分子生物学 第二章 基因与基因组-新

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 基因与基因组,第一节 基因与基因组的概念,一 基因概念的发展,从遗传学史的角度看，基因概念的发展大致分以下几个阶段：孟德尔的遗传因子阶段，摩尔根的基因阶段，顺反子阶段，操纵子阶段和现代基因阶段。,（一）孟德尔的遗传因子,1865,年，奥地利的孟德尔在,植物杂交试验,的论文中提出生物体的各种特定性状受遗传因子所控制，一个因子决定一种性状。,作为基因雏形名词的遗传因子，只是一种逻辑推理概念，没有任何物质内容。,（二）摩尔根的基因概念,染色体遗传学之父摩尔根和他的学生们通过果蝇研究把基因定位在染色体上，首先使基因物质化了。,1953,年沃森,-,克里克,DNA,双螺旋结构模型的提出，这个模型表明基因实际上就是,DNA,分子的一段核苷酸序列。,20,世纪,40,年代末至,50,年代初，基因是通知控制特定蛋白质合成来控制代谢，进而决定生物性状的原理变得清晰起来。,（三） 顺反子,1957,年，法国遗传学家本兹尔的噬菌体重组试验结果表明：,基因可被分为更小的单位；,一个顺反子就相当于一个基因，它是一个功能单位，决定一个酶或一条多肽链的表达。,（四）操纵子及其基因,1961,年，法国分子生物学家雅各布和莫诺基于细菌酶诱导的研究，提出了关于原核生物基因表达调控的“乳糖操纵子模型”。,作为原核生物基因表达调控单元的操纵子，其基因根据功能可分为结构基团、调节基团（,?,）和控制基团（包括启动基因和操纵基团）三类。,(,五,),现代基因概念的扩展,1.,重叠基因,重叠基因即一个基因包含或部分包含另一基因。,重叠基因的发现揭示了遗传物质的一种经济而巧妙的编排,密码子共用核苷酸序列，通过不同的三联体密码子读框编码不同的多肽链。,2.,断裂基因,出现在成熟的,mRNA,上的,DNA,序列是不连续的，它们被一些间隔区,DNA,序列所分隔。,这些间隔区序列在,RNA,的转录后的加工成熟过程中被切除。,这种基因内部的间隔区,DNA,序列称为内含子，,出现在成熟,RNA,中的各个,DNA,区段称为外显子。,由若干个外显子和内含子互相间隔而组成的嵌和体称为断裂基团。,3.,跳,跃,跃,基,基,因,因,跳,跃,跃,基,基,团,团,又,又,称,称,为,为,转,转,座,座,元,元,件,件,，,，,它,它,是,是,指,指,那,那,些,些,可,可,从,从,染,染,色,色,体,体,的,的,一,一,个,个,位,位,置,置,跳,跳,到,到,另,另,一,一,个,个,位,位,置,置,，,，,或,或,从,从,一,一,条,条,染,染,色,色,体,体,跳,跳,到,到,另,另,外,外,一,一,条,条,染,染,色,色,体,体,上,上,的,的,可,可,移,移,动,动,遗,遗,传,传,元,元,件,件,。,。,4.,假,基,基,因,因,假,基,基,因,因,也,也,称,称,“,“,拟,拟,基,基,因,因,”,”,，,，,是,是,一,一,类,类,没,没,有,有,功,功,能,能,的,的,特,特,殊,殊,基,基,团,团,。,。,假,基,基,因,因,的,的,核,核,苷,苷,酸,酸,序,序,列,列,与,与,其,其,相,相,应,应,的,的,有,有,功,功,能,能,基,基,因,因,基,基,本,本,相,相,同,同,，,，,原,原,来,来,也,也,可,可,能,能,是,是,有,有,功,功,能,能,的,的,基,基,因,因,，,，,由,由,于,于,缺,缺,失,失,或,或,点,点,突,突,变,变,等,等,原,原,因,因,失,失,去,去,活,活,性,性,，,，,成,成,为,为,无,无,功,功,能,能,基,基,因,因,。,。,二,.,基,因,因,的,的,概,概,念,念,(,一,),基,因,因,的,的,概,概,念,念,基,因,因,（,（,gene,）,）,是,生,生,物,物,体,体,传,传,递,递,和,和,表,表,达,达,遗,遗,传,传,信,信,息,息,的,的,基,基,本,本,单,单,位,位,。,。,从,化,化,学,学,角,角,度,度,观,观,察,察,，,，,基,基,因,因,则,则,是,是,一,一,段,段,具,具,有,有,特,特,定,定,功,功,能,能,和,和,结,结,构,构,的,的,连,连,续,续,的,的,脱,脱,氧,氧,核,核,糖,糖,核,核,酸,酸,序,序,列,列,，,，,是,是,构,构,成,成,巨,巨,大,大,遗,遗,传,传,单,单,位,位,染,染,色,色,体,体,的,的,重,重,要,要,组,组,成,成,部,部,分,分,。,。,指,表,表,达,达,一,一,种,种,或,或,多,多,种,种,蛋,蛋,白,白,质,质,或,或,功,功,能,能,RNA,的,遗,遗,传,传,物,物,质,质,的,的,基,基,本,本,单,单,位,位,。,。,一,段,段,制,制,造,造,功,功,能,能,产,产,物,物,的,的,完,完,整,整,的,的,染,染,色,色,体,体,片,片,段,段,（,（,acompletechromosomalsegmentresponsibleformakingafunctionalproduct.*),。,。,包,含,含,基,基,因,因,的,的,产,产,物,物,、,、,基,基,因,因,的,的,功,功,能,能,性,性,及,及,完,整,整,性,性,（,包,包,括,括,一,一,个,个,蛋,蛋,白,白,质,质,或,或,RNA,的,全,全,部,部,编,码,码,序,序,列,列,和,编,编,码,码,区,区,之,之,外,外,对,对,编,编,码,码,区,区,转,转,录,录,功,功,能,能,所,所,必,必,要,要,的,的,非,非,编,编,码,码,的,的,调,控,控,区,区,。