基因的组织和结构

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第三节 基因的组织与结构
一、基因的概念
1. 基因的研究简史
孟 德 尔 ( Mendel ) 的 颗 粒 因 子 : 一 个 因 子 决 定 一 个 性 状 (1865年)。
约翰森(Johannsen):首先提出基因一词(1909年)
摩 尔 根 ( Morgan ) 的 基 因 论 : 一 个 基 因 控 制 一 个 性 状 (1926年),明确了基因存在于染色体上。
3. 基因是连续的:结构基因中没有内含子(intron)成分, 在转录后不需剪接加工,转录产物的寿命较短。
4. 大部分DNA是用于编码蛋白质的,只有一小 部分是不翻译的。不翻译区中含有间隔区 (Spacer)和基因表达的调控序列。
5. 基因组中仅有少数基因存在基因重叠现象。
6 . 结构基因是单拷贝,rRNA基因是多拷贝。
子,或者几个密码子代表一种氨基酸的现象称为密码 子的简并性。除了Met和Trp只有一个密码子外,其它 氨基酸均有二个以上密码子,例如Arg有6个密码子。
5)共有64个密码子,其中AUG不仅是Met或者fMet(在原核 细胞)的密码子,也是肽链合成的起始信号,故称AUG为 起始密码子。UAA、UAG和UGA为终止密码子,不代表 任何氨基酸,也称为无意义密码子。
单拷贝顺序在基因组中占50-80%,如人基因组中,大 约有60-65%的顺序属于这一类。
6. 存在多基因家族和超基因家族
(1)多基因家族(multigene family):亦称基因家族。是 指一组具有类似功能,核苷酸序列又有同源性的基因。
★分类:
▲按基因的终产物分为两类:一类编码RNA,另一类编码 蛋白质。
(4)质粒可自行失去或经人工处理而消失(称为 消除)。
(5)质粒复制依赖宿主细胞的复制机器,但可以 独立复制。
(6)可有几种质粒同时共存在于一个细菌内,但 同群质粒有不相容性(同群质粒具有同源性,可以 产生相同的阻遏蛋白,故彼此间有相互抑制作用, 不能共存于同一细胞)。
三、病毒基因组的特点
1. 每种病毒中只有一种核酸,或为DNA,或为RNA。
▲ 简单转座子(插入序列,insertion sequence,IS):较 小,只有与转位有关的序列和促进转座过程所要的蛋白质如 转座酶的基因。
▲ 复杂转座子(Tn):除转位序列和蛋白质基因外,在 其中心区还含有一个或多个基因。
(5)基因重叠: 是一种转录单位,一个基因可决定多种
mRNA和蛋白质,如Bcl-X基因
但自私DNA并非真的自私,毫无功能。如有些调控 序列虽不编码任何蛋白,但对细胞代谢也有很大影响。 如在Ig和MHC基因的内含子部分发现有增强子的存在, 可以增强该基因的转录。
9. DNA序列组织的可变性:DNA序列从胚胎到成人并 非一成不变。如B细胞成熟过程中Ig基因结构的重排及 TCR基因在分化过程中的重排。
6)密码子有通用性,即不论是病毒、原核生物还是真核生 物密码子的含义都是相同的。但真核细胞线粒体mRNA中 的密码子与胞浆中mRNA的密码子有以下三点不同:一是 线粒体中UGA不代表终止密码子,而是编码Trp;二是肽链 内的Mer由AUG和AUA二个密码子编码,起始部位的Met 由AUG、AUA、AUU和AGG均为密码;三是AGA和AGG 不是Arg的密码子,而是终止密码子,即UAA、UAG、 AGA和AGG均为终止密码子。
2. 病毒核酸大小差别很大。最小的3kb(乙肝), 仅编码4种蛋白质,最大的可达300kb以上(豆), 有几百个基因。一般DNA病毒较大,RNA病毒较小。
3. 大部分病毒核酸是单倍体(除反转录)。
4. 病毒基因组中也具有操纵子结构。如ФX174从PD 启动子开始转录生成的mRNA包含D,(E),J,F, G和H结构基因。
密码子结构与氨基酸侧链极性之间有一定关系
1)氨基酸侧链极性性质在多数情况下由密码子的第二个碱 基决定。第二个碱基为嘧啶(Y)时,氨基酸侧链为非极性, 第二个碱基为嘌呤(P)时,氨基酸侧链侧有极性.
