4章基因与基因组

《4章基因与基因组》由会员分享，可在线阅读，更多相关《4章基因与基因组（105页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第一节第一节 基因概念基因概念第二节第二节 细菌基因组细菌基因组第三节第三节 真核生物的基因组真核生物的基因组第四节第四节 病毒基因组及细胞器基因组病毒基因组及细胞器基因组第四章第四章 基因与基因组的结构与功能基因与基因组的结构与功能 n1、目前的定义：、目前的定义：蛋白或蛋白或RNA的编码序列及的编码序列及其调控区序列。其调控区序列。n基因是遗传的功能单位，以基因是遗传的功能单位，以DNA分子中分子中排列排列顺序顺序决定基因的功能；决定基因的功能；第一节第一节 基因的概念基因的概念 基因概念的历史演变：基因概念的历史演变：（1）Mendel提出基因的存在提出基因的存在（2）Morgan证实基

2、因在染色体上证实基因在染色体上（3）“一个基因一个酶一个基因一个酶”修正为修正为“一个基因一一个基因一个多肽链个多肽链”n“基因基因”一词的创立一词的创立: 1909年，丹麦遗传学家年，丹麦遗传学家约翰逊约翰逊 “基因基因”（gene）。）。Gregor MendelThomas Hunt Morgann1941年年 nG W Beadle 和和 E L Tatum n红色链孢霉红色链孢霉各种突变体的异常代谢是一种酶的各种突变体的异常代谢是一种酶的缺陷，产生这种酶缺陷的原因是单个基因的突缺陷，产生这种酶缺陷的原因是单个基因的突变。变。BeadleandTatum:一个基因一个基因 - - 一种

3、酶一种酶 One Gene - One EnzymeX raysMMCMMMVitaminsAmino acids Purines and pyrimidines 用X射线诱导处理红色面包霉，筛选出突变体，证实基因发生突变，就可能导致酶活性的丧失。 红色链孢霉实验 (1)突变品系 基本 基本培养基加 培养基 鸟氨酸 瓜氨酸 精氨酸 arg cit orn 精氨酸 (Arginine)，瓜氨酸(Citrulline)鸟氨酸 (Ornithine), 红色链孢霉实验 (2)突变品系 基本 基本培养基加 培养基 A C O arg cit orn A, C, O 分别为arg ,cit 和 orn突

4、变品系的细胞提取物人类酶缺陷症人类酶缺陷症半乳糖血症半乳糖血症（Galactosemia）Gal-1-P-UT半乳糖-1-磷酸尿苷转移酶白化病白化病（albinism） 酪氨酸酶 酪氨酸酶 酪氨酸 多巴 多巴醌 多巴色素 5,6 二羟吲哚 +蛋白质 吲哚 5,6 醌 黑色素 黑素蛋白苯丙酮尿症苯丙酮尿症（phenylketonuria, PKU） 蛋白质 苯丙氨酸羟化酶 苯丙氨酸 酪氨酸 苯丙酮酸 莱一尼二氏症（莱一尼二氏症（Lesch-Nyhan syndrome） (自毁容貌综合征) 鸟苷酸 次黄苷酸 HGPRT 鸟苷 次黄苷 鸟嘌呤 次黄嘌呤 HGPRT ：次黄嘌呤鸟 黄嘌呤 嘌呤 磷酸

5、核苷转移酶 尿酸一个基因一条多肽链一个基因一条多肽链n本世纪本世纪50年代，年代，nYanofskyn有些蛋白质不只由一种肽链组成，如血红蛋白有些蛋白质不只由一种肽链组成，如血红蛋白和胰岛素，不同肽链由不同基因编码，因而又和胰岛素，不同肽链由不同基因编码，因而又提出了提出了“一个基因一条多肽链一个基因一条多肽链”的假设。的假设。基因的顺反子（基因的顺反子（Cistron）概念）概念n1955年，由美国本兹尔年，由美国本兹尔(Benzer)提出：提出：n指编码一个蛋白质的全部组成所需信息的最指编码一个蛋白质的全部组成所需信息的最短片段，即一个基因。短片段，即一个基因。n基因是一个基因是一个功能单

6、位功能单位，其中的碱基序列是，其中的碱基序列是重重组和突变的结构基础组和突变的结构基础。n一对同源染色体上两突变（一对同源染色体上两突变（a和和b）在同一染色体上时，为）在同一染色体上时，为顺式构型顺式构型，n在两个染色体上时，为在两个染色体上时，为反式构反式构型型；n顺反互补测验顺反互补测验（cis-trans test）：比较顺式和反式构型）：比较顺式和反式构型个体的表型判断两个突变是否个体的表型判断两个突变是否发生在一个基因（顺反子）内发生在一个基因（顺反子）内的测验。的测验。测验时测验时，如果两个位点突变发生在同一基因上，后代杂合体中将有一个基因型，如果两个位点突变发生在同一基因上，后

