分子生物学-基因和基因组的结构与功能.ppt

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1、基因和基因组的结构与功能基因和基因组的结构与功能一、基因的生物学概念一、基因的生物学概念1866Mendel发表植物杂交实验，发表植物杂交实验，“遗传因子遗传因子”通过豌通过豌豆实验，提出经典遗传定律：分离定律和独立分配定豆实验，提出经典遗传定律：分离定律和独立分配定律律 1909W.Johannse提出提出gene这一名词，但还只是遗传性状的这一名词，但还只是遗传性状的符号，未涉及基因的物质概念符号，未涉及基因的物质概念1910Morgan发现果蝇的白眼性状的伴性遗传，首次把一个发现果蝇的白眼性状的伴性遗传，首次把一个特定的基因和一个特定的染色体联系起来特定的基因和一个特定的染色体联系起来1

2、919教材中开始出现教材中开始出现gene一词一词ThePhysicalBasisofHeredite 19261926MorganMorgan发表发表发表发表TheTheoryofGeneTheTheoryofGene，认为：认为：认为：认为：基因依孟德尔第一定律（分离定律）而彼此分离，于是每个生殖细胞只含基因依孟德尔第一定律（分离定律）而彼此分离，于是每个生殖细胞只含基因依孟德尔第一定律（分离定律）而彼此分离，于是每个生殖细胞只含基因依孟德尔第一定律（分离定律）而彼此分离，于是每个生殖细胞只含一组基因；不同连锁群里的基因依孟德尔第二定律（自由组合定律）而自一组基因；不同连锁群里的基因依孟德

3、尔第二定律（自由组合定律）而自一组基因；不同连锁群里的基因依孟德尔第二定律（自由组合定律）而自一组基因；不同连锁群里的基因依孟德尔第二定律（自由组合定律）而自由组合；两个相对连锁群的基因之间有时候也发生有秩序的交换，交换率由组合；两个相对连锁群的基因之间有时候也发生有秩序的交换，交换率由组合；两个相对连锁群的基因之间有时候也发生有秩序的交换，交换率由组合；两个相对连锁群的基因之间有时候也发生有秩序的交换，交换率证明了每个连锁群里诸要素的直线排列，也证明了诸要素的相对位置。证明了每个连锁群里诸要素的直线排列，也证明了诸要素的相对位置。证明了每个连锁群里诸要素的直线排列，也证明了诸要素的相对位置。

4、证明了每个连锁群里诸要素的直线排列，也证明了诸要素的相对位置。2020世纪世纪世纪世纪4040年代年代年代年代 BendleBendle和和和和TatumTatum提出提出提出提出“一个基因，一个酶一个基因，一个酶一个基因，一个酶一个基因，一个酶”学说学说学说学说 首次在分子水平上给基因如下定义：基因位于染色体上的一定区域，在有首次在分子水平上给基因如下定义：基因位于染色体上的一定区域，在有首次在分子水平上给基因如下定义：基因位于染色体上的一定区域，在有首次在分子水平上给基因如下定义：基因位于染色体上的一定区域，在有丝分裂中作为丝分裂中作为丝分裂中作为丝分裂中作为1 1个遗传单位存在，并决定一

5、定的表型。个遗传单位存在，并决定一定的表型。个遗传单位存在，并决定一定的表型。个遗传单位存在，并决定一定的表型。2020世纪世纪世纪世纪5050年代年代年代年代 BenzerBenzer提出提出提出提出“顺反子顺反子顺反子顺反子”、“一个顺反子，一条多肽链一个顺反子，一条多肽链一个顺反子，一条多肽链一个顺反子，一条多肽链”20世纪世纪60年代年代遗传密码的破译使人们对基因表达的机理有了更多的了解遗传密码的破译使人们对基因表达的机理有了更多的了解修改定义为：基因是基因组中的修改定义为：基因是基因组中的1个区域或个区域或1段段DNA序列；其转录产物编序列；其转录产物编码码1条多肽链或者条多肽链或者

6、1个结构个结构RNA分子（分子（tRNA或或rRNA）。）。80年代以后年代以后认识到基因表达的复杂性认识到基因表达的复杂性 19941994AlbertsAlberts 基因是一段基因是一段基因是一段基因是一段DNADNA序列，包括完整的功能单位（如编码序列、调节序列和序列，包括完整的功能单位（如编码序列、调节序列和序列，包括完整的功能单位（如编码序列、调节序列和序列，包括完整的功能单位（如编码序列、调节序列和内含子等）；基因可以作为内含子等）；基因可以作为内含子等）；基因可以作为内含子等）；基因可以作为1 1个转录单位，其表达产物通常是个转录单位，其表达产物通常是个转录单位，其表达产物通常

