第3章 基因与基因组 的结构与功能,3.2. 基因概念的多样性,3.3. 基因组,3.1. 基因概念的变迁,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(functional 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),经典的基因概念,3.1 基因概念的变迁,顺反子理论 Theory of cistron (S.Benzer 1955) 对经典的基因概念的 第一次重要修正与发展,顺反子假说（Theory of cistron）,Cistron 是基因的同义词,在一个顺反子内，有若干个突变单位 突变子(muton),在一个顺反子内，有若干个交换单位 交换子（recon）,传统的概念：基因是一个具有特定功能的，完整的不可分割的最小的遗传单位，基因内可以低频率发生重组，交换,cistron 概念的提出是对经典的基因概念的动摇,现代基因的定义,基因（gene)是核酸分子 中具有遗传效应的核苷酸 序列，是遗传的基本单位 和突变单位以及控制性状 的功能单位，包括结构基 基因和调控基因。,结构基因 指编码蛋白质或RNA 的DNA序列。,蛋白质基因：transcriptable and translatable gene； RNA基因：transcriptable but nontranslatable gene ；tDNA, rDNA 。,调控基因： untranscriptable nontranslatable gene,调控邻近的结构基因的表达， 如：启动基因，操纵基因不转录、不翻译,不是所有的基因都能为蛋白质编码,基因命名无严格统一标准 一般：三个小写英文斜体字母表示，lac、leu 三个小写英文斜体字母后面加一个斜体大写字母表示基因座， LacZ、 LacY、 LacA 质粒：自然质粒，三个正体字母，第一个字母大写；重组质粒，两个大写字母前加一个p，大写字母表示构建该质粒的研究者或单位，如pSC101（SC代表Stanley Cohen）。 果蝇：对突变的表型用14个斜体字母代表，如white（w）、tailless（tll）。,酵母：一般用三个大写斜体字母表示基因的功能，后面的数字表示不同的基因座，如GAL4,CDC28，也有例外。 线虫：三个小写斜体字母表示突变型，连字符加数字表示基因座，如unc-86，ced-9。 植物：大多数情况用13个小写字母表示。 脊椎动物：14个小写字母和数字表示，如sey，myc。 人类：与脊椎动物类似，但需要大写，如MYC、ENO1。,1、取决于它所包含的内含子的长度 例如：31Kb的二氢叶酸还原酶基因含6个外显子，mRNA长度为2Kb，内含子长29Kb，内含子比外显子大很多。 2 、取决于所包含的内含子的数目 不同生物的外显子数目随着进化增加，基因平均长度也在增加。,3.2 基因的大小,3.3 基因组Genome P30,基因组：一个细胞或病毒的全部遗传信息；,一套完整的单倍体的遗传物质的总和；,含有一种生物的一整套遗 传信息的遗传物质；,3.3.1 生物进化的C值矛盾 (C value paradox),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DNA 的含量),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）,最小C值 Minimum c value,C-value：单倍体基因组总DNA的含量(bp),106 107 108 109 1010 1011,显花植物,骨鱼类,哺乳类,甲壳类,爬行类,鸟类,藻类,真菌,革兰氏阳性菌 革兰氏阴性菌,枝原体,霉菌,蠕虫类,软体动物,棘皮类,昆虫类,软骨鱼类,两栖类,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 人体 c = C/10,Frog的大C值为人的7倍 lily(百合)的大C值为人的100倍！,3.3.2 病毒基因组,DNA病毒 RNA病毒,3.3.2.1 基本结构,多数为双链(ds)、环状或线性,多数为单链(ss)、线性,3.3.2.2 RNA病毒基因组,类型 特点 代表种类,1.单股正链RNA病毒,SARS冠状病毒 SARS coronavirus,单股正链RNA、不分节段， 5端有甲基化帽， 3端有poly(A)结构。 具有感染性，直接翻译蛋白质,脊髓灰质炎病毒 冠状病毒,.,禽流感病毒(H5N1) avian influenza A virus,2.单股负链RNA病毒,单股负链RNA、8节段，均编码蛋白质，,流感病毒 腮腺炎病毒 狂犬病毒,3.双链RNA病毒,内衣壳蛋白,外衣壳蛋白,每段编码一个蛋白质,4.逆转录病毒(retrovirus),核心蛋白 逆转录酶 膜蛋白,poly(A),Cap,人类免疫缺陷病毒（HIV）,单股正链RNA，有三个基本的结构 基因：gag、pol（逆转录酶）、env，,白血病病毒、肉瘤病毒、 人类免疫缺陷病毒,5端有甲基化帽，3端有poly(A)， 另有多个基因表达调控位点。,3.3.2.3 DNA病毒基因组,类型 特点 代表种类,1.线性双链DNA病毒,早期蛋白（E） 晚期蛋白（L）,ITR在病毒复制过程有重要作用,2.双链环状DNA病毒,SV40病毒基因组,重叠基因 (overlapping gene),静思伊久阻归期， 久阻归期忆别离； 忆别离时闻漏转， 时闻漏转静思伊。 