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1、Chapter 3Genome and Gene,第一节 基因,一、基因概念的发展（一）经典遗传学1、1865,Mendel:控制性状的因子-遗传因子2、1909,Johannsen 提出基因（gene）的概念，取代遗传因子3、1910,1916,Morgan：将基因定位在染色体上,1、In 1941,Beadle and Tatum 一基因一酶学说 阐明了基因是通过对酶的控制来决定性状的 一基因一蛋白 一基因一多肽链2、In 1944，Avery DNA是生物遗传的物质基础,（二）分子遗传学对基因概念的新发展,3、In 1961,Jacob and Monod 乳糖操纵子模型（1）结构基因（
2、structural gene）指可编码非调控RNA或蛋白质的一段DNA序列,血红蛋白,编码核糖体RNA基因,(2)调节基因(regulatory gene)指其表达产物参与调控其它基因表达的基因。,mRNA,小 结,基因可控制生物的性状基因位于染色体上基因的物质基础是DNA（或RNA）基因是通过指导合成蛋白质或RNA来决定性状的基因有结构基因和调节基因之分,（三）基因概念的进一步发展,1、重叠基因(Overlapping genes)指在同一段DNA序列上，由于阅读框架不同或终止早晚不同，可同时编码两个以上多肽。Sanger（1977）年发现了174单链DNA病毒中有6个基因是重叠的。,Ov
3、erlapping genes in phage X174,采莲人在绿杨津，在绿杨津一阙新；一阙新歌声漱玉，歌声漱玉采莲人。,2、断裂基因（Split Genes）指基因内部被一个或更多不编码顺序所隔裂,（1）内含子(intron)：DNA序列中不出现在成熟mRNA的片段；（2）外显子(extron)：DNA序列中出现在成熟mRNA中的片段。,DiscoveryIn 1977,Roberts and Sharp,3、跳跃基因：Jumping Genes(Transposons)存在于染色体DNA上可自主转移座位的基本单位，可在同一染色体内或不同染色体之间移动,Transposons in ma
4、ize,40年代初，McClintock研究玉米花斑糊粉层和植株色素产生的遗传基础时发现转座因子,4、管家基因(组成型基因)Housekeeping genes：是那些(理论上)在所有细胞中都表达的基因，因为 其功能对任何细胞型都是必要的。（维持细胞生存不可缺少）5、奢侈基因（Luxury genes）：在特殊的细胞类型中大量表达并编码特殊功能 产物的基因。（与细胞分化有关，与组织特异性表达有关）,二、基因的定义 产生一条多肽链或功能性RNA所必须的全部核苷酸序列,1、RNA基因（RNA genes）编码功能性的RNA分子 RNA产物有很多参与基因表达的调控，如MicroRNA,2、蛋白质编码
5、基因（protein-coding genes）（1）编码区（coding region）指在翻译时对应于多肽的氨基酸序列的一段核苷酸序列（2）非编码区（Untranslated regions，UTR)能够转录但不被翻译的核苷酸序列 功能：蛋白质合成的调控 5-UTR；3-UTR,ATG,5,TAA,3,3、顺反子：等同于基因，是编码一条完整多肽链的一段核苷酸序列。多顺反子：原核生物中数个结构基因常串联在一起，受同一调节区控制，转录生成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白质。,UAA,AUG,AUG,UAA.,5,3,单顺反子：一个编码基因转录只生成一个mRNA分子，经翻译生成一条多肽链。,U
6、AAAAAA,AUG,5,3,第二节 遗传信息的传递,一、中心法则（The central dogma）In 1958,Crick1.DNA是自身复制的模板；2.DNA通过转录作用将遗传信息传递给中间物质RNA；3.RNA通过翻译作用将遗传信息表达成蛋白质。中心法则揭示了遗传信息的传递方向，反映了DNA、RNA和蛋白质之间的相互关系。,DNA RNA Protein,Transcription Translation,replication,二、中心法则的挑战1、反转录（Reverse transcription）In 1970,Baltimore and Temin 发现逆转录酶（rever
7、se transcriptase）,2、RNA 复制3、RNA 编辑（RNA editing）是指转录后的RNA在编码区发生碱基的加入，丢失或转换等现象,4、表观遗传（Epigenetic Inheritance）是指在DNA序列没有发生变化的情况下，基因表达的可遗传的改变,The calico phenotype shows effects of mosaicism of X-linked traits in female mammals an epigenetic phenomenon.,（1）表观遗传修饰（Epigenetic modification）DNA甲基化;组蛋白修饰;micr
