分子生物学Chapter 2 基因概念的演变与发展
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Chapter 2 基因概念的演变与发展
2.5 基因概念的多样性
2.5.1 生物进化的C值矛盾 （C value paradox）
Maximun C Value（C值）：
某生物物种单倍体基因组DNA的总量。 The total of DNA in the genome of haploid（单倍体） is a characteristic of each living species known as its Maximun C Value.
单拷贝；
<10 拷贝； 大多数的编码蛋白质的结构基因。
Ⅱ。中度重复序列
Mid-frequency repetitive sequence
特征：
重复单位 0.1~1Kb 10~10，000 copies/genome
C0t: 0.001~0.1
rDNA基因家族
例子：
Alu序列家族
并非所有真核生物基因均是间隔基因：
组蛋白基因家族成员
干扰素基因 酵母的大多数基因
间隔基因形成的假说
内含子先存论（Intron early）：
内含子存在于古老的基因中，是基因的一部分；所
有基因均起源于原本就具有间隔结构的DNA分子。
原核生物的基因组小，“无功能”的内含子成为快 速复制的包袱，在进化过程中被丢弃.
能
大多数内含子无选择压力，易变异；其突变不影响基因产 物的功能 （也有例外：突变内含子影响转录后的剪接加工）
间隔基因概念的相对性
内含子也有编码功能：
酵母Cytb基因的内含子2编码成熟酶
一些内含子编码小分子RNA，调控目标基因的转录和加工
外显子在某些情况下也没有编码功能：
人尿激酶原基因的外显子1
基因组逐渐扩增 C值逐渐增大
同一生物类别中：C值差异很大
矛盾：
有些进化上更高层次的生物类别的C值比低层次的生物的 小：某些哺乳动物的C值 < 两栖类的C值
C值与c值的矛盾：
人类: c值 / C 值 = 10%
C值 = 3*109 bp → 可编码40~50万基因 c值 = 3~4万基因，相当于3*108 bp 90%的序列的功能是什么？
2.5.4
间 隔 基 因
Interrupted Gene / Splitting Gene
由若干外显子和内含子序列相间隔排列组成的 外显子：
DNA上与成熟mRNA上对应 的核苷酸区段
内含子：
结构基因中能够可转录但在 mRNA出数之前被剪接掉的 核苷酸区段。
结构基因的编码区
非间隔区
非编码区 间隔区
基因组DNA 酶切产物电泳
基因组上的卵清蛋白基因被切断！
Vs.
cDNA上确实没有EcoRⅠ和 HindⅢ的识别位点。
？
另一个实验：1977，Sharp group Roberts group
腺病毒2中的Hexon cp基因 的mRNA分子是由长而不连续的 DNA转录而来，其5’端来自基因 上的几个小片段的转录！
担子菌、烟蚜夜蛾、秀丽新小杆线虫：7 introns 9种动物、5种植物、5种真菌、5种原生动物：21 introns 符合随机插入的理论
间隔序列的进化意义
增加变异概率，有利于进化
内含子不受选择压力，有利于累积突变，增加总变异量
内含子较长，易于进行基因间重组，增加外显子重新组合的概率
与外显子变异相比，有利于物种的稳定性
累积突变，整体进化
Ⅲ。 高度重复序列
High-frequency repetitive sequence
特征：
长度：2~10bp 105~106 copies/genome
C0t: < 0.001
串联排列 分布于着丝点，端粒区，结构基因
的两侧
例子：
卫星DNA
小鼠基因组的密度梯度离心
与鸡卵清蛋白cDNA 杂交 （无EcoRⅠ和 HindⅢ 识别位点）
预期结果
基因组上的卵清蛋白基因 由于没有EcoRⅠ和 HindⅢ的 切点，因此该基因不被切断， 管状细胞DNA 红细胞DNA 而是以一个完整的基因序列被 电泳，得到一条电泳带。点样孔
实际结果
管状细胞DNA
点样孔
红细胞DNA
基因组DNA 酶切产物电泳
Transcription
Splice
唾液腺
Splice 肝脏
一篇最新报道： 《PloS遗传学》： 科学家首次发现无功能性基因“复活”
图片说明：IRGM基因似乎在约2000万 年前复活，重新发挥作用。 （图片来源：Punchstock） 美国、西班牙、德国和意大利科学家近日研究了一个克罗恩氏病相关
2.5.3 重复序列 （Repetitive Sequence）
重复序列的种类：根据重复频率分
I. 单拷贝序列
II. 中度重复序列 III. 高度重复序列
Ⅰ。 单拷贝序列 Non-repetitious sequence
Low-frequency repetitious sequence
的两侧
不编码 （？） 无选择压力：易变异，累积突变
重复序列形成的假说 1。滚环扩增-突变
重复序列形成的假说 2。反转座插入
重复序列形成的假说: 3。跳跃复制
小鼠中的跳跃复制
重复序列形成的假说 4。不等交换假说
部 分 B
―序列重复”引起的思考：
低等真核生物 10%~20% 高等植物 80% 高等动物 50%
insert 假基因
2.5.6
Gene Jumping / Transposon 基因跳跃/转座子
Transposon: One DNA segment that can move from one genomic site to another.