7、代杂合体中将有一个基因型是野生型，另一个为突变型致死；是野生型，另一个为突变型致死；如果两突变在两个不同的基因上，后代杂合体均为野生型而存活，突变型与野如果两突变在两个不同的基因上，后代杂合体均为野生型而存活，突变型与野生型具有生型具有互补互补关系。关系。若为对应表型的突变，则后代中野生型与突变型的表型可能不同。若为对应表型的突变，则后代中野生型与突变型的表型可能不同。n反式排列：反式排列：用于互补测验中所用的两个突用于互补测验中所用的两个突变型，如果分别位于两条染色体上，这种变型，如果分别位于两条染色体上，这种组合方式称为反式排列，组合方式称为反式排列，n顺式排列顺式排列：如果两个突变同时位

8、于一条染：如果两个突变同时位于一条染色体上，则称为顺式排列。色体上，则称为顺式排列。n顺反子：是功能水平上的基因。顺反子：是功能水平上的基因。 2、遗传信息流、遗传信息流n中中心心法法则则 遗遗传传信信息息沿沿着着从从DNA到RNA到蛋白质单向传递，即DNA转录RNA，RNA翻译蛋白质。反转录病毒能将RNA反转录为DNA，很多病毒能直接以RNA为模板复制RNA，还有很多生物能编辑信使RNA序列，因此蛋白质编码序列不仅仅直接由特异的DNA序列决定原核基因表达原核基因表达 单个基因或操纵子的转录从启动子开始，结束于终止子，产生单顺反子或多顺反子的mRNA；核糖体从起始密码子(靠近核糖体结合位点)到

9、终止密码子翻译mRNA的编码区。tRNA据遗传密码把aa递送到延长的蛋白链上。真核基因表达真核基因表达 转录多起始于启动子，单顺反子mRNA从一个基因转录而来。产生的前体RNA在5端有帽子结构、3端多聚A尾巴。在成熟mRNA释放到细胞质中翻译之前，其中的内含子通过剪接去除。可转录、可翻译的（乳糖操纵子结构基因可转录、可翻译的（乳糖操纵子结构基因Z,Y,A)可转录但不翻译可转录但不翻译(tDNA,rDNA，promoter, operator )不不转录、不翻译转录、不翻译(沉默基因沉默基因)3基因的类型基因的类型DNA中的中的编码区编码区与与间隔区间隔区1）编码区：）编码区：与蛋白质中氨基酸序

10、列相应的核苷酸序列。与蛋白质中氨基酸序列相应的核苷酸序列。2）间隔区）间隔区：基因序列外，没有编码功能的序列。：基因序列外，没有编码功能的序列。3）转录单位的组成：）转录单位的组成：启动子，上游调控区，基因编码区，转录终止序列启动子，上游调控区，基因编码区，转录终止序列4）假基因：）假基因：在序列上与有活性的基因相似，但不能转在序列上与有活性的基因相似，但不能转录或翻译出录或翻译出mRNA或蛋白质，或产生过早终止的无活或蛋白质，或产生过早终止的无活性肽链，或由于错误的阅读框架形成无活性的蛋白质。性肽链，或由于错误的阅读框架形成无活性的蛋白质。断裂基因断裂基因重叠基因重叠基因跳跃基因跳跃基因3.

11、1、断裂基因（断裂基因（interrupted gene） 即即割裂基因（割裂基因（splittinggene）不连续基因（不连续基因（discontinuousgene）本世纪本世纪70年代，年代，Chambon和和Berget。通过成熟通过成熟mRNA（或（或cDNA）与编码基因的）与编码基因的DNA杂交试验发现。杂交试验发现。p割裂基因割裂基因：基因的编码序列在：基因的编码序列在DNA上不是连续的，上不是连续的，而是被不编码的序列隔开。而是被不编码的序列隔开。p外显子外显子Exon ：基因中编码的序列，与：基因中编码的序列，与mRNA的序的序列相对应。列相对应。p内含子内含子Intron

