《chapter2基因概念》PPT課件.ppt

2.7 基因概念的多樣性,一、C值矛盾 （C-value paradox ） 在每一種生物中其單倍體基因組的DNA總量是特異的，被稱為C值 (C Value)。 DNA的長度是根據(jù)堿基對(duì)的多少推算出來的。 各門生物存在著一個(gè)C值范圍，在每一門中隨著生物復(fù)雜性的增加，其基因組大小的最低程度也隨之增加。,2.7 基因概念的多樣性,一、C值矛盾 （C-value paradox ）,基因組的概念,Genome （Winkler, 1920）,Genome = Gene + Chromosome,一個(gè)生物物種單倍型的所有染色體數(shù)目總和,一個(gè)生物物種所有基因的總和,2.7 基因概念的多樣性,一、C值矛盾 （C-value paradox ）,基因組（genome）,核基因組（nucleic genome）,核外基因組（ extranucleic genome ） 線粒體基因組（mitochondrial genome） 葉綠體基因組（chloroplast genome）,2.7 基因概念的多樣性,一、C值矛盾 （C-value paradox ）,基因組（genome）,基因數(shù)目與物種的關(guān)系,基因數(shù)目的多少大致上與物種進(jìn)化的復(fù)雜性相關(guān)； 在高等動(dòng)植物中，巨大的基因組并不意味著有巨量的基因數(shù)目。 人類究竟有多少個(gè)基因？ 理論上：根據(jù)基因組的大小，可具有10萬個(gè)基因， 實(shí)際上：大約34萬個(gè)。 “生物體的復(fù)雜性并不是簡單地與基因數(shù)量相關(guān)聯(lián)的?！?G. Rubin),人類基因組,線粒體基因組(16.6kb),核基因組(3200Mb),基因外序列,基因和基因有關(guān)序列,約10%,約90%,專一或中等重復(fù)序列,Non-coding DNA,假基因,內(nèi)含子,基因片段,10%,90%,專一的或低 拷貝數(shù)序列,中度至高度重復(fù)序列,2030%,7080%,分散重復(fù)序列,串聯(lián)重復(fù)序列/ 成簇重復(fù)序列,約60%,約40%,蛋白編碼 基因,rRNA 基因,tRNA 基因,Coding DNA,C值的資料表明，在不同的門中C值的變化是很大的。 相對(duì)比較簡單的單細(xì)胞真核生物象啤酒酵母，其基因組就有1.75107bp大約是細(xì)菌（E.Coli）基因組的3-4倍。 最簡單的多細(xì)胞生物秀麗隱桿線蟲其基因組有8107bp，大約是酵母的4倍。 生物的復(fù)雜性和其DNA含量之間有較好的相關(guān)性,但在其它的一些門中，這種相關(guān)性有的并不存在 實(shí)際上一個(gè)門中的C值變化并沒有一定的規(guī)律。 例如在哺乳類、鳥類和爬行類的C值變化范圍都很小，而在兩棲類中這種變化范圍增大，而植物的C值變化范圍更為寬廣，常成倍成倍地增加。 C值和生物結(jié)構(gòu)或組成的復(fù)雜性不一致的現(xiàn)象稱為C值矛盾(C-value paradox)。 The C-value paradox describes the lack of relationship between the DNA content (C-value) of an organism and its coding potential.,目前還不能完全解釋這種矛盾： 在一定意義上說，生物類群中C值變化范圍寬就意味著在某些生物中有些DNA是冗余的，不能編碼有功能的活性物質(zhì)。 DNA總量變化范圍的產(chǎn)生至少有一個(gè)原因，即在染色體上存在著不同數(shù)目的重復(fù)順序，這些重復(fù)順序是不表達(dá)的。,二、細(xì)菌的基因組及特點(diǎn) （一）組成：細(xì)菌染色體和質(zhì)粒 （二）細(xì)菌基因組的特征 1. 基因組相對(duì)較?。ㄈ鏓coli,4.6106bp，4000個(gè)基因），只有一個(gè)復(fù)制啟始位點(diǎn)。 2. 具有操縱子結(jié)構(gòu)：功能上相關(guān)的幾個(gè)基因往往在一起組成操縱子結(jié)構(gòu)，即幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起，受它們上游的共同調(diào)控區(qū)控制。當(dāng)基因開放時(shí)，這幾個(gè)基因轉(zhuǎn)錄在一條mRNA鏈上，然后分別翻譯合成各自的蛋白肽鏈。