基因與基因組120828第1頁/共72頁第一章基因與基因組第2頁/共72頁第一節(jié)基因第3頁/共72頁轉錄區(qū)

其他功能序列調節(jié)區(qū)其結構為轉錄區(qū)調節(jié)區(qū)是儲存特定遺傳信息的DNA片段。﹡(一)基因的概念一、基因的概念及分類

是RNA序列和蛋白質多肽鏈順序相關遺傳信息的基本形式，以及表達這些信息所需要的全部核苷酸序列。編碼區(qū)非編碼區(qū)（RNA

、蛋白質）第4頁/共72頁

1866年，孟德爾在《植物的雜交試驗》文中提出：“生物體的某一特定性狀是受一個遺傳因子(geneticfactor)所控制的，也就是一個因子決定一個性狀”。

1926年，Morgan在《基因論》中提出：“基因既是攜帶生物體遺傳信息的結構單位，又是控制一個特定性狀的功能單位”。

1944年，Avery通過實驗證實基因的化學本質是DNA。

基因是1909年，由Johannsen創(chuàng)造的一個名詞，取代遺傳因子。第5頁/共72頁1953年

Watson和Crick發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結構。顯示了DNA的空間結構，揭示了DNA分子具有自我復制功能。第6頁/共72頁DNARNA蛋白質轉錄翻譯復制1958年

Crick證明了生物遺傳的中心法則。第7頁/共72頁在mRNA的開放閱讀框架區(qū)，以每3個相鄰的核苷酸為一組，代表一種氨基酸(或其他信息)，這種三聯(lián)體形式的核苷酸序列稱為密碼子。起始密碼子(initiationcodon)：密碼子（codon）終止密碼子(terminationcodon)：StartofgeneticmessageCapEndTail5’-端非翻譯區(qū)533’-端非翻譯區(qū)開放閱讀框架AUG﹡UAA、UAG、UGA﹡1961年

Crick又提出了遺傳密碼（66年）遺傳信息蘊藏于DNA鏈上4種堿基的不同組合中。(RNA.Pr，生物性狀)第8頁/共72頁真核生物結構基因，由若干個編碼區(qū)和非編碼區(qū)互相間隔開但又連續(xù)鑲嵌而成，去除非編碼區(qū)再連接后，可翻譯出由連續(xù)氨基酸組成的完整蛋白質，這些基因稱為斷裂基因。斷裂基因(splitegene):CABD編碼區(qū)A、B、C、D非編碼區(qū)（1977年）第9頁/共72頁1963年Nass等首次發(fā)現(xiàn)線粒體中存在DNA。1981年Anderson等發(fā)表了完整的人線粒體DNA序列。1972年Fiers等測定了噬菌體MS2衣殼蛋白的基因序列。某些RNA病毒則以RNA作為遺傳信息的載體。第10頁/共72頁(二)基因的分類核基因核外基因1.編碼蛋白質的基因2.編碼RNA的基因按部位分按功能和性質分第11頁/共72頁5335模板鏈編碼鏈編碼鏈模板鏈⑴結構基因轉錄方向轉錄方向﹡(在雙鏈DNA中轉錄出RNA的區(qū)段)1.編碼蛋白質的基因⑵調節(jié)基因可轉錄成mRNA，翻譯成阻遏蛋白或激活蛋白，從而調控其他基因的活性第12頁/共72頁2.編碼RNA的基因rRNA基因tRNA基因小分子RNA基因核酶基因

還有一類不稱為基因的DNA序列，它們是不轉錄的DNA區(qū)段，但對基因起調控作用，如啟動子和增強子等。（酶的功能）（調節(jié)基因表達）第13頁/共72頁原核生物：PPP53蛋白質多個功能相關的結構基因串聯(lián)在一起構成一個轉錄單位，依賴同一調控序列對其進行轉錄調節(jié)，使這些相關基因實現(xiàn)協(xié)調表達。這樣一個多順反子轉錄單位與其調控序列即構成操縱子。調控序列信息區(qū)調控區(qū)原核基因的協(xié)調表達就是通過調控同一啟動基因的活性來實現(xiàn)的。﹡二、基因的結構與功能（一）基因的結構第14頁/共72頁真核生物結構基因，由若干個編碼區(qū)和非編碼區(qū)互相間隔開但又連續(xù)鑲嵌而成，去除非編碼區(qū)再連接后，可翻譯出由連續(xù)氨基酸組成的完整蛋白質，這些基因稱為斷裂基因。斷裂基因(splitegene):CABD編碼區(qū)A、B、C、D非編碼區(qū)*真核生物：第15頁/共72頁1.外顯子(exon)和內含子(intron)外顯子（編碼區(qū)）在斷裂基因及其初級轉錄產物上出現(xiàn)，并表達為成熟RNA的核酸序列。隔斷基因的線性表達而在剪接過程中被除去的核酸序列。

