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1、分子生物学分子生物学Molecular BiologyMolecular Biology生命科学与农学学院生命科学与农学学院王雪芹王雪芹周口师范学院生命科学与农学学院周口师范学院生命科学与农学学院第三章第三章基因与基因组基因与基因组的结构和的结构和功能功能u基因的概念基因的概念u基因的命名基因的命名u基因组基因组u病毒及其基因组病毒及其基因组u细菌基因组细菌基因组u真核生物基因组真核生物基因组u基因组测序基因组测序 3.1基因基因的概念的概念“基因基因”概念的提出概念的提出孟德尔（孟德尔（GregorJohannMendel18221884），），植物杂交试验植物杂交试验一文中指出，一文中指出
2、，生物每一个性状都是通生物每一个性状都是通过遗传因子来传递的，遗传因子是一些独立的遗传单位过遗传因子来传递的，遗传因子是一些独立的遗传单位1903年萨顿（年萨顿（W.S.Sutton18771916）和鲍维里（）和鲍维里（T.Boveri18621915）“萨顿萨顿鲍维里假想鲍维里假想”：遗传因子位于染色体：遗传因子位于染色体上。上。1909年丹麦遗传学家约翰逊（年丹麦遗传学家约翰逊（W.Johansen18591927）在）在精密遗传学原理精密遗传学原理一书中提出一书中提出“基因（基因（Gene）”概念，以此来概念，以此来替代孟德尔假定的替代孟德尔假定的“遗传因子遗传因子”。从此，。从此，“
3、基因基因”一词一直伴随一词一直伴随着遗传学发展着遗传学发展至今。至今。摩尔根（摩尔根（ThomanHuntMorgan18661945）1926年他的巨著年他的巨著基因论基因论出版，从而建立了著名的基因学说，他还绘制了著名出版，从而建立了著名的基因学说，他还绘制了著名的果蝇基因位置图，首次完成了当时最新的基因概念的描述，即的果蝇基因位置图，首次完成了当时最新的基因概念的描述，即基因以直线形式排列，它决定着一个特定的性状，而且能发生突基因以直线形式排列，它决定着一个特定的性状，而且能发生突变并随着染色体同源节段的互换而交换，它不仅是决定性状的功变并随着染色体同源节段的互换而交换，它不仅是决定性状
4、的功能单位，而且是一个突变单位和交换单位能单位，而且是一个突变单位和交换单位。Theory of the gene 基因是染色体上的基因是染色体上的实体。实体。基因象链珠基因象链珠(bead)一样，孤立地呈一样，孤立地呈 线状地排列在染色体上线状地排列在染色体上。基因是：基因是：功能功能(functional unit)突变突变(mutation unit)交换交换(cross-over unit)“三位一体三位一体”的的(Three in one)最小的最小的 不可分割的不可分割的基本的基本的遗传单位遗传单位 (1926 T.H.Morgan)基因的概念基因的概念u基因是原核、真核生物以及病
5、毒的基因是原核、真核生物以及病毒的DNA和和RNA分子中具有分子中具有遗传效应的核苷酸序列，是遗传的基本单位。遗传效应的核苷酸序列，是遗传的基本单位。u基因是基因是DNA分子中含有特定遗传信息的一段核苷酸序列，分子中含有特定遗传信息的一段核苷酸序列，是遗传物质的最小功能是遗传物质的最小功能单位。单位。u对于编码蛋白质的结构基因来说，基因是决定一条多肽链对于编码蛋白质的结构基因来说，基因是决定一条多肽链的的DNA片段。片段。根据是否具有转录和翻译功能可以分为三类根据是否具有转录和翻译功能可以分为三类u第一类是第一类是编码蛋白质的基因编码蛋白质的基因，它具有转录和翻译功能，包，它具有转录和翻译功能
6、，包括编码酶和结构蛋白的结构基因以及编码阻遏蛋白的括编码酶和结构蛋白的结构基因以及编码阻遏蛋白的调节调节基因。基因。u第二类是第二类是只有转录功能而没有翻译功能的基因只有转录功能而没有翻译功能的基因，包括，包括tRNA基因和基因和rRNA基因。基因。u第三类是第三类是不转录的基因不转录的基因，它对基因表达起调节控制作用，它对基因表达起调节控制作用，包括启动基因和包括启动基因和操纵基因。操纵基因。表型和基因型表型和基因型 机体机体可以观察到的特征称为表型（可以观察到的特征称为表型（phenotypephenotype）与与表型表型相对应相对应的基因组成称为基因型（的基因组成称为基因型（genot
