第二章 基因的组织与结构

1、1第二章 基因的组织与结构2第三节第三节 染色体外遗传因子染色体外遗传因子第二章 基因的组织与结构3第一节第一节 基因与基因多样性基因与基因多样性4“Particulate factor”在在孟德尔孟德尔遗传学的定律中，遗传学的定律中，孟德尔用于命名从亲代传递给子代而不发生改变孟德尔用于命名从亲代传递给子代而不发生改变的遗传物质；的遗传物质；遗传因子位于染色体上遗传因子位于染色体上萨顿假设，萨顿假设，1903年年W.S.Sutton;Gene由由W. Johannsen于于1909年首先使用年首先使用,但当但当时对其物质本质尚一无所知；时对其物质本质尚一无所知；遗传粒子理论遗传粒子理论摩尔根摩

2、尔根基因论基因论，基因是染，基因是染色体上象念珠一样线形排列的遗传物质单位，是色体上象念珠一样线形排列的遗传物质单位，是突变、重组和功能突变、重组和功能表达三位一体；表达三位一体；1、基因概念的演化、基因概念的演化F 基因的染色体遗传学阶段5基因与性状的相关性基因与性状的相关性1940年，年，G.Beadle和和R.Tatum提出提出“一个基因一个酶一个基因一个酶”的假设，第一的假设，第一次明确地把基因和蛋白质直接相关联；次明确地把基因和蛋白质直接相关联；6F基因的分子生物学阶段 基因物质本质的认识基因物质本质的认识转化、转导、转转化、转导、转 染等实验证实了染等实验证实了DNADNA是遗传物

3、质，基因的化学是遗传物质，基因的化学本质是脱氧核糖核酸，基因是具有一定的遗本质是脱氧核糖核酸，基因是具有一定的遗传学功能的传学功能的DNADNA片段；片段；7DNA 双螺旋结构模型双螺旋结构模型Watson&Crick从从结构上论证了结构上论证了DNA作为遗传物质的可行性；作为遗传物质的可行性；基因调控模型的建立基因调控模型的建立Jacob和和Monod的的操纵子学说，基因是在特定遗传系统调操纵子学说，基因是在特定遗传系统调控下的表达其功能的遗传物质单位。控下的表达其功能的遗传物质单位。8F基因的反向生物学阶段基因的反向生物学阶段Functional StudiesForward Ge

4、neticsMutant CharacterizationsGenetics ScreensMolecular CharacterizationsReverse GeneticsIdentification of target geneGenerate mutantGenetic analysisBiological assessment表现型表现型(phenotype(phenotype)基因型基因型（genetype)genetype)92、基因的概念、基因的概念 基因是指存在于细胞内有自体繁殖能基因是指存在于细胞内有自体繁殖能力的力的遗传单位遗传单位，在染色体上占有一定位置、，在染色体上

5、占有一定位置、呈直线排列。呈直线排列。 基因是具有特定核苷酸顺序的核酸分基因是具有特定核苷酸顺序的核酸分子中一个片段，是携带有特定遗传信息的子中一个片段，是携带有特定遗传信息的功能单位功能单位。 在大多数生物中基因的化学本质是在大多数生物中基因的化学本质是DNADNA，但在某些病毒中可以是但在某些病毒中可以是RNARNA。 103、不连续基因、不连续基因/断裂基因断裂基因lStructural gene codes for any RNA or protein product other than a regulator. 结构基因：结构基因：RNA或蛋白质的编码基因，而非调节基或蛋白质的编码

6、基因，而非调节基因。因。 lExon is any segment of an interrupted gene that is represented in the mature RNA product. 外显子：基因中的编码区，即表达产生肽链的部分。外显子：基因中的编码区，即表达产生肽链的部分。lIntron is a segment of DNA that is transcribed, but removed from within the transcript by splicing together the sequences (exons) on either side of i

7、t. 内含子：基因中的非编码区，即基因内部不表达部内含子：基因中的非编码区，即基因内部不表达部分。分。 11lTranscript is the RNA product produced by copying one strand of DNA. It may require processing to generate mature RNAs. 转录本：由模板转录本：由模板DNA转录得到的转录得到的RNA产物，需进一步加产物，需进一步加工后才能成为成熟的工后才能成为成熟的RNA。lRNA splicing is the process of excising the sequ-ences i

8、n RNA that correspond to introns, so that the sequences corresponding to exons are connected into a continuous mRNA. RNA剪接：除去内含子，连接外显子序列，以产生功能剪接：除去内含子，连接外显子序列，以产生功能的的mRNA、tRNA、rRNA的过程。的过程。12断裂基因的转断裂基因的转录与表达录与表达lInterrupted genes are expressed via a precure or RNA. lIntrons are removed when the exons

9、 are spliced together. lThe mRNA has only the sequences of the exons.13 Phillip A. Sharp Sharp Center for Cancer Research Massachusetts Institute of Technology, USA 1944 - Richard J.Roberts New England Bio-labs Beverly, MA, USA 1943 - The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1993“for their discover