Beadle 和Tatum:一个基因一个酶学说(1941年)。
Avery肺炎双球菌转化实验:证实了遗传物质的本质是DNA (1944年)。
赫尔希和蔡斯:噬菌体大肠杆菌感染实验,只有DNA能进入 大肠杆菌(52年)。
Benzer:提出一个顺反子,一条多肽链的概念(1955年)。
Watson 和Crick:提出DNA右手双螺旋理论(1953年)。
(3)非剪接基因(连续基因):原核和真核细胞都有。真 核rRNA基因也是非剪接基因。
(4)跳动(跃)基因(可转移的DNA成分、转座子):是 指可在DNA分子间进行转移的DNA片段。与一般转移概念 不同,转移后仍保留原来位置上的DNA序列,只是把一个 新合成的复本插入到另外的位置上。真核和原核细胞都有。 可分为两类
遗传密码:
DNA上核苷酸与蛋白质链上氨基酸的对应关 系.
密码子:
遗传密码子具有以下基本特点:
1)每个密码子三联体(triplet)决定一种氨基酸; 2)两种密码子之间无任何核苷酸或其它成分加以分离, 即密码子无逗号; 3)密码子具有方向性,例如AUC是Ile的密码子,A为5' 端碱基,C为3'端碱基。因此密码也具有方向性,即 mRNA从5'端到3'端的核苷酸排列顺序就决定了多肽链 中从N端到C端的氨基酸排列顺序; 4)密码子有简并性(degeneracy)一种氨基酸有几个密码
★tRNA基因
★组蛋白基因
★Alu家族:有3万个成员,平均每6kb就有一个,长度约 300bp,因在170bp处有一AluⅠ位点(AG/CT)而得名。 Alu 顺 序 具 有 种 的 特 异 性 , 功 能 : 尚 不 清 楚 。 可 能 在 hnRNA转录和加工中起作用;遗传重组及染色体不稳定性 有关;人类质粒(human plasmid);形成Z-DNA。
★KpnⅠ家族:人类和灵长类DNA经KpnⅠ酶解后,产 生 4 个 片 段 ( 1.2 、 1.5 、 1.8 、 1.9kb ) , 这 些 就 被 命 名 为 KpnⅠ家族。人类基因组中的KpnⅠ序列约在3-6%,也是 散在分布的。功能尚不清楚。
3)单一序列(unique sequence)
▲按在基因组中的分布分为两类:一类串联排列在一起, 形成基因簇,亦称串联重复基因。另一类家族成员则可以分散 在不同的部位上。
(2)超基因家族(supergene family):由多基因家族及单基 因组成的更大的基因家族。成员间有不同程度的同源,但它们 的功能并不相似,这是与多基因家族的差别所在。如Ig超家族。
(4)高度重复顺序的功能 a.参与复制水平的调节。 b.参与基因表达的调控 c.参与转位作用 d.与进化有关 e. DNA指纹 f.α卫星DNA成簇的分布在染色体着丝粒附近,
可能与染色体减数分裂时染色体配对有关
2)中度重复序列(<105次)。100-几千bp片段的重复,
其产物是细胞大量需要的。
★rRNA基因:可重复数百次,可作为一种遗传标志。
(1)多为DNA分子,但酵母杀伤质粒为RNA
(2)质粒并非细菌生存所必不可少的遗传物质, 可以在细菌间转移与丢失。
(3)质粒的传递(转移)是细菌遗传物质转移的 一个重要方式。(但分子量<107的质粒一般无自 我转移能力,而分子量>2.5×107的质粒可从供体 细胞转移一个副本给受体细胞,如F质粒6.2×107, R质粒>2.5×107)
2. 基因的分子定义: DNA分子中含有特定遗传信 息的核苷酸序列,是遗传物质的最小功能单位。 合成有功能的蛋白质多肽链或RNA所必需的全部 核酸序列(通常是DNA序列)。故一个基因应包 含不仅是编码蛋白质肽链或RNA的核酸序列,还 包括为保证转录所必需的调控序列、5′非翻译序 列、内含子以及3′非翻译序列等所有的核酸序列 (蛋白质基因和RNA基因)。
四、真核生物基因组的特点
1. 基因组含有更大的DNA分子,以染色体形式储存 于细胞核内,除配子细胞外,体细胞内的基因的基 因组是双份的。但应注意:
(1)并非生物越高等,基因组越大。即并非进化的复杂程 度与DNA含量成正比。如某些植物和两栖类的DNA含量是 人的几十乃至上百倍。
(2)同一类复杂性差不多,形态也相似的生物,理论上其 基因组也应比较接近,其实不然。如同是两栖类可相差十倍 以上。
