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1、第三章第三章 基因、基因组的基因、基因组的结构结构讨论题讨论题n n基本概念：基因、基因组、基因组学、人类基因组计划n n真核生物基因组与原核生物基因组有何主要区别？以图解说明真核细胞编码蛋白质的基因的一般结构。第一节第一节 基因的概念基因的概念n n一、基因概念的发展一、基因概念的发展n n（一）基因概念的提出（一）基因概念的提出n n1 1、遗传学的奠基人孟德尔（、遗传学的奠基人孟德尔（GregorGregor Johann Mendel 1822 Johann Mendel 182218841884），在布尔诺的奥古斯丁教派修道院的菜园里，挥洒），在布尔诺的奥古斯丁教派修道院的菜园里，挥
2、洒了了8 8年的汗水，于年的汗水，于18651865年年2 2月在奥地利自然科学学会会议上月在奥地利自然科学学会会议上报告了自己植物杂交研究结果，第二年在奥地利自然科学报告了自己植物杂交研究结果，第二年在奥地利自然科学学会年刊上发表了著名的学会年刊上发表了著名的植物杂交试验植物杂交试验的论文。文中的论文。文中指出，生物每一个性状都是通过遗传因子来传递的，遗传指出，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。这样把可观察的遗传性状和因子是一些独立的遗传单位。这样把可观察的遗传性状和控制它的内在的遗传因子区分开来了，遗传因子作为基因控制它的内在的遗传因子区分开来了，遗传因
3、子作为基因的雏形名词诞生了。的雏形名词诞生了。n n可以说，遗传因子实际上是孟德尔根据其实验结可以说，遗传因子实际上是孟德尔根据其实验结果所虚拟假想的某种东西，从那时起遗传学家踏果所虚拟假想的某种东西，从那时起遗传学家踏上了寻找基因实体的艰难历程。上了寻找基因实体的艰难历程。n n19031903年萨顿（年萨顿（W.S.Sutton 1877W.S.Sutton 187719161916）和鲍维里）和鲍维里（T.BoveriT.Boveri 1862 186219151915）两人注意到在杂交试验中）两人注意到在杂交试验中遗传因子的行为与减数分裂和受精中染色体的行遗传因子的行为与减数分裂和受精
4、中染色体的行为非常吻合，他们作出为非常吻合，他们作出“遗传因子位于染色体上遗传因子位于染色体上”的的“萨顿萨顿鲍维里假想鲍维里假想”。这种假想可以很好。这种假想可以很好地解释孟德尔的两大规律，在以后的科学实验中地解释孟德尔的两大规律，在以后的科学实验中也得到了证实，即被称为遗传的染色体理论。也得到了证实，即被称为遗传的染色体理论。19091909年丹麦遗传学家约翰逊（年丹麦遗传学家约翰逊（W.JohansenW.Johansen 1859 185919271927）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”概念，以此来替代孟德尔假定的概念，以此来替代孟德尔假定的“遗传因
5、子遗传因子”。从此，从此，“基因基因”一词一直伴随着遗传学发展至今。一词一直伴随着遗传学发展至今。n n（二）基因结构和功能的探索（二）基因结构和功能的探索n n摩尔根（摩尔根（ThomanThoman Hunt Morgan 1866 Hunt Morgan 186619451945）和他的学生们）和他的学生们利用果蝇作了大量的潜心研究。利用果蝇作了大量的潜心研究。19261926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，他还绘制了著名的出版，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，果蝇基因位置图，首次完成了当时最新
6、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，而且能发生突变并随着染色体同源节段的互换而交换，它不仅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能单位，而且是一个突变单位和交换单位。是决定性状的功能单位，而且是一个突变单位和交换单位。至此，人们对基因概念的理解更加具体和丰富了。但基因至此，人们对基因概念的理解更加具体和丰富了。但基因到底是何物到底是何物?其物质结构和化学组成怎样其物质结构和化学组成怎样?它是怎样决定遗它是怎样决定遗传性状的传性状的?当时一无所知。当时一无所知。n n 自从自从19001900
