基因的结构和功能
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CAAT框（CAAT Box）：一段保守序列GGGC/TCAATAC（9bp）， 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 Box）：碱基序列为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。
双链DNA/RNA （Double Stranded DNA，dsDNA/RNA） 双链线性DNA/RNA （Double Stranded Linear DNA/RNA） 双链环状DNA/RNA （Single Stranded Circular DNA/RNA)
共价闭合环状DNA （Covalently Closed Circular DNA， cccDNA） 共价闭合环状双链DNA——质粒（Plasmid）
C. 断裂基因具有生物演化意义：
1）不同外显子不同功能域蛋白 2）外显子的不同组合新蛋白 3）同一基因外显子的不同剪接功能有别的蛋白 4）外显子间隔有利于基因重组和演化，防止或减少突变
启动子(Promoter)
转录起始点(5-9bp)，常见序列为CAT（原核），第一个转录通常为G/A
启动子 5’-UTR
O
-O
4
32
1
核C 苷T
OH OH
核苷 磷O酸核P 苷O（NMP）
-O
3’
核 苷
A G C
U
了解知识
9
6 51
8
42
73
腺嘌呤A
9
8 7
6 51 42
3
鸟嘌呤G
了解知识
34 5 6
21
胸腺嘧啶T
34 5 6
21
胞嘧啶C
34 5 6
21
尿嘧啶U
了解知识
54
1
3
2
了解知识
基 因 核 酸 链 的 极 性
rRNA基因→rRNA→核仁形成区，核糖体组成。 tRNA基因→tRNA→转运氨基酸。
按重要程度
看家基因(House-keeping Gene) : 维持细胞最低限度
功能所不可少的基因, 如编码组蛋白基因、编码核糖体蛋白 基因、线粒体蛋白基因、糖酵解酶的基因等。这类基因在 所有类型的细胞中都进行表达。
[-30, -25]
转录起点
-10 0
TTGACATATATT
TTGACA(原核)
TATAA(原核) Pribnow box（原核）
[-110, -80]
GC box(真核)
GCCACACCC /GGGCGGG
SP1
-10与-35之间核苷酸变动数应在 [15, 20], 强启动子(原核) : 17±1
3.1 真核生物基因结构(Eukaryotic Gene Structure)
转录起始点
增强子Enhancer
(Optional)
外显子Exons 5’-UTR
终止子
Terminator 加尾信号
PolyA
基因 间隔区
启动子Promoter
5’上游区 侧翼序列/ 调节序列/ 顺式调控元件
内含子Introns
位于螺旋的内侧，糖基平面与碱基 平面相垂直
4. 两条多核苷酸链依照碱基互补配对 的原则形成的氢键相连接：A-T间 形成两个氢键；G-C间形成三个氢 键
3.4nm
3’
5’
了解知识
DNA链结构多样性
A-DNA：右手螺旋，DNA与RNA混合配对时 B-DNA：Watson-Crick模型，右手螺旋，生理条件下最稳定的结构 Z-DNA：左手螺旋 Triple Helix DNA：两股碱基按Watson-Crick方式配对，第三股多聚
上游启动子元件
CTF （－70bp附近的CAAT盒和GC盒及更远）
CCAAT(真核）
[-80, -70]
-35 AATGTGTGGAAT
核Hale Waihona Puke Baidu启动子元件
（起始转录所必需的最小的DNA序列） 转录起始点及其上游－25/－30bp处的TATA盒
Hogness box/TATA box（真核）
TFII
TATAAAAG(真核)
AATTCAAGGGAGAAGTAATGAAGAGGGAAGGAT TTAAGTT CCCTCTTCATTACTTCT CCCTTCCTA
DNA三级结构
DNA双螺旋结构进一步盘曲形成的复杂的超螺旋 结构： 线状DNA形成的纽结； 超螺旋和多重螺旋； 环状DNA形成的结； 超螺旋 连环 ….
