分子生物学核酸、基因、基因组.pdf

1第一章核酸基因基因组第一章核酸基因基因组、和、和引 言生命是物质进化的产物生命所具有的特征生命的分子逻辑生命是物质进化的产物生命所具有的特征生命的分子逻辑生命是物质进化的产物生命是物质进化的产物4.51094109310921091109年现在年现在-地球诞生最古的化石地球诞生最古的化石化学进化化学进化化学进化化学进化-生物进化生物进化生物进化生物进化-2引 言生命所具有的特征生命的分子逻辑生命所具有的特征生命的分子逻辑生命是物质进化的产物生命是物质进化的产物DNA与组蛋白及非组蛋白结合，存在于染色体中，染色体存在于具核膜的细胞核中DNA与非组蛋白结合，基因组存在于类核体中，无膜包围基因组有丝分裂，含有纺锤体或中心体二分裂细胞分裂通常较大（10-100um）通常很小（1-10um）尺度真核生物原核生物特性真核生物原核生物特性原核生物和真核生物细胞学的比较原核生物和真核生物细胞学的比较吸收或进行光合作用（绿色植物）吸收，有些进行光合作用（光合细菌）营养氧化酶类包装在线粒体中，氧化途径较单一无线粒体，氧化酶类与质膜结合，多条代谢途径能量代谢线粒体、叶绿体（植物中）、内质网、高尔基体、溶酶体等无膜包围的细胞器真核生物原核生物特性真核生物原核生物特性原核生物和真核生物细胞学的比较原核生物和真核生物细胞学的比较胞质流动、内吞作用、胞饮作用、有丝分裂、突触运输等无胞内运动复杂，有微丝（肌动蛋白）、微管及中间丝无细胞骨架真核生物原核生物特性真核生物原核生物特性原核生物和真核生物细胞学的比较原核生物和真核生物细胞学的比较3?E.coliE.coli2.4X109Da,4639Kb(1300微米),闭合环状，也编码4,288个基因。2.4X109Da,4639Kb(1300微米),闭合环状，也编码4,288个基因。?类核（nucleoid）类核（nucleoid）?支架（scafford）100个DNA环组成，每个环长40Kb，13微米。每200bp就要一个负超螺旋。支架（scafford）100个DNA环组成，每个环长40Kb，13微米。每200bp就要一个负超螺旋。第一节 核酸1.1 核酸的化学组成1.1 核酸的化学组成遗传物质必须具备哪些特点：1）在体细胞中含量稳定；2）在生殖细胞中含量减半；3）能携带遗传信息；4）能精确地自我复制；5）能发生变异。1）在体细胞中含量稳定；2）在生殖细胞中含量减半；3）能携带遗传信息；4）能精确地自我复制；5）能发生变异。41869年，F.Miescher从脓细胞中提取到一种富含磷元素的酸性化合物，将其命名为核素（nuclein）。1885-1900年间年间，Kossel、Johnew、Levene证实核酸是由不同的碱基组成的。其最简单的单体结构是碱基证实核酸是由不同的碱基组成的。其最简单的单体结构是碱基-核糖核糖-磷酸构成的核苷酸。磷酸构成的核苷酸。1929年，又确定了核酸有两种，一种是脱氧核糖核酸（年，又确定了核酸有两种，一种是脱氧核糖核酸（DNA），另一种是核糖核酸（），另一种是核糖核酸（RNA）。）。5遗传物质的发现遗传物质的发现?肺炎链球菌转化实验肺炎链球菌转化实验?噬菌体感染实验噬菌体感染实验?病毒重建实验病毒重建实验DNA和RNA的化学组成DNA和RNA的化学组成?四核苷酸假说四核苷酸假说：不同：不同DNA的成分都是相同的。的成分都是相同的。?1950年，英国科学家年，英国科学家Chargaff，发现，发现DNA的的“当量定律当量定律”。这表明什么？这表明什么？?Alfred Mirsky、Hars Ris、R.Vendrely、A.Boivin两组学者分别发现不同的生物体细胞中两组学者分别发现不同的生物体细胞中DNA的含量都是其配子中的两倍。的含量都是其配子中的两倍。1.2 核酸的结构1.2 核酸的结构DNA双螺旋模型的诞生DNA双螺旋模型的诞生Watson和和Crick建立双螺旋模型主要是受到建立双螺旋模型主要是受到4个方面的影响：（个方面的影响：（1）1938年，年，W.T.Astbury&Bell用用X衍射技术研究了衍射技术研究了DNA。1947年，拍摄了第一张年，拍摄了第一张DNA的衍射照片，并推断出的衍射照片，并推断出DNA分子结构是：柱状；多核苷酸是一叠扁平的核苷酸；核苷酸残基取向和分子长轴垂直，间距为分子结构是：柱状；多核苷酸是一叠扁平的核苷酸；核苷酸残基取向和分子长轴垂直，间距为3.4纳米。纳米。