3第三章 基因与基因组的结构和功能

(七)基因常常成簇排列，没有间隔序列或间隔序列很小。功 能相关蛋白质基因在基因组的1个或几个特定部位，丛集成 簇被转录成多顺反子，然后加工成各种蛋白质的mRNA模板。 如腺病毒晚期基因。 (八)不规则的结构基因 1.几个结构基因的编码区不规则，因此有些结构基因无翻译 起始序列。 2.有的mRNA（=gene）没有5’帽子，但有翻译增强子。 (九)DNA或RNA 1种病毒基因组只是1种核酸。
（三）连续的和不连续的基因 病毒基因结构特征往往与其 宿主细胞基因结构相似。 原核病毒（如噬菌体）基因是连续的，没有内含子； 真核病毒（如多瘤病毒）基因是不连续的，有内含子。 有意思的是，有些真核病毒的内含子或其中的一部分对 某一基因来说是内含子，对另一基因却是外显子。 如SV40和多瘤病毒的早期区域就是这样的。 除了（+）RNA病毒外，真核病毒基因都是先转成mRNA前 体，再经过剪接等步骤能成为成熟的mRNA.
存在重叠基因 Sanger在x174噬菌体DNA的全部序列后发现了重 叠基因现象。发现其中的9个基因是重叠的。 a) 一个基因完全在另一个基因里面，如基因B 在基因A里面，基因E在基因D内。 b)部分重叠，基因K和基因C部分重叠 c)两个基因只有一个碱基对的重叠，如D基因的 终止密码子的最后一个碱基是J基因起始密码子 的第一个碱基。 基因之间的间隔区很小
腺病毒基因组
腺病毒是一种无外壳的双链DNA病毒，基因组长约 36kb， 由于每条DNA链的5’-端同相对分子质量为55X103Da 的蛋白质分子共价结合，可以出现双链DNA的环状结 构。人体腺病毒已知有33种，分别命名为adl～ad33 人类腺病毒基因组包括早期基因E1A、E1B、E2A、 E2B、E3和E4 以及晚期基因L1、L2、L3、L4和L5 早期基因在病毒感染后的复制前开始转录。 腺病毒DNA可以整合到感染细胞或转化的细胞DNA 中，在腺病毒感染许可性的人类细胞时，病毒DNA与 宿主细胞DNA也可以发生重组。
几种病毒基因组
SV40病毒基因组
SV40（simian sarcom avirus40 猴肉瘤病毒)属乳 多空病毒类，是最小的DNA病毒之一。它可长期潜伏于猴肾 细胞，对新生仓鼠有致癌性，体外试验还可使多种属细胞 恶性转化。
1、基因组结构特点 （1）双链环状DNA分子、MW3×103KD，长5243bp,与4种组蛋 分子、 白（H2A、H2B、H3及H4）综合，与真核染色质区别在于不含H1。 （2）基因组由早期基因、调控区和晚期基因构成。 ）基因组由早期基因、调控区和晚期基因构成 ①早期基因含有2个重叠基因，编码T和t（T=tumor)抗原 ②晚期基因含3个重叠基因，编码VP1（主），VP2和VP3 （次）3种衣壳蛋白 ③调控区位早、晚期基因之间，长约400bp包括复制起 点，启动子和增强子，可调节基因组的复制及早、晚期基因的 转录。
（二）病毒有（十）链RNA和（一）链RNA之分。 （十）RNA病毒 概念 极性和mRNA极性相同， 碱基顺序也相同。 （一）RNA 与mRNA极性相反或与（十）RNA 互补的RNA。 必须依赖 RNA的RNA pol合成（十） RNA（mRNA） 才能翻译出 病毒蛋白质。
作用 1.作为模板（与mRNA一样） 翻译出病毒多肽或蛋白质。 2.作为模板，合成（一）RNA， 可以以（一）RNA为模板 合成子代病毒RNA。 3.作为模板合成cDNA. （即以mRNA为模板反转录合成DNA）。
噬菌体基因组
λ噬菌体长48502nt，共46个基因，其 中32个较为重要的基因。 整个基因组分为5个区域：头部基因、 尾部基因、调控区、复制控制区和晚 期基因调控区。 溶原化周期 (LYSOGENIC ) 裂解周期(LYTIC)
λ噬菌体的早，晚期转录
R3
R2 R1 PROR cro nutR tR1 att int Pi xis cⅢ tL1 N nutL
L1 L2
R5 cⅡOP tR2 Q tR3 R4 PR’qnt tR4S R A W
