2.7基因概念的多樣性一、C值矛盾（C-valueparadox）在每一種生物中其單倍體基因組的DNA總量是特異的，被稱為C值(CValue)。DNA的長度是根據堿基對的多少推算出來的。各門生物存在著一個C值范圍，在每一門中隨著生物復雜性的增加，其基因組大小的最低程度也隨之增加。2.7基因概念的多樣性一、C值矛盾（C-valueparadox）

基因組的概念Genome（Winkler,1920）Genome=Gene+Chromosome一個生物物種單倍型的所有染色體數目總和一個生物物種所有基因的總和2.7基因概念的多樣性一、C值矛盾（C-valueparadox）

基因組（genome）

核基因組（nucleicgenome）核外基因組（extranucleicgenome

）

線粒體基因組（mitochondrialgenome）葉綠體基因組（chloroplastgenome）基因數目與物種的關系基因數目的多少大致上與物種進化的復雜性相關；在高等動植物中，巨大的基因組并不意味著有巨量的基因數目。人類究竟有多少個基因？理論上：根據基因組的大小，可具有10萬個基因，實際上：大約3－4萬個?！吧矬w的復雜性并不是簡單地與基因數量相關聯的。”(G.Rubin)

人類基因組線粒體基因組(16.6kb)核基因組(3200Mb)基因外序列基因和基因有關序列約10%約90%專一或中等重復序列Non-codingDNA假基因內含子基因片段<10%>90%專一的或低拷貝數序列中度至高度重復序列20~30%70~80%分散重復序列串聯重復序列/成簇重復序列約60%約40%蛋白編碼基因rRNA基因tRNA基因CodingDNA但在其它的一些門中，這種相關性有的并不存在實際上一個門中的C值變化并沒有一定的規律。例如在哺乳類、鳥類和爬行類的C值變化范圍都很小，而在兩棲類中這種變化范圍增大，而植物的C值變化范圍更為寬廣，常成倍成倍地增加。

C值和生物結構或組成的復雜性不一致的現象稱為C值矛盾(C-valueparadox)。TheC-valueparadoxdescribesthelackofrelationshipbetweentheDNAcontent(C-value)ofanorganismanditscodingpotential.目前還不能完全解釋這種矛盾：

在一定意義上說，生物類群中C值變化范圍寬就意味著在某些生物中有些DNA是冗余的，不能編碼有功能的活性物質。DNA總量變化范圍的產生至少有一個原因，即在染色體上存在著不同數目的重復順序，這些重復順序是不表達的。二、細菌的基因組及特點（一）組成：細菌染色體和質粒（二）細菌基因組的特征

1.基因組相對較?。ㄈ鏓coli,4.6×106bp，4000個基因），只有一個復制啟始位點。

2.具有操縱子結構：功能上相關的幾個基因往往在一起組成操縱子結構，即幾個結構基因串聯在一起，受它們上游的共同調控區控制。當基因開放時，這幾個基因轉錄在一條mRNA鏈上，然后分別翻譯合成各自的蛋白肽鏈。操縱子的末端具有特殊的終止序列。（三）質粒(plasmid)質粒:是細菌染色體外能夠進行自主復制的遺傳單位

