第二章 基因与基因组 2019/11/8

第一节 基 因 一、基因概念的发展 二、基因的结构 2019/11/8

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 2019/11/8

证实DNA是遗传物质 链孢霉中生化反应的遗传控制 提出“一个基因一种酶”学说 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 2019/11/8

异源多聚体 Hemoglobin 一个基因，一条多肽链 2019/11/8

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。 8 2019/11/8

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 片段(侧翼序列)，参与基因表达调控。 2019/11/8

（一）结构基因 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 a y z 结构基因 非结构基因 2019/11/8

由外显子（编码序列)和内 含子（非编码序列)两部分组成， 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， intron exon 编码序列不连续，称为断裂基因（split gene / interrupted gene） DNA 2019/11/8

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′ 3′ exon3 exon1 GT AG GT AG 内含子的 5′端以GT开始， 3′端以AG结束。 intron1 intron2 2019/11/8

(二) 非结构基因 参与转录调控的顺式作用元件 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。 2019/11/8

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 2019/11/8

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。 2019/11/8

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。 2019/11/8

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。 2019/11/8

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。 -25 -70 +1 transcription start point 2019/11/8

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。 -120 +1 CCGCC transcription start point 2019/11/8

CACA盒（CACA box）： 位于-80～-90 bp，核心序列GCCACACC。 -80 -90 +1 transcription start point -80 -90 +1 GCCACACCC β珠蛋白基因CACA盒-88, -87, -86点突变, 引起β+地贫。 2019/11/8

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 3′ 5 ′ exon intron exon intron exon response element 糖皮质激素反应元件： cccaaagagctctgtgtcct 2019/11/8

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 enhancer CAAT box TATA box 5 ′ 3′ 3 ′ exon intron exon intron exon response element 凝血酶原基因增强子 -922 to -897: 5′-GTGTTCCTGCTCTTTGTCCCTCTGTC-3′ 2019/11/8

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 2019/11/8

5.Poly(A)加尾信号 DNA 5′--------AATAAA ---------- GT------- 3′ 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。 5′--------AATAAA ---------- GT------- 3′ DNA mRNA 前体 5′--------AAUAAA ---------- GU------- 3′ 5′--------AAUAAA ------AAAAAAAA 3′ mRNA β珠蛋白AATAAA→AACAAA，→β+地贫。 2019/11/8

基因的结构 结构基因 开放阅读框：open reading frame ，ORF promoter Poly(A) 加尾信号 CAAT box Enhancer TATA box 非翻译区：untranslated regions ，UTR UTR exon exon exon ATG intron intron TGA 3 ′ +1 Stop 5 ′ response element 开放阅读框：open reading frame ，ORF 2019/11/8

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。 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。 2019/11/8

第二节 基因组 (genome) 5 16 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。 2019/11/8

一、病毒基因组 1. 不同病毒基因组大小相差较大。 乙型肝炎病毒（HBV） 痘病毒(Poxvirus) 3.2 kb 130~375 kb 2019/11/8

2.不同病毒基因组可以是不同结构的核酸。 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 单链线性RNA 2019/11/8

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） 2019/11/8

基因组复制与基因表达 +ssRNA ssDNA 反转录 翻译 蛋白质 病毒 颗粒 dsDNA mRNA 转录 整合 (+ssRNA) 病毒 颗粒 dsDNA mRNA 转录 整合 (+ssRNA) 2019/11/8

+ssRNA 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。 核心蛋白 逆转录酶 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。 2019/11/8

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) 2019/11/8

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) 2019/11/8

5.有的基因有内含子。 大T抗原和小t抗原的mRNA有不同的剪接方式。 小t 抗原 大T 抗原 猴病毒 (SV40 )基因组 5243 bp Ori 大T抗原和小t抗原的mRNA有不同的剪接方式。 小t 抗原 大T 抗原 猴病毒 (SV40 )基因组 2019/11/8

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； 腺病毒 (adenovirus)基因组 E1A E1B E3 L2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100% E1A E1B E3 L2 L3 L4 L5 L1 E4 E2B E2A 腺病毒 (adenovirus)基因组 2019/11/8

7. 基因重叠（gene overlap） 5386 nt 5386nt 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。 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。 5386nt 编码2500个氨基酸 噬菌体ΦX174基因组 2019/11/8

开环部分双链DNA基因组 HBsAg dsDNA 聚合酶 HBcAg HBcAg HBeAg 乙型肝炎病毒（HBV）基因组 3182 bp 2019/11/8

基因组复制与基因表达 dsDNA cccDNA 修复 翻译 蛋白质 mRNA 转录 病毒 颗粒 dsDNA -ssDNA 反转录 病毒 颗粒 dsDNA -ssDNA 反转录 +ssDNA 复制 2019/11/8