內含子（非編碼區(qū)）外顯子--內含子接頭（邊界序列）：5GT......AG3編碼組蛋白的基因是一例外，無內含子。編碼rRNA和個別tRNA的結構基因也都含有內含子。第16頁/共72頁轉錄起始點TATA盒(II)CAAT盒GC盒(I)

增強子AATAAA切離加尾轉錄終止點修飾點外顯子翻譯起始點內含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚體

結構基因-25bp啟動子的核心序列上游啟動子元件2.調控序列（啟動子、增強子、終止子）順式調節(jié)（同一個DNA分子中）順式作用元件（DNA序列）第17頁/共72頁cDNAaDNA反式調節(jié)C順式調節(jié)mRNAC蛋白質CBAmRNA蛋白質AA反式作用因子順式作用蛋白第18頁/共72頁轉錄開始1-30-5010-10-40-20533555RNA聚合酶保護區(qū)結構基因33σ第一個外顯子的第一個堿基為+1上游下游0不用于標記堿基位置調控序列編碼序列第19頁/共72頁①啟動子②增強子③沉默子④終止子1)真核生物的順式作用元件：第20頁/共72頁真核基因啟動子是RNA聚合酶結合位點周圍的一組轉錄控制組件，至少包括一個轉錄起始點以及一個以上的功能組件。①啟動子TATA盒GC盒CAAT盒功能組件（啟動子具有方向性，啟動子本身通常不被轉錄。）第21頁/共72頁轉錄起始點TATA盒(II)CAAT盒GC盒(I)

增強子AATAAA切離加尾轉錄終止點修飾點外顯子翻譯起始點內含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚體

結構基因-25bp啟動子的核心序列TFⅡD（轉錄起始的準確性及頻率）上游啟動子元件最簡單啟動子啟動子圖示:第22頁/共72頁真核生物主要有三類啟動子：①Ⅰ類啟動子：富含GC堿基對，主要啟動rRNA基因的轉錄。②Ⅱ類啟動子：通常由TATA盒、幾個上游啟動子元件和轉錄起始點組成。主要啟動蛋白質和一些小RNA基因的轉錄。③

Ⅲ類啟動子：主要啟動tRNA基因、5SRNA基因和

U6snRNA基因等RNA基因的轉錄。（對應三種RNA聚合酶）第23頁/共72頁轉錄起始點TATA盒CAAT盒GC盒AATAAA轉錄終止點外顯子翻譯起始點內含子OCT-1

結構基因-25bp②增強子(enhancer)指遠離轉錄起始點、決定基因的時間、空間特異性、增強啟動子轉錄活性的DNA序列。增強效應明顯,與方向、距離無關沒有基因特異性,受外部信號的調控大多為重復序列,組織和細胞特異性活性與其在DNA雙螺旋結構中的空間方向性有關.特點增強子第24頁/共72頁③沉默子(silencer)某些基因的負性調節(jié)元件，當其結合特異蛋白因子時，對基因轉錄起阻遏作用。

有時,同一DNA元件可以既有增強子活性又有沉默子活性,這取決于與之結合的蛋白質性質.第25頁/共72頁5------AAUAAA-5------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG轉錄終止的修飾點55335’加帽3加尾AAAAAAA······3mRNA④終止子——

和轉錄后修飾密切相關。﹡第26頁/共72頁還有蛋白質因子可特異識別、結合自身基因的調節(jié)序列，調節(jié)自身基因的表達，稱順式作用。由某一基因表達產生的蛋白質因子，通過與另一基因的特異的順式作用元件相互作用，調節(jié)其表達。這種調節(jié)作用稱為反式作用。

2)反式作用因子(trans-actingfactor)

