第二章基因与基因组

第二章基因与基因组第一页，共九十一页，编辑于2023年，星期五2第一节基因的概念与结构一、基因的概念

（一）基因概念的发展第二页，共九十一页，编辑于2023年，星期五3基因概念的发展1909年Johannsen提出了“基因”概念取代了遗传因子Morgan提出染色体学说，基因是遗传基本单位，《基因论》1936年Beadle和Taturm提出一个基因决定一种酶，之后延伸到决定一个蛋白质，多肽链第三页，共九十一页，编辑于2023年，星期五4基因的分类编码蛋白质的基因编码RNA的基因：编码rRNA;tRNA;核酶；snmRNA（非mRNA的小RNA）第四页，共九十一页，编辑于2023年，星期五5基因是核酸分子中储存遗传信息的基本单位，是核酸分子中由特定核苷酸按一定的碱基顺序排列而成的具有一定功能的片段，是RNA序列和蛋白质多肽链顺序相关遗传信息的基本形式，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.

（二）基因的概念

基因是编码RNA或一条多肽链的DNA片段.第五页，共九十一页，编辑于2023年，星期五61.原核生物的结构基因是

连续的（一）结构基因

基因中编码RNA或蛋白质的DNA序列。二、基因的结构第六页，共九十一页，编辑于2023年，星期五7侧翼序列：含有调控序列编码序列：外显子(exon)插入序列：内含子(intron)真核生物结构基因2.第七页，共九十一页，编辑于2023年，星期五8

DNAmRNA前体编码序列不连续，称为断裂基因（interruptedgene）RNA剪接由外显子（编码序列)和内含子（非编码序列)两部分组成，intron

exon

成熟mRNA第八页，共九十一页，编辑于2023年，星期五9

5′

3′exon3exon1exon2GTAGGTAG真核基因中RNA剪接的识别信号内含子的5′端以GT开始，

3′端以AG结束。GT-AG法则intron2intron13.第九页，共九十一页，编辑于2023年，星期五10

5′3′exon3exon2exon1

intron1intron2(二)转录调控序列

前导序列尾部序列编码区侧翼序列侧翼序列结构基因编码区两侧的一段不被翻译的DNA片段(侧翼序列)，参与转录调控。第十页，共九十一页，编辑于2023年，星期五11tayz

opstructural

gene1.原核生物基因的调控序列

promoter启动子promoterterminator终止子terminatoroperator操纵元件operator第十一页，共九十一页，编辑于2023年，星期五122.真核生物基因的调控序列反式作用因子

trans-actingfactor

能识别和结合特定的顺式作用元件,并影响基因转录的一类蛋白质或RNA顺式作用元件

cis-actingelement

能影响基因表达，但不编码RNA和蛋白质的DNA序列TATAAAATATTT

5′3′3′

5′顺式作用元件第十二页，共九十一页，编辑于2023年，星期五13TATA盒（TATABox）:

位于-25～-30bp，TATAAAA/TATATAT

与TFII结合，启动基因转录。(1)．启动子和上游启动子元件-25+1-30第十三页，共九十一页，编辑于2023年，星期五14-30-25+1-80-70CAAT盒（CAATBox）位于-70～-80bp，GGC/TCAATCT,与CTF结合，决定启动子转录效率。第十四页，共九十一页，编辑于2023年，星期五15GC盒（GCBox）位于-35bp，GGCGG，与转录因子SP1结合，促进转录的过程。－35-35+1

第十五页，共九十一页，编辑于2023年，星期五16(2).增强子（enhancer）

CAATbox与转录因子特异性结合，增强转录活性，在基因任意位置都有效、无方向性。TATAbox

enhancerpromoter

5′3′exonintron第十六页，共九十一页，编辑于2023年，星期五17(3).沉默子（silencer)具有抑制基因转录功能的特定DNA序列，为负性调节元件，当其结合一些特异反式作用因子时，对基因转录起阻遏作用，使基因沉默。第十七页，共九十一页，编辑于2023年，星期五18(4).终止子（terminaor)是结构基因下游近3’端的一段DNA,由AATAAA和一段回文序列组成，在转录中提供终止信号，使转录作用终止。第十八页，共九十一页，编辑于2023年，星期五195′--------AATAAA----------GT-------3′

