染色体基因组和基因总结

染色体基因组和基因总结第1页/共140页2第一节：原核生物和真核生物细胞

第二节：基因、基因组和C值第三节：原核生物染色体及基因特征

第四节：染色质结构

第五节：真核生物染色体及结构特征

第六节：真核生物基因第2页/共140页3第一节原核生物与真核生物细胞

按照细胞的结构和遗传物质在细胞内的分布，可将生命有机体划分为原核生物和真核生物两大类。原核生物没有真正的细胞核，遗传物质存在于整个细胞之中，有时虽有相对集中的区域，但并无核膜围绕。真核生物的遗传物质集中在有核膜包围着的细胞核中，并与某些特殊的蛋白质相结合成为核蛋白以构成一种细密的结构，这种结构叫做染色体。第3页/共140页4原核生物（Prokaryotes）遗传物质－－类核或拟核习惯上也称为染色体第4页/共140页5真核生物(Eukaryotes)遗传物质集中存在于核膜包围的细胞核中,并与特殊的蛋白质结合为核蛋白－－染色体第5页/共140页6某些有机体，如噬菌体和病毒，既不是原核生物，也不是真核生物。它们是一种超分子的亚细胞生命形式，它们的繁殖必须在寄主体内进行，因而其遗传机制与其寄主密切相关，如噬菌体（即细菌病毒）适应了原核生物的遗传战略，而动物病毒和植物病毒则使用真核生物的遗传法则。

原核生物的遗传物质只以裸露的核酸分子存在，且与少量蛋白质结合，但不形成染色体结构。然而习惯上，原核生物的核酸分子也常被人们称为染色体。第6页/共140页7原核生物和真核生物的差别

第7页/共140页8第二节基因、基因组与C值一、基因的概念1.对基因的认识基因的染色体遗传学阶段1909年，丹麦生物学家W.Johannsen首先使用基因一词，其概念与当年孟德尔提出的“遗传因子”完全一致，这一阶段基因是逻辑推理的产物，用作表示生物性状的符号，并无实质内容；第8页/共140页91910年，Morgan指出基因在染色体上直线排列，基因代表着一个有机的化学实体；Morgan的染色体—基因遗传理论

，Gene存在于染色体上。进一步将“性状”与“基因”相耦联，成为现代遗传学的奠基石。基因概念的提出第9页/共140页10Theoryofthegene

基因是染色体上的实体

基因象链珠(bead)一样，孤立地呈

线状地排列在染色体上

基因是：

功能(functionalunit)突变(mutationunit)

交换(cross-overunit)

“三位一体”的

(Threeinone)

最小的

不可分割的基本的遗传单位

(1926T.H.Morgan)第10页/共140页11基因的分子生物学阶段1944年，Avery等的肺炎球菌转化实验证明基因的本质是DNA；1953年，Watson和Crick提出DNA双螺旋模型；第11页/共140页121955年，遗传学家Benzer提出顺反子（Cistron）学说

cis-actingsitesandtrans-actingmolecules第12页/共140页131961年，R.Jacob和J.Monod提出了操纵元（又称操纵子）的概念；揭示了原核生物基因表达调控的规律，将基因分为“结构基因”、“操纵基因”和“调节基因”，以及后来发现的启动基因。第13页/共140页14反向生物学阶段重组DNA技术核酸杂交技术……基因：一般是指表达一种蛋白质或功能RNA的遗传物质的基本单位。是能够表达和产生基因产物（蛋白质或RNA）的DNA序列。

