第一章基因与基因组(1)

A
B
C
非编码区
D
编码区 A、B、C、D
1963年Nass等首次发现线粒体中存在DNA。 1981年Anderson等发表了完整的人线粒体DNA序列。
1972年Fiers等测定了噬菌体MS2衣壳蛋白的基因序列。 某些RNA病毒则以RNA作为遗传信息的载体。
(二)基因的分类
按部位分 核基因 核外基因
rRNA基因是多拷贝的。
6.编码序列一般不会重叠
原核生物基因组中只有少数基因存在基因重叠。
7.编码区在基因组中所占的比例远远大于真核 基因组而小于病毒基因组
编码区占50%，非编码区主要是一些调控序列。
8.细菌基因组中存在可移动的DNA序列
包括插入序列和转座子。
二、真核生物基因组
真核生物DNA 染色体DNA 线粒体DNA
•
1866年，孟德尔在《植物的杂交试验》文中提出： “生物体的某一特定性状是受一个遗传因子(genetic factor)所控制的，也就是一个因子决定一个性状”。 基因是1909年，由Johannsen创造的一个名词， 取代遗传因子。
•
1926年，Morgan在《基因论》中提出：“基因既 是携带生物体遗传信息的结构单位，又是控制一个 特定性状的功能单位”。
偿其基因的缺陷，从而达到治疗的目的。 方式 体细胞基因治疗 (somatic cell gene therapy)
生殖细胞基因治疗 (germ line gene therapy)
第二节
基因组
基因组的定义：
基因组(genome)：一个细胞或生物体 中的全部DNA。
细菌和噬菌体 ——指单个染色体所含的全 部DNA。 二倍体真核生物——指维持生物体正常功能最基本 的一套染色体及所携带的全部遗传信息。
Start of genetic message Cap End
Tail
5
3
5’-端非翻译区
开放阅读框架
3’-端非翻译区
密码子（codon）
在mRNA的开放阅读框架区，以每3个相邻的核苷酸 为一组，代表一种氨基酸(或其他信息)，这种三联体形式
的核苷酸序列称为密码子。
起始密码子(initiation codon)： AUG
由末端单链DNA序列和蛋白质构成。
7.真核生物基因组中也存在一些可移动的遗传因子
果蝇中发现的DNA转座子
8.真核生物基因组还包括细胞器基因组
线粒体基因组、叶绿体基因组
• 端粒(telomere) * 结构特点:
(膨大成颗粒状)
指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。 • 由末端单链DNA序列和蛋白质构成。
（二）基因功能概述
基因携带遗传信息。 遗传信息的表达过程是一个基因所携 带的信息转变为一种具有正常功能产物 （蛋白质、多肽、RNA）的过程。
1. 遗传信息的储备
64个密码 有意义密 码子61个
2. 基因的复制

半保留复制(概念) 双向复制(复制子） 复制的半不连续性

3. 基因的表达 ⑴ 转录： ⑵ 翻译： DNA RNA
4.真核生物基因组内非编码的序列远远多于编码区
90%以上
5.真核生物基因组中含有大量重复序列和基因家族
在真核细胞DNA中发现某些核苷酸序列大量重复
出现，这些核苷酸序列叫重复序列，但在原核细胞 基因组中几乎不存在。核苷酸序列的重复次数越高， DNA复性速度就越快。占35%。
6.真核基因组DNA的末端都有一种称为端粒的特殊结构
﹡
终止密码子(termination codon) ： UAA、UAG、UGA
﹡
(RNA.Pr，生物性状) 遗传信息蕴藏于DNA链上4种碱基的不同组合中。
断裂基因(splite gene):
（1977年）
真核生物结构基因，由若干个编码区和非 编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非 编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成 的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。
mRNA指导蛋白质多肽链的生成
⑶基因表达的调控：