7、是个转录单位，其表达产物通常是1 1条多肽链或条多肽链或条多肽链或条多肽链或1 1个个个个DNADNA分子，但有时编码分子，但有时编码分子，但有时编码分子，但有时编码1 1组相关的蛋白异形体，有些蛋白异形体的产生和组相关的蛋白异形体，有些蛋白异形体的产生和组相关的蛋白异形体，有些蛋白异形体的产生和组相关的蛋白异形体，有些蛋白异形体的产生和特殊的转录后加工（如特殊的转录后加工（如特殊的转录后加工（如特殊的转录后加工（如RNARNA编辑）或者翻译水平的再编码（如核糖体跳跃）编辑）或者翻译水平的再编码（如核糖体跳跃）编辑）或者翻译水平的再编码（如核糖体跳跃）编辑）或者翻译水平的再编码（如核糖体跳跃）

8、有关。有关。有关。有关。二、基因的现代概念二、基因的现代概念 生物学概念：生物学概念：基因是世代相传的，基因决定了遗传性状的表达，基因基因是世代相传的，基因决定了遗传性状的表达，基因的颗粒性主要表现在世代相传的行为和功能表达上具有相对的独立性，的颗粒性主要表现在世代相传的行为和功能表达上具有相对的独立性，基因呈直线排列在染色体上。基因呈直线排列在染色体上。分子生物学概念：分子生物学概念：合成有功能的蛋白质或合成有功能的蛋白质或RNA所必需的全部所必需的全部DNA（除（除部分病毒部分病毒RNA），即一个基因不仅包括编码蛋白质或），即一个基因不仅包括编码蛋白质或RNA的核酸序列，的核酸序列，还应包

9、括为保证转录所必需的调控序列。还应包括为保证转录所必需的调控序列。三、基因组的概念三、基因组的概念 细细胞胞或或生生物物体体中中，一一套套完完整整单单体体的的遗遗传传物物质质的的总总和和，即即某某物物种种单单倍倍体体的的总总DNA。对对于于二二倍倍体体高高等等生生物物来来说说，其其配配子子的的DNA总总和和即即一一组组基基因因组组，二二倍倍体体有有两两份同源基因组。份同源基因组。四、原核生物基因组的特点四、原核生物基因组的特点 病毒基因组病毒基因组 1结构简单，基因组小，所含基因少。结构简单，基因组小，所含基因少。2基因组可由基因组可由DNA组成，也可由组成，也可由RNA组成，但不能共存于同一

10、病毒。组成，但不能共存于同一病毒。乳头瘤病毒乳头瘤病毒闭环双链闭环双链DNA腺病毒腺病毒 线性双链线性双链DNAPhageX174 单链环状单链环状DNAPhageM13单链环状单链环状DNA（复制型为双链环状（复制型为双链环状DNA）脊髓灰质炎病毒脊髓灰质炎病毒单链单链RNA呼肠弧病毒呼肠弧病毒双链双链RNA 3相关基因丛集。相关基因丛集。DNA序列中功能相关的序列中功能相关的RNA和蛋白质基因，丛集和蛋白质基因，丛集在基因组的一个或几个特定部位，形成一个功能单位或在基因组的一个或几个特定部位，形成一个功能单位或转录单位，可被一起转录成为多顺反子转录单位，可被一起转录成为多顺反子mRNA。4

11、常见重叠基因现象。常见重叠基因现象。5非编码区少，重复顺序少。非编码区少，重复顺序少。蛋白蛋白D蛋白蛋白E细菌基因组细菌基因组 1.一条双链一条双链DNA，具有类核结构。，具有类核结构。2.具有操纵子结构。几个功能相关的结构基因串联在一起受同一个调控区调节。具有操纵子结构。几个功能相关的结构基因串联在一起受同一个调控区调节。E.coli基基因因组组含含3500个个基基因因，有有260个个已已查查明明具具有有操操纵纵子子结结构构，定定位位于于75个个操纵子中。操纵子中。E.coli 3.3.蛋白质基因单拷贝，蛋白质基因单拷贝，蛋白质基因单拷贝，蛋白质基因单拷贝，rRNArRNA基因多拷贝，这可能

12、有利于核糖体的组装。基因多拷贝，这可能有利于核糖体的组装。基因多拷贝，这可能有利于核糖体的组装。基因多拷贝，这可能有利于核糖体的组装。E.coliE.coli中中中中rRNArRNA基基基基因因因因（rDNArDNA）具具具具有有有有多多多多拷拷拷拷贝贝贝贝，而而而而且且且且都都都都以以以以转转转转录录录录单单单单位位位位的的的的形形形形式式式式组组组组织织织织在在在在一一一一起起起起。1 1个个个个转转转转录录录录单单单单位位位位通通通通常常常常含含含含3 3个个个个rDNArDNA，以以以以16S-23S-5S16S-23S-5S的的的的顺顺顺顺序序序序串串串串联联联联排排排排列列列列，有

