A+醫(yī)學(xué)百科 >> 重疊基因

所謂重疊基因（overlapping gene）是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的基因共有一段DNA序列，或是指一段DNA序列成為兩個(gè)或兩個(gè)以上基因的組成部分。重疊基因有多種重疊方式。例如，大基因內(nèi)包含小基因；前后兩個(gè)基因首尾重疊一個(gè)或兩個(gè)核苷酸；幾個(gè)基因的重疊，幾個(gè)基因有一段核苷酸序列重疊在一起，等等。重疊基因中不僅有編碼序列也有調(diào)控序列，說明基因的重疊不僅是為了節(jié)約堿基，能經(jīng)濟(jì)和有效地利用DNA遺傳信息量，更重要的可能是參與對(duì)基因的調(diào)控?！　?/p>

發(fā)現(xiàn)

重疊基因 是在1977年發(fā)現(xiàn)的。早在1913年A.H.斯特蒂文特已在果蠅中證明了基因在染色體上作線狀排列，50年代對(duì)基因精細(xì)結(jié)構(gòu)和順反位置效應(yīng)等研究的結(jié)果也說明基因在染色體上是一個(gè)接著一個(gè)排列而并不重疊。但是1977年F.桑格在測(cè)定噬菌體ΦX174的DNA的全部核苷酸序列時(shí)，卻意外地發(fā)現(xiàn)基因D中包含著基因E。基因E的第一個(gè)密碼子（見遺傳密碼）從基因D的中央的一個(gè)密碼子TAT的中間開始，因此兩個(gè)部分重疊的基因所編碼的兩個(gè)蛋白質(zhì)非但大小不等，而且 氨基酸 也不相同。在某些真核生物病毒中也發(fā)現(xiàn)有重疊基因。　　

斷裂的基因

也是在1977年發(fā)現(xiàn)的，它是內(nèi)部包含一段或幾段最后不出現(xiàn)在成熟的mRNA中的片段的基因。這些不出現(xiàn)在成熟的mRNA中的片段稱為內(nèi)含子，出現(xiàn)在成熟的mRNA中的片段則稱為外顯子。例如下面這一基因，有三個(gè)外顯子和兩個(gè)內(nèi)含子。在幾種哺乳動(dòng)物的核基因、酵母菌的線粒體基因以及某些感染真核生物的病毒中都發(fā)現(xiàn)了斷裂的基因。內(nèi)含子的功用以及轉(zhuǎn)錄后的加工機(jī)制是真核生物分子 遺傳學(xué) 的一個(gè)吸引人的課題?！　?/p>

可以移動(dòng)位置的基因

（見轉(zhuǎn)座因子）首先于40年代中在玉米中由B.麥克林托克發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)并沒有受到重視。60年代末在細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)一類稱為插入序列的可以轉(zhuǎn)移位置的 遺傳因子 IS,它們本身沒有表型效應(yīng),可是在插入別的基因中間時(shí)能引起插入突變。70年代早期又發(fā)現(xiàn)細(xì)菌質(zhì)粒上的某些抗藥性基因可以轉(zhuǎn)移位置。細(xì)菌中的這類轉(zhuǎn)座子（Tn）到80年代已經(jīng)發(fā)現(xiàn)不下20種，它們分別帶有不同的抗藥性基因，能在不同的復(fù)制子之間轉(zhuǎn)移位置,例如從質(zhì)粒轉(zhuǎn)移到染色體、噬菌體以及別的質(zhì)粒上等。當(dāng)他們轉(zhuǎn)移到某一基因中間時(shí)，便引起一個(gè)插入突變。類似于細(xì)菌轉(zhuǎn)座子的可以轉(zhuǎn)移位置的遺傳因子在玉米以外的真核生物中也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，例如酵母菌中的接合因子基因，以及果蠅白眼基因中的 轉(zhuǎn)座因子 等。轉(zhuǎn)座因子的研究也已成為分子遺傳學(xué)中的一個(gè)重要方面。

功能、類別和數(shù)目到目前為止在果蠅中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的基因不下于1000個(gè)，在 大腸桿菌 中已經(jīng)定位的基因大約也有1000個(gè)，由基因決定的性狀雖然千差萬別，但是許多基因的原初功能卻基本相同。

1945年G.W.比德爾通過對(duì)脈孢菌的研究，提出了一個(gè)基因一種酶假設(shè)，認(rèn)為基因的原初功能都是決定蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)（即編碼組成肽鏈的氨基酸序列）。這一假設(shè)在50年代得到充分的驗(yàn)證。

