第二章 基因的概念与结构(2)断裂基因

1、第二章（第二章（2 2） 断裂基因断裂基因在真核生物基因的分子图谱完成之前，我们一直设在真核生物基因的分子图谱完成之前，我们一直设想真核生物基因与原核生物基因有着相同的组织结想真核生物基因与原核生物基因有着相同的组织结构，我们认为构成基因一定长度的构，我们认为构成基因一定长度的DNADNA和蛋白质和蛋白质之间呈线性关系，但是比较了之间呈线性关系，但是比较了DNADNA结构和相应的结构和相应的mRNAmRNA之后，我们发现在很多情况下两者之间存在之后，我们发现在很多情况下两者之间存在差异，差异， mRNA mRNA总是包含着这样一段核苷酸序列，这总是包含着这样一段核苷酸序列，这段序列按照遗传密码

2、原则编码相应的蛋白质产物，段序列按照遗传密码原则编码相应的蛋白质产物，而基因中则含有额外序列，它位于编码区域内，并而基因中则含有额外序列，它位于编码区域内，并且打断了最终翻译成蛋白质的序列。且打断了最终翻译成蛋白质的序列。目前我们认为，基因包括基因两侧的调控区目前我们认为，基因包括基因两侧的调控区域，这个调控区域为起始和终止（某些情况域，这个调控区域为起始和终止（某些情况下）基因的表达需要。下）基因的表达需要。由断裂基因组成的由断裂基因组成的DNADNA序列被分成两个部分：序列被分成两个部分： 外显子外显子的序列包含在成熟的序列包含在成熟RNARNA中，精确地说，基因中，精确地说，基因起始于一

3、个外显子的起始于一个外显子的55端，终止于另一个外显子的端，终止于另一个外显子的33端。端。 内含子内含子是插入序列，在初始转录物加工成成熟是插入序列，在初始转录物加工成成熟RNARNA时被除去。时被除去。 断裂基因与非断裂基因相比，其表达需要一个额外断裂基因与非断裂基因相比，其表达需要一个额外的步骤。的步骤。DNADNA转录成的转录成的RNARNA代表基因组序列。但这个代表基因组序列。但这个RNARNA只是一个前体分子，它不能翻译成蛋白质。它首只是一个前体分子，它不能翻译成蛋白质。它首先要去除内含子，形成只含外显子的信使先要去除内含子，形成只含外显子的信使RNARNA，这个，这个过程称为过程

4、称为RNARNA剪接剪接（RNA splicingRNA splicing）。剪接过程包括内）。剪接过程包括内含子从初始转录物中精确去除，内含子去除后形成的含子从初始转录物中精确去除，内含子去除后形成的RNARNA的两个末端连接在一起形成一个完整的共价分子。的两个末端连接在一起形成一个完整的共价分子。基因的长度由初始基因的长度由初始RNARNA前体的长度决定，前体的长度决定，而不是由信使而不是由信使RNARNA决定。外显子（决定。外显子（exonexon）通常按照通常按照DNADNA中的相同排列顺序连接在一中的相同排列顺序连接在一起。起。所有的外显子都来源于相同的所有的外显子都来源于相同的RN

5、ARNA分子，分子，它们的剪接只是一种分子内反应。通常不它们的剪接只是一种分子内反应。通常不存在不同存在不同RNARNA分子之间的外显子的连接，分子之间的外显子的连接，因此从剪接机制上排除了任何不同等位基因此从剪接机制上排除了任何不同等位基因序列之间的剪接。若基因中位于不同外因序列之间的剪接。若基因中位于不同外显子的突变不能由另一个突变互补，则把显子的突变不能由另一个突变互补，则把它们视为相同互补组中的成员。它们视为相同互补组中的成员。直接影响蛋白质序列的突变位于外显子中，直接影响蛋白质序列的突变位于外显子中，那么内含子中的突变有什么作用呢？内含子那么内含子中的突变有什么作用呢？内含子的突变会

