1、第二章人基因human gene，第二章人基因、基因的概念基因的化學(xué)本質(zhì)人基因和基因組的結(jié)構(gòu)特征基因的生物學(xué)特性人基因組修訂畫， 基因概念1865年基因是特殊因子1871年核酸1903年染色體是基因單位1910年染色體是染色體上1913年染色體是包含線性序列的基因1927年突變是基因內(nèi)的物理變化1931年交換重組1944年DNA是基因物質(zhì)1945年基因編碼蛋白質(zhì)1951第一次序列分析1 953年DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)1958年DNA半保留復(fù)制1961年三連體代碼在1977年發(fā)現(xiàn)真核基因不連續(xù)性1977年DNA可以在1995年初對基因組進行定序，基因概念、基因(gene )是決定一定功能產(chǎn)物的DNA序

2、列。 該功能產(chǎn)物主要是蛋白質(zhì)和RNA。 一個基因的結(jié)構(gòu)中，除了編碼特定功能產(chǎn)物的DNA序列以外，還包括該特定產(chǎn)物表達所需的鄰近DNA序列。 基因的化學(xué)本質(zhì)是，在整個生物界中，大部分生物(包括人)基因的化學(xué)本質(zhì)是DNA，在只包括RNA和蛋白質(zhì)的某些病毒中，基因的化學(xué)本質(zhì)是RNA。 另一方面，由DNA分子構(gòu)成的DNA分子的基本單位是脫氧核苷酸，根據(jù)各自所具有的堿基，可以分為a、g、c、t 4種。 把這些按一定的順序排列連接起來構(gòu)成DNA單鏈。 它們的排列順序是DNA遺傳的核心。 二、DNA分子結(jié)構(gòu)雙螺旋結(jié)構(gòu)模型、基因的化學(xué)本質(zhì)、人類基因組、人類基因組是人所有遺傳信息的總和。 其中包括核基因組和線粒

3、體基因組兩個相對獨立的相互關(guān)聯(lián)的基因組。 一般來說，人類基因組是核基因組。 人類基因組的組織結(jié)構(gòu)、人類基因或人類基因組中的功能序列可分為單一基因、基因家族、模擬基因和串聯(lián)重復(fù)基因4種。 基因家族是指一個祖先基因反復(fù)變異而形成的一系列基因。 (1)一個基因簇：由一個基因生成多次拷貝(幾乎相同的序列)，簇排列在同一染色體上。 (2)多基因簇(圖35 ) :簇分布在幾個不同的染色體上。 例如，編碼珠蛋白的基因： 5個相關(guān)基因排列在16p染色體上。 偽基因或偽基因是指多基因家族的一部分成員不起作用的基因產(chǎn)物。 基因的分類、基因的構(gòu)造、真核生物基因的編碼序列被非編碼序列分割，多呈斷裂狀的構(gòu)造，所以也稱為

4、斷裂基因(split gene )。 另一方面，外顯子和內(nèi)顯子(exon):代碼排列內(nèi)顯子(intron):非代碼排列、外顯子內(nèi)顯子的連接器區(qū)域是非常保守的一致順序，被稱為外顯子內(nèi)顯子連接器。 從每個內(nèi)含子的5個末端開始的2個堿基是GT，3個末端的最后2個堿基是AG，通常將該接頭的形狀稱為GT-AG規(guī)律(GT-AG rule )。 這兩個序列非常保守，各種真核基因的內(nèi)含子都是共同的。 在各切斷基因中最初的外顯子的上游和最后的外顯子的下游，存在被稱為側(cè)翼順序的不轉(zhuǎn)錄的非編碼區(qū)域?；蚪Y(jié)構(gòu)、第二節(jié)遺傳的分子基礎(chǔ)、二、真核基因的分子結(jié)構(gòu)特征、基因組組成、人基因組按DNA序列分為單拷貝序列和重復(fù)頻率不

