真核細胞的結構基因包含了編碼序列和非編碼序列

1、第九節(jié) 基因的結構和功能,基因(gene):具有特定功能的核酸片斷。,基因組和染色體組的概念,基因組（genome)： 泛指一個生命體、病毒或細胞器的全部遺傳物質(zhì)；在真核生物，基因組是指染色體組（單倍體）的DNA?；蚪M學(genomics)就是發(fā)展和應用DNA制圖、測序新技術以及計算機程序，分析生命體（包括人類）全部基因組結構及功能。,染色體組（chromosome)：生物單倍體細胞中完整的一套所含的全部染色體。,,基

2、因組學包括3個不同的亞領域結構基因組學(structural genomics) 功能基因組學(functional genomics)比較基因組學(comparative genomics),基因組學概念,（一） 病毒生物基因組,乙型肝炎病毒（HBV）基因組(長約3.2kb ),編碼序列具有重疊現(xiàn)象,（二）原核生物基因組與病毒的基因組有相似特點，又有其獨特的結構和功能。,(1)細菌的基因組通常僅由一條環(huán)狀雙鏈D

3、NA分子 (2)具有操縱子結構，數(shù)個功能相關的結構基因串聯(lián)在一起，受同一個調(diào)節(jié)區(qū)的調(diào)節(jié)。數(shù)個操縱子還可以由一個共同的調(diào)節(jié)基因（regulatorygene）所調(diào)控。(3) 結構基因在細菌染色體基因組中都是單拷貝但是編碼rRNA的基因往往是多拷貝的,有利于核糖體的快速組裝，在急需蛋白質(zhì)細胞時在短時間內(nèi)有大量核糖體生成。,,(4)和病毒的基因組相似，不編碼的DNA部份所占比例比真核細胞基因組少得多（5）具有編碼同工酶的同基因（iso

4、gene） 例如，在大腸桿菌基因組中有兩個編碼分支酸（chorismicacid）變位酶的基因 兩個編碼乙酰乳酸（acetolactate）合成酶的基因。（6）和病毒基因組不同的是，在細菌基因組中不會出現(xiàn)基因重疊現(xiàn)象。,（二）真核生物基因組,1、真核生物基因組的特點：（1）真核生物基因組DNA與蛋白質(zhì)結合形成染色質(zhì)，儲存于細胞核內(nèi) （2）真核細胞一個結構基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄和翻譯生成一個mRNA分子和一條多肽

5、鏈。（3）單一序列為主，存在大量重復序列。（4）基因組中不編碼的區(qū)域多于編碼區(qū)域。（5）大部分基因含有內(nèi)含子，因此，基因是不連續(xù)的。（6）遠遠大于原核生物的基因組，具有許多復制起點，而每個復制子的長度較短。（7） 存在多基因家族和超基因家族,2．真核基因組中DNA序列的分類 （1）單一序列（unique sequence） （2）中度重復序列： （3）高度重復序列,即一個編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一

6、個mRNA分子，經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈。,重復序列,Types of repeat,高度重復序列106以上20% (hight repetitive sequence),,衛(wèi)星DNA（隨體DNA 、主縊痕區(qū)、端粒、 Y染色體長臂異染色質(zhì)區(qū)）：,反向重復序列：,復雜重復序列：,2~10bp，用梯度離心法將它與主體DNA分開，其序列成串排列,簡單重復。微衛(wèi)星DNA，2~6bp為重復單位，長度10

7、~60bp，高度重復，表現(xiàn)為高度多態(tài)。,DNA分子雙鏈的某些部分，堿基排列呈反向序列相同現(xiàn)象。如：,靈長類動物特有，重復順序由交替變化嘌呤、嘧啶組成多種重復結構共存的的重復順序。,終止子結構及轉(zhuǎn)錄形成的發(fā)夾結構,高度重復順序的功能: 參與復制水平的調(diào)節(jié)、基因表達的調(diào)控，有些反向重復順序可以形成發(fā)夾結構，這對穩(wěn)定RNA分子免遭分解有重要作用。,中度重復序列103~104 10%(intermediaterepetitive se

8、quence),,短分散元件(SINEs)：,長分散元件(LINEs)：,平均長度小于500bp，兩個片段間隔約1000 bp的單拷貝序列。 例如人類Alu家族（Alu family），占人類基因組的3％－6％，由300bp構成，在第170位附近都是AGCT順序，可被內(nèi)切酶AluⅠ。重復達30－50萬次，平均5kbDNA就有一個Alu順序。,重復序列長度大于1000 bp重復序列之間間隔10~30 bp單拷貝序列。在人類基因組可重復幾

