第一章-基因和基因组-2013

基因和基因组金晶GeneandGenome2024/3/31OutlineForChapterOneSection1:GeneSection2:GenomeGeneandGenome

基因与基因组2024/3/32WhatistheGenes?GenesisgeneticinstructionscodedforbyDNAthattransmitsgeneticinheritancefromparentstooffspring2024/3/33基因概念的历史演变早期关于遗传物质的臆测基因的前奏——遗传因子遗传的染色体学说“基因”一词的创立基因存在的证实基因化学本质以及功能的认识近代基因的概念2024/3/341早期关于遗传物质的臆测

1864年英国哲学家斯宾塞“生理单位”；1868年达尔文将其称为“微芽”；1883年德国生物学家魏斯曼称之为“种质”1884年瑞士植物学家冯内格列“异胞质”；1889年荷兰学者德弗里斯称为“泛生子”；2024/3/352基因的前奏——遗传因子

1865年Mendel,两个基本遗传规律——分离规律和自由组合规律，并提出了“遗传因子”的观点。指出遗传因子是一种物质，它控制着生物的性状。2024/3/363遗传的染色体学说

1903年，萨顿和鲍威尔遗传的染色体学说认为孟德尔的“遗传因子”与配子形成以及受精过程中的染色体传递行为具有平行性，且孟德尔的遗传因子位于染色体上，第一次把遗传物质和染色体联系起来。2024/3/374“基因”一词的创立:1909年，丹麦遗传学家约翰逊。替代Mendel早年所提出的遗传因子(geneticfactor)一词，并创立了基因型(genotype)和表现型(phenotype)的概念。2024/3/385基因存在的证实1926年美国摩尔根《基因论》出版认为基因是组成染色体的遗传单位，并且证明基因在染色体上占有一定位置，而且呈线性排列。提出“功能、交换、突变”三位一体的基因概念。2024/3/396基因化学本质以及功能的认识

“一个基因一种酶”和“一个基因一条多肽链”基因的化学本质是DNA(有时是RNA)

基因顺反子的概念基因是一段有功能的DNA序列2024/3/310

6.1从

“一个基因一个酶”到“一个基因一条多肽链”1941年GWBeadle和ELTatum一个基因一个酶：红色链孢霉各种营养缺陷突变体与酶缺陷相关------基因对性状的控制是通过基因控制酶的合成来实现的。本世纪50年代，Yanofsky一个基因一条多肽链：有些蛋白质不只由一种肽链组成，如血红蛋白和胰岛素，不同肽链由不同基因编码。BeadleTatum

2024/3/311

6.2DNA是遗传物质(有时是RNA)

1944年，Avery证实了DNA是遗传物质。有些病毒只含有RNA。2024/3/312

6.3基因顺反子（Cistron）的概念1955年，美国本兹尔(Benzer)提出顺反子的概念：是指编码一个蛋白质的全部组成所需信息的最短片段，即一个基因。基因仅是一个功能单位，基因内部的碱基对才是重组单位和突变单位。2024/3/313一对同源染色体上两突变（a和b）在同一染色体上时，称为顺式构型，两突变（a和b）在两条染色体上时，为反式构型；顺反互补测验（cis-transtest）：比较顺式和反式构型个体的表型来判断两个突变是否发生在一个基因（顺反子）内的测验。2024/3/314测验时:两突变发生在同一基因上，杂合体就不存在野生型的基因，因而为突变体表型；如果两突变在两个不同的基因上，后代杂合体中将有一个基因是野生型的，另外一个基因是突变型，杂合体的表型成了野生型。这两个基因的这种关系称为互补。2024/3/315基因内突变位点在同一基因上突变位点在不同的基因上基因上；的基因上；2024/3/316

6.4基因是一段有功能的DNA序列

DNA双螺旋模型1953年Watson和Crick提出遗传中心法则1957年Crick提出顺反互补试验1955年Benzer提出：顺反子三联遗传密码的破译Nirenberg等1961-67年：

70年代：可移动基因的证实、隔裂基因和重叠基因的发现等。7近代基因的概念：基因是一段有功能的DNA序列，基因是遗传的功能单位，DNA分子中不同排列顺序的DNA片段构成特定的功能单位；2024/3/317★

可转录、可翻译的（结构基因：能够编码多肽链的基因

)★可转录但不翻译(

tDNA,rDNA)★不转录、不翻译

(调控基因：调控邻近的结构基因的表达，如：启动基因，操纵基因)

