真核細(xì)胞基因組結(jié)構(gòu)與功能.ppt

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真核細(xì)胞基因組結(jié)構(gòu)與功能 染色體的結(jié)構(gòu) 染色體研究的歷史背景染色體的化學(xué)組成核小體的結(jié)構(gòu) 染色體研究的歷史背景 1865年 Mendel 奧地利 歷時八年 完成了植株 豌豆 雜交試驗 在此基礎(chǔ)上總結(jié)出二個著名遺傳學(xué)定律 分離定律 獨立分配定律 遺傳因子 geneticfactor 是Mendel定律的基本思路 每一植株的各種相對性狀都來源兩個相同的 遺傳因子 它們有顯性和隱性之分 遺傳因子 含義是指決定遺傳性狀的基本遺傳單位 遺傳因子 染色體 存在于細(xì)胞核中 經(jīng)適當(dāng)染色后可見由細(xì)絲狀顆粒物質(zhì)所組成 一般在細(xì)胞分裂時才能看到在不同物種的細(xì)胞中 它們的數(shù)目不一樣 但總是以二條成對的同源 homologous 染色體的形式存在 且數(shù)目恒定 細(xì)胞周期 cellcycle 細(xì)胞產(chǎn)生到分裂成子細(xì)胞之間的過程 大腸桿菌約每30分鐘分裂一次 其中大約29分鐘花在復(fù)制DNA果蠅的胚胎細(xì)胞周期只有8分鐘大部分成長中的動植物細(xì)胞要花10 20個小時才分裂完畢 染色體是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ) 體細(xì)胞增殖 有絲分裂 mitosis 方式 染色體對自身復(fù)制 姐妹染色體 sisterchromatid 姐妹染色體一分為二進(jìn)入子細(xì)胞 細(xì)胞分裂 染色體是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ) 生殖細(xì)胞增殖 減數(shù)分裂 meiosis 方式 同源染色體分別進(jìn)入新的子代細(xì)胞而產(chǎn)生生殖細(xì)胞 配子 精子或卵子 配子只含有體細(xì)胞一半的染色體數(shù) 配子結(jié)合成合子后又恢復(fù)到體細(xì)胞的染色體數(shù) 一個來自父本 一個來自母本 減數(shù)分裂 染色體與 遺傳因子 極其相似 二者均成對存在 且其中的每個成員分別來自父 母親代產(chǎn)生配子時 配子只含 遺傳因子 等位基因 中的一個或染色體對中的一條非等位基因及非同源染色體均可自由組合到配子中在上述基礎(chǔ)上 Sutton和Boveri 1902 1903 提出了染色體遺傳學(xué)認(rèn)為 染色體是 遺傳因子 的攜帶者 基因連鎖和交換規(guī)律 Morgan 發(fā)現(xiàn)了伴性基因 總結(jié)出了遺傳學(xué)上著名的基因連鎖 linkage 和交換 crossing over 規(guī)律通過測定連鎖的回交試驗 證實了基因在染色體上呈線性排列的事實產(chǎn)生了遺傳學(xué)上最早的基因定位線性遺傳圖 Homologouschiasma ConversionandCrossover 染色體的主要化學(xué)成分 DNA蛋白質(zhì)RNA生化研究表明 上述三類組成染色體的化學(xué)成分中 蛋白質(zhì)含量約為DNA的二倍 根據(jù)組成蛋白質(zhì)的氨基酸特點分為組蛋白和非組蛋白兩類 RNA含量很少 還不到DNA量的10 組蛋白 histones 染色體中的堿性蛋白質(zhì) 特點 富含二種堿性氨基酸 賴氨酸和精氨酸 根據(jù)這兩種氨基酸在蛋白質(zhì)分子中的相對比例將組蛋白分為五種小類型 五種組蛋白比較 組蛋白 組蛋白的等電點 pI 在7 5 10 5之間 所含的強極性氨基酸使組蛋白帶上大量電荷 成為組蛋白與DNA結(jié)合及蛋白質(zhì)之間的相互作用的主要化學(xué)力之一根據(jù)所含堿性氨基酸的相對比例劃分為三種類型 富精氨酸組蛋白 H3和H4 稍富賴氨酸組蛋白 H2A和H2B 及極富賴氨酸組蛋白 H1 組蛋白 五種組蛋白的氨基酸全順序均已確定 H3和H4的序列在各種屬之間極少有差異 