（2）1951年，年，Pauling和和Corey运用化学的定律来推理，而不作具体的实验，建立了蛋白质的螺旋模型；（运用化学的定律来推理，而不作具体的实验，建立了蛋白质的螺旋模型；（3）晶体学者）晶体学者J.Donoh&Chargaff的指点。（的指点。（4）R.Franklin&Wilkins在在1952年底拍得了年底拍得了DNA X-射线衍射照片。射线衍射照片。61951年，1951年，PaulingPauling提出了蛋白质的提出了蛋白质的-螺旋-螺旋结构结构1952年，1952年，Wilkins和FranklinWilkins和Franklin用高度定向的DNA做出高质量的用高度定向的DNA做出高质量的X-光衍射X-光衍射照片。照片。7In 1953,J.Watson,F.Crick,R.Franklin&M.Wilkins determined the structure of DNAJames Dewey Watson（1928-）Harvard University,USAFrancis Harry Compton Crick(1916-)Institute of Molecular Biology Cambridge,UKMaurice Hugh Frederick Wilkins(1916-)University of London,UK1962年，1962年，Wilkins、Watson和CrickWilkins、Watson和Crick供获诺贝尔化学奖供获诺贝尔化学奖19531953年，年，Watson和CrickWatson和Crick提出DNA的反向平行双螺旋模型提出DNA的反向平行双螺旋模型8DNA双螺旋模型的特点：DNA双螺旋模型的特点：（1）DNA分子有两条反向平行的多核酸链组成，形成右手双螺旋。（2）两条链反向平行，即两条链的方向相反。（3）糖-磷酸键时在双螺旋的外侧，碱基对与轴线垂直。（4）糖与附着在糖上的碱基近于垂直。（5）碱基配对，必须一个是嘌呤，另一个是嘧啶；（6）DNA双螺旋有大沟（major or wide groove）和小沟（minor or narrow groove）2.0 nm小沟小沟大沟大沟DNA的一级结构DNA的一级结构DNA的二级结构DNA的二级结构环形DNA的超螺旋结构环形DNA的超螺旋结构9所谓DNA的三级结构，是指在一二级结构基础上的多聚核苷酸链上的卷曲。在一定意义上，是指双螺旋基础上的卷曲。三级结构包括链的扭结和超螺旋或者是单链形成的环或是环状DNA中的连环体。所谓DNA的三级结构，是指在一二级结构基础上的多聚核苷酸链上的卷曲。在一定意义上，是指双螺旋基础上的卷曲。三级结构包括链的扭结和超螺旋或者是单链形成的环或是环状DNA中的连环体。超螺旋松弛型DNA超螺旋DNA松弛型DNA超螺旋DNA密度梯度离心凝胶电泳电镜观察正超螺旋负超螺旋检测DNA三级结构的方法检测DNA三级结构的方法10L=W+TL L 连接数连接数WW 超螺旋数超螺旋数T T 双螺旋盘绕数双螺旋盘绕数被切割的DNA链1 21 2产生负超螺旋否是对ATP的需求否是依赖于DNA的ATP酶否是DNA的超螺旋都是由DNA拓扑异构酶产生的,拓扑异构酶分、两种类型。DNA的超螺旋都是由DNA拓扑异构酶产生的,拓扑异构酶分、两种类型。拓扑异构酶拓扑异构酶11DNA结构的多样性DNA结构的多样性DNA结构中的一些特殊序列DNA结构中的一些特殊序列三链DNA 三链DNA 发现发现早在早在早在早在1957195719571957年，年，年，年，条件条件含（含（含（含（TCTC）n n和（和（和（和（AGAG）n n这样的同型嘧啶和同型这样的同型嘧啶和同型这样的同型嘧啶和同型这样的同型嘧啶和同型嘌呤，并形成反向重复序列，在低嘌呤，并形成反向重复序列，在低嘌呤，并形成反向重复序列，在低嘌呤，并形成反向重复序列，在低pHpH条件下条件下条件下条件下能形成分子内的三链能形成分子内的三链能形成分子内的三链能形成分子内的三链DNADNA三链三链三链三链DNADNA的配对方式，是在低的配对方式，是在低的配对方式，是在低的配对方式，是在低pHpH条件下按照条件下按照条件下按照条件下按照HoogsteenHoogsteen原则，形成原则，形成原则，形成原则，形成TAT,CGCTAT,CGC三联体三联体三联体三联体方式方式C-G-CT-A-T基本结构基本结构Py-Pu-Py构象（如T-A.T,C-G.C）