8、oRNA（2）表观遗传学补充了“中心法则”忽略的两个问题：a、哪些因素决定了基因的正常转录和翻译 b、对基因组而言，不仅仅是序列包含遗传信息，而且其修饰也可以记载遗传信息。,5、朊病毒（Prion）疯牛病,学名为牛海绵状脑病(BSE)人和动物的可转移性神经退化疾病 In 1982,Prusiner,discovering prion PrPC PrPSc,三、修改后的中心法则,replication,transcription,Reverse transcription,RNA editing,RNA replication,translation,第三节 基因组（Genome）,一、概述：1
9、、概念：是指细胞或生物体单倍体染色体上的所有遗传物质的总称（包括所有的遗传信息）（1）细菌和病毒基因组：是指染色体上所含的全部DNA（2）二倍体及多倍体真核生物的基因组：一个物种单倍体所有染色体上的遗传物质的总称。如人类基因组：包括24条染色体,2、基因组大小（Genome size）haploid genome C值（C-value）：size of the haploid genome 一种生物单倍体基因组DNA的总量讨论：C值大小与生物遗传复杂性是否成正相关？,C值在低等真核生物中与遗传复杂性有一定的正相关，但在高等真核生物中却并非如此，它们的C值变化不定。,Insects4.7 107
10、 1.2 107 Amphibians9.5 108 1.0 1011 Flowering plants 9.5 107 1.2 1011,C值矛盾（C-value paradox）生物基因组的大小同生物在进化上所处地位的高低无关,3.基因密度是指每Mb基因组DNA上基因的平均数目。生物体的复杂度与基因密度存在大致负相关的关系。Why？,二、真核生物基因组,（一）非编码DNA 不编码蛋白质的DNA序列（没有确定功能）如人类：30亿对核苷酸，预计10万个基因，实际为22.5万蛋白编码基因（占整 个基因组的2%）内含子 基因间隔序列（功能未知）,1、内含子,内含子的普遍性不仅大多数蛋白质编码的基因
11、有内含子,rRNA,tRNA基因也有内含子。大肠杆菌噬菌体T4胸腺嘧啶合成酶基因有内含子。某些低等真核生物的线粒体和叶绿体基因中有内含子。,内含子的相对性内含子有时也编码蛋白并非真核生物所有的基因都有内含子 真核生物组蛋白基因,酵母的大多数基因无内含子,具有编码功能的内含子：如可移动内含子 编码3种蛋白质：（1）内切核酸酶：能切割DNA上的靶序列并且 允许内含子插入（2）反转录酶：以自身RNA为模板产生DNA拷贝（3）成熟酶：在将特定内含子从前体mRNA中剪 除时起作用 内含子的移动类似转座机制,内含子的类型（1）GU-AG 内含子：真核细胞核mRNA前体中（2）AU-AC 内含子：真核细胞核
12、mRNA前体中（3）型内含子：主要在真核细胞核rRNA前体中 自我剪接（4）型内含子：细胞器RNA、某些原核生物RNA 自我剪接,内含子与进化（1）特点：外显子的保守程度远高于内含子，内含子的序列是多变的（2）合理解释：内含子序列最终不出现在mRNA的序列 中，即使发生改变也不会受到自然选择 的压力（3）在进化上的意义 a、有利于生物遗传的相对稳定 b、积累突变的内含子可能演化为新的基因 c、扩大了生物体的遗传信息储量,2、基因间隔序列（功能未知）-主要由重复序列组成 串联重复序列：如卫星DNA 分散重复序列：如Alu元件,（二）重复序列DNA 单一序列/中度重复序列/高度重复序列附:,复性动
13、力学:根据序列的拷贝数不同在基因组DNA复性过程中的复性速率不同的原理，来识别不同种类的重复序列DNA的一种技术。思考:复性速度与基因组重复序列拷贝数的有什么关系?,人类和E.coli DNA的理想复性动力学曲线,(一)单一序列（unique sequence DNA）基因组中只有一个或几个拷贝的DNA序列（真核生物结构基因多属于单一序列）,(二)中度重复序列（moderately repetitive DNA）基因组中重复次数在10 105之间的DNA序列 如rRNA、tRNA的基因，组蛋白基因 1、串联重复序列（Tandem repeat sequences）基因簇：基因家族中一组相同或相
