真核生物的基因組

關(guān)于真核生物的基因組掌握斷裂基因、端粒的概念、重復(fù)序列分類。掌握真核生物染色體的一般特征，線粒體的遺傳特性。熟悉基因的轉(zhuǎn)移，假基因，DNA的甲基化了解基因家族，DNA指紋及轉(zhuǎn)座元件學(xué)習(xí)的目標(biāo)與要求第2頁,共67頁，2024年2月25日，星期天基因的概念基因的概念隨著分子遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、生物化學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)展而不斷完善。從遺傳學(xué)角度看：基因是生物的遺傳物質(zhì)，是遺傳的基本單位----突變單位、重組單位和功能單位。從分子生物學(xué)角度看：基因是負(fù)載著特定遺傳信息的DNA分子片段，在一定條件下能夠表達(dá)這種遺傳信息，執(zhí)行特定的生理功能。復(fù)習(xí)第3頁,共67頁，2024年2月25日，星期天基因組（genome）是指生物體中一套完整的遺傳物質(zhì)的總和?；蚪M的結(jié)構(gòu)是指具有一定生物學(xué)功能的片段在核酸分子上的分布與排列情況?；蚪M的功能是貯存和表達(dá)遺傳信息。第4頁,共67頁，2024年2月25日，星期天真核生物基因組都是由大分子雙鏈線狀DNA構(gòu)成。染色體通常成對(duì)出現(xiàn)（雙倍體）。基因組非常龐大，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，有多個(gè)復(fù)制起始位點(diǎn)。一、真核生物基因組的特點(diǎn)（一般特征）第5頁,共67頁，2024年2月25日，星期天基因組中存在大量的重復(fù)序列以及非編碼序列。真核生物基因組內(nèi)非編碼序列占90%以上，是與細(xì)菌、病毒的重要區(qū)別，在一定程度上也是生物進(jìn)化的標(biāo)尺。功能基因大多不連續(xù)，存在有內(nèi)含子和外顯子；真核生物基因組中也存在一些可移動(dòng)的DNA序列（轉(zhuǎn)座元件）。第6頁,共67頁，2024年2月25日，星期天真核生物基因組中通常存在大量的重復(fù)序列，可占整個(gè)基因組DNA的90%以上。采用復(fù)性動(dòng)力學(xué)方法來研究真核生物基因組時(shí)，可按其復(fù)性速度的快慢或出現(xiàn)頻率的高低，將這些重復(fù)序列分為高度重復(fù)序列，中度重復(fù)序列和單拷貝序列三大類。二、真核生物基因組中重復(fù)序列的結(jié)構(gòu)與功能第7頁,共67頁，2024年2月25日，星期天（一）高度重復(fù)序列：高度重復(fù)序列在基因組中重復(fù)頻率高，可達(dá)106次，因此復(fù)性速度很快。高度重復(fù)序列在基因組中所占比例隨種屬而異，一般在10～60%范圍內(nèi)。人的高度重復(fù)序列約占整個(gè)基因組的20%

