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1、第 三 章 染 色 體 和 基 因一 、 基 因 組 大 小 與 C值 矛 盾二 、 低 等 生 物 染 色 體 及 其 基 因三 、 真 核 生 物 的 染 色 體四 、 真 核 生 物 的 基 因 一 、 基 因 組 大 小 與 C值 矛 盾1. 基 因 組 （ genome） 是 單 倍 體 細 胞 中 的 全套 染 色 體 為 一 個 基 因組 ， 或 是 單 倍 體 細 胞中 的 全 部 基 因 為 一 個基 因 組 。 人 類 基 因 組 計 劃 到 目 前 為 止 ， 已 經 完 成 了 酵 母 、 線 蟲 、 果 蠅 、 擬 南 芥 、 人 類 、小 鼠 和 水 稻 等 7個

2、真 核 生 物 基 因 組 以 及 大 腸 桿 菌 等 上 百 個 原 核生 物 基 因 組 。 2. C值 矛 盾 (C value paradox)大 C值 （ C值 ） ： 分 子 生 物 學 將 某 生 物 單 倍 體 基 因 組 所 含 的 DNA總 量 。小 c值 ： 將 受 中 心 法 則 限 定 ， 編 碼 結 構 基 因 DNA的 核 苷 酸 數 。C值 矛 盾 ： 生 物 基 因 組 的 大 小 同 生 物 在 進 化 上 所 處 地 位 的 高 低 無 關 。 C值 矛 盾 是 指 真 核 生 物 中 DNA含 量 的 反 常 現 象 。 生 物 細 胞 中 的 C值 具

3、有 從 低 等 生 物 向 高 等生 物 逐 漸 增 加 的 趨 勢 。 對 于 高 等 生 物 而 言 ，屬 于 同 一 門 類 的 生 物 ，它 們 的 基 因 組 變 化 卻很 大 。 C值 矛 盾 出 現 的 原 因 ： 斷 裂 基 因 和 大 量 重 復 序 列 。 親 緣 關 系 十 分 接 近 ， 功 能 與 結 構 十 分 相 似 的 同 一 類群 生 物 中 ， 基 因 組 的 大 C值 卻 差 別 較 大 ； 有 些 哺 乳 動 物 的 基 因 組 較 兩 棲 類 的 多 數 生 物 還 要 小 ；C值 矛 盾 現 象 ： 人 類 的 DNA的 C值 為 30億 個 核 苷

4、 酸 對 ， 如 按 一 個 結 構 基因 有 7000 8000 個 核 苷 酸 對 計 算 ， 人 類 應 該 有 40萬50萬 個 基 因 ， 但 人 類 基 因 組 計 劃 的 研 究 結 果 表 明 ， 人類 每 個 基 因 組 內 最 高 估 計 也 僅 有 3萬 4萬 個 基 因 ， 即 人類 小 c值 僅 占 大 C值 的 10%。 低 等 生 物 病 毒 X174， 其 基 因 組 DNA的 C值 為 5387 bp，但 其 功 能 基 因 有 11個 ， 按 編 碼 一 個 基 因 的 最 低 核 苷 酸數 （ 2000bp） 估 算 ， 其 c值 也 超 過 22000b

5、p。 二 、 低 等 生 物 染 色 體 及 其 基 因原 核 生 物 的 染 色 體 DNA與 稀 疏 的 蛋 白 質 聚 集 在 一 起 ， 在 細 菌 細胞 內 形 成 一 個 較 為 致 密 的 區(qū) 域 (compact structure)， 稱 為 類 核（ nucleoid） 。 1. 低 等 生 物 基 因 組 的 特 點 ： 基 因 組 很 小 ， 大 多 只 有 一 條 染 色 體 ， 且 DNA含 量 少 。 如 大 腸 桿 菌 DNA的 相 對 分 子 量 僅 為 4.6 106bp， 其 完 全伸 展 總 長 約 為 1.3m m ， 含 4000多 個 基 因 。

6、基 因 主 要 是 單 拷 貝 基 因 ， 只 有 很 少 數 基 因 （ rRNA基 因 ）以 多 拷 貝 形 式 存 在 ； 整 個 染 色 體 DNA幾 乎 全 部 由 功 能 基 因 與 調 控 序 列 組 成 ； 幾 乎 每 個 基 因 序 列 都 與 它 所 編 碼 的 蛋 白 質 序 列 呈 線 性對 應 狀 態(tài) 。 基 因 組 還 有 可 能 由 RNA組 成 ， 如 RNA病 毒 。 結 構 簡 煉 DNA分 子 的 絕 大 部 分 是 用 來 編 碼 蛋 白 質 的 ， 只 有 很小 一 部 分 控 制 基 因 表 達 的 序 列 不 轉 錄 。 這 些 不 轉 錄DNA序

7、 列 通 常 是 控 制 基 因 表 達 的 序 列 。2. 低 等 生 物 DNA的 特 點 ： promoter 存 在 轉 錄 單 元 DNA序 列 中 功 能 相 關 的 RNA和 蛋 白 質 基 因 ， 往 往 叢 集 在基 因 組 的 一 個 或 幾 個 特 定 部 位 ， 形 成 轉 錄 單 元 , 并 轉 錄產 生 含 多 個 m RNA的 分 子 ， 稱 為 多 順 反 子 m RNA。 操 縱 元 （ operon） -功 能 相 關 的 幾 個 結 構 基 因 前 后 相 連 ， 再加 上 一 個 共 同 的 調 節(jié) 基 因 和 一 組 共 同 的 控 制 位 點 （ 啟

8、 動 子promoter、 操 縱 子 operater） ， 在 基 因 轉 錄 時 協 同 動 作 。 有 重 疊 基 因 。1977年 F.Sanger在 測定 噬 菌 體 174的DNA的 全 部 核 苷 酸 序列 時 ， 卻 意 外 地 發(fā) 現重 疊 基 因 。 promoter 原 因 一 是 它 們 采 用 了 不 同 的 讀 碼 框 架 。 基 因 ATG AATGCC ATAACG TAAB基 因 ATGCCN NNATAA導 致 重 疊 基 因 表 達 方 式 和 表 達 產 物 不 同 的 原 因 原 因 二 是 對 終 止 密 碼 的 錯 讀1973年 A. Weine