這種生物進(jìn)化上的高度保守性預(yù)示著其功能的重要性 其它三種組蛋白在不同種屬之間存在著較大的差異組蛋白對染色體中DNA的包裝有十分重要的作用 組蛋白 非組蛋白 non histoneprotein NHP 染色體中組蛋白以外的其它蛋白質(zhì)是一大類種類繁雜的各種蛋白質(zhì)的總稱估計總數(shù)在300 600之間分子量范圍為7 80kD等電點為3 9 9 2 非組蛋白功能 1 參與并調(diào)控基因表達(dá) 參與基因復(fù)制 轉(zhuǎn)錄及核酸修飾的酶類 如各種DNA和RNA聚合酶等 就是一類重要的非組蛋白 參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控的蛋白質(zhì)2 維持染色體的高級結(jié)構(gòu) 非組蛋白中的核基質(zhì)蛋白對于維持染色體的高級結(jié)構(gòu)是必不可少的 染色體的包裝 核小體 nucleosome 1974年 Kornberg發(fā)現(xiàn)核小體 核小體是所有真核生物染色體的基本結(jié)構(gòu)單位 核小體的研究 一 電鏡觀察破裂的間期細(xì)胞流出的染色質(zhì) 可見染色質(zhì)纖維呈非連續(xù)性顆粒狀 就像一條細(xì)線上串聯(lián)著許多有一定間隔的小珠狀顆粒 核小體 用小球菌核酸酶處理提取的染色質(zhì) 可得到單個的核小體顆粒對染色質(zhì)進(jìn)行酶解處理 通過凝膠電泳鑒定 發(fā)現(xiàn) 產(chǎn)物是一系列不同長度的DNA片段 且這些片段之間有一個200bp左右的 階差 核小體的研究 二 對核小體多聚體的研究 獲得的結(jié)果是 相鄰多聚體之間的DNA 階差 等于核小體單體中的DNA長度 200bp左右 且多聚體分子量總是單體分子量的整倍數(shù)以密度梯度離心法制備核小體單體 對其中的蛋白質(zhì)進(jìn)行化學(xué)分析得知 每一個單體中含有H2A H2B H3和H4各二分子 它們構(gòu)成一個八聚體 H1一分子 核小體是染色體的基本結(jié)構(gòu)單位 核小體重復(fù)單位 所有真核生物中具有普遍意義的染色體基本結(jié)構(gòu)不同生物 或同種生物的不同細(xì)胞 的核小體 其DNA片段長度的有所差別一種細(xì)胞通常有特定的平均值 一般為180 200bp每一核小體所含的DNA與組蛋白的量大致相等 核小體結(jié)構(gòu)的研究 一 核酸酶酶解實驗結(jié)果 核小體由核心顆粒 coreparticle 和連接區(qū)DNA linkerDNA 二部分組成核小體單體被小球菌核酸酶處理后 隨著時間延長 其降解產(chǎn)物 DNA片段 會逐漸縮短 從200bp降至146bp至此變?yōu)楹茈y進(jìn)一步降解的穩(wěn)定狀態(tài) 核小體結(jié)構(gòu)的研究 二 對此穩(wěn)定降解產(chǎn)物進(jìn)行分析 證明它是由146bp的DNA片段和H2A H2B H3和H4各二分子組成 這種結(jié)構(gòu)稱為核心顆粒 coreparticle H1總是隨著核心顆粒的形成而消失 通常是在DNA被降解至160bp以后 提取物中H1丟失 提示H1位于 裸露 DNA與核心顆粒的毗鄰區(qū) 核小體結(jié)構(gòu)的研究 三 核心顆粒外 裸露 的DNA長度為60bp左右 稱為連接區(qū)DNA linkerDNA 連接區(qū)DNA的長度在不同物種差異較大 其范圍在10 140bp 核小體結(jié)構(gòu)的研究 四 生物物理的有關(guān)研究說明 DNA盤繞在組蛋白八聚體的周圍 呈很有規(guī)律的螺旋狀根據(jù)上述結(jié)果 我們對核小體的結(jié)構(gòu)可作這樣的描述 染色質(zhì)中的DNA雙螺旋鏈 等距離纏繞組蛋白八聚體形成眾多核心顆粒 各顆粒之間為帶有H1組蛋白的連接區(qū)DNA 組成染色質(zhì)的重復(fù)結(jié)構(gòu)單位就是核小體 核小體結(jié)構(gòu) 一 1 核心顆粒外觀呈橢圓形 軸比為0 5 顆粒直徑11nm 高5 5nm 繞顆粒的DNA長度為50nm 146bp 連接區(qū)DNA長度為20nm 