，是環狀閉合的雙鏈DNA。緊密控制型（stringentcontrol）質粒:只在細胞周期的一定階段進行復制，通常每個細胞內只含有一個或幾個質粒分子松弛控制型（relaxedcontrol）質粒:在整個細胞周期中隨時可以復制，在每個細胞中有許多拷貝，一般在20個以上。在細胞培養過程中，加適當氯霉素可使松弛型質粒的拷貝數由原來的20多個擴增至1000-3000個。（三）質粒(plasmid)質?；蚩删幋a多種重要的生物學性狀：1)致育質粒（F質粒）與有性生殖功能關聯2)耐藥性質粒編碼細菌對抗菌藥物或重金屬鹽類的耐藥性。分兩類，一是接合性耐藥質粒（R質粒），另一是非接合耐藥性質粒3)毒力質粒（Vi質粒）編碼與該菌致病性有關的毒力因子4)細菌素質粒編碼細菌產生細菌素5)代謝質粒編碼產生相關的代謝酶。質粒具有自我復制的能力質粒DNA所編碼的基因產物賦予細菌某些性狀特征質粒可自行丟失與消除質粒的轉移性質?？煞譃橄嗳菪耘c不相容性兩種質粒DNA的特征4．大部份病毒核酸是由一條雙鏈或單鏈分子(RNA或DNA)，僅少數RNA病毒由幾個核酸片段組成5．噬菌體（細胞病毒）的基因是連續的；而真核細胞病毒的基因是不連續的，具有內含子，除了正鏈RNA病毒之外，真核細胞病毒的基因都是先轉錄成mRNA前體，再經加工才能切除內含子成為成熟的mRNA。噬菌體基因組中無內含子，但感染真核細胞的病毒基因組中具有內含子（SV40早期基因T和t）6．有重疊基因（同ORF重疊、異ORF重疊和反ORF重疊）7.大部分DNA用于編碼蛋白質，只有一小部分是不翻譯的。不翻譯區通常是基因表達的調控序列8.調控序列可以被宿主細胞所識別，其遺傳密碼和基因組的結構必須與宿主體系相匹配五、真核生物基因組的特點1.基因組含有更大的DNA分子，以染色體形式儲存于細胞核內，除配子細胞外，體細胞內的基因的基因組是雙份的。但應注意：（1）并非生物越高等，基因組越大。即并非進化的復雜程度與DNA含量成正比。如某些植物和兩棲類的DNA含量是人的幾十乃至上百倍。（2）同一類復雜性差不多，形態也相似的生物，理論上其基因組也應比較接近，其實不然。如同是兩棲類可相差十倍以上。（3）基因組中DNA的量遠大于編碼蛋白質所需要的量。6.存在多基因家族和超基因家族

7.基因類型多樣8.DNA序列組織的可變性：DNA序列從胚胎到成人并非一成不變。如B細胞成熟過程中Ig基因結構的重排及TCR基因在分化過程中的重排5.存在重復序列(repetitivesequence)

五、真核生物基因組的特點水生動物基因組:對1600多種魚類及其他少數水產動物研究表明:水生動物基因組大小差異很大:多數魚類/甲殼類單倍體染色體數為20—25,相當于人類基因組大小的50%--70%鯉科和鮭科某些魚類達100條染色體(四倍體化)斑馬魚的基因組研究中,構建了多個基因圖譜斑馬魚的基因組測序已經完成水生動物基因組:水生動物基因組:我國特有的養殖對象如鯉、草魚(Ctenopharyngodonidellus)鰱和鳙(Aristichthysnobilis)等的基因組要由中國自己來完成我國水產養殖動物的基因組研究對象多數將是我國特有的養殖種類,難以直接從發達國家的同類研究中獲得可借鑒的資源水生動物基因組:鯉魚:100條染色體我國學者已經建立了50多個連鎖群,覆蓋5789cM基因組水生動物基因組:對羽管狀海洋生物佛羅里達文昌魚（Branchiostomafloridae）基因組的最新分析表明，5.5億年以來進化進程中脊椎動物比原始祖先的基因組多出四倍的拷貝量，對文昌魚的基因組分析為此結論提供了證據。

2008年6月19日,Nature上發表了文昌魚的基因組序列線蟲基因組果蠅基因組小鼠基因組大鼠基因組人類基因組牛基因組豬基因組綿羊基因組家蠶基因組家雞基因組狗基因組結構基因組學

基因組研究的第一階段工作，功能基因組學的基礎；其主要目標是繪制生物的遺傳圖、物理圖、轉錄圖和序列圖。

各基因或DNA標記之間精確距離的圖譜；反映的是DNA序列上兩點之間的實際距離

物理圖譜（physicalmap）繪制物理圖譜方法：原位雜交（Insituhybridization）

原理：

DNA標記探針與染色體同源位置雜交結合，經同位素自顯影或熒光顯微鏡可顯示出相應雜交部位。

遺傳圖譜（geneticmap）繪制稱連鎖圖譜（linkagemap），基因或DNA標記之間連鎖關系和染色體定位圖譜；利用兩點的重組程度，反映兩點之間連鎖關系。豬12號染色體的物理圖譜遺傳圖譜與物理圖譜的區別基因排列順序一致位置并不一一對應