Pu-Pu-Py构象（如A.A-T,G.G-C）12核酸三螺旋DNA分子间的三链结构分子间的三链结构DNA分子内的三链结构分子内的三链结构多聚嘌呤多聚嘧啶多聚嘌呤多聚嘧啶核酸三螺旋13线形线形线形线形DNADNADNADNA端粒存在的问题就是它的末端端粒存在的问题就是它的末端端粒存在的问题就是它的末端端粒存在的问题就是它的末端DNADNADNADNA如何复制，因为如何复制，因为如何复制，因为如何复制，因为DNADNADNADNA复制需要引物，复制需要引物，复制需要引物，复制需要引物，而引物随后就被降解了，其结果就使子而引物随后就被降解了，其结果就使子而引物随后就被降解了，其结果就使子而引物随后就被降解了，其结果就使子代代代代DNA5DNA5DNA5DNA5端逐步缩短。端逐步缩短。端逐步缩短。端逐步缩短。四链DNA四链DNA端粒的结构端粒的结构什么是端粒什么是端粒端粒是染色体的末端序列。端粒的生端粒是染色体的末端序列。端粒的生端粒是染色体的末端序列。端粒的生端粒是染色体的末端序列。端粒的生物学功能是保持染色体的稳定，它决物学功能是保持染色体的稳定，它决物学功能是保持染色体的稳定，它决物学功能是保持染色体的稳定，它决定着细胞的寿命。定着细胞的寿命。定着细胞的寿命。定着细胞的寿命。端粒复制存在的问题？端粒复制存在的问题？问题的解决问题的解决端粒的特殊结构，四链端粒的特殊结构，四链端粒的特殊结构，四链端粒的特殊结构，四链DNADNA结构的存在结构的存在结构的存在结构的存在14DNA的性质DNA的性质变性变性复性复性核酸的紫外吸收核酸的紫外吸收核酸的沉降核酸的沉降凝胶电泳凝胶电泳1.3 染色体和染色体的超微结构1.3 染色体和染色体的超微结构染色体的形态特征染色体的形态特征着丝粒主缢痕短臂长臂次缢痕随体着丝粒主缢痕短臂长臂次缢痕随体染色体的超微结构染色体的超微结构?1956年年Wilkins和和Vittorio Luzzati对染色质进行了对染色质进行了X衍射研究，发现染色质具有间隔为衍射研究，发现染色质具有间隔为100埃的重复性结构。埃的重复性结构。这意味着什么？这意味着什么？?Clark和和Felsenfeld于于1971年首先用葡萄球菌核酸酶（年首先用葡萄球菌核酸酶（Staphylococcal nuclease）来作用染色质，不敏感的区域比较均一。）来作用染色质，不敏感的区域比较均一。这暗示什么？这暗示什么？?接着接着Hewish和和Burgoyun（1973年）用内源核酸酶消化细胞核，再从核中分离出年）用内源核酸酶消化细胞核，再从核中分离出DNA，结果发现一系列，结果发现一系列DNA片段，它们相当于长约片段，它们相当于长约200bp的一种基本单位的多聚体。的一种基本单位的多聚体。表明什么？表明什么？?M.Noll(1974年年)用外源核酸酶处理染色质，然后进行电泳，测得前三个片段的长度分别为用外源核酸酶处理染色质，然后进行电泳，测得前三个片段的长度分别为205，405，605bp长。长。表明什么？表明什么？?Olins夫妇（夫妇（1974年）和年）和Pierre Chambon等（等（1975年）在电镜下观察到染色质的年）在电镜下观察到染色质的“绳珠绳珠”状结构，小球的直径为状结构，小球的直径为100埃，埃，Olins 把这种小球称为把这种小球称为小体小体。?X衍射图表明组蛋白的多聚体是紧密相联，并无可容纳像衍射图表明组蛋白的多聚体是紧密相联，并无可容纳像DNA分子那样大小的孔洞。分子那样大小的孔洞。表明什么？表明什么？?1974年年Kornberg和和Thomas先用小球菌核酸酶稍稍消化一下染色质，切断一部分先用小球菌核酸酶稍稍消化一下染色质，切断一部分200核苷酸对单位之间的核苷酸对单位之间的DNA，使其中含有单体、二聚体、三聚体和四聚体等。然后经离心将它们分开。每一组再通过凝胶电泳证明其分子大小及纯度。然后分别用电镜来各组的材料，结果单体均为一个，使其中含有单体、二聚体、三聚体和四聚体等。然后经离心将它们分开。每一组再通过凝胶电泳证明其分子大小及纯度。然后分别用电镜来各组的材料，结果单体均为一个100埃的小体，二聚体则是两个相联的小体，同样三聚体和四聚体分别由三个小体和四个小体组成。埃的小体，二聚体则是两个相联的小体，同样三聚体和四聚体分别由三个小体和四个小体组成。这表明什么？这表明什么？