PLOL cⅠPRM
PRE
PAQ
图 17- λ噬菌体的启动子和不同时期的转录
øx174噬菌体
øx174噬菌体基因组是单链环状DNA，含有 5385个核苷酸，共11个基因。不转录部分为 4%(217/5386), 这些不转录的部分通常是控制 基因表达的序列。 11个基因构成了3个转录单元
基因的基本结构
5’……..AGCCGACTATGTCGAAGCTT…………..GCTTGACTATAAGACA……..3’ 3’……..TCGGCTGATACAGCTTCTAA…………..CGAACTGATATTCTGT……..5’ 转录调控区 贮存RNA或蛋白质结构信息区 转录终止区
基因与DNA分子的关系 基因与多肽链的关系
生物的复杂性与基因组内的基因数量有关 进化程度越高，基因组越复杂。 基因组DNA排列着基因，形成该生物特定的 有规律的基因组结构。因此，基因组是一 种生物全部遗传物质的总和。 由于细胞线粒体中还有一小套线粒体基因 组，相对与线粒体基因组，细胞核内的基 因组则称为核基因组。
基因及基因组的大小与C值悖理
3、病毒基因组的复制及基因表达调控 T抗原控制病毒的复制，启动晚期基因转录。 抗原控制病毒的复制，启动晚期基因转录 （1）早期基因T及t的表达受T抗原的反馈阻遇，表现一 种自我调节作用。 （2）晚期基因表达需要T抗原及SV40DNA本身的复制。 一般过程是，感染早期合成T、t抗原→T-方面抑制早 期mRNA进一步合成；另一方激活多种与DNA复制有关的酶， 引发病毒的复制→进而推动晚期RNA的合成，产生Vp蛋白 （12h)→V-DNA+VP123→病毒颗粒。
第三章 基因组的 结构和功能
内 容
基因的概念 基因组 病毒及其基因组 细菌基因组 真核生物基因组
3.1 基因的概念
基因（gene） 是原核、真核生物以及病毒的DNA和RNA分子中具有遗传效应的 核苷酸序列，是遗传的基本单位和突变单位以及控制性状的功 能单位。 从生物化学上来说指的是一段DNA或RNA（病毒）顺序，该顺序 可以产生或影响某种表型，可以由于突变生成等位基因变异体。 从遗传学上来说代表1个遗传单位、1个功能ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ位、1个交换单 位或1个突变单位。
2、SV40病毒基因的表达 （1）启动子位于调控区复制起点上游，其中含有RNA polII ）启动子位于调控区复制起点上游 识别位点位于-21-26bp之间的TATA盒可启动RNA转录起始准确位 转录 置，一般不相差10个核苷酸。 （2）增强子 在106-250位是2个串联的含有72bp的完全重 复顺序，即为增强子，能增强SV40及异源基因的表达。 及异源基因的表达 （3）早期基因转录的mRNA前体选择剪接形成不同的mRNA （TmRNA、t-mRNA)
二.病毒基因组结构功能特点 （一）病毒核酸可以是ssDNA、dsDNA或RNA分子，分子结构有发 分子 夹、环状、线型、节段型。以SSDNA,dsRNA最为突出。 （二）基因重叠 即同一段基因可以编码2种或以上的基因产 物这种现象在其它生物细胞仅见于线粒体和质体DNA.所以是病 毒核酸较为独特结构能使小小病毒携带较多的遗传信息，原因 是病毒基因阅读框可以错位（SV40）。
(四)节段性基因 大部分病毒核酸都是由一条双链或单链 构成，少数病毒核酸由数个片段构成。这类病毒一般是RNA病 毒。如flu-v由6-7个片段构成，各段在天然状态下不连接， 而且可以转录成6-7个片段相应的 mRNA。单独的片段没有感 染性，感染要一起感染才发挥作用。 (五)除了retro-v外，所有的病毒基因都是单倍体基因。即每 个基因在某个病毒颗粒中只出现一次，即只有1套基因。 (六)编码区>非编码区（95%/5%）。病毒核酸大多数顺序都用 ）。 来编码蛋白质。
