现代微生物遗传学-第三单元授.ppt

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1、第三单元授课课件第五节 基因结构和基因组什么是基因？这是一个贯穿整个遗传学发展过程的核心问题。可以说，一部遗传学的发展史，渗透和贯穿着人们对基因认识的不断深化过程。从而使基因概念不断得到充实和完善。1.经典遗传学（19001910）和孟德尔的“遗传因子”孟德尔以豌豆为材料进行杂交实验，首次提出分离定律和自由组合定律；首次提出“遗传因子”的概念，认为遗传性状由“遗传因子”决定；提出“颗粒式遗传”（一对相对性状的遗传因子在同一个体内分别存在，而不相沾染，不相混合。决定着不对应的性状的遗传因子在遗传传递上有相对独立性，可以完全拆开）。1900年，不同国家的三位学者经大量的杂交工作，分别在不同的植物上

2、同时取得了与孟德尔相同的试验结果，即孟德尔定律被“再发现”。荷兰狄夫瑞斯（de Vries）用月见草为材料；德国的科伦斯（Correns,C.E）用玉米和豌豆为材料；奥地利的切尔迈克（Tschermak）用豌豆为材料；1909年，丹麦科学家约翰逊（Johannsen）创用了：基因（gene），代替孟德尔的遗传因子 基因型（genotype）表型（phenotype）剑桥大学的遗传学教授贝特森(Bateson)创用遗传学（Genetics）。遗传学作为一门独立的学科正式诞生。1910年 摩尔根（Morgan,T.H）及其弟子 通过果蝇杂交实验创立了连锁定律，成为遗传学中的第3个基本规律：提出同源

3、染色体在减数分裂时发生交换(crossing-over)，而且位置相近的因子相互连锁。（其他两个个基本定律是什么？）2.细胞遗传学时期(19101940)摩尔根等还利用基因重组频率来分析不同基因之间的距离，即重组率(Recombination frequency)=（交换型配子数）/（总配子数）。并利用三点测交进行基因定位。证实了基因在染色体上是直线排列的，而且将位于同一条染色体上的许多基因统称为连锁群(Linkage group)。这一时期，摩尔根将基因的概念发展成为在染色体上占有一定空间位置的化学实体（染色体上的遗传功能单位）。首次把代表某一特定性状的特定基因，与某一染色体联系起来，建立了

4、遗传的染色体学说，为细胞遗传学奠定了重要基础。到1927年，Muller通过 X-射线诱发突变，结合前期实验，认为：基因是一个化学实体，基因控制相应的性状；基因可以发生突变；基因之间可以发生交换。从而提出“三位一体”的基因概念：基因既是功能单位，又是重组单位和突变单位。3.微生物遗传学时期（19401960）1941 Beadle和 Totum 提出一个基因一个酶学说 沟通了生物化学中蛋白质的合成研究与遗传学中基因功能功能的研究，也为遗传密码的解码和细胞内大分子之间遗传信息传递过程的揭示奠定了基础。1944 Avery 确定遗传物质为DNA，证明基因是“有遗传功能的DNA片段”1951 McC

5、lintock B.发现跳跃基因或称转座因子 1953 Watson和 Crick建立双螺旋模型 40年代起，主要阐明基因的化学本质、基因突变机制和基因作用机制。1955 Benzer提出了顺反子概念；提出了基因是可分的完整功能单位。发现一个基因内部的许多位点可以发生突变，位点之间可以发生交换。打破了基因“三位一体”概念。并提出以下术语：顺反子（Cis-trons）：是一个功能单位，含500bp 1500bp。（单顺反子和多顺反子）突变子（muton）：一个基因内部能发生突变的最小单位。一个突变子可以是一个核苷酸的变化。交换子（recon）：也称重组子，发生重组时，一个基因内可交换的最小单位。

6、一个交换子的大小可小到一个核苷酸。1957 Crick提出中心法则这一时期，基因的概念发展为：“基因是负责编码特定遗传信息的功能单位，其内部是可分的，包含多个突变和重组单位。基因是可分的完整的功能单位”4.分子遗传学时期(1953)随着重组DNA技术和DNA序列分析技术的发展，对基因的认识有了新的发展和更新。1961:Jacob 和Monod建立乳糖操纵子模型 阐明了原核生物基因表达的调控机制，并大大丰富了基因的概念。基因在功能上是有差异的，可分为：编码蛋白质的基因 没有翻译产物的基因（即不产生蛋白质的基因）不转录的DNA区段。1962，1968 Arber，1978 Smith 发现限制性酶