,）,）,基,因,因,的,的,分,分,子,子,生,生,物,物,学,学,定,定,义,义,一,个,个,基,基,因,因,不,不,仅,仅,是,是,编,编,码,码,有,有,功,功,能,能,的,的,蛋,蛋,白,白,质,质,多,多,肽,肽,链,链,或,或,RNA,所,必,必,需,需,的,的,核,核,酸,酸,序,序,列,列,（,（,通,通,常,常,指,指,DNA,序,列,列,）,）,，,，,而,而,且,且,还,还,包,包,括,括,为,为,保,保,证,证,转,转,录,录,所,所,必,必,需,需,的,的,调,调,控,控,序,序,列,列,、,、,5,端,非,非,翻,翻,译,译,序,序,列,列,、,、,内,内,含,含,子,子,以,以,及,及,3,非,翻,翻,译,译,序,序,列,列,等,等,核,核,酸,酸,序,序,列,列,。,。,根,据,据,基,基,因,因,是,是,否,否,具,具,有,有,表,表,达,达,功,功,能,能,可,可,以,以,将,将,其,其,分,分,为,为,三,三,类,类,第,一,一,类,类,是,是,编,编,码,码,蛋,蛋,白,白,质,质,的,的,基,基,因,因,，,，,它,它,具,具,有,有,转,转,录,录,和,和,翻,翻,译,译,功,功,能,能,，,，,包,包,括,括,编,编,码,码,酶,酶,、,、,其,其,他,他,功,功,能,能,蛋,蛋,白,白,和,和,结,结,构,构,蛋,蛋,白,白,的,的,结,结,构,构,基,基,因,因,以,以,及,及,编,编,码,码,阻,阻,遏,遏,蛋,蛋,白,白,的,的,调,调,节,节,基,基,团,团,。,。,第二类是只,有,有转录功能,而,而没有翻译,功,功能的基团,，,，包括,tRNA,基因和,rRNA,基因。,第三类是不,转,转录的基因,，,，它对基因,表,表达起调节,控,控制作用，,包,包括启动基,因,因和操纵基,因,因，这类基,因,因也称控制,基,基因。,(,二,),基因的命名,法,法,目前对基因,的,的命名一般,根,根据种属习,惯,惯，方法并,未,未统一。,基因的命名,一,一般用斜体,字,字，按种属,字,字母和数学,符,符号来表示,。,。,如果表示蛋,白,白产物和表,型,型，就用大,写,写字母。,如果表示隐,性,性突变，用,小,小写字母。,表,表示显性突,变,变，第一个,字,字母要大写,。,。,在其它一些,种,种属包括人,的,的基因命名,中,中，基因全,由,由大写字母,表,表示。,大肠杆菌和,其,其他细菌,三个小写字,母,母表示一个,操,操纵子，接,着,着的大写字,母,母表示不同,基,基因座。,例如：,lac,操纵子；基,因,因座：,lacZ，lacY，lacA。,蛋白质：,LacZ，LacY，LacA。,另外还采用,特,特殊惯例命,名,名,B.subilis,的孢子发生,基,基因。,这些基因以,spo,后加上表示,孢,孢子发生的,形,形态阶段的,罗,罗马数字表,示,示，再用大,写,写字母表示,表,表示操纵子,，,，而后为基,因,因座，,例如，,spo,GA,就表示在第,二,二阶段表达,的,的操纵子,G,的第一个基,因,因座。,酵母,三个字母表,明,明基因功能,，,，而后的数,字,字表示不同,的,的基因座。,啤酒酵母基,因,因,GAL4，CDC28,；,；,蛋白质：,GAL4，CDC28,。,。,非洲蜀酒酵,母,母基因,gal4,，,cdc2,；,蛋白质：,Gal4，Cdc2。,线虫,用三个小写,字,字母表示突,变,变表型，如,存,存在不只一,个,个基因座，,用,用连字符号,接,接数字表示,，,，,例如，基因,unc-86，ced-9；,蛋白,UNC-86；CED-9。,果蝇,来自突变表,型,型的描述可,以,以用1-4,个,个字母表示,。,。,例如，基因,white(w),，,tailless(tll),，,hedgehog(hh),；,而蛋白为,White,，,，Tailless，Hedgehog。,植物,虽然没有适,用,用于所有植,物,物的惯用法,，,，但大多数,用,用1-3个,小,小写字母表,示,示。,Arabidopsis,基因用果蝇,的,的方法命名,，,，但使用大,写,写字母，例,如,如，基因,AGAMOUS(AG)，,蛋白,AGAMOUS。,脊椎动物,一般以描述,基,基因功能的1-4个小,写,写字母和数,字,字表示其基,因,因功能。,例如，基因,sey，myc，,蛋白,Sey，Myc。,人类 方法,如,如脊椎动物,但,但需大写。,例,例如基因,MYC、ENO1。,二,.,基因组的概,念,念,基因组（,genome）,是细胞或生,物,物体的全套,遗,遗传物质。,The,genome,is the completesetof sequences inthegenetic material ofan organism. Itincludesthe sequence ofeachchromosomeplusany DNA inorganelles.,是一种生物,染,染色体内全,部,部遗传物质,的,的总和，包,括,括构成基因,和,和基因之间,区,区域的所有,DNA,。,就细菌和噬,菌,菌体而言，,它,它们的基因组是指,单,单个染色体,上,上所含的全,部,部基因；,而二倍体真核,生,生物的基因,组,组则是指维,持,持配子或配,子,子体正常功,能,能的最基本,的,的一套染色,体,体及其所携,带,带的全部基,因,因。（即,由一个物种,的,的单倍体的,染,染色体构成,。,。/任一,生,生物染色体,的,的单个单倍,体,体组。,）,基因组,在个体水平,代,代表一个个,体,体所有遗传,性,性状的总和,，,，在细胞水,平,平代表一个,细,细胞所有不,同,同染色体（,单,单倍体）的,总,总和，在分,子,子水平代表,一,一个物种所,有,有,DNA,分子的总和,。,。,简而言之，,它,它表示一种,生,生物的,DNA,或,RNA,所含的全部,遗,遗传信息。,基因组与基,因,因，一般以,DNA,的长度和序,列,列来表示。