基因的結構`功能與突變.ppt

1、基因的結構、功能與突變,The gene structure, function and mutation,1909年丹麥遺傳學家約翰遜（W.Johansen）在精密遺傳學原理一書中提出“基因”概念?！盎蛐汀?genotype)、“遺傳學”(genetics)等名詞由此派生而來的。 基因(gene) 具有特定功能的DNA片段，這些片段有的編碼蛋白質，有的編碼rRNA、tRNA，有的則是與復制、轉錄調控有關的DNA序列。,一、基因組的概念及其特點,（一）基因組的概念 基因組（genome）是生物體內遺傳信息的集合，是某個特定物種細胞內全部DNA分子的總和。,真核細胞常為二倍體（diploid）

2、，所以其基因組是指細胞中的單套染色體及其上的基因。 廣義的基因組包括細胞核基因組和細胞質基因組（線粒體基因組）。,1. 病毒基因組,乙型肝炎病毒（HBV）基因組(長約3.2kb ),2. 原核生物基因組,原核生物的染色體分子量較小，以E.coli為例，約為2.4109道爾頓，長度為42000 Kb左右，形態(tài)為閉合環(huán)狀，約編碼2000個基因，原核生物的DNA位于細胞的中央，稱為類核（nucleoid）。 細菌的染色體約有75%的DNA編碼基因，余下25%的DNA為基因間的DNA（intergenic DNA）。有一部分基因間的DNA是有重要功能的，如復制原點(origin of replicat

3、ion)，另一些基因間區(qū)域可能涉及到和DNA包裝蛋白的相互作用。,3. 真核生物基因組,（1) 真核生物基因組的特點 真核生物基因組DNA與蛋白質結合形成染色體，儲存于細胞核內 真核細胞基因轉錄產物為單順反子。一個結構基因經過轉錄和翻譯生成一個mRNA分子和一條多肽鏈。 單一序列為主，存在大量重復序列。,基因組中不編碼的區(qū)域多于編碼區(qū)域。 大部分基因含有內含子，因此，基因是不連續(xù)的。 遠遠大于原核生物的基因組，具有許多復制起點，而每個復制子的長度較短。 存在多基因家族和超基因家族。,2. 真核基因組中DNA序列的分類,We will now look at the various types

4、of repeated DNA. The basic facts are: They may be tandem (i.e. arranged in blocks) or interspersed (distributed all around the genome).- They may be coding or non-coding,- Copies may be perfect or imperfect,- Origin is via duplication, amplification and/or transposition of the prototype sequence.,Ty

5、pes of repeat, 衛(wèi)星DNA (Satellite DNA),高度重復序列,反向重復DNA,由兩個相同順序的互補拷貝在同一DNA鏈反向排列而成。 變性后再復性時，同一條鏈內的互補的拷貝可以形成鏈內 堿基配對，形成發(fā)夾式或“+”字形結構。 倒位重復沒有間隔者稱回文（palindrome）,回文結構(palindrome structure） 雙鏈DNA中的一段倒置重復序列，當該序列 的雙鏈被打開后，可形成局部“十”字形結構。這段序列 被稱為回文序列。 5CATTATATAAG3 3GTAATATATTC5 形成發(fā)夾結構,常見于基因的調控區(qū)和特異蛋白結合區(qū)。, 高度重復順序的功能,參與

6、復制水平的調節(jié)、基因表達的調控，有些反向重復順序可以形成發(fā)夾結構，這對穩(wěn)定RNA分子免遭分解有重要作用。,3. 存在多基因家族和超基因家族,（1）多基因家族（multigene family） 指由一個祖先基因(ancestral gene)經過重復和變異所產生的一組基因。 基因來源相同、結構相似、功能相關。基因家族的成員可以分布于幾條不同染色體上，也可集中于一條染色體上。如血紅蛋白基因家族。,包括兩類： 基因簇（gene cluster） 同一基因家族成簇地集中在彼此靠近成串排列在一起的串聯(lián)重復基因。如組蛋白基因家族就成簇地集中在第7號染色體長臂3區(qū)2帶到3區(qū)6帶區(qū)域內；, 一個基因家族的不

7、同成員成簇地分布不同染色體上，這些不同成員編碼一組功能上緊密相關的蛋白質，如珠蛋白基因家族。,（2）超基因家族（supergene family）由中等重復序列構成大的基因群，包含有幾百個功能相關的基因，緊密成簇狀排列。 （3）假基因（pseudogene) 在基因家族中，不能表達或表達的基因產物沒有活性稱為假基因。,二、真核生物的斷裂基因,（一）斷裂基因的概念及結構 斷裂基因（split gene） 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斷裂基因。,GC框：調節(jié)轉錄活動。,CAAT框,增強子,尾部區(qū),結構基因,轉錄單位,非編碼區(qū),調控 區(qū),外顯子：具有編碼意義,內含子：

8、無編碼意義（ 5GT、 3AG；GT -AG法則）,前導區(qū),啟動子,終止子,TATA框,mRNA裂解信號,回文結構,Interrupted gene,1. 外顯子和內含子 外顯子（exon） 斷裂基因中編碼序列稱為外顯子，它是基因中可表達為多肽的部分。 內含子（intron） 斷裂基因中的非編碼序列稱為內含子。,珠蛋白基因,2. 外顯子與內含子接頭“GTAG法則” 外顯子與內含子相連接的部位通常是一段高度保守的特定序列，即內含子5端都是GT開始，3端都是AG結尾，這種接頭方式稱為“GTAG法則”。 在RNA中對應為GUAG，是RNA剪接的信號。,（二）結構基因的側翼序列與調控序列,啟動子 增強

