《基因、基因组和基因组学-2013.9.28》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基因、基因组和基因组学-2013.9.28（67页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1 主要内容 第一节基因的结构和功能第二节病毒基因组的结构和功能第三节原核生物基因组的结构和功能第四节真核生物基因组的结构和功能第五节基因组学 2 2 1基因的结构与功能 基因的概念是不断发展和更新的 在遗传学发展的不同阶段 基因有着不同的定义和内涵 基因概念的每次更新和丰富均是遗传学和生物学的一次革命和飞跃 1865年 遗传学奠基人Mendel遗传因子 认为遗传因子是一个遗传单位 可以决定从亲代遗传给子代的性状 1909年 丹麦遗传学家Johanson用基因取代了Mendel的遗传因子 认为遗传因子就是基因 2 3 1910年 Morgan果蝇杂交实验果蝇眼睛颜色 白色 与决定性别的基因相互
2、连锁 认识到基因在染色体上 是位于染色体上的实体物质 基因是一个遗传 交换和突变的单位 1941年 Beadle和Tatum提出 一个基因一个酶 学说 认为基因在染色体上并决定蛋白质 1944年Avery转化 1952年Hershey和Chase实验证明DNA是遗传信息的携带者 是遗传物质 1953年Watson和CrickDNA双螺旋结构模型全面揭示了DNA的化学性质 并解决了当时困扰生物学家的基因复制和遗传的难题 3 4 现代分子遗传学关于基因的概念 1 现代基因概念DNA分子中含有特定遗传信息的核苷酸序列 是合成有功能蛋白质或RNA所必需的全部DNA序列 除部分病毒RNA 即一个基因不仅
3、包括编码蛋白质或RNA的核苷酸序列 还包括为保证转录所必需的调控序列 4 5 1 具有转录和翻译功能 编码蛋白质的基因 包括结构基因和调节基因 结构基因可被转录形成mRNA 并转译成多肽链 构成各种结构蛋白质 催化各种生化反应的酶和激素等 调节基因某些可调节控制结构基因表达的基因 其突变可影响一个或多个结构基因的功能 或导致一个或多个蛋白质 或酶 量的改变 2 1 1基因的分类 5 6 6 2 只有转录功能而没有翻译功能的基因 包括tRNA基因和rRNA基因 3 不转录的基因 它对基因表达起调节控制作用 包括启动基因和操纵基因 7 开放阅读框架 openreadingframe ORF 在DN
4、A链上 由蛋白质合成的起始密码开始 到终止密码为止的一个连续编码序列 1 编码区能够编码产生蛋白质的序列 包括外显子与内含子 2 前导区位于编码区上游 相当于mRNA5 端非编码区 3 调节区包括启动子和增强子等基因编码区的两侧 2 1 2基因的结构 7 8 基因的几种特殊形式 跳跃基因 jumpinggene 指可在DNA分子间进行转移的DNA片段 也称为转座遗传因子 转座元件或转座基因 重复基因 指在同一个基因组中存在2个或者2个以上拷贝的基因 一般来源于基因组内的不等交换 反转录插入及大规模的染色体片段重复等 8 9 断裂基因 splitegene 指基因的编码序列在DNA分子上是不连续
5、排列的 而是被不编码的序列所隔开 编码序列称外显子 exon 非编码序列称内含子 intron 因发现断裂基因 1993年获诺贝尔奖 9 10 所谓重叠基因 overlappinggene 是指两个或两个以上的基因共有一段DNA序列 也即同一DNA序列可以得到不同的mRNA 从而编码多种具有部分重叠序列的蛋白质的基因 某些原核生物 病毒或噬菌体1977年 Sanger在研究 X174时发现 重叠基因 10 11 基因重叠的方式 1 一个基因完全在另一个基因里面 2 几个基因部分重叠 3 两个基因之间只有一个碱基重叠 噬菌体 X174的重叠基因 11 12 重叠基因的DNA序列可能大部分相同 但