,生物的复杂,性,性与基因组,内,内的基因数,量,量有关，进,化,化程度越高,，,，基因组越,复,复杂。,第二节,病,病毒,(,噬菌体,),基因组,病毒,（,virus,）是一类没,有,有细胞结构,但,但有遗传、,变,变异、共生,和,和干扰等生,命,命现象的微,生,生物。,在结构上，,没,没有细胞结,构,构，因此称,为,为病毒颗粒,而,而非病毒细,胞,胞；,在化学组成,上,上，完整的,病,病毒颗粒通,常,常由一种或,几,几种蛋白质,和,和一种核酸,组,组成，有些,种,种类还含有,一,一定量的脂,类,类物质和碳,水,水化合物，,而,而类病毒仅,仅,仅以核酸形,式,式存在；,在生命活动,上,上，这种最,简,简单的生命,形,形式需借助,其,其他生物细,胞,胞完成其生,命,命过程，基,因,因组信息的,遗,遗传与变异,是,是其生命活,动,动的最主要,内,内容。,一,.,病毒基因组,核,核酸的主要,类,类型,病毒（,virus,）是最简单,的,的生物，外,壳,壳蛋白包裹,着,着里面的遗,传,传物质核酸,。,。,1,、双链,DNA,多数动物病,毒,毒，如腺病,毒,毒、疱疹病,毒,毒、痘病毒,，,，环形、线,形,形。,2,、单链,DNA,动物病毒中,仅,仅微小病毒,为,为单链病毒,；,；噬菌体中,仅,仅含单链,DNA,。,RNA,病毒基因组,所,所携带的遗,传,传信息一般,在,在同一条链,上,上，序列与,mRNA,相同的为正股（,+,），与,mRNA,互补的为负股（,）,3,、双链,RNA,以负链,RNA,为模板转录,出,出,mRNA,如呼肠孤病,毒,毒及噬真菌,体,体。,4,、单链负股,RNA,5,、单链正股,RNA,：如逆转录病,毒,毒,二,.,病毒基因组,结,结构与功能,1,、不同病毒,的,的基因组的,大,大小差异很,大,大。,比细菌基因,组,组小，只能,编,编码少数蛋,白,白，遗传,信息量较小,。,。,2,、不同病毒,的,的基因组可,以,以是不同结,构,构的核酸,;,每种病毒基,因,因组由,DNA,或,RNA,中的一种组,成,成。,核酸的结构,可,可以是单链,或,或双链，闭,合,合环状或,线状分子。,根据基因组,的,的核酸类型,，,，病毒可分,为,为,DNA,病,毒和,RNA,病毒。,3,、病毒基因,组,组有连续的,也,也有不连续,的,的,;,噬菌体的基,因,因是连续的,。,。而多数真,核,核细胞,的病毒常含,有,有不连续基,因,因。,除正链,RNA,病毒外，真,核,核细胞病毒,的,的基因,先转录成,mRNA,前体，再加,工,工为成熟的,mRNA,。,故病毒基因,的,的特性更像,真,真核生物基,因,因。,4,、病毒基因,组,组的编码序,列,列大于,90%;,大部分序列,用,用来编码蛋,白,白，基因之,间,间,的间隔序列,（,（,spacer sequence,）非常短。,如,X174,的非编码区,只,只占,217/,5386,.,5,、一般属单,倍,倍体基因组,;,7,、功能上相,关,关的基因往,往,往集中成簇,，,，在基因组,的,的特定部位,构,构成一个功,能,能单位或转,录,录单元。,转录产物往,往,往是多顺反,子,子的,RNA,，然后加工,成,成各蛋白质,的,的,mRNA,。,8,、,病毒的,DNA,复制及基因,表,表达往往依,赖,赖于宿主,细胞的系统,。,。,根据宿主不,同,同，病毒又,可,可分为动物,病,病毒、植,物病毒和噬,菌,菌体。,9,、常有基因,重,重叠现象,.,一个基因可,以,以完全在另,一,一基因内，,或,或者部分重,叠,叠，,甚至两个基,因,因之间只有,一,一个核苷酸,重,重叠。,重叠基因可,能,能使用共同,的,的核苷酸序,列,列，但转录,成,成的,mRNA,有不同的阅,读,读框架（,openreading frame,，,ORF,） ，,产生的蛋白,质,质分子大不,相,相同。,有些重叠基,因,因会使用相,同,同的阅读框,架,架，但起始,或,或终止,密码子不同,。,。,基因重叠时,，,，共同序列,上,上发生的突,变,变,可能影响一,个,个基因甚至,两,两个基因的,功,功能。,重叠基因现,象,象反映了原,核,核生物利用,有,有,限遗传资源,表,表达更多生,物,物功能的能,力,力。,真核生物基,因,因组中极少,重,重叠基因现,象,象。,例如，,174DNA,全部5386个核苷酸,序,序列的11,个,个基因中，,除,除了基因,B,完全在基因,A,内，基因,D,和,E,部分重叠外,，,，特别有趣,的,的是蛋白,D,的终止密码,子,子最后一个,核,核苷酸是蛋,白,白,J,起始密码子,的,的第一个核,苷,苷酸。,剑桥的分子,生,生物学家,D.C.Show,和,J.E.Walker,等，在测定,G4,噬菌体,DNA,的核苷酸序,列,列时，又发,现,现了一种三,重,重重叠基因,。,。,图,3-6,174,噬菌体,DNA,中基因,D,和,E,（,以及相应的,编,编码蛋白质,）,）的起点与,终,终点,第三节,原,原核生物,基,基因组,一,.,染色体基因,组,组,原核生物,是一些由无,细,细胞核的细,胞,胞组成的单,细,细胞或多细,胞,胞的低等生,物,物，主要包,括,括细菌、支,原,原体和植物,中,中的蓝藻门,。,。,原核生物无,真,真正的细胞,核,核，无核膜,，,，遗传物质,存,存在于整个,细,细胞中。,DNA,有时相对集,中,中，以裸露,的,的形式存在,。,。,可与蛋白质,结,结合，但不,构,构成染色体,结,结构，此结,构,构又,叫类核体，习惯上仍,将,将其基因组,DNA,与支架蛋白,组,组成的,结构称为染,色,色体，有时,也,也将其核酸分子,称,称做原核生,物,物染,色体。,原核生物基,因,因组都很小,，,，如大肠杆,菌,菌，整个基,因,因组,由4.6（也,有,有说,4.2,的）10,6,bp,组成，相对,分,分子质量为2.410,9,，大约包括30004000个,基,基因。