基因和基因组1.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 基因和基因组,基因？,顺反子通过顺反试验确定，如两个位点可以互补，则不属于一个顺反子；如两个位点不可以互补，则属于同一个顺反子。,上图为突变发生在相同基因无互补，下图为突变发生在不同基因，图中蓝条表示基因，红点表示突变位点。,基因的基本结构,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,3.1,基因（,gene,）的概念,狭义：基因是核酸中贮存遗传信息的遗传单位，是编码多肽链或,RNA,所必需的全部核苷酸序列，以及为保证转录所必需的调控序列，和编码区上游,5-,端和下游,3-,端的非编码序列。,广义：,DNA,或,RNA,分子中有特定遗传功能的一段序列。,从,生化学,上来说指的是一段,DNA,或,RNA,（病毒）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,1,个遗传单位、,1,个功能单位、,1,个交换单位或,1,个突变单位。,3.2,基因的类型,3.2.1,基因家族和基因簇,基因家族,(gene family),是真核生物基因组中来源相同、结构相似、功能相关的一组基因。基因家族各成员序列上具有相关性，但相似的程度以及组织方式不同。基因家族可能由某一共同,祖先基因,(ancestral gene),经重复,(duplication),和突变产生。,按照基因家族的成员在染色体上的分布，可以将基因家族分成两类。,串联重复基因,(tandemly repeated genes),，成簇的基因家族,(clustered gene family),，或,基因簇,(gene cluster),，是基因家族的各成员紧密成簇排列而成的串联重复单位，定位于染色体的特殊区域。,在染色体上的分布相对集中。,分散的基因家族,(interspersed gene family),，其家族成员在,DNA,上无明显的物理联系，甚至分散在多条染色体上，各成员在序列上有明显的差别。,按照家族中各成员的序列相似程度分为：,简单得多基因家族,：序列高度同源，同一转录单元重复排列成基因簇 如,rRNA,基因,复杂的多基因家族：,几个功能相关基因，串联重复排列，不同转录单元，如组蛋白基因家族,受发育调控的多基因家族：,复杂多基因家族，在染色体上排列顺序与其发育过程中的表达顺序相关。,基因超家族（,gene superfamily,）,基因超家族,是指一组由多基因家族及单基因家族组成的更大的基因家族。它们的结构有程度不等的同源性，因此它们可能起源于相同的祖先基因，但是它们的功能并不一定相同，这一点正是与多基因家族的差别所在。这些基因在进化上也有亲缘关系，但亲缘关系较远，故将其称为基因超家族。,3.2.1.1,简单的多基因家族,家族中各基因的全序列或至少编码序列具有高度的同源性，如,rRNA,基因家族。真核生物的,rRNA,基因串联重复排列在一段很长的,DNA,区域内。重复单位内,rRNA,基因转录区的序列几近相同，而非转录的间隔序列则有所不同。在低等真核生物如酵母的,rRNA,基因家族中，,28S,18S,5.8S,和,5S rRNA,基因构成一个转录单元，而高等真核生物的,5S rRNA,基因则单独作为一个基因家族排列在其它部位。每个转录单元重复排列成基因簇，基因之间由可转录的间隔区,(TS),分开，各转录单元之间由不可转录的间隔区,(NTS),分开,(,图,3-1),。,3.2.1.2,复杂的多基因家族,复杂的多基因家族由几个相关基因构成独立的转录单元，家族间由间隔序列分开。例如，组蛋白基因的,5,个成员,(H1,H2A,H2B,H3,H4),就属于这一类型。人类组蛋白基因分布在第,7,号染色体，拷贝数为,30,40,个。,3.2.1.3,受发育调控的复杂多基因家族：,人类珠蛋白基因家族,基因排列的次序与它们在个体发育阶段基因表达的先后次序一致,。在,家族中，,（,Xi,）基因在胚胎早期,(,前,8,周,),表达，胎儿期,(8,周后,),关闭，,2,和,1,在胎儿,(8,周后,),和成人期都表达。