第14页/共140页152.基因概念的扩展移动基因断裂基因假基因重叠基因第15页/共140页163.基因的种类根据产物类别可分为蛋白质基因和RNA基因（tRNA基因和rRNA基因）；根据产生物的功能可以分为结构基因（酶和不影响其它基因表达的蛋白质）和调节基因（阻碍蛋白或转录激活因子）两大类。第16页/共140页17一个物种的单倍染色体的数目称为该物种的基因组(genome)。基因组(genome)：是指细胞或生物体的全套遗传物质，即生物体维持配子或配子体正常功能的全套染色体所含的全部基因（DNA)。如人基因组的全长为大约3×109对碱基，编码3-4万个蛋白分子。二、基因组的概念第17页/共140页18一个单倍体基因组的DNA含量总是恒定的，是物种所特有的，称为C值(C-value)。C值是每种生物的一个特征，不同物种的C值差异极大，最小的支原体（mycoplasma）只有104bp，而最大的如某些显花植物和两栖动物可达1011bp。第18页/共140页19低等真核生物的单倍体基因组DNA含量第19页/共140页20各种生物基因组大小比较(从原核生物到哺乳动物)

第20页/共140页21不同物种的C值差异很大，随着生物的进化，生物体的结构与功能越复杂，其C值就越大。在结构、功能很相似的同一类生物中，甚至在亲缘关系十分接近的物种之间，它们的C值可以相差数10倍乃至上百倍。哺乳动物(包括人类)的C值均为109bp的数量级，人们很难相信两栖动物的结构和功能会比哺乳动物更复杂。

C值矛盾：无法用已知的功能解释生物如此大的DNA量。第21页/共140页22与预期的编码蛋白质的基因的数量相比，基因组的DNA含量过多。即基因组大小与遗传复杂性并非线性相关，称为C值矛盾(Paradox)。例：人类与E.coli编码基因数目的比较研究

E.coli.4×106bpDNA约编码3000种基因人类3×109的DNA，是大肠杆菌的700多倍

有上百万个基因？？？三、C值矛盾第22页/共140页23根据不同细胞中的mRNA数目来估算表达基因的方法，哺乳动物的每种表型的细胞表达的基因约为1×104个，这样整个哺乳动物的基因数目要多于每种细胞的表达数，估计应该有1×105个（不同书上有一定偏差），约为大肠杆菌的30倍，那么90％以上的DNA功能何在？？第23页/共140页24常见实验生物基因组的大小第24页/共140页25就哺乳动物而言，由于哺乳动物的基因含有所谓的“内含子”，因而基因可长达5000-8000bp，少数可达10000bp。即使按这样大小的基因进行推算，哺乳动物的基因组相当于400000-600000个基因，这是可能的吗？

第25页/共140页26基因数估计不会超过这个数字的10％。通过DNA与RNA杂交试验，在特定类型的细胞中表达的基因数目大约是10000个，但各种细胞表达的基因不相同，估计要乘上一个系数（3-4）才能得到基因组的基因数目，有功能的基因数目为30000-40000个。间接证据是通过对果蝇突变的研究:必需基因的总数大约为5000个，其平均基因大小为2000bp，总长度相当于107bp，刚好为基因组大小的10％。即使考虑这些因素，基因所占基因组的比例也不会超过20％。

第26页/共140页272003年4月14日，美国联邦国家人类基因组研究项目负责人弗朗西斯•柯林斯博士隆重宣布，人类基因组序列图绘制成功，人类基因组计划的所有目标全部实现。这样，由美、英、日、法、德和中国科学家经过13年努力共同绘制完成了人类基因组序列图，在人类揭示生命奥秘、认识自我的漫漫长路上又迈出了重要的一步。人类基因组“工作框架图”已于2000年6月完成，科学家发现人类基因数目约为3.4万至3.5万个，仅比果蝇多2万个，远小于原先10万个基因的估计。

第27页/共140页28持家基因（housekeepinggene）：有些基因是在所有的细胞类型中都表达的，即这些基因的功能为所有细胞所必需（或称组成型基因constitutivegene）。奢侈基因（luxurygene）:仅在某种特定类型的细胞中表达的基因。第28页/共140页29第三节、原核生物染色体和基因第29页/共140页30原核细胞的染色体1.位于一个类似“核”的结构—“类核体”上，由DNA和外裹的稀疏蛋白质组成，其中一部分蛋白与DNA的折叠有关，另一些则参与DNA复制、重组及转录。2.原核生物中一般只有一条染色体，且大都带有单拷贝基因；只有很少数基因（如rRNA基因）是以多拷贝形式存在；整个染色体DNA几乎全部由功能基因与调控序列所组成；几乎每个基因序列都与它所编码的蛋白质序列呈线性对应状态。（无内含子）第30页/共140页31一、大肠杆菌（Escherichiacoli,E.coli