操縱子的末端具有特殊的終止序列。,3. 基因是連續(xù)的：結(jié)構(gòu)基因中沒有內(nèi)含子（intron）成分，在轉(zhuǎn)錄后不需剪接加工，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的壽命較短。 4. 大部分DNA是用于編碼蛋白質(zhì)的，只有一小部分是不翻譯的。不翻譯區(qū)中含有間隔區(qū)（Spacer）和基因表達(dá)的調(diào)控序列。 5. 基因組中僅有少數(shù)基因存在基因重疊現(xiàn)象。 6. 結(jié)構(gòu)基因是單拷貝，rRNA基因是多拷貝。,（三）質(zhì)粒(plasmid),質(zhì)粒: 是細(xì)菌染色體外能夠進(jìn)行自主復(fù)制的遺傳單位 ，是環(huán)狀閉合的雙鏈DNA。 緊密控制型（stringent control）質(zhì)粒:只在細(xì)胞周期的一定階段進(jìn)行復(fù)制，通常每個(gè)細(xì)胞內(nèi)只含有一個(gè)或幾個(gè)質(zhì)粒分子 松弛控制型（relaxed control）質(zhì)粒:在整個(gè)細(xì)胞周期中隨時(shí)可以復(fù)制，在每個(gè)細(xì)胞中有許多拷貝，一般在20個(gè)以上。在細(xì)胞培養(yǎng)過程中，加適當(dāng)氯霉素可使松弛型質(zhì)粒的拷貝數(shù)由原來的20多個(gè)擴(kuò)增至1000-3000個(gè)。,（三）質(zhì)粒(plasmid),質(zhì)?；蚩删幋a多種重要的生物學(xué)性狀： 1)致育質(zhì)粒（F質(zhì)粒）與有性生殖功能關(guān)聯(lián) 2)耐藥性質(zhì)粒 編碼細(xì)菌對(duì)抗菌藥物或重金屬鹽類的耐藥性。分兩類，一是接合性耐藥質(zhì)粒（R質(zhì)粒），另一是非接合耐藥性質(zhì)粒 3)毒力質(zhì)粒（Vi質(zhì)粒） 編碼與該菌致病性有關(guān)的毒力因子 4)細(xì)菌素質(zhì)粒 編碼細(xì)菌產(chǎn)生細(xì)菌素 5)代謝質(zhì)粒 編碼產(chǎn)生相關(guān)的代謝酶。,質(zhì)粒具有自我復(fù)制的能力 質(zhì)粒DNA所編碼的基因產(chǎn)物賦予細(xì)菌某些性狀特征 質(zhì)?？勺孕衼G失與消除 質(zhì)粒的轉(zhuǎn)移性 質(zhì)?？煞譃橄嗳菪耘c不相容性兩種,質(zhì)粒DNA的特征,四、病毒基因組的特點(diǎn) 1每種病毒只有一種核酸，或者DNA，或者RNA 2病毒核酸大小差別很大，3X103一3X106bp 如： 最小的3kb（乙肝），僅編碼4種蛋白質(zhì) 最大的可達(dá)300kb以上（痘病毒 ），有幾百個(gè)基因。一般DNA病毒較大，RNA病毒較小。 3除了反轉(zhuǎn)錄病毒以外，一切病毒基因組都是單倍體，每個(gè)基因在病毒顆粒中只出現(xiàn)一次。反轉(zhuǎn)錄病毒基因組有兩個(gè)拷貝。,4大部份病毒核酸是由一條雙鏈或單鏈分子(RNA或DNA)，僅少數(shù)RNA病毒由幾個(gè)核酸片段組成 5噬菌體（細(xì)胞病毒）的基因是連續(xù)的； 而真核細(xì)胞病毒的基因是不連續(xù)的，具有內(nèi)含子，除了正鏈RNA病毒之外，真核細(xì)胞病毒的基因都是先轉(zhuǎn)錄成mRNA前體，再經(jīng)加工才能切除內(nèi)含子成為成熟的mRNA。 噬菌體基因組中無內(nèi)含子，但感染真核細(xì)胞的病毒基因組中具有內(nèi)含子（SV40早期基因T和t）,6有重疊基因 （同ORF重疊、異ORF重疊和反ORF重疊）,7.大部分DNA用于編碼蛋白質(zhì)，只有一小部分是不翻譯的。不翻譯區(qū)通常是基因表達(dá)的調(diào)控序列 8. 調(diào)控序列可以被宿主細(xì)胞所識(shí)別，其遺傳密碼和基因組的結(jié)構(gòu)必須與宿主體系相匹配,五、真核生物基因組的特點(diǎn) 1. 基因組含有更大的DNA分子，以染色體形式儲(chǔ)存于細(xì)胞核內(nèi)，除配子細(xì)胞外，體細(xì)胞內(nèi)的基因的基因組是雙份的。但應(yīng)注意： （1）并非生物越高等，基因組越大。即并非進(jìn)化的復(fù)雜程度與DNA含量成正比。如某些植物和兩棲類的DNA含量是人的幾十乃至上百倍。 （2）同一類復(fù)雜性差不多，形態(tài)也相似的生物，理論上其基因組也應(yīng)比較接近，其實(shí)不然。如同是兩棲類可相差十倍以上。 （3）基因組中DNA的量遠(yuǎn)大于編碼蛋白質(zhì)所需要的量。,2. 基因組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有多個(gè)復(fù)制啟始位點(diǎn)，但每個(gè)復(fù)制子的長度較小。 3. 基因是不連續(xù)的。 4. 轉(zhuǎn)錄單位一般是單順反子的。即一個(gè)基因一種mRNA一種蛋白質(zhì)，但蛋白質(zhì)的最終產(chǎn)物可因剪接方式的不同而有差異,6. 存在多基因家族和超基因家族,7. 基因類型多樣 8. DNA序列組織的可變性：DNA序列從胚胎到成人并非一成不變。如B細(xì)胞成熟過程中Ig基因結(jié)構(gòu)的重排及TCR基因在分化過程中的重排,5. 存在重復(fù)序列(repetitive sequence),五、真核生物基因組的特點(diǎn),Genetics與 Genomics,水生動(dòng)物基因組:,對(duì)1600多種魚類及其他少數(shù)水產(chǎn)動(dòng)物研究表明: 水生動(dòng)物基因組大小差異很大: 多數(shù)魚類/甲殼類單倍體染色體數(shù)為2025, 相當(dāng)于人類基因組大小的50%-70% 鯉科和鮭科某些魚類達(dá)100條染色體(四倍體化) 斑馬魚的基因組研究中,構(gòu)建了多個(gè)基因圖譜 斑馬魚的基因組測序已經(jīng)完成,水生動(dòng)物基因組:,水生動(dòng)物基因組:,Zebrafish The Zebrafish Information Network Well conceived, easily navigated trove of zebrafish info The Interactive Atlas of Zebrafish Vascular Anatomy Extraordinary developmental-biology site, featured in Sciences NetWatch column, offering views of “the complete vascular anatomy of the developing zebrafish.“ WashU-Zebrafish Genome Resources Project,水生動(dòng)物基因組:,美國農(nóng)業(yè)部在上世紀(jì) 90 年代初已開始資助個(gè)別水產(chǎn) 養(yǎng)殖動(dòng)物的基因組研究 并在1997 年9 月正式啟動(dòng)了較為全面的水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物的基因組計(jì)劃 選5 種水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物 斑點(diǎn)叉尾 ( Ictalurus punctatus) 虹鱒( Onchorhynchus mykiss) 羅非魚( Oreochromis niloticus) 太平洋對(duì)蝦( Penaeus vannamei ) 牡蠣( Crassostrea gigas),水生動(dòng)物基因組:,我國特有的養(yǎng)殖對(duì)象如 鯉、草魚( Ctenopharyngodon idellus ) 鰱和鳙( Aristichthysnobilis) 等的基因組要由中國自己來完成 我國水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物的基因組研究對(duì)象多數(shù)將是我國特有的養(yǎng)殖種類,難以直接從發(fā)達(dá)國家的同類研究中獲得可借鑒的資源,水生動(dòng)物基因組:,鯉魚:100條染色體 我國學(xué)者已經(jīng)建立了50多個(gè)連鎖群,覆蓋5789cM 基因組,水生動(dòng)物基因組:,對(duì)羽管狀海洋生物佛羅里達(dá)文昌魚（Branchiostomafloridae）基因組的最新分析表明，5.5億年以來進(jìn)化進(jìn)程中脊椎動(dòng)物比原始祖先的基因組多出四倍的拷貝量，對(duì)文昌魚的基因組分析為此結(jié)論提供了證據(jù)。,2008年6月19日, Nature 上發(fā)表了文昌魚的基因組序列,線蟲基因組 果蠅基因組 小鼠基因組 大鼠基因組 人類基因組 ?；蚪M 豬基因組 綿羊基因組 家蠶基因組 家雞基因組 狗基因組,/,結(jié)構(gòu)基因組學(xué),基因組研究的第一階段工作，功能基因組學(xué)的基礎(chǔ)；,其主要目標(biāo)是繪制生物的遺傳圖、物理圖、轉(zhuǎn)錄圖和序列圖。