1 第二讲第二讲基因与基因组学基因与基因组学Gene and Genome 2第一节第一节 基因的概念与结构基因的概念与结构一、一、基因的概念基因的概念 （一）基因概念的发展（一）基因概念的发展随着遗传学的发展，人类对于基因的认识逐步深入，基因概念也随之发展基因概念发展经过几个时期1)遗传“因子”基因的最初概念是来自孟德尔的遗传“因子”，认为生物性状的遗传是由遗传因子所控制的，性状本身是不能遗传的，控制性状的遗传因子才是遗传的1909年，丹麦学者WLJohannsen提出了“基因”(gene)一词，代替了孟德尔的遗传因子，并由此形成了“颗粒遗传”学说，认为在杂种中等位基因不融合，各自保持其独立性，这也是孟德尔遗传规律的核心3(2)染色体是基因的载体1910年摩尔根等通过果蝇杂交实验表明，染色体在细胞分裂时的行为与基因行为一致，从而证明基因位于染色体上，并呈直线排列，提出了遗传学的连锁交换规律，证明了性别决定是受染色体支配的基因的连锁和交换定律的实质是：在进行减数分裂形成配子时，位于同一条染色体上的不同基因，常常连在一起进入配子；在减数分裂形成四分体时，位于同源染色体上的等位基因有时会随着非姐妹染色单体的交换而发生交换，因而产生了基因的重组。
4 4(3)DNA是遗传物质1944年Avery等人不仅在体外成功地重复了上述实验，而且用生物化学方法证明了转化因子(trans-formingfactor)是DNA，而不是多糖荚膜、蛋白质和RNA，而且转化频率随着DNA纯度的提高而增加证明了DNA就是遗传物质5(4)基因是有功能的DNA片段20世纪40年代G WBeadle和ELTatum通过对粗糙脉孢菌营养缺陷型的研究，提出了一个基因一个酶的假说1953年Watson和Crick提出了DNA双螺旋结构模型，明确了DNA在活体内的复制方式1957年由Crick最早提出遗传信息在细胞内的生物大分子间转移的基本法则，即中心法则，接着在1961年又提出了三联遗传密码，这样将DNA分子的结构与生物学功能有机地统一起来，也为揭示基因的本质奠定了分子基础1957年S.Benzer用大肠杆菌T4噬菌体作为材料，在DNA分子结构的水平上，分析了基因内部的精细结构，提出了顺反子(cistor)概念，证明基因是DNA分子上的一个特定的区段6(5)操纵子模型1961法国分子生物学家F.Jacob和J.Monod通过不同的大肠杆菌乳糖代谢突变体来研究基因的作用，提出了操纵子模型学说(operontheory)。
这一学说阐明了基因调控在乳糖利用中所起的作用表明人们已认识到基因的功能并不是固定不变的，而是可以根据环境的变化进行调节随之人们发现无论是真核还是原核生物转录调节都是涉及到编码蛋白的基因和DNA上的元件这一发现获得了1965年诺贝尔奖7乳糖操纵子87)“跳跃基因”和“断裂基因”的发现 50年代初，美国遗传学家BMcClintock在玉米的控制因子的研究中已经指出某些遗传因子是可以转移位置的后来的研究发现，在原核生物和真核生物中均发现有基因转移的现象，并将这些可转移位置的成分称为跳跃基因(jumping gene)，亦称转座因子(transposon element)此外，传统的观点认为，一个结构基因是一段连续的DNA序列，70年代后期发现绝大多数真核生物基因都是不连续的，其中被一些不编码序列所隔开，故称为断裂基因1978年，在噬菌体中还发现了重叠基因，一个基因序列可被包含在另一个基因中，两个基因序列可能部分重叠9断裂基因的意义断裂基因的意义 （1 1）有利于储存较多的遗传信息量；）有利于储存较多的遗传信息量；（2 2）有利于变异与进化；）有利于变异与进化；（3 3）增加重组机率；）增加重组机率；（4 4）内含子可能是调控装置。
