《生物第六章》PPT课件.ppt

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1、 第 六 章 真 核 生 物 的 遗 传 分 析n 基 因 组 ( genome )是 指 一 个 细 胞 中 遗 传 物 质 的 总 量 。n 核 型 （ Karyotype） n C值 （ C value）n 原 核 基 因 组 含 有 大 量 单 一 顺 序 （ unique-sequences） ，仅 有 少 量 的 重 复 顺 序 。 真 核 基 因 组 含 少 量 单 一 顺 序 和 大 量 重 复 顺 序 。n 原 核 生 物 的 细 胞 中 除 了 主 染 色 体 以 外 ， 还 含 有 各 种质 粒 和 转 座 因 子 。n 真 核 生 物 除 了 核 染 色 体 以 外 ，

2、 还 存 在 细 胞 器 DNA。 第 一 节 原 核 生 物 基 因 组 的 结 构 特点n E.coli 2.4 109 Da， 42000 Kb（ 1300微 米 ） ， 闭 合 环 状 ， 约 编 码 2000个 基 因 。n 类 核 （ nucleoid） 。 支 架 (scafford） 100个 DNA环 组 成 ， 每 个 环 长 40Kb， 13微 米 。 每 200bp就 有 一 个 负 超 螺 旋 （ =0.05） ,即 基 因 组 中 含 5%的 负 超 螺 旋 。 n 超 螺 旋 以 两 种 状 态 存 在 ： （ 1） 自 由 状 态 的 超 螺 旋 ， 可 在 环

3、 内 传 递 张 力 。 （ 2） 超 螺 旋 受 到 束 缚 ， 不 能 传 递 张 力 。 一 类 核的 结 构 表10-1 E.coli含有的各种DNA结合蛋白蛋白结构功能含量/每细胞相当于其核蛋白基因HU 和亚基，每个9KD使DNA压缩、类核凝聚，刺激复制，和1HF有关4万个二聚体H2B h u pA.BH两个相同亚基，各28KD促使双链的互补、复性3万个二聚体H2A？IHF ：10.5KD；：9.5KD有助于att位点配对重组？h i mA.D.H1(H-NS) 15KD亚基和DNA结合，与DNA拓扑结构有关1万？osZbglY pilGHLP1 17KD单体？2万？firAP 3K

4、D亚基？鱼精蛋白(DNA结合蛋白)？ 二 重 叠 基 因 (overlapping gene) n 莲 人 在 绿 杨 津 采 一 玉 漱 声 歌 新 阙 n采 莲 人 在 绿 杨 津 ， 在 绿 杨 津 一 阙 新 ； 一 阙 新 歌 声 漱 玉 ， 歌 声 漱 玉 采 莲 人 。 n 1977年 Sanger首 先 发 现 重 叠 基 因n 他 对 单 链 环 状 的 噬 菌 体 X174进 行 了 测 序 。 5386Nt 11 基 因 ， 3个 转 录 单 位 ， 由 3个 启动 子 （ pA,pB,pD） 启 动 。n X174含 有 的 5386Nt最 多 能 编 码 1795个

5、氨基 酸 ， 若 每 个 氨 基 酸 的 平 均 分 子 量 为 110，则 总 的 蛋 白 质 分 子 量 为 197,000Da， 但 实 际蛋 白 质 总 分 子 量 却 为 262,000D。n 将 全 部 DNA顺 序 和 蛋 白 质 的 氨 基 酸 顺 序 进行 比 较 ， 发 现 了 重 叠 基 因 重 复 基 因 O verlapping G enes 三 质 粒 (plasmid) 1 抗 性 质 粒 （ Resistance （ R） plasmids） :2. 致 育 因 子 （ Fertility （ F） plasmids）3. Col质 粒 ： 有 编 码 大 肠

6、杆 菌 素 （ colicins） 基 因 。4. 降 解 质 粒 (degradative plasmids)。 这 种 质 粒 编 码 一 种 特 殊 蛋 白 ， 可 使 宿 主 菌 代 谢 特 殊 的 分 子 ， 如 甲 苯 或 水 杨 酸 。5. 侵 入 性 质 粒 (virulence plasmids)。 这 些 质 。 如 Ti 质 粒 ， 此 是 在 根 癌 农 杆 菌 (Agrobacterium tumefaciens)中 发 现 的 第 二 节 真 核 基 因 组 的 复 杂 性 n 分 子 量 约 为 3 1012道 尔 顿n 长 度 为 2 106Kb，n 形 态 为

