第三章基因與基因組第一節基因的概念第二節基因的結構第三節基因組第四節基因組大小與復雜度第五節真核生物基因組的包裝第一節基因的概念一基因概念的發展：1孟德爾遺傳因子孟德爾1965年提出的遺傳因子（hereditaryfactor）的概念。1900年對遺傳因子有了認識.1909年約翰生提出基因（gene）一詞代替遺傳因子。摩爾根基因概念1910年摩爾根證明基因位于染色體上，并以線性排列；證明位于同源染色體同一位置的相對基因間可發生交換產生新類型，提出連鎖互換規律。在1926年《基因論》中，對基因的認識是：基因是攜帶遺傳信息的一個完整結構單位；是一個控制形狀的功能單位，突變單位和交換單位。即是一個不可區分的“三位一體”的結構單位。基因的功能片段概念1941年比德爾對粗糙鏈孢菌的研究，提出“一個基因一個酶”的理論。人們對鐮刀貧血癥研究，提出“一個基因一條多肽鏈”。1944年阿委瑞、1952年Hershey和Chase證明DNA是遺傳物質，認識到基因是染色體上一個特定的DNA片段。1953年瓦特生和克里克提出雙螺旋結構，解釋了遺傳信息的儲存和傳遞過程，進一步明確基因是含有特定遺傳信息的DNA片段。順反子概念1957年Benze研究T4噬菌體rⅡ突變型發現基因內部可以突變和重組。首次在DNA分子結構水平上分析了基因內部的精細結構，提出了順反子（cister）學說，打破了“三位一體”的基因概念，把基因具體化為DNA分子上一個決定一條多態鏈的完整的功能單位，其內部可分，包含許多突變和重組單位。轉座子與跳躍基因概念20世紀50年代認為基因組（genome）中基因的數目、位置和功能都是固定的，基因的位置與其位置無關。1951年美國MeClintock在玉米染色體研究中，提出轉座（transposition）概念，認為某些基因的位置不是固定的，可以在染色體上移動。1967年Shapino在大腸桿菌中也發現可以轉移位置的插入序列（insertsequence）。這些可移動的成分成為跳躍基因（junpinggene）或轉座因子（transposableelement）.操縱子模型1961年法國Jacob和Monod在大腸桿菌乳糖代謝突變體的研究中，提出了操縱子（operon）模型，闡明功能相關的結構基因在染色體上往往緊密排列在一起。斷裂基因概念1977年美國Sharp和Roberts發現斷裂基因（splitegene），使人們認識到絕大部分真核基因的編碼序列是不連續的，被一些非編碼的DNA序列間隔開。但原核生物基因的編碼序列是連續的。1978年Tonagana把斷裂基因中的編碼序列叫做外顯子（exon），把非編碼的間隔序列叫做內含子（intron）。1978年英國Sanger在ΦX174噬菌體中發現重疊基因（overlappinggene），即兩個或兩個以上的基因共有一段DNA序列。重疊基因（overlappinggene），現代基因概念基因是有功能的DNA片段，含有合成有功能的蛋白質多肽鏈或RNA所必須的全部核苷酸序列。(或一段有功能的DNA片段)。第二節基因的一般結構一外顯子和內含子：外顯子：在成熟的RNA中出現的序列。內含子：是一些插入序列，在原初轉錄本加工時被刪除。原核生物基因是連續編碼的DNA鏈，真核生物基因是斷裂基因，由內含子和外顯子組成，內含子在轉錄后加工時被切除。在每個外顯子和內含子的接頭區，有一段高度保守的共有序列（consensussequence），稱為GT-AG法則，是RNA間接的信號。珠蛋白基因二氫葉酸還原酶DHFR基因外顯子長度變化不顯著內含子長度變化顯著二開放閱讀框原始轉錄產物經剪接后形成成熟mRNA，經翻譯成多肽鏈。結構基因從起始密碼子開始至終止密碼子的一段核苷酸區域，其間不存在其他任何終止密碼，可編碼完整的多肽鏈，這段區域被稱為開放閱讀框（openreadingframe，ORF）。三信號肽序列在分泌蛋白基因的編碼序列中，起始密碼子之后，有一段編碼富含疏水氨基酸多肽的序列，被稱為信號肽序列（signalpeptidesequence）。