《真核基因与基因组》PPT课件

中 心 法 则 (central dogma) ： 1958年 F.Crick提出 。 1970年 H.Temin发 现 逆 转 录 现 象 ， 补 充中 心 法 则 。 DNA RNA 蛋 白 质转 录 翻 译逆 转 录复 制 遗 传 学 中 心 法 则复 制 ？ 第 三 篇 基 因 信 息 的 传 递 包 括 内 容 ： 第 十 三 章 真 核 基 因 与 基 因 组 第 十 四 章 DNA的 生 物 合 成 第 十 五 章 DNA的 损 伤 和 修 复 第 十 六 章 RNA的 生 物 合 成 第 十 七 章 蛋 白 质 的 生 物 合 成 第 十 八 章 基 因 表 达 调 控 第 十 九 章 细 胞 信 号 转 导 第 十 三 章 真 核 基 因 与 基 因 组 基 因 （ gene） ： 编 码 生 物 活 性 产 物 的 DNA功能 片 段 ， 以 碱 基 排 列 顺 序 贮 存 遗 传 信 息 。 由Johannsen于 1909年 首 先 提 出 。除 了 某 些 以 RNA为 基 因 组 的 RNA病 毒 外 ， 基 因通 常 是 指 染 色 体 或 基 因 组 的 一 段 DNA序 列 。基 因 包 括 编 码 序 列 （ 外 显 子 ） 、 调 控 序 列 和 间隔 序 列 （ 内 含 子 ） 。 基 因 组 （ genome） ： 一 个 生 物 体 内 所 有遗 传 信 息 的 总 和 。人 类 基 因 组 包 含 了 细 胞 核 染 色 体 DNA（ 常 染 色 体 和 性 染 色 体 ） 及 线 粒 体 DNA所携 带 的 所 有 遗 传 物 质 。 真 核 基 因 的 结 构 与 功 能 第 一 节The Structure and Function of Eukaryote Gene 利 用 碱 基 的 不 同 排 列 荷 载 遗 传 信 息 。 通 过 复 制 将 遗 传 信 息 稳 定 、 忠 实 地 遗 传 给 子 代细 胞 ， 在 这 一 过 程 中 为 适 应 环 境 变 化 ， 可 能 会发 生 基 因 突 变 。 作 为 基 因 表 达 （ gene expression） 的 模 板 ， 使其 所 携 带 的 遗 传 信 息 通 过 各 种 RNA和 蛋 白 质 在细 胞 内 有 序 合 成 而 表 现 出 来 。 n 基 因 的 功 能 单 个 基 因 的 组 成 结 构 及 一 个 完 整 的 生 物 体 内 基 因的 组 织 排 列 方 式 统 称 为 基 因 组 构 （ gene organization） 。n 与 基 因 功 能 相 关 的 结 构编 码 区 序 列 （ coding region sequence ）非 编 码 序 列 （ non-coding sequence）基 因 表 达 需 要 的 调 控 区 （ regulatory region）序 列 ， 包 括 启 动 子 （ promoter） 、 增 强 子（ enhancer） 等 。在 细 胞 内 表 达 为 蛋 白 质 或 功 能 RNA的 DNA序 列 一 、 真 核 基 因 的 基 本 结 构编 码 蛋 白 质 或 RNA的 编 码 序 列 。非 编 码 序 列 ， 包 括 编 码 区 两 侧 的 调 控 序 列 和编 码 序 列 间 的 间 隔 序 列 。 真 核 基 因 结 构 不 连 续 ， 为 断 裂 基 因 （ split gene） 。真 核 基 因 结 构外 显 子 （ exon） ； 在 基 因 序 列 中 ， 出 现 在 成 熟 mRNA分 子 上 的 序 列 。内 含 子 （ intron） ： 外 显 子 之 间 、 与 mRNA剪 接 过 程中 被 删 除 部 分 相 对 应 的 间 隔 序 列 。 真 核 生 物 绝 大 部 分 编 码 蛋 白 质 的 基 因 都 有 内 含 子 。编 码 rRNA和 一 些 tRNA的 基 因 也 都 有 内 含 子 。 内 含 子 的 数 量 和 大 小 决 定 了 真 核 基 因 的 大 小 。 不同 种 属 中 ， 外 显 子 序 列 通 常 比 较 保 守 ， 而 内 含 子序 列 则 变 异 较 大 。 