10、y of split genes”1）基因不连续性的发现与证实）基因不连续性的发现与证实14R-loop 法法15R-looping experiments reveal introns in adenovirus16 鸡卵清蛋白鸡卵清蛋白cDNAcDNA探针和红细胞及输卵管探针和红细胞及输卵管DNADNA Southern Southern杂交的结果杂交的结果l1977年，法 Chambon17用DNA-RNADNA-RNA杂交的方法验证鸡卵清蛋白基因中存在非编码的内含子区。a. a. 成熟mRNAmRNA与带有该基因的互补链DNADNA序列杂交示意图；b. b. 鸡卵清蛋白的基因结构示意图

11、18DNA酶切分析酶切分析l若同一基因的基因组若同一基因的基因组DNA和和cDNA的限制性图谱相的限制性图谱相同，则一般不含内含子；同，则一般不含内含子；l若基因组若基因组DNA的长度大于的长度大于cDNA则很可能是不连续则很可能是不连续基因。基因。19l断裂基因现象广泛存在于真核生物中，甚至断裂基因现象广泛存在于真核生物中，甚至在少数原核生物中也存在；在少数原核生物中也存在；l并非所有的真核生物基因都是断裂基因，如并非所有的真核生物基因都是断裂基因，如组蛋白基因和干扰素基因。组蛋白基因和干扰素基因。202）内含子与外显子特点比较）内含子与外显子特点比较l不同的断裂基因所含的内含子数目有很大差

12、别，不同的断裂基因所含的内含子数目有很大差别，有些基因只有一个或若干个内含子，而有的基因有些基因只有一个或若干个内含子，而有的基因内含子与外显子是高度嵌合的；内含子与外显子是高度嵌合的；l内含子的长度常大于外显子；内含子的长度常大于外显子；l在同一基因家族内，断裂基因的组织结构、外显在同一基因家族内，断裂基因的组织结构、外显子序列及其长度通常比较保守，而内含子变化迅子序列及其长度通常比较保守，而内含子变化迅速，不论是序列还是长度差异性很大。速，不论是序列还是长度差异性很大。21连续基因与断裂基因外显子数目的分布连续基因与断裂基因外显子数目的分布Most genes are uninterrup

13、ted in yeast, but most genes are interrupted in flies and mammals. (Uninterrupted genes have only 1 exon, and are totaled in the leftmost column.) 22外显子与内含子的长度变化外显子与内含子的长度变化Introns are longer than exons. The size distribution extends from approximately the same size as the exons (200 bp) to 50-60 kb

14、 in extreme cases. 23哺乳动物二氢叶酸还原酶（哺乳动物二氢叶酸还原酶（DHFR）基因）基因 人类、小鼠和中国仓鼠的人类、小鼠和中国仓鼠的DHFR都有都有6个外显子，外显个外显子，外显子基本相同，各内含子的相对子基本相同，各内含子的相对位置没有改变，但长度变化很位置没有改变，但长度变化很大。大。244）基因外显子与蛋白质结构域的关系）基因外显子与蛋白质结构域的关系l外显子常相当于多肽折叠的结构域；l外显子的边界非常精确地相当于结构域之间的联结处；l外显子与结构域并非在任何情况下都一一对应。5）内含子与外显子的关系）内含子与外显子的关系l外显子与内含子联结处具有1-4bp的保守

15、的共同序列（GT-AG规则），与剪接反应有关；l一个基因的内含子可以是另一基因的外显子。256）内含子可能的功能）内含子可能的功能l具有转录调控作用：内含子通过与启动子、起始具有转录调控作用：内含子通过与启动子、起始位点的精确碱基配对来阻止或增强位点的精确碱基配对来阻止或增强RNA聚合酶的聚合酶的作用；作用；l内含子具有各种剪接信号，不同细胞能选择不同内含子具有各种剪接信号，不同细胞能选择不同的拼接点，将初始转录产物进行不同的加工，对的拼接点，将初始转录产物进行不同的加工，对外显子进行选择地拼接，形成不同的成熟外显子进行选择地拼接，形成不同的成熟mRNA；l有的内含子有自己特定的蛋白编码序列。

16、有的内含子有自己特定的蛋白编码序列。26断裂基因断裂基因 Split Genes有些基因的初级转录本，可以按照不同的途径剪辑形成不同的RNA分子，编码不同的蛋白质 27 164 199 229 242 259aa 型型 W X Z W X Z 型型 W X Z 164 199 229 242 259aa 图 10-42 肌钙蛋白基因内含子的交替剪接， 产生和两种类型的蛋白肌钙蛋白基因内含子的交替剪接，产生和两种类型的蛋白28 外显子 1 内含子 1 外显子 2 内含子 2 外显子 3 417bp 765bp 14bp 1240bp 100bp 139aa 280aa(840bp) 翻译 剪接

17、RNA 成熟酶(423aa) 成熟的 mRNA 翻译 细胞色素 b 144aa+279aa 图 13-20 酵母 cob 基因的内含子的 2 的剪接。内含子 2 前部 840bp 的开放读框 参与编码 RNA 成熟酶。RNA 成熟酶反过来又将内含子 2 剪切酵母酵母cobcob基因的内含子基因的内含子2 2的剪接。的剪接。内含子内含子2 2前部前部840bp840bp的开放阅读框参与编码的开放阅读框参与编码RNARNA成熟酶，成熟酶， RNARNA成熟酶又反过来将内含子成熟酶又反过来将内含子2 2剪接剪接29exon trapping(外显子捕捉技术）外显子捕捉技术）Exons isolati