約60bp 核小體結(jié)構(gòu) 二 2 H2A H2B H3 H4 2構(gòu)成的致密八聚體位于顆粒中央 外繞1 75圈左走向的DNA鏈 每圈約85bpDNA 螺旋間距為2 8nm 組蛋白主要為 螺旋 處于DNA雙螺旋的大溝中 靠靜電引力與DNA保持穩(wěn)定結(jié)合 由于空間構(gòu)象的關(guān)系 纏繞在蛋白八聚體上的DNA鏈并非所有部分都與組蛋白結(jié)合 核小體結(jié)構(gòu) 三 3 相鄰核心顆粒由連接區(qū)DNA連接 其伸展長度約20nm 據(jù)認(rèn)為天然狀況下由于核小體是緊挨著的 這一空間距離可能并不存在 H1組蛋白結(jié)合在靠核心顆粒的連接區(qū)DNA上 染色體的包裝 超螺旋結(jié)構(gòu) 核小體 染色體DNA的一級包裝由直徑2nm的DNA雙螺旋鏈繞組蛋白形成直徑11nm的核小體 串珠 結(jié)構(gòu) 若以每堿基對沿螺旋中軸上升距離為0 34nm計 200bpDNA 一個核小體的DNA片段 的伸展長度為68nm 形成核小體后僅為11nm 核小體直徑 其長度壓縮了6 7倍 染色體的包裝 超螺旋結(jié)構(gòu) 螺線管纖維 solenoidalfiber 染色體DNA二級包裝由6個核小體盤繞形成一種中空螺線管 其外徑為30nm 因此 螺線管的形成使DNA一級包裝又壓縮小6倍若以充分伸展的DNA雙螺旋論 每個螺線管包含了408nm 6 68nm 長度的DNA鏈 而每圈螺線管的長度幾乎等于核小體直徑 即11nm 故染色體的二級包裝相當(dāng)于將DNA長度壓縮了近40倍 染色體的包裝 超螺旋結(jié)構(gòu) 環(huán)狀螺線管 染色體DNA的三級的包裝電鏡顯示 由螺線管纖維纏繞在一個由某些非組蛋白構(gòu)成的中心軸 centralaxis 骨架上形成的 這顯然使螺線管纖維得到了較大程度的壓縮 染色體的包裝 超螺旋結(jié)構(gòu) 三級包裝后 DNA鏈被壓縮的程度仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以形成能被細(xì)胞核容納的染色體 因此 環(huán)狀螺線管纖維需進(jìn)一步包裝從環(huán)狀螺線管到包裝形成染色體 是DNA壓縮程度最高的階段 估計在200 240倍 經(jīng)各級包裝后染色體DNA總共被壓縮了數(shù)千倍 8100多倍 染色體的包裝 真核生物染色體基因組的結(jié)構(gòu)和功能 真核生物的基因組比較龐大 人的單倍體基因組3 16 109bp按1000個堿基編碼一種蛋白質(zhì)計 理論上 可有300萬個基因?qū)嶋H上 人細(xì)胞中所含基因總數(shù)大概不會超過10萬個說明 人類細(xì)胞基因組中有許多DNA序列并不轉(zhuǎn)錄成mRNA用于指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成 真核生物基因組特點 1 真核生物基因組DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體 儲存于細(xì)胞核內(nèi) 除配子細(xì)胞外 體細(xì)胞內(nèi)的基因的基因組是雙份的 即雙倍體 diploid 即有兩份同源的基因組2 真核細(xì)胞基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子 一個結(jié)構(gòu)基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄生成一個mRNA分子 再翻譯生成一條多肽鏈 真核生物基因組特點 3 存在重復(fù)序列 重復(fù)次數(shù)可達(dá)百萬次以上4 基因組中不編碼的區(qū)域多于編碼的區(qū)域5 大部分基因含有內(nèi)含子 因此 基因是不連續(xù)的 斷裂基因 splitgene 6 基因組遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原核生物的基因組 具有許多復(fù)制起始點 而每個復(fù)制子的長度較小 真核生物基因結(jié)構(gòu)示意圖 