基因的結(jié)構(gòu)和功能

1、第九節(jié) 基因的結(jié)構(gòu)和功能,基因（gene） 染色體上編碼一個(gè)特定功能產(chǎn)物的一段核苷酸序列。,一、基因概念的發(fā)展（一）遺傳“因子”： 孟德?tīng)栒J(rèn)為，生物性狀的遺傳由遺傳因子所控制，性狀本身不遺傳。,（二）染色體是基因的載體： 摩爾根實(shí)驗(yàn)證明基因位于染色體上，并呈直線排列，并由此提出基因既是一個(gè)功能單位，是一個(gè)突變單位，也是一個(gè)交換單位的“三位一體”概念。,（三）DNA是遺傳物質(zhì)：

2、 1944年Avery通過(guò)肺炎球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，證實(shí)DNA是遺傳物質(zhì)而非蛋白質(zhì)。,（四）基因是有功能的DNA片段1941年Beadle和Tatum提出一個(gè)基因一個(gè)酶假說(shuō)，溝通了蛋白質(zhì)合成與基因功能的研究。1953年Watson和Crick提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，明確了DNA的復(fù)制方式。,1958年Crick提出中心法則，1961年提出三聯(lián)體遺傳密碼，從而將DNA分子結(jié)構(gòu)與生物體結(jié)合起來(lái)。1957年Ben

3、zer用大腸桿菌T4噬菌體為材料，提出了順?lè)醋樱╟istor)的概念，證明基因是DNA分之上一個(gè)特定的區(qū)段，是一個(gè)功能單位，包括許多突變位點(diǎn)（突變子），突變位點(diǎn)之間可以發(fā)生重組（重組子）。,（五）操縱子模型 1961年法國(guó)分子生物學(xué)家Jacob和Monod通過(guò)對(duì)大腸桿菌乳糖突變體研究，提出了操縱子學(xué)說(shuō)（operon theory)。闡明了基因在乳糖利用中的作用。,（六）跳躍基因（轉(zhuǎn)座子）和斷裂基因的發(fā)現(xiàn)

4、 40年代芭芭拉在玉米的控制因子的研究中指出跳躍基因。 70年代后發(fā)現(xiàn)大多真核生物基因都是不連續(xù)的，被不編碼序列隔開(kāi)，稱(chēng)斷裂基因。,基因組(genome) :指生物完整的一套 單倍體細(xì)胞(性細(xì)胞)中所含有的全 部基因，用n表示。,二、基因組的特點(diǎn),如人： 22常+ X， Y，+ 線粒體基因組,基因組的結(jié)構(gòu)：,指不同的基因功能區(qū)域在核酸分子中的分布和排列情況。,基因組的功能：貯存和表達(dá)遺傳信息。,

5、1．基因組大小相差很大：,HBV：3.2kb 痘病毒：300 kb,2．核酸結(jié)構(gòu)多樣性,,DNA或RNA單鏈或雙鏈環(huán)狀分子或線性分子,,3．基因組有連續(xù)的，有不連續(xù)的,大多數(shù)連續(xù)流感病毒：8條單鏈RNA,,4．編碼序列>90%(基因組),(一)病毒基因組,1.基因組為環(huán)狀雙鏈DNA分子,2.只有一個(gè)復(fù)制起始點(diǎn).,3.具有操縱子結(jié)構(gòu),4.基因是連續(xù)的,無(wú)內(nèi)含子,5.編碼區(qū)在基因組中的比例,

6、>> 真核基因組 << 病毒基因組,(二)原核生物基因組,(三)真核生物基因組,1.特點(diǎn)：,(1)含大量重復(fù)序列,(2)非編碼序列占90%以上,(3)基因?yàn)閿嗔鸦?(4)基因家族,(5)存在可移動(dòng)成分,2.單拷貝序列,僅出現(xiàn)一次或少數(shù)幾次。 如：大多數(shù)編碼蛋白質(zhì)的基因,（1）中度重復(fù)序列：重復(fù)頻率10-105,占基因總量的20%～30%。

7、 如：rRNA gene, tRNA gene, 組蛋白基因，Alu序列,3. 重復(fù)序列,①反向重復(fù)順序（IR）：有兩種形式: 連續(xù)的反向重復(fù)順序，又稱(chēng)回文結(jié)構(gòu)；不連續(xù)的反向重復(fù)順序，之間含有間隔順序。如 ：ATTAGC GCTAAT ATTAGC GGAT GCTAATTAATCG CGATTA TAATCG CCTA CGATTA,（2）高度重復(fù)序列：重復(fù)頻率>105

8、,②衛(wèi)星DNA成串排列，簡(jiǎn)單重復(fù)，集中分布在染色體的著絲粒、端粒、隨體上，占5%-6%,衛(wèi)星DNA分類(lèi):衛(wèi)星DNA：重復(fù)長(zhǎng)度5-10bp小衛(wèi)星DNA：重復(fù)長(zhǎng)度15-70bp，高度特異性。微衛(wèi)星DNA：重復(fù)單位為2-5bp，常見(jiàn)的是以（AC）n、（TG）n的二聚核苷酸為重復(fù)單位。α衛(wèi)星DNA：人類(lèi)中重復(fù)單位為171bp,4.多基因家族(multigene family),多基因家族:是指一個(gè)祖先基因經(jīng)過(guò) 重復(fù)和變異所形成的一組