7、年孟德尔定律重新发现后，年孟德尔定律重新发现后，“基因怎基因怎样控制性状样控制性状”的问题引起了许多遗传学家的浓厚的问题引起了许多遗传学家的浓厚兴趣。经过他们孜孜以求的努力，又出现了一批兴趣。经过他们孜孜以求的努力，又出现了一批重要成果。如重要成果。如19411941年比德尔（年比德尔（G.W.Beadle 1903G.W.Beadle 1903）和塔特姆（和塔特姆（E.L.Tatum 1909E.L.Tatum 190919751975）提出）提出一个基因一个基因一个酶学说一个酶学说，证明基因通过它所控制的酶决定着，证明基因通过它所控制的酶决定着代谢中生化反应步骤，进而决定生物性状。代谢中生
8、化反应步骤，进而决定生物性状。19491949年鲍林（年鲍林（L.C.PaulingL.C.Pauling19011901）与合作者在研究镰）与合作者在研究镰刀型细胞贫血症时推论基因决定着多肽链的氨基刀型细胞贫血症时推论基因决定着多肽链的氨基酸顺序，这样酸顺序，这样2020世纪世纪4040年代末至年代末至2020世纪世纪5050年代初，年代初，基因是通过控制合成特定蛋白质以控制代谢决定基因是通过控制合成特定蛋白质以控制代谢决定性状原理变得清晰起来。性状原理变得清晰起来。n n19441944年艾弗里（年艾弗里（O.T.Avery 1877O.T.Avery 187719551955）、麦卡蒂）
9、、麦卡蒂（M.McCartyM.McCarty 1911 1911）等人发表了关于）等人发表了关于“转化因子转化因子”的重要论文，首次用实验明确证实：的重要论文，首次用实验明确证实：DNADNA是遗是遗传信息的载体。传信息的载体。19521952年赫尔希（年赫尔希（A.D.HersheyA.D.Hershey）和）和蔡斯（蔡斯（M.M.Chase 1927M.M.Chase 1927）进一步证明遗传物质）进一步证明遗传物质是是DNADNA而不是蛋白质。而不是蛋白质。19531953年美国分子生物学家年美国分子生物学家沃森（沃森（J.D.WatsonJ.D.Watson）和英国分子生物学家克里克
10、）和英国分子生物学家克里克（F.H.C.CrickF.H.C.Crick）通力协作，根据）通力协作，根据X X射线衍射分析，射线衍射分析，提出了著名的提出了著名的DNADNA双螺旋结构模型，进一步说明双螺旋结构模型，进一步说明基因成分就是基因成分就是DNADNA，它控制着蛋白质合成。，它控制着蛋白质合成。n n19571957年法国遗传学家本滋尔（年法国遗传学家本滋尔（BenzerBenzer）以）以T4T4噬菌体作为研噬菌体作为研究材料分析了基因内部的精细结构，提出了顺反子学说。究材料分析了基因内部的精细结构，提出了顺反子学说。这个学说打破了过去关于基因是突变、重组、决定遗传性这个学说打破了
11、过去关于基因是突变、重组、决定遗传性状的状的“三位一体三位一体”概念及基因是最小的不可分割的遗传单概念及基因是最小的不可分割的遗传单位的观点，从而认为基因为位的观点，从而认为基因为DNADNA分子上一段核苷酸顺序，分子上一段核苷酸顺序，负责着遗传信息传递，负责着遗传信息传递，一个基因内部仍可划分若干个起作一个基因内部仍可划分若干个起作用的小单位，即可区分成顺反子、突变子和重组子。用的小单位，即可区分成顺反子、突变子和重组子。一个一个作用子通常决定一种多肽链合成，一个基因包含一个或几作用子通常决定一种多肽链合成，一个基因包含一个或几个作用子。突变子指基因内突变的最小单位，而重组子为个作用子。突变
12、子指基因内突变的最小单位，而重组子为最小的重组合单位，只包含一对核苷酸。所有这些均是基最小的重组合单位，只包含一对核苷酸。所有这些均是基因概念的伟大突破。因概念的伟大突破。n n 关于基因的本质确定后，人们又把研究视线转关于基因的本质确定后，人们又把研究视线转移到基因传递遗传信息的过程上。在移到基因传递遗传信息的过程上。在2020世纪世纪5050年年代初人们已懂得基因与蛋白质间似乎存在着相应代初人们已懂得基因与蛋白质间似乎存在着相应的联系，但基因中信息怎样传递到蛋白质上这一的联系，但基因中信息怎样传递到蛋白质上这一基因功能的关键课题在基因功能的关键课题在2020世纪世纪6060年代至年代至20