Berget, Susan M. ,Moore, Chaire, and Sharp,Phillip. PNAS 74:3173, 1977
1977，Chambon 对鸡的实验结果的解释和验证
鸡DNA上的卵清蛋白基因：与腺病毒2的Hexon cp基因类似，
编码序列（在成熟mRNA上出现的序列）之间有间隔，没有出现在
主带：92%；42%GC
卫星带：34%GC；“CAAAAATGA‖
Ⅲ。 高度重复序列
High-frequency repetitive sequence
特征：
长度：2~10bp 105~106 copies/genome
C0t: < 0.001
串联排列 分布于着丝点，端粒区，结构基因
间隔基因普遍存在
大多数基因是间隔基因：结构基因，tDNA, rDNA 间隔基因存在于真核生物中，也存在于原核生物中 也存在于某些低等真核生物的线粒体和叶绿体中
间隔基因的共同特征
基因上的外显子排列顺序与成熟mRNA上的排列顺序一致
间隔基因在不同组织细胞中的内含子成分一致
核基因的阅读框通常被内含子隔开，内含子一般无编码功
外显子变异：蛋白质序列、结构变异，受到选择压力，要不淘汰
要不保留 内含子变异：不影响蛋白质功能，不影响物种遗传稳定性，不被 清除而保留下来
扩大遗传信息储量：外显子与内含子区分的相对性 利用内含子进行基因表达调节：酵母Cyt b基因内含子切除的
调节机制
外显子与内含子区分的相对性
S L 2 3
disablement, most commonly through disruptive frameshift mutation or premature stop codon formation。
假基因
加工型假基因
Arising from reverse transcription from messenger RNA (mRNA) and re-integration into the genomic DNA.
排列在核仁组织区，又称主 体rDNA
不同的物种的基因组中，其 拷贝数有所差异
在发育过程中随着生理、发 育的需要发生不同程度的扩增
水杉：1434 copies（但不同群体间有 差异）
灵长类特有的Alu序列家族
人类基因组中：
弥散性的分布； 约500，000 copies； 占基因组5%~6%；
鸡
鼠
存在于鸡胰岛素基因中 的第2个内含子，在鼠胰岛素 基因中丢失。
黑曲霉
玉米 鸡
在3个进化程度不同的物 种中，在TPI基因的相同位置 保留了同样的内含子，但是 进化程度高的物种保留的内 含子更多。
内含子后生论（Intron late）
原始基因的编码区无间隔DNA序列，内含子实在 后期进化的过程中随机插入到基因组中，形成间 隔基因。 果蝇Cyt C基因：无intron 人Cyt C基因：有intron 有intron的基因是 进化的高级形式。
失去正常功能的突变多肽 突变的短肽
不能转录的基因序列
Structural Mutation 基因结构的突变:
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
阅读框位移
内部出现终止密码
没有正常的调控序列 剪接位点的突变
假基因种类及其形成
功能基因累积突变型
Arising from duplication in the genomic DNA and subsequent
rDNA 基 因 家 族
(编码3种rRNA)
18s-5.8s-28s 18s-5.8s-28s 18s-5.8s-28s
海胆：450 copies 果蝇：100 copies 烟草：750 copies 非洲爪蟾卵母细胞：500 copies（可 扩增至2000 copies ）
18s-5.8s-28s
降钙素基因的选择性加尾
1 2 3 4
AATAAA
5
6
AATAAA
降钙素
降钙素相关蛋白
基因重叠的生物学意义
原核生物生物进化的经济原则
较少的基因组含量（C值小）编码大量的基因； 基因表达调控—同一调控序列调控不同基因的表达。
遗传信息量的估算 丰富和发展了基因的概念
部分解释了 “C值 ≠c值” 的矛盾
成熟mRNA上出现。而EcoRⅠ和 HindⅢ的识别位点正好位于这些 间隔区其中的两个里，因此EcoRⅠ和 HindⅢ 可将卵清蛋白基因
切成3段，电泳得到3条不同大小的带。
点样孔
酶 切
杂 交
鸡DNA
卵清蛋白基因被 切断成3个片段
基因组DNA 酶切产物电泳
1977，Chambon 对鸡的实验结果的解释和验证
基因后发现，这种基因在4000万年前失去功能之后，又于2000万年
