Transcript 基因与基因组

第二章
基因与基因组
2016/8/7
1
第一节
基 因
一、基因概念的发展
二、基因的结构
2016/8/7
2
一、基因概念的发展
1909， W. L. Johannsen
将遗传因子改称为基因（gene）
提出基因型和表型的概念
1910，T. H. Morgan
证实基因在染色体上
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3
1944， M. McCarty & O. Avery
肺炎球菌转化实验
1952，A. Hershey & . Chase
T4噬菌体感染细菌实验
证实DNA是遗传物质
1941，G. W. Beadle & E. L. Tatum
链孢霉中生化反应的遗传控制
提出“一个基因一种酶”学说
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4
异源多聚体
Hemoglobin
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一个基因，一条多肽链
5
基因的概念：
储存有功能的蛋白质多肽链
或RNA序列信息，以及表达这些信
息所必需的全部核苷酸序列所构
成的遗传单位。
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6
二、 基因的结构
(一)结构基因(structure gene)
基因中编码RNA或蛋白质的DNA序列。
(二)非结构基因
结构基因两侧的一段不编码的DNA
片段(侧翼序列)，参与基因表达调控。
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（一）结构基因
1. 原核生物的结构基因是连续的，
RNA合成后不需要剪接加工。
非结构基因
z
非结构基因
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y
a
结构基因
8
2.真核生物结构基因
由外显子（编码序列)和内
含子（非编码序列)两部分组成，
编码序列不连续，称为断裂基因
（split gene / interrupted gene）
exon
DNA
intron
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3.GT-AG法则
真核基因中RNA剪接的识别信号
内含子的 5′端以GT开始，
3′端以AG结束。
5′
GT
AG
GT
AG
3′
intron1
intron2
exon3
exon1
exon2
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(二) 非结构基因
参与转录调控的顺式作用元件
5′
3′
5′
3′
ATATTT
TATAAA
顺式作用元件:(cis-acting element)
能影响基因表达，但不编码RNA和
蛋白质的DNA序列。
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顺式作用元件
启动子和上游启动子元件
反应元件
增强子
Poly(A)加尾信号
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1.启动子和上游启动子元件
启动子（promoter）：
RNA聚合酶特异性识别结合和启动
转录的DNA序列。有方向性，位于转录
起始位点上游。
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 TATA盒（TATA box）:
位于转录起始点上游-25 bp左右，核心序
列TATA（A/T）A（A/T）， 与TATA结合蛋
白结合，启动基因转录。
transcription
start point
-25
+1
β珠蛋白基因启动子突变:TATAA→TGTAA，降
低mRNA的转录效率→β+地贫。
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上游启动子元件：
(upstream promoter element)
TATA盒上游的一些特定DNA序列，
反式作用因子可与这些元件结合，调控
基因的转录效率。
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15
 CAAT盒（CAAT box）：
位于-70 bp左右，核心序列GGNCAATCT。
与CTF结合，调控转录效率。
transcription
start point
-70
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-25
+1
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 GC盒（GC box）：
位于-120 bp左右 ，核心序列CCGCC，
与转录因子SP1结合，促进转录的过程。
transcription
start point
-120
+1
CCGCC
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 CACA盒（CACA box）：
位于-80～-90 bp，核心序列GCCACACC。
CACA
box
-90
transcription
start point
-80
+1
GCCACACCC
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β珠蛋白基因CACA盒-88, -87, -86点突变, 引起
β+地贫。
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2.反应元件(response element)
与被激活的信息分子受体结合，
并能调控基因表达的特异DNA序列。
promoter
CAAT box
TATA box
5′
response
element
exon
3′
intron
exon intron
exon
糖皮质激素反应元件： cccaaagagctctgtgtcct
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3.增强子（enhancer）
与反式作用因子结合，增强转录活性，
在基因任意位置都有效、无方向性。
promoter
CAAT box
enhancer
response
element
TATA box
5′
exon
33′
′
intron exon
intron
exon
凝血酶原基因增强子 -922 to -897:
5′-GTGTTCCTGCTCTTTGTCCCTCTGTC-3′
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4.沉默子（silencer）