13、20世纪世纪7070年代才得以解决。从年代才得以解决。从19611961年开始，尼伦伯格年开始，尼伦伯格（M.W.M.W.NirenbergNirenberg）和科拉纳（）和科拉纳（H.G.H.G.KhoranaKhorana）等）等人逐步搞清了基因以核苷酸三联体为一组编码氨人逐步搞清了基因以核苷酸三联体为一组编码氨基酸，并在基酸，并在19671967年破译了全部年破译了全部6464个遗传密码，这个遗传密码，这样把核酸密码和蛋白质合成联系起来。然后，沃样把核酸密码和蛋白质合成联系起来。然后，沃森和克里克等人提出的森和克里克等人提出的“中心法则中心法则”更加明确地更加明确地揭示了生命活动的基本过
14、程。揭示了生命活动的基本过程。19701970年特明（年特明（H.M.H.M.TeminTemin）以在劳斯肉瘤病毒内发现逆转录酶这一成）以在劳斯肉瘤病毒内发现逆转录酶这一成就进一步发展和完善了就进一步发展和完善了“中心法则中心法则”，至此，遗，至此，遗传信息传递的过程已较清晰地展示在人们的眼前。传信息传递的过程已较清晰地展示在人们的眼前。n n过去人们对基因的功能理解是单一的即作为蛋白过去人们对基因的功能理解是单一的即作为蛋白质合成的模板。但是质合成的模板。但是19611961年法国雅各布（年法国雅各布（F.F.JacobJacob）和莫诺（）和莫诺（J.L.J.L.MonodMonod）的
15、研究成果，又大大）的研究成果，又大大扩大了人们关于基因功能的视野。他们在研究大扩大了人们关于基因功能的视野。他们在研究大肠杆菌乳糖代谢的调节机制中发现了有些基因不肠杆菌乳糖代谢的调节机制中发现了有些基因不起合成蛋白质模板作用，只起调节或操纵作用，起合成蛋白质模板作用，只起调节或操纵作用，提出了操纵子学说。从此根据基因功能把基因分提出了操纵子学说。从此根据基因功能把基因分为为结构基因、调节基因和操纵基因结构基因、调节基因和操纵基因。n n（三）基因概念的进一步发展（三）基因概念的进一步发展n n7070年代后，基因的概念随着多学科渗透和实验手段日新年代后，基因的概念随着多学科渗透和实验手段日新月
16、异又有突飞猛进的发展，主要有以下几个方面。月异又有突飞猛进的发展，主要有以下几个方面。1 1、基因具重叠性。、基因具重叠性。19771977年桑格（年桑格（F.SangerF.Sanger）领导的研）领导的研究小组，根据大量研究事实绘制了共含有究小组，根据大量研究事实绘制了共含有53755375个核苷酸的个核苷酸的X174X174噬菌体噬菌体DNADNA碱基顺序图，第一次揭示了遗传的一种碱基顺序图，第一次揭示了遗传的一种经济而巧妙的编排经济而巧妙的编排BB和和E E基因核苷酸顺序分别与基因核苷酸顺序分别与A A和和DD基因的核苷酸顺序的一部分互相重叠。当然它们各有一套基因的核苷酸顺序的一部分互
17、相重叠。当然它们各有一套读码结构，且基因末端密码也有重叠现象（读码结构，且基因末端密码也有重叠现象（A A基因终止密基因终止密码子码子TGATGA和和C C基因起始密码子基因起始密码子ATGATG重叠重叠2 2个核苷酸；个核苷酸；DD基因基因的终止密码子的终止密码子TAATAA与与J J基因起始密码子基因起始密码子ATGATG互相重叠互相重叠1 1个核个核苷酸，顺序为苷酸，顺序为TAATGTAATG）n n2 2、内含子和外显子。人们在研究小鸡卵清蛋白基因时发、内含子和外显子。人们在研究小鸡卵清蛋白基因时发现其转录形成的现其转录形成的mRNAmRNA只有该基因长度的只有该基因长度的1/41/4
18、，其原因是基，其原因是基因中一些间隔序列的转录物在因中一些间隔序列的转录物在RNARNA成熟过程中被切除了。成熟过程中被切除了。这些间隔序列叫内含子，基因中另一些被转录形成这些间隔序列叫内含子，基因中另一些被转录形成RNARNA的的序列叫外显子。小鸡的卵清蛋白基因中至少含序列叫外显子。小鸡的卵清蛋白基因中至少含7 7个内含子。个内含子。因而从基因转录效果看，基因由外显子和内含子构成。因而从基因转录效果看，基因由外显子和内含子构成。3 3、管家基因和奢侈基因。具有相同遗传信息的同一、管家基因和奢侈基因。具有相同遗传信息的同一个体细胞间其所利用的基因并不相同，有的基因活动是维个体细胞间其所利用的基
19、因并不相同，有的基因活动是维持细胞基本代谢所必须的，而有的基因则在一些分化细胞持细胞基本代谢所必须的，而有的基因则在一些分化细胞中活动，这正是细胞分化、生物发育的基础。前者称为管中活动，这正是细胞分化、生物发育的基础。前者称为管家基因，而后者被称为奢侈基因。家基因，而后者被称为奢侈基因。n n4 4、基因的游动性。早在、基因的游动性。早在2020世纪世纪4040年代美国遗传年代美国遗传学家麦克林托克（学家麦克林托克（B.McClintockB.McClintock）在玉米研究中发）在玉米研究中发现现“转座因子转座因子”，直至，直至19801980年夏皮罗（年夏皮罗（J.ShapiroJ.Sha
