生物化學(xué)與分子生物學(xué)：第13章 真核基因與基因組

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1、遺傳信息的傳遞遺傳信息的傳遞第三篇第三篇1第第13章章 真核基因與基因組真核基因與基因組 (2)第第14章章 DNA的的生物合成生物合成 (4)第第15章章 DNA損傷損傷與與修復(fù)修復(fù) (2)第第16章章 RNA的生物合成的生物合成 (4)第第17章章 蛋白質(zhì)的生物合成蛋白質(zhì)的生物合成 (4)第第18章章 基因表達(dá)基因表達(dá)調(diào)控調(diào)控 (2) 第三篇第三篇遺傳信息的傳遞遺傳信息的傳遞學(xué)習(xí)內(nèi)容學(xué)習(xí)內(nèi)容2中心法則中心法則 (the central dogma)遺傳信息從遺傳信息從DNA到到RNA，再到蛋白質(zhì)的，再到蛋白質(zhì)的傳遞規(guī)律。傳遞規(guī)律。 1958 F.Crick 遺傳中心法則遺傳中心法則1970

2、 H.Temin 逆轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄RNA蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)DNA復(fù)復(fù)制制轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄翻譯翻譯逆轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄RNA復(fù)制復(fù)制3生物體內(nèi)的遺傳信息傳遞遵循中心法則生物體內(nèi)的遺傳信息傳遞遵循中心法則uDNA以半保留以半保留復(fù)制復(fù)制的方式將親代細(xì)胞的遺傳的方式將親代細(xì)胞的遺傳物質(zhì)高度忠實(shí)地傳遞給子代。物質(zhì)高度忠實(shí)地傳遞給子代。u以以DNA為模板為模板轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄生成的生成的mRNA作為信使。作為信使。umRNA上上核苷酸序列構(gòu)成的密碼子在合成蛋核苷酸序列構(gòu)成的密碼子在合成蛋白質(zhì)時(shí)被白質(zhì)時(shí)被翻譯翻譯為肽鏈中氨基酸的排列順序。為肽鏈中氨基酸的排列順序。u細(xì)胞內(nèi)所有細(xì)胞內(nèi)所有蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的信息全部來(lái)源蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的信息全部來(lái)

3、源于于DNA序列序列。4真核基因與基因組真核基因與基因組 第第13章章Eukaryote Gene and Genome56未來(lái)世界，秘密系統(tǒng)未來(lái)世界，秘密系統(tǒng)“白金數(shù)據(jù)白金數(shù)據(jù)”得到開(kāi)發(fā)，日本全國(guó)得到開(kāi)發(fā)，日本全國(guó)人民的人民的DNA數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)其中，進(jìn)而借此構(gòu)建了一個(gè)檢數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)其中，進(jìn)而借此構(gòu)建了一個(gè)檢舉率舉率100%、冤案率、冤案率0%的理想社會(huì)。然而的理想社會(huì)。然而7第一節(jié)第一節(jié) 真核真核基因基因的結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)構(gòu)與功能第二節(jié)第二節(jié) 真核真核基因組基因組的結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)構(gòu)與功能 8問(wèn)問(wèn) 題題1、正常人的一個(gè)體細(xì)胞核有多少個(gè)、正常人的一個(gè)體細(xì)胞核有多少個(gè)DNA分子？分子？2、什么是基因？、

4、什么是基因？3、什么是基因組？、什么是基因組？4、如何做、如何做DNA鑒定？鑒定？掌握掌握概念：概念：中心法則中心法則、基因、基因組、編碼序列、非編基因、基因組、編碼序列、非編碼序列、斷裂基因、碼序列、斷裂基因、內(nèi)含子、外顯子內(nèi)含子、外顯子、啟動(dòng)子、啟動(dòng)子、增強(qiáng)子。增強(qiáng)子。熟悉：熟悉：基因的功能基因的功能；真核生物基因真核生物基因和基因和基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。了解：了解：重復(fù)序列的分類(lèi)及特點(diǎn)重復(fù)序列的分類(lèi)及特點(diǎn)；多基因家族與假基因。多基因家族與假基因。線粒體線粒體DNA的特點(diǎn)的特點(diǎn)；人的基因在染色體上的分布人的基因在染色體上的分布特征。特征。本章教學(xué)大綱本章教學(xué)大綱9真核基因的結(jié)構(gòu)與

5、功能真核基因的結(jié)構(gòu)與功能 第一節(jié)第一節(jié)The Structure and Function of Eukaryote Gene10基因基因 (gene)：編碼蛋白質(zhì)或編碼蛋白質(zhì)或RNA等具有特等具有特定功能產(chǎn)物的、負(fù)載遺傳信息定功能產(chǎn)物的、負(fù)載遺傳信息的基本單位的基本單位。1112除了某些以除了某些以RNA為基因組的為基因組的RNA病毒外，基因病毒外，基因通常是指染色體或基因組的通常是指染色體或基因組的一段一段DNA序列序列。 利用利用4種堿基的不同排列種堿基的不同排列荷載荷載遺傳信息。遺傳信息。 通過(guò)復(fù)制將遺傳信息穩(wěn)定、忠實(shí)地遺通過(guò)復(fù)制將遺傳信息穩(wěn)定、忠實(shí)地遺傳給傳給子代子代細(xì)胞，在這一過(guò)程

