第二章人類基因

humangene第2章人類基因第二章人類基因基因的概念基因的化學本質人類基因和基因組的結構特點基因的生物學特性人類基因組計劃第2章人類基因基因的概念1865年基因是一些特殊因子1871年發現核酸1903年染色體是遺傳單位1910年基因位于染色體上1913年染色體包含線性排列的基因1927年突變是基因內的物理變化1931年交換引起重組1944年DNA是遺傳物質1945年基因編碼蛋白質1951年首次蛋白質測序1953年DNA雙螺旋結構1958年DNA半保留復制1961年三聯體密碼發現1977年真核基因不連續性1977年DNA可以測序1995年首次基因組測序第2章人類基因基因的概念基因（gene）是決定一定功能產物的DNA序列。這種功能產物主要是蛋白質和RNA。一個基因的結構除了編碼特定功能產物的DNA序列外，還包括對這個特定產物表達所需的鄰接DNA序列。

第2章人類基因基因的化學本質

在整個生物界中，絕大部分生物（包括人類）基因的化學本質是DNA；在某些僅含有RNA和蛋白質的病毒中，基因的化學本質是RNA。

第2章人類基因一、DNA分子組成DNA分子的基本單位是脫氧核苷酸，依各自所攜堿基的不同，可以分成A、G、C、T4種。將它們按一定順序排列連接后即構成DNA單鏈。它們的排列順序是DNA遺傳的核心。二、DNA分子結構雙螺旋結構模型基因的化學本質第2章人類基因第2章人類基因第2章人類基因第2章人類基因第2章人類基因第2章人類基因第2章人類基因第2章人類基因第2章人類基因人類基因組人類基因組（genome）是人的所有遺傳信息的總和。它包括兩個相對獨立而相互關聯的基因組：核基因組與線粒體基因組。通常人類基因組指的是核基因組。第2章人類基因人類基因組的組織結構

第2章人類基因第2章人類基因人類的基因或人類基因組中的功能序列可分為4大類，即單一基因、基因家族、擬基因和串聯重復基因。基因家族—指由一個祖先基因經過重復和變異所形成的一組基因。有兩類：（1）一個基因簇：由一個基因產生多次拷貝（幾乎相同序列），成簇排列于同一染色體上。（2）多基因簇（圖3-5）：成簇地分布于幾條不同的染色體上。如編碼珠蛋白的基因：5個相關基因排列于16p染色體上。擬基因或假基因—指在多基因家族中某些成員不產生有功能的基因產物?；虻姆诸惖?章人類基因第2章人類基因第2章人類基因第2章人類基因基因的結構真核生物基因的編碼序列往往被非編碼序列所分割，呈現斷裂狀的結構，故而也稱斷裂基因（splitgene）。一、外顯子和內含子外顯子（exon）:編碼序列內含子（intron）:非編碼序列第2章人類基因外顯子-內含子的接頭區是一高度保守的一致順序，稱為外顯子-內含子接頭。每一個內含子的5′端起始的兩個堿基是GT，3′端最后的兩個堿基是AG，通常把這種接頭形式叫做GT-AG法則（GT-AGrule）。這兩個序列是高度保守的，在各種真核基因的內含子中均相同。每個斷裂基因中第一個外顯子的上游和最末一個外顯子的下游，都有一段不被轉錄的非編碼區，稱為側翼順序。基因的結構第2章人類基因第二節遺傳的分子基礎二、真核基因的分子結構特征第2章人類基因基因組的組成人類基因組按DNA序列分類既有單拷貝序列，也有重復頻率不等的多拷貝序列。單拷貝序列：在基因組中僅有單一拷貝或少數幾個拷貝，長度在800～1000bp之間，其中有些是編碼細胞中各種蛋白質和酶的結構基因，占到人類基因組的大多數。重復多拷貝序列：分散地穿插于整個基因組中，根據復性的速度不同，又可分為簡單序列DNA和中度重復DNA。第2章人類基因簡單序列DNA（simple-sequenceDNA）或衛星DNA：以小于200bp的小片段為單位串聯重復很多次，約占整個基因組的10％～15％，大多數長度可達105bp，多位于染色體的異染色質區。在蔗糖或氯化銫密度梯度超速離心圖譜上觀察到的位于染色體DNA主帶旁邊的小帶DNA重復多拷貝序列第2章人類基因第2章人類基因重復多拷貝序列小衛星DNA（minisatelliteDNA)：有15-100bp組成的重復單位，重復20-50次形成的1-5kb的短DNA微衛星DNA（microsatelliteDNA）：某些存在于基因組的間隔序列和內含子等非編碼區內的簡單序列DNA，重復序列為1-6bp，被稱為~。第2章人類基因中度重復DNA（intermediaterepeatDNA）：約占整個基因組的25％～40％，以不同的量分布于整個基因組的不同部位。短分散元件（shortinterspersedelement）：DNA的長度可短至100bp～500bp，拷貝數105以上。如Alu家族長分散元件（longinterspersedelement）：可長達6000bp～7000bp，拷貝數為102~10４