基因表達譜（geneexpressionprofile）

處于某一特定狀態下的細胞或組織cDNA文庫，收集cDNA序列片段，定性、定量分析其mRNA群體組成，描繪出該特定細胞或組織在特定狀態下基因表達種類（ESTs）和豐度信息。由此編制成的數據表稱為基因表達譜。從分子水平反映細胞或組織特異性表型和表達模式序列圖（Sequencemap）通過基因組測序得到的堿基排列次序?；蚪M計劃的最終目標。六、基因類型的多樣性(一)重疊基因(overlappinggene)Agenewhosesequenceoverlapsthatofanothergeneinthesameoradifferentreadingframe.指在同一段DNA順序上，由于閱讀框架不同或終止早晚不同，同時編碼兩個以上基因的現象重疊基因的發現重疊基因是1977年Sanger在研究ΦX174時發現的。ΦX174是一種單鏈DNA病毒，宿主為大腸桿菌，因此，又是噬菌體。ΦX174感染大腸桿菌后共合成11個蛋白質分子，總分子量為25萬左右，相當于6078個核苷酸所容納的信息量。而該病毒DNA本身只有5375個核苷酸，最多能編碼總分子量為20萬的蛋白質分子，Sanger在弄清ΦX174的11個基因中有些是重疊的之前,這樣一個矛盾長時間無法解決。重疊方式:（1）一個基因完全在另一個基因里面。如基因Ａ和Ｂ是兩個不同基因，而Ｂ包含在基因Ａ內。同樣，基因Ｅ在基因Ｄ內。

（2）部分重疊。這些重疊的基因具有不同的讀碼框架（3）兩個基因只有一個堿基重疊。如基因Ｄ的終止密碼子的最后一個堿基是Ｊ基因起始密碼子的第一個堿基(如TAATG)。Howoverlappinggenescanoperate:

Transcriptaselooksforany"AUG"startcodons:

b.Itbeginsreadingthereandintripletreadingframesfromthereafteruntilitreachesoneofthe"stop"codons.這些重疊基因盡管它們的DNA大部分相同，但是由于將mRNA翻譯成蛋白質時的讀框不一樣產生的蛋白質分子往往并不相同。有些重疊基因讀框相同，只是起始部位不同如SV40DNA基因組中，編碼三個外殼蛋白VP1、VP2、VP3基因之間有122個堿基的重疊但密碼子的讀框不一樣而小t抗原完全在大T抗原基因里面，它們有共同的起始密碼子。同向重疊基因:重疊基因分布在同一DNA區域的同一單鏈上AB重疊基因種類反向重疊基因:重疊基因分布在同一DNA區域的不同單鏈上

ABOverlappinggenestructureofhumanVLCADandDLG4

GeneVol305,2,2003,Pages161-166

DuringanalysisoftheVLCADpromoter,wediscoveredthatanothergene,discs-large-related4(DLG4),overlapsVLCADandistranscribedintheoppositedirection.AhighfrequencyofoverlappinggeneexpressionincompactedeukaryoticgenomesPNAS,August2,2005vol.102no.31:10936-41真核生物中的重疊基因MakalowskaI,LinCF,HernandezK.Birthanddeathofgeneoverlapsinvertebrates.BMCEvolBiol.2007Oct16;7(1):193重疊基因的生物學意義基因的重疊性使有限的DNA序列包含了更多的遺傳信息，是生物對它的遺傳物質經濟而合理的利用。豐富和發展了基因的概念重復基因即在基因組中有多個拷貝的基因在真核生物基因組中發現這種現象，真核生物中的重復基因可以達到30%重復基因主要是為了滿足生物體快速發育的需要。當基因產物的需求量很大時，一個基因可以產生大量的串聯重復

IfeukaryoticDNAismeltedandallowedtore-anneal,itdoessoin3distinctphasesTheexplanationisthatthereishighlyrepetitiveDNA(whichre-annealsquickly)moderatelyrepetitiveDNA(intermediate)anduniqueorsinglecopyDNA(re-annealsslowly)UniqueandrepeatedDNADNAmelting第一部分：快速復性部分，占基因組DNA摩爾分數的25％，在Cot值10-4-2×10-2范圍內復性第二部分：中速復性部分，占基因組DNA摩爾分數的30％，在Cot值0.2-102范圍內復性第三部分：慢速復性部分，占基因組DNA摩爾分數的45％，在Cot值80-104范圍內復性C0t1/2（任何基因組DNA）任何基因組DNA的復雜性=C0t1/2（大腸桿菌DNA）4.2X106bp