6、中為適應(yīng)環(huán)境變化，可能會(huì)細(xì)胞，在這一過(guò)程中為適應(yīng)環(huán)境變化，可能會(huì)發(fā)生基因突變。發(fā)生基因突變。 作為基因表達(dá)作為基因表達(dá) (gene expression) 的模板，使的模板，使其所攜帶的遺傳信息通過(guò)各種其所攜帶的遺傳信息通過(guò)各種RNA和蛋白質(zhì)在和蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)有序合成而細(xì)胞內(nèi)有序合成而表現(xiàn)表現(xiàn)出來(lái)。出來(lái)。 n 基因的功能基因的功能13一、真核基因的基本結(jié)構(gòu)一、真核基因的基本結(jié)構(gòu) 非編碼序列非編碼序列 (non-coding sequence): DNA分分子上位于編碼區(qū)兩側(cè)的子上位于編碼區(qū)兩側(cè)的調(diào)控序列調(diào)控序列和編碼序列之和編碼序列之間的間的間隔序列間隔序列。 編碼序列編碼序列 (coding

7、 sequence): 在細(xì)胞內(nèi)表達(dá)為在細(xì)胞內(nèi)表達(dá)為蛋白質(zhì)或功能蛋白質(zhì)或功能RNA的的DNA序列。序列。14真核基因包括真核基因包括編碼序列編碼序列和和非編碼非編碼序列序列。真核基因結(jié)構(gòu)真核基因結(jié)構(gòu)mRNA結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)斷裂基因斷裂基因 (split gene)：真核基因編碼區(qū)是間隔的、：真核基因編碼區(qū)是間隔的、不連續(xù)的，稱(chēng)為斷裂基因。不連續(xù)的，稱(chēng)為斷裂基因。15真核基因結(jié)構(gòu)真核基因結(jié)構(gòu)mRNA結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)外顯子外顯子 (exon)：在基因序列中，出現(xiàn)在成熟：在基因序列中，出現(xiàn)在成熟RNA分子上的序列。分子上的序列。內(nèi)含子內(nèi)含子 (intron)：位于外顯子之間、與：位于外顯子之間、與RNA剪接過(guò)剪接過(guò)

8、程中被刪除部分相對(duì)應(yīng)的間隔序列。程中被刪除部分相對(duì)應(yīng)的間隔序列。16真核基因結(jié)構(gòu)真核基因結(jié)構(gòu)mRNA結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)17真核生物斷裂基因真核生物斷裂基因雞卵清蛋白基因雞卵清蛋白基因hnRNA首、尾修飾首、尾修飾hnRNA剪接剪接成熟的成熟的mRNA雞卵清蛋白基因及其轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后修飾雞卵清蛋白基因及其轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后修飾18真核生物絕大部分編碼蛋白質(zhì)的基因都有內(nèi)含子。真核生物絕大部分編碼蛋白質(zhì)的基因都有內(nèi)含子。編碼編碼rRNA和一些和一些tRNA的基因也都有內(nèi)含子的基因也都有內(nèi)含子。內(nèi)含子的數(shù)量和大小決定了真核基因的大小。不同內(nèi)含子的數(shù)量和大小決定了真核基因的大小。不同種屬中，種屬中，外顯子序列通常比較保守

9、，而內(nèi)含子序列外顯子序列通常比較保守，而內(nèi)含子序列則變異較大則變異較大。1920外顯子與內(nèi)含子接頭處有一段高度保守的序列，即外顯子與內(nèi)含子接頭處有一段高度保守的序列，即內(nèi)含子內(nèi)含子5末端大多數(shù)以末端大多數(shù)以GT開(kāi)始，開(kāi)始，3末端大多以末端大多以AG結(jié)束，這一共有序列是真核基因中結(jié)束，這一共有序列是真核基因中RNA剪接的識(shí)剪接的識(shí)別信號(hào)。別信號(hào)?；虻幕虻? 端稱(chēng)之為上游，端稱(chēng)之為上游，3 端稱(chēng)為下游。端稱(chēng)為下游?；蛐蛄兄虚_(kāi)始基因序列中開(kāi)始RNA鏈合成的第一個(gè)核苷酸所鏈合成的第一個(gè)核苷酸所對(duì)應(yīng)的堿基記為對(duì)應(yīng)的堿基記為+1，此堿基上游的序列記為負(fù)，此堿基上游的序列記為負(fù)數(shù)，下游的序列記為正數(shù)。

10、數(shù)，下游的序列記為正數(shù)。21二、基因編碼區(qū)編碼多肽鏈和特定的二、基因編碼區(qū)編碼多肽鏈和特定的RNA分子分子 基因編碼區(qū)中的基因編碼區(qū)中的DNA堿基序列堿基序列決定特定的成熟決定特定的成熟RNA分子的序列，即分子的序列，即DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)決定著其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的一級(jí)結(jié)構(gòu)決定著其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)。分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)。225 GCAGTACATGTCGCAGTACATGTC 3 3 CGTCCGTCA ATGTTGTA AC CA AG G 5 5 GCAGCAG GU UA ACACAU UG GU UC C 3 N Ala Val His Val C肽肽模板鏈模板鏈編碼鏈編碼鏈轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄翻譯翻譯

11、DNA mRNA23基因的編碼基因的編碼序列序列決定其編碼產(chǎn)物的序列和功能。決定其編碼產(chǎn)物的序列和功能。編碼序列中一個(gè)堿基的改變或編碼序列中一個(gè)堿基的改變或突變突變，可能使基，可能使基因功能發(fā)生重要的變化。因功能發(fā)生重要的變化。相同的相同的DNA序列因起始位點(diǎn)的變化或不同的序列因起始位點(diǎn)的變化或不同的剪剪接方式接方式而編碼不同的蛋白質(zhì)多肽鏈。而編碼不同的蛋白質(zhì)多肽鏈。三、調(diào)控序列參與真核基因表達(dá)調(diào)控三、調(diào)控序列參與真核基因表達(dá)調(diào)控 順式作用元件順式作用元件 (cis-acting element)：位于：位于基因轉(zhuǎn)錄區(qū)基因轉(zhuǎn)錄區(qū)前前后，對(duì)基因表達(dá)起調(diào)控作用的后，對(duì)基因表達(dá)起調(diào)控作用的DNA序列

