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1、基因結(jié)構(gòu)及基因組學(xué)植物基因工程1第一節(jié)第一節(jié) 基因結(jié)構(gòu)與功能基因結(jié)構(gòu)與功能2什么是基因？什么是基因？孟德?tīng)栐诿系聽(tīng)栐?866年發(fā)表的年發(fā)表的植物雜交的試驗(yàn)植物雜交的試驗(yàn)一文中提出了一文中提出了“遺傳因遺傳因子子”的概念。的概念。1909年，丹麥人約翰遜將孟德?tīng)栁恼轮械倪z傳因子稱為基因，年，丹麥人約翰遜將孟德?tīng)栁恼轮械倪z傳因子稱為基因，于是，基因的概念便成了遺傳學(xué)中的一個(gè)基本概念。于是，基因的概念便成了遺傳學(xué)中的一個(gè)基本概念。1910年，美國(guó)人摩爾根發(fā)表了關(guān)于果蠅性連鎖遺傳的論文，將一個(gè)基年，美國(guó)人摩爾根發(fā)表了關(guān)于果蠅性連鎖遺傳的論文，將一個(gè)基因和一個(gè)具體的染色體的行為聯(lián)系起來(lái)。因和一個(gè)具體的染

2、色體的行為聯(lián)系起來(lái)。DNA是遺傳物質(zhì)。是遺傳物質(zhì)。DNA堿基的突變導(dǎo)致表型的改變。堿基的突變導(dǎo)致表型的改變?；虻谋举|(zhì)就是DNA基因的概念基因的概念基因（遺傳因子）是遺傳的基本單元，是基因（遺傳因子）是遺傳的基本單元，是DNA或或RNA分子上具有分子上具有遺傳信息的特定核苷酸序列?；蛲ㄟ^(guò)復(fù)制把遺傳信息傳遞給下一代，使遺傳信息的特定核苷酸序列?；蛲ㄟ^(guò)復(fù)制把遺傳信息傳遞給下一代，使后代出現(xiàn)與親代相似的性狀?；騼?chǔ)存著生命孕育、生長(zhǎng)、凋亡過(guò)程的全后代出現(xiàn)與親代相似的性狀?；騼?chǔ)存著生命孕育、生長(zhǎng)、凋亡過(guò)程的全部信息，通過(guò)復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、表達(dá)，完成生命繁衍、細(xì)胞分裂和蛋白質(zhì)合成部信息，通過(guò)復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、

3、表達(dá)，完成生命繁衍、細(xì)胞分裂和蛋白質(zhì)合成等重要生理過(guò)程。生物體的生、長(zhǎng)、病、老、死等一切生命現(xiàn)象都與基因等重要生理過(guò)程。生物體的生、長(zhǎng)、病、老、死等一切生命現(xiàn)象都與基因有關(guān)。它也是決定生命健康的內(nèi)在因素。因此，基因具有雙重屬性：物質(zhì)有關(guān)。它也是決定生命健康的內(nèi)在因素。因此，基因具有雙重屬性：物質(zhì)性（存在方式）和信息性（根本屬性）。性（存在方式）和信息性（根本屬性）?；虻母拍罨虻母拍睿?）基因是原核、真核生物以及病毒的）基因是原核、真核生物以及病毒的DNA和和RNA分子中具有遺傳效分子中具有遺傳效應(yīng)的核苷酸序列，是遺傳的基本單位。應(yīng)的核苷酸序列，是遺傳的基本單位。（2）基因是）基因是DNA分

