DNA分子上是不連續(xù)的，被不編碼的序列所隔開58編輯ppt1977年Roberts和Sharp分別用腺病毒的不同組織發(fā)現(xiàn)了斷裂基因。當(dāng)用RNA與其模板DNA分子雜交時(shí)，RNA鏈取代DNA雙鏈中對(duì)應(yīng)的鏈，形成R-突環(huán)(R-loop)。用電鏡觀察突環(huán)結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)mRNA的5′端和其它局局部別與不同的DNA限制片段形成雜交。Sharp等也觀察到類似結(jié)果。這說(shuō)明腺病毒mRNA5′端前導(dǎo)序列和其余序列分別由基因組的不同部位轉(zhuǎn)錄而來(lái)。1993年同時(shí)獲得Nobel獎(jiǎng)斷裂基因的發(fā)現(xiàn)59編輯pptR-環(huán)〔R-loop〕：mRNA與編碼單鏈DNA雜交時(shí)，不互補(bǔ)的intron局部形成的環(huán)60編輯pptOvalbuminDNAXcDNAElectro-microscope7introns8exons61編輯ppt1978Gilbert真核生物基因的新概念

Exon(外顯子)DNA與成熟RNA間的對(duì)應(yīng)區(qū)域氨基酸的編碼區(qū)〔aminoacidcodingregion〕非間隔區(qū)〔unspacer〕isanysegmentofaninterruptedgenethatisrepresentedinthematureRNAproduct原初轉(zhuǎn)錄物中通過(guò)RNA剪接反響而保存于成熟RNA中的序列或基因中與成熟RNA序列相對(duì)應(yīng)的DNA序列62編輯pptIntron(內(nèi)含子)isasegmentofDNAthatistranscribed,butremovedfromwithinthetranscriptbysplicingtogetherthesequences(exons)oneithersideofit.DNA與成熟RNA間的非對(duì)應(yīng)區(qū)域氨基酸的非編碼區(qū)〔uncodingregion〕間隔區(qū)〔spacer〕原初轉(zhuǎn)錄物中通過(guò)RNA剪接反響而被去除的RNA序列或基因中與這種RNA序列相對(duì)應(yīng)的DNA序列63編輯pptPrecursormRNA(pre-mRNA)HeterogeneousnuclearRNA(HnRNA)真核生物基因的轉(zhuǎn)錄物又稱為所以－－真核生物基因又稱為：SplittinggeneInterruptedgene斷裂基因，間隔基因前體mRNA,核內(nèi)不均一RNA由于真核生物的絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)基因都含有內(nèi)含子64編輯ppt割裂基因前體mRNAIntrons去除Exons連接65編輯pptSplittingGenel

SplittingGene的普遍性a)inEukaryotesmostofstructuralgenetDNA,rDNAmtDNA,cpDNA66編輯ppttDNAPre-tRNAMaturetRNAtDNAalsoisinterruptedgene67編輯pptb)inProkaryotesSplittinggeneisnotHallMarkofEukaryoticgenesafewstructuralgenearesplittingSV40Tantigengenetantigengene1984Dr.ChuT4phage胸腺嘧啶合成酶gene1017dNtintron68編輯pptl

Splittinggene

概念的相對(duì)性c)

并非真核生物所有的結(jié)構(gòu)基因均為splittinggene

不是splittinggeneb)

Exon并非“表里如一〞a)

Intron并非“含而不露〞1980年Church等人發(fā)現(xiàn)Yeast線粒體細(xì)胞色素bgene的IntronII編碼mRNAmaturase人類尿激酶基因ExonI〔88個(gè)核苷酸〕不編碼氨基酸序列tDNA和rDNA外顯子不編碼Histonegenefamily〔組蛋白〕Interferongene〔干擾素〕Yeast中多數(shù)基因〔ADH抗利尿激素…〕(果蠅ADH乙醇脫氫酶基因?yàn)殚g隔基因)

69編輯ppt●Splittinggene

存在的生物學(xué)意義

a)有利于遺傳的相對(duì)穩(wěn)定

mutationfrequency即使錯(cuò)誤剪接留下的intron局部被mRNA監(jiān)測(cè)系統(tǒng)降解，防止病變和死亡inintron>inexon〔剪除〕〔密碼〕70編輯pptb)增加變異機(jī)率，有利于生物的進(jìn)化