左右。第8頁,共67頁，2024年2月25日，星期天

反向重復(fù)序列（invertedrepeats）：是由兩個(gè)相同順序的互補(bǔ)拷貝在同一DNA

雙鏈上反向排列而成。高度重復(fù)序列按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為三種：

第9頁,共67頁，2024年2月25日，星期天反向重復(fù)序列的兩種形式發(fā)卡結(jié)構(gòu)第10頁,共67頁，2024年2月25日，星期天回文結(jié)構(gòu)畫上荷花和尚畫書臨漢字翰林書第11頁,共67頁，2024年2月25日，星期天衛(wèi)星DNA（satelliteDNA）：衛(wèi)星DNA的重復(fù)單位一般由2～70bp組成，成串排列。衛(wèi)星DNA占基因組的比例隨種屬而異，在0.5～31%范圍內(nèi)。第12頁,共67頁，2024年2月25日，星期天衛(wèi)星DNA的堿基組成不同于其它部分，故可用等密度梯度離心法從基因組中分離出來。第13頁,共67頁，2024年2月25日，星期天人類基因組中可分離出三類衛(wèi)星DNA，共占人類基因組的5~6%：大衛(wèi)星DNA（macrosatelliteDNA）：其重復(fù)單位為5~171bp，主要分布于染色體的著絲粒區(qū)。小衛(wèi)星DNA（minisatelliteDNA）：其重復(fù)單位為15~70bp，存在于常染色體。第14頁,共67頁，2024年2月25日，星期天微衛(wèi)星DNA/短串聯(lián)重復(fù)序列（microsatelliteDNA/shorttandemrepeat,STR）：其重復(fù)單位為2~5bp，存在于常染色體，常見于內(nèi)含子中。人類基因組DNA中平均每6～10kb就有一個(gè)STR位點(diǎn)。不同個(gè)體之間在一個(gè)同源STR位點(diǎn)的重復(fù)次數(shù)不同。由于重復(fù)單位及重復(fù)次數(shù)不同，使其在不同種族，不同人群之間的分布具有很大差異性，構(gòu)成了STR遺傳多態(tài)性。第15頁,共67頁，2024年2月25日，星期天DNA指紋同一種屬中不同個(gè)體的高度重復(fù)順序的重復(fù)次數(shù)不一樣，這可以作為每一個(gè)體的特征，即DNA指紋。STR分析法已經(jīng)成為法醫(yī)學(xué)領(lǐng)域個(gè)體識(shí)別和親權(quán)鑒定的重要分析方法，可應(yīng)用于司法案件調(diào)查，也就是遺傳指紋分析。第16頁,共67頁，2024年2月25日，星期天AlecJ.Jeffreys和歷史上第一張DNA指紋圖譜15-yearoldLyndaMann

15-yearoldDawnAshworth第17頁,共67頁，2024年2月25日，星期天1802年的一副杰斐遜和莎莉的諷刺畫像第18頁,共67頁，2024年2月25日，星期天第19頁,共67頁，2024年2月25日，星期天（二）中度重復(fù)序列：中度重復(fù)序列是指在基因組中重復(fù)數(shù)十次至數(shù)萬次的部分，其復(fù)性速度快于單拷貝序列，但慢于高度重復(fù)序列。第20頁,共67頁，2024年2月25日，星期天中度重復(fù)序列中有一部分是編碼rRNA、tRNA、Alu家族、組蛋白及免疫球蛋白的結(jié)構(gòu)基因，另一部分可能與基因調(diào)控有關(guān)。第21頁,共67頁，2024年2月25日，星期天真核基因組中，中度重復(fù)序列主要包括短散在核元件（shortinterspersednuclearelements，SINEs）和長散在核元件（longinterspersednuclearelements，LINEs）。第22頁,共67頁，2024年2月25日，星期天典型的短散在核元件（SINEs）是靈長類所特有的Alu重復(fù)序列家族，因在其序列中存在限制酶Alu的切點(diǎn)而得名。限制性內(nèi)切酶Alu的切點(diǎn)為（AGCT),將其切成

130bp和170bp的兩段。第23頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Alu家族的功能是多方面的，可能參與hnRNA的加工與成熟，也與遺傳重組及染色體不穩(wěn)定性有關(guān)。最近研究表明，Alu順序可能具有轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)作用。遺傳信息從DNA分子轉(zhuǎn)錄到RNA分子中的過程稱為轉(zhuǎn)錄(transcription)。在真核生物中，最初轉(zhuǎn)錄生成的RNA稱為不均一核RNA(heterogeneousnuclearRNA,hnRNA)。核內(nèi)不均一RNA為存在于真核生物細(xì)胞核中的不穩(wěn)定、大小不均的一組高分子RNA（分子量約為105～2×107，沉降系數(shù)約為30—100S）之總稱。占細(xì)胞全部RNA之百分之幾，在核內(nèi)主要存在于核仁的外側(cè)。認(rèn)為hnRNA多屬信使RNA（messengerribonucleicacid，mRNA）之前體，包括各種基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物及其成為mRNA前的各中間階段的分子，在5’末端多附有間隙結(jié)構(gòu)，而3’的末端附有多聚腺苷酸聚合酶分子。這些hn-RNA在受到加工之后，移至細(xì)胞質(zhì)，作為mRNA而發(fā)揮其功能。大部分的hnRNA在核內(nèi)與各種特異的蛋白質(zhì)形成復(fù)合體而存在著第24頁,共67頁，2024年2月25日，星期天典型的長散在核元件（LINEs）是KpnⅠ重復(fù)序列家族，因在其序列中存在限制酶KpnⅠ的切點(diǎn)而得名。KpnⅠ家族的重復(fù)單位一般為6~7kb或更長，其兩側(cè)也各有一段正向重復(fù)序列，功能上與Alu家族相似。第25頁,共67頁，2024年2月25日，星期天（三）單拷貝序列（單拷貝基因）：?jiǎn)慰截愋蛄性诨蚪M中只出現(xiàn)一次或少數(shù)幾次，因此復(fù)性速度很慢。單拷貝序列屬于結(jié)構(gòu)基因，它儲(chǔ)存了巨大的遺傳信息，編碼各種功能不同的蛋白質(zhì)。第26頁,共67頁，2024年2月25日，星期天1、、斷裂基因（splitgene）。

