第二章第一節(jié)基因與基因組

1、基因概念的歷史演變2、割裂基因3、重疊基因4、基因和基因組大小5、真核生物DNA序列組織6、細(xì)胞器基因組7、基因鑒定8、人類基因組計劃第一節(jié)基因概念的歷史演變早期關(guān)于遺傳物質(zhì)的臆測基因的前奏——遺傳因子遺傳的染色體學(xué)說“基因”一詞的創(chuàng)立基因存在的證實基因化學(xué)本質(zhì)以及功能的認(rèn)識近代基因的概念1早期關(guān)于遺傳物質(zhì)的臆測

1864年英國哲學(xué)家斯賓塞“生理單位”；1868年達(dá)爾文將其稱為“微芽”；1883年德國生物學(xué)家魏斯曼稱之為“種質(zhì)”1884年瑞士植物學(xué)家馮內(nèi)格列“異胞質(zhì)”；1889年荷蘭學(xué)者德弗里斯稱為“泛生子”；2基因的前奏——遺傳因子

1865年Mendel,兩個基本遺傳規(guī)律——分離規(guī)律和自由組合規(guī)律，并提出了“遺傳因子”的觀點。指出遺傳因子是一種物質(zhì)，它控制著生物的性狀。3遺傳的染色體學(xué)說

1903年，薩頓和鮑威爾遺傳的染色體學(xué)說認(rèn)為孟德爾的“遺傳因子”與配子形成以及受精過程中的染色體傳遞行為具有平行性，且孟德爾的遺傳因子位于染色體上，第一次把遺傳物質(zhì)和染色體聯(lián)系起來。4“基因”一詞的創(chuàng)立:1909年，丹麥遺傳學(xué)家約翰遜。替代Mendel早年所提出的遺傳因子(geneticfactor)一詞，并創(chuàng)立了基因型(genotype)和表現(xiàn)型(phenotype)的概念。5基因存在的證實1926年美國摩爾根《基因論》出版認(rèn)為基因是組成染色體的遺傳單位，并且證明基因在染色體上占有一定位置，而且呈線性排列。提出“功能、交換、突變”三位一體的基因概念。6基因化學(xué)本質(zhì)以及功能的認(rèn)識“一個基因一種酶”和“一個基因一條多肽鏈”基因的化學(xué)本質(zhì)是DNA(有時是RNA)

基因順反子的概念基因是一段有功能的DNA序列

6.1從“一個基因一個酶”到“一個基因一條多肽鏈”1941年GWBeadle和ELTatum一個基因一個酶：紅色鏈孢霉各種營養(yǎng)缺陷突變體與酶缺陷相關(guān)------基因?qū)π誀畹目刂剖峭ㄟ^基因控制酶的合成來實現(xiàn)的。本世紀(jì)50年代，Yanofsky一個基因一條多肽鏈：有些蛋白質(zhì)不只由一種肽鏈組成，如血紅蛋白和胰島素，不同肽鏈由不同基因編碼。BeadleTatum

6.2DNA是遺傳物質(zhì)(有時是RNA)

1944年，Avery證實了DNA是遺傳物質(zhì)。有些病毒只含有RNA。

6.3基因順反子（Cistron）的概念1955年，美國本茲爾(Benzer)提出順反子的概念：是指編碼一個蛋白質(zhì)的全部組成所需信息的最短片段，即一個基因?；騼H是一個功能單位，基因內(nèi)部的堿基對才是重組單位和突變單位。一對同源染色體上兩突變（a和b）在同一染色體上時，稱為順式構(gòu)型，兩突變（a和b）在兩條染色體上時，為反式構(gòu)型；順反互補(bǔ)測驗（cis-transtest）：比較順式和反式構(gòu)型個體的表型來判斷兩個突變是否發(fā)生在一個基因（順反子）內(nèi)的測驗。測驗時:兩突變發(fā)生在同一基因上，雜合體就不存在野生型的基因，因而為突變體表型；如果兩突變在兩個不同的基因上，后代雜合體中將有一個基因是野生型的，另外一個基因是突變型，雜合體的表型成了野生型。這兩個基因的這種關(guān)系稱為互補(bǔ)?；騼?nèi)突變位點在同一基因上突變位點在不同的基因上基因上；的基因上；

6.4基因是一段有功能的DNA序列

DNA雙螺旋模型1953年Watson和Crick提出遺傳中心法則1957年Crick提出順反互補(bǔ)試驗1955年Benzer提出：順反子三聯(lián)遺傳密碼的破譯Nirenberg等