14、关基因串联 排列在一起 如：rDNA-基因簇重复多次 组蛋白基因（5 genes）-基因簇重复多次,2、散在重复序列（dispersed repetitive DNA）分散分布在基因组中的中等重复序列（1）短散在元件 SINE：Alu 元件（300 bp）（2）长散在元件 LINE：L1 元件（6500 bp）Alu 元件和L1 元件占人类基因组的10%功能：没有被证明有功能,（三）高度重复序列（highly repetitive DNA）基因组中重复次数超过106 的DNA序列 卫星DNA（Satellite DNA）1、概念：真核生物基因组中由许多短的基本重复单位构成的连续重复的一种高度重
15、复序列。短重复单位：2bp至2030bp,5 ATAAACTATAAACTATAAACT 33 TATTTGATATTTGATATTTGA 5,果蝇的卫星DNA重复单位,n,密度梯度离心，卫星DNA与其他DNA分开。形成两个峰：较大的主峰和高度重复序列小峰,Buoyant density,Optical absorbance,Mouse DNA/CsCl,Mainband,satellite,2、特点：GC 含量低，因而具有较低的浮力密度,3、位置：卫星DNA位于着丝粒部位 是异染色质的组成成分4、功能：没有被证明有功能,5、微卫星DNA(microsatellite DNA)简短串联重复-S
16、TR 特点：（1）重复单位长度在26bp之间（2）较为平均地沿染色体分布,6、小卫星DNA(minisatellite DNA)可变串联重复-VNTR 特点：（1）拷贝数具有高度可变性（2）重复单位长度在1565bp之间（3）一般出现在染色体的末端,DNA fingerprinting,Progeny,Parents,（三）基因家族 一个祖先基因经重复或突变所产生的功能相关 的同源基因假基因：基因家族中因突变而失去功能的基因基因簇：基因家族中一组相同或相关基因串联排列在一起而形成 如rRNA、tRNA和组蛋白的基因；孤独基因：基因家族中在独立位点上的单个基因,典型的基因家族1tRNA基因 单倍
17、体人基因组中1300个tRNA基因，tRNA 基因簇2rRNA基因 l00copy rRNA基因簇(重复单元:28S、18S、5.8s-rRNA),3组蛋白基因 30-40copy 组蛋白基因簇(重复单位：H1，H2A，H2B，H3、H4)特点：无intron，Poly(A)-RNA 4珠蛋白基因,（四）DNA的多态性 DNA序列发生变化而导致的个体间核苷酸序列的差异1、RFLP（限制性片段长度多态性）DNA序列上的微小变化，甚至1个核苷酸的变化，也能引起限制性内切酶切点的丢失或产生，导致酶切片段长度的变化,2、DNA重复序列多态性（RSP）表现为重复序列拷贝数的变异（1）小卫星DNA：（可变
18、串联重复-VNTR）重复单位长度在15-65个核苷酸左右（2）微卫星DNA：重复单位长度在2-6个核苷酸之间，又称为简短串联重复（STR、STRP或SSLP）。,3、单核苷酸的多态性（SNP）：分散于基因组中的单个碱基的差异，即包括单个碱基的缺失、插入和替换。,三、原核生物的基因组,特点：1、功能相关的几个结构基因往往串联在起，受它们上游的共同调控区控制，形成操纵子2、结构基因为多顺反子3、结构基因中没有内含子4、DNA大部分为编码序列5、重复序列不多（单拷贝基因）6、有重叠基因,四、病毒基因组的特点1每种病毒只有一种核酸，DNA或RNA；2病毒核酸大小差别很大；3除逆转录病毒外，病毒基因都是
19、单拷贝的。4大部分病毒核酸是由一条双链或单链分子(RNA或DNA)5真核病毒基因有内含子，而噬菌体基因中 无内含子6有重叠基因,真核生物基因组 大，线状 与组蛋白结合 线粒体/叶绿体 单顺反子 断裂基因 split gene 一般无重叠基因 含大量非编码 DNA 大量重复序列,原核生物基因组 小,环状 裸露DNA 质粒 plasmid 操纵子 operon，多顺反子 基因是连续的 有重叠基因 大部分序列都为编码序列 重复序列不多（单拷贝）,1990 人类基因组计划开始实施,第四节 人类基因组学研究进展,2000 公布人类基因组工作框架图（90%）2001 人类基因组“精细图”完成（99%）20
20、03 人类基因组序列图亦称“完成图”（99.99%）2006 完成了人类1号染色体的基因测序图，人类 基因组计划彻底完成,Question,作业：一、名词解释 基因组、基因、C值、C值矛盾、基因簇、基因家族、假基因、卫星DNA、结构基因、调控基因、重叠基因、断裂基因、内含子、外显子、跳跃基因、管家基因、奢侈基因、表观遗传二、简答题 简述原核生物与真核生物基因组的差异,思考题：请区分下列术语1、多顺反子、基因簇2、重叠基因、重复序列3、基因家族、基因簇4、内含子、基因非编码区谈谈对“一基因一条多肽链”假说的看法,真核生物基因组中含有几种类型的DNA序列?你如何设计实验来证明？根据 DNA复性动力学研究，DNA序列可以分成哪几种类型？并加以举例说明。何谓DNA多态性，在遗传分析中有何应用价值？,