13、有有有的的的的转转转转录录录录单单单单位位位位中中中中间间间间还还还还插插插插有有有有tRNAtRNA基基基基因因因因，每每每每个个个个转转转转录录录录单单单单位位位位的的的的长长长长度度度度大大大大于于于于5Kb5Kb。转录后先得到。转录后先得到。转录后先得到。转录后先得到rRNArRNA前体，再剪切成前体，再剪切成前体，再剪切成前体，再剪切成16S16S、23S23S和和和和5SrRNA5SrRNA4.4.结构基因中无内含子，边转录边翻译。结构基因中无内含子，边转录边翻译。结构基因中无内含子，边转录边翻译。结构基因中无内含子，边转录边翻译。5.5.无基因重叠结构。无基因重叠结构。无基因重叠

14、结构。无基因重叠结构。6.DNA6.DNA分子中有多种功能区。这些区域往往具有特殊的结构，并且含有分子中有多种功能区。这些区域往往具有特殊的结构，并且含有分子中有多种功能区。这些区域往往具有特殊的结构，并且含有分子中有多种功能区。这些区域往往具有特殊的结构，并且含有反向重复序列。反向重复序列。反向重复序列。反向重复序列。质粒DNA存在于细菌与真核细胞中的一种存在于细菌与真核细胞中的一种亚细胞结构亚细胞结构。绝大多数质粒都是双链绝大多数质粒都是双链DNA分子。分子。没有蛋白外壳，只能在寄主细胞中独立地增殖，并随着宿主细没有蛋白外壳，只能在寄主细胞中独立地增殖，并随着宿主细胞的分裂而被遗传下去。对

15、于宿主细胞的生存不是必需的，但胞的分裂而被遗传下去。对于宿主细胞的生存不是必需的，但质粒所携带的某些基因，可以对宿主细胞的生物学特征产生影质粒所携带的某些基因，可以对宿主细胞的生物学特征产生影响。响。质粒是一个质粒是一个完整、独立完整、独立的复制子，并且能够转化细胞（把它的的复制子，并且能够转化细胞（把它的一个复本从供体细胞转移给受体细胞），因此可以作为一种载一个复本从供体细胞转移给受体细胞），因此可以作为一种载体，把目的体，把目的DNA带入宿主细胞中进行增殖。而且通常能给细胞带入宿主细胞中进行增殖。而且通常能给细胞带来特殊的标记，顾而可以利用这些标记来筛选阳性克隆。带来特殊的标记，顾而可以利

16、用这些标记来筛选阳性克隆。质粒DNA的复制类型严紧型严紧型：每个宿主细胞中仅含有每个宿主细胞中仅含有1-3个拷贝，其复制要受到宿个拷贝，其复制要受到宿主细胞的严格控制。主细胞的严格控制。松弛型松弛型：每个宿主细胞可含有每个宿主细胞可含有10-60个拷贝，其复制不受宿主个拷贝，其复制不受宿主细胞的严格控制，即当宿主细胞蛋白合成受到抑制时，细胞的严格控制，即当宿主细胞蛋白合成受到抑制时，质粒可以继续复制，拷贝数可以增至质粒可以继续复制，拷贝数可以增至1000-3000之多。之多。质粒质粒DNA的功能类型的功能类型1.F质粒质粒（F因子或性质粒）因子或性质粒）能够使宿主细胞染色体上的基因和能够使宿主

17、细胞染色体上的基因和F质粒一起转移到原质粒一起转移到原先不存在该质粒的受体细胞中。先不存在该质粒的受体细胞中。2.R质粒质粒（抗药性因子）（抗药性因子）编码一种或几种抗菌素的抗性基因，并能将此抗性编码一种或几种抗菌素的抗性基因，并能将此抗性基基因转移因转移到宿主细胞中，使其获得同样的抗性能力。到宿主细胞中，使其获得同样的抗性能力。3.Col质粒质粒编码控制大肠杆菌素合成的基因。编码控制大肠杆菌素合成的基因。细菌基因组学研究的意义1、能够更好地了解病原微生物的致病机制。2、对致病菌基因组的研究，可以加快重要致病基因的发现速度。3、寻找病原菌所特有的DNA序列，提高临床诊断的效率和准确性。4、为筛

