第二章基因的组织与结构2

1第二章基因的组织与结构2第一节基因与基因多样性第二节基因组的结构与功能第三节染色体外遗传因子第二章基因的组织与结构3第一节基因与基因多样性4“Particulatefactor”——在孟德尔遗传学的定律中，孟德尔用于命名从亲代传递给子代而不发生改变的遗传物质；遗传因子位于染色体上——萨顿假设，1903年W.S.Sutton;Gene——由W.Johannsen于1909年首先使用,但当时对其物质本质尚一无所知；1、基因概念的演化基因的染色体遗传学阶段5遗传粒子理论——摩尔根《基因论》，基因是染色体上象念珠一样线形排列的遗传物质单位，是突变、重组和功能表达三位一体；基因与性状的相关性——1940年，G.Beadle和R.Tatum提出“一个基因一个酶”的假设，第一次明确地把基因和蛋白质直接相关联；6基因的分子生物学阶段基因物质本质的认识——转化、转导、转染等实验证实了DNA是遗传物质，基因的化学本质是脱氧核糖核酸，基因是具有一定的遗传学功能的DNA片段；7DNA双螺旋结构模型——Watson&Crick从结构上论证了DNA作为遗传物质的可行性；基因调控模型的建立——Jacob和Monod的操纵子学说，基因是在特定遗传系统调控下的表达其功能的遗传物质单位。8基因的反向生物学阶段FunctionalStudiesForwardGeneticsMutantCharacterizationsGeneticsScreensMolecularCharacterizationsReverseGeneticsIdentificationoftargetgeneGeneratemutantGeneticanalysisBiologicalassessment表现型(phenotype)基因型（genetype)92、基因的概念基因是指存在于细胞内有自体繁殖能力的遗传单位，这种单位在染色体上占有一定位置而作直线排列。基因是具有特定的核苷酸顺序的核酸分子中一个片段，是携带有特定遗传信息的功能单位。在大多数生物中基因的化学本质是DNA，但在某些病毒中可以是RNA。103、不连续基因/断裂基因StructuralgenecodesforanyRNAorproteinproductotherthanaregulator.结构基因：RNA或蛋白质的编码基因，而非调节基因。ExonisanysegmentofaninterruptedgenethatisrepresentedinthematureRNAproduct.外显子：基因中的编码区，即表达产生肽链的部分。IntronisasegmentofDNAthatistranscribed,butremovedfromwithinthetranscriptbysplicingtogetherthesequences(exons)oneithersideofit.内含子：基因中的非编码区，即基因内部不表达部分。11TranscriptistheRNAproductproducedbycopyingonestrandofDNA.ItmayrequireprocessingtogeneratematureRNAs.转录本：由模板DNA转录得到的RNA产物，需进一步加工后才能成为成熟的RNA。RNAsplicingistheprocessofexcisingthesequ-encesinRNAthatcorrespondtointrons,sothatthesequencescorrespondingtoexonsareconnectedintoacontinuousmRNA.RNA剪接：除去内含子，连接外显子序列，以产生功能的mRNA、tRNA、rRNA的过程。12断裂基因的转录与表达InterruptedgenesareexpressedviaaprecursorRNA.Intronsareremovedwhentheexonsaresplicedtogether.ThemRNAhasonlythesequencesoftheexons.131977年，[法]Chambon鸡的输卵管分泌卵清蛋白、卵粘蛋白和伴清蛋白，而其红细胞（鸟类的红细胞上有核的）只合成血红蛋白，那么两种组织之间DNA有什么不同呢？1）基因不连续性的发现与证实14鸡卵清蛋白cDNA探针和红细胞及输卵管DNASouthern杂交的结果15PhillipA.SharpSharpCenterforCancerResearchMassachusettsInstituteofTechnology,USA1944-RichardJ.RobertsNewEnglandBio-labsBeverly,MA,USA1943-TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1993“fortheirdiscoveryofsplitgenes”16R-loop法17R-loopingexperimentsrevealintronsinadenovirus18用DNA-RNA杂交的方法验证鸡卵清蛋白基因中存在非编码的内含子区。a.成熟mRNA与带有该基因的互补链DNA序列杂交示意图；b.鸡卵清蛋白的基因结构示意图19DNA酶切分析若同一基因的基因组DNA和cDNA的限制性图谱相同，则一般不含内含子；若基因组DNA的长度大于cDNA则很可能是不连续基因。20断裂基因现象广泛存在于真核生物中，甚至在少数原核生物中也存在；并非所有的真核生物基因都是断裂基因，如组蛋白基因和干扰素基因。212）内含子与外显子特点比较不同的断裂基因所含的内含子数目有很大差别，有些基因只有一个或若干个内含子，而有的基因内含子与外显子是高度嵌合的；内含子的长度常大于外显子；在同一基因家族内，断裂基因的组织结构、外显子序列及其长度通常比较保守，而内含子变化迅速，不论是序列还是长度差异性很大。