12、。包括：序列。包括：?jiǎn)?dòng)子、啟動(dòng)子、上游上游調(diào)控調(diào)控元件、元件、增強(qiáng)子、增強(qiáng)子、加加尾尾信號(hào)、細(xì)胞信號(hào)、細(xì)胞信號(hào)反應(yīng)信號(hào)反應(yīng)元件等。元件等。241. 啟動(dòng)子提供轉(zhuǎn)錄起始信號(hào)啟動(dòng)子提供轉(zhuǎn)錄起始信號(hào) 啟動(dòng)子啟動(dòng)子 (promoter)：DNA分子上能夠介導(dǎo)分子上能夠介導(dǎo)RNA聚合酶聚合酶結(jié)合并形成結(jié)合并形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體的序列。的序列。多數(shù)啟動(dòng)子位于真核細(xì)胞基因轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)的上游，多數(shù)啟動(dòng)子位于真核細(xì)胞基因轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)的上游，啟動(dòng)子本身通常不被轉(zhuǎn)錄。啟動(dòng)子本身通常不被轉(zhuǎn)錄。少數(shù)啟動(dòng)子少數(shù)啟動(dòng)子 (如編碼如編碼tRNA基因的啟動(dòng)子基因的啟動(dòng)子) 位于轉(zhuǎn)位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的下游，這些錄起始點(diǎn)的下游，

13、這些DNA序列可以被轉(zhuǎn)錄。序列可以被轉(zhuǎn)錄。25真核生物有真核生物有3類(lèi)啟動(dòng)子，分別對(duì)應(yīng)于細(xì)胞內(nèi)存在類(lèi)啟動(dòng)子，分別對(duì)應(yīng)于細(xì)胞內(nèi)存在的三種不同的的三種不同的RNA聚合酶和相關(guān)蛋白質(zhì)。聚合酶和相關(guān)蛋白質(zhì)。 UPE: 上游啟動(dòng)子元件；上游啟動(dòng)子元件；DPE: 下游啟動(dòng)子元件；下游啟動(dòng)子元件；rInr: 核糖體起始因子；核糖體起始因子； Inr：起始元件：起始元件26能夠在相對(duì)于啟動(dòng)子的任何方向和位置（上游或者下能夠在相對(duì)于啟動(dòng)子的任何方向和位置（上游或者下游）上發(fā)揮這種增強(qiáng)作用，大部分位于上游。游）上發(fā)揮這種增強(qiáng)作用，大部分位于上游。增強(qiáng)子序列距離所調(diào)控基因距離近者幾十個(gè)堿基對(duì)，增強(qiáng)子序列距離所調(diào)控基

14、因距離近者幾十個(gè)堿基對(duì)，遠(yuǎn)的可達(dá)幾千個(gè)堿基對(duì)。遠(yuǎn)的可達(dá)幾千個(gè)堿基對(duì)。通常數(shù)個(gè)增強(qiáng)子序列形成一簇。通常數(shù)個(gè)增強(qiáng)子序列形成一簇。有時(shí)增強(qiáng)子序列也可位于內(nèi)含子之中。有時(shí)增強(qiáng)子序列也可位于內(nèi)含子之中。不同的增強(qiáng)子序列結(jié)合不同的調(diào)節(jié)蛋白。不同的增強(qiáng)子序列結(jié)合不同的調(diào)節(jié)蛋白。2. 增強(qiáng)子增強(qiáng)鄰近基因的轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)子增強(qiáng)鄰近基因的轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)子增強(qiáng)子 (enhancer)：增強(qiáng)基因：增強(qiáng)基因啟動(dòng)子工作效率啟動(dòng)子工作效率的順的順式作用元件。是真核基因中最重要的調(diào)控序列，決式作用元件。是真核基因中最重要的調(diào)控序列，決定著每一個(gè)基因在細(xì)胞內(nèi)的表達(dá)水平。定著每一個(gè)基因在細(xì)胞內(nèi)的表達(dá)水平。27沉默子沉默子 (silencer

15、)：抑制基因轉(zhuǎn)錄的特定：抑制基因轉(zhuǎn)錄的特定DNA序序列，當(dāng)其結(jié)合一些反式作用因子時(shí)對(duì)基因的轉(zhuǎn)錄列，當(dāng)其結(jié)合一些反式作用因子時(shí)對(duì)基因的轉(zhuǎn)錄起阻遏作用，使基因沉默。起阻遏作用，使基因沉默。3. 沉默子是負(fù)調(diào)節(jié)元件沉默子是負(fù)調(diào)節(jié)元件2829EnhancerPromoterSilencerRNA Pol30編碼蛋白質(zhì)或編碼蛋白質(zhì)或RNA等具有特定功能產(chǎn)物的、負(fù)載遺等具有特定功能產(chǎn)物的、負(fù)載遺傳信息傳信息的基本單位的基本單位。真核基因編碼區(qū)是間隔的、不連續(xù)的，稱(chēng)為斷裂基真核基因編碼區(qū)是間隔的、不連續(xù)的，稱(chēng)為斷裂基因。因。DNA分子上位于編碼區(qū)兩側(cè)的分子上位于編碼區(qū)兩側(cè)的調(diào)控序列調(diào)控序列和編碼序和編碼序列

