染色質(zhì)、染色體、基因和基因組.ppt

1、第2章 染色質(zhì)、染色體、基因和基因組,1,本章內(nèi)容,第一節(jié) 染色體和染色質(zhì) 第二節(jié) 基因 第三節(jié) 基因組,2,一、染色體和染色質(zhì)的形態(tài) 二、染色質(zhì)和染色體的化學(xué)成分及組成 三、染色質(zhì)和染色體的功能,第一節(jié) 染色體和染色質(zhì),3,一、染色體和染色質(zhì)的形態(tài),染色體和染色質(zhì)其實(shí)是同一種物質(zhì)的兩種形態(tài)。1882年由Flemming首先提出染色質(zhì)這一概念。 “染色體”用光學(xué)顯微鏡就可以清楚的觀察到。在細(xì)胞不進(jìn)行細(xì)胞分裂的時(shí)候，染色體呈現(xiàn)出松散堆積的形態(tài)，無法使用光學(xué)顯微鏡從細(xì)胞核中分辨出來，這時(shí)的染色體稱為“染色質(zhì)”。后來發(fā)現(xiàn)，原來細(xì)胞的遺傳信息就儲(chǔ)存在染色質(zhì)上，所以是細(xì)胞內(nèi)最為重要的東西。,4,染色體的

2、形態(tài),5,染色體，黃色為中心粒,6,真核生物染色體數(shù)目,7,染色質(zhì)有兩種不同的形態(tài)：常染色質(zhì)和異染色質(zhì),常染色質(zhì)是屬于松展?fàn)顟B(tài)的染色質(zhì)，其中的DNA在一定的條件下可以進(jìn)行活躍的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄，使用染料染色時(shí)著色較淺，又可以稱為功能性染色質(zhì)。,異染色質(zhì)與染料染色較深，其中的DNA處于不活躍不轉(zhuǎn)錄狀態(tài)，呈高度卷曲緊縮狀態(tài)，又稱為非功能性染色質(zhì)。,8,顏色深的部分為異染色質(zhì)部分，顏色淺的為常染色質(zhì)部分,9,有的染色質(zhì)為永久性染色質(zhì)，稱為組成性染色質(zhì)。雌性哺乳動(dòng)物細(xì)胞中兩條X染色體中的一條可以轉(zhuǎn)變?yōu)楫惾旧|(zhì)，其中只有非常少的基因表達(dá)。,X和Y染色體,10,(一) 染色質(zhì)的結(jié)構(gòu),使用一種特殊的技術(shù)，將染色體

3、中的DNA全部慢慢釋放出來。,11,組蛋白除去之后的染色體只由DNA和蛋白支架組成,12,至今為止，我們?nèi)祟悓?duì)染色體的結(jié)構(gòu)還沒有達(dá)到完全的了解，染色體組裝的許多細(xì)節(jié)還不清楚,染色質(zhì)是由DNA、RNA、組蛋白和非組蛋白等組成的高度有序的復(fù)合物。由于呈纖維狀，又叫染色質(zhì)絲，其基本組成單位是核小體。,13,（1）核小體 （nucleosome）,1974年 Olins 和Wood Cock等觀察到真核細(xì)胞間期染色質(zhì)經(jīng)過溫和處理，可以看到呈串念珠狀的結(jié)構(gòu)。每一個(gè)小顆粒叫做“核小體”。使用核酸酶可以將核小體分開。,核小體是染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位,14,電子顯微鏡照片-串念珠狀的結(jié)構(gòu)的染色質(zhì),15,電子顯微

4、鏡照片-串念珠狀的結(jié)構(gòu)的染色質(zhì),16,17,核小體的結(jié)構(gòu),中心是由8個(gè)蛋白質(zhì)分子構(gòu)成的核心結(jié)構(gòu)（八聚體），DNA就纏繞在蛋白質(zhì)外面。,纏繞在外面的DNA分子的長(zhǎng)度是146 bp，纏繞將近2圈（1.75圈）。,18,19,蛋白質(zhì)分子叫做組蛋白，8個(gè)蛋白質(zhì)分子可以分成4種，分別叫H2A、H2B、H3 和H4，各有2個(gè)分子。8個(gè)組蛋白分子排成2層。每層有4個(gè)組蛋白分子，各由一種組蛋白分子構(gòu)成。,20,在每一個(gè)核小體的外面還有一個(gè)組蛋白H1，與纏繞在核小體上DNA的兩端結(jié)合，起到封閉DNA的作用。,21,在核小體之間還有一段DNA分子，長(zhǎng)度在不同的物種有所差異。酵母中長(zhǎng)度為18 bp，是已知最短的連接

5、DNA；人類大約為60 bp。人的連接DNA加上核小體外面纏繞的DNA長(zhǎng)度一共大約為200 bp。,22,每個(gè)核小體單位包括200 bp左右的DNA，其中大約146 bp纏繞在組蛋白八聚體上面，其余的是位于相鄰的核小體之間的連接DNA；此外，在DNA分子的外面還有一個(gè)組蛋白分子H1，起到封閉DNA兩端的作用。核小體外形呈念珠狀。直徑11 nm左右,核小體核心顆粒僅指組蛋白八聚體與外面纏繞的DNA所構(gòu)成的單位，不包括H1和連接DNA。,23,（2）螺線體（管）,是在核小體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步緊縮而成的一種結(jié)構(gòu)。主要依靠組蛋白H1的相互作用將核小體之間連接起來，形成直徑為30 nm左右的螺線體（管）

6、結(jié)構(gòu)。這是在電鏡下最常看到的結(jié)構(gòu)，呈纖維狀。,24,25,螺線體的橫切面圖，一般每一圈有6個(gè)核小體，呈左手螺旋。,26,顯微鏡下常見的染色體結(jié)構(gòu)就是由螺線體組成的直徑30nm結(jié)構(gòu),27,（3）超螺線體（super solenoid）,直徑30 nm的螺線體進(jìn)一步螺旋形成直徑為400 nm的圓桶狀結(jié)構(gòu)，叫做超螺線體。這種超螺線體再進(jìn)一步螺旋化并盤繞、壓縮。就形成中期染色體的形態(tài)。,中期染色體,28,29,30,在這個(gè)過程中，DNA分子被高度壓縮，最后的壓縮比大約有8400倍，甚至更多。,可將染色質(zhì)分為幾個(gè)層次的結(jié)構(gòu)： 一級(jí)結(jié)構(gòu)：核小體結(jié)構(gòu)，直徑11nm 二級(jí)結(jié)構(gòu)：螺線體（管）結(jié)構(gòu)，直徑30nm

7、三級(jí)結(jié)構(gòu)：超螺線體結(jié)構(gòu)，直徑200-400nm 四級(jí)結(jié)構(gòu)：細(xì)胞中期染色體單體結(jié)構(gòu),31,一級(jí)結(jié)構(gòu)：核小體結(jié)構(gòu)， 二級(jí)結(jié)構(gòu)：螺線體（管）結(jié)構(gòu) 三級(jí)結(jié)構(gòu)：超螺線體結(jié)構(gòu) 四級(jí)結(jié)構(gòu)：細(xì)胞中期染色體單體結(jié)構(gòu),32,大腸桿菌的染色體結(jié)構(gòu),33,染色體的組成結(jié)構(gòu),34,動(dòng)畫：染色體的結(jié)構(gòu)和組裝* 染色質(zhì)和染色體,35,(二) 中期染色質(zhì)的形態(tài)結(jié)構(gòu),細(xì)胞分裂到中期時(shí)，染色體緊縮成在光鏡下清晰可見的染色體，這時(shí)染色質(zhì)的擰縮到達(dá)頂點(diǎn)，輪廓最為清楚，最有利于觀察分析。一般可以看到以下的結(jié)構(gòu)：,染色單體、著絲粒（主縊痕）、副縊痕、核仁組織區(qū)、隨體、端粒等。,36,中期染色體形態(tài),37,（1）染色單體：中期染色體由兩條

