基因和基因組的結構與功能

一、基因的生物學概念1866

Mendel發(fā)表《植物雜交實驗》，“遺傳因子”通過豌豆實驗，提出經典遺傳定律：分離定律和獨立分配定律

1909W.Johannse提出gene這一名詞，但還只是遺傳性狀的符號，未涉及基因的物質概念1910Morgan發(fā)現(xiàn)果蠅的白眼性狀的伴性遺傳，首次把一個特定的基因和一個特定的染色體聯(lián)系起來1919教材中開始出現(xiàn)gene一詞ThePhysicalBasisofHeredite

1926

Morgan發(fā)表TheTheoryofGene，認為：基因依孟德爾第一定律（分離定律）而彼此分離，于是每個生殖細胞只含一組基因；不同連鎖群里的基因依孟德爾第二定律（自由組合定律）而自由組合；兩個相對連鎖群的基因之間有時候也發(fā)生有秩序的交換，交換率證明了每個連鎖群里諸要素的直線排列，也證明了諸要素的相對位置。

20世紀40年代

Bendle和Tatum提出“一個基因，一個酶”學說首次在分子水平上給基因如下定義：基因位于染色體上的一定區(qū)域，在有絲分裂中作為1個遺傳單位存在，并決定一定的表型。

20世紀50年代

Benzer提出“順反子”、“一個順反子，一條多肽鏈”二、基因的現(xiàn)代概念

生物學概念：基因是世代相傳的，基因決定了遺傳性狀的表達，基因的顆粒性主要表現(xiàn)在世代相傳的行為和功能表達上具有相對的獨立性，基因呈直線排列在染色體上。分子生物學概念：合成有功能的蛋白質或RNA所必需的全部DNA（除部分病毒RNA），即一個基因不僅包括編碼蛋白質或RNA的核酸序列，還應包括為保證轉錄所必需的調控序列。三、基因組的概念

細胞或生物體中，一套完整單體的遺傳物質的總和，即某物種單倍體的總DNA。對于二倍體高等生物來說，其配子的DNA總和即一組基因組，二倍體有兩份同源基因組。四、原核生物基因組的特點

3．相關基因叢集。DNA序列中功能相關的RNA和蛋白質基因，叢集在基因組的一個或幾個特定部位，形成一個功能單位或轉錄單位，可被一起轉錄成為多順反子mRNA。

4．常見重疊基因現(xiàn)象。

5．非編碼區(qū)少，重復順序少。蛋白D蛋白E細菌基因組

1.一條雙鏈DNA，具有類核結構。2.具有操縱子結構。幾個功能相關的結構基因串聯(lián)在一起受同一個調控區(qū)調節(jié)。E.coli基因組含3500個基因，有260個已查明具有操縱子結構，定位于75個操縱子中。E.coli

3.蛋白質基因單拷貝，rRNA基因多拷貝，這可能有利于核糖體的組裝。

E.coli中rRNA基因（rDNA）具有多拷貝，而且都以轉錄單位的形式組織在一起。1個轉錄單位通常含3個rDNA，以16S-23S-5S的順序串聯(lián)排列，有的轉錄單位中間還插有tRNA基因，每個轉錄單位的長度大于5Kb。轉錄后先得到rRNA前體，再剪切成16S、23S和5SrRNA4.結構基因中無內含子，邊轉錄邊翻譯。

