基因和基因组结构和功能

1、关于基因与基因组的结构与功能第一张，PPT共六十一页，创作于2022年6月3.1 基因的概念包括:编码基因与非编码区从生化学上来说指的是一段DNA或RNA顺序，该顺序可以产生或影响某种表型，可以由于突变生成等位基因变异体。从遗传学上来说代表一个遗传的功能单位，同时也是一个交换单位和突变单位。基因（gene）是DNA和RNA分子中具有遗传效应的核苷酸序列，是遗传的基本的单位。第二张，PPT共六十一页，创作于2022年6月基因概念的发展大致上分以下几个阶段:孟德尔所阐明的基因观 “基因是生物体传递遗传信息和表达遗传信息的基本物质单位”。 1865年，奥地利神父孟德尔从7个豌豆性状的实验提出了“遗传

2、因子假说”（每个性状由定位在染色体上的遗传因子控制，并提出了遗传因子的分离与自由组合的两大遗传规律性）。第三张，PPT共六十一页，创作于2022年6月第二阶段摩尔根时代赋予基因以物质的内涵。 随后摩根通过对果蝇的研究提出了基因的连锁遗传规律，并定义了经典的基因概念。（经典基因概念：基因是孤立地、排列在染色体上的实体，具有特定功能，能独立发生突变的遗传交换的、“三位一体”的、最小的遗传单位。呈线性排列在染色体上的遗传实体。）第四张，PPT共六十一页，创作于2022年6月3、顺反子阶段：顺反子就是一段核苷酸序列，能编码一条完整的多肽。4、现代基因阶段：编码基因的主要编码产物是多肽链，另外还包括许多

3、编码RNA的基因。现代基因概念：操纵子、转座子、断裂基因、重叠基因、假基因第五张，PPT共六十一页，创作于2022年6月5.AGCCGACTATGTCGAAGCTT.GCTTGACTATAAGACA33.TCGGCTGATACAGCTTCTAA.CGAACTGATATTCTGT5转录调控区 贮存RNA或蛋白质结构信息区 转录终止区基因的基本结构基因结构第六张，PPT共六十一页，创作于2022年6月3.2 基因的命名法基因原则：简明、独特、能够表达基因的特征或功能基因符号：独特、简短、仅含拉丁字母和阿拉伯数字，不应有标点符号。第七张，PPT共六十一页，创作于2022年6月3.3基因组基因组（ge

4、nome)：细胞或生物体内一套完整单体的遗传物质的总和；或所含有的全部基因。如人： 22常+ X， Y，+ 线粒体基因组基因组的功能是贮存和表达遗传信息。主要由两种基因组组成核基因组核外基因组：质粒基因组、线粒体基因组、叶绿体基因组等重要的遗传信息存在于核基因组内第八张，PPT共六十一页，创作于2022年6月基因组的结构主要指不同的基因功能区域在核酸分列中的分布和排布情况。第九张，PPT共六十一页，创作于2022年6月基因及基因组的大小与C值矛盾 C值（C-value）：单倍体基因组中的全部DNA量。C值悖论：基因组的大小和DNA含量随着生物进化复杂程度的增加而逐步上升，但也有另外。变形虫的C

5、值是人的200倍 第十张，PPT共六十一页，创作于2022年6月3. 4 病毒及其基因组3.4.1病毒基因组的一般特点及病毒的核酸病毒基因组的特点1基因组大小相差很大：2核酸结构多样性：3编码序列90%(基因组)HBV：3.2kb 痘病毒：300 kbDNA或RNA 单链或双链 合环状分子或线性分子第十一张，PPT共六十一页，创作于2022年6月4. 多为单拷贝,即每个基因只出现一次5.基因有连续的和间断的 (有内含子)6.相关基因丛集: 功能上相关的基因排列在一起7.有重叠基因8.含有不规则结构基因第十二张，PPT共六十一页，创作于2022年6月病毒基因组核酸的主要类型双链RNA单链负股RN

6、A 单链正股RNA分类DNARNA 双链DNA：HBV 单链DNA：M13噬菌体正股(+)：序列与mRNA相同的链 负股(-)：序列与mRNA互补的链第十三张，PPT共六十一页，创作于2022年6月典型病毒基因组介绍SV40病毒基因组第十四张，PPT共六十一页，创作于2022年6月.双链环状DNA：5243bp早期转录区：一个基因（2个蛋白质 t，T）调控区（400bp）：复制起始点，启动子，增强子晚期转录区：先转录出一个多顺反子mRNAVP1 mRNAVP2 mRNAVP3 mRNAVP3比VP2N端少1/3AUG 位于VP2和 VP3内第十五张，PPT共六十一页，创作于2022年6月.UA