12、 ：基因中不编码的序列。：基因中不编码的序列。R环环鸡鸡的的卵卵清清蛋蛋白白基基因因D DN NA A与与其其m mR RN NA A杂杂交交图图剪接剪接: 前体前体RNA中将内中将内含子转录的含子转录的序列去除，序列去除，并把外显子并把外显子转录的转录的RNA序列连接起序列连接起来的过程。来的过程。割裂基因割裂基因前体前体mRNAIntrons去除去除Exons连接连接割裂基因割裂基因的普遍性的普遍性a) a) 真核生物中：真核生物中：绝大部分结构基因绝大部分结构基因 tDNAtDNA, , rDNArDNA mtDNAmtDNA, , cpDNAcpDNA叶绿体叶绿体DNADNAb) b)

13、 原核生物原核生物 中：中：SV40 SV40 大大T T 抗原抗原gene gene 小小t t 抗原抗原 gene gene 1984 Dr. Chu 1984 Dr. Chu T4 phage T4 phage 的胸苷合成酶的胸苷合成酶 genegene1017 1017 bpbp intronintron Splitting gene Splitting gene 并非真核生物所特有并非真核生物所特有酵母酵母成熟酶成熟酶合成受合成受 intronintron II II 的自动控制的自动控制maturase过剩过剩利用利用intronII编码成熟酶编码成熟酶maturase减少减少提前

14、剪切提前剪切intronIIa)IntronIntron并非并非“含而不露含而不露”Yeast Yeast 细胞色素细胞色素b b基因基因 IntronIntron II II 编码成熟酶（编码成熟酶（Maturase ）割裂基因割裂基因概念的相对性概念的相对性c)并非真核生物所有的结构基因均为并非真核生物所有的结构基因均为splitting genesplitting gene不是不是splitting splitting genegeneb) ExonExon并非并非“表里如一表里如一”人类尿激酶原基因人类尿激酶原基因Exon I I 不编码不编码氨基酸序列氨基酸序列HistoneHist

15、one gene family gene family 干扰素干扰素Yeast Yeast 中多数基因（中多数基因（ADHADH）(果蝇果蝇ADH(ADH(乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶) )基因为间隔基因基因为间隔基因) 3.2 重叠基因重叠基因n1977年年维纳维纳(Weiner)n1978年年费尔费尔(Feir)和桑戈尔和桑戈尔(Sanger)n噬菌体噬菌体G4、MS2和和SV40中都发现了重叠基因中都发现了重叠基因基因的重叠基因的重叠原核生物的重叠基因原核生物的重叠基因 n果蝇蛹上皮蛋白质基因果蝇蛹上皮蛋白质基因位于另一个基因的内含子之中位于另一个基因的内含子之中 n人人I型神经纤维瘤型神经纤维

16、瘤(NF1)基因基因的第一个内含子中有三个的第一个内含子中有三个编码蛋白质的基因，编码蛋白质的基因， n线虫基因组中每个基因平均有线虫基因组中每个基因平均有5个内含子，有的内含子个内含子，有的内含子中包含中包含tRNA基因，基因，n以上这些重叠基因的转录方向不一定与包含它的基因的以上这些重叠基因的转录方向不一定与包含它的基因的转录方向一致转录方向一致两个重叠基因的转录是各自独立、互两个重叠基因的转录是各自独立、互不依赖不依赖。真核生物的重叠基因真核生物的重叠基因n3.3 跳跃基因跳跃基因即转座子，在哺乳动物体内一般含有即转座子，在哺乳动物体内一般含有几十万个跳跃基因几十万个跳跃基因DNA；目前

17、正在研；目前正在研制利用转座子进行基因治疗。转座酶制利用转座子进行基因治疗。转座酶可促进基因的跳跃可促进基因的跳跃二二调控区包调控区包括复制起括复制起始区和终始区和终止区，转止区，转录启动子录启动子和终止区和终止区等等动物学报，2003ORF：4628-6559SD 1：DNA / HindIII EcoR I marker2：重组质粒/Hind III3：pBluscriptS.K /Hind III 香猪香猪生长激素生长激素基因克隆及结构功能研究基因克隆及结构功能研究123-1.9+3.0kb-3.0kbKb21.25.153.532.031.380.950.564-重组质粒重组质粒 Ge

18、nBank no. DQ0868321903 bp 编码前体：编码前体：216AA（190）相似性：相似性：97%99%差差异：外显子异：外显子4中的替换中的替换A1358GE1E2E3E4E5573bp1321cttcaccaacagcctggtgtttggcacctcagaccgcATC成熟肽成熟肽V108IVal108Ile：于于GH与与GHR结结合合区区（site2粉粉色色），将将减减弱弱GH与受体的亲和力与受体的亲和力香猪生长激素香猪生长激素V108I替换对替换对功能功能的影响的影响Asp106红 -Arg107蓝-Ile108黄黄 Val108黄黄香猪香猪 杜洛克猪杜洛克猪 香猪香