18、选有效药物及发展疫苗提供参考。细菌基因组学研究的意义 总之，细菌基因组研究将使人类从更高层次上掌握病原微生物的致病机制及规律，从而得以发展新的诊断、治疗、预防微生物感染的制剂、药物及疫苗。此外，新发现的微生物酶及蛋白还可能在工农业生产上有应用价值。五、真核生物基因组的特点五、真核生物基因组的特点 真核生物和原核生物基因表达的对比真核生物和原核生物基因表达的对比真核生物基因组结构与功能特点 1、真真核核生生物物基基因因组组的的化化学学本本质质为为DNA，大大多多与与蛋蛋白白质质结结合合形形成成染染色色质质，基基本本结结构构单单位位为为核核小小体体。每每一一种种真真核核生生物物都都有有一一定定的的

19、染染色色体体数数目目，除除配配子子为为单单倍倍体体外外，体体细细胞胞一一般般为为双双倍倍体体，即即含含两两份份同同源源基基因因组组，而原核生物的基因组则是单拷贝的。而原核生物的基因组则是单拷贝的。真核生物基因组结构与功能特点2、基基因因组组远远大大于于原原核核生生物物，结结构构复复杂杂，基基因因数数庞庞大，具有许多复制起始点，每个复制子大小不一。大，具有许多复制起始点，每个复制子大小不一。3、基基因因不不存存在在操操纵纵子子结结构构，功功能能相相关关基基因因分分散散在在不不同同的的染染色色体体上上。基基因因都都由由一一个个结结构构基基因因与与相相关关的的调调控控区区组组成成，转转录录产产物物为

20、为单单顺顺反反子子，即即一一分分子子mRNA只能翻译成一种蛋白质。只能翻译成一种蛋白质。真核生物基因组结构与功能特点4、基基因因组组中中有有大大量量低低度度（重重复复频频率率103）、中中度（重复频率度（重复频率105）和高度重复序列。）和高度重复序列。5、基基因因是是不不连连续续的的（断断裂裂基基因因），由由外外显显子子和和内内含含子子镶镶嵌嵌排排列列而而成成。基基因因转转录录的的初初级级产产物物需需经经一一定定的的加加工工，切切除除内内含含子子使使外外显显子子拼拼接接，才才能形成成熟的能形成成熟的mRNA。6、非编码区（占、非编码区（占90%以上）远大于编码区。以上）远大于编码区。真核生物

21、基因组结构与功能特点7、功功能能相相关关的的基基因因构构成成各各种种基基因因家家族族，它它们们可可串串联联在在一一起起，亦亦可可相相距距很很远远，但但即即使使串串联联在在一一起起的的成成簇簇的的基基因因也是分别转录的。也是分别转录的。8、基基因因组组中中也也存存在在一一些些可可移移动动的的遗遗传传因因素素，这这些些DNA顺顺序序并并无无明明显显生生物物学学功功能能，似似乎乎为为自自己己的的目目的的而而组组织织，故故有有自自私私DNA之之称称，其其移移动动多多被被RNA介介导导（如如在在哺哺乳乳动动物物及及人人类类基基因因组组中中发发现现的的逆逆转转座座子子），也也有有被被DNA介导的（如在果蝇

22、及谷类中发现的介导的（如在果蝇及谷类中发现的DNA转座子）转座子）重复序列重复序列C0t1/2高度重复序列中度重复序列单一序列真核生物DNA的复性动力学曲线将真核生物基因组的DNA进行复性动力学测定，显示3个不同的时相。重复序列的作用1、编码某些重要的功能性蛋白质及产物等，如组蛋白、rRNA、tRNA等。2、与染色体的构象、着丝点的形成有关。3、参与基因表达调控。高度重复序列高度重复序列1.卫星卫星DNA5-10个个bp，大多位于着丝粒和端粒、表达基因的间隔区、内含子。，大多位于着丝粒和端粒、表达基因的间隔区、内含子。人人的的卫卫星星DNA可可分分为为I、II、III、IV四四种种，各各类类型

23、型由由不不同同的的重重复复顺顺序序家家族族构构成成。分分子子杂杂交交研研究究表表明明，同同一一类类型型中中不不同同家家族族成成员员之之间间不不能能进进行行杂杂交交，说说明明卫卫星星DNA具有多态性。具有多态性。2.微卫星微卫星DNA又称简单重复序列（又称简单重复序列（simplerepeatsequence,SRS）。）。16bp为为重重复复单单位位，10-60次次拷拷贝贝串串联联。最最常常见见是是2bp串串联联（即即(AC)n和和(TG)n，约约占占10%），散散在在分分布布在在基基因因组组中中，多多位位于于编编码码区区附附近近，也也存存在在于于卫卫星星序序列列中及中度重复序列中。中及中度重

