基因与基因组
本讲内容
基因概念的历史演变
割裂基因
重叠基因
基因和基因组
细胞器基因组
基因鉴定
人类基因组计划
第一组问题？
早期关于遗传物质的臆测
遗传因子？
“基因”一词？
基因的存在？
基因化学本质以及功能？
近代基因的概念发展
1 早期关于遗传物质的臆测
1864年英国哲学家斯宾塞 “生理单位”；
1868年达尔文将其称为“微芽”；
1883年德国生物学家魏斯曼称之为“种质”
1884年瑞士植物学家冯内格列 “异胞质”；
1889年荷兰学者德弗里斯称为“泛生子”；
2 基因的前奏——遗传因子
1865年 Mendel,
两个基本遗传规律——分离规律和自由组合规律，并提出了“遗传因子”的观点。
指出遗传因子是一种物质，它控制着生物的性状。
3 遗传的染色体学说
1903年，萨顿和鲍威尔
遗传的染色体学说
认为孟德尔的“遗传因子”与配子形成以及受精过程中的染色体传递行为具有平行性，且孟德尔的遗传因子位于染色体上，
第一次把遗传物质和染色体联系起来。
4 “基因”一词的创立:
1909年，丹麦遗传学家约翰逊 。
替代 Mendel早年所提出的遗传因子一词，并创立了基因型和表现型的概念。
5 基因存在的证实
1926年 美国 摩尔根《基因论》出版
认为基因是组成染色体的遗传单位，并且证明基因在染色体上占有一定位置，而且呈线性排列。
提出“功能、交换、突变”三位一体的基因概念。
6 基因化学本质以及功能的认识
“一个基因一种酶”和“一个基因一条多肽链”
基因的化学本质是DNA(有时是RNA)
基因顺反子的概念
基因是一段有功能的DNA序列
6.1 从 “一个基因一个酶”到“一个基因一条多肽链”
1941年 G W Beadle 和 E L Tatum
一个基因一个酶：红色链孢霉各种营养缺陷突变体与酶缺陷相关------ 基因对性状的控制是通过基因控制酶的合成来实现的。
本世纪50年代，Yanofsky
一个基因一条多肽链：有些蛋白质不只由一种肽链组成，如血红蛋白和胰岛素，不同肽链由不同基因编码。
6.2 DNA是遗传物质(有时是RNA)
1944年， Avery 证实了DNA是遗传物质。
有些病毒只含有RNA。
6.3 基因顺反子（Cistron）的概念
1955年，美国本兹尔(Benzer)提出顺反子的概念：
是指编码一个蛋白质的全部组成所需信息的最短片段，即一个基因。
基因仅是一个功能单位，基因内部的碱基对才是重组单位和突变单位。
一对同源染色体上两突变（a和b）在同一染色体上时， 称为顺式构型，
两突变（a和b）在两条染色体上时， 为反式构型；
顺反互补测验（cis-trans test）：比较顺式和反式构型个体的表型来判断两个突变是否发生在一个基因（顺反子）内的测验。
测验时: 两突变发生在同一基因上，杂合体就不存在野生型的基因，因而为突变体表型；
如果两突变在两个不同的基因上，后代杂合体中将有一个基因是野生型的，另外一个基因是突变型，杂合体的表型成了野生型。这两个基因的这种关系称为互补。
6.4 基因是一段有功能的DNA序列
DNA双螺旋模型 1953年 Watson和Crick提出
遗传中心法则 1957年 Crick提出
顺反互补试验 1955年 Benzer提出：顺反子
三联遗传密码的破译 Nirenberg等 1961-67年：
70年代：可移动基因的证实、隔裂基因和重叠 基因的发现等。
7 近代基因的概念：基因是一段有功能的DNA序列，基因是遗传的功能单位，DNA分子中不同排列顺序的DNA片段构成特定的功能单位；
★ 可转录、可翻译的（结构基因：能够编码多肽链的基因 )
★ 可转录但不翻译( tDNA, rDNA )
★ 不转录、不翻译 (调控基因：调控邻近的结构基因的表达，如：启动基因，操纵基因)
基因的类型
不是所有的基因都能为蛋白质编码
断裂基因
重叠基因
……
第二组问题？
1、 割裂基因（splitting gene）
不连续基因 断裂基因
发现：1977 [美]Sharp & Roberts 同时发现了断裂基因
通过成熟mRNA（或cDNA） 与编码基因的DNA杂交试验而发现。
杂交（hybridization）
杂交：亲缘关系很近的不同来源的DNA单链或RNA单链与DNA单链之间通过碱基互补形成杂交分子的过程。
图　核酸杂交及其应用示意图1
Ⅱ.突变体的鉴别