19、猪GH重组蛋白的表达重组蛋白的表达克隆克隆cDNA（719bp），亚克隆得），亚克隆得成熟肽编码区成熟肽编码区（573bp）M: DL2000 marker1: GH 719bp 2: CDS of GH （573bp）香猪生长激素成熟肽的原核表达及纯化M protein mark 1 ER2566 2 ER2566/pTYB11 3 GH protein重组蛋白重组蛋白 78Kd 78Kd 纯蛋白纯蛋白 22Kd 22Kd ORF：4628-6559SD 细菌基因组特点续三细菌基因组特点续三n也有转座子元件也有转座子元件n除了染色体外，多含有线形或环形的质粒除了染色体外，多含有线形或环形的质

20、粒大肠杆菌质粒DNA电镜2、质粒plasmid定义：定义： 染色体外能进行自主复制的遗传单位。常指细菌、酵母菌和放线菌等染色体染色体外能进行自主复制的遗传单位。常指细菌、酵母菌和放线菌等染色体以外的单纯以外的单纯 DNA分子。分子。天然质粒种类：天然质粒种类：1、F因子：最先发现的质粒，有因子：最先发现的质粒，有 F因子的大肠杆菌相当于雄性，否则为雌性因子的大肠杆菌相当于雄性，否则为雌性2、大肠杆菌素：质粒产，可杀死其它细胞。、大肠杆菌素：质粒产，可杀死其它细胞。3、抗药因子、抗药因子 (R因子因子)，可种间、属间转移，大肠杆菌，可种间、属间转移，大肠杆菌-痢疾志贺氏菌，变形杆菌痢疾志贺氏菌，

21、变形杆菌-伤寒杆菌伤寒杆菌4、 SCPI：自天蓝色链霉菌，产次甲基霉素，酵母菌中发现：自天蓝色链霉菌，产次甲基霉素，酵母菌中发现2质粒质粒已发现有质粒的细菌有几百种。绝大多数细菌质粒是共价闭环已发现有质粒的细菌有几百种。绝大多数细菌质粒是共价闭环DNA分子分子(cccDNA)，分子量约为细菌染色体的，分子量约为细菌染色体的0.53质粒的大小：据分子量分成大、小两类质粒的大小：据分子量分成大、小两类按按质粒拷贝数质粒拷贝数分为两类：分为两类： 严紧型质粒（染色体复制一次质粒复制一次，每个细胞内仅严紧型质粒（染色体复制一次质粒复制一次，每个细胞内仅1-2个）个） 松弛型质粒（染色体复制停止后仍能继

22、续复制，每个细胞内约有松弛型质粒（染色体复制停止后仍能继续复制，每个细胞内约有20个）分子量个）分子量大的质粒多为严紧型，分子量较小的质粒属松弛型。大的质粒多为严紧型，分子量较小的质粒属松弛型。质粒的消除质粒的消除：多数质粒可以通过吖啶类染料、溴化乙锭、十二烷基磺酸钠、利福平：多数质粒可以通过吖啶类染料、溴化乙锭、十二烷基磺酸钠、利福平以及高温处理而使它从细胞中消除。以及高温处理而使它从细胞中消除。质粒的编码功能：质粒的编码功能：限制性内切酶、复制限制性内切酶、复制-转移和重组等因子，特殊因子（抗药性质粒转移和重组等因子，特殊因子（抗药性质粒上编码上编码 -内酰胺酶的青霉素抗性基因等）内酰胺酶

23、的青霉素抗性基因等）基因工程质粒大肠杆菌质粒pBR322的电镜图上：开环构型； 下：超螺旋pBR322 常用基因载体n双抗检测重组质粒pUC18lacZ：-半乳糖苷酶基因穿梭质粒穿梭质粒n用重组用重组 DNA技术将两种宿主细胞的质粒技术将两种宿主细胞的质粒连接而成的嵌合质粒，它能分别在连接而成的嵌合质粒，它能分别在两种两种宿主细胞宿主细胞中进行复制。中进行复制。腺病毒载体腺病毒载体系统系统的滴度高、容量的滴度高、容量大、不整合到染大、不整合到染色体中、对人致色体中、对人致病性低等，是应病性低等，是应用最广泛的病毒用最广泛的病毒载体载体穿梭质粒穿梭质粒。CMV巨细胞病毒，巨细胞病毒，无明显症状，

