现代分子生物学第三章.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,*,Chapter 3,Genome and Gene,第一节 基因,一、基因概念的发展,（,一）,经典遗传学,1,、,1865,Mendel:,控制性状的因子,-,遗传因子,2,、,1909,Johannsen,提出基因（,gene,）,的概念，取代遗传因子,3,、,1910,1916,Morgan,：,将基因定位在染色体上,1,、,In,1941,Beadle and Tatum,一基因一酶学说,阐明了基因是通过对酶的控制来决定性状的,一基因一蛋白,一基因一多肽链,2,、,In 1944,，,Avery,DNA,是生物遗传的物质基础,（二）分子遗传学对基因概念的新发展,3、In 1961,Jacob and Monod,乳糖操纵子模型,（,1,）,结构基因（,structural gene,）,指可编码非调控,RNA,或蛋白质的一段,DNA,序列,血红蛋白,编码核糖体,RNA,基因,(2),调节基因,(,regulatory,gene,),指其表达产物参与调控其它基因表达的基因。,lacZ,lacY,lacA,P,lacI,P,lac,O,lac,lacI,mRNA,小 结,基因可控制生物的性状,基因位于染色体上,基因的物质基础是,DNA,（或,RNA,）,基因是通过指导合成蛋白质或,RNA,来决定性状的,基因有结构基因和调节基因之分,（三）基因概念的进一步发展,1,、,重叠基因,(,Overlapping genes),指在同一段,DNA,序列上，由于阅读框架不同或终止早晚不同，可同时编码两个以上多肽。,Sanger,（,1977,）,年发现了,174,单链,DNA,病毒中有,6,个基因是重叠的。,Overlapping genes,in phage X174,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。,采莲人在绿杨津,一阙新歌声漱玉,2,、,断裂基因（,Split Genes,）,指基因内部被一个或更多不编码顺序所隔裂,（,1,）内含子,(,intron,),：,DNA,序列中不出现在成熟,mRNA,的片段；,（,2,）外显子,(,extron,),：,DNA,序列中出现在成熟,mRNA,中的片段。,Discovery,In 1977,Roberts and Sharp,3,、跳跃基因：,Jumping Genes,(,Transposons,),存在于染色体,DNA,上可自主转移座位的基本单位，可,在同一染色体内或不同染色体之间移动,Transposons,in maize,40,年代初，,McClintock,研究玉米花斑糊粉层和植株色素产生的遗传基础时发现转座因子,4,、管家基因,(,组成,型,基因,),Housekeeping genes,：,是,那,些,(,理,论,上,),在,所,有细胞中,都,表达,的基因，因,为,其,功,能,对,任何,细胞,型,都,是,必,要,的。,（维持细胞生存不可缺少）,5,、奢侈基因（,Luxury genes,）,：,在,特殊的,细胞类,型,中大量,表达,并,编码特殊,功,能,产物的基因。,（与细胞分化有关，与组织特异性表达有关）,二、基因的定义,产生一条多肽链或功能性,RNA,所必须的全部核苷酸序列,1,、,RNA,基因（,RNA genes,）,编码功能性的,RNA,分子,RNA,产物有很多参与基因表达的调控，如,MicroRNA,2,、蛋白质编码基因（,protein-coding genes,）,（,1,）,编码区,（,coding region,）,指在翻译时对应于多肽的氨基酸序列的一段核苷酸序列,（,2,）非,编码区（,Untranslated,regions,，,UTR),能够转录但不被翻译的核苷酸序列,功能：,蛋白质合成的调控,5-UTR,；,3-UTR,ATG,5,TAA,3,3,、顺反子：,等同于基因，是编码一条完整多肽链的一段核苷酸序列。,多顺反子：,原核生物中数个结构基因常串联在一起，受同一调节区控制，转录生成的,mRNA,可编码几种功能相关的蛋白质。