1、基 因,医学检验与技术学院 王志刚,基因概念的演变,基因的分子结构,基因概念的多样性,一 基因概念的演变,融合遗传理论 （Blending inheritane）,母本体液,父本体液,子代具有父，母双亲的性状,+,获得的性状是由环境影响 (非遗传物质的改变),新性状一旦获得, 便能遗传给后代,L.B.Lamarck,获得性遗传理论(Inheritance of acquired characters),泛生论假说 （Hypothesis of the Pangenesis）,C. Darwin 1868,孟德尔 (1823-1884),“遗传学之父”,阐述了遗传学的分离和自由组合两大定律，以及
2、“基因”的概念。,遗传因子假说 (Hypothesis of the inherited factor),G. J. Mendel 1866.,生物性状由遗传因子控制,亲代传给子代的是遗传因子(A,a.),遗传因子在体细胞内成双(AA,aa),在生殖细胞内为单（A,a）,杂合子后代体细胞内具有成双的 遗传因子(Aa),等位的遗传因子独立分离, 非等 位遗传因子间自由组合地分配到配子中,摩尔根：阐述了遗传学的连锁与交换定律，被誉为“现代实验生物学奠基人”。,Theory of the gene,基因是染色体上的实体,基因象链珠(bead)一样，孤立地呈线状地排列在染色体上,基因是；,功能(fun
3、ctional unit) 突变(mutation unit) 交换(cross-over unit),“三位一体”的 (Three in one),最小的 不可分割的 基本的,遗传单位,(1926 T. H. Morgan),DNA is genetic material,Is the protein genetic material ?,复制 ?,表面遗传信息 ?,RNA is genetic material also,Tobacco Mosaic Virus (TMV), Hershey lambdar phage cycle, Watson & Crick DNA double he
4、lix,DNA 是主要的遗传物质, DNA作为遗传物质的优点 (自然选择的优势), 储存遗传信息量大,基因结构研究的历史,从遗传学史的角度看，基因概念大致分以下几个阶段：,泛基因 （或前基因）,二、现代基因的分子结构,基因的定义基因是DNA分子中含有特定遗传信息的一段核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。,原核生物的基因结构,原核细胞基因结构示意图,真核生物的基因结构,真核细胞基因结构示意图,一）基因的一般特性,从分子水平看，基因有以下基本特性：1、Gene自我复制-半保留复制2、基因决定性状：ProteinGenemRNA enzyme淘汰3、Gene突变 生物进化保留遗传病,二）Gene类
5、别,依其功能分为： 1、结构Gene-编码蛋白和酶分子结构； 2、调控Gene-调节结构基因表达； 3、转录而不翻译的Gene：rDNA GenerRNA核仁形成区， 核糖体组成。tRNA GenetRNA转运氨基酸。,三）原核与真核生物基因比较,原核生物Gene：无核膜，散在细胞质。 一般只有一个染色体，即一个DNA或RNA分子，Gene 是连续的。 大多数是双链环状，少数为单链、线状； 如：大肠杆菌，双链环状DNA分子，30004000个基因，4.2x106 bp,已经定位900多个基因 真核生物Gene：有核膜，在核中和C质的线粒体中。 Gene结构复杂，断裂基因，34万个Gene； G
6、ene大小差别很大。 珠蛋白 基因（1700bp）=3个外显子+2个内含子。 DMD基因（2300kb） 79个外显子 ， 78个内含子。（迄今认识的最大的基因）,原核细胞基因与真核细胞基因结构的比较,都是由能够编码蛋白质的编码区和 具有调控作用的非编码区组成。,编码区是连续的,编码区是间隔的， 是不连续的,请计算珠蛋白基因中外显子的碱基对在整个基因碱基对中所占的比例？,(1463)1 700100%=26%,(1463)1 700100%=26%,从某种意义上体现了真核细胞基因结构与功能的复杂性.,(2 5523)186 000100%=4%,哪些情况下，真核生物基因结构改变(基因突变)可能
7、不会导致性状改变？,(1)内含子改变 (2)非编码区改变，mRNA遗传密码不变 (3)外显子改变，转录成不同密码子决定同一种 氨基酸 (4)蛋白质氨基酸序列不同，也可能完成相同功能,(5)突变后,基因变为隐性,1,2,3,4,5,非编码区,非编码区,编码区,生物进化的C值矛盾 (C value paradox of nucleotide),The total amount of DNA in the genome of haploid is a characteristic of each living species known as its Maximum C value (单倍体基因组总
8、DNA 的含量叫作C值),最大C值 Maximum C value,The total amount of DNA for encoding the genes information is termed its Minimum c value （编码基因信息的总DNA含量叫作c値）,最小C值 Minimum c value,C value paradox of nucleotide,A 生物体进化程度高低 与大C值不成明显正相关,B 亲缘关系相近的生 物大C值相差较大,C 一种生物内大C值与小c值相差极大（Euk. 人体 c = C/10）( Prok. x174 c C ),真核生物 DN
