基因与基因组

基因与基因组1第1页，课件共44页，创作于2023年2月1865，GregorMendel

遗传因子学说一、基因的概念

1909，WilhelmLudvigJohannsen

基因第一节基因（genes）21910，T.H.Morgan基因在染色体上一个基因一种酶1941，G.W.Beadle&E.L.Tatum

1944，M.McCarty&O.Avery

1952，A.Hershey&M.Chase证实DNA是遗传物质DNA是遗传物质2第2页，课件共44页，创作于2023年2月基因的概念：

合成有功能的蛋白质或RNA的全部DNA(RNA病毒除外)，包括编码蛋白质或RNA的核酸序列及保证转录所必需的调控序列。DNAgene3第3页，课件共44页，创作于2023年2月

DNA

真核生物的结构基因由外显子(exon)和内含子(intron)两部分组成。编码序列不连续，称为断裂基因。

intron

exon

RNA剪接成熟mRNAmRNA前体(一)结构基因(structuralgene)二、基因的结构

可被转录形成mRNA,编码RNA或蛋白质多肽链的DNA序列。4第4页，课件共44页，创作于2023年2月(二)非结构基因TATAAAATATTT5′3′3′5′

顺式作用元件(cis-actingelement)transcriptionstartpoint3′不编码RNA或蛋白质多肽链，参与转录调控结构基因表达的DNA序列。5第5页，课件共44页，创作于2023年2月1.启动子和上游启动子元件启动子（promoter）：

RNA聚合酶特异性识别结合和启动转录的DNA序列，有方向性，位于转录起始位点上游。真生物启动子为TATA盒。上游启动子元件(upstreampromoterelement)

TATA盒上游的一些特定DNA序列，反式作用因子可与这些元件结合，调控基因的转录效率。CAAT盒、GC盒、CACA盒等6第6页，课件共44页，创作于2023年2月CAAT盒：位于-70bp左右，核心序列GGNCAATCT。

与CTF结合，调控转录效率。-25+1-70transcriptionstartpointTATA盒:位于转录起始点上游-25bp左右，

核心序列TATA（A/T）A（A/T），与

TATA结合蛋白结合，启动基因转录。β珠蛋白基因启动子突变:TATAA→TGTAA，

降低mRNA的转录效率→β+地贫。7第7页，课件共44页，创作于2023年2月2.反应元件(responseelement)CAATboxTATAbox

promoter

3′responseelement

与被激活的信息分子受体结合，并能调控基因表达的特异DNA序列。糖皮质激素反应元件：cccaaagagctctgtgtcctexon

intron

exonintronexon5′8第8页，课件共44页，创作于2023年2月3.增强子（enhancer）CAATbox

与反式作用因子结合，增强转录活性，在基因任意位置都有效、无方向性。TATAbox

enhancerpromoter

3′exon

intron

exonintronexonresponseelement凝血酶原基因增强子-922to-897:

5′-GTGTTCCTGCTCTTTGTCCCTCTGTC-3′3′5′4.沉默子（silencer）甲胎蛋白(AFP)基因沉默子：cttcattaacttaattt9第9页，课件共44页，创作于2023年2月

5′ttatggcttcattaacttaatttgagagaaattaattattctgcaacttagggacaagtcatctctttgaatattcTgtagtttgaggagaatatttgttatatttgcaaaataaaataagtttgcaagttttttttttctgccccaaagagctctgtgtccttgaa

cataaaatacaaataaccgctatgctgttaattattggcaaatgtcccattttcaacctaaggaaataccataaagtaacagatataccaacaaaaggttactagtt

aacaggcattgcctgaaaagagtataaaagaatttcagcatgattttccatattgtgcttccaccactgccaataacacaaaataactagcaaccatgaagtggg

甲胎蛋白基因(alpha-fetoprotein，AFP)5′侧翼序列

5′

ttatggcttcattaacttaatttgagagaaattaattattctgcaacttagggacaagtcatctctttgaatattcTgtagtttgaggagaatatttgttatatttgcaaaataaaataagtttgcaagttttttttttctgccccaaagagctctgtgtccttgaa

cataaaatacaaataaccgctatgctgttaattattggcaaatgtcccattttcaacctaaggaaataccataaagtaacagatataccaacaaaaggttactagtt