9、十次串聯(lián)在一起形成基因簇有稱串聯(lián)重復基因。,3.多基因家族（multi gene family）,真核基因組的特點之一。多基因家族是指由某一祖先基因經(jīng)過重復和變異所產(chǎn)生的一組基因。,多基因家族分類,多基因家族大致可分為兩類：一類是基因家族成簇地分布在某一條染色體上，它們可同時發(fā)揮作用，合成某些蛋白質(zhì)，如組蛋白基因家族就成簇地集中在第7號染色體長臂3區(qū)2帶到3區(qū)6帶區(qū)域內(nèi)。另一類是一個基因家族的不同成員成簇地分布不同染色體上，這

10、些不同成員編碼一組功能上緊密相關的蛋白質(zhì)，如珠蛋白基因家族、HLA基因家族,假基因（pseudo gene）,在多基因家族中，某些成員并不產(chǎn)生有功能的基因產(chǎn)物，這些基因稱為假基因（pseudo gene）。假基因與有功能的基因同源，原來可能也是有功能的基因，但由于缺失，倒位或突變點等，使這一基因失去活性，成為無功能基因。可能是基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后生成的RNA前體通過剪接失去內(nèi)含子形成mRNA，如果mRNA經(jīng)反復逆轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生cDNA，再整

11、合到染色體DNA中去，便有可能成為假基因。與相應的正?；蛳啾龋倩蛲鄙僬；虻膬?nèi)含子，兩側有順向重復序列。,4、基因組中的轉(zhuǎn)座因子—“移動的控制基因?qū)W說” 轉(zhuǎn)座子（transposable element）：基因組中存在的能夠自發(fā)地在基因組內(nèi)移動，從染色體的一個區(qū)段轉(zhuǎn)移到另一區(qū)段或從一條染色體轉(zhuǎn)入另一條染色體的DNA片段。 轉(zhuǎn)座因子轉(zhuǎn)座后能夠改變轉(zhuǎn)座部位基因的結構和功能。1951年Barbara

12、 Mclintock首先在玉米中發(fā)現(xiàn)。,轉(zhuǎn)座子可以分為兩大類：,以DNA-DNA方式轉(zhuǎn)座的轉(zhuǎn)座子和反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子(retrotransposon）。第一類轉(zhuǎn)座子可以通過DNA復制或直接切除兩種方式獲得可移片段，重新插入基因組DNA中。第二類轉(zhuǎn)座子又稱為返座元（retroposon）是近年新發(fā)現(xiàn)的由RNA介導轉(zhuǎn)座的轉(zhuǎn)座元件，在結構和復制上與反轉(zhuǎn)錄病毒類似，只是沒有病毒感染必須的env基因，它通過轉(zhuǎn)錄合成mRNA，再逆轉(zhuǎn)錄合成新的元件整

13、合到基因組中完成轉(zhuǎn)座，每轉(zhuǎn)座1次拷貝數(shù)就會增加1份，因此它是目前所知高等植物中數(shù)量最大的一類可活動遺傳成分。,,二、真核生物的斷裂基因 斷裂基因（split gene） ：真核細胞的結構基因包含了編碼序列和非編碼序列，編碼序列被非編碼序列隔開，形成鑲嵌排列的斷裂形式，稱為斷裂基因。 外顯子內(nèi)含子接頭的“GT—AG”法則,GC框：調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的活動。,CAAT框,增強子,尾部區(qū),,,人類?珠蛋白基因結構圖,內(nèi)含子1（I1）,內(nèi)

14、含子2（I2）,外顯子 3（E3）105 146,外顯子 2 （E2）31 104,5?,3?,?,轉(zhuǎn)錄起始點,,TATA框RNA聚合酶結合決定轉(zhuǎn)錄起始點,,CAAT框RNA聚合酶結合控制轉(zhuǎn)錄頻率,外顯子 1 （E1）1 30,,AATAAA,結構基因,,編 碼 區(qū),非編碼區(qū),調(diào) 控 區(qū),,外顯子：具有編碼意義,內(nèi)含子：無編碼意義（ 5'GT、 3'A