不對(duì)稱交換形成splittinggene

是生物體產(chǎn)生變異導(dǎo)致進(jìn)化的重要途徑之一splittinggene（含有intron）

增加了基因的長(zhǎng)度

增加了基因內(nèi)的重組交換幾率

有利于形成變異和生物多樣性

71編輯ppt對(duì)intron不同方式的剪接，形成不同的基因產(chǎn)物〔5%isoformproteininmammalian〕c)擴(kuò)大生物體的遺傳信息儲(chǔ)量鼠的兩個(gè)胰島素基因珠蛋白〔人或動(dòng)物〕豆血紅蛋白〔植物〕亞鐵血紅素結(jié)合蛋白質(zhì)Heme-bindingprotein亞鐵血紅素結(jié)合功能域植物豆血紅蛋白基因有一個(gè)額外的內(nèi)含子，尚不清楚是由一個(gè)額外的內(nèi)含子插入到植物的相應(yīng)基因中，還是從其它的進(jìn)化路線中喪失此內(nèi)含子72編輯pptOnegene’sIntronisanothergene’sExon(Nature1981.289p439)tVp1Vp2Vp3

SV405000bpT通過(guò)改變讀碼框架，利用intron編碼基因〔SV40Tantigen,tantigen〕73編輯ppt酵母的細(xì)胞色素b基因含有6個(gè)外顯子和5個(gè)內(nèi)含子，轉(zhuǎn)錄成mRNA后首先切除了內(nèi)含子1，形成未成熟的mRNA。核糖體結(jié)合這種mRNA，利用外顯子1，2和內(nèi)含子2的局部序列為模板，翻譯一種蛋白，成熟酶(maturase)，此酶回過(guò)頭來(lái)又可將未成熟的mRNA中的內(nèi)含子2切除掉，產(chǎn)生成熟的mRNA，最終以此mRNA為模板翻譯成細(xì)胞色素b。當(dāng)成熟酶過(guò)量時(shí)，成熟酶會(huì)提前將內(nèi)含子2剪掉，以減少成熟酶的合成，但當(dāng)成熟酶缺乏時(shí)，又利用內(nèi)含子合成成熟酶，從而對(duì)成熟酶進(jìn)行調(diào)控。利用內(nèi)含子進(jìn)行代謝調(diào)節(jié)d)實(shí)例74編輯pptMaturasesynthesisauto-controlbyCyt.bintronIIinyeastmaturase過(guò)?！怖胕ntronII〕編碼成熟酶maturase減少提前剪切

intronII75編輯ppt3.4.5跳躍基因／／轉(zhuǎn)座因子／轉(zhuǎn)座子〔Jumpinggene/Transposableelement/Transposon〕1914A.EmersonCornelluniversity

玉米果皮花斑突變pVVpvv

1936Marcus.M.RhoabesIndianaUniversity

玉米糊粉層斑點(diǎn)〔DottedDt〕突變3.4.5.1.

基因轉(zhuǎn)座現(xiàn)象的最初發(fā)現(xiàn)A

aDt

DtaA

定義：是染色體上一段可以移動(dòng)的DNA序列,可以從一個(gè)基因座位轉(zhuǎn)移到另一個(gè)基因座位76編輯ppt

1947BarbaraMcClintock玉米糊粉層花斑不穩(wěn)定現(xiàn)象伴隨的遺傳事件

a)系列染色體遺傳重組事件

b)在Ac(Activater)因子存在時(shí)

CI→ci→spotsinaleuronelayer〔糊粉層〕

染色體→BFBC(Breakage–Fusion–Bridge–Cycle)

sitenamedDs(Dissociator)

Chro.9糊粉層色素形成抑制基因CI

表現(xiàn)無(wú)色77編輯pptTransposableElementinMaizeBarbaraMcClintock1983NobelPrize78編輯pptMcClintockB,1942,ProcNatlAcadSciUSA28:458—463

McClintockB,1946,CarnegieInstWashingtonYearBook45:176-186

McClintockB,1950,Theoriginandbehaviorofmutablelociinmaize.ProcNatlAcadSciUSA,36:244~349