前“复活”。相关论文已于3月6日发表在《公共科学图书馆•遗传学》 （PLoS Genetics ）上。
2.5.5 假 基 因（Pseudogene）
正常基因的失去功能的非等位拷贝。
Functional Mutation 功能上的突变:
重复序列的功能？
编码 进化潜力
玉米基因组 〉5×水稻基因组
小麦基因组 〉40×水稻基因组
然而， 他们之间的基因组成、排列惊人相似， 差异却大量存在于重复序列之中
换一个话题……
一个实验：1977，Chambon
鸡
鸡管状细胞DNA 鸡红细胞DNA
EcoRⅠ和 HindⅢ
点样孔
基因组DNA酶切 产物电泳
QβRNA病毒：IP gene vs. CP gene 同向；终止密码漏读
外壳蛋白
侵染蛋白
2.5.2 基 因 重 叠 Gene Overlapping
不同基因共用同一段DNA序列
重叠基因的种类
反向重叠
（原核生物基因组）
（线粒体基因组）
同向重叠
（原核生物基因组）
可变剪接
（真核生物中的基因重叠）
Minimun c Value（c值）：
所有含基因编码信息的DNA总量。 The total amount of DNA for encoding the genes information
is termed its Minimun C Value.
高等真核生物
低等真核生物 原核生物
低等生物→高等生物；原核生物→真核生物
DR IR
Alu Ⅰ识别位点 AGCT
IR DR
平均每6，000bp就有一个 重复。
300bp，1 copy of Alu family
成员之间 87%以上的同源性
中度重复序列的特征
拷贝数多
重复成员之间序列相同或相似
束状串联（Cluster gene / Tandem gene） 功能相同
Ф X174: 实际C值 < 理论c值
C值 = 5387 bp c值 = 按其功能基因（11个）计算，需22000 bp 如此小的基因组如何编码如此多的基因？
Gene overlapping in ØX174 phage genome
ФX174 噬菌体：A gene vs. B gene 同向；不同的阅读框—选择不同的起始密码或终止密码
2.5 基因概念的多样性
2.5.1 生物进化的C值矛盾 （C value paradox）
Maximun C Value（C值）：
某生物物种单倍体基因组DNA的总量。 The total of DNA in the genome of haploid（单倍体） is a characteristic of each living species known as its Maximun C Value.
单拷贝；
<10 拷贝； 大多数的编码蛋白质的结构基因。
Ⅱ。中度重复序列
Mid-frequency repetitive sequence
特征：
重复单位 0.1~1Kb 10~10，000 copies/genome
C0t: 0.001~0.1
rDNA基因家族
例子：
Alu序列家族
并非所有真核生物基因均是间隔基因：
组蛋白基因家族成员
干扰素基因 酵母的大多数基因
间隔基因形成的假说
内含子先存论（Intron early）：
内含子存在于古老的基因中，是基因的一部分；所
有基因均起源于原本就具有间隔结构的DNA分子。
原核生物的基因组小，“无功能”的内含子成为快 速复制的包袱，在进化过程中被丢弃.
能
大多数内含子无选择压力，易变异；其突变不影响基因产 物的功能 （也有例外：突变内含子影响转录后的剪接加工）
间隔基因概念的相对性
内含子也有编码功能：
酵母Cytb基因的内含子2编码成熟酶
一些内含子编码小分子RNA，调控目标基因的转录和加工
外显子在某些情况下也没有编码功能：
人尿激酶原基因的外显子1
基因组逐渐扩增 C值逐渐增大
同一生物类别中：C值差异很大
矛盾：
有些进化上更高层次的生物类别的C值比低层次的生物的 小：某些哺乳动物的C值 < 两栖类的C值
C值与c值的矛盾：
人类: c值 / C 值 = 10%
C值 = 3*109 bp → 可编码40~50万基因 c值 = 3~4万基因，相当于3*108 bp 90%的序列的功能是什么？
2.5.4
间 隔 基 因
Interrupted Gene / Splitting Gene
由若干外显子和内含子序列相间隔排列组成的 外显子：
DNA上与成熟mRNA上对应 的核苷酸区段
内含子：
结构基因中能够可转录但在 mRNA出数之前被剪接掉的 核苷酸区段。
结构基因的编码区
非间隔区
非编码区 间隔区
基因组DNA 酶切产物电泳
基因组上的卵清蛋白基因被切断！
Vs.