线状DNA形成的超螺旋
环状DNA形成的超螺旋
DNA四级结构
约200个碱基对的DNA和包括H1, H2A，H2B，H3，H4 在内的5种组蛋白结合在一起所构成 。
长约140bp的DNA分子绕核心部位1¾圈
核小体
核小体和染色质
核小体构成 染色质丝
RNA链结构多样性
IGC
5’
GCG
3’
mRNA
rRNA
3、真核生物的基因结构及其功能
有两个相同等位基因的基因型，称为纯合子，其对应细胞或个体称为纯合体。
D. 杂合子/体（Heterozygous/Heterozygote) ：同一基因座位上，
具有两个不同等位基因的基因型，称为杂合子，其对应细胞或个体称为杂合体。
E. 显性基因(Dominant Genes)： 杂合体中，表现为显性性状的基因。 F. 隐性基因(Recessive Genes)：杂合体中，表现为隐形性状的基因。
位于结构基因5’端转录起始点上游的大约100-200bp 范围内， 并有若干具有独立功能的DNA序列元件，每个元件约长7－ 30bp，序列本身不被转录，是RNA聚合酶特异性识别和结 合的一段DNA序列，能控制基因表达（转录）的起始时间 和转录程度。 注意：启动子包含转录起始点，内部还有精细的序列结构， 其本身不能影响和控制转录起始时间和转录程度，而是通过 与转录因子(Transcription factor) 蛋白质结合互作发生作用。
嘧啶（镜像重复）通过TAT和CGC+配对
A-DNA
B-DNA
Z-DNA
三股螺旋
回文结构
DNA序列中以某一中心区 域为对称轴，其两侧的碱 基对顺序正读和反读都相 同的双螺旋结构。即对称 轴一侧的片段旋转180°后， 与另一侧片段对称重复。
回文结构能形成十字结构 和发夹结构。
镜像重复
存在于同一股上的某些DNA区段的反向重复序列。 此序列各单股中没有互补序列，不能形成十字型或 发夹结构。
基因突变产生的基因。
G. 野生型基因(Wild-type Genes): 在自然群体中占有多数的（视为
正常的）等位基因。
H. 复合基因 (Complex Genes): 在作用上有关的几个基因排列在一起，构成一个基因
复合体或基因簇。
了解知识
1.2. 基因的特点
三大特点：
自我复制（半保留复制）：是生物得以繁衍，保证物
了解知识
两类核酸的基本化学组成比较
脱氧核糖核酸(DNA)----核糖核酸(RNA)
了解知识
核苷酸及相应的核苷、碱基名称中英文对照表
DNA/RNA链的形式
单链DNA/RNA （Single Stranded DNA， ssDNA/RNA) 单链线性DNA/RNA （Single Stranded Linear DNA/RNA） 单链环状DNA/RNA （Single Stranded Circular DNA/RNA)
转录起始位点上游大约10/25bp和35/70bp处有两个共有序列 （Consensus Sequence），称为-10和-35序列(分别控制转录起点 和频率)。共有序列只有少数几个核苷酸有差异，能影响RNA聚 合酶与启动子的相互识别。
TATA框（TATA Box）：一段高度保守序列(7bp)，TATAA/TAA/T，位 于转录起始点上游25～30 bp（-30～50）。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。
M Snyder, M Gerstein (2003) Science 300: 258-60
了解知识
基因相关遗传术语
A. 基因座（Gene Locus）：基因在染色体上的特定位置。 B. 等位基因（Alleles）：同源染色体上占据相同座位、具有不同形式的基因。 C. 纯合子/体（Homozygous/Homozygotes) ：同一基因座位上，具
必需基因(Essential Gene ): 突变时会引起致死表型的
基因.