Aacaggcattgcctgaaaagagtataaaagaatttcagcatgattttccatattgtgcttccaccactgccaataacacaaaataactagcaacc

atgaagtggg

translationstartpointTATAboxtranscriptionstartpointCAATboxglucocorticoidresponsiveelementssilencer第10页，课件共44页，创作于2023年2月5′--------AATAAA----------GTGT---3′DNA

mRNA

前体5′--------AAUAAA----------GUGU---3′5′--------AAUAAA------AAAAAAAA3′mRNA

结构基因末端保守的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。β珠蛋白基因突变：AATAAA→AACAAA，→β+地贫。5.Poly(A)加尾信号11第11页，课件共44页，创作于2023年2月

CAATboxTATAbox

Enhancerpromoter

基因的结构exonexon非翻译区(untranslatedregions，UTR)

UTRUTRPoly(A)加尾信号5′3′intronintronexonTGAATG开放阅读框(openreadingframe，ORF)responseelement结构基因+1termination12第12页，课件共44页，创作于2023年2月第二节基因组(genomes)

基因组：细胞或生物体一套完整单倍体的

遗传物质的总称。51619xy13第13页，课件共44页，创作于2023年2月一、原核生物基因组大肠杆菌（Escherichiacoli）OriCTerC1.由一条环状双链DNA分子组成，

2.通常只有一个DNA复制起点。4.6×106bp14第14页，课件共44页，创作于2023年2月PromoterGene1Gene2Gene3TerminatorDNATranscriptionmRNA3′1235′TranslationProteins123

操纵子(operon):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。3.结构基因大多组成操纵子多顺反子(polycistron):

原核生物的一个mRNA分子带有几个

结构基因的遗传信息。15第15页，课件共44页，创作于2023年2月ⅢGATCTCTTATTAGⅰTGTGGATAAⅱTTATACACAⅲTTTGGATAAⅳTTATCCACA复制起始区（OriC）～250bp4.非编码区主要是调控序列复制起始区、复制终止区转录起动区、转录终止区ⅠGATCTNTTTATTT

Ⅰ

ⅰⅡGATCTNTTNTATTⅡⅢⅱⅲⅳ16第16页，课件共44页，创作于2023年2月

C值：4,639,221bp基因数：42885.基因密度非常高，基因组中编码区

大于非编码区；6.结构基因没有内含子；7.结构基因多为单拷贝；

50kb8.结构基因无重叠现象；9.有编码同工酶的等基因（isogene）分支酸别构酶entBentC17第17页，课件共44页，创作于2023年2月10.存在可移动的DNA序列BarbaraMcClintock1902-1992转座或移位(transposition）：转座因子在基因组不同位置间的移动。转位因子（transposableelement）：能够在一个DNA分子内部或两个DNA分子之间移动的DNA片段。18第18页，课件共44页，创作于2023年2月简单转座是转座因子从原来位置上切除并转移到基因组新的位置。复制性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。转座作用的机制供体DNA转座子受体DNA复制和转座新的DNA切除和连接供体DNA转座子受体DNA新的DNA19第19页，课件共44页，创作于2023年2月质粒(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。20第20页，课件共44页，创作于2023年2月肠出血性大肠杆菌(EHEC)O157：H7O104：H4菌体抗原（O）鞭毛抗原（H）表面抗原（K）21第21页，课件共44页，创作于2023年2月1.基因组由一条环状双链DNA组成；2.只有一个复制起始点；3.大多数结构基因组成操纵子结构；6.无内含子，转录后不需要剪接；8.结构基因无重叠现象；原核生物基因组的结构特点5.基因组中编码区大于非编码区；7.重复基因少，结构基因一般为单拷贝；10.基因组中存在可移动的DNA序列；4.非编码区主要是调控序列。9.有编码同工酶的等基因；22第22页，课件共44页，创作于2023年2月二、真核生物基因组人类染色体核型C值＞3000Mb,基因数＞20,000人类线粒体DNA1.每一种真核生物都有一定的染色体数目；

2.远大于原核基因组，结构复杂,基因数庞大；23第23页，课件共44页，创作于2023年2月TranslationTranscriptionmRNADNAProteinPromoterStructureGene3′5′3.真核基因有内含子;

单顺反子(monocistron)：真核生物的一个结构基因转录生成一个mRNA分子。4.真核生物的结构基因转录为单顺反子；24第24页，课件共44页，创作于2023年2月编码序列非编码序列单拷贝序列5.非编码序列多于编码序列；＜3％＞95％高度重复序列（≥106）低度重复序列（2～9）中度重复序列（10～105）6.存在大量重复序列;25第25页，课件共44页，创作于2023年2月