7、A内含子1内含子2前体mRNA剪接方式1：去除内含子1剪接方式2：去除内含子2T-mRNAt -mRNAT- 抗原t-抗原分布于核内：100 KD分布于胞浆内：18 KDT - 抗原和t-抗原mRNA前体的不同剪接方式UAA第十六张，PPT共六十一页，创作于2022年6月.2、逆转录病毒(retroviruses，HIV)（1）一般特征 病毒(+)股RNA为2个拷贝,基本结构为:帽RU5PBDLSgagpolenv(onc) CPBU3Rpoly(A)n病毒颗粒中有两条相同的正股RNA+两条来自宿主细胞的tRNA第十七张，PPT共六十一页，创作于2022年6月A：编码区:所有逆转录病毒均含有3

8、个基本结构基因gag: 病毒衣壳蛋白pol: 肽链内切酶,一个逆转录酶,一个与前病毒整 合相关的酶env: 包膜蛋白B：非编码区: 与基因组复制和基因表达有关A: R区: 两端的重复序列,与cDNA合成有关B: 引物结合区(primer binding site, PB)C: U区: U3 含强启动子,起始转录RNA. U5 与转录终止和加polyA有关D: DLS-C区: DLS:两条病毒(+)RNA链结合位点 : 包装信号:RNA装入病毒颗粒 C: 调控区.第十八张，PPT共六十一页，创作于2022年6月（2）前病毒基因组的转录和翻译A：逆转录病毒基因组的复制和转录都需要经过DNA中间体才

9、能完成.RNA病毒DNA前病毒RNA病毒(cDNA)末端形成新的重复序列(U3-R-U5)称长末端重复序列(LTR) long terminal repeatB：翻译多顺反子mRNA gag-pol(无起始密码子)第十九张，PPT共六十一页，创作于2022年6月90% 形成gag蛋白 10%形成gag- pol 蛋白 剪接后形成env mRNA第二十张，PPT共六十一页，创作于2022年6月3.4.2 噬菌体基因组重叠基因 : 不同基因的核苷酸序列有时是可以共用的。也就是说，它们的核苷酸序列是彼此重叠的，这样的2个基因被称为重叠基因。 两个或两个以上的基因共有一段DNA序列或者是指一段DNA序

10、列为两个或两个以上基因的组成部分。 重叠方式有大基因内包含小基因，前后两个基因首尾重叠等。第二十一张，PPT共六十一页，创作于2022年6月第二十二张，PPT共六十一页，创作于2022年6月RNA噬菌体MS2，R17，f2和Q的重叠第二十三张，PPT共六十一页，创作于2022年6月3.5 细菌基因组原核基因组Prokaryotic genome ，以细菌为代表讲述，又称Bacteria genome。原核生物的染色体基因组是指其环状或线状的双链DNA分子所含有的全部基因，有的原核生物还含有染色体外的质粒基因组。第二十四张，PPT共六十一页，创作于2022年6月以细菌为代表进行研究，有许多优势：

11、 1.构造相对简单，基因结构也不复杂，取材便利，易于培养，可选择突变株进行研究，实验结果容易重复。 2.与人类有共同的主要生物学规律，如：遗传物质都是DNA；主要的功能分子都是蛋白质；基因密码是通用的，等等。 3.尤其是E.coli，是分子克隆是“明星“，基因工程最主要的工程菌，因为基因工程的主要工作是克隆真核基因在原核系统中表达。第二十五张，PPT共六十一页，创作于2022年6月原核生物基因组结构与功能的特点：1. 基因组通常仅由一条环状双链DNA分子组成。2. 基因组中只有1个复制起点。3. 具有操纵子结构。 操纵子（operon） 是指数个功能相关的结构基因串联在一起，构成信息区，连同其

12、上游的调控区（包括启动和操纵区）及其下游的转录终止信号构成的基因表达单位。4. 细菌的结构基因一般无重叠现象。5. 原核基因的基因序列是连续的，无内含子结构。第二十六张，PPT共六十一页，创作于2022年6月6. 编码区和非编码区在基因组中约各占50%。7. 基因组中的重复序列很少。8. 具有编码同功酶的基因（isogene） 这是一类结构不完全相同，而功能相同的基因。如E.coli含有2个编码乙酸乳酸合成酶的基因和2个编码分支酸变位酶同工酶的基因。9. 细菌基因组中存在可移动的DNA序列，包括插入序列和转座子。10.原核基因的基本结构特点： 启动子（promoter）、操纵基因（operat

13、or）、调控序列、结构基因（structure gene）、终止子（terminator）。第二十七张，PPT共六十一页，创作于2022年6月Bacterial chromosome（大肠杆菌）基因组图第二十八张，PPT共六十一页，创作于2022年6月染色体外的遗传物质质粒质粒（plasmid） 是独立于许多细菌及某些真核细胞染色体外共价闭合环状的DNA分子（covalant closed circnlar,cccDNA），能独立复制的最小遗传单位。 质粒是双链的DNA分子，大小在1200kb之间，和病毒不同，它们没有衣壳蛋白（裸DNA）。质粒可通过复制、转录、翻译，从而赋予寄主细胞某种性状，