9、基因,它們 在基因組中相互之間僅有微小的差 別,行使相關(guān)的功能。,如:組蛋白基因家族: 5個(gè)成員（H1,H2A,H2B, H3,H4）,5個(gè)基因串聯(lián)排列形成一個(gè)重復(fù)單位,但不同生物中排列不同,海膽: H1-H4-H2B-H3-H2A果蠅: H2B-H2A-H4-H3-H1水螈: H1-H3-H2B-H2A-H4,,一類(lèi)是由一個(gè)基因在進(jìn)化過(guò)程中產(chǎn)生的多個(gè)拷貝,堿基序列基本相同,成簇排列于同一條染色體上,形成一個(gè)基因家族,同時(shí)

10、合成某種蛋白質(zhì)。 另一類(lèi)是一個(gè)多基因家族中的不同成員成簇地分布于幾條不同的染色體上，這些成員的序列雖然不完全相同，但是編碼的蛋白質(zhì)在功能上密切相關(guān)。,假基因（pseudogene) 在多基因家族中某些與正常功能基因在核苷酸序列上相似，但不能轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后生成無(wú)功能基因產(chǎn)物的DNA序列，被稱(chēng)為假基因。 假基因常用符號(hào)ψ表示，如ψα1 表示與α1 相似的假基因。,5. 超基因家族（supergene family）,在

11、結(jié)構(gòu)上有不同程度的同源性，但功能不一定相同。,如：免疫球蛋白超基因家族,三、真核基因的斷裂基因,Phillip A.Sharp,Richard J.Roberts,1993年度諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng),(一)概念,斷裂基因:真核生物結(jié)構(gòu)基因中的編碼序列被非編碼序列隔開(kāi),形成鑲嵌排列的斷裂形式,這種基因被稱(chēng)為“斷裂基因”。,(二)外顯子和內(nèi)含子,外顯子（exon或extron)：在成熟mRNA上反映出的DNA區(qū)段，即DNA序列中被轉(zhuǎn)錄成為mRNA的

12、片段。內(nèi)含子(intron)：在成熟mRNA上未反映出的DNA區(qū)段。,,人β珠蛋白基因結(jié)構(gòu)示意圖,E：外顯子 I：內(nèi)含子,,,,(二)外顯子和內(nèi)含子的接頭,GT,AG,,(三)調(diào)控序列,調(diào)控序列,啟動(dòng)子,TATA框,CAAT框,GC框,,增強(qiáng)子,終止子,,啟動(dòng)子（promoter),RNA聚合酶特異性識(shí)別和結(jié)合的DNA序列，位于結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的上游-25bp處，本身不被轉(zhuǎn)錄。啟動(dòng)子必須與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合才能被RNA聚合酶識(shí)

13、別與結(jié)合。TATA，CAAT，GC,增強(qiáng)子（enhancer),其中含有多個(gè)能被反式作用因子識(shí)別與結(jié)合的順式作用元件，能調(diào)控（常為增強(qiáng)）鄰近基因的轉(zhuǎn)錄。一般位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游-100~-300bp處，但在基因外或某些內(nèi)含子中也有增強(qiáng)子序列。負(fù)增強(qiáng)子（negative enhancer)又稱(chēng)沉默子（silencer)：負(fù)調(diào)控序列。,終止子（terminator),位于3’端非編碼區(qū)的下游，在轉(zhuǎn)錄中提供終止信息。 在結(jié)構(gòu)

14、基因的最后一個(gè)外顯子中有一個(gè)保守的AATAAA序列，此位點(diǎn)下游有一段GT豐富區(qū)或T豐富區(qū)，這兩部分序列共同構(gòu)成poly(A)加尾信號(hào)。 終止子的終止作用不是DNA序列本身，而是發(fā)生在轉(zhuǎn)錄成的RNA。,,人β珠蛋白基因結(jié)構(gòu)示意圖,E：外顯子 I：內(nèi)含子,,,,,,,結(jié)構(gòu)基因,編 碼 區(qū),非編碼區(qū),四、轉(zhuǎn)座因子(transposable element),1940s, B.McClintock(榮獲1983年諾貝爾生物醫(yī)學(xué)

15、獎(jiǎng))在玉米中首次發(fā)現(xiàn)。,五、基因表達(dá)的調(diào)控,(一)原核生物基因表達(dá)的調(diào)控,,操縱子(operon):是指功能上相關(guān)的一組基因串聯(lián)組成的一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位,由調(diào)控序列和結(jié)構(gòu)基因兩部分組成。調(diào)控序列位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)附近，包括啟動(dòng)子和操縱基因（operator,O）。,1.操縱子,2. 乳糖操縱子,調(diào)節(jié)基因（R）,,操縱子,,啟動(dòng)基因（P）,操縱基因（O）,結(jié)構(gòu)基因(LacZ、LacY、LacA),2.乳糖代謝調(diào)控,,,,(1)阻遏,,,,(2)誘導(dǎo)