第三章

真核生物基因組

引言: 真核生物基因組比較龐大，并且不同生物種間差異很大。例如,人類單倍體基因組由3.16x109bP組成，如果以1000個堿基編碼一種蛋白質(zhì)來計算，理論上可有300萬個基因。但實際上只有很少部分(約占2％—3％)的DNA序列用于編碼蛋白質(zhì)?；蚩倲?shù)大概3.5DNA的復(fù)性動力學(xué)研究：非編碼區(qū)往往都是重復(fù)序列。

第一節(jié)

真核生物基因組特點

1．分為細胞核基因組與細胞質(zhì)基因組：

細胞核基因組是雙份的(二倍體，diploid)，即有兩份同源的基因組。細胞質(zhì)基因組可有許多拷貝。2．真核細胞基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子：一個結(jié)構(gòu)基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄和翻譯生成一個mRNA分子和一條多肽鏈。3．細胞核基因組存在重復(fù)序列：重復(fù)次數(shù)可達百萬次以上，大多為非編碼序列，因此基因組中不編碼的區(qū)域多于編碼區(qū)域。4．大部分基因有內(nèi)含子，所以基因是不連續(xù)的。5．真核生物基因組遠遠大于原核生物基因組，具有許多復(fù)制起點，但每個復(fù)制子的長度較小。

一、細胞核基因組與細胞質(zhì)基因組

(一)細胞核基因組

細胞核基因組的DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體(chromosome)。

除配子細胞外，體細胞有兩個同源染色體，因此基因組有兩份同源的基因組。染色體儲存于細胞核內(nèi)，是基因組遺傳信息的載體。

(二)線粒體基因組

1．為雙鏈環(huán)狀超螺旋分子，類似于質(zhì)粒。2．mtDNA的復(fù)制屬于半保留復(fù)制，可以是θ型復(fù)制，或滾環(huán)復(fù)制，或D環(huán)復(fù)制，由線粒體DNA聚合酶催化完成。3．線粒體基因組主要編碼與生物氧化有關(guān)的一些蛋白質(zhì)和酶。4．線粒體基因組可能還包括一些抗藥性基因。5．線粒體基因組有自己的rRNA、tRNA以及核糖體等系統(tǒng)，因此線粒體本身的一些蛋白質(zhì)基因也可以在線粒體內(nèi)獨立地進行表達。6．哺乳動物mtDNA的遺傳密碼與通用的遺傳密碼有區(qū)別。二、單順反子結(jié)構(gòu)

真核細胞結(jié)構(gòu)基因為單順反子(monocistron)，一個結(jié)構(gòu)基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄生成一個單順反子mRNA分子，翻譯成一條多肽鏈。真核生物基本上沒有操縱子結(jié)構(gòu)。

三、斷裂基因

真核細胞基因組的大部分序列屬于非編碼區(qū)。編碼區(qū)通常為結(jié)構(gòu)基因，結(jié)構(gòu)基因不僅在兩側(cè)有非編碼區(qū)，而且在基因內(nèi)部也有許多不編碼蛋白質(zhì)的間隔序列(interveningsequences)，因此，真核細胞的基因大多由不連續(xù)的幾個編碼序列所組成，稱之為斷裂基因(splitgene)。

●內(nèi)含子(intron)：

是結(jié)構(gòu)基因中的非編碼序列，往往與編碼序列呈間隔排列。當(dāng)基因轉(zhuǎn)錄后，在mRNA的成熟過程中被剪切(splicing)?！裢怙@子(exon)：

是結(jié)構(gòu)基因中的編碼序列，往往被內(nèi)含子所間隔，當(dāng)基因轉(zhuǎn)錄后，mRNA在成熟過程中切去內(nèi)含子，外顯子才被拼接成完整的序列，成為成熟的mRNA作為指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的模板。

內(nèi)含子與外顯子的概念也是相對的.●間隔區(qū)DNA：

真核生物基因之間存在編碼空白區(qū)或轉(zhuǎn)錄的空白區(qū)，稱之為間隔區(qū)DNA(spacerDNA)，這些序列往往在單拷貝的結(jié)構(gòu)基因側(cè)翼，并使結(jié)構(gòu)基因彼此分開，間隔區(qū)DNA也可以存在于rDNA區(qū)。四、重復(fù)序列

根據(jù)復(fù)性動力學(xué)將真核生物基因組DNA的重復(fù)序列分為三類：(一)高度重復(fù)序列:重復(fù)頻率達百萬(106)以上。堿基組成的復(fù)雜度很低，因此其復(fù)性速率很快。(二)中度重復(fù)序列:重復(fù)數(shù)十至數(shù)萬次(<105)。(三)低度重復(fù)序列:只出現(xiàn)一次或數(shù)次,復(fù)性速度很慢。