外 显 子 与 内 含 子 接 头 处 有 一 段 高 度 保 守 的 序 列 ，这 一 共 有 序 列 是 真 核 基 因 中 RNA剪 接 的 识 别 信号 。 基 因 的 5端 称 之 为 上 游 ， 3端 称 为 下 游 基 因 序 列 中 开 始 RNA链 合 成 的 第 一 个 核 苷 酸 所对 应 的 碱 基 记 为 +1， 此 碱 基 上 游 的 序 列 记 为 负数 ， 下 游 的 序 列 记 为 正 数 。 二 、 基 因 编 码 区 编 码 多 肽 链 和 特 定 的RNA分 子 基 因 的 编 码 序 列 决 定 其 编 码 产 物 的 序 列 和 功 能 。编 码 序 列 中 一 个 碱 基 的 改 变 或 突 变 ， 可 能 使 基因 功 能 发 生 重 要 的 变 化 。相 同 的 DNA序 列 因 起 始 位 点 的 变 化 或 不 同 的 剪接 方 式 而 编 码 不 同 的 蛋 白 质 多 肽 链 。基 因 编 码 区 中 的 DNA碱 基 序 列 决 定 特 定 的 成熟 RNA分 子 的 序 列 ， 即 DNA的 一 级 结 构 决 定 着其 转 录 产 物 RNA分 子 的 一 级 结 构 。 三 、 调 控 序 列 参 与 真 核 基 因 表 达 调 控 位 于 基 因 转 录 区 前 后 ， 对 基 因 表 达 起 调 控 作用 的 区 域 ， 因 其 是 紧 邻 的 DNA序 列 ， 又 称 旁 侧 序列 。基 因 的 调 控 区 （ 顺 式 作 用 元 件 ）启 动 子上 游 调 控 元 件增 强 子加 尾 信 号细 胞 信 号 反 应 元 件 转 录 起 始 点TATA盒CAAT盒GC盒增 强 子 AATAAA 剪 接 加 尾转 录 终 止 点修 饰 点外 显 子翻 译 起 始 点 内含子 OCT-1 OCT-1：ATTTGCAT八 聚 体+1结构基因启动子上游启动子元件 1. 启 动 子 提 供 转 录 起 始 信 号 启 动 子 是 DNA分 子 上 能 够 介 导 RNA聚 合 酶结 合 并 形 成 转 录 起 始 复 合 体 的 序 列 。多 数 启 动 子 位 于 真 核 细 胞 基 因 转 录 起 点 的 上 游 ，启 动 子 本 身 通 常 不 被 转 录 。少 数 启 动 子 （ 如 编 码 tRNA基 因 的 启 动 子 ） 位于 转 录 起 始 点 的 下 游 ， 这 些 DNA序 列 可 以 被 转录 。 真 核 生 物 有 3类 启 动 子 ， 分 别 对 应 于 细 胞 内 存在 的 三 种 不 同 的 RNA聚 合 酶 和 相 关 蛋 白 质 。 能 够 在 相 对 于 启 动 子 的 任 何 方 向 和 位 置 （ 上 游 或 者 下 游 ）上 发 挥 这 种 增 强 作 用 ， 大 部 分 位 于 上 游 。 增 强 子 序 列 距 离 所 调 控 基 因 距 离 近 者 几 十 个 碱 基 对 ， 远的 可 达 几 千 个 碱 基 对 。 通 常 数 个 增 强 子 序 列 形 成 一 簇 。 有 时 增 强 子 序 列 也 可 位 于 内 含 子 之 中 。 不 同 的 增 强 子 序 列 结 合 不 同 的 调 节 蛋 白 。2. 增 强 子 增 强 邻 近 基 因 的 转 录增 强 子 是 增 强 真 核 基 因 启 动 子 工 作 效 率 的 顺式 作 用 元 件 ， 是 真 核 基 因 中 最 重 要 的 调 控 序 列 ，决 定 着 每 一 个 基 因 在 细 胞 内 的 表 达 水 平 。 沉 默 子 （ silencer） 是 抑 制 基 因 转 录 的 特 定DNA序 列 ， 当 其 结 合 一 些 反 式 作 用 因 子 时 对 基因 的 转 录 起 阻 遏 作 用 ， 使 基 因 沉 默 。3. 沉 默 子 是 负 调 节 元 件 真 核 基 因 组 的 结 构 与 功 能 第 二 节The Structure and Function of Eukaryote Genome 基 因 组 ： 细 胞 或 生 物 体 的 一 套 完 整 单倍 体 遗 传 物 质 的 总 和 。 