。如KpnI家族重復多拷貝序列第2章人類基因第2章人類基因

基因的生物學特性

DNA分子中堿基對的排列順序蘊藏著遺傳信息，決定了基因的基本功能和特性。基因復制與表達構成了基因的主要功能。

第2章人類基因遺傳密碼：在DNA的脫氧核苷酸長鏈上，每三個相鄰的堿基序列構成一個三聯體，每個三聯體密碼能編碼某種氨基酸，所以三聯體（triplet）是遺傳信息的具體表現形式。因而三聯體又稱三聯體密碼（tripletcode）、遺傳密碼（geneticcode）或密碼子（codon）。遺傳信息的儲存單位第2章人類基因編碼鏈：5'-ATGAAACGAGTCTTATGA-3'反編碼鏈：mRNA：3'-TACTTTGCTCAGAATACT-5'5'-AUGAAACGAGUCUUAUGA

-3'第2章人類基因遺傳密碼的特性通用性在絕大多數情況下，遺傳密碼在整個生物界中都是通用的。但也有一些例外存在，如線粒體DNA中有3個遺傳密碼與通用密碼不同。簡并性除少數氨基酸僅有一種密碼子外，其余氨基酸都各被2～6個密碼子編碼，這種現象稱為遺傳密碼的簡并性（degeneracy）。起始密碼和終止密碼密碼子AUG若位于mRNA的5′端起始處，則是蛋白質合成的起始信號，叫起始密碼子（initiationcodon），同時編碼甲酰甲硫氨酸和甲硫氨酸；若不是位于mRNA的起始端，則只具有編碼甲硫氨酸的作用。密碼子UAA、UAG和UGA不編碼任何氨基酸，而是作為肽鏈合成的終止信號，稱為終止密碼子。第2章人類基因基因通過自我復制保持遺傳的連續性基因具有自我復制（self-replication）的重要特性。復制發生在細胞分裂周期的S期，DNA雙螺旋結構解旋為兩條單股的多核苷酸鏈，以DNA分子自身的每一股單鏈為模板進行自我復制合成新的DNA分子。復制的起點由特定的堿基序列組成。真核生物的復制從多個位點同時開始進行。

第2章人類基因新鏈的復制過程具有一定的特點互補性：半保留性：反向平行性：不對稱性：不連續性：基因通過自我復制保持遺傳的連續性第2章人類基因第2章人類基因第2章人類基因第2章人類基因基因表達（geneexpression）：是把基因所儲存的遺傳信息轉變為由特定的氨基酸種類和序列構成的多肽鏈，再由多肽鏈構成蛋白質或酶分子，從而決定生物各種性狀（表型）的過程?；虮磉_包括兩個步驟：①以DNA為模板轉錄合成mRNA；②將遺傳信息翻譯成多肽鏈中相應的氨基酸種類和序列基因表達第2章人類基因轉錄（transcription）：是在RNA聚合酶的催化下，以DNA的3′→5′單鏈（反編碼鏈）為模板，按照堿基互補配對原則（但RNA以U和DNA的A配對，其余配對形式與復制時一致），以三磷酸核苷酸（NTP）為原料合成RNA的過程。轉錄的最終產物是mRNA、tRNA和rRNA等?；虮磉_第2章人類基因轉錄過程：一般將mRNA的合成分為起始、延伸和終止3個連續的步驟。①在起始階段，RNA聚合酶Ⅱ與啟動子結合，即可啟動RNA的轉錄合成。②延伸過程是RNA聚合酶Ⅱ由全酶構型變為主酶構型，并沿著模板鏈的3′→5′方向移動，并精確地按照堿基互補原則，以三磷酸核苷酸（UTP、CTP、GTP和ATP）為底物，在3′端逐個添加核苷酸，使mRNA不斷延伸；③終止是RNA聚合酶Ⅱ在DNA模板上移動到達終止信號時，RNA合成的停止。

第2章人類基因第2章人類基因第2章人類基因已發現的一些啟動子包括TATA框（TATAbox）、CAAT框（CAATbox）、GC框（GCbox）以及增強子（enhancer）等，它們構成了結構基因的側翼序列（flankingsequence），是人類基因組的一些特殊序列，稱為調控序列，對基因的有效表達是必不可缺少的。第2章人類基因轉錄產物的加工和修飾：由RNA聚合酶Ⅱ催化所形成的初始轉錄產物，僅僅是mRNA的前體，必須經過加工和修飾，才能形成有功能的mRNA。主要包括“加帽”（capping）－－5′端加“7-甲基鳥嘌吟核苷酸”；