它所編碼的信號肽行使運輸蛋白質的功能。信號肽在核糖體合成后，與細胞膜或細胞器的膜上特定的受體相互作用，產生通道，使分泌蛋白穿過細胞的膜結構，到達相應的位置。信號肽在完成分泌過程后被切除。四側翼序列和調控序列每個結構基因在第一個和最后一個外顯子的外側都有一段不被轉錄和翻譯的非編碼區稱為側翼序列（flankingsequence）。從轉錄起始點至起始密碼子的非翻譯序列稱為5`非翻譯區（5`untranslatedregion，5`-UTR）。從終止密碼子至轉錄終止子的非翻譯序列稱為3`非翻譯區（3`untranslatedregion，3`-UTR）。側翼序列不被轉錄和翻譯，但對基因的轉錄、翻譯和表達有影響。這些對基因的有效表達起調控作用的特殊序列統稱為調控序列（regulatorsequence）。1啟動子準確而有效啟動基因轉錄所許的一段特異的核苷酸序列稱為啟動子（promoter）。典型的啟動子含有識別（R）、結合（B）和轉錄起始（I）三個位點。轉錄起始位點（Startpoint）：轉錄開始時，模板上合成的第一個堿基的位點，定為+1位點。其3`下游區域為正區，5`上游區域為負區。原核生物啟動有兩段保守序列：－10序列：又叫TATA框（Pribnow框），位于-10bp左右，保守序列為TATAAT，是聚合酶結合位點。－35序列：又稱Sextama框，位于-35bp左右，保守序列為TTGACA，是聚合酶（σ）識別位點。真核生物啟動子真核生物不同RNA聚合酶識別的啟動子是不同的。主要有三種不同序列。TATA框又稱Hogness，Goldberg—Hogness框，俗稱金磚（goldbrick）。位于-25bp區，保守序列為TATA（A/T）A（A/T）。相當于原核生物的-10區。CAATbox保守序列GGC（C/T）CAATCA，位于-75bp，控制轉錄起始頻率，GCbox(GGGCGG)，位于-90bp（-40~-110bp），以多拷貝形式存在，在不同基因的啟動子中位置不同，具激活轉錄的功能。2增強子增強子（enhancer）：DNA分子中一種遠端調控序列，能增強啟動子的轉錄能力，提高轉錄效率。它可能遠離轉錄起始位點，在轉錄位點的上游或下游，又稱遠上游序列（farupstreamsequence）。其核心序列（G）TTGA/TA/TA/T（G）。增強子的作用他所處的位置、方向及與基因的距離無關。具有遠距離效應，能增強遠處啟動子的轉錄。無方向性，在靶基因的上游、下游或內部都可發揮增強轉錄作用。具有組織特異性，在不同細胞內增強作用不同。3沉默子與終止子沉默子（silencer）是與基因表達調控有關的遠端調控序列。通過與有關蛋白質結合，對轉錄起抑制作用。對基因的阻遏作用沒有方向限制，可遠距離作用于啟動子。終止子（terminator）是一段位于基因3`端非翻譯區與終止轉錄過程有關的序列，由富含GC的顛倒重復序列及寡聚T組成，是RNA聚合酶停止工作信號。當轉錄到達終止子時，此區域自身形成發夾結構，阻礙RNA聚合酶的移動，導致轉錄終止。4加尾信號真核生物基因3`端非翻譯區有一段高度保守的DNA序列，此序列轉錄后能指導核酸內切酶使其下游15~30堿基處的mRNA被切除，然后通過多聚腺苷酸聚合酶加入一段多聚A尾巴（polyAtail），此保守序列稱為加尾信號。真核生物mRNA的3`端polyAtail不是由基因編碼的，而是在轉錄后加到mRNA上。動物基因的加尾信號序列為AATAAA，轉錄后加入100~300個A。5核糖體結合位點SD（Shine-dalgarnosequence）序列，是原核生物基因翻譯起始位點周圍的一組特殊的序列，控制著基因的翻譯過程。SD序列位于mRNA的5`非翻譯區，起始密碼子之前10個堿基內，包含一個嘌呤六聚體AGGAGG的一部分或全部。SD序列可與16SrRNA3`端CCUCCU結合，是mRNA與核糖體結合的序列，與翻譯復合物的形成和翻譯的起始有關。真核生物基因結構