5.無基因重疊結構。6.DNA分子中有多種功能區(qū)。這些區(qū)域往往具有特殊的結構，并且含有反向重復序列。

質粒DNA存在于細菌與真核細胞中的一種亞細胞結構。絕大多數(shù)質粒都是雙鏈DNA分子。沒有蛋白外殼，只能在寄主細胞中獨立地增殖，并隨著宿主細胞的分裂而被遺傳下去。對于宿主細胞的生存不是必需的，但質粒所攜帶的某些基因，可以對宿主細胞的生物學特征產生影響。質粒是一個完整、獨立的復制子，并且能夠轉化細胞（把它的一個復本從供體細胞轉移給受體細胞），因此可以作為一種載體，把目的DNA帶入宿主細胞中進行增殖。而且通常能給細胞帶來特殊的標記，顧而可以利用這些標記來篩選陽性克隆。質粒DNA的復制類型嚴緊型：每個宿主細胞中僅含有1-3個拷貝，其復制要受到宿主細胞的嚴格控制。松弛型：每個宿主細胞可含有10-60個拷貝，其復制不受宿主細胞的嚴格控制，即當宿主細胞蛋白合成受到抑制時，質粒可以繼續(xù)復制，拷貝數(shù)可以增至1000-3000之多。細菌基因組學研究的意義1、能夠更好地了解病原微生物的致病機制。2、對致病菌基因組的研究，可以加快重要致病基因的發(fā)現(xiàn)速度。3、尋找病原菌所特有的DNA序列，提高臨床診斷的效率和準確性。4、為篩選有效藥物及發(fā)展疫苗提供參考。細菌基因組學研究的意義總之，細菌基因組研究將使人類從更高層次上掌握病原微生物的致病機制及規(guī)律，從而得以發(fā)展新的診斷、治療、預防微生物感染的制劑、藥物及疫苗。此外，新發(fā)現(xiàn)的微生物酶及蛋白還可能在工農業(yè)生產上有應用價值。五、真核生物基因組的特點

真核生物基因組結構與功能特點

1、真核生物基因組的化學本質為DNA，大多與蛋白質結合形成染色質，基本結構單位為核小體。每一種真核生物都有一定的染色體數(shù)目，除配子為單倍體外，體細胞一般為雙倍體，即含兩份同源基因組，而原核生物的基因組則是單拷貝的。真核生物基因組結構與功能特點2、基因組遠大于原核生物，結構復雜，基因數(shù)龐大，具有許多復制起始點，每個復制子大小不一。3、基因不存在操縱子結構，功能相關基因分散在不同的染色體上。基因都由一個結構基因與相關的調控區(qū)組成，轉錄產物為單順反子，即一分子mRNA只能翻譯成一種蛋白質。真核生物基因組結構與功能特點4、基因組中有大量低度（重復頻率<103）、中度（重復頻率<105）和高度重復序列。5、基因是不連續(xù)的（斷裂基因），由外顯子和內含子鑲嵌排列而成。基因轉錄的初級產物需經一定的加工，切除內含子使外顯子拼接，才能形成成熟的mRNA。6、非編碼區(qū)（占90%以上）遠大于編碼區(qū)。重復序列C0t1/2高度重復序列中度重復序列單一序列真核生物DNA的復性動力學曲線將真核生物基因組的DNA進行復性動力學測定，顯示3個不同的時相。重復序列的作用1、編碼某些重要的功能性蛋白質及產物等，如組蛋白、rRNA、tRNA等。2、與染色體的構象、著絲點的形成有關。3、參與基因表達調控。衛(wèi)星DNA與微衛(wèi)星DNA的比較衛(wèi)星DNA微衛(wèi)星DNA存在部位染色體近端粒和著絲粒區(qū)染色體任何部位重復單位長度6-70bp，常富含GC1-6bp重復次數(shù)幾次到幾百次10-60次總序列長度0.5-30kb約200bp重復單位的差異重復單位組成稍有差異，重復單位的變異性低，如單個堿基置換存在數(shù)量有限，有些染色體尚未見到很多高度重復序列的功能1、參與復制水平的調節(jié)2、參與基因表達的調控3、參與轉位作用4、與進化有關5、作為每一個體的特征6、可能與染色體減數(shù)分裂時染色體配對有關中度重復序列特征：一般是不編碼的序列，在基因調控中起重要作用，包括開啟或關閉基因的活性、DNA復制的起始、其轉錄產物參與hnRNA（不均一核RNA）的處理等；重復單位的序列相似，不完全一樣，分散在基因組中，序列的長度和拷貝數(shù)不均一；具有種屬特異性。（1）Alufamily哺乳動物中含量最豐富的中度重復序列家族。重復單位中帶有限制性內切酶Alu的酶切位點：