,lacZ,lacY,lacA,P,lacI,P,lac,O,lac,lacI,UAA,AUG,AUG,UAA.,5,3,单顺反子,：一个编码基因转录只生成一个,mRNA,分子，经翻译生成一条多肽链。,UAA,AAAA,AUG,5,3,第二节 遗传信息的传递,一、,中心法则（,The central dogma,）,In 1958,Crick,1.DNA,是自身复制的模板；,2.DNA,通过转录作用将遗传信息传递给中间物质,RNA,；,3.RNA,通过翻译作用将遗传信息表达成蛋白质。,中心法则揭示了遗传信息的传递方向，反映了,DNA,、,RNA,和蛋白质之间的相互关系。,DNA RNA Protein,Transcription,Translation,replication,二、,中心法则的挑战1,、反,转录（,Reverse transcription,）,In 1970,Baltimore and,Temin,发现,逆转录酶,（,reverse transcriptase,）,2,、,RNA,复制,3,、,RNA,编辑（,RNA editing,）,是指转录后的,RNA,在编码区发生碱基的加入，丢失或转换等现象,4,、表观遗传（,Epigenetic Inheritance,）,是指在,DNA,序列没有发生变化的情况下，基因表达的可遗传的改变,The calico phenotype shows effects of,mosaicism,of X-linked traits in female mammals an epigenetic phenomenon.,（,1,）表观遗传修饰,（,Epigenetic modification,）,DNA,甲基化,;,组蛋白修饰,;,microRNA,（,2,）,表观遗传学补充了“中心法则”忽略的两个问题,：,a,、,哪些因素决定了基因的正常转录和翻译,b,、,对基因组而言，不仅仅是序列包含遗传信息，而且其修饰也可以记载遗传信息。,5,、,朊病毒（,Prion,）,疯牛病,学名为牛海绵状脑病,(BSE),人和动物的可转移性神经退化疾病,In 1982,Prusiner,discovering,prion,PrP,C,PrP,Sc,三、修改后的中心法则,protein,DNA,RNA,replication,transcription,Reverse transcription,RNA editing,RNA replication,translation,第三节 基因组（,Genome,）,一、概述：,1,、概念：,是指细胞或生物体单倍体染色体上的所有遗传物质的总称（包括所有的遗传信息）,（,1,）细菌和病毒基因组：是指染色体上所含的全部,DNA,（,2,）,二倍体及多倍体真核生物的基因组：,一个物种单倍体所有染色体上的遗传物质的总称。,如人类基因组：包括,24,条染色体,2,、基因组大小（,Genome size,）,haploid genome,C,值,（,C-value,）：,size of the haploid genome,一种生物单倍体基因组,DNA,的总量,讨论,：,C,值大小与生物遗传复杂性是否成正相关？,C,值在低等真核生物中与遗传复杂性有一定的正相关，但在高等真核生物中却并非如此，它们的,C,值变化不定。,Insects4.7,10,7,1.2 10,7,Amphibians9.5,10,8,1.0 10,11,Flowering plants 9.5,10,7,1.2 10,11,C,值,矛盾（,C-value paradox,）,生物基因组的大小同生物在进化上所处地位的高低无关,3.,基因密度,是指每,Mb,基因组,DNA,上基因的平均数目。,生物体的复杂度与基因密度存在大致负相关的关系。,Why,？,二、真核生物基因组,（一）非编码,DNA,不编码蛋白质的,DNA,序列,（没有确定功能）,如人类：,30,亿对核苷酸，预计,10,万个基因，,实际为,22.5,万蛋白编码基因（占整,个基因组的,2%,）,内含子,基因间隔序列（功能未知）,1,、内含子,物种,基因平均,长度,平均内含子个数,/,基因,mRNA,平均长度,线虫,4kb,34,3kb,果蝇,11kb,34,3kb,人类,16kb,67,2.5kb,内含子的普遍性,不仅大多数蛋白质编码的基因有内含子,rRNA,tRNA,基因也有内含子。