高度重復(fù)序列highrepeatedsequence 高度重復(fù)序列在基因組中重復(fù)頻率高 可達(dá)百萬 106 以上 因此復(fù)性速度很快在基因組中所占比例隨種屬而異 約占10 60 在人基因組中約占20 高度重復(fù)順序又按其結(jié)構(gòu)特點分為三種 高度重復(fù)序列 種類反向重復(fù)序列衛(wèi)星DNA較復(fù)雜的重復(fù)單位組成的重復(fù)順序功能 倒位 反向 重復(fù)序列reverserepeatedsequence 這種重復(fù)順序復(fù)性速度極快 即使在極稀的DNA濃度下 也能很快復(fù)性 因此又稱零時復(fù)性部分 約占人基因組的5 反向重復(fù)序列由兩個相同順序的互補拷貝在同一DNA鏈上反向排列而成 變性后再復(fù)性時 同一條鏈內(nèi)的互補的拷貝可以形成鏈內(nèi)堿基配對 形成發(fā)夾式或 字形結(jié)構(gòu) 倒位 反向 重復(fù)序列 倒位 反向 重復(fù)序列 倒位重復(fù) 即兩個互補拷貝 間可有一到幾個核苷酸的間隔 也可以沒有間隔沒有間隔的又稱回文 palimdrome 回文結(jié)構(gòu)約占所有倒位重復(fù)的三分之一 衛(wèi)星DNAsatelliteDNA 重復(fù)順序 由2 10bp組成重復(fù)單位 重復(fù)單位成串排列而成由于這類序列的堿基組成不同于其他部份 可用等密度梯度離心法將其與主體DNA分開 因而稱為衛(wèi)星DNA 或隨體DNA 在人細(xì)胞組中 衛(wèi)星DNA約占5 6 按其浮力密度不同 人的衛(wèi)星DNA可分為 四種 衛(wèi)星DNA 衛(wèi)星DNA 果蠅的衛(wèi)星DNA順序已經(jīng)搞清楚 可分為三類 這三類衛(wèi)星DNA都是由7bp組成的高度重復(fù)順序 衛(wèi)星 為 5 ACAACTT3 衛(wèi)星 為 5 ACAAATT3 蟹的衛(wèi)星DNA為只有AT兩個堿基的重復(fù)順序組成 較復(fù)雜的重復(fù)單位組成的重復(fù)順序 這種重復(fù)順序為靈長類動物所獨有用限制性內(nèi)切酶Hind 消化非洲綠猴DNA 可以得到重復(fù)單位為172bp的高度重復(fù)順序 這種順序大部份由交替變化的嘌呤和嘧啶組成 有人把這類稱為 衛(wèi)星DNA人的 衛(wèi)星DNA更為復(fù)雜 含有多順序家族 高度重復(fù)順序的功能 1 調(diào)節(jié)反向序列常存在于DNA復(fù)制起點區(qū)的附近 另外 許多反向重復(fù)序列是一些蛋白質(zhì) 包括酶 與DNA的結(jié)合位點2 參與基因表達(dá)的調(diào)控DNA的重復(fù)順序可以轉(zhuǎn)錄到核內(nèi)不均一RNA hnRNA 分子中 并形成發(fā)夾結(jié)構(gòu) 這對穩(wěn)定RNA分子 免遭分解有重要作用 高度重復(fù)順序的功能 3 參與轉(zhuǎn)位作用幾乎所有轉(zhuǎn)位因子的末端都包括反向重復(fù)順序 長度由幾個bp到1400bp 由于這種順序可以形成回文結(jié)構(gòu) 因此在轉(zhuǎn)位作用中既能連接非同源的基因 又可以被參與轉(zhuǎn)位的特異酶所識別 高度重復(fù)順序的功能 4 與進(jìn)化有關(guān)不同種屬的高度重復(fù)順序的核苷酸序列不同 具有種屬特異性 但相近種屬又有相似性 如 人與非洲綠猴的 衛(wèi)星DNA長度僅差1個堿基 前者為171bp 后者為172bp 而且堿基序列有65 是相同的 這表明它們來自共同的祖先 高度重復(fù)順序的功能 5 同一種屬中不同個體的高度重復(fù)順序的重復(fù)次數(shù)不一樣 這可以作為每一個體的特征 即DNA指紋6 衛(wèi)星DNA成簇的分布在染色體著絲粒附近 可能與減數(shù)分裂時染色體配對有關(guān) 即同源染色體之間的聯(lián)會可能依賴于具有染色體專一性的特定衛(wèi)星DNA順序 中度重復(fù)序列middlerepeatedsequence Alu家族Kpn 家族Hinf家族rRNA基因多聚d d 