(一)高度重復(fù)序列

1.反向(倒位)重復(fù)序列

復(fù)性速度極快，又稱零時復(fù)性部分。由兩個相同順序的互補拷貝在同一DNA鏈上反向排列而成。復(fù)性時，鏈內(nèi)堿基配對而呈現(xiàn)發(fā)夾式或“+”字形結(jié)構(gòu)。重復(fù)序列之間沒有間隔的又稱之為回文(Palindrome)結(jié)構(gòu)。

2.衛(wèi)星DNA(satelliteDNA)

重復(fù)單位一般由2～10bp組成,且成串排列。因堿基組成不同于其他部分，用等密度梯度離心法可與主體DNA分開,故稱為衛(wèi)星DNA或隨體DNA。

3.α衛(wèi)星DNA(α-satelliteDNA)

由較復(fù)雜的重復(fù)單位所組成，靈長類所獨有。衛(wèi)星DNA或隨體DNA（SatelliteDNA）

因堿基組成不同于其他部分，用等密度梯度離心法可將衛(wèi)星DNA與主體DNA分開。CsCl等密度梯度離心高度重復(fù)順序的主要功能：

①參與復(fù)制水平的調(diào)節(jié)

②參與基因表達的調(diào)控

③參與轉(zhuǎn)位作用:幾乎所有轉(zhuǎn)位因子的末端都包含反向重復(fù)序列，可以形成回文結(jié)構(gòu)，既能連接非同源的基因，又可以被參與轉(zhuǎn)位的特異酶所識別；

④與進化有關(guān):具有種屬特異性，但相近種屬又有相似性；

⑤與個體特征有關(guān):同一種屬中不同個體的高度重復(fù)序列的重復(fù)次數(shù)不一樣，這可以作為每個個體的特征，即DNA指紋；

⑥與染色體減數(shù)分裂時染色體配對有關(guān):α衛(wèi)星DNA成簇分布在染色體著絲粒附近，同源染色體之間的聯(lián)會可能依賴于具有染色體專一性的特定衛(wèi)星DNA序列。

(二)中度重復(fù)序列

重復(fù)數(shù)十至數(shù)萬次(<105)的重復(fù)序列短分散重復(fù)片段

●

Alu家族:是哺乳動物基因組中含量最豐富的一種中度重復(fù)序列家族.

●

hinf家族:（略）

長分散重復(fù)片段

●

KpnI家族●組蛋白基因

●超基因:一個基因簇中含有幾百個功能相關(guān)的基因，這樣的基因簇稱為超基因。如人類主要組織相容性抗原復(fù)合體HLA和免疫球蛋白重鏈與輕鏈基因。

中度重復(fù)順序的主要功能★

中度重復(fù)序列大多不編碼蛋白質(zhì)?！镉行┲卸戎貜?fù)序列則是編碼蛋白質(zhì)或rRNA的結(jié)構(gòu)基因：如HLA基因、rRNA基因、tRNA基因、組蛋白基因、免疫球蛋白基因等?！镏卸戎貜?fù)序列一般具有種屬特異性。

(三)低度重復(fù)序列

在單倍體基因組中只出現(xiàn)一次或數(shù)次，因而復(fù)性速度很慢?！醯投戎貜?fù)序列在人類基因組中占60％-65％?！醯投戎貜?fù)序列中儲存了巨大的遺傳信息，編碼各種不同功能的蛋白質(zhì)?！醯投戎貜?fù)序列的兩側(cè)往往為散在分布的重復(fù)序列。

五、多基因家族與假基因

(一)多基因家族

多基因家族(multigenefamily)是指由某一祖先基因經(jīng)過重復(fù)和變異所產(chǎn)生的一組基因。如組蛋白基因家族、珠蛋白基因家族。(二)假基因在多基因家族中，某些成員并不產(chǎn)生有功能的基因產(chǎn)物，這些基因稱為假基因(pseudogene)。

六、多態(tài)性

1．不同種類的真核生物體內(nèi)，基因組DNA結(jié)構(gòu)存在著相當(dāng)大的差異；2．同種生物的不同個體之間，基因組DNA序列也存在差異。

限制性核酸內(nèi)切酶片段長度多態(tài)性(restrictionfragmentlengthpolymorphism，RFLP)：

基因組中某個基因在同種生物的不同個體中，同時和經(jīng)常存在兩種或兩種以上的變異型，以至于用某種限制性核酸內(nèi)切酶消化基因組的某段序列時，會呈現(xiàn)不同的消化片段，形成生物群體的多態(tài)性，這種多態(tài)性稱為限制性核酸內(nèi)切酶片段長度多態(tài)性。