I 变性、复性和杂交
Ⅲ.分子探针标记
鸡卵清蛋白基因DNA与其mRNA杂交图
割裂基因：基因的编码序列在DNA上不是连续的，而是被不编码的序列隔开。
外显子Exon ：基因中编码的序列，与mRNA的序列相对应。
内含子Intron ：基因中不编码的序列。
所以－－真核生物基因又称为
Splitting gene
Interrupted gene
由于真核生物的绝大多数结构基因都含有内含子
剪接: 前体RNA中由内含子转录下来的序列去除，并把由外显子转录的RNA序列连接起来的过程。
剪接
割裂基因的分布
b) 原核生物中：
SV40 大T 抗原gene
小t 抗原 gene
T4 噬菌体的胸苷合成酶 gene
1017 bp intron
Splitting gene 并非真核生物所特有
c)   并非真核生物所有的结构基因均为splitting gene
割裂基因的性质：
1）外显子在基因中的排列顺序和它在成熟mRNA产物中的排列顺序是相同的;
2）某种割裂基因在所有组织中都有相同的内含子成分;
3）核基因的内含子的可读框通常含无义密码子，没有编码功能;
4）通常内含子上发生的突变不能影响蛋白质的结构，其突变对生物体没有影响；但也有例外。
2、重叠基因
1 重叠基因的概念
重叠基因：是指两个或两个以上的基因共有
一段DNA序列。
2 重叠基因的发现：1978年，Sanger，Feir
X174DNA全长：5386核苷酸
编码的9种蛋白全长：2000个氨基酸；
3X2000 = 6000核苷酸
噬菌体G4、MS2和SV40中都发现了重叠基因
原核生物的重叠基因
3 基因重叠的方式
1） 大基因内包含小基因：
如：B基因包含在A基因内，E基因完全包含在D基因内。
2） 前后两基因首尾重叠：
例1： 如：基因D 终止
X174DNA序列：5’—T—A—A—T—G—3’ 重叠一个碱基
基因J 起始
例2： 如：基因A 终止
X174DNA序列 5’—A—T—G—A—3’ 重叠4个碱基
基因C 起始
根据密码子的起始位置，一个DNA顺序可能有3种阅读框
例如，序列ATTCGATCGCAA
CAA
A
ATT
CGA
TCG
A
TTC
GAT
CGC
AA
AT
TCG
ATC
GCA
（1）
（3）
（2）
但只有一种具有编码的作用，称为开放阅读框。
开放阅读框：基因序列的一部分，包含一段可以编码蛋白的碱基序列，不能被终止子打断。

果蝇蛹上皮蛋白质基因位于另一个基因的内含子之中
人I型神经纤维瘤(NF1)基因的第一个内含子中有三个编码蛋白质的基因， 其转录方向与NF1的相反。
线虫基因组中每个基因平均有5个内含子，有的内含子中包含tRNA基因，其转录方向不一定与包含它的基因的转录方向一致。
可见，两个重叠基因的转录是各自独立、互不依赖。
4、真核生物的重叠基因
基因大小
基因组大小
……
第三组问题？
（1）取决于它所包含的内含子的长度
例如：31Kb的二氢叶酸还原酶基因含6个外显子，mRNA长度为2Kb，内含子长29Kb，内含子比外显子大很多。
在进化相关的相似组织的基因，其外显子基本一致，内含子的位置也是保守的，只是长度有变化。
如小鼠的a-珠蛋白基因长度850bp，b-珠蛋白1382bp，两个的mRNA却大小差不多。
基因的大小
（2）取决于所包含的内含子的数目
不同生物的外显子数目随着进化增加，基因平均长度也在增加。
基因组（genome）：指一个物种单倍体的染色体所携带的一整套基因。
2 基因组：
例：人类与E.coli编码基因数目的比较
E.coli. 4.2 X 106bp 编码约3000种基因
人类 3.3 X 109 bp 大肠杆菌的700多倍
有上百万个基因？？？
根据不同细胞中的 mRNA数目估算表达基因
人类编码基因约为3-4 万个
约为大肠杆菌的30倍，那么90％以上的DNA功能何在？？
果蝇基因组的基因
与预期的编码蛋白质的基因的数量相比，基因组的DNA含量过多
真核生物与原核生物基因组的比较：
1）真核生物基因分布在多个染色体上，而原核生物只一个染色体。
2）真核生物在基因组转录后的绝大部分前体RNA必须经过剪接过程才能形成成熟的mRNA，而原核生物的基因几乎不需要转录后加工。
3）真核生物细胞中DNA与组蛋白和大量非组蛋白结合，并有核膜将其与细胞质隔离，结果真核细胞的转录和翻译在时间上和空间上都是分离的，而原核细胞的基因转录和翻译是同步的。