在,家族中，,基因排在最前面，在胚胎早期,(8,周内,),表达，之后关闭。,G,和,A,基因在胎儿期表达，出生前表达量逐渐衰减，而出生后并不完全关闭，仍然少量表达。,基因在胚胎期和成年期都有少量表达。,基因在胚胎期开始表达，表达量逐渐增加，是成人阶段表达的主要基因,(,表,3-1),。,16,号染色体,11,号染色体,3.2.1.4,超基因家族,超家族基因,(gene superfamily),是指一组由多个基因家族组成的更大的基因家族。在高等真核细胞内，有些基因簇内含有数百个功能相关的基因，它们是由基因扩增后结构上的轻微变化而形成的，在结构上有着不同程序的同源性。这些基因或保持了原始基因的基本功能，或进化产生了某些新功能。目前已发现了很多的超基因家族，典型的例子有免疫球蛋白超基因家族、核受体超基因家族、细胞因子超基因家族等。,免疫球蛋白,(immunoglobin,Ig),超基因家族包括,2,微球蛋白、,MHC I,类,链、,II,类,和,链、,T,细胞受体,(TCR),的,链和,链、,CD4,和,CD8,等与免疫有关的大分子。还有许多与免疫反应无关的蛋白质分子，如,IgE,受体,亚基，神经黏附分子,L-1,，白细胞介素,IL-1,和,IL-6,的受体等。,Superfamily is a set of genes all related by presumed descent from a common ancestor,but now showing considerable variation.,Immunoglobulin type and function is determined by the heavy chain.J is a joining protein in IgM and IgA;all other Ig types exist as tetramers.,3.2.2,假基因（,pseudogene),假基因：在多基因家族中，某些与正常功能基因在核苷酸序列上相似，但不能转录或转录后生成无功能基因产物的,DNA,序列，被称为假基因。,假基因常用符号,表示，如,1,表示与,1,相似的假基因,.,假基因与有功能的基因同源,原来也可以是有功能的基因,由于发生缺失,(deletion),、例位,(inversion),或点突变（,point mutaion,）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。,(,假基因的产生，基因重排？反转录产生？假基因有无可能变为有功能基因,),传统的基因概念把基因看作彼此独立的、非重叠的实体。但是，随着,DNA,测序技术的发展，在一些噬菌体和动物病毒中发现，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。这种具有独立性但部分序列彼此重叠的基因称,重叠基因,(overlapping genes),或,嵌套基因,(nested genes),。,近年来的研究发现，重叠基因在真核生物中是广泛存在的。值得注意的是，高等真核生物中既存在大量的非编码序列，又普遍存在重叠基因，其生物学意义目前所知甚少，有待于进一步深入研究。,3.2.3,重叠基因,3.2.4,移动基因,移动基因,(movable genes),又称,转座因子,(transposable elements),。由于它可以从染色体的一个位置转移到另一个位置，甚至在不同染色体之间转移，因此也称,跳跃基因,(jumping genes),。,关于移动基因的详细介绍见第,6,章。,3.2.5,断裂基因,3.2.5.1,断裂基因的概念,过去人们一直认为，基因是连续不断地排列在一起一段,DNA,序列。但是对,真核生物,编码基因的研究发现，在编码序列中间插有非编码的,DNA,间隔区，这些间隔区称为,内含子,(intron),；而编码区则称为,外显子,(exon),。含有内含子的基因称为不连续基因或,断裂基因,(split genes),。