3. 基因组:携带生物体全部遗传信息的核酸量。
二、细菌的基因组及特点
(一)组成:细菌染色体和质粒
(二)细菌基因组的特征
1. 基因组相对较小(4.6×106bp,4000个基因),只有一 个复制启始位点。
2. 具有操纵子结构:功能上相关的几个基因往往在一起 组成操纵子结构,即几个结构基因串联在一起,受它们上 游的共同调控区控制。当基因开放时,这几个基因转录在 一条mRNA链上,然后分别翻译合成各自的蛋白肽链。操 纵子的末端具有特殊的终止序列。
(6)基因家族
8. 自私DNA(selfish DNA):指非编码序列,包括分散的高 度、中度重复序列,内含子和间隔序列等。这些序列极少转 录成mRNA并翻译成蛋白质,对细胞存活、代谢等不做任何 贡献,它们存在的唯一目的似乎就是复制自己。故称之为自 私DNA。而且有些成分还通过转录成mRNA,生成cDNA, 再通过转位成分插入到基因组,颇象机体内寄生虫的繁殖、 生活,故也有人称之为寄生DNA(parasite DNA)。
Crick:提出中心法则(1957年)。
Jacob和Monod:提出了操纵子模型(1961年)。
尼伦伯格:三联密码子学说将DNA结构与生物功能结合起来 (66年) 。
Mc-Clintock:在玉米中发现了遗传因子可以转移位置(50年 代)。
Sharp等:真核生物基因中的断裂现象(1977年)。
噬菌体中发现了重叠基因(1978年)。
7. 基因类型多样
(1)假基因:在多基因家族中,不产生有功能基因产物的 基因。即序列与有功能的基因相似,但或者不能转录,或 者转录后生成无功能的基因产物。用Ψ表示。造成原因是 基因在进化过程中,发生突变所致(如缺失、倒位、点突 变等)。假基因往往缺少正常基因的内含子,两侧有顺向 重复序列。
(2)分(断)裂基因(不连续基因):编码序列称外显子 (exon),非编码序列称内含子(intron,or intervening sequence)。
5. 噬菌体基因组中无内含子,但感染真核细胞 的病毒基因组中具有内含子(SV40早期基因T和t)
6. 有基因重叠(同ORF重叠、异ORF重叠和反 ORF重叠)。
7.大部分DNA用于编码蛋白质,只有一小部分是 不翻译的。不翻译区通常是基因表达的调控序列。
8. 调控序列可以被宿主细胞所识别,其遗传密 码和基因组的结构必须与宿主体系相匹配。
(3)基因组中DNA的量远大于编码蛋白质所需要的量。
2. 基因组结构复杂,有多个复制启始位点,但 每个复制子的长度较小。
Baidu Nhomakorabea3. 基因是不连续的。
4. 转录单位一般是单顺反子的。即一个基因一 种mRNA一种蛋白质,但蛋白质的最终产物可 因剪接方式的不同而有差异(如Bcl-x: Bcl-x1 Bcl-xs )
(三)质粒
1. 概念
2. 分类
(1)按复制机理分:严紧控制型质粒,松弛控制型 质粒
(2)按功能分:F质粒、R质粒、Col(colicin)质 粒 ( 可 产 生 大 肠 杆 菌 素 ) 、 Ent 质 粒 ( 可 产 生 肠 毒 素)。
(3)按性状分:结合性质粒,非结合性质粒
3. 质粒的一般性质
(2)倒位(反向)重复序列
又称零时复性部分,重复单位约长300bp,两个 单位之间有一平均1.6kb的片段相隔,多数散布于 基因组中。
(3)较复杂的重复单位组成的重复顺序
灵长类所独有,用HindⅢ消化非洲绿猴DNA, 可以得到重复单位为172bp的高度重复顺序,这种 顺序大部份由交替变化的嘌呤和嘧啶组成,又称为 α卫星DNA。
5. 存在重复序列
1)高度重复序列(>105次)。
(1)卫星DNA: 根据长度可将其分为3类
★卫星(satellite)DNA: 重复长度5-10bp, 其在人群中多态性不强。
★小卫星DNA:重复长度15-70bp,其在人群中 有高度的特异性。
★微卫星DNA(简单串联重复序列):重复长 度2-5bp,其在人群中存在个体间的高度变化,是 DNA指纹的形成基础。
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