7、 线 状 ，n 约 编 码 10万 个 以 下 的 基 因 。n 人 类 细 胞 在 二 倍 体 的 核 中 DNA长 约 30亿 个 碱 基 对n 估 计 编 码 3万 个 基 因 ，n 每 条 染 色 体 含 碱 基 8千 万 至 3亿 不 等 。n 现 已 有 5千 个 基 因 被 编 目 ， 1900个 基 因 已 进 行 了染 色 体 定 位 ， 600个 已 被 克 隆 分 离 出 来 。 n 若 将 一 个 细 胞 中 每 条 染 色 体 的 DNA首 尾 彼 此 相 接 ，全 长 约 200cm。 n Renato Dulbecco于 1986年 首 先 提 出 了“ 人 类

8、基 因 组 计 划 ” ， 原 计 划 约 10-15年完 成 ， 耗 资 30亿 美 元 ， 其 宏 伟 的 程 度 堪 与Manhatto原 子 弹 计 划 和 Appolo登 月 计 划 相提 并 论 。 1990年 开 始 实 施n 1999 破 译 出 人 类 第 22号 染 色 体 的 遗 传 密 码 。n 2000 完 成 了 人 类 第 21号 染 色 体 的 测 序 。n 预 计 从 原 定 的 2003年 6月 提 前 到 2001年 6月完 成 。n 2000年 6月 26日 美 ， 英 ,日 ， 德 ， 法 ， 中 六国 共 同 宣 布 人 类 基 因 组 工 作 草

9、图 绘 制 成 功 。 n 2000年 n 3月 塞 莱 拉 公 司 宣 布 完 成 了 果 蝇 的 基 因 组 测序 。n 12月 14日 英 美 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 一 种 植 物 的 基 因 序 列 。n 2001年 :1、 2月 ， HGP和 美 国 塞 莱 拉（ Sequencing） 公 司 将 各 自 测 定 的 人 类 基因 组 工 作 框 架 图 分 别 发 表 在 Nature和 Science 上 ， 这 表 明 人 类 基 因 组 计 划（ HGP） 进 入 了 一 个

10、展 新 的 阶 段 。 n 2000,4,5:以 杨 焕 明 为 首 的 中 国 科 学 家 在Science发 表 了 水 稻 全 基 因 组 框 架 序 列 图 。n 基 因 总 数 ： 4602255615， 约 为 人 类 的 2倍 ；n 其 中 10000个 基 因 的 功 能 已 确 定 ；n 水 稻 的 “ 垃 圾 ” 序 列 多 位 于 基 因 外 ， 人 类的 “ 垃 圾 ” 序 列 多 位 于 基 因 内 ；n 水 稻 的 基 因 平 均 长 度 为 4500bp,人 类 基 因 平均 长 度 为 72000bp,n 拟 南 芥 约 有 25000个 基 因 ， 80%在

11、水 稻 中 都存 在 ， 二 者 之 间 有 关 信 号 传 导 的 基 因 差 别最 大 第 三 节 单 一 顺 序 和 重 复 顺 序一 . 单 一 顺 序 (Unique sequence )二 . 重 复 顺 序 短 片 段 的 重 复 顺 序 可 分 为 三 种 类 型 ：（ 1） 正 向 重 复 (direct repeats)又 叫 顺 向 重 复 ；（ 2） 反 向 重 复 (inverted repeats) ；（ 3） 回 文 顺 序 (Palindromic sequence) 5 GTGAGCTCAC 3 3 CACTCGAGTG 5 画上荷花和尚画书临汉字翰林书 三

12、. 轻 度 重 复 顺 序 和 中 度 重 复 顺 序n 轻 度 重 复 顺 序 在 基 因 组 中 含 有 2-10拷 贝 ， 酵 母 tRNA基 因 、 人 和 小 鼠 的 珠 蛋 白 基 因 等 。n 中 度 重 复 顺 序 长 约 300bp 基 因 组 中 约 有 10-几 千 个 拷 贝 的 顺 序 如 rRNA和 tRNA基 因 tRNA基 因 一 般 都 分 布 于 基 因 组 中 ， 而rRNA常 集 中 分 布 于 核 仁 形 成 区 。 n NTS NTS TS 18s TS 5.8s TS 28s TS 图 10.29 非 洲 爪 蟾 rRNA基 因 的 串 联 重 复