7、 1964，1965：Nirenberg，Khorana破译遗传密码 1972 Berg建立重组技术 1975 Temin发现反转录酶 1977 Sanger&Gilbert 建立测序方法；而且在测定X174的DNA全部核苷酸序列时，发现了重叠基因。1977 Sharp 和 Roberts 发现内含子和外显子。真核细胞的核苷酸序列，中间有不转录成mRNA的间隔区，即能表达的外显子被不能表达的内含子一一隔开，故称作断裂基因。1980 Shapiro发现转座子（可移动的基因）1981 Cech和Altman 发现核酶1985 Mullis,K.建立了PCR体外扩增技术。此期基因的概念：一段可以转录

8、为功能性RNA的DNA，它可以重叠、断裂的形式存在，并可转座。基因是什么？是实体，其物质基础是DNA（或RNA）；是一个含有特定遗传信息的DNA分子区段；是遗传信息传递和性状分化发育的依据；基因是可分的，根据功能不同，分为：编码蛋白质的基因 结构基因（结构蛋白，酶）调节基因（阻遏蛋白或激活蛋白）无翻译产物的基因 tRNA基因（简称 tDNA）rRNA基因（简称rDNA）不转录的DNA区段 启动子（promotor）操纵基因（operator）基因是一个含有特定遗传信息的核苷酸序列，它是遗传的功能单位。此期间发现的重叠基因、断裂基因、转座因子和假基因的确切定义如下：(1)重叠基因 一个基因的核苷

9、酸与另一个基因的核苷酸之间存在一定程度的重叠现象。包括两种类型。类型1：一个基因的序列完全包含在另一个基因序列之中。类型2：一个基因的末端密码区与另一个基因的起始密码区重叠出一个新的基因。噬菌体X174基因组最显著的特征是基因的重叠现象，X174共有11个基因，其中基因B,K,E 分别位于基因A,C,D中，但使用不同的阅读框架，见图示（X174基因组结构和重叠基因）。(2)断裂基因（Split gene）：基因的编码序列在DNA分子上是不连续的，被不编码的序列所隔开。编码序列称为外显子，不编码的序列称为内含子。(3)假基因(Pseudogene)：是与功能性基因密切相关的DNA序列，但由于缺失

10、、插入和无义突变失去阅读框架而不能编码蛋白质产物。(4)转座因子(transposable element)：可以从染色体DNA的一个位置转移到另一个位置，因此，有时也称为移动基因(movable gene)、跳跃基因(jumping gene)。二、基因的符号 采用以下统一命名规则：1.每个基因用斜体小写的三个字母来表示，这三个字母取自表示该基因特性的一个或一组英文单词的前三个字母。2.产生同一表型的不同基因，在三个字母后用不同的大写斜体英文字母表示。如trp代表色氨酸基因，各个不同的色氨酸基因分别用trpA和trpB来表示。3.突变型基因的表示方法是在基因符号的右上角加“”，如亮氨酸缺陷型

11、用leu来表示。抗药性基因是在基因符号的右上角加“r”，加“s”表示敏感，如链霉素抗性基因则表示为strr。4.某一突变型基因的表型一般也是用相应的正体三个字母表示第一个字母大写。例如乳糖发酵缺陷的基因符号是lacZ，那么其表型符号便写为LacZ。5.当染色体上存在缺失时可用表示，缺失部分放在后的括号中，例如(lac,pro)表示乳糖发酵基因到脯氨酸基因这一段染色体发生了缺失。三、基因结构 1.原核基因的结构 所有原核基因都有一个编码区，在编码区的两侧，还存在着控制转录作用的调节区，即启动子和终止子。开放阅读框架(open reading frame,ORF)：在DNA链上，从起始密码子开始到