内含子可能是调控装置10（二）基因的概念（二）基因的概念在初中生物学课本中，把基因定义为“染色体遗传物质中决定生物性状的小单位”高中生物学课本则把基因定义为“有遗传效应的DNA片段”在最具权威的2000年版中国大百科全书中，基因的定义是“含特定遗传信息的核苷酸序列，是遗传信息的最小功能单位”在最近几年出版的外文版和部分中文版的分子生物学和分子遗传学书籍中又给出了新的答案从上述基因研究的最新进展可以看出，基因不仅在功能上多种多样，在结构上也是五花八门，因此，给它下一个非常准确和永远适用的定义是相当困难的基因的概念随着遗传学、分子生物学、生物化学等领域的发展而不断完善从遗传学的角度看，基因是生物的遗传物质，是遗传的基本单位突变单位、重组单位和功能单位；从分子生物学的角度看，基因是负载特定遗传信息的核酸序列核酸序列，在一定条件下能够表达某种遗传信息（其产物为有功能的多肽链或功能RNA分子分子），变成特定的生理功能核酸序列核酸序列”主要指DNA，对于RNA病毒来说则指染色体RNARNA分子分子”主要主要包括tRNA和rRNA这个定义较确切地表述了基因的本质和功能，已经被绝大多数学者所接受11（三）基因的分类（三）基因的分类根据基因的功能和性质，可将其分为以下几类：(一)结构基因这类基因不仅可转录(tran-scription)成mRNA，而且可翻译(translation)成多肽链，从而构成各种结构蛋白和催化各种生化反应的酶。
二)rDNA和 tDNA基因这类基因只转录产生相应的RNA，而不翻译成多肽链12(三)启动子(promotor)与操纵基因(operator)前者是转录时RNA多聚酶起始与DNA结合的部位；后者是调节基因的产物阻遏蛋白质或激活蛋白质与DNA结合的部位，它们都是不转录的DNA区段，确切说，它们不能称为基因但关系到结构基因的活化或钝化13以上各类基因以上各类基因(或或DNADNA区段区段)之间的相互关系如下图通过这些基因的相之间的相互关系如下图通过这些基因的相互作用、密切协作，调控基因有序地表达，从而使各种生命活动表现互作用、密切协作，调控基因有序地表达，从而使各种生命活动表现出规律性、和谐性出规律性、和谐性14151.原核生物的结构基因是连续的原核生物的结构基因是连续的（一）（一）结构基因结构基因 基因中编码基因中编码RNARNA或蛋白质的或蛋白质的核酸核酸序列序列二、二、基因的结构基因的结构tayz opstructural genepromoteroperatorterminator162.2.真核生物结构基因真核生物结构基因DNAmRNA前体前体编码序列不连续编码序列不连续，称为断裂基因称为断裂基因（interrupted gene）RNA剪接剪接 由外显子（编码序列由外显子（编码序列)和内含和内含子（非编码序列子（非编码序列)两部分组成，两部分组成，intron exon 成熟成熟mRNA17 5 5 33exon3exon1exon2GT AG GT AG真核基因中真核基因中RNA剪接的识别信号剪接的识别信号内含子的内含子的 5端以端以GTGT开始，开始，3端以端以AGAG结束。
结束3.GT-AG3.GT-AG法则法则intron2intron118 5 3exon3exon2exon1 intron1intron2(二二)转录调控序列转录调控序列 前导序列前导序列尾部序列尾部序列编码区编码区侧翼序列侧翼序列侧翼序列侧翼序列 结构基因编码区两侧的一段不被翻译结构基因编码区两侧的一段不被翻译的的DNADNA片段片段(侧翼序列侧翼序列)，参与转录调控参与转录调控19tayz opstructural gene1.1.原核生物基因的调控序列原核生物基因的调控序列promoter启动子启动子 promoterterminator终止子终止子 terminatoroperator操纵元件操纵元件 operator202.2.