24、复序列中。功能：参与遗传物质结构的改变、基因调控及细胞分化等过程。功能：参与遗传物质结构的改变、基因调控及细胞分化等过程。小鼠DNA在氯化銫密度梯度离心中的密度曲线卫星卫星DNA与微卫星与微卫星DNA的比较的比较卫卫星星DNA微微卫卫星星DNA存在部位存在部位染色体近端粒和着染色体近端粒和着丝丝粒区粒区染色体任何部位染色体任何部位重复重复单单位位长长度度6-70bp，常富含，常富含GC1-6bp重复次数重复次数几次到几百次几次到几百次10-60次次总总序列序列长长度度0.5-30kb约约200bp重复重复单单位的差异位的差异重复重复单单位位组组成稍有差异，成稍有差异，重复重复单单位的位的变变异

25、异性低，如性低，如单单个个碱基置碱基置换换存在数量存在数量有限，有些染色体尚未有限，有些染色体尚未见见到到很多很多高度重复序列的功能高度重复序列的功能1、参与复制水平的调节2、参与基因表达的调控3、参与转位作用4、与进化有关5、作为每一个体的特征6、可能与染色体减数分裂时染色体配对有关中度重复序列中度重复序列特征：特征：一一般般是是不不编编码码的的序序列列，在在基基因因调调控控中中起起重重要要作作用用，包包括括开开启启或或关关闭闭基基因因的的活活性性、DNA复复制制的的起起始始、其其转转录录产物参与产物参与hnRNA（不均一核（不均一核RNA）的处理等；）的处理等；重重复复单单位位的的序序列列

26、相相似似，不不完完全全一一样样，分分散散在在基基因因组组中，序列的长度和拷贝数不均一；具有种属特异性。中，序列的长度和拷贝数不均一；具有种属特异性。（1）Alufamily哺乳动物中含量最丰富的中度重复序列家族。哺乳动物中含量最丰富的中度重复序列家族。重复单位中带有限制性内切酶重复单位中带有限制性内切酶Alu的酶切位点：的酶切位点：AGCTTCGA主主要要集集中中在在细细胞胞分分裂裂晚晚期期的的R R带带，大大部部分分属属于于非非编编码码DNADNA，但但也也有有一一部部分分位位于于mRNAmRNA的的非非翻翻译译区区，甚甚至至位位于于编编码码区区内。内。功功能能可可能能与与hnRNAr的的加

27、加工工成成熟熟、DNA复复制制及及转转录录调调节节有关有关（2）KpnIfamily（3）Hinffamily仅次于Alu家族的第二大家族。人Kpn I顺序长6.4kb，散在分布，拷贝数约为3000-4800个，占人体基因组的1%。限制性内切酶Hinf I约有50-100个拷贝分散在基因组的不同区域。多基因家族（多基因家族（multigenefamily）亦亦称称基基因因家家族族，是是真真核核生生物物基基因因组组中中一一组组来来源源相相同同、结结构构相相似似、功功能相关的基因，有的编码蛋白质，有的编码能相关的基因，有的编码蛋白质，有的编码RNA。根据分布不同，可分为两大类：根据分布不同，可分为

28、两大类：（1）基基因因成成簇簇地地分分布布在在一一条条染染色色体体上上，呈呈串串联联排排列列，产产生生多多个个拷拷贝贝，具有几乎相同的序列，同时发挥作用，如具有几乎相同的序列，同时发挥作用，如rRNA、tRNA、组蛋白、组蛋白等。等。（2）各各家家族族成成员员分分布布在在不不同同的的染染色色体体上上，序序列列虽虽然然不不相相同同，但但编编码码的的是一组紧密相关的蛋白，如是一组紧密相关的蛋白，如干扰素、生长激素、珠蛋白干扰素、生长激素、珠蛋白等。等。假基因（假基因（pseudogene）在基因家族中，有些成员的序列与相关功能基因的序列相在基因家族中，有些成员的序列与相关功能基因的序列相似，但不能

29、被转录或转录后生成无功能的基因产物。似，但不能被转录或转录后生成无功能的基因产物。一一个个假假基基因因常常常常有有多多个个有有害害的的突突变变，可可能能因因为为作作为为一一种种活活性性基基因因一一旦旦停停止止，就就再再没没有有适适当当机机制制阻阻止止进进一一步步突突变变的的聚聚积。假基因数目一般较少，往往只占基因总数的一小部分。积。假基因数目一般较少，往往只占基因总数的一小部分。假基因主要有两种类型假基因主要有两种类型（1）由于一种基因的加倍而失活。这种类型假基因保留原）由于一种基因的加倍而失活。这种类型假基因保留原来亲本基因的外显子及内含子组织并常与亲本基因密切联系，来亲本基因的外显子及内含