秦少游给苏小妹,3.单链环状DNA病毒,乙型肝炎病毒（HBV）,4. 开环部分双链DNA病毒,病毒繁殖的原则 在宿主体内合成了mRNA就意为着胜利。 能用宿主的绝对不用自己的。 实在用不了宿主的就用自己的。 也有例外。,病毒基因组的特点,1基因组大小相差很大：,HBV：3.2kb 痘病毒：300 kb,2核酸结构多样性：,DNA 或RNA 单链或双链 合环状分子或线性分子,3基因组有连续的，有不连续的,大多数连续 流感病毒：8条单链RNA,4、编码序列90%(基因组)，多为单拷贝,即每个基因只出现一次,5、功能上相关的基因排列在一起,6、有重叠基因,3.3.3 原核生物基因组,以大肠杆菌（Escherichia coli）为例,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,大肠杆菌染色体结构,1.由一条环状双链DNA分子组成，通常只有一个DNA复制起点。,C-Value: 4.6106bp,大肠杆菌染色体DNA,2. 结构基因大多组成操纵子,乳糖操纵子 lac operon,-galactosidase半乳糖苷酶 z,-galactoside permease透酶 y,-galactoside transacetylase 半乳糖苷乙酰转移酶 a,4. 基因组DNA具有多种调控区域,3、基因密度非常高，编码区所占比例大；,5、结构基因没有内含子，多为单拷贝， rRNA基因为多拷贝；,6、存在可移动DNA序列,3.3.4 真核生物基因组 *,3.3.4.1 特点,1、 体细胞: 两套基因组 性细胞: 一套基因组,2、基因组结构复杂,数目庞大, 多个复制起始点,3、mRNA为单顺反子.,4、含大量重复序列.非编码序列占90%以上.,5、转录和翻译存在时空差异,8、存在可移动成分.,类似细菌的:如玉米中发现的. 类似逆转录病毒的: 转位机制需RNA介导,7、功能相关的基因串联在一起形成基因家族,6、基因间有间隔区(spacer DNA),基因为断裂基因(split gene) 即内含子,外显子.,1978 Gilbert 真核生物基因的新概念,Exon (外显子),DNA 与成熟RNA间的对应区域,氨基酸的编码区（amino acid coding region）,非间隔区（unspacer）,is any segment of an interrupted gene that is represented in the mature RNA product,3.3.4.2 真核生物基因的结构 1、 断裂基因（split gene）,Intron (内含子),is a segment of DNA that is transcribed, but removed from within the transcript by splicing together the sequences (exons) on either side of it.,DNA 与成熟RNA间的非对应区域,氨基酸的非编码区（uncoding region）,间隔区（spacer）,内含子存在意义：保证或增强基因的稳定表达；内含子中包含有其他基因的编码序列（即基因内基因）。 GT-AG法则：真核生物基因内含子高度保守的一致序列：内含子5端大多数以GT开始，3端大多数以AG结束，称为GT-AG法则。此法则可用作真核基因中RNA剪接的识别信号。,DNA X cDNA,Electro-microscope,7 introns 8 exons,Pre-mRNA,Introns Removed Exons junctions,Split gene,Split Gene,真核生物的结构基因是由若干exon和intron相间隔排列的序列组成的间隔基因,l Split Gene 的普遍性,b) 在原核生物中(in Prokaryots),Split gene is not hallmark of eukaryotic genes,a few structural gene are split genes,SV40 T抗原基因 T antigen gene,t抗原基因 t antigen gene,T4噬菌体胸线嘧啶合成酶基因(T4 phage thymine synthetase gene),l Split gene 概念的相对性,c) 并非真核生物所有的结构基因均为split gene,不是split gene,b) Exon 并非“表里如一”,a) Intron 并非“含而不露”,Yeast Intron II of cyt.b gene coding a maturase(成熟酶),人类尿激酶原基因 Exon I 不编码 氨基酸序列,Histone （组蛋白）gene family,Interferon（干扰素）gene,Yeast 中多数基因, Split gene 存在的生物学意义,a) 有利于遗传的相对稳定,mutation frequency,即使错误剪接留下的intron部分也会被mRNA监测系统降解，从而避免细胞病变和死亡。,in intron in exon,b) 增加变异机率， 有利于生物的进化,对 intron 不同方式的剪接，形成不同的基因产物 （5% isoform protein in mammalian）,c) 扩大生物体的遗传信息储量,UAA,