真核生物的結(jié)構(gòu)基因的DNA序列由編碼序列和非編碼序列兩部分組成，編碼序列是不連續(xù)的，被非編碼序列分割開來，稱為斷裂基因（splitgene）。其包括外顯子和內(nèi)含子。第27頁,共67頁，2024年2月25日，星期天（1）、外顯子和內(nèi)含子在結(jié)構(gòu)基因中，編碼序列稱為外顯子(exon)，表達(dá)多肽鏈部分。非編碼序列稱為內(nèi)含子(Intron)，又稱插入序列。β珠蛋白基因（1700bp）=3個(gè)外顯子+2個(gè)內(nèi)含子。DMD基因（2300kb）=79個(gè)外顯子+78個(gè)內(nèi)含子。（迄今認(rèn)識(shí)的最大的基因）第28頁,共67頁，2024年2月25日，星期天真核生物內(nèi)含子和外顯子不是完全固定不變的，有時(shí)同一DNA鏈上的某一段DNA序列，當(dāng)它作為編碼某一多肽鏈的基因時(shí)是外顯子，而作為編碼另一多肽鏈時(shí)，則是內(nèi)含子。這樣，同一基因卻可以轉(zhuǎn)錄兩種或兩種以上的mRNA。真核生物某些結(jié)構(gòu)Gene沒有內(nèi)含子，如組蛋白Gene，干擾素Gene等。它們多以基因簇形式存在，大多數(shù)的酵母結(jié)構(gòu)Gene也沒有內(nèi)含子。第29頁,共67頁，2024年2月25日，星期天5`GT——AG3`法則在每個(gè)外顯子和內(nèi)含子的接頭區(qū)都是一段高度保守的共有序列，內(nèi)含子的5`端是GT，3端是AG，這種接頭方式稱為GT-AG法則，普遍存在于真核生物中，是RNA剪接的識(shí)別信號(hào)，轉(zhuǎn)錄后的前體RAN中的內(nèi)含子剪接位點(diǎn)。第30頁,共67頁，2024年2月25日，星期天斷裂基因存在的意義斷裂基因存在是生物進(jìn)化的結(jié)果，是從復(fù)制水平而言，不同的外顯子可分別編碼不同的功能結(jié)構(gòu)域，基因外顯子不同的組合產(chǎn)生新的編碼蛋白質(zhì)，即是外顯子改組。如血紅蛋白和肌紅蛋白均由獨(dú)立的外顯子編碼結(jié)合血紅素的結(jié)構(gòu)域。第31頁,共67頁，2024年2月25日，星期天（2）、側(cè)翼序列與調(diào)控序列每個(gè)結(jié)構(gòu)基因的第一個(gè)和最后一個(gè)外顯子的外側(cè)，都有一段不被轉(zhuǎn)錄的非編碼區(qū)，稱為側(cè)翼序列（Flankingsequence）。它是基因的調(diào)控序列，對(duì)基因的有效表達(dá)起調(diào)控作用，包括：?jiǎn)?dòng)子、增強(qiáng)子、終止子等。第32頁,共67頁，2024年2月25日，星期天1.單順反子多數(shù)的真核生物不存在操縱子結(jié)構(gòu)，每一個(gè)基因都單獨(dú)構(gòu)成一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生單順反子mRNA，及編碼一種蛋白質(zhì)。這是原核生物基因的操縱子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生多順反子mRNA，可編碼多種蛋白質(zhì)。第33頁,共67頁，2024年2月25日，星期天復(fù)習(xí)：原核生物基因轉(zhuǎn)錄翻譯的過程第34頁,共67頁，2024年2月25日，星期天第35頁,共67頁，2024年2月25日，星期天真核生物基因組中的重復(fù)序列第36頁,共67頁，2024年2月25日，星期天三、基因家族與假基因基因家族（multigenefamily）——指DNA序列具有較高的同源性（通常大于50%），并且其編碼產(chǎn)物具有相同或相似生理功能的一組結(jié)構(gòu)基因。多基因家族中的基因通常是由同一祖先基因經(jīng)進(jìn)化或變異而來。第37頁,共67頁，2024年2月25日，星期天多基因家族可分為兩類：基因家族成簇地分布在同一染色體上并同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，如組蛋白基因家族；chromosome7第38頁,共67頁，2024年2月25日，星期天基因家族成簇地分布于不同的染色體上并分別進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，且不同基因編碼的蛋白質(zhì)在功能上相關(guān)，如珠蛋白基因家族。第39頁,共67頁，2024年2月25日，星期天珠蛋白多基因家族的組織結(jié)構(gòu)-類珠蛋白基因家族-類珠蛋白基因家族chromosome11chromosome16第40頁,共67頁，2024年2月25日，星期天假基因（pseudogene）——又稱為加工基因或非功能基因。這類基因的核苷酸順序雖然與正常的結(jié)構(gòu)基因很相似，但基本上不能表達(dá)。