1961-67年：

70年代：可移動基因的證實、隔裂基因和重疊基因的發(fā)現(xiàn)等。7近代基因的概念：基因是一段有功能的DNA序列，基因是遺傳的功能單位，DNA分子中不同排列順序的DNA片段構(gòu)成特定的功能單位；★

可轉(zhuǎn)錄、可翻譯的（結(jié)構(gòu)基因：能夠編碼多肽鏈的基因

)★可轉(zhuǎn)錄但不翻譯(

tDNA,rDNA)★不轉(zhuǎn)錄、不翻譯(調(diào)控基因：調(diào)控鄰近的結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)，如：啟動基因，操縱基因)

基因的類型不是所有的基因都能為蛋白質(zhì)編碼基因的新概念斷裂基因重疊基因跳躍基因等第三章基因與基因組

第一節(jié)基因概念的歷史演變第二節(jié)真核生物的割裂基因第三節(jié)重疊基因第四節(jié)基因和基因組大小第五節(jié)真核生物DNA序列組織第六節(jié)細(xì)胞器基因組第七節(jié)基因鑒定第八節(jié)人類基因組計劃

1割裂基因（splittinggene）

不連續(xù)基因

斷裂基因發(fā)現(xiàn)：1977[美]Sharp&Roberts

同時發(fā)現(xiàn)了斷裂基因

[法]Chambon

失機(jī)通過成熟mRNA（或cDNA）與編碼基因的DNA雜交試驗而發(fā)現(xiàn)。RichardJ.RobertsPhillipA.SharpNobelPrize1993雜交（hybridization）雜交：親緣關(guān)系很近的不同來源的DNA單鏈或RNA單鏈與DNA單鏈之間通過堿基互補(bǔ)形成雜交分子的過程。圖核酸雜交及其應(yīng)用示意圖1

雜化雙鏈Ⅱ.突變體的鑒別I變性、復(fù)性和雜交Ⅲ.分子探針標(biāo)記

[法]Chambon

失機(jī)

雞的輸卵管分泌卵清蛋白、卵粘蛋白和伴清蛋白，而其紅細(xì)胞（鳥類的紅細(xì)胞上有核的）只合成血紅蛋白，那么兩種組織之間DNA有什么不同呢？

southern雜交EcoR1HindIII

Berget,Sharp小組和Roberts小組用R環(huán)法雞卵清蛋白基因DNA與其mRNA雜交圖割裂基因：基因的編碼序列在DNA上不是連續(xù)的，而是被不編碼的序列隔開。外顯子Exon

：基因中編碼的序列，與mRNA的序列相對應(yīng)。內(nèi)含子Intron

：基因中不編碼的序列。PrecursormRNA(pre-mRNA)HeterogeneousnuclearRNA(HnRNA)真核生物基因的轉(zhuǎn)錄物又稱為所以－－真核生物基因又稱為SplittinggeneInterruptedgene間隔基因，斷裂基因前體mRNA,核內(nèi)不均一RNA由于真核生物的絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)基因都含有內(nèi)含子剪接:前體RNA中由內(nèi)含子轉(zhuǎn)錄下來的序列去除，并把由外顯子轉(zhuǎn)錄的RNA序列連接起來的過程。割裂基因前體mRNAIntrons

去除Exons

連接剪接2割裂基因的分布a)真核生物中：絕大部分結(jié)構(gòu)基因

tDNA,rDNA

mtDNA,cpDNAb)原核生物中：SV40大T抗原gene小t抗原geneT4噬菌體的胸苷合成酶gene1017bp

intron

Splittinggene并非真核生物所特有c)

并非真核生物所有的結(jié)構(gòu)基因均為splittinggene

不是splittinggene組蛋白基因家族干擾素酵母中多數(shù)基因成熟酶合成受

intronII的調(diào)控

a)

Intron

并非“含而不露”

酵母細(xì)胞色素b基因IntronII編碼成熟酶3割裂基因概念的相對性

b)

Exon

并非“表里如一”

人類尿激酶原基因ExonI不編碼氨基酸序列4割裂基因的性質(zhì)：1）外顯子在基因中的排列順序和它在成熟mRNA產(chǎn)物中的排列順序是相同的，2）某種割裂基因在所有組織中都有相同的內(nèi)含子成分，3）核基因的內(nèi)含子的可讀框通常含無義密碼子，沒有編碼功能。4）通常內(nèi)含子上發(fā)生的突變不能影響蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，其突變對生物體沒有影響；但也有例外。第三章基因與基因組

第一節(jié)基因概念的歷史演變第二節(jié)真核生物的割裂基因第三節(jié)重疊基因第四節(jié)基因和基因組大小第五節(jié)真核生物DNA序列組織第六節(jié)細(xì)胞器基因組第七節(jié)基因鑒定第八節(jié)人類基因組計劃1重疊基因1.1重疊基因的概念

