分子生物学基因与基因组

分子生物学基因与基因组第一页，共八十五页，编辑于2023年，星期五基因是什么？

物质：特定核苷酸序列功能：遗传第二页，共八十五页，编辑于2023年，星期五第一节

基因(Gene)

一、概念基因是ＤＮＡ分子上具有遗传效应的特定核苷酸序列的总称，是具有遗传效应的ＤＮＡ分子片段。是遗传物质的最小功能单位第三页，共八十五页，编辑于2023年，星期五多数生物的基因由脱氧核糖核酸（DNA）构成，并在染色体上作线状排列。除某些病毒的基因由核糖核酸（RNA）构成。基因一词通常指染色体基因。在真核生物中，由于染色体都在细胞核内，所以又称为核基因。位于线粒体和叶绿体等细胞器中的基因则称为染色体外基因、核外基因或细胞质基因，也可以分别称为线粒体基因、质粒和叶绿体基因。第四页，共八十五页，编辑于2023年，星期五在通常的二倍体的细胞或个体中，能维持配子或配子体正常功能的最低数目的一套染色体称为染色体组或基因组，一个基因组中包含一整套基因。相应的全部细胞质基因构成一个细胞质基因组，其中包括线粒体基因组和叶绿体基因组等。原核生物的基因组是一个单纯的DNA或RNA分子，因此又称为基因带，通常也称为它的染色体.第五页，共八十五页，编辑于2023年，星期五基因在染色体上的位置称为座位，每个基因都有自己特定的座位。在同源染色体上占据相同座位的不同形态的基因都称为等位基因。在自然群体中往往有一种占多数的（因此常被视为正常的）等位基因，称为野生型基因；同一座位上的其他等位基因一般都直接或间接地由野生型基因通过突变产生，相对于野生型基因，称它们为突变型基因。第六页，共八十五页，编辑于2023年，星期五在二倍体的细胞或个体内有两个同源染色体，所以每一个座位上有两个等位基因。如果这两个等位基因是相同的，那么就这个基因座位来讲，这种细胞或个体称为纯合体；如果这两个等位基因是不同的，就称为杂合体。在杂合体中，两个不同的等位基因往往只表现一个基因的性状，这个基因称为显性基因，另一个基因则称为隐性基因。在二倍体的生物群体中等位基因往往不止两个，两个以上的等位基因称为复等位基因。第七页，共八十五页，编辑于2023年，星期五在细菌中编码同一生物合成途径中有关酶的一系列基因常排列在一起，构成一个操纵子.基因结构第八页，共八十五页，编辑于2023年，星期五第九页，共八十五页，编辑于2023年，星期五现代分子生物学认为，基因是核酸分子中储存遗传信息的遗传单位，是核酸分子中由特定的核苷酸按一定的碱基顺序排列而成的有功能的一个片段。是RNA序列和蛋白质多肽链序列相关遗传信息的基本存在形式，以及表达这些信息所需要的全部核苷酸序列。基因是基因组序列上的遗传单位，有调节区、转录区和(或)其他功能序列区。基因的化学本质是DNA(RNA病毒除外)。在细胞中基因是含有编码序列和非编码序列的DNA序列。（P1）第十页，共八十五页，编辑于2023年，星期五基因包括:1.具有转录和翻译功能的基因2.只有转录功能没有翻译功能的基因，包括tRNA基因和rRNA基因。3.不转录的基因，对基因表达其调控作用，包括启动基因和操纵基因等。第十一页，共八十五页，编辑于2023年，星期五二、基因结构与功能

(一)基因的结构第十二页，共八十五页，编辑于2023年，星期五1.原核生物基因结构第十三页，共八十五页，编辑于2023年，星期五2.真核生物基因结构

大多数真核生物的基因为不连续基因（interruptesd或discontinuousgene）。所谓不连续基因就是基因的编码顺序在DNA分子上是不连续的，被非编码顺序所隔开。第十四页，共八十五页，编辑于2023年，星期五人类结构基因4个区域：

