【文章內容簡介】 征 以大腸桿菌為例，說明原核生物基因的特征。 大腸桿菌的 DNA長度為 個堿基對，存在于一個單一閉環(huán)的 DNA分子上，并且存在于一個稱為 擬核 的區(qū)域內。 在正常細胞生長時， DNA保持復制能力，在生長速率達到最大時，平均每一個細胞中含有基因組的 2個以上的拷貝。 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 大腸桿菌的 DNA與 RNA、蛋白質結合在一起，形成的復合物也被叫做 染色體。 由 50100個環(huán) (或結構域 )組成，這些環(huán)(或結構域 )的末端與細胞膜上的蛋白質相連而被固定。 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 大腸桿菌的染色體呈負超螺旋狀態(tài)存在 ,其中的蛋白質與真核染色體中的組蛋白不同，而是另外一種叫做 HU的蛋白質，又叫“ 類組蛋白 ”，以及一種分子量比較小的堿性二聚體蛋白。這些蛋白質對于細菌 DNA的壓縮、包裝進入擬核以及染色體的穩(wěn)定非常重要。雖然沒有發(fā)現(xiàn)類似核小體的結構，但是擬核的結構也是非常復雜的。 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 質粒是細菌染色體 DNA的補充。大腸桿菌的 DNA分子包含大約 4300個基因，其中許多基因已經(jīng)被定位。大腸桿菌的全基因組序列已經(jīng)被測定完畢。 絕大部分細菌基因都存在于 染色體 上，少數(shù)存在于一種叫做 質粒 的小環(huán)狀 DNA分子上。 基因組測序表明，在寄生類細菌中基因的數(shù)目在 500－ 1200個，自由生活的細菌中基因的數(shù)目為 15007500 ，古細菌中基因數(shù)目為 15002700。 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 原核細胞的基因特征： 1 功能相關的基因一般高度集中，組成 操縱子的形式。同一個操縱子中的基因共同轉錄成一個多順反子。 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 2 編碼蛋白質的基因是單拷貝基因。 3 RNA基因多是多拷貝基因。 4 絕大多數(shù)的基因是連續(xù)的，結構基因之間少有 居間序列。 細菌中的 75%DNA是用來編碼基因的，另外的 25%是基因間DNA，與染色體的復制、染色體 DNA的包裝等有關。 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 5 基因 DNA序列中幾乎沒有或很少內含子 6 基因組中重復序列少。 7 單個染色體成環(huán)狀。 8 幾乎所有的細菌都有染色體外的基因，存在于質粒中，是對染色體基因的補充 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 1 真核細胞基因轉錄產(chǎn)物為單順反子。而原核細胞多為多順反子。 四、真核生物基因的特征 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 2 存在重復序列，重復次數(shù)可達百萬次以上 3 基因組中不編碼的區(qū)域多于編碼區(qū)域。 4 多數(shù)基因含有內含子，是斷裂基因， DNA中的內含子在轉錄后要被除去。 5 基因組中有基因家族存在。 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 （ 1）斷裂基因 (割裂基因 ,split gene) 斷裂基因是指基因的編碼序列在 DNA分子上不是連續(xù)的，而是被不編碼的序列所隔開，其中編碼的序列叫做外顯子 (exon)，不編碼的序列叫做內含子（ intron）。 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 1977年 1012月 ,3個實驗室同時報道有斷裂基因的存在。他們發(fā)現(xiàn) 老鼠 的 β珠蛋白 基因、 雞 的 卵清蛋白 基因和 兔子 中的 β珠蛋白 基因的 DNA與 mRNA不一致的情況 。 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 最初是通過 電子顯微鏡觀察 到的，后來通過 比較序列 發(fā)現(xiàn)。很快，許多實驗室宣布也發(fā)現(xiàn)斷裂基因，證明斷裂基因的廣泛存在。 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 不僅在編碼蛋白質的基因中發(fā)現(xiàn)有內含子 ,在 rRNA和 tRNA基因中也有 。 在 細菌和噬菌體 中也發(fā)現(xiàn)有內含子的存在。 酵母 中基因大部分沒有內含子。 真核基因 大多數(shù)有內含子，有一些基因如組蛋白、干擾素基因等沒有內含子。但是 真細菌 中沒有發(fā)現(xiàn)有內含子。 