15染色体的超微结构染色体的超微结构16?10nm的核丝的核丝(nucleofilament)?30nm螺旋管（螺旋管（solenoid）放射环模型（放射环模型（radeal loop model)螺旋环模型（螺旋环模型（Marsden Laemmli,1979,Paulsoan 1982）放射环和螺旋环共存模型（）放射环和螺旋环共存模型（Rattner和和Lin，1985）半环模型（）半环模型（J.Painta和和 D.Coffey,1984）螺旋折叠（）螺旋折叠（helically folded）。）。?侧环模型侧环模型染色体的高级结构染色体的高级结构30nm微纤丝30nm微纤丝核小体链每6个核小体绕一圈，这样反复盘绕，形成一个中空的管状结构，即为螺线体。螺线体的直径约为30nm，内径10nm，螺线体的长度压缩为原先核小体链的1/6。核小体链每6个核小体绕一圈，这样反复盘绕，形成一个中空的管状结构，即为螺线体。螺线体的直径约为30nm，内径10nm，螺线体的长度压缩为原先核小体链的1/6。17辐射的环辐射的环30nm纤丝进一步螺旋化，形成一条直径为0.4m的圆管，人们把这种圆管状结构称为超螺线体。超螺线体的长度又压缩到原来螺线体长度的1/40。30nm纤丝进一步螺旋化，形成一条直径为0.4m的圆管，人们把这种圆管状结构称为超螺线体。超螺线体的长度又压缩到原来螺线体长度的1/40。18染色体染色体辐射环辐射环30nm微纤丝30nm微纤丝核小体核小体1.41.4 RNA和可转移的遗传因子和可转移的遗传因子动、植物病毒及有些噬菌体不含DNA，只有RNA,则RNA 就成为其遗传信息的携带者。动、植物病毒及有些噬菌体不含DNA，只有RNA,则RNA 就成为其遗传信息的携带者。（一）RNA（一）RNA19质粒是许多细菌和某些真核生物中发现的独立于染色体之外的环形DNA分子。质粒是许多细菌和某些真核生物中发现的独立于染色体之外的环形DNA分子。质 粒质 粒严紧型质粒松弛型质粒F性因子R抗药性因子Col大肠杆菌素因子严紧型质粒松弛型质粒F性因子R抗药性因子Col大肠杆菌素因子质粒及其类别质 粒转座子质 粒转座子（二）可转移的遗传因子（二）可转移的遗传因子病毒与质粒、转座子之间的关系病毒与质粒、转座子之间的关系第二节 基因和基因组2.1 基因概念的演变2.1 基因概念的演变遗传因子遗传因子遗传因子遗传因子基因基因基因基因把基因定位在染色体上把基因定位在染色体上把基因定位在染色体上把基因定位在染色体上一个基因一个酶一个基因一个酶一个基因一个酶一个基因一个酶MendelJohannsenMorgan Beade and TatumMendelJohannsenMorgan Beade and Tatum遗传学上，也可以用顺反子的概念来表示基因。这个概念于1955年由美籍科学家S.Seymour Benzer提出202.2 DNA和基因2.2 DNA和基因？DNADNADNADNA和蛋白质的关系和蛋白质的关系和蛋白质的关系和蛋白质的关系？突变的分子基础是什么突变的分子基础是什么突变的分子基础是什么突变的分子基础是什么基因组中非编码区的作用是什么基因组中非编码区的作用是什么基因组中非编码区的作用是什么基因组中非编码区的作用是什么2.3 基因组2.3 基因组基因组学(genomics)最初是由Thomas Roderick于1986年提出的,其内容是指基因组作图(mapping)和测序(sequencing)。近年来，这个概念有新的发展。现在人们倾向于将基因组学分为结构基因组学(Structural genomics)、功能基因组学(functional genomics)、比较及进化基因组学等部分。细胞或生物体中包含全套遗传信息的遗传物质的总合。在原核生物中一个物种全部染色体称为该物种的基因组，而在真核生物中一个物种的单倍体的全部染色体称为该物种的基因组（genome）。概念概念背景和发展背景和发展2.3.1 2.3.1 2.3.1 2.3.1 真核生物染色体基因组的结构和功能真核生物染色体基因组的结构和功能真核生物染色体基因组的结构和功能真核生物染色体基因组的结构和功能真核生物的基因组一般比较庞大，例如人的单倍体基因组由31010bp碱基组成，按1000个碱基编码一种蛋白质计，理论上可有300万个基因。但实际上，人细胞中所含基因总数大概会超过10万个。这就说明在人细胞基因组中有许多DNA序列并不转录成mRNA用于指导蛋白质的合成。DNA的复性动力学研究发现这些非编码区往往都是一些大量的重复序列，这些重复序列或集中成簇，或分散在基因之间。