①编码区，包括外显子（exon）与内含子（intron）,又称插入顺序（interveningsequence,IVS）。外显子（exon），是一个基因表达多肽链的部分；内含子只转录，在前mRNA(pre-mNRA)时被剪切掉。②前导区，位于编码区上游，相当于RNA5’末端非编码区（非翻译区）③尾部区，位于RNA3’编码区下游，相当于末端非编码区（非翻译区）④调控区，包括启动子和增强子等。第十五页，共八十五页，编辑于2023年，星期五启动子（promoter）包括下列几种不同顺序，能促进转录过程：TATA框（TATAbox）CAAT框（CAATbox）GC框（GCbox）调控区第十六页，共八十五页，编辑于2023年，星期五2．增强子（enhancer）在真核基因转录起始点的上游或下游,它不能启动一个基因的转录，但有增强转录的作用。此外，增强子顺序可与特异性细胞因子结合而促进转录的进行。

3．终止子在一个基因的末端往往有一段特定顺序，它具有转录终止的功能第十七页，共八十五页，编辑于2023年，星期五沉默子(silencer)参与基因表达负调控的一种元件第十八页，共八十五页，编辑于2023年，星期五第十九页，共八十五页，编辑于2023年，星期五(二)基因的功能

储存，传递，表达遗传信息（中心法则）基因表达活性调节第二十页，共八十五页，编辑于2023年，星期五基因功能的研究方法目的：发现基因的功能随着人类基因组计划的计划的完成，许多新基因被发现。基因功能研究成为生命科学领域汇总的重大课题，这是后基因组时代功能基因组学的研究内容。目前基因功能研究方法主要有基因转导、反义技术、转基因和基因剔除、染色体转导、RNA干涉，微阵列等第二十一页，共八十五页，编辑于2023年，星期五微阵列（microarray)大规模快速检测基因差异表达、基因组表达谱、DNA序列多态性、致病基因或疾病相关基因的一项研究基因功能的新技术。包括cDNA微阵列（cDNAmicroarray)和DNA芯片。方法第二十二页，共八十五页，编辑于2023年，星期五原理：将成千上万条DNA片段（cDNA、表达序列标签（expressedsequencetag,EST)或特异的寡核苷酸片段）按横行纵裂方式有序点样在固相支持物上。支持物为硝基纤维素膜或尼龙膜时称为微阵列，为玻片或硅片时称为DNA芯片。100000个cDNA,3.6cm2第二十三页，共八十五页，编辑于2023年，星期五第二十四页，共八十五页，编辑于2023年，星期五分析：用来自不同生理状态和发育阶段的mDNA作为模板，以放射性同位素或荧光标记的dNTP为底物反转录合成cDNA。再用所得cDNA与微阵列或DNA芯片进行杂交，然后通过计算机对结果进行判读和处理，这样就可以知道芯片中哪些基因在细胞里表达，哪些基因不表达，或哪些基因表达水平高，哪些低。第二十五页，共八十五页，编辑于2023年，星期五基因敲除（Geneknockout)又称基因打靶（genetargeting).基因敲入（Geneknockin），转基因（基因过表达）第二十六页，共八十五页，编辑于2023年，星期五基因敲除：用外源DNA与受体细胞基因组中顺序相同或者非常相近的基因发生同源重组，整合，使特定的基因失活或缺失的技术。优点：整合位点确定，精确，可以用正常基因敲除突变的基因，进行性状改良和遗传病的治疗，又可以用突变的基因敲除正常的基因一研究此基因在发育和调控方面的作用。如基因敲除动物模型第二十七页，共八十五页，编辑于2023年，星期五基因敲入：对于许多基因来说，简单的失活常导致令人费解的无改变的表型。最常见的解释是某些其他基因取代了靶基因的功能，但要在普通基因敲除小鼠中证明这十分困难，基因敲入即通过基因打靶用一种基因替换另一种基因以确定它们是否具有相同功能。第二十八页，共八十五页，编辑于2023年，星期五基因敲除一般应用于鼠。第二十九页，共八十五页，编辑于2023年，星期五第三十页，共八十五页，编辑于2023年，星期五第三十一页，共八十五页，编辑于2023年，星期五基因转导技术通过载体将目的基因导入某一细胞中，通过观察细胞生物学行为的变化来认识基因的功能，是目前应用最多、技术最成熟的基因功能研究方法。常用的基因转导系统分为非病毒性表达系统和病毒性表达系统。非病毒性表达载体：DNA直接注射或多聚赖氨酸、阳离子脂类，是目的基因穿过细胞膜。第三十二页，共八十五页，编辑于2023年，星期五第三十三页，共八十五页，编辑于2023年，星期五病毒表达载体病毒为载体介导的基因转移，转染效率高，目的基因可稳定表达等优势被广泛应用。逆转录病毒载体可携带外源基因整合进靶细胞的基因组中，从而实现目的基因的稳定持久表达，但缺点是只能感染正在分裂的细胞，有插入突变和激活癌基因的危险，并且繁殖滴度较低。人腺病毒载体具有宿主范围广、滴度高、装载量大（重组腺病毒最大包装容量为野生型腺病毒的105%）等优点，是对分裂细胞和静息细胞均有效的基因传递系统。如以门静脉注射的方式用腺病毒载体介导入LDLR基因，在90%以上的肝细胞中得到表达。但不能将外源基因整合到细胞染色体上，所介导的基因只能短暂表达。第三十四页，共八十五页，编辑于2023年，星期五反义技术反义技术是通过人工合成或构建的反义表达载体表达的寡核苷酸片段，长度多为15-30个核苷酸，通过碱基互补原理，干扰基因的解旋、复制、转录、mRNA的剪接加工乃至输出和翻译等各个环节，从而调节细胞的生长、分化等。反义DNA（asDNA),反义RNA（asRNA),自催化性核酶（ribozyme)第三十五页，共八十五页，编辑于2023年，星期五