“加尾”（tailing）－－3′端加“多聚腺苷酸”（polyA）和剪接－－按GT-AG法則將內含子切除，再將外顯子由連接酶逐段連接起來，形成成熟的mRNA分子。第2章人類基因第2章人類基因第2章人類基因翻譯（translation）：是以mRNA為模板指導蛋白質合成的過程。蛋白質合成是在細胞質內的核糖體上進行的。蛋白質翻譯時mRNA攜帶遺傳信息，作為合成蛋白質的模板；tRNA轉運活化的氨基酸和識別mRNA分子上的遺傳密碼；核糖體是蛋白質合成的場所，把各種特定的氨基酸分子連接成多肽鏈。蛋白質分子最終的空間結構是由翻譯后修飾所決定的。第2章人類基因第2章人類基因第2章人類基因第2章人類基因RNA編輯（RNAediting）是導致形成的mRNA分子在編碼區的核苷酸序列不同于它的DNA模板相應序列的過程，屬遺傳信息加工。1.尿嘧啶核苷酸的加入或刪除2.C→U、A→G或G→A的RNA堿基轉換3.C→G、G→C或U→A的RNA堿基顛換生物學意義主要表現在：①通過編輯的mRNA具有翻譯活性；②使該mRNA能被通讀；③在一些轉錄物5′末端可創造生成起始密碼子AUG，以調節翻譯活性；④RNA編輯可能與生物進化有關；⑤RNA編輯不偏離中心法則，因為提供編輯的信息源仍然來源于DNA貯藏的遺傳信息。

第2章人類基因基因表達的控制基因表達控制的特點是能在特定時間和特定細胞中激活特定的基因，從而實現“預訂”的有序的分化發育過程。真核生物基因表達調控是通過多階段水平實現的，即轉錄前、轉錄水平、轉錄后、翻譯和翻譯后等五個水平。第2章人類基因人類基因組（genome）通常是指核基因組，是人的所有遺傳信息的總和。人類基因組第2章人類基因人類基因組計劃“人類基因組計劃（humangenomeproject，HGP）”是20世紀90年代初開始的全球范圍的全面研究人類基因組的重大科學項目。HGP是美國科學家在1985年率先提出的，旨在闡明人類基因組DNA3.2×109核苷酸的序列，發現所有人類基因并闡明其在染色體上的位置，破譯人類全部遺傳信息，使得人類第一次在分子水平上全面地認識自我。第2章人類基因HGP的整體目標是闡明人類遺傳信息的組成和表達，為人類遺傳多樣性的研究提供基本數據，揭示人類單基因異常和嚴重危害人類健康的多基因病的致病基因或者疾病易感基因，建立對各種基因病新的診治方法，從而推動整個生命科學和醫學領域發展。其基本任務是建立人類基因組的結構圖譜，即遺傳圖、物理圖、轉錄圖與序列圖，并在“制圖-測序”的基礎上鑒定人類的基因，繪出人類的基因圖。第2章人類基因一、人類結構基因組學（humanstructuralgenomics)集中建立遺傳圖、物理圖、轉錄圖、序列圖

