第二章基因和基因組第二章基因和基因組1第一節、染色體（Chromosome)

內容提要：細胞周期染色體與染色質染色體的結構和組成（原核生物、真核生物）核小體原核生物和真核生物基因組結構特點比較

第一節、染色體（Chromosome)內容提要：2（一）細胞周期（一）細胞周期3（二）染色體與染色質染色體（chromosome）是細胞在有絲分裂時遺傳物質存在的特定形式，是間期細胞染色質結構緊密包裝的結果。真核生物的染色體在細胞生活周期的大部分時間里都是以染色質(chromatin)的形式存在的。染色質是一種纖維狀結構，叫做染色質絲，它是由最基本的單位—核小體(nucleosome)成串排列而成的。（二）染色體與染色質染色體（chromosome）是細胞在有4（三）染色體的結構和組成原核生物(prokaryote)

（三）染色體的結構和組成原核生物(prokaryote)5{組蛋白：H1H2AH2BH3H4非組蛋白}核小體{DNA蛋白質染色體真核生物染色體的組成{組蛋白：H1H2AH2BH3H4非組蛋白}6組蛋白的一般特性：■進化上的保守性保守程度：H1H2A、H2BH3、H4■無組織特異性■肽鏈氨基酸分布的不對稱性■H5組蛋白的特殊性：富含賴氨酸（24%）■組蛋白的可修飾性1、組蛋白組蛋白的一般特性：1、組蛋白7在細胞周期特定時間可發生甲基化、乙酰化、磷酸化和ADP核糖基化等。H3、H4修飾作用較普遍，H2B有乙?；饔?、H1有磷酸化作用。所有這些修飾作用都有一個共同的特點，即降低組蛋白所攜帶的正電荷。這些組蛋白修飾的意義：一是改變染色體的結構，直接影響轉錄活性；二是核小體表面發生改變，使其他調控蛋白易于和染色質相互接觸，從而間接影響轉錄活性。組蛋白的可修飾性在細胞周期特定時間可發生甲基化、乙?；⒘姿峄虯DP核81)DNA的變性和復性

■變性（Denaturation)

DNA雙鏈的氫鍵斷裂，最后完全變成單鏈的過程稱為變性。

■增色效應(Hyperchromaticeffect)在變性過程中，260nm紫外線吸收值先緩慢上升，當達到某一溫度時驟然上升，稱為增色效應。2、DNA1)DNA的變性和復性2、DNA9■融解溫度（MeltingtemperatureTm)變性過程紫外線吸收值增加的中點稱為融解溫度。生理條件下為85-95℃影響因素：G+C含量，pH值，離子強度，尿素，甲跣胺等■融解溫度（MeltingtemperatureTm10《分子遺傳學》第二章——基因和基因組課件11■復性（Renaturation)熱變性的DNA緩慢冷卻，單鏈恢復成雙鏈。■減色效應（Hypochromaticeffect)

隨著DNA的復性，260nm紫外線吸收值降低的現象?！鰪托裕≧enaturation)122)C值反?，F象(C值矛盾)（C-valueparadox)

C值是一種生物的單倍體基因組DNA的總量。真核細胞基因組的最大特點是它含有大量的重復序列，而且功能DNA序列大多被不編碼蛋白質的非功能DNA所隔開，這就是著名的“C值反?，F象”。

2)C值反?，F象(C值矛盾)（C-valueparado13《分子遺傳學》第二章——基因和基因組課件14（四）核小體(nucleosome)1、定義：用于包裝染色質的結構單位，是由DNA鏈纏繞一個組蛋白核構成的。

2、核小體的結構核心顆粒、連接區DNA（四）核小體(nucleosome)1、定義：用于包裝染色質15《分子遺傳學》第二章——基因和基因組課件16《分子遺傳學》第二章——基因和基因組課件173、染色體的包裝—超螺旋結構3、染色體的包裝—超螺旋結構18●基因組很小，大多只有一條染色體●結構簡煉●存在轉錄單元(trnascriptionaloperon)

多順反子(polycistron)X174D-E-J-F-G-HmRNA蛋白J、F、GHDEE.coli色氨酸操縱子9個順反子9個酶1、原核生物基因組結構特點（五）原核生物和真核生物基因組結構特點比較●基因組很小，大多只有一條染色體X174D-E-J19

●有重疊基因（Sanger發現）基因內基因部分重疊基因一個堿基重疊《分子遺傳學》第二章——基因和基因組課件202、真核生物基因組結構特點●真核基因組結構龐大

3×109bp、染色質、核膜●單順反子●基因不連續性斷裂基因（interruptedgene）、內含子(intron)、外顯子(exon)基因的外顯子與內含子的順序特點：1、基因組中由內含子分隔的各個外顯子的排列順序與成熟mRNA中對應的外顯子順序保持一致；2、斷裂基因在個體的所有組織細胞中，不論表達與否，其結構不變；3、絕大多數內含子都含有3種讀碼序框的終止密碼子，當內含子未被切除時，翻譯常常在內含子終止，產生殘缺的多肽鏈；4、不同種屬的同一基因中外顯子的順序組成比較保守，而內含子的順序變化較大；5、外顯子的長度一般小于300bp,內含子的長度較大，可達50－60kb.2、真核生物基因組結構特點●真核基因組結構龐大3×21●非編碼區較多多于編碼序列(9:1)●含有大量重復序列■不重復序列/單一序列：在基因組中有一個或幾個拷貝。真核生物的大多數基因在單倍體中都是單拷貝的。如：蛋清蛋白、血紅蛋白等