6、由于翻译时的读码框架不同 或起始部位不同而产生不同的蛋白质 有些真核病毒的部分序列 对某一个基因来说是内含子 而对另一个基因而言却是外显子 12 13 假基因 pseudogene 具有与功能基因相似的序列 但由于有许多突变以致失去了原有的功能 不能转录或转录后生成无功能的蛋白质的基因 常用 表示 假基因 13 14 2 1 3基因的功能 传递遗传信息 控制个体性状表现 14 15 基因组 genome 一个细胞内的全部遗传信息 包括所有基因和基因间的区域 原核生物 prokaryote 和真核生物 eukaryote 的基因组都是DNA病毒基因组有的是DNA 有的是RNA 基因组 原核生物和
7、真核生物 2 2基因组的结构和功能 染色体基因组 chromosomalgenome 染色体外基因组 extrachromosomalgenome 如 细菌的质粒 plasmid DNA真核生物的线粒体 mitochondria DNA叶绿体 chloroplast DNA 16 基因组大小 DNA含量 用C值表示 C值 C value 一种生物体单倍体基因组DNA的总量 用以衡量基因组的大小 通常 进化程度越高的生物其基因组越大 但从总体上说 生物基因组的大小同生物在进化上所处地位的高低无关 存在C valueparadox C值悖论 生物复杂性越高 其基因的密度越低 16 17 基因组大小
8、与C值矛盾 C值矛盾 生物体的进化程度与基因组大小之间不完全成比例的现象 又称 C值悖论 Cvalueparadox 18 C valueparadox equalgenomesize toadXenopusandhumanbeinghavegenomesofessentiallythesamesize Butweassumethathumanismorecomplexintermsofgeneticdevelopment 18 19 表2 1不同生物体基因组中基因的比较 19 20 2 2 1病毒基因组的结构与功能 20 21 病毒基因组的多样性 21 22 病毒基因组的大小 与细菌或真核细
9、胞相比 病毒的基因组很小 不同的病毒之间基因组大小相差很大 乙肝病毒DNA 3kb 编码4种蛋白质 痘病毒的基因组 300kb 编码几百种蛋白质 病毒基因组的大小通常与其对宿主的依赖程度有关 基因组越大 依赖性越小 22 23 RNA病毒基因组编码序列具有节段性 有些病毒的基因组RNA由不连续的几条核酸链组成 如流感病毒 轮状病毒等 分段基因组的病毒一般感染效率较低 分段基因组容易发生重组 故病毒容易变异 目前未发现DNA病毒有此状况 23 24 病毒基因存在基因重叠 基因重叠 同一段DNA片段能够参与编码两种甚至两种以上的蛋白质分子 这种现象在其它的生物细胞中仅见于线粒体和质粒DNA 此结构
10、意义在于使较小的基因组能够携带较多的遗传信息 24 25 病毒基因组的大部分序列具有编码功能 病毒基因组的大部分是用来编码蛋白质的 只有非常小的一部分没有编码翻译功能 X174基因组中不编码的序列只占217 5375乳头瘤病毒基因组约8 0Kb 其中不编码的部分约为1 0kb 少数真核生物病毒的基因组也存在内含子结构 25 26 病毒基因组的转录单元是多顺反子 多顺反子mRNA polycistroniemRNA 病毒基因组DNA序列中功能上相关的蛋白质的基因或rRNA的基因往往丛集在基因组的一个或几个特定的部位 形成一个功能单位或转录单元 它们可被一起转录成含有多个mRNA的分子 26 27
11、 噬菌体 X174 X174基因组中的D E J F G H基因转录在同一个mRNA中 然后再翻译成各种蛋白质 其中 F G及H编码外壳蛋白 D蛋白与病毒的装配有关 E蛋白负责细菌的裂解 它们在功能上是相关的 27 28 病毒基因组都是单倍体 除了逆转录病毒以外 一切病毒基因组都是单倍体 每个基因在病毒颗粒中只出现一次 逆转录病毒带有逆转录酶 能使RNA反向转录生成DNA 因此其基因组可拥有两个拷贝 28 29 噬菌体基因具有连续性 噬菌体的基因是连续的 而真核细胞病毒的基因是不连续的 具有内含子 29 30 2 2 2原核生物基因组的结构与功能 原核生物基因组通常比较简单 其基因组大小在10