在基因内部也有许多能转录但不翻译的间隔序列（内含子）。因此，在人细胞的整个基因组当中只有很少一部份（约占2-3）的DNA序列用以编码蛋白质。一、真核生物基因组特点一、真核生物基因组特点1.1.1.1.真核基因组庞大，一般远大于原核生物的基因组。真核基因组庞大，一般远大于原核生物的基因组。真核基因组庞大，一般远大于原核生物的基因组。真核基因组庞大，一般远大于原核生物的基因组。2.2.2.2.真核基因组存在大量的重复序列。真核基因组存在大量的重复序列。真核基因组存在大量的重复序列。真核基因组存在大量的重复序列。3.3.3.3.真核基因组大部分为非编码序列，占整个基因组序列的真核基因组大部分为非编码序列，占整个基因组序列的真核基因组大部分为非编码序列，占整个基因组序列的真核基因组大部分为非编码序列，占整个基因组序列的90%90%90%90%以上，这是真核生物与原核生物的重要区别。以上，这是真核生物与原核生物的重要区别。以上，这是真核生物与原核生物的重要区别。以上，这是真核生物与原核生物的重要区别。4.4.4.4.真核基因组的转录产物为单顺反子。真核基因组的转录产物为单顺反子。真核基因组的转录产物为单顺反子。真核基因组的转录产物为单顺反子。5.5.5.5.真核基因是断裂基因，有内含子结构真核基因是断裂基因，有内含子结构真核基因是断裂基因，有内含子结构真核基因是断裂基因，有内含子结构。6.6.6.6.真核基因组存在大量的顺式作用元件。真核基因组存在大量的顺式作用元件。真核基因组存在大量的顺式作用元件。真核基因组存在大量的顺式作用元件。7.7.7.7.真核基因组中存在大量的真核基因组中存在大量的真核基因组中存在大量的真核基因组中存在大量的DNADNADNADNA多态性。多态性。多态性。多态性。8.8.8.8.真核基因组具有端粒结构。真核基因组具有端粒结构。真核基因组具有端粒结构。真核基因组具有端粒结构。21（一）单一序列（unique sequence）（一）单一序列（unique sequence）合成各种蛋白质的基因，数目在一个到几个。在人类基因组中单一序类占15%。二、单一序列和重复序列合成各种蛋白质的基因，数目在一个到几个。在人类基因组中单一序类占15%。二、单一序列和重复序列22（二）重复序列（repeat sequence）（二）重复序列（repeat sequence）重复序列按短片段重复的顺序可分为3种类型：重复序列按短片段重复的顺序可分为3种类型：正向重复（direct repeats）又叫顺向重复；反向重复（inverted repeats）；回文重复（palindromic repeats）。5 GTGAGCTCAC 33 CACTCGAGTG 5书临汉字翰林书画上荷花和尚画顺反相同重复序列按序列重复的多少可分为2种类型：重复序列按序列重复的多少可分为2种类型：中度重复序列（moderately repetitive sequence）高度重复序列（highly repetitive sequence）（三）高度重复序列（highly repetitive sequence（三）高度重复序列（highly repetitive sequence）又称卫星DNA，长度为2-10bp,在基因组中可串联重复10又称卫星DNA，长度为2-10bp,在基因组中可串联重复105 5-10-107 7，约占基因组的10%-50%，平均为15%。卫星DNA富含AT.例如果蝇卫星DNA，约占基因组的10%-50%，平均为15%。卫星DNA富含AT.例如果蝇卫星DNA高度重复序列的功能和确切位置都不清楚，但它们一般都不转录，但研究表明，有些卫星DNA位于染色体的中心粒及端粒区域，它们可能在减数分裂过程中承担一定的功能。高度重复序列的功能和确切位置都不清楚，但它们一般都不转录，但研究表明，有些卫星DNA位于染色体的中心粒及端粒区域，它们可能在减数分裂过程中承担一定的功能。主带主带(ACAAACT）n(ATAAACT）n(ACAAATT）n23重复序列原核生物真核生物?卫星DNA（satellite DNA）?隐蔽卫星DNA（cryptic satellite）?自私DNA（selfish DNA）?伊甸园DNA（Gardon of Eden DNA）?小卫星DNA（minisatellite）?重复序列可变数（variable number tandem repeat VNTRs）?