任何基因組DNA的復雜性

4.2X106bp×C0t1/2（任何基因組DNA）=C0t1/2（大腸桿菌DNA）

重復序列分類1）高度重復序列（>105次）

（1）衛星DNA：根據長度可將其分為3類

★衛星（satellite）DNA：重復長度5-10bp，其在人群中多態性不強。

重復序列分類

衛星DNA(Satellite)CsCl超高速離心★小衛星DNA(minisatellite)或不同數目的串聯重復(VNTR,variablenumberoftandemrepeats)

：重復長度15-70bp，其在人群中有高度的特異性。

DNA指紋

DNAfingerprintingAnapplicationofrepeatedDNAsequencesfoundinmammaliangenomesHighlyvariablebetweenindividualsNo2peoplearethesame,exceptidenticaltwins★微衛星DNA（簡單串聯重復序列）：（microsatelliteDNA，又稱為STRshorttandemrepeat短串聯重復序列）

MicrosatelliteDNA2-10bp/copy105-106

copies/genomeC0t(1/2)<0.001多為串聯重復排列分布于著絲點,端粒區,結構基因兩側

heterochromatin微衛星DNA由于核心序列重復數目的變化而在群體中呈現出遺傳多態性但在同一家系內具有高度的遺傳保守性，以孟德爾方式遺傳散布于整個基因組中。微衛星DNASequenceinsatelliteDNASeacrab2ATATAT…..Drosophila5ATAATATAAT…..Mouse9GAAAAATGAGAAAAATGAbpofrepeatunit

sequence高度重復順序的功能:

a.參與復制水平的調節。

b.參與基因表達的調控

c.參與轉位作用

d.與進化有關

e.DNA指紋

f.α衛星DNA成簇的分布在染色體著絲粒附近，可能與染色體減數分裂時染色體配對有關微衛星DNA的應用遺傳作圖:例如:魚類微衛星DNA的分離在過去幾年中進展很快,在羅非魚的人工雌核發育個體中,已用微衛星DNA標記檢測到父本精子小片段遺傳物質整合的影響應用微衛星和AFLP指紋技術構建了尼羅羅非魚包含全部22條染色體的遺傳連鎖圖(Kocher等,1998)系譜確證遺傳多樣性估計標記輔助選擇2)

中度重復序列

(middlerepetitivesequence)0.1-1Kb/copy10-104

copies/genomeC0t(1/2)

~0.001-0.1rDNAtDNAAlufamilyHistonegenecluster多基因家族（multigenefamily）：亦稱基因家族。是指一組具有類似功能，核苷酸序列又有同源性的基因。

★分類：

▲按基因的終產物分為兩類：一類編碼RNA，另一類編碼蛋白質。

▲按在基因組中的分布分為兩類：一類串聯排列在一起，形成基因簇，亦稱串聯重復基因。另一類家族成員則可以分散在不同的部位上。（2）超基因家族（supergenefamily）：由多基因家族及單基因組成的更大的基因家族。成員間有不同程度的同源，但它們的功能并不相似，這是與多基因家族的差別所在。如Ig超家族。

rDNAgenefamilySeaurchin450copiesTobacco750copiesDrosophila100copiesHistonegenefamilyH1H4H2BH3H2AT18sT5.8sT28s

NT

18sT5.8sT20s32s28s5.8s45s41s18s★Alu家族：平均每6kb就有一個，Alu家族是哺乳動物包括人基因組中含量最豐富的一種中度重復順序家族，在單倍體人基因組中重復達30萬-50萬次，約占人基因組的3-6％。Alu家族每個成員的長度約300bp，由于每個單位長度中有一個限制性內切酶Alu的切點（AG↓CT）從而將其切成長130和170bp的兩段，因而定名為Alu序列（或Alu家族）

真核生物的Alufamily30,0000copies廣泛分布于非重復序列間300bp300bp300bp6000bp6000bp6000bp6000bp★Alu家族：

Alu順序具有種的特異性，功能尚不清楚?？赡茉趆nRNA轉錄和加工中起作用遺傳重組及染色體不穩定性有關人類質粒（humanplasmid）:最近發現在人的組織細胞中存在自然發生的染色體外雙鏈環狀DAN，被稱為人類質粒，而這些質粒又毫無例外地含有Alu順序