16、之間的列之間的間隔序列間隔序列。在細(xì)胞內(nèi)在細(xì)胞內(nèi)表達(dá)為蛋白質(zhì)或功能表達(dá)為蛋白質(zhì)或功能RNA的的DNA序列。序列?；蚧?(gene)：斷裂基因斷裂基因 (split gene)：編碼序列編碼序列 (coding sequence): 非編碼序列非編碼序列 (non-coding sequence): 31外顯子外顯子 (exon)：DNA分子上能夠介導(dǎo)分子上能夠介導(dǎo)RNA聚合酶聚合酶結(jié)合并形成結(jié)合并形成轉(zhuǎn)錄起轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體始復(fù)合體的序列。的序列。增強(qiáng)基因增強(qiáng)基因啟動(dòng)子啟動(dòng)子工作效率工作效率的順式作用元件。是真核基的順式作用元件。是真核基因中最重要的調(diào)控序列，決定著每一個(gè)基因在細(xì)胞內(nèi)因中最重要

17、的調(diào)控序列，決定著每一個(gè)基因在細(xì)胞內(nèi)的表達(dá)水平。的表達(dá)水平。位于外顯子之間、與位于外顯子之間、與RNA剪接過(guò)程中被刪除部分相對(duì)剪接過(guò)程中被刪除部分相對(duì)應(yīng)的應(yīng)的間隔序列間隔序列。在基因序列中，在基因序列中，出現(xiàn)在成熟出現(xiàn)在成熟RNA分子上分子上的序列。的序列。內(nèi)含子內(nèi)含子 (intron)：?jiǎn)?dòng)子啟動(dòng)子 (promoter)：增強(qiáng)子增強(qiáng)子 (enhancer)：真核基因組的結(jié)構(gòu)與功能真核基因組的結(jié)構(gòu)與功能 第二節(jié)第二節(jié)The Structure and Function of Eukaryote Genome32基因組基因組 (genome)：細(xì)胞或生物體的一套：細(xì)胞或生物體的一套完整完整單倍體

18、單倍體遺傳物質(zhì)的總和。遺傳物質(zhì)的總和。人類(lèi)基因組包含什么？人類(lèi)基因組包含什么？3434人類(lèi)基因組包含了人類(lèi)基因組包含了細(xì)胞核染色體細(xì)胞核染色體DNA (常染色體和性常染色體和性染色體染色體) 及及線粒體線粒體DNA所攜帶的所有遺傳物質(zhì)。所攜帶的所有遺傳物質(zhì)。 35人類(lèi)基因組計(jì)劃人類(lèi)基因組計(jì)劃(HGP)由美國(guó)科學(xué)家于由美國(guó)科學(xué)家于1985年率先提年率先提出，出，1990年正式啟動(dòng)。美、英、法、德、日本和中國(guó)年正式啟動(dòng)。美、英、法、德、日本和中國(guó)科學(xué)家共同參與了這一預(yù)算達(dá)科學(xué)家共同參與了這一預(yù)算達(dá)30億美元的計(jì)劃。億美元的計(jì)劃。2001年年2月人類(lèi)基因組工作草圖的發(fā)表月人類(lèi)基因組工作草圖的發(fā)表（由

19、公共基金資助的國(guó)（由公共基金資助的國(guó)際人類(lèi)基因組計(jì)劃和私人企業(yè)際人類(lèi)基因組計(jì)劃和私人企業(yè)Cerela基因組公司各自獨(dú)立完成，并分別公開(kāi)基因組公司各自獨(dú)立完成，并分別公開(kāi)發(fā)表）發(fā)表），被認(rèn)為是人類(lèi)基因組計(jì)劃成功的里程碑。，被認(rèn)為是人類(lèi)基因組計(jì)劃成功的里程碑。人類(lèi)基因組人類(lèi)基因組細(xì)胞核基因組細(xì)胞核基因組2800 Mb線粒體基因組線粒體基因組16.6 kb編碼蛋白基因序列編碼蛋白基因序列基因外序列基因外序列22個(gè)個(gè)tRNA基因基因2個(gè)個(gè)rRNA基因基因13個(gè)蛋白個(gè)蛋白編碼基因編碼基因約約1%約約24%外顯子外顯子內(nèi)含子內(nèi)含子約約25%約約75%基因間序列基因間序列中度至高度重復(fù)序列中度至高度重復(fù)序列

20、36人類(lèi)的基因組構(gòu)成人類(lèi)的基因組構(gòu)成50%以上以上37科學(xué)家密謀合成人類(lèi)基因組：無(wú)父母的人將誕生？科學(xué)家密謀合成人類(lèi)基因組：無(wú)父母的人將誕生？2016年年5月月10日，超過(guò)日，超過(guò)130名科學(xué)家、律師與企業(yè)家名科學(xué)家、律師與企業(yè)家在美國(guó)哈佛大學(xué)召開(kāi)在美國(guó)哈佛大學(xué)召開(kāi)“秘密秘密”閉門(mén)會(huì)議，探討閉門(mén)會(huì)議，探討“在在10年內(nèi)合成一個(gè)完整的人類(lèi)基因組年內(nèi)合成一個(gè)完整的人類(lèi)基因組”。與會(huì)者被要。與會(huì)者被要求不聯(lián)系媒體，不在社交媒體上發(fā)帖，但事件遭兩名求不聯(lián)系媒體，不在社交媒體上發(fā)帖，但事件遭兩名科學(xué)家曝光，引發(fā)科學(xué)界軒然大波?？茖W(xué)家曝光，引發(fā)科學(xué)界軒然大波。一、真核基因組具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)一、真核基因組具有

21、獨(dú)特的結(jié)構(gòu) 基因的基因的編碼序列所占比例編碼序列所占比例遠(yuǎn)小于非編碼序列。遠(yuǎn)小于非編碼序列。 高等真核生物基因組含有大量的高等真核生物基因組含有大量的重復(fù)序列重復(fù)序列。 真核基因組中存在真核基因組中存在多基因家族和假基因多基因家族和假基因。 大多基因具有大多基因具有可變剪接可變剪接，80%的可變剪接會(huì)使的可變剪接會(huì)使蛋白質(zhì)的序列發(fā)生改變。蛋白質(zhì)的序列發(fā)生改變。 基因組基因組DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體，儲(chǔ)存于與蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體，儲(chǔ)存于細(xì)胞核內(nèi)，除配子細(xì)胞外，體細(xì)胞的基因組為細(xì)胞核內(nèi)，除配子細(xì)胞外，體細(xì)胞的基因組為二倍體二倍體，即有兩份同源的基因組。，即有兩份同源的基因組。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

