第三章-基因与基因组的结构与功能

第三章基因与基因组的结构与功能基因？3.1基因的概念包括:编码基因与非编码区从生化学上来说指的是一段DNA或RNA顺序，该顺序可以产生或影响某种表型，可以由于突变生成等位基因变异体。从遗传学上来说代表一个遗传的功能单位，同时也是一个交换单位和突变单位。基因（gene）是DNA和RNA分子中具有遗传效应的核苷酸序列，是遗传的基本的单位。基因概念的发展大致上分以下几个阶段:孟德尔所阐明的基因观——“基因是生物体传递遗传信息和表达遗传信息的基本物质单位”。1865年，奥地利神父孟德尔从7个豌豆性状的实验提出了“遗传因子假说”（每个性状由定位在染色体上的遗传因子控制，并提出了遗传因子的分离与自由组合的两大遗传规律性）。第二阶段摩尔根时代赋予基因以物质的内涵。随后摩根通过对果蝇的研究提出了基因的连锁遗传规律，并定义了经典的基因概念。（经典基因概念：基因是孤立地、排列在染色体上的实体，具有特定功能，能独立发生突变的遗传交换的、“三位一体”的、最小的遗传单位。呈线性排列在染色体上的遗传实体。）3、顺反子阶段：顺反子就是一段核苷酸序列，能编码一条完整的多肽。4、现代基因阶段：编码基因的主要编码产物是多肽链，另外还包括许多编码RNA的基因。现代基因概念：操纵子、转座子、断裂基因、重叠基因、假基因……5’…...AGCCGACTATGTCGAAGCTT…..…GCTTGACTATAAGACA……3’3‘…...TCGGCTGATACAGCTTCTAA…..…CGAACTGATATTCTGT……5‘转录调控区贮存RNA或蛋白质结构信息区转录终止区基因的基本结构

基因结构3.2基因的命名法基因原则：简明、独特、能够表达基因的特征或功能基因符号：独特、简短、仅含拉丁字母和阿拉伯数字，不应有标点符号。3.3基因组基因组（genome)：细胞或生物体内一套完整单体的遗传物质的总和；或所含有的全部基因。如人：22常+X，Y，+线粒体基因组基因组的功能是贮存和表达遗传信息。主要由两种基因组组成核基因组核外基因组：质粒基因组、线粒体基因组、叶绿体基因组等重要的遗传信息存在于核基因组内基因组的结构主要指不同的基因功能区域在核酸分列中的分布和排布情况。基因及基因组的大小与C值矛盾

C值（C-value）：单倍体基因组中的全部DNA量。C值悖论：基因组的大小和DNA含量随着生物进化复杂程度的增加而逐步上升，但也有另外。变形虫的C值是人的200倍

3.4病毒及其基因组

3.4.1病毒基因组的一般特点及病毒的核酸病毒基因组的特点1．基因组大小相差很大：2．核酸结构多样性：3．编码序列>90%(基因组)HBV：3.2kb痘病毒：300kbDNA或RNA单链或双链合环状分子或线性分子4.多为单拷贝,即每个基因只出现一次5.基因有连续的和间断的(有内含子)6.相关基因丛集:功能上相关的基因排列在一起7.有重叠基因8.含有不规则结构基因病毒基因组核酸的主要类型双链RNA单链负股RNA单链正股RNA分类DNARNA双链DNA：HBV单链DNA：M13噬菌体正股(+)：序列与mRNA相同的链负股(-)：序列与mRNA互补的链典型病毒基因组介绍SV40病毒基因组.双链环状DNA：5243bp早期转录区：一个基因（2个蛋白质t，T）调控区（

400bp）：复制起始点，启动子，增强子晚期转录区：先转录出一个多顺反子mRNAVP1mRNAVP2mRNAVP3mRNAVP3比VP2N端少1/3AUG位于VP2和VP3内.UAA内含子1内含子2前体mRNA剪接方式1：去除内含子1剪接方式2：去除内含子2T-mRNAt-mRNAT-抗原t-抗原分布于核内：100KD分布于胞浆内：18KDT-抗原和t-抗原mRNA前体的不同剪接方式UAA.2、逆转录病毒(retroviruses，HIV)（1）一般特征

病毒(+)股RNA为2个拷贝,基本结构为:５＇帽－R－U5－PB－－DLS－

－gag－pol－env－(onc－)－C－PB＋－U3－R－poly(A)n病毒颗粒中有两条相同的正股RNA+两条来自宿主细胞的tRNAA：编码区:所有逆转录病毒均含有3个基本结构基因gag:病毒衣壳蛋白pol:肽链内切酶,一个逆转录酶,一个与前病毒整合相关的酶env:包膜蛋白B：非编码区:与基因组复制和基因表达有关A:R区:两端的重复序列,与cDNA合成有关B:引物结合区(primerbindingsite,PB)C:U区:U3含强启动子,起始转录RNA.U5与转录终止和加polyA有关D:DLS-

-C区:DLS:两条病毒(+)RNA链结合位点

:包装信号:RNA装入病毒颗粒C:调控区.（2）前病毒基因组的转录和翻译A：逆转录病毒基因组的复制和转录都需要经过DNA中间体才能完成.RNA病毒DNA前病毒RNA病毒(cDNA)末端形成新的重复序列(U3-R-U5)称长末端重复序列(LTR)longterminalrepeatB：翻译多顺反子mRNAgag-------------------pol(无起始密码子)90%形成gag蛋白10%形成gag-pol蛋白剪接后形成envmRNA3.4.2噬菌体基因组重叠基因