14、许多性状已作为DNA重组技术中的较为成熟的选择标记。第二十九张，PPT共六十一页，创作于2022年6月质粒的特点1、最大特点: 可独立复制2、质粒的遗传控制第三十张，PPT共六十一页，创作于2022年6月柯斯（Cosmid）质粒cos位点,粘性位点 第三十一张，PPT共六十一页，创作于2022年6月(1).复制控制系统: 控制质粒的拷贝数 复制起始点(ori) Rep基因: Rep蛋白结合于ori, 促进复制 过量可抑制复制 Cop基因: 抑制复制(2).分配系统: 使质粒在细菌分裂时精确分配到子细胞中.(3). 细胞分裂抑制系统: 控制细胞分裂,使细胞分裂与质粒 复制协调(4).位点特异重组

15、系统: 多聚体 单体 (细菌内) (分裂时)(5) 质粒的不相容性: 具有相同复制起始点和分配区的两种质粒不能共 存于一个宿主,这种现象称.第三十二张，PPT共六十一页，创作于2022年6月 共存一宿主 两种质粒 不共存一宿主另:凡经改建作为基因克隆载体的质粒必须包括三种共同的组成成分: 复制基因(replicator) 选择性标记 克隆位点第三十三张，PPT共六十一页，创作于2022年6月质粒与宿主细胞的关系 质粒对宿主的生存不是必需的，只是“友好”的“借居”宿主细胞中，既不杀伤细胞，对宿主的代谢活动也无影响，宿主离开质粒照样的生存下去。 质粒离开宿主就无法生存，只有依赖宿主细胞的（酶和蛋白

16、质）帮助，才能完成自身的复制（扩增）、转录。 质粒经常为宿主执行一些适当的遗传功能，作为对宿主细胞的补偿（“交房租”）。 质粒赋于宿主各种有利的表型（质粒编码蛋白质或酶），使宿主获得生存优势，与我们基因工程实验紧密相关的，如抗生素抗性基因。第三十四张，PPT共六十一页，创作于2022年6月4.质粒发现和研究意义 理论意义 质粒能够复制、传递和表达遗传信息，从分子遗传学观点来看是一种有机体，是比病毒更原始的生命形式，是生命起源研究的一块重要基石。 实践意义 是基因工程的重要载体（vector），能把外源基因（目的基因）送到宿主细胞中去克隆扩增或克隆表达。第三十五张，PPT共六十一页，创作于202

17、2年6月质粒是可以改造的，可以剪切、剪接的，基因工程的重要任务之一就是严格改造质粒的同时，控制质粒不传递，若一个致癌质粒可以传递就会传到外部。作为基因工程载体的3个特点： A.都能独立自主的复制； B.都能便利的加以检测（如抗生素抗性）； C.都能容易引进宿主细胞中去，也易从宿主细胞中分离纯化（提质粒）。 工程质粒必须同时符合上述3个条件。 基因工程中主要使用人工构建的质粒。第三十六张，PPT共六十一页，创作于2022年6月3.6 真核生物基因组3.6.1 特点1、体细胞: 两套基因组 性细胞: 一套基因组2、基因组结构复杂,数目庞大, 多个复制起始点。3、mRNA为单顺反子。4、含大量重复序

18、列。5、非编码序列占90%以上。6、基因间有间隔区(spacer DNA),基因为断裂基因(split gene) 即内含子,外显子。7、功能相关的基因串联在一起形成基因家族8、存在可移动成分第三十七张，PPT共六十一页，创作于2022年6月3.6.2 真核生物的基因组结构1.结构基因、内含和外显子、断裂基因。（1）结构基因（structural gene）指能转录成为mRNA、rRNA或tRNA的DNA顺序。（2）断裂基因（split gene） 在真核类结构基因组中，编码顺序被许多称为内含子的非编码区分割成几段称之断裂基因。第三十八张，PPT共六十一页，创作于2022年6月断裂基因 （不连

19、续基因、割裂基因） : 核苷酸序列中间插入有与编码无关的DNA间隔区，使1个基因分隔成不连续的若干区段。这种编码序列不连续的间断基因被称为断裂基因。 第三十九张，PPT共六十一页，创作于2022年6月内含子和外显子 真核生物的结构基因是不连续的，编码序列被非编码序列打断，在编码序列之间的序列称为内含子（intron），编码序列称为外显子（extron）。第四十张，PPT共六十一页，创作于2022年6月第四十一张，PPT共六十一页，创作于2022年6月第四十二张，PPT共六十一页，创作于2022年6月假基因 : 这是一种核苷酸序列同其相应的正常功能基因基本相同，但却不能合成出功能蛋白质的失活基因

