基因-的结构和功能讲课教案.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,*,单击鼠标编辑标题文的格式,单击鼠标编辑大纲正文格式,第二个大纲级,第三个大纲级,第四个大纲级,第五个大纲级,第六个大纲级,第七个大纲级,第八个大纲级,第九个大纲级,*,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,*,基因 的结构和功能,1,、基因的概念和特征,基因概念的发展,基因（,Gene Mendelian Factor,），,也称为遗传因子，是控制性状的基本遗传单位（,突变单位、重组单位和功能单位,），是指线性排列在染色体上的，携带有一定遗传信息，具有一定结构，并能进行自我信息复制与传递，控制,生物个体性状表现的,一段,DNA,或,RNA,序列,常常称为“染色体基因”。,1.1,基因的定义,M Snyder,M Gerstein(2003),Science,300:258-60,A.,基因座,（,Gene Locus,）：,基因在染色体上的特定位置。,B.,等位基因,（,Alleles,）,：,同源染色体上占据相同座位、具有不同形式的基因。,C.,纯合子,/,体,（,Homozygous/Homozygotes),：,同一基因座位上，具有两个相同等位基因的基因型，称为纯合子，其对应细胞或个体称为纯合体。,D.,杂合子,/,体,（,Heterozygous/Heterozygote),：,同一基因座位上，具有两个不同等位基因的基因型，称为杂合子，其对应细胞或个体称为杂合体。,E.,显性基因,(Dominant Genes),：,杂合体中，表现为显性性状的基因。,F.,隐性基因,(Recessive Genes),：,杂合体中，表现为隐形性状的基因。,基因相关遗传术语,了解知识,E.,复等位基因,(Multiple Alleles):,在群体中，同一基因座上具有三个或三个以上的等位基因。,F.,拟等位基因,(Pseudo Alleles),：在功能上密切相关、在位置上又邻接的几个基因。,F.,突变型基因,(Mutant Genes),：同一基因座位，等位基因直接或间接地由野生型基因突变产生的基因。,G.,野生型基因,(Wild-type Genes):,在自然群体中占有多数的（视为正常的）等位基因。,H.,复合基因,(Complex Genes):,在作用上有关的几个基因排列在一起，构成一个基因复合体或基因簇。,了解知识,了解知识,三大特点：,自我复制（半保留复制）：,是生物得以繁衍，保证物种稳定，保持生物的基本特征。,基因决定性状：,能够突变,1.2.,基因的特点,蛋白,/,酶,能够突变,www.shigen.nig.ac.jp,致死突变,非致死突变,物种进化,致病突变,新物种,遗传病,此外，,不同物种，其基因大小不同。,总的来说，低等生物的基因小，高等生物的基因（通常含大量的内含子或重复序列）大。即使在同一生物内，不同基因大小不同。,原核生物：,基因数目少，结构简单、紧凑，常具有操纵子结构，序列利用效率高，易突变，大多为多顺反子。,真核生物：,基因数目很多，结构复杂，常含重复序列和非编码序列，机制复杂，相对稳定，大多为单顺反子。,结构基因,-,编码蛋白和酶分子结构（蛋白基因）；,调控基因,(Regulatory Gene)-,调节结构基因表达，包含调节基因、操纵基因和启动基因；,转录而不翻译的基因（,RNA,基因）：,rRNA,基因,rRNA,核仁形成区，核糖体组成。,tRNA,基因,tRNA,转运氨基酸。,1.3基因分类,按功能,看家基因,(House-keeping Gene),:,维持细胞最低限度功能所不可少的基因,如编码组蛋白基因、编码核糖体蛋白基因、线粒体蛋白基因、糖酵解酶的基因等。这类基因在所有类型的细胞中都进行表达。