基因概念教学课件

2.7基因概念的多样性一、C值矛盾（C-valueparadox）

基因组（genome）

核基因组（nucleicgenome）核外基因组（extranucleicgenome

）

线粒体基因组（mitochondrialgenome）叶绿体基因组（chloroplastgenome）2.7基因概念的多样性一、C值矛盾（C-value12.7基因概念的多样性一、C值矛盾（C-valueparadox）

基因组（genome）

2.7基因概念的多样性一、C值矛盾（C-value2基因数目与物种的关系基因数目的多少大致上与物种进化的复杂性相关；在高等动植物中，巨大的基因组并不意味着有巨量的基因数目。人类究竟有多少个基因？理论上：根据基因组的大小，可具有10万个基因，实际上：大约3－4万个。“生物体的复杂性并不是简单地与基因数量相关联的。”(G.Rubin)

基因数目与物种的关系基因数目的多少大致上与物种进化的复杂性相3人类基因组线粒体基因组(16.6kb)核基因组(3200Mb)基因外序列基因和基因有关序列约10%约90%专一或中等重复序列Non-codingDNA假基因内含子基因片段<10%>90%专一的或低拷贝数序列中度至高度重复序列20~30%70~80%分散重复序列串联重复序列/成簇重复序列约60%约40%蛋白编码基因rRNA基因tRNA基因CodingDNA人类基因组线粒体基因组(16.6kb)核基因组(3200Mb4基因概念教学课件5C值的资料表明，在不同的门中C值的变化是很大的。相对比较简单的单细胞真核生物象啤酒酵母，其基因组就有1.75×107bp大约是细菌（E.Coli）基因组的3-4倍。最简单的多细胞生物秀丽隐杆线虫其基因组有8×107bp，大约是酵母的4倍。生物的复杂性和其DNA含量之间有较好的相关性C值的资料表明，在不同的门中C值的变化是很大的。6但在其它的一些门中，这种相关性有的并不存在实际上一个门中的C值变化并没有一定的规律。例如在哺乳类、鸟类和爬行类的C值变化范围都很小，而在两栖类中这种变化范围增大，而植物的C值变化范围更为宽广，常成倍成倍地增加。

C值和生物结构或组成的复杂性不一致的现象称为C值矛盾(C-valueparadox)。TheC-valueparadoxdescribesthelackofrelationshipbetweentheDNAcontent(C-value)ofanorganismanditscodingpotential.但在其它的一些门中，这种相关性有的并不存在7目前还不能完全解释这种矛盾：

在一定意义上说，生物类群中C值变化范围宽就意味着在某些生物中有些DNA是冗余的，不能编码有功能的活性物质。DNA总量变化范围的产生至少有一个原因，即在染色体上存在着不同数目的重复顺序，这些重复顺序是不表达的。目前还不能完全解释这种矛盾：8二、细菌的基因组及特点（一）组成：细菌染色体和质粒（二）细菌基因组的特征

1.

基因组相对较小（如Ecoli,4.6×106bp，4000个基因），只有一个复制启始位点。

2.具有操纵子结构：功能上相关的几个基因往往在一起组成操纵子结构，即几个结构基因串联在一起，受它们上游的共同调控区控制。当基因开放时，这几个基因转录在一条mRNA链上，然后分别翻译合成各自的蛋白肽链。操纵子的末端具有特殊的终止序列。二、细菌的基因组及特点93.基因是连续的：结构基因中没有内含子（intron）成分，在转录后不需剪接加工，转录产物的寿命较短。4.大部分DNA是用于编码蛋白质的，只有一小部分是不翻译的。不翻译区中含有间隔区（Spacer）和基因表达的调控序列。

5.基因组中仅有少数基因存在基因重叠现象。

6.结构基因是单拷贝，rRNA基因是多拷贝。3.基因是连续的：结构基因中没有内含子（intron）成分10（三）质粒(plasmid)质粒:是细菌染色体外能够进行自主复制的遗传单位

，是环状闭合的双链DNA。紧密控制型（stringentcontrol）质粒:只在细胞周期的一定阶段进行复制，通常每个细胞内只含有一个或几个质粒分子松弛控制型（relaxedcontrol）质粒:在整个细胞周期中随时可以复制，在每个细胞中有许多拷贝，一般在20个以上。在细胞培养过程中，加适当氯霉素可使松弛型质粒的拷贝数由原来的20多个扩增至1000-3000个。（三）质粒(plasmid)质粒:是细菌染色体外能够进行自11（三）质粒(plasmid)质粒基因可编码多种重要的生物学性状：1)致育质粒（F质粒）与有性生殖功能关联2)耐药性质粒编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。分两类，一是接合性耐药质粒（R质粒），另一是非接合耐药性质粒3)毒力质粒（Vi质粒）编码与该菌致病性有关的毒力因子4)细菌素质粒编码细菌产生细菌素5)代谢质粒编码产生相关的代谢酶。（三）质粒(plasmid)质粒基因可编码多种重要的生物学性12质粒具有自我复制的能力质粒DNA所编码的基因产物赋予细菌某些性状特征质粒可自行丢失与消除质粒的转移性质粒可分为相容性与不相容性两种质粒DNA的特征质粒具有自我复制的能力质粒DNA的特征13四、病毒基因组的特点

1．每种病毒只有一种核酸，或者DNA，或者RNA

2．病毒核酸大小差别很大，3X103一3X106bp如：最小的3kb（乙肝），仅编码4种蛋白质最大的可达300kb以上（痘病毒

），有几百个基因。一般DNA病毒较大，RNA病毒较小。3．除了反转录病毒以外，一切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。反转录病毒基因组有两个拷贝。