基因的类型不是所有的基因都能为蛋白质编码2024/3/318基因的生物学定义基因（gene）是携带生物体遗传信息的结构单位。功能上：是遗传物资的结构、功能单位本质上：是有遗传效应的DNA片断(有时是RNA)结构上：含有特定遗传信息的核苷酸序列位置上：在染色体上有特定的座位，呈线性排列2024/3/319基因与染色体2024/3/320基因的分子生物学定义

DNA分子中含有特定遗传信息的核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。合成有功能的蛋白质多肽链或RNA所必需的全部核酸序列（通常是DNA序列）。2024/3/321基因的分子生物学内容按照这个定义，一个基因应包括：⑴编码蛋白质多肽链或RNA的核酸序列⑵保证转录所必需的调控序列、5´端非翻译序列、内含子、3´端非翻译序列等所有的核酸序列2024/3/322现代关于基因概念的认识2024/3/323基因功能

分子生物学的中心法则

转录翻译复制DNARNA蛋白质

逆转录基因信息的传递2024/3/324原核生物基因特征1、功能上相关的基因高度集中，组成操纵子结构，转录时产生一个多基因的mRNA。多顺反子X-geneZ-geneY-genepromoter例如大肠杆菌中参与乳糖代谢的β－半乳糖苷酶、半乳糖苷透性酶、半乳糖苷乙酰化酶三个酶基因与启动子、操纵基因和调节基因一起组成乳糖操纵子。2024/3/325原核生物基因特征编码蛋白的基因大多是是单拷贝编码RNA（rRNA）基因是多拷贝基因是连续的：结构基因中没有内含子成分，在转录后不需剪接加工，转录产物的寿命较短2024/3/326原核生物基因特征细菌中的DNA大部分是用于编码蛋白质，只有一小部分是不翻译的。结构基因重复序列少单个染色体呈环状，染色体DNA并不和蛋白质固定结合。2024/3/327Prokaryoticgenemodel:ORF-genes“Small”genomes,highgenedensityHaemophilusinfluenzagenome85%genicOperonsOnetranscript,manygenesNointrons.Onegene,oneproteinOpenreadingframesOneORFpergeneORFsbeginwithstart,endwithstopcodon(def.)TIGR:NCBI:2024/3/328真核生物基因特征2024/3/3291、结构基因、内含和外显子、断裂基因（1）结构基因（structuralgene）指能转录成为mRNA、rRNA或tRNA的DNA顺序。（2）内含子和外显子真核生物的结构基因是不连续的，编码序列被非编码序列打断，在编码序列之间的序列称为内含子（intron），编码序列称为外显子（extron）。（3）断裂基因（splitgene）在真核类结构基因组中，编码顺序被许多称为内含子的非编码区分割成几段称之。真核基因的基本结构2024/3/3302.调控元件

顺式调控元件（cis—actingelements）指与结构基因表达调控相关，能够被基因调控蛋白特异性识别和结合的DNA序列。反式作用因子（trans—actingfactors）能与顺式作用元件结合调节基因转录活性的蛋白质因子。真核基因的基本结构2024/3/331顺式调控元件有：（1）启动子（promoter）（2）上游启动子元件（upstreampromoterelementsups）（3）反应元件（responseelements）（4）增强子（enhancer）和沉默子（silencer）（5）加尾信号真核基因的基本结构2024/3/332真核生物基因特征1.真核生物基因组DNA与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞核内，除配子细胞外，体细胞内的基因的基因组是双份的，即双倍体。2.真核细胞基因转录产物为单顺反子。一个结构基因经过转录和翻译生成一个mRNA分子和一条多肽链。2024/3/3333.存在重复序列，重复次数可达百万次以上。4.基因组中不编码的区域多于编码区域。5.大部分基因含有内含子，因此，基因是不连续的6.基因组远远大于原核生物的基因组，具有许多复制起点，而每个复制子的长度较小真核生物基因特征2024/3/334原核-多顺反子功能上相关的几个结构基因串联在一起组成操纵子(operon)结构。当基因开放时，这几个基因录在一条mRNA链上，然后翻译成几条功能相关蛋白质多肽链，故称之为多顺反子(polycistron)。真核-单顺反子与原核生物不同，真核基因转录产物为单顺反子(monocistron)，即一个编码基因转录生成一个mRNA分子，翻译生成一条多肽链。原核和真核细胞中基因和顺反子的关系2024/3/335OutlineForChapterOneSection1:GeneSection2:GenomeGeneandGenome2024/3/336基因组（gencme）基因组：生物细胞中单套染色体的所含全部DNA分子，包括编码编码序列和非编码序列。基因：携带有遗传信息的DNA或RNA序列，也称为遗传因子，是控制性状的基本遗传单位。基因通过指导蛋白质的合成来表达自己所携带的遗传信息，从而控制生物个体的性状表现。2024/3/337基因组的结构主要指不同的基因功能区域在核酸分列中的分布和排布情况，基因组的功能是贮存和表达遗传信息。人类基因组包含22条染色体和XY两条性染色体上的全部遗传物质（核基因组）以及胞线粒体上的遗传物质（线粒体基因组）。2024/3/338VirusesProcaryotesEucaryotesViralgenomeChromosomes(Nucleargenome)MitochondrialgenomeBacterialchromosomePlasmidsChloroplastgenomeCapsidNucleus不同生物的基因组2024/3/339几个代表物种的基因组大小2024/3/340原核生物基因组质粒（plasmids)：染色体外能够进行自主复制的遗传单位现在习惯上用来专指细菌、酵母菌和放线菌等生物中染色体以外的DNA分子。在基因工程中质粒常被用做基因的载体。