RNA的种类、分布、功能
细胞核和胞液 线粒体 mt rRNA mt tRNA 功 能
核蛋白体RNA 信使RNA 转运RNA 核内不均一RNA 核内小RNA 核仁小RNA 胞浆小RNA
rRNA mRNA tRNA HnRNA SnRNA SnoRNA scRNA/7SL-RNA
基因组要大上千倍。
2.结构基因与调控序列以操纵子的形式组织在一起
当基因开放时，这几个基因转录在一条mRNA链上，然 后翻译成几条功能相关的蛋白质多肽链，故称之为多顺 反子(polycistron)。
3.基因组中重复序列很少 4.结构基因多为单拷贝 5.基因是连续的
细菌的结构基因中没有内含子(intron)成分，即 基因序列是连续的。
染色体DNA八大特点
（一）真核生物基因组特点
1.真核生物基因组DNA都是双链线状且往往不是一条
配子为单倍体，体细胞一般含两份同源的基因组。
2.大多数真核生物的结构基因组为断裂基因，并 受一系列顺式作用元件的调控 3.结构基因的转录产物为单顺反子

与原核生物不同，真核基因转录产物为单顺反子， 即一个编码基因转录生成一个mRNA分子，翻译生成一 条多肽链。
小分子RNA基因
还有一类不称为基因的DNA序列，它们是不转录的 DNA区段，但对基因起调控作用，如启动子和增强子等。
二、基因的结构与功能
（一）基因的结构
原核生物：
调控区 多个功能相关的结构基因串联在一起构成一 个转录单位，依赖同一调控序列对其进行转 录调节，使这些相关基因实现协调表达。 信息区
5 PPP
源自文库3 5
﹡AATAAA
GTGTGTG
RNA-pol
转录终止的修饰点
2)反式作用因子(trans-acting factor) 由某一基因表达产生的蛋白质因子，通 过与另一基因的特异的顺式作用元件相 互作用，调节其表达。这种调节作用称 为反式作用。 还有蛋白质因子可特异识别、结合自身 基因的调节序列 ， 调节自身基因的表达， 称顺式作用。
（对应三种RNA聚合酶）
① Ⅰ类启动子：富含GC碱基对，主要启动rRNA基因的转录。
②Ⅱ类启动子：通常由TATA盒、几个上游启动子元件和转 录起始点组成。主要启动蛋白质和一些小RNA基因的转录。
③ Ⅲ类启动子：主要启动tRNA基因、5SRNA基因和 U6snRNA基因等RNA基因的转录。
② 增强子(enhancer)
③ 沉默子(silencer) 某些基因的负性调节元件，当其结合特异 蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。 有时,同一DNA元件可以既有增强子活 性又有沉默子活性,这取决于与之结合的蛋 白质性质.
④ 终止子 —— 和转录后修饰密切相关。
AAAAAAA· · · · · · 3
mRNA
5’加帽 3加尾 核酸酶 5 3
核蛋白体组分 转运氨基酸 成熟mRNA的前体
mt mRNA 蛋白质合成模板
参与hnRNA的剪接、转运 rRNA的加工、修饰 蛋白质内质网定位合成 的信号识别体的组分
蛋白质生物合成(翻译)反应过程:
氨基酸的活化 肽链的生物合成
起 始 延 长 终 止
肽链形成后的加工和靶向输送
组蛋白乙酰化
DNA水平
一、原核生物基因组
特点
1.基因组通常仅由一条环状双链DNA分子组成 总长为4.2×106个bp，完全伸展开，其长度约 136mm，为菌体长度的1000倍。不形成染色体结 构，只有一个复制起点。
大肠杆菌约有3500个基因，已经定位1000多个，
有些基因的DNA序列也已测定。
一般的原核生物基因组都在106水平上，比病毒
启动子图示:
-25bp
内 含 子
结构基因
修饰点
切离加尾
AATAAA 最简单 启动子
翻译起始点 转录起始点 TATA盒(II)
外显子 转录终止点
增强子 OCT-1 GC盒(I)
TFⅡD（转录起始的准确性及频率）
启动子的 核心序列
CAAT盒
OCT-1：ATTTGCAT八聚体
上游启动子元件
真核生物主要有三类启动子：
第一篇
药学分子生物学基础
生物化学与分子生物学教研室 张尤新
第一章 基因与基因组
第一节
基 因
一、基因的概念及分类
(一)基因的概念
是储存特定遗传信息的DNA片段。 调节区
其他功能序列
转录区
﹡
转录区 调节区
编码区 （ RNA 、蛋白质） 非编码区
其结构为
是RNA序列和蛋白质多肽链顺序相关遗传信息的基本 形式，以及表达这些信息所需要的全部核苷酸序列。
指远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异