RFLP分為兩種類型：

點多態(tài)性、較大的順序變化

限制性核酸內(nèi)切酶片段長度多態(tài)性七、基因重疊(geneoverlapping)

所謂基因重疊，就是指基因組DNA中某些序列被兩個或兩個以上的基因所共用。復(fù)習(xí)：第二章重疊基因(overlappinggene)指同一段DNA序列能編碼2-3種蛋白質(zhì)多肽鏈。即編碼順序位于同一段DNA序列中，并相互重疊。第二節(jié)

基因組結(jié)構(gòu)與疾病

一、人類染色體的結(jié)構(gòu)與疾病

(一)人體染色體數(shù)目、結(jié)構(gòu)和形態(tài)

1．染色體數(shù)目

●正常人的體細胞：具有46條染色體，稱為二倍體(2n)。其中44條(22對)為常染色體，另兩條為性染色體(女性為XX，男性為XY)。

●配子細胞(精子和卵)：具有23條染色體，稱為單位體(n)。卵細胞為22+X，精子為22+X或22+Y。

2．染色體形態(tài)

根據(jù)染色體的長度和著絲粒的位置將人類染色體順次由1編到22號，并分為A、B、C、D、E、F、G等7個組。正常人體染色體核型（男性）

Q顯帶：用熒光染料喹吖因氮芥體外處理染色體標(biāo)本。G顯帶：用熱、堿、胰酶、尿素、去垢劑或某些鹽溶液預(yù)先處理染色體標(biāo)本，再經(jīng)Giemsa染色，則染色體可顯示出不同的帶紋。R帶：與G帶明暗相反；C帶：專門顯示著絲粒異染色質(zhì)；T帶：專一顯示染色體端粒；N帶：顯示核仁組織區(qū)。常用的顯帶方法G顯帶正常人體染色體核型（女性）(二)染色體的數(shù)目異常與疾病

1．多倍體和多倍性

體細胞染色體倍數(shù)超過二倍(2n)的細胞稱為多倍體細胞，體細胞獲得多倍體(polyploidy)的性狀稱為多倍性。

2．異倍性或非整倍性

細胞的染色體數(shù)非23的整倍時，稱為異倍體細胞，少于46，稱為亞二倍體；多于46，稱為超二倍體；67可稱為亞三倍體等。

3．三體性和單體性

體細胞的某號染色體增多一條，稱為三體性(trisomy)；體細胞的某號染色體減少一條，稱為單體性(monosomy)。典型常見病例：三體性：Down綜合征(47，+21)、Klinefelter綜合征(47，XXY)、Patau綜合征(47，+13)、Edward綜合征(47，+18)等，

□

臨床上多表現(xiàn)為智力損害和發(fā)育畸形。單體性：Turner綜合征(45，XO)。

□常染色體的單體性由于嚴(yán)重破壞基因平衡，因而是致死的。

(三)染色體的結(jié)構(gòu)異常與疾病

1．染色體結(jié)構(gòu)異常的類型常見的染色體結(jié)構(gòu)異常有：

①缺失(deletion)：主要見于染色體部分丟失；

②環(huán)狀染色體(ringchromosome)：

當(dāng)一條染色體的兩臂各有一次斷裂，有著絲粒節(jié)段的兩個斷裂端如彼此重新連接，可形成環(huán)狀染色體；

③等臂染色體(isochromosome)：

染色體斷裂如果發(fā)生在著絲粒區(qū)，使著絲粒橫斷，則兩個臂的姐妹染色單體可分別互相連接，導(dǎo)致長臂與長臂重連，短臂與短臂重連，形成等臂染色體;

④倒位(inversion)：

如果兩次斷裂形成的片段倒轉(zhuǎn)180度重新接合，那么，雖然沒有染色體物質(zhì)的丟失，但基因順序顛倒。臂內(nèi)倒位：倒位發(fā)生在同一臂內(nèi)。臂間倒位：兩次斷裂分別發(fā)生在長臂和短臂。

⑤易位(translocation)：染色體片段位置的改變稱為易位。

移位(shift)或染色體內(nèi)易位：易位發(fā)生在一條染色體內(nèi)。

染色體間易位：易位發(fā)生在兩條同源或非同源染色體之間。

染色體間易位包括：□轉(zhuǎn)位(transposition)

□相互易位(reciprocaltranslocation)

●相互易位是比較常見的染色體結(jié)構(gòu)畸變。

⑥雙著絲粒染色體：

兩條染色體斷裂后，具有著絲粒的兩個片段相連接，形成一個雙著絲粒染色體。兩個無著絲粒片段也可以連接成一個無著絲粒片段(通常在細胞分裂時丟失)。

⑦插入(insertion)：●一條染色體的某一節(jié)段插人到另一染色體中?！癫迦肟梢允钦坏?，也可以反向插入。●插入如發(fā)生在同源染色體間，則導(dǎo)致一條染色體中發(fā)生重復(fù)，而另一條同源染色體的同一節(jié)段發(fā)生缺失；