15、G； GT -AG法則）,,前導區(qū),,啟動子,終止子,,TATA框,,mRNA裂解信號(AATAAA),回文結構,GC框 GC框,轉(zhuǎn)錄終止信號,,基因表達調(diào)控的生物學意義,適應環(huán)境、維持生長和增殖,維持個體發(fā)育與分化,三、基因表達的調(diào)控,,基因表達調(diào)控的基本原理,基因表達的多級調(diào)控,基因激活,轉(zhuǎn)錄起始 轉(zhuǎn)錄后加工mRNA降解,轉(zhuǎn)錄起始,（一） 原核生物基因表達調(diào)控,操縱子（operon）是指功能上相關的

16、一組基因，在染色體上串聯(lián)在一起的一個轉(zhuǎn)錄單位。,1．操縱子概念、結構及功能,,,,操縱子的結構,,操縱子,控制區(qū),信息區(qū)：,,調(diào)節(jié)基因（Regulatory gene):阻遏蛋 白編碼基因。,啟動基因（Promotor)為cAMP受體、蛋白和RNA聚合酶結合區(qū)。,操縱基因（Operator)：阻遏蛋白結合點,由一個或數(shù)個結構基因串聯(lián)在一起,乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制,1.乳糖操縱子(lac operon)的結構,大腸桿菌乳糖操縱子,,,?,?

17、,?,,,,轉(zhuǎn)錄,翻譯,,負調(diào)節(jié):,關閉狀態(tài),負調(diào)節(jié)蛋白（阻遏物）將基因關閉，使其不能轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)方式。,,,,+,+,+,,,,轉(zhuǎn)錄,翻譯,,,,RNA聚合酶,,,,乳糖,半乳糖,,,,,,,打開狀態(tài),,,RNA聚合酶,?,（二）真核細胞的基因表達調(diào)控,,1.環(huán)境因素對基因表達調(diào)控的影響,2.激素、蛋白質(zhì)因子等對基因表達 調(diào)控的影響,3.染色質(zhì)結構的變化,真核細胞基因的調(diào)控,轉(zhuǎn)錄前及轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié):基因數(shù)量,結構,組蛋白轉(zhuǎn)位模型,

18、,基因突變,突變（mutation）： 是指遺傳物質(zhì)發(fā)生的可遺傳的變異。,突變,,染色體畸變（chromosome aberration）：染色體數(shù)目和結構的改變。,基因突變（gene mutation）：狹義的突變，所指基因的核苷酸順序或數(shù)目發(fā)生改變。,一、基因突變的基本概念,基因突變（gene mutation）：基因組DNA分子在結構上發(fā)生堿基對組成或排列順序的改變 。,突變基因（mutation gen

19、e）：突變后在原座位上出現(xiàn)的新的基因。。,自發(fā)突變（spontaneous mutation） ：在自然條件下，有機體由于與環(huán)境隨機相互作用或偶然的復制錯誤而發(fā)生的突變 。,誘發(fā)突變（induced mutation） ：使用誘變劑處理生物體而產(chǎn)生的突變 。,根據(jù)突變發(fā)生的條件分類：,生殖細胞突變 ：發(fā)生在生殖細胞中的基因突變，可通過有性生殖遺傳給后代，并存在于子代的每個細胞中。,體細胞突變 ：發(fā)生在體細胞中的基因突變，不會傳遞給子代，

20、但可傳遞給由突變細胞分裂所形成的子細胞，在局部形成突變細胞群，它可能成為病變甚至癌變的基礎。,各據(jù)突變發(fā)生的細胞分類：,核基因組DNA發(fā)生突變突變發(fā)生在線粒體DNA，而且這類突變可累及腦、心臟、骨骼肌、腎臟等多種器官和組織，造成人類多種疾病，并與衰老有關。,各據(jù)突變發(fā)生的遺傳物質(zhì)分類：,突變的方向,,正向突變（forward mutation）：A→a,負向突變（suppresor mutation）：a →A,對外界環(huán)境的依賴,

21、,非條件型突變（nonconditional mutation）,條件型突變（conditional mutation）,DNA序列改變,,多點突變：堿基序列的改變,點突變：堿基置換,,轉(zhuǎn)換,顛換,,缺失,插入,二、基因突變的類型及其分子機制,（一）堿基替代,（二）堿基的插入與缺失,（三）動態(tài)突變,,（一）堿基替代,一個堿基被另一堿基取代而造成的突變,,轉(zhuǎn)換（transition）,顛換（transversion）,：嘌呤→嘌呤，嘧啶→