(三)基因突变与疾病

突变绝大多数会导致疾病，另外的一小部分是非致病突变。非致病突变使生物可以在自然选择中被选择出最适合自然的个体。

基因有两个特点，一是能忠实地复制自己，以保持生物的基本特征；二是基因能够“突变”。因有毒物质的作用、传染或暴露于放射性物质下而导致基因结构本身发生的变化。第三十六页，共八十五页，编辑于2023年，星期五基因突变（genemutation）从分子水平上看，基因突变是指基因在结构上发生碱基对组成或排列顺序的改变。由于DNA碱基对的置换、增添或缺失而引起的基因结构的变化，亦称点突变（pointmutation）。（镰刀型细胞贫血（sickle-celldisease）第三十七页，共八十五页，编辑于2023年，星期五在自然条件下发生的突变叫自发突变，由人工利用物理因素或化学药剂诱发的突变叫诱发突变。基因突变与DNA复制、DNA损伤与修复、癌变和衰老都有关系是生物变异的主要原因，也是生物进化的主要因素。在生产上人工诱变是产生生物新品种的重要方法。第三十八页，共八十五页，编辑于2023年，星期五基因突变特性：随机性：任何时期，任何细胞低频性（稀有性）：自然突变率10-5-10-8。T.H.摩尔根1910年在饲养的许多红色复眼的果蝇中偶然发现了一只白色复眼的果蝇。可逆性：可逆性野生型基因经过突变成为突变型基因的过程称为正向突变。正向突变的稀有性说明野生型基因是一个比较稳定的结构。突变基因又可以通过突变而成为野生型基因，这一过程称为回复突变。正向突变率总是高于回复突变率，这是因为一个野生型基因内部的许多位置上的结构改变都可以导致基因突变，但是一个突变基因内部只有一个位置上的结构改变才能使它恢复原状。第三十九页，共八十五页，编辑于2023年，星期五少利多害性