7、ypegenotype）等位基因等位基因 （1 1）二倍体细胞有）二倍体细胞有2 2套基因，一套来自父本，另一套来自母本，套基因，一套来自父本，另一套来自母本，每个细胞的全部基因均由每个细胞的全部基因均由2 2套基因组成，每一对基因称做等位基套基因组成，每一对基因称做等位基因。因。（2 2）由于突变作用引起）由于突变作用引起DNADNA结构变异，所以某一基因可具有若结构变异，所以某一基因可具有若干种不同的形式，这种同一基因不同的形式互称干种不同的形式，这种同一基因不同的形式互称等等位位基因基因（alleleallele）。）。基因的基本基因的基本结构结构编码区编码区+调控区调控区5 5、AGC
8、CGACTATGTCGAAGCTTAGCCGACTATGTCGAAGCTT、GCTTGACTATAAGACAGCTTGACTATAAGACA、3 33 3、TCGGCTGATACAGCTTCTAATCGGCTGATACAGCTTCTAA、CGAACTGATATTCTGTCGAACTGATATTCTGT、5 5转录调控区转录调控区 贮存贮存RNARNA或蛋白质结构或蛋白质结构信息区信息区 转录终止区转录终止区u三个小写英文斜体字母三个小写英文斜体字母:乳糖代谢相关乳糖代谢相关lacu三个小写英文斜体三个小写英文斜体字母字母+大写斜体字母大写斜体字母：lac ZuLacZ 蛋白产物和表型蛋白产物和
9、表型3.2基因的命名基因的命名u细胞细胞细胞细胞或生物中，一套完整单倍体或生物中，一套完整单倍体或生物中，一套完整单倍体或生物中，一套完整单倍体遗传物质遗传物质遗传物质遗传物质的总和的总和的总和的总和（包括一种生物所需的全套基因及间隔序列）称（包括一种生物所需的全套基因及间隔序列）称（包括一种生物所需的全套基因及间隔序列）称（包括一种生物所需的全套基因及间隔序列）称为为为为基因组。基因组。基因组。基因组。u基因组的结构主要指不同的基因功能区域在基因组的结构主要指不同的基因功能区域在核酸核酸序序列列中的分布和排布情况，基因组的功能是贮存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和表达遗
10、传信息。3.3基因组基因组genomeu人类基因组包含人类基因组包含2222对常染色体和对常染色体和XYXY两条性染色体两条性染色体上的全部遗传物质（核基因组）以及线粒体上的上的全部遗传物质（核基因组）以及线粒体上的遗传物质（线粒体基因组）遗传物质（线粒体基因组）。什么是什么是C C值？值？uC值值：一种生物一种生物单倍体基因组所包含的全部单倍体基因组所包含的全部DNA总量称为该物种的总量称为该物种的C值，以皮克表示。值，以皮克表示。在真核生物中，在真核生物中，C值一般随着生物的进化而增加，值一般随着生物的进化而增加，高等生物高等生物C值一般大于低等生物。值一般大于低等生物。霉菌藻类藻类G+细
11、菌细菌G-细菌细菌显花植物显花植物鸟类鸟类哺乳类哺乳类爬行类爬行类两栖类两栖类硬骨鱼类硬骨鱼类软骨鱼类软骨鱼类棘皮类棘皮类甲壳类甲壳类昆虫类昆虫类软体动物软体动物蠕虫类蠕虫类真菌真菌支原体支原体C value paradoxA 生物体进化程度生物体进化程度与与 C值不成明显正相关值不成明显正相关 B 亲缘关系相近的生物亲缘关系相近的生物 间间C值相差较大值相差较大C 真核生物真核生物DNA的量远大的量远大 于编码蛋白等物质所需的量。于编码蛋白等物质所需的量。真核生物真核生物 DNA 染色体数染色体数 （2C）（2N）两栖鲵两栖鲵 168.0 pg 24肺鱼肺鱼 100 38蝾螈蝾螈 85.3
12、24警蛙警蛙 28.2 24牛牛 6.4 60人人 6.4 46绵羊绵羊 5.7 54果蝇果蝇 0.2 8贝母贝母 196.7 24豌豆豌豆 28 12玉米玉米 11 20原核生物原核生物 DNA （C）Salmonella 0.0143 pgE.coli 0.0040T2 0.00022 0.0000055174 0.000005C-value paradox means that the DNA amount(=genome size)in higher eukaryotes exceeds to a greater or lesser degree the amount required