22、嘧啶,：嘌呤→嘧啶，嘧啶→嘌呤,化學因素,機制,① 誘發(fā)DNA分子化學結構改變，使復制后出現(xiàn)堿基替換 。,機制,② 核苷酸類似物的摻入，造成堿基錯配 。,堿基替代引起的基因突變的效應,1、同義突變（same-sense or synonymous mutation）:堿基的改變并未引起編碼的氨基酸改變。例如，CCA→脯氨酸，當A→G后，CCG→脯氨酸。,2、錯義突變（missense mutation） :堿基的改變引起編碼的氨基酸改變

23、。例如，GAG→谷氨酸，A→T，GUG→纈氨酸。,,例：正常血紅蛋白β鏈的第6位氨基酸 GAG → GTG 谷氨酸 纈氨酸 HbA HbS （導致鐮形細胞性貧血）,3、無義突變（non-sense mutation）:堿基的改變使該三聯(lián)體不再構成任何氨基酸的密碼子，而形成終止信號。例如：TAC→酪氨酸，C → A，TAA → mRNA → UA

24、A →終止信號,4、終止密碼突變（termination codon mutation）：當DNA分子中一個終止密碼發(fā)生突變，成為編碼氨基酸的密碼子時，多肽鏈的合成將繼續(xù)進行下去，肽鏈延長直到遇到下一個終止密碼子時方停止，因而形成了延長的異常肽鏈。也稱延長突變（elongtion mutation）,5、抑制基因突變（suppressor gene mutation）：當基因內(nèi)部不同位置上的不同堿基發(fā)生了兩次突變，其中一次抑制了另一次突

25、變的遺傳效應。例如，Hb Harlem是 β鏈第6位谷氨酸→纈氨酸，死亡。第73位天冬氨酸→天冬酰胺；但Hb Harlem臨床表現(xiàn)卻較輕，即β73的突變抑制了β6突變的有害效應。,(二）堿基的插入與缺失,1、移碼突變,移碼突變（frame-shift mutation）是指DNA鏈上插入或丟失1個、2個甚至多個堿基（但不是三聯(lián)體密碼子及其倍數(shù)），在讀碼時，由于原來的密碼子移位，導致在插入或丟失堿基部位以后的編碼都發(fā)生了相應改變。,整

26、碼突變（codon mutation）在DNA鏈的密碼子之間插入或丟失一個或幾個密碼子，則合成的肽鏈將增加或減少一個或幾個氨基酸，但插入或丟失部位的前后氨基酸順序不變,又稱為或密碼子插入或丟失（codon insertion or deletion）,2、整碼突變,移碼突變,整碼突變,染色體錯誤配對不等交換（mispaired synapsis and unequal crossing-over）減數(shù)分裂期間，同源染色體間的同源部分發(fā)生

27、聯(lián)會和交換，如果聯(lián)會時配對不精確，會發(fā)生不等交換，造成一部分基因缺失和部分基因重復。這種突變常用解釋大段多核苷酸的丟失和重復。,3、染色體錯誤配對不等交換,（三）動態(tài)突變,動態(tài)突變(dynamic mutation)：DNA分子中堿基重復序列拷貝數(shù)隨著世代的傳遞發(fā)生擴增而導致的突變。,脆性X綜合癥：由于三核苷酸（CCG）重復序列的拷貝數(shù)隨傳遞次數(shù)的增加而重復數(shù)增加而造成。,三、基因突變的后果,（一）不產(chǎn)生有害影響,例如，血清蛋白類型、A

28、BO血型、HLA類型及各種同工酶型等都是基因突變形成的。有少數(shù)情況下，基因突變還可產(chǎn)生有利于機體生存的積極效應。這些無害或有利的突變是生物多樣性與進化發(fā)展的重要源泉。,三、基因突變的后果,（二）引起遺傳性疾病,編碼結構蛋白的基因突變可產(chǎn)生分子病，如血紅蛋白?。痪幋a酶的基因突變，導致酶功能異常，導致代謝紊亂，產(chǎn)生遺傳性酶病。,三、基因突變的后果,（三）與腫瘤形成密切相關,目前認為與癌癥發(fā)生直接相關的基因有癌基因（oncogene）及抑癌基