重疊基因：是指兩個或兩個以上的基因共有一段DNA序列。1.2重疊基因的發(fā)現(xiàn)：1978年，Sanger，F(xiàn)eir

X174DNA全長：5386核苷酸編碼的9種蛋白全長：2000個氨基酸；

3X2000=6000核苷酸噬菌體G4、MS2和SV40中都發(fā)現(xiàn)了重疊基因原核生物的重疊基因

1.3基因重疊的方式

1）大基因內(nèi)包含小基因：如：B基因包含在A基因內(nèi)，E基因完全包含在D基因內(nèi)。

2）前后兩基因首尾重疊：

例1：如：基因D終止

X174DNA序列：5’—T—A—A—T—G—3’重疊一個堿基基因J起始例2：如：基因A終止

X174DNA序列5’—A—T—G—A—3’重疊4個堿基基因C起始根據(jù)密碼子的起始位置，一個DNA順序可能有3種閱讀框例如，序列ATTCGATCGCAACAAA

ATTCGATCGATTCGATCGCAAATTCGATCGCA（1）（3）（2）但只有一種具有編碼的作用，稱為開放閱讀框（openreadingframe，ORF）。開放閱讀框：基因序列的一部分，包含一段可以編碼蛋白的堿基序列，不能被終止子打斷。

果蠅蛹上皮蛋白質(zhì)基因位于另一個基因的內(nèi)含子之中人I型神經(jīng)纖維瘤(NF1)基因的第一個內(nèi)含子中有三個編碼蛋白質(zhì)的基因，其轉(zhuǎn)錄方向與NF1的相反。線蟲基因組中每個基因平均有5個內(nèi)含子，有的內(nèi)含子中包含tRNA基因，其轉(zhuǎn)錄方向不一定與包含它的基因的轉(zhuǎn)錄方向一致?？梢?，兩個重疊基因的轉(zhuǎn)錄是各自獨立、互不依賴。2真核生物的重疊基因真核生物的重疊基因第三章基因與基因組

第一節(jié)基因概念的歷史演變第二節(jié)真核生物的割裂基因第三節(jié)重疊基因第四節(jié)基因和基因組大小第五節(jié)真核生物DNA序列組織第六節(jié)細(xì)胞器基因組第七節(jié)基因鑒定第八節(jié)人類基因組計劃1.1取決于它所包含的內(nèi)含子的長度例如：31Kb的二氫葉酸還原酶基因含6個外顯子，mRNA長度為2Kb，內(nèi)含子長29Kb，內(nèi)含子比外顯子大很多。在進(jìn)化相關(guān)的相似組織的基因，其外顯子基本一致，內(nèi)含子的位置也是保守的，只是長度有變化。如小鼠的a-珠蛋白基因長度850bp，b-珠蛋白1382bp，兩個的mRNA卻大小差不多。1基因的大小1.2取決于所包含的內(nèi)含子的數(shù)目不同生物的外顯子數(shù)目隨著進(jìn)化增加，基因平均長度也在增加?；蚪M（genome）：指一個物種單倍體的染色體所攜帶的一整套基因。2基因組：例：人類與E.coli編碼基因數(shù)目的比較

E.coli.4.2X106bp編碼約3000種基因人類3.3X109

bp

大腸桿菌的700多倍

有上百萬個基因？？？根據(jù)不同細(xì)胞中的mRNA數(shù)目估算表達(dá)基因

人類編碼基因約為3-4萬個

約為大腸桿菌的30倍，那么90％以上的DNA功能何在？？果蠅基因組的基因與預(yù)期的編碼蛋白質(zhì)的基因的數(shù)量相比，基因組的DNA含量過多真核生物與原核生物基因組的比較：

1）真核生物基因分布在多個染色體上，而原核生物只一個染色體。2）真核生物在基因組轉(zhuǎn)錄后的絕大部分前體RNA必須經(jīng)過剪接過程才能形成成熟的mRNA，而原核生物的基因幾乎不需要轉(zhuǎn)錄后加工。3）真核生物細(xì)胞中DNA與組蛋白和大量非組蛋白結(jié)合，并有核膜將其與細(xì)胞質(zhì)隔離，結(jié)果真核細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄和翻譯在時間上和空間上都是分離的，而原核細(xì)胞的基因轉(zhuǎn)錄和翻譯是同步的。4）真核生物的基因是不連續(xù)的，中間存在不被翻譯的內(nèi)含子序列，而原核生物幾乎每一個基因都是完整的連續(xù)的DNA片段。3基因組大小和C值C值(CValue)：在每一種生物中其單倍體基因組的DNA總量是特異的。DNA的長度是根據(jù)堿基對的多少推算出來的。C值是每種生物的一個特征，不同生物之間差別很大低等真核生物中與形態(tài)學(xué)復(fù)雜程度相關(guān)，但高等真核生物中變化很大生物體進(jìn)化程度高低與C值不成明顯線性相關(guān)親緣關(guān)系相近的生物C值相差較大。高等生物的C值不一定就意味著它的C值高于比它低等的生物。C值矛盾/C值悖論：C值和生物結(jié)構(gòu)或組成的復(fù)雜性不一致的現(xiàn)象。C值變化范圍寬意味著在某些生物中有DNA是不編碼的。某些生物的基因組數(shù)據(jù)