McClintockB,1984,Science226:792--801HistoryofTransposableElementStudy79編輯ppttransposableelement

是引起玉米糊粉層花斑不穩(wěn)定現(xiàn)象的遺傳因子

ShBzWxAcciBzWx

Acchr.9CIShBzWx

largecoloredsectorsDsDsCICICIci

Shsh糯飽滿顏色Bronze是種子糊粉層中的花青素生物合成酶基因古銅色80編輯ppt玉米糊粉層色斑不穩(wěn)定遺傳是由可轉(zhuǎn)座因子Ac-Ds引起-1947J.Watson&F.Crick

DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)中雙鏈嚴(yán)格互補(bǔ)的關(guān)系闡明了基因的遺傳穩(wěn)定性-195381編輯pptPolarityMutation－inserteddiscoveredingalactoseoperonofE.coli〔插入型極性突變〕James.Shapiro19663.4.5.2

基因轉(zhuǎn)座現(xiàn)象的再次發(fā)現(xiàn)與證實(shí)

82編輯ppt在一個(gè)操縱子中，與操作子毗連的結(jié)構(gòu)基因發(fā)生終止突變或插入突變后，它除了影響該基因本身產(chǎn)物的翻譯外，還影響其后結(jié)構(gòu)基因多肽的翻譯，并且具有極性梯度的特征。

插入型極性突變的分子機(jī)制－－大腸桿菌乳糖操縱子極性突變的概念A(yù)酶活性

OgeneZ基因終止突變位

點(diǎn)離O基因的距離

IpoZYA83編輯pptipoZYA

mRNA翻譯時(shí)，對(duì)于每個(gè)結(jié)構(gòu)基因而言，前有起始密碼后有終止密碼。當(dāng)翻譯第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因至終止密碼時(shí)，大亞基解離，小亞基停留在鏈上向下游滑動(dòng)，遇到下一個(gè)結(jié)構(gòu)基因的起始密碼子時(shí)，大亞基再結(jié)合上來(lái)繼續(xù)翻譯。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)結(jié)構(gòu)基因發(fā)生終止突變時(shí)，大亞基解離，小亞基滑動(dòng)，突變位點(diǎn)離操縱子O基因越近，小亞基那么需要滑動(dòng)很長(zhǎng)距離才能遇到下一個(gè)基因的起始密碼。故小亞基從mRNA上脫離的可能性越大，那么A蛋白的翻譯量越小。84編輯ppt3.4.5.3DNA轉(zhuǎn)座現(xiàn)象的一般遺傳特點(diǎn)

a)不依賴Donorsite〔供體位點(diǎn)〕與Targetsite〔靶位點(diǎn)〕之間序列的同源性(非同源重組過(guò)程，不依賴recA酶)b)轉(zhuǎn)座插入的靶位點(diǎn)并非完全隨機(jī)〔插入專一性〕Hotspots(熱點(diǎn)，重復(fù)序列區(qū)域)Regionalpreference(在3kb區(qū)域內(nèi)隨機(jī)插入)c)某些轉(zhuǎn)座因子〔Tn3〕對(duì)同類轉(zhuǎn)座因子的插入具有排他性〔免疫性〕d)轉(zhuǎn)座事件發(fā)生后，靶序列在轉(zhuǎn)座因子兩側(cè)會(huì)形成正向重復(fù)

e)轉(zhuǎn)座因子的切除與轉(zhuǎn)座將產(chǎn)生復(fù)雜的遺傳學(xué)效應(yīng)利用轉(zhuǎn)座子不容易獲得覆蓋全基因組的插入突變體85編輯pptTranspositionInversion/Translocationl

特定的基因片段斷點(diǎn)隨機(jī)的任意DNA片段可能破壞某結(jié)構(gòu)基因l

U.V/誘變劑無(wú)效U.V/誘變劑可提高頻率l

高頻率的回復(fù)突變不能產(chǎn)生回復(fù)突變形成mutablegene

l

轉(zhuǎn)座需transposaseRec.A,B,Dinvertedrepeat(IR)χ(chi)site,

l

與復(fù)制有關(guān)的過(guò)程DNA鏈的斷裂與錯(cuò)接的過(guò)程f)與倒位/易位染色體結(jié)構(gòu)變異現(xiàn)象的區(qū)別