24、成人抗体均阳性无明显症状，成人抗体均阳性重组穿梭质粒重组穿梭质粒腺病毒骨架质粒腺病毒骨架质粒3、原核染色体组成：、原核染色体组成：n以骨架蛋白、以骨架蛋白、RNA构成构成核心核心，n双链闭环的超螺旋双链闭环的超螺旋DNA于外围于外围大肠杆菌当色体第三节第三节 真核生物的基因组真核生物的基因组n基因组（基因组（genome）定义定义：n物种单倍体的染色体携带的一整套物种单倍体的染色体携带的一整套基因基因n基因组：基因组：遗传信息的总和。或者说是细遗传信息的总和。或者说是细胞或生物体全套遗传物质。胞或生物体全套遗传物质。1、 举世瞩目的人类基因组研究计划举世瞩目的人类基因组研究计划 n遗传图谱：遗

25、传图谱：某一物种的染色体图谱，显示所知的基因或遗传某一物种的染色体图谱，显示所知的基因或遗传标记的相对位置，通过遗传重组所得到的基因在具体染色体标记的相对位置，通过遗传重组所得到的基因在具体染色体上线性排列图。上线性排列图。n物理图谱物理图谱 染色体上每个染色体上每个DNA片段的实际顺序片段的实际顺序 。利用限制性。利用限制性内切酶将染色体切成片段，再根据重叠序列确定片段间连接内切酶将染色体切成片段，再根据重叠序列确定片段间连接顺序，以及遗传标志之间物理距离碱基对顺序，以及遗传标志之间物理距离碱基对(bp)或千碱基或千碱基(kb)或兆碱基或兆碱基(Mb)的图谱。的图谱。n序列图谱序列图谱是在遗

26、传图谱和物理图谱的基础上建立起来的。是在遗传图谱和物理图谱的基础上建立起来的。n基因图谱：基因图谱：在人类基因组中鉴别出占具在人类基因组中鉴别出占具2% 5%长度的全部长度的全部基因的位置、结构与功能。基因的位置、结构与功能。基因组研究的具体内容基因组研究的具体内容由人类基因组计划所得的新发现由人类基因组计划所得的新发现1、人类基因组约、人类基因组约2.91Gbp，约，约39000多个基因；平均基因多个基因；平均基因27kbp；G+C仅仅38%，2号染色体号染色体G+C最多；仍有最多；仍有9%的碱基对序列未定，的碱基对序列未定，19号染色体含基因最丰，号染色体含基因最丰，13号染色体含最少号染

27、色体含最少 2、已定位、已定位26000多个多个功能基因功能基因，其中，其中42%基因的功能未知；已知基因中酶占基因的功能未知；已知基因中酶占10.28%，核酸，核酸酶酶7.5%，信号传导，信号传导12.2%，转录因子，转录因子6.0%，信号分子，信号分子1.2%，受体占，受体占5.3%，调节分子，调节分子3.2%3、总基因数量太少：、总基因数量太少：Celera公司定在公司定在2.6383万到万到3.9114万间，小于万间，小于40,000，仅为线虫或果，仅为线虫或果蝇基因数量的两倍，人有而鼠没有的基因只有蝇基因数量的两倍，人有而鼠没有的基因只有300个。个。4、人类单核苷酸多态性的比例约为

28、、人类单核苷酸多态性的比例约为1/1250bp，不同人群仅有，不同人群仅有140万个核苷酸差异，人与人万个核苷酸差异，人与人之间之间99.99的基因密码是相同的。不同人种比同一人种在基因上更相似，人与人间的变异的基因密码是相同的。不同人种比同一人种在基因上更相似，人与人间的变异仅为万分之一，说明人类不同仅为万分之一，说明人类不同“种种”之间并没有本质的区别。之间并没有本质的区别。 5、人类基因组中存在、人类基因组中存在“热点热点”和大片和大片“荒漠荒漠”。 基因组上约基因组上约14没有基因。全部基因组中的没有基因。全部基因组中的1-1.5 % DNA可编码蛋白，在人类基因组中可编码蛋白，在人类