9、r 證 明 Q RNA病 毒 的 基 因 組 僅 有 一 條 800個 堿 基 的RNA分 子 ， 編 碼 兩 個 基 因 產 物 ：a) 病 毒 的 侵 染 蛋 白 IP， 相 對 分 子 量 為 38 103， 翻 譯 量 少 ， 占 總蛋 白 的 3%；b) 病 毒 的 外 殼 蛋 白 CP， 相 對 分 子 量 為 14 103， 翻 譯 量 大 ， 占總 蛋 白 的 97%。c) 氨 基 酸 分 析 發(fā) 現 兩 種 蛋 白 具 有 完 全 相 同 的 N端 氨 基 酸 組 分 與排 列 ， 說 明 CP與 IP蛋 白 在 以 共 同 的 mRNA為 模 板 合 成 蛋 白 質 時 ，

10、 均 從 同 一 起 始 密 碼 開 始 翻 譯 。 在 編 碼 IP和 CP的 RNA分 子 的 第 400402個 核 苷 酸 處 出 現一 個 終 止 密 碼 子 UGA， 翻 譯 到 此 終 止 ， 合 成 出 14 103的 CP蛋 白 。 當 核 糖 體 對 UGA終 止 密 碼 子 發(fā) 生 漏 讀 后 ， 核糖 體 會 繼 續(xù) 翻 譯 到 終 點 的 UAA終 止 密 碼 子 出 ， 合 成 出38 103的 IP蛋 白 ， 由 于 對 基 因 內 終 止 密 碼 子 的 漏 讀 概 率較 低 ， 所 以 IP蛋 白 的 總 量 僅 為 3%。 IP基 因 是 以 “ 對 終 止

11、密 碼 子 錯 讀 ” 的 方 式 重 疊 在 CP基 因 內 。原 因 ： 對 小 基 因 組 的 噬 菌 體 與 病 毒 而 言 ， 基 因 的 重 疊 能 滿足 利 用 有 限 的 DNA編 碼 更 多 基 因 產 物 的 需 要 ， 增 強對 環(huán) 境 的 適 應 性 。重 疊 基 因 的 生 物 學 意 義 ： 三 、 真 核 生 物 的 染 色 體1. 染 色 體 遺 傳 物 質 的 主 要 載 體染 色 體 在 遺 傳 上 起 著 主 要 作 用 ， 因為 親 代 能 夠 將 自 己 的 遺 傳 物 質 以 染色 體 （ chromosome） 的 形 式 傳給 子 代 ， 保 持

12、 了 物 種 的 穩(wěn) 定 性 和 連續(xù) 性 。 由 脫 氧 核 糖 核 酸 、 蛋 白 質 和 少 量 核 糖 核 酸 組 成 的 線 狀 或 棒狀 物 ， 是 生 物 主 要 遺 傳 物 質 的 載 體 。 因 是 細 胞 中 可 被 堿 性染 料 著 色 的 物 質 ， 故 名 。 1.1 染 色 體 的 概 念 細 胞 間 期 ： 染 色 質分 裂 期 ： 染 色 體 代 表 著 遺 傳 物 質 的 不 同 壓 縮 程 度 1.2 染 色 質常 染 色 質 ： 在 間 期 著 色 較 淺 的 部 位 ， 富 含 單 拷 貝 DNA序 列 ， 有 轉 錄 活 性 。異 染 色 質 ： 在

13、間 期 著 色 較 深 的 部 位 ， 富 含 重 復 DNA序列 、 復 制 延 遲 ， 多 在 晚 S期 復 制 。 一 般 無 轉 錄 活 性 。 處 于 常 染 色 質 狀 態(tài) 只 是 基 因 轉 錄 的 必 要 條 件 ， 而 不 是充 分 條 件 。 1.3 真 核 生 物 染 色 體 的 特 征 一 個 特 定 真 核 物 種 的 成 員 都 有 相 同 數 目 的 細 胞 核 內 染 色 體 。但 細 胞 核 外 的 其 他 染 色 體 ， 數 量 不 固 定 。 無 性 生 殖 物 種 的 所 有 細 胞 中 只 有 一 套 染 色 體 。 有 性 生 殖 物 種 具 有 體

14、 細 胞 ， 體 細 胞 有 兩 套 染 色 體 ， 一 套 來自 父 方 ； 一 套 來 自 母 方 。 生 殖 細 胞 只 有 一 套 染 色 體 ， 這 一套 染 色 體 來 自 于 具 兩 套 染 色 體 精 原 細 胞 或 卵 母 細 胞 的 減 數分 裂 。 某 些 生 物 是 多 倍 體 ， 體 細 胞 有 三 套 甚 至 更 多 套 染 色 體 2. 核 小 體核 小 體 （ Nucleosome） 是 染 色 質 的 基 本 結 構 單 位 ， 由200 bp DNA和 組 蛋 白 八 聚 體 組 成146bp DNA + Histoneoctamer(組 蛋 白 八 聚 體

15、 )核 小 體 核 心 (Nucleosome core) + H1染 色 小 體 (Chromatosome， 166bp) + linker DNA 核 小 體 (Nucleosome,200 bp of DNA) 核 心 顆 粒 包 括 組 蛋 白 八 聚 體 及 與 其 結 合 的 146bp DNA，該 序 列 繞 在 八 聚 體 外 面 1.65圈 ， 每 圈 約 80bp。由 許 多 核 小 體 構 成 了 連 續(xù) 的 染 色 質 DNA細 絲 。 組 蛋 白 八 聚 體 （ Histone octamer） 利 用 微 球 菌 核 酸 酶 （ micrococcal nucle

16、ase） 輕 微 消 解 染 色 質 得 知 ： 連接 DNA (linker DNA) 是 最 易 受 到 酶 的 作 用 ， 因 此 得 到 每 個 重 復 單 位 的DNA長 約 200bp， 而 且 是 和 五 種 組 蛋 白 相 結 合 ， 保 持 著 核 小 體 的 結 構 。 根 據 對 微 球 菌 核 酸 酶 （ micrococcal nuclease） 的 敏 感 性 不同 ， 核 小 體 DNA可 以 分 成 兩 部 分 ：-核 心 DNA（ Core DNA） ： 長 度 固 定 為 146bp， 對 核 酸酶 的 消 化 相 對 穩(wěn) 定 。-連 接 DNA（ Link