20、piro）等人证实了可移位的遗传基因存在，说明某些基等人证实了可移位的遗传基因存在，说明某些基因具有游动性。为此，这位因具有游动性。为此，这位“玉米夫人玉米夫人”荣获了荣获了19831983年度诺贝尔奖。年度诺贝尔奖。所有这些成果无疑给基因概念中注入鲜活科所有这些成果无疑给基因概念中注入鲜活科学的内容，帮助人们揭开层层面纱去更加全面了学的内容，帮助人们揭开层层面纱去更加全面了解基因的真面目。时代在发展，科学在进步，基解基因的真面目。时代在发展，科学在进步，基因概念的深入发展，必将对人类的文明进步产生因概念的深入发展，必将对人类的文明进步产生强大的推动作用。强大的推动作用。二、基因的定义二、基因
21、的定义基因(gene)DNA分子上有遗传效应的片段。（分子水平）转录效应 转录基因遗传效应：非转录效应 操纵基因n n转录基因有转录基因有4 4种：种：n n1 1）mRNAmRNA基因：产物为基因：产物为mRNAmRNA，能够翻译出细胞，能够翻译出细胞重要的结构和功能蛋白，又叫结构基因；重要的结构和功能蛋白，又叫结构基因；n n2 2）tRNArtRNAr基因：产物为基因：产物为tRNAtRNA，不能翻译为蛋白质，不能翻译为蛋白质，在合成蛋白质过程中起作用在合成蛋白质过程中起作用n n3 3）RNARNA基因：产物为基因：产物为rRNArRNA，同上，同上n n4 4）调节基因：也能通过转录
22、和翻译产出蛋白质，）调节基因：也能通过转录和翻译产出蛋白质，但是这些蛋白作为反式作用因子，对基因的转录但是这些蛋白作为反式作用因子，对基因的转录起调节作用，故称调节基因起调节作用，故称调节基因n n操纵基因包括（不转录，无产物）n n1）启动基因：RNA转录酶识别、结合的位点（特定的序列、间距）；n n2）操纵基因：阻遏蛋白结合的序列。n n他们虽然不能转录，但其上特定的序列如果改变，结构基因的表达就会受影响，整个基因的活性就会改变，因此他们也有遗传效应。n n真核基因与原核基因的策略不同：一、原核细胞的基因结构一、原核细胞的基因结构非编码区非编码区编码区编码区上游编码区下游与与RNA聚酶聚酶
23、结合位点结合位点启动子终止子RNA聚合酶能够识别调控序列中的结合位点，并与其聚合酶能够识别调控序列中的结合位点，并与其结合。转录开始后，结合。转录开始后，RNA聚合酶沿聚合酶沿DNA分子移动，并与分子移动，并与DNA分子的一条链为模板合成分子的一条链为模板合成RNA。转录完毕后，转录完毕后，RNA链释放出来，紧接着链释放出来，紧接着RNA聚合酶也从聚合酶也从DNA模板链上脱落模板链上脱落下来。下来。接接能够转录为相应的信使能够转录为相应的信使RNA，进而指进而指导蛋白质的合成，也就是说能够编码导蛋白质的合成，也就是说能够编码蛋白质蛋白质 不能转录为信使不能转录为信使RNA，不能编码蛋白质不能编
24、码蛋白质 非编码区编码区二、真核细胞的基因结构二、真核细胞的基因结构编码区非编码区非编码区与与RNA聚酶聚酶结合位点结合位点内含子内含子 外显子外显子 能够编码蛋白质的序列叫做外显子能够编码蛋白质的序列叫做外显子 不能够编码蛋白质的序列叫做内含子，内不能够编码蛋白质的序列叫做内含子，内含子能转录为信使含子能转录为信使RNA 启动子终止子编码区上游编码区上游内含子内含子 外显子外显子 一个典型的真核基因编码序列：外显子(exon)插入外显子之间的非编码序列：内合子(intron)5-端和3-端非翻译区(UTR)调控序列(可位于上述三种序列中)n n 真核生物中编码蛋白质的基因通常是间断的、不连续
25、的，由于转录时内含子和外显子是一起转录的，因而转录产生的信使RNA必须经过加工，将内含子转录部分剪切掉，将外显子转录部分拼接起来，才能成为有功能的成熟的信使RNA。而原核生物的基因由于不含有外显子和内含子，因此，转录产生的信使RNA不需要剪切、拼接等加工过程。n n原核生物没有内含子，原核生物没有内含子，DNADNA复制和转录相对较容复制和转录相对较容易也比较简单，调控几乎完全由基因上游的易也比较简单，调控几乎完全由基因上游的RNARNA聚合酶结合位点控制；聚合酶结合位点控制；而真核生物由于内含子的存在，有了而真核生物由于内含子的存在，有了“可变剪接可变剪接”的可能，内含子也可以调控部分的可能