cDNA上确实没有EcoRⅠ和 HindⅢ的识别位点。
？
另一个实验：1977，Sharp group Roberts group
腺病毒2中的Hexon cp基因 的mRNA分子是由长而不连续的 DNA转录而来，其5’端来自基因 上的几个小片段的转录！
担子菌、烟蚜夜蛾、秀丽新小杆线虫：7 introns 9种动物、5种植物、5种真菌、5种原生动物：21 introns 符合随机插入的理论
间隔序列的进化意义
增加变异概率，有利于进化
内含子不受选择压力，有利于累积突变，增加总变异量
内含子较长，易于进行基因间重组，增加外显子重新组合的概率
与外显子变异相比，有利于物种的稳定性
累积突变，整体进化
Ⅲ。 高度重复序列
High-frequency repetitive sequence
特征：
长度：2~10bp 105~106 copies/genome
C0t: < 0.001
串联排列 分布于着丝点，端粒区，结构基因
的两侧
例子：
卫星DNA
小鼠基因组的密度梯度离心
与鸡卵清蛋白cDNA 杂交 （无EcoRⅠ和 HindⅢ 识别位点）
预期结果
基因组上的卵清蛋白基因 由于没有EcoRⅠ和 HindⅢ的 切点，因此该基因不被切断， 管状细胞DNA 红细胞DNA 而是以一个完整的基因序列被 电泳，得到一条电泳带。点样孔
实际结果
管状细胞DNA
点样孔
红细胞DNA
基因组DNA 酶切产物电泳
Transcription
Splice
唾液腺
Splice 肝脏
一篇最新报道： 《PloS遗传学》： 科学家首次发现无功能性基因“复活”
图片说明：IRGM基因似乎在约2000万 年前复活，重新发挥作用。 （图片来源：Punchstock） 美国、西班牙、德国和意大利科学家近日研究了一个克罗恩氏病相关
2.5.3 重复序列 （Repetitive Sequence）
重复序列的种类：根据重复频率分
I. 单拷贝序列
II. 中度重复序列 III. 高度重复序列
Ⅰ。 单拷贝序列 Non-repetitious sequence
Low-frequency repetitious sequence
的两侧
不编码 （？） 无选择压力：易变异，累积突变
重复序列形成的假说 1。滚环扩增-突变
重复序列形成的假说 2。反转座插入
重复序列形成的假说: 3。跳跃复制
小鼠中的跳跃复制
重复序列形成的假说 4。不等交换假说
部 分 B
―序列重复”引起的思考：
低等真核生物 10%~20% 高等植物 80% 高等动物 50%
insert 假基因
2.5.6
Gene Jumping / Transposon 基因跳跃/转座子
Transposon: One DNA segment that can move from one genomic site to another.
Berget, Susan M. ,Moore, Chaire, and Sharp,Phillip. PNAS 74:3173, 1977
1977，Chambon 对鸡的实验结果的解释和验证
鸡DNA上的卵清蛋白基因：与腺病毒2的Hexon cp基因类似，
编码序列（在成熟mRNA上出现的序列）之间有间隔，没有出现在
主带：92%；42%GC
卫星带：34%GC；“CAAAAATGA‖
Ⅲ。 高度重复序列
High-frequency repetitive sequence
特征：
长度：2~10bp 105~106 copies/genome
C0t: < 0.001
串联排列 分布于着丝点，端粒区，结构基因
间隔基因普遍存在
大多数基因是间隔基因：结构基因，tDNA, rDNA 间隔基因存在于真核生物中，也存在于原核生物中 也存在于某些低等真核生物的线粒体和叶绿体中
间隔基因的共同特征
基因上的外显子排列顺序与成熟mRNA上的排列顺序一致
间隔基因在不同组织细胞中的内含子成分一致
核基因的阅读框通常被内含子隔开，内含子一般无编码功
外显子变异：蛋白质序列、结构变异，受到选择压力，要不淘汰
要不保留 内含子变异：不影响蛋白质功能，不影响物种遗传稳定性，不被 清除而保留下来
扩大遗传信息储量：外显子与内含子区分的相对性 利用内含子进行基因表达调节：酵母Cyt b基因内含子切除的
调节机制
外显子与内含子区分的相对性
S L 2 3
disablement, most commonly through disruptive frameshift mutation or premature stop codon formation。
假基因
加工型假基因
Arising from reverse transcription from messenger RNA (mRNA) and re-integration into the genomic DNA.