22、：38二、真核基因組中存在大量重復(fù)序列二、真核基因組中存在大量重復(fù)序列 高度重復(fù)序列高度重復(fù)序列 highly repetitive sequence中度重復(fù)序列中度重復(fù)序列 moderately repetitive sequence單拷貝序列或低度重復(fù)序列單拷貝序列或低度重復(fù)序列 single copy sequence or lowly repetitive39根據(jù)真核細(xì)胞基因組重復(fù)序列的重復(fù)頻率不同，根據(jù)真核細(xì)胞基因組重復(fù)序列的重復(fù)頻率不同，可分為可分為3種：種：（一）高度重復(fù)序列（一）高度重復(fù)序列重復(fù)頻率可達(dá)重復(fù)頻率可達(dá)106以上，不編碼蛋白質(zhì)或以上，不編碼蛋白質(zhì)或RNA。在人基因組

23、中，高度重復(fù)序列約占基因組長(zhǎng)度的在人基因組中，高度重復(fù)序列約占基因組長(zhǎng)度的20%。反向重復(fù)序列反向重復(fù)序列衛(wèi)星衛(wèi)星DNA分類(lèi)：分類(lèi)：4041反向重復(fù)序列反向重復(fù)序列（inverted repeat sequence）兩個(gè)相同順序的互補(bǔ)拷貝在同一兩個(gè)相同順序的互補(bǔ)拷貝在同一DNA鏈上反向排列；鏈上反向排列；重復(fù)單位長(zhǎng)度約重復(fù)單位長(zhǎng)度約300 bp；總長(zhǎng)度總長(zhǎng)度約占人基因組的約占人基因組的5；多數(shù)散在、而非群集于基因組中。多數(shù)散在、而非群集于基因組中。42反向重復(fù)序列復(fù)性時(shí)形成反向重復(fù)序列復(fù)性時(shí)形成的的“+”+”字形結(jié)構(gòu)，若取字形結(jié)構(gòu)，若取一半即為發(fā)夾結(jié)構(gòu)一半即為發(fā)夾結(jié)構(gòu)43主要存在于染色體的著絲

24、粒區(qū)域；主要存在于染色體的著絲粒區(qū)域；重復(fù)單位一般由重復(fù)單位一般由210 bp組成，成串排列，又稱(chēng)短組成，成串排列，又稱(chēng)短串聯(lián)重復(fù)序列串聯(lián)重復(fù)序列 (short tandem repeat, STR)；在人基因組中約占在人基因組中約占5%6%。衛(wèi)星衛(wèi)星DNA（satellite DNA）44人類(lèi)基因人類(lèi)基因多態(tài)性多態(tài)性既來(lái)源于既來(lái)源于單單 拷貝序列拷貝序列的變異的變異，也來(lái)源于基因組中，也來(lái)源于基因組中重復(fù)序列拷貝數(shù)重復(fù)序列拷貝數(shù)的不同。的不同。DNA 重復(fù)序列的多態(tài)性，主要表現(xiàn)于重復(fù)序重復(fù)序列的多態(tài)性，主要表現(xiàn)于重復(fù)序列拷貝數(shù)的變異，列拷貝數(shù)的變異，重復(fù)次數(shù)重復(fù)次數(shù)在人群中是高度變?cè)谌巳褐惺?/p>

25、高度變異的。異的。4546有絲分裂中期有絲分裂中期有絲分裂后期有絲分裂后期4748l參與復(fù)制水平的調(diào)節(jié)參與復(fù)制水平的調(diào)節(jié)存在于存在于DNA復(fù)制起點(diǎn)區(qū)的附近，是一些蛋白質(zhì)（包復(fù)制起點(diǎn)區(qū)的附近，是一些蛋白質(zhì)（包括酶）的結(jié)合位點(diǎn)。括酶）的結(jié)合位點(diǎn)。l參與基因表達(dá)的調(diào)控參與基因表達(dá)的調(diào)控可以轉(zhuǎn)錄到核內(nèi)不均一可以轉(zhuǎn)錄到核內(nèi)不均一RNA分子中，有些反向重復(fù)分子中，有些反向重復(fù)序列可以形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，有助于穩(wěn)定序列可以形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，有助于穩(wěn)定RNA分子。分子。l參與染色體配對(duì)參與染色體配對(duì)如如 衛(wèi)星衛(wèi)星DNA成簇樣分布在染色體著絲粒附近，可能成簇樣分布在染色體著絲粒附近，可能與染色體減數(shù)分裂時(shí)染色體配對(duì)有關(guān)。

26、與染色體減數(shù)分裂時(shí)染色體配對(duì)有關(guān)。高度重復(fù)序列的高度重復(fù)序列的功能：功能：49（二）中度重復(fù)序列（二）中度重復(fù)序列重復(fù)數(shù)十至數(shù)千次，大多數(shù)與單拷貝序列間隔排列。重復(fù)數(shù)十至數(shù)千次，大多數(shù)與單拷貝序列間隔排列。短分散重復(fù)片段短分散重復(fù)片段長(zhǎng)分散重復(fù)片段長(zhǎng)分散重復(fù)片段平均長(zhǎng)度約平均長(zhǎng)度約300500 bp，與長(zhǎng)度約為，與長(zhǎng)度約為1000 bp的單拷的單拷貝序列間隔排列。拷貝數(shù)可達(dá)數(shù)十萬(wàn)。如貝序列間隔排列?？截悢?shù)可達(dá)數(shù)十萬(wàn)。如Alu家族、家族、KpnI家族、家族、Hinf家族。家族。平均長(zhǎng)度為平均長(zhǎng)度為35005000 bp，與長(zhǎng)度約為，與長(zhǎng)度約為13000 bp的的單拷貝序列間隔排列。單拷貝序列間隔