按拷贝数
单拷贝基因(多出现在原核和病毒)； 多拷贝基因；
按物种
原核基因； 病毒基因； 真核基因
2、基因序列及链特征
了解知识
基因核酸链的化学组成：核苷+磷酸
5’
O
α
P
O
β-D-2-核糖（戊糖）
5
C-H2
O
OH
脱A 碱基 氧 G
双链DNA (Double-stranded Genomic DNA) 5‘-ATGGTTTCCCAATTATTCGAAGAAAAAGCTAAAGCC-3’+ or sense strand（正义链） 3‘TACCAAAGGGTTAATAAGCTTCTTTTTCGATTTCGG-5’- or antisense strand（反义链）
所有含细胞的(单细胞或多细胞)生物的总称，包括动物、植物、 真菌和原生动物。
特点： 均含有细胞核（核遗传）和其他细胞器（核外物质遗传/胞质遗传/ 母系遗传），如线粒体或叶绿体，有细胞骨架 基因编码区不连续 单顺反子（一个基因序列编码一种产物） 基因内部存在大量重复序列 多拷贝基因 基因间大小差异大 表达调控较复杂
种稳定，保持生物的基本特征。
基因决定性状： 能够突变
蛋白/酶
能够突变
致死突变 非致死突变
物种进化 致病突变
新物种 遗传病
http://www.shigen.nig.ac.jp
此外，
不同物种，其基因大小不同。总的来说，低等生物的基
因小，高等生物的基因（通常含大量的内含子或重复序列）大。即使在同一生物内， 不同基因大小不同。
原核生物：基因数目少，结构简单、紧凑，常具有操纵子结构，序列
利用效率高，易突变，大多为多顺反子。
真核生物：基因数目很多，结构复杂，常含重复序列和非编码序列，
机制复杂，相对稳定，大多为单顺反子。
1.3 基因分类
按功能
结构基因---编码蛋白和酶分子结构（蛋白基因）； 调控基因(Regulatory Gene)---调节结构基因表达，包含调 节基因、操纵基因和启动基因； 转录而不翻译的基因（RNA基因）：
基因的结构和功能
提纲
1、基因的概念和特征 2、基因序列及链特征 3、真核生物的基因结构及其功能 4、原核生物、病毒的基因结构及其功能
1、基因的概念和特征
基因概念的发展
1. 1 基因的定义
基因（Gene Mendelian Factor），也称为 遗传因子，是控制性状的基本遗传单位 （突变单位、重组单位和功能单位），是 指线性排列在染色体上的，携带有一定遗 传信息，具有一定结构，并能进行自我信 息复制与传递，控制 生物个体性状表现的 一段DNA或RNA序列 常常称为“染色体基因”。
开放阅读框ORF
结构基因
3’-UTR 基因 间隔区
3’下游区
侧翼序列/ 调节序列/ 顺式调控元件
断裂基因(Richard J.Roberts &Phillip A.Sharp, 1993）
指基因编码区域的不连续性，是真核基因的结构特 点，即基因的外显子被内含子间隔成不连续、按顺 序镶嵌排列在基因的ORF区域（外显子和内含子交 替出现，每个内含子具有5‘-GT------AG-3’边界序列） .
Open Reading Frame
外显子 内含子 外显子 内含子 外显子
GT
GT
GT
AG
AG
AG
A. 并非所有基因都是断裂基因：如组蛋白基因和干扰素基因等。
在单细胞真核生物中，其多数基因编码区是连续的，非断裂。
B. 断裂基因是基因选择性剪接的结构基础：一个简单基
因编码不同蛋白。人类基因35%的基因存在选择性剪接。
了解知识
右手双螺旋模型要点
5’ 2nm 3’
1. DNA分子由两条反向平行多核苷酸 链围绕同一中心轴构成的双螺旋结 构。双螺旋表面形成大沟和小沟
2. 双螺旋直径2nm，碱基平面垂直于 螺旋纵轴
3. 两条链都由磷酸和脱氧核糖以3’， 5’-磷酸二酯键相连而成，它们位于 螺旋的外侧。嘌呤碱基与嘧啶碱基
了解知识
E.复等位基因(Multiple Alleles): 在群体中，同一基因座上具有三个或三个以上的等
位基因。