基因表达负调控元件，与反式作用
因子结合，抑制转录活性。
甲胎蛋白基因沉默子：cttcattaacttaattt
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5.Poly(A)加尾信号
结构基因末端保守的AATAAA顺序及
下游GT或T富含区，被多聚腺苷酸化特
异因子识别，在mRNA 3′端加约200个A。
DNA 5′--------AATAAA ---------- GT------- 3′
mRNA
前体
mRNA
5′--------AAUAAA ---------- GU------- 3′
5′--------AAUAAA ------AAAAAAAA 3′
β珠蛋白AATAAA→AACAAA，→β+地贫。
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基因的结构
结构基因
promoter
Enhancer
5′
Poly(A)
加尾信号
CAAT box
TATA box
response
element
UTR exon
ATG
exon
intron
exon
intron
UTR
3′
TGA
+1
Stop
开放阅读框：open reading frame ，ORF
非翻译区：untranslated regions ，UTR
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小
结
1. 储存有功能的蛋白质多肽链或RNA序
列信息，以及表达这些信息所必需的全
部核苷酸序列所构成的遗传单位。
2. 顺式作用元件主要有启动子和上游
启动子元件、增强子、沉默子、反
应元件、Poly(A)加尾信号。
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第二节
基因组 (genome)
16
5
19xy
22xy
基因组：细胞或生物体一套完整单
倍体的遗传物质的总称。
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一、病毒基因组
1. 不同病毒基因组大小相差较大。
痘病毒(Poxvirus)
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130~375 kb
乙型肝炎病毒（HBV）
3.2 kb
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2.不同病毒基因组可以是不同结构的核酸。
单链线性RNA 双链线性DNA 双链线性RNA 单链环状DNA
RNA基因组
多数为单链、线性
DNA基因组
多数为双链、环状或线性
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3. 除逆转录病毒外，通常为单倍体基因组。
膜蛋白
核心蛋白
逆转录酶
+ssRNA
人类免疫缺陷病毒 （HIV）
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基因组复制与基因表达
+ssRNA
反转录
蛋白质
ssDNA
转录
dsDNA
整合
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翻译
病毒
颗粒
mRNA
(+ssRNA)
29
3′
5′
gag
+ssRNA
pol
核心蛋白
逆转录酶
env
膜蛋白
单链线性RNA，二倍体；
有三个基本的结构基因：gag、pol、env；
5′端有甲基化帽，3′端有poly(A)尾。
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4.有的病毒基因组是连续的。
刺突蛋白
膜蛋白
核衣壳蛋白
+ssRNA
SARS冠状病毒 (SARS coronavirus)
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有的病毒基因组分节段。
血凝素（H）
神经氨酸酶（N）
8节段-ssRNA
甲型流感病毒（ influenza A virus)
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5.有的基因有内含子。
小t
抗原
5243 bp
Ori
大T抗原和小
t抗原的mRNA
有不同的剪接
方式。
大T
抗原
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猴病毒 (SV40 )基因组
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6.病毒基因组大部分为编码序列；
功能相关基因转录成多顺反子mRNA；
L1
E1A E1B
0
10
20
E2B
30
L2
40
L3
50
L4
60
70
E2A
E3 L5
80
90
100%
E4
腺病毒 (adenovirus)基因组
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7. 基因重叠（gene overlap）
5386 nt
5386nt
编码2500个氨基酸
利用有限的核
酸贮存更多的
遗传信息，提
高自身在进化
过程中的适应
能力。
噬菌体ΦX174基因组
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开环部分双链DNA基因组
HBsAg
dsDNA
3182
bp
3182bp
聚合酶
HBcAg
HBeAg
乙型肝炎病毒（HBV）基因组
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基因组复制与基因表达
dsDNA
修复
cccDNA
转录
翻译
mRNA
反转录
-ssDNA
复制
+ssDNA
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蛋白质
病毒
颗粒
dsDNA
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病毒基因组的结构特点
1. 不同病毒基因组可以是不同结构的核酸；
2. 除逆转录病毒外，为单倍体基因组；
3. 病毒基因组有的是连续的，有的分节段；
4. 有的基因有内含子；
5. 病毒基因组大部分为编码序列；
6. 有基因重叠现象；
7. 功能相关基因转录为多顺反子mRNA。
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二、原核生物基因组
以大肠杆菌（Escherichia coli）为例
细菌染色体DNA
质粒DNA
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类核（nucleoid）：细菌染色体在