29、基因组中98%以上序列以上序列“无用无用”，300多万个长片断重复多万个长片断重复序列序列LINE。这些重复序列可能包含人类演化和差异的信息。这些重复序列可能包含人类演化和差异的信息。6、男性的基因突变男性的基因突变率是女性的两倍，大部分人类遗传疾病在率是女性的两倍，大部分人类遗传疾病在Y上。男性更重要。上。男性更重要。 7、人类基因组中大约有、人类基因组中大约有200多个基因来自多个基因来自细菌基因细菌基因。这种插入基因在无脊椎动物中很罕见，说。这种插入基因在无脊椎动物中很罕见，说明这些细菌源基因是在人类进化的晚期才插入的，可能发生在免疫防御系统建立前。明这些细菌源基因是在人类进化的晚期才插

30、入的，可能发生在免疫防御系统建立前。 8、发现了大约、发现了大约140万个万个SNP单核苷酸多态性，其中单核苷酸多态性，其中30多种致病基因。多种致病基因。9、人类基因组编码的全套蛋白质（蛋白质组）比无脊椎动物编码的、人类基因组编码的全套蛋白质（蛋白质组）比无脊椎动物编码的蛋白质组更复杂蛋白质组更复杂。人类和。人类和其他脊椎动物重排了已有蛋白质的结构域，形成了新的结构。也就是说人类的进化和特征其他脊椎动物重排了已有蛋白质的结构域，形成了新的结构。也就是说人类的进化和特征不仅靠产生全新的蛋白质，更重要的是要靠重排和扩展已有蛋白，以实现蛋白质种类和功不仅靠产生全新的蛋白质，更重要的是要靠重排和扩展

31、已有蛋白，以实现蛋白质种类和功能的多样性。推测一个基因平均编码能的多样性。推测一个基因平均编码2-10种蛋白，以适应人类复杂的功能。种蛋白，以适应人类复杂的功能。 2 功能基因组学研究功能基因组学研究研究内容：研究内容：n人类基因组多样性的研究、人类基因组多样性的研究、n基因组表达调控的研究、基因组表达调控的研究、n模式生物的研究、模式生物的研究、n生物信息学的研究生物信息学的研究 人 3 X 109 39000 2001、2006（99.99%） 与编码蛋白质的基因数相比，基因组的与编码蛋白质的基因数相比，基因组的DNADNA过多过多例：人类与例：人类与E.coli编码基因数目的比较研究编码

32、基因数目的比较研究E.coli.4.2X106bpDNA约约3000种编码基因种编码基因人类人类3.3X109bp的的DNA是大肠杆菌的是大肠杆菌的700多倍多倍有上百万个基因？有上百万个基因？根据不同细胞中的根据不同细胞中的mRNA数目来估算表达基因，数目来估算表达基因，人类编码基因约为人类编码基因约为3-4万个万个持家基因（持家基因（housekeepinggene）：在所有细胞类：在所有细胞类型中都表达，即这些基因的功能为所有细胞所必须型中都表达，即这些基因的功能为所有细胞所必须（或称（或称组成型基因组成型基因constitutivegene）奢侈基因（奢侈基因（luxurygene）:

33、仅在某种特定类型的仅在某种特定类型的细胞中表达的基因细胞中表达的基因人类基因组中人类基因组中90以上的以上的DNA功能何在？功能何在？?果蝇基因组的基因果蝇基因组的基因nDNA复性过程遵循二级反应动力学复性过程遵循二级反应动力学nDNA复性过程中单链消失的速度用公式表示：复性过程中单链消失的速度用公式表示： -dC/dt=kC23 DNA的复性动力学的复性动力学反应初始反应初始t=0单链单链DNA浓度浓度=C0反应达反应达t时时单链单链DNA浓度浓度=CtK复性速度常数复性速度常数DNA复性的影响因素：复性的影响因素：nDNA序列的复杂性、初始浓度、片段大小、温度、序列的复杂性、初始浓度、片段

34、大小、温度、离子强度离子强度-dCt/dt=KC02积分积分Ct/C0=1/(1+KC0t)当当Ct/C0=1/2时时的的Cot值定义为值定义为Cot1/2Ct/C0=1/2=1/(1+KC0t(1/2)K=1/Cot(1/2)Cot(1/2) = 1/K (mol. Sec / L)C0t(1/2)值对值对DNA的意义：的意义：与与DNA的碱基对数成反的碱基对数成反相关相关即复性反应即复性反应完成一半时完成一半时K复性速度常数复性速度常数Ct/C0是是C0t的函数的函数,按此公式作图得按此公式作图得C0t曲线曲线nCot曲线：曲线：用以表示复性速度与用以表示复性速度与DNA顺序复杂性的关系。