4）真核生物的基因是不连续的，中间存在不被翻译的内含子序列，而原核生物几乎每一个基因都是完整的连续的DNA片段。
3 基因组大小和C值
C值 (C Value)：在每一种生物中其单倍体基因组的DNA总量是特异的。
DNA的长度是根据碱基对的多少推算出来的。
C值是每种生物的一个特征，不同生物之间差别很大
低等真核生物中与形态学复杂程度相关，但高等真核生物中变化很大
生物体进化程度高低与C值不成明显线性相关
亲缘关系相近的生物C值相差较大。
高等生物的C值不一定就意味着它的C值高于比它低等的生物。
C值矛盾/ C值悖论：C值和生物结构或组成的复杂性不一致的现象。
C值变化范围宽意味着在某些生物中有DNA是不编码的。
4 基因组的基因数目
真核生物基因组的重复序列
根据复性动力学研究将真核生物DNA序列归类：
单拷贝序列
轻度重复序列
中度重复序列
高度重复序列
1）单拷贝序列(single copy sequences)
又称非重复序列：
一个基因组中只有一个拷贝。
慢复性速度
单一序列的复性曲线常只有一个拐点，而重复序列常有多个拐点。
结构基因 (蛋白质基因)大多是单拷贝序列。
2）轻度重复序列(light repetitive sequences)
在基因组中重复数2-10的重复顺序，
为慢复性速度。
少数在基因组中成串排列在一个区域，大多数与单拷贝基因间隔排列。
多为编码功能的序列
3）中度重复序列(moderate repetitive sequences)
基因组中重复数十至数万（<105）次的重复顺序，
复性速度快于单拷贝顺序，慢于高度重复顺序。
多与单拷贝基因间隔排列。
多为非编码序列，如Alu序列
也有编码基因产物的，如rDNA、tDNA、组蛋白基因家族, 一般往往以基因家族的形式组织。
4）高度重复序列(highly repetitive sequences)
在基因组中重复频率高，可达百万(106)以上，
复性速度很快。
序列一般较短，长10-300bp，
如真核生物的卫星DNA。
卫星 DNA序列
螃蟹
2
ATATAT…..
果蝇
5
ATAATATAAT…..
老鼠
9
GAAAAATGAGAAAAATGA
重复碱基数 序列
，内含子、启动子
human genome project, HGP
遗传图谱，物理图谱，序列图谱和表达图谱
测定DNA顺序的方法
HGP对人类的重要意义
第四组问题？
人类基因组计划(human genome project, HGP)是由美国科学家于1985年率先提出，于1990年正式启动的。美国、英国、法国、德国、日本和我国科学家共同参与了这一30亿美元的人类基因组计划。这一计划旨在为30多亿个碱基对构成的人类基因组精确测序，发现所有人类基因并搞清其在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息。与曼哈顿原子弹计划和阿波罗计划并称为三大科学计划。
举世瞩目的人类基因组研究计划
美国联邦政府雄心勃勃的人类基因组计划历时15年，(1991~2005），耗资30亿美元，完成全部人类基因的测序工作。1994年低，一张覆盖整个基因组的人类遗传图谱已经完成，而高质量的物理图谱也已能覆盖95%的基因组。更为精细的物理图谱（每100kb含有一个标记位点）在2003年4月完成。
人类基因组计划的倡导者是美国
1) 人体基因组的大小: 30亿个碱基对的序列 。
2) 人体基因组结构： 人体基因组中含有大量的重复顺序。非重复顺序约只占总基因组的54-58％。
3) 人体基因特征：
基因数目为3-5万；95％以上的基因含有内含子结构，平均外显子数为7个；平均基因长度为16.3kb。
基因是控制生物体遗传性状的基本单元。
基因组则是表示一个生物体所有遗传信息的总和。
HGP的首要目标是测定全部DNA序列，因目前的测序技术不能进行很长的DNA测序，因此计划的第一阶段要分解基因组这一巨大的研究对象，将其分为容易操作的小的区域，这个过程简称为染色体作图。
HGP的基本任务可用4张图谱来概括；即遗传图谱，物理图谱，序列图谱和表达图谱。
人类基因组测序研究的主要内容
1） 遗传图谱(genetic map) / 遗传连锁图(linkage map)
