基因与基因组的结构

1、3.1 3.1 基因的结构基因的结构经典遗传学经典遗传学基因是独立的功能单位、重组基因是独立的功能单位、重组单位和突变单位。单位和突变单位。顺反子概念顺反子概念基因是独立的功能单位，内含基因是独立的功能单位，内含许多重组单位和突变单位。许多重组单位和突变单位。分子遗传学分子遗传学基因是一段有编码功能的基因是一段有编码功能的DNADNA（或（或RNARNA）序列。）序列。基因是遗传的基本单位，是具有遗传效应的核基因是遗传的基本单位，是具有遗传效应的核酸片段酸片段。3.1.1 基因概念的发展基因概念的发展启动子启动子SD序列序列ORF1SD序列序列 ORF2SD序序列列 ORF3终止子终止子原核生

2、物：原核生物：真核生物：真核生物：启动子启动子5-5-非翻译区非翻译区外显子外显子11内含子内含子外显外显子子23-23-非翻译区非翻译区终止子终止子3.1.2 结构基因的基本构成结构基因的基本构成真核生物的断裂基因的发现真核生物的断裂基因的发现 Splitting gene 的证实的证实 1977 ChambonOvalbumin cDNAas probe EcoRI HindIII Oviduct Oviduct DNA DNAErythrocyte Erythrocyte DNADNAOvalbumin cDNA RE map Hinf I Hinf II Hea III Hinf II

3、I Pst I Hinf IV ( No EcoRI Hind III RE site ) Berget , Sharp groupRoberts groupSplitting seq. in the leading region of Hexon cp gene of Ad2after monthsAnd presentation in CSHDNA of Ad2 + EcoRI & HindIIImRNA of Hexon cp132Chambon was inspired by Bergets reportTotal DNA of chicken cDNA7 DNA loop H

4、inHinf f I I HinHinf f II II HeaHea III III HinHinf f III III PstPst I I HinHinf f IVIV EcoRI, HindIII EcoRI, HindIIISpacer Spacer cDNA mRNApresume HinHinf I HinHinf II HeaHeaIII HinHinf III PstPst I HinHinf IV DNA转转录录逆逆转转录录真核生物结构基因，由若干个编码区和非真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非

5、编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。 断裂基因断裂基因(splite gene)CABD编码区编码区 A、B、C、D非编码区非编码区外显子外显子(exon)和内含子和内含子(intron) 外显子：外显子：（基因上的编码序列）（基因上的编码序列）在断裂基因及其初级转录产物上出现，在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟并表达为成熟RNA的核酸序列。的核酸序列。 内含子：内含子：（基因上的非编码序列）基因上的非编码序列）在断裂基因及其初级转录产物上出现，在断裂基因及其初级转录

6、产物上出现，而在剪接过程中被除去的核酸序列。而在剪接过程中被除去的核酸序列。 3.2 3.2 基因组的大小与基因组的大小与C C值矛盾值矛盾基因组的大小一般用碱基对的数量来表示。基因组的大小一般用碱基对的数量来表示。基因组的大小大致上与进化的复杂性有关。基因组的大小大致上与进化的复杂性有关。C值：生物体的单倍体基因组所含值：生物体的单倍体基因组所含DNA总量。总量。C值矛盾值矛盾(C value paradox)：真核生物中：真核生物中DNA含量的反常现象。含量的反常现象。基因组：基因组是细胞中的所有基因组：基因组是细胞中的所有DNA，包括所有基因和，包括所有基因和基因间区域。基因间区域。 基

7、因组很小，大多只有一条染色体 结构简炼 存在转录单元(trnascriptional operon) 多顺反子(polycistron) 存在重叠基因X174 D-E-J-F-G-H mRNA 蛋白J、F、G H D E原核生物基因组结构特点原核生物基因组结构特点3.3 3.3 原核生物基因组原核生物基因组3.3.1 3.3.1 大肠杆菌基因组大肠杆菌基因组DNA组织成为类核（组织成为类核（nucleiod）DNA闭合环闭合环 状，状，4,200 Kb（1300微米），约微米），约4000个基因。个基因。非编码区比例较小。非编码区比例较小。结构基因单拷贝，结构基因单拷贝， rRNA和和 tRN