,所有原核生,物,物的遗传物,质,质均为,DNA,。,与病毒相比,，,，原核生物,有,有较完整的,代,代谢系统，,进,进行较复杂,的,的代谢活动,，,，如从外界,环,环境摄取营,养,养物质、对,外,外界环境的,改,改变做出反,应,应等。故原,核,核生物基因,组,组结构基因,的,的数量和功,能,能远多于病,毒,毒基因组。,二,.,染色体基因,组,组的特点,1,.,常仅由一条,环,环状双链,DNA,分子组成,细菌染色体,的,的环化性使,得,得在缺少端,粒,粒（,telomere）,的情况下，,仍,仍能够完整,的,的复制。,这条环状双,链,链,DNA,分子在细胞,内,内形成一个,较,较为致密的,区,区域，称为,类,类核。,类核无核膜,与,与胞浆分开,，,，其中央部,分,分由,RNA,和支架蛋白,组,组成，外围,是,是呈超螺旋,状,状的双链闭,环,环染色体,DNA,。,但现,在,在也,发,发现,有,有线,形,形基,因,因组,。,。,2,.,只有,一,一个,复,复制,起,起始,点,点，,一,一个,复,复制,起,起点,。,。,3,.,具有操纵,子,子（,operon),结构,。,。,DNA,序列,中,中功,能,能相,关,关的,RNA,或蛋,白,白质,基,基因,往,往往,前,前后,排,排列,在,在一,起,起形,成,成一,个,个转,录,录单,位,位，,从,从同,一,一启,动,动子,开,开始,转,转录,形,形成,一,一个,多,多顺,反,反子,mRNA,，,，,再被,分,分别,表,表达,成,成不,同,同的,RNA,或蛋,白,白质,。,。,4,.,基因,组,组的,序,序列,绝,绝大,部,部分,是,是用,来,来编,码,码蛋,白,白质,的,的，,只,只有,极,极少,部,部分,不,不转,录,录，,而,而不,转,转录,部,部分,通,通常,是,是控,制,制基,因,因表,达,达的,序,序列,。,。,越是,简,简单,的,的生,物,物，,其,其已,知,知,基,基因,数,数越,接,接近,于,于从,其,其,DNA,分子,量,量所,估,估计,的,的基,因,因数,。,。,5,.,基因,是,是连,续,续的,，,，无,内,内含,子,子，,转,转录,后,后不,需,需剪,接,接。,6,.,编码,区,区在,基,基因,组,组中,所,所占,比,比例,远,远远,大,大于,真,真核,基,基因,组,组，,小于,病,病毒,基,基因,组,组,。,编码,蛋,蛋白,质,质的,结,结构,基,基因,是,是单,拷,拷贝,的,的，而,rRNA,基因,往,往往,是,是多,拷,拷贝,的,的。,7.,存在,着,着少,量,量基,因,因重,叠,叠的,现,现象,。,。,编码,顺,顺序,一,一般,不,不会,重,重叠,。,。,8,、基,因,因组,中,中重,复,复序,列,列很,少,少，,一,一般,为,为单,拷,拷贝,，,，如,结,结构,基,基因,。,。,但编,码,码,rRNA,的基,因,因往,往,往是,多,多拷,贝,贝。,9,、具,有,有编,码,码同,工,工酶,的,的基,因,因（,isogene).,10,、,细菌,基,基因,组,组中,存,存在,可,可移,动,动的,DNA,序列,，,，包,括,括插,入,入序,列,列和,转,转座,子,子。,11,、基,因,因组,DNA,有多,种,种调,控,控区,（,（也,有,有人,称,称,之为,功,功能,识,识别,区,区域,）,），,如,如复,制,制起,始,始区,、,、终,止区,、,、转,录,录启,动,动子,、,、终,止,止子,等,等特,殊,殊序,列,列，,还有,重,重复,序,序列,，,，比,病,病毒,基,基因,组,组要,复,复杂,。,。,病毒,和,和原,核,核生,物,物基,因,因组,总,总结,病毒基因组,细菌基因组,基因组较小，编码少数蛋白质,基因组 10,6,bp ；,具有单一的复制起点,可以为单/双链、环状/线性,DNA,或,RNA；,单一片段或多个片段（节段基因组）,环状或线形，均为,DNA;,“类核”的主基因组和独立的,DNA,分子（质粒）,常为,重叠基因,存在,重叠基因,非编码区占基因组的小部分,非编码区占基因组比例很小,功能相关基因集中成簇，构成一个功能单元或转录单位,有,操纵子,结构,连续（噬菌体）/,不连续基因,（真核细胞病毒）,连续，无内含子,大部分序列是单一序列（结构基因和调控区）；,重复序列少,1%, 拷贝数 10,有可移动的,DNA,序列,三,.,质粒,（,（,plasmid),基因,组,组,(,一,),质粒,的,的概,念,念,质粒,是,是细,菌,菌细,胞,胞内,携,携带,的,的染,色,色体,外,外的,DNA,分子,，,，是,共,共价,闭,闭合,的,的环,状,状,DNA,分子,（,（,covalentclosedcircularDNAcccDNA),大小,在,在,1200kb,能独,立,立进,行,行复,制,制。,它存,在,在于,许,许多,细,细菌,以,以及,酵,酵母,菌,菌等,生,生物,中,中。,质粒,离,离开,宿,宿主,细,细胞,则,则无,法,法复,制,制和,扩,扩增,，,，质,粒,粒“,友,友好,”,”地,借,借居,于,于宿,主,主细,胞,胞内,。,。靠,宿,宿主,细,细胞,才,才能,完,完成,自,自己,的,的复,制,制。,而质粒,对,对宿,主,主细,胞,胞的,生,生存,而,而言,却,却不,是,是必,需,需的，宿,主,主细,胞,胞丢,失,失了,质,质粒,依,依然,能,能够,存,存活,。,。,质粒,不,不是,单,单纯,的,的寄,生,生，所携,带,带的,遗,遗传,信,信息,能,能赋,予,予细,菌,菌特,定,定的,遗,遗传,性,性状。