微卫星DNA（microsatellite DNA）?DNA指纹（DNA fingerprints）?L1家族小卫星（minisatellite小卫星（minisatellite）?或同向重复序列可变数（variable number tandem repeat,VNTRs）这是一种特殊的串联重复，在不同个体和基因组的不同位点上数目都不同。在人类中VNTRs位点是1-5kb的序列，此序列由单位长15-100bp的重复序列组成。24微卫星（microsatellite DNA微卫星（microsatellite DNA）?另一类分散的重复DNA是14核苷酸重复序列构成的15100个重复单位，这一类重复DNA称为微卫星DNA（microsatellite DNA），也称为简单序列的重复（simple sequence repeates，SSRs）?微卫星是由可变数目的微卫星是由可变数目的24核苷酸重复序列组成的，多存在于染色体的核苷酸重复序列组成的，多存在于染色体的端粒附近端粒附近。在人类和其他生物的基因组作图中，这种类型的重复序列可提供密集排列的分子标记。在人类和其他生物的基因组作图中，这种类型的重复序列可提供密集排列的分子标记。人类VNTRs（小卫星人类VNTRs（小卫星）的第一个探针?在肌红蛋白基因的第一个内含子中分离出在肌红蛋白基因的第一个内含子中分离出132bp的重复序列的重复序列?内含内含4个长个长33bp的重复单位的重复单位?内有内有13bp为核心序列（为核心序列（GGAGGTGGGCAGG）1985年由年由Alec Jeffries制备制备L1家族L1家族?称为长散在元件（称为长散在元件（long interspersed elements,LINes）?在基因组中约在基因组中约6万个拷贝万个拷贝?由由RNA聚合酶聚合酶II转录转录?属于一种转座因子属于一种转座因子?长长6500bp左右左右25（四）中度重复序列（moderately repetitive sequence（四）中度重复序列（moderately repetitive sequence）?长约300bp?基因组中约有10-几千个拷贝的顺序?如rRNA和tRNA基因?tRNA基因一般都分布于基因组中，而rRNA常集中分布于核仁形成区。Alu家族（Alu family）Alu家族（Alu family）Alu家族：人类基因组组中最常见的短散在的重复DNA序列（short interspersed element,SINE 短散在元件）。至少有75,000 Alu拷贝，每个含有约300bp，占类DNA的11%。每个Alu序列有两个130bp序列组成（Alu左序列和Alu右序列），以头尾相接，在右手单体中有32bp的插入序列。Alu序列中有限制性酶Alu的识别位点。Alu IAlu 序列Alu 序列30bp30bp26三、三、C值悖理（值悖理（C value paradox）?C值悖理：每一种生物中其单倍体基因组的DNA总含量成为C值。C值悖理：每一种生物中其单倍体基因组的DNA总含量成为C值。各门生物存在着一个C值范围，在每一门中随着生物复杂性的增加，其基因组大小的最低程度也随之增加。实际上一个门中的C值变化并没有一定的规律。例如在哺乳动物、鸟类和爬行类的C值变化范围都很小，而在两栖类中变化范围增大，而植物的C值变化范围更为宽广，常成倍地增加。各门生物存在着一个C值范围，在每一门中随着生物复杂性的增加，其基因组大小的最低程度也随之增加。实际上一个门中的C值变化并没有一定的规律。例如在哺乳动物、鸟类和爬行类的C值变化范围都很小，而在两栖类中变化范围增大，而植物的C值变化范围更为宽广，常成倍地增加。C值和生物结构或组成的复杂性不一致的现象称为C值悖理。C值和生物结构或组成的复杂性不一致的现象称为C值悖理。在C值高于预期范围的物种中，有大量的非编码的DNA。这些DNA大多是重复性的，由转座子复制而来。在C值高于预期范围的物种中，有大量的非编码的DNA。这些DNA大多是重复性的，由转座子复制而来。?可能产生的原因是什么？可能产生的原因是什么？27一、真核生物基因组特点一、真核生物基因组特点1.1.1.1.真核基因组庞大，一般远大于原核生物的基因组。真核基因组庞大，一般远大于原核生物的基因组。真核基因组庞大，一般远大于原核生物的基因组。真核基因组庞大，一般远大于原核生物的基因组。2.2.2.2.真核基因组存在大量的重复序列。