,mRNA,的前体是核内不均一,RNA,，实验证据,P47,（如何发现的，杂交、限制性酶切图谱）,不连续基因是普遍现象（原核极为少见，古细菌和噬菌体中发现了断裂基因）,断裂基因共性：外显子排列顺序与产物相同，在不同组织中其内含子成分相同，内含子突变不影响蛋白产物,断裂基因是,Roberts,和,Sharp,于,1997,年在研究腺病毒六邻体外壳蛋白质的,mRNA,时首先发现的，病毒,DNA,与它的,mRNA,进行分子杂交,时，在电镜下观察到未与,mRNA,配对的,DNA,形成多个突环，称,R,环,。,R,环的形成说明腺病毒外壳蛋白质的基因具有,mRNA,中不存在的序列，这些序列就是内含子。,图,3-5,中的,(a),为电子显微镜照片，,(b),为对电子显微镜照片进行解释的示意图，,(c),为腺病毒六邻体外壳蛋白质基因结构的示意图。后来发现，鸡卵清蛋白质的基因与其,mRNA,杂交也会出现与其内含子数对应的,7,个,R,环。,研究断裂基因的另一个方法是,比较基因组,DNA,和,cDNA,的限制性核酸内切酶图谱,。,cDNA,是由成熟的,mRNA,通过逆转录生成的，因而不含内含子。若用相同的限制性核酸内切酶水解基因组,DNA,和,cDNA,，在同样的条件下进行凝胶电泳，如果内含子中有限制性核酸内切酶的水解位点，基因组,DNA,的电泳图谱中就会有相应的条带，而,cDNA,电泳图谱中的相应条带则会缺失。,研究发现，断裂基因在表达时首先转录成初级转录产物，即前体,mRNA,，然后经过后加工，除去内含子序列的转录物，成为成熟的,mRNA,分子。这种删除内含子、连接外显子的过程，称为,RNA,拼接或剪接,。,Comparison of the restriction maps of cDNA and genomic DNA for mouse,-globin shows that the gene has two introns that are not present in the cDNA.The exons can be aligned exactly between cDNA and gene.,通过比较,cDNA,与基因组,DNA,的限制性核酸内切酶图谱，也可以分析内含子的数量。,The ovalbumin gene,shown here,has introns A to G and exons 1 to 7 and L(L encodes a signal peptide sequence that targets the protein for export from the cell).About three-quarters of the RNA is removed during processing.Pol II extends the primary transcript well beyond the cleavage and polyadenylation site(“extra RNA”)before terminating transcription.Termination signals for Pol II have not yet been defined.,Overview of the processing of a eukaryotic mRNA,3.2.5.2,断裂基因的分子进化,在真核生物的进化过程中，断裂基因的比例在逐渐增加。,低等真核生物酿酒酵母中的大多数基因是连续的。在高等真核生物中，开始出现长基因，蝇类和哺乳动物基因很少小于,2kb,，大多数长度在,5,100kb,，含有几个到几十个内含子。但当基因的长度大到一定程度后，,DNA,的复杂性与生物的复杂性之间开始失去对应关系。例如，虽然属于同一个门，家蝇细胞的,DNA,总量却是果蝇的,6,倍。在,较高等的真核生物中，基因大小主要取决于内含子的长度，与外显子的大小和数目关系不大。,动物细胞的内含子一般为,80,100kb,，平均,1127bp,，有保守的分支点序列及多聚嘧啶区段。植物细胞的内含子较短，一般为,80,2000bp,，平均,183bp,。,DHFR,（二氢叶酸还原酶）有一个较大的基因，由,6,个外显子组成，相对应,mRNA,长度为,2000bp,，但是它的,DNA,序列却十分长，这是由于它的内含子非常长的缘故，在三种哺乳动物中，外显子基本保持一样，内含子的相对位置也不改变，但长度变化却非常大，这就导致了基因长度范围为,25,31kp,。