细胞内形成的一个致密区域
nucleoid
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大肠杆菌细胞结构
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（一）由一条环状双链DNA分子组成，
通常只有一个DNA复制起始点。
OriC
0
4000K
大肠杆菌
C-Value:
4.6×106bp
1000K
3000K
2000K
TerC
大肠杆菌染色体DNA
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(二) 结构基因大多组成操纵子
操纵子(operon): 多个功能相关的结构基因
成簇串联排列，与上游共同的调控区和
下游转录终止信号组成的基因表达单位。
p
o
promoter operator
半乳糖苷酶
z
z
y
a
t
terminator
structural genes
透酶
y
半乳糖苷乙酰转移酶
a
乳糖操纵子(lac operon)
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原核生物的mRNA是多顺反子mRNA
DNA Promoter
Gene 1
Gene 2
Gene 3 Terminator
Transcription
多顺反子mRNA
(polycistronic mRNA):
5′
3′
mRNA
2
3
1
原核生物的一个mRNA分子带有几个
Translation
结构基因的遗传信息，利用共同的启动
子及终止信号，组成操纵子的基因表达
调控单元。
Proteins
1
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2
3
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（三）非编码区主要是调控序列：
复制起始区（OriC）
复制终止区（TerC）
转录起动区
转录终止区
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复制起始区（OriC）
E.coli oric region(250 bp)
13-mers
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9-mers
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转录终止区
DNA
5′…GCCGCCAGTTCGGCTGGCGGCATTTT… 3′
RNA
5′…GCCGCCAGUUCGGCUGGCGGCAUUUU…3′
5′
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U
U
G
A
C
C
G
C
C
G
C
G
G
C
U
G
G
C
G
G
C A U U U U-OH 3′
强终止子：有反向重复顺序，可形成
茎环结构，其后为poly(T)。
46
（四）存在可移动的DNA序列
• 转座因子（transposable element）：
能够在一个DNA分子内部或两个DNA
分子之间移动的DNA片段。
• 转座（transposition）：
转座因子在基因组不同位置间的移动。
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1.转座因子的类别
(1)插入序列（insertion sequence, Is）
小于2000 bp，只有转座相关基因
转座酶
Is3
2 kb
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(2) 转座子（transposon，Tn）
2~20 kb，常带有抗性基因等其它基因
转座酶
氨苄青霉素抗性
Tn3
四环素抗性
转座酶
Tn10
2 kb
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(3) 可转座的噬菌体
转座酶 转座酶
结合位点
A
宿主DNA
头尾部蛋白
转座酶
结合位点
B
37 kb
宿主DNA
Mu噬菌体
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2.转座作用的机制
供体DNA 转座子
受体DNA
复制和转座
切除和连接
新的DNA
复制性转座是转座因子
复制出一个新拷贝转移
到基因组新的位置
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简单转座是转座因子从
原来位置上切除并转移
到基因组新的位置
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• 引起插入突变
• 携带标志基因使受体增添新基因
转座子
A
B
C
D
复制
插入
A
B
D
E
F
转座子新拷贝
E F
C
基因F被隔断而失去功能
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（五）其它结构特点
1.基因密度非常高，基因组中编
C码区大于非编码区；
值：4,639,221 bp
基因数：4288
基因大小：950bp/gene
2.结构基因没有内含子，多为
单拷贝，结构基因无重叠现象；
基因间隔：118bp/２gene
3.重复序列很少，重复片段为
转座子；
4.有编码同工酶的等基因（isogene）;
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53
分支酸别构酶
 entC isochorismate synthase
 entB isochorismatase
乙酰乳酸合酶
 ilvBN acetolactate synthase Ⅰ
 ilvIH acetolactate synthase Ⅲ
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（六）质粒 (plasmid)
质粒是存在于细菌染色体外的，具有
自主复制能力的环状双链DNA分子。
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质粒的特性
• 在宿主细胞内可自主复制；
• 细胞分裂时恒定地传给子代；
• 所携带的遗传信息能赋予宿主特
定的遗传性状；
• 质粒可以转移。
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56
原核生物基因组的结构特点
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
基因组由一条环状双链DNA组成；
只有一个复制起始点；
大多数结构基因组成操纵子结构；