F.拟等位基因 (Pseudo Alleles)：在功能上密切相关、在位置上又邻接的几个基因。 F. 突变型基因 ( Mutant Genes)：同一基因座位，等位基因直接或间接地由野生型
GC框（GC Box）：碱基序列为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。
双链DNA/RNA （Double Stranded DNA，dsDNA/RNA） 双链线性DNA/RNA （Double Stranded Linear DNA/RNA） 双链环状DNA/RNA （Single Stranded Circular DNA/RNA)
共价闭合环状DNA （Covalently Closed Circular DNA， cccDNA） 共价闭合环状双链DNA——质粒（Plasmid）
C. 断裂基因具有生物演化意义：
1）不同外显子不同功能域蛋白 2）外显子的不同组合新蛋白 3）同一基因外显子的不同剪接功能有别的蛋白 4）外显子间隔有利于基因重组和演化，防止或减少突变
启动子(Promoter)
转录起始点(5-9bp)，常见序列为CAT（原核），第一个转录通常为G/A
启动子 5’-UTR
O
-O
4
32
1
核C 苷T
OH OH
核苷 磷O酸核P 苷O（NMP）
-O
3’
核 苷
A G C
U
了解知识
9
6 51
8
42
73
腺嘌呤A
9
8 7
6 51 42
3
鸟嘌呤G
了解知识
34 5 6
21
胸腺嘧啶T
34 5 6
21
胞嘧啶C
34 5 6
21
尿嘧啶U
了解知识
54
1
3
2
了解知识
基 因 核 酸 链 的 极 性
rRNA基因→rRNA→核仁形成区，核糖体组成。 tRNA基因→tRNA→转运氨基酸。
按重要程度
看家基因(House-keeping Gene) : 维持细胞最低限度
功能所不可少的基因, 如编码组蛋白基因、编码核糖体蛋白 基因、线粒体蛋白基因、糖酵解酶的基因等。这类基因在 所有类型的细胞中都进行表达。
[-30, -25]
转录起点
-10 0
TTGACATATATT
TTGACA(原核)
TATAA(原核) Pribnow box（原核）
[-110, -80]
GC box(真核)
GCCACACCC /GGGCGGG
SP1
-10与-35之间核苷酸变动数应在 [15, 20], 强启动子(原核) : 17±1
3.1 真核生物基因结构(Eukaryotic Gene Structure)
转录起始点
增强子Enhancer
(Optional)
外显子Exons 5’-UTR
终止子
Terminator 加尾信号
PolyA
基因 间隔区
启动子Promoter
5’上游区 侧翼序列/ 调节序列/ 顺式调控元件
内含子Introns
位于螺旋的内侧，糖基平面与碱基 平面相垂直
4. 两条多核苷酸链依照碱基互补配对 的原则形成的氢键相连接：A-T间 形成两个氢键；G-C间形成三个氢 键
3.4nm
3’
5’
了解知识
DNA链结构多样性
A-DNA：右手螺旋，DNA与RNA混合配对时 B-DNA：Watson-Crick模型，右手螺旋，生理条件下最稳定的结构 Z-DNA：左手螺旋 Triple Helix DNA：两股碱基按Watson-Crick方式配对，第三股多聚
上游启动子元件
CTF （－70bp附近的CAAT盒和GC盒及更远）
CCAAT(真核）
[-80, -70]
-35 AATGTGTGGAAT
核Hale Waihona Puke Baidu启动子元件
（起始转录所必需的最小的DNA序列） 转录起始点及其上游－25/－30bp处的TATA盒
Hogness box/TATA box（真核）
TFII
TATAAAAG(真核)
AATTCAAGGGAGAAGTAATGAAGAGGGAAGGAT TTAAGTT CCCTCTTCATTACTTCT CCCTTCCTA
DNA三级结构
DNA双螺旋结构进一步盘曲形成的复杂的超螺旋 结构： 线状DNA形成的纽结； 超螺旋和多重螺旋； 环状DNA形成的结； 超螺旋 连环 ….