DNA

mRNA

前体5′--------AAUAAA----------GU-------3′5′--------AAUAAA------AAAAAAAA3′多聚腺苷酸化mRNA(5).Poly(A)加尾信号Poly(A)聚合酶5′--------AAUAAA----------GU-------3′特异因子

基因末端保守的AATAAA顺序及下游GT或T富含区,被多聚腺苷酸化特异因子识别，在mRNA3′端加约200个A。第十九页，共九十一页，编辑于2023年，星期五20

CAATboxTATAbox

Enhancerpromoter

调控序列调控序列真核生物基因的结构exonexon非翻译区：untranslatedregions，UTRUTRUTRPoly(A)加尾信号5′+1Stop3′结构基因intronintronexonTGAATG开放阅读框：openreadingframe，ORFresponseelement第二十页，共九十一页，编辑于2023年，星期五21三、中心法则

centraldogmaReplicationReplicationReverse

TranscriptionTranscriptionTranslationDNARNAProtein

第二十一页，共九十一页，编辑于2023年，星期五22(一)原核生物的mRNA是多顺反子mRNAPromoterGene1Gene2Gene3TerminatorDNATranscriptionmRNA3′1235′TranslationProteins123

多顺反子mRNA

(polycistronicmRNA):原核生物的一个mRNA分子带有几个

结构基因的遗传信息，利用共同的启动

子及终止信号，组成操纵子的基因表达

调控单元。第二十二页，共九十一页，编辑于2023年，星期五23TranslationTranscriptionmRNADNAProteinPromoterGene3′5′(二)单顺反子mRNA(monocistronicmRNA):真核生物的一个编码基因转录生成一个mRNA。第二十三页，共九十一页，编辑于2023年，星期五24二、基因的功能1、遗传信息的储存2、基因复制（1）半保留复制；（2）双向复制；（3）不连续复制3、基因表达（1）转录；（2）翻译；（3）基因表达的调控第二十四页，共九十一页，编辑于2023年，星期五25基因表达的调控（1）DNA水平的调控：甲基化、与组蛋白结合、染色质浓缩（2）转录水平的调控：顺式元件与反式元件的结合（3）转录后水平的调控：mRNA加帽子、加尾、剪接（4）翻译水平的调控：翻译起始区域（5）翻译后水平的调控：二硫键的形成、糖基化、C-末端酰胺化等第二十五页，共九十一页，编辑于2023年，星期五26基因突变与疾病1、单基因疾病常染色体显性遗传常染色体隐形遗传X连锁显性遗传Y连锁隐性遗传Y隐性遗传2、线粒体遗传病（如Leber遗传性视神经病）特点：1、母系遗传；2、异质性3、多基因疾病由多对微效基因和环境因素双重影响所引起的一类疾病称为多基因疾病第二十六页，共九十一页，编辑于2023年，星期五27基因诊断与治疗1、基因诊断：在DNA或RNA水平对某些疾病相关基因进行分析，从而对疾病进行诊断。2、基因治疗：运用重组DNA技术，将正常基因导入有缺陷基因患者的细胞中，以替代或补偿缺陷基因，或抑制基因的过度表达，使细胞恢复正常功能，达到治疗目的。第二十七页，共九十一页，编辑于2023年，星期五28基因组：一个细胞或病毒的全部

遗传信息；

第二节基因组

一套完整的单倍体的遗传物质的总合；

含有一种生物的一整套遗

传信息的遗传物质；……第二十八页，共九十一页，编辑于2023年，星期五29C值（C-value）：单倍体基因组中的全部DNA量(bp)

106107108109

10101011显花植物骨鱼类哺乳类甲壳类爬行类鸟类藻类真菌革兰氏阳性菌革兰氏阴性菌枝原体霉菌蠕虫类软体动物棘皮类昆虫类软骨鱼类两栖类第二十九页，共九十一页，编辑于2023年，星期五30一、病毒基因组一、特点：基因组小有的是DNA,有的是RNARNA病毒基因组可由数条RNA组成存在重叠基因可形成多顺反子噬菌体基因是连续的，而真核细胞的病毒基因是不连续的第三十页，共九十一页，编辑于2023年，星期五31DNA病毒