一般基因突变会产生不利的影响，被淘汰或是死亡，但有极少数会使物种增强适应性。不定向性

例如控制黑毛A基因可能突变为控制白毛的a+或控制绿毛的a-基因。第四十页，共八十五页，编辑于2023年，星期五一般，基因突变后身体会发出抗体或其他修复体进行自行修复。可是有一些突变是不可回转性的。突变可能导致立即死亡，也可以导致惨重后果，如器官无法正常运作，DNA严重受损，身体免疫力低下等。如果是有益突变，可能会发生奇迹。第四十一页，共八十五页，编辑于2023年，星期五基因突变与疾病基因病（genedisease),是指基因突变或其表达调控障碍引起的疾病，包括单基因病和多基因病。人类单基因病6457种。单基因疾病：单基因病是指由1对等位基因控制的疾病或病理性状。由于基因是位于染色体上，而染色体有常染色体和性染色体之分，基因也有显性基因与隐性基因之别。第四十二页，共八十五页，编辑于2023年，星期五常染色体显性遗传病，如短指症等常染色体隐性遗传病，如白化病等x伴性显性遗传病，如抗维生素D缺乏病等x伴性隐性遗传病，如色盲等Y伴性遗传病，如耳廓长毛症等第四十三页，共八十五页，编辑于2023年，星期五诱变育种诱发使生物产生大量而多样的基因突变，从而可以根据需要选育出优良品种。以色列培育“彩色青椒”-把青椒种子送上太空，使其在完全下发生基因突变来育种。害虫防治用诱变剂处理雄性害虫使之发生致死的或条件致死的突变，然后释放这些雄性害虫，便能使它们和野生的雄性昆虫相竞争而产生致死基因突变的或不育的子代。第四十四页，共八十五页，编辑于2023年，星期五第二节

基因组

单倍体细胞中的全部基因为一个基因组。包括编码序列和非编码序列在内的全部DNA分子。（单倍体细胞中的全套染色体。）像人类这样的脊椎动物，基因组通常指的只是染色体DNA。线粒体有自己的基因组，通常叫做线粒体基因组。第四十五页，共八十五页，编辑于2023年，星期五基因组特点

一、原核生物基因组特点细菌基因组特点：1.基因组较小，通常只有一个环形或线形的DNA分子。2.基因组的大部分序列是用来编码蛋白质的，基因之间的间隔序列很短。3.功能相关的序列常串连在一起，由共同的调控元件调控，并转录成同一mRNA分子，可指导多种蛋白质的合成，这种结构称操纵子。第四十六页，共八十五页，编辑于2023年，星期五3.一般没有内含子。4.只有一个复制起点。5.以RNA为产物的基因往往是多拷贝的，蛋白质基因是单拷贝的。6.编码顺序一般不会重叠。7.同基因（isogenez)（编码同酶,isoenzyme）如大肠杆菌基因组中有两个编码分支酸变位酶基因，两个编码乙酰乳酸合成酶的基因。第四十七页，共八十五页，编辑于2023年，星期五第四十八页，共八十五页，编辑于2023年，星期五病毒基因组病毒是最简单的生物，完整的病毒颗粒包括外壳蛋白和内部的基因组DNA或RNA。（有些病毒的外壳蛋白外面有一层由宿主细胞构成的被膜（envelope），被膜内含有病毒基因编码的糖蛋白。）病毒不能独立地复制，必需进入宿主细胞中借助细胞内的一些酶类和细胞器才能使病毒得以复制。外壳蛋白（或被膜）的功能是识别和侵袭特定的宿主细胞并保护病毒基因组不受核酸酶的破坏。第四十九页，共八十五页，编辑于2023年，星期五病毒基因组的结构特点

