第三章基因与基因组的结构.ppt

1、3 基因与基因组的结构,3.1 基因的概念 3.2 基因概念的发展 3.3 基因的结构 3.4 基因组(genome) 3.5 原核生物基因组 3.6 真核生物基因组,3.1 基因的概念,基因是遗传的基本单位，是具有遗传效应的核酸片段。,3.1.1 基因概念的发展,经典遗传学基因是独立的功能单位、重组单位和突变单位。,顺反子概念基因是独立的功能单位，内含许多重组单位和突变单位。,分子遗传学基因是一段有遗传功能的DNA（或RNA）序列。,依其功能分为： 1、结构Gene-编码蛋白和酶分子结构； 2、调控Gene-调节结构基因表达； 3、转录而不翻译的Gene： rDNA GenerRNA核仁形成

2、区 核糖体组成 tDNA GenetRNA转运氨基酸,3.1.2 Gene类别,3.2 基因的结构,3.2.1 结构基因的基本构成,3.2.2 真核生物的断裂基因, Splitting gene 的证实,DNA,mRNA,鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图,真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。,断裂基因 (splite gene),编码区 A、B、C、D,外显子 (exon) 和内含子 (intron),外显子：（基因上的编码序列） 在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达

3、为成熟RNA的核酸序列。 内含子：（基因上的非编码序列） 在断裂基因及其初级转录产物上出现，而在剪接过程中被除去的核酸序列。,3.3 基因组的大小与C值矛盾,基因组:指一个细胞中遗传物质的总量。 基因组 的大小一般用碱基对的数量来表示。 基因组的大小大致上与进化的复杂性有关。,C值：生物体的单倍体基因组所含DNA总量。 C值矛盾：生物基因组大小同生物在进化上所处地位的高低没有关系，这种现象称为。,基因组很小，大多只有一条染色体 结构简炼 存在转录单元(trnascriptional operon) 多顺反子(polycistron) 有重叠基因,X174 D-E-J-F-G-H mRNA 蛋白

4、J、F、G H D E,3.4 原核生物基因组,结构特点：,3.4.1 大肠杆菌基因组,DNA闭合环 状，4,639 Kb（1300微米），约4288个基因。 类核（nucleoid），支架（scafford）。 非编码区比例较小。 结构基因单拷贝，RNA基因为多拷贝。,类核的结构,大肠杆菌基因组,3.4.2 重叠基因(overlapping gene),莲人在绿杨津 采 一 玉漱声歌新阙,采莲人在绿杨津，在绿杨津一阙新； 一阙新歌声漱玉，歌声漱玉采莲人。,1977年Sanger首先发现重叠基因。 他对单链环状的噬菌体X174进行了测序， 5386Nt ，11 个基因， 3个转录单位，由3个启

5、动子（pA,pB,pD）启动。 X174含有的5386Nt最多能编码1795个氨基酸，若每个氨基酸的平均分子量为110，则总的蛋白质分子量为197,000Da，但实际蛋白质总分子量却为262,000D。 将全部DNA顺序和蛋白质的氨基酸顺序进行比较，发现了重叠基因。,3.5 真核生物基因组,核基因组 细胞器基因组 多为环状,多拷贝; 均编码自身所需的蛋白和RNA,真核生物基因组结构特点,真核基因组结构庞大 3109bp、染色质、核膜 单顺反子 基因不连续性 断裂基因（interrupted gene）、 内含子(intron)、 外显子(exon) 非编码区较多 多于编码序列(9:1) 含有大

6、量重复序列,3.6 真核基因组DNA序列的分类,单一序列(Unique sequence ): 包括大多数编码蛋白质的结构基因和基因间间隔序列。 重复序列:具有多数反复存在的DNA顺序。,短片段的重复序列按不同的排列方式可分为三种类型： （1）正向重复(direct repeats)又叫顺向重复； 5 CAGGCAGG 3 3 GTCCGTCC 5 （2）镜向重复(mirror repeats) ； （3）回文序列 (inverted repeats),反向重复序列复性时形成的+字结构若取一半即为发夹结构,书临汉字翰林书,画上荷花和尚画,顺反相同,长片段的重复序列根据其重复的频度分为:,轻度重