18、on30u 外显子组u 外显子组测序（测序原理及应用）Homework31思考如何获得基因的全长（包括基因的DNA结构和cDNA结构）324、基因家族（、基因家族（gene family）l基因家族（基因家族（gene family） 来自于一个共同的来自于一个共同的祖先基因，通过复制和变异形成的结构、功能相祖先基因，通过复制和变异形成的结构、功能相似的基因群体；家族成员其外显子具有相似性。似的基因群体；家族成员其外显子具有相似性。l基因簇（基因簇（genen cluster）:位于同一染色体上彼位于同一染色体上彼此相邻近的一组相同或相关基因称为基因簇。此相邻近的一组相同或相关基因称为基因簇。

19、 基因家族中的成员常集串联排列构成基因簇；但也基因家族中的成员常集串联排列构成基因簇；但也可以不集中在一起，也分布在不同的染色体上。可以不集中在一起，也分布在不同的染色体上。33l基因家族的类型：基因家族的类型： 1 1）简单的多基因家族；）简单的多基因家族； 2 2）复杂的多基因家族；）复杂的多基因家族； 3 3）时空表达差异的复杂多基因家族。）时空表达差异的复杂多基因家族。341 1）简单的多基因家族）简单的多基因家族rRNArRNA基因家族基因家族l特点：转录单元结构相似，特点：转录单元结构相似，中度重复，在基因组内分中度重复，在基因组内分散成若干个基因簇。各重散成若干个基因簇。各重复单

20、位含有单一的转录单复单位含有单一的转录单元和非转录区；元和非转录区；l真核生物真核生物rRNA基因通过基因通过重复单元构成基因簇，重复单元构成基因簇，18-5.8-28S为同一转录单为同一转录单元，重复单元包括转录序元，重复单元包括转录序列和将转录序列分隔开的列和将转录序列分隔开的转录间隔区；转录间隔区；lrRNA重复单元分布在一重复单元分布在一条或几条染色体的核仁区。条或几条染色体的核仁区。 真核生物真核生物rDNA重复单元结构重复单元结构35rRNA基因家族比较简单的基因家族中转录单元保守性很高；转录单元内基因间隔区序列变化大；非转录区在不同生物中，甚至在同种生物中变化也很大。几种真核生物

21、几种真核生物rRNA基因基因 重复单元的排列方式重复单元的排列方式转录单位转录单位14kbp36rDNA非转录间非转录间隔区结构隔区结构l长度固定区域与可变区域相间排列；长度固定区域与可变区域相间排列；l可变区域由短重复序列组成，重复次数变化导致非转可变区域由短重复序列组成，重复次数变化导致非转录间隔区序列长度差异；录间隔区序列长度差异；l最前端的固定区域其序列和长度与其它固定区域不同；最前端的固定区域其序列和长度与其它固定区域不同；l后三个固定区域称做后三个固定区域称做Bam Island;l每个重复固定区域都含有启动子序列，这有利于每个重复固定区域都含有启动子序列，这有利于rDNA在需要时

22、高效表达。在需要时高效表达。37rRNA基因簇转录过程电镜观察此图为蝾螈此图为蝾螈rRNA基因簇转录时的电镜观察。转录时基因簇转录时的电镜观察。转录时RNA聚合酶大聚合酶大量聚集于量聚集于rDNA转录单元，而在非转录间隔区数量很少。显示转录单元，而在非转录间隔区数量很少。显示rRNA基因的重复单元结构。基因的重复单元结构。382）复杂的）复杂的多基因家族多基因家族组蛋白基因家族组蛋白基因家族l由多个基因构成一个单位重复由多个基因构成一个单位重复数百次；每个基因单独地按一数百次；每个基因单独地按一定方向转录；各重复单元含有定方向转录；各重复单元含有多个不同的转录单元和非转录多个不同的转录单元和非

23、转录区；区；l组蛋白基因家族中的组蛋白基因家族中的5个基因串个基因串联构成一个单元，然后又以多联构成一个单元，然后又以多拷贝组织成串联的重复基因簇，拷贝组织成串联的重复基因簇，基因与基因之间是非转录的间基因与基因之间是非转录的间隔区。一个重复单元中隔区。一个重复单元中5个间隔个间隔区短而且互不相同。区短而且互不相同。几种动物组蛋白基因的拷贝数：几种动物组蛋白基因的拷贝数：海胆：海胆：300-1000；果蝇：；果蝇：100；鸡：；鸡：10小鼠：小鼠：10-20； 人：人：30-40； 酵母：酵母：139组蛋白基因家族比较组蛋白基因家族比较l三种海胆的组蛋白基因的组织结构完全一致，不仅基因数三种海