1.病毒基因组大小相差较大,与细菌或真核细胞相比，病毒的基因组很小，但是不同的病毒之间其基因组相差亦甚大。如乙肝病毒DNA只有3kb大小，所含信息量也较小，只能编码4种蛋白质，而痘病毒的基因组有300kb之大，可以编码几百种蛋白质，不但为病毒复制所涉及的酶类编码，甚至为核苷酸代谢的酶类编码，因此，痘病毒对宿主的依赖性较乙肝病毒小得多。第五十页，共八十五页，编辑于2023年，星期五

2.病毒基因组可以由DNA组成，也可以由RNA组成。组成病毒基因组的DNA和RNA可以是单链的，也可以是双链的，可以是闭环分子，也可以是线性分子。如乳头瘤病毒是一种闭环的双链DNA病毒，而腺病毒的基因组则是线性的双链DNA,脊髓灰质炎病毒是一种单链的RNA病毒，而呼肠孤病毒的基因组是双链的RNA分子。一般说来，大多数DNA病毒的基因组双链DNA分子，而大多数RNA病毒的基因组是单链RNA分子。第五十一页，共八十五页，编辑于2023年，星期五3.多数RNA病毒的基因组是由连续的核糖核酸链组成。但也有些病毒的基因组RNA由不连续的几条核酸链组成如流感病毒的基因组RNA分子是节段性的，由八条RNA分子构成，每条RNA分子都含有编码蛋白质分子的信息；而呼肠孤病毒的基因组由双链的节段性的RNA分子构成，共有10个双链RNA片段，同样每段RNA分子都编码一种蛋白质。目前，还没有发现有节段性的DNA分子构成的病毒基因组。第五十二页，共八十五页，编辑于2023年，星期五4.基因重叠（overlappinggene）即同一段DNA片段能够编码两种甚至三种蛋白质分子。这种结构使较小的基因组能够携带较多的遗传信息。指两个或两个以上的基因共有一段DNA序列。大基因内包含小基因；前后两个基因首尾重叠一个或两个核苷酸；几个基因的重叠，几个基因有一段核苷酸序列重叠在一起，等等。重叠基因中不仅有编码序列也有调控序列。第五十三页，共八十五页，编辑于2023年，星期五5.病毒基因组的大部分是用来编码蛋白质的，只有非常小的一份不被翻译。不翻译的DNA顺序通常是基因表达的控制序列。乳头瘤病毒是一类感染人和动物的病毒，基因组约8.0Kb,其中不翻译的部份约为1.0kb。第五十四页，共八十五页，编辑于2023年，星期五6.病毒基因组DNA序列中功能上相关的蛋白质的基因或rRNA的基因往往丛集在基因组的一个或几个特定的部位,形成一个功能单位或转录单元。它们可被一起转录成为含有多个mRNA的分子，称为多顺反子mRNA（polycistroniemRNA），然后再加工成各种蛋白质的模板mRNA。ΦX174基因组中的D-E-J-F-G-H基因也转录在同一mRNA中，然后再翻译成各种蛋白质，其中Ｊ、F、G及H都是编码外壳蛋白的，D蛋白与病毒的装配有关，E蛋白负责细菌的裂解，它们在功能上也是相关的。第五十五页，共八十五页，编辑于2023年，星期五7.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。

8.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，具有内含子第五十六页，共八十五页，编辑于2023年，星期五λ噬菌体遗传图第五十七页，共八十五页，编辑于2023年，星期五真核细胞基因组1.基因组较大。真核生物的基因组由多条线形的染色体构成，每条染色体有一个线形的DNA分子，每个DNA分子有多个复制起点。

2.不存在操纵子结构。真核生物的同一个基因簇的基因，不会像原核生物的操纵子结构那样，转录到同一个mRNA上。

第五十八页，共八十五页，编辑于2023年，星期五3.存在大量的重复序列。真核生物的基因组里存在大量重复序列，通过其重复程度可将其分成高度重复序列、中度重复序列、轻度重复序列和单一序列。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。

第五十九页，共八十五页，编辑于2023年，星期五

根据出现的频率不同将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。卫星DNA，反向重复序列。果蝇染色体的着丝点附近，ACAAACT1.1×107拷贝，占基因组DNA的25%

2.中度重复序列在基因组中的重复次数为101-105.