35、顺序复杂性的关系。p不同不同DNA的的Cot(1/2)值不同，与值不同，与K值相关值相关pDNA序序列列的的复复杂杂性性影影响响K值值：在在控控制制反反应应条条件件（初初始始浓浓度度、温温度度、离离子子强强度度、片片段段大大小小）相相同同的的前前提提下下,两两种种DNA分子的分子的C0t(1/2)值值,取决于取决于核苷酸的排列复杂性核苷酸的排列复杂性。pDNA序序列列的的复复杂杂性性(complexity)X：最最长长的的不不重重复复序序列列的的bp数数X=KCot1/2AAAAAAAAX=1ATCGATCGATCGX=4Cot(1/2) = 1/K复杂性复杂性X1形形状状相相似似（跨跨越越2

36、-3个个数数量量级），级），Cot（12）不相同不相同单一序列单一序列只是复杂性不同只是复杂性不同高度重复序列高度重复序列Cot(1/2)值小值小单一序列单一序列Cot(1/2)值大值大poly(A)X=1Cot(1/2)=2x10-6T4X=1.7x105Cot(1/2)=0.3不同原核生物的不同原核生物的Cot曲线曲线MS2噬菌体噬菌体 复复性性分分数数（ 1-c/c0）P74图图16 真核生物复性真核生物复性动力学研究动力学研究复性曲线的模复性曲线的模式图式图复性反应分为复性反应分为三相，每相代三相，每相代表不同复杂长表不同复杂长度的序列类型度的序列类型Cot1/2所占比例所占比例复杂性

37、复杂性X重复频率重复频率重复序列重复序列(repetitive sequences)真核生物复性动力学研究发现了重复序列真核生物复性动力学研究发现了重复序列p单拷贝序列单拷贝序列p轻度重复序列轻度重复序列p中度重复序列中度重复序列p高度重复序列高度重复序列重复序列比例：重复序列比例：原核生物无重复序列原核生物无重复序列低等真核生物低等真核生物10-20%高等植物高等植物80%高等动物高等动物50%4 基因家族基因家族4.1.1基因家族和基因簇基因家族和基因簇基因家族（基因家族（genefamily）：真核生物基因组中来源：真核生物基因组中来源相同，结构和功能相关的基因聚集在一起形成基相同，结构

38、和功能相关的基因聚集在一起形成基因家族。因家族。可能由共同祖先经多次重复和突变产生可能由共同祖先经多次重复和突变产生根据分布形式分基因簇和散布的基因家族根据分布形式分基因簇和散布的基因家族：1）基因簇（）基因簇（genecluster）n基因家族的各个成员基因家族的各个成员紧密成簇排列紧密成簇排列成大段的成大段的串联串联重复重复单位，分布在某一条染色体的特殊区域；单位，分布在某一条染色体的特殊区域；n它们可同时发挥作用，合成某些蛋白质。它们可同时发挥作用，合成某些蛋白质。n假基因（假基因（pseudogene）：）：在多基因家族中，某些在多基因家族中，某些成员并不产生有功能的基因产物。成员并不

39、产生有功能的基因产物。n假基因与有功能的基因同源。假基因与有功能的基因同源。2）散布的基因家族（）散布的基因家族（interspersedgenefamily）n概念：概念：一个基因家族的不同成员成簇地分布不同一个基因家族的不同成员成簇地分布不同染色体上，各成员在序列上有明显差异。染色体上，各成员在序列上有明显差异。n这些不同成员编码一组这些不同成员编码一组功能上紧密相关功能上紧密相关的蛋白质，的蛋白质，如如珠蛋白基因家族。珠蛋白基因家族。4.1.2 广义的基因家族广义的基因家族 根据基因家族成员序列的相似程度分类：根据基因家族成员序列的相似程度分类：1）经典的基因家族经典的基因家族，家族成员

40、序列有高度的同源性，序，家族成员序列有高度的同源性，序 列一列一致，拷贝数高，非转录间隔区短而一致。致，拷贝数高，非转录间隔区短而一致。2) 基因家族各成员的编码产物保守（基因家族各成员的编码产物保守（大段的高度保守大段的高度保守氨基酸氨基酸序列）；只是序列）；只是DNA序列的相似性低。序列的相似性低。3）基因家族各成员的编码产物之间只有）基因家族各成员的编码产物之间只有很短的保守氨基酸很短的保守氨基酸序序列，列，DNA序列的相似性更低。序列的相似性更低。4）超基因家族超基因家族，各基因序列之间，各基因序列之间无同源性无同源性，但其基因产物的，但其基因产物的功能相似。编码产物之间也无明显的保守