13、 for encoding structural genes and regulatory regions in chromosomesu生物的复杂性和其生物的复杂性和其DNA含量之间有较好的含量之间有较好的相相关性。关性。uC值和生物结构或组成的复杂性不一致的现象值和生物结构或组成的复杂性不一致的现象称为称为C值悖论值悖论(C-value paradox)。u由此表明由此表明C值的大小并不能完全说明生物进化值的大小并不能完全说明生物进化的程度和遗传复杂性的高低，即物种的程度和遗传复杂性的高低，即物种C值的大值的大小与生物的进化程度之间不完全呈相关关系，小与生物的进化程度之间不完全呈相关关系，
14、这就是这就是C值矛盾（值矛盾（C-value paradox）。）。完整的病毒颗粒具有蛋白质外壳，以保护病毒核酸不受核酸酶的破坏，完整的病毒颗粒具有蛋白质外壳，以保护病毒核酸不受核酸酶的破坏，并能识别和侵袭特定的宿主并能识别和侵袭特定的宿主。3.4病毒及其基因组病毒及其基因组u病毒核酸分子量大小病毒核酸分子量大小：1.0 x101.0 x106 6-10-107 7，为一般细菌基因，为一般细菌基因组的组的0.1%-10%0.1%-10%。uu病毒病毒病毒病毒核酸可以是核酸可以是核酸可以是核酸可以是ssDNAssDNAssDNAssDNA、dsDNAdsDNAdsDNAdsDNA或或或或RNAR
15、NARNARNA分子分子分子分子，分子结构有，分子结构有发夹、环状、线型、节段型。发夹、环状、线型、节段型。以以ssDNA,dsRNAssDNA,dsRNA最为突出最为突出。u病毒病毒核酸与所有的原、真核生物的核酸组比较，核酸与所有的原、真核生物的核酸组比较，最为突最为突最为突最为突出的特点是每种病毒颗粒只含出的特点是每种病毒颗粒只含出的特点是每种病毒颗粒只含出的特点是每种病毒颗粒只含1 1 1 1种核酸种核酸种核酸种核酸，或，或DNADNA或或RNARNA，两者不共存于两者不共存于1 1种病毒颗粒中，据此，病毒可以分成两种病毒颗粒中，据此，病毒可以分成两组，即组，即DNADNA病毒和病毒和R
16、NARNA病毒。病毒。病毒基因组一般特点病毒基因组一般特点重叠基因重叠基因n重叠基因重叠基因(overlappinggene)：同一段同一段DNA的的编码序列，编码序列，由于阅读框架的不同或终止早由于阅读框架的不同或终止早晚的不同，同时编码两个或两个以上多肽链晚的不同，同时编码两个或两个以上多肽链的基因。的基因。u 原核原核病毒（如噬菌体）基因是连续的，没有内含子；病毒（如噬菌体）基因是连续的，没有内含子；u 真核真核病毒（如多瘤病毒）基因是不连续的，有内含子。病毒（如多瘤病毒）基因是不连续的，有内含子。u 有些有些真核病毒的内含子或其中的一部分对某一基因来说真核病毒的内含子或其中的一部分对某
17、一基因来说是内含子，对另一基因却是外显子。是内含子，对另一基因却是外显子。如如SV40SV40和多瘤病毒的早期区域就是这样的。和多瘤病毒的早期区域就是这样的。连续连续/不连续基因不连续基因uu基因基因基因基因常常成簇排列常常成簇排列常常成簇排列常常成簇排列，没有间隔序列或间隔序列很小。没有间隔序列或间隔序列很小。功能相关蛋白质基因在基因组的功能相关蛋白质基因在基因组的1 1个或几个特定部个或几个特定部位，丛集成簇被转录成多顺反子，然后加工成各种位，丛集成簇被转录成多顺反子，然后加工成各种蛋白质的蛋白质的mRNAmRNA模板。如腺病毒晚期基因。模板。如腺病毒晚期基因。uu不规则不规则不规则不规则
18、的结构基因的结构基因的结构基因的结构基因结构基因结构基因的编码区不规则，因此有些结构基因无翻的编码区不规则，因此有些结构基因无翻译起始序列。译起始序列。有有的的mRNAmRNA没有没有5 5帽子，但有翻译增强子。帽子，但有翻译增强子。病毒基因病毒基因组组特点特点1.很小，遗传信息量少很小，遗传信息量少2.只只含一种含一种核酸核酸3.有重叠基因有重叠基因4.基因之间间隔区很短基因之间间隔区很短5.功能相关的基因集中成功能相关的基因集中成簇，为一个转录簇，为一个转录单元单元6.噬菌体噬菌体基因是连续的，但也有许多病毒基因是基因是连续的，但也有许多病毒基因是不连续的。不连续的。病毒病毒有有(+)(+
19、)链链RNARNA和和(-)(-)链链RNARNA之之分分(+)RNA(+)RNA(+)RNA(+)RNA病毒病毒病毒病毒 (-)RNA(-)RNA(-)RNA(-)RNA病毒病毒病毒病毒单链单链RNARNA直接作为直接作为mRNAmRNA以互补的以互补的RNARNA链作为链作为mRNAmRNA直接感染直接感染本身无感染性，需要转录成本身无感染性，需要转录成mRNA(RNAmRNA(RNA依赖的依赖的RNARNA聚合酶聚合酶)才具有感染性才具有感染性噬菌体基因组噬菌体基因组u基因组大小：基因组大小：4.85x104bp，包括包括46个基因。个基因。u5个区域：头部个区域：头部基因、尾部基因、基