,例如,，,，致,育,育性,质,质粒,（,（,F,质粒,）,）可,以,以决,定,定细,菌,菌的,性,性别,；,；,耐药,性,性质,粒,粒（,R,质粒,）,）带,有,有耐,药,药基,因,因，,可,可以,使,使宿,主,主菌,获,获得,耐,耐受,相,相应,抗,抗生,素,素的,能,能力,；,；,大肠,杆,杆菌,素,素质,粒,粒,(Col,质粒,),能使,大,大肠,杆,杆菌,合,合成,大,大肠,杆,杆菌,素,素，,后,后者,可,可以,杀,杀死,不,不含,大,大肠,杆,杆菌,素,素质,粒,粒的,亲,亲缘,细,细菌,。,。,(,二,),质粒,的,的分,类,类,1.,严紧,型,型粒,和,和松,弛,弛型,粒,粒,根据,复,复制,性,性质,，,，可,以,以把,质,质粒,划,划分,为,为两,类,类：,一是,严,严紧,型,型粒,（,（,stringentplasmid,），,当,当细,胞,胞染,色,色体,复,复制,一,一次,时,时质,粒,粒也,复,复制,一,一次,，,，每,个,个细,胞,胞只,有,有,12,个质,粒,粒，,也,也称,为,为低,拷,拷贝,数,数质,粒,粒,;,另一,类,类是,松,松弛,型,型粒,（,（,relaxedplasmid,），,当,当染,色,色体,复,复制,停,停止,后,后仍,继,继续,复,复制,，,，每,一,一个,细,细胞,内,内一,般,般有,20,个左,右,右的,质,质粒,，,，也,称,称为,高,高拷,贝,贝数,质,质粒,。,。,一般,分,分子,量,量较,大,大的,质,质粒,属,属严,紧,紧型,，,，分,子,子量,较,较小,的,的属,松,松弛,型,型。,需要,指,指出,，,，一,种,种质,粒,粒属,于,于松,弛,弛型,还,还是,严,严紧,型,型并,不,不是,绝,绝对,的,的，,这,这往,往,往同,宿,宿主,的,的状,况,况有,关,关。,同一,质,质粒,在,在不,同,同的,宿,宿主,细,细胞,中,中可,能,能具,有,有不,同,同的,复,复制,型,型，,这,这说,明,明质,粒,粒的,复,复制,不,不仅,受,受自,身,身的,制,制约,，,，同,时,时还,受,受到,宿,宿主,的,的控,制,制。,2.,接合,质,质粒,和,和非,接,接合,型,型质,粒,粒,根据,质,质粒,DNA,中是,否,否含,有,有接,合,合转,移,移基,因,因，,可,可以,分,分成,两,两大,类,类。,接合,型,型质,粒,粒（,conjugativeplasmid,）也,称,称自,我,我转,移,移的,质,质粒,，,，这,类,类质,粒,粒除,含,含有,自,自我,复,复制,的,的基,因,因外,，,，还,带,带有,一,一整,套,套控,制,制细,菌,菌配,对,对和,质,质粒,接,接合,转,转移,的,的基,因,因，,因,因此,能,能从,一,一个,细,细胞,自,自我,转,转移,到,到另,的,的细,胞,胞。,如,F,质粒,，,，部,分,分,R,质粒和部分,Col,质粒。,如,F,质粒，雌雄,细,细胞通过性,纤,纤毛相互接,触,触而结合，,质,质粒便从一,个,个细胞传递,给,给另一个细,胞,胞。,非接合型质,粒,粒也称不能,自,自我转移的,质,质粒。,此类质粒含,有,有自我复制,的,的基因，能,进,进行自我复,制,制，但不含,转,转移基因。,因此，这类,质,质粒不能从,一,一个细胞自,我,我转移到另,外,外的细胞。,3.,相容性质粒,和,和不相容性,质,质粒,质粒有相容,性,性和不相容,性,性两种。,相容性质粒,可,可以在同一,宿,宿主菌的细,胞,胞内同时存,在,在。,但也有些质,粒,粒不能相容,，,，不能在同,一,一个宿主菌,的,的细胞内同,时,时存在。,通常亲缘关,系,系密切的两,种,种质粒不能,在,在同一宿主,细,细胞中稳定,共,共存，这一,现,现象称为质,粒,粒的不相容,性,性（,plasmid incompatibility,），也称不,亲,亲和性。,4.,窄宿主谱质,粒,粒和广宿主,谱,谱质粒,窄宿主谱质,粒,粒存在于一,种,种或数种密,切,切相关的宿,主,主，而广宿,主,主谱质粒可,以,以在不同科,，,，属，种细,菌,菌之间传递,。,。,质粒的宿主,范,范围是由质,粒,粒复制时对,宿,宿主的依赖,程,程度决定的,。,。,5,.,按功能分类,R,质粒：抗药,性,性质粒,F,质粒,(fertilityfactor):,性质粒（,sex plasmid),可决定细菌,的,的性别,Col,质粒：大肠,杆,杆菌素质粒,合成大肠杆,菌,菌素，杀死,不,不含大肠杆,菌,菌素质粒的,亲,亲缘细菌。,质粒,DNApBR322,EcoR,、,Pst,、,Hind,、,BamH,、,Sal,只有一个酶,切,切位点，便,于,于外源基因,的,的插入。,(,三,),质粒的遗传,控,控制,1,.,复制调控系,统,统：控制质,粒,粒的拷贝数,。,。,复制调控系,统,统控制质粒,的,的拷贝数。,该系统由质,粒,粒的复制起,点,点（,ori,）、,rep,基因和,cop,基因构成。,Rep,基因产物,Rep,蛋白结合于,复,复制起始位,点,点，启动质,粒,粒的复制。,但当,Rep,蛋白过量时,，,，即可通过,抑,抑制自身基,因,因的启动子,（,（,promoter,）抑制其基,因,因的进一步,转,转录，减少,Rep,蛋白的生成,，,，从而使质,粒,粒的复制保,持,持一定频率,。,。,Cop,基因序列及,其,其表达产物,对,对复制起抑,制,制作用，从,而,而控制质粒,的,的拷贝数。,2,.,分配系统：,使,使质粒在细,菌,菌分裂过程,中,中精确分配,到,到子细胞。,分配系统的,作,作用是使质,粒,粒在细菌分,裂,裂过程中精,确,确地分配到,子,子细胞中。,该,该系统的缺,陷,陷将影响质,粒,粒在细胞中,的,的稳定存在,，,，导致质粒,丢,丢失频率增,高,高。,3,.,细胞分裂控,制,制系统：抑,制,制细胞分裂,，,，使细胞分,裂,裂与质粒复,制,制相协调。