基因圖（一）遺傳圖（geneticmap)—連鎖圖（linkagemap)——是以具有遺傳多態性的遺傳標記作為“位標”，以遺傳學距離作為“圖距”的基因組圖。遺傳多態性—指在一個遺傳座位上具有一個以上的等位基因（群體頻率>1%),該座位稱為多態性座位，可作為遺傳圖的“位標”。遺傳學距離是經典遺傳學中特有的重要概念。第2章人類基因具有遺傳多態性的標記是建立遺傳圖的要素：第一代DNA遺傳標記—RFLPBotstein于1980年最早應用的標記；RFLP局限性：1、提供的“多態性”的信息有限；2、現有的限制酶不可能檢出所有的核苷酸改變；3、需要用同位素標記與Southern雜交技術，不安全又不宜自動化。第二代DNA遺傳標記—STR：1、小衛星DNA-重復單位6-12個bp的VNTR2、微衛星或短串聯重復（STR）—重復單位2-6個bp的VNTR第2章人類基因STR有兩個最突出優點：1、作為遺傳標記的“多態性”與“高頻率”。2、采用重復序列兩側的特異性單拷貝序列作為其在基因組中定“點”標記，以PCR技術操作，可以實現機器化、自動化、電腦化以至完全機器人化。已建立6000多個STR為主體的遺傳標記組成的“連鎖圖”，平均分辨率已達0.7cM。第2章人類基因第三代DNA遺傳標記—SNP：1996年美國MIT的Lander所提出。1、與RFLP和STR等主要不同：不再以“長度”的差異作為檢測手段，而直接以序列的變異作為標記。2、SNP在核苷酸水平上把“序列圖”、“物理圖”和“遺傳圖”有機統一起來。3、可能摒棄遺傳標記分析技術“瓶頸”—凝膠電泳，用DNA測序技術構建基因組圖。第2章人類基因（二）物理圖：第一技術重要內容：是以一段已知核苷酸序列的DNA片段—稱為序列標記部位（STS）為“位標”，以Mb或kb作為圖距的基因組圖。STS的要求：1：在基因組中有明確的位置，位于重復序列兩側的單拷貝特異性序列，而忽略其重復序列。2、一段已知的序列。至1996年10月已建立22000個STS的物理圖，X染色體物理圖平均分辨率已達75kb。第2章人類基因第二重要內容：是建立以DNA克隆片段相互重疊的“鄰接克隆群—conting”?！班徑涌寺∪骸钡膶嶒灅藴剩河肞CR證明這些片段含有STS的序列—呈現陽性，并確定這些片段在基因組中的位置。借助于酵母人工YAC片段巨大（0.5~2Mb）的優點，構建總體覆蓋率幾乎100%的“YAC鄰接克隆群”；細菌人工染色體（BAC）構建總體覆蓋率為100%的、精度更高的“鄰接克隆群”。第2章人類基因第2章人類基因“物理圖”的建立應該歸功于DNA克隆技術70年代重大突破—DNA克隆技術（遺傳工程技術之一）：1、質粒—裝載能力，即插入片段<10kb2、噬菌體—裝載能力達20kb。3、兼有病毒與質粒優點的粘?！b載能力可達30~40kb。4、YAC—是人類認識真核生物染色體的重大飛躍。其獨特優點是裝載能力可達0.5~2Mb，是大片段DNA載體；其次其“人工染色體”性質具有準確復制并隨著宿主細胞分裂而分離。第2章人類基因總結：1、以STS為位標的“序列標記”將遺傳圖、細胞遺傳學圖以及分子水平的物理圖—序列圖統一成整體的人類基因組圖。2、真核生物的染色體是遺傳物質最客觀、最可靠、最方便的“物理標記”，細胞遺傳圖可以說是人類基因組的最基本層次的基因組圖。3、人類擁有的完整的、多層次的、全方位的“基因組全圖”包括細胞遺傳學圖—以區、帶為標記或以人為的等分圖即染色體長度的百分率為標記、大規模的限制圖—以稀有酶切點為標記與精細限制圖—以常規限制性內切酶的位點為標記、基因組特異序列—如CpG序列、Alu序列等圖，DNA克隆圖以及分子水平的核苷酸序列圖，自發的染色體斷裂點圖與重組部位圖。第2章人類基因（三）轉錄圖：以“表達序列標記”（EST）繪制轉錄圖（也稱cDNA圖或表達圖——人類“基因圖”的雛形。1990年提出“cDNA策略”，并作為“基因組全圖策略的補充”。1996年，至少已來自300個組織的60多萬個EST，總長度至少在200Mb以上?，F已有53000個各不相同的轉錄本片段，可能代表30%~50%的基因的大部分信息。第2章人類基因轉錄圖與EST的現實意義：1、為估計人類基因的數目提供較為可靠的依據。2、提供不同組織、不同發育階段的基因表達的數目、種類及結構，特別是序列的信息。3、提供了鑒定基因的探針，以EST可從“全長cDNA文庫”篩到全長cDNA。4、本身就有直接的經濟價值。作為“基因組”的一種物理標記，EST尚缺少定位的信息。現在可用FISH及比較基因組雜交（CGH）來基因定位。第2章人類基因（四）序列圖以DNA測序繪制序列圖，是分子水平的最高層次的、最詳盡的物理圖。測序總長度約為1m，由30億核苷酸組成的序列圖是人類基因組計劃中最為明確、最為艱巨的定量、定質、定時的任務。目前，測定技術的限制：由于一次測序反應尚不能超過1Kb，效率低而不被大規模采用。目前測序中心的主要策略：以大片段克隆建立插入片段約10Kb左右的質粒亞文庫，再隨機挑選質粒單克隆分別測序，再以電腦程序進行裝配。第2章人類基因使用Sequation自動化測序儀：一天能進行2萬個測序反應。技術核心主要為Sanger等“酶促末端終止法”+聚丙烯酰胺電泳+掃描隧道電鏡。最有前途：DNA芯片（DNA距陣）——思路類似于“寡核苷酸反向雜交法”；目前在晶體上以“光刻法”直接合成高密度的可控制序列寡核苷酸的