26、，内含子也可以调控部分DNADNA合成的问合成的问题，比如针对环境变化调整转录出的蛋白质的结题，比如针对环境变化调整转录出的蛋白质的结构、组成等；构、组成等；另外，真核原核生物的核糖体也是不一样的，其另外，真核原核生物的核糖体也是不一样的，其中蛋白质和核糖体中蛋白质和核糖体RNARNA都有显著的区别。原核生都有显著的区别。原核生物在拟核区发生转录，而真核生物则在细胞核内。物在拟核区发生转录，而真核生物则在细胞核内。第二节 原核生物基因组n n原核的基本特征：核质与细胞质之间无核膜因而无成形的细胞核（拟核或类核）n n核膜对信息传递的影响：n n转录、翻译几乎同步，调控粗放，容易出错n n真核特
27、点 n n一、原核基因组的特点：n n1、基因组小n n2、利用率高，表现：n n1）、全是编码基因，极少数不转录；n n2）、基因重叠n n3）、连续n n3、操纵子结构n n一、细菌基因组的特点一、细菌基因组的特点n n1 1、类型：、类型：n n1 1）细胞的染色体、基因组；）细胞的染色体、基因组；n n2 2）质粒）质粒DNADNA：独立于染色体外的能自主复制的共：独立于染色体外的能自主复制的共价环状双链价环状双链DNADNA。n n2 2、特点：、特点：n n 1 1）细菌）细菌DNADNA通常仅由一条环状双链通常仅由一条环状双链DNADNA分分子组成子组成 大部分为编码序列。大部分
28、为编码序列。n n 2 2）结构基因中没有内含子，也无重叠现象。）结构基因中没有内含子，也无重叠现象。n n 3 3）具有操纵子结构。）具有操纵子结构。Bacterial DNA is a compact nucleoid细菌遗传物质表现为相当致密的小块（细菌遗传物质表现为相当致密的小块（拟核：拟核：nucleoid)，或一串，或一串小块占细胞体的小块占细胞体的1/3，但没出现真核生物细胞染色体形态特征，但没出现真核生物细胞染色体形态特征Bacterial DNA is tightly coiled thread 大肠杆菌大肠杆菌（E.coli）的拟核的拟核在菌体破碎后以在菌体破碎后以环状纤维
29、的形式环状纤维的形式被释放出来。但被释放出来。但没有伸展为游离没有伸展为游离双链体。双链体。n n细菌的染色体基因组通常仅由一条环状双链DNA分子组成细菌的染色体相对聚集在一起，形成一个较为致密的区域，称为类核（nucleoid），或核质体结构。n n核质体由3050bpDNA组成环状的结构域，中央部分由RNA和支架蛋白组成，外围是双链闭环的DNA超螺旋。细菌基因组共同结细菌基因组共同结构特征：构特征：拟核有约拟核有约100个这个这样独立的负超螺旋样独立的负超螺旋结构域。结构域。每个结构域是一个每个结构域是一个DNA环（环（40 kb)，其两端以某种（未其两端以某种（未知的）方法固定住，知的）
30、方法固定住，使旋转不会从一个使旋转不会从一个结构域波及另一个结构域波及另一个结构域。结构域。细菌拟核（nucleoid）的突环结构RNA-蛋白质核心蛋白质核心突环由双链突环由双链DNA结结合碱性蛋白质组成合碱性蛋白质组成平均一个突环含平均一个突环含有约有约40 kbDNA二、病毒基因组的特点 1 1每种病毒核酸只有一种，或者每种病毒核酸只有一种，或者DNADNA，或者，或者RNARNA；2 2病毒核酸大小差别很大，病毒核酸大小差别很大，3 kb3 kb300kb300kb；3 3大部分病毒核酸是由一条双链或单链分子大部分病毒核酸是由一条双链或单链分子(RNA(RNA或或DNA)DNA)，仅少数
31、，仅少数RNARNA病毒由几个核酸片段组成病毒由几个核酸片段组成 4 4具有操纵子的结构，具有重叠基因的结构具有操纵子的结构，具有重叠基因的结构 5 5除逆病毒外，所有病毒基因都是单拷贝的。除逆病毒外，所有病毒基因都是单拷贝的。噬菌体基因组噬菌体基因组n n噬菌体：是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的细菌病毒的总称。n n1、特点：n n1）组成n n2）寄生n n3）基因组：编码蛋白n n2、侵染细菌头头部部颈颈圈圈尾尾部部基基板板尾尾丝丝尖尖钉钉T4噬噬菌菌体体的的结结构构n n3 3、噬菌体的发育、噬菌体的发育n n4 4、重叠基因：是指两个或两个以上的基因共有一、重叠基因：是指两