22连续基因与断裂基因外显子数目的分布Mostgenesareuninterruptedinyeast,butmostgenesareinterruptedinfliesandmammals.(Uninterruptedgeneshaveonly1exon,andaretotaledintheleftmostcolumn.)23外显子与内含子的长度变化Intronsarelongerthanexons.Thesizedistributionextendsfromapproximatelythesamesizeastheexons(200bp)to50-60kbinextremecases.24哺乳动物二氢叶酸还原酶（DHFR）基因人类、小鼠和中国仓鼠的DHFR都有6个外显子，外显子基本相同，各内含子的相对位置没有改变，但长度变化很大。25exontrapping(外显子捕捉技术）Exonsisolation264）基因外显子与蛋白质结构域的关系外显子常相当于多肽折叠的结构域；外显子的边界非常精确地相当于结构域之间的联结处；外显子与结构域并非在任何情况下都一一对应。5）内含子与外显子的关系外显子与内含子联结处具有1-4bp的保守的共同序列（GT-AG规则），可能与剪接反应有关；一个基因的内含子可以是另一基因的外显子。276）内含子可能的功能具有转录调控作用：内含子通过与启动子、起始位点的精确碱基配对来阻止或增强RNA聚合酶的作用；内含子具有各种剪接信号，不同细胞能选择不同的拼接点，将初始转录产物进行不同的加工，对外显子进行选择地拼接，形成不同的成熟mRNA；有的内含子有自己特定的蛋白编码序列。28断裂基因SplitGenes有些基因的初级转录本，可以按照不同的途径剪辑形成不同的RNA分子，编码不同的蛋白质29164199229242259aaα型WXαZWXαβZβ型WXβZ164199229242259aa图10-42肌钙蛋白基因内含子的交替剪接，产生α和β两种类型的蛋白肌钙蛋白基因内含子的交替剪接，产生α和β两种类型的蛋白30外显子1内含子1外显子2内含子2外显子3417bp765bp14bp1240bp100bp139aa280aa(840bp)翻译剪接RNA成熟酶(423aa)成熟的mRNA翻译细胞色素b144aa+279aa图13-20酵母cob基因的内含子的2的剪接。内含子2前部840bp的开放读框参与编码RNA成熟酶。RNA成熟酶反过来又将内含子2剪切酵母cob基因的内含子2的剪接。内含子2前部840bp的开放阅读框参与编码RNA成熟酶，RNA成熟酶又反过来将内含子2剪接31毛细血管扩张失调症(AT—儿童致命性疾病)。Disease-causingsplicingmutationsdescribedintheliteratureprimarilyproducechangesinsplicesitesand,toalesserextent,variationsinexon-regulatorysequencessuchastheenhancerelements1,2,3,4,5,6.ThegeneATMismutatedinindividualswithataxia-telangiectasia;wehaveindentifiedtheaberrantinclusionofacrypticexonof65bpinoneaffectedindividualwithadeletionoffournucleotides(GTAA)inintron20.Thedeletionislocated12bpdownstreamand53bpupstreamfromthe5'and3'endsofthecrypticexon,respectively.Throughanalysisofthesplicingdefectusingahybridminigenesystem,weidentifiedanewintron-splicingprocessingelement(ISPE)complementarytoU1snRNA,theRNAcomponentoftheU1smallnuclearribonucleoprotein(snRNP).ThiselementmediatesaccurateintronprocessingandinteractsspecificallywithU1snRNPparticles.The4-ntdeletioncompletelyabolishedthisinteraction,causingactivationofthecrypticexon.Onthebasisofthisanalysis,wedescribeanewtypeofU1snRNPbindingsiteinanintronthatisessentialforaccurateintronremoval.Deletionofthissequenceisdirectlyinvolvedinthesplicingprocessingdefect.32思考如何获得基因的全长（包括基因的DNA结构和cDNA结构）334、基因家族（genefamily）基因家族（genefamily）：来自于一个共同的祖先基因，通过复制和变异形成的结构、功能相似的基因群体；家族成员其外显子具有相似性。基因簇（genencluster）:位于同一染色体上彼此相邻近的一组相同或相关基因称为基因簇。基因家族中的成员常集串联排列构成基因簇；但也可以不集中在一起，也分布在不同的染色体上。34基因家族的类型：1）简单的多基因家族；2）复杂的多基因家族；3）时空表达差异的复杂多基因家族。351）简单的多基因家族——rRNA基因家族特点：转录单元结构相似，中度重复，在基因组内分散成若干个基因簇。各重复单位含有单一的转录单元和非转录区；真核生物rRN