8、A基因为寡拷贝基因为寡拷贝3.3.2 3.3.2 重叠基因重叠基因(overlapping gene)(overlapping gene) 19771977年年SangerSanger首先发现。首先发现。 X174， 5386nt， 11 个基因，个基因，3个转录单位，由个转录单位，由3个个启动子（启动子（pA,pB,pD）控制。）控制。非翻译区只占非翻译区只占4%(217/5386)重叠基因重叠基因：是指两个或两个以上的基因共有：是指两个或两个以上的基因共有 一段一段DNA序列。序列。基因重叠的方式基因重叠的方式 1 大基因内包含小基因大基因内包含小基因： 如：如：B基因包含在基因包含在A基

9、因内，基因内，E基因完全包含在基因完全包含在D基因内。基因内。 2 前后两基因首尾重叠前后两基因首尾重叠： 例例1： 如：基因如：基因D 终止终止 X174DNA序列：序列：5TAATG3重叠一个碱基重叠一个碱基 基因基因J 起始起始 例例2： 如：基因如：基因A 终止终止 X174DNA序列序列5ATGA3 重叠重叠4个碱基个碱基 基因基因C 起始起始 3 3 三个基因之间重叠三个基因之间重叠 基因基因B pheB phe 终止终止 基因基因A ser Asp GluA ser Asp Glu DNA DNA序列序列 -T-T-C-T-G-T-T-C-T-G-A A-T-G-A-A-A-T-

10、G-A-A-A- 基因基因K K 起始起始 Val Val 3.4 3.4 真核生物基因组真核生物基因组核基因组核基因组细胞器基因组细胞器基因组多为环状多为环状,多拷贝多拷贝;均编码自身所需的蛋白和均编码自身所需的蛋白和RNA 真核生物基因组结构特点真核基因组结构庞大真核基因组结构庞大单顺反子单顺反子基因具不连续性基因具不连续性 非编码区比例较大非编码区比例较大 含有大量重复序列含有大量重复序列 DNA分类分类3.4.1 3.4.1 单一顺序和重复顺单一顺序和重复顺序序单一顺序单一顺序 (Unique sequence )重复顺序重复顺序短片段的重复顺序可分为三种类型：短片段的重复顺序可分为三

11、种类型：（1）正向重复正向重复(direct repeats)又叫又叫顺向重复顺向重复；5 CAGGCAGG 33 GTCCGTCC 5（2）镜向重复镜向重复(Palindromic sequence) ；5 CAGGAC 33 GTCCTG 55 GAATTC 33 CTTAAG 5 （3）回文顺序回文顺序 (inverted repeats)3.4.2 3.4.2 轻度重复顺序和中度重复顺序轻度重复顺序和中度重复顺序在基因组中含有在基因组中含有2-10拷贝，酵母拷贝，酵母tRNA基因、基因、人和小鼠的珠蛋白基因等。人和小鼠的珠蛋白基因等。长约长约300bp 基因组中约有基因组中约有10-几

12、百个拷贝的顺序几百个拷贝的顺序 如如rRNA和和tRNA基因。基因。轻度重复顺序轻度重复顺序中度重复顺序中度重复顺序3.4.3 3.4.3 基因家族与基因簇基因家族与基因簇由同一个祖先基因经过重复由同一个祖先基因经过重复(duplication)与变异进化而形成结构与功能相似的一与变异进化而形成结构与功能相似的一组基因，组成了一个基因家族。组基因，组成了一个基因家族。由功能相同或相关的邻近基因组成的一由功能相同或相关的邻近基因组成的一个基因群或一组基因。个基因群或一组基因。基因家族基因家族(gene family)：（2）基因簇）基因簇(gene cluster): 3.4.4 3.4.4 假

13、基因假基因(pseudogene(pseudogene) ) 根据起源和结构的不同，假基因分为两类：根据起源和结构的不同，假基因分为两类： 未加工的假基因未加工的假基因 加工的假基因加工的假基因多基因家族经常包含结构保守的基因，它们是通过积累多基因家族经常包含结构保守的基因，它们是通过积累突变产生，来满足不同的功能需要。如果突变产生，来满足不同的功能需要。如果突变使基因功突变使基因功能完全丧失能完全丧失，这样的，这样的无功能的基因拷贝称为假基因无功能的基因拷贝称为假基因，经，经常用希腊字母常用希腊字母表示。表示。未加工的假基因未加工的假基因(nonprocess pseudogenes(non