30、子组织并常与亲本基因密切联系，如如、球蛋白基因簇的假基因。它们可能是由于失去起始球蛋白基因簇的假基因。它们可能是由于失去起始转录信号，或外显子转录信号，或外显子内含子连接处不能剪接或翻译不能终内含子连接处不能剪接或翻译不能终止。止。（2）第第二二种种假假基基因因仅仅含含有有亲亲本本基基因因的的外外显显子子，常常常常拥拥有有3端端polyA尾尾，并并随随机机分分布布于于基基因因组组中中。这这些些假假基基因因是是源源于于mRNA，并通过逆转录而重新整合进基因组。，并通过逆转录而重新整合进基因组。人人-珠蛋白基因簇及各个功能珠蛋白基因簇及各个功能-类珠蛋白基因的结构类珠蛋白基因的结构列举几个基因家族

31、：1典型的前典型的前rRNA基因（转录单位）结构示意图基因（转录单位）结构示意图列举几个基因家族：2组蛋白基因簇组蛋白基因簇三种动物中的组蛋白基因簇黑色方框：组蛋白基因黑色方框：组蛋白基因空心方框：基因间的间隔区空心方框：基因间的间隔区箭头：基因的转录方向箭头：基因的转录方向列举几个基因家族：3超基因家族超基因家族指一组由多基因家族及单基因组成的更大的基指一组由多基因家族及单基因组成的更大的基因家族。结构上有不同程度的同源性，可能起因家族。结构上有不同程度的同源性，可能起源于相同的祖先基因，但功能不相同。源于相同的祖先基因，但功能不相同。例如，例如，免疫球蛋白超基因家族免疫球蛋白超基因家族。单

32、一序列单一序列也称为单拷贝序列。也称为单拷贝序列。真核生物一般为二倍体细胞，因此不重复的单一序列存真核生物一般为二倍体细胞，因此不重复的单一序列存在在2个拷贝。个拷贝。大多数结构基因都是单一序列。大多数结构基因都是单一序列。80%左右的左右的mRNA来自单一序列来自单一序列DNA。结构基因的突变容易引起遗传性状的改变或产生遗传性结构基因的突变容易引起遗传性状的改变或产生遗传性疾病。疾病。断裂基因即不连续基因。即不连续基因。绝大多数真核生物的基因都是断裂基因。编码蛋白质的基绝大多数真核生物的基因都是断裂基因。编码蛋白质的基因称为因称为外显子（外显子（exon），其间由不编码的序列即，其间由不编码

33、的序列即内含子内含子（intron）隔开。转录时一起被转录出来，然后再经过加工隔开。转录时一起被转录出来，然后再经过加工剪切内含子后，外显子拼接起来后成为成熟的剪切内含子后，外显子拼接起来后成为成熟的mRNA。不连续基因的发现时是通过不连续基因的发现时是通过mRNA和和DNA杂交实验而发现杂交实验而发现的。的。电镜照片电镜照片解释图解释图鸡卵清蛋白基因中外显子和鸡卵清蛋白基因中外显子和内含子的排列顺序及大小内含子的排列顺序及大小鸡卵清蛋白mRNA与DNA杂交实验图移动基因（转座子或转位子，（转座子或转位子，transposontransposon）可从染色体基因组的一个位置转移到另一个位置的基

34、因，也可在不同可从染色体基因组的一个位置转移到另一个位置的基因，也可在不同的染色体之间跳跃。的染色体之间跳跃。20世纪世纪40、50年代，美国遗传学家年代，美国遗传学家McClintock（1983年获得诺贝尔生年获得诺贝尔生物医学奖）在研究玉米籽粒颜色的高频变异时提出这一概念，当时称物医学奖）在研究玉米籽粒颜色的高频变异时提出这一概念，当时称为为“控制因子控制因子”。这些基因能在玉米不同的染色体上从一个位点转移。这些基因能在玉米不同的染色体上从一个位点转移到另一个位点，有时象一个新奇的生物学开关一样，开动或关闭基因。到另一个位点，有时象一个新奇的生物学开关一样，开动或关闭基因。跳跃基因的概念

35、，使人们认识到功能上相关的各个基因，并不一定以跳跃基因的概念，使人们认识到功能上相关的各个基因，并不一定以紧密连锁的形式存在，它们可以分散在不同染色体或者同一染色体的紧密连锁的形式存在，它们可以分散在不同染色体或者同一染色体的不同部位上，因此极大地丰富和发展了现代基因概念。不同部位上，因此极大地丰富和发展了现代基因概念。人类基因组计划人类基因组计划（HGP，human genome project）人类基因组结构特点1、前述的真核基因组的结构特点基本上都适用于人类基因组。2、基因组DNA有30亿个碱基对(3109bp)，510万个基因，目前已定位的有2000个3、编码序列只占基因组总DNA量的