5、同的多拷貝序列。 單拷貝序列：基因組中只有單拷貝或少數(shù)拷貝，長度在8001000bp之間，其中有編碼細胞中各種蛋白質(zhì)和酶的結(jié)構(gòu)基因，占人類基因組的大多數(shù)。 重復(fù)多拷貝序列：分散插入整個基因組，根據(jù)復(fù)原性的速度，可分為簡單序列DNA和中度重復(fù)DNA。 以單純序列DNA(simple-sequence DNA )或衛(wèi)星DNA :小于105bp的小片段為單位多次串聯(lián)重復(fù)，占基因組整體的約1015，大部分長度達到105bp，多位于染色體的異染色質(zhì)區(qū)域。以蔗糖或氯化銫的密度梯度超離心圖案觀察到的染色體DNA的主帶附近的小帶DNA，重復(fù)多拷貝序列，重復(fù)多拷貝序列，有由小衛(wèi)星DNA(minisatellit

6、eDNA):15100BP組成的重復(fù)單元，20-50 中度重復(fù)DNA(intermediate repeat DNA ) :占基因組整體的約2540，以不同量分布于基因組整體的不同部位。 短分布元素(short interspersed element):DNA的長度最短為100bp500bp，復(fù)制數(shù)為105以上。 例如，Alu族長分散元件(長間隔元件) :最大6000bp7000bp，復(fù)印件數(shù)102 10。 如KpnI家族、重復(fù)多拷貝序列、基因生物學(xué)特性、DNA分子中堿基對的序列隱藏著遺傳信息，決定著基因的基本功能和特性。 基因的復(fù)制和表達構(gòu)成了基因的主要功能。 遺傳編碼：在DNA的脫氧核苷

7、酸長鏈上，每三個鄰接的堿基序列組成一個三聯(lián)體，每三聯(lián)體編碼一個氨基酸，因此三聯(lián)體(triplet )是遺傳信息的具體表達形式。 因此，三聯(lián)體也被稱為三聯(lián)體代碼、遺傳代碼或密碼子。 遺傳信息的存儲單位，編碼鏈：5 - ATG AAA CGA GTC TTA TGA -3，反編碼鏈： mRNA :3-tactttgctcagaaatact-5，5-augaaacgaga但線粒體DNA有3個遺傳編碼簡并性除少數(shù)氨基酸只有一個密碼子外，其佗氨基酸分別編碼為26個密碼子，這種現(xiàn)象被稱為遺傳編碼的簡并性(degeneracy )。 如果起始碼和起始碼AUG位于mRNA的5端起始，則是蛋白質(zhì)合成的起始信號，

8、被稱為起始密碼子(initiation codon )，如果不位于同時對蛋氨酸和蛋氨酸進行編碼的mRNA的起始端，則是蛋白質(zhì)合成的起始信號密碼子UAA、UAG和UGA不編碼任何氨基酸，作為肽鏈合成的終止信號被稱為終止密碼子。 基因通過自我復(fù)制保持遺傳連續(xù)性，基因具有自我復(fù)制(self-replication )的重要特性。 復(fù)制發(fā)生在細胞分裂周期的s期，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)解旋為兩條多核苷酸鏈，以DNA分子自身的一條一條為模板進行自我復(fù)制合成新的DNA分子。 復(fù)制的起點由特定的堿基序列組成。 真核生物的復(fù)制從多個部位同時開始。 新鏈的復(fù)制過程具有一定的特征互補性：半保留性：反向平行性：非對稱性：不

9、連續(xù)性：基因通過自我復(fù)制保持遺傳連續(xù)性，基因表達(gene expression ) :將基因中積累的遺傳信息轉(zhuǎn)化為由特定氨基酸種類和序列組成的多肽鏈， 由多肽鏈構(gòu)成的基因表達包括以DNA為模板轉(zhuǎn)錄合成mRNA的工序和以DNA為模板轉(zhuǎn)錄合成mRNA的工序兩個工序，將遺傳信息轉(zhuǎn)錄到多肽鏈中對應(yīng)的氨基酸的種類和序列、基因表達、轉(zhuǎn)錄(transcription 以DNA的35單鏈(反碼鏈)為模板，遵循堿基互補對的原則(其中RNA為u和DNA的a對，其協(xié)同轉(zhuǎn)錄的最終產(chǎn)物為mRNA、tRNA、rRNA等。 基因表達、轉(zhuǎn)錄過程：將mRNA的合成分為開始、延長、終止3個連續(xù)步驟。 在初始階段，RNA聚合酶可