4、子中含有特定遺傳信息的一段核苷酸序列，分子中含有特定遺傳信息的一段核苷酸序列，是遺傳物質(zhì)的最小功能單位。是遺傳物質(zhì)的最小功能單位。（3）對(duì)于編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因來(lái)說(shuō)，基因是決定一條多肽鏈的）對(duì)于編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因來(lái)說(shuō)，基因是決定一條多肽鏈的DNA片片段。段。根據(jù)是否具有轉(zhuǎn)錄和翻譯功能可以分為三類根據(jù)是否具有轉(zhuǎn)錄和翻譯功能可以分為三類第一類是第一類是編碼蛋白質(zhì)的基因編碼蛋白質(zhì)的基因，它具有轉(zhuǎn)錄和翻譯功能，它具有轉(zhuǎn)錄和翻譯功能，包括編碼酶和結(jié)構(gòu)蛋白的結(jié)構(gòu)基因以及編碼阻遏蛋白包括編碼酶和結(jié)構(gòu)蛋白的結(jié)構(gòu)基因以及編碼阻遏蛋白的調(diào)節(jié)基因的調(diào)節(jié)基因第二類是第二類是只有轉(zhuǎn)錄功能而沒(méi)有翻譯功能的基因只有轉(zhuǎn)錄功

5、能而沒(méi)有翻譯功能的基因，包括，包括tRNA基因和基因和rRNA基因基因第三類是第三類是不轉(zhuǎn)錄的基因不轉(zhuǎn)錄的基因，它對(duì)基因表達(dá)起調(diào)節(jié)控制作用，它對(duì)基因表達(dá)起調(diào)節(jié)控制作用，包括啟動(dòng)基因和操縱基因包括啟動(dòng)基因和操縱基因原核細(xì)胞真核細(xì)胞原核生物無(wú)細(xì)胞核，染色體散在細(xì)胞質(zhì)的核區(qū)中。原核生物無(wú)細(xì)胞核，染色體散在細(xì)胞質(zhì)的核區(qū)中。一般只有一個(gè)染色體，即一個(gè)一般只有一個(gè)染色體，即一個(gè)DNA或或RNA分子，分子，Gene 是連續(xù)的。是連續(xù)的。大多數(shù)是雙鏈環(huán)狀，少數(shù)為單鏈、線狀；大多數(shù)是雙鏈環(huán)狀，少數(shù)為單鏈、線狀；如：大腸桿菌，雙鏈環(huán)狀如：大腸桿菌，雙鏈環(huán)狀DNA分子，分子，30004000個(gè)個(gè) 基因，基因，4.2

6、x106 bp,已經(jīng)定位已經(jīng)定位900多個(gè)基因多個(gè)基因真核生物有細(xì)胞核，染色體存在于細(xì)胞核中。真核生物有細(xì)胞核，染色體存在于細(xì)胞核中。Gene結(jié)構(gòu)復(fù)雜，斷裂基因，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，斷裂基因，34萬(wàn)個(gè)萬(wàn)個(gè)Gene；Gene大小差別很大。大小差別很大。珠蛋白珠蛋白 基因（基因（1700bp）=3個(gè)外顯子個(gè)外顯子+2個(gè)內(nèi)含子。個(gè)內(nèi)含子。DMD基因（基因（2300kb）79個(gè)外顯子個(gè)外顯子 ，78個(gè)個(gè)內(nèi)含子。內(nèi)含子。（迄今認(rèn)識(shí)的最大的基因）（迄今認(rèn)識(shí)的最大的基因）在結(jié)構(gòu)基因中，編碼序列稱為在結(jié)構(gòu)基因中，編碼序列稱為外顯子外顯子(exon)，表達(dá)多肽鏈部分。非，表達(dá)多肽鏈部分。非編碼序列稱為編碼序列稱為內(nèi)含子內(nèi)