功能：主要是編碼蛋白質。

■中度重復序列：在基因組中的拷貝數為101~104。如：rRNA、tRNA

一般是不編碼蛋白質的序列，在調控基因表達中起重要作用

●非編碼區較多多于編碼序列(9:1)22■高度重復序列：拷貝數達到幾百個到幾百萬個。特點：1、它們是由極其相似的重復拷貝首尾相連串接排列；2、在介質綠化銫中作密度梯度離心時，可以形成特定的梯度帶，故又稱為衛星DNA;3、集中分散在染色體的特定區域。

●衛星DNA：A?T含量很高的簡單高度重復序列?！龈叨戎貜托蛄校嚎截悢颠_到幾百個到幾百萬個。特點：1、它們23第二節基因概念的發展Mendel(1822-1884):“Mendelianfactor”《Experimentsonplanthybrids》Particulateinheritance1909Johanson:“Gene”

1910Morgan:geneswerephysicallyinthechromosomes1941Beadle&Tatum:“onegeneoneenzyme”1951McClintock:Ds-Ac

Controllingelement1957Benzer:

Cistron1961Jacob&Monod:

Operon1977Berger:Ad2

Interruptedgene1978Gibert:Intronandexon1977Sanger:Overlappinggene

第二節基因概念的發展Mendel(1822-24Abriefhistoryofgenetics.Abriefhistoryofgenetics.25

一、基因是遺傳結構和遺傳功能的單位遺傳結構的不可分割單位

基因位于染色體上重組作圖定位單個基因是遺傳信息結構和功能的基本單位從結構和功能來看，它們以線性的形式相互連接(串珠理論，thebeadsonastringtheory)。

噬菌體重組實驗結果的挑戰:基因可被分為更小的單位。SeymourBenzer引入了突變子(muton)，重組子(recon)和順反子(cistron)分別定義突變、重組和功能的不可分割單位。在噬菌體感染中，如果突變位于同一基因不同亞元件中，那么，這只可能是基因內重組(intragenicrecombination)的結果。這說明基因可被分為更小的單位，這些單位可發生重組和突變。這樣，重組子和突變子等價于單個核苷酸對。一、基因是遺傳結構和遺傳功能的單位26基因作為遺傳功能的不可分割單位

順反子

基因功能的不可分割的單位。

互補實驗的基礎是順反測驗(cis-transtest)建立了一基因一順反子的概念

即基因可被定義為遺傳的功能單位

順式測驗是對照組，如果兩個突變均在同一個基因組中，那么另一個基因組的兩個基因座均為野生型，其產物為正常的基因產物，細胞表現出野生表型。

反式測驗是互補實驗，可以確定功能單位的邊界。如果兩個突變在同一個基因中，那么它們以反式構型出現在細胞中時，每一基因組都攜帶有這一基因的突變體拷貝，因而在細胞中不能產生具有功能的產物——即不出現互補。如果突變位于不同基因中，當它們以反式構型出現時，那么每個基因組均可補償另一個基因組缺少的正常產物。細胞具有所有基因產物，表現為野生型——這就是正互補(positivecomplementation)。基因作為遺傳功能的不可分割單位27原核和真核細胞中基因——順反子的相互關系1.在簡單基因組中基因與順反子等價

原核和低等真核細胞：基因與產物之間的關系比較簡單。通常是一基因一相應產物，而且基因往往與產物共線性?；蚝晚樂醋拥葍r：基因是遺傳的功能單位；也是可表達的遺傳信息的單位。在細菌中：基因是編碼區(開放閱讀框)。細菌基因常常組合成一個操縱子，這樣幾種產物均由一條多順反子mRNA(polycistronicmRNA)翻譯而成；（多順反子）在真核細胞中：基因是轉錄的單位。大多數基因以單順反子mRNA(monocistronicmRNA)的形式轉錄原核和真核細胞中基因——順反子的相互關系28單順反子（monocistron）:

只編碼一條多肽鏈的順反子。

多順反子（polycistron）：

可編碼多條肽鏈的mRNA分子。單順反子（monocistron）:292.復雜基因組中基因與順反子不等價

在高等真核細胞的基因組中，基因和產物之間的關系較為復雜(下圖)。大多數高等真核細胞基因包含有內含子，它們是一些不出現在最終產物中因而不是功能組成部分的DNA插入序列。真核基因代表整個轉錄單位，而順反子可能被內含子插入所分隔，因而順反子等價于真核基因的外顯子。圖2-9：在真核細胞中基因與順反子不等價的例子(圖中較寬的框表示DNA，窄框表示RNA，鏈表示蛋白質)。(a)在反式剪接與RNA編輯中，單個多肽鏈的合成需要多個基因的表達，每個基因都是同一功能單位的部分并構成單個順反子。空白的框代表來自某一基因的信息而填充的框代表來自另一基因的信息。注意在所有已知的反式剪接的例子中，5’剪接轉錄物不被翻譯，雖然在理論上還不能解釋它為何不產生蛋白產物。2.復雜基因組中基因與順反子不等價圖2-9：在真核細30《分子遺傳學》第二章——基因和基因組課件31《分子遺傳學》第二章——基因和基因組課件32《分子遺傳學》第二章——基因和基因組課件33(b)一個基因通過多種剪接方式或其他選擇性信息利用方式產生多種產物?；蛑邪嗷ジ采w的順反子。內含子用有斜紋的框表示，它們在RNA加工過程中被剪切。外顯子也用框表示，如果不被翻譯用空白框表示，填充框表示編碼區。注意內含子可以插入到編碼或非編碼的外顯子中，而外顯子可以包含翻譯或非翻譯信息(即外顯子2和5)。(b)一個基因通過多種剪接方式或其他選擇性信息利用方式產生多34《分子遺傳學》第二章——基因和基因組課件35《分子遺傳學》第二章——基因和基因組課件36《分子遺傳學》第二章——基因和基因組課件37《分子遺傳學》第二章——基因和基因組課件38

