分子生物学第二章基因、基因组与基因组学

原核真核生物基因及基因组思维导图，包括基因的结构和功能、基因组的结构和功能、原核生物基因组、真核生物基因组、真核细胞和原核细胞的基因组比较。

基因

• 基因的结构和功能
  • 基因
    • 基因的分子生物学概念:合成有功能的蛋白质或RNA所必需的全部DNA (除部分RNA病毒外),即一个基因不仅包括编码蛋白质或RNA的核酸序列,还应包括为保证转录所必需的调控序列
  • 基因组
    • 指含有一种生物的全套遗传信息的遗传物质
  • 等位基因
    • 位于同源染色体的同一位置的相对基因
  • 基因发展
    • 1909丹麦生物学家W. Johannsen用“基因”一词代替了1886年Mendel在《植物杂交实验》用的“遗传因子”；1926Morgan发表了《基因论》，指出基因在染色体上
  • 结构基因
    • 基因中编码RNA或蛋白质的DNA序列,又称编码区
  • 非结构基因
    • 结构基因两侧的一段不编码的DNA片段,参与基因表达调控,又称侧翼序列,调节区或非编码区
  • 顺式作用元件
    • 顺式作用元件(cis-acting element):能影响基因表达,但不编码RNA或多肽链的DNA序列,如启动子、增强子、沉默子、polyA加尾信号区及反应元件等
  • 反式作用元件
    • 转录因子
  • 开放阅读框ORF
    • 在DNA链上，由蛋白质合成的起始密码子开始，到终止密码子为止的一个连续编码序列
  • 非编码区UTR
    • （5’端前导区和3’端尾部区）
  • 起始密码子
    • AUU，AUG，AUA
  • 终止密码子
    • AGG，AGA，UGA，UAA，UAG
• 基因组的结构和功能
  • 基因组
    • 提出
      • 1920年Winkles将GENes和chromos OMEs组合而来
    • 定义
      • 细胞或生物体中一套完整单倍体的遗传物质的总和
      • 人类基因组包含24条染色体（22条常染色体和2条性染色体）及线粒体上的遗传物质
    • 特点
      • 不同生物体的基因组大小和复杂程度各不相同
      • 病毒、原核生物及真核生物所储存的遗传信息量有着巨大的差别，其基因组的结构和组织形式也有着巨大的差异
• 原核生物基因组
  • 操纵子
    • 指数个功能上相关联的结构基因串联在一起，构成信息区，连同其上游的调控区（包括启动子和操纵基因）及下游的转录终止信号所构成的基因表达单位，所转录的RNA为多顺反子
    • 启动子是RNA聚合酶结合的区域
    • 操纵基因实际上不是一个基因，而是一段能被特异阻遏蛋白识别和结合的DNA序列
  • 多顺反子
    • 原核生物的一个mRNA分子带有几个结构基因的遗传信息
  • 转位因子
    • 能够在一个分子内部或两个DNA分子之间移动的DNA片段
    • 分类
      • 插入序列，转座子，可转座的噬菌体
    • 真核原核都有
  • 质粒
    • 定义
      • 是独立于许多细菌及某些真核细胞（如酵母等）染色体外共价闭合环状DNA分子，是能独立复制的最小遗传单位
    • 按功能分类
      • F质粒
        • 性质粒(F质粒),即含F质粒的细菌(标记为F+)与不含F质粒的细菌(F-)混合,其结果是F+菌将其质粒DNA转到F-宿主细胞,使后者变成F+。
      • R质粒
        • 耐药性质粒（R质粒）带有耐药基因，可以使宿主菌获得耐受相应抗生素的能力
      • Col质粒
        • 大肠杆菌素质粒（Col质粒）能使大肠杆菌合成大肠杆菌素，后者可以杀死不含大肠杆菌素质粒的亲缘细菌
    • 按复制机制分类
      • 严紧型质粒
        • 受寄主细胞严格控制，每个细胞仅含一个或几个拷贝
      • 松弛型质粒