形成Z-DNAheterogeneousnuclearRNA,核內不均一RNA

hnRNA是mRNA的未成熟前體★KpnⅠ家族：人類和靈長類DNA經KpnⅠ酶解后，產生4個片段（1.2、1.5、1.8、1.9kb），這些就被命名為KpnⅠ家族。人類基因組中的KpnⅠ序列約在3-6%，也是散在分布的。功能尚不清楚。

組蛋白基因在各種生物體內重復的次數不一樣，但都在中度重復的范圍內。通常每種組蛋白的基因在同一種生物中拷貝數是相同的。雞的基因組中組蛋白基因有10個拷貝，在哺乳動物中為20拷貝，非洲爪蟾為40拷貝，而海膽的每種組蛋白的基因達300-600拷貝。

組蛋白基因組蛋白基因不同物種中，基因的排列次序、轉錄方向和間隔區都不同。倒位（反向）重復序列又稱零時復性部分，重復單位約長300bp，兩個單位之間有一平均1.6kb的片段相隔，多數散布于基因組中。較復雜的重復單位組成的重復順序靈長類所獨有，用HindⅢ消化非洲綠猴DNA，可以得到重復單位為172bp的高度重復順序，這種順序大部份由交替變化的嘌呤和嘧啶組成，又稱為α衛星DNA。StructureofrepetitivesequenceofDNADRdirectrepeatsIRInvertedrepeatsATCGGCTATAGCCGATBilateralsymmetryATCGNNNNNGCTATAGCNNNNNCGATBilateralsymmetryATCGATCGATCGTAGCTAGCTAGCTandemdirectrepeatsATCGNNNATCGNNNNNNATCGTAGCNNNTAGCNNNNNNTAGCDisperseddirectrepeatsATCGNNNNNCGATTAGCNNNNNGCTAStem-looppalindromeAAGCTTTTCGAAHindIIIRE重復序列形成的原因1.不均等交換(unequalcrossover):考慮一個具有末端“X”和“Y”的由重復單位“ab”組成的序列。這兩個“等位”序列之間的準確排列將是:xababababababababababababababababyxababababababababababababababababy但是在一條染色體上的任何ab很可能會與另一條染色體上的任何ab序列配對，從而產生錯排，如：xababababababababababababababababy

xababababababababababababababababy2.跳躍復制saltatoryreplication產生某些序列大量拷貝的偶然單向擴增原理:在某一特定時刻可能由于某種原因使一個DNA序列突然橫向擴增隨后,由于突變的積累,使個重復單位失去了同一性,然后再經歷一次跳躍復制,出現更長的重復單位,….2.跳躍復制saltatoryreplicationCAACMutationin4siteInsertCInserttriplemutationSaltatoryreplication9bprepeat27bprepeat58bprepeat58bprepeat116bprepeat3)滾環擴增—突變(Amplification-Mutation)

Mutationinsertioncyclingamplification5‘切離環化3‘3‘3‘滾環復制4)反轉座插入3.不連續基因(interruptedordiscontinousgenes)斷裂基因(Splitgene)在基因編碼蛋白質的序列中插入與蛋白質編碼無關的DNA間隔區，使一個基因分隔成不連續的若干區段。RichardJ.RobertsPhillipA.SharpNobelPrize19931977年美國的Sharp和Roberts兩組科學家分別同時發現了斷裂基因(splitgene),Crick稱此為分子遺傳學上的一次微型革命，這項發現與1993年榮獲了諾貝爾獎。a)

E.colirestrictionalienDNAwithrestrictionendonuclease(RE)b)

Modificationenzymeinhostc)

AlienDNAfateofberestrictedorbemodifiedd)TherearedifferentREindifferenthostofbacterial