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 Phillip A. Sharp USA Richard J. Roberts UK 他們獲 1993年諾貝爾醫(yī)學獎 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 內含子在轉錄后的加工過程中被切除，功能相似的基因含有的內含子的數(shù)目和位置也類似。 內含子雖然不編碼最后的產(chǎn)物，但是如果沒有內含子則基因不能正確剪切，所以內含子決不是可有可無的東西，或是沒用的東西。 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 近來發(fā)現(xiàn)，內含子和外顯子的概念是相對的 選擇性剪接（ alternative splicing） 一個基因的轉錄產(chǎn)物在不同的發(fā)育階段、分化細胞和生理狀態(tài)下，通過不同的拼接方式，可以得到不同的 mRNA和翻譯產(chǎn)物，稱為 選擇性剪接 (alternative splicing)。所產(chǎn)生的多個蛋白質稱為 同源體 (isoform)。 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 如 α原肌球蛋白 基因可得到 10個不同蛋白質產(chǎn)物。 肌鈣蛋白 可產(chǎn)生 64個蛋白質同源體。 果蠅的性分化 是由一系列基因產(chǎn)物相互作用的結果，通過關鍵基因轉錄物的選擇性拼接決定了雄性和雌性的差別。選擇性拼接廣泛存在，在基因表達的調節(jié)控制中起了十分重要的作用。 目前發(fā)現(xiàn)在真核生物中這種剪接機制廣泛存在。 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 選擇性剪接 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 （ 2） 基因組中含有許多來源相同、結構相似、功能相關的基因，它們被稱為基因家族。 一類是 編碼蛋白質 的基因家族，另一類是 編碼 RNA的基因家族?；蚣易宓母鱾€成員中，有的 成簇 排列在一起，有的在染色體上 分散 排列。其中有的家族成員已經(jīng)不能再產(chǎn)生有功能的產(chǎn)物，這樣的基因成員叫做“ 假基因 ”。 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 由基因家族和單基因組成的較大的基因家族被稱為 超基因家族 (supergene family)，在超基因家族中，各個成員之間的結構有不等的同源性，雖然他們起源于共同的祖先基因，但是他們的功能已經(jīng)發(fā)生了較大的改變，各不相同了。 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 低等生物中的 rRNA基因中， 28S、 18S、 5S rRNA基因都是串聯(lián)重復的基因家族。高等真核生物中， 28S、 18S、 rRNA基因是串聯(lián)排在一起成一個轉錄單位，然后這個轉錄單位再重復排列成基因簇，每個轉錄單位之間有間隔區(qū)分開。這些真核 rRNA基因均重復 100次以上。 （ a）串聯(lián)重復的基因家族 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 同種的 tRNA基因也是串聯(lián)在一起形成一個基因簇，每個基因之間有非轉錄區(qū)隔開，有的基因有內含子 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 串聯(lián)重復的組蛋白基因家族 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 （ b）分散重復的基因家族 珠蛋白基因由 2個基因家族構成 ,α和 β類 ,分布在不同的染色體上。人類的 α類基因簇 分布在第 16號染色體上，由 5個基因組成基因簇，基因簇總長度 24 kb； β類基因在第 11號染色體上，由 5個有功能的基因和一個假基因組成基因簇，基因簇總長度60 kb。 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 人的 生長激素基因家族 有 3種： 人胎盤促乳素、人生長激素 和 催乳素 ，其中人胎盤促乳素、人生長激素排列在第 17號染色體上，催乳素基因位于第 6號染色體上。 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 （ 3） 基因組中有大量的重復序列 a 非重復序列（單一序列）： b 輕度重復序列 c 中等重復序列 d 高度重復序列 根據(jù)序列重復的次數(shù)不同，重復序列可以分為幾種： 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 a 非重復序列（單一序列）： 基因在基因組中只有一個或幾個拷貝，真核細胞中占 40%70%。真核細胞的大多數(shù)基因是單拷貝的，但是單一序列中只有百分之幾的序列是編碼基因的。而原核基因組中，大多數(shù)的單一序列是編碼基因的。 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 b 輕度重復序列 基因在整個基因組中的拷貝數(shù)在210之間，有的人將其歸入單拷貝序列中。