10、以與啟動子結(jié)合，發(fā)起RNA的轉(zhuǎn)錄合成。拉伸過程中RNA聚合酶由全酶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橹髅附Y(jié)構(gòu)，向模鏈的35個方向移動，準確遵循堿基互補原則，以三磷酸(UTP、CTP、GTP和ATP )為基質(zhì)，在3端各添加一個氨基酸，使mRNA不斷拉伸。 當RNA聚合酶在DNA模板上移動到達終止信號時，終止RNA合成。 發(fā)現(xiàn)的啟動子中有TATA箱、CAAT箱、GC箱、增強子等，它們是結(jié)構(gòu)基因的側(cè)翼排列轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工和修飾：由RNA聚合酶催化形成的初始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物只是mRNA的前體，經(jīng)過加工和修飾，形成功能性的mRNA。 主要在“封頂”(capping)5末端加入“7-甲基鳥的部位吟核苷酸”，在“提升”(tailing)3末

11、端加入聚腺苷酸(poly A )和連接，按照GT-AG的規(guī)律切除內(nèi)含子，觸發(fā)外顯子翻譯(translation ) :以mrna為模板指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的過程。 蛋白質(zhì)合成在細胞質(zhì)內(nèi)的核糖體上進行。 蛋白質(zhì)翻譯時mRNA攜帶遺傳信息，作為合成蛋白質(zhì)的模板的tRNA輸送活性化的氨基酸和識別mRNA分子上的遺傳編碼的核糖體在蛋白質(zhì)合成的地方，將各種特定的氨基酸分子與多肽鏈連接。 蛋白質(zhì)分子的最終空間結(jié)構(gòu)由翻譯后修飾決定。 RNA編輯(RNA editing )是所形成的mRNA分子編碼區(qū)中的核苷酸序列與其DNA模板的對應(yīng)序列不同的過程，屬于遺傳信息加工。 1 .尿嘧啶核苷酸的添加或刪除2. CU、AG

12、或GA的RNA堿基轉(zhuǎn)化3. CG、GC或UA的RNA堿基轉(zhuǎn)化生物學(xué)意義主要歸編的mRNA具有翻譯活性。 在一些轉(zhuǎn)錄物5的末端，RNA編輯可以生成起始密碼子AUG來調(diào)節(jié)翻譯活性，以便能夠通讀該mRNA，RNA編輯可能與生物進化有關(guān)，RNA編輯不偏離中心定律。 因為提供編輯的信息源仍來源于DNA儲藏的遺傳信息。 基因表達調(diào)控、基因表達調(diào)控的特點是在特定時間和特定細胞中激活特定基因，實現(xiàn)“預(yù)約”的有序分化發(fā)育過程。 真核生物基因的表達調(diào)控實現(xiàn)在多層次，分為轉(zhuǎn)錄前、轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后、翻譯和翻譯后5個水平。 人類基因組(genome )通常指核基因組，是人所有遺傳信息的總和。 人類基因組、人類基因組項目

13、和“人類基因組項目(HGP )”是從20世紀90年代初開始在世界范圍內(nèi)全面研究人類基因組的重大科學(xué)項目。 HGP是美國科學(xué)家在1985年首先提出的，揭示了人類基因組DNA 3.2109核苷酸的序列，發(fā)現(xiàn)了所有的人基因，揭示了染色體上的位置，解讀了人的所有遺傳信息，人類第一次在分子水平上全面認識自我HGP的總體目標闡明了人類遺傳信息的組成和表達，為人類遺傳多樣性的研究提供基本數(shù)據(jù)，揭示嚴重危害人類單基因異常和人類健康的多基因病的病原基因或疾病易感基因，建立各種基因病的新診治方法，推動生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。 其基本任務(wù)是制作人類基因組的構(gòu)造圖，即遺傳圖、物理圖、轉(zhuǎn)錄圖和序列圖，根據(jù)“制圖測序”