32、个或两个以上的基因共有一段段DNADNA序列，或是指一段序列，或是指一段DNADNA序列成为两个或两序列成为两个或两个以上基因的组成部分。重叠基因有多种重叠方个以上基因的组成部分。重叠基因有多种重叠方式。例如，大基因内包含小基因；前后两个基因式。例如，大基因内包含小基因；前后两个基因首尾重叠一个或两个核苷酸；几个基因的重叠，首尾重叠一个或两个核苷酸；几个基因的重叠，几个基因有一段核苷酸序列重叠在一起，等等。几个基因有一段核苷酸序列重叠在一起，等等。重叠基因中不仅有编码序列也有调控序列，说明重叠基因中不仅有编码序列也有调控序列，说明基因的重叠不仅是为了节约碱基，能经济和有效基因的重叠不仅是为了节
33、约碱基，能经济和有效地利用地利用DNADNA遗传信息量，更重要的可能是参与对遗传信息量，更重要的可能是参与对基因的调控。基因的调控。n n这是英国剑桥分子生物学家Sanger（1978）分析了X174DNA全序列后，发现它只有5386个核苷酸却组成了9个基因，而这9个基因编码了2000个氨基酸，按三联体密码子的原则应有6000个核苷酸，而实际数和理论数却相差614个核苷酸，这是什么原因呢？还是Sanger实验室的Barrell等发现X174基因组中有些密码是重读的，也就是重叠密码，从而形成重叠基因 重叠：B在A中，B序列为A、B、K共享，E在D中第三节 真核生物基因组一、真核生物基因组的特点：
34、1.1.基因组分布在多个染色体上。基因组分布在多个染色体上。2.2.基因组远远大于原核生物的基因组，具有基因组远远大于原核生物的基因组，具有多多 复制起点。复制起点。3.3.转录后前体转录后前体RNARNA必须经过剪接过程才能形成成熟的必须经过剪接过程才能形成成熟的mRNAmRNA 4.4.大部分基因含有内含子，因此，基因是不连大部分基因含有内含子，因此，基因是不连 续的（断裂基因）。续的（断裂基因）。5.5.真核细胞基因转录产物为单顺反子。一个结构基因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经过转录和翻译生成一个mRNAmRNA分子和一条多肽链。分子和一条多肽链。6
35、.6.单一序列为主，存在大量重复序列。单一序列为主，存在大量重复序列。二、真核生物基因组的包装DNA 核小体核小体染色质染色质染色体染色体 2.3.1 核小体的概念n核小体核小体(nucleosome)：染色质：染色质的基本结构亚基，由约的基本结构亚基，由约200 bp的的DNA和约等量的组蛋白所组成。和约等量的组蛋白所组成。当分裂间期的细胞核悬浮于低离子强度的溶液中时，当分裂间期的细胞核悬浮于低离子强度的溶液中时，它们膨胀破裂，释放出染色质纤维（电镜图）它们膨胀破裂，释放出染色质纤维（电镜图）染色质是一串核小体染色质是一串核小体用微球菌核酸酶处理染色质可以释放出单个核小体用微球菌核酸酶处理染
36、色质可以释放出单个核小体2.3.2 核小体的结构组成n n每个核小体含有约每个核小体含有约200bp的的DNA，核心组蛋，核心组蛋白白H2A、H2B、H3和和H4各各2份拷贝，份拷贝，1份拷份拷贝的贝的H1组蛋白位于核小体外侧。组蛋白位于核小体外侧。n n微球菌核酸酶微球菌核酸酶(micrococcal nuclease)处理处理染色体可得到单个核小体。染色体可得到单个核小体。组蛋白与组蛋白与DNA的结合的结合核小体核小体 核小体的结构核小体的结构2.3.4 2.3.4 真核生物染色体真核生物染色体DNADNA组装不同层次的结构组装不同层次的结构DNA（2nm）核小体链（核小体链（10nm，每
37、个核小体每个核小体200bp）纤丝（纤丝（30nm，每，每圈圈6个核小体个核小体）突环（突环（150nm，每个突环大约每个突环大约75000bp）玫瑰花结（玫瑰花结（300nm，6个个突环突环）螺旋圈（螺旋圈（700nm，每，每圈圈30个玫瑰花结）个玫瑰花结）染色体（染色体（1400nm，2个染色单体，个染色单体，每个染色体单体含每个染色体单体含10个螺旋圈个螺旋圈）电镜下的人X染色体和Y染色体从染色体的一级结构到四级结构，DNA分子一共被压缩了76405=8400倍。例如，人的染色体中DNA分子伸展开来的长度平均约为几个厘米，而染色体被压缩到只有几微米长。从DNA到染色体10nm纤维纤维30
