MolecularBiologyChap2-Gene1

1、2-1 基因概念的历史演变基因概念的历史演变基因（gene）一词是 Johannsen 于1911年提出的。以表达近代孟德尔法则研究者们所说的配子中的单位因子、要素或alleles。由基因一词引导出了基因型（genotype）一词和表型（phenotype）一词。1、Mendel杂交实验中，认为基因是颗粒状的分散的独立遗传因子。2、1910年Morgan果蝇突变体的研究验证了Mondel的推测。他认为基因是一个化学实体，它既是遗传的功能单位，又是交换的单位及突变的单位。3、Benzer 的顺反子概念 基因是一个不能分割的功能单位：Benzer 通过互补实验证明而发现的遗传功能单位称为顺反子顺反

2、子（cistron）就是基因。认为“一个顺反子，一条多肽链。”一个顺反子实际上是一个编码多肽的DNA片段，其内部可以发生突变或重组。4、Gilbert 的基本概念基因是一个转录单位断裂基因的发现对传统的基因概念是个挑战。 Gilbert 认为真核基因是通过重组汇集成的外显子集合物而出现的，内含子是外显子重组汇集过程中产生的残片，并预言，外显子编码蛋白质的功能区。Gilbert认为基因是一个转录单位，由内含子（intron）和外显子（exon）交替组成。实际上基因是一个不同来源的外显子为构件的嵌合体，处于沉默的DNA基质（内含子）之中。总上所述：总上所述：基因是独立遗传因子；是一个化学实体，它基

3、因是独立遗传因子；是一个化学实体，它既是遗传的功能单位，又是交换的单位及突既是遗传的功能单位，又是交换的单位及突变的单位；是一个不能分割的功能单位；是变的单位；是一个不能分割的功能单位；是一个转录单位，由内含子（一个转录单位，由内含子（intron）和外显）和外显子（子（exon）交替组成。）交替组成。TCATTTGTACTGGTAAACTTTAGTCTCAAACTTGTTATCTTCCCTCCACCACTGATGAATCCCATGAGCTTGTTTGAAATCTCTCGAGGAGCTTAAGTTCACCGTCAAAACCGAAGATGGAATCAGATGTACCGGCTCTTGTCCTCCT

4、AACAGCATACCGCCCAACGAGTGCTGCGTCGCTACCCGCTCTACAAACCCAATCCCGATTTCT/ctacattttagataacatctaggatcaaagtcaaaacagaagtaatgttaaagtttatatctctggttatgtcacacttcaaagcctaatttgatcagtaatataaagaatgaaactgaagggaagatataagttacttac/CTGCAATGCGTATCCCATGTTTAATCCTCTTATCCTTAATTTTTTCGATAGGGGCAGACAAAAACGGCGGATTGAATGCGAAACACTCAGGAAA

5、AAACCCGGTTCTAGCGATGGTTTTCCCGGTAAGTAATGCCATAGATGCACCAAGAGAATGACCAGCAAGCCAAACACTAGAACCACCAACCGAAGCAACAATGTTTCTCACTGCTTGGATAGCTATCTCAAACCGTGTTGTCGTGTGAAGCCCGTTTCTAATAACATGGATGTCACTCGATGTCACGGGAAATGGAGTCCACTTTTGTAACCGTTCCTCTGAAAG/ctgcatattcaagaacacaaataagacagacgatttcttacacaagtaaatgaagcattttaaacacaaaggaa

6、caatatttcaggtttttaaacacaagggttaactctaaactctaaagtctataccaattggtgccaaaacattagctaactcaacaacattctatgaacacaaagtttcagttttcgacataacaaaatctcgaaaatggaagtaaatgaagcatttttcacataaaggaacaatttttcaggtcttttaacacaagggttagctctaaactaatggtgccaagacattagctaactcaacaacatttcataaacataaagattcagttttcgacgaaacaaaatctcgaaaaatgcaaa

7、aggagagtagaagtagtagatgcatac/CAATCTATAGATGTTAAGTGTAATGGTCCAGTGAGACTAAAATCATCTCTTTCACTAATCATCAT ATGTTTGTACTGGTAAACTTTAGTCTCAAACTTGTTATCTTCCCTCCACCACTGATGAATCCCATGAGCTTGTTTGAAATCTCTCGAGGAGCTTAAGTTCACCGTCAAAACCGAAGATGGAATCAGATGTACCGGCTCTTGTCCTCCTAACAGCATACCGCCCAACGAGTGCTGCGTCGCTACCCGCTCTACAAACCCAATCCCGA