四、病毒基因组的特点

144．大部份病毒核酸是由一条双链或单链分子(RNA或DNA)，仅少数RNA病毒由几个核酸片段组成5．噬菌体（细胞病毒）的基因是连续的；而真核细胞病毒的基因是不连续的，具有内含子，除了正链RNA病毒之外，真核细胞病毒的基因都是先转录成mRNA前体，再经加工才能切除内含子成为成熟的mRNA。噬菌体基因组中无内含子，但感染真核细胞的病毒基因组中具有内含子（SV40早期基因T和t）4．大部份病毒核酸是由一条双链或单链分子(RNA或DNA)，156．有重叠基因（同ORF重叠、异ORF重叠和反ORF重叠）7.大部分DNA用于编码蛋白质，只有一小部分是不翻译的。不翻译区通常是基因表达的调控序列8.调控序列可以被宿主细胞所识别，其遗传密码和基因组的结构必须与宿主体系相匹配6．有重叠基因（同ORF重叠、异ORF重叠和反ORF重叠）16一、C值矛盾（C-valueparadox）一、C值矛盾（C-valueparadox）五、真核生物基因组的特点这种假说必须面对一个难题，即内含子最初如何能插入到连续编码的基因中而保持基因的功能不变？（三）质粒(plasmid)Itbeginsreadingthereandintripletreadingframesfromthereafteruntilitreachesoneofthe"stop"codons.于是他们提取两种组织的DNA，分别用酶（EcoR1和HindIII）切成几段，走电泳，再用卵清蛋白mRNA来制备cDNA探针和以上两片进行southern杂交有的基因内含子少，如珠蛋白基因只有2个内含子，基因组（genome）基因组（genome）58bprepeat在高等动植物中，巨大的基因组并不意味着有巨量的基因数目。4)细菌素质粒编码细菌产生细菌素NobelPrize1993Gilbert（1978年）提出内含子、外显子概念Moore,andP.AAGCTTTandemdirectrepeats核外基因组（extranucleicgenome）Chambon听了报告后便意识到，他们的实验结果也是可以用断裂基因来解释的:即卵清蛋白的基因上可能有多个断裂区（内含子）五、真核生物基因组的特点1.基因组含有更大的DNA分子，以染色体形式储存于细胞核内，除配子细胞外，体细胞内的基因的基因组是双份的。但应注意：（1）并非生物越高等，基因组越大。即并非进化的复杂程度与DNA含量成正比。如某些植物和两栖类的DNA含量是人的几十乃至上百倍。（2）同一类复杂性差不多，形态也相似的生物，理论上其基因组也应比较接近，其实不然。如同是两栖类可相差十倍以上。（3）基因组中DNA的量远大于编码蛋白质所需要的量。一、C值矛盾（C-valueparadox）五、真核172.基因组结构复杂，有多个复制启始位点，但每个复制子的长度较小。3.基因是不连续的。4.转录单位一般是单顺反子的。即一个基因一种mRNA一种蛋白质，但蛋白质的最终产物可因剪接方式的不同而有差异2.基因组结构复杂，有多个复制启始位点，但每个复制子的长度186.存在多基因家族和超基因家族

7.基因类型多样8.DNA序列组织的可变性：DNA序列从胚胎到成人并非一成不变。如B细胞成熟过程中Ig基因结构的重排及TCR基因在分化过程中的重排5.存在重复序列(repetitivesequence)

6.存在多基因家族和超基因家族7.基因类型多样5.存在19五、真核生物基因组的特点五、真核生物基因组的特点20基因概念教学课件21Genetics与GenomicsGenetics与Genomics22水生动物基因组:对1600多种鱼类及其他少数水产动物研究表明:水生动物基因组大小差异很大:多数鱼类/甲壳类单倍体染色体数为20—25,相当于人类基因组大小的50%--70%鲤科和鲑科某些鱼类达100条染色体(四倍体化)斑马鱼的基因组研究中,构建了多个基因图谱斑马鱼的基因组测序已经完成水生动物基因组:对1600多种鱼类及其他少数水产动物研究表明23水生动物基因组:水生动物基因组:24水生动物基因组:ZebrafishTheZebrafishInformationNetworkWellconceived,easilynavigatedtroveofzebrafishinfoTheInteractiveAtlasofZebrafishVascularAnatomyExtraordinarydevelopmental-biologysite,featuredinScience'sNetWatchcolumn,offeringviewsof"thecompletevascularanatomyofthedevelopingzebrafish."WashU-ZebrafishGenomeResourcesProject水生动物基因组:Zebrafish25水生动物基因组:美国农业部在上世纪90年代初已开始资助个别水产养殖动物的基因组研究并在1997年9月正式启动了较为全面的水产养殖动物的基因组计划选5种水产养殖动物斑点叉尾(Ictaluruspunctatus)虹鳟(Onchorhynchusmykiss)罗非鱼(Oreochromisniloticus)太平洋对虾(Penaeusvannamei)牡蛎(Crassostreagigas)水生动物基因组:美国农业部在上世纪90年代初已开始资助个26操纵子的末端具有特殊的终止序列。如同是两栖类可相差十倍以上。我国学者已经建立了50多个连锁群,覆盖5789cM基因组由于核心序列重复数目的变化而在群体中呈现出遗传多态性TheC-valueparadoxdescribesthelackofrelationshipbetweentheDNAcontent(C-value)ofanorganismanditscodingpotential.Moore,andP.最简单的多细胞生物秀丽隐杆线虫其基因组有8×107bp，大约是酵母的4倍。001多为串联重复排列cDNA顺序内并没有EcoRI和Hind=3\*ROMANIII的切点，为什么会出现多条阳性带利用两点的重组程度，反映两点之间连锁关系。质粒具有自我复制的能力基因数目的多少大致上与物种进化的复杂性相关；TAGCNNNNNCGAT因此，两个研究者认为，细胞核和细胞质之间核膜的形成，就是为了给信使RNA的拼接以足够的时间，并起到仅使完整的信使RNA透过的过滤功能，以使得完整的信使RNA能够在细胞质中迅速翻译为蛋白质。DNAfingerprintingTheexplanationisthatthereishighlyrepetitiveDNA(whichre-annealsquickly)TTCGAAAnewtypeofmutationcausesasplicingdefectinATM分两类，一是接合性耐药质粒（R质粒），另一是非接合耐药性质粒GAAAAATGAGAAAAATGA水生动物基因组:我国特有的养殖对象如鲤、草鱼(Ctenopharyngodonidellus)鲢和鳙(Aristichthysnobilis)等的基因组要由中国自己来完成我国水产养殖动物的基因组研究对象多数将是我国特有的养殖种类,难以直接从发达国家的同类研究中获得可借鉴的资源操纵子的末端具有特殊的终止序列。水生动物基因组:我国特有的养27水生动物基因组:鲤鱼:100条染色体我国学者已经建立了50多个连锁群,覆盖5789cM基因组水生动物基因组:28水生动物基因组:对羽管状海洋生物佛罗里达文昌鱼（Branchiostomafloridae）基因组的最新分析表明，5.5亿年以来进化进程中脊椎动物比原始祖先的基因组多出四倍的拷贝量，对文昌鱼的基因组分析为此结论提供了证据。2008年6月19日,Nature上发表了文昌鱼的基因组序列水生动物基因组:对羽管状海洋生物佛罗里达文昌鱼（Branch29线虫基因组果蝇基因组小鼠基因组大鼠基因组人类基因组牛基因组猪基因组绵羊基因组家蚕基因组家鸡基因组狗基因组线虫基因组30基因概念教学课件31结构基因组学