家族組蛋白基因 中度重復(fù)順序 中度重復(fù)序列 在基因組中重復(fù)數(shù)十至數(shù)萬 105 次的重復(fù)順序中度重復(fù)序列復(fù)性速度快于單拷貝順序 但慢于高度重復(fù)順序少數(shù)在基因組中成串排列在一個區(qū)域 大多數(shù)與單拷貝基因間隔排列依據(jù)重復(fù)順序的長度 中度重復(fù)順序可分為 短分散片段 長分散片段 中度重復(fù)順序 短分散片段 shortinterspersedrepeatedsegments SINES 重復(fù)順序的平均長度 約為300bp在基因組中排列方式 與平均長度約為1000bp的單拷貝順序間隔排列拷貝數(shù) 10萬左右Alu家族Hinf家族 等 中度重復(fù)順序 長分散片段 Longinterspersedrepeatedsegments LINES 重復(fù)順序的長度 大于1000bp 平均長度為3500 5000bp在基因組中排列方式 與平均長度為13000bp 個別長幾萬bp 的單拷貝順序間隔排列拷貝數(shù) 1萬左右Kpn 家族 等 中度重復(fù)順序 中度重復(fù)順序在基因組中所占比例在不同種屬之間差異很大 一般約占10 40 在人約為12 大多不編碼蛋白質(zhì) 其功能可能類似于高度重復(fù)順序 但有些中度重復(fù)順序則是編碼蛋白質(zhì)或rRNA的結(jié)構(gòu)基因 如HLA基因 rRNA基因 tRNA基因 組蛋白基因 免疫球蛋白基因 等 中度重復(fù)順序 在結(jié)構(gòu)基因之間 基因簇中 以及內(nèi)含子內(nèi)都可以見到這些短的和長的中度重復(fù)順序中度重復(fù)順序一般具有種特異性 在適當(dāng)?shù)那闆r下 可以應(yīng)用它們作為探針區(qū)分不同種哺乳動物細(xì)胞的DNA 中度重復(fù)順序 Alu家族 是哺乳動物基因組中含量最豐富的一種中度重復(fù)順序家族在單倍體人基因組中重復(fù)達(dá)30萬 50萬次 約占人基因組的3 6 Alu家族每個成員的長度約300bp每個單位長度中有一個限制性內(nèi)切酶Alu的切點 AG CT Alu可將其切成長130和170bp的兩段 因而定名為Alu序列 或Alu家族 中度重復(fù)順序 Alu家族 Alu序列分散在整個人體或其他哺乳動物基因組中 在間隔區(qū)DNA 內(nèi)含子中都發(fā)現(xiàn)有Alu序列 平均每5kbDNA就有一個Alu順序Alu順序具有種特異性 人的Alu順序制備的探針只能用于檢測人的基因組中的Alu序列由于在大多數(shù)的含有人的DNA的克隆中都含有Alu順序 因此 可用人的Alu序列制備的探針與克隆雜交來進(jìn)行篩選 中度重復(fù)順序 Alu家族 序列分析表明 人類Alu順序是由兩個約130bp的正向重復(fù)構(gòu)成的二聚體 而在第二個單體中有一個31bp的插入序列 該插入序列在Alu家族的不同成員之間核苷酸順序相似但不相同每個Alu順序兩側(cè)為6 20bp的正向重復(fù)順序 側(cè)翼重復(fù)順序 不同的Alu成員的側(cè)翼重復(fù)順序也各不相同 中度重復(fù)順序 Alu家族 Alu序列的5 端比較保守 但富含脫氧腺苷酸殘基的3 端在不同的Alu成員中是有變化的在相近的生物體中Alu家族在結(jié)構(gòu)上存在相似性Alu序列在不同的哺乳動物之間存在著一定的相似性 但其序列相差較大 不會產(chǎn)生交叉雜交 中度重復(fù)順序 Alu家族 Alu家族在基因組中廣泛分布的原因可能是 Alu順序可由RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄成RNA分子 再經(jīng)反轉(zhuǎn)錄酶的作用形成cDNA 然后重新插入基因組所致有人認(rèn)為 Alu序列兩側(cè)存在著短的重復(fù)順序 使得Alu順序很象轉(zhuǎn)座子 因此推測Alu順序可能也是能夠移動的 這可能是它們在整個基因組中含量如此豐富 分布如此廣泛的原因之一 中度重復(fù)順序 Alu家族 中度重復(fù)順序 Alu家族 Alu家族的功能是多方面的 