8、TTTCT/ctacattttagataacatctaggatcaaagtcaaaacagaagtaatgttaaagtttatatctctggttatgtcacacttcaaagcctaatttgatcagtaatataaagaatgaaactgaagggaagatataagttacttac/CTGCAATGCGTATCCCATGTTTAATCCTCTTATCCTTAATTTTTTCGATAGGGGCAGACAAAAACGGCGGATTGAATGCGAAACACTCAGGAAAAAACCCGGTTCTAGCGATGGTTTTCCCGGTAAGTAATGCCATAGATGCACCAAGAGAA

9、TGACCAGCAAGCCAAACACTAGAACCACCAACCGAAGCAACAATGTTTCTCACTGCTTGGATAGCTATCTCAAACCGTGTTGTCGTGTGAAGCCCGTTTCTAATAACATGGATGTCACTCGATGTCACGGGAAATGGAGTCCACTTTTGTAACCGTTCCTCTGAAAG/ctgcatattcaagaacacaaataagacagacgatttcttacacaagtaaatgaagcattttaaacacaaaggaacaatatttcaggtttttaaacacaagggttaactctaaactctaaagtctataccaat

10、tggtgccaaaacattagctaactcaacaacattctatgaacacaaagtttcagttttcgacataacaaaatctcgaaaatggaagtaaatgaagcatttttcacataaaggaacaatttttcaggtcttttaacacaagggttagctctaaactaatggtgccaagacattagctaactcaacaacatttcataaacataaagattcagttttcgacgaaacaaaatctcgaaaaatgcaaaaggagagtagaagtagtagatgcatac/CAATCTATAGATGTTAAGTGTAATGGTCCA

11、GTGAGACTAAAATCATCTCTTTCACTAATCATTGA 2-2 基因与基因组学（基因与基因组学（Genomics）1、基因组（、基因组（Genome）：即一个物种的单倍体的染色体数目或一种生物的全部基因总和。2、基因组学（、基因组学（Genomics）：五种鉴定基因（功能）的方法五种鉴定基因（功能）的方法1、可读框、可读框（open reading frame, ORF）：可读框可读框是基因起始密码子与终止密码子所界定的一串密码子。在所有密码子中，在所有密码子中，AUG不仅编码蛋氨酸，而不仅编码蛋氨酸，而且又是翻译（且又是翻译（translation，以，以mRNA上的遗传上的

12、遗传信息指导核蛋白体上多肽链合成的过程）的信息指导核蛋白体上多肽链合成的过程）的起始信号，起始信号， UAA、UAG和和UGA不编码任何氨不编码任何氨基酸，而是作为翻译的终止信号，统称为终基酸，而是作为翻译的终止信号，统称为终止码（止码（stop codon），又常被叫作无意义码），又常被叫作无意义码 （nonsense codon） 2、序列特征、序列特征不同的ORF对密码子是有偏爱的偏爱的（codon bias），一旦确定了ORF，就可以利用密码子偏爱来确定这个ORF是否是一个基因。界定基因的位点：splice sites（剪接位点）。3、序列保守、序列保守基因中往往有一些保守序列，而且在

13、不同的生物物种中该序列也是保守的，说明该保守序列对基因功能作用的重要性。也可从一个侧面反应物种的进化。4、基因功能的证据基因功能的证据 转录转录找寻基因的产物：RNA或蛋白质，也可以鉴定基因。一般通过微阵列杂交（microarray hybridization），SAGE（基因表达的系列分析），cDNA图谱或表达标签序列的分析，就可达到目的。5、基因失活、基因失活使基因突变或阻抑它的产物形成也是确定基因功能的一个方法。 物理化学方法处理诱变； 生物学方法处理诱变：如T-DNA、转座子等插入标签法，RNA干涉（RNAi）方法等。以上五种鉴定基因的方法并不是放之以上五种鉴定基因的方法并不是放之四海