性、增强启动子转录活性的DNA序列。
-25bp
结构基因
AATAAA
翻译起始点 转录起始点 增强子 TATA盒 OCT-1 GC盒 CAAT盒
特点
内 含 子
外显子 转录终止点
增强效应明显,与方向、距离无关 大多为重复序列,组织和细胞特异性 没有基因特异性,受外部信号的调控 活性与其在DNA双螺旋结构中 的空间方向性有关.
• 1944年，Avery通过实验证实
基因的化学本质是DNA。
1953年 Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构。
显示了DNA的空间结构，揭示了DNA分子具有自我复制功能。
1958年 Crick证明了生物遗传的中心法则。
转 录
复 制
翻 译
DNA
RNA
蛋白质
1961年 Crick又提出了遗传密码（66年）
A
B
C
非编码区
D
编码区 A、B、C、D
1.外显子(exon)和内含子(intron) • 外显子（编码区） 在断裂基因及其初级转录产物上出现，并 表达为成熟RNA的核酸序列。 •内含子（非编码区） 隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除 去的核酸序列。 外显子--内含子接头（边界序列）： 5 GT......AG 3
调控在各个水平上
基因激活
DNA去甲基化 对核酸酶敏感
转录水平
翻译水平
﹡ 转录起始
转录后加工
蛋白质翻译 mRNA 翻译后加工修饰
（三）基因突变与疾病
1.单基因病 2.线粒体遗传病 3.多基因病 4. 基因诊断与治疗
（1）基因诊断：
基因诊断(genetic diagnosis)是利用分 子生物学及分子遗传的技术和原理，在
调控序列
3
蛋白质
这样一个多顺反子转录单位与其调控序列即构成操纵子。
﹡
原核基因的协调表达就是通过调控同一启动基因的活性来实现的。
真核生物：
断裂基因(splite gene):* 真核生物结构基因，由若干个编码区和非 编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非 编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成 的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。
DNA 水平分析、鉴定遗传疾病所涉及基
因的置换、缺失或插入等突变。又称 DNA诊断 。
基本过程： 分离、扩增待测的DNA片断 区分或鉴定DNA的异常 基因探针 组织和分化阶段表达特异性的基 因及异常进行检测和诊断
（2）基因治疗
定义 基因治疗(gene therapy)是向有功能缺 陷的细胞补充相应功能的基因，以纠正或补
3 5
第一个外显子的 第一个碱基为+1
下游 3
编码序列
转录开始
5
0不用于标记碱基位置
1)真核生物的顺式作用元件： ① 启动子
② 增强子
③ 沉默子 ④ 终止子
① 启动子
（启动子具有方向性，启动子本身通常不被转录。）
真核基因启动子是 RNA 聚合酶结合位
点周围的一组转录控制组件，至少包括一
个转录起始点以及一个以上的功能组件。 功能组件 TATA盒 GC盒 CAAT盒
编码组蛋白的基因是一例外，无内含子。
编码rRNA和个别tRNA的结构基因也都含有内含子。
2. 调控序列 （启动子、增强子、终止子） 顺式作用元件
（DNA序列）
顺式调节（同一个DNA分子中）
-25bp
内 含 结构基因 子
修饰点
切离加尾
AATAAA
翻译起始点 转录起始点 增强子 TATA盒(II) OCT-1 GC盒(I) CAAT盒
启动子的 核心序列
外显子 转录终止点
OCT-1：ATTTGCAT八聚体
上游启动子元件
DNA
a
A
反式调节
B
mRNA 蛋白质A C
A
反式作用因子
c
DNA mRNA
顺式调节
C 顺式作用蛋白 蛋白质C
RNA聚合酶保护区 结构基因
5 3 5 3 调控序列
上游
-50 -40 -30 -20 -10 1 10 σ
按功能和性质分
1. 编码蛋白质的基因 2. 编码RNA的基因
1.编码蛋白质的基因
⑴结构基因
(在双链DNA中转录出RNA的区段)
﹡ 转录方向
模板链 编码链
5
编码链 模板链
3 5
3
转录方向
⑵调节基因
可转录成mRNA，翻译成阻遏蛋白或激活蛋白， 从而调控其他基因的活性
2. 编码RNA的基因
rRNA基因 tRNA基因 核酶基因 （酶的功能） （调节基因表达）