RNA病毒

（二）基本结构多数为双链(ds)、环状或线性多数为单链(ss)、线性第三十一页，共九十一页，编辑于2023年，星期五32（三）RNA病毒基因组类型特点代表种类第三十二页，共九十一页，编辑于2023年，星期五331.单股正链RNA病毒SARS冠状病毒SARScoronavirus

包膜蛋白膜蛋白核衣壳蛋白刺突蛋白

病毒RNA聚合酶第三十三页，共九十一页，编辑于2023年，星期五34单股正链RNA、不分节段，5′端有甲基化帽，3′端有poly(A)结构。脊髓灰质炎病毒、鼻病毒、

多数RNA噬菌体、冠状病毒第三十四页，共九十一页，编辑于2023年，星期五35.

禽流感病毒(H5N1)

avianinfluenzaAvirus2.单股负链RNA病毒8节段-ssRNA血凝素（HA）神经氨酸酶（N)第三十五页，共九十一页，编辑于2023年，星期五36单股负链RNA、8节段，均编码蛋白质，

5′端由相同的13个核苷酸组成，3′端有12个保守的核苷酸序列。流感病毒、滤泡性口腔炎病毒、

狂犬病毒第三十六页，共九十一页，编辑于2023年，星期五37呼肠孤病毒reovirus3.双链RNA病毒11节段dsRNA内衣壳蛋白外衣壳蛋白第三十七页，共九十一页，编辑于2023年，星期五38正负双链RNA，10－12节段、每段编码一个蛋白质呼肠孤病毒、轮状病毒、

噬菌体Φ6第三十八页，共九十一页，编辑于2023年，星期五394.逆转录病毒(retrovirus)核心蛋白逆转录酶膜蛋白poly(A)Cap人类免疫缺陷病毒（HIV）第三十九页，共九十一页，编辑于2023年，星期五40单股正链RNA，有三个基本的结构

基因：gag、pol（逆转录酶）、env，

白血病病毒、肉瘤病毒、

人类免疫缺陷病毒

5′端有甲基化帽，3′端有poly(A)，

另有多个基因表达调控位点。第四十页，共九十一页，编辑于2023年，星期五41（四）DNA病毒基因组类型特点代表种类第四十一页，共九十一页，编辑于2023年，星期五421.线性双链DNA病毒早期蛋白（E）

晚期蛋白（L）

腺病毒adenovirusE1AE1BE3E4E2BE2A0102030405060708090100%L2L3L4L5L1ITRITRITR:反向末端重复序列第四十二页，共九十一页，编辑于2023年，星期五43反向末端重复序列（invertedterminalrepeat，ITR）AT丰富区保守序列：ATAATATACCGC丰富区保守序列：GGGCGG,TGACGT在病毒复制过程有重要作用基因组：线性双链DNA，编码两大类蛋白早期蛋白（E）、晚期蛋白（L）第四十三页，共九十一页，编辑于2023年，星期五44乳头瘤病毒papillomavirusURR2.双链环状DNA病毒衣壳蛋白DNA复制膜信号蛋白组装与释放中断细胞生长周期上游调节区转录与复制第四十四页，共九十一页，编辑于2023年，星期五45基因组：双链环状DNA，可分为早期区（E）、晚期区（L）、上游调节区（upstreamregulatory

region,URR）

调节转录与复制第四十五页，共九十一页，编辑于2023年，星期五463.单链环状DNA病毒5387nt噬菌体phiX174基因重叠5387nt编码2500AA1977，Sanger第四十六页，共九十一页，编辑于2023年，星期五47乙型肝炎病毒（HBV）4.开环部分双链DNA病毒聚合酶HBsAgHBcAg第四十七页，共九十一页，编辑于2023年，星期五48乙型肝炎病毒（HBV）逆转录酶HBsAgHBcAgHBeAg开环部分双链DNA病毒第四十八页，共九十一页，编辑于2023年，星期五49二、原核生物基因组细菌染色体DNA质粒DNA以大肠杆菌（Escherichiacoli）为例第四十九页，共九十一页，编辑于2023年，星期五50原核基因组特点：1、仅由一条环状双链DNA组成2、结构基因与调控序列以操纵子形式出现，所转录的RNA为多顺反子3、基因组中重复序列少4、结构基因多为单拷贝5、基因是连续的6、编码序列一般不会重叠第五十页，共九十一页，编辑于2023年，星期五51类核（nucleoid）：细菌染色体在