13、 排 列 TS： 可 转 录 的 间 隔 (spacer)顺 序 NTS： 不 可 转 录 的 间 隔 顺 序 H1 H4 H2B H3 H2A海 胆 (R) 6000bp 海 胆 (S) 6540bp 海 胆 (L) 7240bp H1 H3 H4 H2A H2B果 蝇 4800bp H1 H3 H2B H2A H4蝾 螈 9000bp 图 10-31 组 蛋 白 基 因 簇 的 重 复 单 位 图 例 ： 基 因 ； 间 隔 区 ； 转 录 方 向 2 1 G A 图 10-30 人 类 血 红 蛋 白 的 和 基 因 簇 晚 期 胚 早 期 胚 成 体 ho h1 h2 h3 1maj

14、2min 小 鼠 4 3 1 兔 H 鸡 kb 60 50 40 30 20 10 0 图 10-32 脊 椎 动 物 中 的 -珠 蛋 白 基 因 簇 和 假 基 因 四 Alu家 族 n 长 约 300bp； Alu顺 序 也 称 为 短 的 分 散 因 子 （ short interspersed elements, SINEs） 。n 由 RNA多 聚 酶 III转 录 的 。n 在 基 因 组 中 30 万 个 拷 贝 ；n 在 170bp处 有 一 AluI 的 酶 切 位 点 ；n 由 两 个 130bp的 串 联 重 复 顺 序 组 成 ；n 在 二 聚 体 的 右 半 部 有

15、 31bp插 入 序 列 ， 此 插 入 顺 序 来 自 7SL RNA。 Alu顺 序 有 何 应 用 价 值 ？ n AluIn 30bpn Alu序 列 五 . 高 度 重 复 顺 序 n 卫 星 DNA (satellite DNA) n 隐 蔽 卫 星 DNA(cryptic satellite) 自 私 DNA（ selfish DNA） 伊 甸 园 DNA (Garden of Eden DNA）n 小 卫 星 (minisatellite ) n 重 复 序 列 可 变 数 （ variable number tandem repeat VNTRs）n DNA指 纹 （ DNA

16、 fingerprints） 人 类 VNTRs的 第 一 个 探 针n 1985年 由 Alec Jeffries制 备 n 在 肌 红 蛋 白 基 因 的 第 一 个 内 含 子 中n 分 离 出 132bp的 重 复 顺 序n 内 含 4个 长 33bp的 重 复 单 位n 内 有 13bp为 核 心 顺 序n （ GGAGGTGGGCAGG） L1 家 族n 长 6500bp左 右n 称 为 长 的 分 散 因 子 （ long interspersed elements, LINEs）n 在 基 因 组 中 约 6万 个 拷 贝n 由 RNA多 聚 酶 II转 录 的 。n 属 于

17、一 种 转 座 因 子 着 丝 粒 基 因 LINE 基 因 VNTR 基 因 SINEs 基 因 VNTR LINE rDNA 核 仁 形 成 区 图 10 37(a)真 核 生 物 染 色 体 上 的 各 种 重 复 顺 序 和 结 构 元 件 5前 导 顺 序 ， 3拖 尾 顺 序 非 编 码 顺 序 因 突 变 而 失 去 功 能 基 因 和 ( 90%) 假 基 因 基 因 相 加 工 假 基 因 关 顺 序 编 码 顺 序 基 因 片 断 (丢 失 了 5和 3端 顺 序 ， 不 能 表 达 的 基 因 ) (20 30 ) ( 10%) 短 分 散 顺 序 (SINEs) 如 A

18、lu 顺 序 人 类 基 因 组 分 散 的 重 复 顺 序(3 109bp) 中 度 /高 度 (40%) 长 分 散 顺 序 (LINEs) 基 因 以 重 复 顺 序 卫 星 DNA(长 100 5000kb) 外 非 编 (20 30 ) 成 簇 的 重 复 顺 序 小 卫 星 DNA(长 100bp 20kb,VNTRs) 码 顺 序 (60%) 微 卫 星 DNA(4bp,CA 重 复 ) (70-80%) 单 一 /低 度 重 复 顺 序 (70 80 ) 图 10 37（ b） 人 类 基 因 组 的 序 列 n 基 因 簇 （ gene cluster）n 基 因 家 族 （