,必需基因,(,Essential Gene,):,突变时会引起致死表型的基因,.,按重要程度,按物种,原核基因；,病毒基因；,真核基因,按拷贝数,单拷贝基因,(,多出现在原核和病毒,),；,多拷贝基因,；,2,、基因序列及链特征,基因核酸链的化学组成：核苷,+,磷酸,O,C,O,H,H,1,2,3,4,5,脱氧核苷,-H,2,HO-,OH,O,碱基,A,G,C,T,A,G,C,U,P,O,O,-O,O,磷酸核苷（NMP）,-D-2-核糖（戊糖）,核苷,P,O,O,-O,5,3,了解知识,核苷,腺嘌呤,A,鸟嘌呤,G,了解知识,1,6,9,3,2,4,5,8,7,1,6,9,3,2,4,5,8,7,了解知识,胸腺嘧啶,T,胞嘧啶,C,1,6,4,5,3,2,尿嘧啶,U,1,6,4,5,3,2,1,6,4,5,3,2,1,2,3,4,5,了解知识,双链,DNA(Double-stranded Genomic DNA),5-ATGGTTTCCCAATTATTCGAAGAAAAAGCTAAAGCC-3+or sense strand,（正义链）,3-TACCAAAGGGTTAATAAGCTTCTTTTTCGATTTCGG-5-or antisense strand,（反义链）,基因核酸链,的极性,了解知识,了解知识,两类核酸的基本化学组成比较,脱氧核糖核酸,(DNA)-,核糖核酸,(RNA),核苷酸及相应的核苷、碱基名称中英文对照表,了解知识,单链,DNA/RNA,（,Single Stranded DNA,，,ssDNA/RNA),单链线性,DNA/RNA,（,Single Stranded Linear DNA/RNA,）,单链环状,DNA/RNA,（,Single Stranded Circular DNA/RNA),双链,DNA/RNA,（,Double Stranded DNA,，,dsDNA/RNA,）,双链线性,DNA/RNA,（,Double Stranded Linear DNA/RNA,）,双链环状,DNA/RNA,（,Single Stranded Circular DNA/RNA),共价闭合环状,DNA,（,Covalently Closed Circular DNA,，,cccDNA,）,共价闭合环状双链,DNA,质粒（,Plasmid,）,DNA/RNA,链的形式,DNA,分子由,两条反向平行,多核苷酸链围绕同一中心轴构成的,双螺旋,结构。双螺旋表面形成大沟和小沟,双螺旋直径,2nm,，碱基平面垂直于螺旋纵轴,两条链都由磷酸和脱氧核糖以,3,，,5-,磷酸二酯键,相连而成，它们位于螺旋的外侧。嘌呤碱基与嘧啶碱基位于螺旋的内侧，糖基平面与碱基平面相垂直,两条多核苷酸链依照,碱基互补配对,的原则形成的氢键相连接：,A-T,间形成两个氢键；,G-C,间形成三个氢键,3.4nm,右手双螺旋模型要点,2nm,5,3,3,5,了解知识,A-DNA,：,右手螺旋，,DNA,与,RNA,混合配对时,B-DNA,：,Watson-Crick,模型，右手螺旋，生理条件下最稳定的结构,Z-DNA,：,左手螺旋,Triple Helix DNA,：,两股碱基按,Watson-Crick,方式配对，第三股多聚嘧啶（镜像重复）通过,TAT,和,CGC+,配对,DNA,链结构多样性,A-DNA,B-DNA,Z-DNA,三股螺旋,了解知识,DNA,序列中以某一中心区域为对称轴，其两侧的碱基对顺序正读和反读都相同的双螺旋结构,。即对称轴一侧的片段旋转,180,后，与另一侧片段对称重复。,回文结构能形成,十字结构和发夹结构。,回文结构,存在于同一股上的某些,DNA,区段的反向重复序列。此序列各单股中没有互补序列，不能形成十字型或发夹结构。,镜像重复,AATTC,AAGGGAGAAGTA,ATGAAGAGGGAA,GGAT,TTAAG,TT,CCC,T,CT,T,CAT,TAC,T,T,CT,CC,C,T,T,C,CTA,DNA,双螺旋结构进一步盘曲形成的复杂的超螺旋结构：,线状,DNA,形成的纽结；,超螺旋和多重螺旋；,环状,DNA,形成的结；,超螺旋,连环,.,DNA,三级结构,线状,DNA,形成的超螺旋,环状,DNA,形成的超螺旋,约,200,个碱基对的,DNA,和包括,H1,H2A,，,H2B,，,H3,，,H4,在内的,5,种组蛋白结合在一起所构成。