物種基因組大小基因數(shù)目基因長度

ΦX1740.7kb10λ噬菌體45Kb100大腸桿菌4.2Mb42001.2kb釀酒酵母13.5Mb63001.4kb果蠅14Mb1200011.3kb人3.3Gb3500016.3kb擬南芥70Gb250004基因組的基因數(shù)目第三章基因與基因組

第一節(jié)基因概念的歷史演變第二節(jié)真核生物的割裂基因第三節(jié)重疊基因第四節(jié)基因和基因組大小第五節(jié)真核生物DNA序列組織第六節(jié)細(xì)胞器基因組第七節(jié)基因鑒定第八節(jié)人類基因組計劃1DNA的復(fù)性動力學(xué)2重復(fù)序列3真核生物的DNA序列第五節(jié)真核生物DNA序列組織DNA復(fù)性過程遵循二級反應(yīng)動力學(xué)DNA復(fù)性過程中單鏈消失的速度用公式表示：

-dC/dt=kC2

1DNA的復(fù)性動力學(xué)其中，C是單位時間的單鏈DNA的濃度K＝復(fù)性速度常數(shù)DNA復(fù)性的影響因素：DNA序列的復(fù)雜性、初始濃度、片段大小、溫度、離子強(qiáng)度1DNA的復(fù)性動力學(xué)2重復(fù)序列3真核生物的DNA序列第五節(jié)真核生物DNA序列組織2重復(fù)序列(repetitivesequences)根據(jù)復(fù)性動力學(xué)研究將真核生物DNA序列歸類：單拷貝序列輕度重復(fù)序列中度重復(fù)序列高度重復(fù)序列1）單拷貝序列(singlecopysequences)

又稱非重復(fù)序列：一個基因組中只有一個拷貝。慢復(fù)性速度單一序列的復(fù)性曲線常只有一個拐點，而重復(fù)序列常有多個拐點。

結(jié)構(gòu)基因

(蛋白質(zhì)基因)大多是單拷貝序列。大部分結(jié)構(gòu)基因位于非重復(fù)的DNA序列內(nèi)2）輕度重復(fù)序列(lightrepetitivesequences)在基因組中重復(fù)數(shù)2-10的重復(fù)順序，為慢復(fù)性速度。少數(shù)在基因組中成串排列在一個區(qū)域，大多數(shù)與單拷貝基因間隔排列。多為編碼功能的序列3）中度重復(fù)序列(moderaterepetitivesequences)基因組中重復(fù)數(shù)十至數(shù)萬（<105）次的重復(fù)順序，復(fù)性速度快于單拷貝順序，慢于高度重復(fù)順序。多與單拷貝基因間隔排列。多為非編碼序列，如Alu序列也有編碼基因產(chǎn)物的，如rDNA、tDNA、組蛋白基因家族,一般往往以基因家族的形式組織。rDNAgenefamily海膽450copies煙草750copies果蠅100copiesHistonegenefamily

組蛋白基因家族TS:可轉(zhuǎn)錄的間隔序列NTS:不轉(zhuǎn)錄的間隔序列NTSNTS真核生物的Alufamily300,000copies廣泛分布于非重復(fù)序列間300bp300bp300bp6000bp6000bp6000bp6000bp4）高度重復(fù)序列(highlyrepetitivesequences)在基因組中重復(fù)頻率高，可達(dá)百萬(106)以上，復(fù)性速度很快。序列一般較短，長10-300bp，如真核生物的衛(wèi)星DNA。衛(wèi)星DNA序列螃蟹2ATATAT…..果蠅5ATAATATAAT…..老鼠9GAAAAATGAGAAAAATGA重復(fù)堿基數(shù)序列不同生物的非重復(fù)基因占基因組的比例差別很大；原核生物無重復(fù)序列