基因组研究的第一阶段工作，功能基因组学的基础；其主要目标是绘制生物的遗传图、物理图、转录图和序列图。结构基因组学基因组研究的第一阶段工作，功能基因组学的基础；32

各基因或DNA标记之间精确距离的图谱；反映的是DNA序列上两点之间的实际距离

物理图谱（physicalmap）绘制各基因或DNA标记之间精确距离的图谱；物理图谱（33物理图谱方法：原位杂交（Insituhybridization）

原理：

DNA标记探针与染色体同源位置杂交结合，经同位素自显影或荧光显微镜可显示出相应杂交部位。物理图谱方法：原位杂交（Insituhybridizat34

遗传图谱（geneticmap）绘制称连锁图谱（linkagemap），基因或DNA标记之间连锁关系和染色体定位图谱；利用两点的重组程度，反映两点之间连锁关系。遗传图谱（geneticmap）35猪12号染色体的物理图谱遗传图谱与物理图谱的区别基因排列顺序一致位置并不一一对应猪12号染色体的物理图谱遗传图谱与物理图谱的区别基因排列顺序36不翻译区通常是基因表达的调控序列分两类，一是接合性耐药质粒（R质粒），另一是非接合耐药性质粒基因组（genome）其主要目标是绘制生物的遗传图、物理图、转录图和序列图。分两类，一是接合性耐药质粒（R质粒），另一是非接合耐药性质粒10-104copies/genome基因组（genome）事后Chambon(1977,1981)等用Berget的实验方法进行了分子杂交，果然出现了7个单链DNA的环各基因或DNA标记之间精确距离的图谱；Alu家族每个成员的长度约300bp，由于每个单位长度中有一个限制性内切酶Alu的切点（AG↓CT）从而将其切成长130和170bp的两段，因而定名为Alu序列（或Alu家族）hnRNA是mRNA的未成熟前体灵长类所独有，用HindⅢ消化非洲绿猴DNA，可以得到重复单位为172bp的高度重复顺序，这种顺序大部份由交替变化的嘌呤和嘧啶组成，又称为α卫星DNA。116bprepeat成员间有不同程度的同源，但它们的功能并不相似，这是与多基因家族的差别所在。物理图谱（physicalmap）如：最小的3kb（乙肝），仅编码4种蛋白质DNAfingerprinting不连续基因(interruptedordiscontinousgenes)不连续基因(interruptedordiscontinousgenes)

基因表达谱（geneexpressionprofile）

处于某一特定状态下的细胞或组织cDNA文库，收集cDNA序列片段，定性、定量分析其mRNA群体组成，描绘出该特定细胞或组织在特定状态下基因表达种类（ESTs）和丰度信息。由此编制成的数据表称为基因表达谱。从分子水平反映细胞或组织特异性表型和表达模式不翻译区通常是基因表达的调控序列基因表达谱（geneex37序列图（Sequencemap）通过基因组测序得到的碱基排列次序。基因组计划的最终目标。序列图（Sequencemap）通过基因组测序得到的碱基排38基因概念教学课件39基因概念教学课件40基因概念教学课件41六、基因类型的多样性(一)重叠基因(overlappinggene)Agenewhosesequenceoverlapsthatofanothergeneinthesameoradifferentreadingframe.指在同一段DNA顺序上，由于阅读框架不同或终止早晚不同，同时编码两个以上基因的现象六、基因类型的多样性(一)重叠基因(overlappi42重叠基因的发现重叠基因是1977年Sanger在研究ΦX174时发现的。ΦX174是一种单链DNA病毒，宿主为大肠杆菌，因此，又是噬菌体。重叠基因的发现43ΦX174感染大肠杆菌后共合成11个蛋白质分子，总分子量为25万左右，相当于6078个核苷酸所容纳的信息量。而该病毒DNA本身只有5375个核苷酸，最多能编码总分子量为20万的蛋白质分子，Sanger在弄清ΦX174的11个基因中有些是重叠的之前,这样一个矛盾长时间无法解决。ΦX174感染大肠杆菌后共合成11个蛋白质分子，总分子量为244重叠方式:（1）一个基因完全在另一个基因里面。如基因Ａ和Ｂ是两个不同基因，而Ｂ包含在基因Ａ内。同样，基因Ｅ在基因Ｄ内。

（2）部分重叠。这些重叠的基因具有不同的读码框架（3）两个基因只有一个碱基重叠。如基因Ｄ的终止密码子的最后一个碱基是Ｊ基因起始密码子的第一个碱基(如TAATG)。重叠方式:45Howoverlappinggenescanoperate:

Transcriptaselooksforany"AUG"startcodons:

Howoverlappinggenescanoper46如同是两栖类可相差十倍以上。不翻译区中含有间隔区（Spacer）和基因表达的调控序列。T18sT5.如同是两栖类可相差十倍以上。AnewtypeofmutationcausesasplicingdefectinATMC0t(1/2)~0.MicrosatelliteDNA5亿年以来进化进程中脊椎动物比原始祖先的基因组多出四倍的拷贝量，对文昌鱼的基因组分析为此结论提供了证据。分两类，一是接合性耐药质粒（R质粒），另一是非接合耐药性质粒如:I类内含子包括四膜虫rRNA的内含子，几种酵母线粒体的内含子，噬菌体T4胸苷酸合成酶的内含子等。Non-codingDNA“生物体的复杂性并不是简单地与基因数量相关联的。2)耐药性质粒编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。AnewtypeofmutationcausesasplicingdefectinATM4．大部份病毒核酸是由一条双链或单链分子(RNA或DNA)，仅少数RNA病毒由几个核酸片段组成由于核心序列重复数目的变化而在群体中呈现出遗传多态性于是他们提取两种组织的DNA，分别用酶（EcoR1和HindIII）切成几段，走电泳，再用卵清蛋白mRNA来制备cDNA探针和以上两片进行southern杂交TheexplanationisthatthereishighlyrepetitiveDNA(whichre-annealsquickly)一、C值矛盾（C-valueparadox）

b.Itbeginsreadingthereandintripletreadingframesfromthereafteruntilitreachesoneofthe"stop"codons.如同是两栖类可相差十倍以上。