,Mammalian genes for DHFR have the same relative organization of rather short exons and very long introns,but vary extensively in the lengths of corresponding introns.,在基因的进化中，可能发生,外显子的复制,，结果在结构基因内出现了重复序列。在鸡的胶原蛋白质基因中，一个,54bp,的外显子多次重复，某些外显子累积突变，失去编码功能，就可能转化为内含子。,外显子作一种功能模块，可以组装到不同的基因内。,因此，在基因进化中，经常发生着外显子在不同基因之间的复制、迁移和吸纳。例如，在多种脱氢酶的基因内，均有几乎相同的与辅酶结合或脱氢酶催化区域功能有关的外显子结构。另一个典型的例子是人类低密度脂蛋白质,(low density lipoprotein,LDL),受体与其他蛋白质之间的关系。,LDL,受体基因由,18,个外显子构成，中间的几个外显子也出现在生长因子前体的基因内，其,N,端的几个外显子也为血蛋白质互补因子,C9,编码。,The LDL receptor gene consists of 18 exons,some of which are related to EGF precursor and some to the C9 blood complement gene.Triangles mark the positions of introns.Only some of the introns in the region related to EGF precursor are identical in position to those in the EGF gene.,LDL,（低密度脂蛋白）受体基因的中心部分的一系列外显子和,EGF,（表皮生长因子）前体基因同源，在其,N,端的外显子序列和血蛋白补充因子,C9,的基因同源，这说明,LDL,基因中一系列不同功能的组份组合而具备了新的功能，而这些组份也存在于别的蛋白中。,产生新基因的另一种方式是某些,内含子插入,到外显子内，使外显子变得更小，或将,内含子切除,，使外显子变得更大。例如，珠蛋白超家族包括血红蛋白,(hematoglobin),、肌红蛋白,(myoglobin),和豆血红蛋白,(leghemoglobin),，以及其它血红素结合蛋白。血红蛋白分子是由,2,个,-,珠蛋白和,2,个,-,珠蛋白分子构成的四聚体。肌红蛋白为单体，结构类似于珠蛋白。豆血红蛋白类似于肌红蛋白，可能是珠蛋白相关基因的共同祖先。肌红蛋白和珠蛋白基因内第,2,外显子负责与血红素结合，而豆血红蛋白不同于珠蛋白和肌红蛋白，它的基因有,3,个内含子，其中第,2,内含子把血红素结合域的外显子又分隔成,2,个外显子。可能的进化途径是，豆血红蛋白丢失内含子，使珠蛋白或肌红蛋白的两个外显子融合成了一个。,The rat insulin gene with one intron evolved by losing an intron from an ancestor with two interruptions.,哺乳动物（除了啮齿类）和鸟类编码胰岛素的基因是由同一基因演化分离而来的。鸡的胰岛素基因有,2,个内含子，大鼠的其中一个基因与之有相同的结构。这个共同性说明胰岛素最初有,2,个内含子，而大鼠的另一个基因只含有,1,个内含子，说明它在演化过程中首先进行复制，然后从一个拷贝中精确地移去了一个内含子。,原始的鱼类只有一种珠蛋白链，硬骨鱼和两栖类有连锁的,基因和,基因，说明在大约,5,亿年前,硬骨鱼进化期间，珠蛋白祖先基因倍增，并变异形成了,基因和,基因。哺乳类和鸟类是在约,3.5,亿年前同两栖类分开的，,基因和,基因的分开应在此之前，也许发生在,2.7,亿年前,(,图,3-7),。随后，突变引起的趋异进化形成了,基因簇和,基因簇的各个成员。,和,珠蛋白基因间置换位点的差别是,3.7%,，单位进化时间，即产生,1%,差异所需的百万年数为,10.4,，估算趋异的时间为,10.4,3.7,百万年,，,大约在,4000,万年前。