20、因、尾部基因、调控区、复制控调控区、复制控制区、晚期基因制区、晚期基因调控区。调控区。噬菌体基因组噬菌体基因组u单链环状，5386个核苷酸对，11个基因，3个转录单元u有重叠基因，基因间间隔区很小174噬菌体基因组uSV40是是猴空泡病毒猴空泡病毒40，猿猴病，猿猴病毒毒40或猴病毒或猴病毒40的缩写，多瘤的缩写，多瘤病毒科，这是在人类和猴子都病毒科，这是在人类和猴子都发现的致瘤病毒。发现的致瘤病毒。SV40病毒的病毒的基因组是一种环形双链的基因组是一种环形双链的DNA，基因组，基因组5.2kb，病毒的直径，病毒的直径45nm，病毒成熟部位，病毒成熟部位细胞核细胞核，无被膜，无被膜，62个核个
21、核壳粒壳粒亚单位，亚单位，这种大小很适于这种大小很适于基因操作基因操作。同。同时它也是第一个完成基因组时它也是第一个完成基因组DNA全序列分析的全序列分析的动物病毒动物病毒。SV40病毒基因病毒基因组组(Simianvacuolatingvirus40orSimianvirus40)u腺病毒(adenovirus)是一种没有包膜的直径为7090 nm的颗粒，由252个壳粒呈廿面体排列构成。每个壳粒的直径为79 nm。衣壳里是线状双链DNA分子，约含35 000 bp，两端各有长约100 bp的反向重复序列。由于每条DNA链的5端同相对分子质量为55X103Da的蛋白质分子共价结合，可以出现双链
22、DNA的环状结构。腺病毒基因组腺病毒基因组(adenovirus)人类免疫缺陷病毒基因组（人类免疫缺陷病毒基因组（HIVHIV）获得性免疫缺陷综合征获得性免疫缺陷综合征（AIDSAIDSAIDSAIDS）1981198119811981年在美国首先年在美国首先年在美国首先年在美国首先发现发现发现发现，其病原是一种破坏人免疫系统的，其病原是一种破坏人免疫系统的retro-V.retro-V.retro-V.retro-V.1986198619861986年年年年命名为命名为命名为命名为HIVHIVHIVHIV。HIVHIV特异性侵犯并损耗特异性侵犯并损耗T T细胞造成机体免疫细胞造成机体免疫缺陷
23、，最后并发各种严重感染和恶性肿瘤，成为艾滋病缺陷，最后并发各种严重感染和恶性肿瘤，成为艾滋病（谈（谈“艾艾”色变）。因该病无特效治疗，病死率几乎为色变）。因该病无特效治疗，病死率几乎为100%100%。逆转录病毒基因组逆转录病毒基因组人类免疫缺陷病毒人类免疫缺陷病毒基因组（基因组（HIVHIV）获得性免疫获得性免疫缺陷综合征缺陷综合征（AIDSAIDSAIDSAIDS）1981198119811981年年年年在美国首先发现在美国首先发现在美国首先发现在美国首先发现，其病原是一种破其病原是一种破坏人免疫系统坏人免疫系统的的逆转录病毒。逆转录病毒。1986198619861986年命名为年命名为年
24、命名为年命名为HIVHIVHIVHIV。逆转录病毒基因组逆转录病毒基因组HIVHIV基因组是单股正链基因组是单股正链RNARNA，感染细胞后在自身逆转录酶作用下合成双链，感染细胞后在自身逆转录酶作用下合成双链DNA,DNA,再整合到宿主细胞基因组再整合到宿主细胞基因组DNADNA中。中。HIVHIV基因组结构和功能基因组结构和功能uuHIVHIVHIVHIV基因组基因组基因组基因组为单股正链为单股正链为单股正链为单股正链RNARNARNARNA，HIV-1 9.3kbHIV-1 9.3kb，HIV-2 9.7kbHIV-2 9.7kb，5 5端有帽，端有帽，3 3端端poly(Apoly(A）
25、尾含）尾含3 3个结构基因，至少个结构基因，至少6 6个调个调节基因。节基因。uuLTRLTRLTRLTR（长末端重复顺序长末端重复顺序）与结构基因）与结构基因）与结构基因）与结构基因。LTR LTR 含启动子、增强子、负调节元件及哺乳动物组含启动子、增强子、负调节元件及哺乳动物组胺转录因子结合位点等。胺转录因子结合位点等。gag gag 编码病毒核心结构蛋白编码病毒核心结构蛋白pol pol 编码逆转录酶、整合酶、蛋白酶。编码逆转录酶、整合酶、蛋白酶。env env 编码包膜蛋白编码包膜蛋白3.5细菌基因组细菌基因组大肠杆菌大肠杆菌西伯利亚乳杆菌西伯利亚乳杆菌金黄色葡萄球菌金黄色葡萄球菌一、