47这些重叠基因尽管它们的DNA大部分相同，但是由于将mRNA翻译成蛋白质时的读框不一样产生的蛋白质分子往往并不相同。这些重叠基因尽管它们的DNA大部分相同，48有些重叠基因读框相同，只是起始部位不同如SV40DNA基因组中，编码三个外壳蛋白VP1、VP2、VP3基因之间有122个碱基的重叠但密码子的读框不一样而小t抗原完全在大T抗原基因里面，它们有共同的起始密码子。有些重叠基因读框相同，只是起始部位不同49基因概念教学课件50基因概念教学课件51同向重叠基因:重叠基因分布在同一DNA区域的同一单链上AB重叠基因种类同向重叠基因:重叠基因分布在同一DNA区域的同一单链52反向重叠基因:重叠基因分布在同一DNA区域的不同单链上

AB反向重叠基因:重叠基因分布在同一DNA区域的不同单链上53OverlappinggenestructureofhumanVLCADandDLG4

GeneVol305,2,2003,Pages161-166

DuringanalysisoftheVLCADpromoter,wediscoveredthatanothergene,discs-large-related4(DLG4),overlapsVLCADandistranscribedintheoppositedirection.AhighfrequencyofoverlappinggeneexpressionincompactedeukaryoticgenomesPNAS,August2,2005vol.102no.31:10936-41真核生物中的重叠基因MakalowskaI,LinCF,HernandezK.Birthanddeathofgeneoverlapsinvertebrates.BMCEvolBiol.2007Oct16;7(1):193Overlappinggenestructureof54重叠基因的生物学意义基因的重叠性使有限的DNA序列包含了更多的遗传信息，是生物对它的遗传物质经济而合理的利用。丰富和发展了基因的概念重叠基因的生物学意义基因的重叠性使有限的DNA序列包含了更多55重复基因即在基因组中有多个拷贝的基因在真核生物基因组中发现这种现象，真核生物中的重复基因可以达到30%重复基因主要是为了满足生物体快速发育的需要。当基因产物的需求量很大时，一个基因可以产生大量的串联重复

重复基因即在基因组中有多个拷贝的基因56较复杂的重复单位组成的重复顺序二、细菌的基因组及特点105-106copies/genomeTAGCTAGCTAGCTheZebrafishInformationNetwork相对比较简单的单细胞真核生物象啤酒酵母，其基因组就有1.斑马鱼的基因组研究中,构建了多个基因图谱其主要目标是绘制生物的遗传图、物理图、转录图和序列图。PNAS74;3171-3175，“内含子存在(Intronsearly)”模型:Itbeginsreadingthereandintripletreadingframesfromthereafteruntilitreachesoneofthe"stop"codons.moderatelyrepetitiveDNA(intermediate)AAGCTTxababababababababababababababababy鲢和鳙(Aristichthysnobilis)等的基因组要由中国自己来完成质粒具有自我复制的能力如同是两栖类可相差十倍以上。而真核细胞病毒的基因是不连续的，具有内含子，除了正链RNA病毒之外，真核细胞病毒的基因都是先转录成mRNA前体，再经加工才能切除内含子成为成熟的mRNA。Alu家族每个成员的长度约300bp，由于每个单位长度中有一个限制性内切酶Alu的切点（AG↓CT）从而将其切成长130和170bp的两段，因而定名为Alu序列（或Alu家族）IfeukaryoticDNAismeltedandallowedtore-anneal,itdoessoin3distinctphasesTheexplanationisthatthereishighlyrepetitiveDNA(whichre-annealsquickly)moderatelyrepetitiveDNA(intermediate)anduniqueorsinglecopyDNA(re-annealsslowly)UniqueandrepeatedDNA较复杂的重复单位组成的重复顺序IfeukaryoticD57DNAmeltingDNAmelting58第一部分：快速复性部分，占基因组DNA摩尔分数的25％，在Cot值10-4-2×10-2范围内复性第二部分：中速复性部分，占基因组DNA摩尔分数的30％，在Cot值0.2-102范围内复性第三部分：慢速复性部分，占基因组DNA摩尔分数的45％，在Cot值80-104范围内复性第一部分：快速复性部分，占基因组DNA摩尔分数的25％，在C59C0t1/2（任何基因组DNA）任何基因组DNA的复杂性=C0t1/2（大肠杆菌DNA）4.2X106bp

任何基因组DNA的复杂性

4.2X106bp×C0t1/2（任何基因组DNA）=C0t1/2（大肠杆菌DNA）

C0t1/2（任何基因组DNA）任何基因组60基因概念教学课件61重复序列分类1）高度重复序列（>105次）

（1）卫星DNA：根据长度可将其分为3类

★卫星（satellite）DNA：重复长度5-10bp，其在人群中多态性不强。

重复序列分类1）高度重复序列（>105次）62重复序列分类

卫星DNA(Satellite)CsCl超高速离心重复序列分类卫星DNA(Satellite)CsCl超高速63★小卫星DNA(minisatellite)或不同数目的串联重复(VNTR,variablenumberoftandemrepeats)

：重复长度15-70bp，其在人群中有高度的特异性。

DNA指纹

★小卫星DNA(minisatellite)64DNAfingerprintingAnapplicationofrepeatedDNAsequencesfoundinmammaliangenomesHighlyvariablebetweenindividualsNo2peoplearethesame,exceptidenticaltwinsDNAfingerprintingAnapplicati65基因概念教学课件66★微卫星DNA（简单串联重复序列）：（microsatelliteDNA，又称为STRshorttandemrepeat短串联重复序列）

