基因及基因组的结构与功能

1、基因及基因组的结构与功能基因及基因组的结构与功能 Chapter 1 Structure and Function of Gene n一、基因的化学结构 1 基因和基因组的概念 2 基因的化学组成 3 基因（DNA）的一、二、三级结构 n二、真核基因的结构与功能 1 基因的功能 2 真核生物基因结构基因和调控序列 n三、真核生物基因组的结构与功能特征 真核生物基因组的特点 真核生物基因组中的重复序列 多基因家族和假基因 学习内容 第一节第一节 基因的化学结构基因的化学结构 一一 、基因、基因 n基因（gene）：是能够编码蛋白质或RNA等具有特定 功能产物的、负载遗传信息的基本单位，除了某些以

2、 RNA基因组的RNA病毒外，通常是指染色体或基因组 的一段DNA序列。包括编码序列（外显子）和对基因 表达具有调控作用的序列（调控序列）和编码序列间 的间隔序列（内含子）。 n基因组（genome）是指一个生物体内所有遗传物质 的总和。 DNA和RNA的化学组成 DNA：脱氧核糖核酸，由四种脱氧核糖核苷酸通过：脱氧核糖核酸，由四种脱氧核糖核苷酸通过3，5 磷酸二脂键连接而成磷酸二脂键连接而成 dAMP dGMP dCMP dTMP nRNA：核糖核酸，由四种 核糖核苷酸通过3，5磷 酸二脂键连接而成。 n分别为AMP、GMP、 CMP、UMP。 二、基因的结构二、基因的结构 n基因的结构主要

3、指DNA的结构：包括一、 二、三级结构 nDNA的一级结构：DNA分子中的所有脱 氧核糖核苷酸的排列顺序，这一顺序是基 因携带和传递遗传信息的基础。 DNA的二级结构 nDNA的二级结构：双链反 向互补右手螺旋结构 n特点： n1、DNA是反向平行互补双 链结构 n2、DNA分子式右手双螺旋 n3、疏水性碱基堆积力和氢 键是DNA双螺旋结构的稳 定力。 DNA的高级结构 n原核生物DNA的高级结构：双链闭合环状 DNA n真核生物高级结构：多次折叠的染色质结 构 当当E.coli的细胞被裂解后，类核的细胞被裂解后，类核 区区DNA就释放出去形成环状就释放出去形成环状 n基因的功能： 荷载遗传信

4、息 将遗传信息向子代传递（也有变异） 作为模板指导基因表达 n基因的功能由基因的结构所决定 第二节 真核生物基因的结构与功能 n基因的结构：真核生物基因在结构上可分为结构基因和调控序列 n结构基因： 是决定合成某一种蛋白质分子结构相应的一段DNA。 结构基因的功能：把携带的遗传信息转录给mRNA，再以mRNA为模板 合成具有特定氨基酸序列的蛋白质 少数结构基因转录产物为一些有特定功能的RNA，如：rRNA，tRNA， 小分子RNA。 n原核生物的结构基因大多为原核生物的结构基因大多为连续基因连续基因； n真核生物的基因为真核生物的基因为断裂基因断裂基因； 断裂基因断裂基因：真核生物的结构基因是

5、不连续的，：真核生物的结构基因是不连续的，内含子内含子与与外显子外显子间间 隔排列，这种基因称为断裂基因。隔排列，这种基因称为断裂基因。 连续基因连续基因：原核生物的结构基因是连续的，没有内含子序列，称：原核生物的结构基因是连续的，没有内含子序列，称 为连续基因为连续基因 断裂基因优点：断裂基因优点： 不同的不同的mRNA剪切加工方式剪切加工方式 产生不同蛋白质产生不同蛋白质 突变产生在内含子与外显子突变产生在内含子与外显子 之间可以促进生物进化之间可以促进生物进化 内含子可能与基因表达调控内含子可能与基因表达调控 有关。有关。 n在真核结构基因中，能够在成熟在真核结构基因中，能够在成熟RNA

6、分子中保留的序列分子中保留的序列 称为称为外显子外显子（exon） n不能在成熟不能在成熟RNA分子中保留的序列称为分子中保留的序列称为内含子内含子（intron）。 调控序列调控序列 n调控序列是基因中对结构基因的表达起调控作用的序列。调控序列是基因中对结构基因的表达起调控作用的序列。 n这些调控序列也称为这些调控序列也称为顺式作用元件。顺式作用元件。 n与顺式作用元件之作用的酶或蛋白因子称为与顺式作用元件之作用的酶或蛋白因子称为反式作用因子。反式作用因子。 反式作用因子=蛋白质 顺式作用元件= DNA 真核生物基因的调控序列真核生物基因的调控序列 n较原核生物复杂较原核生物复杂 n包括：包