26、原核生物基因组结构与功能的特点一、原核生物基因组结构与功能的特点一、原核生物基因组结构与功能的特点一、原核生物基因组结构与功能的特点1.1.基因组通常仅由基因组通常仅由一条环状双链一条环状双链一条环状双链一条环状双链DNADNADNADNA分子组成。分子组成。分子组成。分子组成。其其DNADNA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。细菌染色体为染色体。细菌染色体DNADNA在胞内形成一个致密区域，即类核在胞内形成一个致密区域，即类核（nucleoidnucleoid），类核无核膜将之与胞浆分开。），类核无核膜将之与
27、胞浆分开。2.2.基因组中基因组中只有只有只有只有1 1 1 1个复制起点个复制起点个复制起点个复制起点。3.3.具有操纵子结构。具有操纵子结构。具有操纵子结构。具有操纵子结构。操纵子（操纵子（operonoperon）是指数个功能相关的结构基因串联在一起，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转录终止信号构成的基因表达单位。4.4.结构基因无重叠结构基因无重叠结构基因无重叠结构基因无重叠现象现象现象现象。5.5.基因序列是连续的，无内含子结构。
28、基因序列是连续的，无内含子结构。基因序列是连续的，无内含子结构。基因序列是连续的，无内含子结构。6.6.编码区和非编码区编码区和非编码区编码区和非编码区编码区和非编码区（主要是调控序列）（主要是调控序列）在基因组中约各占在基因组中约各占在基因组中约各占在基因组中约各占50505050%。7.7.基因组中的基因组中的重复序列重复序列很少。很少。编码蛋白质结构基因多为单拷编码蛋白质结构基因多为单拷贝，但编码贝，但编码rRNArRNA的基因往往是多拷贝的的基因往往是多拷贝的，这有利于核糖体的这有利于核糖体的快速组装快速组装。8.8.具有编码同功酶的基因（具有编码同功酶的基因（具有编码同功酶的基因（具
29、有编码同功酶的基因（isogeneisogeneisogeneisogene）这是一类结构不完全相这是一类结构不完全相同，而功能相同的基因。如同，而功能相同的基因。如E.coliE.coli含有含有2 2个编码乙酸乳酸合成酶的基因和个编码乙酸乳酸合成酶的基因和2 2个编码分支酸变位酶同工酶的基因。个编码分支酸变位酶同工酶的基因。9.9.9.9.细菌基因组中存在可移动的细菌基因组中存在可移动的细菌基因组中存在可移动的细菌基因组中存在可移动的DNADNADNADNA序列，包括插入序列和转座序列，包括插入序列和转座序列，包括插入序列和转座序列，包括插入序列和转座子。子。子。子。10.10.原核基因的
30、基本结构特点：原核基因的基本结构特点：原核基因的基本结构特点：原核基因的基本结构特点：启动子（启动子（promoterpromoter）、操纵基因（）、操纵基因（operatoroperator）、调控序列、结构）、调控序列、结构基因（基因（structure genestructure gene）、终止子（）、终止子（terminatorterminator）。二、染色体外的遗传物质二、染色体外的遗传物质质粒质粒（一）概念（一）概念 1 1 1 1.质粒（质粒（质粒（质粒（plasmidplasmidplasmidplasmid）是独立于许多细菌及某些真核细胞染是独立于许多细菌及某些真核细胞
31、染色体外共价闭合环状的色体外共价闭合环状的DNADNA分子（分子（covalant closed covalant closed circnlar,cccDNAcircnlar,cccDNA），能独立复制的最小遗传单位），能独立复制的最小遗传单位。2.2.2.2.质粒是双链的质粒是双链的质粒是双链的质粒是双链的DNADNADNADNA分子，大小在分子，大小在分子，大小在分子，大小在1 1 1 1200kb200kb200kb200kb之间，和病毒不同，之间，和病毒不同，之间，和病毒不同，之间，和病毒不同，它们没有衣壳蛋白（裸它们没有衣壳蛋白（裸它们没有衣壳蛋白（裸它们没有衣壳蛋白（裸DNADN