8、染色單體組成，在著絲粒處連接。,（2）著絲粒（主縊痕）：細(xì)胞有絲分裂時(shí)紡錘絲附著的部位,（3）副縊痕：著絲粒以外的縊痕，每種生物的染色體組中至少有一條或一對(duì)染色體上有副縊痕。有的副縊痕可以形成核仁組織區(qū)。,38,（4）核仁組織區(qū)：在染色體的一端的縊痕，叫核仁組織區(qū)，此處進(jìn)行rRNA的合成，與核仁的形成有關(guān)，故名。有核仁組織區(qū)的染色體叫做核仁組織染色體。,（5）隨體：染色體末端部分的球形或圓柱形的片段結(jié)構(gòu)，通過副縊痕與染色體的主要部分相連。是識(shí)別染色體的重要特征之一。又有中間隨體和端隨體之分。,（6）端粒：染色體末端的特化部分，由端粒DNA和端粒蛋白組成，可以維持染色體的穩(wěn)定。,39,染色體DN

9、A的關(guān)鍵序列：,酵母人工染色體 （Yeast Artificial Chromosome） 細(xì)菌人工染色體 (Bacteria Artificial Chromosome ),（1）自主復(fù)制序列 （2）著絲粒DNA序列 （3）端粒DNA序列,40,(三) 染色體末端的端粒和端粒酶,線性染色體的末端不是開放松散的形態(tài)，而是有一種特殊的結(jié)構(gòu)，稱為端粒(telomere),它(1)保持染色體末端結(jié)構(gòu)的完整，防止染色體末端的降解、融合和缺失；(2)穩(wěn)定和保護(hù)染色體的完整性，保證遺傳信息的完整性；(3)指導(dǎo)染色體和核膜連接；(4)端粒的長(zhǎng)度反應(yīng)細(xì)胞的分裂能力。,41,端粒的組成,端粒實(shí)際上是一個(gè)復(fù)合體，

10、由端粒DNA和端粒結(jié)合蛋白組成。,端粒DNA是富含G的重復(fù)序列，如脊椎動(dòng)物的端粒DNA序列是(TTAGGG)n。端粒結(jié)合蛋白提供帽子狀結(jié)構(gòu)以穩(wěn)定端粒。,42,因?yàn)镈NA聚合酶的特點(diǎn)所致，線性染色體在復(fù)制時(shí)末端總是有一段DNA無法復(fù)制，導(dǎo)致新的染色體長(zhǎng)度有所縮短。,端粒長(zhǎng)度的維持有2條途徑，通過端粒酶或非端粒酶途徑。,43,端粒酶由RNA和蛋白質(zhì)組成，其中的RNA是合成端粒RNA 的模板，具有催化功能(核酶)。而其中的蛋白質(zhì)亞基可能具有反轉(zhuǎn)錄酶的功能。所以端粒酶被認(rèn)為是一個(gè)具有RNA模板的反轉(zhuǎn)錄酶。,44,端粒酶與染色體結(jié)構(gòu)的完整性有關(guān)，在正常情況下，體細(xì)胞中端粒酶的活性較低，生殖細(xì)胞中端粒酶的

11、活性較高；而在一些惡性腫瘤細(xì)胞中也發(fā)現(xiàn)具有較高的端粒酶活性，有人就將腫瘤細(xì)胞中的端粒酶作為抑制腫瘤生長(zhǎng)的藥物靶點(diǎn)。,45,二、染色質(zhì)和染色體的化學(xué)成分及組成,染色質(zhì)由DNA、RNA、組蛋白和非組蛋白等組成。,46,（一）DNA,DNA是染色體的最重要和最主要的成分。染色體中的DNA根據(jù)其復(fù)性動(dòng)力學(xué)研究，可以分為以下幾種類型：,1 非重復(fù)序列（單一序列）：,2 輕度重復(fù)序列,3 中等重復(fù)序列,4 高度重復(fù)序列,47,在基因組中只有一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)拷貝，占基因組總量的40%-80%。例如牛細(xì)胞中占55%，小鼠中占70%，果蠅中占79%。,1 非重復(fù)序列（單一序列）,一般來說，原核生物的染色體中，這種

12、非重復(fù)序列（單一序列）所占比例較真核生物大。大腸桿菌中幾乎所有的基因都是單一序列。,一般結(jié)構(gòu)基因大多屬于單一序列的基因。,48,一個(gè)基因組中含有少數(shù)低于10個(gè)拷貝的基因序列。但是這些重復(fù)序列并不是完全相同的重復(fù)，他們之間總有一些差異。有人將這類基因也歸入非重復(fù)序列（單一序列）中。,2 輕度重復(fù)序列,49,基因組中有10到幾百到幾千個(gè)拷貝的基因序列。占基因組DNA的10%-40%。如小鼠占20%，果蠅占15%。,3 中等重復(fù)序列,各種rRNA、tRNA基因以及某些結(jié)構(gòu)基因如組蛋白基因?qū)儆谥械戎貜?fù)序列。,50,一般認(rèn)為中等重復(fù)序列在基因轉(zhuǎn)錄開始或終止、DNA復(fù)制以及細(xì)胞內(nèi)hnRNA的后處理方面等有

13、重要作用，一般不編碼蛋白質(zhì)。,中等重復(fù)序列平均長(zhǎng)度為300 bp左右，重復(fù)幾百次，稱為基因家族。如人基因組中的Alu基因家族就是中等重復(fù)序列，占整個(gè)基因組長(zhǎng)度的3%到6%之多。,51,4 高度重復(fù)序列,目前僅在真核生物中發(fā)現(xiàn),占基因組DNA總數(shù)的10%-60%,一般是一個(gè)短小的序列,由6-100個(gè)堿基組成,但是重復(fù)幾萬次或幾百萬次更多。,如基因組中的衛(wèi)星DNA、微衛(wèi)星DNA等均是由一些短小的DNA序列多次重復(fù)組成。,52,實(shí)驗(yàn)證明，這些衛(wèi)星DNA位于染色體的著絲粒部分，有一部分在染色體的臂上。衛(wèi)星DNA一般不轉(zhuǎn)錄，是異染色質(zhì)的組成成分，可能與染色體的穩(wěn)定有關(guān)，詳細(xì)的功能未知。,53,DNA指紋

14、技術(shù)（親子鑒定）,可以用來鑒定人類之間親源關(guān)系的DNA指紋技術(shù)（親子鑒定）就是利用的小衛(wèi)星DNA的重復(fù)序列。,因?yàn)橐恍┬l(wèi)星DNA序列的排列中拷貝數(shù)是高度可變的，在不同的個(gè)體中差異極大，表現(xiàn)出基因的多態(tài)性。,通過酶切、Southern雜交，可以確定幾個(gè)不同的衛(wèi)星DNA排列組中DNA的精確長(zhǎng)度，從而鑒別一個(gè)個(gè)體。,54,（二）組蛋白,細(xì)胞內(nèi)染色體上的組蛋白含量非常豐富，和DNA等量，比例是1：1。,組蛋白共有5類或5個(gè)家族，其中H2A、H2B、H3 和H4各2個(gè)分子組成核心核小體；H1位于DNA分子的外面，起著“封口”的作用。,組蛋白帶有大量的正電荷，序列中20%到30%由堿性氨基酸組成，這樣可以