排列在核仁组织区，又称主 体rDNA
不同的物种的基因组中，其 拷贝数有所差异
在发育过程中随着生理、发 育的需要发生不同程度的扩增
水杉：1434 copies（但不同群体间有 差异）
灵长类特有的Alu序列家族
人类基因组中：
弥散性的分布； 约500，000 copies； 占基因组5%~6%；
鸡
鼠
存在于鸡胰岛素基因中 的第2个内含子，在鼠胰岛素 基因中丢失。
黑曲霉
玉米 鸡
在3个进化程度不同的物 种中，在TPI基因的相同位置 保留了同样的内含子，但是 进化程度高的物种保留的内 含子更多。
内含子后生论（Intron late）
原始基因的编码区无间隔DNA序列，内含子实在 后期进化的过程中随机插入到基因组中，形成间 隔基因。 果蝇Cyt C基因：无intron 人Cyt C基因：有intron 有intron的基因是 进化的高级形式。
失去正常功能的突变多肽 突变的短肽
不能转录的基因序列
Structural Mutation 基因结构的突变:
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
阅读框位移
内部出现终止密码
没有正常的调控序列 剪接位点的突变
假基因种类及其形成
功能基因累积突变型
Arising from duplication in the genomic DNA and subsequent
rDNA 基 因 家 族
(编码3种rRNA)
18s-5.8s-28s 18s-5.8s-28s 18s-5.8s-28s
海胆：450 copies 果蝇：100 copies 烟草：750 copies 非洲爪蟾卵母细胞：500 copies（可 扩增至2000 copies ）
18s-5.8s-28s
降钙素基因的选择性加尾
1 2 3 4
AATAAA
5
6
AATAAA
降钙素
降钙素相关蛋白
基因重叠的生物学意义
原核生物生物进化的经济原则
较少的基因组含量（C值小）编码大量的基因； 基因表达调控—同一调控序列调控不同基因的表达。
遗传信息量的估算 丰富和发展了基因的概念
部分解释了 “C值 ≠c值” 的矛盾
成熟mRNA上出现。而EcoRⅠ和 HindⅢ的识别位点正好位于这些 间隔区其中的两个里，因此EcoRⅠ和 HindⅢ 可将卵清蛋白基因
切成3段，电泳得到3条不同大小的带。
点样孔
酶 切
杂 交
鸡DNA
卵清蛋白基因被 切断成3个片段
基因组DNA 酶切产物电泳
1977，Chambon 对鸡的实验结果的解释和验证
基因后发现，这种基因在4000万年前失去功能之后，又于2000万年
前“复活”。相关论文已于3月6日发表在《公共科学图书馆•遗传学》 （PLoS Genetics ）上。
2.5.5 假 基 因（Pseudogene）
正常基因的失去功能的非等位拷贝。
Functional Mutation 功能上的突变:
重复序列的功能？
编码 进化潜力
玉米基因组 〉5×水稻基因组
小麦基因组 〉40×水稻基因组
然而， 他们之间的基因组成、排列惊人相似， 差异却大量存在于重复序列之中
换一个话题……
一个实验：1977，Chambon
鸡
鸡管状细胞DNA 鸡红细胞DNA
EcoRⅠ和 HindⅢ
点样孔
基因组DNA酶切 产物电泳
QβRNA病毒：IP gene vs. CP gene 同向；终止密码漏读
外壳蛋白
侵染蛋白
2.5.2 基 因 重 叠 Gene Overlapping
不同基因共用同一段DNA序列
重叠基因的种类
反向重叠
（原核生物基因组）
（线粒体基因组）
同向重叠
（原核生物基因组）
可变剪接
（真核生物中的基因重叠）
Minimun c Value（c值）：
所有含基因编码信息的DNA总量。 The total amount of DNA for encoding the genes information
is termed its Minimun C Value.
高等真核生物
低等真核生物 原核生物
低等生物→高等生物；原核生物→真核生物
DR IR
Alu Ⅰ识别位点 AGCT
IR DR
平均每6，000bp就有一个 重复。
300bp，1 copy of Alu family
成员之间 87%以上的同源性
中度重复序列的特征
拷贝数多
重复成员之间序列相同或相似
束状串联（Cluster gene / Tandem gene） 功能相同
Ф X174: 实际C值 < 理论c值
C值 = 5387 bp c值 = 按其功能基因（11个）计算，需22000 bp 如此小的基因组如何编码如此多的基因？
Gene overlapping in ØX174 phage genome
ФX174 噬菌体：A gene vs. B gene 同向；不同的阅读框—选择不同的起始密码或终止密码