）1.大肠杆菌在实际工作中的重要性经常被当作是所有生物的原型（archetype）a.在实验室中容易操作;b.生长迅速，要求营养物质简单，能进行很多生理生化过程;c.其有性生殖的存在使得遗传学的研究成为可能;d.能够供应细菌病毒的生长，使病毒的本性即病毒扩增的深入研究成为可能.第31页/共140页322.大肠杆菌的染色体第32页/共140页33E.Coli染色体由长度为4.6Mb的单一闭环DNA分子为主。其中DNA再与蛋白质结合，如聚合酶、抑制物和其他成分等。

E.Coli环状染色体第33页/共140页34DNA结构域电镜结构显示，就整体而言，大肠杆菌的基因组是由大量超螺旋的结构域构成的。第34页/共140页35每一个结构域就是一个DNA环；每一个基因组约有100个这样的结构域；每一个结构域约有40kb（50-100kb）长的DNA组成的紧密的纤丝结构。第35页/共140页36DNA结合蛋白原核生物的染色体中环型的DNA由于大量的DNA结合蛋白相互作用而进一步受到束缚，这些蛋白中以HU蛋白以及一种分子量较小的碱性二聚体蛋白为主；第36页/共140页37HU蛋白，a和b亚基，每个9kd,能够浓缩DNA的二聚体，能够将DNA裹成一个念珠结构。如果其亚基hupA，hupB都失去功能，那么DNA的一些超螺旋也会消失。

H-NS蛋白，15kd亚基，和DNA结合，与DNA拓扑结构有关；第37页/共140页381.一种中性的单体蛋白；2.倾向与DNA内部弯曲区域发生非特异结合；3.具有压缩DNA的作用，对DNA被包装进入类核以及稳定和限制染色体超螺旋十分必要；4.亦称类组蛋白。H-NS蛋白第38页/共140页39

◙类核中，染色体DNA成分占80％，其余为RNA和蛋白质;

◙4.6x106bp的基因组DNA，多种DNA结合蛋白质组装成E.coli的染色体;◙基因组DNA为双链环状，总长度为1100～1400μm，1400个基因都已定位。

（1）染色体DNA

对数生长期的E.coli（2～4个类核）---丰富的基因组DNA;3.大肠杆菌的遗传物质第39页/共140页40第40页/共140页41

☻

E.coli的基因结构的特点

a.功能相关的几个结构基因以操纵元(operon)的形式存在其中包括共同的调节基因、启动子(promoter)、操作子

(operator)，在基因转录时协同动作。

iOperonRegulatoryGenepozyaDNAm-RNAβ

-GalactosidasePermeaseTransacetylaseProtein第41页/共140页42

b.包括功能相关的RNA基因也串联在一起(rrn操纵元)，如：16SrRNA、23SrRNA、5SrRNA基因转录在同一个转录产物中;

d.RNA基因多拷贝大多数的E.coli菌株都含有七个rrn其中六个分布在E.coliDNA的双向复制起点附近）.

c.蛋白质基因通常以单拷贝的形式存在;第42页/共140页43（2）质粒DNA（plasmidDNA）

细菌中另一类遗传物质环状DNA，存在于染色体之外，能自我复制质粒也携带许多基因，如：抗生素抗性基因第43页/共140页44第44页/共140页454.大肠杆菌的酶类

细胞中含有核酸代谢所需的各种酶类

多种限制性内切酶（restrictionendonuclease）只在特异顺序碱基的位点上（迴文序列）与DNA结合，并沿固定的位点切割如：E.coli的EcoRⅠ的识别序列

5‘…..G--A--A--T--T--C……3’3’…..C--T--T--A--A--G…….5’限制性内切酶－－－最基本的工具酶，在DNA测序、片段分离、克隆DNA的环节都要利用第45页/共140页46二、噬菌体（phage）1.ΦX174噬菌体

很小的E.coli噬菌体，DNA为单链环状，有5386个核苷酸。

2.ΦX174噬菌体基因排列更加体现经济原则：a.11个蛋白质基因，只转录成三个mRNA

b.DNA分子绝大部分用来编码蛋白质，不翻译部分只占4％第46页/共140页47重叠基因有以下几种情况：*一个基因完全在另一个基因内部如：B和A＊，E和D

其读码结构互不相同

c.