在真核基因中，基因與產物相互關系的復雜性還來源與某些遺傳信息被選擇地利用以產生多種產物。這種過程可通過選擇性剪接來完成，這種選擇性反映了在RNA加工過程中或在啟動子選擇，及轉錄過程中多聚腺苷酸位點的使用等水平的調節。這些結構上相聯系的基因產物往往具有不同的功能，因而基因還可能包含一系列的相互重疊的順反子。在真核基因中，基因與產物相互關系的復雜性還來源與39

同上述情況相反，有時一種產物需要兩個基因共同產生，如反式剪接，即兩個分別編碼的mRNA被剪接在一起翻譯，另一個例子是在錐體蟲中的RNA編輯，mRNA和gRNA都是產生蛋白合成的成熟模板所必需的。這種情況中每個基因對于產生共同產物都是必需的；它們是同一順反子的一部分。

還有一些例子中幾種不同蛋白都來源于同一個開放閱讀框：翻譯首先產生一個多蛋白(polyprotein)，隨后再被剪切成具有不同功能的產物。一些RNA病毒采用這種策略以適應真核細胞中單順反子的機制。這種情況也發生在一些內源基因中，例如在哺乳動物的腦中，前強啡肽原基因可以產生七種有著不同功能的多肽。在這種情況中，編碼每種肽段的開放閱讀框被認為是一個順反子。同上述情況相反，有時一種產物需要兩個基因共同產40重疊和嵌套基因：重疊基因(overlappinggenes)：指調控具有獨立性但部分使用共同基因序列的基因。基因重疊發生在兩種水平：1.在細菌系統或其他的空間限制必需的情況中(如在RNA病毒基因組中和動物的線粒體DNA中)，基因可以在閱讀框水平上重疊，這樣同樣的遺傳信息產生兩種或多種互不相關的蛋白質。例：輕小病毒的裂解蛋白基因(包括噬菌體MS2)與復制酶和衣殼蛋白基因重疊，但是它們從不同的方向和以不同的開放閱讀框翻譯。在一些種屬中，裂解蛋白基因完全包含在復制酶基因中重疊和嵌套基因：41《分子遺傳學》第二章——基因和基因組課件422.在真核細胞中，基因在轉錄單位的水平中相互重疊，但是外顯子保持分立。由于在一個基因中的外顯子DNA被作為其重疊基因內含子的一部分，因而兩個基因的蛋白產物中并不出現相同的信息(例如，人的TCRA和TCRDT細胞的受體基因在外顯子水平上重疊)。偶然還會出現一個完整的基因包含在另一較大基因的內含子中：與內含子代謝有關的編碼蛋白的開放閱讀框往往位于自剪接內含子中(見RNA加工)。例如有3個小基因就隱含在較大的人類基因NF—1的第26號內含子中。重疊基因可能反映了一類調控機制。在質粒中，基因編碼的反義RNA往往同其調控的基因相重疊(參見反向轉錄)。2.在真核細胞中，基因在轉錄單位的水平中相互重疊，但是外顯子43嵌套基因(nestedgene):指那些通過調節蛋白合成終點而產生兩種或更多種嵌套蛋白產物的基因。

這可能通過終止子的滲漏通讀(例如Qp病毒的衣殼蛋白基因)，或者是翻譯時發生移碼(如在大腸桿菌danX基因和F質粒的trax基因)。真核細胞的RNA病毒也采用類似策略如反轉錄病毒，并且真核基因也可通過選擇性剪接或采用選擇性多聚腺苷酸位點產生嵌套產物。嵌套基因(nestedgene):指那些通過調節蛋白合成終44二、基因的分類按產物的類別按其功能結構基因：可被轉錄形成mRNA，并進而翻譯成多肽鏈，構成各種結構蛋白質，催化各種生化反應的酶和激素等。調節基因：指某些可調節控制結構基因表達的基因，合成阻遏蛋白和轉錄激活因子。其突變可影響一個或多個結構基因的功能，或導致一個或多個蛋白質（或酶）量的改變。只轉錄不翻譯的基因：核糖體RNA基因rRNA基因

tRNA基因蛋白質基因RNA基因結構基因：Structuralgene調節基因：Regulatorygene二、基因的分類蛋白質基因結構基因：Structuralge45三、基因的組構（Geneorganization）基因的結構和組成：通常是指結構基因的結構和組成。結構基因一定功能的RNA或蛋白質必須具備以下幾個基本的組成成分：

啟動子（Promoter）編碼序列（Codingsequence）終止子（Terminator）以及基因在啟動子的上游或其它區域有一些調節基因轉錄的序列：

順式調節元件（cis-regulatoryelement）/

上游調節序列（upstreamregulatorysequence）/上游激活序列（upstreamactivationsequence）

它們是轉錄調節因子的識別和結合位點，是調節基因轉錄的桿杠

表達三、基因的組構（Geneorganization）表達46一個真核生物的結構基因：一個真核生物的結構基因：471、基因可劃分為具有特定功能的分立區域

(定義基因功能性成分的術語)等位基因：基因的一個序列變異體(或者稱為遺傳標記，如RFLP，VNTR序列)。順反子：基因功能的一個單位，可以編碼特定產物的一段DNA。編碼區，開放閱讀框

(ORF)