17、er DNA） ： 組 成 剩 余 的 重 復 片 段 ， 長度 大 小 不 一 ， 每 個 核 小 體 中 有 8bp到 114bp。不 同 生 物 核 小 體 全 長 的 變 化 由 連 接 DNA長 度 改 變 引 起 。 3. 染 色 體 的 三 個 關 鍵 因 素3.1 自 主 復 制 DNA序 列 （ autonomously replicating sequence， ARS ）20世 紀 70年 代 末 首 次 在 酵 母 中 發(fā) 現 。 它 是 在 真 核 生 物中 發(fā) 現 的 一 類 能 啟 動 DNA復 制 的 序 列 ， 含 有 一 個 AT富集 區(qū) 。 具 有 一 個

18、 復 制 起 始 點 ， 能 確 保 染 色 體 在 細 胞 周期 中 能 夠 自 我 復 制 ， 從 而 保 證 染 色 體 在 世 代 傳 遞 中 具有 穩(wěn) 定 性 和 連 續(xù) 性 。 3.2 著 絲 粒 DNA序 列 （ centromere DNA sequence）著 絲 粒 是 染 色 體 分 離 的 一 種 裝 置 ， 也 是 姐 妹 染 色 單 體 在 分開 前 相 互 聯 結 的 位 置 ， 在 染 色 體 的 形 態(tài) 上 表 現 為 一 個 縊 痕 。 著 絲 粒 DNA序 列 由 三 個 功 能 區(qū) 組 成 ： 為 染 色 體 的 分 離 提 供 動 力 中 期 兩 條

19、染 色 單 體 在 此 處 相 互 連 結 若 著 絲 粒 丟 失 了 ， 那 么 染 色 體 就 失 去 了 附 著 到 紡 錘 絲上 的 能 力 ， 細 胞 分 裂 時 染 色 體 就 會 隨 機 地 進 入 子 細 胞 。 3.3 端 粒 DNA序 列端 粒 是 存 在 于 真 核 細 胞 線 狀 染 色 體 末 端 的 一 小 段 DNA-蛋白 質 復 合 體 ， 它 與 端 粒 結 合 蛋 白 一 起 構 成 了 特 殊 的 “ 帽 子 ”結 構 ， 能 夠 維 持 染 色 體 的 完 整 。 20世 紀 30年 代 ， Muller發(fā) 現 被 X射 線 打 斷 的 果 蠅 染 色

20、體 其 末端 存 在 一 種 特 殊 序 列 ， 該 序 列 與 常 染 色 體 相 較 極 不 穩(wěn) 定 ，故 根 據 希 臘 文 將 其 命 名 為 端 粒 （ Telomere） 。 1978年 ， Blackbum和 Greider等 克 隆 出 四 膜 蟲 端 粒 結 構 ，證 明 為 串 聯 線 性 核 苷 酸 序 列 ， 組 成 為 5GGGGGTT3。后 來 實 驗 又 證 明 了 脊 椎 動 物 的 端 粒 均 含 有 豐 富 的 鳥 嘌 呤 重復 序 列 。 1985年 ， Greider等 發(fā) 現 端 粒 酶 ， 可 用 于 給 端 粒 DNA加 尾 。 端 粒 的 發(fā) 現

21、 歷 史 端 粒 的 特 點 含 有 一 系 列 的 短 的 正 向 重 復 順 序 。 這 些 順 序 都可 用 Cn(A/T)m這 一 通 式 來 表 示 ， 其 中 n1， 而m=14。 端 粒 的 雙 鏈 部 分 中 含 有 T2G4的 順 序 在 3 末 端 。 端 粒 的 哪 些 特 征 負 責 染 色 體 末 端 的 穩(wěn) 定 性 ： 端 粒 的 3末 端 序 列 取 代 端 粒 上 游 區(qū) 中 的 相同 序 列 而 形 成 一 個 環(huán) ， 從 而 封 閉 染 色 體 末端 。 這 個 反 應 由 端 粒 結 合 蛋 白 （ telomere-binding protein， TR

22、E2） 催 化 ， 該 蛋 白 和另 一 個 蛋 白 形 成 的 復 合 體 可 使 染 色 體 末 端穩(wěn) 定 。 保 護 染 色 體 不 被 核 酸 酶 降 解 ； 防 止 染 色 體 相 互 融 合 ； 為 端 粒 酶 提 供 底 物 ， 解 決 DNA復 制 的 末 端 隱 縮 ，保 證 染 色 體 的 完 全 復 制 。端 粒 DNA主 要 功 能 對 胎 兒 、 嬰 兒 、 青 年 和 老 年 細 胞 株 端 粒 DNA長 度 比 較 發(fā) 現 ，染 色 體 DNA的 端 粒 隨 著 年 齡 的 增 大 ， 逐 漸 變 短 。 早 衰 性 侏儒 癥 的 端 粒 明 顯 較 正 常 人

23、短 。 小 麥 不 同 組 織 細 胞 中 染 色 體 DNA端 粒 的 長 度 差 異 成 熟 的 穗 狀 花 序 -20kb 葉 -23kb 較 老 的 胚 -30kb 幼 嫩 的 穗 狀 花 序 -45kb 未 成 熟 的 胚 -80kb端 粒 DNA的 變 化 正 常 細 胞 由 于 線 性 DNA復 制 5末 端 消 失 ， 隨 體 細 胞 不 斷 增 殖 ，端 粒 逐 漸 縮 短 ， 當 細 胞 端 粒 縮 至 一 定 程 度 ， 細 胞 停 止 分 裂 ，處 于 靜 止 狀 態(tài) 。 故 有 人 稱 端 粒 為 正 常 細 胞 的 “ 分 裂 鐘 ” (Mistosis clock