12、终止密码子为止的一个连续编码序列，也就是所谓的编码区。启动子(promoter)？位于基因5末端上游外侧紧挨转录起点的一段长度为20200bp的非编码的核苷酸序列。其功能是与RNA聚合酶结合形成转录起始复合物。+1：转录起始点-10区：TATAAT。是RNA聚合酶核心酶与DNA分子紧密结合的部位。-35区：TTGACA。是RNA聚合酶 因子识别DNA 分子的部位。位于一个基因或一个操纵子的末端，提供转录停止信号的DNA区段。与启动子不同的是：终止子仍能被转录成mRNA。大肠杆菌的终止子分两类：强终止子：不依赖于 因子就能终止转录。弱终止子：依赖于 因子才能终止转录。终止子(terminator

13、)？2.真核生物基因的结构 真核生物的蛋白质编码基因以及其它基因的编码序列中，被一种称为内含子（Intron）的非编码序列所间断。有3种RNA聚合酶，各自分工转录不同类型的基因：Pol I转录rRNA 基因（5s rRNA除外），Pol II转录蛋白质编码基因，Pol III转录编码众多小分子RNA，包括tRNA和5s rRNA。此外，真核生物中还存在一些调空元件，如增强子和沉默子等。增强子（Enhancer）：真核生物基因表达的重要调控元件。能使与其连锁的基因转录频率明显增强的DNA序列，长度一般为100200bp。具有下列特点：1.使基因转录增强10200倍，有的达上千倍。2.增强效应与位

14、置和取向无关。3.可远离转录起始点起作用。4.无基因的专一性，对同源、异源基因都有效。沉默子（Silencer）：属于负调控元件，对成簇基因的选择性表达起重要作用。四、基因组 1.基因组的定义 基因组是指存在于单倍体细胞或病毒中的全部一套基因。由于目前发现许多非编码序列具有重要功能，因此基因组的含义实际上是指细胞中基因以及非基因的DNA序列组成的总称，包括编码蛋白质的结构基因、调控序列以及目前功能还不清楚的DNA序列。微生物的基因组一般都比较小。其中最小的大肠杆菌噬菌体MS2只有3000bp，含3个基因。最小的能独立生活的最小基因组是一种生殖道支原体，只含有473个基因。基因组学：是研究生物体

15、基因和基因组的结构组成、不稳定性及功能的一门学科。基因组学又可分为：结构基因组学和功能基因组学：结构基因组学（Structural Genomics）：研究基因和基因组的结构、各种遗传元件的序列特征、基因组作图和基因定位。功能基因组学（Functional Genomics）：研究基因不同序列结构的不同功能、基因表达的调控、基因与环境，基因与蛋白，基因与基因之间的相互作用。由于基因的功能是通过其编码的蛋白质产物来实现的，1994年又提出了蛋白质组学(Proteomics)，是指研究细胞内全部蛋白质的组成及其活动规律的一门科学。2.基因组和蛋白质组发展过程（1986）1986 美 Dulbecc

16、o首次提出了“人类基因组工程”1990 4月美国宣布人类基因组测序工作的5年计划。1991 Stepken Fodor 把基因芯片的设想第一次变成了现实.1992 10月美V ollrath D.等分别完成人类Y染色体染色体的物理图谱.1993 10月 美国公布了19931995年的人类基因组测序工作计划，并预计2005年完成整个的测序工作。1995 Smith,H.O等第一个细菌基因组流感嗜血杆菌(H.influenzae)全基因组序列发表。1995 12月美、法科学家公布了有15000个标记的人类基因组的物理图谱。1996 Dietrich W.F等绘制了小鼠基因组的完整遗传图谱。1996

17、 10月Goffeau等完成了酵母基因组的测序。1996 DNA芯片进入商业化。1997 Wilmut 完成了体细胞克隆 1998 12月，第一个多细胞真核生物线虫的 基因组在Science上发表。1999 Cate J.H第一次绘制出完整核糖体的 晶体结构，揭示了其中的很多细节。1999 国际人类基因组计划联合研究小组完成 了人类 第22号染色体测序工作。2000 3月塞莱拉公司宣布完成了果蝇的基因 组测序。2000 完成了人类第21号染色体的测序 2000 6,26 人类基因组草图发表（约3万个基因，由30亿个碱基组成）2000 12,14 英美等国科学家宣布绘出拟南芥基因组的完整图谱 2