36、5%以下，非编码区占95%以上，大量为重复序列人类基因组中的DNA多态性每个人之间基因组并不完全相同，也叫基因组的多态性，这个多态性表现在DNA的序列上。统计表明，任意两个人之间的DNA核苷酸差异约占基因组的001，就是这基因组中001的差异，决定了人类的遗传多样性，如有的人容易生病，而有的人却对疾病的免疫能力特别高，有些药物，有的人用了就灵验，有的人就不灵验。只有从不同个体DNA序列的差异上阐明人类基因组的多态性，才能真正了解与疾病特别是多基因疾病有关的遗传机制，同时深入准确地了解人类起源、进化和迁徙过程中的DNA序列变化。1、位点多态性（DNA site polymorphism）是由于等

37、位基因间在特定位点上DNA序列存在差异造成的。例如人血液中的许多蛋白质和红细胞、白细胞的表面抗原在不同个体之间的生化特征、抗原特性都存在着由遗传造成的变异。在各种DNA位点多态性系统中，人类白细胞抗原（HLA）是最复杂的一种，仅其中的HLA-DR抗原的编码位点就有DRA、DRB1DRB2、DRB3、DRB4、DRB5六个座位，共有60多个等位基因。2、限制性片段长度多态性（restriction fragment lcngth polymorphism，RFLP）DNA位点多态性可影响限制酶的切割位点，造成限制性片段长度多态性，即用同一种限制酶消化不同个体的DNA时，会得到长度各不相同的限制性

38、片段类型。不同个体基因组在同一段DNA是否有同样的酶切位点，决定了酶切后是否会产生同样大小的片段。当碱基组成的变化改变了限制酶识别位点（位点消失、产生新的位点、位点移位等）时，就会得到不同的限制性片段类型，这样的位点称为多态性位点。通过限制酶酶切片段的长度多态性来揭示DNA碱基组成不同的技术称为限制性片段长度多态性技术，简称RFLP技术。高度重复序列中的无间隔反向重复序列很容易形成限制酶识别位点，也很容易由于突变产生或失去一个酶切位点。所以，RFLP的基础是高度重复序列（数量大）和点突变。3、串联重复顺序多态性（tandem repeats po13rmorphism）有一些重复序列，其重复单

39、位很小，比如（CC）n、（ATT）n，但串联重复次数有较大的变化，形成串联重复顺序多态性，也称为可变数目的串联重复序列（variablc number of tandcm repeats，VNTRs），这是另一种DNA序列长度多态性，这种多态性在人群中有极高的频率。串联重复顺序长度多态性主要发生在小卫星DNA 和微卫星DNA中。研究背景1985年，美国能源部（年，美国能源部（DOE）率先提出，旨在阐明人类基）率先提出，旨在阐明人类基因组因组DNA长达长达3109碱基对（碱基对（basepair，bp）的序列。发）的序列。发现所有人类基因并阐明其在染色体上的位置，从而在整体现所有人类基因并阐明其

40、在染色体上的位置，从而在整体上破译人类遗传信息。上破译人类遗传信息。1986年美国宣布启动年美国宣布启动“人类基因组启动计划人类基因组启动计划”。1989年，美国国家卫生研究院（年，美国国家卫生研究院（NIH）建立国家人类基因）建立国家人类基因组研究中心（组研究中心（NCHGR）。1990年，年，NIH和和DOE联合提出美国人类基因组计划，正式联合提出美国人类基因组计划，正式启动启动HGP，计划于，计划于15年内提供年内提供30亿美元的资助，在亿美元的资助，在2005年年完成人类基因组全部序列的测定。完成人类基因组全部序列的测定。研究进程HGP启动以后进展顺利，计划进度一再修改。启动以后进展顺

41、利，计划进度一再修改。1998年，最后一个五年计划指定出来，年，最后一个五年计划指定出来，HGP提前提前2年于年于2003年年完成。完成。最后一个五年计划的主要目标是：得到标记间距为得到标记间距为1厘摩（厘摩（1厘摩厘摩=重组频率为重组频率为1%的两个的两个基因间的遗传距离）的遗传图谱；基因间的遗传距离）的遗传图谱；得到至少有得到至少有30万个序列标记位点（万个序列标记位点（STS）的物理图谱，）的物理图谱，1998年年10月实际已经有月实际已经有5.2万个万个STS被作图；被作图；2001年得到人类基因组序列的年得到人类基因组序列的“草稿草稿”，2003年得到年得到最后最后“定稿定稿”；测序