第41頁,共67頁，2024年2月25日，星期天人類染色體上的假基因第42頁,共67頁，2024年2月25日，星期天假基因是由于在進(jìn)化過程中，某些DNA片段發(fā)生了缺失、倒位或點(diǎn)突變，導(dǎo)致調(diào)控基因丟失；或無剪接加工信號(hào)；或編碼區(qū)出現(xiàn)終止信號(hào)；或編碼無功能或不完整的基因。雁過尚且留聲，人生豈能無痕第43頁,共67頁，2024年2月25日，星期天四、端粒與端粒酶第44頁,共67頁，2024年2月25日，星期天第45頁,共67頁，2024年2月25日，星期天第46頁,共67頁，2024年2月25日，星期天第47頁,共67頁，2024年2月25日，星期天轉(zhuǎn)座元件（transposableelement）/轉(zhuǎn)座子（transposon）是指能夠在DNA分子內(nèi)部或DNA分子之間移動(dòng)的DNA片段或基因。它們從基因組的一個(gè)部位直接轉(zhuǎn)移到另一個(gè)部位，這個(gè)過程稱為轉(zhuǎn)座（transposition）。五、基因的轉(zhuǎn)移（教材29頁）：轉(zhuǎn)座元件第48頁,共67頁，2024年2月25日，星期天1983年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)McClintock(1902-1992）第49頁,共67頁，2024年2月25日，星期天轉(zhuǎn)座子不僅能夠在基因組內(nèi)轉(zhuǎn)移，而且還能夠改變基因的活性并引起功能的改變。轉(zhuǎn)座子有時(shí)插入到一個(gè)結(jié)構(gòu)基因或基因調(diào)節(jié)序列內(nèi)，引起基因表達(dá)的改變?，F(xiàn)在認(rèn)為轉(zhuǎn)座子存在于地球上所有的生物。第50頁,共67頁，2024年2月25日，星期天線粒體DNA（mitochondrialDNA,mtDNA）屬于真核細(xì)胞核外遺傳物質(zhì)，可獨(dú)立編碼存在于線粒體中的多肽鏈、rRNA或tRNA。mtDNA為雙鏈環(huán)狀DNA，其分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與原核生物DNA相同。第二節(jié)、染色體外的基因---線粒體一、線粒體DNA的結(jié)構(gòu)第51頁,共67頁，2024年2月25日，星期天一、線粒體DNA的結(jié)構(gòu)