38、nm纤维纤维螺线管结构n n染色质染色质染色质染色质(chromatin)(chromatin)：是指细胞周期间期细胞核内由：是指细胞周期间期细胞核内由：是指细胞周期间期细胞核内由：是指细胞周期间期细胞核内由DNADNA、组蛋白、非组蛋白和少量、组蛋白、非组蛋白和少量、组蛋白、非组蛋白和少量、组蛋白、非组蛋白和少量RNARNA组成的组成的组成的组成的一种纤一种纤一种纤一种纤维状维状维状维状结构，因其结构，因其结构，因其结构，因其易被碱性染料染色易被碱性染料染色易被碱性染料染色易被碱性染料染色而得名。而得名。而得名。而得名。n n染色体染色体染色体染色体(chromosome)(chromoso
39、me)：是指在细胞分裂期出现的一种：是指在细胞分裂期出现的一种：是指在细胞分裂期出现的一种：是指在细胞分裂期出现的一种能被碱性染料强烈染色，并具有一定形态、结构特征能被碱性染料强烈染色，并具有一定形态、结构特征能被碱性染料强烈染色，并具有一定形态、结构特征能被碱性染料强烈染色，并具有一定形态、结构特征的物体。的物体。的物体。的物体。携带很多基因的分离单位。只有在细胞分携带很多基因的分离单位。只有在细胞分携带很多基因的分离单位。只有在细胞分携带很多基因的分离单位。只有在细胞分裂中才可见的形态单位。裂中才可见的形态单位。裂中才可见的形态单位。裂中才可见的形态单位。（二）染色体与染色质（二）染色体与
40、染色质从细胞到分子的再认识脱氧核糖和脱氧核糖和磷酸基通过磷酸基通过33，55磷磷酸二酯键连酸二酯键连接形成螺旋接形成螺旋链的骨架。链的骨架。碱基处于螺旋的内碱基处于螺旋的内侧侧Helical turn:10 base pairs/turn 34 Ao/turn C值值n n1 1、在每一种生物中其单倍体基因组的、在每一种生物中其单倍体基因组的DNADNA总量是总量是特异的，被称为特异的，被称为C C值（值（CValueCValue）n n2 2、每个物种、每个物种C C值相对恒定，不同物种值相对恒定，不同物种C C值差异极值差异极大。大。n n相对比较简单的单细胞真核生物象啤酒酵母，其相对比较
41、简单的单细胞真核生物象啤酒酵母，其基因组就有基因组就有1.75107bp1.75107bp大约是细菌基因组的大约是细菌基因组的3-43-4倍。倍。最简单的多细胞生物隐杆线虫其基因组有最简单的多细胞生物隐杆线虫其基因组有8107bp8107bp，大约是酵母的，大约是酵母的4 4倍。看来生物的复杂性倍。看来生物的复杂性和其和其DNADNA含量之间有较好的相关含量之间有较好的相关 C值值(C-Value)n n3、高等生物具有比低等生物更复杂的生命活动，所以，理论上应该是它们的C值也应该更高。但是事实上C值没有体现出与物种进化程度相关的趋势。高等生物的C值不一定就意味着它的C值高于比它低等的生物。这
42、种C值和生物结构或组成的复杂性不一致的现象称为C值悖论(C-valueparadox)。n n两栖鲵C值远大于人；豌豆和蚕豆的C值相差7倍 二、真核基因组二、真核基因组DNA序列的分类序列的分类(一一)高度重复序列（重复次数高度重复序列（重复次数lOlO6 6）约占约占10-6010-60，在人基因组中约占，在人基因组中约占2020 1.1.卫星卫星DNA(Satellite DNA)DNA(Satellite DNA)2.2.反相重复反相重复DNADNA：回文结构：回文结构：GGTACCGGTACCCCATGGCCATGG 常见于基因的调控区和特异蛋白结合区。常见于基因的调控区和特异蛋白结合
43、区。n n卫星DNA：将真核DNA切成小的片段，用CsCl进行密度梯度离心，检测各组分在260nm紫外吸收值：主峰；n n 小峰（卫星带）卫星卫星DNA(Satellite DNA)(二二)中度重复序列中度重复序列 1中度重复序列的特点 重复单位序列相似，但不完全一样，散在分布于基因组中 序列的长度和拷贝数非常不均一，中度重复序列一般具有种属特异性，可作为DNA标记 中度重复序列可能是转座元件。2 2中度重复序列的分类中度重复序列的分类 long interspersed repeated segmentslong interspersed repeated segments，LINESLIN
44、ES，长散在长散在重复序列重复序列 长度长度1000bp(1000bp(可达可达7Kb)7Kb)，拷贝数，拷贝数10104 4-10-105 5，如人，如人LINESLINES Short interspersed repeated segmentsShort interspersed repeated segments，SINESSINES，短散短散在重复序列在重复序列 长度长度500bp10105 5如人如人AluAlu序列序列三、基因家族三、基因家族(gene family)n n在真核细胞中许多相关的基因常按功能成套组合，被称为基因家族（gene family）。同一家族中的成员有时紧