15、和DNA分子表面的負(fù)電荷結(jié)合，對(duì)于穩(wěn)定DNA分子起重要作用。,55,染色體中的主要組蛋白性質(zhì)比較,56,同一類的組蛋白在不同的物種中非常保守，無組織特異性，例如植物和動(dòng)物之間的組蛋白差異很小。這說明組蛋白對(duì)于染色體結(jié)構(gòu)的重要性。,57,組蛋白H1在某些性質(zhì)方面與其他的組蛋白有所不同。分子量較大，在不同的物種之間的差異較其他的組蛋白要大，比其他的組蛋白容易失活。在含量方面H1是其他幾類組蛋白含量的一半左右。這些說明H1在染色體中具有特殊的獨(dú)特的功能。,58,有一些物種中（鳥類、魚類和兩棲類紅細(xì)胞）沒有H1而有另外一種組蛋白，叫做H5，與染色質(zhì)緊密結(jié)合，與不進(jìn)行轉(zhuǎn)錄的DNA相連。,59,組蛋白上的

16、一些特定的氨基酸能夠進(jìn)行一些化學(xué)修飾，例如磷酸化（絲氨酸的羥基和組氨酸）、乙?；ㄙ嚢彼岬牡淖杂砂被⒓谆ㄙ嚢彼岬牡淖杂砂被途彼?、組氨酸等）等。,60,組蛋白的修飾,61,組蛋白化學(xué)修飾的結(jié)果就是降低了組蛋白的正電荷數(shù)，與組蛋白的功能改變有關(guān)。各種組蛋白發(fā)生化學(xué)修飾的時(shí)間不一致，而且發(fā)生在細(xì)胞周期的某一階段中，可能與細(xì)胞分裂、染色質(zhì)的濃縮等有關(guān)。,62,DNA一般情況下與組蛋白組成的核小體結(jié)合，如果組蛋白發(fā)生修飾而導(dǎo)致電荷減少，則DNA與核小體的結(jié)合力就會(huì)減弱，DNA就會(huì)從核小體上釋放出來，從而開啟基因的轉(zhuǎn)錄復(fù)制等過程。,因此組蛋白的修飾與基因的表達(dá)有關(guān),63,（三）非組蛋白,染色

17、體上還含有一些非組蛋白蛋白質(zhì)，含有酸性氨基酸較多，帶負(fù)電荷，故又稱為酸性蛋白質(zhì)，,非組蛋白占總蛋白量的60%-70%，大約有20-100種之多，分子量在15000 到180000 之間。,非組蛋白的含量很少，每一種僅有1萬個(gè)分子左右，而每一種組蛋白具有6000 萬個(gè)分子。,64,非組蛋白具有組織特異性和種屬特異性，而且含量隨著外界環(huán)境改變而變化。其中包括酶（如RNA聚合酶）以及與結(jié)構(gòu)蛋白如細(xì)胞分裂有關(guān)的收縮蛋白、骨架蛋白、核孔復(fù)合物以及肌動(dòng)蛋白、肌球蛋白、微管蛋白、原肌蛋白等。,65,非組蛋白與DNA的結(jié)合方式與組蛋白不同，它可以從DNA的大小溝中識(shí)別出特定的堿基序列與之結(jié)合，故這些非組蛋白又

18、被稱為序列特異性DNA結(jié)合蛋白。,66,非組蛋白的功能可能是 （1）參與染色體的構(gòu)建 （2）啟動(dòng)基因的復(fù)制 （3）調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄等。,67,非組蛋白中的氨基酸可以進(jìn)行磷酸化，且磷酸化的程度也非常高。大約平均每100個(gè)氨基酸中就有幾個(gè)磷酸化位點(diǎn)。磷酸化可能與基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)。,68,染色體上的RNA有一些人認(rèn)為是DNA轉(zhuǎn)錄后所形成的mRNA，也有人認(rèn)為有一些RNA結(jié)合在組蛋白上面，對(duì)基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)有調(diào)節(jié)作用。,（四）RNA,69,（五）酶,其實(shí)在染色體上發(fā)現(xiàn)的酶并不是染色體的組成成分，而是那些以染色體為底物的酶。如DNA聚合酶、RNA聚合酶以及對(duì)DNA進(jìn)行修復(fù)、修飾的酶等等，在分離染色體時(shí)被一同

19、提取出來了。,70,三、染色質(zhì)和染色體的功能,染色質(zhì)是遺傳物質(zhì)的載體，儲(chǔ)存重要的遺傳信息。生物的遺傳信息從DNA流向RNA，再流向蛋白質(zhì)，這就是中心法則。,71,如果染色體發(fā)生突變，則細(xì)胞的生物學(xué)功能會(huì)受到影響，甚至死亡。,染色體的改變,72,染色體數(shù)目的變化舉例,73,人的Down氏綜合癥是21號(hào)染色體三體所致。,Edward綜合癥是18號(hào)染色體三體。 Patau綜合癥是13號(hào)染色體三體。,74,一些性染色體的非整數(shù)倍變化 單體X （特納氏綜合癥） 三體X（XXX綜合癥） 多體X和Y 二體Y （超雄綜合癥）：身材高，有暴力和反社會(huì)傾向？,許多突變導(dǎo)致胎兒死亡，表現(xiàn)為流產(chǎn)，所以無法存活。,75

20、,Turner syndrome (XO),76,一、基因的生物學(xué)定義 二、基因的分子生物學(xué)定義 三、原核生物基因特征 四、真核生物基因特征 五、細(xì)胞器基因 六、亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)基因特征 七、基因與順反子的關(guān)系 八、癌基因與抑癌基因,第二節(jié) 基因,77,一、基因的生物學(xué)定義,基因最早一詞是在1909年為Wilhelm Johansen 采用來描述傳遞和表達(dá)特定的生物性狀的可遺傳因子，并沒有涉及到任何特殊的遺傳理論?；蜻@個(gè)詞最初的含義中并不包含特殊的遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)，純粹是作為一個(gè)抽象的名詞使用的，因?yàn)楫?dāng)時(shí)根本不知道“基因”是什么東西。,78,20世紀(jì)前半葉，幾個(gè)獨(dú)立的工作導(dǎo)出了基因物理和功能基礎(chǔ)的更為

21、精確的概念。,1902年Archibald Garrod提出，代謝紊亂中的尿黑酸癥是由于某一種特殊的酶的失活引起的，并且以常染色體隱性遺傳方式傳代。Garrod并將這種現(xiàn)象稱為“先天性代謝缺陷”。,79,射線誘導(dǎo)的真菌突變導(dǎo)致特定的生化缺陷才被認(rèn)識(shí)，并提出一個(gè)基因一個(gè)酶的理論。,由于Garrod不熟悉孟得爾的遺傳，這個(gè)發(fā)現(xiàn)的重要性一直到30年后George Beadle 和Edward Tatam 發(fā)現(xiàn)了用X,80,1911年 Thomas Hunt Morgan指出基因定位在染色體上并且在物理上相連。,1944年Oswald Avery和同事通過實(shí)驗(yàn)證明，DNA就是遺傳物質(zhì)，這樣便勾勒出基因