9、A 染色体数（2C） （2N） 两栖鲵 168 pg 24 肺鱼 100 38 蝾螈 85.3 24 警蛙 28.2 24 牛 6.4 60 人 6.4 46 绵羊 5.7 54 果蝇 0.2 8 贝母 196.7 24 豌豆 28 12 玉米 11 20,原核生物 DNA（C） Salmonella 0.0143 pg E.coli 0.0040 T2 0.00022 0.0000055 174 0.000005,真核生物基因结构,真核生物的结构基因的DNA序列由编码序列和非编码序列两部分组成，编码序列是不连续的，被非编码序列分割开来，称为断裂基因（split gene）。1、外显子和内含子
10、 2、侧翼序列与调控序列2.1 启动子2.2 增强子2.3 终止子,1、外显子和内含子,在结构基因中，编码序列称为外显子(exon)，表达多肽链部分。非编码序列称为内含子(Intron)，又称插入序列。 珠蛋白 基因（1700bp）=3个外显子+2个内含子。 DMD基因（2300kb）=79个外显子+ 78 个内含子。（迄今认识的最大的基因）,外显子和内含子,真核生物内含子和外显子 不是完全固定不变的，有时同一DNA 链上的某一段DNA序列，当它作为编码某一多肽链的基因时是外显子，而作为编码另一多肽链时，则是内含子。这样，同一基因却可以转录两种或两种以上的mRNA。 真核生物某些结构Gene没
11、有内含子，如组蛋白Gene，干扰素Gene等。它们多以基因簇形式存在，大多数的酵母结构Gene也没有内含子。,5GTAG3法则,在每个外显子和内含子的接头区都是一段高度保守的共有序列，内含子的5端是GT，3端是AG，这种接头方式称为GT-AG法则，普遍存在于真核生物中，是RNA剪接的识别信号，转录后的前体RAN中的内含子剪接位点。,2、侧翼序列与调控序列,每个结构基因的第一个和最后一个外显子的外侧，都有一段不被转录的非编码区，称为侧翼序列（Flanking sequence）。它是基因的调控序列，对基因的有效表达起调控作用，包括：启动子、增强子、终止子等。,2.1 启动子,启动子（ Promo
12、ter）是一段特定的核苷酸序列，位于Gene转录起始点上游的100bp 范围内，是RNA聚合酶的结合部位，能促进转录过程。Promoter决定DNA中的转录链。 TATA框（TATA Box）是一段高度保守序列，7个bp，TATAA/ TAA/T，位于转录起始点上游2530 bp（-3050）。TATA框与转录因子TFII结合，再与RNA 聚合酶II形成复合物，从而准确地识别转录起始位置，对转录水平有定量效应。,CAAT框（CAAT Box）:是一段保守序列，9bp,GGGC/TCAATAC, 位于转录起始点上游-70-80bp,转录因子CTF识别位点并与之结合，激活转录。 GC框（GC Bo
13、x）:顺序为GGCGGG,有两个拷贝，位于CAAT Box两侧，与转录因子SP1结合。（SP1有锌指区可以与DNA结合，在N端有激活转录的作用）GC框有激活转录的功能。,2.2 增强子,增强子（Enhancer）包括启动子上游或下游的一段DNA序列，可以增强启动子发动转录，提高转录效率。特点： 在任意位置都有效 无方向性 有组织特异性例如：Beta珠蛋白Gene增强子是由串联重复的两个72bp长的相同序列组成，位于转录起点上游-1400bp或下游3300bp处，均可增强转录效率（活性）200倍。增强子在转录起始点的上下游一定范围内增强转录效率。作用可以是53，也可以是35方向。,2.3 终止子
14、,终止子（Terminator）由一段回文序列以及特定的序列（PolyA）5-AATAAA-3组成。 回文序列为转录终止号。PolyA为附加信号。终止子为反向重复序列，是RNA聚合酶停止工作的信号，反向重复序列转录后，可以形成发夹式结构，并且形成一串U。发夹式结构阻碍了RNA聚合酶的移动。一串U的U与DNA模板中的A的结合不稳定，从模板上脱落下来，终止转录。,2.4 调控序列,调控序列（Regulator Sequence）包括启动子，增强子和终止子均属于基因的顺式调控因子（顺式作用元件），是人类Gene组中的一些特殊序列，起调控基因表达的作用。 反式作用元件：TFII、CTF、SP1。,三、
15、基因的多样性,基因的分类具有转录和翻译功能； 只有转录功能而没有翻译功能的基因，包括tRNA基因和rRNA基因； 不转录的基因，它对基因表达起调节控制作用，包括启动基因和操纵基因。重复基因 重叠基因 假基因, Transcriptable, translatable gene ( Z,Y,A ),Transcriptable but nontranslatable gene ( tDNA, rDNA ),Nontranscriptable, nontranslatable gene ( promoter, operator ),Forms of genes, cis action factor
