基因与基因组的结构与功能

第3章基因与基因组的结构与功能3.2.基因概念的多样性3.3.基因组3.1.基因概念的变迁Theoryofthegene•基因是染色体上的实体•基因象链珠(bead)一样，孤立地呈线状地排列在染色体上•基因是；功能(functionalunit)突变(mutationunit)交换(cross-overunit)“三位一体”的(Threeinone)最小的不可分割的基本的遗传单位(1926T.H.Morgan)经典的基因概念3.1基因概念的变迁顺反子理论Theoryofcistron(S.Benzer1955)对经典的基因概念的第一次重要修正与发展顺反子假说（Theoryofcistron）•Cistron是基因的同义词•在一个顺反子内，有若干个突变单位突变子(muton)•在一个顺反子内，有若干个交换单位交换子（recon）•传统的概念：基因是一个具有特定功能的，完整的不可分割的最小的遗传单位，基因内可以低频率发生重组，交换•mut1Xmut2W.t是基因内发生交换的结果cistron概念的提出是对经典的基因概念的动摇现代基因的定义基因（gene)是核酸分子中具有遗传效应的核苷酸序列，是遗传的基本单位和突变单位以及控制性状的功能单位，包括结构基基因和调控基因。结构基因指编码蛋白质或RNA的DNA序列。★蛋白质基因：transcriptableandtranslatablegene；★RNA基因：transcriptablebutnontranslatablegene；tDNA,rDNA。★调控基因：untranscriptablenontranslatablegene,调控邻近的结构基因的表达，如：启动基因，操纵基因不转录、不翻译不是所有的基因都能为蛋白质编码基因命名无严格统一标准1.一般：三个小写英文斜体字母表示，lac、leu2.三个小写英文斜体字母后面加一个斜体大写字母表示基因座，LacZ、LacY、LacA3.质粒：自然质粒，三个正体字母，第一个字母大写；重组质粒，两个大写字母前加一个p，大写字母表示构建该质粒的研究者或单位，如pSC101（SC代表StanleyCohen）。4.果蝇：对突变的表型用1~4个斜体字母代表，如white（w）、tailless（tll）。5.酵母：一般用三个大写斜体字母表示基因的功能，后面的数字表示不同的基因座，如GAL4,CDC28，也有例外。6.线虫：三个小写斜体字母表示突变型，连字符加数字表示基因座，如unc-86，ced-9。7.植物：大多数情况用1~3个小写字母表示。8.脊椎动物：1~4个小写字母和数字表示，如sey，myc。9.人类：与脊椎动物类似，但需要大写，如MYC、ENO1。1、取决于它所包含的内含子的长度例如：31Kb的二氢叶酸还原酶基因含6个外显子，mRNA长度为2Kb，内含子长29Kb，内含子比外显子大很多。2、取决于所包含的内含子的数目不同生物的外显子数目随着进化增加，基因平均长度也在增加。3.2基因的大小3.3基因组GenomeP30基因组：一个细胞或病毒的全部遗传信息；一套完整的单倍体的遗传物质的总和；含有一种生物的一整套遗传信息的遗传物质；……3.3.1生物进化的C值矛盾(Cvalueparadox)ThetotalamountofDNAinthegenomeofhaploidisacharacteristicofeachlivingspeciesknownasitsMaximumCvalue(单倍体基因组总DNA的含量)最大C值MaximumCvalueThetotalamountofDNAforencodingthegenesinformationistermeditsMinimumcvalue（编码基因信息的总DNA含量）最小C值MinimumcvalueC-value：单倍体基因组总DNA的含量(bp)10610710810910101011显花植物骨鱼类哺乳类甲壳类爬行类鸟类藻类真菌革兰氏阳性菌革兰氏阴性菌枝原体霉菌蠕虫类软体动物棘皮类昆虫类软骨鱼类两栖类A生物体进化程度高低，与大C值不成明显正相关B亲缘关系相近的生物大C值相差较大C一种生物内大C值与小c值相差极大人体c=C/10Frog的大C值为人的7倍lily(百合)的大C值为人的100倍！3.3.2病毒基因组DNA病毒RNA病毒3.3.2.1基本结构多数为双链(ds)、环状或线性多数为单链(ss)、线性3.3.2.2RNA病毒基因组类型特点代表种类1.单股正链RNA病毒SARS冠状病毒SARScoronavirus包膜蛋白膜蛋白核衣壳蛋白刺突蛋白病毒RNA聚合酶单股正链RNA、不分节段，5′端有甲基化帽，3′端有poly(A)结构。具有感染性，直接翻译蛋白质脊髓灰质炎病毒冠状病毒.禽流感病毒(H5N1)avianinfluenzaAvirus2.单股负链RNA病毒8节段-ssRNA血凝素（HA）神经氨酸酶（N)单股负链RNA、8节段，均编码蛋白质，流感病毒腮腺炎病毒狂犬病毒轮状病毒3.双链RNA病毒11节段dsRNA内衣壳蛋白外衣壳蛋白每段编码一个蛋白质4.逆转录病毒(retrovirus)核心蛋白逆转录酶膜蛋白poly(A)Cap人类免疫缺陷病毒（HIV）单股正链RNA，有三个基本的结构基因：gag、pol（逆转录酶）、env，白血病病毒、肉瘤病毒、人类免疫缺陷病毒5′端有甲基化帽，3′端有poly(A)，另有多个基因表达调控位点。3.3.2.3DNA病毒基因组类型特点代表种类1.线性双链DNA病毒早期蛋白（E）晚期蛋白（L）腺病毒adenovirusE1AE1BE3E4E2BE2A0102030405060708090100%L2L3L4L5L1ITRITRITR:反向末端重复序列ITR在病毒复制过程有重要作用2.双链环状DNA病毒SV40病毒基因组重叠基因(overlappinggene)tVp1Vp2Vp3SV405000bpT静思伊久阻归期，久阻归期忆别离；忆别离时闻漏转，时闻漏转静思伊。