,细胞分裂控,制,制系统能够,抑,抑制宿主细,胞,胞的分裂，,使,使细胞分裂,与,与质粒复制,协,协调。该系,统,统对低拷贝,数,数质粒的稳,定,定遗传尤其,重,重要。,4,.,位点特异重,组,组系统。,位点特异重,组,组系统由质,粒,粒的附着位,点,点、质粒编,码,码的整合酶,、,、切除酶和,宿,宿主提供的,辅,辅助因子,FIS,（,factor forinversionstimulation,）等组成。,其,其作用是调,节,节高拷贝质,粒,粒向子代细,胞,胞的平均分,配,配过程。,5,.,质粒的不相,容,容性。具有,相,相同复制起,始,始位点和分,配,配区的两种,质,质粒不能共,存,存于一个宿,主,主菌。,(,四,),质粒,DNA,的提取,1,.,细菌的培养,：,：可加少量,抗,抗生素（如,氯,氯霉素）抑,制,制宿主蛋白,质,质的合成，,质,质粒大量扩,增,增。,2,.,细菌的收集,和,和裂解：离,心,心弃上清,3,.,质粒,DNA,的分离纯化,第四节真,核,核生物基因,组,组及其特点,真核生物的,遗,遗传物质主,要,要集中在核,膜,膜包围着的,细,细胞核中，,DNA,和特殊的蛋,白,白质,(,如,组蛋白、非,组,组蛋白,),相结合组装,成,成为染色体。,在真核细胞,中,中,每条染色体,只,只含有一个,DNA,分子。,真核生物的,基,基因组一般,比,比较庞大，例如人的,单,单倍体基因,组,组由310,9,bp,碱基组成，,按,按1000个碱基编码,一,一种蛋白质,计,计，理论上,可,可有300万个基因。,但实际上，,人,人细胞中所,含,含基因总数,大,大概不会超,过,过4万个。,这就说明在,人,人细胞基因,组,组中有许多,DNA,序列并,不编码蛋白,质,质或,RNA,。,DNA,的复性动力学研究发现这,些,些非编码区,往,往往都是一,些,些大量的重复序列，这些重复序,列,列或集中成,簇,簇，或分散,在,在基因之间。,在基因内部,也,也有许多能转录但不,翻,翻译的间隔,序,序列（内含,子,子）。,因此，在人,细,细胞的整个,基,基因组当中,只,只有很少一,部,部份（约占2-3）,的,的,DNA,序列用以编,码,码蛋白质。,从是否编码,蛋,蛋白质或,RNA,来看，庞大,的,的真核生物,基,基因组实际,上,上由两大类,序,序列组成：,1,.,基因和基因,相,相关,DNA,序列，包括,编,编码的,DNA,序列和非编,码,码的,DNA,序列（如内,含,含子、基因,片,片段和假基,因,因等）。,2,.,基因外,DNA,序列，包括,各,各种重复序,列,列以及非编,码,码的单拷贝,和,和低拷贝序,列,列。,一,.,基因组结构,与,与功能的特,点,点,1,.,含两份同源,的,的基因组,真核生物基,因,因组,DNA,与蛋白质结,合,合形成染色,体,体，储存于,细,细胞核内，,除,除配子细胞,外,外，体细胞内的,基,基因的基因,组,组是双份的（即双倍体,diploid），,即有两份同,源,源的基因组,。,。,2,.,结构复杂，,基,基因数庞大,，,，,基因组远远,大,大于原核生,物,物的基因组,，,，,具有许多复,制,制起点。,每个复制子,大,大小不一,每个复制子,的,的长度较小,。,。,3,.,真核基因由,一,一个结构基,因,因与相关的,调,调控区组成,，,，转录产物,为,为单顺反子,。,。,一个结构基,因,因经过转录,和,和翻译生成,一,一个,mRNA,分子和一条,多,多肽链。,4,.,含有大量重,复,复序列。,真核基因组,的,的非编码序,列,列中含有高,度,度重复的卫,星,星,DNA,反向重复序,列,列和中度重,复,复的散在重,复,复序列；,编码序列也,有,有含有一些,重,重复的编码,蛋,蛋白质或,RNA,的结构基因,。,。,5,.,非编码序列,（,（,non-codingsequenceNCS),占,90%,以上,基因组中不编码的区,域,域多于编码,区,区域。,非编码序列,的,的高比例是,真,真核生物与,细,细菌和病毒,的,的重要区别,，,，而且在一,定,定程度上也,是,是生物进化,的,的标尺。,非编码序列,包,包括高度和,中,中度重复序,列,列、内含子,、,、间隔序列,等,等。存在的,目,目的似乎是,复,复制自己，,故,故而有自私,DNA,之称。,6,.,存在断裂基,因,因（,splitgene),有内含子结,构,构,基因与基因,间,间的非编码,序,序列为间隔,DNA,（,spacer DNA).,7,.,功能相关的,基,基因构成各,种,种基因家族,，,，可串联在,一,一起，也可,相,相距很远。,8.,真核基因组,中,中存在逆转,录,录转座子,真核基因组,中,中存在大量,的,的转座元件,。,。,其中既有结,构,构与原核生,物,物转座子相,似,似，由,DNA,介导转座过,程,程的,DNA,转座子；,也有真核基,因,因组特有的,逆,逆转录转座,子,子或逆转录,元,元件。,9.,真核基因组,中,中存在大量,的,的顺式作用,元,元件,顺式作用元,件,件是指那些,与,与结构基因,表,表,达调控相关,、,、能够被基,因,因调控蛋白,特,特异性,识别和结合,的,的,DNA,序列。,真核基因组,具,具有启动子,、,、增强子、,沉,沉,默子、反应,元,元件和加尾,信,信号等顺式,作,作用元件。,10,.,真核生物基,因,因组具有端,粒,粒结构,端粒是真核,生,生物线性基,因,因组,DNA,末端的一种,特,特殊结构。,该结构,DNA,序列相当保,守,守，一般由,多,多个串联在,一,一起的短寡,核,核苷酸序列,构,构成，是一,段,段,DNA,序列和蛋白,质,质形成的一,种,种复合体。,端粒具有保,护,护线性,DNA,的完整复制,、,、保护染色,体,体末端和决,定,定细胞的寿,命,命等功能。,11.,真核基因组,中,中存在大量,的,的,DNA,多态性,DNA,多态性是指,DNA,序列发生中,变,变异而导,致的个体间,核,核苷酸序列,的,的差别。