真核生物基因的调控序列真核生物基因的调控序列反式作用因子反式作用因子trans-acting factor能识别和结合特定的顺能识别和结合特定的顺式作用元件式作用元件,并影响基因并影响基因转录的一类转录的一类蛋白质蛋白质或或RNARNA顺式作用元件顺式作用元件cis-acting element能能影响基因表达，影响基因表达，但不编码但不编码RNARNA和蛋和蛋白质的白质的DNADNA序列序列TATAAAATATTT 533 5 顺式作用元件顺式作用元件21 TATA盒盒（TATA Box）:位于位于-25-25-30-30bpbp，TATAAAA/TATATAT 与与TFII（RNA聚合酶复合物）聚合酶复合物）结合，启动结合，启动基因转录。
基因转录1)(1)启动子和上游启动子元件启动子和上游启动子元件-25-25+1+1-30-30（II类类）22-30-30-25-25+1+1-80-80-70-70 CAAT盒（盒（CAAT BoxCAAT Box）位于位于-70-80bp，GG C/T CAATCT,与与CTF结合，决定启动子转录效率结合，决定启动子转录效率23 GC GC盒（盒（GC BoxGC Box）位于位于-35bp，GGCGG，与转录因，与转录因子子SP1SP1结合，促进转录的过程结合，促进转录的过程24(2).(2).增强子（增强子（enhancerenhancer）与转录因子特异性结合，增强与转录因子特异性结合，增强转录活性，在基因任意位置都有效、转录活性，在基因任意位置都有效、无方向性无方向性3255-AATAAA-GT-3 DNA mRNA 前体前体5-AAUAAA-GU-35-AAUAAA-AAAAAAAA 3多聚腺苷酸化多聚腺苷酸化mRNA(3).Poly(A)加尾信号加尾信号Poly(A)聚合酶聚合酶5-AAUAAA-GU-3特异因子特异因子 含有含有IIII类启动子的基因，基因末端保类启动子的基因，基因末端保守的守的AATAAA顺序及下游顺序及下游GT或或T富含区富含区,被多聚腺苷酸化特异因子识别，在被多聚腺苷酸化特异因子识别，在mRNA 3端加约端加约200200个个A。
26CAAT boxTATA box Enhancer promoter 调控序列调控序列调控序列调控序列真核生物基因的结构真核生物基因的结构exonexon非翻译区非翻译区：untranslated regions，UTR UTRUTRPoly(A)加尾信号加尾信号5 +1Stop 3 结构基因结构基因intronintronexonTGA ATG开放阅读框开放阅读框：open reading frame，ORFresponse element27三、中心法则三、中心法则 central dogmaReplicationReplicationReverseTranscriptionTranscriptionTranslationDNARNAProtein28(一一)原核生物的原核生物的mRNAmRNA是多顺反子是多顺反子mRNAmRNAPromoterGene 1Gene 2Gene 3TerminatorDNATranscriptionmRNA31235TranslationProteins123 多顺反子多顺反子mRNA mRNA(polycistronic mRNA):):原核生物的一个原核生物的一个mRNAmRNA分子带有几个分子带有几个 结构基因的遗传信息，利用共同的启动结构基因的遗传信息，利用共同的启动 子及终止信号，组成操纵子的基因表达子及终止信号，组成操纵子的基因表达 调控单元。
调控单元29TranslationTranscriptionmRNADNAProteinPromoterGene35(二二)单顺反子单顺反子mRNAmRNA(monocistronic mRNA):):真核生物的一个编码基因转录真核生物的一个编码基因转录生成一个生成一个mRNAmRNA30基因组基因组：一个细胞或病毒的全部：一个细胞或病毒的全部 遗传信息；遗传信息；第二节第二节 基因。