86編輯ppt3.4.5.4轉(zhuǎn)座因子的種類〔1〕原核生物中轉(zhuǎn)座因子的種類

IS(InsertionSequence)TnA轉(zhuǎn)座子familyCompositetransposon(復(fù)合轉(zhuǎn)座子〕Transposablephage〔Mu噬菌體〕

復(fù)制型轉(zhuǎn)座子

(replicatingtransposition)87編輯ppta)插入序列〔insertionsequence，IS〕是細(xì)菌染色體和質(zhì)粒的正常組成局部，一個(gè)大腸桿菌標(biāo)準(zhǔn)株可能含有幾個(gè)拷貝〔一般<10〕的最常見的任意一種IS元件88編輯ppt插入序列的特點(diǎn)：●GATCGTC--------------------------GACGATC

l

7002000basepair（bp）IRIRGATCGTC--------------------------GACGATCCTAGCAG---------------------------CTGCTAGStem-loop

5’GATCGTC3’CTAGCAG

89編輯pptIntegrationofISelementinchromosomalDNA.90編輯pptIRDR大腸桿菌中的一些IS因子IS因子一般只編碼為自身轉(zhuǎn)座所需要的蛋白質(zhì)即轉(zhuǎn)座酶(transposase)，轉(zhuǎn)座酶能識(shí)別IR，并催化IS發(fā)生刪除作用。IR是轉(zhuǎn)座酶進(jìn)行末端識(shí)別、結(jié)合、切割的重要順式位點(diǎn)，當(dāng)IR發(fā)生突變時(shí)，能直接抑制轉(zhuǎn)座事件的發(fā)生。91編輯pptb)Transposon(Tn/TnAfamily)

l2.5kb20kb

l

Tn1(AmpR)Tn2(AmpR)Tn3(AmpR)Tn4(AmpRStrR)Tn5(KanR)Tn6(kanR)Tn7(StrRTmpR)鏈霉素四氫喋呤

l具有IR、轉(zhuǎn)座酶基因、調(diào)節(jié)基因、抗抗生素基因

Tn3IRTnpAResTnpRAmpRIR37bp37bptransposaseregulatorβ-lactamase1015個(gè)氨基酸185個(gè)氨基酸β-內(nèi)酰胺酶92編輯pptc)復(fù)合因子或復(fù)合型轉(zhuǎn)座子〔compositeelement/compositetransposon〕即TnA型轉(zhuǎn)座子的兩端連接2個(gè)IS。IS可以以IR和DR兩種方式插入93編輯ppt●復(fù)合轉(zhuǎn)座子一旦形成，轉(zhuǎn)座功能受較多因子調(diào)控●結(jié)構(gòu)特點(diǎn)IRIRIRIRIRIRIS10LTn10(9.3kb，TetR)IS10RIS反向插入IRIRIRIRDRDRIS1LTn9(2.5kb，CamR樟腦)IS1RIS正向插入94編輯ppt對(duì)抗生素的選擇可以使復(fù)合型轉(zhuǎn)座子維持整體轉(zhuǎn)座，因此，在選擇條件下，完整復(fù)合型轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座頻率可以明顯升高。95編輯pptMu是以大腸桿菌為寄主的溫和噬菌體，以裂解和溶源生長(zhǎng)兩種交替方式之一繁衍自己

DNA為線狀分子游離Mu噬菌體DNA的兩端連接著一段寄主DNA，左端約長(zhǎng)100bp，右端約長(zhǎng)1500bpd)

轉(zhuǎn)座噬菌體Muphage(MutatorPhage巨型轉(zhuǎn)座子)96編輯pptMu的插入途徑：第一，侵入的Mu可以在溶源化過(guò)程中以非復(fù)制型轉(zhuǎn)座插入寄主DNA的任意部位，使原噬菌體兩側(cè)各有一個(gè)5bp的靶點(diǎn)序列重復(fù)第二，進(jìn)入裂解生長(zhǎng)后，復(fù)制產(chǎn)生的后代MuDNA幾乎全部隨機(jī)插入寄主DNA中，一旦插入極少再切除下來(lái)。它們能作為轉(zhuǎn)座子再造成其它靶點(diǎn)上的插入97編輯ppt