12、6bp 107bp之间 所包含的基因数目几百个到数千个之间 原核生物基因组通常由一条环状的双链DNA分子组成 在细胞中与蛋白质结合成染色体的形式 在细胞内形成一个致密的区域 称为类核 nucleoid 30 31 大肠杆菌的类核结构模型 31 32 32 33 大肠杆菌染色体基因组的结构和功能 大肠杆菌基因组序列中的基因密度非常高 编码区所占的比例较大 大肠杆菌中总共有4288个基因 平均编码长度为950bp 基因之间的间隔区长度为118bp 而且这些结构基因没有内含子 大肠杆菌DNA分子中的重复序列很少 但在大肠杆菌基因组中不同部位可以有称为转座子的50kb的重复片段 33 34 转座因子
13、原核生物转座因子主要有二类 插入序列 insertionsequence IS 复合型转座子 compositetransposon Tn 34 35 只有当IS转座到某一基因中使该基因失活或插入位点旁边的染色体发生畸变等效应时才会被发现 IS 2000bp以内 两端都有正向重复序列 directrepeats DR 和反向重复序列 invertedrepeats IR 中间1kb左右的编码序列 仅编码和转座有关的转座酶 35 36 Tn 2000 20000bp之间 两端由一对IS元件组成 带有与转座作用有关的基因以及其他基因 36 37 根据转座的的机制和结果 可将转座分为 复制型转座 r
14、eplicativetransposition 保守型转座 conservativetransposition 复制型 保守型 37 38 大肠杆菌染色体外基因组的结构和功能 质粒 plasmid 一类染色体外具有自主复制能力的环状双链DNA分子 属染色体外基因组 大肠杆菌质粒是双链环状结构的DNA分子 可以有共价闭合环状DNA covalentlyclosedcircularDNA cccDNA 缺口的环状DNA 线性DNA三种结构状态 38 39 质粒对宿主细胞的生存一般不是必需的 但质粒带有某些特殊的不同于宿主细胞的遗传信息 其存在赋予宿主细胞一些遗传性状 39 40 40 41 表2
15、2细菌质粒所控制的一些性状 41 42 质粒能自主复制 是能独立复制的复制子 autonomousreplicon 严紧控制 stringentcontrol 型质粒 其复制常与宿主的繁殖偶联 拷贝数较少 每个细胞中只有1个到十几个拷贝 松弛控制 relaxedcontrol 型质粒 其复制与宿主不偶联 每个细胞中有几十到几百个拷贝 42 43 质粒的稳定性与不相容性 质粒的不相容性 incompatibility 两种不同质粒因利用同一复制和维持机制 在复制和随后向子代细胞分配的过程中会发生竞争 从而不能在同一宿主细胞内稳定存在 其中一种质粒将被丢失 携带不同复制和维持机制的质粒属于不同的不
16、相容群 它们可以共存于同一细胞中 43 44 影响质粒稳定性的因素 宿主细胞分裂时质粒能否均衡地分配到子代细胞 质粒分子自身结构的稳定性 44 45 2 2 3真核生物基因组的结构与功能 真核生物的遗传物质绝大部分存在于细胞核染色体 少部分存在于线粒体或叶绿体中 细胞核基因组和细胞器基因组 45 46 真核生物染色体基因组特点 人类基因组中仅含有25000 30000个基因 远低于预期 在人类基因组中只有很少一部份 约2 3 DNA序列用以编码蛋白质和结构RNA 人类基因组中存在大量基因间隔区序列 主要由重复DNA构成 在基因内部含大量内含子 46 47 单拷贝序列 占40 80 结构基因基本上属于单拷贝序列 中度重复序列 重复次数10 105 占10 40 如rRNA tRNA 组蛋白以及免疫球蛋白的基因等 另有部分可能与基因的调控有关 高度重复序列 拷贝数大于106 占10 60 如反向重复序列 invertedrepeats 和卫星DNA satelliteDNA 47 1 真核基因组存在大量的重复序列 48 重复序列的多态性 DNA多态性 DNA序列发生变异从而导致的个体间核苷
