《第1章 基因与基因组》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第1章 基因与基因组（81页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第1章,基因与基因组 Gene and Genome,讲授人：邓颖,主要内容,基因 基因组基因组学,第一节,基因 Gene,中心法则,遗传信息传递的规律(复制、转录、翻译).,复 制,转录 翻译DNA RNA 蛋白质mRNAtRNA反转录 rRNA转录、翻译RNA（病毒） 蛋白质（病毒）,复 制,（The Central Dogma）,一、基因的概念及分类,（一）基因的概念基因（gene）是核酸分子中储存遗传信息的基本单位，是核酸分子中由特定的核苷酸按一定的碱基顺序排列而成的具有一定功能的片段，是RNA序列和蛋白质多肽链顺序相关遗传信息的基本存在形式，以及表达这些信息所需要的全部核苷酸序列。
2、基因的化学本质是DNA（RNA病毒除外）。,一、基因的概念及分类,（二）基因的分类 按定位分类（位置）：核基因：染色体上核外基因：胞质基因（线粒体基因、叶绿体基因） 按功能和性质分类（终产物）：编码蛋白质的基因：结构基因+调节基因编码RNA的基因：rRNA基因、tRNA基因、核酶基因*启动子、增强子：对基因表达起调控作用，是不转录的DNA区段,二、基因的结构与功能,（一）基因的结构 操纵子（原核生物）：功能相关的结构基因成簇排列，几个结构基因共用一个mRNA分子，然后翻译成几种蛋白质，操作元件/序列与这几个结构基因相邻并控制mRNA分子的转录,乳糖操纵子 (lac operon) 的结构,调控
3、区,CAP : 分解（代谢）物基因激活蛋白,I,二、基因的结构与功能,断裂基因（真核生物）：结构基因由编码序列和非编码序列两部分组成，编码序列在DNA中是不连续的，被非编码序列隔开,真核基因结构不连续，为断裂基因（split gene）。,真核基因结构,外显子（exon）；在基因序列中，出现在成熟mRNA分子上的序列。 内含子（intron）：外显子之间、与mRNA剪接过程中被删除部分相对应的间隔序列。,全长7.7kb 包含8个外显子和7个内含子 每个基因的内含子数目比外显子数目少一个，内含子和外显子同时出现在最初合成的mRNA前体中，在合成后被剪接,1.2Kb,7.7Kb,断裂基因的发现,1
4、993年诺贝尔生理学/医学奖,Richard J. Roberts（英）,Phillip A. Sharp（美）,电镜观察腺病毒hexon基因的mRNA和其DAN分子杂交，发现mRNA对应DNA的3个被隔开的区域。,真核生物绝大部分编码蛋白质的基因都有内含子。编码rRNA和一些tRNA的基因也都有内含子。组蛋白编码基因例外。 内含子的数量和大小决定了真核基因的大小。不同种属中，外显子序列通常比较保守，而内含子序列则变异较大。 外显子与内含子接头处有一段高度保守的序列，这一共有序列是真核基因中RNA剪接的识别信号。（内含子5 GT-AG 3 端）,基因的5端称之为上游，3端称为下游 基因序列中开
5、始RNA链合成的第一个核苷酸所对应的碱基记为+1，此碱基上游的序列记为负数，下游的序列记为正数。,2、调控序列：位于结构基因两侧不被转录调控结构基因表达,位于基因转录区前后，对基因表达起调控作用的区域，因其是紧邻的DNA序列，又称旁侧序列。,基因的调控区（顺式作用元件）,转录起始点,TATA盒,CAAT盒,GC盒,增强子,AATAAA,剪接加尾,转录终止点,修饰点,外显子,翻译起始点,内含子,OCT-1,OCT-1：ATTTGCAT八聚体,+1,结构基因,启动子,上游启动子元件,定义：影响自身基因表达活性的非编码DNA序列。 例： 启动子、增强子、沉默子等,这些顺式作用元件往往是反式作用因子如