AG↓CTTC↑GA主要集中在細胞分裂晚期的R帶，大部分屬于非編碼DNA，但也有一部分位于mRNA的非翻譯區(qū)，甚至位于編碼區(qū)內。功能可能與hnRNAr的加工成熟、DNA復制及轉錄調節(jié)有關

（2）KpnIfamily（3）Hinffamily僅次于Alu家族的第二大家族。人KpnI順序長6.4kb，散在分布，拷貝數(shù)約為3000-4800個，占人體基因組的1%。限制性內切酶HinfI約有50-100個拷貝分散在基因組的不同區(qū)域。多基因家族（multigenefamily）亦稱基因家族，是真核生物基因組中一組來源相同、結構相似、功能相關的基因，有的編碼蛋白質，有的編碼RNA。根據(jù)分布不同，可分為兩大類：（1）基因成簇地分布在一條染色體上，呈串聯(lián)排列，產生多個拷貝，具有幾乎相同的序列，同時發(fā)揮作用，如rRNA、tRNA、組蛋白等。（2）各家族成員分布在不同的染色體上，序列雖然不相同，但編碼的是一組緊密相關的蛋白，如干擾素、生長激素、珠蛋白等。假基因（pseudogene）在基因家族中，有些成員的序列與相關功能基因的序列相似，但不能被轉錄或轉錄后生成無功能的基因產物。一個假基因常常有多個有害的突變，可能因為作為一種活性基因一旦停止，就再沒有適當機制阻止進一步突變的聚積。假基因數(shù)目一般較少，往往只占基因總數(shù)的一小部分。假基因主要有兩種類型（1）由于一種基因的加倍而失活。這種類型假基因保留原來親本基因的外顯子及內含子組織并常與親本基因密切聯(lián)系，如α、β球蛋白基因簇的假基因。它們可能是由于失去起始轉錄信號，或外顯子—內含子連接處不能剪接或翻譯不能終止。（2）第二種假基因僅含有親本基因的外顯子，常常擁有3’端polyA尾，并隨機分布于基因組中。這些假基因是源于mRNA，并通過逆轉錄而重新整合進基因組。人β-珠蛋白基因簇及各個功能β-類珠蛋白基因的結構列舉幾個基因家族：1典型的前rRNA基因（轉錄單位）結構示意圖列舉幾個基因家族：2組蛋白基因簇三種動物中的組蛋白基因簇黑色方框：組蛋白基因空心方框：基因間的間隔區(qū)箭頭：基因的轉錄方向列舉幾個基因家族：3超基因家族指一組由多基因家族及單基因組成的更大的基因家族。結構上有不同程度的同源性，可能起源于相同的祖先基因，但功能不相同。例如，免疫球蛋白超基因家族。單一序列也稱為單拷貝序列。真核生物一般為二倍體細胞，因此不重復的單一序列存在2個拷貝。大多數(shù)結構基因都是單一序列。80%左右的mRNA來自單一序列DNA。結構基因的突變容易引起遺傳性狀的改變或產生遺傳性疾病。斷裂基因即不連續(xù)基因。絕大多數(shù)真核生物的基因都是斷裂基因。編碼蛋白質的基因稱為外顯子（exon），其間由不編碼的序列即內含子（intron）隔開。轉錄時一起被轉錄出來，然后再經過加工剪切內含子后，外顯子拼接起來后成為成熟的mRNA。不連續(xù)基因的發(fā)現(xiàn)時是通過mRNA和DNA雜交實驗而發(fā)現(xiàn)的。電鏡照片解釋圖雞卵清蛋白基因中外顯子和內含子的排列順序及大小雞卵清蛋白mRNA與DNA雜交實驗圖移動基因