可以翻譯成蛋白質的DNA區域，在細菌中，即為一個基因。在真核細胞中，編碼區可以被內含子隔斷。分段基因：具有處于不同基因座上的外顯子區的斷裂基因，這些外顯子必須分別轉錄并通過反式剪接相連接。實際上每一基因座應被認為是一獨立的基因，這屬于術語的誤用?；颍涸诩毦?，是指編碼一個獨立的蛋白質或RNA分子的遺傳功能單位。在真核細胞中，是指編碼一個或多個產物的，或對某一個產物產生有貢獻的一個轉錄單位。1、基因可劃分為具有特定功能的分立區域48基因座：染色體上一個基因的位置，包括兩側的調控元件。基因座一詞的本義是指任何標記物的位置——包括基因，調控元件，復制起始區，細胞遺傳學中的標記等等。操縱子：包含幾個基因(可作為一個多順反子的轉錄物被轉錄)及其共同調控元件的細菌基因座。假基因：類似基因的一段無功能的序列。被分隔基因：包含內含子的基因。轉錄間隔區：RNA基因或RNA基因操縱子中不出現在成熟RNA分子中的部分。轉錄單位，轉錄區域：可以轉錄為RNA的一段DNA區域。在真核細胞中即為一個基因。在細菌中可能包含多個基因。非翻譯區(UTR)，非編碼區(NCR)：轉錄單位中不能翻譯成蛋白的部分。在編碼區或操縱子兩側的UTRs為5’和3’UTRs(或稱為前導和尾隨序列)基因座：染色體上一個基因的位置，包括兩側的調控元件?；?9任何基因座，被轉錄的DNA稱為轉錄單位(transcriptionunit)。在原核細胞中，一個轉錄單位可能包括多個基因組成一個操縱子，但在真核細胞中，轉錄單位幾乎總是等價于單個基因(由RNA聚合酶I轉錄的rRNA基因多順反子，RNA病毒基因和細胞器基因組等例外；參見內部核糖體進入位點、反式剪接)。對于編碼蛋白質的基因，翻譯成多肽序列后的信息和未翻譯的信息之間可能存在差別。在細菌中，被翻譯的區域[開放閱讀框(openreadingframe)、編碼區(codingregion)]同基因等價，并且，基因間通常被短的內部非編碼區(internalnoncodingregions)分隔。操縱子的末端基因的側翼存在有5’非翻譯區(5’untranslatedregion，UTR)或稱為前導序列(leadersequence)和3‘UTR也稱為尾隨序列(trailersequence)。這些序列往往具有調控功能；5’UTR控制核糖體的結合還可能促進衰減子控制(anenuatorcontrol)；而3’UTR在mRNA的穩定性中起重要作用。任何基因座，被轉錄的DNA稱為轉錄單位(transcript50

在真核細胞中，編碼區的兩側也存在具有調控功能的UTRs，兩側的UTRs和開放閱讀框都被非編碼序列即內含子插入，內含子在RNA從核仁運輸出來時被剪切掉，也就是說它們不出現在成熟的轉錄物中。

在真核和原核細胞中，RNA基因可被單獨或作為操縱子的一部分轉錄?；蛑信c蛋白編碼區類同部分即最終形成成熟RNA的部分。一些RNA作為成熟轉錄物被轉錄，而另一些需經過剪切，加工和內含子的剪接等過程。漸次丟失的所有序列都被稱為轉錄間隔序列(transcribedspacersequence)

512、基因命名法

基因的命名一般根據種屬習慣。一般用斜體表示基因的名稱，等位基因及其基因型，或在必要時表示基因轉錄而成的mRNA，而蛋白產物和表型用正體來表示。但是在研究不同生物的同一遺傳機制時，往往會產生一些混淆，如在研究釀酒酵母和粟米酵母的細胞周期有關基因的命名中。此外，許多基因在不同實驗中從相同組織被分離出好幾次而具有不同命名：重要的果蠅的發育基因torpedo便是其中一例——它在篩選不同表型的過程中三次被鑒定并被命名三種不同名稱。果蠅提供了關于遺傳命名的最為豐富的例子，特別是在發育生物學中這種趨勢也擴展至脊椎動物中。在許多種屬中，基因由包括幾個字母和數字的符號來表示，一些種屬命名慣例(如果蠅、大腸桿菌)認為使用小寫字母表示隱性突變，而用第一個字母大寫來表示顯性突變。在其他一些種屬包括人的基因命名中，基因全由大寫字母表示?，F在，通過大規模的測序方法，更多的基因不斷被鑒定，因而十分需要一個統一的命名方法2、基因命名法52傳統基因命名法提要物種慣例大腸桿菌和其他細菌

三個小寫字母表示一個操縱子，接著的大寫字母表示不同基因座。

例如：lac操縱子；基因座：lacZ，lacY，lacA蛋白質：LacZ，LacY，LacA另外還采用特殊慣例命名B．subilis的孢子發生基因。這些基因以spo后加上表示孢子發生的形態階段的羅馬數字表示，再用大寫字母表示操縱子，而后為基因座，例如，

spoⅡGA就表示在第二階段表達的操縱子G的第一個基因座?！斗肿舆z傳學》第二章——基因和基因組課件53酵母三個字母表明基因功能，而后的數字表示不同的基因座。

啤酒酵母基因:GAL4，CDC28

蛋白質：GAL4，CDC28

非洲粟酒酵母基因:gal4，cdc2蛋白質:Gal4，Cdc2線蟲用三個小寫字母表示突變表型，如存在不只一個基因座，用連字符后接數字表示，例如，基因:unc—86，ced—9蛋白:UNC—86；CED—9

酵母三個字母表明基因功能，而后的數字54果蠅

來自突變表型的描述可以用1～4個字母代表。例如，基因:white(w)，tailless(tll)，hedgehog(hh)；而蛋白為:White，Tailless,Hedgehog。植物