22、概念的輪廓，即位于染色體上的一段DNA，它可以編碼一個(gè)酶。,81,后來，隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)基因的概念又有了新的認(rèn)識(shí)。,發(fā)現(xiàn)有的基因不是編碼蛋白質(zhì)，而是編碼功能性的RNA分子；,一些基因編碼具有不同功能的肽鏈；,在一些病毒中基因還可以是RNA分子；,一個(gè)基因中的信息可以經(jīng)過加工而被產(chǎn)生一種以上的產(chǎn)物；,82,現(xiàn)在已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，一個(gè)基因可以影響到生物的多個(gè)性狀（基因多效性），多個(gè)基因可以相互合作而控制同一個(gè)性狀。,因此，現(xiàn)在可以比以前更加精確地從功能和結(jié)構(gòu)方面來定義基因這個(gè)概念了，但是這個(gè)定義在真核和原核中將有所差異。,83,現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)基因的形式遠(yuǎn)比原來想像的要復(fù)雜，如出現(xiàn)了重疊基因、斷裂基

23、因、復(fù)等位基因以及假基因等多種形式，極大的豐富了基因的內(nèi)涵，也導(dǎo)致精確給基因下定義是比較困難的了。,84,重疊基因是發(fā)現(xiàn)在病毒中的一種基因形式，主要有幾種重疊的方式：一個(gè)基因全部位于另外一個(gè)基因內(nèi)部；部分基因序列重疊；只有一個(gè)核苷酸重疊。,85,病毒基因組中重疊基因,86,噬菌體X174具有重疊基因,87,斷裂基因(split gene)是真核細(xì)胞基因存在的一種常見方式，1977年科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)真核中許多編碼蛋白質(zhì)的基因DNA序列被很多雖轉(zhuǎn)錄但不翻譯的序列所隔開。這些轉(zhuǎn)錄后又被除去的DNA序列稱為內(nèi)含子(intron)，而最終參與編碼多肽鏈的DNA序列稱為外顯子(exon)。,88,真核細(xì)胞的基

24、因大多含有內(nèi)含子，且數(shù)目長(zhǎng)度不等，變化很大。另外，一個(gè)基因被轉(zhuǎn)錄出來后，在隨后的加工過程中，會(huì)采取不同的剪接方式，而最終形成多種形式的mRNA，翻譯成不同的蛋白質(zhì)分子。在這些對(duì)內(nèi)含子的剪接過程中，一種剪接方式中的內(nèi)含子可能是另外一種剪接方式中的外顯子，所以內(nèi)含子是相對(duì)的。,89,雖然內(nèi)含子不參與最后蛋白質(zhì)分子的編碼，但是不是沒有任何意義的，對(duì)于蛋白質(zhì)的正確產(chǎn)生還有重大意義；如有的內(nèi)含子編碼內(nèi)切酶，可以對(duì)內(nèi)含子進(jìn)行正確的剪切等。,90,復(fù)等位基因 一個(gè)基因的形式是多種多樣的，對(duì)于一個(gè)二倍體的生物來說，某種基因只能有2種形式(即含有1對(duì)等位基因)；而從一個(gè)生物群體中來看，某種基因座上的所有基因形式

25、的數(shù)量是非常大的。在一個(gè)群體內(nèi)，同源染色體的某個(gè)相同座位上的等位基因超過2個(gè)以上時(shí)，就稱作復(fù)等位基因。,91,人的血型系統(tǒng)共發(fā)現(xiàn)有24種，最常見的是ABO型系統(tǒng)。ABO型系統(tǒng)就是由3種復(fù)等位基因控制的，分別稱為IA、IB和i控制。,92,另外，組織相容性抗原(MHC)基因也是含有多種基因的復(fù)等位基因。,93,1978年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一些DNA序列與基因序列類似，但是又不完全相同，由于缺少一些序列，導(dǎo)致這些基因不能被轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后無法被翻譯，或翻譯成沒有生理功能的多肽。這樣的DNA序列稱為假基因。,94,細(xì)胞中存在大量的假基因，有的是由于基因突變產(chǎn)生的，這種假基因含有與正常基因類似的內(nèi)含子和外顯子等結(jié)

26、構(gòu)；第二種是不含有內(nèi)含子的假基因，可能是加工后的基因RNA被反轉(zhuǎn)錄后，又被插到基因組中的某個(gè)地方而形成的，這種假基因稱為“加工假基因”。,95,二、基因的分子生物學(xué)定義,隨著我們對(duì)基因認(rèn)識(shí)的逐步加深，我們發(fā)現(xiàn)基因的概念是個(gè)動(dòng)態(tài)的，僅使用一句話來給基因下定義是非常困難的。,96,使用分子生物學(xué)的術(shù)語給基因下的定義是這樣的：基因是遺傳的基本單位，是有一定長(zhǎng)度的DNA或RNA片段，產(chǎn)物是蛋白質(zhì)或RNA分子?；虿粌H包含編碼多肽鏈或RNA的核酸編碼序列(ORF)，也包含為保證該編碼序列轉(zhuǎn)錄所必須的調(diào)控序列。調(diào)控序列包含有位于編碼區(qū)前端的前導(dǎo)區(qū)，編碼區(qū)后端的尾部區(qū)以及插在編碼區(qū)中間的內(nèi)含子等。,97,這

27、個(gè)概念也不是終極概念，隨著我們對(duì)基因認(rèn)識(shí)的再次深入，將來這個(gè)概念一定還會(huì)改變的。,98,三、原核生物基因特征,以大腸桿菌為例，說明原核生物基因的特征。,大腸桿菌的DNA長(zhǎng)度為4.6X106 個(gè)堿基對(duì)，存在于一個(gè)單一閉環(huán)的DNA分子上，并且存在于一個(gè)稱為擬核的區(qū)域內(nèi)。,在正常細(xì)胞生長(zhǎng)時(shí)，DNA保持復(fù)制能力，在生長(zhǎng)速率達(dá)到最大時(shí)，平均每一個(gè)細(xì)胞中含有基因組的2個(gè)以上的拷貝。,99,大腸桿菌的DNA與RNA、蛋白質(zhì)結(jié)合在一起，形成的復(fù)合物也被叫做染色體。,由50-100個(gè)環(huán)(或結(jié)構(gòu)域)組成，這些環(huán)(或結(jié)構(gòu)域)的末端與細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)相連而被固定。,100,大腸桿菌的染色體呈負(fù)超螺旋狀態(tài)存在,其中的蛋

28、白質(zhì)與真核染色體中的組蛋白不同，而是另外一種叫做HU的蛋白質(zhì)，又叫“類組蛋白”，以及一種分子量比較小的堿性二聚體蛋白。這些蛋白質(zhì)對(duì)于細(xì)菌DNA的壓縮、包裝進(jìn)入擬核以及染色體的穩(wěn)定非常重要。雖然沒有發(fā)現(xiàn)類似核小體的結(jié)構(gòu)，但是擬核的結(jié)構(gòu)也是非常復(fù)雜的。,101,質(zhì)粒是細(xì)菌染色體DNA的補(bǔ)充。大腸桿菌的DNA分子包含大約4300個(gè)基因，其中許多基因已經(jīng)被定位。大腸桿菌的全基因組序列已經(jīng)被測(cè)定完畢。,絕大部分細(xì)菌基因都存在于染色體上，少數(shù)存在于一種叫做質(zhì)粒的小環(huán)狀DNA分子上。,102,基因組測(cè)序表明，在寄生類細(xì)菌中基因的數(shù)目在5001200個(gè)，自由生活的細(xì)菌中基因的數(shù)目為1500-7500 ，古細(xì)菌