7、含子(Intron)，又稱插入序列。，又稱插入序列。珠蛋白珠蛋白 基因（基因（1700bp）=3個(gè)外顯子個(gè)外顯子+2個(gè)內(nèi)含子。個(gè)內(nèi)含子。DMD基因（基因（2300kb）=79個(gè)外顯子個(gè)外顯子+78 個(gè)內(nèi)含子。（迄今認(rèn)識(shí)的最大的基個(gè)內(nèi)含子。（迄今認(rèn)識(shí)的最大的基因）因）真核生物內(nèi)含子和外顯子真核生物內(nèi)含子和外顯子 不是完全固定不變的，有時(shí)同一不是完全固定不變的，有時(shí)同一DNA 鏈鏈上的某一段上的某一段DNA序列，當(dāng)它作為編碼某一多肽鏈的基因時(shí)是外顯子，序列，當(dāng)它作為編碼某一多肽鏈的基因時(shí)是外顯子，而作為編碼另一多肽鏈時(shí)，則是內(nèi)含子。這樣，同一基因卻可以轉(zhuǎn)錄而作為編碼另一多肽鏈時(shí)，則是內(nèi)含子。這樣，

8、同一基因卻可以轉(zhuǎn)錄兩種或兩種以上的兩種或兩種以上的mRNA。真核生物某些結(jié)構(gòu)真核生物某些結(jié)構(gòu)Gene沒(méi)有內(nèi)含子，如組蛋白沒(méi)有內(nèi)含子，如組蛋白Gene，干擾素，干擾素Gene等。它等。它們多以基因簇形式存在，大多數(shù)的酵母結(jié)構(gòu)們多以基因簇形式存在，大多數(shù)的酵母結(jié)構(gòu)Gene也沒(méi)有內(nèi)含子。也沒(méi)有內(nèi)含子。10hnRNA:heterogeneous RNA11 在每個(gè)外顯子和內(nèi)含子的接頭區(qū)都是一段高在每個(gè)外顯子和內(nèi)含子的接頭區(qū)都是一段高度保守的共有序列，內(nèi)含子的度保守的共有序列，內(nèi)含子的5端是端是GT，3端是端是AG，這種接頭方式稱為，這種接頭方式稱為GT-AG法則法則，普遍存在于，普遍存在于真核生物中，

9、是真核生物中，是RNA剪接的識(shí)別信號(hào)，轉(zhuǎn)錄后的剪接的識(shí)別信號(hào)，轉(zhuǎn)錄后的前體前體RAN中的內(nèi)含子剪接位點(diǎn)。中的內(nèi)含子剪接位點(diǎn)。1213 每個(gè)結(jié)構(gòu)基因的第一個(gè)和最后一個(gè)外顯子的外側(cè)，都有一段不被轉(zhuǎn)錄的非編碼區(qū)，稱為側(cè)翼序列（Flanking sequence）。它是基因的調(diào)控序列，對(duì)基因的有效表達(dá)起調(diào)控作用，包括：?jiǎn)?dòng)子、增強(qiáng)子、終止子等。14 啟動(dòng)子（Promoter）是一段特定的核苷酸序列，位于Gene轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游的100bp 范圍內(nèi)，是RNA聚合酶的結(jié)合部位，能促進(jìn)轉(zhuǎn)錄過(guò)程。Promoter決定DNA中的轉(zhuǎn)錄鏈。TATA框（TATA Box）是一段高度保守序列（TATAA），位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)

10、上游-25-30 bp（原核生物-10區(qū)）。TATA框與轉(zhuǎn)錄因子TFII結(jié)合，再與RNA 聚合酶II形成復(fù)合物，從而準(zhǔn)確地識(shí)別轉(zhuǎn)錄起始位置，對(duì)轉(zhuǎn)錄水平有定量效應(yīng)。15CAAT框（CAAT Box）:是一段保守序列（CCAAT），位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游-70-80bp（原核生物-35區(qū)）,轉(zhuǎn)錄因子CTF識(shí)別位點(diǎn)并與之結(jié)合，激活轉(zhuǎn)錄。GC框（GC Box）:順序?yàn)镚GCGGG,有兩個(gè)拷貝，位于CAAT Box兩側(cè)，與轉(zhuǎn)錄因子SP1結(jié)合。（SP1有鋅指區(qū)可以與DNA結(jié)合，在N端有激活轉(zhuǎn)錄的作用）GC框有激活轉(zhuǎn)錄的功能。161718增強(qiáng)子（增強(qiáng)子（Enhancer）能強(qiáng)化轉(zhuǎn)錄起始的一段能強(qiáng)化轉(zhuǎn)錄起始的一段