第27頁/共72頁（二）基因功能概述

基因攜帶遺傳信息。遺傳信息的表達過程是一個基因所攜帶的信息轉變?yōu)橐环N具有正常功能產物（蛋白質、多肽、RNA）的過程。第28頁/共72頁有意義密碼子61個1.遺傳信息的儲備64個密碼第29頁/共72頁半保留復制(概念)雙向復制(復制子）復制的半不連續(xù)性2.基因的復制第30頁/共72頁3.基因的表達DNARNAmRNA指導蛋白質多肽鏈的生成⑴轉錄：

⑵翻譯：⑶基因表達的調控：第31頁/共72頁RNA的種類、分布、功能第32頁/共72頁蛋白質生物合成(翻譯)反應過程:

氨基酸的活化肽鏈的生物合成肽鏈形成后的加工和靶向輸送起始延長終止第33頁/共72頁轉錄后加工基因激活轉錄起始蛋白質翻譯

翻譯后加工修飾調控在各個水平上DNA水平轉錄水平翻譯水平﹡組蛋白乙酰化DNA去甲基化對核酸酶敏感mRNA第34頁/共72頁（三）基因突變與疾病1.單基因病2.線粒體遺傳病3.多基因病4.基因診斷與治療第35頁/共72頁基因診斷(geneticdiagnosis)是利用分子生物學及分子遺傳的技術和原理，在DNA水平分析、鑒定遺傳疾病所涉及基因的置換、缺失或插入等突變。又稱DNA診斷。（1）基因診斷：第36頁/共72頁基本過程：區(qū)分或鑒定DNA的異常分離、擴增待測的DNA片斷基因探針組織和分化階段表達特異性的基因及異常進行檢測和診斷第37頁/共72頁（2）基因治療定義基因治療(genetherapy)是向有功能缺陷的細胞補充相應功能的基因，以糾正或補償其基因的缺陷，從而達到治療的目的。方式體細胞基因治療(somaticcellgenetherapy)生殖細胞基因治療(germlinegenetherapy)第38頁/共72頁第二節(jié)基因組第39頁/共72頁基因組(genome)：一個細胞或生物體中的全部DNA。細菌和噬菌體——指單個染色體所含的全部DNA。二倍體真核生物——指維持生物體正常功能最基本的一套染色體及所攜帶的全部遺傳信息?；蚪M的定義：第40頁/共72頁

總長為4.2×106個bp，完全伸展開，其長度約136mm，為菌體長度的1000倍。不形成染色體結構，只有一個復制起點。

大腸桿菌約有3500個基因，已經定位1000多個，有些基因的DNA序列也已測定。

一般的原核生物基因組都在106水平上，比病毒基因組要大上千倍。一、原核生物基因組1.基因組通常僅由一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成特點第41頁/共72頁2.結構基因與調控序列以操縱子的形式組織在一起5.基因是連續(xù)的

6.編碼序列一般不會重疊4.結構基因多為單拷貝

rRNA基因是多拷貝的。

當基因開放時，這幾個基因轉錄在一條mRNA鏈上，然后翻譯成幾條功能相關的蛋白質多肽鏈，故稱之為多順反子(polycistron)。

細菌的結構基因中沒有內含子(intron)成分，即基因序列是連續(xù)的。原核生物基因組中只有少數(shù)基因存在基因重疊。3.基因組中重復序列很少第42頁/共72頁7.編碼區(qū)在基因組中所占的比例遠遠大于真核基因組而小于病毒基因組編碼區(qū)占50%，非編碼區(qū)主要是一些調控序列。8.細菌基因組中存在可移動的DNA序列包括插入序列和轉座子。第43頁/共72頁二、真核生物基因組真核生物DNA染色體DNA線粒體DNA染色體DNA八大特點

第44頁/共72頁（一）真核生物基因組特點1.真核生物基因組DNA都是雙鏈線狀且往往不是一條配子為單倍體，體細胞一般含兩份同源的基因組。2.大多數(shù)真核生物的結構基因組為斷裂基因，并受一系列順式作用元件的調控3.結構基因的轉錄產物為單順反子

與原核生物不同，真核基因轉錄產物為單順反子，即一個編碼基因轉錄生成一個mRNA分子，翻譯生成一條多肽鏈。4.真核生物基因組內非編碼的序列遠遠多于編碼區(qū)90%以上第45頁/共72頁5.真核生物基因組中含有大量重復序列和基因家族