MicrosatelliteDNA2-10bp/copy105-106

copies/genomeC0t(1/2)<0.001多为串联重复排列分布于着丝点,端粒区,结构基因两侧

heterochromatin★微卫星DNA（简单串联重复序列）：（microsatel67微卫星DNA由于核心序列重复数目的变化而在群体中呈现出遗传多态性但在同一家系内具有高度的遗传保守性，以孟德尔方式遗传散布于整个基因组中。微卫星DNA68微卫星DNASequenceinsatelliteDNASeacrab2ATATAT…..Drosophila5ATAATATAAT…..Mouse9GAAAAATGAGAAAAATGAbpofrepeatunit

sequence微卫星DNASequenceinsatelliteDN69高度重复顺序的功能:

a.参与复制水平的调节。

b.参与基因表达的调控

c.参与转位作用

d.与进化有关

e.DNA指纹

f.α卫星DNA成簇的分布在染色体着丝粒附近，可能与染色体减数分裂时染色体配对有关高度重复顺序的功能:70微卫星DNA的应用遗传作图:例如:鱼类微卫星DNA的分离在过去几年中进展很快,在罗非鱼的人工雌核发育个体中,已用微卫星DNA标记检测到父本精子小片段遗传物质整合的影响应用微卫星和AFLP指纹技术构建了尼罗罗非鱼包含全部22条染色体的遗传连锁图(Kocher等,1998)系谱确证遗传多样性估计标记辅助选择微卫星DNA的应用712)

中度重复序列

(middlerepetitivesequence)0.1-1Kb/copy10-104

copies/genomeC0t(1/2)

~0.001-0.1rDNAtDNAAlufamilyHistonegenecluster2)

中度重复序列0.1-1Kb/cop72多基因家族（multigenefamily）：亦称基因家族。是指一组具有类似功能，核苷酸序列又有同源性的基因。

★分类：

▲按基因的终产物分为两类：一类编码RNA，另一类编码蛋白质。

▲按在基因组中的分布分为两类：一类串联排列在一起，形成基因簇，亦称串联重复基因。另一类家族成员则可以分散在不同的部位上。（2）超基因家族（supergenefamily）：由多基因家族及单基因组成的更大的基因家族。成员间有不同程度的同源，但它们的功能并不相似，这是与多基因家族的差别所在。如Ig超家族。

多基因家族（multigenefamily）：亦称基因家族73rDNAgenefamilySeaurchin450copiesTobacco750copiesDrosophila100copiesHistonegenefamilyH1H4H2BH3H2AT18sT5.8sT28s

NT

18sT5.8sT20s32s28s5.8s45s41s18srDNAgenefamilySeaurchin450c74★Alu家族：平均每6kb就有一个，Alu家族是哺乳动物包括人基因组中含量最丰富的一种中度重复顺序家族，在单倍体人基因组中重复达30万-50万次，约占人基因组的3-6％。Alu家族每个成员的长度约300bp，由于每个单位长度中有一个限制性内切酶Alu的切点（AG↓CT）从而将其切成长130和170bp的两段，因而定名为Alu序列（或Alu家族）

★Alu家族：平均每6kb就有一个，75真核生物的Alufamily30,0000copies广泛分布于非重复序列间300bp300bp300bp6000bp6000bp6000bp6000bp真核生物的Alufamily30,0000copies76调控序列可以被宿主细胞所识别，其遗传密码和基因组的结构必须与宿主体系相匹配如基因Ｄ的终止密码子的最后一个碱基是Ｊ基因起始密码子的第一个碱基(如TAATG)。存在重复序列(repetitivesequence)TotalDNAofchicken内含子起源的两种学说:此外猿猴病毒SV40的T和t蛋白的基因中也含有长度不等的内含子30,0000copies广泛分布于非重复序列间真核基因一般都含有内含子，也有少数基因不含内含子，如组蛋白基因，干扰素基因，酵母的多数蛋白质基因四、病毒基因组的特点“内含子滞后(Intronslate)”模型基因组研究的第一阶段工作，功能基因组学的基础；有些重叠基因读框相同，只是起始部位不同这两个“等位”序列之间的准确排列将是:即在基因组中有多个拷贝的基因基因组含有更大的DNA分子，以染色体形式储存于细胞核内，除配子细胞外，体细胞内的基因的基因组是双份的。有些重叠基因读框相同，只是起始部位不同TheC-valueparadoxdescribesthelackofrelationshipbetweentheDNAcontent(C-value)ofanorganismanditscodingpotential.TTCGAA=不连续基因(interruptedordiscontinousgenes)调控序列可以被宿主细胞所识别，其遗传密码和基因组的结构必须与77★Alu家族：

Alu顺序具有种的特异性，功能尚不清楚。可能在hnRNA转录和加工中起作用遗传重组及染色体不稳定性有关人类质粒（humanplasmid）:最近发现在人的组织细胞中存在自然发生的染色体外双链环状DAN，被称为人类质粒，而这些质粒又毫无例外地含有Alu顺序

形成Z-DNAheterogeneousnuclearRNA,核内不均一RNAhnRNA是mRNA的未成熟前体★Alu家族：heterogeneousnuclearR78★KpnⅠ家族：人类和灵长类DNA经KpnⅠ酶解后，产生4个片段（1.2、1.5、1.8、1.9kb），这些就被命名为KpnⅠ家族。人类基因组中的KpnⅠ序列约在3-6%，也是散在分布的。功能尚不清楚。基因概念教学课件79

组蛋白基因在各种生物体内重复的次数不一样，但都在中度重复的范围内。通常每种组蛋白的基因在同一种生物中拷贝数是相同的。鸡的基因组中组蛋白基因有10个拷贝，在哺乳动物中为20拷贝，非洲爪蟾为40拷贝，而海胆的每种组蛋白的基因达300-600拷贝。组蛋白基因80