9、子 終止子,三、基因組中的轉座因子,轉座子（transposable element）基因組中存在的能夠自發(fā)地在基因組內移動，從染色體的一個區(qū)段轉移到另一區(qū)段或從一條染色體轉入另一條染色體的DNA片段。 轉座因子轉座后能夠改變轉座部位基因的結構和功能。,四、基因表達及其調控,基因表達（gene expression） 是DNA分子中蘊藏的遺傳信息，通過轉錄、翻譯形成蛋白質或轉錄形成RNA發(fā)揮功能的過程，即一些的傳遞過程。,基因的調控是指對基因的轉錄與翻譯的調節(jié)機制。 基因表達調控在多層次進行，表現出時空性。,（一）原核生物基因表達調控,1. 操縱子及與調節(jié)有關的基因 操縱子（operon） 編

10、碼功能上相關的蛋白質或酶的基因，與一個共同的調控順序相串聯(lián)，形成基因表達和調控的功能單位，它包括結構基因、操縱基因和啟動基因。,乳糖操縱子(lac operon)及其調節(jié)有關基因,（1）負性調節(jié),負調節(jié)蛋白（阻遏物）將基因關閉，使其不能轉錄的調節(jié)方式（沒有乳糖的情況下）。,沒有乳糖存在時,阻遏蛋白的負性調節(jié),（2）乳糖的誘導表達調節(jié),有乳糖存在時,誘導表達,(二）真核細胞基因表達的調控,1. 轉錄前的調控 2. 轉錄水平的調控 3. 轉錄后的調控 4. 翻譯水平的調控 5. 翻譯后的調控,指基因被激活和抑制的機理。 螺旋化程度低的常染色質可進行轉錄，螺旋化程度高的異染色質不轉錄。 組蛋白抑制D

11、NA的轉錄。 組蛋白轉位模型 真核生物基因調控系統(tǒng)模型,1. 轉錄前的調控,2. 轉錄水平的調控（transcriptional control）, RNA聚合酶與啟動子的結合對轉錄的啟動十分關鍵。 增強子能加強啟動效應。,3. 轉錄后的調控（post-transcriptional control）,核內異質RNA的加工效率及mRNA的穩(wěn)定性決定了轉錄后過程的特點。,4.翻譯水平的調控（translational control）,受核糖體的數量，mRNA的成熟度，起始因子（IF），延長因子（EF），釋放因子（RF）以及各種酶的影響。,5. 翻譯后的調控（post-translational

12、 modification）,翻譯初產物需經加工、修飾才具有活性，翻譯后的調控主要是指蛋白質的翻譯后修飾： 剪切 化學基團的修飾 酶原的激活,四、基因突變,（一）基因突變的基本概念 基因突變（gene mutation）是指基因的核苷酸序列發(fā)生改變，造成基因表達產物的變化，從而引起表型的改變。,生殖細胞突變 發(fā)生在生殖細胞中的基因突變，可通過有性生殖遺傳給后代，并存在于子代的每個細胞中。 體細胞突變 發(fā)生在體細胞中的基因突變，不會傳遞給子代，但可傳遞給由突變細胞分裂所形成的子細胞，在局部形成突變細胞群，它可能成為病變甚至癌變的基礎。,（二）基因突變的類型及其分子機制,1. 堿基替換（base

13、substitution） DNA分子中的一個堿基對被另一個堿基對所替代，也稱為點突變（point mutation）。,轉換（transition） 指一種嘌呤被另一種嘌呤所替代或一種嘧啶被另一種嘧啶所替代。 顛換（transversion） 是嘌呤和嘧啶堿基之間的替代。,堿基替換后可出現的效應： 同義突變（synonymous mutation） 錯義突變（missense mutation） 無義突變（nonsense mutation）,2. 堿基的插入與缺失,移碼突變（frame-shift mutation） 某些化合物與DNA結合后，可使DNA分子插入或缺失一個或幾個堿基對，使該

14、堿基對以下的讀碼順序發(fā)生移動，從而改變其遺傳信息。,3. 動態(tài)突變,又稱不穩(wěn)定三核苷酸重復序列突變。 基因的編碼區(qū)或非編碼區(qū)的三核苷酸重復序列,如(CAG),(CGG),拷貝數變化,超過了正常范圍。,（三）基因突變的效應,基因突變可造成蛋白質（包括酶蛋白）結構改變或活性降低，甚至缺乏，導致各種遺傳性疾病的發(fā)生。 （1）引起細胞中結構蛋白的改變 分子?。夯蛲粚е碌鞍踪|數量或結構的異常而產生的疾病稱為分子病。如鐮狀紅細胞性貧血,（2）引起遺傳性代謝病 遺傳性代謝?。ㄟz傳性酶?。夯蛲蛔儗е旅傅鞍捉Y構或數量的異常而引起的疾病稱為遺傳性代謝病。如苯丙酮尿癥、白化病等,（3）與腫瘤形成密切相關 目前

15、認為與癌癥發(fā)生直接相關的基因有癌基因（oncogene）及抑癌基因（tumor suppressor genes）。基因突變一方面可使原癌基因激活另一方面可使抑癌基因缺失或失活，這兩方面的變化都可導致細胞的惡性轉化。,（四）DNA損傷的修復,1. 切除修復 人類DNA損傷的主要修復方式。,2. 復制后修復（重組修復） 復制重組合成在連接酶的作用下，以磷酸二酯鍵使新片段與舊鏈相接完成修復過程。 特點：修復不徹底，但隨著DNA的多次復制，損傷逐漸被“稀釋”，使損傷的效應降低而近于正常。,Exercises,從分子水平講基因突變是怎樣產生的？ 為什么說基因突變是生物進化的動力，而大多數基因突變又是有害的？,Thank You !,啟動子（promoter） 是指位于