7、括：启动子启动子、上游调控元件、上游调控元件、增强子增强子、沉默子、沉默子、加尾信号加尾信号 和一些细胞信号反应元件。和一些细胞信号反应元件。 n启动子启动子：启动子是：启动子是DNA分子上能够介导分子上能够介导RNA聚合酶结合并聚合酶结合并 形成转录起始复合体的序列，由于真核生物中有三种不同的形成转录起始复合体的序列，由于真核生物中有三种不同的 RNA聚合酶，因此也有三种不同的启动子。聚合酶，因此也有三种不同的启动子。 分类：分类： 类启动子：富含类启动子：富含GC碱基对，主要编码碱基对，主要编码rRNA基因。基因。 类启动子：具有类启动子：具有TATA盒特征结构，主要编码蛋白质的基因和一些

8、小盒特征结构，主要编码蛋白质的基因和一些小RNA 基因。基因。 类启动子：包括类启动子：包括A盒、盒、B盒、盒、C盒（启动子特征性保守序列），主要编码盒（启动子特征性保守序列），主要编码 5S rRNA、tRNA等。等。 n真核生物启动子特点（了解）：真核生物启动子特点（了解）： （1）有多种元件：）有多种元件：TATA框，框，GC框，框，CATT框，框，OCT等；等； （2）结构不恒定。有的有多种框盒如组蛋白）结构不恒定。有的有多种框盒如组蛋白H2B；有的只有；有的只有TATA框和框和GC 框，如框，如SV40早期转录蛋白，早期转录蛋白， （3）它们距离结构基因的位置、序列、距离和方向都不完

9、全相同，）它们距离结构基因的位置、序列、距离和方向都不完全相同， （4）不直接和）不直接和RNA pol结合。转录时先和其它转录激活因子相结合，再和结合。转录时先和其它转录激活因子相结合，再和 聚合酶结合。聚合酶结合。 转录起始复合物的形成 1、TFD识别识别TATA盒盒 2、RNApol识别并结合识别并结合TFD-DNA复合复合 物物 3、其他转录因子与、其他转录因子与RNApol结合结合 n增强子：增强子：可增强真核生物基因启动子的工作效率的顺可增强真核生物基因启动子的工作效率的顺 式作用元件，是真核生物基因中最重要的调控序列。式作用元件，是真核生物基因中最重要的调控序列。 特点（了解）：

10、特点（了解）： 1、 具有远距离效应。常在上游具有远距离效应。常在上游-200bp处，但可增强远处启处，但可增强远处启 动子的转录，即使相距十几动子的转录，即使相距十几Kb也能发挥其作用；也能发挥其作用； n可能机制：（可能机制：（1）拓朴效应；（）拓朴效应；（2）滑动模型；（）滑动模型；（3）成环模型）成环模型 2、 无方向性。无方向性。 n无论在靶基因的上游，下游或内部都可发挥增强转录的作用；无论在靶基因的上游，下游或内部都可发挥增强转录的作用； 3、顺式调节。、顺式调节。 n只调节位于同一染色体体上的靶基因，而对其它染色体上的基因只调节位于同一染色体体上的靶基因，而对其它染色体上的基因

11、无作用。无作用。 n沉默子：沉默子：是参与基因表达负调控的一种元件是参与基因表达负调控的一种元件 ，与，与 增强子作用相反，是抑制基因转录的特定增强子作用相反，是抑制基因转录的特定DNA序序 列。列。 沉默子沉默子DNA序列结合调控蛋白序列结合调控蛋白阻断转录起始复合物阻断转录起始复合物 的形成或活化的形成或活化基因表达关闭。基因表达关闭。 第三节第三节 真核基因组的结构与功能真核基因组的结构与功能 一、真核生物基因组的结构特点一、真核生物基因组的结构特点 n1、真核生物基因组都是大分子双链线状DNA; n这些DNA通常与组蛋白、非组蛋白组成核小体、染色体等 复合体而存在。 n染色体通常成对出

12、现（双倍体）。 n2、基因组非常庞大，结构非常复杂，有多 个复制起始位点。 人类基因组：长3X106 bp，编码2-2.5个基因，编码序列仅占1%，含有大 量重复序列和非编码序列。 n3、基因组中存在大量的重复序列以及非编码序列。 n4、真核生物中，若干功能相似或相关的结构基因 常常串联组织在一起形成多基因家族。 （二）真核生物基因组中的重复序列二）真核生物基因组中的重复序列 n真核生物基因组中通常存在大量的重复序列 占整个基因组DNA的90%以上。 n 按重复频率的高低分为： 高度重复序列 中度重复序列 单拷贝序列 n1、高度重复序列： n高度重复序列： 重复频率高，106以上，复性速度很快