24、胆的组蛋白基因的组织结构完全一致，不仅基因数目、排列顺序相同，转录方向也一样；目、排列顺序相同，转录方向也一样；l果蝇和蝾螈的果蝇和蝾螈的5种组蛋白在排列顺序和转录方向上有所不种组蛋白在排列顺序和转录方向上有所不同。同。403）时空特异性表达的复杂多基因家族 珠蛋白基因家族l人血红蛋白是珠蛋白的人血红蛋白是珠蛋白的四聚体，分别由四聚体，分别由 家族家族（16号染色体）和号染色体）和 家族家族（11号染色体）的基因号染色体）的基因编码。编码。l在个体发育过程中，血在个体发育过程中，血红蛋白的亚基组成不同，红蛋白的亚基组成不同，基因的表达具有时序性。基因的表达具有时序性。基因排列方式与基因在发育阶

25、段基因排列方式与基因在发育阶段的表达顺序一致的表达顺序一致41425、假基因、假基因l假基因（假基因（pseudogene）：核苷酸序列同相应的）：核苷酸序列同相应的正常功能基因基本相同，但不能合成功能蛋白正常功能基因基本相同，但不能合成功能蛋白质的失活基因。质的失活基因。l未加工的的假基因未加工的的假基因：是通过基因组是通过基因组DNADNA复制产生，复制产生，与与“亲本基因亲本基因”结构相似，与结构相似，与“亲本基因亲本基因” 串串联重复。珠蛋白基因家族中的假基因就属于此联重复。珠蛋白基因家族中的假基因就属于此类型。类型。l加工的假基因加工的假基因（processed pseudogene

26、）：）：不与不与“亲本基因亲本基因”连锁，其结构与转录本类似，连锁，其结构与转录本类似，如没有启动子和内含子，如没有启动子和内含子，3末端有延伸的腺嘌呤末端有延伸的腺嘌呤短序列，短序列，两侧有顺向重复序列的存在。因此很因此很可能来自加工的可能来自加工的RNA之之DNA拷贝。拷贝。43重复的假基因重复的假基因l 基因簇中的假基因基因簇中的假基因1同功能的同功能的 珠蛋白基因密切相关，珠蛋白基因密切相关， 1与与 1的编码和间隔序列同源性达的编码和间隔序列同源性达73%，因此可能由后，因此可能由后者重复而来；者重复而来；l假基因并非起初就失活，而是随着进化产生许多突变慢慢假基因并非起初就失活，而是

27、随着进化产生许多突变慢慢失活的。失活的。 44加工的假基因（加工的假基因（processed pseudogene）Pseudogenes could arise by reverse transcription of RNA to give duplex DNAs that become integrated into the genome.456、重叠基因（overlapping gene) 莲人在绿杨津 采 一 玉漱声歌新阙采莲人在绿杨津，在绿杨津一阙新,一阙新歌声漱玉，歌声漱玉采莲人。461976年Burrell B. G., Air G. M. 和Hutchison C. A.首先报

28、告X174噬菌体含有重叠基因。1977年Sanger证实了重叠基因l对单链环状的噬菌体X174X174进行了测序，共5386 nt5386 nt。lX174X174含有的5386nt5386nt最多能编码17951795个氨基酸，若每 个氨基酸的平均分子量为110Da110Da，则总的蛋白质分子量 为197KD197KD，但实际蛋白质总分子量却为262KD262KD。l 将全部DNA顺序和蛋白质的氨基酸顺序进行比较，发现 共编码了11个基因，存在基因重叠的现象。4748l重叠基因重叠基因：同一：同一DNA序列有两种不同阅读框架，序列有两种不同阅读框架，得到不同肽链，即两个基因共同使用同一得到不

29、同肽链，即两个基因共同使用同一DNA序列，却编码两种不同的蛋白质。序列，却编码两种不同的蛋白质。l基因重叠现象的发生是由于读码框架基因重叠现象的发生是由于读码框架“偏移偏移”所致。所致。l见于病毒、线粒体和质粒见于病毒、线粒体和质粒DNA 。49重叠基因的类型重叠基因的类型l全重叠：全重叠：一个基因完全在另一个基因序列内，如基因一个基因完全在另一个基因序列内，如基因B B在基因在基因A A内，基因内，基因E E在基因在基因D D内。内。l部分重叠部分重叠：K K基因与基因与C C基因在一段序列内重叠。基因在一段序列内重叠。l1-21-2个碱基的重叠个碱基的重叠：大多数发生在一个基因的终止密码子

30、与下：大多数发生在一个基因的终止密码子与下一个基因的起始密码子之间。如一个基因的起始密码子之间。如D D基因终止密码子基因终止密码子TAATAA与与J J基因基因起始密码子起始密码子ATGATG间间“A A”的重叠。的重叠。 5GAAGGAGUGAUGUAAUGUCUAAAGGU3 X174 mRNA的一段序列的一段序列 5GAAGGAGUGAUGUAA 3 基因基因D mRNA 3端序列端序列 Glu Gly Val Met Stop 5AUGUCUAAA3 基因基因J mRNA 5端序列端序列 Met Ser Lys 5GAAGGAGUGA 3 基因基因E mRNA 3端序列端序列 Lys

31、 Gly StopX174 mRNA内基因内基因D、J、E的部分重叠序列的部分重叠序列50517、转位因子（、转位因子（transposable elements）Transposon is a DNA sequence able to insert itself at a new location in the genome (without any sequence relationship with the target locus).Direct repeats are identical (or related) sequences present in two or more co

