第一章 基因和基因组

断裂基因在进化中的意义： （1）通过不同的剪切方式可产生多种不同的mRNA，编码多种 不同功能的蛋白。因此有利于储存信息，增加信息量。 （2）内含子保守性差，变异性强，有利于形成新的基因。
（3）有些内含子可能在基因表达过程中有一定的调节控制作用。
II、重叠基因 （Overlapping gene）
按蛋白质的功能可分为 结构基因：基因产物是酶和其他不直接影响基因表达的蛋白质。 调节基因：通过最终产物蛋白质或RNA来控制其他基因表达的基因 按表达方式 组成型表达基因：在任何组织部位和任何发育时期都表达的基因 选择性表达基因：只在特定的组织部位或特定发育阶段表达的基因 根据拷贝数 单拷贝基因：在基因组中只有一个拷贝 多拷贝基因：在基因组中有多个拷贝
哺乳动物血红蛋白类α -珠蛋白基因家族、类β -珠蛋白基因家 族都是由功能基因和假基因形成的一个基因簇
三：基因的功能
1. 遗传信息的储存 2. 基因的复制 3. 基因的表达
3. 基因与疾病
1.多基因病(polygenic disorders)：遗传疾病的发生不是由一对等位基 因决定，而是由两对或两对以上的等位基因所决定, 因此这类疾病称 为多基因病,同时疾病的形成还受环境因子的影响，也称为多因子疾病 （multi-factorial disorders)。 2.单基因遗传病（monogenic disease; Single Gene Disorder）是指由于 单个基因的突变而引起的遗传病，符合孟德尔遗传方式，所以称为孟 德尔式遗传病。 在线人类孟德尔遗传数据库（OMIM）最新统计：截止2011年2月21日， 人类单基因疾病、性状和基因座已达 20356 种，其中常染色体遗传 19094种，X连锁遗传1138种，Y连锁遗传59种，线粒体遗传65种。 3.线粒体遗传病：由线粒体DNA突变导致的疾病。
三、基因结构的多样性
I. 断裂基因
一个基因由几个不相邻的编码序列组成，编码序列之间被 非编码的序列隔开，这样的基因被称为断裂基因。 外显子（Exon）： 断裂基因中的编码部分，将包含在成熟 的RNA中。内含子（Intron）：断裂基因中非编码部分，在 初始转录物加工成成熟RNA时被除去。 5‘UTR E I E I E 3‘UTR
在一个基因的编码顺序内存在着另一种基因的遗传信息， 这样的基因被叫做重叠基因。 1. 重叠基因的发现： 重叠基因是1977年由英国剑桥大学Sanger在研究ΦX174时发 现的。ΦX174是一种单链DNA病毒，宿主为大肠杆菌，因此， 又是噬菌体。它感染大肠杆菌后共合成11个蛋白质分子，总 分子量为25万左右，相当于6078个核苷酸所容纳的信息量。 而该病毒DNA本身只有5375个核苷酸，最多能编码总分子量 为20万的蛋白质分子，Sanger在分析了ΦX174 DNA的全序列 之后，才了解到这11个基因原来是有重叠的。
2. 启动子 启动子（promoter）包括下列几种不同顺序，能促进转录过程：
（1）TATA框（TATA box）：其一致顺序为TATAATAAT。它 在基因转录起始点上游约-25bp处，基本上由A-T碱基对组成， 是决定基因转录起始的选择，为RNA聚合酶的结合处之一， RNA聚合酶与TATA框牢固结合之后才能开始转录。
6. DNA的双螺旋结构以及复制机制的提出
1953年， 美国的Jim Watson and 英国Francis Crick 提出DNA双螺旋结构 和复制模型，这一模型后来被证明是正确的，为了解遗传信息传递机制奠 定了基础。
7. 基因精细结构的分析
1955年，Benzer用T4噬菌体做遗传分析，发现了基因的精细结构，发现基 因具有可分割性，并提出顺反子的概念。
II、重复多拷贝基因 （repetitive gene）
根据对多种生物DNA所作的详细分析表明，在真核 基因组存在有四种不同类型的DNA序列： （1） 不重复的唯一序列（只有一个拷贝）； （2） 低度重复序列（<10个拷贝）； （3） 中度重复序列（10到上万个拷贝）； （4） 高度重复序列（几万到几百万个拷贝）。 重复基因，即在基因组中有多个拷贝的基因。在真核生物基因 组中发现这种现象，真核生物中的重复基因可以达到30%, 重复 基因主要是为了满足生物体对某种基因产物的大量需要。 例如组蛋白基因、rRNA基因和tRNA基因在基因组中一般都 是多拷贝的重复基因，他们往往成簇存在，形成基因簇（gene cluster）。
（5）原核生物只有一种RNA聚合酶， 启动子比较短（不 超过几百个bp）。真核生物有三种RNA聚合酶，启动子比 较长（上千个bp）。
II. 真核生物基因的结构
真核生物基因都由控制序列和转录序列组成，控制序列包括 启动子和增强子，转录序列包括外显子和内含子。
终止子