,大肠杆菌噬菌体,T4,胸腺嘧啶合成酶基因有内含子。,某些低等真核生物的线粒体和叶绿体基因中有内含子。,内含子的相对性,内含子有时也编码蛋白,并非真核生物所有的基因都有内含子,真核生物组蛋白基因,酵母的大多数基因无内含子,具有编码功能的内含子,：,如可移动内含子,编码,3,种蛋白质：,（,1,）内切核酸酶：能切割,DNA,上的靶序列并且,允许内含子插入,（,2,）反转录酶：以自身,RNA,为模板产生,DNA,拷贝,（,3,）成熟酶：在将特定内含子从前体,mRNA,中剪,除时起作用,内含子的移动类似转座机制,内含子的类型,（,1,）,GU-AG,内含子：真核细胞核,mRNA,前体中,（,2,）,AU-AC,内含子：真核细胞核,mRNA,前体中,（,3,）,型内含子：主要在真核细胞,核,rRNA,前体中,自我剪接,（,4,）,型内含子：细胞器,RNA,、,某些原核生物,RNA,自我剪接,内含子与进化,（,1,）特点：外显子的保守程度远高于内含子，,内含子的序列是多变的,（,2,）合理解释：,内含子序列最终不出现在,mRNA,的序列,中，即使发生改变也不会受到自然选择,的压力,（,3,）在进化上的意义,a,、,有利于生物遗传的相对稳定,b,、积累突变的内含子可能演化为新的基因,c,、扩大了生物体的遗传信息储量,2,、基因间隔序列（功能未知）,-,主要由重复序列组成,串联重复序列：如卫星,DNA,分散重复序列,：如,Alu,元件,（二）重复序列,DNA,单一序列,/,中度重复序列,/,高度重复序列,附,:,复性动力学,:,根据序列的拷贝数不同在基因组,DNA,复性过程中的复性速率不同的原理，来识别不同种类的重复序列,DNA,的一种技术。,思考,:,复性速度与基因组重复序列拷贝数的有什么关系,?,人类和,E.coli,DNA,的理想复性动力学曲线,(,一,),单一序列（,unique sequence DNA,）,基因组中只有一个或几个拷贝的,DNA,序列,（真核生物结构基因多属于单一序列）,(,二,),中度重复序列（,moderately repetitive DNA,）,基因组中重复次数在,10 10,5,之间的,DNA,序列,如,rRNA,、,tRNA,的基因，组蛋白基因,1,、,串联重复序列（,Tandem repeat sequences,）,基因簇：基因家族中一组相同或相关基因串联,排列在一起,如：,rDNA,-,基因簇重复多次,组蛋白基因（,5 genes,）,-,基因簇重复多次,2,、散在重复序列（,dispersed repetitive DNA,）,分散分布在基因组中的中等重复序列,（,1,）短散在元件,SINE,：,Alu,元件（,300,bp,）,（,2,）,长散在元件,LINE,：,L1,元件（,6500,bp,Alu,元件和,L1,元件占人类基因组的,10%,功能：没有被证明有功能,（三）高度重复序列（,highly repetitive DNA,）,基因组中重复次数超过,10,6,的,DNA,序列,卫星,DNA,（,Satellite DNA,）,1,、,概念：真核生物基因组中,由许多短的基本重复单位构成的连续重复的一种高度重复序列。,短,重复单位：,2bp,至,2030bp,5 ATAAACTATAAACTATAAACT 3,3 TATTTGATATTTGATATTTGA 5,果蝇的卫星,DNA,重复单位,n,密度梯度离心，卫星,DNA,与其他,DNA,分开。