,各基因或DNA標(biāo)記之間精確距離的圖譜； 反映的是DNA序列上兩點(diǎn)之間的實(shí)際距離,物理圖譜（physical map） 繪制,物理圖譜方法：原位雜交（In situ hybridization）,原理： DNA標(biāo)記探針與染色體同源位置雜交結(jié)合，經(jīng)同位素自顯影或熒光顯微鏡可顯示出相應(yīng)雜交部位。,遺傳圖譜（genetic map） 繪制 稱連鎖圖譜（linkage map），基因或DNA標(biāo)記之間連鎖關(guān)系和染色體定位圖譜； 利用兩點(diǎn)的重組程度，反映兩點(diǎn)之間連鎖關(guān)系。,豬12號(hào)染色體的物理圖譜,遺傳圖譜與物理圖譜的區(qū)別,基因排列順序一致 位置并不一一對(duì)應(yīng),基因表達(dá)譜（gene expression profile）,處于某一特定狀態(tài)下的細(xì)胞或組織cDNA文庫，收集cDNA序列片段，定性、定量分析其mRNA群體組成，描繪出該特定細(xì)胞或組織在特定狀態(tài)下基因表達(dá)種類（ESTs）和豐度信息。由此編制成的數(shù)據(jù)表稱為基因表達(dá)譜。,從分子水平反映細(xì)胞或組織特異性表型和表達(dá)模式,序列圖（Sequence map）,通過基因組測序得到的堿基排列次序。 基因組計(jì)劃的最終目標(biāo)。,六、基因類型的多樣性,(一) 重疊基因 (overlapping gene) A gene whose sequence overlaps that of another gene in the same or a different reading frame. 指在同一段DNA順序上，由于閱讀框架不同或終止早晚不同，同時(shí)編碼兩個(gè)以上基因的現(xiàn)象,重疊基因的發(fā)現(xiàn) 重疊基因是1977年Sanger在研究X174時(shí)發(fā)現(xiàn)的。 X174是一種單鏈DNA病毒，宿主為大腸桿菌，因此，又是噬菌體。,X174感染大腸桿菌后共合成11個(gè)蛋白質(zhì)分子，總分子量為25萬左右，相當(dāng)于6078個(gè)核苷酸所容納的信息量。 而該病毒DNA本身只有5375個(gè)核苷酸，最多能編碼總分子量為20萬的蛋白質(zhì)分子， Sanger在弄清X174的11個(gè)基因中有些是重疊的之前,這樣一個(gè)矛盾長時(shí)間無法解決。,重疊方式: （1）一個(gè)基因完全在另一個(gè)基因里面。如基因和是兩個(gè)不同基因，而包含在基因內(nèi)。同樣，基因在基因內(nèi)。 （2）部分重疊。這些重疊的基因具有不同的讀碼框架 （3）兩個(gè)基因只有一個(gè)堿基重疊。如基因的終止密碼子的最后一個(gè)堿基是基因起始密碼子的第一個(gè)堿基 (如TAATG)。,How overlapping genes can operate: Transcriptase looks for any “AUG“ start codons:,b. It begins reading there and in triplet reading frames from thereafter until it reaches one of the “stop“ codons.,這些重疊基因盡管它們的DNA大部分相同， 但是由于將mRNA翻譯成蛋白質(zhì)時(shí)的讀框不一樣 產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子往往并不相同。,有些重疊基因讀框相同，只是起始部位不同 如SV40DNA基因組中，編碼三個(gè)外殼蛋白VP1、VP2、VP3基因之間有122個(gè)堿基的重疊 但密碼子的讀框不一樣 而小t抗原完全在大T抗原基因里面，它們有共同的起始密碼子。