如酵母的 tRNA基因、人和小鼠的珠蛋白基因等。 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 c 中等重復序列 是指長度在 300 bp左右在基因組中約有 10到幾千個拷貝的序列，例如 rRNA和 tRNA基因。 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 有 2個概念用來描述這種中等重復序列的： 基因簇 ： 是指一組相同或相關的基因排列在一起而形成的結構。 基因家族 ：是指由一個祖先基因經(jīng)過重復和變異所產(chǎn)生的一組同源基因。 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 不同的基因家族中成員的數(shù)目不等，功能也各異?；蚣易宓某蓡T有的位于同一條染色體上，串聯(lián)在一起，而有的分散在不同的染色體上。 如果有的成員因為變異而失去了原有的功能，或不能再進行表達形成有功能的產(chǎn)物，則稱為 假基因 。 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 人類的 Alu家族 小鼠的 B序列 在人基因組中 Alu基因家族 是一個中等重復序列，長度在 300bp左右，單倍體基因組中有 30萬份，分散在各染色體上。 在 170 bp處有一個限制性酶切位點 Alu。 基因組中平均每 5 kb出現(xiàn)一次 Alu序列，因此在基因的內含子以及基因附近的序列中有許多。 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 Alu家族的每一個成員都很相似，由 130 bp的串聯(lián)重復組成，常見的是二聚體形式，在右半部分的中部有一個 31 bp的無關序列插在中間。這個插入序列（ IS）來自 7SL（是信號識別蛋白 SRP的一個成分）。 31 bp IS 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 Alu家族的廣泛存在說明其可能具有某種功能，但是目前還不十分了解。 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 在小鼠體中有一種和 Alu序列同源的序列叫做 B1家族，約有 5萬個成員。重復單位為 130 bp，相當于 Alu序列的一個單體，和 Alu序列的同源性為 70%80%。 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 KpnⅠ 家族 是中度重復順序中僅次于 Alu家族的第二大家族。用限制性內切酶 KpnⅠ 消化人類及其它靈長類動物的 DNA，在電泳譜上可以看到 4個不同長度的片段，分別為 , ，這就是所謂的KpnⅠ 家族。 KpnⅠ 家族成員順序比 Alu家族更長（如人 KpnⅠ 順序長 ） ，而且更加不均一，呈散在分布，屬于中度重復順序的 長分散序列 。 KpnⅠ家族的拷貝數(shù)約為 3000－ 4800個，占人體基因組的 1％ 。 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 Hinf家族： 這一家族以 319bp長度的串聯(lián)重復存在于人體基因組中。用限制性內切酶 HinfⅠ 消化人體DNA，可以分離到這一片段。 Hinf家族在單位基因組內約有 50－ 100個拷貝，分散在不同的區(qū)域。319bp單位可以再分成兩個亞單位，分別為 172bp和 147bp,它們之間有 70%的同源性。 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 d 高度重復序列 高度重復是一種簡單的重復序列，有的重復單位不超過 6 bp，但是重復的次數(shù)可以達到幾十萬次之多，故稱為高度重復序列，也叫做 衛(wèi)星 DNA。 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 一般這些序列中的 GC含量與其他的主體 DNA不同（例如小鼠中為 30%，低于其主體 DNA的 42%GC含量）。所以在進行 氯化銫密度梯度超離心 時，這些 DNA由于密度小，會與主體的 DNA帶分開而出現(xiàn)在上面，所以稱為衛(wèi)星 DNA。 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 也有的衛(wèi)星 DNA密度比主體 DNA密度大，出現(xiàn)在主體 DNA的下面。 隱秘的衛(wèi)星DNA是指與主體 DNA的密度類似，使用氯化銫密度梯度超離心不能分開的高度重復序列，但是可以通過其他的方法將其分離出來。 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 人們開始時認為這些高度重復的 DNA序列沒有什么功能。近來發(fā)現(xiàn)與 DNA復制、基因表達的調節(jié)、基因的轉位、減數(shù)分裂時染色體的配對等過程有重要關系。 第 2章 染色質、染色體、基因和基因組 在高度重復序