27、排列。50l重復(fù)達(dá)重復(fù)達(dá)3050萬(wàn)次萬(wàn)次，每個(gè)成員的長(zhǎng)度約每個(gè)成員的長(zhǎng)度約300 bp，l每個(gè)單位長(zhǎng)度中一個(gè)限制性?xún)?nèi)切酶每個(gè)單位長(zhǎng)度中一個(gè)限制性?xún)?nèi)切酶Alu的切點(diǎn)的切點(diǎn)(AGCT)，將其切成長(zhǎng)將其切成長(zhǎng)130 bp和和170 bp的兩段。的兩段。Alu家族家族l僅次于僅次于Alu家族的第二大家族，家族的第二大家族，l重復(fù)序列中含有限制性?xún)?nèi)切酶重復(fù)序列中含有限制性?xún)?nèi)切酶Kpn的位點(diǎn)的位點(diǎn)(GGTACC)，l呈散在分布，拷貝數(shù)約為呈散在分布，拷貝數(shù)約為30004800個(gè)。個(gè)。KpnI家族家族l以以319bp長(zhǎng)度的串聯(lián)重復(fù)存在于人基因組中，長(zhǎng)度的串聯(lián)重復(fù)存在于人基因組中，l重復(fù)序列中含有限制性?xún)?nèi)切酶

28、重復(fù)序列中含有限制性?xún)?nèi)切酶Hinf I的位點(diǎn)的位點(diǎn)(GANTC) 。Hinf家族家族5152PromoterTranscriptionCleavage45S transcript18S5.8S28S5318S5.8S28S18S5.8S28SrRNArRNArRNArRNA轉(zhuǎn)錄單元轉(zhuǎn)錄單元rRNA基因基因 (rDNA) 屬于中度重復(fù)序列屬于中度重復(fù)序列53rRNA基因基因45S rRNA前體前體45S rRNA前體前體間隔區(qū)間隔區(qū)18S5.8S28S真核生物真核生物rRNA基因結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)54一個(gè)轉(zhuǎn)錄單元一個(gè)轉(zhuǎn)錄單元非轉(zhuǎn)錄間隔非轉(zhuǎn)錄間隔DNA串聯(lián)排列串聯(lián)排列55l各重復(fù)單位中的各重復(fù)單位中的r

29、RNA基因都是相同的?；蚨际窍嗤?。lrRNA基因集中成簇基因集中成簇存在，這樣的區(qū)域稱(chēng)為存在，這樣的區(qū)域稱(chēng)為rDNA區(qū)。區(qū)。l人類(lèi)的編碼人類(lèi)的編碼28S、18S和和5.8S rRNA的的基因位于基因位于13、14、15、21和和22號(hào)染色體的核仁組織區(qū)，每個(gè)核仁號(hào)染色體的核仁組織區(qū)，每個(gè)核仁組織區(qū)平均含有組織區(qū)平均含有50個(gè)個(gè)rRNA基因的重復(fù)單位?；虻闹貜?fù)單位。l5S rRNA基因似乎全部位于基因似乎全部位于1號(hào)染色體，每個(gè)單倍體號(hào)染色體，每個(gè)單倍體基因組約有基因組約有1000個(gè)個(gè)5S rRNA基因?；颉RNA基因的特點(diǎn)基因的特點(diǎn)56組蛋白組蛋白基因?qū)儆谥卸戎貜?fù)序列基因?qū)儆谥卸戎貜?fù)

30、序列組蛋白組蛋白基因在各種生物體內(nèi)重復(fù)次數(shù)不一樣，基因在各種生物體內(nèi)重復(fù)次數(shù)不一樣，雞的組蛋白基因有雞的組蛋白基因有10個(gè)拷貝，哺乳動(dòng)物中有個(gè)拷貝，哺乳動(dòng)物中有20個(gè)拷貝。大部分組蛋白基因串聯(lián)重復(fù)形成個(gè)拷貝。大部分組蛋白基因串聯(lián)重復(fù)形成基因簇。基因簇。57在單倍體基因組中只出現(xiàn)一次或數(shù)次，大多數(shù)在單倍體基因組中只出現(xiàn)一次或數(shù)次，大多數(shù)為蛋白質(zhì)編碼的基因。為蛋白質(zhì)編碼的基因。（三）單拷貝序列（低度重復(fù)序列）（三）單拷貝序列（低度重復(fù)序列）58三、真核基因組中存在大量的多基因家族與假基因三、真核基因組中存在大量的多基因家族與假基因多基因家族多基因家族是指由某一祖先基因經(jīng)過(guò)重復(fù)和變異是指由某一祖先基

31、因經(jīng)過(guò)重復(fù)和變異所產(chǎn)生的一組在所產(chǎn)生的一組在結(jié)構(gòu)上相似、功能相關(guān)的基因結(jié)構(gòu)上相似、功能相關(guān)的基因。有的基因家族有的基因家族成簇地成簇地分布在某一條染色體上分布在某一條染色體上，同時(shí)，同時(shí)發(fā)揮作用，合成某些蛋白質(zhì)。如發(fā)揮作用，合成某些蛋白質(zhì)。如組蛋白組蛋白基因家族基因家族（H1、H2A、H2B、H3、H4）。人組蛋白基因家族）。人組蛋白基因家族成簇地集中在成簇地集中在7號(hào)染色體上。號(hào)染色體上。有的基因家族有的基因家族的不同成員成簇地的不同成員成簇地分布于不同染色體分布于不同染色體上上，編碼一組功能上緊密相關(guān)的蛋白質(zhì)。如，編碼一組功能上緊密相關(guān)的蛋白質(zhì)。如珠蛋白珠蛋白基因家族。人類(lèi)基因家族。人類(lèi)1