真核基因组存在大量的重复序列。真核基因组存在大量的重复序列。真核基因组存在大量的重复序列。3.3.3.3.真核基因组大部分为非编码序列，占整个基因组序列的真核基因组大部分为非编码序列，占整个基因组序列的真核基因组大部分为非编码序列，占整个基因组序列的真核基因组大部分为非编码序列，占整个基因组序列的90%90%90%90%以上，这是真核生物与原核生物的重要区别。以上，这是真核生物与原核生物的重要区别。以上，这是真核生物与原核生物的重要区别。以上，这是真核生物与原核生物的重要区别。4.4.4.4.真核基因组的转录产物为单顺反子。真核基因组的转录产物为单顺反子。真核基因组的转录产物为单顺反子。真核基因组的转录产物为单顺反子。5.5.5.5.真核基因是断裂基因，有内含子结构真核基因是断裂基因，有内含子结构真核基因是断裂基因，有内含子结构真核基因是断裂基因，有内含子结构。6.6.6.6.真核基因组存在大量的顺式作用元件。真核基因组存在大量的顺式作用元件。真核基因组存在大量的顺式作用元件。真核基因组存在大量的顺式作用元件。7.7.7.7.真核基因组中存在大量的真核基因组中存在大量的真核基因组中存在大量的真核基因组中存在大量的DNADNADNADNA多态性。多态性。多态性。多态性。8.8.8.8.真核基因组具有端粒结构。真核基因组具有端粒结构。真核基因组具有端粒结构。真核基因组具有端粒结构。（一）割裂基因（split gene）（一）割裂基因（split gene）?间隔顺序（spacer）间隔顺序（spacer）?间插顺序（intervening sequence）间插顺序（intervening sequence）?内含子（intron）等内含子（intron）等四、割裂基因和内含子的发现四、割裂基因和内含子的发现（二）内含子的发现（二）内含子的发现?1977 年，Sharp&Roberts 美同时发现了割裂基因（split gene）1977 年，Sharp&Roberts 美同时发现了割裂基因（split gene）?Chambon法丧失了机会Chambon法丧失了机会鸡的输卵管分泌卵清蛋白、卵粘蛋白和伴清蛋白，而其红细胞（鸟类的红细胞上有核的）只合成血红蛋白，那么两种组织之间DNA有什么不同呢？?Southern杂交?Sharp小组和Robert小组用R环法28In 1977，Sharp&Roberts discover“Split Gene”Richard J.Roberts New England Bio-labs Beverly,MA,USA(1943-)Phillip A.SharpCenter for Cancer Research Massachusetts Institute of Technology,USA(1944-)The Nobel Proze in Physiology or Medicine 1993 for“their discovery of split genes”割裂基因（split Genes）割裂基因（split Genes）DNA和mRNA之间形成特殊的RNA-DNA异源双链分子结构29割裂基因（Split Genes）经过删除和连接，除去无关的DNA间序（即内含子），便形成了成熟的mRNA分子经过删除和连接，除去无关的DNA间序（即内含子），便形成了成熟的mRNA分子五、基因扩增五、基因扩增在选择压力下的基因高度扩增（癌细胞）在选择压力下的基因高度扩增（癌细胞）生物体选择性复制特定的一套基因的过程，称为生物体选择性复制特定的一套基因的过程，称为基因扩增基因扩增基因扩增基因扩增。正在发育的卵母细胞中rRNA的基因复制，如爪蟾中比正常体细胞高出1500倍正在发育的卵母细胞中rRNA的基因复制，如爪蟾中比正常体细胞高出1500倍。卵壳基因的扩增（果蝇中的卵壳蛋白）卵壳基因的扩增（果蝇中的卵壳蛋白）六、基因簇、基因家族和假基因六、基因簇、基因家族和假基因基因簇（gene cluster）基因簇（gene cluster）基因家族（gene family）基因家族（gene family）假基因（pseudogene）假基因（pseudogene）加工假基因（processed pseudogenes）加工假基因（processed pseudogenes）有以下特点：（1）缺少正常的内含子；（2）3末端有多聚腺苷酸；（3）5端的结构和mRNA的5端十分相似；（4）两侧有顺向重复序列的存在。