,DNA,四级结构,长约,140bp,的,DNA,分子绕核心部位,1,圈,核小体,核小体和染色质,核小体构成,染色质丝,RNA,链结构多样性,IGC,GCG,5,3,mRNA,rRNA,3,、真核生物的基因结构及其功能,所有含细胞的,(,单细胞或多细胞,),生物的总称，包括动物、植物、真菌和原生动物。,特点：,均含有细胞核（核遗传）和其他细胞器,（核外物质遗传,/,胞质遗传,/,母系遗传），如线粒体或叶绿体，有细胞骨架,基因编码区不连续,单顺反子（一个基因序列编码一种产物）,基因内部存在大量重复序列,多拷贝基因,基因间大小差异大,表达调控较复杂,3.1,真核生物基因结构,(Eukaryotic Gene Structure),启动子,Promoter,外显子,Exons,内含子,Introns,增强子,Enhancer,(Optional),开放阅读框,ORF,基因,间隔区,基因,间隔区,终止子,Terminator,3-UTR,加尾信号,PolyA,结构基因,5,上游区,侧翼序列,/,调节序列,/,顺式调控元件,3,下游区,侧翼序列,/,调节序列,/,顺式调控元件,转录起始点,5-UTR,断裂基因,(Richard J.Roberts&Phillip A.Sharp,1993,）,指基因编码区域的不连续性，是真核基因的结构特点，即基因的外显子被内含子间隔成不连续、按顺序镶嵌排列在基因的,ORF,区域（外显子和内含子交替出现，每个内含子具有,5-GT-AG-3,边界序列）,.,内含子,外显子,内含子,外显子,Open Reading Frame,GT,GT,GT,AG,AG,AG,外显子,A.,并非所有基因都是断裂基因：,如组蛋白基因和干扰素基因等。在单细胞真核生物中，其多数基因编码区是连续的，非断裂。,B.,断裂基因是基因选择性剪接的结构基础：,一个简单基因编码不同蛋白。人类基因,35%,的基因存在选择性剪接。,C.,断裂基因具有生物演化意义,：,1,）不同外显子,不同,功能域蛋白,2,）外显子的不同组合,新蛋白,3,）同一基因外显子的不同剪接,功能有别的蛋白,4,）外显子间隔有利于基因重组和演化，防止或减少突变,启动子,启动子,(Promoter),位于结构基因,5,端转录起始点上游的大约,100-200bp,范围内，并有若干具有独立功能的,DNA,序列元件，每个元件约长,7,30bp,，序列本身不被转录，是,RNA,聚合酶,特异性识别和结合的一段,DNA,序列,，能控制基因表达（转录）的起始时间和转录程度。,注意：启动子包含转录起始点，内部还有精细的序列结构，其本身不能影响和控制转录起始时间和转录程度，而是通过与转录因子,(Transcription factor),蛋白质结合互作发生作用。,转录起始点,(5-9bp),，,常见序列为,CAT,（原核），第一个转录通常为,G/A,5-UTR,-10,-35,转录起始位点上游大约,10/25bp,和,35/70bp,处有两个共有序列（,Consensus Sequence,），称为,-10,和,-35,序列,(,分别控制转录起点和频率,),。共有序列只有少数几个核苷酸有差异，能影响,RNA,聚合酶与启动子的相互识别。,TTGACATATATT,AATGTGTGGAAT,Pribnow box,（原核）,Hogness box/TATA box,（真核）,-80,-70,CCAAT,(,真核）,-30,-25,TATAAAAG,(,真核,),GCCACACCC,/GGGCGGG,-110,-80,GC box,(,真核,),TTGACA,(,原核,),TATAA,(,原核,),-10,与,-35,之间核苷酸变动数应在,15,20,强启动子,(,原核,):171,TFII,CTF,SP1,0,转录起点,核心启动子元件,（起始转录所必需的最小的,DNA,序列）转录起始点及其上游,25/,30bp,处的,TATA,盒,上游启动子元件,（,70bp,附近的,CAAT,盒和,GC,盒及更远）,TATA,框（,TATA Box,）：,一段高度保守序列,(7bp),，,TATAA/TAA/T,，位于转录起始点上游,25,30 bp,（,-30,50,）。