11、DNA序列。序列。1981年年Benerji在在SV40噬菌體噬菌體DNA中發(fā)現(xiàn)一個(gè)中發(fā)現(xiàn)一個(gè)140bp的序列，它能的序列，它能大大提高大大提高SV40DNA/兔兔血紅蛋白融合基因的表達(dá)水平，這是血紅蛋白融合基因的表達(dá)水平，這是發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)增強(qiáng)子。它位于發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)增強(qiáng)子。它位于SV40早期基因的上游，由兩個(gè)早期基因的上游，由兩個(gè)正向重復(fù)序列組成，每個(gè)長(zhǎng)正向重復(fù)序列組成，每個(gè)長(zhǎng)72 bp。目前發(fā)現(xiàn)的增強(qiáng)子多半是重。目前發(fā)現(xiàn)的增強(qiáng)子多半是重復(fù)序列，一般長(zhǎng)復(fù)序列，一般長(zhǎng)50bp，通常有一個(gè)，通常有一個(gè)812bp組成的組成的“核心核心”序序列，如列，如SV40增強(qiáng)子的核心序列是增強(qiáng)子的核心序列是5G

12、GTGTGGAAAG3。19特點(diǎn)：特點(diǎn)：在任意位置都有效在任意位置都有效增強(qiáng)子提高同一條增強(qiáng)子提高同一條DNA鏈上基因轉(zhuǎn)錄效鏈上基因轉(zhuǎn)錄效率，可以遠(yuǎn)距離作用，通常可距離率，可以遠(yuǎn)距離作用，通?？删嚯x14kb、個(gè)別情況下離開(kāi)所、個(gè)別情況下離開(kāi)所調(diào)控的基因調(diào)控的基因30kb仍能發(fā)揮作用，而且在基因的上游或下游都能起仍能發(fā)揮作用，而且在基因的上游或下游都能起作用。作用。無(wú)方向性無(wú)方向性增強(qiáng)子作用與其序列的正反方向無(wú)關(guān)，將增強(qiáng)子方增強(qiáng)子作用與其序列的正反方向無(wú)關(guān)，將增強(qiáng)子方向倒置依然能起作用。而將啟動(dòng)子倒就不能起作用，可見(jiàn)增強(qiáng)子與向倒置依然能起作用。而將啟動(dòng)子倒就不能起作用，可見(jiàn)增強(qiáng)子與啟動(dòng)子是很不相

13、同的。啟動(dòng)子是很不相同的。有組織特異性有組織特異性例如：例如：Beta珠蛋白珠蛋白Gene增強(qiáng)子是由串聯(lián)重增強(qiáng)子是由串聯(lián)重復(fù)的兩個(gè)復(fù)的兩個(gè)72bp長(zhǎng)的相同序列組成，位于轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)上游長(zhǎng)的相同序列組成，位于轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)上游-1400bp或或下游下游3300bp處，均可增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄效率（活性）處，均可增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄效率（活性）200倍。增強(qiáng)子在倍。增強(qiáng)子在轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的上下游一定范圍內(nèi)增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄效率。作用可以是轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的上下游一定范圍內(nèi)增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄效率。作用可以是53，也可以是，也可以是35方向。方向。20終止子（終止子（Terminator）由一段回文序由一段回文序列以及特定的序列（列以及特定的序列（PolyA）5-