细胞内形成的一个致密区域大肠杆菌细胞结构nucleoid质粒plasmid第五十一页，共九十一页，编辑于2023年，星期五52（一）由一条环状双链DNA分子组成，

通常只有一个DNA复制起点。C-Value:4.6×106bp大肠杆菌染色体DNA大肠杆菌4000K3000K2000K1000K0OriCTerC第五十二页，共九十一页，编辑于2023年，星期五53(二)结构基因大多组成操纵子乳糖操纵子

lacoperontayz

opstructural

genepromoterterminatoroperatorß-galactosidase半乳糖苷酶zß-galactosidepermease透酶y

ß-galactosidetransacetylase

半乳糖苷乙酰转移酶a

第五十三页，共九十一页，编辑于2023年，星期五54多个功能相关的结构基因成簇串联排列，与上游共同的调控区和下游转录终止信号组成的基因表达单位。操纵子operon:第五十四页，共九十一页，编辑于2023年，星期五55（三）其它结构特点

C

值：4,639,221bp基因数：4288基因大小：950bp/gene基因间隔：118bp/２gene1.基因密度非常高，编码区在

基因组中所占比例大；2.结构基因没有内含子，多为

单拷贝，rRNA基因为多拷贝；3.重复序列很少，重复片段为

转座子；

50kb第五十五页，共九十一页，编辑于2023年，星期五564.有编码同工酶的同基因（isogene）分支酸别构酶ilvBNacetolactatesynthaseIilvIHacetolactatesynthaseIII乙酰乳酸合酶

entCisochorismatesynthaseentBisochorismatase第五十六页，共九十一页，编辑于2023年，星期五575.不同的原核生物基因组的GC含量

（GCcontent）变化很大(25%-75%)EscherichiacoliMicrococcusluteus藤黄微球菌BacillussubtilisSerratiamarcescens枯草杆菌粘质沙雷菌大肠杆菌%GC51

51

52

55

58

52

37

66

61

43

45

33

39

25

75

73

69Shigellaflexnerl志贺氏杆菌（痢疾）Salmonellatyphimurium鼠伤寒沙门菌Klebsiellapneumoniae肺炎克雷伯士氏杆菌Mycopiasmacapricolum支原体第五十七页，共九十一页，编辑于2023年，星期五58（四）非编码区主要是调控序列：复制起始区（OriC）复制终止区（TerC）转录起动区转录终止区第五十八页，共九十一页，编辑于2023年，星期五59复制起始区（OriC）第五十九页，共九十一页，编辑于2023年，星期五60大肠杆菌强启动子TTGACTATAAT

转录起始第六十页，共九十一页，编辑于2023年，星期五61GA

CCGCCGCU

GGCGGCAUUUU-OH3’5’UUC

G

G5’…GCCGCCAGUUCGGCUGGCGGCAUUUU…3’RNA5’…GCCGCCAGTTCGGCTGGCGGCATTTT…3’DNA终止子：强终止子：有反向重复顺序，可形成茎环结构，其后面为poly(T)结构，转录终止无需ρ因子。GC丰富区、AT丰富区第六十一页，共九十一页，编辑于2023年，星期五62（五）具有转座现象

BarbaraMcClintock

1902-1992转座，或称移位（transposition）：转座因子在基因组不同位置间的移动。第六十二页，共九十一页，编辑于2023年，星期五63

1.转座因子的类别

Is3

转座酶(1)插入序列（insertionsequence,Is）

小于2000bp，只有转座相关基因2kb第六十三页，共九十一页，编辑于2023年，星期五64Tn3转座酶Tn10

转座酶(2)转座子（transposon，Tn）

2-20kb，常带有抗性基因等其它基因氨苄青霉素抗性

四环素抗性2kb第六十四页，共九十一页，编辑于2023年，星期五65(3)Mu噬菌体（Mu）转座酶头尾部蛋白转座酶结合位点转座酶

结合位点宿主DNA宿主DNA37kbAB第六十五页，共九十一页，编辑于2023年，星期五66切离是转座因子从原来位置上切除并转移到基因组新的位置转座是转座因子复制出一个新拷贝转移到基因组新的位置2.转座因子的遗传效应供体DNA转座子受体DNA复制和转座新的DNA切除和连接第六十六页，共九十一页，编辑于2023年，星期五67