,同向重疊基因 : 重疊基因分布在同一DNA區(qū)域的同一單鏈上,A,B,重疊基因種類,反向重疊基因: 重疊基因分布在同一DNA區(qū)域的不同單鏈上,Overlapping gene structure of human VLCAD and DLG4 Gene Vol 305, 2, 2003, Pages 161-166 During analysis of the VLCAD promoter, we discovered that another gene, discs-large-related 4 (DLG4), overlaps VLCAD and is transcribed in the opposite direction.,A high frequency of overlapping gene expression in compacted eukaryotic genomes PNAS , August 2, 2005 vol. 102 no. 31:10936-41,真核生物中的重疊基因,Makalowska I, Lin CF, Hernandez K. Birth and death of gene overlaps in vertebrates. BMC Evol Biol. 2007 Oct 16;7(1):193,重疊基因的生物學(xué)意義,基因的重疊性使有限的DNA序列包含了更多的遺傳信息，是生物對(duì)它的遺傳物質(zhì)經(jīng)濟(jì)而合理的利用。 豐富和發(fā)展了基因的概念,重復(fù)基因,即在基因組中有多個(gè)拷貝的基因 在真核生物基因組中發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象，真核生物中的重復(fù)基因可以達(dá)到30% 重復(fù)基因主要是為了滿足生物體快速發(fā)育的需要。 當(dāng)基因產(chǎn)物的需求量很大時(shí)，一個(gè)基因可以產(chǎn)生大量的串聯(lián)重復(fù),If eukaryotic DNA is melted and allowed to re-anneal, it does so in 3 distinct phases The explanation is that there is highly repetitive DNA (which re-anneals quickly) moderately repetitive DNA (intermediate) and unique or single copy DNA (re-anneals slowly),Unique and repeated DNA,DNA melting,第一部分：快速復(fù)性部分，占基因組DNA摩爾分?jǐn)?shù)的25，在Cot值10-4-210-2范圍內(nèi)復(fù)性,第二部分：中速復(fù)性部分，占基因組DNA摩爾分?jǐn)?shù)的30，在Cot值0.2-102范圍內(nèi)復(fù)性,第三部分：慢速復(fù)性部分，占基因組DNA摩爾分?jǐn)?shù)的45，在Cot值80-104范圍內(nèi)復(fù)性,C0t1/2（任何基因組DNA） 任何基因組DNA的復(fù)雜性 - = - C0t1/2（大腸桿菌DNA） 4.2X106bp 任何基因組DNA的復(fù)雜性 4.2X106bp C0t1/2（任何基因組DNA） = - C0t1/2（大腸桿菌DNA）,重復(fù)序列分類,1）高度重復(fù)序列（105次） （1）衛(wèi)星DNA： 根據(jù)長度可將其分為3類 衛(wèi)星（satellite）DNA： 重復(fù)長度5-10bp，其在人群中多態(tài)性不強(qiáng)。,重復(fù)序列分類,衛(wèi)星DNA(Satellite),CsCl超高速離心,小衛(wèi)星DNA (minisatellite) 或不同數(shù)目的串聯(lián)重復(fù) (VNTR,variable number of tandem repeats) ： 重復(fù)長度15-70bp，其在人群中有高度的特異性。 DNA指紋,DNA fingerprinting,An application of repeated DNA sequences found in mammalian genomes Highly variable between individuals No 2 people are the same, except identical twins,微衛(wèi)星DNA（簡單串聯(lián)重復(fù)序列）：（ microsatellite DNA，又稱為STR short tandem repeat 短串聯(lián)重復(fù)序列）,微衛(wèi)星DNA 由于核心序列重復(fù)數(shù)目的變化而在群體中呈現(xiàn)出遺傳多態(tài)性 但在同一家系內(nèi)具有高度的遺傳保守性，以孟德爾方式遺傳 散布于整個(gè)基因組中。,微衛(wèi)星DNA,高度重復(fù)順序的功能: a.參與復(fù)制水平的調(diào)節(jié)。 b.參與基因表達(dá)的調(diào)控 c.