,真核基因组,的,的,DNA,多态性主要,包,包括单核苷,酸多态性和,串,串联重复序,列,列多态性两,大,大类。,1),串联重复序,列,列多态性,卫星,DNA,这类可变数,目,目串联重复,序,序列由于其,重,重复单位的,重,重复次数变,化,化而形成串,联,联重复序列,多,多态性。,这主要发生,于,于小卫星和,微,微卫星,DNA,中，人群中,频,频率极高。,2),单核苷酸多,态,态性（,SNP,）,SNP,是指在基因,组,组水平上由,单,单个核苷,酸的变异引,起,起的,DNA,序列多态性,。,。,人类基因组,中,中每,500-1000,个碱基对中,就有,1,个,SNP,，属于最常,见,见的一种变,异,异。,它越益被认,为,为与人体的,表,表型差异、,不,不同群体和,个,个体对各种,药,药物的耐受,性,性差异、对,环,环境因子的,反,反应差异、,对,对疾病的易,感,感性差异有,关,关。,SNP,可导致等位,基,基因间在特,定,定位点上的,DNA,序列差异，,这,这种现象叫,DNA,位点多态性,（,（,DNA site polymorphism,）,SNP,如果发生在,限,限制性内切,酶,酶识别位,点上，则可,导,导致酶切位,点,点的变化，,从,从而在,用限制性内,切,切酶切割,DNA,时出现长度,不,不等,的限制性片,段,段，这种现,象,象称为限制,性,性片段长度,多,多态性（,restriction fragmentlength polymorphism, RFLP,）。,二,.,真核生物基,因,因组的,C,值悖理（,C,值矛盾）,真核生物基,因,因组较原核,生,生物大得多,，,，真核生物,基,基因组来源,不,不同，分子,量,量差别也很,大,大。,与大肠杆菌,染,染色体,DNA,分子量相比,，,，果蝇染色,体,体,DNA,分子量差不,多,多是大肠杆,菌,菌染色体,DNA,的300倍,。,。,而人含有比,大,大肠杆菌多600800倍的,DNA。,生物体的一,个,个特征是一,个,个,物种,单倍体基因,组,组的全部,DNA,含量总是相,对,对稳定的，,这,这个含量即,为,为该物种的,C,值（,C-Value,），以,pg,表示（,1pg=10,-12,g,）。,(,现在的文献,似,似更倾向于,用,用碱基对,bp,来表示。,),不同物种的,C,值差异很大,，,，最小的支,原,原体为,10,6,bp,，而两栖动,物,物可达,10,11,bp,。,每个物种的,C,值是相对恒,定,定的。,随着生物的,进,进化，生物,体,体的结构和,功,功能越显复,杂,杂，其,C,值就越大，,像,像真菌和高,等,等植物同属,于,于真核生物,，,，但后者的,C,值大很多。,因为这时所,需,需要的基因,产,产物的种类,越,越多，所需,基,基因也越多,。,。,但从另一方,面,面看，随着,进,进化，生物,体,体的复杂性,和,和,DNA,含量,之,之间,的,的关,系,系模,糊,糊了,甚,甚至,令,令人,费,费解,。,。,主要,表,表现,在,在如,下,下方,面,面,1,）,C,值不,（,（一,定,定就,）,）随,生,生物,的,的进,化,化程,度,度和,复,复杂,性,性（,的,的增,加,加）,而,而增,加,加，,如,如肺,鱼,鱼的,C,值为,112.2,，而,人,人的,是,是,3.2,，与,牛,牛的,相,相近,；,；,昆虫,的,的,C,值大,约,约是10,8,bp,，而,两,两栖,类,类动,物,物,如两,栖,栖鲵,（,（,amphiuma,）,）,的,C,值是8.610,10,bp,在昆,虫,虫与,两,两栖,类,类之,间,间，,C,值相,差,差近,千,千倍,；,；,两栖,类,类的,C,值竟,然,然比,包,包括,人,人类,在,在内,的,的哺,乳,乳类,（3,10,9,bp,）,）,的,C,值还,高,高。,2,）（,即,即使,）,）亲,缘,缘关,系,系密,切,切的,生,生物,，,，其,C,值（,也,也可,能,能）,相,相差,甚,甚大,，,，如,豌,豌豆,为,为,14,，而,蚕,蚕豆,为,为,2,；,3,）高,等,等真,核,核生,物,物具,有,有比,用,用于,遗,遗传,高,高得,多,多的,C,值，,如,如人,的,的染,色,色体,组,组,DNA,含量,在,在理,论,论上,包,包括,300,万个,基,基因,，,，但,有,有实,际,际用,途,途的,基,基因,只,只有,5,万,10,万个,左,左右,。,。,目前,，,，,很难,令,令人,相,相信,这,这样,的,的差,异,异与,生,生物,复,复杂,性,性有,什,什么,关,关系,。,。,很难,解,解释,牛,牛与,人,人的,DNA,含量,相,相等,，,，而,豌,豌豆,与,与蚕,豆,豆,DNA,含量,却,却相,差,差7,倍,倍。,显然,，,，,DNA,的含,量,量与,物,物种,间,间的,差,差异,有,有一,定,定关,系,系，,但,但与,物,物种,间,间的,复,复杂,性,性并,没,没有,严,严格,的,的对,应,应关,系,系。,这种,C,值与,生,生物,进,进化,复,复杂,性,性不,相,相对,应,应的,现,现象,称,称为,C,值悖,理,理（,Cvalueparadox）,。,这暗,示,示着,真,真核,生,生物,基,基因,组,组中,必,必然,存,存在,大,大量,的,的不,编,编码,基,基因,产,产物,的,的,DNA,序列,。,。,三,.,DNA,复性,动,动力,学,学的,应,应用,与,与真,核,核生,物,物,DNA,序列,的,的类,型,型,（一,）,）,DNA,复性,的,的速,度,度能,够,够指,明,明该,DNA,的单,一,一序,列,列的,长,长度,在,DNA,复性,过,过程,中,中，,由,由于,双,双螺,旋,旋重,聚,聚合,要,要求,两,两种,游,游离,互,互补,的,的碱,基,基序,列,列在,溶,溶液,中,中发,生,生碰,撞,撞，,因,因此复性,的,的速,率,率决,定,定于,两,两者,碰,碰撞,的,的概,率,率。