6、RNA聚合酶、特异转录因子等的结合位点。,顺式作用元件 (cis-acting element),启动子,真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件。,TATA盒，25附近 GC盒与CCAAT盒，30110附近,真核生物有3类启动子，分别对应于细胞内存在的三种不同的RNA聚合酶和相关蛋白质。,rInr：核糖体起始因子 UPE：上游启动子元件 Inr：起始元件,编码5srRNA,tRNA,U6snRNA等RNA分子,编码（mRNA）蛋白质基因和一些小RNA,编码rRNA基因,I类启动子富含GC碱基对：具有I类启动子的基因主要编码rRN
7、A的基因。 II类启动子具有TATA盒结构：主要编码（mRNA）蛋白质基因和一些小RNA。TATA盒的核心序列：TATA（A/T）A（A/T），决定RNA合成的起始位点。 III类启动子包括A盒B盒和C盒：编码5srRNA,tRNA,U6snRNA等RNA分子,增强子(enhancer),指一段与转录有关的短DNA序列，可特异地与转录因子结合增加转录结构基因的RNA聚合酶分子数量，增强转录，作用的方式通常与方向、距离无关。,SV40的转录单元上发现，转录起始位点上游约200 bp处有两段长72 bp的正向重复序列。,增强子是能够提高转录效率的顺式调控元件,增强子的功能及其作用特征如下：,与被调
8、控基因位于同一条DNA链上，属于顺式作用元件。 是组织特异性转录因子的结合部位 不仅能够在基因的上游或下游起作用，而且还可以远距离实施调节作用 作用与序列的方向性无关 需要有启动子才能发挥作用,增强子作用机理：,沉默子(silencer),某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。,终止子（terminater）,结构基因下游近3 端的一段DNA序列，由AATAAA和一段回文序列组成，在转录中提供终止信号，使转录作用终止。,小结：启动子、增强子、沉默子、终止子的定义,（二）基因功能概述1、遗传信息存储2、基因的复制3、基因的表达,利用碱基的不同排列荷载遗传信息。 通
9、过复制将遗传信息稳定、忠实地遗传给子代细胞，在这一过程中为适应环境变化，可能会发生基因突变。作为基因表达（gene expression）的模板，使其所携带的遗传信息通过各种RNA和蛋白质在细胞内有序合成而表现出来。,基因的功能,（三）基因突变与疾病1、单基因病2、线粒体遗传病3、多基因病4、基因诊断与基因治疗,第二节,基因组 Genome,基因组 (genome)细胞或生物体中，一套完整单倍体遗传物质的总和。,病毒基因组的特点,基因组小 DNA/RNA RNA病毒基因组为数条RNA组成 重叠基因 形成多顺反子 噬菌体基因是连续的，真核细胞的病毒基因是不连续的,一、原核生物基因组,基因组通常仅
10、有一条环状双链DNA分子 结构基因与调控序列以操纵子形式组织在一起 重复序列少 基因是连续的 编码序列一般不重叠 编码序列所占比例远大于真核基因组而小于病毒基因组 存在可移动的DNA序列：插入序列和转座子,二、真核生物基因组,都是双链线状且不止一条 断裂基因，受一系列顺式作用原件调控 结构基因产物为单顺反子 飞编码序列远多于编码区 大量重复序列和基因家族 末端有端粒 细胞器基因组,结构特点：,真核基因组中存在大量重复序列,高度重复序列（highly repetitive sequence） 中度重复序列（moderately repetitive sequence） 单拷贝序列（single
11、copy sequence）或低度重复序列,（一）高度重复序列,主要存在于染色体的着丝粒区域，重复单位一般由210 bp组成，成串排列，在人基因组中约占5%6%。,重复频率可达106以上，不编码蛋白质或RNA。,反向重复序列（inverted repeat sequence）,卫星DNA（satellite DNA）,两个相同顺序的互补拷贝在同一DNA链上反向排列而成，重复单位长度约300 bp，多数散在于基因组中，总长度约占人基因组的5 。,分类：,参与复制水平的调节存在于DNA复制起点区的附近，是一些蛋白质（包括酶）的结合位点。 参与基因表达的调控可以转录到核内不均一RNA分子中，有些反向