雖然沒有適用于所有植物的慣用法，但大多數用1—3個小寫字母表示。Arabidopsis基因用果蠅的方法命名但使用大寫字母，例如，基因AGAMOUS(AG)，蛋白AGAMOUS。脊椎動物

一般以描述基因功能的1—4個小寫字母和數字表示其基因功能。例如，基因semyc，蛋白Sey，Myc。人類

方法如脊椎動物但需大寫。例如基因：MYC、ENO1蛋白：MYC、ENO1《分子遺傳學》第二章——基因和基因組課件55F-1返回F-1返回56F-2返回F-2返回57F-3返回F-3返回58F-4返回F-4返回59《分子遺傳學》第二章——基因和基因組課件60返回返回61順反子＝細菌基因它是基因功能的不可分割的單位返回順反子＝細菌基因返回62功能相關的結構基因和操縱基因緊密連鎖構成一個功能協調的操縱子返回功能相關的結構基因和操縱基因緊密連鎖返回636）斷裂基因和重疊基因1978年Gilbert提出內含子、外顯子概念1977年Berger首次報道腺病毒基因中存在內部間隔區返回Outlineofsplicing:Theintronsinagenearetranscribedalongwiththeextrons(coloredboxes)intheprimarytranscript.Thentheyareremovedastheextronsaresplicedtogether.6）斷裂基因和重疊基因1978年Gilbert提出內含子641977年SangerΦΧ174DNA全序列測定發現基因重疊現象返回DNAseq:5386bpBut:coding2000aa6000-5386=641bp?1977年SangerΦΧ174DNA全序列測定657）跳躍基因、可移動因子、轉座子1951年Maclintock玉米Ds-Ac控制系統返回7）跳躍基因、可移動因子、轉座子1951年Maclinto66返回返回67返回返回68返回返回69突變子（muton）:順反子內可能發生突變的最小單位，即核苷酸對。重組子（recon）:可進行重組的最小遺傳單位。順反子（cistron）:編碼多肽鏈的遺傳單位；基因的功能單位或遺傳的功能單位返回返回70《分子遺傳學》第二章——基因和基因組課件71第二章基因和基因組第二章基因和基因組72第一節、染色體（Chromosome)

內容提要：細胞周期染色體與染色質染色體的結構和組成（原核生物、真核生物）核小體原核生物和真核生物基因組結構特點比較

第一節、染色體（Chromosome)內容提要：73（一）細胞周期（一）細胞周期74（二）染色體與染色質染色體（chromosome）是細胞在有絲分裂時遺傳物質存在的特定形式，是間期細胞染色質結構緊密包裝的結果。真核生物的染色體在細胞生活周期的大部分時間里都是以染色質(chromatin)的形式存在的。染色質是一種纖維狀結構，叫做染色質絲，它是由最基本的單位—核小體(nucleosome)成串排列而成的。（二）染色體與染色質染色體（chromosome）是細胞在有75（三）染色體的結構和組成原核生物(prokaryote)

（三）染色體的結構和組成原核生物(prokaryote)76{組蛋白：H1H2AH2BH3H4非組蛋白}核小體{DNA蛋白質染色體真核生物染色體的組成{組蛋白：H1H2AH2BH3H4非組蛋白}77組蛋白的一般特性：■進化上的保守性保守程度：H1H2A、H2BH3、H4■無組織特異性■肽鏈氨基酸分布的不對稱性■H5組蛋白的特殊性：富含賴氨酸（24%）■組蛋白的可修飾性1、組蛋白組蛋白的一般特性：1、組蛋白78在細胞周期特定時間可發生甲基化、乙?；?、磷酸化和ADP核糖基化等。H3、H4修飾作用較普遍，H2B有乙酰化作用、H1有磷酸化作用。所有這些修飾作用都有一個共同的特點，即降低組蛋白所攜帶的正電荷。這些組蛋白修飾的意義：一是改變染色體的結構，直接影響轉錄活性；二是核小體表面發生改變，使其他調控蛋白易于和染色質相互接觸，從而間接影響轉錄活性。組蛋白的可修飾性在細胞周期特定時間可發生甲基化、乙?；⒘姿峄虯DP核791)DNA的變性和復性

■變性（Denaturation)

DNA雙鏈的氫鍵斷裂，最后完全變成單鏈的過程稱為變性。

■增色效應(Hyperchromaticeffect)在變性過程中，260nm紫外線吸收值先緩慢上升，當達到某一溫度時驟然上升，稱為增色效應。2、DNA1)DNA的變性和復性2、DNA80■融解溫度（MeltingtemperatureTm)變性過程紫外線吸收值增加的中點稱為融解溫度。生理條件下為85-95℃影響因素：G+C含量，pH值，離子強度，尿素，甲跣胺等■融解溫度（MeltingtemperatureTm81《分子遺傳學》第二章——基因和基因組課件82■復性（Renaturation)熱變性的DNA緩慢冷卻，單鏈恢復成雙鏈?！鰷p色效應（Hypochromaticeffect)

隨著DNA的復性，260nm紫外線吸收值降低的現象。■復性（Renaturation)832)C值反?，F象(C值矛盾)（C-valueparadox)

C值是一種生物的單倍體基因組DNA的總量。真核細胞基因組的最大特點是它含有大量的重復序列，而且功能DNA序列大多被不編碼蛋白質的非功能DNA所隔開，這就是著名的“C值反常現象”。

2)C值反?，F象(C值矛盾)（C-valueparado84《分子遺傳學》第二章——基因和基因組課件85（四）核小體(nucleosome)1、定義：用于包裝染色質的結構單位，是由DNA鏈纏繞一個組蛋白核構成的。