组蛋白基因组蛋白基因不同物种中，基因的排列次序、转录方向和间隔区都不同。组蛋白基因组蛋白基因81倒位（反向）重复序列又称零时复性部分，重复单位约长300bp，两个单位之间有一平均1.6kb的片段相隔，多数散布于基因组中。较复杂的重复单位组成的重复顺序灵长类所独有，用HindⅢ消化非洲绿猴DNA，可以得到重复单位为172bp的高度重复顺序，这种顺序大部份由交替变化的嘌呤和嘧啶组成，又称为α卫星DNA。倒位（反向）重复序列82StructureofrepetitivesequenceofDNADRdirectrepeatsIRInvertedrepeatsATCGGCTATAGCCGATBilateralsymmetryATCGNNNNNGCTATAGCNNNNNCGATBilateralsymmetryATCGATCGATCGTAGCTAGCTAGCTandemdirectrepeatsATCGNNNATCGNNNNNNATCGTAGCNNNTAGCNNNNNNTAGCDisperseddirectrepeatsATCGNNNNNCGATTAGCNNNNNGCTAStem-looppalindromeAAGCTTTTCGAAHindIIIREStructureofrepetitivesequen83重复序列形成的原因1.不均等交换(unequalcrossover):考虑一个具有末端“X”和“Y”的由重复单位“ab”组成的序列。这两个“等位”序列之间的准确排列将是:xababababababababababababababababyxababababababababababababababababy但是在一条染色体上的任何ab很可能会与另一条染色体上的任何ab序列配对，从而产生错排，如：xababababababababababababababababy

xababababababababababababababababy重复序列形成的原因84基因概念教学课件85基因概念教学课件862.跳跃复制saltatoryreplication产生某些序列大量拷贝的偶然单向扩增原理:在某一特定时刻可能由于某种原因使一个DNA序列突然横向扩增随后,由于突变的积累,使个重复单位失去了同一性,然后再经历一次跳跃复制,出现更长的重复单位,….2.跳跃复制saltatoryreplicatio872.跳跃复制saltatoryreplicationCAACMutationin4siteInsertCInserttriplemutationSaltatoryreplication9bprepeat27bprepeat58bprepeat58bprepeat116bprepeat2.跳跃复制saltatoryreplicatio883)滚环扩增—突变(Amplification-Mutation)

Mutationinsertioncyclingamplification5‘切离环化3‘3‘3‘滚环复制3)滚环扩增—突变(Amplification-Mu894)反转座插入4)反转座插入903.不连续基因(interruptedordiscontinousgenes)断裂基因(Splitgene)在基因编码蛋白质的序列中插入与蛋白质编码无关的DNA间隔区，使一个基因分隔成不连续的若干区段。RichardJ.RobertsPhillipA.SharpNobelPrize19931977年美国的Sharp和Roberts两组科学家分别同时发现了断裂基因(splitgene),Crick称此为分子遗传学上的一次微型革命，这项发现与1993年荣获了诺贝尔奖。3.不连续基因(interruptedordiscon91a)

E.colirestrictionalienDNAwithrestrictionendonuclease(RE)b)

Modificationenzymeinhostc)

AlienDNAfateofberestrictedorbemodifiedd)TherearedifferentREindifferenthostofbacterial

WernerArberNobelPrize1978限制性核酸内切酶的发现1965

a)

E.colirestrictionalien92限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶93在Sharp和Roberts发现内含子之前

法国的科学家Chambon也率领一个小组进行了有关实验:鸡的输卵管分泌卵清蛋白、卵粘蛋白和伴清蛋白，而其红细胞（鸟类的红细胞上有核的）只合成血红蛋白，那么两种组织之间DNA有什么不同呢？于是他们提取两种组织的DNA，分别用酶（EcoR1和HindIII）切成几段，走电泳，再用卵清蛋白mRNA来制备cDNA探针和以上两片进行southern杂交结果两种组织中的DNA不论用哪一种酶来切，都出现了相同的多条阳性杂交带。在Sharp和Roberts发现内含子之前94cDNA顺序内并没有EcoRI和Hind=3\*ROMANIII的切点，为什么会出现多条阳性带cDNA顺序内并没有EcoRI和Hind=3\*RO95Berget，Sharp小组和Roberts小组同时发现了腺病毒外壳蛋白六聚体基因（Hexongene）前导区有断裂现象。他们用限制性内切酶EcoRI和Hind=3\*ROMANIII分别消解腺病毒的DNA得到了大小不同的很多片段分别选择两种酶切片段中的最大的A片段DNA和Hexon的mRNA进行杂交在电镜下可以观察到EcoRI酶切的A片段的3'段可以和上述mRNA形成杂合双链但在杂合双链的5'端逸出3个单链DNA环，说明它们不能和mDNA完全互补Berget，Sharp小组和Roberts小组同时发现了腺96外显子（exon），外元编码的DNA序列，即被表达的DNA区段内含子（intron），内元不编码的DNA序列Gilbert（1978年）提出内含子、外显子概念外显子（exon），外元Gilbert（1978年）提出内97Berget在冷泉港作了有关发现断裂基因的学术报告，提出在Hexon基因内近5'端有不编码的部分Chambon听了报告后便意识到，他们的实验结果也是可以用断裂基因来解释的:即卵清蛋白的基因上可能有多个断裂区（内含子）在这些断裂区上有酶切位点的存在，可将卵清蛋白基因切成大小不同的片段，但它们都可以和mRNA进行杂交事后Chambon(1977,1981)等用Berget的实验方法进行了分子杂交，果然出现了7个单链DNA的环

Berget在冷泉港作了有关发现断裂基因的学术报告，提出在H98断裂基因的结构成熟mRNA或cDNA与对应单链DNA杂交TotalDNAofchickencDNA7DNAloopChambonwasinspiredbyBerget’sreportBerget,S.M.,C.Moore,andP.Sharp.1977.PNAS74;3171-3175断裂基因的结构成熟mRNA或cDNA与对应单链DNA杂交To99用S1核酶处理异源双链分子核酸酶能专一降解未配对的单链核苷酸，在RNA-DNA异源双链分子中，外显子形成双链而保留，内含子仍为单链被降解.用S1核酶处理异源双链分子核酸酶能专一降解未配对100内含子是如何来的？内含子的存在究竟有何意义？它担负着什么样的功能？内含子又何以能在一些真核生物中非常广泛地分布呢？