,和,基因间置换位点的趋异度为,9.6%,，估算趋异的时间大约在,1,亿年前,(,图,3-8),。,Actin(,肌动蛋白,)genes vary widely in their organization.The sites of introns are indicated in purple;the number identifies the codon interrupted by the intron.,根据内含子的保守序列组分、二级结构以及剪接机制可将其分为,4,种类型。,I,型内含子,主要出现在细菌、真菌线粒体和低等真核生物的,rRNA,基因中，估计出现于,35,亿年前，主要特点是具有自我剪接能力。,II,型内含子,的特点是转录初始产物自我剪接时，能形成套索结构,(lariat),，可能与,I,型内含子同时或稍后出现。,III,型内含子,存在于大多数真核生物编码蛋白质的基因中，其,RNA,产物在剪接时需要有酶和蛋白质的参与，应在真核生物出现之后，即,7,亿,10,亿年出现。,IV,型内含子,出现在,tRNA,中，剪接时，由内切酶切除内含子，连接酶连接外显子，应在真细菌和真核生物分化之前，即大约,17,亿年前出现。,内含子比外显子变化快,用重复基因的内含子片段和外显子片段分别作探针，进行分子杂交实验发现，重复基因之间的外显子序列着很大的同源性，但内含子序列几乎没有同源性。说明在进化过程中，相关基因的,内含子比外显子变化快得多,。虽然突变以相同的频率发生在外显子和内含子上，但发生在外显子上的突变将使基因编码的产物丧失功能，导致生物体无法通过自然选择，这种突变就被淘汰了。而内含子由于没有编码功能，可以自然的累积各种突变，导致它产生了较大的变化。,外显子的差异主要由于碱基替代造成的，在被翻译的序列内，若突变会引起,AA,序列的改变，则相应的生物可能在进化中被淘汰。许多保留下来的变化并未影响密码子的含义，因为这些发生变化的碱基常是密码子的第三个碱基，或在非翻译序列（如,5,-,端和,3,-,端序列）中。,而在内含子中，序列变化多是由于碱基插入或缺失或替换造成的。内含子演化的速度比外显子快得多，不同物种相同基因相比较，有时发现外显子是同源的，而内含子却有很大差异。,在内含子、外显子中,突变速率是相同的,，但,外显子,通过,自然选择,不易保留突变，而内含子由于不编码,AA,，可以自由地发生突变，通过不断积累最终导致巨大差别，这种差异也说明了内含子不具备序列特异性这个特征。,3.2.5.3,断裂基因的生物学意义,(1),增加基因表达产物的多样性,-RNA,选择性剪接,(2),促进重组,(3),增加基因组的复杂性,(4),有些内含子含有可读框,(ORF),(5),有些内含子含有部分剪接信号,(6),有些内含子对基因表达有影响,3.3,基因组,3.3.1,基因组的概念,基因组,(genome),指的是细胞或生物体全套染色体中所有的,DNA,，包括所有的基因和基因之间的间隔序列。,原核生物基因组就是其细胞内构成染色体的,DNA,分子，,真核生物的核基因组是指单倍体细胞核内整套染色体所含有的,DNA,分子。核基因组,+,细胞器基因组（动物细胞线粒体基因组 偶或植物细胞的叶绿体基因组。,物种,基因组大小（,bp,）,基因数目,平均外显子数,平均基因长度,(kb),平均,mRNA,长度,(kb),大肠杆菌,4.210,6,4 288,0,1,0.95,酵母,1.310,7,6 100,1,1.4,1.4,果蝇,1.410,8,13600,4,11.3,2.7,哺乳动物,3.310,9,约,30 000,7,16.6,2.2,表,3-2,不同生物的基因数目和大小,表,3.2,总结了一些生物体的平均,基因大小,，可以看出从低等到高等真核生物的,mRNA,的平均大小略有增加，而平均外显子数目则明显增加。可见，真核生物基因的,大小,在很大程度上,取决于内含子的数目和长度,。,真核生物单倍基因组所包含的全部,DNA,量是相对恒定的，称该物种的,C,值,(C-value),。随着生物的进化，生物体的结构和功能越复杂，其,C,值就越大。,另一方面，生物体复杂性和,C,值之间的关系也有令人不解的现象。一些物种,C,值的变化范围很窄，如鸟类、爬行类和哺乳动物各门内,C,值的变化范围只有约,2,倍。