可能參與hnRNA的加工與成熟與遺傳重組及染色體不穩(wěn)定性有關(guān)有形成Z DNA的能力可能具有轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)作用 中度重復(fù)順序 Kpn 家族 Kpn 家族是中度重復(fù)順序中僅次于Alu家族的第二大家族用限制性內(nèi)切酶Kpn 消化人類及其它靈長類動物的DNA 在電泳譜上可以看到4個不同長度的片段 分別為1 2 1 5 1 8和1 9kb 這就是所謂的Kpn 家族Kpn 家族成員順序比Alu家族更長 如 人Kpn 順序長6 4kb 而且更加不均一 呈散在分布 中度重復(fù)順序 Kpn 家族 盡管不同長度類型的Kpn 家族 稱為亞類 subfamily 之間同源性比較小 不能互相雜交 但它們的3 端有廣泛的同源性Kpn 家族的拷貝數(shù)約為3000 4800個 占人體基因組的1 與散在分布的Alu家族相似 Kpn 家族中至少有一部份也是通過Kpn 順序的RNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的cDNA重新插入到人基因組DNA中而產(chǎn)生的 中度重復(fù)順序 Hinf家族 Hinf家族 以319bp長度的串聯(lián)重復(fù)存在于人體基因組中用限制性內(nèi)切酶Hinf 消化人體DNA 可以分離到這一片段Hinf家族在單倍體基因組內(nèi)約有50 100個拷貝 分散在不同的區(qū)域319bp單位可以再分成兩個亞單位 分別為172bp和147bp 它們之間有70 的同源性 中度重復(fù)順序 多聚dT d 家族 多聚d d 家族 這一家族的基本單位是d d 雙核苷酸 多個d d 雙核苷酸串聯(lián)重復(fù)在一起 分散于人體基因組中業(yè)已發(fā)現(xiàn) 這個家族的一個成員位于人類 和 珠蛋白基因之間 含有17個d d 雙核苷酸組成的串聯(lián)重復(fù)順序在人基因組中 多聚d d 順序達(dá)106拷貝 多聚d d 的平均長度為40bp 中度重復(fù)順序 多聚dT d 家族 功能人們推測 這樣一個短的串聯(lián)重復(fù)順序可能是基因轉(zhuǎn)變 geneconversion 或不等交換 unequalcrossing over 的識別信號dT d 中嘌呤和嘧啶的交替順序有助于Z DNA的形成 在基因調(diào)節(jié)中可能起著重要的作用 rRNA基因 真核生物rRNA基因的重復(fù)次數(shù)多真核生物有四種rRNA 18S 28S 5S 5 8SrRNA 基因組中18S 28S和5 8SrRNA基因在同一轉(zhuǎn)錄單位5SrRNA在低等真核生物 如 酵母 中也和18S 28SrRNA在同一轉(zhuǎn)錄單位 而在高等生物中 5SrRNA是單獨轉(zhuǎn)錄的 而且其在基因組中的重復(fù)次數(shù)高于18S和28SrRNA基因 真核生物rRNA基因結(jié)構(gòu) rRNA基因 rRNA基因通常集中成簇存在 而不是分散于基因組中 這樣的區(qū)域稱為rDNA區(qū)染色體的核仁組織區(qū) nucleolusorganizerregion 就是rDNA區(qū) rRNA基因 從轉(zhuǎn)錄單位上轉(zhuǎn)錄下來的rRNA前體經(jīng)過酶切成為18S和28SrRNA之間一同被轉(zhuǎn)錄下來的間隔區(qū)經(jīng)過加工成為5 8SrRNA 在大腸桿菌中該區(qū)含有tRNA序列 rRNA前體的其它部份被降解成核苷酸 rRNA基因 真核生物中每個轉(zhuǎn)錄單位約長7 8kb 在哺乳動物中長13kb 其中編碼rRNA的部份占70 80 哺乳動物中只占50 左右 一個rRNA基因簇 rDNA簇 含有許多轉(zhuǎn)錄單位 轉(zhuǎn)錄單位之間為不轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū) 該間隔區(qū)由21 100bp片段組成的類似衛(wèi)星DNA的串聯(lián)重復(fù)順序轉(zhuǎn)錄單位和不轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū)構(gòu)成一個rDNA重復(fù)單位 