第十三章 真核基因与基因组

基因（gene）：DNA上的功能单位，能够编码蛋白质或者RNA。
基因组（genome）：包含了所有编码RNA和蛋白质的序列 及所有的非编码序列，也就是DNA分子的全序列。
生物： 简单 基因组： 小
复杂 大
人类基因组计划 HGP
1990-2001.2 20亿美元
第一节
真核基因的结构与功能
Structure and Function of Eukaryotic Gene
▪ 哺乳动物中含量最丰富的中度重复序列家族。 ▪ 重复单位中带有限制性内切酶Alu的酶切位点：
AG↓CT TC↑GA
▪ 主要集中在细胞分裂晚期的R带，大部分属于非编码 DNA，但也有一部分位于mRNA的非翻译区，甚至位于编 码区内。
▪ 可能是由7S RNA降解形成并反转录后整合于 基因组中，从而在体外对许多启动子发挥正性 或负性转录调节作用，但这些序列在体内条件 下可能由于DNA甲基化和/或处于核糖体部位而 不能转录。Alu序列在体细胞中几乎完全甲基 化而在精子中处于低甲基化状态。
本结构单位为核小体。
一、真核基因组具有独特的结 构
（一）真核基因组结构庞大
哺乳类动 物基因组 DNA 约 3 × 10 9 碱基对
编码基因约 有 40000 个，占总长的6 % rDNA等重复基因约 占 5% ~ 10%
（二）单顺反子
单顺反子(monocistron) ：即一个编码基因转录生 成一个mRNA分子，经翻译生成一条多肽链。
顺式作用元件
结构基因
-25bp RNA聚合酶结合位点 控制转录起始的精确性
启动子
上游启动子序列 （UPE） 控制着转录起始的频率
2. 增强子(enhancer)
指远离转录起始点、决定基因的时间、空 间特异性、增强启动子转录活性的DNA序列。 发挥作用的方式通常与方向、距离无关。
增强子 活化蛋白 TF IIA
成。分子杂交研究表明，同一类型中不同家族成员之间不能进行杂交， 说明卫星DNA具有多态性。 2. 微卫星DNA 又称简单重复序列（SRS）。 6bp为重复单位，10-60次拷贝串联。最常见是2bp串联，散在分布在基因 组中，多位于编码区附近，也存在于卫星序列中及中度重复序列中。 功能：参与遗传物质结构的改变、基因调控及细胞分化等过程。
一、真核基因的基本结构
断裂基因(splite gene)
真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区
互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接
后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些
基因称为断裂基因。
A
B
C
D
编码区 A、B、C、D
*外显子（exon）
结构基因中有表达 活性的编码区
非编码区
*内含子（intron）
（分子量为240 000）
• RNA编辑作用说明，基因的编码序列经过转录
后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分 化加工(differential RNA processing)。
三、调控序列参与真核基因表达调控
顺式作用元件 1.启动子(promotor ) 2. 增强子(enhancer) 3. 沉默子(silencer)
（三）重复序列
多拷贝序列
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高度重复序列（106 次） 中度重复序列（103 ~ 104次）
单拷贝序列（一次或数次）
二 、真核基因组中存在大量重复序列
中
度
高
重
度
复
重 复 序 列
序 列
单 一
序
列
C0t1/2
（一）高度重复序列
1. 卫星DNA 5-10个bp，大多位于着丝粒和端粒、表达基因的间隔区、内含子。 人的卫星DNA可分为I、II、III、IV四种，个类型由不同的重复顺序家族构
结构基因中无表达 活性的非编码区。
真核生物和原核生物基因表达的对比
电镜照片
解释图
鸡卵清蛋白基因中外显子和 内含子的排列顺序及大小
二、 mRNA的编辑(mRNA
editing)
人类apo B基因
mRNA（14500个核苷酸）
mRNA编辑
肝脏
apo B100 （分子量为500 000）
肠道细胞 apo B48
卫星DNA与微卫星DNA的比较
卫星DNA
微卫星DNA
存在部位
染色体近端粒和着丝粒区
染色体任何部位
重复单位长度 6-70bp，常富含GC
1-6bp
重复次数
几次到几百次
10-60次
总序列长度 0.5-30kb
约200bp
重复单位的差异 重复单位组成稍有差异， 重复单位的变异性低
如单个碱基置换
存在数量
增强子 活化蛋白
DNA 中介子
通用转录因子
TF IID TATA盒
RNA聚合酶II
转录方向
发挥作用的方式通常与方向、距离无关。
增强子
enhancer
promoter
5’
3’
GCGA…GCT
ACGT...ACG
gene
5’
3’
TCG...AGCG
GCA...TGCA
gene
3. 沉默子(silencer)
某些基因的负性调节元件，当其结合特异 蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。
Silent 沉默子
Expressed 沉默子 Silent
第二节
真核基因组的结构与功能
Structure and Function of Eukaryotic Genome
总体特征
1．真核生物基因组远大于原核生物，结构复杂，基因数庞大。 2．基因组中有大量低度（重复频率<103）、中度（重复频率<105）和高度
重复序列。 3．基因是不连续的，由外显子和内含子镶嵌排列而成。基因转录的初级产
物需经一定的加工，切除内含子使外显子拼接，才能形成成熟的mRNA。 4．非编码区远大于编码区。 5．基因不存在操纵子结构，功能相关基因分散在不同的染色体上，转录产
物为单顺反子。 6．真核生物基因组的化学本质为DNA，大多与蛋白质结合形成染色质，基
有限，有些染色体尚未见到
很多
（二）中等重复序列
特征：
一般是不编码的序列，在基因调控中起重要作用， 包括开启或关闭基因的活性、DNA复制的起始、其转录 产物参与hnRNA的处理等；
重复单位的序列相似，不完全一样，分散在基因组 中，序列的长度和拷贝数不均一；具有种属特异性。
（1）Alu family
顺式作用元件：启动子、增强子、沉默子
1. 启动子
真 核 基 因 启 动 子 是 RNA 聚 合 酶 结 合 位点周围的一组转录控制组件，至少包括 一个转录起始点以及一个以上的功能组件。
TATA盒 -25bp RNA聚合酶结合位点
GC盒
} -70bp 反式作用因子结合位点
CAAT盒
真核基因的顺式作用元件