2、核小體的結構核心顆粒、連接區DNA（四）核小體(nucleosome)1、定義：用于包裝染色質86《分子遺傳學》第二章——基因和基因組課件87《分子遺傳學》第二章——基因和基因組課件883、染色體的包裝—超螺旋結構3、染色體的包裝—超螺旋結構89●基因組很小，大多只有一條染色體●結構簡煉●存在轉錄單元(trnascriptionaloperon)

多順反子(polycistron)X174D-E-J-F-G-HmRNA蛋白J、F、GHDEE.coli色氨酸操縱子9個順反子9個酶1、原核生物基因組結構特點（五）原核生物和真核生物基因組結構特點比較●基因組很小，大多只有一條染色體X174D-E-J90

●有重疊基因（Sanger發現）基因內基因部分重疊基因一個堿基重疊《分子遺傳學》第二章——基因和基因組課件912、真核生物基因組結構特點●真核基因組結構龐大

3×109bp、染色質、核膜●單順反子●基因不連續性斷裂基因（interruptedgene）、內含子(intron)、外顯子(exon)基因的外顯子與內含子的順序特點：1、基因組中由內含子分隔的各個外顯子的排列順序與成熟mRNA中對應的外顯子順序保持一致；2、斷裂基因在個體的所有組織細胞中，不論表達與否，其結構不變；3、絕大多數內含子都含有3種讀碼序框的終止密碼子，當內含子未被切除時，翻譯常常在內含子終止，產生殘缺的多肽鏈；4、不同種屬的同一基因中外顯子的順序組成比較保守，而內含子的順序變化較大；5、外顯子的長度一般小于300bp,內含子的長度較大，可達50－60kb.2、真核生物基因組結構特點●真核基因組結構龐大3×92●非編碼區較多多于編碼序列(9:1)●含有大量重復序列■不重復序列/單一序列：在基因組中有一個或幾個拷貝。真核生物的大多數基因在單倍體中都是單拷貝的。如：蛋清蛋白、血紅蛋白等

功能：主要是編碼蛋白質。

■中度重復序列：在基因組中的拷貝數為101~104。如：rRNA、tRNA

一般是不編碼蛋白質的序列，在調控基因表達中起重要作用

●非編碼區較多多于編碼序列(9:1)93■高度重復序列：拷貝數達到幾百個到幾百萬個。特點：1、它們是由極其相似的重復拷貝首尾相連串接排列；2、在介質綠化銫中作密度梯度離心時，可以形成特定的梯度帶，故又稱為衛星DNA;3、集中分散在染色體的特定區域。

●衛星DNA：A?T含量很高的簡單高度重復序列?！龈叨戎貜托蛄校嚎截悢颠_到幾百個到幾百萬個。特點：1、它們94第二節基因概念的發展Mendel(1822-1884):“Mendelianfactor”《Experimentsonplanthybrids》Particulateinheritance1909Johanson:“Gene”

1910Morgan:geneswerephysicallyinthechromosomes1941Beadle&Tatum:“onegeneoneenzyme”1951McClintock:Ds-Ac

Controllingelement1957Benzer:

Cistron1961Jacob&Monod:

Operon1977Berger:Ad2

Interruptedgene1978Gibert:Intronandexon1977Sanger:Overlappinggene

第二節基因概念的發展Mendel(1822-95Abriefhistoryofgenetics.Abriefhistoryofgenetics.96

一、基因是遺傳結構和遺傳功能的單位遺傳結構的不可分割單位

基因位于染色體上重組作圖定位單個基因是遺傳信息結構和功能的基本單位從結構和功能來看，它們以線性的形式相互連接(串珠理論，thebeadsonastringtheory)。

噬菌體重組實驗結果的挑戰:基因可被分為更小的單位。SeymourBenzer引入了突變子(muton)，重組子(recon)和順反子(cistron)分別定義突變、重組和功能的不可分割單位。在噬菌體感染中，如果突變位于同一基因不同亞元件中，那么，這只可能是基因內重組(intragenicrecombination)的結果。這說明基因可被分為更小的單位，這些單位可發生重組和突變。這樣，重組子和突變子等價于單個核苷酸對。一、基因是遺傳結構和遺傳功能的單位97基因作為遺傳功能的不可分割單位

順反子

基因功能的不可分割的單位。

互補實驗的基礎是順反測驗(cis-transtest)建立了一基因一順反子的概念

即基因可被定義為遺傳的功能單位

順式測驗是對照組，如果兩個突變均在同一個基因組中，那么另一個基因組的兩個基因座均為野生型，其產物為正常的基因產物，細胞表現出野生表型。

反式測驗是互補實驗，可以確定功能單位的邊界。如果兩個突變在同一個基因中，那么它們以反式構型出現在細胞中時，每一基因組都攜帶有這一基因的突變體拷貝，因而在細胞中不能產生具有功能的產物——即不出現互補。如果突變位于不同基因中，當它們以反式構型出現時，那么每個基因組均可補償另一個基因組缺少的正常產物。細胞具有所有基因產物，表現為野生型——這就是正互補(positivecomplementation)?；蜃鳛檫z傳功能的不可分割單位98原核和真核細胞中基因——順反子的相互關系1.在簡單基因組中基因與順反子等價

原核和低等真核細胞：基因與產物之間的關系比較簡單。通常是一基因一相應產物，而且基因往往與產物共線性?；蚝晚樂醋拥葍r：基因是遺傳的功能單位；也是可表達的遺傳信息的單位。在細菌中：基因是編碼區(開放閱讀框)。細菌基因常常組合成一個操縱子，這樣幾種產物均由一條多順反子mRNA(polycistronicmRNA)翻譯而成；（多順反子）在真核細胞中：基因是轉錄的單位。大多數基因以單順反子mRNA(monocistronicmRNA)的形式轉錄原核和真核細胞中基因——順反子的相互關系99單順反子（monocistron）:

只編碼一條多肽鏈的順反子。

多順反子（polycistron）：

可編碼多條肽鏈的mRNA分子。單順反子（monocistron）:1002.復雜基因組中基因與順反子不等價

在高等真核細胞的基因組中，基因和產物之間的關系較為復雜(下圖)。大多數高等真核細胞基因包含有內含子，它們是一些不出現在最終產物中因而不是功能組成部分的DNA插入序列。真核基因代表整個轉錄單位，而順反子可能被內含子插入所分隔，因而順反子等價于真核基因的外顯子。圖2-9：在真核細胞中基因與順反子不等價的例子(圖中較寬的框表示DNA，窄框表示RNA，鏈表示蛋白質)。(a)在反式剪接與RNA編輯中，單個多肽鏈的合成需要多個基因的表達，每個基因都是同一功能單位的部分并構成單個順反子?？瞻椎目虼韥碜阅骋换虻男畔⒍畛涞目虼韥碜粤硪换虻男畔?。注意在所有已知的反式剪接的例子中，5’剪接轉錄物不被翻譯，雖然在理論上還不能解釋它為何不產生蛋白產物。2.復雜基因組中基因與順反子不等價圖2-9：在真核細101《分子遺傳學》第二章——基因和基因組課件102《分子遺傳學》第二章——基因和基因組課件103《分子遺傳學》第二章——基因和基因組課件104(b)一個基因通過多種剪接方式或其他選擇性信息利用方式產生多種產物。基因中包含相互覆蓋的順反子。內含子用有斜紋的框表示，它們在RNA加工過程中被剪切。外顯子也用框表示，如果不被翻譯用空白框表示，填充框表示編碼區。注意內含子可以插入到編碼或非編碼的外顯子中，而外顯子可以包含翻譯或非翻譯信息(即外顯子2和5)。(b)一個基因通過多種剪接方式或其他選擇性信息利用方式產生多105《分子遺傳學》第二章——基因和基因組課件106《分子遺傳學》第二章——基因和基因組課件107《分子遺傳學》第二章——基因和基因組課件108《分子遺傳學》第二章——基因和基因組課件109

在真核基因中，基因與產物相互關系的復雜性還來源與某些遺傳信息被選擇地利用以產生多種產物。這種過程可通過選擇性剪接來完成，這種選擇性反映了在RNA加工過程中或在啟動子選擇，及轉錄過程中多聚腺苷酸位點的使用等水平的調節。這些結構上相聯系的基因產物往往具有不同的功能，因而基因還可能包含一系列的相互重疊的順反子。在真核基因中，基因與產物相互關系的復雜性還來源與110

同上述情況相反，有時一種產物需要兩個基因共同產生，如反式剪接，即兩個分別編碼的mRNA被剪接在一起翻譯，另一個例子是在錐體蟲中的RNA編輯，mRNA和gRNA都是產生蛋白合成的成熟模板所必需的。這種情況中每個基因對于產生共同產物都是必需的；它們是同一順反子的一部分。

還有一些例子中幾種不同蛋白都來源于同一個開放閱讀框：翻譯首先產生一個多蛋白(polyprotein)，隨后再被剪切成具有不同功能的產物。一些RNA病毒采用這種策略以適應真核細胞中單順反子的機制。這種情況也發生在一些內源基因中，例如在哺乳動物的腦中，前強啡肽原基因可以產生七種有著不同功能的多肽。在這種情況中，編碼每種肽段的開放閱讀框被認為是一個順反子。同上述情況相反，有時一種產物需要兩個基因共同產111重疊和嵌套基因：重疊基因(overlappinggenes)：指調控具有獨立性但部分使用共同基因序列的基因?；蛑丿B發生在兩種水平：1.在細菌系統或其他的空間限制必需的情況中(如在RNA病毒基因組中和動物的線粒體DNA中)，基因可以在閱讀框水平上重疊，這樣同樣的遺傳信息產生兩種或多種互不相關的蛋白質。例：輕小病毒的裂解蛋白基因(包括噬菌體MS2)與復制酶和衣殼蛋白基因重疊，但是它們從不同的方向和以不同的開放閱讀框翻譯。在一些種屬中，裂解蛋白基因完全包含在復制酶基因中重疊和嵌套基因：112《分子遺傳學》第二章——基因和基因組課件1132.在真核細胞中，基因在轉錄單位的水平中相互重疊，但是外顯子保持分立。由于在一個基因中的外顯子DNA被作為其重疊基因內含子的一部分，因而兩個基因的蛋白產物中并不出現相同的信息(例如，人的TCRA和TCRDT細胞的受體基因在外顯子水平上重疊)。偶然還會出現一個完整的基因包含在另一較大基因的內含子中：與內含子代謝有關的編碼蛋白的開放閱讀框往往位于自剪接內含子中(見RNA加工)。例如有3個小基因就隱含在較大的人類基因NF—1的第26號內含子中。重疊基因可能反映了一類調控機制。在質粒中，基因編碼的反義RNA往往同其調控的基因相重疊(參見反向轉錄)。2.在真核細胞中，基因在轉錄單位的水平中相互重疊，但是外顯子114嵌套基因(nestedgene):指那些通過調節蛋白合成終點而產生兩種或更多種嵌套蛋白產物的基因。