6、不会影响蛋白质序列？的突变会不会影响蛋白质序列？ 既然内含子不包含在信使既然内含子不包含在信使RNARNA中，那么它们发生突变中，那么它们发生突变就不会直接影响蛋白质的结构。但是内含子的突变却可以就不会直接影响蛋白质的结构。但是内含子的突变却可以抑制信使抑制信使RNARNA产物的生成，比如抑制外显子的剪接。这种产物的生成，比如抑制外显子的剪接。这种类型的突变只作用于携带该基因的等位基因，因此，它们类型的突变只作用于携带该基因的等位基因，因此，它们不能被等位基因中的其他突变所互补并且像外显子一样是不能被等位基因中的其他突变所互补并且像外显子一样是同一互补组的组成成分。同一互补组的组成成分。 影响

7、剪接的突变通常是有害的。这种突变大部分是在影响剪接的突变通常是有害的。这种突变大部分是在外显子和内含子的连接处发生单个碱基的置换，这样就导外显子和内含子的连接处发生单个碱基的置换，这样就导致产物中外显子的丢失和内含子的不切除，或使在异常位致产物中外显子的丢失和内含子的不切除，或使在异常位点发生剪接。最通常的结果是产生一个终止密码子，从而点发生剪接。最通常的结果是产生一个终止密码子，从而导致蛋白质序列的截短。引起人类疾病的约导致蛋白质序列的截短。引起人类疾病的约15%15%的点突变的点突变是由剪接的破坏而引起的。是由剪接的破坏而引起的。只有在已知只有在已知DNADNA功能或已功能或已经鉴定出突变

8、经鉴定出突变的情况下才能的情况下才能得到该得到该DNADNA的的限制性酶切图限制性酶切图谱？谱？断裂基因仅存在于真核生物中吗？内含子通常不具备可读框，去除内含子后内含子通常不具备可读框，去除内含子后mRNAmRNA序列序列才会产生一个完整的读框。才会产生一个完整的读框。所有种类的基因都有可能被打断，如编码蛋白质的核所有种类的基因都有可能被打断，如编码蛋白质的核基因、编码基因、编码rRNArRNA的核仁基因和编码的核仁基因和编码tRNAtRNA的基因。在的基因。在低等真核生物的线粒体和叶绿体基因中，我们也发现低等真核生物的线粒体和叶绿体基因中，我们也发现了断裂基因。断裂基因并非只存在于真核生物中

9、，也了断裂基因。断裂基因并非只存在于真核生物中，也存在于细菌和噬菌体中，尽管在原核生物基因组中发存在于细菌和噬菌体中，尽管在原核生物基因组中发现断裂基因的概率非常低。现断裂基因的概率非常低。外显子序列保守而内含子序列变化多端是由于外显子和内含子中发生突变的概率不同的结果？外显子捕捉技术外显子捕捉技术分离基因分离基因外显子捕获外显子捕获(exon trapping) (exon trapping) 是构建是构建一种载体，从其插入片段中识别一种载体，从其插入片段中识别和回收外显子序列，从而克隆目和回收外显子序列，从而克隆目的基因。凡是有内含子和外显子的基因。凡是有内含子和外显子的基因在转录后都要经

10、过的基因在转录后都要经过RNARNA剪剪接，这就需要有剪接供体接，这就需要有剪接供体(splicing (splicing donordonor，SD)SD)位点和剪接受体位点和剪接受体(splicing acceptor(splicing acceptor，SA)SA)位点。因此，位点。因此，SASA位点可作为基因的标志。位点可作为基因的标志。pETVpETV咀载体的克隆位点上游有咀载体的克隆位点上游有一个一个“外显子捕获序列外显子捕获序列”(exon (exon trap cassette)trap cassette)，可用来识别载体的，可用来识别载体的插入片段中有无插入片段中有无SASA

11、位点。位点。大多数基因由一条大多数基因由一条DNADNA序列组成，这个序列组成，这个DNADNA序列序列只编码一种蛋白质（尽管基因两端可能包含非编码只编码一种蛋白质（尽管基因两端可能包含非编码区域或编码区内含有内含子），但是，也存在区域或编码区内含有内含子），但是，也存在DNADNA单条序列编码一种以上蛋白质的情况。单条序列编码一种以上蛋白质的情况。 重叠基因重叠基因（overlapping geneoverlapping gene）发生在相对简单的）发生在相对简单的情况下，其中一条基因是另一条基因的一部分，基情况下，其中一条基因是另一条基因的一部分，基因的第二部分（或第一部分）独立地用来翻译