外顯子內含子3`非編碼區加polyA區終止密碼子內含子邊界3`AG內含子邊界5`GT信號肽序列起始密碼子5`非編碼區5`加冒位點TATA盒GC盒CAAT盒第三節真核生物基因組一基因組與C值一個物種單倍體染色體所攜帶的一套基因稱為該物種的基因組（genome）。每一種生物的單倍體基因組的DNA總量稱為C值。不同的物種的C值差異極大，一般來講，隨物種生物結構和功能的復雜程度增加，需要的基因數目和基因產物的種類越多，C值應越大。C值矛盾C值的大小與物種的結構組成和功能復雜性沒有嚴格的對應關系，這種現象成為C值矛盾（C-valueparadox）形態學上的復雜程度與C-值不一致的現象又稱為C-值悖理。每門類中DNA最小量

PhylumSpeciesGenome(bp)

藻類Pyrenomassalina6.6×105支原體M.pneumoniae1.0×106

細菌E.coli4.2×106

酵母S.cerevisiae1.3×107霉菌D.discoideum5.4×107線蟲C.elegans8.0×107昆蟲D.melanogaster1.4×108兩棲動物X.laevis3.1×109哺乳動物H.sapiens3.3×109以每門類中DNA最小量作圖二單一序列基因組中只有一個或幾個拷貝的DNA序列稱為單一序列（uniquesequence）又稱非重復序列（nonrepetitivesequence）。原核生物基因組中除了短片段反向重復序列及16S、23S、5SrRNA和tRNA外，借為單一序列。真核生物的單一序列所占比例為40~70%。不是所有單一序列都編碼多肽鏈的結構基因，真核生物基因組只有很少的單一序列編碼多肽鏈，大部分為非編碼的間隔序列，但大多數結構基因是單一序列。三重復序列真核生物基因組存在許多重復序列（repetitivesequence）。這些重復序列成簇或分散分布于基因組中。基因組中，不止一個拷貝的序列稱為重復序列。包括高度重復序列、中度重復序列和低度重復序列。1．中度重復序列：占基因組的25-40%，分散于基因組。短分散重復序列和長分散重復序列。短分散重復序列短分散重復序列（shortinterspersedrepeatedsequence，SINEs）重復單位長度為300~500bp，拷貝數105以上。人類和哺乳動物的短分散重復序列Alu家族（Alufamily）序列長300bp，有2個130bp的重復序列，中間有31bp的間隔序列。每個Alu序列含有一個限制性內切酶AluⅠ的識別序列AGCT，可被AluⅠ切割為170bp和130bp兩段。Alu家族占人類基因組的3-6%，單倍體基因組中約有30~50萬個拷貝。是人類基因組最豐富的中度重復序列。中度重復序列長分散重復序列（longinterspersedrepeatedsequence）重復單位長度5000~7000bp，重復次數102~105。人的KpnⅠ家族占基因組3~6%，300~4800個拷貝，重復單位用限制性內切酶KpnⅠ酶切，得到1.2、1.5、1.8和1.9kb的DNA片段。哺乳動物LINE1家族，有RNA聚合酶Ⅱ轉錄，基因組中約有66萬個拷貝，重復單位長讀6500bp，屬一種轉座因子。2高度重復序列在基因組中的重復次數106~108，重復單位的堿基組成2~200bp。有些高度重復序列含有異常高或低的GC，當基因組DNA被切成數百個堿基對的片段進行氯化銫密度梯度離心時，由于重復序列片段的GC與主體DNA不同，在主要DNA帶的前或后形成一個次要的DNA區帶，這些小區帶像衛星一樣圍繞DNA主帶，因此，稱這些高度重復序列為衛星DNA（satelliteDNA）衛星DNA有些高度重復序列的GC含量與主體DNA沒有區別，利用氯化銫密度梯度離心分不出衛星帶，這種高度重復序列稱為隱蔽衛星DNA（crypticsatellite）。衛星DNA主要分布于端粒和著絲粒附近的異染色質區。衛星DNA可變數目串聯重復序列（variablenumbertandemrepeats，VNTR）是指衛星DNA中以少數核苷酸為單位多次串聯重復的DNA序列。以6~25個核苷酸為核心序列的串聯的串聯重復序列稱為小衛星（minisatellite）DNA。以2~6核苷酸為核心序列的串聯重復序列稱為微衛星（microsatellite）DNA。小衛星DNA和微衛星DNA序列作為DNA多態的標記，運用遺傳圖譜的構件、目的基因的標定，種質資源研究、親子鑒定及遺傳病的診斷。節肢動物的衛星DNA嚙齒動物的衛星DNA（1）

嚙齒動物的衛星DNA（2）嚙齒動物