低度重复序列(Lowcopynumberrepeat)

在单倍体基因组中只出现一次或数次，含量＞50％

，结构基因主要是单一序列。(1)单拷贝序列（uniquesequenceDNA）(2)中度重复序列(ModeratelyrepeatedDNA)

重复次数10～105。tRNA、rRNA、组蛋白、免疫球蛋白基因，可能与基因调控相关序列等。(3)高度重复序列(highlyrepeatedDNA)重复次数＞106。①反向重复序列②卫星DNA（串联重复序列）26第26页，课件共44页，创作于2023年2月①反向重复序列:5′AAACCACCGCTGGTAGCGGTGGTTT3′

3′TTTGGTGGCGACCATCGCCACCAAA5′5′AAACCACCGCTAGCGGTGGTTT3′

3′TTTGGTGGCGATCGCCACCAAA5′回文结构

两个顺序相同的拷贝在DNA链上呈反向排列。27第27页，课件共44页，创作于2023年2月②卫星DNA（satelliteDNA）

存在于非编码区的串联重复序列，有相同的核心序列,多为2～70bp。28第28页，课件共44页，创作于2023年2月a.大卫星（macro-satellite）DNA：ACAAACTACAAACTACAAACT…

重复单位5-10bp，在群体中多态性不显著。b.小卫星（minisatellite）DNA：重复单位9-24bp，呈高度多态性。核心序列GGGCAGGAXGc.微卫星DNA(micro-satelliteDNA)重复单位2-6bp，常见为(AC)n和(TG)n，呈高度多态性，可作遗传标记。29第29页，课件共44页，创作于2023年2月

MotherChildFatherAlleged

Father亲子(亲权)鉴定ParentageTesting

30第30页，课件共44页，创作于2023年2月（1）核酸序列相同：多拷贝基因形成的基因簇，

rRNA、tRNA、组蛋白基因家族等。组蛋白基因家族（2）核酸序列高度同源生长激素（GH）与绒毛膜生长催乳激素（CS）部分序列比对GHCSATGGCTCCAGGCTCCCGGACGTCCCTGCTCCTGGCTTTTGCC…ATGGCTACAGGCTCCCGGACGTCCCTGCTCCTGGCTTTTGGC…7.存在多基因家族与假基因；31第31页，课件共44页，创作于2023年2月（3）编码产物的功能或功能区相同人类蛋白激酶C家族（4）假基因（Ψ）：与有功能的基因相似，

不表达或表达产物没有功能。珠蛋白基因簇中的假基因

GA21Alu10kb32第32页，课件共44页，创作于2023年2月人类线粒体DNA2个rRNA基因和22个tRNA基因，13个编码蛋白质基因，编码序列占93%。

能自主复制

在细胞内具有多拷贝

主要编码与氧化磷酸化相关的酶系

基因无内含子

基因排列紧密,无间隔,

有少数重叠。33第33页，课件共44页，创作于2023年2月DNA基因组:多数为双链、环状或线性1.不同病毒基因组可以是不同结构的核酸；双链线性DNA单链环状DNA三、病毒基因组环状双链DNA多数为单链、线性RNA基因组:单链线性RNA双链线性RNA34第34页，课件共44页，创作于2023年2月腺病毒(adenovirus)线性双链DNA，编码两大类蛋白质。E4E2BE2AE1AE1BE3L2L3L4L5L13.功能相关基因转录成多顺反子；DNA2.病毒基因组大部分为编码序列；35第35页，课件共44页，创作于2023年2月噬菌体ΦX174（phagephix174

）利用有限的核酸贮存更多的遗传信息，提高自身在进化过程中的适应能力。5386nt编码2500个氨基酸5386nt编码2500个氨基酸环状单链DNA4.基因重叠（geneoverlap）36第36页，课件共44页，创作于2023年2月5.感染真核细胞的病毒，有的基因有内含子；环状双链DNA大T抗原和小t抗原的mRNA有不同的剪接方式。5243bpOri猴病毒

(simianvirus40,SV40)小t抗原大T抗原37第37页，课件共44页，创作于2023年2月6.有的病毒基因组连续；

单股正链RNA核衣壳蛋白(N)

膜蛋白(M)病毒RNA聚合酶

SARS冠状病毒(SARScoronavirus)

刺突蛋白(S)38第38页，课件共44页，创作于2023年2月埃博拉病毒(Ebolavirus)SKGireetal.Science2014;345:1369-1372单股负链RNA(18959nt)Genomicsurveillanceelucid