12、一种因的第二部分（或第一部分）独立地用来翻译一种蛋白质，这种蛋白质代表整条基因翻译出的蛋白质蛋白质，这种蛋白质代表整条基因翻译出的蛋白质的第一（或第二）部分。的第一（或第二）部分。重叠基因重叠基因可变剪接可变剪接早期内含子模型：编编码的序列需要精密重码的序列需要精密重组，重组失败，则细组，重组失败，则细胞损伤。胞损伤。RNARNA的剪接的剪接为了利用转录出的新为了利用转录出的新链的尝试，如果不成链的尝试，如果不成功还可利用原来的链。功还可利用原来的链。则则RNARNA缺失时不产生缺失时不产生损害性后果，但若损害性后果，但若DNADNA缺失，则会产生缺失，则会产生损害性的不稳定性。损害性的不稳定

13、性。与之相反的例子。无论内含子存在与否，我与之相反的例子。无论内含子存在与否，我们仍能发现一些们仍能发现一些rRNA rRNA 和和tRNAtRNA基因的可变剪基因的可变剪接。似乎进化不能将基本基因连接在一起，接。似乎进化不能将基本基因连接在一起，最大可能就是连续的基因中插入内含子。最大可能就是连续的基因中插入内含子。 如果目前的蛋白质是由最初分开但后来组合在一起的如果目前的蛋白质是由最初分开但后来组合在一起的祖先蛋白质进化而来，那么基因单位的增长可能经过几个祖先蛋白质进化而来，那么基因单位的增长可能经过几个连续的时期，一次增加一个外显子。在现在的基因结构中连续的时期，一次增加一个外显子。在现

14、在的基因结构中能观察到基因的不同功能被拼凑在一起的现象吗？即，我能观察到基因的不同功能被拼凑在一起的现象吗？即，我们能将目前蛋白质的特殊功能等同于单一外显子吗？们能将目前蛋白质的特殊功能等同于单一外显子吗？ 这种观念解释了蛋白质结构的另一种特征：在外显子、这种观念解释了蛋白质结构的另一种特征：在外显子、内含子边界的位点所编码的氨基酸似乎通常位于蛋白质的内含子边界的位点所编码的氨基酸似乎通常位于蛋白质的表面。当一个模块添加到蛋白质中，至少大部分新近添加表面。当一个模块添加到蛋白质中，至少大部分新近添加的模块的连接都是趋向位于蛋白质的表面。的模块的连接都是趋向位于蛋白质的表面。一些例子证明在基因结

15、构和蛋白质结构之间一些例子证明在基因结构和蛋白质结构之间有着清楚的关系。免疫球蛋白就是其中一个有着清楚的关系。免疫球蛋白就是其中一个最典型的一例，编码此基因的每个外显子与最典型的一例，编码此基因的每个外显子与蛋白质的一个已知功能的结构域完全一致。蛋白质的一个已知功能的结构域完全一致。很多例子表明基因的某些外显子可以通过特很多例子表明基因的某些外显子可以通过特殊的功能而被鉴定出来，如在分泌蛋白质中，殊的功能而被鉴定出来，如在分泌蛋白质中，它的第一个外显子编码多肽的它的第一个外显子编码多肽的N N端区域，通端区域，通常是参与膜分泌的信号序列，胰岛素就是其常是参与膜分泌的信号序列，胰岛素就是其中一例。中一例。 这种观念解释了蛋白质结构的另一种特征：在外显这种观念解释了蛋白质结构的另一种特征：在外显子、内含子边界的位点所编码的氨基酸似乎通常位于子、内含子边界的位点所编码的氨基酸似乎通常位于蛋白质的表面。当一个模块添加到蛋白质中，至少大蛋白质的表面。当一个模块添加到蛋白质中，至少大部分新近添加的模块的连接都是趋向位于蛋白质的表部分新近添加的模块的连接都是趋向位于蛋白质的表面。面。思考 1、 Interrupted gene 2、 Overlapping gene 3、 Alternative splicing