14、AATAAA-3組成。組成?；匚男蛄袨檗D(zhuǎn)錄終止號(hào)?；匚男蛄袨檗D(zhuǎn)錄終止號(hào)。PolyA為附為附加信號(hào)。終止子為反向重復(fù)序列，加信號(hào)。終止子為反向重復(fù)序列，是是RNA聚合酶停止工作的信號(hào)，反向聚合酶停止工作的信號(hào)，反向重復(fù)序列轉(zhuǎn)錄后，可以形成發(fā)夾式結(jié)重復(fù)序列轉(zhuǎn)錄后，可以形成發(fā)夾式結(jié)構(gòu)，并且形成一串構(gòu)，并且形成一串U。發(fā)夾式結(jié)構(gòu)阻礙。發(fā)夾式結(jié)構(gòu)阻礙了了RNA聚合酶的移動(dòng)。一串聚合酶的移動(dòng)。一串U的的U與與DNA模板中的模板中的A的結(jié)合不穩(wěn)定，從模的結(jié)合不穩(wěn)定，從模板上脫落下來(lái)，終止轉(zhuǎn)錄。板上脫落下來(lái)，終止轉(zhuǎn)錄。21調(diào)控序列（調(diào)控序列（Regulator Sequence）包括啟動(dòng)子，增強(qiáng)子和終包括啟動(dòng)

15、子，增強(qiáng)子和終止子均屬于基因的順式調(diào)控因子（止子均屬于基因的順式調(diào)控因子（順式作用元件順式作用元件），是），是人類人類Gene組中的一些特殊序列，起調(diào)控基因表達(dá)的作用。組中的一些特殊序列，起調(diào)控基因表達(dá)的作用。反式作用因子：反式作用因子：是指能直接或間接地識(shí)別或結(jié)合在各類是指能直接或間接地識(shí)別或結(jié)合在各類順式作用元件核心序列上參與調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄效率的蛋順式作用元件核心序列上參與調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄效率的蛋白質(zhì)，如白質(zhì)，如TFII、CTF、SP1等。等。22第二節(jié)第二節(jié) 基因組基因組基因組中不同的區(qū)域具有不同的功能基因組中不同的區(qū)域具有不同的功能有些區(qū)域編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因有些區(qū)域編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因

16、有些區(qū)域是復(fù)制及轉(zhuǎn)錄的調(diào)控信號(hào)有些區(qū)域是復(fù)制及轉(zhuǎn)錄的調(diào)控信號(hào)有些區(qū)域的功能尚不清楚有些區(qū)域的功能尚不清楚基因組（基因組（genome）：?jiǎn)伪扼w細(xì)胞中包括編碼序列和非）：?jiǎn)伪扼w細(xì)胞中包括編碼序列和非編碼序列在內(nèi)的全部編碼序列在內(nèi)的全部DNA分子。分子。Winkler在在1920年首次提出基因組（年首次提出基因組（genome）一詞，意）一詞，意為為gene與與chromosome的組合。目前在不同的學(xué)科中，對(duì)的組合。目前在不同的學(xué)科中，對(duì)基因組含義的表述有所不同，概括為如下：基因組含義的表述有所不同，概括為如下：從細(xì)胞遺傳學(xué)的角度來(lái)看從細(xì)胞遺傳學(xué)的角度來(lái)看，基因組是指一個(gè)生物物種單，基因組是指一個(gè)生物物種單倍體的所有染色體數(shù)目的總和；倍體的所有染色體數(shù)目的總和；從經(jīng)典遺傳學(xué)的角度來(lái)看從經(jīng)典遺傳學(xué)的角度來(lái)看，基因組是一個(gè)生物物種的所有，基因組是一個(gè)生物物種的所有基因的總和；基因的總和；從分子遺傳學(xué)的角度來(lái)看從分子遺傳學(xué)的角度來(lái)看，基因組是一個(gè)生物物種所有，基因組是一個(gè)生物物種所有的不同核酸分子的總和；的不同核酸分子的總和；從現(xiàn)代生物學(xué)的角度來(lái)看從現(xiàn)代生物學(xué)的角度來(lái)看，基因組是指導(dǎo)一個(gè)生物物