42、能力要达到每年测序能力要达到每年500Mb(1Mb=1000kb),每个碱基对每个碱基对的分析费用要少于的分析费用要少于25美分，支持毛细管阵列电泳、美分，支持毛细管阵列电泳、DNA芯片芯片等的测序技术的发展；等的测序技术的发展；增加测定人类基因组变异的内容，得到增加测定人类基因组变异的内容，得到10万个作万个作图定位了的单核苷酸多态性（图定位了的单核苷酸多态性（SNP）；）；得到所有基因的全长得到所有基因的全长cDNA；发展在基因组尺度上分析生物功能的技术；发展在基因组尺度上分析生物功能的技术；在模式生物基因组研究方面，大肠杆菌、酵母菌、在模式生物基因组研究方面，大肠杆菌、酵母菌、短小丽杆线

43、虫的全基因组序列已经全部完成并发表公短小丽杆线虫的全基因组序列已经全部完成并发表公布，到布，到2002年完成果蝇的全基因组序列，年完成果蝇的全基因组序列，2005年完成年完成小鼠的全基因组序列。小鼠的全基因组序列。基因组研究大事记年月 被誉为生命科学“阿波罗登月计划”的国际人类基因组计划启动。年一批科学家在美国罗克威尔组建塞莱拉遗传公司，与国际人类基因组计划展开竞争。月 一种小线虫完整基因组序列的测定工作宣告完成，这是科学家第一次绘出多细胞动物的基因组图谱。年月 中国获准加入人类基因组计划，负责测定人类基因组全部序列的。中国是继美、英、日、德、法之后第个国际人类基因组计划参与国，也是参与这一计

44、划的唯一发展中国家。月日 国际人类基因组计划联合研究小组宣布，完整破译出人体第对染色体的遗传密码，这是人类首次成功地完成人体染色体完整基因序列的测定。年月日 美国塞莱拉公司宣布破译出一名实验者的完整遗传密码，但遭到不少科学家的质疑。月底 中国科学家按照国际人类基因组计划的部署，完成了人类基因组的工作框架图。月日 德、日等国科学家宣布，已基本完成了人体第对染色体的测序工作。月日 科学家公布人类基因组工作草图，标志着人类在解读自身“生命之书”的路上迈出了重要一步。月日 美英等国科学家宣布绘出拟南芥基因组的完整图谱，这是人类首次全部破译出一种植物的基因序列。年月日 中、美、日、德、法、英等国科学家和

45、美国塞莱拉公司联合公布人类基因组图谱及初步分析结果。2002年六国科学家公布人类基因组细节研究成果1.遗传图谱遗传图谱遗传图的绘制是人类基因组研究的第一步，是以染色体上某一点为遗传标记，以与之相伴遗传的特征为对象，经连锁分析，将编码该特征的基因定位于染色体特定位置。即通过计算连锁的遗传标志之间的重组频率，确定它们的相对距离；一般用厘摩（cM，即每次减数分裂的重组频率为 1）来表示。遗传图所表现的，是通过连锁分析确定的各基因间的相对位置。四张图谱2.物理图谱物理图谱是以一段已知核苷酸序列的DNA片段为“位标”，以DNA实际长度（Mb或kb）作为图距的基因组图。这段已知核苷酸序列的DNA片段称为序

46、列标记位点，在基因组中应有明确的位置。物理图的另一重要内容是构建以DNA克隆片段相互重叠的邻接克隆群 四张图谱3.转录图谱转录图谱人类基因组中转录、表达的序列仅占总序列的15，而人体特别是成年个体的特定组织中又只有10的基因是表达的。因此如果能把mRNA（或cDNA）先分离、定位，就抓住了基因的主要部分（可转录的部分）。转录图（transcription map）以表达序列标记（expressed sequence tags，EST）作为位标，实际上就是人类“基因图”的雏形，又称cDNA图或“表达序列图”。转录图具有特定的生物学意义。四张图谱4.序列图谱序列图谱人类基因组核苷酸序列图（sequ

47、ence map）也就是分子水平上最高层次、最详尽的物理图。测定人类基因组的核苦酸顺序是人类基因组计划中最为明确、最为艰苦的定时、定量、定质的任务。由于毛细管电泳自动测序法的建立、计算机和序列软件系统的日臻完善，测序速度不断提高。2000年6月，美国、英国、法国、德国、日本与中国几乎同时宣布人类基因组工作草图完成，尽管该工作草图还需进一步补充完善，但它的完成却是科学界一个具有里程碑意义的重大成就。四张图谱人类基因组计划研究提供的这“四张图”被誉为人类“分子水平上的解剖图”，或被更形象地称为人类“生命元素周期表”。人类将依赖这张“生命元素周期表”彻底解开人类进化和生命之谜，同时有望彻底阐明人类6000多种单基因、多基因遗传病的发病机制，并为这些疾病的诊断、治疗及预防奠定基础，人类健康的历史将翻开全新的一页。人类基因组计划上.wmv人类基因组计划下.wmv