29、中基因數(shù)目為1500-2700。,103,原核細(xì)胞的基因特征：,1 功能相關(guān)的基因一般高度集中，組成操縱子的形式。同一個(gè)操縱子中的基因共同轉(zhuǎn)錄成一個(gè)多順反子。,104,2 編碼蛋白質(zhì)的基因是單拷貝基因。,3 RNA基因多是多拷貝基因。,4 絕大多數(shù)的基因是連續(xù)的，結(jié)構(gòu)基因之間少有居間序列。細(xì)菌中的75%DNA是用來編碼基因的，另外的25%是基因間DNA，與染色體的復(fù)制、染色體DNA的包裝等有關(guān)。,105,5 基因DNA序列中幾乎沒有或很少內(nèi)含子,6 基因組中重復(fù)序列少。,7 單個(gè)染色體成環(huán)狀。,8 幾乎所有的細(xì)菌都有染色體外的基因，存在于質(zhì)粒中，是對(duì)染色體基因的補(bǔ)充,106,1 真核細(xì)胞基因轉(zhuǎn)

30、錄產(chǎn)物為單順反子。而原核細(xì)胞多為多順反子。,四、真核生物基因的特征,107,2 存在重復(fù)序列，重復(fù)次數(shù)可達(dá)百萬次以上,3 基因組中不編碼的區(qū)域多于編碼區(qū)域。,4 多數(shù)基因含有內(nèi)含子，是斷裂基因， DNA中的內(nèi)含子在轉(zhuǎn)錄后要被除去。,5 基因組中有基因家族存在。,108,（1）斷裂基因(割裂基因,split gene),斷裂基因是指基因的編碼序列在DNA分子上不是連續(xù)的，而是被不編碼的序列所隔開，其中編碼的序列叫做外顯子(exon)，不編碼的序列叫做內(nèi)含子（intron）。,109,1977年10-12月,3個(gè)實(shí)驗(yàn)室同時(shí)報(bào)道有斷裂基因的存在。他們發(fā)現(xiàn)老鼠的-珠蛋白基因、雞的卵清蛋白基因和兔子中的

31、-珠蛋白基因的DNA與mRNA不一致的情況。,110,最初是通過電子顯微鏡觀察到的，后來通過比較序列發(fā)現(xiàn)。很快，許多實(shí)驗(yàn)室宣布也發(fā)現(xiàn)斷裂基因，證明斷裂基因的廣泛存在。,111,112,113,不僅在編碼蛋白質(zhì)的基因中發(fā)現(xiàn)有內(nèi)含子,在rRNA和tRNA基因中也有。,在細(xì)菌和噬菌體中也發(fā)現(xiàn)有內(nèi)含子的存在。酵母中基因大部分沒有內(nèi)含子。真核基因大多數(shù)有內(nèi)含子，有一些基因如組蛋白、干擾素基因等沒有內(nèi)含子。但是真細(xì)菌中沒有發(fā)現(xiàn)有內(nèi)含子。,114,Phillip A. Sharp,USA,Richard J. Roberts,UK,他們獲1993年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng),115,內(nèi)含子在轉(zhuǎn)錄后的加工過程中被切除，功能

32、相似的基因含有的內(nèi)含子的數(shù)目和位置也類似。,內(nèi)含子雖然不編碼最后的產(chǎn)物，但是如果沒有內(nèi)含子則基因不能正確剪切，所以內(nèi)含子決不是可有可無的東西，或是沒用的東西。,116,近來發(fā)現(xiàn)，內(nèi)含子和外顯子的概念是相對(duì)的,選擇性剪接（alternative splicing）,一個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物在不同的發(fā)育階段、分化細(xì)胞和生理狀態(tài)下，通過不同的拼接方式，可以得到不同的mRNA和翻譯產(chǎn)物，稱為選擇性剪接(alternative splicing)。所產(chǎn)生的多個(gè)蛋白質(zhì)稱為同源體(isoform)。,117,如原肌球蛋白基因可得到10個(gè)不同蛋白質(zhì)產(chǎn)物。肌鈣蛋白可產(chǎn)生64個(gè)蛋白質(zhì)同源體。果蠅的性分化是由一系列基因產(chǎn)

33、物相互作用的結(jié)果，通過關(guān)鍵基因轉(zhuǎn)錄物的選擇性拼接決定了雄性和雌性的差別。選擇性拼接廣泛存在，在基因表達(dá)的調(diào)節(jié)控制中起了十分重要的作用。,目前發(fā)現(xiàn)在真核生物中這種剪接機(jī)制廣泛存在。,118,選擇性剪接,119,（2） 基因組中含有許多來源相同、結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的基因，它們被稱為基因家族。,一類是編碼蛋白質(zhì)的基因家族，另一類是編碼RNA的基因家族?；蚣易宓母鱾€(gè)成員中，有的成簇排列在一起，有的在染色體上分散排列。其中有的家族成員已經(jīng)不能再產(chǎn)生有功能的產(chǎn)物，這樣的基因成員叫做“假基因”。,120,由基因家族和單基因組成的較大的基因家族被稱為超基因家族(supergene family)，在超基因家

34、族中，各個(gè)成員之間的結(jié)構(gòu)有不等的同源性，雖然他們起源于共同的祖先基因，但是他們的功能已經(jīng)發(fā)生了較大的改變，各不相同了。,121,低等生物中的rRNA基因中，28S、18S、5.8S和5S rRNA基因都是串聯(lián)重復(fù)的基因家族。高等真核生物中，28S、18S、5.8S的rRNA基因是串聯(lián)排在一起成一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，然后這個(gè)轉(zhuǎn)錄單位再重復(fù)排列成基因簇，每個(gè)轉(zhuǎn)錄單位之間有間隔區(qū)分開。這些真核rRNA基因均重復(fù)100次以上。,（a）串聯(lián)重復(fù)的基因家族,122,同種的tRNA基因也是串聯(lián)在一起形成一個(gè)基因簇，每個(gè)基因之間有非轉(zhuǎn)錄區(qū)隔開，有的基因有內(nèi)含子,123,串聯(lián)重復(fù)的組蛋白基因家族,124,（b）分散重復(fù)

35、的基因家族,珠蛋白基因由2個(gè)基因家族構(gòu)成,和類,分布在不同的染色體上。人類的類基因簇分布在第16號(hào)染色體上，由5個(gè)基因組成基因簇，基因簇總長(zhǎng)度24 kb；類基因在第11號(hào)染色體上，由5個(gè)有功能的基因和一個(gè)假基因組成基因簇，基因簇總長(zhǎng)度60 kb。,125,人的生長(zhǎng)激素基因家族有3種：人胎盤促乳素、人生長(zhǎng)激素和催乳素，其中人胎盤促乳素、人生長(zhǎng)激素排列在第17號(hào)染色體上，催乳素基因位于第6號(hào)染色體上。,126,（3） 基因組中有大量的重復(fù)序列,a 非重復(fù)序列（單一序列）：,b 輕度重復(fù)序列,c 中等重復(fù)序列,d 高度重復(fù)序列,根據(jù)序列重復(fù)的次數(shù)不同，重復(fù)序列可以分為幾種：,127,a 非重復(fù)序列（

36、單一序列）：,基因在基因組中只有一個(gè)或幾個(gè)拷貝，真核細(xì)胞中占40%-70%。真核細(xì)胞的大多數(shù)基因是單拷貝的，但是單一序列中只有百分之幾的序列是編碼基因的。而原核基因組中，大多數(shù)的單一序列是編碼基因的。,128,b 輕度重復(fù)序列,基因在整個(gè)基因組中的拷貝數(shù)在2-10之間，有的人將其歸入單拷貝序列中。如酵母的tRNA基因、人和小鼠的珠蛋白基因等。,129,c 中等重復(fù)序列,是指長(zhǎng)度在300 bp左右在基因組中約有10到幾千個(gè)拷貝的序列，例如rRNA和tRNA基因。,130,有2個(gè)概念用來描述這種中等重復(fù)序列的：,基因簇：是指一組相同或相關(guān)的基因排列在一起而形成的結(jié)構(gòu)。,基因家族：是指由一個(gè)祖先基因