這可能通過終止子的滲漏通讀(例如Qp病毒的衣殼蛋白基因)，或者是翻譯時發生移碼(如在大腸桿菌danX基因和F質粒的trax基因)。真核細胞的RNA病毒也采用類似策略如反轉錄病毒，并且真核基因也可通過選擇性剪接或采用選擇性多聚腺苷酸位點產生嵌套產物。嵌套基因(nestedgene):指那些通過調節蛋白合成終115二、基因的分類按產物的類別按其功能結構基因：可被轉錄形成mRNA，并進而翻譯成多肽鏈，構成各種結構蛋白質，催化各種生化反應的酶和激素等。調節基因：指某些可調節控制結構基因表達的基因，合成阻遏蛋白和轉錄激活因子。其突變可影響一個或多個結構基因的功能，或導致一個或多個蛋白質（或酶）量的改變。只轉錄不翻譯的基因：核糖體RNA基因rRNA基因

tRNA基因蛋白質基因RNA基因結構基因：Structuralgene調節基因：Regulatorygene二、基因的分類蛋白質基因結構基因：Structuralge116三、基因的組構（Geneorganization）基因的結構和組成：通常是指結構基因的結構和組成。結構基因一定功能的RNA或蛋白質必須具備以下幾個基本的組成成分：

啟動子（Promoter）編碼序列（Codingsequence）終止子（Terminator）以及基因在啟動子的上游或其它區域有一些調節基因轉錄的序列：

順式調節元件（cis-regulatoryelement）/

上游調節序列（upstreamregulatorysequence）/上游激活序列（upstreamactivationsequence）

它們是轉錄調節因子的識別和結合位點，是調節基因轉錄的桿杠

表達三、基因的組構（Geneorganization）表達117一個真核生物的結構基因：一個真核生物的結構基因：1181、基因可劃分為具有特定功能的分立區域

(定義基因功能性成分的術語)等位基因：基因的一個序列變異體(或者稱為遺傳標記，如RFLP，VNTR序列)。順反子：基因功能的一個單位，可以編碼特定產物的一段DNA。編碼區，開放閱讀框

(ORF)

可以翻譯成蛋白質的DNA區域，在細菌中，即為一個基因。在真核細胞中，編碼區可以被內含子隔斷。分段基因：具有處于不同基因座上的外顯子區的斷裂基因，這些外顯子必須分別轉錄并通過反式剪接相連接。實際上每一基因座應被認為是一獨立的基因，這屬于術語的誤用?；颍涸诩毦校侵妇幋a一個獨立的蛋白質或RNA分子的遺傳功能單位。在真核細胞中，是指編碼一個或多個產物的，或對某一個產物產生有貢獻的一個轉錄單位。1、基因可劃分為具有特定功能的分立區域119基因座：染色體上一個基因的位置，包括兩側的調控元件?；蜃辉~的本義是指任何標記物的位置——包括基因，調控元件，復制起始區，細胞遺傳學中的標記等等。操縱子：包含幾個基因(可作為一個多順反子的轉錄物被轉錄)及其共同調控元件的細菌基因座。假基因：類似基因的一段無功能的序列。被分隔基因：包含內含子的基因。轉錄間隔區：RNA基因或RNA基因操縱子中不出現在成熟RNA分子中的部分。轉錄單位，轉錄區域：可以轉錄為RNA的一段DNA區域。在真核細胞中即為一個基因。在細菌中可能包含多個基因。非翻譯區(UTR)，非編碼區(NCR)：轉錄單位中不能翻譯成蛋白的部分。在編碼區或操縱子兩側的UTRs為5’和3’UTRs(或稱為前導和尾隨序列)基因座：染色體上一個基因的位置，包括兩側的調控元件。基因120任何基因座，被轉錄的DNA稱為轉錄單位(transcriptionunit)。在原核細胞中，一個轉錄單位可能包括多個基因組成一個操縱子，但在真核細胞中，轉錄單位幾乎總是等價于單個基因(由RNA聚合酶I轉錄的rRNA基因多順反子，RNA病毒基因和細胞器基因組等例外；參見內部核糖體進入位點、反式剪接)。對于編碼蛋白質的基因，翻譯成多肽序列后的信息和未翻譯的信息之間可能存在差別。在細菌中，被翻譯的區域[開放閱讀框(openreadingframe)、編碼區(codingregion)]同基因等價，并且，基因間通常被短的內部非編碼區(internalnoncodingregions)分隔。操縱子的末端基因的側翼存在有5’非翻譯區(5’untranslatedregion，UTR)或稱為前導序列(leadersequence)和3‘UTR也稱為尾隨序列(trailersequence)。這些序列往往具有調控功能；5’UTR控制核糖體的結合還可能促進衰減子控制(anenuatorcontrol)；而3’UTR在mRNA的穩定性中起重要作用。任何基因座，被轉錄的DNA稱為轉錄單位(transcript121

在真核細胞中，編碼區的兩側也存在具有調控功能的UTRs，兩側的UTRs和開放閱讀框都被非編碼序列即內含子插入，內含子在RNA從核仁運輸出來時被剪切掉，也就是說它們不出現在成熟的轉錄物中。

在真核和原核細胞中，RNA基因可被單獨或作為操縱子的一部分轉錄。基因中與蛋白編碼區類同部分即最終形成成熟RNA的部分。一些RNA作為成熟轉錄物被轉錄，而另一些需經過剪切，加工和內含子的剪接等過程。漸次丟失的所有序列都被稱為轉錄間隔序列(transcribedspacersequence)

1222、基因命名法

基因的命名一般根據種屬習慣。一般用斜體表示基因的名稱，等位基因及其基因型，或在必要時表示基因轉錄而成的mRNA，而蛋白產物和表型用正體來表示。但是在研究不同生物的同一遺傳機制時，往往會產生一些混淆，如在研究釀酒酵母和粟米酵母的細胞周期有關基因的命名中。此外，許多基因在不同實驗中從相同組織被分離出好幾次而具有不同命名：重要的果蠅的發