BacterialchromosomePlasmids2024/3/341（1）基因组较小,由环状DNA分子组成（2）基因组中重复序列很少（3）具有操纵子结构（4）结构基因是单拷贝，rRNA基因是多拷贝（5）基因是连续的（6）编码序列不会重叠（7）编码区所占比例较大，约50%（8）细菌中存在可移动DNA序列：跳跃基因原核生物基因组结构与功能的特点2024/3/342真核生物基因组结构与功能特点（1）基因组大，基因多，存在大量重复序列，大部分与组蛋白和非组蛋白结合在一起；（2）基因主要以单顺反子形式存在；（3）多数基因是断裂的；（4）存在基因家族；（5）基因表达的调控位点多，位置多样化；（6）部分基因组序列存在重排、扩增、丢失等规律性变化。2024/3/343真核生物与原核生物基因组的区别（1）真核生物基因组DNA与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞核内，除配子细胞外，体细胞内的基因组是双份的。细菌染色体基因组通常由一条环状双链DNA分子组成，染色体形成类核，无核膜与胞浆分开。（2）真核生物基因组远远大于原核生物的基因组，具有许多复制起点，而每个复制子的长度较小。（3）真核细胞基因转录产物为单顺反子。一个结构基因经过转录和翻译生成一个mRNA分子和一条肽链。原核生物基因转录产物为多顺反子，功能上相关的几个基因往往在一起组成操纵子结构。2024/3/344真核生物与原核生物基因组的区别（4）真核基因大部分基因含有内含子，因此，基因是不连续的，称为断裂基因，需要进行转录后加工；原核基因没有内含子结构，不需进行转录后剪接加工。（5）真核基因组中不编码的区域多于编码区域。原核基因组大部分为编码序列，不编码区域仅占一小部分。（6）真核生物基因组存在重复序列，重复次数可达百万次以上基因组远远大于原核生物的基因组。（7）真核生物基因组存在多基因家族、超基因家族和假基因。2024/3/345人类基因组

Geneticcomponentsofthehumangenome

2024/3/346人类基因组人类基因组定义人类生物体一个细胞所包含的DNA结构一整套基因，携带生物特性的全部遗传信息。

记录基因组全部DNA序列

2024/3/347基因组中的重复序列(repetitivesequences)

单拷贝序列轻度重复序列中度重复序列高度重复序列2024/3/3481、单拷贝序列(singlecopysequences)