14、而皆准的，在鉴定基因时，有时四海而皆准的，在鉴定基因时，有时会遇到一些问题。会遇到一些问题。基因重叠与断裂基因：基因重叠与断裂基因：在重叠基因重叠基因中，有编码蛋白质重叠读框、重叠的转录单元（如，一个基因的外显子在另一个基因的内含子之内）。断裂基因断裂基因：由于内含子的存在，基因的编码区域序列被分割成几个互不相邻的段落。变通性断裂基因：变通性断裂基因：假基因假基因（pseudogene）：假基因与正常基因有相似的序列，但是在编码序列中往往含有移码或终止密码，从而使此类基因不能产生功能性产物或可察觉的表型。假基因与真基因之间没有绝对的界限。定义基因的现状定义基因的现状仅根据基因组序列来解读基因，

15、目前看来是非常困难的，而且晦涩难懂。因为在基因的表达过程中，转录过程的剪接的多样性，转录后及翻译后修饰的多样性，完全打破了“一个基因，一个蛋白质” 或 “一个基因，一个性状” 的概念。如何定义基因呢？如何定义基因呢？可根据基因组学（即结构基因组学和功能基因组学）研究结果进行定义。2-3 基因概念的发展基因概念的发展 蛋白质基因蛋白质基因阮病毒阮病毒（ prion）阮病毒阮病毒作为一种遗传因子，就是一种蛋白质组成的基因，是一种蛋白质病原体。动物或人感染这种病毒，目前是无药可救的。疯牛病：感染阮病毒，患脑软化病。 组蛋白密码组蛋白密码作为功能单位的基因可能是由DNA和蛋白质组合而成的。染色体主要由

16、DNA和组蛋白组成。细胞分裂中期人类染色体染色质中组蛋白的共价键修饰，如甲基化、乙酰化、磷酸化等在组蛋白上是以组合的形式进行的，这种组合形式被称为“组蛋白密码”。这些化学修饰改变了染色质的结构，使DNA（基因）的转录打开或关闭，对基因的表达进行调控。基因是一段制造功能产物的完整基因是一段制造功能产物的完整的染色体片段。的染色体片段。 RNA遗传遗传RNA能自我复制，不需要任何的蛋白质，能自我复制，不需要任何的蛋白质，完全由完全由RNA酶及酶及RNA模板完成。模板完成。2-4 新基因的产生新基因的产生发生在基因复制过程中发生在基因复制过程中发生在基因转录过程中发生在基因转录过程中2-5 基因的进

17、化基因的进化主要是因为基因的重复而导致的基因的空间位置变化并伴以DNA序列突变的产物。转座子的转座插入。2-6 基因与基因与DNA染色体不仅仅是基因的载体，不仅仅是一串基因。基因是DNA，但DNA并不一定就是基因。在DNA长链中，还有许多未知的领域。1、非编码序列：、非编码序列：在基因组中，有些DNA序列，不论是单拷贝或多拷贝的都是非转录的。大肠杆菌的基因组 3x106 bp，约有4x103个基因，而哺乳动物的基因组 3x109bp，该有4x106个基因，而实际上约有30 000个基因。人类基因只有30 000个左右，而只有1000个体细胞的线虫却有20 000个基因，作为万物之灵的人类仅仅比

18、线虫多了10 000个基因，该如何解释？2、Z-DNA构象是另一种遗传信息编码构象是另一种遗传信息编码Z-DNA是左手螺旋的，B-DNA是右手螺旋的。对Z-DNA的研究表明，DNA中除了它的一级结构含有氨基酸序列信息外，DNA的不同构象也是一种遗传信息。3、C值佯谬值佯谬C值值：一个单倍体基因组的DNA含量总是恒定的，它通常称为该物种DNA的C值(图3-1）。酵母的基因组：14Mb ； 线虫：100Mb ； 变形虫（鲸鱼）：变形虫（鲸鱼）：200,000Mb ； 果蝇：164Mb ； 海绵：49Mb; 人类：3000Mb； 拟南芥：120Mb； 水稻：430Mb； 烟草：1500Mb； 硬骨鱼

19、类：139000Mb；蕨类植物：蕨类植物：307000Mb图3-1基因组的DNA含量与物种形态的复杂性并不对应。4、N值佯谬值佯谬基因数目与生物进化程度或生物复杂性的不对应性，称为N值佯谬（N表示基因的数目）。线虫（1 000个体细胞）：20 000个基因；果蝇： 14 000个基因；人类等哺乳动物： 30 000个基因。 生物体的生物体的DNA的含量（的含量（C值）与质量值）与质量（N值）与生物进化复杂程度的关系。值）与生物进化复杂程度的关系。 理论上应该成正相关，但是？理论上应该成正相关，但是？ 生物的复杂性？生物的复杂性？ 基因的大小：基因的大小： 拟南芥（Arabidopsis）: 5