但大多数昆虫、两栖动物和植物的,C,值可以相差数十倍乃至上百倍。突出的例子是肺鱼和百合属植物，具有比人类大得多的,C,值，两栖动物,C,值小的在,10,9,bp,以下，大的则高达,10,11,bp,，而哺乳动物的,C,值均为,10,9,bp,数量级。真核生物的,C,值与生物体复杂性之间对应关系的的反常现象称,C,值悖理,(C value paradox),。,3.3.2,病毒的基因组,病毒的,基本结构,是由外壳蛋白质包裹着里面的遗传物质核酸。病毒进入活的易感宿主细胞后，以其基因组核酸为模板，借助于宿主细胞本身提供的原料，消耗宿主细胞的能量，以自我复制的方法进行繁殖。,根据病毒基因组的,核酸类型,，将病毒分为,DNA,病毒和,RNA,病毒。根据,宿主,的不同，病毒又可分为动物病毒、植物病毒和噬菌体。不同类型的病毒，有不同的复制方式。,病毒是分子生物学研究中的重要模式物种。,3.3.2.1,病毒基因组的一般特点,病毒核酸的大小仅为细菌基因组的,0.1%,10%,，病毒基因组具有以下结构特点：,(1),基因组很小，只能编码少数的蛋白质。有基因重叠，即同一个,DNA,序列可以编码,2,种或,2,种以上的蛋白质。,(2),病毒基因组可以由,DNA,或,RNA,组成，但一种病毒不会既含有,DNA,，又含有,RNA,。核酸的结构可以是单链或双链、闭合环状或线状分子。,(3),基因之间的间隔序列,(spacer sequence),非常短，非编码区只占基因组的很小部分。,(4),功能上相关的基因一般集中成簇，转录产物一般多为顺反子,mRNA,，之后加工成各个蛋白质的,mRNA,。,(5),噬菌体的基因是连续的，但大多数真核细胞的病毒都含有不连续基因。除正链,RNA,病毒外，真核细胞病毒的基因一般先转录成,mRNA,的前体，再经剪接才能成为成熟的,mRNA,。所以，真核细胞病毒基因的特性更像真核生物基因。,3.3.2.2,病毒的核酸,病毒的,DNA,多数为,双链结构,(dsDNA),，如腺病毒。也有,单链,DNA(ssDNA),，如微小病毒科的病毒。,病毒的,RNA,多数为单链线状,结构，,少数呈双链,结构。不少,RNA,病毒,含有多个,RNA,片段,，例如呼肠孤病毒,(reovirus),有,10,个双链,RNA,片段，轮状病毒有,11,个双链,RNA,片段，流感病毒有,8,个单链,RNA,片段。如果病毒的单链,RNA,可直接作为,mRNA,，则称为,正链,RNA,。若病毒以其,RNA,链的互补序列作为,mRNA,，则称为,负链,RNA,。负链,RNA,病毒感染宿主细胞后，需要合成与其基因组,RNA,互补的,RNA,，这一过程由,依赖于,RNA,的,RNA,聚合酶,(RNA-dependent RNA polymerase),催化，但此酶在宿主细胞内不存在，而是由病毒颗粒携带的。因此，只有用完整的负链,RNA,病毒颗粒感染宿主细胞，才能复制病毒。,positive,strand,virus,negative strand virus,噬菌体,3.3.2.3 ,噬菌体的基因组,噬菌体的基因组大小为,4.8510,4,bp,，包括,46,个基因，分为头部基因、尾部基因、调控,(,免疫,),区、复制控制区和晚期基因调控区等区域,(,图,3-9),。,噬菌体依赖宿主细胞的,RNA,聚合酶合成,3,组,RNA,产物，有两种不同的结果，即裂解生长和溶原性反应。用外源,DNA,替代,噬菌体基因组内与溶原化有关的基因区段,(,如整合基因,int,、切离基因,xis,和附着位点,att,等,),，,可构建重组,DNA,分子,，在基因工程和基因文库构建方面有广泛的应用。,3.3.2.4,X174,噬菌体基因组,X174,噬菌体基因组是单链环状,DNA,，含,5386,个核苷酸。共,11,个基因，构成,3,个转录单元，从,3,个转录启动子,Pa,、,Pb,和,Pd,分别开始转录基因,A,、,B,和,D,。在基因,A,和,H,之间有一强终止信号，所有转录均可在此位置终止。在基因,J,和,F,之间有一个弱终止信号，部分转录在此位置被终止，一部分,mRNA,继续转录到基因,H,结束。基因,D-(E)-J-F-G-H,都转录在同一条,mRNA,分子上,(,见图,3-4),。