rRNA基因 由于不轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū)中類似衛(wèi)星DNA的串聯(lián)重復(fù)次數(shù)不一樣 因此 在不同生物及同種生物的不同rDNA重復(fù)單位之間不轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)的長短相差甚大非洲爪蟾的rDNA簇 由類似衛(wèi)星DNA的重復(fù)序列交替排列構(gòu)成 5 端為一固定長度的獨特順序 后面的重復(fù)區(qū)域是由97bp的重復(fù)單位組成 另外兩個重復(fù)區(qū)域是由60bp或81bp的重復(fù)單位構(gòu)成 rRNA基因 由于每個重復(fù)區(qū)域中重復(fù)單位的重復(fù)次數(shù)在不同的rDNA重復(fù)單位中不一樣 因而造成不同的不轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)的長短不一有人認(rèn)為不轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū)可能在轉(zhuǎn)錄單位的轉(zhuǎn)錄起始中起著重要作用 rRNA基因 rDNA的重復(fù)單位在許多動物的卵子形成過程中進(jìn)行大量復(fù)制擴增如爪蟾在擴增前有rDNA重復(fù)單位500個 在從卵母細(xì)胞前身發(fā)展到卵母細(xì)胞過程中 3周時間 rDNA的重復(fù)單位可擴增400倍 每個細(xì)胞核的核仁數(shù)增加到幾百個擴增rDNA的過程是采用滾環(huán)式復(fù)制方式在核仁區(qū)進(jìn)行的 擴增的DNA不納入到染色體中 而是包含在核仁區(qū) rRNA基因 卵母細(xì)胞成熟后 大量的rDNA由于失去了存在的意義而逐漸降解在卵子形成的過程中rDNA大量擴增的目的 就是為了產(chǎn)生大量的rRNA 組裝成核糖體 用于合成大量的蛋白質(zhì) 以滿足受精后發(fā)育的需要 rRNA基因 人類的rRNA基因位于13 14 15 21和22號染色體的核仁組織區(qū)每個核仁組織區(qū)平均含有50個rRNA基因的重復(fù)單位5SrRNA基因似乎全部位于1號染色體 1q42 43 上每單倍體基因組約有1000個5SrRNA基因 tRNA基因 tRNA基因的準(zhǔn)確重復(fù)次數(shù)比較難以估計在非洲爪蟾中約有300個拷貝由tRNAmet tRNAphe tRNAtrp及其它tRNA基因組成的3 18kb的串聯(lián)重復(fù)單位在人體單倍基因組中約有1000 2000個tRNA基因 由50 60種tRNA基因編碼 每種平均重復(fù)20 30次 組蛋白基因 組蛋白基因在各種生物體內(nèi)重復(fù)的次數(shù)不一樣 但都在中度重復(fù)的范圍內(nèi)通常每種組蛋白的基因在同一種生物中拷貝數(shù)是相同的不同生物中組蛋白基因在基因組中的排列不一樣組蛋白基因沒有一定的排列方式 而在拷貝數(shù)高等生物基因組中 100拷貝 大部份組蛋白基因串聯(lián)重復(fù)形成基因簇 組蛋白基因 在果蠅和非洲爪蟾中 5種組蛋白也排成一個重復(fù)單位 也存在間隔區(qū) 組蛋白基因的轉(zhuǎn)錄方向不一樣 多個重復(fù)單位形成串聯(lián)重復(fù)排列哺乳動物 組蛋白基因一般不再形成重復(fù)單位 而呈散在分布或集成一小群盡管組蛋白基因在基因組中的排列和分布在不同生物之間相差甚大 但所有組蛋白基因都不含內(nèi)含子 而且組蛋白基因序列都很相似 從而編碼的組蛋白在結(jié)構(gòu)上和功能上也極為相似 組蛋白基因 基因組中存在大量重復(fù)序列用以編碼組蛋白是有其重要意義的DNA復(fù)制時 組蛋白也要成倍增加 而且往往在DNA合成一小段后 組蛋白馬上就要與其相結(jié)合 這要求在較短的時間內(nèi)合成大量的組蛋白 因而需要有大量的組蛋白基因存在 