24、) ， 端 粒 長 短 和 穩(wěn) 定 性 決 定 了 細 胞 壽 命 ， 并與 細 胞 衰 老 和 癌 變 密 切 相 關 。 科 學 家 指 端 粒 的 長 度 會 隨 著 人 類 進 化 而 愈 來 愈 短 ， 令 到 染色 體 不 穩(wěn) 定 。 當 短 到 一 定 程 度 ， 人 類 就 會 受 到 與 年 紀 有 關的 疾 病 打 擊 ， 如 癌 癥 、 老 人 癡 呆 、 心 臟 病 、 中 風 等 。 端 粒 酶 的 發(fā) 現 端 粒 酶 可 以 作 為 腫 瘤 基 因 診 斷 的 指 標 和 基 因 治 療 的 新靶 點 。 端 粒 酶 活 性 的 高 低 與 腫 瘤 分 化 的 程

25、度 也 具 相 關 性 。 端 粒 酶 活 性 的 再 活 化 ， 可 以 維 持 端 粒 的 長 度 ， 而 延 緩細 胞 進 入 克 隆 性 的 老 化 。 但 致 癌 風 險 相 對 也 提 高 了 ，因 為 細 胞 不 受 控 制 地 分 裂 對 個 體 而 言 極 具 侵 略 和 破 壞性 。 端 粒 酶 對 細 胞 而 言 ， 猶 如 刀 的 雙 刃 ， 是 好 是 壞 完全 取 決 于 用 什 么 樣 的 角 度 來 衡 量 端 粒 酶 的 價 值 。 端 粒 酶 的 兩 面 性 ： 四 、 真 核 生 物 的 基 因 組 和 基 因1. 真 核 生 物 基 因 組 的 特 點

26、： 真 核 生 物 基 因 組 DNA與 蛋 白 質 結 合 形 成 染 色 體 ，儲 存 于 細 胞 核 內 ， 除 配 子 細 胞 外 ， 體 細 胞 內 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 。 真 核 細 胞 基 因 轉 錄 產 物 為 單 順 反 子 。 一 個 結 構 基 因經 過 轉 錄 和 翻 譯 生 成 一 個 mRNA分 子 和 一 條 多 肽 鏈 。 存 在 重 復 序 列 ， 重 復 次 數 可 達 百 萬 次 以 上 。高 度 重 復 序 列中 度 重 復 序 列單 拷 貝 序 列

27、 基 因 組 中 不 編 碼 的 區(qū) 域 多 于 編 碼 區(qū) 域 。 大 部 分 基 因 含 有 內 含 子 ， 因 此 ， 基 因 是 不 連 續(xù) 的 。 基 因 組 遠 遠 大 于 原 核 生 物 的 基 因 組 ， 具 有 許 多 復 制 起 點 ， 而每 個 復 制 子 的 長 度 較 小 。 生 物 種 類 基 因 組 大 ?。?百 萬 堿 基對 ） 基 因 總 數 染 色 體 數 平 均 基 因 密度 （ 堿 基 對 /基 因 ） 大 腸 桿 菌 4.7 3,000 1 1,500 線 蟲 100 20,000 6 5,000 擬 南 芥 菜 125 29,000 10 5,000

28、 河 豚 365 38,000 44 10,000 家 鼠 3,000 34,000 40 80,000 人 類 3,000 34,000 46 80,000 2. 真 核 生 物 DNA的 特 點 ： 非 重 復 序 列 （ nonrepetitive DNA） ： 在 基 因 組 中 只 有 110個 拷 貝 ， 多 為 結 構 基 因 。 中 度 重 復 序 列 （ moderately repetitive DNA） ： 重 復 次 數 為10102。 一 般 是 不 編 碼 的 序 列 ， 在 基 因 調 控 中 起 重 要 作 用 。 高 度 重 復 序 列 （ highly re

29、petitive DNA） ： 重 復 次 數 為 幾 百到 幾 百 萬 。 散 布 于 非 重 復 序 列 間 ， 由 一 些 完 全 相 同 或 相 似的 短 重 復 序 列 構 成 。 一 般 不 轉 錄 。根 據 復 興 動 力 學 ， DNA序 列 可 以 分 為 3種 類 型 ： 復 性 動 力 學 是 檢 測 基 因 組 DNA序 列 復 雜 性 （ DNA序 列 重復 性 高 低 ） 的 一 種 方 法 。在 相 同 DNA濃 度 下 ：重 復 序 列 復 雜 程 度 復 性 速 度多 低 快少 高 慢因 此 可 以 根 據 復 性 的 快 慢 判 斷 DNA序 列 的 復 雜

30、 程 度 。 造 成 上 述 現 象 的 原 因 ：具 有 高 度 重 復 序 列 的 DNA分 子 在 復 性 反 應 中 ， 由 于 在 各 重 復單 位 間 發(fā) 生 了 各 種 非 準 確 的 ， 不 完 全 的 配 對 復 性 ， 從 而 導 致它 們 在 進 一 步 變 性 時 Tm值 較 低 ， 這 種 重 復 序 列 復 性 的 相 對 性現 象 會 因 重 復 單 位 的 大 小 ， 串 聯 重 復 次 數 的 多 少 而 有 所 不 同 。天 然 DNA與 復 性 DNA之 間 比 較 ， 復 性 DNA分 子 中 有 1%的 堿基 發(fā) 生 錯 配 時 ， Tm就 會 相 差

31、 11.5 . 復 性 動 力 學 的 復 雜 性 （ kinetic complexity） ： 最 長 的 沒 有 重復 序 列 的 核 苷 酸 序 列 數 。如 poly(A)的 復 雜 性 為 1，重 復 的 (ATGC)n組 成 的 多 聚 體 的 復 雜 性 為 4，分 子 長 度 是 105核 苷 對 的 非 重 復 DNA的 復 雜 性 為 105。 2.1 非 重 復 序 列 （ nonrepetitive DNA） ： 亦 稱 單 拷 貝 序 列（ unique sequence） ， 在 一 個 基 因 組 中 只 有 一 個 拷 貝或 2-3個 拷 貝 。 真 核 生