在真核細胞DNA中發(fā)現(xiàn)某些核苷酸序列大量重復出現(xiàn)，這些核苷酸序列叫重復序列，但在原核細胞基因組中幾乎不存在。核苷酸序列的重復次數(shù)越高，DNA復性速度就越快。占35%。6.真核基因組DNA的末端都有一種稱為端粒的特殊結構由末端單鏈DNA序列和蛋白質構成。7.真核生物基因組中也存在一些可移動的遺傳因子8.真核生物基因組還包括細胞器基因組線粒體基因組、葉綠體基因組果蠅中發(fā)現(xiàn)的DNA轉座子第46頁/共72頁端粒(telomere)指真核生物染色體線性DNA分子末端的結構。功能?維持染色體的穩(wěn)定性?維持DNA復制的完整性*結構特點:?由末端單鏈DNA序列和蛋白質構成。TTTTGGGGTTTTGGGG…TTTTGGGGTTTTGGGG…末端DNA序列是多次重復的富含T、G堿基的短序列。(膨大成顆粒狀)3355第47頁/共72頁

哺乳類動物基因組DNA約3×109bp。

人編碼基因約2萬~2.9萬個，

60%的基因存在著可變剪接，編碼序列僅占總長的1%。

tRNA等重復基因約占5%~10%,80%~90%無編碼功能，（內含子、調控序列、重復序列)。

染色質在核內，時空隔開、加工、轉運（二）人類基因組1.人類基因組中的基因數(shù)量及分布第48頁/共72頁將基因組DNA切成數(shù)百個片斷進行超速離心時，常會在DNA主峰旁形成一個次要的小峰。這些小峰在主峰邊上就象衛(wèi)星一樣，故命名為衛(wèi)星DNA，也叫隨機DNA、隨體。躍進式復制成串聯(lián)重復序列是形成衛(wèi)星DNA的基礎。衛(wèi)星DNA分三類：大衛(wèi)星、小衛(wèi)星、微衛(wèi)星DNA（1）高度重復序列有衛(wèi)星DNA和反向重復序列。2.人類基因組中的重復序列1）衛(wèi)星DNA(satelliteDNA)：第49頁/共72頁大衛(wèi)星DNA：①DNA的浮力密度與它的G—C堿基對含量有關，G—C含量高，浮力密度大，反之亦然。②當DNA分子的G—C含量變化超過5%時，即可通過密度梯度離心將其區(qū)分開來。小衛(wèi)星DNA：由中等大小的串聯(lián)重復序列構成，分布在所有染色體。微衛(wèi)星DNA短串聯(lián)重復序列（STR）

小衛(wèi)星和微衛(wèi)星DNA呈高度多態(tài)性，可作為遺傳標記。第50頁/共72頁概念：是指兩個順序相同的拷貝在DNA鏈上呈反向排列；即按一定方向讀反向重復序列的兩條鏈，其堿基序列一樣。

有時兩個反向重復的DNA序列不一定鄰接，中間可以夾雜一些非重復的DNA序列，稱為間斷的反向重復序列。

反向重復序列占人類基因組的5%，主要位于基因調控區(qū)。2）反向重復序列又稱為回文結構第51頁/共72頁

較短的回文結構常作為一種特別信號，如限制性內切酶的識別位點；較長的回文結構其轉錄產物易形成發(fā)夾結構，在DNA中可能形成十字形結構。5′GGAATCGATCTTAAGATCGATTCC3′3′CCTTAGCTAGAATTCTAGCTAAGG5′

注意：第52頁/共72頁

每個重復序列長約150~300bp，在單倍體基因組中重復30萬～50萬次?？勺鳛樘烊坏倪z傳標志。（2）中度重復序列：

拷貝數(shù)小于106，多為103～104。每個重復序列為數(shù)百至幾千個堿基對大小，分布于單拷貝的DNA大片段之間。1）短散在核元件2）長散在核元件

重復片段長度可長達3500~5000bp，分散（或分布）于整個基因組的不同部位。（rRNA、tRNA、組蛋白免疫球蛋白）

（3）單拷貝序列：

單拷貝序列在整個基因組中僅出現(xiàn)一次或少數(shù)幾次，在人類基因組中有60%~65%的DNA序列是單拷貝的。（蛋白質或酶、1%）第53頁/共72頁

是指一組結構類似、功能相關、核苷酸序列又有同源性的基因。家族成員在核酸序列上的同源性提示它們是由同一個祖先基因進化而來的。多基因家族是真核生物基因組織中最顯著的特征之一。多基因家族分類一類是編碼RNA的一類是編碼蛋白質的串聯(lián)重復基因在不同染色體上分散排列(如干擾素、珠蛋白、生長激素)按基因的終產物分在基因組中的分布基因家族同源性程度核酸序列相同核酸序列高度同源超基因家族假基因3.基因家族第54頁/共72頁