:不同基因的核苷酸序列有时是可以共用的。也就是说，它们的核苷酸序列是彼此重叠的，这样的2个基因被称为重叠基因。

①两个或两个以上的基因共有一段DNA序列或者是指一段DNA序列为两个或两个以上基因的组成部分。

②重叠方式有大基因内包含小基因，前后两个基因首尾重叠等。RNA噬菌体

MS2，R17，f2和Qβ的重叠3.5细菌基因组原核基因组Prokaryoticgenome，以细菌为代表讲述，又称Bacteriagenome。原核生物的染色体基因组是指其环状或线状的双链DNA分子所含有的全部基因，有的原核生物还含有染色体外的质粒基因组。以细菌为代表进行研究，有许多优势：

1.构造相对简单，基因结构也不复杂，取材便利，易于培养，可选择突变株进行研究，实验结果容易重复。

2.与人类有共同的主要生物学规律，如：①遗传物质都是DNA；②主要的功能分子都是蛋白质；③基因密码是通用的，等等。3.尤其是E.coli，是分子克隆是“明星“，基因工程最主要的工程菌，因为基因工程的主要工作是克隆真核基因在原核系统中表达。原核生物基因组结构与功能的特点：1.基因组通常仅由一条环状双链DNA分子组成。2.基因组中只有1个复制起点。3.具有操纵子结构。操纵子（operon）是指数个功能相关的结构基因串联在一起，构成信息区，连同其上游的调控区（包括启动和操纵区）及其下游的转录终止信号构成的基因表达单位。4.细菌的结构基因一般无重叠现象。5.原核基因的基因序列是连续的，无内含子结构。6.编码区和非编码区在基因组中约各占50%。7.基因组中的重复序列很少。8.具有编码同功酶的基因（isogene）这是一类结构不完全相同，而功能相同的基因。如E.coli含有2个编码乙酸乳酸合成酶的基因和2个编码分支酸变位酶同工酶的基因。9.细菌基因组中存在可移动的DNA序列，包括插入序列和转座子。10.原核基因的基本结构特点：启动子（promoter）、操纵基因（operator）、调控序列、结构基因（structuregene）、终止子（terminator）。Bacterialchromosome（大肠杆菌）基因组图染色体外的遗传物质———质粒质粒（plasmid）是独立于许多细菌及某些真核细胞染色体外共价闭合环状的DNA分子（covalantclosedcircnlar,cccDNA），能独立复制的最小遗传单位。

质粒是双链的DNA分子，大小在1—200kb之间，和病毒不同，它们没有衣壳蛋白（裸DNA）。质粒可通过复制、转录、翻译，从而赋予寄主细胞某种性状，许多性状已作为DNA重组技术中的较为成熟的选择标记。质粒的特点1、最大特点:可独立复制2、质粒的遗传控制柯斯（Cosmid）质粒cos位点,粘性位点(1).复制控制系统:控制质粒的拷贝数复制起始点(ori)Rep基因:Rep蛋白结合于ori,促进复制过量可抑制复制Cop基因:抑制复制(2).分配系统:使质粒在细菌分裂时精确分配到子细胞中.(3).细胞分裂抑制系统:控制细胞分裂,使细胞分裂与质粒复制协调(4).位点特异重组系统:多聚体单体(细菌内)(分裂时)(5)质粒的不相容性:具有相同复制起始点和分配区的两种质粒不能共存于一个宿主,这种现象称

.共存一宿主两种质粒不共存一宿主另:凡经改建作为基因克隆载体的质粒必须包括三种共同的组成成分:复制基因(replicator)选择性标记克隆位点质粒与宿主细胞的关系

①质粒对宿主的生存不是必需的，只是“友好”的“借居”宿主细胞中，既不杀伤细胞，对宿主的代谢活动也无影响，宿主离开质粒照样的生存下去。②质粒离开宿主就无法生存，只有依赖宿主细胞的（酶和蛋白质）帮助，才能完成自身的复制（扩增）、转录。③质粒经常为宿主执行一些适当的遗传功能，作为对宿主细胞的补偿（“交房租”）。④质粒赋于宿主各种有利的表型（质粒编码蛋白质或酶），使宿主获得生存优势，与我们基因工程实验紧密相关的，如抗生素抗性基因。4.质粒发现和研究意义①理论意义

质粒能够复制、传递和表达遗传信息，从分子遗传学观点来看是一种有机体，是比病毒更原始的生命形式，是生命起源研究的一块重要基石。②实践意义

是基因工程的重要载体（vector），能把外源基因（目的基因）送到宿主细胞中去克隆扩增或克隆表达。质粒是可以改造的，可以剪切、剪接的，基因工程的重要任务之一就是严格改造质粒的同时，控制质粒不传递，若一个致癌质粒可以传递就会传到外部。作为基因工程载体的3个特点：

A.都能独立自主的复制；B.都能便利的加以检测（如抗生素抗性）；C.都能容易引进宿主细胞中去，也易从宿主细胞中分离纯化（提质粒）。工程质粒必须同时符合上述3个条件。基因工程中主要使用人工构建的质粒。3.6真核生物基因组3.6.1特点1、体细胞:两套基因组性细胞:一套基因组2、基因组结构复杂,数目庞大,多个复制起始点。3、mRNA为单顺反子。4、含大量重复序列。5、非编码序列占90%以上。6、基因间有间隔区(spacerDNA),基因为断裂基因(splitgene)即内含子,外显子。7、功能相关的基因串联在一起形成基因家族8、存在可移动成分3.6.2真核生物的基因组结构1.结构基因、内含和外显子、断裂基因。（1）结构基因（structuralgene）指能转录成为mRNA、rRNA