线状DNA形成的超螺旋
环状DNA形成的超螺旋
DNA四级结构
约200个碱基对的DNA和包括H1, H2A，H2B，H3，H4 在内的5种组蛋白结合在一起所构成 。
长约140bp的DNA分子绕核心部位1¾圈
核小体
核小体和染色质
核小体构成 染色质丝
RNA链结构多样性
IGC
5’
GCG
3’
mRNA
rRNA
3、真核生物的基因结构及其功能
有两个相同等位基因的基因型，称为纯合子，其对应细胞或个体称为纯合体。
D. 杂合子/体（Heterozygous/Heterozygote) ：同一基因座位上，
具有两个不同等位基因的基因型，称为杂合子，其对应细胞或个体称为杂合体。
E. 显性基因(Dominant Genes)： 杂合体中，表现为显性性状的基因。 F. 隐性基因(Recessive Genes)：杂合体中，表现为隐形性状的基因。
位于结构基因5’端转录起始点上游的大约100-200bp 范围内， 并有若干具有独立功能的DNA序列元件，每个元件约长7－ 30bp，序列本身不被转录，是RNA聚合酶特异性识别和结 合的一段DNA序列，能控制基因表达（转录）的起始时间 和转录程度。 注意：启动子包含转录起始点，内部还有精细的序列结构， 其本身不能影响和控制转录起始时间和转录程度，而是通过 与转录因子(Transcription factor) 蛋白质结合互作发生作用。
嘧啶（镜像重复）通过TAT和CGC+配对
A-DNA
B-DNA
Z-DNA
三股螺旋
回文结构
DNA序列中以某一中心区 域为对称轴，其两侧的碱 基对顺序正读和反读都相 同的双螺旋结构。即对称 轴一侧的片段旋转180°后， 与另一侧片段对称重复。
回文结构能形成十字结构 和发夹结构。
镜像重复
存在于同一股上的某些DNA区段的反向重复序列。 此序列各单股中没有互补序列，不能形成十字型或 发夹结构。
基因突变产生的基因。
G. 野生型基因(Wild-type Genes): 在自然群体中占有多数的（视为
正常的）等位基因。
H. 复合基因 (Complex Genes): 在作用上有关的几个基因排列在一起，构成一个基因
复合体或基因簇。
了解知识
1.2. 基因的特点
三大特点：
自我复制（半保留复制）：是生物得以繁衍，保证物
了解知识
两类核酸的基本化学组成比较
脱氧核糖核酸(DNA)----核糖核酸(RNA)
了解知识
核苷酸及相应的核苷、碱基名称中英文对照表
DNA/RNA链的形式
单链DNA/RNA （Single Stranded DNA， ssDNA/RNA) 单链线性DNA/RNA （Single Stranded Linear DNA/RNA） 单链环状DNA/RNA （Single Stranded Circular DNA/RNA)
转录起始位点上游大约10/25bp和35/70bp处有两个共有序列 （Consensus Sequence），称为-10和-35序列(分别控制转录起点 和频率)。共有序列只有少数几个核苷酸有差异，能影响RNA聚 合酶与启动子的相互识别。
TATA框（TATA Box）：一段高度保守序列(7bp)，TATAA/TAA/T，位 于转录起始点上游25～30 bp（-30～50）。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。
M Snyder, M Gerstein (2003) Science 300: 258-60
了解知识
基因相关遗传术语
A. 基因座（Gene Locus）：基因在染色体上的特定位置。 B. 等位基因（Alleles）：同源染色体上占据相同座位、具有不同形式的基因。 C. 纯合子/体（Homozygous/Homozygotes) ：同一基因座位上，具
必需基因(Essential Gene ): 突变时会引起致死表型的
基因.
