基因总论和原核生物基因组特点

第一讲基因总论和原核生物基因组特点

一、基因的概念

无论是病毒、原核生物或是真核生物，其RNA或蛋白质的结构信息都是以基因的形式贮存在核酸分子中。生物进化和遗传过程中有两个重要特点：遗传：生物性状相对稳定地从亲代传递至子代，使生物的物种得以保存。

变异：生物在不断变化的环境中为适应生存而自身发生变化。变异是生物进化的源泉。

基因的分子生物学概念：位于染色体上呈直线排列的遗传单位。是编码有功能的蛋白质多肽链或RNA所必需的全部核苷酸序列。

基因的构成：

--编码蛋白质或RNA的基因 (结构基因，functional gene)

--具有调节功能的片段或序列，提供转录、复制、重组起始信号（调节基因,control gene）

一个基因应包括：

编码蛋白质肽链或RNA的核酸序列

转录所必须的调控序列

编码区上游5’端非编码序列

内含子

编码区下游3’端非编码序列

基因组：

一个细胞或生物体中一套完整的遗传物质的总和

细胞基因组：

一个细胞所有染色体上全部基因和基因间的DNA的总和

二、原核生物基因组

生物包括：原核生物——原核细胞（细菌、立克次体、支原体、衣原体、螺旋体等）真核生物——真核细胞（多细胞动、植物及酵母等）

非原核非真核生物——病毒、噬菌体

原核细胞与真核细胞的特点

?原核细胞：无核膜、核仁，核物质分散，不形成明显的细胞核，遗传物质简单。

无细胞器。

?真核细胞：有细胞核及核仁，遗传物质与蛋白质结合形成染色体集中于核中。

有细胞器。

原核细胞及真核细胞核酸的差异：

?转录与翻译的方式不同

? DNA含量不同

?真核细胞有细胞器DNA （如线粒体DNA）

病毒及噬菌体：既非原核生物，又非真核生物。它们必须寄生于宿主细胞内进行繁殖，遗传机制随宿主不同而不同。噬菌体也是病毒，它是感染细菌和真菌的微生物病毒。

三、细菌基因组的结构特点

1. 基因组多数由环状双链DNA分子组成

2.具有类核结构

类核（nucleoid）：染色体经高度折叠、盘绕聚集在一起，形成致密的类核。其中心为RNA和支架蛋白质组成，外周是双链闭合DNA结构。

3.操纵子结构

操纵子结构（operon）：功能上相关的几个结构基因往往串联排列在一起，受上游共同的调控区和下游转录终止信号所构成的基因表达单位。转录时，几个基因转录在一条mRNA链上，再分别翻译成各自不同的蛋白质。

4.结构基因中无内含子，与真核细胞的主要区别。编码区基因占基因组比例约50%

左右，存在间隔区。

5.DNA绝大部分用于编码蛋白质，结构基因多为单拷贝，

6.结构基因中无重叠现象（一段DNA序列编码几种蛋白质多肽链）

7.基因组中存在重复序列

8.基因组中存在可移动的DNA序列，如转座子和质粒等

四、质粒

1.质粒：独立于细菌细胞染色体以外，能自主复制的共价闭合环状DNA分子。作为一个完整的复制子，在转化细胞后能自主复制，并对细菌的一些代谢活动和抗药性表型产生重要作用，即给细菌带来特殊标志。

2.质粒的特点

1）质粒中携带许多基因，影响生物学性状

2）质粒可从一个细菌转移至另一个细菌，其携带的遗传性状也随之转移。

3）质粒并非细菌生命活动所必需，其编码的性状对细菌有保护作用

4）环状DNA分子，含复制启动子，在其下游具复制起始点(ori)

5）选择标记（如药物筛选标记，Amp、Kpn等）

6）多克隆位点polylinker：（单一限制性酶切位点）

7）不相容性:携带相同复制子的质粒不能在同一细菌中共存。

8）质粒转移性：可以在同种属或异种属之间转移。

3.质粒的类型

按复制机制：

1）严紧型质粒：在“严紧”控制下复制的质粒。它的复制受到细胞蛋白的影响。一旦细胞复制停止，质粒拷贝数不能增加。低拷贝数质粒，每一个细胞只有一个或几个拷贝。

2）松弛型质粒：高拷贝数质粒，每个细胞可含10-200个拷贝。细胞停止复制后质粒仍可继续复制。

按质粒功能分型

1） F质粒：决定细菌的性别，能将宿主染色体基因和它本身转移到另外

一个宿主中。是一种游离的基因，可以整合到染色体基因组中。

F`质粒：F质粒整合到染色体基因组中，如果切割下来的时候切点不准确，可能导致质粒上带有宿主菌染色体DNA片段，称之为F`质粒。

2）质粒：抗药性基因

?包括临近的两个DNA分子片段，一个为抗性转移因子（转移基因、DNA复制基因等）和抗性决定因子（抗青霉素、抗氨苄青霉素等）单独的抗性决定因子只有在抗性转移因子作用下发生转移。