编码rRNA,tRNA,组蛋白及免疫球蛋白的结构基因。Alu家族、KpnI家族3.单拷贝序列在整个基因组中出现1次或少数几次，大多数编码蛋白质的基因。

小鼠DNA经CsClMI度梯度离心显示出主带和卫星DNA带第六十页，共八十五页，编辑于2023年，星期五ALU序列家族（Alufamily)人类基因组约有30多万个,平均每6kb有一个每个长度约300bp，第170位置附近都有AGCT这样的序列，可被限制性内切酶AluI切割（AGCT)第六十一页，共八十五页，编辑于2023年，星期五第六十二页，共八十五页，编辑于2023年，星期五第六十三页，共八十五页，编辑于2023年，星期五

4.有断裂基因。大多数真核生物为蛋白质编码的基因都含有“间隔序列”，即不为多肽编码，其转录产物在mRNA前体的加工过程中被切除的成分。第六十四页，共八十五页，编辑于2023年，星期五

5.

有许多来源相同、结构相似、功能相关的基因组成为单一基因簇或基因家簇(Genefamily)，如血红蛋白基因家簇

第六十五页，共八十五页，编辑于2023年，星期五基因家族分类1.按基因中产物分两类：编码RNA，如SnRNA、tRNA、rRNA等编码蛋白质2.按在基因组中分布不同分（基因串联排列在一起）1)基因簇（genecluster)

如rRNA,tRNA,组蛋白等基因第六十六页，共八十五页，编辑于2023年，星期五串联重复基因簇低等真核生物rRNA基因28S、18S、和5SrRNA基因串联排列在一起高等动物生物基因28S、18S、和5.8S串联排列成一个单位，然后一个个单位重复排列组成基因簇，每个单位之间有非转录隔区分开。第六十七页，共八十五页，编辑于2023年，星期五

2)另一类家族成员分布在不同的部位如干扰素、珠蛋白、生长激素等分散式基因簇如珠蛋白基因α类基因簇和β类基因簇,分布在不同染色体上人类α基因簇位于第16号染色体上,β基因簇位于第11号染色体上第六十八页，共八十五页，编辑于2023年，星期五α珠蛋白基因家族第六十九页，共八十五页，编辑于2023年，星期五3.超基因家族（supergengfamily)基因家族与单基因组成的基因家族。更大的基因家族，起源于相同的祖先基因，功能却并不相同。如免疫球蛋白超基因家族：表达产物都有免疫球蛋白样结构域，这些家族成员或属于免疫分子，或与免疫无关的分子。据推测，哺乳动物具有可能产生109种以上抗体的能力，所以它是一个极大的基因家族和蛋白质家族。第七十页，共八十五页，编辑于2023年，星期五第七十一页，共八十五页，编辑于2023年，星期五4.假基因(Pseudogenes)，ψDNA序列与功能基因相似但不产生有功能的基因产物.假基因与有功能的基因同源，由于发生缺失、倒位或点突变等，成为无功能的基因，即形成了假基因。哺乳动物基因组中的1/4基因为假基因，可能为进化的痕迹。第七十二页，共八十五页，编辑于2023年，星期五6.

细胞器基因

核生物除具有核基因外，还有细胞器基因，细胞器基因主要存在于线粒体和叶绿体中。动物没有叶绿体，所以动物细胞器基因只存在于线粒体中。第七十三页，共八十五页，编辑于2023年，星期五7.端粒（telommere)以线性染色体形式存在的真核基因组DNA末端膨大结构，称为端粒。第七十四页，共八十五页，编辑于2023年，星期五基因在基因组中分布不均匀。

有些染色体基因分布很少，25%的序列不含任何基