12、重复序列可以形成发夹结构，有助于稳定RNA分子。 参与染色体配对如卫星DNA成簇样分布在染色体着丝粒附近，可能与染色体减数分裂时染色体配对有关。,功能：,（二）中度重复序列,重复数十至数千次,大多数与单拷贝基因间隔排列。,短分散重复片段,长分散重复片段,平均长度约300 bp500 bp，与长度约为1000 bp的单拷贝序列间隔排列。拷贝数可达数十万。如Alu家族、KpnI家族、Hinf家族。,平均长度为3500 bp5000bp，与长度约为13000bp的单拷贝序列间隔排列。,重复达3050万次，每个成员的长度约300 bp。 每个单位长度中一个限制性内切酶Alu的切点（AGCT），将其切成
13、长130bp和170bp的两段。,Alu家族,仅次于Alu家族的第二大家族， 重复序列中含有限制性内切酶Kpn的位点 呈散在分布，拷贝数约为30004800个,KpnI家族,以319bp长度的串联重复存在于人基因组中 重复序列中含有限制性内切酶Hinf I的位点。,Hinf家族,rRNA基因重复序列属于中度重复序列,各重复单位中的rRNA基因都是相同的。 rRNA基因集中成簇存在，这样的区域称为rDNA区。 人类的rRNA基因位于13、14、15、21和22号染色体的核仁组织区，每个核仁组织区平均含有50个rRNA基因的重复单位。 5SrRNA基因似乎全部位于1号染色体，每个单倍体基因组约有1
14、000个5SrRNA基因。,在单倍体基因组中只出现一次或数次，大多数为蛋白质编码的基因，体现生物的各种功能，因此对这些序列的研究对医学实践有特别重要的意义。,（三）单拷贝序列（低度重复序列）,真核基因组中存在大量的多基因家族与假基因,多基因家族是指由某一祖先基因经过重复和变异所产生的一组在结构上相似、功能相关的基因。,基因家族成簇地分布在某一条染色体上，同时发挥作用，合成某些蛋白质。如组蛋白基因家族。 基因家族的不同成员成簇地分布于不同染色体上，编码一组功能上紧密相关的蛋白质。如球蛋白基因家族。,DNA序列相似，但功能不一定相关的若干个单拷贝基因或若干组基因家族总称。,超家族基因 （super
15、family gene）,基因组中存在的一段与正常基因非常相似但不能表达的DNA序列。以来表示。,假基因（psuedogene）,线粒体DNA结构有别于染色体DNA,线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）是核外遗传物质，能独立编码线粒体中的一些蛋白质。 mtDNA的结构为环状分子，与原核生物的DNA类似，结构特点也与原核生物相似。,人的线粒体基因组,线粒体基因组编码37个基因，包括13个编码呼吸链多酶体系的一些多肽的基因、22个编码mt-tRNA的基因、2个编码mt-rRNA（16S和12S）的基因。,不同生物体基因组的比较,五、人基因组中有两万多个基因,第三节,基因组
16、学 Genomics,基因组学(genomics) 是阐明整个基因组的结构、结构与功能关系以及基因之间相互作用的科学。 对所有基因进行基因作图、核苷酸序列分析、基因定位、研究基因结构与功能的关系以及基因间相互作用的一门科学，简言之，就是研究基因组结构和功能的科学。,基因组学分类： 结构基因组学(structural genomics) 功能基因组学(functional genomics) 比较基因组学(comparative genomics) 药物基因组学（pharmacogenomics） 疾病基因组学（morbid gemomics）,基因组学研究的内容包括基因的结构、组成、存在方式、表达调控模式、基因的功能及相互作用等，是解码生命的所有信息的一门新的前沿科学。 基因组学已经对生物学、遗传学、医药学乃至整个人类社会产生了深远影响。,