按拷贝数
单拷贝基因(多出现在原核和病毒)； 多拷贝基因；
按物种
原核基因； 病毒基因； 真核基因
2、基因序列及链特征
了解知识
基因核酸链的化学组成：核苷+磷酸
5’
O
α
P
O
β-D-2-核糖（戊糖）
5
C-H2
O
OH
脱A 碱基 氧 G
双链DNA (Double-stranded Genomic DNA) 5‘-ATGGTTTCCCAATTATTCGAAGAAAAAGCTAAAGCC-3’+ or sense strand（正义链） 3‘TACCAAAGGGTTAATAAGCTTCTTTTTCGATTTCGG-5’- or antisense strand（反义链）
所有含细胞的(单细胞或多细胞)生物的总称，包括动物、植物、 真菌和原生动物。
特点： 均含有细胞核（核遗传）和其他细胞器（核外物质遗传/胞质遗传/ 母系遗传），如线粒体或叶绿体，有细胞骨架 基因编码区不连续 单顺反子（一个基因序列编码一种产物） 基因内部存在大量重复序列 多拷贝基因 基因间大小差异大 表达调控较复杂
种稳定，保持生物的基本特征。
基因决定性状： 能够突变
蛋白/酶
能够突变
致死突变 非致死突变
物种进化 致病突变
新物种 遗传病
http://www.shigen.nig.ac.jp
此外，
不同物种，其基因大小不同。总的来说，低等生物的基
因小，高等生物的基因（通常含大量的内含子或重复序列）大。即使在同一生物内， 不同基因大小不同。
原核生物：基因数目少，结构简单、紧凑，常具有操纵子结构，序列
利用效率高，易突变，大多为多顺反子。
真核生物：基因数目很多，结构复杂，常含重复序列和非编码序列，
机制复杂，相对稳定，大多为单顺反子。
1.3 基因分类
按功能
结构基因---编码蛋白和酶分子结构（蛋白基因）； 调控基因(Regulatory Gene)---调节结构基因表达，包含调 节基因、操纵基因和启动基因； 转录而不翻译的基因（RNA基因）：
基因的结构和功能
提纲
1、基因的概念和特征 2、基因序列及链特征 3、真核生物的基因结构及其功能 4、原核生物、病毒的基因结构及其功能
1、基因的概念和特征
基因概念的发展
1. 1 基因的定义
基因（Gene Mendelian Factor），也称为 遗传因子，是控制性状的基本遗传单位 （突变单位、重组单位和功能单位），是 指线性排列在染色体上的，携带有一定遗 传信息，具有一定结构，并能进行自我信 息复制与传递，控制 生物个体性状表现的 一段DNA或RNA序列 常常称为“染色体基因”。
开放阅读框ORF
结构基因
3’-UTR 基因 间隔区
3’下游区
侧翼序列/ 调节序列/ 顺式调控元件
断裂基因(Richard J.Roberts &Phillip A.Sharp, 1993）
指基因编码区域的不连续性，是真核基因的结构特 点，即基因的外显子被内含子间隔成不连续、按顺 序镶嵌排列在基因的ORF区域（外显子和内含子交 替出现，每个内含子具有5‘-GT------AG-3’边界序列） .
Open Reading Frame
外显子 内含子 外显子 内含子 外显子
GT
GT
GT
AG
AG
AG
A. 并非所有基因都是断裂基因：如组蛋白基因和干扰素基因等。
在单细胞真核生物中，其多数基因编码区是连续的，非断裂。
B. 断裂基因是基因选择性剪接的结构基础：一个简单基
因编码不同蛋白。人类基因35%的基因存在选择性剪接。
了解知识
右手双螺旋模型要点
5’ 2nm 3’
1. DNA分子由两条反向平行多核苷酸 链围绕同一中心轴构成的双螺旋结 构。双螺旋表面形成大沟和小沟
2. 双螺旋直径2nm，碱基平面垂直于 螺旋纵轴
3. 两条链都由磷酸和脱氧核糖以3’， 5’-磷酸二酯键相连而成，它们位于 螺旋的外侧。嘌呤碱基与嘧啶碱基
了解知识
E.复等位基因(Multiple Alleles): 在群体中，同一基因座上具有三个或三个以上的等
位基因。
F.拟等位基因 (Pseudo Alleles)：在功能上密切相关、在位置上又邻接的几个基因。 F. 突变型基因 ( Mutant Genes)：同一基因座位，等位基因直接或间接地由野生型