最显著的特点是有重叠基因（overlappinggenes或嵌套基因nestedgenes）

---ATG-----//------AATGCC----//---ATAACG---//--TAA----A*BATGCCN----NNATAA第47页/共140页48

*部分重叠:K和C

*两个基因共用少数碱基对，如：A*和C，D和J-------ATGA-------CStartcodon-------TAATG-------A*StopcodonDStopcodonJStartcodon第48页/共140页49

重叠基因：是指两个或两个以上的基因共有一段DNA序列，或是指一段DNA序列成为两个或两个以上基因的组成部分。

基因内基因部分重叠基因一个碱基重叠

第49页/共140页50

*其基因均是按功能相近的聚集成簇的（两个正调节基因N和Q除外）*存在形式在寄主体内有溶源生长周期（原噬菌体）和溶菌生长周期两种生活途径

第50页/共140页51基因组很小，大多只有一条染色体原核生物一般只有一个染色体即一个核酸分子（DNA或RNA)。结构简炼:裸露的DNA分子（未与蛋白结合），大多致为双螺旋结构，这些核酸分子又大多数为环状，少数为线状。

存在转录单元(trnascriptionaloperon)多顺反子(polycistron)有重叠基因（Sanger发现）原核生物基因组结构特点第51页/共140页52第四节染色体与染色质染色体(chromosome)，指细胞在有丝分裂或减数分裂过程中,由染色质聚缩而成的棒状结构。染色质(chromatin)，指间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构，是间期细胞遗传物质存在的形式；第52页/共140页53染色质染色质(chromatin)

：指间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构,是间期细胞遗传物质存在的主要形式。

有一定数目的染色体组成；每条染色体中的DNA分子为单一线性分子；细胞核内的DNA浓度极高；

高度有序的DNA－蛋白质复合体—染色质的形成完成了这一紧密组装的目的。第53页/共140页54在染色质中蛋白质组分占染色质质量的50％以上在细胞周期的不同时段中，染色质具有不同的结构水平细胞分裂中期—高度浓缩细胞分裂间期—松散结构第54页/共140页55第55页/共140页56-组蛋白(histone)，与DNA非特异性结合，富含带正电荷的Arg和Lys等碱性氨基酸，可以和酸性DNA紧密结合；

-非组蛋白(nonhistone)，与特异DNA序列结合,又称序列特异性DNA结合蛋白(sequencespecificDNAbindingproteins)。染色质蛋白包括：第56页/共140页57①非组蛋白具多样性和异质性，占60-70%，包括多种酶类；②对DNA具有识别特异性，对DNA双螺旋的大沟进行识别；③有多种功能，包括基因表达调控和染色质高级结构形成。非组蛋白的特点:第57页/共140页58组蛋白（histone）真核生物染色质中的蛋白质主要是组蛋白分类核心组蛋白（H2A、H2B、H3、H4）H1组成带有大量的正电荷—可与带负电的DNA紧密结合20％－30％由赖氨酸和精氨酸（碱性氨基酸）组成第58页/共140页59H2BH2AH3H4a2a3a1a2a3a1a2a3a1a2a3a1L1L2aN第59页/共140页60核小体包含于染色质中，其结构为：约200bp左右的DNA片段与4种组蛋白中的各2个分子构成的八聚体（核心组蛋白）紧密结合，并与H1松散结合；这些组蛋白保护DNA免受核酸酶的作用；组蛋白的另一个作用是约束DNA的负超螺旋；如果丢失H1，核小体将变为抗性极强的与组蛋白八聚体结合的146bp片段；第60页/共140页61核小体（nucleosome）真核生物染色质包装的基本结构单位。染色质纤维之基本结构是由核小体串连而成。它通常含有200个碱基对的脱氧核糖核酸（DNA）和9个组蛋白分子。由核小体核心（nucleosomecore）和一条含有H1组蛋白的连接区DNA（linkerDNA）所组成。核小体核心由四种组蛋白构成。核小体（nucleosome）第61页/共140页62第62页/共140页63核小体构成:200bp的DNA，与一个组蛋白八聚体相连。每个八聚体包含H2A，H2B，H3和H4各两个。第63页/共140页64核小体是染色体结构的第一个层次，构成染色质的基本结构单位。