        • 复制不受寄主细胞严格控制，每个细胞可含10～200个拷贝
    • 质粒的特性
      • 能在细胞内自主复制
      • 质粒的不相容性
        • 具有相同复制系统的质粒不能共存于同一个细胞内
      • 质粒的转移性
        • 有些质粒可以通过细菌接合作用在细菌细胞间传递
  • 结构
    • 1.基因组由一条环状双链DNA组成;2.只有一个复制起始点;3.大多数结构基因组成操纵子结构;4.结构基因无重叠现象;5.基因密度非常高，基因组中编码区大于非编码区；6.重复基因少,结构基因一般为单拷贝;7.有编码同工酶的等基因;8.基因组中存在可移动的DNA序列;9.非编码区主要是调控序列。
• 真核生物基因组
  • 一般特点
    • 基因组庞大，人类细胞中含有的基因总数大概有3万个
  • 结构特点
    • 1.每一种真核生物都有一定的染色体数目;2.远大于原核基因组,结构复杂,基因数庞大;3.真核生物基因转录产物为单顺反子;4.有大量重复序列;5.真核基因多为断裂基因;6.非编码序列多于编码序列;7.功能相关基因构成各种基因家族
  • 单顺反子
    • 即一个结构基因转录、翻译成一个mRNA分子，一条多肽链
  • 真核细胞基因组功能特点（老师上课PPT上没有）
    • 高度重复序列
      • 反向重复序列
        • 复性速率极快，即使在极低的DNA浓度下也能很快复性，因此又称为零时复性部分没有间隔的反向重复称为回文结构
      • 卫星DNA
        • 可以用等密度梯度离心法将其与主体DNA分开，也称为随体DNA
      • 高度重复序列的功能
        • 参与复制水平的调节
        • 参与基因表达的调控
        • 参与转位作用
        • 与进化有关
        • 同一种属中不同个体的高度重复序列的重复次数不同，DNA指纹
        • α卫星DNA成簇地分布在染色体附近，可能与染色体减数分裂时染色体配对有关，即同源染色体之间的联会可能有赖于具有染色体专一性的特定卫星DNA序列
    • 中度重复序列
      • 短分散片段
        • 短分散片段(short interspersed repeated segment): 这类重复序列的平均长度约为300bp (<500bp),它们与平均长度约为1000bp的单拷贝序列间隔排列。拷贝数可达10万次左右如Alu家族、Hinf家族等属于这种类型的中度重复序列
        • 举例
          • Alu家族，Hinf家族，多聚dT-dG家族
      • 长分散片段
        • 长分散片段(long interspersed repeated segment)：这类重复序列的长度大于1000bp,平均长度为3500~5000bp,它们与平均长度为13 000b (个别长几万bp)的单拷贝序列间隔排列,)有的实验显示,人类基因组中所有长分散片段之间的平均距离为2.2kb拷贝数一般在1万左右,如Kpn 1家族等。中度重复序列在基因组中所占的比例在不同种属之间差异很大,一般占10%~40%,在人类中约占12%。这些序列大多不编码蛋白质。
        • 举例
          • Kpn I 家族
      • 特点
        • 中度重复序列一般具有种特异性，在适当的情况下，可以用它们作探针区分不同种哺乳类动物细胞的DNA
    • 单拷贝序列
      • 定义
        • 单拷贝序列在单倍体基因组中只出现一次或数次，因而复性速率很慢
      • 含量
        • 50%～80%
      • 功能
        • 只有一小部分用来编码蛋白质，其他部分的功能尚不清楚
    • 多基因家族与假基因
      • 多基因家族
        • 指某个祖先基因经过重复和变异所产生的一组基因