14、process pseudogenes) ) 是通过基因组是通过基因组DNADNA复制产生，经常位于相同复制产生，经常位于相同基因有功能拷贝的附近。基因有功能拷贝的附近。加工的假基因加工的假基因(processed pseudogenes) 也也称为反转录假基因称为反转录假基因(retropseudogenes)，是通，是通过对过对mRNA的反转录和获得的的反转录和获得的cDNA的随机整的随机整合而产生；它们经常是分散的。合而产生；它们经常是分散的。3.4.5 3.4.5 高度重复顺序高度重复顺序 卫星卫星DNA (satellite DNA) DNA (satellite DNA) 小卫星小

15、卫星DNA(minisatelliteDNA(minisatellite DNA) DNA) 微卫星微卫星DNA (microsatelliteDNA (microsatellite DNA) DNA) 转座序列转座序列 卫星卫星DNA（Satellite DNA）:由长的串联重复序列构成，大多数位由长的串联重复序列构成，大多数位于着丝粒区于着丝粒区 小卫星小卫星DNA(Minisatellite DNA) ：如位于端粒处的如位于端粒处的DNA，由中等数目，由中等数目 核苷酸核苷酸 对的单元重复组成。对的单元重复组成。 微卫星微卫星DNA (Microsatellite DNA)： 由由14个

16、左右的核苷酸对的单元个左右的核苷酸对的单元 重复若干次组成。重复若干次组成。 小卫星小卫星DNA 端粒端粒DNA VNTR序列序列(variable number of tandem repeats， 可变数目的可变数目的 串联重复序列串联重复序列)DNA指纹指纹 ( DNA fingerprints) 把把小卫星小卫星DNA(VNTR)核心序列串联起来核心序列串联起来作为分子探针，与不同个体的作为分子探针，与不同个体的DNA进行进行分子杂交，就会呈现出各自特有的杂交分子杂交，就会呈现出各自特有的杂交图谱，它们与人的指纹一样，具有专一图谱，它们与人的指纹一样，具有专一性和特征性，因人而异，因此

17、被称作性和特征性，因人而异，因此被称作“DNA指纹指纹” 。 用小卫星用小卫星DNA(VNTR)产生产生DNA片段组，片段组，以电泳分离时，提供的任何个体的独特以电泳分离时，提供的任何个体的独特模式模式- (DNA fingerprint) DNA可以从犯罪现场的组织和体液中提取可以从犯罪现场的组织和体液中提取(经经常是血液、精液或毛发常是血液、精液或毛发)，然后与怀疑对象取，然后与怀疑对象取得的对照样品比较。得的对照样品比较。 DNADNA指纹的特点指纹的特点 1 1、多位点性、多位点性2 2、简单的遗传方式、简单的遗传方式 3 3、高度变异性、高度变异性 应用应用 : 1 可应用在犯罪研究

18、中。可应用在犯罪研究中。人类VNTRs的第一个探针 1985年由Alec Jeffries制备 在肌红蛋白基因的第一个内含子中分离出132bp的重复顺序，内含4个长33bp的重复单位，有13bp为核心顺序（GGAGGTGGGCAGG）VNTR2 2 帮助确立亲子关系，证实家谱或显示个体的相关性。帮助确立亲子关系，证实家谱或显示个体的相关性。SINEsSINEs是短散布核元件是短散布核元件(short interspersed (short interspersed nuclear element)nuclear element) 对应于加工的对应于加工的7SLRNA7SLRNA假基因的拷贝，它在人类中假基因的拷贝，它在人类中称为称为AluAlu元件，在小鼠中是元件，在小鼠中是B1B1元件。元件。转座序列转座序列LINEsLINEs是长散布核元件是长散布核元件 (long interspersed nuclear elements)(long interspersed nuclear elements) 对应于称为对应于称为LINE1(L1)LINE1(L1)的丰富反转录转座子的的丰富反转录转座子的拷贝拷贝.L1.L1元件最大长度为