32、物 的 大 多 數 基 因 在 單 倍 體 中 都 是單 拷 貝 的 。 不 同 生 物 基 因 組 中 單 拷 貝 序 列 所 占 的 比 例是 不 同 的 。 真 核 生 物 中 單 一 序 列 編 碼 的 基 因 在 表 達 時 常 有 兩 步 放大 作 用 ： 轉 錄 和 翻 譯 。 2.2 中 度 重 復 序 列 （ moderately repetitive sequence） Alu家 族 ： Alu家 族 是 哺 乳 動 物 包 括 人 基 因 組 中 含 量 最 豐富 的 一 種 中 度 重 復 順 序 家 族 ， 在 單 倍 體 人 基 因 組 中 重 復達 30萬 -50

33、萬 次 ， 約 占 人 基 因 組 的 3-6 。 Alu家 族 每 個成 員 的 長 度 約 300bp， 由 于 每 個 單 位 長 度 中 有 一 個 限 制性 內 切 酶 Alu的 切 點 （ AGCT） 從 而 將 其 切 成 長 130和170bp的 兩 段 ， 因 而 定 名 為 Alu序 列 （ 或 Alu家 族 ） 。 l Alu順 序 具 有 種 的 特 異 性 ， 可 作 為 物 種 DNA片 段 的 特異 標 記 ；l 不 同 的 Alu成 員 的 側 翼 重 復 順 序 也 各 不 相 同 ；l Alu序 列 的 5端 比 較 保 守 ， 但 富 含 脫 氧 腺 苷

34、酸 殘 基 的 3端 在 不 同 的 Alu成 員 中 是 有 變 化 的 。l Alu家 族 的 廣 泛 存 在 意 味 著 它 具 有 某 種 功 能 。 Alu序 列 的 形 成 原 因Alu序 列 是 以 7SL RNA的 基 因 的 啟 動 子 啟 動 轉 錄 ， 以 RNA為 中 間 體 ， 以 3末 端 回 折 形 成 引 物 ， 反 轉 錄 成 cDNA， 再 以轉 座 子 轉 座 方 式 插 入 到 基 因 組 內 ， 形 成 序 列 的 重 復 。 5 3RNA cDNA 53 以 轉 座 子 方 式 插 入 基 因 組 內 rRNA基 因 ： 在 原 核 生 物 如 大

35、腸 桿 菌 基 因 組 中 ， rRNA基 因 一 共 是 七 套 ； 在 真 核 生 物 中 rRNA基 因 的 重 復 次 數更 多 。 組 蛋 白 基 因 ： 組 蛋 白 基 因 在 各 種 生 物 體 內 重 復 的 次 數 不 一 樣 ，但 都 在 中 度 重 復 的 范 圍 內 。 2.3 高 度 重 復 序 列 （ highly repetitive DNA） 衛(wèi) 星 DNA(satelliteDNA)是 一 類 高 度 重 復 序 列 DNA。 在 氯 化 銫 梯度 離 心 中 ， DNA分 子 將 按 其 大 小 分 布 在 離 心 管 內 不 同 密 度 的 氯 化 銫 介

36、 質 中 ， 不 同 層 面 的 DNA形成 了 不 同 的 條 帶 。 根 據 熒 光 強度 的 分 析 ， 可 以 看 到 在 一 條 主帶 以 外 還 有 一 個 或 多 個 小 的 衛(wèi)星 帶 。 這 些 在 衛(wèi) 星 帶 中 的 DNA即 被 稱 為 衛(wèi) 星 DNA， 這 種 DNA的 GC含 量 一 般 少 于 主 帶 中 的 DNA， 浮 力 密 度 也 低 。 原 位 雜 交 顯 示 著 絲 粒 衛(wèi) 星 DNA衛(wèi) 星 DNA位 于 有 重 要 功 能 的 真 核 染 色 體 的 著 絲 粒 和 端 粒 上 衛(wèi) 星 DNA按 其 重 復 單 元 的 核 苷 酸 的 多 少 可 以 分

37、 成 ：小 衛(wèi) 星 DNA(minisatelliteDNA)： 由 幾 百 個 核 苷 酸 對 的 單 元 重 復 組 成 。微 衛(wèi) 星 DNA(microsatelliteDNA)： 由 2個 到 20個 左 右 的 核 苷 酸 對 的 單 元 重 復 成 百 上 千 次 所 組 成 微 衛(wèi) 星 DNA和 小 衛(wèi) 星 DNA具 有 高 度 的 可 變 性 ， 不 同 個 體 彼此 不 同 。 但 它 們 中 有 一 小 段 序 列 則 在 所 有 個 體 中 都 一 樣 ，稱 為 “ 核 心 序 列 ” 。 如 果 把 核 心 序 列 串 聯 起 來 作 為 分 子 探針 ， 與 不 同

38、個 體 的 DNA進 行 分 子 雜 交 ， 就 會 呈 現 出 各 自 特有 的 雜 交 圖 譜 ， 它 們 與 人 的 指 紋 一 樣 ， 具 有 專 一 性 和 特 征性 ， 因 人 而 異 ， 因 此 被 稱 作 “ DNA指 紋 ” (DNA fingerprint)。 DNA指 紋 分 析 ： 將 個 體 的 染 色 體 DNA用 限 制 性 內 切 酶 消 化 ， 再以 重 復 序 列 中 的 共 有 序 列 作 為 核 酸 探 針 進 行 雜 交 ， 對 所 得 到 不 同生 物 個 體 相 似 DNA片 段 的 帶 型 圖 譜 （ 即 DNA指 紋 圖 譜 ， 對 每 一個

39、體 都 是 獨 特 的 ） 進 行 分 析 的 方 法 。 法 醫(yī) 鑒 定 親 子 鑒 定 遇 難 者 辨 識空 難 事 故 受 難 者 殘 骸 鑒 定 通 常 在 空 難 受 害 者 殘 骸 的 鑒 定 過程 中 ， 單 純 依 靠 法 醫(yī) 學 和 常 規(guī) 法 血 清 學 檢 驗 ， 是 很 難 對 所有 遇 難 人 員 的 殘 骸 加 以 區(qū) 分 的 。 因 此 ， 在 常 規(guī) 手 段 行 不 通時 ， 再 采 用 DNA 指 紋 術 實 為 一 種 最 佳 選 擇 。 人 種 、 性 別 鑒 定人 種 、 性 別 鑒 定 英 國 內 政 部 中 央 研 究 局 研 究 表 明 ，DNA