I型；剪貼式轉(zhuǎn)座因子〔cut-paste〕II型；反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子〔Retro-transposon類似反轉(zhuǎn)錄病毒〕CopiaindrosophilaTy1inyeastAlufamilyAc/Ds,Spm/dspm,Dtinmaize，Mu系統(tǒng)

IR,transposase,needed

Twocomponentssystem〔2〕真核生物的轉(zhuǎn)座因子的種類98編輯pptAc（激活子）Mp（調(diào)控子）Ds（解離因子）Spm（轉(zhuǎn)座抑制子）En（增強(qiáng)子）dSpm（缺陷的Spm）I（抑制子）Dt（斑點(diǎn)）未命名MuDR（轉(zhuǎn)座子）Mu1，Mu2轉(zhuǎn)座子自主發(fā)生轉(zhuǎn)座需要自主元件反式激活自主非自主轉(zhuǎn)移到新位點(diǎn)轉(zhuǎn)移到新位點(diǎn)剪貼式轉(zhuǎn)座因子具有自我調(diào)控切除和轉(zhuǎn)座的能力，易使插入的突變基因產(chǎn)生自主型的回復(fù)突變相對(duì)穩(wěn)定，編碼轉(zhuǎn)座酶的基因缺失99編輯pptAc/Ds引發(fā)的突變類型及表型

插入鈍化，活性改變

PS

PS

表達(dá)水平改變

AcS

缺失突變

100編輯pptMu

轉(zhuǎn)座子特點(diǎn)Mu家族成員共享有相同的215bpTIR，但內(nèi)部序列差異較大能插入到任何染色體的任何基因〔覆蓋整個(gè)基因組〕但趨向于單拷貝或低拷貝的功能基因101編輯ppt平均拷貝數(shù)30～50／基因組〔Max＝100拷貝〕能引起高頻率正向突變〔10－5～10－4〕〔＞Ac/Ds的30～50倍〕在植物基因組存在豐富的變異類型切除頻率極低插入后，Mu的兩翼會(huì)產(chǎn)生靶基因的9bp5’-GTTG-G/C-AG-G/A-G-3’正向重復(fù)〔DR〕Mu

轉(zhuǎn)座子特點(diǎn)102編輯ppt在體細(xì)胞內(nèi)的自主轉(zhuǎn)座可能造成插入突變基因功能的自動(dòng)回復(fù)由于Mu的高拷貝性，導(dǎo)致鑒定別離某一特定Mu因子的插入而誘發(fā)的突變靶基因較為困難轉(zhuǎn)座后會(huì)產(chǎn)生“footprint〞效應(yīng)103編輯ppt反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子(retro-transposon):

類似反轉(zhuǎn)錄病毒原核生物與真核生物中均有存在104編輯ppt

反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的分類依其DNA結(jié)構(gòu)及反轉(zhuǎn)錄酶的DNA的序列分為兩種類型一類是其兩端均有一段長(zhǎng)的正向重復(fù)序列和一段長(zhǎng)的末端反向重復(fù)序列；含有逆轉(zhuǎn)錄病毒的核心蛋白基因(group-specificantigengene，gag〕及酶基因區(qū)域(polyprotein多基因區(qū)域，pol〕。如果蠅的Copia，釀酒酵母的Ty，擬南芥的Ta1和小鼠的IAP另一類沒有末端反向重復(fù)序列，也編碼有與gag及pol基因蛋白質(zhì)產(chǎn)物類似的多肽分子。如哺乳動(dòng)物中的L1，果蠅的I以及紅色面包霉的Tad105編輯ppt高頻率的回復(fù)突變，形成易變基因〔mutablegene〕a)轉(zhuǎn)座引起插入突變b)轉(zhuǎn)座產(chǎn)生新的基因

轉(zhuǎn)座子上的抗藥性基因的引入c)轉(zhuǎn)座產(chǎn)生染色體畸變d)轉(zhuǎn)座引起生物進(jìn)化

由于轉(zhuǎn)座作用使原來(lái)在染色體的相距很遠(yuǎn)的基因組合到一起，構(gòu)成一個(gè)新的轉(zhuǎn)座子或表達(dá)單元，產(chǎn)生一些具有新的生物學(xué)功能的基因和新的蛋白質(zhì)分子3.4.5.5