32、pies in the same orientation in the same molecular of DNA.Inverted terminal repeats are the short related or identical sequences present in reverse orientation at the ends of some transposons.IS is an abbreviation for insertion sequenceTransposase is the enzyme activity involved in insertion of tran

33、sposon at a new site.521）转位因子的发现）转位因子的发现Barbara McClintock532）玉米中的转位因子）玉米中的转位因子 (I) Ds/Ac组组C基因：位于第基因：位于第9染色体上，是合成紫糊粉层色素所必须的基因，如果染色体上，是合成紫糊粉层色素所必须的基因，如果它失去正常功能，糊粉层无色。它失去正常功能，糊粉层无色。Ds因子因子(dissociator)：可以从一个座位跳到另一个座位，在基因组内：可以从一个座位跳到另一个座位，在基因组内转座；也可使染色体断裂，引起缺失或重组。但是它的移动必须转座；也可使染色体断裂，引起缺失或重组。但是它的移动必须在另一个

34、基因在另一个基因Ac存在时才能进行，存在时才能进行，Ds是非自主因子。是非自主因子。Ac因子因子(activator)：与：与Ds有同源性，当有同源性，当Ac因子存在时，因子存在时，Ds因子才能转因子才能转移，移，Ac是自主因子。是自主因子。 54玉米中的转位因子玉米中的转位因子 Ac因子的分离及其分子结因子的分离及其分子结构构蜡质基因同源部分序列互补，蜡质基因同源部分序列互补，形成形成DNA双链，在电镜照片中双链，在电镜照片中可见为较粗的线；插入的可见为较粗的线；插入的Ac因子没有互补序列，形成单链因子没有互补序列，形成单链环，即环，即Ac因子。进一步测定因子。进一步测定序列，分析分子结构。

35、序列，分析分子结构。 55Ac/DS分子结构分子结构lAC有两个基因，转位酶基因编码转位酶，另一个基因可能是编码定位酶;lAc因子和 Ds因子序列相似性很高， 区别在于Ds因子发生转位酶基因缺失；lAC和DS两端有反向重复 ( inverted repeats)，是转位酶的识别标志，因此均可发生转位。56lA基因基因：合成糊粉层所必须的基因，正常表达：合成糊粉层所必须的基因，正常表达时糊粉层呈紫色；时糊粉层呈紫色；l正常的正常的Spm因子因子：类似于：类似于Ac因子，它能起抑因子，它能起抑制子（制子（suppressor）和诱变子（）和诱变子（mutator）的）的双重作用。双重作用。l有缺陷

36、的有缺陷的Spm因子因子：抑制功能不完全，糊粉层：抑制功能不完全，糊粉层呈淡紫色，正常呈淡紫色，正常Spm可帮助其实现完全抑制；可帮助其实现完全抑制；不能转位，但在正常的不能转位，但在正常的Spm因子存在时能够转因子存在时能够转位。位。l转位有缺陷的转位有缺陷的Spm因子因子：无抑制功能，但在：无抑制功能，但在Spm因子帮助下能起抑制作用；转位功能缺陷，因子帮助下能起抑制作用；转位功能缺陷，即便是在即便是在Spm因子存在时也不能转位。因子存在时也不能转位。l周期性的周期性的Spm因子因子：其抑制功能交替：其抑制功能交替（II）Spm因子组因子组57A基因基因：合成糊粉层所必须的基因。：合成糊粉

37、层所必须的基因。有缺陷的有缺陷的Spm因子因子：抑制功能不完全，也不能转位，但在正：抑制功能不完全，也不能转位，但在正常的常的Spm因子存在时能够转位。因子存在时能够转位。正 常 的正 常 的 S p m 因 子因 子 ： 类 似 于： 类 似 于 A c 因 子 ， 它 能 起 抑 制 子因 子 ， 它 能 起 抑 制 子（suppressor）和诱变子（）和诱变子（mutator）的作用。前者指的是）的作用。前者指的是帮助帮助“有缺陷的有缺陷的Spm因子因子”起到完全的抑制作用，后者起到完全的抑制作用，后者是指提供转位酶使是指提供转位酶使“缺陷的缺陷的Spm因子因子”转位。转位。淡紫色花瓣

38、色58l转位有缺陷的转位有缺陷的Spm因子：本身无抑制功能，但在因子：本身无抑制功能，但在Spm因子帮助下能起抑制作用；转位功能缺陷，即便是在因子帮助下能起抑制作用；转位功能缺陷，即便是在Spm因子存在时也不能转位。因子存在时也不能转位。l周期性的周期性的Spm因子：其抑制功能交替开关。因子：其抑制功能交替开关。593）细菌的转位因子）细菌的转位因子 （I）插入序列（IS）lIS是一类自主单位，除是一类自主单位，除含自身转位作用的基因含自身转位作用的基因外不含其它基因；外不含其它基因；lIS两端具有对称的反向两端具有对称的反向重复序列；重复序列；l转位因子转位时，基因转位因子转位时，基因组上的