20、Kb， 启动子（Promoter）: 11.5Kb。 基因组的基因数目：基因组的基因数目： 取决于基因组的大小，基因的大小，基因密度。2-7 重复序列重复序列重复序列可以自由积累各种突变而不会使生重复序列可以自由积累各种突变而不会使生物体致死；物体致死；重复重复 DNA可能是新基因发生的材料。可能是新基因发生的材料。真核细胞真核细胞DNA序列的重复频率：序列的重复频率：单拷贝单拷贝DNA；中等重复；中等重复DNA；高度重复；高度重复DNA1、DNA 复性反应：复性反应：DNA双链在溶液中加热（高温）时，可以分开成为两条单链。当温度降低到适当温度(Tm)时,互补的双链间可以重新形成稳定的双链结构

21、。判断DNA复性的方法：测减色性测减色性A260值（260是核苷酸的光吸收峰）：2、Alu 族重复序列族重复序列灵长类动物DNA的特点之一：含有两类高拷贝量的，可以转位的DNA序列，而且分布在整个基因组中： Li转位因子（Li transposable element） Alu序列或Alu族（Alu sequence, Alu family） Alu 序列为300bp，经Alu内切酶可切成130bp和170bp的两个片段，故名Alu 族。 该族在人类基因组中约有500 000个拷贝，重复频率为3X105，约占基因组的5%，平均每5000个核苷酸就会间隔一个Alu序列。Alu成员有80%88%序

22、列相同，它们之间的差异多为点突变。Alu成分两侧有短的同向重复序列（2080bp）。Alu序列的作用：序列的作用：* 参与基因的转录，调控；* Alu 族成员是可转位成分，转位与其转录过程结合进行，会形成 cDNA，然后插入另一位置，成为新的转录单位。3、卫星卫星DNA（Satellite DNA）卫星DNA是一种高度重复的DNA。由于其DNA中（G+C）的含量异乎寻常的高或低，在氯化铯密度梯度离心时，其浮力密度曲线则在主带DNA的前后出现。这些DNA叫做卫星DNA。多位于着丝点的异染色质中，可能在染色体的配对、分离中起作用。也能转录。2-8 重复基因重复基因1、核糖体核糖体RNA基因基因（r

23、RNA）：是一种中等重复并有转录活性的基因，多集中在核仁形成区。基因串联重复。2、tRNA基因：基因：tRNA是一类小的分子，含7590个核苷酸。有转运氨基酸的功能。基因串联重复。2-9 断裂基因断裂基因(split gene)所谓断裂基因断裂基因是指基因的编码序列外显子（exon）在DNA分子上不是连续排列的，而是被不编码的序列内含子（intron）所隔开。例如： 珠蛋白基因，卵清蛋白基因等。2-10 重叠基因重叠基因(overlapping gene)X174病毒的重叠基因2-11 模糊基因模糊基因 (cryptogene) 又称隐秘基因，是转录本RNA的大幅度的序列改编即RNA编辑（RN

24、A editing）的结果。2-12 转座子系统转座子系统(transposon system) Barbara McClintock根据她对玉米的长期研究，发现玉米粒上有色素与斑点的变化，于1952年提出了生物基因组中有可移动的控制因子的假说。玉米的转座子以两种形式之一而存在：玉米的转座子以两种形式之一而存在： 自主因子：具有自主转座的能力； 非自主因子：必须与自主因子并存时才能转座。转座子转座子（transposon or transposable element)基因组（或质粒）中可移动的独立的一段DNA序列，两端具有重复序列（反向或同向），中间往往具有转座酶基因等序列。转座子可分为两种基本类型：转座子可分为两种基本类型： 从DNA到DNA的转移过程转座。 从DNA到RNA再到DNA的转移过程反转座。转座子的结构：转座子的结构：1、插入序列（、插入序列（insertion sequence, IS) 最简单的转座子。2、复合型转座子（、复合型转座子（composite transposon) 两