是指基因或DNA标志在染色体上的相对位置与遗传距离。
遗传距离用重组率来衡量。即通过计算两个连锁的遗传标记在每次减数分裂中的重组概率，确定两者的相对距离。
其单位用厘摩（cM ）表示。1厘摩表示每次减数分裂的重组频率为１％。
厘摩值越高表明遗传标志物两点之间距离越远，值越低则两点间距离越近。
通过遗传图谱，可大致了解各个基因或DNA片断之间的相对距离与方向，如哪个基因更靠近着丝粒，哪个更靠近端粒等。
2） 物理图谱     
物理图以一段已知核苷酸序列的DNA片段为路标，以碱基对 (Mb、kb、bp)作为基本测量单位（图距）的基因组图。
可以确定两个遗传标记之间的实际（绝对）距离。
3）序列图谱
是分别将各染色体全部碱基序列绘制的图谱。包括转录序列和非转录序列。
目前的策略是把庞大的基因组分成若干有路标的区域后，进行测序分析。将测出的每一个DNA片段按其染色体位置进行准确的排列， 从而得到人类基因组DNA序列的全貌。
4）转录图谱/表达图谱
是在人类基因组中鉴别出占据1-5%长度的全部结构基因的位置、结构与功能。
所有生物性状和疾病都是由蛋白质决定的，而所有蛋白质都是mRNA依照遗传密码编码的，若把mRNA通过反转录合成cDNA，就抓住了基因的转录部分。然后大规模测序，进行基因的分离、定位。
因此，转录图亦称cDNA图或“表达序列”图。
表达图谱的意义：通过这张图我们可以了解某一基因在不同时间、不同组织、不同水平的表达。它能有效的反映在正常或受控条件中表达的全基因的时空图。
有了“正常”的基因图谱，就奠定了构建特定生理条件下（如受外源的病原体、药物、食物、精神的刺激）与“异常”病理情况下，cDNA差异图的基础，以此为21世纪的基因医学绘制出指导的蓝图。
测定DNA顺序的方法：Sanger的酶法—链末端终止法或双脱氧法
反应原理：
利用脱氧核苷三磷酸（dNTP）的类似物双脱氧核苷三磷酸（ddNTP）取代正常的底物。
Sanger双脱氧链终止法原理
利用脱氧核苷三磷酸（dNTP）的类似物双脱氧核苷三磷酸（ddNTP）取代正常的底物。
在DNA合成过程中，在模板指导下，DNA聚合酶不断将dNTP加到引物的3’-OH末端，使引物延长，合成出新的互补的DNA链；
当加入双脱氧三磷酸核苷(ddNTP)，参入到延长链中时，其3’位置上缺少一个羟基，不能同后续的dNTP形成磷酸二酯键，即形成一种全部具有相同5’-引物端和以ddNMP残基为3’端结尾的一系列长短不一片段的混合物。
由于双脱氧核苷酸在每个DNA分子中掺入的位置不同，采用聚丙烯酰胺凝胶电泳区分长度差一个核苷酸单链DNA，从而读取DNA核苷酸序列。
双脱氧终止法测序反应体系包括：
DNA聚合酶
单链DNA模板
带有3’-OH末端的单链寡核苷酸引物
Mg2+
4种dNTP (aATP,dGTP,dCTP和dTTP)
4种ddNTP (ddATP,ddGTP,ddCTP和ddTTP)
双脱氧链终止法测定DNA系列原理示意
分析仪器的发展：
DNA自动测序仪的应用实现了凝胶电泳、初始数据获取、碱基阅读等步骤自动化。
HGP对人类的重要意义 1）HGP对人类疾病基因研究及医学的贡献  基因诊断、基因治疗和基于基因组信息的疾病预防、疾病易感基因的识别、风险人群生活方式、环境因子的干预。 2） HGP对生物技术的贡献  基因工程药物-制药工业，对细胞、胚胎、组织工程的推动：3） HGP对社会经济的重要影响  发现新功能基因的社会和经济效益；转基因食品；转基因药物（如减肥药，增高药） 4） HGP对生物进化研究的影响
5） HGP带来的负面作用 基因组计划的实施会带来许多伦理学、法学和社会学问题。
基因专利战：现在美国好几家大公司均参入人类基因组计划，每克隆鉴定一个基因，他们就将整个基因申请专利，占为己有。
基因与个人隐私：致病基因的鉴定将使人们得知自己患某些癌症的概率，如欧美血统的妇女有八分之一的概率患乳腺癌。但若某妇女其近亲有一人患乳腺癌，则她患乳腺癌的概率剧增至85%。同时还具有患卵巢癌的45%的危险。这样，某人的基因鉴定结果常会导致保险公司拒绝保险或恣意提高投保金额的依据，造成严重的社会问题。
基因资源的掠夺战；种族选择性灭绝性生物武器等。
中国的HGP指导思想：参与、分享，重点是利用我们的资源，依靠我们自己的力量，为我们的子孙克隆我们自己的基因。
本讲内容结束