7、复序列 中度重复序列 高度重复序列,轻度重复序列 在基因组中含有2-10拷贝，酵母tRNA基因、人和小鼠的珠蛋白基因等。,中度重复序列 长约300bp 基因组中约有10-几百个拷贝的顺序 如rRNA和tRNA基因。,Types of repeat, long interspersed repeated segments，LINES， 长散在重复序列 长度1000bp(可达7Kb)，拷贝数104-105，如人LINES LINE是可以自主转座的一类反转录转座子，来源于RNA聚合酶的转录产物 Short interspersed repeated segments，SINES， 短散在重复序列 长

8、度105如人Alu序列 SINE则是非自主转座的反转录转座子，来源于RNA聚合酶的转录物。,依据重复序列的长度，中度重复序列可分为两种类型：,A1u序列 (人类基因组中最常见的短散在的重复DNA序列,含有Alu酶切位点（AGCT） 重复单位长300bp 通过RNA，再反转录成cDNA，插入人类基因组 可转录成hnRNA，但在mRNA成熟过程中被切除。 Alu序列具有种的特异性,高度重复序列 重复几百万次，一般是少于10个核苷酸残基组成的短片段。如异染色质上的卫星DNA。它们是不翻译的片段。在小鼠中约占基因组的10。,高度重复序列包括：,卫星DNA (satellite DNA) 小卫星DNA(

9、minisatellite DNA) 微卫星DNA (microsatellite DNA),卫星DNA (Satellite DNA),卫星DNA（Satellite DNA）:大多数位于着丝粒区 小卫星DNA (Minisatellite DNA) ：如位于端粒处的DNA，由几个核苷酸对的单元重复组成。 微卫星DNA (Microsatellite DNA)：由14个左右的核苷酸对的单元重复若干次组成。,小卫星DNA 端粒DNA VNTR序列(variable number of tandem repeats， 可变数目的串联重复序列),人类VNTRs的第一个探针,1985年由Alec J

10、effries制备 在肌红蛋白基因的第一个内含子中 分离出132bp的重复顺序 内含4个长33bp的重复单位 内有13bp为核心顺序 （GGAGGTGGGCAGG）,DNA指纹 ( DNA fingerprints),把小卫星DNA(VNTR)核心序列串联起来作为分子探针，与不同个体的DNA进行分子杂交，就会呈现出各自特有的杂交图谱，它们与人的指纹一样，具有专一性和特征性，因人而异，因此被称作“DNA指纹” 。,用小卫星DNA(VNTR)产生DNA片段组，以电泳分离时，提供的任何个体的独特模式- (DNA fingerprint),DNA可以从犯罪现场的组织和体液中提取(经常是血液、 精液或毛

11、发)，然后与怀疑对象取得的对照样品比较。,DNA指纹的特点：,1、多位点性,2、简单的遗传方式,3、高度变异性,应用 :,1 可应用在犯罪研究中。,VNTR,2 帮助确立亲子关系，证实家谱或显示个体的相关性。,用 DNA 指 纹 判 定 血 缘 关 系 。 A 和 C 的 条 纹 皆 来 自 于 这 对 夫 妻 ， 因 此 是 他 们 的 亲 生 儿 女 。 B 的 条 纹 有 一 部 分 与 妻 子 相 同 ， 所 以 是 她 与 前 夫 所 生 。 D 的 条 纹 与 这 对 夫 妻 不 同 ， 可 以 断 定 与 他 们 无 血 缘 关系 。,出现在更小的基因簇(200bp)中，以非常短

12、的重复单位(14bp)为特征。它们有高度的多态性，分布在整个基因组中，所以它们是理想的遗传标记(simple sequence repeats, SSR)。,微卫星DNA,DNA分类,3.7 基因家族与基因簇,基因家族(gene family)：由同一个祖先基因经过重复(duplication)与变异进化而形成结构与功能相似的一组基因，组成了一个基因家族。,基因簇(gene cluster):由功能相同或相关的邻近基因组成的一个基因群或一组基因。,多基因家族经常包含结构保守的基因，它们是通过积累突变产生，来满足不同的功能需要。如果突变使基因功能完全丧失，这样的无功能的基因拷贝称为假基因，经常用希腊字母表示。,根据起源和结构的不同，假基因分为两类： 未加工的假基因 加工的假基因,3.8 假基因(pseudogene),未加工的假基因(nonprocess pseu