14、鑒定人的基因，制作人的基因圖。 同時，人類結(jié)構(gòu)基因組學(xué)集中建立了遺傳圖、物理圖、轉(zhuǎn)錄圖、序列圖基因圖(一)遺傳圖鏈接圖(linkage map )遺傳多態(tài)性是指在一個遺傳坐標上具有一個以上的等位基因(集體頻率1% )，該坐標被稱為多態(tài)性坐標，可以作為遺傳圖的“坐標”。 遺傳學(xué)距離是古典遺傳學(xué)特有的重要概念。 具有遺傳多態(tài)性的標記是構(gòu)建遺傳圖的要素：第一代DNA遺傳標記RFLP Botstein在1980年首次應(yīng)用的標記RFLP的限制性： 1、提供的“多態(tài)性”信息有限2 .現(xiàn)有的限制性酶應(yīng)檢測所有核苷酸的變化第二代DNA基因標記STR: 1、小衛(wèi)星DNA重復(fù)單元6-12個bp的VNTR 2、微衛(wèi)

15、星或短序列重復(fù)(STR )重復(fù)單元26個bp的VNTR、STR有兩個最顯著的優(yōu)點： 1， 作為基因標記的“”2 .將重復(fù)序列兩側(cè)的特異性單拷貝序列作為其基因組中的“點”標記，通過PCR技術(shù)操作，可實現(xiàn)機械化、自動化、計算機化以及完全機器人化。 制作了以6000以上的STR為主體的基因標記組成的“連鎖圖”，平均分辨率達到了0.7cM。 第三代DNA基因標記SNP: 1996年由美國MIT的Lander提出。 1、與RFLP和STR等的主要差異：不是以“長度”的差異作為檢測手段，而是以序列的變異作為直接標記。 2、SNP在核苷酸水平上有機統(tǒng)一“序列圖”、“物理圖”和“遺傳圖”。 3、可以排除基因標

16、記分析技術(shù)的“瓶頸”凝膠電泳，利用DNA測序技術(shù)構(gòu)建基因組圖。 (二)物理圖：第一技術(shù)的重要內(nèi)容：一段已知核苷酸序列的DNA片段序列標記位點(STS )稱為“標記”，Mb或kb為映射距離的基因組圖。 STS的要求：1:基因組有明確位置，位于重復(fù)序列兩側(cè)的單拷貝特異性序列忽略其重復(fù)序列。 2 .已知序列。 截止到1996年10月制作了22000個STS的物理圖，x染色體物理圖的平均分辨率達到了75kb。 第二重要內(nèi)容是在DNA克隆片段中建立相互重疊的“相鄰克隆群conting”。 “相鄰克隆組”實驗標準：用PCR證明這些片段含有STS的序列表達陽性，確定這些片段在基因組中的位置。 利用酵母人工YAC片段的巨大(0.52Mb )優(yōu)點，構(gòu)建總體展望率幾乎為100%的“YAC鄰接克隆群”。 細菌人工染色體(BAC )構(gòu)建總體展望率為100%的更高精度的“鄰接克隆群”。 物理圖”的建立應(yīng)歸功于DNA克隆技術(shù)70年代大大突破了DNA克隆技術(shù)(遺傳工程技術(shù)之一):1、質(zhì)粒承載能力，即插入片段10kb 2，噬菌體承載能力達到20kb。 3 .兼具病毒和質(zhì)粒優(yōu)勢的粘粒承載能力達到3040kb。 4、YAC是人類認識真核生物染色體的一大飛