39、靶序列发生倍生，组上的靶序列发生倍生，使插入序列的两端各有使插入序列的两端各有一段同向重复序列。一段同向重复序列。60插入序列插入序列 长度长度反向重反向重复长度复长度靶靶DNA的的长度长度编码蛋编码蛋白数目白数目转座所转座所需蛋白需蛋白靶点选择靶点选择IS1IS2 IS3IS4IS10RIS50RIS903768bp 1327 14281195132915311057 23bp41181622918 9511或124999 22243322111111区域优先热点热点热点热点热点不详5 GGTGATGCTGCCAACTTACTGAT.ATCAATAAGTTGGACTCATTACC 3 CCA

40、CTACGACGGTTGAATGACTA722bp.TAGTTATTCAACCTGAGTAATGGIS 1分子末端反向重复序列分子末端反向重复序列细菌的插入序列（细菌的插入序列（IS）61（II）转座子）转座子Transposon（Tn)l转座子常带有多个转座子常带有多个基因，除转位相关基因，除转位相关的酶基因外，往往的酶基因外，往往还带有抗性基因。还带有抗性基因。l转座子可分为两个转座子可分为两个亚类：亚类：I 型转座子型转座子两末端由两末端由IS构成；构成；II型转座子末端型转座子末端由由反向重复序列构成。反向重复序列构成。62某些转座子的基因特征某些转座子的基因特征转座子转座子长度长度遗

41、传标遗传标记记末端末端组件组件组件方向组件方向组件间关组件间关系系组件功能组件功能Tn10Tn5Tn903Tn9Tn16819300bp 5700 310026382088TetRKanRKanRCanREntRIS10RIS10LIS50RIS50LIS903IS1IS1倒转倒转倒转倒转倒转倒转同向同向倒转倒转2.5%序列序列差异差异1bp差异差异相同相同相同相同相同相同完整功能完整功能功能减弱功能减弱完整功能完整功能无功能无功能两者都具功能两者都具功能两者都具功能两者都具功能两者都具功能两者都具功能 细菌转座子细菌转座子Tn 3结构图结构图 634）转位因子的结构特点）转位因子的结构特点l

42、在转位因子的两端存在在转位因子的两端存在末端反向重复序列末端反向重复序列（TIR），它们在转位过程中至关重要；），它们在转位过程中至关重要；l绝大多数转位因子含有开放读框（绝大多数转位因子含有开放读框（ORF），），可能编码一种酶，其功能促进转位因子的转可能编码一种酶，其功能促进转位因子的转位；位；l受体受体DNA上存在很短的一段靶序列，由于转上存在很短的一段靶序列，由于转位因子的插入，在转位因子的两侧形成正向位因子的插入，在转位因子的两侧形成正向重复序列，靶序列的长短对每类转位因子都重复序列，靶序列的长短对每类转位因子都是特异的。是特异的。645）转位机制）转位机制 l 复制型转座复制型转座

43、(replicative transposition) ：转：转位因子的一个拷贝插入到靶位点，而另一拷贝位因子的一个拷贝插入到靶位点，而另一拷贝则仍然保留在给体原来的位置上，如则仍然保留在给体原来的位置上，如Tn3。l非复制型转座非复制型转座(conservative transposition) ：在转位酶的作用下，转位因子从原来位点上在转位酶的作用下，转位因子从原来位点上删除下来，再转移插入到另一个位点，如删除下来，再转移插入到另一个位点，如Tn10；65复制型转座复制型转座1、转位酶识别转位酶识别“靶序列靶序列”。2、Tn3转座子及受体转座子及受体“靶序列靶序列”的单链交错切割，形成单链

44、的单链交错切割，形成单链末端。末端。3、突出的单链连结起来，、突出的单链连结起来，a和和f连结起来，连结起来，g和和d连接起来，连接起来，形成一个形的交叉结构。形成一个形的交叉结构。 4、通过半保留复制产生两个、通过半保留复制产生两个Tn3转座子及两个靶序列，转座子及两个靶序列，5、在、在res处发生重组，通过互换处发生重组，通过互换产生两个双链环状产生两个双链环状DNA分子，分子，注意转入靶序列的转座子的注意转入靶序列的转座子的两侧有两个同向重复，其实两侧有两个同向重复，其实就是两个靶序列。就是两个靶序列。 Tn3Tn3的重组转座的重组转座66 供体上最终产生双链断裂供体上最终产生双链断裂

45、供体位点如不能被修复则有供体位点如不能被修复则有 致死效应致死效应非复制型转座非复制型转座67转座子转座的特征1 转座不依赖于靶序列的同源性；2 转座后靶序列重复；3 转座子的插入具有专一性；4 转座具有排他性-转座免疫；5 转座具有极性效应；6 活化邻近的沉默基因；7 区域性优先68转座作用的遗传学效应转座引起插入突变，导致结构基因失活；转座产生新的基因；转座产生的染色体畸变；转座引起生物进化。由于转座作用，使某些原来在染色体上相距甚远的基因组合到一起，构建成新的表达单元，产生新的基因和蛋白质分子。696）逆转座子（）逆转座子（retroposons）人类免疫系统缺陷病毒人类免疫系统缺陷病毒

46、(HIV)(HIV)反转录病毒：能够将基因组RNA反转录成DNA拷贝（原病毒），再将其插入到宿主细胞的染色体中的病毒。反转座子：反转座子：基因结构与逆转录病毒的原病毒类似，指通过RNA为中介，反转录成DNA后进行转座的可动元件，其最大的特点是编码的多肽具有逆转录酶的活性。70反转录病毒的复制循环反转录病毒的复制循环71反转座子的结构72反转座子的分类Mammalian genomes have three thpes of retroposonsViral SuperfamilyLINESNonviral SuperfamilyCommon typesTy(S. cerevisiae)Copi