基因串聯(lián)排列在同一條染色體上，形成基因簇(genecluster)，每個重復的基因單元間由非轉錄的間隔區(qū)分開。如rRNA、tRNA、組蛋白基因，它們的表達產物是為細胞所大量需要的。

rRNA基因28S、18S、5.8S構成一重復單位；同種的tRNA串聯(lián)在一起，形成基因簇；組蛋白H1、H2A、H2B、H3、H4串聯(lián)在一起形成一個重復單位，多個重復單位再串聯(lián)。（1）核酸序列相同或幾乎相同第55頁/共72頁如：干擾素（三種，α、β、γ基因）珠蛋白（α

和β

兩類基因族）、生長激素（三種基因）它們均在不同染色體上分散排列。（3）超基因家族

是由基因家族與單基因組成的較大的基因家族。超基因家族的結構有不等的同源性，雖然它們起源于相同的祖先基因，功能卻并不相同。

如：免疫球蛋白超基因家族。（2）核酸序列高度同源：第56頁/共72頁（4）假基因

是指基因家族中那些不產生有功能基因產物的一類基因，用ψ表示。

假基因的核苷酸序列與相應的活性基因極為相似，即假基因與相應的基因是同源的。

假基因可能是一種進化遺跡，提示基因組不斷經歷著改變。第57頁/共72頁基因組學第三節(jié)第58頁/共72頁一、基因組概述即：humangenomeproject，HGP（一）結構基因組學人類基因組計劃：

一個細胞所包含DNA結構的一整套基因，即記錄基因組全部DNA序列。第59頁/共72頁人類基因組計劃研究的內容：1、遺傳圖譜2、物理圖譜3、序列圖譜4、轉錄圖譜

核心內容是繪制四張圖譜：第60頁/共72頁

又稱基因連鎖圖或染色體圖。是以具有多態(tài)性的遺傳標記為界標，以遺傳學距離為圖距的基因組圖。

通過計算在細胞減數(shù)分裂過程中，由于同源染色體間交換所導致的遺傳標記間發(fā)生重組的頻率，來確定這兩個標記在染色體上相對位置的圖譜。1.遺傳圖第61頁/共72頁

是以一段已知的特異DNA序列為界標，以Mb或kb為圖距所展示的基因組圖。它能反映生物基因組中基因或標記間的實際距離。

這段已知的特異DNA序列稱為序列標記位點，Sequencetaggedsite，STS。2.物理圖第62頁/共72頁3.序列圖4.轉錄圖

最高層次和最詳盡的物理圖，獲得人類全基因組的序列圖譜。cDNA圖譜或表達序列標記圖譜，是一種以表達序列標簽為“位標”繪制的分子遺傳圖。第63頁/共72頁（二）功能基因組學后功能基因組學，基因組動態(tài)的生物學功能的研究。

蛋白質組、轉錄組、代謝組、癌基因組、疾病基因組、藥物基因組、環(huán)境基因組、行為基因組等。（三）比較基因組學在基因組層次上，比較不同基因組之間的異同。

對于人類的健康、疾病的診斷、預防和個體化治療都是很重要的。不同的人種、族群、群體、以及不同的個體等。第64頁/共72頁（四）藥物基因組學

藥物基因組學是主要以闡明藥物代謝、藥物轉運和藥物靶分子的基因多態(tài)性與藥物作用包括療效和毒副作用之間關系的一門科學，是一門新興的研究領域。1.藥物基因組學研究的分子基礎：⑴藥物代謝酶的多態(tài)性；⑵藥物轉運蛋白的多態(tài)性；⑶藥物作用靶點的多態(tài)性。是基因的多態(tài)性，包括：第65頁/共72頁

藥物基因