37、經(jīng)過重復(fù)和變異所產(chǎn)生的一組同源基因。,131,不同的基因家族中成員的數(shù)目不等，功能也各異?；蚣易宓某蓡T有的位于同一條染色體上，串聯(lián)在一起，而有的分散在不同的染色體上。,如果有的成員因?yàn)樽儺惗チ嗽械墓δ?，或不能再進(jìn)行表達(dá)形成有功能的產(chǎn)物，則稱為假基因。,132,人類的Alu家族 小鼠的B序列,在人基因組中Alu基因家族是一個(gè)中等重復(fù)序列，長(zhǎng)度在300bp左右，單倍體基因組中有30萬份，分散在各染色體上。,在170 bp處有一個(gè)限制性酶切位點(diǎn)Alu?；蚪M中平均每5 kb出現(xiàn)一次Alu序列，因此在基因的內(nèi)含子以及基因附近的序列中有許多。,133,Alu家族的每一個(gè)成員都很相似，由130 b

38、p的串聯(lián)重復(fù)組成，常見的是二聚體形式，在右半部分的中部有一個(gè)31 bp的無關(guān)序列插在中間。這個(gè)插入序列（IS）來自7SL（是信號(hào)識(shí)別蛋白SRP的一個(gè)成分）。,31 bp IS,134,Alu家族的廣泛存在說明其可能具有某種功能，但是目前還不十分了解。,135,在小鼠體中有一種和Alu序列同源的序列叫做B1家族，約有5萬個(gè)成員。重復(fù)單位為130 bp，相當(dāng)于Alu序列的一個(gè)單體，和Alu序列的同源性為70%-80%。,136,Kpn家族是中度重復(fù)順序中僅次于Alu家族的第二大家族。用限制性內(nèi)切酶Kpn消化人類及其它靈長(zhǎng)類動(dòng)物的DNA，在電泳譜上可以看到4個(gè)不同長(zhǎng)度的片段，分別為1.2,1.5,1

39、.8和1.9kb，這就是所謂的Kpn家族。Kpn家族成員順序比Alu家族更長(zhǎng)（如人Kpn順序長(zhǎng)6.4kb），而且更加不均一，呈散在分布，屬于中度重復(fù)順序的長(zhǎng)分散序列。 Kpn家族的拷貝數(shù)約為30004800個(gè)，占人體基因組的1 。,137,Hinf家族：這一家族以319bp長(zhǎng)度的串聯(lián)重復(fù)存在于人體基因組中。用限制性內(nèi)切酶Hinf消化人體DNA，可以分離到這一片段。Hinf家族在單位基因組內(nèi)約有50100個(gè)拷貝，分散在不同的區(qū)域。319bp單位可以再分成兩個(gè)亞單位，分別為172bp和147bp,它們之間有70%的同源性。,138,d 高度重復(fù)序列,高度重復(fù)是一種簡(jiǎn)單的重復(fù)序列，有的重復(fù)單位不超過

40、6 bp，但是重復(fù)的次數(shù)可以達(dá)到幾十萬次之多，故稱為高度重復(fù)序列，也叫做衛(wèi)星DNA。,139,一般這些序列中的GC含量與其他的主體DNA不同（例如小鼠中為30%，低于其主體DNA的42%GC含量）。所以在進(jìn)行氯化銫密度梯度超離心時(shí)，這些DNA由于密度小，會(huì)與主體的DNA帶分開而出現(xiàn)在上面，所以稱為衛(wèi)星DNA。,140,也有的衛(wèi)星DNA密度比主體DNA密度大，出現(xiàn)在主體DNA的下面。隱秘的衛(wèi)星DNA是指與主體DNA的密度類似，使用氯化銫密度梯度超離心不能分開的高度重復(fù)序列，但是可以通過其他的方法將其分離出來。,141,人們開始時(shí)認(rèn)為這些高度重復(fù)的DNA序列沒有什么功能。近來發(fā)現(xiàn)與DNA復(fù)制、基因

41、表達(dá)的調(diào)節(jié)、基因的轉(zhuǎn)位、減數(shù)分裂時(shí)染色體的配對(duì)等過程有重要關(guān)系。,142,在高度重復(fù)序列中，有一種是反向重復(fù)序列，也叫回文結(jié)構(gòu)；長(zhǎng)度不等，從幾個(gè)核苷酸到幾百個(gè)核苷酸等。,143,這種反向重復(fù)序列在基因組中很多，據(jù)推測(cè)可能與基因的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄等調(diào)控有關(guān)。,與DNA結(jié)合的蛋白質(zhì)多以二聚體的形式結(jié)合，這時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)結(jié)合位點(diǎn)的DNA多具有回文結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。,144,衛(wèi)星DNA：是高等真核生物基因組重復(fù)程度最高的成分，由非常短的串聯(lián)多次重復(fù)DNA序列組成，一般占基因組的10%-30%。因?yàn)槠湫蛄袕?fù)雜性不高，所以有時(shí)稱為簡(jiǎn)單序列DNA；衛(wèi)星DNA以大的基因簇分布（100-3000 kb），常位于異染色質(zhì)的著絲粒，

42、可能在染色體的功能中起作用。,145,有一些比較復(fù)雜的衛(wèi)星DNA據(jù)推測(cè)可能是從簡(jiǎn)單的短序列重復(fù)發(fā)展變化而來的。,146,等位小衛(wèi)星DNA是指小衛(wèi)星中含有的重復(fù)序列數(shù)目相同；反之，不等位小衛(wèi)星DNA是指小衛(wèi)星中含有的重復(fù)序列數(shù)目不同。,147,衛(wèi)星DNA ： 基本單位長(zhǎng)度 171 bp 小衛(wèi)星DNA：基本單位長(zhǎng)度15-65 bp 微衛(wèi)星DNA：基本單位長(zhǎng)度2-8 bp,衛(wèi)星小衛(wèi)星 微衛(wèi)星DNA之間的基本差異,148,(4) 跳躍基因,跳躍基因(jumping gene),又做移動(dòng)基因(movable gene)或轉(zhuǎn)位因子(transposable elements)，可以在基因組中從一個(gè)位置轉(zhuǎn)移

43、到另一個(gè)位置，或在染色體之間移動(dòng)躍遷。,目前在細(xì)菌、噬菌體、植物、酵母、果蠅和哺乳動(dòng)物中均發(fā)現(xiàn)有跳躍基因的存在。,149,五、細(xì)胞器基因,染色體外的基因主要存在于線粒體、葉綠體以及細(xì)菌的質(zhì)粒等中，另外中心粒中也有DNA的報(bào)告，但是功能不明。,150,線粒體和葉綠體中均含有DNA，其中都含有基因，可以編碼一定數(shù)量的蛋白質(zhì)和RNA活性分子，如tRNA等。他們基因編碼的產(chǎn)物一般不輸送到細(xì)胞質(zhì)中，只能在本細(xì)胞器中使用。,151,細(xì)胞器中所需的大部分蛋白質(zhì)和RNA分子都是由核基因編碼，在細(xì)胞質(zhì)中形成有功能的產(chǎn)物，然后再輸送到細(xì)胞器中。線粒體中編碼的基因主要是與呼吸鏈有關(guān)的一些蛋白，葉綠體中基因編碼的主要