病毒核酸与所有的原、真核生物的核酸组比 较，最为突出的特点是每种病毒颗粒只含1种核 酸，或DNA或RNA，两者不共存于1种病毒颗粒中， 据此，病毒可以分成两组，即DNA病毒和RNA病毒。 病毒核酸分子量大小：RNA病毒小106-107D， DNA病毒大；107-108D 基因数：3-几百个
一切烈性病毒（virulent virus）都具备以下几个时相的生活周期： （1）吸附；（2）核酸进入细胞；（3）转录、翻译和复制；（4）病毒 颗粒成熟；（5）释放病毒颗粒。 典型的生活周期为6-48小时，噬菌体为20-60分钟。 病毒对细胞功能的干予，最典型的是噬菌体（phage），当其入菌、 RNA转录，蛋白质合成，能量代谢等都停顿下来转变成合成病毒的机器。 变成合成病毒的机器 有些动物病毒也有类似的情况，但非普通规律。相对而言，动物病毒和 宿主细胞可以共存一段时间至病毒生活周期的后期才造成宿主细胞的严 重损害，这些损害有如下3个类型： （1）抑制宿主RNA和DNA的合成。 （2）核糖体合成受损。 （3）蛋白质合成受抑制是普遍现象。 与人类疾病有关的病毒属于动物病毒，它包括8个DNA病毒科和12个 RNA病毒科，这些病毒基因组结构和功能已基本清楚（见分子病毒学 科， HIV）。
基因的大小在很大程度上取决于其所含有 的不编码序列，即内含子的个数和每个内 含子的长度。 比较基因长度和由它们编码的mRNA 中， 可以看出，酵母细胞中信使分子大小的变 化范围与其基因大小的变化范围并没有什 么不同，但在哺乳动物信使分子不到长度 10Kb，基因的大小达到100kb。
C值：生物体的一个特征是一个单倍体基因组全部DNA 含量总是相对恒定的。我们把真核生物单倍体基因组 所包含的全部ＤＮＡ量称为该物种的Ｃ值。 不同生物的Ｃ值相差很大。 Ｃ值悖理：无法用已知功能解释基因组DNA的含量。 C值悖理主要表现在： C值不随生物进化程度和复杂性而增加； 关系密切的生物C值相差很大； 真核生物DNA的量远远大于编码蛋白质等物质所需的 量。
基因的研究大体分为3个阶段： 20世纪50年代以前，主要从细胞的染色体 水平上进行研究，属于基因的染色体遗传 阶段 20世纪50年代以前，主要从DNA大分子水平 上进行研究，属于基因的分子生物学阶段 20世纪80年代以后，研究基因的功能及其 与表型之间的关系，使基因的研究进入了 反向生物学阶段。
表型和基因型 某一机体可以观察到的特征称为表型 （phenotype），与表型相应的基因组成称为基因型 （genotype）。如细菌能否合成亮氨酸记为Leu+和Leu-，相应 的基因型为Leu+和Leu-。 等位基因 （1）二倍体细胞有2套基因，一套来自父本，另 一套来自母本，每个细胞的全部基因均由2套基因组成，每一对 基因称做等位基因。 （2）由于突变作用引起DNA结构变异，所以某一 基因可具有若干种不同的形式，这种同一基因不同的形式互称 等位基因（allele）。
3.3病毒基因组
•基因组（genome） 1个配子（精子或卵子），1个单倍体细 胞或1个病毒所包含的全套基因。病毒核酸或为DNA或为 RNA，可以统称为病毒染色体。 •完整的病毒颗粒具有蛋白质外壳，以保护病毒核酸不受核 酸酶的破坏，并能识别和侵袭特定的宿主。类病毒例外，它 是一类植物病毒，为很小的单链闭环RNA（250-400碱基）。
逆转录病毒
1.逆转录病毒一般分类 逆转录病毒可以说就是RNA肿瘤病毒。 第一个被发现的RNA肿瘤病毒是劳氏肉 瘤病毒（Rous Sarcoma virus, RSV, 1911)。
3.2基因组（genome）
•基因组（gencme）：细胞或生物中，一套完整单倍体遗
传特质的总和（包括一种生物所需的全套基因及间隔序列） 称为基因组。 •基因组的结构主要指不同的基因功能区域在核酸分列中的 分布和排布情况，基因组的功能是贮存和表达遗传信息。 人类基因组包含多染色体和XY两条性染色体上的全部遗传物 质（核基因组）以及胞内线粒体上的遗传物质（线粒体基因 组）。（X免疫基因，男XY，女XX）。 •1个配对（精子或卵子），1个单倍体细胞或1个病毒所包含 的全套基因，称为基因组。