      • 多基因家族种类
        • 基因家族成簇分布在同一条染色体上
        • 一个基因家族的不同成员成簇分布在不同染色体上
      • 假基因
        • 在多基因家族中，某些成员并不产生有功能的基因产物，这些基因称为假基因
• 真核细胞和原核细胞的基因组比较
  • 真核基因组比原核基因组大得多
  • 真核生物主要的遗传物质与组蛋白等构成染色质，被包裹在核膜内，细胞核外还有遗传成分（如线粒体DNA等）
  • 真核生物基因组是二倍体或多倍体，而原核生物基因组基本上是单倍体
  • 细菌转录出多顺反子mRNA，真核生物是一个结构基因转录生成一条mRNA，基本上没有操纵子结构
  • 原核生物基因组大部分序列是编码基因
  • 原核生物中蛋白质编码基因的序列大多数是连续的，而真核生物编码蛋白质的基因绝大多数是不连续的，转录后需经剪接成为成熟mRNA，才能翻译成蛋白质
  • 原核生物基因组中除rRNA,tRNA基因有多个拷贝外，重复序列不多
• 基因组学
  • 发展
    • 1986年美国科学家Thomas Roderick提出基因组学（genomics）的概念
  • 定义
    • 是指对所有基因组作图（包括遗传图谱、物理图谱、转录图谱）、核苷酸序列分析、基因定位和结构基因功能分析的一门学科
  • 研究内容
    • 结构基因组学
      • 遗传图谱
      • 物理图谱
      • 转录图谱
    • 功能基因组学
      • 利用结构基因组所提供的信息，发展和应用新的实验手段，通过在基因组水平上系统、全面分析基因的功能，使生物学研究从对单一基因或蛋白质同时进行系统的研究
    • 比较基因组学
      • 在基因组图谱和测序基础上，对已知的基因和基因组结构进行比较，以了解基因的功能、表达机制和物种进化的学科
  • 人类基因组计划
    • 研究目标
      • 阐明构成人类的全部DNA的结构;阐明基因的编码方式和分布特点;理解基因及其调控序列之间的相互关系;理解DNA全部序列所蕴藏的意义
    • 研究内容
      • 完成遗传图谱、物理图谱、序列图谱、转录图谱分析
• 线粒体基因组的结构特点
  • 特点
    • 能自主复制在细胞内具有多拷贝主要编码与氧化磷酸化相关的酶无内含子基因排列紧密,无间隔有少数重叠
  • 特性
    • 2个rRNA基因，22个tRNA基因，13个编码蛋白质基因编码序列占93%
• 病毒基因组
  • 课本上
    • （1）病毒基因组大小相差较大，与细菌和真核细胞相比，病毒的基因组很小（乙肝病毒基因组只有3kb，所含信息量较小，只能编码四种蛋白质；痘病毒基因组300kb，可以编码几百种蛋白质，不但为病毒复制所涉及的酶类编码，甚至为核苷酸代谢的酶类编码）（2）病毒基因组可以由DNA组成，也可以由RNA组成，但两者不共存于同一个病毒中（3）基因有连续的和间断的（4）有的RNA病毒基因由不连续的RNA链组成（目前还没有发现有节段性的DNA分子构成的病毒基因组）（5）病毒基因组的功能单位或转录单位可被转录成为多顺反子mRNA，然后再加工成各种成熟的mRNA，作为翻译蛋白质的模板（6）基因重叠（即同一段DNA片段能够以两种或两种以上的阅读方式进行阅读，因而可以编码2种或2种以上多肽）（7）病毒基因组用来编码蛋白质（8）相关基因丛集（9）有的基因有内含子
  • 反转录病毒
    • RNA病毒
    • 能够携带或编码合成反转录酶RT
    • 二倍体病毒，其他病毒通常为单倍体基因组
    • (1)编码区:所有反转录病毒基因组都含有3个基本的结构基因-gag、pol和env。gag基因编码病毒衣壳蛋白; pol基因编码肽链内切酶、一个反转录酶和一个前病毒整合相关的酶; env基因编码包膜蛋白。(2)非编码区:除了上述编码区外,反转录病毒基因组还有非编码区,主要与基因组复制和基因表达有关。