44、是與光合作用有關(guān)的蛋白質(zhì)、酶等。,152,（1）線粒體,線粒體中DNA含有的基因的遺傳方式是母性遺傳，或叫做非孟得爾遺傳。,線粒體中的DNA與細(xì)菌的染色體類似，均呈環(huán)狀，雙鏈，但是兩條鏈的堿基在組成上有差異，在氯化銫密度梯度超離心時(shí)可以分開，其中一條鏈叫做輕鏈（L），另外一條鏈叫做重鏈（H），兩條鏈均編碼有基因。,153,人體細(xì)胞線粒體數(shù)目平均為800個(gè)，每個(gè)線粒體中含有10個(gè)基因組拷貝，酵母平均為65個(gè)線粒體，每個(gè)線粒體中有100個(gè)基因組拷貝。但是其遺傳行為表現(xiàn)為單一基因型，我們還不知道生物是如何控制的，也不清楚如果不同的拷貝中發(fā)生了突變，是否會(huì)遺傳保留在后代的拷貝中。,154,線粒體中DN

45、A的大小：高等植物2502000 kb，酵母為75kb，曲霉 32kb，爪蟾17533 bp，牛16338 bp，小鼠16295 bp，人僅為16569 bp。,155,已經(jīng)有多種生物的線粒體DNA序列被測(cè)定完畢，從原生動(dòng)物到脊椎動(dòng)物都有。脊椎動(dòng)物的線粒體DNA長(zhǎng)度一般為16-17 kb,含有37個(gè)基因，有些原生動(dòng)物和植物的線粒體DNA為330 kb到2500 kb，但是編碼能力有限。,156,157,人的線粒體基因組含有 22 tRNA 基因, 2 rRNA基因，13個(gè)蛋白質(zhì)基因。,158,線粒體基因類似于原核基因，沒有內(nèi)含子或極少?；蛑g的間隔順序很少，人的線粒體基因組中只有87bp是無

46、功能的。,有一些基因無終止密碼子，需要在RNA編輯時(shí)產(chǎn)生。,159,蛋白質(zhì)翻譯時(shí)使用的密碼子系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)的密碼子系統(tǒng)有所不同。,只編碼負(fù)責(zé)線粒體中的一小部分的基因, 線粒體中的大部分蛋白和RNA還需要由核基因編碼并輸送到線粒體中。自身合成的蛋白質(zhì)或RNA僅供自身使用，不外運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)中。,160,不同生物的線粒體基因組大小不同，雖然一些生物的線粒體基因組很大，但編碼能力有限。線粒體中編碼的基因基本相同，包括rRNA、tRNA基因、線粒體膜蛋白基因和氧化代謝基因等。線粒體的兩條鏈均編碼基因。,161,人線粒體基因突變會(huì)引起幾百種疾病。,在美國(guó)，曾有一個(gè)看起來很健康的男孩，5歲時(shí)莫明其妙地聽覺減退，1

47、8歲時(shí)聽力完全喪失。在此期間，他被診斷是機(jī)能亢進(jìn)兼有癲病。23歲時(shí)，他視力下降，患有白內(nèi)障、青光眼，且視網(wǎng)膜進(jìn)行性退化。28歲時(shí)死于腎功能衰竭和全身感染。后研究發(fā)現(xiàn)，他患病的根源在于基因中微小的異常，但這種異常并非出現(xiàn)在核染色體DNA上，而是在不太為人注意的線粒體DNA上。,162,近來發(fā)現(xiàn)，少數(shù)非胰島素依賴型糖尿病的發(fā)生與線粒體基因突變有關(guān)。,163,利用人的線粒體基因特征可以研究人類的起源和進(jìn)化問題。如走出非洲(Out of Africa) 假說的提出。,該假說認(rèn)為，所有的現(xiàn)代人類均起源于15萬年前至7萬年前之間生活在非洲的古人類。,164,（2）葉綠體,葉綠體由藍(lán)細(xì)菌入侵而來。,葉綠體的

48、基因的特征在許多方面與線粒體中的基因有類似的特點(diǎn)：,（1）大多數(shù)植物的葉綠體中含有的基因數(shù)目大致相同，為200個(gè)左右，包括rRNA基因、tRNA基因以及核糖體蛋白質(zhì)基因和與光合作用有關(guān)的一些蛋白質(zhì)的基因。,165,（2）高等植物中的葉綠體DNA一般為140 kb左右，低等植物為200 kb。,（3）各種生物的葉綠體基因非常保守，基因編碼光合作用有關(guān)的蛋白，有的基因有內(nèi)含子。,（4）基因組是雙鏈環(huán)狀，沒有組蛋白，不形成超螺旋。,166,（5）葉綠體中含有的基因均是多拷貝的，具體數(shù)目在物種之間存在差異。,(6) 葉綠體基因工程,167,六、亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)基因特征,168,169,病毒基因組具有的特征,

49、（1）一種病毒中含有的核酸是RNA或DNA，只有一種。,（2）大部分病毒的核酸是一條單鏈或雙鏈分子，只有少數(shù)幾種病毒由幾個(gè)核酸片段組成。它們都必須被包裝到衣殼中，如呼吸道與腸道病毒有10個(gè)雙鏈RNA片段；有的植物病毒基因組由多種片段組成，每種片段必須包裝到不同的衣殼中，如苜?；ㄈ~病毒有4種不同的單鏈RNA。,170,（3）不同病毒的核酸大小差異很大，一般DNA病毒較大，RNA病毒較小。從最小的3kb到大的300 kb以上。,（4）病毒基因組中含有啟動(dòng)子和操縱基因的結(jié)構(gòu)，這方面以噬菌體研究的最為清楚。,（5）噬菌體基因組中沒有內(nèi)含子，但是感染真核細(xì)胞的病毒基因中有內(nèi)含子。,171,（6）病毒的基

50、因中有重疊基因存在。如X174含有的核酸長(zhǎng)度為5386 bp，其中基因編碼10個(gè)基因，其中有5個(gè)基因是重疊基因。,172,七、基因與順反子的關(guān)系,在原核細(xì)胞中，順反子的概念可以認(rèn)為與基因是等同的。,173,在真核細(xì)胞中，比較復(fù)雜。由于基因含有內(nèi)含子，而且存在復(fù)雜的轉(zhuǎn)錄后加工方式，順反子與基因不再成這種簡(jiǎn)單的對(duì)等關(guān)系，一般認(rèn)為順反子僅相當(dāng)于外顯子。,174,八、原癌基因、癌基因與抑癌基因,原癌基因(proto-oncogene)是細(xì)胞內(nèi)與細(xì)胞增殖相關(guān)的基因，是維持機(jī)體正常生命活動(dòng)所必須的，在進(jìn)化上高度保守。當(dāng)原癌基因失去調(diào)控，使細(xì)胞過度增殖時(shí)會(huì)形成腫瘤。,175,一些原癌基因的功能,176,大多

51、數(shù)原癌基因編碼的蛋白質(zhì)都是復(fù)雜的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)中的成份，在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中有著重要的作用。原癌基因產(chǎn)物可分為以下幾類：,177,1 生長(zhǎng)因子，如sis(PDGF-)，fgf家族(int-2，csf-1等) 2 生長(zhǎng)因子受體(質(zhì)膜)：具酪氨酸蛋白激酶活性，如neu，ht，met，erbB，trk，fms，ros-1等。 3 非受體酪氨酸蛋白激酶(質(zhì)膜/胞質(zhì)) 如src家族：src，syn，fyn，abl，lck，ros，yes，fes，ret等,178,4 絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶(胞質(zhì))：如raf，raf-1，mos，pim-1， 5 G蛋白(質(zhì)膜內(nèi)側(cè))，具GTP結(jié)合作用和GTP酶活性，如ras