,TATA,框与转录因子,TFII,结合，再与,RNA,聚合酶,II,形成复合物，从而准确地识别转录起始位置，对转录水平有定量效应。,CAAT,框（,CAAT Box,）,：一段保守序列,GGGC/TCAATAC,（,9bp,），位于转录起始点上游,-70,-80bp,，转录因子,CTF,识别位点并与之结合激活转录。,GC,框（,GC Box,）：,碱基序列为,GGCGGG,，有两个拷贝，位于,CAAT Box,两侧，与转录因子,SP1,结合。（,SP1,有锌指区可以与,DNA,结合，在,N,端有激活转录的作用）,GC,框有激活转录的功能。,不同的启动子序列,应答元件,(ResponsiveElements),人金属硫蛋白基因调控区域,GRE,-260 -240 -220 -200 -180 -160 140 -120 -100 -80 -60 -40 -20,BLE,MRE,BLE,TRE,MRE,GC,MRE,TATA,AP2,AP1,PIC,AP2,蛋白连接,Shock Response Element,，,HSE),、,金属应答元件,(Metal Response Element,，,MRE),、,糖皮质激素应答元件,(Glucor-ticoid Response Element,，,GRE),血清应答元件,(Serum Response Element,，,SRE),元件名称,共同序列,结合蛋白,因子名称,结合蛋白,因子分子量,结合DNA长度,(蛋白因子),TATAbox,TATAAAA,TBP,30,000,10bp,GC box,GGGCGG,SP-1,105,000,20bp,CAAT box,GGCCAATCT,CTF/NF1,60,000,22bp,Octamer,ATTTGCAT,1-Oct,76,000,10bp,2-Oct,53,000,20bp,KB,GGGACTTTCC,NFkB,44,000,10bp,ATF,GTGACGT,AFT,?,20bp,TATA,框、,CAAT,框、,GC,框,八核苷酸序列（,Octamer,）,顺式调控元件,对基因表达有调控活性的,DNA,序列，其活性只影响与其自身同处于一个,DNA,分子上的基因,。通常把顺式调控元件中的核心序列称为共有序列或一致序列（,Consensus Sequence,），包含启动子、增强子、负调控元件、应答元件和加尾信号等。,元件名称,共同序列,结合蛋白,因子名称,结合蛋白,因子分子量,结合DNA长度,(蛋白因子),TATAbox,TATAAAA,TBP,30,000,10bp,GC box,GGGCGG,SP-1,105,000,20bp,CAAT box,GGCCAATCT,CTF/NF1,60,000,22bp,Octamer,ATTTGCAT,1-Oct,76,000,10bp,2-Oct,53,000,20bp,KB,GGGACTTTCC,NFkB,44,000,10bp,ATF,GTGACGT,AFT,?,20bp,TBP,:TATA-binding protein,CTF,:CAAT box transcription factor,反式作用因子：,TBP,CTF,、,SP-l,反式作用因子,一组识别与结合顺式调控元件核心序列，进而调控靶基因转录效率的蛋白质。,它由反式作用因子基因编码，通常具有锌指结构、碱性亮氨酸拉链、螺旋,-,环,-,螺旋基元等特征，具有,DNA,结合结构域和转录活化结构域两个重要的结构域。,广谱表达型启动子；,组织特异性启动子；,肿瘤特异性启动子；,物种特异性启动子；,恶性肿瘤,转录因子调控障碍,启动子,增强子,Enhancer,启动子上游或下游的一段,DNA,序列（核心序列常为,8-12bp,），可以增强启动子发动转录，提高转录效率。