（轉座子或轉位子，transposon）

可從染色體基因組的一個位置轉移到另一個位置的基因，也可在不同的染色體之間跳躍。

20世紀40、50年代，美國遺傳學家McClintock（1983年獲得諾貝爾生物醫(yī)學獎）在研究玉米籽粒顏色的高頻變異時提出這一概念，當時稱為“控制因子”。這些基因能在玉米不同的染色體上從一個位點轉移到另一個位點，有時象一個新奇的生物學開關一樣，開動或關閉基因。

跳躍基因的概念，使人們認識到功能上相關的各個基因，并不一定以緊密連鎖的形式存在，它們可以分散在不同染色體或者同一染色體的不同部位上，因此極大地豐富和發(fā)展了現(xiàn)代基因概念。

人類基因組計劃

（HGP，humangenomeproject）人類基因組結構特點1、前述的真核基因組的結構特點基本上都適用于人類基因組。2、基因組DNA有30億個堿基對(3×109bp)，5－10萬個基因，目前已定位的有2000個3、編碼序列只占基因組總DNA量的5%以下，非編碼區(qū)占95%以上，大量為重復序列人類基因組中的DNA多態(tài)性每個人之間基因組并不完全相同，也叫基因組的多態(tài)性，這個多態(tài)性表現(xiàn)在DNA的序列上。統(tǒng)計表明，任意兩個人之間的DNA核苷酸差異約占基因組的0．01％，就是這基因組中0．01％的差異，決定了人類的遺傳多樣性，如有的人容易生病，而有的人卻對疾病的免疫能力特別高，有些藥物，有的人用了就靈驗，有的人就不靈驗。只有從不同個體DNA序列的差異上闡明人類基因組的多態(tài)性，才能真正了解與疾病特別是多基因疾病有關的遺傳機制，同時深入準確地了解人類起源、進化和遷徙過程中的DNA序列變化。1、位點多態(tài)性

（DNAsitepolymorphism）是由于等位基因間在特定位點上DNA序列存在差異造成的。例如人血液中的許多蛋白質和紅細胞、白細胞的表面抗原在不同個體之間的生化特征、抗原特性都存在著由遺傳造成的變異。在各種DNA位點多態(tài)性系統(tǒng)中，人類白細胞抗原（HLA）是最復雜的一種，僅其中的HLA-DR抗原的編碼位點就有DRA、DRB1??DRB2、DRB3、DRB4、DRB5六個座位，共有60多個等位基因。2、限制性片段長度多態(tài)性

（restrictionfragmentlcngthpolymorphism，RFLP）DNA位點多態(tài)性可影響限制酶的切割位點，造成限制性片段長度多態(tài)性，即用同一種限制酶消化不同個體的DNA時，會得到長度各不相同的限制性片段類型。不同個體基因組在同一段DNA是否有同樣的酶切位點，決定了酶切后是否會產生同樣大小的片段。當堿基組成的變化改變了限制酶識別位點（位點消失、產生新的位點、位點移位等）時，就會得到不同的限制性片段類型，這樣的位點稱為多態(tài)性位點。通過限制酶酶切片段的長度多態(tài)性來揭示DNA堿基組成不同的技術稱為限制性片段長度多態(tài)性技術，簡稱RFLP技術。高度重復序列中的無間隔反向重復序列很容易形成限制酶識別位點，也很容易由于突變產生或失去一個酶切位點。所以，RFLP的基礎是高度重復序列（數(shù)量大）和點突變。3、串聯(lián)重復順序多態(tài)性