參與轉(zhuǎn)位作用 d.與進(jìn)化有關(guān) e. DNA指紋 f.衛(wèi)星DNA成簇的分布在染色體著絲粒附近，可能與染色體減數(shù)分裂時(shí)染色體配對(duì)有關(guān),微衛(wèi)星DNA的應(yīng)用 遺傳作圖: 例如: 魚類微衛(wèi)星DNA 的分離在過去幾年中進(jìn)展很快,在羅非魚的人工雌核發(fā)育個(gè)體中,已用微衛(wèi)星DNA 標(biāo)記檢測到父本精子小片段遺傳物質(zhì)整合的影響 應(yīng)用微衛(wèi)星和AFLP 指紋技術(shù)構(gòu)建了尼羅羅非魚包含全部22 條染色體的遺傳連鎖圖(Kocher 等,1998) 系譜確證 遺傳多樣性估計(jì) 標(biāo)記輔助選擇,2) 中度重復(fù)序列 ( middle repetitive sequence ),0.1-1 Kb / copy,10-104 copies / genome,C0t(1/2) 0.001 - 0.1,rDNA tDNA Alu family Histone gene cluster,多基因家族（multigene family）：亦稱基因家族。是指一組具有類似功能，核苷酸序列又有同源性的基因。 分類： 按基因的終產(chǎn)物分為兩類：一類編碼RNA，另一類編碼蛋白質(zhì)。 按在基因組中的分布分為兩類：一類串聯(lián)排列在一起，形成基因簇，亦稱串聯(lián)重復(fù)基因。另一類家族成員則可以分散在不同的部位上。 （2）超基因家族（supergene family）：由多基因家族及單基因組成的更大的基因家族。成員間有不同程度的同源，但它們的功能并不相似，這是與多基因家族的差別所在。如Ig超家族。,rDNA gene family,Histone gene family,Alu家族：平均每6kb就有一個(gè)， Alu家族是哺乳動(dòng)物包括人基因組中含量最豐富的一種中度重復(fù)順序家族，在單倍體人基因組中重復(fù)達(dá)30萬-50萬次，約占人基因組的3-6。 Alu家族每個(gè)成員的長度約300bp，由于每個(gè)單位長度中有一個(gè)限制性內(nèi)切酶Alu的切點(diǎn)（AGCT）從而將其切成長130和170bp的兩段，因而定名為Alu序列（或Alu家族）,真核生物的 Alu family,30,0000 copies 廣泛分布于非重復(fù)序列間,300bp,300bp,300bp,6000bp,6000bp,6000bp,6000bp,Alu家族： Alu順序具有種的特異性，功能尚不清楚。 可能在hnRNA轉(zhuǎn)錄和加工中起作用 遺傳重組及染色體不穩(wěn)定性有關(guān) 人類質(zhì)粒（human plasmid）:最近發(fā)現(xiàn)在人的組織細(xì)胞中存在自然發(fā)生的染色體外雙鏈環(huán)狀DAN，被稱為人類質(zhì)粒，而這些質(zhì)粒又毫無例外地含有Alu順序 形成Z-DNA,heterogeneous nuclear RNA ,核內(nèi)不均一RNA hnRNA是mRNA的未成熟前體,Kpn家族：人類和靈長類DNA經(jīng)Kpn酶解后，產(chǎn)生4個(gè)片段（1.2、1.5、1.8、1.9kb），這些就被命名為Kpn家族。人類基因組中的Kpn序列約在3-6%，也是散在分布的。功能尚不清楚。,組蛋白基因 在各種生物體內(nèi)重復(fù)的次數(shù)不一樣，但都在中度重復(fù)的范圍內(nèi)。 通常每種組蛋白的基因在同一種生物中拷貝數(shù)是相同的。 雞的基因組中組蛋白基因有10個(gè)拷貝，在哺乳動(dòng)物中為20拷貝，非洲爪蟾為40拷貝，而海膽的每種組蛋白的基因達(dá)300-600拷貝。,組蛋白基因,組蛋白基因 不同物種中，基因的排列次序、轉(zhuǎn)錄方向和間隔區(qū)都不同。,倒位（反向）重復(fù)序列 又稱零時(shí)復(fù)性部分，重復(fù)單位約長300bp，兩個(gè)單位之間有一平均1.6kb的片段相隔，多數(shù)散布于基因組中。 較復(fù)雜的重復(fù)單位組成的重復(fù)順序 靈長類所獨(dú)有，用Hind消化非洲綠猴DNA，可以得到重復(fù)單位為172bp的高度重復(fù)順序，這種順序大部份由交替變化的嘌呤和嘧啶組成，又稱為衛(wèi)星DNA。,Structure of repetitive sequence of DNA,DR direct repeats,IR Inverted repeats,重復(fù)序列形成的原因 1.