第一章++基因结构和基因组1

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基因概念的更新和不断发展
重叠基因（ 重叠基因（overlapping gene）: ） 一个基因的核苷酸与另一个基因的核苷酸之间存 在这一定的重叠现象。 在这一定的重叠现象。 1977年，维纳（Weiner）在研究 病毒的基因结构时，首先发 年 维纳（ 病毒的基因结构时， ）在研究Q0病毒的基因结构时 现 了 基 因 的 重 叠 现 象 。 1978 年 ， 费 尔 （ Feir ） 和 桑 戈 尔 Sangor） 在研究分析φX174噬菌体的核苷酸序列时 噬菌体的核苷酸序列时， （ Sangor ） 在研究分析 φX174 噬菌体的核苷酸序列时 ， 也发现 个核苷酸组成的单链DNA所包含的 个基因中有几个基 所包含的10个基因中有几个基 由5375个核苷酸组成的单链 个核苷酸组成的单链 所包含的 因具有不同程度的重叠， 因具有不同程度的重叠， 但是这些重叠的基因具有不同的读码 框架。以后在噬菌体G4、 中都发现了重叠基因。 框架。以后在噬菌体 、MS2和SV40中都发现了重叠基因。基 和 中都发现了重叠基因 因的重叠性使有限的DNA序列包含了更多的遗传信息，是生物 序列包含了更多的遗传信息， 因的重叠性使有限的 序列包含了更多的遗传信息 对它的遗传物质经济而合理的利用，参与对基因的调控。 对它的遗传物质经济而合理的利用，参与对基因的调控。
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1920年代及1930年代早期Alfred H Sturtevant以Hermann Muller在果蝇研究上，发现基因在染色体上的位置改变 时，尽管基因结构本身不变，其功能却会变化而造成 果蝇性状的突变。实验中，他们将一个基因挪近所谓 异染色质区（heterochromatin）时，果蝇会产生所谓杂 heterochromatin 色（variegated）的表现型，也就是一个基因在某些细 胞会表现，却在某些细胞不会表现，而造成“杂色”， 例如复眼中有些部分呈现白色，有些部分则呈现红色。 由於基因的功能似乎会因应其所在位置而改变，以致 有人甚至认为基因根本不是一个固定而具体的单位 （particulate gene），然而，在实际上却又不能完全否 定"基因"做为遗传单位的概念。
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暮 已 赏 时 花 醒 归 微 去 力 马 酒 如 飞
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移动基因（ 移动基因（movable gene）： ）： 又叫转座因子（ 又叫转座因子（transposable element），可以从染色体的一个位置 ），可以从染色体的一个位置 ）， 转移到另一个位置。 转移到另一个位置。
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断裂基因（ 断裂基因（split gene）： ）
基因的编码序列在DNA分子上是不连续的， 基因的编码序列在DNA分子上是不连续的，为不编码的序列所隔 DNA分子上是不连续的 20世纪70年代中期 法国生物化学家查姆帮（Chamobon)发现 世纪70年代中期， 发现。 开。20世纪70年代中期，法国生物化学家查姆帮（Chamobon)发现。 1977年被英国的查弗里斯和荷兰的弗兰威尔在研究兔 年被英国的查弗里斯和荷兰的弗兰威尔在研究兔β 1977年被英国的查弗里斯和荷兰的弗兰威尔在研究兔β-球蛋白结 构时所证实。
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这个“基因包含转录因子结合区”的概念，使基因变 成一个功能性而且可以彼此重叠的概念。意即，一段 DNA序列，可以因对转录因子反应的不同，可以有一 种以上的基因功能，而一个基因的转录序列，可能是 另一个基因的转录调控区。 时至今日，基因的定义已经不再是一段具有明显边界 的固定DNA序列（particulate gene），而是一个具有伸 缩性（flexible）的功能性组合，它的范围是以其（1） 空间结构与位置（2）对特定调控因子的反应（3）对 最终表现型的效果来决定。 根据以上的论述，基因的基本条件有三：1、必须要有 产出（product）2、必须要有功能 3、包含转录区及调 控区。根据这三个条件，我们如何去从漫长的DNA序 列中找出基因呢？以下是五种常用的标准。
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在最新版的Thompson & Thompson "Genetics in Medicine"（2001），基因的 定义是"A sequence of chromosome DNA that is required for production of a functional product，be it a polypeptide or a functional RNA molecule"。因此当 代对基因的定义除了被转译的DNA序列本身之外，调控此一转译工作的 DNA序列也应包含在内。那麽基因的范畴到底何在？ 假若基因是一个比较固定而具体的单位（particulate gene）则我们应该可以 找出界定基因的"区隔"（barrier or insulator）。然而学者费尽心力却遍寻不 着能够区别个别基因的结构。因此，从学者无法找到能够区隔个别基因的 barrier or insulator来看，基因可能是一个相当具有伸缩性的结构。另外一个 观察是，一个基因的功能取决於它对某些转录因子（transcriptional factor） 的反应，而非本身在染色体上的位置，这个现象是Frank Grosveld在人类βglobin locus control region首先观察到。因此基因应该是包含被转录的DNA 序列以及转录因子的结合区。这些转录因子的结合区可以延伸几百个 Kilobase。最近的研究显示人类的DACH基因，其enhancer甚至在远达1Mb的 基因沙漠（gene desert）中。