transposonHostDNA

TargetsiteTACATGCACAGATGTACGTGTC

transposonTACATGCA

ATG

CAGTACGTGTC

转座的结果使靶点序列倍增

transposonDirectRepeatsTACATGCA

ATGTACGTATGCACAG

TACGTGTC

促使染色体畸变

第六十七页，共九十一页，编辑于2023年，星期五68转座子

F

E

A

B

C

D复制插入转座子新拷贝

F

E

A

B

C

D引起插入突变

基因F被隔断而失去功能

第六十八页，共九十一页，编辑于2023年，星期五69携带标志基因使受体增添新基因Tn3转座酶Tn10

转座酶氨苄青霉素抗性

四环素抗性第六十九页，共九十一页，编辑于2023年，星期五70（六）质粒（plasmid）

质粒是存在于细菌染色体外的，具有自主复制能力的环状双链DNA分子；大小为2-3kb。第七十页，共九十一页，编辑于2023年，星期五71质粒的特性在宿主细胞内可自主复制；所携带的遗传信息能赋予宿主特

定的遗传性状；细胞分裂时恒定地传给子代；质粒可以转移。第七十一页，共九十一页，编辑于2023年，星期五72三真核生物基因组染色体DNA线粒体DNA第七十二页，共九十一页，编辑于2023年，星期五73（一）真核基因组特点1、双链线状，且不止一条2、结构基因为断裂基因3、转录产物为单顺反子4、非编码序列远远多于编码区5、含大量重复序列和基因家族6、DNA末端有端粒结构7、有细胞器基因组（线粒体、叶绿体）第七十三页，共九十一页，编辑于2023年，星期五74人类基因组染色体（二）染色体DNA的组成核小体第七十四页，共九十一页，编辑于2023年，星期五751.单一序列DNA

（uniquesequenceDNA）单一序列在人类基因组中大于50％。结构基因主要存在于单一序列中。单拷贝DNA(singlecopyDNA)第七十五页，共九十一页，编辑于2023年，星期五762.高度重复序列DNA（highlyrepetitiveDNA）卫星DNA（satelliteDNA）反向重复序列（invertedrepeats)重复次数>106次第七十六页，共九十一页，编辑于2023年，星期五77

（1）

卫星DNA存在于非编码区的串联重复序列，

在基因组中约占5％。主带光密度卫星DNA第七十七页，共九十一页，编辑于2023年，星期五78a.大卫星（macro-satellite）DNA：重复单位5-10bp，其在人群中多态性不显著。

光密度260nm果蝇基因组第七十八页，共九十一页，编辑于2023年，星期五79b.小卫星（minisatellite）

DNA：重复单位9-24bp，呈高度多态性。可变数目串联重复序列（variable

numberoftandemrepeat,VNTR）端粒DNA：（TTAGGG）n，2-20kb，

染色体复制，末端保护。核心序列GGGCAGGAXG；第七十九页，共九十一页，编辑于2023年，星期五80c.微卫星DNA

(macro-satelliteDNA)短串联重复(shorttandemrepeat,STR)重复单位2-6bp，常见为(AC)n和(TG)n，重复次数10-60次，总长度小于150bp，高度多态性，可作遗传标记。第八十页，共九十一页，编辑于2023年，星期五81（2）.反向重复序列5`AAACCACCGCTGGTAGCGGTGGTTT3`

3`TTTGGTGGCGACCATCGCCACCAAA5`5`AAACCACCGCTAGCGGTGGTTT3`3`TTTGGTGGCGATCGCCACCAAA5`回文结构两个顺序列相同的拷贝在DNA链上呈反向排列。在基因组中约占5％，常见于基因调控区。第八十一页，共九十一页，编辑于2023年，星期五823.中度重复序列:tRNA、rRNA组蛋白、免疫球蛋白可能与基因调控相关序列重复次数10-105，约占基因组的35％第八十二页，共九十一页，编辑于2023年，星期五83Alu家族：有AluⅠ酶切位点（AG/CT）而得名。重复单