146bpDNA＋组蛋白八聚体→核小体的核心颗粒,直径约10nm146bpDNA盘绕在组蛋白八聚体的表面组成核小体的核心颗粒第64页/共140页65*组蛋白八聚体（Histoneoctamer）

H2A与H2B、H3与H4的亲和力强，通过C端的疏水氨基酸结合。两个H3、H4先形成四聚体结合两个H2A和H2B的异二聚体组蛋白八聚体第65页/共140页66组蛋白八聚体146bp的核心DNA146bp的核心DNA在组蛋白八聚体上盘绕1.8圈第66页/共140页67微球菌核酸酶处理所得核小体DNA长度的变化Mononucleosomestypicallyhave~200bpDNA.End-trimmingreducesthelengthofDNAfirstto~165bp,andthengeneratescoreparticleswith146bp.第67页/共140页681.每个核小体单位包括200bp左右的DNA超螺旋和一个组蛋白八聚体及一个分子H1；2.组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心结构，由四个异二聚体组成，包括两个H2A·H2B和两个H3·H4；3.146bp的DNA分子超螺旋盘绕组蛋白八聚体1.75圈,组蛋白H1在核心颗粒外结合额外20bpDNA，锁住核小体DNA进出端，起稳定核小体的作用；核小体的结构要点第68页/共140页69第69页/共140页704.两个相邻核小体之间以连接DNA

相连，典型长度60bp，不同物种变化值为0～80bp；5.组蛋白与DNA之间相互作用基本不依赖于核苷酸的特异序列，核小体具有自组装性质；6.核小体沿DNA的定位受不同因素的影响，进而通过核小体相位改变影响基因表达。

第70页/共140页71H1的功能组蛋白H1与核小体结合，在DNA出入核小体核心颗粒处对DNA起稳定作用。第71页/共140页72Chromatosome166bp,2superhelicalturnHistoneH1*组蛋白H1把核小体“封锁”起来其中，166bp核小体DNA的堆积比为1056nm线性长度→5.6nm螺线管第72页/共140页73DNA环绕在组蛋白八聚体外部的路线分布。DNA缠绕1.75圈，“进”、“出”核小体的位点相距很近。第73页/共140页741分子组蛋白H1与核小体结合，在DNA出入核小体核心颗粒处对DNA起稳定作用；受H1保护片段长约20bp；染色小体：核心核小体+H1长度：166bp第74页/共140页75连接DNA连接DNA是形成200bpDNA片段所需的额外部分；连接DNA平均长度为55bp。第75页/共140页7630nm纤丝30nm纤丝是核小体的进一步组装成的高度有序的左手螺旋结构，每圈约6个核小体。第76页/共140页77染色质高级结构由30nm纤丝组成环形结构，称为核基质。环的大小约100kb；为蛋白质复合体所束缚；环形基质宽约300nm。第77页/共140页78第78页/共140页79第五节、真核生物的染色体第79页/共140页80一、概述：*真核DNA＋组蛋白核小体