一 、 真 核 基 因 组 具 有 独 特 的 结 构基 因 的 编 码 序 列 所 占 比 例 远 小 于 非 编 码 序 列 。高 等 真 核 生 物 基 因 组 含 有 大 量 的 重 复 序 列 ，真 核 基 因 组 中 存 在 多 基 因 家 族 和 假 基 因 。大 多 基 因 具 有 可 变 剪 接 ， 80%的 可 变 剪 接 会 使蛋 白 质 的 序 列 发 生 改 变 。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 的 基 因 组为 二 倍 体 。结 构 特 点 ： 二 、 真 核 基 因 组 中 存 在 大 量 重 复 序 列 高 度 重 复 序 列 （ highly repetitive sequence）中 度 重 复 序 列 （ moderately repetitive sequence）单 拷 贝 序 列 （ single copy sequence） 或 低 度 重 复 序 列 （ 一 ） 高 度 重 复 序 列主 要 存 在 于 染 色 体 的 着 丝 粒 区 域 ， 重 复 单 位 一 般 由 2-10 bp组 成 ， 成 串 排 列 ， 在 人 基 因 组 中 约 占 5%-6%。重 复 频 率 可 达 106以 上 ， 不 编 码 蛋 白 质 或 RNA。反 向 重 复 序 列 （ inverted repeat sequence）卫 星 DNA（ satellite DNA）两 个 相 同 顺 序 的 互 补 拷 贝 在 同 一 DNA链 上 反 向 排 列 而 成 ，重 复 单 位 长 度 约 300 bp， 多 数 散 在 于 基 因 组 中 ， 总 长 度 约 占人 基 因 组 的 5 。分 类 ： l参 与 复 制 水 平 的 调 节 存 在 于 DNA复 制 起 点 区 的 附 近 ， 是 一 些 蛋 白质 （ 包 括 酶 ） 的 结 合 位 点 。l参 与 基 因 表 达 的 调 控 可 以 转 录 到 核 内 不 均 一 RNA分 子 中 ， 有 些 反向 重 复 序 列 可 以 形 成 发 夹 结 构 ， 有 助 于 稳 定 RNA分 子 。l参 与 染 色 体 配 对 如 卫 星 DNA成 簇 样 分 布 在 染 色 体 着 丝 粒 附近 ， 可 能 与 染 色 体 减 数 分 裂 时 染 色 体 配 对 有 关 。功 能 ： （ 二 ） 中 度 重 复 序 列重 复 数 十 至 数 千 次 ,大 多 数 与 单 拷 贝 基 因间 隔 排 列 。短 分 散 重 复 片 段长 分 散 重 复 片 段平 均 长 度 约 300 bp-500 bp， 与 长 度 约 为 1000 bp的 单 拷 贝 序 列 间 隔 排 列 。 拷 贝 数 可 达 数 十 万 。如 Alu家 族 、 KpnI家 族 、 Hinf家 族 。平 均 长 度 为 3500 bp-5000bp， 与 长 度 约 为13000bp的 单 拷 贝 序 列 间 隔 排 列 。 l 重 复 达 3050万 次 ， 每 个 成 员 的 长 度 约 300 bp。l 每 个 单 位 长 度 中 一 个 限 制 性 内 切 酶 Alu的 切 点（ AGCT） ， 将 其 切 成 长 130bp和 170bp的 两 段 。Alu家 族l 仅 次 于 Alu家 族 的 第 二 大 家 族 ，l 重 复 序 列 中 含 有 限 制 性 内 切 酶 Kpn的 位 点l 呈 散 在 分 布 ， 拷 贝 数 约 为 3000-4800个KpnI家 族l 以 319bp长 度 的 串 联 重 复 存 在 于 人 基 因 组 中l 重 复 序 列 中 含 有 限 制 性 内 切 酶 H inf I的 位 点 。Hinf家 族 rRNA基 因 重 复 序 列 属 于 中 度 重 复 序 列l 各 重 复 单 位 中 的 rRNA基 因 都 是 相 同 的 。l rRNA基 因 集 中 成 簇 存 在 ， 这 样 的 区 域 称 为rDNA区 。