40、指 紋 術 可 在 相 當 大 程 度 上 用 于 人 種 鑒 定 ， 并 測 出白 種 人 和 非 洲 黑 人 的 DNA多 態(tài) 片 段 及 它 在 特 定 范 圍 內的 出 現 頻 率 ， 具 有 種 屬 代 表 性 。 有 人 對 長 達 20年 的 陳舊 血 跡 中 的 降 解 DNA進 行 了 性 別 鑒 定 ， 并 在 人 、 獸 的區(qū) 分 鑒 定 中 取 得 成 功 。 其 它 方 面 的 應 用l 鑒 別 雙 胞 胎 是 異 卵 雙 生 還 是 同 卵 雙 生 。l 可 用 于 器 官 移 植 的 配 型 試 驗 ， 以 便 篩 選 出 最 佳 供 體 。l 腫 瘤 細 胞 D

41、NA指 紋 ， 因 其 染 色 體 丟 失 或 異 常 的 擴 增 而與 正 常 體 細 胞 不 同 。 腫 瘤 DNA 指 紋 的 改 變 可 用 作 腫 瘤發(fā) 生 和 發(fā) 展 的 標 志 。 l 在 盜 殺 和 偷 捕 野 生 動 物 的 案 件 中 ， 可 對 被 盜 殺 的 動 物進 行 鑒 定 。 3. 真 核 生 物 基 因 的 特 點 ：3.1 斷 裂 基 因 （ splite gene） /間 隔 基 因 （ interrupted gene） 概 念 ： 真 核 生 物 結 構 基 因 ， 由 若 干 個 編 碼 區(qū) （ 外顯 子 ） 和 非 編 碼 區(qū) （ 內 含 子 ）

42、互 相 間 隔 開 但 又 連續(xù) 鑲 嵌 而 成 ， 去 除 非 編 碼 區(qū) 再 連 接 后 ， 可 翻 譯 出由 連 續(xù) 氨 基 酸 組 成 的 完 整 蛋 白 質 ， 這 些 基 因 稱 為斷 裂 基 因 。 斷 裂 基 因 的 發(fā) 現 與 證 實1977年 以 前 法 國 科 學 家 Pierre Chambon發(fā) 現 ：雞 的 管 狀 細 胞 DNA與 紅 細 胞 DNAHind III和 EcoR I以 雞 卵 清 蛋 白 cDNA為 探 針 Southern 雜 交 分 析出 現 三 條 雜 交 條 帶 ？mRNADNA 實 例 ： 雞 卵 清 蛋 白 基 因 的 大 小 和 結

43、構 如 下l A、 B、 C、 D、 E、 F、 G的 序 列 不 能 轉 錄 ， 約 占 75.2%(5641bp)l L、 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7的 序 列 能 夠 轉 錄 ， 約 占 24.8%(1859bp) 雞 卵 清 蛋 白 mRNA與 DNA雜 交 實 驗 電 子 顯 微 鏡 照 片 RNA剪 接 （ RNA splicing） ： 內 含 子 中 初 始 轉 錄 物 （ RNA precursor） 中 去 除 ， 以 及 將 外 顯 子 連 接 起 來 的 過 程 。5 Cap 3 Poly(A) tailExon Exon ExonIntron Intron

44、Intron were removed Exons jioned together 5 Cap 3 Poly(A) tailExon Exon Exon 斷 裂 基 因 的 共 性 ： 間 隔 基 因 的 外 顯 子 在 基 因 中 的 排 列 順 序 和 它 在 成 熟 mRNA產物 中 的 排 列 順 序 是 相 同 的 。 某 種 間 隔 基 因 在 所 有 組 織 中 都 具 有 相 同 的 內 含 子 成 分 。 核 基 因 的 內 含 子 通 常 在 所 有 的 可 讀 框 中 都 含 有 無 義 密 碼 子(nonsense codon) - 終 止 密 碼 子 ， 因 此 一

45、般 沒 有 編 碼 功 能 。 大 多 數 內 含 子 上 發(fā) 生 的 突 變 不 影 響 蛋 白 質 的 結 構 ， 但 一 些 內含 子 上 的 突 變 可 通 過 抑 制 外 顯 子 的 相 互 剪 接 阻 止 信 使 RNA的產 生 。 只 有 外 顯 子 突 變 才 會 影 響 蛋 白 質 的 序 列 ， 但 內 含 子 的 突 變 會 影響 RNA的 剪 接 而 抑 制 蛋 白 質 的 產 生 。 斷 裂 基 因 的 相 對 性 ： 內 含 子 并 非 “ 含 而 不 露 ” ， 例 如 酵 母 細 胞 色 素 b基 因 的 內 含子 II也 編 碼 一 個 成 熟 酶 。 外 顯

46、 子 并 非 “ 表 里 如 一 ” ， 人 類 尿 激 酶 基 因 外 顯 子 I不 編 碼氨 基 酸 序 列 。 并 非 真 核 生 物 所 有 的 結 構 基 因 都 是 間 隔 基 因 。 斷 裂 基 因 形 成 的 假 說 內 含 子 先 存 論 （ intron early） - 認 為 具 有 內 含 子 的 基 因是 古 老 的 基 因 ， 內 含 子 也 是 基 因 的 一 個 部 分 。 所 有 基 因均 起 源 于 原 本 就 具 有 間 隔 結 構 的 DNA分 子 ， 由 于 原 核 生物 基 因 組 小 ， “ 無 功 能 ” 的 內 含 子 成 為 快 速 復 制

47、 的 包 袱 ，因 而 在 進 化 過 程 中 逐 漸 被 丟 失 。 支 持 內 含 子 先 存 論 的 證 據 ： 曲 霉 菌玉 米雞 13 38 78 107 152 180/183 210 237 241磷 酸 丙 糖 異 構 酶 基 因 中 的 內 含 子 的 位 置 在 玉米 和 雞 之 間 很 保 守 ， 但 是 與 曲 霉 菌 不 同 。進 化 程 度 愈 高 的 生 物 保 留 內 含 子 區(qū) 域 更 多 。 內 含 子 后 生 論 （ intron late） - 認 為 原 始 基 因 的 編 碼 區(qū) 是 無 間隔 區(qū) 的 DNA 序 列 ， 內 含 子 是 在 后 期