16、,Affects the activity only of DNA sequences on its own molecular of DNA, this property usually implies that the factor does not code for protein,通过核苷酸自身的特异二级结构控制与它紧密连锁的结构基因的表达，一般不编码蛋白质。(无基因产物的DNA功能区),Forms of genes, trans action factor, cis-dominant(显性),Affects the activity of any gene located on ge
17、nome(基因组) by its translated product.,通过扩散自身表达产物（酶，调节蛋白）控制其他基因的表达 可转录，可翻译调节蛋白的DNA功能区,可通过互补测验体系确定其功能区域,The ability of a site (cis-factor) to control adjacent gene irrespective of the presence in the cell of other alleles(等位基因) of the site.,cis acting factor 对与其紧密连锁基因的控制效应不受其等位基因的影响。,重复序列分类,a) 高度重复序列 (
18、 High repetitive sequence),重复基因 (Repetitive gene),b) 中度重复序列 ( middle repetitive sequence ),100-1000 bp / copy,10-104 copies / genome,C0t(1/2) 0.001 - 0.1,rDNA tDNA Histone gene cluster,Middle repeat gene,特点,拷贝重复，多量,序列多为相似,排列成束成串,功能完全相同,具有进化的整体性，累积突变,如tRNA, 各种酶基因等,d) 反向重复序列 (inverted repetitive seque
19、nce),CAT GAACGTCC TATTGTC GGACGTTC TGA GTA CTTGCAGG ATAACAG CCTGCAAG ACT,在DNA和RNA中可形成发夹结构或十字结构。在DNA中要形成这种结构需要能量，因此，发生可能性很小。,上述结构也回纹结构(Palidrome), 较短的回纹结构可作为一种特别信号，可被限制性内切酶所识别。,e) 间隔序列,人们对间隔序列的认识是限的。一些人认为这些序列是多余的，因此认为是“junk”。,基因组的非编码序列，包括编码区(外显子)之间的间隔序列内含子，以及基因与基因之间的序列。,但近年来也有研究表明对转录等有作用，并不是“junk”。 ：
20、,内含子可在DNA水平上移位一个可移动的基因元件，具有转座作用；,生物体内的内含子本身有可译框架，能编码蛋白质和酶；,RNA水平上的内含子可变剪接是基因表达的一种特殊调节方式；,内含子能编码小核仁RNA，积累在核仁中，与核糖体生成、装配有关。,重叠基因 (overlapping gene),方式,Mis-reading for stop codon ( Q RNA virus 1973. A. Weiner ),400Nt 800NtAUG-UGA-UAA,UGA, UAG 易被漏读， 错读UAA 能严格终止,种类, I 类； 反向重叠基因 （重叠基因分布在同一DNA区域的不同单链上）,方式
21、？!, II 类； 同向重叠基因 （重叠基因分布在同一DNA区域的同一单链上）,方式？,Alternate different reading frame,-AUG-TCAUGCCCAA-AUGAGGC-,Vp2 Start,Selection different start codon or stop codon,(Simian Virus 40 SV40),Vp1 Start,Vp3 Start,Vp1,Vp2,Vp3,-TCAUGCCCAAACUAGGC-,Start,Stop,Alternate different reading frame,重叠基因的生物学意义,a) 原核生物进化的
22、经济原则(较小的C值编码较多的基因信息),b) 提高蛋白质疏水性, 以增强生物体自然选择的适应性,密码子进化理论认为;,NYR多为Hydrophobic amino acid, 改变蛋白质性能,在多基因家族中，某些成员不产生有功能的基因产物，这类基因成为假基因。 假基因的核苷酸顺序与相应的活性基因极为相似，但不能表达，不具有正常功能。 它们与有功能的基因有同源性，起初可能是有功能的基因，以后由于发生突变，失去了活性，变成了无功能的基因。,假基因 (Pseudogene),某基因有碱基1200个，则它控制合成的蛋白质所具有氨基酸数目最多为。 A.100个 B.200个 C. 300个 D.400
23、个,练习1,120023200,某基因有碱基1200个，则它控制合成的蛋白质所具有氨基酸数目最多为。 A.100个 B.200个 C. 300个 D.400个,练习1,B,为什么用“最多”二字？,1.原核细胞基因的非编码区组成是 A.基因的全部碱基序列组成 B.信使RNA上的密码序列组成 C.编码区上游和编码区下游的DNA序列组成 D.能转录相应信使RNA的序列组成,C,练习2,一、判断题 1原核细胞的基因结构中没有内含子，只有外显子。 （ ）2基因结构中的非编码序列通常是具有调控作用的。 （ ）3真核细胞基因结构中的非编码序列是位于编码区 上游和下游的核苷酸序列。（ ）4真核细胞的一个基因只能编码一种蛋白质，因此， 它的编码序列只含有一个外显子和一个内含子。（ ）,