l 人 类 的 rRNA基 因 位 于 13、 14、 15、 21和 22号 染 色 体 的 核 仁 组 织 区 ， 每 个 核 仁 组 织 区 平均 含 有 50个 rRNA基 因 的 重 复 单 位 。l 5SrRNA基 因 似 乎 全 部 位 于 1号 染 色 体 ， 每 个单 倍 体 基 因 组 约 有 1000个 5SrRNA基 因 。 在 单 倍 体 基 因 组 中 只 出 现 一 次 或 数 次 ，大 多 数 为 蛋 白 质 编 码 的 基 因 。（ 三 ） 单 拷 贝 序 列 （ 低 度 重 复 序 列 ） 三 、 真 核 基 因 组 中 存 在 大 量 的 多 基因 家 族 与 假 基 因多 基 因 家 族 是 指 由 某 一 祖 先 基 因 经 过 重 复和 变 异 所 产 生 的 一 组 在 结 构 上 相 似 、 功 能 相 关的 基 因 。基 因 家 族 成 簇 地 分 布 在 某 一 条 染 色 体 上 ， 同 时 发 挥 作用 ， 合 成 某 些 蛋 白 质 。 如 组 蛋 白 基 因 家 族 。基 因 家 族 的 不 同 成 员 成 簇 地 分 布 于 不 同 染 色 体 上 ， 编码 一 组 功 能 上 紧 密 相 关 的 蛋 白 质 。 如 球 蛋 白 基 因 家 族 。 DNA序 列 相 似 ， 但 功 能 不 一 定 相 关 的 若干 个 单 拷 贝 基 因 或 若 干 组 基 因 家 族 总 称 。超 家 族 基 因 （ superfamily gene）基 因 组 中 存 在 的 一 段 与 正 常 基 因 非 常 相似 但 不 能 表 达 的 DNA序 列 。 以 来 表 示 。假 基 因 （ psuedogene） 四 、 线 粒 体 DNA结 构 有 别 于 染 色 体 DNA 线 粒 体 DNA（ mitochondrial DNA， mtDNA）是 核 外 遗 传 物 质 ， 能 独 立 编 码 线 粒 体 中 的 一 些蛋 白 质 。 mtDNA的 结 构 为 环 状 分 子 ， 与 原 核 生 物 的DNA类 似 ， 结 构 特 点 也 与 原 核 生 物 相 似 。 人 的 线 粒 体 基 因 组 线 粒 体 基 因 组 编 码37个 基 因 ， 包 括 13个 编码 呼 吸 链 多 酶 体 系 的 一些 多 肽 的 基 因 、 22个 编码 mt-tRNA的 基 因 、 2个 编 码 mt-rRNA（ 16S和 12S） 的 基 因 。 物种基因组大小(Mb)基因数染色体数*支原体 M. genitalium 0.58 470无流感嗜血杆菌 H . influrnzae 1.83 1743无枯草芽孢桿菌 B. subtilis 4.20 4100无大肠杆菌 E. coli 4.60 4288无酿酒酵母 S. cerevisiae 13.50 6034 16裂殖酵母 S. pombe 12.50 4929 16燕麦 O. sativa 466 30000 21果蝇 D. melanogaster 165 13601 4秀丽隐杆线虫 C. elegans 97 18424 6小鼠 mouse 2700 30000 20 人 H . sapiens 3000 25000 23 不 同 生 物 体 基 因 组 的 比 较五 、 人 基 因 组 中 有 两 万 多 个 基 因 基 因 组 大 小 和 基 因 数 量 在 生 物 进 化 中可 能 并 不 具 有 特 别 重 要 的 意 义 ， 人 类 的 基因 较 其 他 生 物 体 可 能 更 为 “ 有 效 ” ， 其 发挥 功 能 的 方 式 与 其 他 生 物 不 同 。 六 、 人 的 基 因 在 染 色 体 上 的 分 布 特 征人 类 基 因 组 的 染 色 体 DNA 基 因 在 染 色 体 上 并 不 是 均 匀 分 布 。 基 因密 度 最 大 的 是 第 19号 染 色 体 ， 密 度 最 小 的 是第 13号 和 Y染 色 体 。染 色 体 上 存 在 着 无 基 因 的 “ 沙 漠 区 ” ，即 在 500kb区 域 内 ， 没 有 任 何 基 因 的 编 码 序 列 。基 因 在 染 色 体 上 的 分 布 特 征