45、密的排列在一起，成为一个基因簇；n n更多的时候，它们却分散在同一染色体的不同部位，甚至位于不同染色体上，具有各自不同的表达调控 n n真核基因组的特点之一就是存在多基因家族真核基因组的特点之一就是存在多基因家族n n多基因家族大致可分为两类：一类是基因家族成多基因家族大致可分为两类：一类是基因家族成簇地分布在某一条染色体上，它们可同时发挥作簇地分布在某一条染色体上，它们可同时发挥作用，合成某些用，合成某些蛋白质蛋白质，如组蛋白基因家族就成簇，如组蛋白基因家族就成簇地集中在第地集中在第7 7号号染色体染色体长臂长臂3 3区区2 2带到带到3 3区区6 6带区域内；带区域内；另一类是一个基因家族
46、的不同成员成簇地分布不另一类是一个基因家族的不同成员成簇地分布不同染色体上，这些不同成员编码一组功能上紧密同染色体上，这些不同成员编码一组功能上紧密相关的蛋白质，如珠蛋白基因家族。相关的蛋白质，如珠蛋白基因家族。基因家族的特点：基因家族的特点：基因家族的成员可以串联排列在一起，形成基因簇(gene cluster)或串联重复基因，如rRNA、tRNA和组蛋白的基因；有些基因家族的成员也可位于不同的染色体上，如珠蛋白基因；有些成员不产生有功能的基因产物，这种基因称为假基因(Pseudogene)a1表示与a1相似的假基因基因家族分类基因家族分类n n编码RNA的:vvrRNA、tRNA、snRN
47、A等；n n编码蛋白质的:vv组蛋白基因vv珠蛋白基因vv生长激素rRNA 基因n nl00copyl00copyn nrRNArRNA基因簇基因簇(重复单元重复单元18S-5.8S-28S RNA18S-5.8S-28S RNA）在真核生物基因组中18S和28S以及5.8S是在同一转录单位中n n1 1、rRNArRNA基因编码构成核糖体的基因编码构成核糖体的RNARNA成分，在原成分，在原核中有三类，按大小分为（核中有三类，按大小分为（5SrRNA5SrRNA、16S16S、23SrRNA23SrRNA），在真核中有四类（），在真核中有四类（18S18S，28S28S，5.8S5.8S，5
48、SrRNA5SrRNA）2 2：rRNArRNA基因具有多个拷贝；如在原核生物如大基因具有多个拷贝；如在原核生物如大肠杆菌基因组中，肠杆菌基因组中，rRNArRNA基因一共是七套；在真核基因一共是七套；在真核生物中生物中rRNArRNA基因的重复次数更多。基因的重复次数更多。n n3 3：rRNArRNA基因的排布具有成簇的特征；这种成簇基因的排布具有成簇的特征；这种成簇有两个层次：有两个层次：第一个层次：在真核生物基因组中第一个层次：在真核生物基因组中18S18S和和28S28S以及以及5.8S5.8S是在同一转录单位中，是在同一转录单位中，5SrRNA5SrRNA是单独转录的是单独转录的;
49、低等的真核生物如酵母中，低等的真核生物如酵母中，5SrRNA5SrRNA也和也和16S,23SrRNA16S,23SrRNA在同一转录单位中；在同一转录单位中；第二个层次：在真核中，第二个层次：在真核中，rRNArRNA的转录单位成簇的转录单位成簇排列，把这样的区域称为排列，把这样的区域称为rDNArDNA，如染色体的核仁，如染色体的核仁组织区即为组织区即为rDNArDNA区。区。珠蛋白基因珠蛋白基因胚胎胎儿成年n n血红蛋白含2个和2个链，分别由链珠蛋白基因和链珠蛋白基因的信息而形成。n n哺乳动物的链基因和链基因在结构上相似，都是由2个内含子而分为3个外显子部分。链基因和链基因的内含子1的
50、长度约为120个碱基对，而对内含子2，链很长（例如人的链基因之一的2，内含子2含140个碱基对，而链基因含849个碱基对）。n n珠蛋白基因在哺乳类是数次重复的结构，形成一珠蛋白基因在哺乳类是数次重复的结构，形成一种多重基因群。例如人的拟种多重基因群。例如人的拟 链珠蛋白基因，在整链珠蛋白基因，在整个个6500065000个碱基对程度的长度上，从个碱基对程度的长度上，从5 5末端按顺序末端按顺序连锁地存在连锁地存在22、GyGy、AA、11、和和77个基因。个基因。其中其中 在胚期表达，在胚期表达，在胎儿期表达，在胎儿期表达，和和 在成年在成年时表达，时表达，在量上极少。在量上极少。22和和1