不均等交換(unequal crossover): 考慮一個(gè)具有末端“X”和“Y”的由重復(fù)單位“ab”組成的序列。這兩個(gè)“等位”序列之間的準(zhǔn)確排列將是: xababababababababababababababababy xababababababababababababababababy 但是在一條染色體上的任何ab很可能會(huì)與另一條染色體上的任何ab 序列配對(duì)，從而產(chǎn)生錯(cuò)排，如： xababababababababababababababababy xababababababababababababababababy,2. 跳躍復(fù)制 saltatory replication 產(chǎn)生某些序列大量拷貝的偶然單向擴(kuò)增 原理: 在某一特定時(shí)刻可能由于某種原因使一個(gè)DNA序列突然橫向擴(kuò)增 隨后,由于突變的積累,使個(gè)重復(fù)單位失去了同一性, 然后再經(jīng)歷一次跳躍復(fù)制,出現(xiàn)更長的重復(fù)單位, .,2. 跳躍復(fù)制 saltatory replication,3) 滾環(huán)擴(kuò)增突變 ( Amplification-Mutation ),Mutation insertion,cycling amplification,5,切離 環(huán)化,3,3,3,滾環(huán) 復(fù)制,4) 反轉(zhuǎn)座插入,3. 不連續(xù)基因(interrupted or discontinous genes) 斷裂基因(Split gene) 在基因編碼蛋白質(zhì)的序列中插入與蛋白質(zhì)編碼無關(guān)的DNA間隔區(qū)，使一個(gè)基因分隔成不連續(xù)的若干區(qū)段。,Richard J. Roberts Phillip A. Sharp Nobel Prize 1993,1977年美國的Sharp和Roberts兩組科學(xué)家分別同時(shí)發(fā)現(xiàn)了斷裂基因(split gene), Crick稱此為分子遺傳學(xué)上的一次微型革命，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)與1993年榮獲了諾貝爾獎(jiǎng)。,a) E.coli restriction alien DNA with restriction endonuclease (RE),b) Modification enzyme in host,c) Alien DNA fate of be restricted or be modified,d) There are different RE in different host of bacterial,Werner Arber Nobel Prize 1978,限制性核酸內(nèi)切酶的發(fā)現(xiàn) 1965,限制性核酸內(nèi)切酶,在Sharp和Roberts發(fā)現(xiàn)內(nèi)含子之前 法國的科學(xué)家 Chambon 也率領(lǐng)一個(gè)小組進(jìn)行了有關(guān)實(shí)驗(yàn): 雞的輸卵管分泌卵清蛋白、卵粘蛋白和伴清蛋白，而其紅細(xì)胞（鳥類的紅細(xì)胞上有核的）只合成血紅蛋白，那么兩種組織之間DNA有什么不同呢？ 于是他們提取兩種組織的DNA，分別用酶（EcoR1和HindIII）切成幾段，走電泳，再用卵清蛋白mRNA來制備cDNA探針和以上兩片進(jìn)行southern雜交 結(jié)果兩種組織中的DNA不論用哪一種酶來切，都出現(xiàn)了相同的多條陽性雜交帶。,cDNA順序內(nèi)并沒有EcoRI和Hind = 3 * ROMAN III的切點(diǎn)，為什么會(huì)出現(xiàn)多條陽性帶,Berget，Sharp小組和Roberts小組同時(shí)發(fā)現(xiàn)了腺病毒外殼蛋白六聚體基因（Hexon gene ） 前導(dǎo)區(qū)有斷裂現(xiàn)象。