*核小体折叠压积染色质（chromatin）（其它的蛋白质和RNA）

*大部分细胞生活周期里以染色质的形式存在（弥散状）M期－－染色体形式

*染色质有两种型：

a.常染色质：密度较低，能被表达

b.异染色质：密度较高，不被表达（着丝粒、端粒）第80页/共140页81Cellcycle

Interphase间期:G1+S+G2Mphase(mitosis有丝分裂):第81页/共140页82第82页/共140页83异染色质和常染色质异染色质：染色体内保持高度浓缩的部分，没有转录活性.常染色质：染色质中非异染色质中的部分，其中有由30nm纤丝构成的染色体环（不活跃）和具有转录活性的区域。第83页/共140页84常染色质(euchromatin)与异染色质(heterochromatin)第84页/共140页85着丝粒（Centromeres）着丝粒着丝粒是分裂中期两条姊妹染色单体相连的紧缩区域，是与端粒（一种与纺锤体相连的蛋白复合体）的组装场所。第85页/共140页86着丝点：染色体中负责有丝分裂的部位叫着丝点（centromere），它有两个重要特征：它包含姐妹染色单体在分裂成单个染色体之前的结合位点，可看作一个连结四个染色体臂的压缩区域。运动特征：在有丝分裂期间着丝粒被推到两极，染色体也被拖到两极，将基因拖到等待分裂的位置。第86页/共140页87酵母着丝粒Yeastcentromere富含AT,两侧有高度重复的卫星DNA,属异染色质区第87页/共140页88端粒（Telomere）端粒是形成真核生物染色体的线型DNA分子末端的特化了的序列，由许多短重复序列构成（人类是5’－TTAGGG－3’）；这些序列是由端粒酶以独立于正常DNA复制的机制合成的，其功能是保护染色体末端免受降解。第88页/共140页89第89页/共140页90端粒：密封着染色体末端。端粒序列：都有短的正向重复序列：有一条单链末端，富含G，带有3’－OH；端粒部分DNA受蛋白质保护。◆它必须可以保证线性分子的稳定性。第90页/共140页91端粒酶：是一个巨大核蛋白，它含有一小段RNA。这段RNA为合成富含C的序列提供了模板。形成互补序列的碱基对一个接一个以固有的顺序加和在一起。酶是间断性作用的：模板RNA位于DNA前体上，几个核苷酸加和到前体上，然后酶又回到原处，开始另一次作用。第91页/共140页92两个H3H4异二聚体由CAF-1介导与新合成的裸露的DNA结合；两个H2AH2B二聚体由NAP-1和NAP-2介导加入，组蛋白H4的两个位点被乙酰化；2.染色质组装的模型核小体最后的成熟需要ATP以及组蛋白的去乙酰化；6个核小体组成一个螺线管结构。(1)染色质组装的前期过程第92页/共140页93a.从DNA到核小体：是染色质包装第一步，DNA长度压缩7倍，形成直径11nm纤维。b.从核小体到螺线管：每6个核小体绕一圈，构成外径30nm、内径10nm管状结构，称螺线管，是染色质包装二级结构，长度再压缩6倍。细胞中染色质以30nm纤维形式存在。（2）染色质包装的多级螺旋模型第93页/共140页94c.从螺线管到超螺线管：30nm纤维进一步螺旋化，形成一系列螺旋域或环，这些环附着在支架蛋白，螺旋环进一步形成超螺旋环，此时直径是400nm，该过程又压缩40倍。d.从超螺旋到染色体:压缩5倍；从DNA到染色体总计被压缩8400倍

DNA核小体螺线管超螺线管染色单体压缩

40倍压缩

5倍压缩

7倍压缩

6倍第94页/共140页956.8:140:11000:18000:1DNAdoublehelixNucleosome(10nmfiber)30nmFiberLoopsILoopsIIchromosome第95页/共140页96（3）染色质包装的骨架-放射环结构模型非组蛋白构成染色体骨架(chromsomalscaffold)螺线管折叠形成DNA复制环，每18个复制环沿染色体骨架纵轴呈放射状平面排列，由中央向四周伸出，结合在核基质上形成微带(miniband)；微带是染色体高级结构的单位，大约106个微带沿纵轴构建成子染色体。第96页/共140页97从DNA到染色体的过程Compactionratio=8000第97页/共140页98第六节、真核生物的基因第98页/共140页99 真核基因组的最大特点是它含有大量的重复序列，在脊椎动物中90%左右是非编码序列，而且编码序列大多数被不编码蛋白质的非功能DNA所隔开，称为割裂基因，非编码的内含子则存在广泛的序列变异，说明内含子中的大部分序列是无功能的。