32、6號(hào)染色體上有號(hào)染色體上有7個(gè)個(gè)-珠蛋白珠蛋白基因，基因，11號(hào)染色體上有號(hào)染色體上有6個(gè)個(gè)-珠蛋白珠蛋白基因?；颉?5960超家族基因超家族基因 (superfamily gene)：DNA序列相序列相似似，但，但功能不一定相關(guān)功能不一定相關(guān)的若干個(gè)單拷貝基因或的若干個(gè)單拷貝基因或若干組基因家族總稱(chēng)。若干組基因家族總稱(chēng)。假基因假基因 (psuedogene)：基因組中存在的一段：基因組中存在的一段與正?；蚍浅Ｏ嗨频荒鼙磉_(dá)的與正?；蚍浅Ｏ嗨频荒鼙磉_(dá)的DNA序列。序列。以以 來(lái)表示。來(lái)表示。與相應(yīng)的正常基因相比，假基因往往缺少正與相應(yīng)的正常基因相比，假基因往往缺少正常基因的內(nèi)含子，兩側(cè)

33、有順向重復(fù)序列。?；虻膬?nèi)含子，兩側(cè)有順向重復(fù)序列。61四、線粒體四、線粒體DNA結(jié)構(gòu)有別于染色體結(jié)構(gòu)有別于染色體DNA線粒體線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）是核）是核外遺傳物質(zhì)，能獨(dú)立編碼線粒體中的一些蛋白質(zhì)。外遺傳物質(zhì)，能獨(dú)立編碼線粒體中的一些蛋白質(zhì)。mtDNA的結(jié)構(gòu)為環(huán)狀分子，與原核生物的的結(jié)構(gòu)為環(huán)狀分子，與原核生物的DNA類(lèi)似，類(lèi)似，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也與原核生物相似。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也與原核生物相似。62人的線粒體基因組人的線粒體基因組線粒體基因組編碼線粒體基因組編碼37個(gè)基因，包括個(gè)基因，包括13個(gè)編碼呼吸鏈多酶?jìng)€(gè)編碼呼吸鏈多酶體系的一些多肽的基因、體系的一些多肽的基因

34、、22個(gè)編碼個(gè)編碼mt-tRNA的基因、的基因、2個(gè)編碼個(gè)編碼mt-rRNA (16S和和12S) 的基因。的基因。63物種物種基因組大小基因組大小(Mb)基因數(shù)基因數(shù)染色體數(shù)染色體數(shù)*支原體支原體 M. genitalium0.58470無(wú)無(wú)流感嗜血桿菌流感嗜血桿菌 H. influrnzae1.831743無(wú)無(wú)枯草芽孢桿菌枯草芽孢桿菌 B. subtilis4.204100無(wú)無(wú)大腸桿菌大腸桿菌 E. coli 4.604288無(wú)無(wú)釀酒酵母釀酒酵母 S. cerevisiae 13.50603416裂殖酵母裂殖酵母 S. pombe12.50492916燕麥燕麥 O. sativa46630

35、00021果蠅果蠅 D. melanogaster165136014秀麗隱桿線蟲(chóng)秀麗隱桿線蟲(chóng) C. elegans97184246小鼠小鼠 mouse27003000020人人 H. sapiens30002500023不同生物體基因組的比較不同生物體基因組的比較五、人基因組中有兩萬(wàn)多個(gè)基因五、人基因組中有兩萬(wàn)多個(gè)基因 （22.5萬(wàn)）萬(wàn)）64*指單倍體細(xì)胞內(nèi)的染色體數(shù)目指單倍體細(xì)胞內(nèi)的染色體數(shù)目 Paris japonica (重樓百合)genome 1500億堿基對(duì)Carsonella ruddii (共生細(xì)菌)genome 16萬(wàn)堿基對(duì) Humangenome 30億堿基對(duì)65基因組大小和

36、基因數(shù)量在生物進(jìn)化中可能并不基因組大小和基因數(shù)量在生物進(jìn)化中可能并不具有特別重要的意義。具有特別重要的意義。66六、人的基因在染色體上的分布特征六、人的基因在染色體上的分布特征人類(lèi)基因組人類(lèi)基因組DNA DNA 67基因在染色體上并不是均勻分布?；蛎芏然蛟谌旧w上并不是均勻分布?；蛎芏茸畲蟮氖亲畲蟮氖堑诘?9號(hào)染色體號(hào)染色體，密度最小的是，密度最小的是第第13號(hào)和號(hào)和Y染色體染色體。染色體上存在著無(wú)基因的染色體上存在著無(wú)基因的“沙漠區(qū)沙漠區(qū)”，即在，即在500kb區(qū)域內(nèi)，沒(méi)有任何基因的編碼序列。區(qū)域內(nèi)，沒(méi)有任何基因的編碼序列?；蛟谌旧w上的分布特征基因在染色體上的分布特征6869總總