他們用限制性內(nèi)切酶EcoRI和Hind = 3 * ROMAN III分別消解腺病毒的DNA 得到了大小不同的很多片段 分別選擇兩種酶切片段中的最大的A片段DNA和Hexon的mRNA進(jìn)行雜交 在電鏡下可以觀察到EcoRI酶切的A片段的3段可以和上述mRNA形成雜合雙鏈 但在雜合雙鏈的5端逸出3個(gè)單鏈DNA環(huán)，說明它們不能和mDNA完全互補(bǔ),外顯子（exon），外元 編碼的DNA序列，即被表達(dá)的DNA區(qū)段 內(nèi)含子（intron），內(nèi)元 不編碼的DNA序列,Gilbert （1978年）提出內(nèi)含子、外顯子概念,Berget在冷泉港作了有關(guān)發(fā)現(xiàn)斷裂基因的學(xué)術(shù)報(bào)告，提出在Hexon基因內(nèi)近5端有不編碼的部分 Chambon聽了報(bào)告后便意識(shí)到，他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也是可以用斷裂基因來解釋的: 即卵清蛋白的基因上可能有多個(gè)斷裂區(qū)（內(nèi)含子） 在這些斷裂區(qū)上有酶切位點(diǎn)的存在，可將卵清蛋白基因切成大小不同的片段，但它們都可以和mRNA進(jìn)行雜交 事后Chambon(1977,1981)等用Berget的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了分子雜交，果然出現(xiàn)了7個(gè)單鏈DNA的環(huán),斷裂基因的結(jié)構(gòu),成熟mRNA或cDNA與對(duì)應(yīng)單鏈DNA雜交,Total DNA of chicken cDNA,Chambon was inspired by Bergets report Berget, S. M., C. Moore, and P. Sharp. 1977. PNAS 74; 3171-3175,用S1核酶處理異源雙鏈分子,核酸酶能專一降解未配對(duì)的單鏈核苷酸，在RNA-DNA異源雙鏈分子中，外顯子形成雙鏈而保留，內(nèi)含子仍為單鏈被降解.,內(nèi)含子是如何來的？ 內(nèi)含子的存在究竟有何意義？ 它擔(dān)負(fù)著什么樣的功能？ 內(nèi)含子又何以能在一些真核生物中非常廣泛地分布呢？,內(nèi)含子的特點(diǎn): 1. 內(nèi)含子和外顯子的分布 真核基因一般都含有內(nèi)含子，也有少數(shù)基因不含內(nèi)含子，如組蛋白基因，干擾素基因，酵母的多數(shù)蛋白質(zhì)基因 1986年Chu F.K等發(fā)現(xiàn)T4噬菌體的胸苷合成酶基因也含有內(nèi)含子 此外猿猴病毒SV40的T和t蛋白的基因中也含有長度不等的內(nèi)含子,內(nèi)含子的特點(diǎn): 1. 內(nèi)含子和外顯子的分布 不同的基因其內(nèi)含子的大小不相同 有的基因內(nèi)含子少，如珠蛋白基因只有2個(gè)內(nèi)含子， 有的基因內(nèi)含子很多，如雞的膠原蛋白（1a2）蛋白基因含有50個(gè)外顯子,Exon content vs. length,人類基因組計(jì)劃,Exon content vs. length,Exon content vs. length,內(nèi)含子的特點(diǎn): 2. 內(nèi)含子的相對(duì)性,內(nèi)含子是相對(duì)的，一個(gè)基因的內(nèi)含子可能是另一個(gè)基因的外顯子,內(nèi)含子種類: I: 內(nèi)含子可自我剪接,不需任何蛋白質(zhì)參與,需鳥苷參與 II: 內(nèi)含子的剪接需要蛋白酶的參與，如tRNA III: 內(nèi)含子的剪接需形成剪接體的形式，除各種蛋白因子外還需各種snRNP的參與,如: I類內(nèi)含子包括四膜蟲rRNA的內(nèi)含子，幾種酵母線粒體的內(nèi)含子，噬菌體T4胸苷酸合成酶的內(nèi)含子等。,內(nèi)含子自1977年被發(fā)現(xiàn)以來，逐漸被明確地定義為： 基因中間插著的若干段序列，在RNA轉(zhuǎn)錄物水平上經(jīng)剪接除去，不參與該基因在蛋白質(zhì)水平上的表達(dá)。,內(nèi)含子起源的兩種學(xué)說: ，“內(nèi)含子存在(Introns early)”模型: 內(nèi)含子與它所在的基因一樣古老，在裝配第一個(gè)這樣的基因時(shí)，內(nèi)含子就已存在 早期的內(nèi)含子具有自催化、自我復(fù)制等能力，因此，它們是原始基因和基因組的組織與復(fù)制必不可少的部分 而今天的原核生物和少數(shù)低等的真核生物，由于它們需要進(jìn)行快速的DNA復(fù)制從而進(jìn)行快速的細(xì)胞分裂，因而失去了內(nèi)含子,現(xiàn)代的內(nèi)含子是一類進(jìn)化遺跡，它們之所以能繼續(xù)存在，是因?yàn)榫哂兄匦陆M合基因組中的外顯子以形成新的基因的能力，即內(nèi)含子能賦予其攜帶者更大的進(jìn)化潛力。,