又称非重复序列：一个基因组中只有一个拷贝。结构基因

(蛋白质基因)大多是单拷贝序列。2、轻度重复序列(lightrepetitivesequences)在基因组中重复数2-10的重复顺序，少数在基因组中成串排列在一个区域，大多数与单拷贝基因间隔排列。多为编码功能的序列2024/3/3493、中度重复序列(middlerepetitivesequence)概念：在基因组中重复数十至数万（<105）次的重复序列。这些重复序列不是串联排列集中在某一区域，而是散在分布于基因组中，约占基因组DNA总量的10-40%序列的长度和拷贝数很不均一。但它们有种属特异性，可制成探针以鉴别不同常种属的细胞DNA来源多为非编码序列，如Alu序列也有编码基因产物的，如rDNA、tDNA、组蛋白基因家族,一般往往以基因家族的形式组织。2024/3/350中度重复序列的分类①longinterspersedrepeatedsegments，LINES，长散在重复序列长度>1000bp(可达7Kb)，拷贝数104-105，如人LINES②Shortinterspersedrepeatedsegments，SINES，短散在重复序列长度<500bp，拷贝数>105．如人Alu序列2024/3/351Alu家族Alu家族：人类基因组中最常见的短散在的重复DNA序列(shortinterspersedelement,SINE，短散在元件)。•至少有750,000Alu拷贝，每个含有约300bp，占人类DNA的11%。•每个Alu序列由两个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AluI的识别位点。–AG↓CT2024/3/3522024/3/353300,000copies广泛分布于非重复序列间Function?300bp300bp300bp5000bp5000bp5000bp5000bpDRDRIRIRAGCTAlusiteAcopyofAlufamilyTransposon?遗传性疾病真核生物的Alufamily2024/3/3544、高度重复序列(highrepetitivesequence)概念：在真核生物细胞基因组中重复出现可达106次以上的DNA序列，称为高度重复序列基因或高度重复序列DNA。这类序列复性速度很快，在人类基因组占20%。高度重复序列按结构特点可分为：反向重复序列(invertedrepeatsequence)；卫星DNA(satelliteDNA)2024/3/355（1）反向重复序列(invertedrepeatsequence)双链DNA分子中某一段序列，方向相反，序列相同，也就是每条链从5’-3’，方向的核苷酸序列都相同，这段DNA称为反向重复序列

回文结构：GGTACCCCATGG

常见于基因的调控区和特异蛋白结合区2024/3/356（回文重复序列）（镜像重复序列）重复序列2024/3/357画上荷花和尚画书临汉字翰林书顺反相同2024/3/358（2）卫星DNA(satelliteDNA)卫星DNA实际上是出现在非编码区的串联重复序列其特点是具有固定的重复单位，该重复单位首尾相连形成重复序列片段，通常存在于间隔DNA和内含子中串联重复单位可以从2个碱基起，长短不等；重复次数可以从几次到数百次、甚至几十万次2024/3/359卫星DNA(satelliteDNA)的特点①

一般长度为5-10bp②常常位于着丝粒和端粒区③一种或几种简单顺序串联重复105-107次，而且其碱基序列比较保守④一般不能编码蛋白质或转录成RNA2024/3/360小卫星DNA（minisatelliteDNA）可变数目串联重复（variablenumbertandemrepeat，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15－100nt的重复序列组成。•有极强的个体特异性，可用于DNA的指纹分析。2024/3/361人类VNTRs的第一个探针

1985年由AlecJeffries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）用16bp重复单位（主要为核心序列）重复29次而成的小卫星33.15做探针，与人基因组酶切片段进行Southern

杂交，在低严谨条件下杂交产生由10多条带组成的杂交图谱，不同个体杂交图谱上带的位置是千差万别的－DNAfingerprint2024/3/3622024/3/363基因家族（genefamily)定义：核苷酸序列或编码产物的结构具有一定程度的同源性，且功能相关的一组基因。类型：（1）核酸序列相同或几乎相同：rRNA基因家族、tRNA基因家族、组蛋白基因家族等（2）核酸序列高度同源：如：人生长激素、人胎盘促乳素、催乳素2024/3/364其产物虽具有相关的功能，但缺乏大片段的DNA同源序列，也无明显的保守氨基酸基序，而是大体上具有共同的结构特征。成员间有不同程度的同源，但它们的功能并不相似，这是与多基因家族的差别所在。最经典的是免疫球蛋白超家族。（4）假基因

基因家族中不产生有功能基因产物的一类基因。（3）超基因家族基因家族（genefamily)2024/3/365真核生物染色体上的各种重复顺序和结构元件：2024/3/3662024/3/3672024/3/368人类基因研究的意义在于它可以支持和推动生命科学中一系列重要的基础性研究。如基因组遗传语言的破译，基因的结构与功能关系，生命的起源和进化，细胞发育、生产、分化的分子机理，疾病发生的机理等。人类基因组计划的意义2024/3/369总体目标：15年内投入30亿美元，完成人类24条染色体的30亿个核苷酸序列分析主要内容：1.

基因组制图（遗传图谱、物理图谱、序列图谱、基因图谱）2.

基因的定位与分析3.

基因组研究技术的建立、改进4.

模式生物基因组的图谱绘制及测序5.

相关课题的研究人类基因组计划2024/3/370人类基因组计划HGP的终极目标：阐明人类基因组全部DNA序列识别基因建立存储这些信息的数据库开发数据分析工具HGP带来的伦理、法律和社会问题基因组多样性和比较基因组研究2024/3/371人类基因组测序2024/3/37