结构基因无重叠现象；
无内含子，转录后不需要剪接；
基因组中编码区大于非编码区
重复基因少，结构基因一般为单拷贝；
8. 有编码同工酶的等基因；
9. 基因组中存在可移动的DNA序列；
10.非编码区主要是调控序列。
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57
三、真核生物基因组
由染色体DNA和线粒体DNA组成。
人类染色体核型
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人类线粒体DNA
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1.基因家族（gene family）
是指一组有类似功能，核苷酸
序列又有同源性的基因。
（1）基因超家族（supergene family）
由多基因家族及单基因组成，成员间
有不同程度的同源，但它们的功能不一定
相同。
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（2）核酸序列相同
多拷贝基因形成的基因簇，
rRNA、tRNA、组蛋白基因家族。
非洲爪蟾的5SRNA基因结构
5SRNA基因
非转录空隔区
组蛋白基因家族
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60
（3）核苷酸序列高度同源
人生长激素（hGH）与人胎盘催乳素（hCS）序列比对
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（4）编码产物的功能或功能区相同
PKC family of proteins (human)
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（5）假基因（pseudogene,Ψ）
与有功能的基因相似，不表达或
表达产物没有功能。

2
1
G

A

Alu
10 kb
珠蛋白基因簇中的假基因
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2.单顺反子mRNA(monocistronic mRNA)
真核生物的一个编码基因转录生成
一个mRNA。
DNA
Promoter
Structure Gene
Transcription
mRNA
5′
Translation
3′
Protein
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3.染色体DNA的类型
(1) 单拷贝序列（低度重复序列）：
在单倍体基因组中只出现一次或
数次，结构基因主要是单拷贝序列。
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(2)中度重复序列:
重复次数10-105。
tRNA、rRNA
组蛋白、免疫球蛋白
可能与基因调控相关序列
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66
(3) 高度重复序列
（highly repetitive sequences）
重复次数>106次
A.反向重复序列 （inverted repeats)
B.串联重复序列（tandem repeats）
卫星DNA（satellite DNA）
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A. 反向重复序列
两个顺序列相同的拷贝在DNA链上呈
反向排列。
5′AAACCACCGCTGGTAGCGGTGGTTT 3′
3′TTTGGTGGCGACCATCGCCACCAAA 5′
5′AAACCACCGCTAGCGGTGGTTT 3′
回文结构
3′TTTGGTGGCGATCGCCACCAAA 5′
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形成发夹结构
A
G
5 ′A A A C C
C
T
T
C
G
C
C
A
A
G
C
G
G
T
3′ T T T G G T
G
G
C
G
A
C
T
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G
G G T T T 3′
A C C A A A5′
C
C
G
C
T
A
G
C
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B. 串联重复序列（卫星DNA）
有相同的核心序列,多为2～70 bp。
主带
卫星DNA
光
密
度
数浮力密度
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a. 大卫星（macro-satellite）DNA：
重复单位5-10 bp，其多态性不显著。
卫星带
光密度 主带
260nm
浮力密度
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A C AAA C T
A C AAA C T
ATAAA C T
ATAAA C T
A C AAAT T
A C AAAT T
果蝇基因组
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b. 小卫星（minisatellite） DNA：
重复单位9-24 bp，呈高度多态性。
• 可变数目串联重复序列
（variable number of tandem repeat,VNTR）
核心序列：GGGCAGGAXG
• 端粒DNA：（TTAGGG）n，2-20 kb，
染色体复制，末端保护。
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c.微卫星DNA (micro-satellite DNA)
•即短串联重复(short tandem repeat, STR)。
•重复单位2~6 bp，常见为(AC)n和(TG)n；
•重复次数10~60次，总长度小于150 bp；
•高度多态性，可作遗传标记。
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真核基因组的结构特点
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
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每一种真核生物都有一定的染色体数目；
远大于原核基因组，结构复杂，基因数庞大；
真核生物基因转录产物为单顺反子；
有大量重复序列;
真核基因为断裂基因;
非编码序列多于编码序列;
功能相关基因构成各种基因家族。
74
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