⑧重復(fù)(duplication)：

染色體的某些區(qū)段多出一份時稱為重復(fù)。染色體的相互易位、插入等都是導(dǎo)致重復(fù)的主要原因。2．染色體結(jié)構(gòu)異常與疾病

貓叫綜合征：主要為5p15缺失。脆性X染色體綜合征：是由于X染色體長臂2區(qū)7帶(Xq27)具有隨體和細絲狀次縊痕，稱為脆性部位(fragilesite)，在Xq27處有脆性部位的X染色體稱為脆性X染色體(fragileX)。Down綜合征：主要是由于患者體內(nèi)多了一條21號染色體(47，+21)。Turner綜合征：主要是由于患者體內(nèi)少了一條X染色體(45，X)。二、基因結(jié)構(gòu)與疾病

基因組結(jié)構(gòu)：是指基因組DNA中不同的功能片段在整個基因組中的分布。基因組結(jié)構(gòu)的改變不一定導(dǎo)致基因結(jié)構(gòu)的改變，基因結(jié)構(gòu)的改變也不一定導(dǎo)致基因功能的異常。只有當(dāng)缺失、倒位、易位、插入等引起基因突變，而且這種突變又改變了基因的編碼序列或影響了基因的調(diào)控序列時，基因的功能才發(fā)生異常。

基因結(jié)構(gòu)異常：

●廣義上:包括染色體畸變(chromosomeaberration)和基因突變(genemutation)。

●狹義上:

基因結(jié)構(gòu)異常一般指基因突變?；蛲蛔儯杭椿虻暮塑账嵝蛄谢驍?shù)目發(fā)生改變。DNA分子中只出現(xiàn)單個堿基改變者稱為點突變(pointmutation)，涉及多個堿基改變的有缺失，重復(fù)以及插入等?；虿?

包括單基因病(monogenicdisease)和多基因病(multigenicdisorder)基因結(jié)構(gòu)異常與疾病1．單基因病

(1)三聯(lián)體重復(fù):

基因序列中有高度重復(fù)的三聯(lián)體序列。

如：脆性X綜合征:含CGG三聯(lián)體重復(fù)；脊髓延髓肌萎縮(Kennedy病):含CAG三聯(lián)體重復(fù)；強直性肌萎縮:含GCT三聯(lián)體重復(fù)；Huntington舞蹈病:含CAG三聯(lián)體重復(fù)。

(2)

血紅蛋白病

由于珠蛋白基因突變導(dǎo)致珠蛋白分子結(jié)構(gòu)或合成量異常所引起的疾病，稱為血紅蛋白病(hemoglobinopathy)。

(3)

苯丙酮尿癥(PKU)

患者肝細胞缺乏苯丙氨酸羥化酶，使體內(nèi)的苯丙氨酸不能正常代謝為酪氨酸，導(dǎo)致血清中苯丙酮酸濃度升高。(4)遺傳性原發(fā)痛風(fēng)

病因是次黃嘌呤—鳥嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶(HGPRT)缺失所致，部分缺失時，臨床表現(xiàn)為尿酸過多的痛風(fēng)特征；當(dāng)完全缺失時，表現(xiàn)為高尿酸血癥、精神發(fā)育遲緩等特征的自毀容貌綜合征。HGPRT基因定位于X染色體長臂遠端，因此該病表現(xiàn)為X連鎖。2．多基因病

(1)原發(fā)性高血壓：原發(fā)性高血壓的致病基因及相關(guān)基因尚不明確。但是，現(xiàn)已列出的高血壓候選基因有150多個。(2)糖尿?。禾悄虿∈且环N具有明顯遺傳傾向的多基因疾病，根據(jù)發(fā)病機制，可分為I型、Ⅱ型和妊娠型糖尿病。(3)實體瘤：（略）

三、端粒與端粒酶

真核細胞的染色體末端存在著一種由DNA片段和蛋白組成的獨特的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對維持染色體的穩(wěn)定性具有重要作用，如果失去了這些片段，染色體就會互相粘連到一塊，發(fā)生結(jié)構(gòu)及功能上的改變，從而影響到細胞的分裂與生長，這一結(jié)構(gòu)定義為端粒(telomere)。

(一)端粒結(jié)構(gòu)

組成端粒的DNA是由非編碼重復(fù)序列所組成，重復(fù)序列中富含G。重復(fù)序列因物種而異。組成端粒的蛋白質(zhì)在維持端粒DNA長度上可能起重