秦少游给苏小妹3.单链环状DNA病毒5387nt噬菌体φX174重叠基因5387nt编码2500AA1977，Sanger乙型肝炎病毒（HBV）4.开环部分双链DNA病毒聚合酶HBsAgHBcAg病毒繁殖的原则在宿主体内合成了mRNA就意为着胜利。能用宿主的绝对不用自己的。实在用不了宿主的就用自己的。也有例外。病毒基因组的特点1．基因组大小相差很大：HBV：3.2kb痘病毒：300kb2．核酸结构多样性：DNA或RNA单链或双链合环状分子或线性分子3．基因组有连续的，有不连续的大多数连续流感病毒：8条单链RNA4、编码序列90%(基因组)，多为单拷贝,即每个基因只出现一次5、功能上相关的基因排列在一起6、有重叠基因3.3.3原核生物基因组细菌染色体DNA质粒DNA以大肠杆菌（Escherichiacoli）为例类核（nucleoid）：细菌染色体在细胞内形成的一个致密区域大肠杆菌细胞结构nucleoid质粒plasmid大肠杆菌染色体结构蛋白质核心超螺旋DNA环1.由一条环状双链DNA分子组成，通常只有一个DNA复制起点。C-Value:4.6×106bp大肠杆菌染色体DNA大肠杆菌4000K3000K2000K1000K0OriCTerC2.结构基因大多组成操纵子乳糖操纵子lacoperontayzopstructuralgenepromoterterminatoroperatorß-galactosidase半乳糖苷酶zß-galactosidepermease透酶yß-galactosidetransacetylase半乳糖苷乙酰转移酶a4.基因组DNA具有多种调控区域3、基因密度非常高，编码区所占比例大；5、结构基因没有内含子，多为单拷贝，rRNA基因为多拷贝；6、存在可移动DNA序列3.3.4真核生物基因组**3.3.4.1特点1、体细胞:两套基因组性细胞:一套基因组2、基因组结构复杂,数目庞大,多个复制起始点3、mRNA为单顺反子.4、含大量重复序列.非编码序列占90%以上.5、转录和翻译存在时空差异8、存在可移动成分.类似细菌的:如玉米中发现的.类似逆转录病毒的:转位机制需RNA介导7、功能相关的基因串联在一起形成基因家族6、基因间有间隔区(spacerDNA),基因为断裂基因(splitgene)即内含子,外显子.1978Gilbert真核生物基因的新概念Exon(外显子)DNA与成熟RNA间的对应区域氨基酸的编码区（aminoacidcodingregion）非间隔区（unspacer）isanysegmentofaninterruptedgenethatisrepresentedinthematureRNAproduct3.3.4.2真核生物基因的结构1、断裂基因（splitgene）Intron(内含子)isasegmentofDNAthatistranscribed,butremovedfromwithinthetranscriptbysplicingtogetherthesequences(exons)oneithersideofit.DNA与成熟RNA间的非对应区域氨基酸的非编码区（uncodingregion）间隔区（spacer）内含子存在意义：保证或增强基因的稳定表达；内含子中包含有其他基因的编码序列（即基因内基因）。GT-AG法则：真核生物基因内含子高度保守的一致序列：内含子5`端大多数以GT开始，3`端大多数以AG结束，称为GT-AG法则。此法则可用作真核基因中RNA剪接的识别信号。DNAXcDNAElectro-microscope7introns8exonsPrecursormRNA(pre-mRNA)HeterogeneousnuclearRNA(HnRNA)真核生物基因的转录物又称为真核生物基因又称为SplitgeneInterruptedgene间隔基因，断裂基因前体mRNA,核内不均一RNAPre-mRNAIntronsRemovedExonsjunctionsSplitgeneSplitGene真核生物的结构基因是由若干exon和intron相间隔排列的序列组成的间隔基因lSplitGene的普遍性a)在真核生物(inEukaryots)mostofstructuralgenetDNA,rDNAmtDNA,cpDNAb)在原核生物中(inProkaryots)SplitgeneisnothallmarkofeukaryoticgenesafewstructuralgenearesplitgenesSV40T抗原基因Tantigengenet抗原基因tantigengeneT4噬菌体胸线嘧啶合成酶基因(T4phagethyminesynthetasegene)lSplitgene概念的相对性c)并非真核生物所有的结构基因均为splitgene不是splitgeneb)Exon并非“表里如一”a)Intron并非“含而不露”YeastIntronIIofcyt.bgenecodingamaturase(成熟酶)人类尿激酶原基因ExonI不编码氨基酸序列Histone（组蛋白）genefamilyInterferon（干扰素）geneYeast中多数基因●Splitgene存在的生物学意义a)有利于遗传的相对稳定mutationfrequency即使错误剪接留下的intron部分也会被mRNA监测系统降解，从而避免细胞病变和死亡。inintroninexonb)增加变异机率，有利于生物的进化不对称交换形成splitgene是生物体产生变异导致进化的重要途径之一splitgene（含有intron）增加了基因的长度增加了基因内的重组交换几率有利于形成变异和生物多样性对intron不同方式的剪接，形成不同的基因产物（5%isoformproteininmammalian）c)扩大生物体的遗传信息储量鼠的两个胰岛素基因珠蛋白豆血