轉(zhuǎn)座的遺傳效應(yīng)106編輯ppt●穩(wěn)定性ExciseorDeletionDR型(Instable)107編輯pptIR型(Stable)InversionBAABBAExcise10-5--10-6108編輯ppt轉(zhuǎn)座子的應(yīng)用利用轉(zhuǎn)座子的插入突變效應(yīng)，研究基因的結(jié)構(gòu)與功能區(qū)利用轉(zhuǎn)座子進(jìn)行基因定位利用轉(zhuǎn)座子別離、克隆基因構(gòu)建轉(zhuǎn)座子突變體庫(kù)，為功能基因的克隆與功能研究提供了重要的技術(shù)平臺(tái)109編輯ppt原理：當(dāng)轉(zhuǎn)座子插入到某個(gè)功能基因內(nèi)部或鄰近位點(diǎn)時(shí)，就會(huì)使插入位置的基因失活并誘導(dǎo)產(chǎn)生突變型，通過(guò)遺傳分析可以確定某基因的突變是否由轉(zhuǎn)座子引起，由轉(zhuǎn)座子引起的突變可用轉(zhuǎn)座子DNA為探針，從突變株的基因組文庫(kù)中釣取含該轉(zhuǎn)座子的DNA片段，獲得含有局部突變株DNA序列的克隆，然后以該DNA序列為探針,篩選野生型植株的基因組文庫(kù)，最終得到完整的目的基因。轉(zhuǎn)座子標(biāo)簽技術(shù)用轉(zhuǎn)座子來(lái)別離基因的技術(shù)稱為轉(zhuǎn)座子標(biāo)簽技術(shù)，顯著特點(diǎn)是可以用來(lái)別離預(yù)先不清楚表達(dá)產(chǎn)物的基因。110編輯ppt利用轉(zhuǎn)座子標(biāo)簽法別離植物基因的主要步驟如下:(1)構(gòu)建含轉(zhuǎn)座子的質(zhì)粒載體;(2)將含轉(zhuǎn)座子的質(zhì)粒載體通過(guò)農(nóng)桿菌介導(dǎo)或其他適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)化方法導(dǎo)入目標(biāo)植物中;(3)轉(zhuǎn)座子插入突變的鑒定與別離;(4)轉(zhuǎn)座子在目標(biāo)植物體內(nèi)的活動(dòng)性能檢測(cè);(5)利用轉(zhuǎn)座子序列作探針，與突變體基因組文庫(kù)雜交，獲得局部基因序列;(6)用局部基因序列作探針，與野生型基因組文庫(kù)雜交，別離出完整的目的基因。111編輯ppt許多生物的基因組中存在轉(zhuǎn)座子。但真正用于植物基因別離研究的轉(zhuǎn)座子僅局限于玉米Mu轉(zhuǎn)座子、解離因子(Ds)、活化因子〔Ac〕和金魚草的Tam。這主要是由于這兩種植物中擁有活潑的轉(zhuǎn)座子，并且它們的遺傳特性以及局部器官的特征，獲取和篩選突變體比較方便。112編輯ppt利用轉(zhuǎn)座子標(biāo)簽克隆的基因植物種Species基因名稱Genes基因功能Genefunction轉(zhuǎn)座子Transposon參考文獻(xiàn)Reference

擬南芥MS2雄性不育En/SpmAartsetal.,1993

CAO葉綠素a/b結(jié)合蛋白Ac/DsKlimyuketal.,1999

SAP花形態(tài)發(fā)育En/SpmByzovaetal.,1999

SSR16胚致死Ac/DsTsugekietal.,1996

EDS1抗病Ac/DsFalketal.,1999

DRL1花形態(tài)發(fā)生Ac/DsBancroftetal.,1993

FAE1脂肪酸合成Ac/DsDouglasetal.,1995

Alb3白化Ac/DsLongetal.,1993

AN2花色素合成En/SpmKuboHetal.,1999

煙草N抗花葉病毒侵染DsWhithametal.