37、結(jié)結(jié) 基因是基因是能夠編碼能夠編碼蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)或RNA等具有特定功能產(chǎn)物等具有特定功能產(chǎn)物的、負(fù)載遺傳信息的、負(fù)載遺傳信息的基本單位的基本單位，除了某些以，除了某些以RNA為為基因組的基因組的RNA病毒外，通常是指染色體或基因組的病毒外，通常是指染色體或基因組的一段一段DNA片段。片段。 基因的基本結(jié)構(gòu)包括編碼蛋白質(zhì)或基因的基本結(jié)構(gòu)包括編碼蛋白質(zhì)或RNA的的編碼序列編碼序列及其與之相關(guān)的及其與之相關(guān)的非編碼序列非編碼序列。 基因組是基因組是指指細(xì)胞或生物體的一套完整單倍體細(xì)胞或生物體的一套完整單倍體遺傳物遺傳物質(zhì)質(zhì)的總和。真核基因組的總和。真核基因組DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色與蛋白質(zhì)結(jié)合形成

38、染色質(zhì)質(zhì)。 人基因組中有兩萬(wàn)多個(gè)基因，分布在人基因組中有兩萬(wàn)多個(gè)基因，分布在22條常染色體、條常染色體、2條性染色體和線粒體，但并不是均勻分布。條性染色體和線粒體，但并不是均勻分布。復(fù)復(fù) 習(xí)習(xí)中心法則中心法則 (the central dogma)：遺傳信息從遺傳信息從DNA到到RNA，再到蛋白質(zhì)的傳遞規(guī)律。，再到蛋白質(zhì)的傳遞規(guī)律。 編碼蛋白質(zhì)或編碼蛋白質(zhì)或RNA等具有特定功能產(chǎn)物的、負(fù)載遺等具有特定功能產(chǎn)物的、負(fù)載遺傳信息傳信息的基本單位的基本單位?；蚧?(gene)：基因組基因組 (genome)：細(xì)胞或生物體的一套完整單倍體遺傳物質(zhì)的總和。細(xì)胞或生物體的一套完整單倍體遺傳物質(zhì)的總和。

39、71DNA分子上位于編碼區(qū)兩側(cè)的分子上位于編碼區(qū)兩側(cè)的調(diào)控序列調(diào)控序列和編碼序和編碼序列之間的列之間的間隔序列間隔序列。在細(xì)胞內(nèi)在細(xì)胞內(nèi)表達(dá)為蛋白質(zhì)或功能表達(dá)為蛋白質(zhì)或功能RNA的的DNA序列。序列。編碼序列編碼序列 (coding sequence): 非編碼序列非編碼序列 (non-coding sequence): 71真核基因編碼區(qū)是間隔的、不連續(xù)的，稱(chēng)為斷裂基真核基因編碼區(qū)是間隔的、不連續(xù)的，稱(chēng)為斷裂基因。因。斷裂基因斷裂基因 (split gene)：72外顯子外顯子 (exon)：DNA分子上能夠介導(dǎo)分子上能夠介導(dǎo)RNA聚合酶聚合酶結(jié)合并形成結(jié)合并形成轉(zhuǎn)錄起轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體始復(fù)合體

40、的序列。的序列。增強(qiáng)真核基因啟動(dòng)子工作效率增強(qiáng)真核基因啟動(dòng)子工作效率的順式作用元件。是真的順式作用元件。是真核基因中最重要的調(diào)控序列，決定著每一個(gè)基因在細(xì)核基因中最重要的調(diào)控序列，決定著每一個(gè)基因在細(xì)胞內(nèi)的表達(dá)水平。胞內(nèi)的表達(dá)水平。位于外顯子之間、與位于外顯子之間、與RNA剪接過(guò)程中被刪除部分相對(duì)剪接過(guò)程中被刪除部分相對(duì)應(yīng)的應(yīng)的間隔序列間隔序列。在基因序列中，在基因序列中，出現(xiàn)在成熟出現(xiàn)在成熟RNA分子上分子上的序列。的序列。內(nèi)含子內(nèi)含子 (intron)：?jiǎn)?dòng)子啟動(dòng)子 (promoter)：增強(qiáng)子增強(qiáng)子 (enhancer)：73下列下列關(guān)于基因組的關(guān)于基因組的描述哪項(xiàng)是正確的描述哪項(xiàng)是正確

41、的?A人的基因組中的基因是重疊排列的人的基因組中的基因是重疊排列的 B人的不同的組織細(xì)胞中的基因組都有差別人的不同的組織細(xì)胞中的基因組都有差別 C人的基因組遠(yuǎn)大于原核生物基因組，非編碼區(qū)人的基因組遠(yuǎn)大于原核生物基因組，非編碼區(qū)遠(yuǎn)大于編碼區(qū)遠(yuǎn)大于編碼區(qū) D人的基因組遠(yuǎn)大于原核生物基因組，但不存在人的基因組遠(yuǎn)大于原核生物基因組，但不存在非編碼區(qū)非編碼區(qū) E各種生物的基因組大小一致但序列不同各種生物的基因組大小一致但序列不同74真核生物的基因組一般比較龐大，但所含真核生物的基因組一般比較龐大，但所含基因總數(shù)卻很少，究其原因下列說(shuō)法不正基因總數(shù)卻很少，究其原因下列說(shuō)法不正確的是確的是A產(chǎn)物多為單順?lè)醋赢a(chǎn)物多為單順?lè)醋覴NAB存在大量的重復(fù)序列存在大量的重復(fù)序列C非編碼區(qū)所占比例較大非編碼區(qū)所占比例較大D存在大量的內(nèi)含子存在大量的內(nèi)含子E編碼區(qū)所占比例較小編碼區(qū)所占比例較小75下次課提問(wèn)下次課提問(wèn)復(fù)習(xí)：復(fù)習(xí)：1中心法則；中心法則； 2基因；基因； 3基因組；基因組；4外顯子；外顯子； 5內(nèi)含子；內(nèi)含子； 6斷裂基因。斷裂基因。預(yù)習(xí)預(yù)習(xí)：1. DNA復(fù)制的基本特征復(fù)制的基本特征；2. 什么是什么是拓?fù)鋵W(xué)拓?fù)鋵W(xué)？