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70年代后，基因的概念随着多学科渗透和实验手段日新月异又有突飞猛 进的发展，主要有以下几个方面： 基因具重叠性。1977年桑格（F. Sanger）领导的研究小组，根据大量研 究事实绘制了共含有5375个核苷酸 核苷酸的ΦX174噬菌体DNA碱基顺序图，第 核苷酸 一次揭示了遗传的一种经济而巧妙的编排——B和E基因核苷酸顺序分别 与A和D基因的核苷酸顺序的一部分互相重叠。当然它们各有一套读码结 构，且基因末端密码也有重叠现象（A基因终止密码子TGA和C基因起始 密码子ATG重叠2个核苷酸；D基因的终止密码子TAA与J基因起始密码子 ATG互相重叠1个核苷酸，顺序为TAATG） 内含子和外显子。人们在研究小鸡卵清蛋白基因时发现其转录形成的 mRNA只有该基因长度的1/4，其原因是基因中一些间隔序列的转录物在 RNA成熟过程中被切除了。这些间隔序列叫内含子，基因中另一些被转 录形成RNA的序列叫外显子。小鸡的卵清蛋白基因中至少含7个内含子。 因而从基因转录效果看，基因由外显子和内含子构成。
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经典遗传学基因的概念：基因具有下列共性：（1）基因具有染 色体的重要特征（即基因位于染色体上），能自我复制，相对稳 定，在有私分裂和减数分裂时，有规律地进行分配；（2）基因 在染色体上占有一定的位置（即位点），并且是交换的最小单位， 即在重组时不能再分割的单位：（3）基因是以一个整体进行突 变的，故它是一个突变单位；（4）基因是一个功能单位，它控 制正在发育有机体的某一个或某些性状，如白花、红花等。 总之，经典遗传学认为基因是一个最小的单位，不能分割，既是 结构单位，又是功能单位。 分子遗传学关于基因的概念：分子遗传学的发展揭示了遗传密码 的秘密，使基因的概念落实到具体的物质上，即基因在DNA分子 上，一个基因相当于DNA分子上的一定区段，它携带有特定的遗 传信息。这类遗传信息或被转录为RNA，包括信使RNA、转移 RNA、核糖体RNA；或者信使RNA被翻译成多肽链。 另一方面，在精细的微生物遗传分析中查明，基因并不是不可分 割的最小单位，而是远为复杂得多的遗传和变异的单位。
假基因（ 假基因（pseudogene）： ）：
是与功能性基因密切相关的DNA序列，但是由于缺失、 是与功能性基因密切相关的DNA序列，但是由于缺失、插入和 DNA序列 无义突变失去阅读框架而不能编码蛋白质产物。1977年 无义突变失去阅读框架而不能编码蛋白质产物。1977年，G·Jacp 在对非洲爪赡5SrRNA基因簇的研究后提出了假基因的概念。 在对非洲爪赡5SrRNA基因簇的研究后提出了假基因的概念。 5SrRNA基因簇的研究后提出了假基因的概念
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随着现代遗传学的发展，在分子水平上，根据重组、 突变和功能将基因分成3个单位 （1）突变子：就是指 性状突变时产生突变的最小单位。一个突变子可以小 到只有一个碱基对； （2）重组子：就是指性状重组时，可交换的最小单位。 一个交换子可以只包含一个碱基对； （3）顺反子：表示一个起作用的单位，基本符合通常 所述的基因的大小或略小。它包括它包括一段DNA与 一个多肽链合成相对应，平均为500-1500个碱基对。
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1、Open reading frames（ORF） ORF是指位于start codon与stop codon之间的DNA序列。以ORF寻 找基因较适用于原核生物或其他intron稀少的生物。当生物的exon 被隐藏在大段的intron时，ORF常常不易被找到。 2、Sequence features 分布特征 找出ORF之后，利用基因通常GC较AT多的特征，再加以验证。 另外找寻splice site（AG、GT）可能也有助于基因的辨识。不过 使用这些辨识原则的电脑软件只能预测50％的exon和20％的基因。 3、Sequence conservation 比对不同生物的碱基序列也是辨识基因的利器，理论上，在不同 生物均有的序列（conserved sequence）应该有其功能上的重要性， 本身是基因的机会较大。利用不同生物来比对基因序列，必须这 些生物间有相当的演化距离（evolutionary distance），例如最近 人类六号染色体的基因辨识是利用五种其他生物-大鼠、小鼠、河 豚、绿色斑点河豚以及斑马鱼来进行比对。当然随着所用生物的 不同，比对出来的基因数目也会有所差异。
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生物的性状是经由遗传单位传递给下一代，这个概念 在1900年由孟德尔（Gregor Mendel）提出，1909年约 翰森（Wilhelm Johanssen）将这个遗传单位的概念冠 上“gene”的名字，汉文将之翻译成“基因”，日本人 则将之翻译成“遗传子”，更为直接。 最早的观念中，基因是前述的“遗传单位”（unit of inheritance）。这是一个比较功能性的概念，它是一个 自主单位（autonomous unit），能把性状遗传给后代。 相对地，有人认为基因是一个有形的物体（physical entity），它是染色体上面一段固定的序列。这两派看 法多年来，各执一词，不相上下。