五、转位因子

1.概念：

转位因子（transposable element）可移动的基因成分，即能在一个DNA分子内部或两个DNA分子之间移动的DNA片段。

2.转座子不依赖于供体和受体位点序列间的关系而定。转座子相对于那些可以从一个基因组转移到另外一个基因组的载体而言，如逆转录病毒或质粒等，转座子只是基因组内部的载体类似物，是基因内部突变的主要来源。

3.转位因子的类型

可分为插入序列、转座子、可转座的噬菌体

1）插入序列（insert sequence,IS）：

插入序列是编码一种转座所需酶的一种转座子，它的两侧是短向重复序列。

插入序列的靶序列在插入的过程中被复制，形成两个短的正向重复序列。

IS：一个转座酶和两个反向重复序列

2）转座子（transposon）也是一种转位因子，比IS大（约4500-20000bp）。

转座子除了带有转座的必需的基因外，还可以有编码转座以外的其他基因。转座子中存在转位酶，可以介导转座子从一个位点转移到另一个位点。转座子具有一个中心区，其两侧各有一个IS元件。两者顺序可以相同也可以相反。

转座子意义：基因重排、引入突变、产生新的基因

六、大肠杆菌

在基因工程中的应用：将目的片段重组于载体，并将此重组DNA转移到受体细胞内，后者便获得并表达重组DNA的遗传性状。

大肠杆菌由于繁殖快，易培养，故常将其作为受体细胞。

大肠杆菌的遗传物质：染色体DNA相对集中形成类核，全长1100~1400 m，含4288个开放读码框架。质粒DNA：存在于细胞质中的小的环状DNA分

子，能自主复制。

大肠杆菌基因组的特点：

基因组：4 639 221个碱基对，约3500个基因。已经鉴定的基因有1500多种，主要是与酶类有关的基因。大多数基因分散排列在整个染色体的不同区域，即使相关的基因也可能分布在不同的部位。操纵子结构：功能上相关的结构基因常串联在一起组成操纵子结构。

七、细菌基因组研究的意义：

1 深入研究发病机制

2 开发有效治疗药物

3 提高临床诊断率

4 制备疫苗提供参考

八、病毒基因组特点

1.病毒基因组特点：

1）基因组可由DNA组成，也可由RNA组成；但只可以由其中的一种组成。

2）基因组小，基因数目少，重复序列少。

3）存在重叠基因(一个基因编码几种蛋白质)。

4）噬菌体基因无内含子，结构连续；病毒中含有内含子，结构间断。

5）基因组内存在操纵子结构。如噬菌体?X174

6）基因组的大部分用来编码蛋白质。

7）大多数为单倍体。

2.DNA病毒的特点

1）DNA病毒基因组以双链DNA为多数，可以是环状也可是线状。

2）线形DNA分子末端多含有反向重复序列。

3）真核DNA病毒在宿主细胞核内复制。

4）DNA病毒一般较RNA病毒大，生活周期复杂。

3.举例（—）SV40

猴肾细胞中分离。双链环状DNA，5243bp。基因组复制依赖于宿主，可分为早期复制和晚期复制。早期复制，逆时针方向，生成T，t抗原；晚期复制，顺时针方向，生成VP1、VP2、VP3

4.RNA病毒的特点：

1）RNA病毒多数为单链，少数也可以呈双链；

2）RNA基因组的遗传信息一般在一条链上；

3）RNA病毒的变异率很高

4）RNA病毒的复制和转录常独立于宿主细胞核

5.HIV病毒

HIV病毒属于逆转录病毒，有HIV-1和HIV-2两型。大部分是HIV-1。HIV基因组由2条正链RNA在5`端连接形成二聚体。单链RNA有9个基因，其中3个结构基因（gag、pol、env）病毒基因组5`端和3`端各有一个长末端重复顺序（LTR）

沁园春·雪

北国风光，千里冰封，万里雪飘。望长城内外，惟余莽莽；大河上下，顿失滔滔。

山舞银蛇，原驰蜡象，欲与天公试比高。

须晴日，看红装素裹，分外妖娆。江山如此多娇，引无数英雄竞折腰。惜秦皇汉武，略输文采；唐宗宋祖，稍逊风骚。

一代天骄，成吉思汗，只识弯弓射大雕。

俱往矣，数风流人物，还看今朝。