,X174,噬菌体,11,个基因的蛋白质产物都已被分离，蛋白质编码的总长度超过了,DNA,编码容量。将蛋白质的一级结构与,DNA,全部序列进行比较，发现,X174,噬菌体基因组内存在部分,基因重叠,。,3.3.2.5 SV40,病毒基因组,SV40,病毒,(simian vacuolating virus 40,SV40),最初是在猴肾细胞中分离出来的，能引起人的培养细胞转化，在仓鼠和人体内可致肿瘤。,SV40,基因组只有,5,个基因，要完全依靠哺乳动物细胞内的系统进行它的,DNA,复制和基因表达。因此，常用,SV40,病毒作为模式生物，研究真核生物的基因表达，和病毒致癌的机制。,SV40,病毒的启动子和增强子被,广泛用于真核生物基因表达载体的构建,。,SV40,病毒的外壳是二十面对称体的球状颗粒，中心包含有全长,5243bp,的双链环状,DNA,。,DNA,与组蛋白相连，形成,24,个核小体，称为微小染色体，是真核细胞染色质的最小模型。,T,抗原和,t,抗原基因以逆时针方向转录，发生在,DNA,复制之前，称为,早期,基因及早期转录。,Vp1,、,Vp2,和,Vp3,基因以顺时针方向转录，发生在,DNA,复制之后，称为,晚期,基因和晚期转录。在早期和晚期基因之间是,SV40,基因组的,调控区,，约,400bp,，这个区域内的早期和晚期基因调控序列及,DNA,复制起位点等大部分序列都被重叠使用。,此外，早期的,T,抗原和,t,抗原为基因重叠，,t,基因完全在,T,基因之内，并通用共同的起始密码子。这种基因的重叠结构与基因表达调控有关，能保证两个连续的基因在转录和翻译水平上偶联协调，进行有效的翻译。,SV40,载体基因组只有,5243bp,，序列已确定，基因组为共价闭合环,DNA(cccDNA),，酶切图谱及各种功能的基因定位均已详细了解。病毒,DNA,较易制备，但是，用,SV40,重组病毒转染细胞时，随着病毒的繁殖，细胞会裂解，这对基因工程中的应用是很不理想的。,SV40 DNA,分子小，插入的,DNA,不能大于,2500bp,。,SV40 DNA,的早期功能区插入外源,DNA,，存在致癌的隐患，为此，人们对病毒载体进行了改造，同时插入,tk,dhfr,neo,cat,等标记基因，构成了适用于不同目的的,表达载体,。,pSV,载体就是以,SV40,为基础构建的一群载体的总称。,蛋白质,合成时间,功能,T,抗原,早期,启动,DNA,复制,t,抗原,早期,未知,VP1,晚期,主要的病毒外壳蛋白,VP2,晚期,次要的病毒外壳蛋白,VP3,晚期,次要的病毒外壳蛋白,3.3.2.6,腺病毒基因组,腺病毒,(adenovirus,Ad),是一种无外壳的双链,DNA,病毒，基因组长约,36kb,，衣壳（,capsid,）呈规则的,20,面体结构，直径约,80-110nm,。,以病毒,DNA,开始复制为分界线，按转录时间的先后，将腺病毒基因大致区分为早期（,E14,）和晚期转录单位（,L15,）。各种腺病毒基因又可以进一步地分为更小的转录单位，如,E1,区可以进一步分为,E1A,和,E1B,，每个转录单位都至少有一个独特的启动子。病毒的两条链均有编码功能。,腺病毒易于培养纯化，其基因组为线性双链,DNA,，可插入较大的外源,DNA,片段，最大的可达约,7kb,，且可在宿主细胞内大量扩增，宿主细胞范围广泛，,可用于基因工程和基因治疗,。不足之处是,Ad,在细胞内复制时可大量释出壳体蛋白质，容易引起宿主细胞介导的免疫反应，使转导的细胞遭到免疫攻击而被破坏。,逆转录病毒属于正链,RNA,病毒，其主要的结构基因有种群特异性抗原,(group specific antigen,gag),，聚合酶,(polymerase,pol),和被膜蛋白质,(envelope,env),，两端有长末端重复序列,(long terminal repeat,LTR),，,5,-,端有帽子结构，,3,-,端有,polyA,。,3.3.2.7,逆转录病毒基因组,人类免疫缺陷病毒,(HIV),颗粒是至今发现的最复杂的逆转录病毒。,HIV,的基本形态与其它逆转录病毒相似，有核心部分，衣壳和包膜等,3,种主要结构。