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。 2019/11/8

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 2019/11/8

类核（nucleoid）：细菌染色体在 细胞内形成的一个致密区域 大肠杆菌细胞结构 2019/11/8

（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。 大肠杆菌 4000K 3000K 2000K 1000K OriC C-Value: 4.6×106bp TerC 大肠杆菌染色体DNA 2019/11/8

(二) 结构基因大多组成操纵子 t a y z p 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。 t a y z o p structural genes promoter terminator operator 半乳糖苷酶 z 透酶 y 半乳糖苷乙酰转移酶 a 乳糖操纵子(lac operon) 2019/11/8

多顺反子mRNA (polycistronic mRNA): 原核生物的mRNA是多顺反子mRNA Promoter Gene 1 Gene 2 Gene 3 Terminator DNA Transcription mRNA 3′ 1 2 3 5′ 多顺反子mRNA (polycistronic mRNA): 原核生物的一个mRNA分子带有几个 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。 Translation Proteins 1 2 3 2019/11/8

（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 2019/11/8

复制起始区（OriC） E.coli oric region(250 bp) 9-mers 13-mers 2019/11/8

转录终止区 强终止子：有反向重复顺序，可形成 茎环结构，其后为poly(T)。 DNA RNA 5′…GCCGCCAGTTCGGCTGGCGGCATTTT… 3′ DNA 5′…GCCGCCAGUUCGGCUGGCGGCAUUUU…3′ RNA G A C C U G A U U U U-OH 3′ 5′ U 强终止子：有反向重复顺序，可形成 茎环结构，其后为poly(T)。 2019/11/8

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。 2019/11/8

(1)插入序列（insertion sequence, Is） 小于2000 bp，只有转座相关基因 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 Is3 转座酶 2 kb 2019/11/8

(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 Tn10 转座酶 四环素抗性 2 kb 2019/11/8

(3) 可转座的噬菌体 转座酶 头尾部蛋白 结合位点 转座酶 结合位点 宿主DNA 37 kb A B Mu噬菌体 2019/11/8

2.转座作用的机制 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 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 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 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 2019/11/8

引起插入突变 携带标志基因使受体增添新基因 转座子 F E A B C D 复制 插入 转座子新拷贝 E A B C D 2019/11/8

1.基因密度非常高，基因组中编 码区大于非编码区； C 值：4,639,221 bp 基因数：4288 基因大小：950bp/gene （五）其它结构特点 1.基因密度非常高，基因组中编 码区大于非编码区； C 值：4,639,221 bp 基因数：4288 基因大小：950bp/gene 基因间隔：118bp/２gene 2.结构基因没有内含子，多为 单拷贝，结构基因无重叠现象； 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）; 2019/11/8

entC isochorismate synthase entB isochorismatase 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 2019/11/8

（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。 2019/11/8

所携带的遗传信息能赋予宿主特 定的遗传性状； 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。 2019/11/8

原核生物基因组的结构特点 1. 基因组由一条环状双链DNA组成； 2. 只有一个复制起始点； 3. 大多数结构基因组成操纵子结构； 4. 结构基因无重叠现象； 5. 无内含子，转录后不需要剪接； 6. 基因组中编码区大于非编码区 7. 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。 2019/11/8

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 人类线粒体DNA 2019/11/8

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。 2019/11/8

多拷贝基因形成的基因簇， rRNA、tRNA、组蛋白基因家族。 （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 2019/11/8

（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 2019/11/8

（4）编码产物的功能或功能区相同 PKC family of proteins (human) 2019/11/8

与有功能的基因相似，不表达或表达产物没有功能。 （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。  G A   2 1 Alu 10 kb 珠蛋白基因簇中的假基因 2019/11/8

真核生物的一个编码基因转录生成一个mRNA。 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。 Translation Transcription mRNA DNA Protein Promoter Structure Gene 3′ 5′ 2019/11/8

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。 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。 2019/11/8

(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 2019/11/8

（highly repetitive sequences） (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） 2019/11/8

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′ 3′TTTGGTGGCGATCGCCACCAAA 5′ 回文结构 2019/11/8

形成发夹结构 T C G C A G G G T T T 3′ 5 ′ A A A C C G G C C A A A 5 ′ 3 ′ T T T G G 2019/11/8

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 光 密 度 卫星DNA 数浮力密度 2019/11/8

a. 大卫星（macro-satellite）DNA： 重复单位5-10 bp，其多态性不显著。 光密度260nm 果蝇基因组 卫星带 主带 A C A A A C T A C A A A C T A T A A A C T A T A A A C T A C A A A T T A C A A A T T 浮力密度 2019/11/8

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。 2019/11/8

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。 2019/11/8

真核基因组的结构特点 1. 每一种真核生物都有一定的染色体数目； 2. 远大于原核基因组，结构复杂，基因数庞大； 3. 真核生物基因转录产物为单顺反子； 4. 有大量重复序列; 5. 真核基因为断裂基因; 6. 非编码序列多于编码序列; 7. 功能相关基因构成各种基因家族。 2019/11/8

谢谢！ 2019/11/8