mtDNA長16,569bp，含37個(gè)結(jié)構(gòu)基因，編碼13種蛋白、22種tRNA和2種rRNA。這13種蛋白質(zhì)為呼吸鏈酶復(fù)合物的單位。第52頁,共67頁，2024年2月25日，星期天二、線粒體DNA的遺傳特性線粒體DNA（mitochondrialDNA,mtDNA）屬于母性遺傳的核外遺傳物質(zhì)，其具有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)、功能、變異的規(guī)律與核DNA有較大的區(qū)別。第53頁,共67頁，2024年2月25日，星期天二、線粒體DNA的遺傳特性1、非孟德爾的母系遺傳。由于線粒體存在于細(xì)胞質(zhì)中，受精過程中僅精子的細(xì)胞核與卵子融合，產(chǎn)生的合子從卵子的細(xì)胞質(zhì)中得到線粒體和相關(guān)的mtDNA。即母親將她的mtDNA傳遞給兒子和女兒，再由女兒將其傳遞給下一代，父親從不將其mtDNA傳遞給后代。由此導(dǎo)致了線粒體遺傳病的傳遞模式與經(jīng)典孟德爾性狀的傳遞模式不同（圖6－3）。如果家族中發(fā)現(xiàn)一些男女成員具有相同的臨床癥狀，而且是從受累的女性傳遞下來，家系分析又不符合XD遺傳，就應(yīng)考慮可能是由于線粒體DNA突變?cè)斐傻摹５?4頁,共67頁，2024年2月25日，星期天圖6－3

線粒體DNA的母系遺傳

第55頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2、半自主性復(fù)制與協(xié)同作用

線粒體DNA能夠編碼自己的mRNA、rRNA和tRNA，合成一部分自身所需的蛋白質(zhì)，線粒體的這一功能稱為線粒體的半自主性。線粒體中的大多數(shù)蛋白質(zhì)是核基因編碼的，在細(xì)胞質(zhì)中合成。因此，線粒體的生長繁殖是核-質(zhì)兩套遺傳系統(tǒng)共同控制的結(jié)果。

第56頁,共67頁，2024年2月25日，星期天3.異質(zhì)性與純質(zhì)性

異質(zhì)性（heteroplasmy）表示一個(gè)細(xì)胞或組織既含有野生型線粒體基因組又含有突變型線粒體基因組。當(dāng)異質(zhì)性細(xì)胞經(jīng)過有絲分裂和減數(shù)分裂時(shí)，隨機(jī)分離到兩個(gè)子細(xì)胞中的突變型和野生型mtDNA的比例發(fā)生改變，mtDNA基因型分別向純合突變型和純合野生型漂變，經(jīng)過無數(shù)次分裂后，細(xì)胞中的mtDNA達(dá)到純合型，即純質(zhì)性（homoplasmy）。純質(zhì)性是指一個(gè)細(xì)胞或組織中所有的線粒體DNA具有相同的基因型?；蛘叨际且吧托蛄?，或者都是攜帶一個(gè)基因突變的序列（圖6－4）。第57頁,共67頁，2024年2月25日，星期天圖6－4

mtDNA的復(fù)制分離

第58頁,共67頁，2024年2月25日，星期天4.閾值效應(yīng)

在雜質(zhì)性細(xì)胞中，突變型與野生型線粒體的比例確定了細(xì)胞是否能量短缺，即當(dāng)突變達(dá)到一定的比例時(shí)，才有受損表型出現(xiàn)。如果攜帶突變型線粒體數(shù)量很少，則產(chǎn)能不會(huì)受到明顯的影響。相反，在含有大量突變型線粒體基因組的組織細(xì)胞中，產(chǎn)生的能量可能不足以維持細(xì)胞的正常功能，這就會(huì)出現(xiàn)異常性狀，即線粒體病（圖6－5）。換句話說，對(duì)于線粒體病，存在著表型表達(dá)的閾值。這種線粒體基因突變產(chǎn)生有害影響的閾值明顯地依賴于特定細(xì)胞或組織對(duì)能量的需求。因此，那些高需能的組織，如腦、骨骼肌、心臟和肝，非常容易受到線粒體DNA突變的影響。第59頁,共67頁，2024年2月25日，星期天圖6－5

mtDNA的閾值效應(yīng)第60