19、 gene family）n 假 基 因 （ pseudogene）n 加 工 假 基 因 （ processed pseudogenes） 。 有 以 下 的 特 点 ： 缺 少 正 常 的 内 含 子 ； 3末 端 有 多 聚 腺 苷 酸 ； 5端 的 结 构 和 mRNA的 5端 十 分 相 似 ； 两 侧 有 顺 向 重 复 顺 序 的 存 在 。 对 以 上 特 点 作 何 推 论 ？ n 因 此 人 们 推 测 它 似 乎 和 mRNA一 样 经 过 了 转 录 后加 工 ， 因 此 也 称 其 为 加 工 假 基 因 ； 第 四 节 C 值 矛 盾n C值 矛 盾 (C-valu

20、e paradox) 可 能 产 生 的 原 因 是 什 麽 ？ 显 花 植 物鸟 类 哺 乳 类爬 行 类 两 栖 类骨 鱼 类 软 骨 鱼 类棘 皮 类 甲 壳 类昆 虫 类 软 体 动 物蠕 虫 类 酶 菌藻 类 真 菌革 兰 氏 阳 性 菌 革 兰 氏 阴 性 菌枝 原 体 10 6 107 108 109 1010 1011 图 10-37 不 同 门 类 生 物 的 C 值 分 布 (仿 B.Lewin: GENES ,1997,Fig 21.1) 第 五 节 断 裂 基 因n 间 隔 顺 序 (spacer)n 间 插 顺 序 (intervening sequence) n 内

21、 含 子 (intron)等 一 内 含 子 的 发 现n 1977 美 Sharp & Roberts 同 时 发 现 了 断 裂 基 因 (split gene)n 法 Chambon 失 机 鸡 的 输 卵 管 分 泌 卵 清 蛋 白 、 卵 粘 蛋 白 和 伴 清 蛋 白 ， 而 其 红 细 胞 （ 鸟 类 的 红 细 胞 上 有 核 的 ） 只 合 成 血 红 蛋 白 ， 那 么 两 种 组 织 之 间 DNA有 什 么 不 同 呢 ？n southern杂 交n Berget， Sharp小 组 和 Roberts小 组 用 R环 法 bp E.colia 9200 E.colib

22、 2350 E.colic 1750 E.colid 1250 红 细 胞 输 卵 管 图 10-38鸡 卵 清 蛋 白 cDNA探 针 和 红 细 胞 及 输 卵 管 DNA Southern杂 交 的 结 果 DNA和 mRNA之 间 形 成 特 殊 的 RNA-DNA异 源 双 链 分 子 结 构 断 裂 基 因 Split G enes 二 . 内 含 子 的 结 构 特 点 (一 ) 内 含 子 和 外 显 子 的 分 布 (二 ) 内 含 子 的 相 对 性 30nt 小 t内 含 子 UAA 300nt 330nt 1900nt 大 T 内 含 子 图 10-41 SV40 的

23、T 和 t 蛋 白 基 因 的 内 含 子 经 过 删 除 和 连 接 ， 除 去 无 关 的 DNA间 序 （ 即 内 含 子 ） ，便 形 成 了 成 熟 的 mRNA分 子 断 裂 基 因 Split G enes 三 . 内 含 子 的 生 物 学 意 义1. 有 的 内 含 子 可 编 码 内 切 酶 。 成 熟 酶 (maturase) 归 巢 (Homing)2. 调 控 3. 提 高 进 化 速 率 164 199 229 242 259aa 型 W X Z W X Z 型 W X Z 164 199 229 242 259aa 图 10-42 肌 钙 蛋 白 基 因 内 含

24、子 的 交 替 剪 接 ， 产 生 和 两 种 类 型 的 蛋 白 断 裂 基 因 Split G enes 有 些 基 因 的 初 级 转 录 本 ， 可 以 按 照 不 同 的 途 径 剪 辑形 成 不 同 的 RNA分 子 ， 编 码 不 同 的 蛋 白 质 断 裂 基 因 Split G enes 真 核 基 因 基 本 都 含 有 内 含 子 。 而 相 反 ， 原 核 基因 基 本 不 含 内 含 子 。 外 显 子 1 内 含 子 1 外 显 子 2 内 含 子 2 外 显 子 3 417bp 765bp 14bp 1240bp 100bp 139aa 280aa(840bp) 翻 译 剪 接 RNA成 熟 酶 (423aa) 成 熟 的 mRNA 翻 译 细 胞 色 素 b 144aa+279aa 图 13-20 酵 母 cob 基 因 的 内 含 子 的 2的 剪 接 。 内 含 子 2前 部 840bp的 开 放 读 框 参 与 编 码 RNA成 熟 酶 。 RNA成 熟 酶 反 过 来 又 将 内 含 子 2剪 切