32、ADNADNA）。）。）。）。从生化学来说，从生化学来说，从生化学来说，从生化学来说，除酵母的杀伤质粒（除酵母的杀伤质粒（killer plasmidkiller plasmid）是是RNARNA外，其余质粒是染色体外的外，其余质粒是染色体外的cDNAcDNA分子。分子。从遗传学来说，从遗传学来说，从遗传学来说，从遗传学来说，质粒是与宿主染色体有别的复制子（真质粒是与宿主染色体有别的复制子（真核细胞分裂过程中，核细胞分裂过程中，DNADNA纤维分成许多复制单位，该单位称纤维分成许多复制单位，该单位称为复制子）。在细胞分裂时能恒定传递给交代细胞的独立遗为复制子）。在细胞分裂时能恒定传递给交代细胞
33、的独立遗传因子或能在胞内寄生和复制的复制子。传因子或能在胞内寄生和复制的复制子。3.3.质粒与宿主细胞的关系质粒与宿主细胞的关系（1 1）质粒对宿主的生存不是必需的，只是质粒对宿主的生存不是必需的，只是“友好友好”的的“借居借居”宿主宿主细胞中，细胞中，既不杀伤细胞，对宿主的代谢活动也无影响，宿主离开质粒既不杀伤细胞，对宿主的代谢活动也无影响，宿主离开质粒照样能生存照样能生存下去。下去。（2 2 2 2）质粒离开宿主就无法生存，只有依赖宿主细胞的）质粒离开宿主就无法生存，只有依赖宿主细胞的）质粒离开宿主就无法生存，只有依赖宿主细胞的）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）（酶
34、和蛋白质）帮助，才能完成自身的复制（扩增）、转录。帮助，才能完成自身的复制（扩增）、转录。（3 3 3 3）质粒经常为宿主执行一些适当的遗传功能）质粒经常为宿主执行一些适当的遗传功能）质粒经常为宿主执行一些适当的遗传功能）质粒经常为宿主执行一些适当的遗传功能，作为对宿主细胞的作为对宿主细胞的补偿。补偿。（4 4 4 4）质粒赋于宿主各种有利的表型（质粒编码蛋白质或酶），）质粒赋于宿主各种有利的表型（质粒编码蛋白质或酶），）质粒赋于宿主各种有利的表型（质粒编码蛋白质或酶），）质粒赋于宿主各种有利的表型（质粒编码蛋白质或酶），使宿使宿主获得生存优势，与我们基因工程实验紧密相关的，如抗生素抗性基主获
35、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：因：AmpAmpr r 酶，水解酶，水解-内酰胺环内酰胺环,解除氨关毒性解除氨关毒性,使细菌抗使细菌抗氨苄。氨苄。TetTetr r 膜蛋白膜蛋白,可阻止四环素进入细胞可阻止四环素进入细胞,使细菌抗四环素。使细菌抗四环素。4.4.质粒发现和研究意义质粒发现和研究意义 1 1 1 1）理论意义）理论意义）理论意义）理论意义 质粒能够复制、传递和表达遗传信息，从分子质粒能够复制、传递和表达遗传信息，从分子遗传学观点来看是一种有机体，是比病毒更原始的生命形式遗传学观点来看是一种有机体，是比病毒更原始的生命形式，2 2 2 2）实践意义）实践
36、意义）实践意义）实践意义 是基因工程的重要载体（是基因工程的重要载体（是基因工程的重要载体（是基因工程的重要载体（vectorvectorvectorvector），能把外源），能把外源），能把外源），能把外源基因基因基因基因（目的基因）送到宿主细胞中去克隆扩增或克隆目的基因）送到宿主细胞中去克隆扩增或克隆目的基因）送到宿主细胞中去克隆扩增或克隆目的基因）送到宿主细胞中去克隆扩增或克隆表达。表达。表达。表达。质粒是可以改造的，可以剪切、剪接的，质粒是可以改造的，可以剪切、剪接的，质粒是可以改造的，可以剪切、剪接的，质粒是可以改造的，可以剪切、剪接的，基因工程的重要基因工程的重要任务之一就是严格
37、改造质粒的同时，控制质粒不任务之一就是严格改造质粒的同时，控制质粒不传递。传递。（二）质粒的分类（二）质粒的分类 1.1.按质粒的复制机理，分为按质粒的复制机理，分为2 2类类：严谨控制型严谨控制型严谨控制型严谨控制型松弛控制型松弛控制型松弛控制型松弛控制型拷贝数少，一般拷贝数少，一般1010个，分子量大；个，分子量大；拷贝数多，拷贝数多，10-20010-200个，分子量小；个，分子量小；复制受限，受细菌宿主复制受限，受细菌宿主DNADNA复制系复制系统的控制统的控制复制不受细菌复制不受细菌DNADNA复制系统限制，复制系统限制，当宿主蛋白质合成受抑制时（如培当宿主蛋白质合成受抑制时（如培养
38、中加入氯霉素时），其拷贝数可养中加入氯霉素时），其拷贝数可猛增至猛增至1000-30001000-3000之多，该性质对之多，该性质对基因工程技术十分有利。基因工程技术十分有利。可以自传递可以自传递分子量小，不具备自传递能力；分子量小，不具备自传递能力；严谨控制机理（低拷贝原因），认严谨控制机理（低拷贝原因），认为是该质粒可以产生阻逼蛋白，反为是该质粒可以产生阻逼蛋白，反馈抑制自身馈抑制自身DNADNA合成。合成。基因工程使用松弛型（高拷贝数）基因工程使用松弛型（高拷贝数）质粒，以获得列多的基因产物。质粒，以获得列多的基因产物。2.2.按分子量大小，分为按分子量大小，分为2 2类类小型质粒小型