,特点：,在,任意,位置都有效,无方向性,有,组织特或细胞特异性,绝缘子,jcs.biologists.org/content/122/9/1275/F4.expansion.html,嗅觉受体基因,珠蛋白基因,浓缩染色质,核仁磷酸化蛋白,CTCF:,CCCTC-binding factor,Beta,珠蛋白基因增强子,2,个串联重复,72bp,效率提高,200,倍,外显子,结构基因中，编码序列称为,外显子,(Exon),，表达多肽链部分。非编码序列称为,内含子,(Intron),。,内含子,外显子、内含子,真核基因内含子和外显子并非完全固定不变,：,如编码某一多肽链时，为外显子，而编码另一多肽链时，则是内含子。这样，同一基因却可以转录两种或两种以上的,mRNA,。,某些真核基因无内含子,：,如组蛋白基因，干扰素基因等，它们多以基因簇形式存在。此外，大多数酵母结构基因也无内含子。,5GTAG3,法则,GT,GT,AG,AG,DMD,基因,(2300kb),：,79,个外显子,+78,个内含子,D,uchenne,M,uscular,D,ystrophy(,杜氏肌营养不良症,),信使,RNA,蛋白质,信使,RNA,信使,RNA,前体,RNA,断裂,蛋白质,GeneA,腺病毒,GeneB,高等动物,非编码区,(Non-coding Rregion),不能编码蛋白质的区段叫做,非编码区,终止子,Terminator,使,RNA,聚合酶转录终止的,DNA,序列,。包含一段,回文序列、,5-AATAAA-3,(PolyA),序列及富含,GT/T,序列,。,终止子,加尾信号,5-C,C,CA,GC,CCGC,CTAATGA,GCGGGC,TTTTTTT,-3,3-GGGT,CGGGCG,GATTACT,CGCCCG,AAAAAAA,-5,DNA,回文序列,：,转录终止信号,7-20bp,阻碍,RNA,聚合酶的移动。一串,U,与,DNA,模板中的,A,的结合不稳定，从模板上脱落下来，终止转录。,5-CCCA,GCCCGC,CUAAUGA,GCGGGC,UUUUUUU-3,mRNA,5-CCCA,G,C,C,C,G,C,C,G,G,G,C,G,UUUUUUU-3,C,UA,A,U,G,A,发夹环,PolyA,：,附加信号,因子非依赖性终止子，,GC,含量高,Rho-dependentTerminator,UTR,：,Untranslated Region,终止密码,mRNA,前导区,(leader),尾区,5-UTR,:,翻译起始密码子上游,mRNA,翻译起点的鸟嘌呤核苷酸,G,（甲基化帽,CAP,）延伸至,ATG,起始密码子,能被核糖体识别结合，充当滑道的序列（,SD,序列,原核,）；,3-UTR,:,编码区末端终止密码子到多聚,A,末端。,AAUAAA,多聚腺苷酸信号,保护性蛋白,连接位点,miRNAs,连接位点,注：,3-UTR,可脱离,mRNA,单独存在，称为游离,3-UTR,侧翼序列,Flanking sequence,5,上游区,侧翼序列,/,调节序列,3,下游区,侧翼序列,/,调节序列,结构基因的第一个和最后一个外显子的外侧，不被转录的非编码区，称为,侧翼序列,。,基因的调控序列，对基因的有效表达起调控作用，包括：启动子、增强子、终止子等。,基因家族,（,Gene Family,）,基因家族：,指由某一祖先基因经过重复复制和变异所产生的一组基因，其核苷酸序列或编码产物的结构具有一定程度的同源性。,（每个基因都有自己的启动子，与操纵子不同；功能相近，利于功能发挥。）,低密度脂蛋白受体基因家族,分拣蛋白,www.mdc-berlin.de,清除血液中的脂蛋白（介导内吞作用，传递信号到靶细胞）,B.,簇集在不同染色体上,，编码功能紧密相关的一组蛋白。,胎儿期基因,胚胎期基因,成人期基因,假基因,2 1 2 1 2 1 ,G,A,珠蛋白基因,11,染色体,珠蛋白基因,16,染色体,基因家族簇集方式,A.,簇集在同一条染色体上,，可同时发挥作用，合成某些蛋白质。