WernerArberNobelPrize1978限制性核酸內切酶的發現1965

限制性核酸內切酶在Sharp和Roberts發現內含子之前

法國的科學家Chambon也率領一個小組進行了有關實驗:雞的輸卵管分泌卵清蛋白、卵粘蛋白和伴清蛋白，而其紅細胞（鳥類的紅細胞上有核的）只合成血紅蛋白，那么兩種組織之間DNA有什么不同呢？于是他們提取兩種組織的DNA，分別用酶（EcoR1和HindIII）切成幾段，走電泳，再用卵清蛋白mRNA來制備cDNA探針和以上兩片進行southern雜交結果兩種組織中的DNA不論用哪一種酶來切，都出現了相同的多條陽性雜交帶。cDNA順序內并沒有EcoRI和Hind=3\*ROMANIII的切點，為什么會出現多條陽性帶Berget，Sharp小組和Roberts小組同時發現了腺病毒外殼蛋白六聚體基因（Hexongene）前導區有斷裂現象。他們用限制性內切酶EcoRI和Hind=3\*ROMANIII分別消解腺病毒的DNA得到了大小不同的很多片段分別選擇兩種酶切片段中的最大的A片段DNA和Hexon的mRNA進行雜交在電鏡下可以觀察到EcoRI酶切的A片段的3'段可以和上述mRNA形成雜合雙鏈但在雜合雙鏈的5'端逸出3個單鏈DNA環，說明它們不能和mDNA完全互補外顯子（exon），外元編碼的DNA序列，即被表達的DNA區段內含子（intron），內元不編碼的DNA序列Gilbert（1978年）提出內含子、外顯子概念Berget在冷泉港作了有關發現斷裂基因的學術報告，提出在Hexon基因內近5'端有不編碼的部分Chambon聽了報告后便意識到，他們的實驗結果也是可以用斷裂基因來解釋的:即卵清蛋白的基因上可能有多個斷裂區（內含子）在這些斷裂區上有酶切位點的存在，可將卵清蛋白基因切成大小不同的片段，但它們都可以和mRNA進行雜交事后Chambon(1977,1981)等用Berget的實驗方法進行了分子雜交，果然出現了7個單鏈DNA的環

斷裂基因的結構成熟mRNA或cDNA與對應單鏈DNA雜交TotalDNAofchickencDNA7DNAloopChambonwasinspiredbyBerget’sreportBerget,S.M.,C.Moore,andP.Sharp.1977.PNAS74;3171-3175用S1核酶處理異源雙鏈分子核酸酶能專一降解未配對的單鏈核苷酸，在RNA-DNA異源雙鏈分子中，外顯子形成雙鏈而保留，內含子仍為單鏈被降解.內含子是如何來的？內含子的存在究竟有何意義？它擔負著什么樣的功能？內含子又何以能在一些真核生物中非常廣泛地分布呢？

內含子的特點:1.內含子和外顯子的分布

真核基因一般都含有內含子，也有少數基因不含內含子，如組蛋白基因，干擾素基因，酵母的多數蛋白質基因1986年ChuF.K等發現T4噬菌體的胸苷合成酶基因也含有內含子此外猿猴病毒SV40的T和t蛋白的基因中也含有長度不等的內含子內含子的特點:1.內含子和外顯子的分布

不同的基因其內含子的大小不相同有的基因內含子少，如珠蛋白基因只有2個內含子，有的基因內含子很多，如雞的膠原蛋白（1a2）蛋白基因含有50個外顯子

Exoncontentvs.length人類基因組計劃Exoncontentvs.lengthExoncontentvs.length內含子的特點:2.內含子的相對性

內含子是相對的，一個基因的內含子可能是另一個基因的外顯子內含子種類:

I:內含子可自我剪接,不需任何蛋白質參與,需鳥苷參與

II:內含子的剪接需要蛋白酶的參與，如tRNA

III:內含子的剪接需形成剪接體的形式，除各種蛋白因子外還需各種snRNP的參與如:I類內含子包括四膜蟲rRNA的內含子，幾種酵母線粒體的內含子，噬菌體T4胸苷酸合成酶的內含子等。內含子自1977年被發現以來，逐漸被明確地定義為：基因中間插著的若干段序列，在RNA轉錄物水平上經剪接除去，不參與該基因在蛋白質水平上的表達。

內含子起源的兩種學說:，“內含子存在(Intronsearly)”模型:內含子與它所在的基因一樣古老，在裝配第一個這樣的基因時，內含子就已存在早期的內含子具有自催化、自我復制等能力，因此，它們是原始基因和基因組的組織與復制必不可少的部分而今天的原核生物和少數低等的真核生物，由于它們需要進行快速的DNA復制從而進行快速的細胞分