18、001 1,12 中、美、日、德、法、英等国科学家和美国塞莱拉公司各自公布人类基因组图谱和初步分析结果。约3万基因。遗传学发展的新动态：1.基因组(genome)学 2.后基因组学 3.蛋白质组学(Proteomics)4.生物信息学(Bioinformatic)：定义为分子生物学和计算生物学的交叉.包含三个重要的内容:1.基因组信息学;2.蛋白质的结构模拟;3.药物设计.3.典型微生物的基因组举例 微生物基因组随不同类型（真细菌、古生菌、真核微生物）表现出多样性，第一个被测序的原核微生物：流感嗜血杆菌；第一个被测序的真核微生物：酿酒酵母；第一个被测序的自养微生物：詹氏甲烷球菌。（1）大肠杆菌

19、基因组 基因组序列于1997年由Wisconsin大学的Blattner等人完成的，其基因组的结构特点如下：遗传信息的连续性 功能相关的结构基因组成操纵子结构 结构基因的单拷贝及rRNA的多拷贝 基因组的重复序列少而短 模式菌株为E.coli K-12。其基因组大小为4.6106bp。基因组中87.8%的DNA编码蛋白质，0.8%编码RNA，0.7%是非编码的重复序列，约11%左右参与调节和其他功能。大肠杆菌共有基因4288个，基因平均长度为951bp，最大的基因长度为7149bp，最小的基因长度比300bp还小。大肠杆菌中染色体上的学多基因是以操纵子(operator)的形式组织起来的，即功

20、能相关的几个结构基因前后相连，利用一个共同的启动子和终止子。操纵子也是一个转录单元(operon，凡是由启动子、结构基因及其终止子组成的一段DNA顺序)。大肠杆菌基因组中共有2584个转录单元，其中73%只有一个结构基因，16.6%有2个结构基因，4.6%有3个基因，6%有4个或4个以上基因。所有转录单元至少含有一个启动子，有些含有2个、3个或以上的启动子。在大肠杆菌中，许多基因最终产物是RNA，而不翻译成蛋白质，这些基因主要有下面5种：1)rRNA基因组;2)tRNA基因;3)重复序列:主要有Rhs、RFP、ERIC、Chi(位点)等。4)插入序列和转座子;5)噬菌体及噬菌体残迹.（2）啤酒

21、酵母的基因组 1997年由欧洲、美国、加拿大和日本共96个实验室的633位科学家完成的全基因组测序的第一个真核生物。结构特点如下：基因组大小为13.5106bp，分布在16个不连续的染色体中。没有明显的操纵子结构 有间隔区或内含子序列 高度重复 遗传丰余(genetic redundancy)：基因组上较高同源性DNA重复序列。酵母属于最简单的真核生物，那么真核生物基因组普遍存在的特点有哪些呢？1)基因组分子量比原核大。2)真核生物往往有很多条染色体，一般呈线性。3)核基因组DNA存在于细胞核中。4)基因组有大量不编码蛋白质的序列 5)蛋白质编码基因多以单拷贝形式存在，功能相关的基因一般不以操

22、纵子形式存在。而且真核生物细胞中DNA序列大致上可分为:非重复序列、中度重复序列、高度重复序列（）詹氏甲烷球菌的基因组 詹氏甲烷球菌(Methanococcus jannaschii)属于古生菌，生活在2600m深、260个大气压、94度的海底火山附近。1996年由美国基因组研究所和其他5个单位共40人联合完成其基因组测序工作。这是完成的第一个古生菌和自养生物的基因组序列。该菌全基因组序列分析结果完全证实了1977年由Woese等人提出的三界学说。詹氏甲烷球菌的基因组特点为：只有40%左右的基因与其他二界生物有同源性。基因组在结构上类似于细菌环型染色体、功能相关的基因组成操纵子结构、基本上无内含子、无核膜。负责信息传递功能的基因类似于真核生物古生菌的RNA聚合酶、启动子、翻译延伸因子、复制起始因子等均与真核生物相似。古生菌还有5个组蛋白基因，其产物组蛋白的存在暗示：古生菌基因组在细胞内可能按典型的真核生物样式组织成真正的染色体结构。总结：以板书形式第三授课单元结束