如组蛋白基因家族：第,7,号染色体长臂,3,区,2,带到,3,区,6,带区域内。,基因家族类型：,A.多拷贝基因家族,（彼此核酸序列相同）：rRNA家族、tRNA家族、组蛋白家族。,B.序列高度同源基因家族,（同源性80%）：人类生长激素基因家族。,C.同源功能基因家族,编码产物具有同源功能区）：src癌基因家族。,D.保守基序基因家族,（编码产物具有小段保守基序）：DEAD盒。,E.基因超家族：,指一组由多基因家族及单基因组成的更大的基因家族。,F.假基因（Pseudo gene,，,）：,多基因家族中，具有功能基因相似的基因序列，但不能产生功能性产物的基因。,来源：,复制插入突变,：,功能基因复制插入序列中，后经过突变形成非功能性基因。,反转录插入,：,自主的反转录转座元件，来源于RNA聚合酶的转录产物（由mRNA反转录为cDNA，后整合在基因组中）。它通常具有mRNA的特征（5端有mRNA分子特有的多聚腺苷Poly(A)序列）,特点：,不含内含子序列，末端有很短一段AT碱基对，两端各有一个短的正向重复序列。,假基因,（,Pseudo gene,）,假基因中可以积累许多突变，并常常同时存在三种终止密码子序列,复制插入突变,反转录插入,复制,突变,反转录,插入,4,、原核、病毒的基因结构和功能特征,真核生物与原核生物的最大区别在于出现了胞质和核质的,区域化,，使遗传信息的复制、转录与翻译在时空上完全分开。,单倍体,一条染色体,+,质粒,+,转座因子,.,原核生物基因结构,Prokaryotic,Gene Structure,操纵子（,Operon,）：,原核基因功能单位，含有,一个启动子序列,和,多个结构基因,。,指数个功能上相关的基因串联在一起，连同上游的调控区和下游的转录终止信号构成基因的表达单位。,原核生物基因结构,乳糖操纵子,（,Lactose Operon),调节序列,结构基因（,3,个）,Plac,结构基因,启动子,调节基因启动子,Pi,o,操作子：,阻遏蛋白,结合位点,i,调节基因编码区,y,渗透酶,z,半乳糖苷酶,a,转乙酰酶,调节基因,乳糖操纵子,阻遏蛋白,调节基因：,可转录翻译出调节蛋白,/,阻遏蛋白,调节操纵基因的活动,（,本身能转录出,mRNA,）,操纵基因：,位于基因启动子后或与启动子重叠,可控制邻近基因或基因群的表达及表达速度,（,本身不能转录成,mRNA),启动基因：,位于操纵基因附近，其作用是发出信号mRNA,合成开始,（,不能转录成,mRNA,）,一段,DNA,序列从原位上单独复制或断裂下来，插入另,DNA,序列位点，并调控其后基因的转录，此过程称转座（,Transposition,）。这段序列称,跳跃基因、转座子或转座元件（,Tranposable Element,）。,转座子（,Tansposon,）,Tranposable,Element,相关基因丛集,:,功能上相关的基因排列在一起,含有不规则基因结构序列,有重叠基因,病毒基因特点,重叠基因（,Overlapping Gene,）,1977,年,Sanger,在研究,X174,噬菌体时发现，有两个或两个以上的基因共用一段,DNA,序列，或一段,DNA,序列成为两个或两个以上基因的组成部分。,重叠基因有编码序列，也有调控序列：,节约碱基，参与对基因的调控。,仅见于线粒体和质粒,DNA,（,其它的生物细胞）,两基因首尾重叠：,A-K,几个基因重叠一段核苷酸序列：,A-A-B-K,E,A,A,C,D,K,B,重叠基因重叠类型,正向重复（,DR),：,5-TTCACCTCTGC-3,特点,HBV(Hepatitis B Virus),1,、基因的概念和特征,2,、基因序列及链特征,(,知识回顾与了解,),3,、真核生物的基因结构及其功能,增强子、启动子、内含子,/,外显子、终止子、,UTR,、侧翼序列、基因家族、假基因、断裂基因,4,、原核生物、病毒的基因结构及其功能,操纵子、转坐子、重叠基因,总结,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,