,复性,动,动力,学,学方,程,程：,C/C,0,=1/,（,1+KC,0,t,）,在实,验,验条,件,件恒,定,定时,，,，,C/C,0,（,反应,t,秒后,余,余留,的,的,DNA,单链,的,的百,分,分数,）,）仅,仅,仅决,定,定于,C,0,t，,即决,定,定于,DNA,单链,起,起始,浓,浓度,与,与保,温,温（,宜,宜为,反,反应,）,）时,间,间的,乘,乘积。,当,C/C,0,=1/2,时，,KC,0,t=1，,即,C,0,t,1/2,=1/k,此时,的,的,C,0,t,值以,C,0,t,1/2,表示,，,，它代表,DNA,序列,的,的复,杂,杂程,度,度。,在变,性,性的,DNA,样品,中,中，彼此,互,互不,相,相同,的,的核,苷,苷酸,碱,碱基,序,序列,的,的数,目,目越,多,多，,单,单位,时,时间,内,内，,跟,跟另,一,一股,互,互补,链,链可,能,能相,遇,遇的,概,概率,也,也就,越,越低,，,，复,性,性速,度,度就,越,越慢；,反之,，,，在变,性,性,DNA,样品,中,中含,有,有的,重,重复,序,序列,数,数目,越,越多,，,，则,互,互补,链,链相,遇,遇的,概,概率,就,就会,高,高，,复,复性,速,速度,就,就越,快,快。,因此,，,，,C,0,t,1/2,值与,复,复性,速,速度,大,大小,成,成反,比,比，,也,也就,是,是基,因,因组,的,的复,杂,杂度,与,与其,C,0,t,1/2,成正,比,比。,任何,DNA,的复杂,度,度都可,以,以通,过,过与,已,已知,复,复杂,度,度的,标,标准,DNA,的,C,0,t,1/2,作比,较,较来,确,确定,。,。,通常,用,用,E.coli,DNA,作标,准,准，因,为,为它,的,的复,杂,杂度,同,同它,的,的基,因,因组,DNA,长度4.210,6,bp,相同,，,，两,者,者的,关,关系,可,可以,写,写成,：,：,任何,DNA,的,C,0,t 1/2/,E.coli,的,C,0,t 1/2,=,任何,DNA,的复杂,度,度 /4.2,10,6,bp,（二）,真核生,物,物基因,组,组,DNA,序列的,类,类型,根据真,核,核生物,基,基因组,DNA,的重复,频,频率可,把,把其分,为,为四种,序,序列类,型,型。,真核生,物,物的一,个,个显著,特,特点就,是,是富含,重,重复序,列,列。,这些重,复,复序列,的,的长短,不,不同，,短,短的仅,有,有几个,甚,甚至两,个,个核苷,酸,酸，长,的,的有几,百,百乃至,上,上千个,核,核苷酸,。,。,重复序,列,列的重,复,复程度,也,也不一,样,样。重,复,复多的,可,可在基,因,因组中,出,出现几十万,到,到几百,万,万次，称,为,为高度重,复,复序列,;,重复几十到,几,几千次称中度重,复,复序列,;,重复极少的称为轻度重,复,复序列,;,不重复的序列,则,则称为单一序,列,列或单,拷,拷贝序,列,列。,1单,拷,拷贝序,列,列（,singlecopysequence）,或,单一序,列,列（,uniquesequence,）,）,真核生,物,物的大,多,多数基因在单倍体中都是单拷贝的,，乃,(,复性曲,线,线中,),复性最,慢,慢的组,分,分,。,单拷贝,序,序列最,重,重要的,作,作用是,具,具有编码功,能,能。,在单倍,体,体基因,组,组里，,这,这些序,列,列包括,编,编码蛋,白,白质和,酶,酶的结,构,构基因,其两侧,为,为间隔,序,序列和,散,散在分,布,布的重,复,复序列,。,。,编码蛋,白,白质的,单,单拷贝,序,序列决,定,定生物,的,的各种,功,功能，,因,因此对,这,这些序,列,列的研,究,究具有,特,特别重,要,要的意,义,义。,不重复,序,序列长,约,约7502000,bp，,相当于,一,一个结,构,构基因,的,的长度,，,，这类,序,序列的,Cot,值与基,因,因组中,DNA,的含量,成,成正比,。,。,真核生,物,物基因,组,组中单,拷,拷贝序,列,列约在40,70,，,人类基,因,因组中,单,单拷贝,序,序列约,占,占,60%65%,。,有学者,认,认为，编码序,列,列只占,单,单拷贝,序,序列的,一,一小部,分,分，所以单,拷,拷贝序,列,列除了,编,编码以,外,外似还应,有,有其它功,能,能。,2轻,度,度重复,序,序列（,slightlyrepetitive sequence）,这种重,复,复序列,在,在基因,组,组中只,有,有210个拷,贝,贝，主要,是,是组蛋白,和,和,tRNA,基因。,轻度重,复,复序列,包,包括两,种,种情况,。,。,一是重,复,复序列,中,中的基,因,因都是,有,有功能,的,的，,编码同,一,一蛋白,或,或,RNA,。,例如血,红,红蛋白,链的基,因,因有胚,胎,胎型和,胎,胎儿型,，,，只是,基,基因产,物,物在氨,基,基酸组,成,成上是,各,各有差,异,异；,二是重,复,复序列,中,中的基,因,因有的有,功,功能，,有,有的没,有,有功能，如假基因等。,轻度重,复,复序列,很,很难用,点,点突变,方,方法进,行,行鉴定,，,，因为任,何,何一个,拷,拷贝的,失,失活都,不,不能影,响,响其它,拷,拷贝的,活,活性。,3中,度,度重复,序,序列（,moderately repetitivesequence,）,）,中度重,复,复序列,一,一般都,是,是不编码,（,（蛋白,质,质）的序列,，,，有几十至,数,数千个,拷,拷贝（,也,也有学,者,者说是,数万到,数,数十万,），例如,rRNA,基因和,tRNA,基因等,。,。,其复性,速,速度