47、a(D. melanogaster)L1(huaman)B1,B2,1D,B4(mouse)SINES(mammals)Pseudogenes of pol III transcriptsTerminiLong terminal repeatsNo repeatsNo repeatsTarget repeats4-6bp7-21bp7-21bpEnzyme activitiesReverse transcriptase and/or intergraseReverse transcriptase and/or intergraseNone(or none coding for transpos

48、on products)7374第二节第二节 基因组的结构与功能基因组的结构与功能l基因组基因组：是指细胞或生物体的全套（单倍是指细胞或生物体的全套（单倍体）遗传物质的总和体）遗传物质的总和即基因组即基因组(genome)。lGenome is the complete set of sequences in the genetic material of an organism. It includes the sequence of each chromosome plus any DNA in organelles.75代表性生物体基因组大小代表性生物体基因组大小 76lC值值一个单倍体

49、基因组的一个单倍体基因组的DNA含量即该物种含量即该物种DNA的的C值，某一特定物种其值，某一特定物种其C值是恒定的；值是恒定的；lC值矛盾值矛盾（C value paradox)：一般而言，随：一般而言，随着进化，生物体的结构与功能趋于复杂，其着进化，生物体的结构与功能趋于复杂，其C值增大。但某些生物其基因组的大小与基因组值增大。但某些生物其基因组的大小与基因组的复杂度缺乏相关性，即的复杂度缺乏相关性，即C值矛盾。值矛盾。77不同进化地位生物的不同进化地位生物的C值值DNA content of the haploid genome is related to the morphologic

50、al complexity of lower eukaryotes, but varies extensively among the higher eukaryotes. The range of DNA values within a phylum is indicated by the shaded area. 78C值矛盾表现为：uC值不随生物的进化程度和复杂性而增加；u关系密切的生物C值相差很大；u真核生物DNA的含量远大于编码蛋白质等物质所需的量。79一、病毒基因组一、病毒基因组1、病毒基因组的结构特点、病毒基因组的结构特点 1）基因组小，但相差较大。）基因组小，但相差较大。 乙肝

51、病毒DNA只有3kb，编码4种蛋白质；痘病毒基因组有300kb，编码几百种蛋白质 ；2）基因组可以是）基因组可以是DNA组成，也可以是组成，也可以是RNA，但只，但只含一种；病毒基因组含一种；病毒基因组DNA和和RNA可以是单链，可以是单链，也可以是双链的，可以是闭环分子，也可以是也可以是双链的，可以是闭环分子，也可以是线性分子。线性分子。 如乳头瘤病毒是闭环双链DNA，腺病毒则是线性双链DNA，脊髓灰质炎病毒是单链RNA，而呼肠孤病毒的基因组是双链RNA分子；803）多数）多数RNA病毒基因组由连续的核糖核酸链组成，病毒基因组由连续的核糖核酸链组成，但也有些病毒的基因组但也有些病毒的基因组R

52、NA由不连续的几条核酸由不连续的几条核酸链组成。链组成。 流感病毒的基因组由八条RNA分子构成，每条RNA分子都含有编码蛋白质分子的信息；4）基因重叠：即同一段）基因重叠：即同一段DNA片段能够编码两种甚至片段能够编码两种甚至三种蛋白质分子。三种蛋白质分子。5）基因组大部分是用来编码蛋白质，只有非常小的）基因组大部分是用来编码蛋白质，只有非常小的一份不被翻译。一份不被翻译。 在X174中不翻译的部份只占217/5375，G4 DNA中占282/5577，都不到5；不翻译的DNA顺序通常是基因表达的控制序列。 816）功能相关的基因常丛集形成一个功能单位或转录功能相关的基因常丛集形成一个功能单位

53、或转录单元，一起转录成多顺反子单元，一起转录成多顺反子mRNA，然后再加工，然后再加工成各种蛋白质的模板成各种蛋白质的模板mRNA 腺病毒晚期基因在一个启动子作用下生成多顺反子mRNA，再加工成外壳蛋白mRNA，编码病毒的12种外壳蛋白。7）除反转录病毒外，所有病毒基因组都是单倍体，除反转录病毒外，所有病毒基因组都是单倍体，每个基因在病毒颗粒中只出现一次。反转录病毒每个基因在病毒颗粒中只出现一次。反转录病毒基因组有两个拷贝。基因组有两个拷贝。8）噬菌体基因是连续的，真核细胞病毒的基因是不噬菌体基因是连续的，真核细胞病毒的基因是不连续的，具有内含子。有些真核病毒的内含子或连续的，具有内含子。有些