39、质粒15Kb小型质粒，无接合和自传递小型质粒，无接合和自传递能力，在接合质粒协助下也能力，在接合质粒协助下也能转移，也可以通过转化作能转移，也可以通过转化作用进入受体细胞，这类质粒用进入受体细胞，这类质粒种类较多，几乎每种细菌都种类较多，几乎每种细菌都可以含有可以含有2 2种以上，种以上，基因基因基因基因工程一般用小型质粒。工程一般用小型质粒。工程一般用小型质粒。工程一般用小型质粒。多属接合型或自传递型，大多属接合型或自传递型，大型质粒只能通过细菌的接合型质粒只能通过细菌的接合作用从一个细菌传到另一个作用从一个细菌传到另一个细菌。（如细菌。（如F F质粒）。质粒）。3.3.按质粒转移方式，分为
40、按质粒转移方式，分为3 3类类 接合型质粒接合型质粒接合型质粒接合型质粒可移动质粒可移动质粒可移动质粒可移动质粒自传递质粒自传递质粒自传递质粒自传递质粒带有效接触基因带有效接触基因质粒，质粒，只能使细只能使细只能使细只能使细菌接合菌接合菌接合菌接合，本身不，本身不被传递被传递.可以被传递，但可以被传递，但可以被传递，但可以被传递，但不能使细菌接合不能使细菌接合不能使细菌接合不能使细菌接合型与可移动性共型与可移动性共存时，能传递可存时，能传递可移动质粒。移动质粒。兼具兼具兼具兼具1 1 1 1）2 2 2 2）两种）两种）两种）两种功能因而可以自功能因而可以自功能因而可以自功能因而可以自传递传递
41、传递传递，如，如F F质粒。质粒。（三）质粒的功能（三）质粒的功能 质粒的功能主要通过质粒本身携带的质粒的功能主要通过质粒本身携带的基因编码基因编码蛋白质表蛋白质表现出来。携带质粒的宿主细胞可表现出相应表型。现出来。携带质粒的宿主细胞可表现出相应表型。1.1.1.1.性质粒性质粒性质粒性质粒 即雄性细菌即雄性细菌F F质粒，它本身转到质粒，它本身转到F F-宿主细胞时，宿主细胞时，使后者变成使后者变成F F+，改变宿主细菌性别。，改变宿主细菌性别。2.2.2.2.抗生素抗性抗生素抗性抗生素抗性抗生素抗性 抗药性（抗药性（R R）质粒使细菌产生抗生素抗性，）质粒使细菌产生抗生素抗性，这种抗药性抗
42、性基因也可以转移到缺乏这种抗药基因的细菌这种抗药性抗性基因也可以转移到缺乏这种抗药基因的细菌体内，使之产生抗药性。体内，使之产生抗药性。3.3.3.3.产生毒素的质粒产生毒素的质粒产生毒素的质粒产生毒素的质粒 如如colcol质粒能产生大肠杆菌素因子质粒能产生大肠杆菌素因子（colicincolicin），杀死不合该毒素的亲缘细菌。），杀死不合该毒素的亲缘细菌。4.4.4.4.降解复杂的有机化合物作为能源质粒。降解复杂的有机化合物作为能源质粒。降解复杂的有机化合物作为能源质粒。降解复杂的有机化合物作为能源质粒。5.5.5.5.产生限制和修饰酶产生限制和修饰酶产生限制和修饰酶产生限制和修饰酶。（
43、四）质粒的基本特性（四）质粒的基本特性 1.1.1.1.自主复制自主复制自主复制自主复制 质粒的复制是自主调节的，不受染色体复制调节因素的影响质粒的复制是自主调节的，不受染色体复制调节因素的影响质粒的复制是自主调节的，不受染色体复制调节因素的影响质粒的复制是自主调节的，不受染色体复制调节因素的影响。2 2 2 2.质粒的不相容性质粒的不相容性质粒的不相容性质粒的不相容性 利用相同复制系统的质粒不能共存于同一个细胞内利用相同复制系统的质粒不能共存于同一个细胞内利用相同复制系统的质粒不能共存于同一个细胞内利用相同复制系统的质粒不能共存于同一个细胞内。3.3.3.3.质粒的质粒的质粒的质粒的转移性转
44、移性转移性转移性（四）细菌有（四）细菌有限制限制修饰系统修饰系统 细菌的限制细菌的限制修饰系统是分别由特定的基因编码的限制酶修饰系统是分别由特定的基因编码的限制酶和修饰酶组成的二元系统。和修饰酶组成的二元系统。1.1.防御外源性防御外源性DNADNA入侵。入侵。2.2.构成细菌种属和菌株之间交叉繁殖屏障，但又允许外源构成细菌种属和菌株之间交叉繁殖屏障，但又允许外源DNADNA有某些遗漏，利于物种进化。有某些遗漏，利于物种进化。3.3.基因工程重要的工具酶基因工程重要的工具酶。甲基化酶甲基化酶 1.1.保护自身保护自身DNADNA不受限制酶切割（限制）。不受限制酶切割（限制）。2.2.影响影响D