对以上特点作何推论？因此人们推测它似乎和mRNA一样经过了转录后加工，因此也称其为加工假基因。30结构简练存在转录单元DNA中的大部分结构是用来编码蛋白质的如X174 4%，T4 5%。在原核生物中功能相关的蛋白的基因往往从生在一起如X174，大肠杆菌乳糖操纵子DNA中的大部分结构是用来编码蛋白质的如X174 4%，T4 5%。在原核生物中功能相关的蛋白的基因往往从生在一起如X174，大肠杆菌乳糖操纵子2.3.2 2.3.2 2.3.2 2.3.2 原核生物基因组的特点原核生物基因组的特点原核生物基因组的特点原核生物基因组的特点有重叠基因重叠基因的发现实例：X174（6078：5386）重叠基因的存在形式两种或两种以上的基因公用部分DNA序列，则这些基因互称重叠基因。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。1976年BurrellB.G.,Air G.M.和Hutchison C.A.首先报告了X174噬菌体含有重叠基因。1977年Sanger证实了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个启动子（pA，pB，pC）启动。X174含有的5386nt最多能够编码1795个氨基酸，若每个氨基酸的平均分子量为110Da，则总的蛋白质分子量为197，000Da，但实际蛋白质总分子量却为262，000Da。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。31重 叠 基 因 的 存 在 形 式重 叠 基 因 的 存 在 形 式?一个基因完全在另一个基因内部一个基因完全在另一个基因内部AB?两个基因有部分区域重叠两个基因有部分区域重叠AB?两个基因只有一个碱基的重叠两个基因只有一个碱基的重叠N NAB322.3.3 真核和原核生物基因组的比较2.3.3 真核和原核生物基因组的比较 大多数的蛋白基因是割裂基因。大多数的蛋白基因是割裂基因。真核生物DNA的基因间存在着转录和不转录的间隔区，即使是转录的间隔区也不翻译成蛋白质。真核生物DNA的基因间存在着转录和不转录的间隔区，即使是转录的间隔区也不翻译成蛋白质。真核生物DNA所含的特定基因(rRNA,组蛋白基因)，在一定条件下会发生扩增，扩增可能与多基因家族的形成有关。真核生物DNA所含的特定基因(rRNA,组蛋白基因)，在一定条件下会发生扩增，扩增可能与多基因家族的形成有关。假基因(pseudogene)是真核生物DNA的另一特点。这些序列与真基因有高度同源性，但由于突变而不能表达。假基因(pseudogene)是真核生物DNA的另一特点。这些序列与真基因有高度同源性，但由于突变而不能表达。2.3.4 基因组的研究进展2.3.4 基因组的研究进展 1986年1986年Renato DulbeccoRenato Dulbecco首先提出了首先提出了“人类基因组计划（HGP）人类基因组计划（HGP）”1989年，美国1989年，美国能源部能源部和美国和美国国家卫生研究院国家卫生研究院（NIH）联合提出一项生命科学研究项目。经过一年多的酝酿准备，于1990年1月开始，由美国发起，协同英国、德国、日本等共同实施一项为期长达15年的国际人类基因组计划。总投资30亿美元。其宏伟程度堪与（NIH）联合提出一项生命科学研究项目。经过一年多的酝酿准备，于1990年1月开始，由美国发起，协同英国、德国、日本等共同实施一项为期长达15年的国际人类基因组计划。总投资30亿美元。其宏伟程度堪与ManhattoManhatto原子弹计划和原子弹计划和AppoloAppolo登月计划相提并论。登月计划相提并论。?1999年1999年，破译出人类第22号染色体的遗传密码。，破译出人类第22号染色体的遗传密码。?2000年，2000年，完成了人类第21号染色体的测序。同时，预计测序时间从原定的完成了人类第21号染色体的测序。同时，预计测序时间从原定的20032003年6月提前到年6月提前到20012001年6月完成。年6月完成。?2000年6月26日2000年6月26日，美、英、日、德、法、中六国共同宣布人类基因组工作草图绘制成功。，美、英、日、德、法、中六国共同宣布人类基因组工作草图绘制成功。?2000年2000年?3月3月，塞莱拉公司宣布完成了果蝇的基因组测序。，塞莱拉公司宣布完成了果蝇的基