低等真核生物10-20%repetitivesequence

高等植物80%

高等動物50%、1DNA的復(fù)性動力學(xué)2重復(fù)序列3真核生物的DNA序列3.1真核生物的單一序列3.2真核生物的重復(fù)序列第五節(jié)真核生物DNA序列組織3.1真核生物的單一序列單拷貝順序在基因組占50-80％，平均長度為13000bp單拷貝順序儲存了巨大的遺傳信息。只有一小部分單拷貝序列編碼蛋白質(zhì)。3.2真核生物的重復(fù)序列基因家族(有編碼功能)基因外的重復(fù)DNA序列(無編碼功能)3.2.1基因家族1）基因家族（genefamily）：真核生物基因組中來源相同，結(jié)構(gòu)和功能相關(guān)的基因聚集在一起形成基因家族。根據(jù)分布形式分基因簇和散布的基因家族：A基因簇（genecluster）基因家族的各個成員緊密成簇排列成大段的串聯(lián)重復(fù)單位，分布在某一條染色體的特殊區(qū)域；它們可同時發(fā)揮作用，合成某些蛋白質(zhì)。如組蛋白基因家族聚集在第7號染色體長臂3區(qū)內(nèi)。Histonegenefamily

組蛋白基因家族假基因（pseudogene）：具有與功能基因相似的序列，但由于有許多突變以致失去了原有的功能，所以假基因是沒有功能的基因，用ψ表示。來源：一般認(rèn)為是由mRNA反轉(zhuǎn)錄成cDNA，然后整合在基因組中，假基因不含內(nèi)含子。B散布的基因家族（interspersedgenefamily）概念：一個基因家族的不同成員成簇地分布不同染色體上，各成員在序列上有明顯差異。這些不同成員編碼一組功能上緊密相關(guān)的蛋白質(zhì)，如珠蛋白基因家族。兩種亞基的編碼基因分別形成兩個不同的基因簇，并存在于不同的染色體上.人類珠蛋白基因家族－－－典型的血紅蛋白珠蛋白血紅素α2β2

不同的亞基由各自的基因編碼2)廣義的基因家族

根據(jù)基因家族成員序列的相似程度分類：A經(jīng)典的基因家族，家族成員序列有高度的同源性，序列一致，拷貝數(shù)高，非轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)短而一致。B基因家族各成員的編碼產(chǎn)物保守（大段的高度保守氨基酸序列）；只是DNA序列的相似性低。C基因家族各成員的編碼產(chǎn)物之間只有很短的保守氨基酸序列，DNA序列的相似性更低。D超基因家族，各基因序列之間無同源性，但其基因產(chǎn)物的功能相似。編碼產(chǎn)物之間也無明顯的保守氨基酸序列，但也有一些共同特征。1DNA的復(fù)性動力學(xué)2重復(fù)序列3真核生物的DNA序列3.1真核生物的單一序列3.2真核生物的重復(fù)序列3.2.1基因家族(有編碼功能)3.2.2基因外的重復(fù)DNA序列(無編碼功能)第五節(jié)真核生物DNA序列組織3.3.2基因外的重復(fù)序列即為無編碼功能的重復(fù)序列1)串聯(lián)重復(fù)DNA-衛(wèi)星DNA(高度重復(fù)序列)2)散布的重復(fù)DNA1)衛(wèi)星DNA(satelliteDNA)特點：高度重復(fù)序列，重復(fù)單位由2-10bp組成，成串排列，重復(fù)數(shù)以百萬次106。衛(wèi)星DNA序列螃蟹2ATATAT…..果蠅5ATAATATAAT…..老鼠9GAAAAATGAGAAAAATGA重復(fù)堿基數(shù)序列衛(wèi)星DNA：這類高度重復(fù)序列的堿基組成不同與其他部分，浮力密度也不同，用等密度梯度離心法可將其與主體DNA分開。等密度梯度離心法浮力密度衛(wèi)星DNA的分類(1)衛(wèi)星DNA：長串聯(lián)重復(fù)序列，位于染色體上的異染色區(qū)域。(2)小衛(wèi)星DNA重復(fù)序列(minisatellite)：中等大小的串聯(lián)重復(fù)序列，位于染色體末端，或其他部位。高變小衛(wèi)星DNA：重復(fù)單位之間的序列差異大，但是有一個核心序列GGGCAGGAXG,近端粒部位；端粒DNA：

主要有六個串聯(lián)重復(fù)單位組成TTAGGG衛(wèi)星DNA的分類(3)微衛(wèi)星(microsatellite,MS)或為簡短串聯(lián)重復(fù)(STR,shorttandemrepeats):由更簡單的重復(fù)單位組成的小序列，一般為