45、NADNA分子构象，利于基因表达调控。分子构象，利于基因表达调控。限制酶和甲基化酶辩证关系。限制酶和甲基化酶辩证关系。3.6真核生物基因组真核生物基因组u真核生物真核生物基因组的结构特点基因组的结构特点1 1、分子量、分子量大，比原核细胞大大，比原核细胞大1010倍以上倍以上。2 2、多条，线状。多条，线状。多复制起点多复制起点3 3、DNADNA与蛋白质结合，可以形成染色质结构与蛋白质结合，可以形成染色质结构4 4、分为胞质区和核区，转录和翻译在、分为胞质区和核区，转录和翻译在实间和实间和空间分隔。空间分隔。5 5、重复序列、重复序列6 6、多为单拷贝基因、多为单拷贝基因7 7、有跳跃基因、
46、有跳跃基因8 8、有内含子、有内含子(一一)真核基因的基本结构真核基因的基本结构1.1.结构基因、内含和外显子、断裂基因。结构基因、内含和外显子、断裂基因。（1 1）结构基因（结构基因（结构基因（结构基因（structural genestructural genestructural genestructural gene）指能转录成为指能转录成为mRNAmRNA、rRNArRNA或或tRNAtRNA的的DNADNA顺序。顺序。（2 2）内含子和外显子内含子和外显子内含子和外显子内含子和外显子 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
47、码序列之间的序列称为内含子被非编码序列打断，在编码序列之间的序列称为内含子（intronintron），编码序列称为外显子（），编码序列称为外显子（extronextron）。）。（3 3）断裂基因（断裂基因（断裂基因（断裂基因（split genesplit genesplit genesplit gene）在真核类结构基因组中，编码顺序被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许多称为内含子的非编码区分割成几段。段。断裂基因断裂基因nmRNA的前体是核内不均一的前体是核内不均一RNA。n不连续基因是普遍现象（原核极为少见，古细菌和噬菌体不连续基因是普遍现象（原核极为
48、少见，古细菌和噬菌体中发现了断裂基因中发现了断裂基因）。）。n断裂基因共性：外显子排列顺序与产物相同，在不同组织断裂基因共性：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中其内含子成分相同，内含子突变不影响蛋白产物。产物。内含子外显子的相互关系内含子外显子的相互关系nII型基因型基因（由（由RNA聚合酶聚合酶II催化的）内含子催化的）内含子5端与外显子端与外显子3端均具有端均具有GT序列序列，内含子，内含子3端与外显子端与外显子5端均具有端均具有AG序序列列，这种内含子称为主型内含子。，这种内含子称为主型内含子。n同一基因在不同组织中同一基因在不同组织中其内含子
49、其内含子外显子数目长度位置会外显子数目长度位置会有变化。有变化。外显子内含子连接点外显子内含子连接点内含子功能内含子功能？n促进重组，利于两条促进重组，利于两条DNA分子间的分子间的连接连接n增加基因组复杂性增加基因组复杂性n内含子里也有可能含有内含子里也有可能含有可读框可读框n内含子外显子是相对内含子外显子是相对的的n含剪接信号含剪接信号n产生核仁小产生核仁小RNAn对基因表达产生影响对基因表达产生影响据出现的频率不同可将据出现的频率不同可将DNADNA序列序列分为分为4 4类类：1.1.高度重复序列高度重复序列 在在基因组中的重复次数基因组中的重复次数 1051052.2.中中度重复序列度
50、重复序列 在在基因组中的重复次数为基因组中的重复次数为 10101 1-10-105 53.3.低度低度重复序列重复序列 在在基因组中的重复次数为基因组中的重复次数为 2 21010拷贝拷贝4.4.单单拷贝序列拷贝序列 在在整个基因组中出现整个基因组中出现1 1次或少数几次或少数几次次真核生物基因组的序列类型真核生物基因组的序列类型n卫星DNA 简单重复序列，异染色质区，梯度离心时，主DNA峰之外的小峰，n小卫星DNAn微卫星DNA转位因子转位因子 转位因子（转位因子（转位因子（转位因子（transposable elementtransposable elementtransposable