形成两个峰：较大的主峰和高度重复序列小峰,Buoyant density,Optical absorbance,Mouse DNA/CsCl,Main,band,satellite,2,、特点：,GC,含量低，因而具有较低的浮力密度,3,、位置：卫星,DNA,位于着丝粒部位,是异染色质的组成成分,4,、功能：没有被证明有功能,5,、微卫星,DNA(,microsatellite,DNA),简短串联重复,-STR,特点：,（,1,）重复单位长度在,2,6bp,之间,（,2,）较为平均地沿染色体分布,6,、小卫星,DNA(,minisatellite,DNA),可变串联重复,-VNTR,特点：,（,1,）,拷贝数具有高度可变性,2,）重复单位长度在,15,65bp,之间,（,3,）一般出现在染色体的末端,DNA fingerprinting,GGGCAGGAXG,CCCGTCCTXC,Progeny,Parents,5,6,7,8,9,（三）基因家族,一个祖先基因经重复或突变所产生的功能相关,的同源基因,假基因：基因家族中因突变而失去功能的基因,基因簇：基因家族中一组相同或相关基因串联排列在一起而形成,如,rRNA,、,tRNA,和组蛋白的基因,；,孤独基因：基因家族中在独立位点上的单个基因,典型的基因家族,1,tRNA,基因,单倍体人基因组中,1300,个,tRNA,基因,，,tRNA,基因簇,2,rRNA,基因,l00copy,rRNA,基因簇,(,重复单元,:,28S,、,18S,、,5.8s-rRNA),3,组蛋白基因,30-40copy,组蛋白基因簇,(,重复单位：,H1,，,H2A,，,H2B,，,H3,、,H4),特点：无,intron,，,Poly(A)-RNA,4,珠蛋白基因,（四）,DNA,的多态性,DNA,序列发生变化而导致的个体间核苷酸序列的差异,1,、,RFLP,（限制性片段长度多态性）,DNA,序列上的微小变化，甚至,1,个核苷酸的变化，也能引起限制性内切酶切点的丢失或产生，导致酶切片段长度的变化,2,、,DNA,重复序列多态性（,RSP,）,表现为重复序列拷贝数的变异,（1,）小卫星,DNA,：（可变串联重复,-VNTR,）,重复单位长度在,15-65,个核苷酸左右,（,2,）微卫星,DNA,：,重复单位长度在,2-6,个核苷酸之间，又称为简短串联重复（,STR,、,STRP,或,SSLP,）。,3,、单核苷酸的多态性（,SNP,）：,分散于基因组中的单个碱基的差异，即包括单个碱基的缺失、插入和替换。,三、原核生物的基因组,特点：,1,、功能相关的几个结构基因往往串联在,起，,受它们上游的共同调控区控制，形成操纵子,2,、结构基因为多顺反子,3,、结构基因中没有内含子,4,、,DNA,大部分为编码序列,5,、重复序列不多（单拷贝基因）,6,、有重叠基因,四、病毒基因组的特点,1,每种病毒只有一种核酸，,DNA,或,RNA,；,2,病毒核酸大小差别很大；,3,除逆转录病毒外，病毒基因都是单拷贝的。,4,大部分病毒核酸是由一条双链或单链分子,(RNA,或,DNA),5,真核病毒基因有内含子，而噬菌体基因中,无内含子,6,有重叠基因,真核生物基因组,大，线状,与组蛋白结合,线粒体,/,叶绿体,单顺反子,断裂基因,split gene,一般无重叠基因,含大量非编码,DNA,大量重复序列,原核生物基因组,小,环状,裸露,DNA,质粒,plasmid,操纵子,operon,，,多顺反子,基因是连续的,有重叠基因,大部分序列都为编码,序列,重复序列不多,（单拷贝）,1990,人类基因组计划开始实施,第四节 人类基因组学研究进展,2000,公布,人类基因组工作,框架图,（,90%,）,2001,人类基因组“精细图”完成（,99%,）,2003,人类基因组序列图亦称“完成图”（,99.99%,）,2006,完成了人类,1,号染色体的基因测序图，人类,基因组计划彻底完成,Question,作业：,一、名词解释,基因组、基因、,C,值、,C,值矛盾、基因簇、基因家族、假基因、卫星,DNA,、,结构基因、调控基因、重叠基因、断裂基因、内含子、外显子、跳跃基因、管家基因、奢侈基因、表观遗传,二、简答题,简述原核生物与真核生物基因组的差异,思考题：,请区分下列术语,1,、多顺反子、基因簇,2,、重叠基因、重复序列,3,、基因家族、基因簇,4,、内含子、基因非编码区,谈谈对“一基因一条多肽链”假说的看法,真核生物基因组中含有几种类型的,DNA,序列,?,你如何设计实验来证明？,根据,DNA,复性动力学研究，,DNA,序列可以分成哪几种类型？并加以举例说明。,何谓,DNA,多态性，在遗传分析中有何应用价值？,