29、因（tumor suppressor genes）?；蛲蛔円环矫婵墒乖┗蚣せ盍硪环矫婵墒挂职┗蛉笔Щ蚴Щ?，這兩方面的變化都可導致細胞的惡性轉(zhuǎn)化。,修復(repairing) 是對已發(fā)生分子改變的補償措施，使其回復為原有的天然狀態(tài)。,光修復(light repairing)切除修復(excision repairing)重組修復(recombination repairing)SOS修復,修復的主要類型,四、DNA損傷的修

30、復,物理因素 紫外線(ultra violet, UV)、各種輻射,（一）、光修復,波長300~600nm的可見光,,光復活酶,,,修復,,,（二）、切除修復,,,,,,（三）、復制后修復,,,,,,,（四）SOS修復,當DNA損傷廣泛難以繼續(xù)復制時，由此而誘發(fā)出一系列復雜的反應。在E. coli，各種與修復有關的基因，組成一個稱為調(diào)節(jié)子(regulon)的網(wǎng)絡式調(diào)控系統(tǒng)。這種修復特異性低，對堿基的識別、選擇能力差。通過SOS修復

31、，復制如能繼續(xù)，細胞是可存活的。然而DNA保留的錯誤較多，導致較廣泛、長期的突變。,基因突變與腫瘤,（一）二次突變假說：20世紀70年代Knudson提出正常細胞必須經(jīng)過兩次或兩次以上突變才能轉(zhuǎn)化為癌細胞。而且細胞在以后的發(fā)展中如果形成增殖優(yōu)勢而形成克隆，便構成惡性腫瘤。如果兩次突變都發(fā)生在同一體細胞，發(fā)生的腫瘤是不遺傳的。如兩次突變中，第一次發(fā)生于生殖細胞，突變可能傳給后代，后代再經(jīng)一次突變即可形成遺傳性腫瘤。,癌基因、抑癌基因

32、與生長因子的關系,癌基因,,抑癌基因,細胞,生長因子,,,正調(diào)控,負調(diào)控,,,產(chǎn)物,（二）癌基因,癌基因(oncogene)細胞內(nèi)控制細胞生長和分化的基因，它的結構異常或表達異常，可以引起細胞癌變。,病毒癌基因(virus oncogene,v-onc),細胞癌基因(cellular-oncogene, c-onc),,病毒癌基因(virus oncogene,v-onc)存在于病毒基因組中的癌基因，它不編碼病毒的結構成分，對病毒復

33、制也沒有作用，但可以使細胞持續(xù)增殖。,細胞癌基因,細胞癌基因(cellular-oncogene, c-onc)存在于生物正常細胞基因組中的癌基因，或稱原癌基因 (proto-oncogenes , pro-onc) 。,細胞癌基因的特點:廣泛存在于生物界中；基因序列高度保守；作用通過其產(chǎn)物蛋白質(zhì)來體現(xiàn)；被激活后，形成癌性的細胞轉(zhuǎn)化基因。,癌基因的激活,出現(xiàn)新的表達產(chǎn)物 出現(xiàn)過量的正常表達產(chǎn)物出現(xiàn)異常、截短的表達產(chǎn)物,癌基

34、因被激活的結果,癌基因的激活方式,1.基因突變：編碼取得突變造成基因編碼的癌基因一級結構發(fā)生改變。人肺癌細胞系HS242的癌基因GRAS1與正常人細胞癌基因C-HRAS比較，僅16位密碼由CAA →CTA，谷氨酰胺 → 亮氨酸。2.啟動子插入：癌基因附近插入一個強有力的啟動子，使其激活，轉(zhuǎn)錄增強。例如病毒基因整合到細胞癌基因的適當位置。鳥類白細胞增生病毒（ALV）LTR整合到細胞癌基因C-ERBB上游0.5kb后，激活該基因，引起細胞

35、增殖優(yōu)勢，形成雞紅細胞增多癥。,3.基因擴增：DNA不斷復制使其拷貝數(shù)在基因組中大量增加，成為基因擴增（gene amplification)?；蚩截悢?shù)增加，使其基因產(chǎn)物過量，而促進細胞惡性轉(zhuǎn)化。成膠質(zhì)細胞瘤中，癌基因ERBB的擴增量達正常人的50倍。神經(jīng)細胞瘤中N-myc擴增達正常的140-250倍。,4.染色體易位：,Burkitt淋巴瘤75%有染色體易位t(8,14)在8q24處有癌基因c-myc，而14q32處有免疫球蛋