内含子是如何来的？101内含子的特点:1.内含子和外显子的分布

真核基因一般都含有内含子，也有少数基因不含内含子，如组蛋白基因，干扰素基因，酵母的多数蛋白质基因1986年ChuF.K等发现T4噬菌体的胸苷合成酶基因也含有内含子此外猿猴病毒SV40的T和t蛋白的基因中也含有长度不等的内含子内含子的特点:102内含子的特点:1.内含子和外显子的分布

不同的基因其内含子的大小不相同有的基因内含子少，如珠蛋白基因只有2个内含子，有的基因内含子很多，如鸡的胶原蛋白（1a2）蛋白基因含有50个外显子

内含子的特点:103Exoncontentvs.length人类基因组计划Exoncontentvs.length人类基因组计划104Exoncontentvs.lengthExoncontentvs.length105Exoncontentvs.lengthExoncontentvs.length106内含子的特点:2.内含子的相对性

内含子的特点:107内含子是相对的，一个基因的内含子可能是另一个基因的外显子内含子是相对的，一个基因的内含子可能是另一个基因的外显子108内含子种类:

I:内含子可自我剪接,不需任何蛋白质参与,需鸟苷参与

II:内含子的剪接需要蛋白酶的参与，如tRNA

III:内含子的剪接需形成剪接体的形式，除各种蛋白因子外还需各种snRNP的参与内含子种类:109基因概念教学课件110如:I类内含子包括四膜虫rRNA的内含子，几种酵母线粒体的内含子，噬菌体T4胸苷酸合成酶的内含子等。基因概念教学课件111内含子自1977年被发现以来，逐渐被明确地定义为：基因中间插着的若干段序列，在RNA转录物水平上经剪接除去，不参与该基因在蛋白质水平上的表达。

内含子自1977年被发现以来，逐渐被明确地定义为：112内含子起源的两种学说:，“内含子存在(Intronsearly)”模型:内含子与它所在的基因一样古老，在装配第一个这样的基因时，内含子就已存在早期的内含子具有自催化、自我复制等能力，因此，它们是原始基因和基因组的组织与复制必不可少的部分而今天的原核生物和少数低等的真核生物，由于它们需要进行快速的DNA复制从而进行快速的细胞分裂，因而失去了内含子内含子起源的两种学说:113现代的内含子是一类进化遗迹，它们之所以能继续存在，是因为具有重新组合基因组中的外显子以形成新的基因的能力，即内含子能赋予其携带者更大的进化潜力。基因概念教学课件114内含子起源的两种学说:2.“内含子滞后(Intronslate)”模型:认为原始蛋白质编码单位由非割裂的DNA序列组成，内含子是随后插入进去的。内含子起源的两种学说:1152.“内含子滞后(Intronslate)”模型内含子不是基因原有的，而是在进化的某一过程中通过转座作用插入到连续基因中去的，内含子在较高级的功能基因或在真核生物出现之后才产生。这种假说必须面对一个难题，即内含子最初如何能插入到连续编码的基因中而保持基因的功能不变？2.“内含子滞后(Intronslate)”模型1162006年3月2日Nature,440(7080):41—45真核细胞的起源是生殖演化转变的一个标志。德国Düsseldorf大学WilliamMartin和美国国立卫生研究院EugeneV.Koonin提出了一个假说将其与基因序列中的内含子联系起来。基因序列中的内含子属于非编码DNA，它在基因转录为信使RNA过程中被剪切掉,这个过程需要时间。因此，两个研究者认为，细胞核和细胞质之间核膜的形成，就是为了给信使RNA的拼接以足够的时间，并起到仅使完整的信使RNA透过的过滤功能，以使得完整的信使RNA能够在细胞质中迅速翻译为蛋白质。他们同时认为，偶然扩散出去的内含子序列与随后演化形成的线粒体有关，并可以作为细胞核和细胞质分化的一个证据。2006年3月2日Nature,440(7080):41117NatGenet.2002Apr;30(4):426-9.PaganiF,BurattiE,….,DorkT,BaralleFE.

AnewtypeofmutationcausesasplicingdefectinATM

….wehaveidentifiedtheaberrantinclusionofacrypticexonof65bpinoneaffectedindividualwithadeletionoffournucleotides(GTAA)inintron20.Thedeletionislocated12bpdownstreamand53bpupstreamfromthe5'and3'endsofthecrypticexon,respectively.Throughanalysisofthesplicingdefectusingahybridminigenesystem,weidentifiedanewintron-splicingprocessingelement(ISPE)complementarytoU1snRNA,theRNAcomponentoftheU1smallnuclearribonucleoprotein(snRNP).ThiselementmediatesaccurateintronprocessingandinteractsspecificallywithU1snRNPparticles.The4-ntdeletioncompletelyabolishedthisinteraction,causingactivationofthecrypticexon.NatGenet.2002Apr;30(4):426-118（三）质粒(plasmid)质粒基因可编码多种重要的生物学性状：1)致育质粒（F质粒）与有性生殖功能关联2)耐药性质粒编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。分两类，一是接合性耐药质粒（R质粒），另一是非接合耐药性质粒3)毒力质粒（Vi质粒）编码与该菌致病性有关的毒力因子4)细菌素质粒编码细菌产生细菌素5)代谢质粒编码产生相关的代谢酶。（三）质粒(plasmid)质粒基因可编码多种重要的生物学性119基因概念教学课件120水生动物基因组:水生动物基因组:121

各基因或DNA标记之间精确距离的图谱；反映的是DNA序列上两点之间的实际距离

物理图谱（physicalmap）绘制各基因或DNA标记之间精确距离的图谱；物理图谱（122基因概念教学课件123基因概念教学课件124内含子的特点:2.内含子的相对性

内含子的特点:125内含子的特点:2.内含子的相对性

内含子的特点:1262.7基因概念的多样性一、C值矛盾（C-valueparadox）

基因组（genome）

核基因组（nucleicgenome）核外基因组（extranucleicgenome

）

线粒体基因组（mitochondrialgenome）叶绿体基因组（chloroplastgenome）2.7基因概念的多样性一、C值矛盾（C-value1272.7基因概念的多样性一、C值矛盾（C-valueparadox）

基因组（genome）

2.7基因概念的多样性一、C值矛盾（C-value128基因数目与物种的关系基因数目的多少大致上与物种进化的复杂性相关；在高等动植物中，巨大的基因组并不意味着有巨量的基因数目。人类究竟有多少个基因？理论上：根据基因组的大小，可具有10万个基因，实际上：大约3－4万个。“生物体的复杂性并不是简单地与基因数量相关联的。”(G.Rubin)