41、氨基酸序列，但功能相似。编码产物之间也无明显的保守氨基酸序列，但也有一些共同特征。也有一些共同特征。有间隔区有间隔区 n如人类主要组织相容性抗原复合体HLA和免疫球蛋白重链及轻链基因都属于超基因。超基因可能是由于基因扩增后又经过功能和结构上的轻微改变而产生的，但仍保留了原始基因的结构及功能的完整性。卫星DNA用于制作DNA指纹图谱4.2.2 散布的重复散布的重复DNA重复单位不成簇重复单位不成簇，分散在染色体的各个位点上。，分散在染色体的各个位点上。1）短分散片段）短分散片段2）长分散片段）长分散片段1）短分散片段（）短分散片段（short interspersed repeated segm

42、ents, SINES）特点：特点：n长度约为长度约为300bp，n与长度约与长度约1000bp的单拷贝顺序间隔排列。的单拷贝顺序间隔排列。n拷贝数可达拷贝数可达10万左右。万左右。n如人的如人的Alu家族。家族。 Alu家族：家族：nAlu家族是哺乳动物包括人基因组中含量最丰富家族是哺乳动物包括人基因组中含量最丰富的一种的一种中度重复顺序中度重复顺序家族，在单倍体人基因组中家族，在单倍体人基因组中重复达重复达30万万-50万次，约占人基因组的万次，约占人基因组的3-6。n长度约长度约300bp，n含有限制性内切酶含有限制性内切酶Alu的切点（的切点（AGCT）。）。n具有具有种的特异性种的特

43、异性。n相近的生物体中存在相近的生物体中存在相似性相似性，nAlu顺序顺序很象转座子很象转座子，每个，每个Alu顺序两侧为顺序两侧为6-20bp的正向重复顺序。的正向重复顺序。n功能：功能：n可能参与可能参与hnRNA的加工与成熟。的加工与成熟。n与遗传重组及染色体不稳定性有关。与遗传重组及染色体不稳定性有关。n有形成有形成Z-DNA的能力。的能力。n可能具有转录调节作用。可能具有转录调节作用。还有许多其它家族如：还有许多其它家族如：nKpn家族、家族、nHinf家族、家族、n多聚多聚d-d家族等。家族等。2）长分散片段（）长分散片段（long interspersed repeated se

44、gments, LINES）n重复顺序的长度大于重复顺序的长度大于1000bp，平均长度为，平均长度为3500-5000bp，n与平均长度为与平均长度为13000bp（个别长几万（个别长几万bp）的单）的单拷贝顺序间隔排列。拷贝顺序间隔排列。n在基因组中的比例随不同种属差异大，为在基因组中的比例随不同种属差异大，为10-40。第四节第四节 病毒和细胞器基因组病毒和细胞器基因组一、病毒基因组一、病毒基因组寄生生活寄生生活DNA病毒、病毒、RNA病毒病毒动物病毒、植物病毒、动物病毒、植物病毒、噬菌体噬菌体病毒基因组的特点n基因组小，编码的蛋白少；寄生基因组小，编码的蛋白少；寄生n多顺反子多顺反子m

45、RNAmRNA间隔区很短间隔区很短2真核的线粒体和叶绿体基因组真核的线粒体和叶绿体基因组 1）线粒体的基因组）线粒体的基因组mtDNA：n脯乳动物的脯乳动物的mtDNA为为16.5Kbn为核为核DNA的的1%。2）叶绿体的基因组）叶绿体的基因组cpDNAn植物的植物的cpDNA是动物的是动物的8-9倍倍n一般为一般为121-155Kb；3 细胞器中的蛋白合成系统细胞器中的蛋白合成系统ntRNA、rRNA、RNA聚合酶、核糖体等。聚合酶、核糖体等。n有些生物的细胞器基因有些生物的细胞器基因一部分是自身合成，一部一部分是自身合成，一部分是核基因组编码的分是核基因组编码的，如细胞色素氧化酶；，如细胞色素氧化酶；n还还有一些基因在某些生物中是自我合成的，在别有一些基因在某些生物中是自我合成的，在别的生物中由核基因组编码的生物中由核基因组编码，如，如ATP酶基因；酶基因；名词解释名词解释基因组基因组C-值矛盾值矛盾基因家族基因家族基因簇基因簇割裂基因割裂基因卫星卫星DNA简答题简答题1.根据复性动力学曲线判断真核生物各种序列类型根据复性动力学曲线判断真核生物各种序列类型2.真核、原核生物的结构基因的主要组成特点。真核、原核生物的结构基因的主要组成特点。思考题思考题