第99页/共140页100一、

重复序列：

在DNA中有一段碱基序列多次重复出现。根据重复出现的次数可分为：高度重复序列、中度重复序列、单拷贝基因。

第100页/共140页101二、割裂基因（splittinggene）:不连续基因（discontinuousgene）,断裂基因（interruptedgene）概念：编码某一RNA的基因中有些序列并不出现在成熟的RNA序列中，成熟RNA的序列在基因中被其他的序列隔开。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。第101页/共140页1021.割裂基因的发现◘通过成熟mRNA（或cDNA）与编码基因的DNA杂交试验而发现1977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1993年荣获了诺贝尔奖RichardJ.RobertsPhillipA.SharpNobelPrize1993第102页/共140页103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探针和以上两种酶切片段进行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。

第103页/共140页104cDNA顺序内并没有EcoRI和HindIII的切点，为什么会出现多条阳性带?

第104页/共140页105Berget，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HindIII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exon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

.第105页/共140页106Berget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.第106页/共140页107

intronsexonsR－环鸡的卵清蛋白基因DNA与其mRNA杂交图ChambonwasinspiredbyBerget’sreportBerget,S.M.,C.Moore,andP.Sharp.1977.PNAS74;3171-3175第107页/共140页108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、外显子概念第108页/共140页109Exon(外显子、外元)DNA与成熟RNA间的对应区域非间隔区（unspacer）氨基酸的编码区（aminoacidcodingregion）

isanysegmentofaninterruptedgenethatisrepresentedinthematureRNAproduct.原初转录物中通过RNA拼接反应而保留于成熟RNA中的序列或基因中与成熟RNA序列相对应的DNA序列。第109页/共140页110Intron(内含子、内元)isasegmentofDNAthatistranscribed,butremovedfromwithinthetranscriptbysplicingtogetherthesequences(exons)oneithersideofit.

DNA与成熟RNA间的非对应区域氨基酸的非编码区（uncodingregion）间隔区（spacer）但被转录原初转录物中通过RNA拼接反应而被去除的RNA序列或基因中与这种RNA序列相对应的DNA序列.R-环（R-loop）：mRNA与编码单链DNA杂交时，不互补的

intron部分形成的环.第110页/共140页111割裂基因前体mRNAIntrons去除Exons连接第111页/共140页112PrecursormRNA(pre-mRNA)HeterogeneousnuclearRNA(HnRNA)真核生物基因的转录物又称为所以－－真核生物基因又称为SplittinggeneInterruptedgene间隔基因，断裂基因前体mRNA,核内不均一RNA由于真核生物的绝大多数结构基因都含有内元第112页/共140页113

真核生物（Eukaryots）的结构基因是由若干exon和intron相间隔排列的序列组成的间隔基因。绝大部分结构基因

tDNA,rDNA

mtDNA,cpDNA2.

SplittingGene的普遍性第113页/共140页114tDNAPre-tRNAMaturetRNAtDNAalsoisinterruptedgene第114页/共140页115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？

第115页/共140页116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第116页/共140页117

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

第117页/共140页118

2.内含子的相对性第118页/共140页119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第119页/共140页120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的参与小分子核糖核蛋白颗粒（snRNP）第120页/共140页121“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:第121页/共140页122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。

第122页/共140页1232.“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？第123页/共140页1242006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。第124页/共140页125三、一个基因编码两种以上的mRNA：

在原核生物中，由于相关基因串联在一起构成操纵子，产生多顺反子mRNA，翻译出多种蛋白质。在真核生物中没有操纵子结构，每个基因都单独构成一个转录单位，产生单顺反子mRNA，仅编码一种蛋白质。编码两种以上的mRNA主要是通过拼接方式来完成的。

第125页/共140页126成簇排列,102～104拷贝123

3不转录的间隔区15SrRNA2假基因重复单位间由高度重复序列隔开四、基因簇与基因家族

基因家族（Genefamily）:真核生物的基因组中许多来源相同，结