52、家族中的 H-ras，K-ras，N-ras，以及mel和ral等 ， 6 核內(nèi)DNA結(jié)合蛋白(轉(zhuǎn)錄因子)如myc家族，fos家族，Jun家族，ets家族，rel，erb A(類固醇激素受體),179,原癌基因表達(dá)的特點(diǎn) 1 正常細(xì)胞中原癌基因的表達(dá)水平一般較低，而且是受生長(zhǎng)調(diào)節(jié)的。 2 腫瘤細(xì)胞中一些原癌基因具有高水平的表達(dá)成過度表達(dá)，而且原癌基因的表達(dá)程度和次序發(fā)生紊亂，不再具有細(xì)胞周期特異性。,180,正常細(xì)胞內(nèi)的原癌基因突變后變成癌基因，導(dǎo)致細(xì)胞產(chǎn)生腫瘤。,這種變化的原因包括原癌基因的點(diǎn)突變、過度擴(kuò)增、基因重排、基因缺失等。,181,正常細(xì)胞中癌基因?qū)嶋H上是一些參與細(xì)胞生長(zhǎng)、分裂和分化

53、的基因。我們身體中的每個(gè)細(xì)胞內(nèi)有許多基因，控制正常的細(xì)胞功能，這些基因在正常細(xì)胞中以非激活的形式存在，故又稱為原癌基因。當(dāng)原癌基因受到多種因素的作用使其結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時(shí)，激活成為癌基因。,182,現(xiàn)已知道，大約有60種癌基因與癌的發(fā)生有關(guān)。由于癌基因是作為引起惡性腫瘤的逆轉(zhuǎn)錄病毒的部分而被發(fā)現(xiàn)和命名的。實(shí)際上癌基因是涉及細(xì)胞重要功能的一些正常基因的突變型，所以原癌基因的正常功能被描述為產(chǎn)生癌基因的概念是不正確的，然而由于這一名稱已被廣泛應(yīng)用，再要改變已為時(shí)過晚。,183,抑癌基因是細(xì)胞正常生長(zhǎng)發(fā)育的負(fù)調(diào)節(jié)基因，其產(chǎn)物的功能是抑制細(xì)胞過度增殖分裂。反之，抑癌基因失活會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞過度分裂增殖而產(chǎn)生腫瘤

54、癌細(xì)胞。,184,目前了解最多和最重要的兩種抑癌基因是Rb基因和p53基因。其他還有NF-l基因、WT-1基因、結(jié)腸腺瘤性息肉（APC）基因和結(jié)腸癌缺失（DCC）基因等。,185,p53基因位于第17號(hào)染色體上，產(chǎn)物分子量為53KD，故名。在各種人體腫瘤中，有50%以上的p53發(fā)生缺失或變異，所以p53的研究在分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)及腫瘤學(xué)界受到極大關(guān)注。p53通常依靠對(duì)其下游因子的激活或抑制來調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長(zhǎng)與凋亡。,186,p16基因位于第9號(hào)染色體上，產(chǎn)物P16的分子量是15.8KD，可與細(xì)胞周期素D競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合CDK4，使細(xì)胞分裂停止，抑制細(xì)胞的增殖。多種惡性腫瘤內(nèi)均發(fā)現(xiàn)有p16基因的突變失

55、活。,187,在正常情況下，抑癌基因通過它們的蛋白產(chǎn)物(核蛋白)控制細(xì)胞生長(zhǎng)(如Rb、p53)或通過酶激活蛋白使癌基因失活(如NF-1)若抑癌基因的功能喪失，則可能促進(jìn)細(xì)胞的惡性轉(zhuǎn)化。,188,除了p53p16外，新的抑癌基因正在不斷涌現(xiàn)，如與乳腺癌發(fā)生有密切關(guān)系的BRCA1和BRCA2，與胰腺癌有關(guān)的DPC4，與腎細(xì)胞癌有關(guān)的VHL等抑癌基因已被發(fā)現(xiàn)；還有與肝癌有關(guān)的M6P/IGF2r基因，以及FHIT基因等也是抑癌基因的候選者。,189,一、基因組定義 二、基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 三、基因組的染色體倍數(shù)性和數(shù)目 四、遺傳圖譜、物理圖譜和基因圖譜 五、人類基因組,第三節(jié) 基因組,190,一、基因組

56、定義,基因組是細(xì)胞中全部遺傳物質(zhì)的總和。對(duì)于噬菌體和細(xì)菌來說，就是指單個(gè)染色體上的全部基因，對(duì)于二倍體真核生物來說，基因組是指維持配子或配子體正常功能的最基本的一套染色體以及所攜帶的全部基因。,191,真核生物的基因組中絕大部分的DNA存在于細(xì)胞核中的染色體上（核基因組），還有一小部分存在于線粒體或葉綠體中（細(xì)胞器基因組）。,對(duì)于個(gè)別的RNA病毒來說，他們的基因組是由RNA組成的。,192,基因組不是基因的簡(jiǎn)單隨機(jī)組合，而是有功能性的高級(jí)結(jié)構(gòu)。不同生物的基因組的復(fù)雜程度是不同的，表現(xiàn)在組成基因組的堿基大小不同、基因的結(jié)構(gòu)不同、基因在基因組中的組織方式不同。,193,194,二、基因組的結(jié)構(gòu)特征

57、,1 原核生物基因組的結(jié)構(gòu)特征,細(xì)菌的一條DNA分子就是一條染色體，由DNA 、RNA和蛋白質(zhì)等構(gòu)成，其中DNA占80%。,195,（1）基因組較小，單個(gè)基因也較小，平均在1 kb左右。,（2）單個(gè)染色體呈環(huán)狀，其中有的蛋白質(zhì)與DNA特異性結(jié)合，有的不是特異性結(jié)合。沒有真核染色體中的組蛋白。,（3）功能相關(guān)的基因串聯(lián)存在而高度集中，組成操縱子形式進(jìn)行基因表達(dá)控制。例如大腸桿菌中有260多個(gè)操縱子。,196,（4）大部分基因是單拷貝的單一序列DNA，有一些基因是多拷貝的；重復(fù)序列少，不存在高度重復(fù)序列。蛋白質(zhì)基因多為單拷貝基因，RNA基因多為多拷貝,（5）DNA大部分用來編碼蛋白質(zhì)。,（6）有重

58、疊基因。 （7）基因幾乎沒有內(nèi)含子。 （8）基因轉(zhuǎn)錄成多順反子。,197,2 真核生物基因組的結(jié)構(gòu)特征,（1）真核生物基因組DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體，儲(chǔ)存于細(xì)胞核內(nèi)，除配子細(xì)胞外，體細(xì)胞內(nèi)的基因的基因組是雙份的（即二倍體）。,（2）基因組較大，單個(gè)基因平均16 kb，并且變化較大，最小基因與細(xì)菌中的基因類似，最大的基因是人的肌肉營(yíng)養(yǎng)不良蛋白基因2500 kb。,198,（3）DNA和組蛋白結(jié)合形成染色體，而且一般是多條。,（4）大多數(shù)基因是斷裂基因，含有內(nèi)含子。內(nèi)含子的數(shù)目在不同的基因中不同，且差異很大。,（5）基因中有重復(fù)序列，而且存在高度重復(fù)序列。衛(wèi)星DNA是高等真核生物基因組中重復(fù)程度最高的重復(fù)序列。,199,（6）基因有單拷貝和多拷貝兩種形式。,（7）基因家族化是基因組中最顯著的特征之一，它們來源于共同的一個(gè)祖先基因。,（8）基因多轉(zhuǎn)錄成單順反子，但可以翻譯成多種多肽鏈（可變剪切）。,200,人的基因組中只有1的序列是用來編碼蛋白質(zhì)的,201,酵母基因組排列的非常緊湊,202,真核生物的基因數(shù)目從6千到4萬，但是與基因組的