基因数目与物种的关系基因数目的多少大致上与物种进化的复杂性相129人类基因组线粒体基因组(16.6kb)核基因组(3200Mb)基因外序列基因和基因有关序列约10%约90%专一或中等重复序列Non-codingDNA假基因内含子基因片段<10%>90%专一的或低拷贝数序列中度至高度重复序列20~30%70~80%分散重复序列串联重复序列/成簇重复序列约60%约40%蛋白编码基因rRNA基因tRNA基因CodingDNA人类基因组线粒体基因组(16.6kb)核基因组(3200Mb130基因概念教学课件131C值的资料表明，在不同的门中C值的变化是很大的。相对比较简单的单细胞真核生物象啤酒酵母，其基因组就有1.75×107bp大约是细菌（E.Coli）基因组的3-4倍。最简单的多细胞生物秀丽隐杆线虫其基因组有8×107bp，大约是酵母的4倍。生物的复杂性和其DNA含量之间有较好的相关性C值的资料表明，在不同的门中C值的变化是很大的。132但在其它的一些门中，这种相关性有的并不存在实际上一个门中的C值变化并没有一定的规律。例如在哺乳类、鸟类和爬行类的C值变化范围都很小，而在两栖类中这种变化范围增大，而植物的C值变化范围更为宽广，常成倍成倍地增加。

C值和生物结构或组成的复杂性不一致的现象称为C值矛盾(C-valueparadox)。TheC-valueparadoxdescribesthelackofrelationshipbetweentheDNAcontent(C-value)ofanorganismanditscodingpotential.但在其它的一些门中，这种相关性有的并不存在133目前还不能完全解释这种矛盾：

在一定意义上说，生物类群中C值变化范围宽就意味着在某些生物中有些DNA是冗余的，不能编码有功能的活性物质。DNA总量变化范围的产生至少有一个原因，即在染色体上存在着不同数目的重复顺序，这些重复顺序是不表达的。目前还不能完全解释这种矛盾：134二、细菌的基因组及特点（一）组成：细菌染色体和质粒（二）细菌基因组的特征

1.

基因组相对较小（如Ecoli,4.6×106bp，4000个基因），只有一个复制启始位点。

2.具有操纵子结构：功能上相关的几个基因往往在一起组成操纵子结构，即几个结构基因串联在一起，受它们上游的共同调控区控制。当基因开放时，这几个基因转录在一条mRNA链上，然后分别翻译合成各自的蛋白肽链。操纵子的末端具有特殊的终止序列。二、细菌的基因组及特点1353.基因是连续的：结构基因中没有内含子（intron）成分，在转录后不需剪接加工，转录产物的寿命较短。4.大部分DNA是用于编码蛋白质的，只有一小部分是不翻译的。不翻译区中含有间隔区（Spacer）和基因表达的调控序列。

5.基因组中仅有少数基因存在基因重叠现象。

6.结构基因是单拷贝，rRNA基因是多拷贝。3.基因是连续的：结构基因中没有内含子（intron）成分136（三）质粒(plasmid)质粒:是细菌染色体外能够进行自主复制的遗传单位

，是环状闭合的双链DNA。紧密控制型（stringentcontrol）质粒:只在细胞周期的一定阶段进行复制，通常每个细胞内只含有一个或几个质粒分子松弛控制型（relaxedcontrol）质粒:在整个细胞周期中随时可以复制，在每个细胞中有许多拷贝，一般在20个以上。在细胞培养过程中，加适当氯霉素可使松弛型质粒的拷贝数由原来的20多个扩增至1000-3000个。（三）质粒(plasmid)质粒:是细菌染色体外能够进行自137（三）质粒(plasmid)质粒基因可编码多种重要的生物学性状：1)致育质粒（F质粒）与有性生殖功能关联2)耐药性质粒编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。分两类，一是接合性耐药质粒（R质粒），另一是非接合耐药性质粒3)毒力质粒（Vi质粒）编码与该菌致病性有关的毒力因子4)细菌素质粒编码细菌产生细菌素5)代谢质粒编码产生相关的代谢酶。（三）质粒(plasmid)质粒基因可编码多种重要的生物学性138质粒具有自我复制的能力质粒DNA所编码的基因产物赋予细菌某些性状特征质粒可自行丢失与消除质粒的转移性质粒可分为相容性与不相容性两种质粒DNA的特征质粒具有自我复制的能力质粒DNA的特征139四、病毒基因组的特点

1．每种病毒只有一种核酸，或者DNA，或者RNA

2．病毒核酸大小差别很大，3X103一3X106bp如：最小的3kb（乙肝），仅编码4种蛋白质最大的可达300kb以上（痘病毒

），有几百个基因。一般DNA病毒较大，RNA病毒较小。3．除了反转录病毒以外，一切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。反转录病毒基因组有两个拷贝。

四、病毒基因组的特点

1404．大部份病毒核酸是由一条双链或单链分子(RNA或DNA)，仅少数RNA病毒由几个核酸片段组成5．噬菌体（细胞病毒）的基因是连续的；而真核细胞病毒的基因是不连续的，具有内含子，除了正链RNA病毒之外，真核细胞病毒的基因都是先转录成mRNA前体，再经加工才能切除内含子成为成熟的mRNA。噬菌体基因组中无内含子，但感染真核细胞的病毒基因组中具有内含子（SV40早期基因T和t）4．大部份病毒核酸是由一条双链或单链分子(RNA或DNA)，1416．有重叠基因（同ORF重叠、异ORF重叠和反ORF重叠）7.大部分DNA用于编码蛋白质，只有一小部分是不翻译的。不翻译区通常是基因表达的调控序列8.调控序列可以被宿主细胞所识别，其遗传密码和基因组的结构必须与宿主体系相匹配6．有重叠基因（同ORF重叠、异ORF重叠和反ORF重叠）142一、C值矛盾（C-valueparadox）一、C值矛盾（C-valueparadox）五、真核生物基因组的特点这种假说必须面对一个难题，即内含子最初如何能插入到连续编码的基因中而保持基因的功能不变？