20、。 假基因常用符号表示，如1 表示与1 相似的假基因. 假基因与有功能的基因同源,原来也可以是有功能的基因,由于发生缺失(deletion)、例位(inversion)或点突变（point mutaion）等，成为无功能的基因，即形成了假基因。第四十三张，PPT共六十一页，创作于2022年6月假基因结构示例第四十四张，PPT共六十一页，创作于2022年6月2 真核生物编码序列真核生物基因组编码序列只占DNA总量的5%，但由于其基因组非常大，故其基因数量就原核生物基因组要大得多（几十倍）。第四十五张，PPT共六十一页，创作于2022年6月重复序列（repeat sequence)据出现的频率不同

21、可将DNA序列分为3类： 1.高度重复序列 在基因组中的重复次数 105 2.中度重复序列 在基因组中的重复次数为 101-105 3.单拷贝序列和低度重复序列 在整个基因组中出现1次或少数几次（100-101）。第四十六张，PPT共六十一页，创作于2022年6月重复序列中，除了编码rRNA 、tRNA 、组蛋白及免疫球蛋白的结构基因外，大部分是非编码序列。 它们的功能 主要与基因组的结构稳定性，组织形式以及基因表达调控有关。第四十七张，PPT共六十一页，创作于2022年6月3 真核生物的基因家族(gene family)和基因簇基因家族 是指真核生物基因组中核苷酸序列或编码产物具有一定程度同

22、源性的一组基因。基因家族 中各个基因之间的关系: （1）家族中各基因的核苷酸序列相同这些基因族也被称为单纯多基因家庭（如rRNA,tRNA家族）和复合多基因家族（如组蛋白基因家族）。第四十八张，PPT共六十一页，创作于2022年6月 组蛋白基因家族第四十九张，PPT共六十一页，创作于2022年6月（2）家族中各基因核苷酸序列高度同源 人类生长激素基因家族 -株蛋白和-株蛋白基因家族（3）家族中各基因编码的蛋白质有高度的同源性，但基因的核苷酸序列可能不同。如src癌基因家族 src，abl，fes，fgr，fps，fym，kck，lyn，ros，tkl，yes。 第五十张，PPT共六十一页，创作

23、于2022年6月第五十一张，PPT共六十一页，创作于2022年6月（4）家族各基因编码的蛋白质中具有很小的保守基因序列（conserved motif)。 如DEAD box基因家族。DEAD box：Asp-Glu-Ala-Asp.（5）基因超家族（gene superfamily） 基因超家族，是指一组由多基因家族及单基因家族组成的更大的基因家族。如：（1）免疫球蛋白超基因家族（2）丝氨酸蛋白酶基因超家族 （3）信号传递途径中的小GTP接合蛋白，现在称为ras超家族，包括ras家族、rho家族、rab家族，大约已有30个蛋白质基因被确定为该家族成员。 第五十二张，PPT共六十一页，创作于2

24、022年6月人类基因组DNA多态性某一机体可以观察到的特征，称为表现(phenotype)，与表型相应的基因组成称为基因型(genotype)。人类个体之间所以表现为千差万别，其物质基础在于基因组DNA的差异。 DNA序列的多态性就是这些差异中十分重要的1种，DNA序列多态性可分为位点的多态性和串联重复顺序多态性，前者又可造成限制性片段长度多态性。第五十三张，PPT共六十一页，创作于2022年6月(一)DNA位点多态性(DNA site polymorphism)DNA位点多态性 是由于等位基因间在特定位点上DNA序列存在差异造成的。 在各种DNA位点多态性系统中，HLA（人类白细胞抗原）是最

25、复杂的一种。就其表型而言,从理论上来说,已远远超过了现有地球人口，人类为远交群体，因此要在无血缘关系人群找到HLA表型完全相同的个体几乎是不可能的。第五十四张，PPT共六十一页，创作于2022年6月(二)限制性中段长度多态性(restiction fragment length polymorplism,RFLP)DNA位点的多态性可影响限制酶的切割位点，造成限制片段长度多态性，即用同一种限制酶消化不同个体DNA时，会得到长度各不相同的限片段类型。是DNA多态性的一种特别有用的形式，当DNA分子由于中性突变，使某种限制酶切点数增加，减少或移位，导致限制性片段长度发生改变（也称为RFLP），就会得到不同限制性片段类型，这样的位点称为多态性位点。第五十五张，PPT共六十一页，创作于2022年6月（三）重复顺序长度多态性小卫星DNA多态性很复杂，个体之间的差异极高。微卫星DNA多态性,功能不太清楚。（四） DNA位点的多态性 可以作为遗传标记重复顺序长度多态性，用于基因诊断或个体鉴定，其与疾病的相关