48、進 化 的 過 程 中 隨 機 插 入 到基 因 組 中 ， 進 而 形 成 間 隔 基 因 。E E EI I血 紅 素 結 合 域 珠 蛋 白E E EI I IE 增 加 的 內 含 子 豆 血 紅 蛋 白結 合 域 被 分 開 支 持 內 含 子 后 生 論 的 證 據 ：果 蠅 細 胞 色 素 c的 基 因 內 無 內 含 子 ， 而 人 的 細 胞 色 素 c的 基因 內 有 內 含 子 ， 分 布 位 置 完 全 符 合 隨 機 插 入 的 理 論 原 則 。有 內 含 子 的 基 因 是 進 化 的 高 級 形 式 。 斷 裂 基 因 在 進 化 中 的 意 義 有 利 于 生

49、 物 遺 傳 的 相 對 穩(wěn) 定 。 間 隔 基 因 的 內 含 子 突 變 不 會 承 受 自 然 選 擇 的 壓 力 。 增 加 變 異 概 率 ， 有 利 于 生 物 的 進 化 。 間 隔 基 因 內 含 子 的 核 苷 酸 序 列 往 往 是 外 顯 子 的 23倍 ， 遺 傳重 組 較 易 發(fā) 生 在 內 含 子 中 ， 間 隔 基 因 長 度 的 增 加 在 某 種 程 度上 也 增 加 了 基 因 內 的 重 組 交 換 概 率 ， 形 成 蛋 白 結 構 域 的 重 新組 合 。 擴 大 生 物 體 的 遺 傳 信 息 儲 量 。通 過 內 含 子 的 相 對 性 ， 即 一

50、 個 基 因 的 內 含 子 可 以 是 另 一 個 基 因的 外 顯 子 ， 可 使 相 同 的 一 段 DNA編 碼 不 同 的 蛋 白 ， 起 到 了 調控 的 作 用 ， 并 增 加 了 遺 傳 信 息 的 貯 存 。通 過 改 變 讀 碼 框 架 或 利 用 內 含 子 編 碼 基 因 ， 從 而 擴 大 了 生 物 體遺 傳 信 息 的 儲 量 。 利 用 內 含 子 進 行 代 謝 調 節(jié) 。 3.2 基 因 家 族 （ gene family） 和 基 因 簇 （ gene cluster） 基 因 家 族 ： 基 因 組 中 存 在 的 許 多 來 源 于 同 一 個 祖 先

51、 ， 結構 和 功 能 相 似 的 一 組 基 因 。 同 一 家 族 的 這 些 基 因 的 外 顯子 具 有 相 關 性 ， 可 在 基 因 組 內 集 中 或 分 散 分 布 。 基 因 簇 ： 指 基 因 家 族 中 的 各 成 員 緊 密 成 簇 排 列 成 大 串 的 重復 單 位 ， 定 于 染 色 體 的 的 特 殊 區(qū) 域 。l 可 以 是 由 重 復 產 生 的 兩 個 相 鄰 相 關 基 因 所 組 成 。l 可 以 幾 百 個 相 同 基 因 串 聯 排 列 而 成 。l 屬 于 同 一 個 祖 先 的 基 因 擴 增 產 物 。l 常 常 包 括 一 些 沒 有 生

52、物 功 能 的 假 基 因 。 人 血 紅 蛋 白鏈 基 因 簇 ： 1個 基 因 ， 2個 基 因 ， 一 個 假 基 因 和2個 假 基 因 。鏈 基 因 簇 ： 有 5個 功 能 性 基 因 （ 1， 2， 1和 1） ，1個 假 基 因 。 3.3 串 聯 重 復 基 因 簇串 聯 重 復 基 因 出 現 在 其 產 物 被 極 度 需 要 的 情 況 下 ， 如 組 蛋白 基 因 ， rRNA基 因 和 tRNA基 因 。 組 蛋 白 基 因 編 碼 H1/H2A/H2b/H3/H4五 種 組 蛋 白 的 基 因 彼 此 靠 近 構成 一 個 重 復 單 位 ， 這 樣 的 重 復

53、單 位 串 聯 在 一 起 。H1 H4 H2B H2AH3 H1 H4 H2B H2AH3H1 H4 H2BH2AH3 H1 H4 H2BH2AH3海 膽果 蠅 rRNA基 因原 核 生 物 如 大 腸 桿 菌 基 因 組 中 ， rRNA基 因 一 共 是 七 套 ；在 真 核 生 物 中 rRNA基 因 的 重 復 次 數 更 多 。間 隔 區(qū) 由 21-100bp片 段 組 成 的 類 似 衛(wèi) 星 DNA的 串 聯 重 復 順 序 。 不 同 生 物 及 同 種 生 物 的 不 同 rDNA重 復 單 位 之 間 間隔 區(qū) 的 長 短 相 差 甚 大 。 rRNA基 因 的 排 布 具

54、 有 成 簇 的 特 征 ； 這 種 成 簇 有 兩 個 層 次 ：-在 真 核 生 物 基 因 組 中 18S和 28S以 及 5.8S是 在 同 一 轉 錄 單位 中 ， 5SrRNA是 單 獨 轉 錄 的 ； 低 等 的 真 核 生 物 如 酵 母 中 ，5SrRNA也 和 16S， 23SrRNA在 同 一 轉 錄 單 位 中 ； -在 真 核 中 ， rRNA的 轉 錄 單 位 成 簇 排 列 ， 把 這 樣 的 區(qū) 域 稱為 rDNA， 如 染 色 體 的 核 仁 組 織 區(qū) （ nucleolus organizer region） 即 為 rDNA區(qū) 。 tRNA基 因 tRN