1．外显子和内含子 大多数真核生物的基因为不连续基因（interruptesd或 discontinuous gene）。所谓不连续基因就是基因的编码顺序在 DNA分子上是不连续的，被非编码顺序所隔开。编码的顺序称 为外显子（exon），是一个基因表达为多肽链的部分；非编码 顺序所称为内含子（intron）,又称插入顺序（intervening sequence,IVS）。内含子只转录，在前mRNA(pre-mNRA)时被 剪切掉。如果一个基因有n个内含子，一般总是把基因的外显子 分隔成n+1部分。内含子的核苷酸数量可比外显子多许多倍。 人外显子平均1340bp，人内含子平均长度3.3kb，人含内含子最 多的基因有233个内含子。
至目前为止，关于基因的概念一般是这样定义的：
遗传学定义：基因是遗传的物理和功能单位。
分子生物学定义：基因是产生蛋白质或RNA所必 须的全部DNA序列。
其他定义：基因是DNA序列中能被转录为一个初始 RNA分子的区域。
第二节 基因分类
一、基因的种类
按基因的最终产物可分为 蛋白质基因：通过转录和翻译最终产物是蛋白质的基因。 大多数的基因属于此类。产生的蛋白质参与细胞构成、酶 催化、基因表达调节等。 RNA基因：通过转录最终产物是RNNA, miRNA等。这些RNA也被叫做非 编码RNA（non-coding RNA, ncRNA）。这些RNA主要参 与基因调控、染色体复制、RNA修饰加工、mRNA翻译及 稳定性、蛋白质降解等过程，近年来受到重视。
8. 基因信息的传递过程 20世纪60 年代，提出了中心法则，确定了三联体密码，提出了 操纵子学说。这些成就使得人们对遗传信息传递和基因表达调 控机制有了初步理解。
9. 基因结构的多样性以及基因的人为操纵 20世纪70年代和80年代以后，由于许多重大技术的突破，对 基因的认识又有了新的发展，发现了基因结构的多样性，例如 断裂基因、重叠基因、重复基因、转座基因等。另外，基因工 程技术的诞生，使人们可以合成基因、改造基因、测定基因、 利用基因。基因既是一种客观存在，又可以被人们主观应用， 利用基因定向改造生物变为现实。
3. 基因的三位一体概念
1910年，Morgan 的果蝇杂交实验，基因的染色体学说，基因是遗传的 基本单位，在染色体上排列。
4. 基因的化学本质是DNA
1944年，Avery 的肺炎双球菌转化实验（细菌表面光滑和粗糙的遗 传），证明了细菌的遗传物质是DNA而不是蛋白质。 Hershey-Chase experiment：噬菌体用32P标记DNA， 35S标记蛋白质， 然后侵染细菌，搅拌后离心沉淀细菌，发现32P标记与细菌共沉淀，而 35S标记与细菌分开。表明噬菌体的DNA进入细菌，DNA是遗传物质。
5. 对基因功能的了解，基因型如何决定表现型
1941年，斯坦福大学George Beadle的真菌突变体的营养缺陷型实验。 诱发突变，检测维生素缺陷型，用遗传学方法证明突变株是在基因位点
发生了突变，用生物化学方法证明了突变株某个代谢步骤发生了故障，
从而提出：基因是通过它的产物，即具有催化功能的酶，来决定生物的 性状。由此，“一个基因，一个酶”的理论诞生。
基因多为不连续的，被插入序列（IS）所分隔，这种现象称为 断裂基因（split gene） 断裂基因由内含子（intron）（非编码序列）和外显子 （exon）（编码序列）交替组成。 内含子和外显子在编码不同蛋白的时可转换角色 除少数蛋白（a,ß -interferon和组蛋白）外几乎所有基因都 有内含子。
rRNA基因簇的转录产生了一系列小基质块，每个小基质 块对应一个转录单位，它们和后面的基质块通过非转录区 隔开。
III、假基因（ pseudo-gene ）
假基因（pseudo-gene）最初由Jacq等人提出。他们在非洲爪蟾 DNA中克隆了一个5SrRNA相关基因，比较其功能基因后发现， 这个基因的5’端有16bp的缺失以及另外14bp的错配，就将这个 截短的5SrRNA的同源物描述为假基因。随着大量不同家族的假 基因的发现，假基因就被明确限定为具有与功能基因相似的序列， 但不翻译为功能蛋白质（或RNA）的基因片段。
3．增强子 在真核基因转录起始点的上游或下游，一般都有增强子 （enhancer）,它不能启动一个基因的转录，但有增强转录的作 用。此外，增强子顺序可与特异性细胞因子结合而促进转录的 进行。研究表明，增强子的作用通常有组织特异性，这是因为 不同细胞有不同的特异因子与增强子结合，从而使基因表达表 现出组织细胞特异性、发育阶段特异性、环境特异性。
二、编码基因的一般结构、功能 I. 原核生物基因的特点
（1）多以操纵子形式存在（生物学功能相近的基因聚在一 起，受一个启动子和调控元件的控制）。真核生物中一般没 有这种基因聚集现象。 （2）操纵子调控多是通过抑制子的负调控，诱导子的作用 可以解除抑制。真核生物基因调控要复杂的多，并以正调控 为主。 （3）原核生物基因多数是多顺反子结构，真核生物基因绝 大多数是单顺反子。 （4）原核生物基因转录与翻译同时进行，没有5‘帽子，没 有3’polyA， 没有内含子。而这三个结构在真核生物基因普 遍存在。