54、真核病毒的内含子或其中的一部分，对某一个基因来说是内含子，而其中的一部分，对某一个基因来说是内含子，而对另一个基因却是外显子。对另一个基因却是外显子。 SV40的早期基因从4900到4555之间一段346bp的片段是大T抗原基因的内含子，而该内含子中从4900-4624之间的DNA序列则是小t抗原的编码基因。822、RNA噬菌体的基因组结构和功能噬菌体的基因组结构和功能 1）MS2基因组：基因组：4个基因个基因lA蛋白(成熟蛋白)基因：使噬菌体识别宿主，使RNA基因组进入宿主菌；l外壳蛋白基因：编码外壳蛋白以构成病毒颗粒；lRNA复制酶基因；l溶解蛋白基因：与外壳蛋白和复制酶基因部分重叠，但读

55、框不同。2）Q基因组：基因组：l没有独立的溶解蛋白基因，但结构蛋白A2（或称成熟蛋白）具有溶解蛋白的功能；l另一种外壳蛋白A1编码基因。 833、乙肝病毒基因组的结构特点和功能、乙肝病毒基因组的结构特点和功能 lHBV是目前已知感染人类最小的双链DNA病毒，基因组结构高度紧凑。长约3.2kb 。l部分双链环状结构，双链不等长，1/3为单链。l长链5端与3端未共价连接，而是与一种蛋白质共价相连；l重叠的基因序列比较多 ；l调节序列位于基因内部 ；l与HBV基因表达有关的信号序列有4种：启动子、增强子、polyA附加信号、糖皮质激素应答元件（GRE）； lGRE有增强子的特征：起顺式作用、在转录的

56、两个方向均有作用、在距其调节的基因不同距离处均可起作用。84补充资料：补充资料：HBV的结构特征的结构特征l重叠基因序列较多：已确定的开放读框有4个，分别编码病毒核壳（C）和包膜（S）蛋白，病毒复制酶（聚合酶)及一种似乎与病毒基因表达有关的蛋白质X。在S基因前面的两个小ORFs与S基因ORF属于同一个读框，可以将ORFS通读下去，编码两种S蛋白相关的抗原，这两种抗原也存在于病毒颗粒的表面，这两个抗原分别称为前-S1(pre-S1)和前-S2(pre-S2)。同样，在ORFC前面也有一短的ORF，称为前-C(pre-C)，编码一较大的C蛋白相关抗原。所有这些ORF都在负链（长链）上，其中S基因完

57、全重叠于聚合酶基因中，X基因与聚合酶基因、C基因重叠，C基因与聚合酶也有重叠。最近，Miller等人在HBV基因组中又发现两个ORF，即ORF-5和ORF-6，这两个ORFs与X基因重叠，其中ORF6不是由负链DNA编码，而是由正链DNA编码。这两个ORF的功能目前尚不清楚。l调节序列位于基因内部，这也是HBV节约使用遗传物质的一种方式。与HBV基团组复制有关的序列有：短链顺向复制序列（DR1和DR2）和U5样序列（因与反转录病毒末端的U5序列类似面得名）。DR1和U5位于前-CORF中，是合成DNA长链的起始部位，DR2位于聚合酶基因与X基因重叠处，是DNA短链合成的起始部位。l与HBV基因

58、表达有关的信号序列有4种：启动子、增强子、polyA附加信号、糖皮质激素敏感因子（GRE）。由于HBV基因组中的基因分别转录于3种HBV mRNA转录本上，因此，相应地在病毒基因组中每一转录本近5端也至少应有3种RNA聚合酶启动子，虽然这些启动子的基因序列尚不知，但这些启动子显然存在于编码蛋白质序列内。增强子（ENH）位于聚合酶基因中；polyA附加信号位于CORF中；而GRE位于SORF和聚合酶基因中。GRE是与激素受体结构的DNA片段，结合后能使某一已知基因转录水平增加。lGRE有许多增强子的特征：起顺式作用的，在转录的两个方向均有作用，在距其调节的基因不同距离处均可起作用。8586二、原

59、核生物染色体基因组二、原核生物染色体基因组 1、细菌染色体基因组结构的一般特点、细菌染色体基因组结构的一般特点1）无细胞核，染色体聚集形成较）无细胞核，染色体聚集形成较为致密的类核为致密的类核(nucleoid)l类核中央部分是类核中央部分是RNA和支架蛋和支架蛋白，外围是白，外围是DNA双链超螺旋；双链超螺旋；l染色体染色体DNA与细胞膜多点相连，与细胞膜多点相连，起固定作用，与起固定作用，与DNA复制、转复制、转录有关的信号区域优先结合。录有关的信号区域优先结合。连接点的数量随生长状况和生连接点的数量随生长状况和生活周期而异；活周期而异；2）基因组较小，基因数目少，大基因组较小，基因数目少

60、，大多只含有一条环状染色体，只多只含有一条环状染色体，只有一个复制起点；有一个复制起点；873）基因结构紧凑，大部分序列用来编码蛋白质，重复序列和基因结构紧凑，大部分序列用来编码蛋白质，重复序列和不编码序列少；但不编码序列少；但编码顺序一般不会重叠，即不会出现编码顺序一般不会重叠，即不会出现基因重叠现象；基因重叠现象；4）具操纵子结构，即数个功能相关的结构基因串联在一起，）具操纵子结构，即数个功能相关的结构基因串联在一起，受一个调节区调节；数个操纵子还可以由一个共同调节受一个调节区调节；数个操纵子还可以由一个共同调节基因（基因（regulatory gene）即调节子（）即调节子（regulon）调控