55、A基 因 也 是 串 聯 重 復 排 列 ， 但 各 重 復 單 位 中 的 各tRNA可 以 不 同 。 目 前 對 于 tRNA基 因 簇 中 各 個 基 因 是 單 獨 轉 錄 還 是 整 個重 復 單 位 一 起 轉 錄 尚 不 清 楚 。 3.4 假 基 因 （ pseudogene） ： 具 有 與 功 能 基 因 相 似 的 序 列 ，但 由 于 有 許 多 突 變 以 致 失 去 了 原 有 的 功 能 ， 所 以 假 基 因 是沒 有 功 能 的 基 因 ， 常 用 表 示 。 假 基 因 的 分 類 功 能 基 因 累 積 突 變 型 加 工 假 基 因 -基 因 組 中

56、與 RNA轉 錄 物 相 似 的 失 活 基因 。 最 初 是 由 RNA的 反 轉 錄 物 以 某 種 隨 機 方 式 插 入基 因 組 中 產 生 的 。 a. 在 假 基 因 中 完 全 缺 少 在 相 應 的 正 常 基 因 中 存 在 的 內 含子 順 序 ；b. 在 假 基 因 的 5末 端 有 一 段 連 貫 的 脫 氧 腺 嘌 呤 核 苷 酸 ;c. 有 些 假 基 因 與 相 應 的 正 常 基 因 在 順 序 組 成 上 的 相 似 性只 限 于 相 應 的 mRNA的 3末 端 之 前 的 部 分 。假 基 因 的 特 點 假 基 因 的 來 源一 般 認 為 是 由 m

57、RNA反 轉 錄 成 cDNA， 然 后 整 合 在 基 因 組 中 。 假 基因 同 cDNA一 樣 沒 有 內 含 子 序 列 ， 也 沒 有 啟 動 基 因 轉 錄 的 啟 動 子 序列 ， 而 在 3端 都 有 mRNA分 子 特 有 的 多 聚 腺 苷 poly(A)序 列 。由 于 假 基 因 沒 有 生 物 學 功 能 ， 所 以 不 再 受 到 進 化 的 選 擇 壓 力 ， 因此 在 假 基 因 中 可 以 積 累 許 多 突 變 ， 并 常 常 同 時 存 在 三 種 終 止 密 碼子 序 列 。 假 基 因 是 由 功 能 基 因 演 變 而 來 ， 可 以 看 作 是

58、進 化 的 一 種遺 跡 。 但 既 然 假 基 因 是 沒 有 功 能 的 ， 為 什 么 仍 然 存 在 于 基 因 組 中呢 ?而 且 有 證 據 表 明 ， 有 的 假 基 因 還 會 重 復 形 成 ， 如 山 羊 的 類 - 白 基 因 的 假 基 因 g#x和 gpz。 這 些 都 是 有 待 深 入 研 究 的 進 化 問 題 3.5 細 胞 器 基 因 （ organelle gene） 線 粒 體 和 葉 綠 體 的 DNA為 環(huán) 狀 雙 鏈 。 排 列 緊 湊 ， 除 與 mtDNA復 制 及 轉 錄 有 關 的 一 小 段 區(qū) 域外 ， 不 含 內 含 子 順 序 。

59、高 效 利 用 DNA。 有 五 個 閱 讀 框 缺 少 終 止 密 碼 子 ， 僅 以 U或 UA結 尾 。 mtDNA的 突 變 率 高 于 核 中 DNA， 并 且 缺 乏 DNA的 修 復能 力 。 mtDNA為 母 系 遺 傳 。 部 分 mtDNA的 密 碼 子 不 同 于 核 內 DNA的 密 碼 子 。人 類 線 粒 體 基 因 組 的 特 點 ： 線 粒 體 追 蹤 線 粒 體 DNA在 遺 傳 給 下 一 代 時 并 不 發(fā) 生 變 化 ，除 非 產 生 隨 機 變 異 。 變 異 發(fā) 生 的 幾 率 相 對 穩(wěn) 定 ， 因 此 可以 作 為 研 究 人 類 進 化 史 的

60、 “ 分 子 鐘 ” 。 此 前 科 學 家 曾 經根 據 對 線 粒 體 DNA變 異 的 研 究 提 出 ， 現 代 人 都 源 于 非 洲 。但 這 些 研 究 的 可 靠 性 存 在 爭 議 ， 例 如 科 學 家 們 通 常 只 關注 占 線 粒 體 DNA序 列 7%的 “ 控 制 區(qū) ” ， 其 他 區(qū) 域 的 變異 情 況 被 忽 略 了 。 人 類 起 源 的 “ 夏 娃 理 論 ” 現 代 人 類 的 線 粒 體 DNA 第 一 類 僅 見 于 一 些 非 洲 人 中第 二 類 則 分 布 于 包 括 其 他 非 洲人 在 內 的 所 有 種 族 中 在 現 代 各 種 族

61、 中 ， 非 洲 人 之 間 的 線 粒 體 DNA的 差 異 最 大 ， 這表 明 非 洲 人 線 粒 體 DNA中 所 積 累 的 突 變 最 多 。 非 洲 人 是 最 古老 的 種 族 ， 從 而 也 證 明 了 非 洲 人 是 最 早 出 現 的 現 代 人 類 。 基 因 組 組 成 簡 單 ； 啟 動 子 和 原 核 生 物 的 相 似 ； 基 因 組 成 是 相 似 的 ， 大 部 分 產 物 是 類 囊 體 的 成分 或 和 氧 化 還 原 反 應 有 關 ； 所 有 葉 綠 體 基 因 轉 錄 的 mRNA都 由 葉 綠 體 核 糖體 翻 譯 。葉 綠 體 基 因 組 的 特 點 ： 線 粒 體 膜 和 葉 綠 體 膜 不 允 許 核 酸 分 子 通 過 ， 因 此 二 者 基 因 表達 所 需 的 RNA如 tRNA， rRNA， mRNA均 有 其 本 身 提 供 ?；?因 的 組 織 方 式 類 似 于 原 核 生 物 的 噬 菌 體 ， 抑 制 原 核 生 物 蛋白 質 合 成 的 抗 生 素 ， 如 紅 霉 素 、 鏈 霉 素 等 均 可 抑 制 細 胞 器 的蛋 白 質 合 成 ， 故 細 胞 器 可 能 由 原 核 生 物 入 侵 真 核 生 物 形 成 的 。