13、。 在基因组中所占比例随种属而异 n一般在130%范围内。 n人的高度重复序列约占整个基因组的20% 左右。 n高度重复序列按其结构特点可分为：反向重复序列 和卫星DNA. n 反向重复序列（inverted repeats）：两个相同顺 序的互补拷贝在同一DNA链上反向排列形成。 长度一般在300600 bp 分散于整个基因组中 结构特点为DNA分子的每一条单链中，碱基序列回排对称 即回文序列 回回 文文 对对 联联 画上荷花和尚画画上荷花和尚画 书临汉字翰林书书临汉字翰林书 n回文序列结构特征 茎环结构/发卡结构 十字结构 n卫星DNA (satelliteDNA) 定义:一类高度重复序列

14、，其重复单位一般由2-10bp组 成，成串排列。由于这类序列的碱基组成不同于其它 部份，可用等密度梯度离心法将其与主体DNA分开， 因而称为卫星DNA或随体DNA。 特点：具有种属特异性和个体特异性。 应用：可用于制备DNA指纹用于法医学个体识别和亲 子鉴定 。 n高度重复序列功能（了解）： 1.参与复制水平的调节：蛋白质（包括酶）和DNA的结合 位点。 2.参与基因表达的调控：发卡结构 3.参与转位作用：反向重复顺序。 4.可以作为每一个体的特征，即DNA指纹。 5.可能与染色体减数分裂时染色体配对有关：特定卫星 DNA顺序。 n2、中度重复序列： 重复频率十几次至几十万次 在基因组中所占比

15、例种属差异很大， n一般1235% n人类基因组中约占12%。 有些属于结构基因，有些属于调控序列 n组蛋白基因是最典型的中度重复序列 各种生物组蛋白基因在基因组中重复频率不同。如海胆各种生物组蛋白基因在基因组中重复频率不同。如海胆 中的组蛋白基因重复中的组蛋白基因重复3001000次，果蝇的重复约次，果蝇的重复约110 次，人的组蛋白基因重复次，人的组蛋白基因重复3040次。次。 n中度重复序列按重复片段长度分类可分为： 短分散重复片段（300500bp） n代表基因： Alu家族Kpn家族 长分散重复片段（35005000bp） Alu基因家族结构特征 n3、单拷贝序列： 基因组中只出现一

16、次或几次 单拷贝序列属于结构基因 SNP（单核苷酸多态性） 是单拷贝序列的代表。 A C G T G T C G G T C T T A A A Maternal chromosome A C G T G T C C G T C T T A A A Paternal chromosome A C G T G T C G G T C T T A A A Maternal chromosome A C G T G T C G G T C T T A A A Paternal chromosome A C G T G T C C G T C T T A A A Maternal chromosome

17、 A C G T G T C C T A C T T A A A Paternal chromosome The position of the SNP is indicated by the box. Individual 1 is heterozygous, while individuals 2 and 3 are homozygous. Individual 1 Individual 2 Individual 3 SNP Single nucleotide polymorphism (SNP) 真核生物基因组中的重复序列 高度重复序列 中度重复序列 单拷贝序列 反向重复序列 卫星DNA

18、 短分散重复片段 长分散重复片段 结构基因 （三）多基因家族与假基因（三）多基因家族与假基因 n多基因家族（multigene family） 定义：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。 来源：多基因家族中的基因通常是由同一祖先基因经进 化或变异而来。 n多基因家族分类（了解）： n第一类： 基因家族成簇地分布在同一染色体上 同时进行转录，并同时发挥作用 如组蛋白基因家族 组蛋白基因家族集中分布在第组蛋白基因家族集中分布在第7号染色体长臂号染色体长臂3区区2带到带到3区区6带的区域内带的区域内 n第二类： 基因家族成簇地分布于不同的染色体上 分别进行转录，且不同基因编码的蛋白质在功能上相关 如珠蛋白基因家族。 -类珠蛋白基因类珠蛋白基因 家族家族 -类珠蛋白基因类珠蛋白基因 家族家族 chromosome 11 chromosome 16 n假基因（pseudogene） 定义：又称为加工基因或非功能基因。这类基因的 核苷酸顺序虽然与正常的结构基因很相似，但基本 上不能表达。 假基因复活