超基因 人體基因組中還有幾個大的基因簇 也屬于中度重復(fù)序列的長分散片段 在一個基因簇內(nèi)含有幾百個功能相關(guān)的基因 這些基因簇又稱為超基因 Supergene 如人類主要組織相容性抗原復(fù)合體HLA和免疫球蛋白重鏈及輕鏈基因都屬于超基因超基因可能是由于基因擴增后又經(jīng)過功能和結(jié)構(gòu)上的輕微改變而產(chǎn)生的 但仍保留了原始基因的結(jié)構(gòu)及功能的完整性 抗體基因的形成 單拷貝順序 低度重復(fù)順序 單拷貝順序在單倍體基因組中只出現(xiàn)一次或數(shù)次 因而復(fù)性速度很慢單拷貝順序在基因組中占50 80 如人基因組中 大約有60 65 的順序?qū)儆谶@一類 單拷貝順序中儲存了巨大的遺傳信息 編碼各種不同功能的蛋白質(zhì)目前尚不清楚單拷貝基因的確切數(shù)字 在單拷貝順序中只有一小部份用來編碼各種蛋白質(zhì) 其他部份的功能尚不清楚 單拷貝順序 低度重復(fù)順序 在基因組中 單拷貝順序的兩側(cè)往往為散在分布的重復(fù)順序由于某些單拷貝順序編碼蛋白質(zhì) 體現(xiàn)了生物的各種功能 因此對這些序列的研究對醫(yī)學(xué)實踐有特別重要的意義由于其拷貝數(shù)少 在DNA重組技術(shù)出現(xiàn)以前 要分離和分析其結(jié)構(gòu)和順序幾乎是不可能的 單拷貝順序 低度重復(fù)順序 真核生物的結(jié)構(gòu)基因不僅在兩側(cè)有非編碼區(qū) 而且在基因內(nèi)部也有許多不編碼蛋白質(zhì)的間隔序列 interveningsequences 稱為內(nèi)含子 intron 編碼區(qū)則稱為外顯子 exon 內(nèi)含子與外顯子相間排列 轉(zhuǎn)錄時一起被轉(zhuǎn)錄下來 然后內(nèi)含子被切掉 外顯子連接在一起成為成熟的mRNA作為指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的模板 多基因家族與假基因 真核基因組的另一特點就是存在多基因家族 multigenefamily 多基因家族是指由某一祖先基因經(jīng)過重復(fù)和變異所產(chǎn)生的一組基因 多基因家族與假基因 多基因家族大致可分為兩類 一類是 基因家族成簇地分布在某一條染色體上 其可同時發(fā)揮作用 合成某些蛋白質(zhì) 如 組蛋白基因家族就成簇地集中在第7號染色體長臂3區(qū)2帶到3區(qū)6帶區(qū)域內(nèi) 另一類是 一個基因家族的不同成員成簇地分布不同染色體上 這些不同成員編碼一組功能上緊密相關(guān)的蛋白質(zhì) 如珠蛋白基因家族 多基因家族與假基因 在多基因家族中 某些成員并不產(chǎn)生有功能的基因產(chǎn)物 這些基因稱為假基因 pseudogene 假基因與有功能的基因同源 原來可能也是有功能的基因 但由于缺失 倒位或點突變等 使這一基因失去活性 成為無功能基因 多基因家族與假基因 假基因往往缺少正常基因的內(nèi)含子 但兩側(cè)有順向重復(fù)序列 人們推測 假基因的來源之一 可能是基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后生成的RNA前體通過剪接失去內(nèi)含子形成mRNA 如果mRNA經(jīng)反轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生cDNA 再整合到染色體DNA中去 便有可能成為假基因 因此該假基因是沒有內(nèi)含子的 在這個過程中 可能同時會發(fā)生缺失 倒位或點突變等變化 從而使假基因不能表達(dá) 自私DNA selfishDNA 在哺乳動物包括人體基因組中 存在著大量的非編碼順序 這些順序中 只有很小一部份具有重要的調(diào)節(jié)功能 絕大部部分都沒有什么特殊功用 在這些DNA序列中雖然積累了大量缺失 重復(fù)或其他突變 但對生物并沒有什么影響 它們的功能似乎只是自身復(fù)制 所以人們稱這類DNA為自私DNA或寄生DNA parasiteDNA 自私DNA也許有重要的功能 但目前我們還不了解