核心部分含两个单股正链,RNA,基因组，两个单体在,5,-,端由氢键相连。每个,RNA,基因组长,9.2kb,，基因排列顺序为,5,-LTR-gag-pol-env-3,-LTR,，除上述,3,个结构基因外，还有,tat,rev,nef,vif,vpr,和,vpu 6,个调节基因，编码,6,种调控蛋白质，这在逆转录病毒中较少见。,HIV,的基因编码区域有许多重叠，除基因,tat,和,rev,两侧含有内含子外，大多数基因无内含子，最大限度地利用了有限的,RNA,序列,(,图,3-11),。,HIV,的结构及其与宿主细胞的附着,3.3.3,原核生物的基因组,原核生物的细胞内没有明显的细胞核形态，其遗传物质均为,DNA,，与蛋白质结合形成,类核,(nucleoid),，基因组大小在,10,6,bp,以上。在双链,DNA,的两条链上都有基因的编码序列。除类核构成的主基因组外，原核生物还有许多独立的,DNA,小分子，称作,质粒,。,3.3.3,原核生物基因组,Prokaryotic genome,以细菌为代表讲述，有称,bacteria genome,。细菌对医学分子生物学有重要贡献，是基因工程研究的主要材料之一。因为：,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.,与人类有共同的分子生物学规律，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“,基因工程主要原因的工程菌，因为基因工程的主要工作是克隆克核基因在原核系统中表达。,3.3.3.1,、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。,其,DNA,是与蛋白质结合，但并不形成染色体结构，只是习惯上将之称为染色体。细菌染色体,DNA,在胞内形成一个致密区域，即类核（,nucleoid,），类核无核膜将之与胞浆分开。,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。（见第六章）,4.,结构基因无重叠现象，,基因组中任何一段,DNA,不会用于编码,2,种蛋白质。,5.,基因序列是连续的，无内含子结构。,6.,非编码,DNA,所占比例很少,，,基因组中的,重复序列,很少。编码蛋白质结构基因多为单拷贝，但编码,rRNA,的基因往往是多拷贝的，这有利于核糖体的快速组装。,.,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。,.,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（,structure gene,）、终止子（,terminator,）。（见第六章）,DNA from a lysed,E.coli,cell.,In this electron micrograph several small,circular plasmid DNAs are indicated by white arrows.The black spots and white specks are artifacts of the preparation.,E,.,coli,细胞内的,DNA,形成大量的双链环状结构，每个环平均,40 kb,，形成超螺旋结构，底部固定在蛋白质上，形成独立的结构域。整个基因组,DNA,约有,100,个左右这种小的结构域。由于每个小结构域相对独立，不同小结构域内的启动子对基因表达的调控有不同的敏感性。,3.3.3.3,细菌的自主遗传物质质粒,质粒,是细菌染色体外的可以自主复制的,DNA,分子，大多数为环状超螺旋双链,DNA,，称为共价闭合环状,DNA,。,质粒是双链的,DNA,分子，大小在,1200kb,之间，和病毒不同，它们没有衣壳蛋白（裸,DNA,）,3.,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，,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：,Amp,r,酶，水解,-,内酰胺环,解除氨关毒性,使细菌抗氨关。,Tet,r,膜