（tandemrepeatspo13rmor－phism）有一些重復序列，其重復單位很小，比如（CC）n、（ATT）n，但串聯(lián)重復次數(shù)有較大的變化，形成串聯(lián)重復順序多態(tài)性，也稱為可變數(shù)目的串聯(lián)重復序列（variablcnumberoftandcmrepeats，VNTRs），這是另一種DNA序列長度多態(tài)性，這種多態(tài)性在人群中有極高的頻率。串聯(lián)重復順序長度多態(tài)性主要發(fā)生在小衛(wèi)星DNA和微衛(wèi)星DNA中。研究背景1985年，美國能源部（DOE）率先提出，旨在闡明人類基因組DNA長達3×109堿基對（basepair，bp）的序列。發(fā)現(xiàn)所有人類基因并闡明其在染色體上的位置，從而在整體上破譯人類遺傳信息。1986年美國宣布啟動“人類基因組啟動計劃”。1989年，美國國家衛(wèi)生研究院（NIH）建立國家人類基因組研究中心（NCHGR）。1990年，NIH和DOE聯(lián)合提出美國人類基因組計劃，正式啟動HGP，計劃于15年內提供30億美元的資助，在2005年完成人類基因組全部序列的測定。研究進程HGP啟動以后進展順利，計劃進度一再修改。1998年，最后一個五年計劃指定出來，HGP提前2年于2003年完成。最后一個五年計劃的主要目標是：

①得到標記間距為1厘摩（1厘摩=重組頻率為1%的兩個基因間的遺傳距離）的遺傳圖譜；②得到至少有30萬個序列標記位點（STS）的物理圖譜，1998年10月實際已經有5.2萬個STS被作圖；③2001年得到人類基因組序列的“草稿”，2003年得到最后“定稿”；④測序能力要達到每年500Mb(1Mb=1000kb),每個堿基對的分析費用要少于25美分，支持毛細管陣列電泳、DNA芯片等的測序技術的發(fā)展；

⑤增加測定人類基因組變異的內容，得到10萬個作圖定位了的單核苷酸多態(tài)性（SNP）；⑥得到所有基因的全長cDNA；⑦發(fā)展在基因組尺度上分析生物功能的技術；⑧在模式生物基因組研究方面，大腸桿菌、酵母菌、短小麗桿線蟲的全基因組序列已經全部完成并發(fā)表公布，到2002年完成果蠅的全基因組序列，2005年完成小鼠的全基因組序列?；蚪M研究大事記１９９０年１０月被譽為生命科學“阿波羅登月計劃”的國際人類基因組計劃啟動。１９９８年一批科學家在美國羅克威爾組建塞萊拉遺傳公司，與國際人類基因組計劃展開競爭。１２月一種小線蟲完整基因組序列的測定工作宣告完成，這是科學家第一次繪出多細胞動物的基因組圖譜。１９９９年９月中國獲準加入人類基因組計劃，負責測定人類基因組全部序列的１％。中國是繼美、英、日、德、法之后第６個國際人類基因組計劃參與國，也是參與這一計劃的唯一發(fā)展中國家。１２月１日國際人類基因組計劃聯(lián)合研究小組宣布，完整破譯出人體第２２對染色體的遺傳密碼，這是人類首次成功地完成人體染色體完整基因序列的測定。２０００年４月６日美國塞萊拉公司宣布破譯出一名實驗者的完整遺傳密碼，但遭到不少科學家的質疑。４月底中國科學家按照國際人類基因組計劃的部署，完成了１％人類基因組的工作框架圖。５月８日德、日等國科學家宣布，已基本完成了人體第２１對染色體的測序工作。６月２６日科學家公布人類基因組工作草圖，標志著人類在解讀自身“生命之書”的路上邁出了重要一步。１２月１４日美英等國科學家宣布繪出擬南芥基因組的完整圖譜，這是人類首次全部破譯出一種植物的基因序列。２００１年２月１２日中、美、日、德、法、英等６國科學家和美國塞萊拉公司聯(lián)合公布人類基因組圖譜及初步分析結果。2002年六國科學家公布人類基因組細節(jié)研究成果1.遺傳圖譜遺傳圖的繪制是人類基因組研究的第一步，是以染色體上某一點為遺傳標記，以與之相伴遺傳的特征為對象，經連鎖分析，將編碼該特征的基因定位于染色體特定位置。即通過計算連鎖的遺傳標志之間