重疊基因（everlapping gene）：指兩個(gè)或兩個(gè)以上的結(jié)構(gòu)基因共同一段DNA順序的現(xiàn)象重疊基因 原核生物和一些病毒或噬菌體的基因組比較小，核苷酸對(duì)是極其有限的，那么怎樣有效地利用這些有限堿基來編碼更多的遺傳信息呢？在生物中存在著一種十分巧妙的機(jī)制——重疊基因 (overlapping gene)。它的道理就像我們古代的回文詩一樣，如： 蓮人在綠楊津 采 一 玉漱聲歌新闕 其讀法是：采蓮人在綠楊津，在綠楊津一闕新，一闕新歌聲漱玉，歌聲漱玉采蓮人。本來需要28個(gè)字才能表達(dá)完的一首詩，現(xiàn)在利用前后兩句之間的幾個(gè)字的重疊，結(jié)果只用了14個(gè)字就完成了。重疊基因也正是如此，利用堿基的重疊來編碼更多的信息。 重疊基因是在1977年首先發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)美國著名的科學(xué)家Sanger建立了測(cè)序方法，他就用這種測(cè)序方法對(duì)環(huán)狀單鏈的噬菌體F×174進(jìn)行了測(cè)序。結(jié)果測(cè)出其基因組由5386個(gè)核苷酸組成，共有11個(gè)基因，構(gòu)成3個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，由3個(gè)啟動(dòng)子（pA,pB,pD）啟動(dòng)。（圖10-4）基因的產(chǎn)物都已被分離，它們所含的氨基酸已遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過了5386個(gè)堿基所能編碼的量，即F-174含有的5386Nt最多能編碼1795個(gè)氨基酸，若每個(gè)氨基酸的平均分子量為110，則總的蛋白質(zhì)分子量為197,000D，但實(shí)際測(cè)出的蛋白質(zhì)總分子量卻為262,000D。將全部DNA順序和蛋白質(zhì)的氨基酸順序進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)B基因在A0基因之中，K基因跨在A-C兩基因的連接處，和A0基因的尾部，C基因的首部相重疊，E基因在D基因內(nèi)部。類似的情況在別的噬菌體如G4、微小病毒和SV40也有發(fā)現(xiàn)。重疊基因不僅可經(jīng)濟(jì)利用基因組，而且可能起表達(dá)調(diào)控的作用 重疊基因僅在噬菌體和病毒中存在，在真核生物中尚未發(fā)現(xiàn)重疊基因。這可能因?yàn)榍罢呋蚪M比較小，但又必須要編碼一些維持其生命和繁殖的基因，在選擇的壓力下，保留了這種重疊基因的形式。在本世紀(jì)70年代以前，人們一直認(rèn)為遺傳物質(zhì)是雙鏈DNA，在上面排列的基因是連續(xù)的。Robert and Sharp徹底改變了這一觀念。他們以腺病毒作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，因?yàn)樗呐帕行蛄型渌叩葎?dòng)物很接近，包括人。結(jié)果發(fā)現(xiàn)它們的基因在DNA上的排列由一些不相關(guān)的片段隔開，是不連續(xù)的。 他們的發(fā)現(xiàn)改變了科學(xué)家以往對(duì)進(jìn)化的認(rèn)識(shí)，對(duì)于現(xiàn)代生物學(xué)的基礎(chǔ)研究以及生物進(jìn)化論具有重要的奠基作用，對(duì)于腫瘤以及其他遺傳性疾病的醫(yī)學(xué)導(dǎo)向研究，亦具有特別重要的意義。真核生物的基因組十分復(fù)雜，DNA的含量也比原核生物的大得多。噬菌體由于基因組很小，但又要編碼一些必不可少的蛋白，堿基顯然不夠用，這樣不僅幾乎所有的堿基都參加編碼，而且在進(jìn)化中還出現(xiàn)了“重疊基因”，以有限的基因編碼更多的遺傳信息。真核基因組正好相反，DNA十分富余，這樣不僅無需“重疊基因”，而且很多序列不編碼，如重復(fù)序列、間隔序列 (spacer) 和間插序列(intervening sequence) 即內(nèi)含子(intron)等。但不編碼并不等于沒有功能。有的我們可能還不了解，如重復(fù)序列。間隔區(qū)和間插序列這兩個(gè)概念是不同的，間隔區(qū)是指基因間不編碼的部分，有的轉(zhuǎn)錄稱轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)（TS），有的不轉(zhuǎn)錄稱為非轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)(NTS）。間插序列是指基因內(nèi)部不編碼的區(qū)域，也稱內(nèi)含子，在初始轉(zhuǎn)錄本中存在此序列，但在加工后將被切除掉，所以常不作為翻譯的信息。間隔區(qū)常常含有轉(zhuǎn)錄的啟動(dòng)子和其它上游調(diào)節(jié)序列。有的內(nèi)含子也可以編碼，如成熟酶和內(nèi)切酶等。在遺傳學(xué)上通常將能編碼蛋白質(zhì)的基因稱為結(jié)構(gòu)基因。真核生物的結(jié)構(gòu)基因是斷裂的基因。一個(gè)斷裂基因能夠含有若干段編碼序列，這些可以編碼的序列稱為外顯子。在兩個(gè)外顯子之間被一段不編碼的間隔序列隔開，這些間隔序列稱為內(nèi)含子。每個(gè)斷裂基因在第一個(gè)和最后一個(gè)外顯子的外側(cè)各有一段非編碼區(qū)，有人稱其為側(cè)翼序列。在側(cè)翼序列上有一系列調(diào)控序列(圖3-3)。調(diào)控序列主要有以下幾種：①在5′端轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游約20～30個(gè)核苷酸的地方，有TATA框(TATA box)。 TATA框是一個(gè)短的核苷酸序列，其堿基順序為TATAATAAT。TATA框是啟動(dòng)子中的一個(gè)順序，它是RNA聚合酶的重要的接觸點(diǎn)，它能夠使酶準(zhǔn)確地識(shí)別轉(zhuǎn)錄的起始點(diǎn)并開始轉(zhuǎn)錄。當(dāng)TATA框中的堿基順序有所改變時(shí)，mRNA的轉(zhuǎn)錄就會(huì)從不正常的位置開始。②在5′端轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游約70～80個(gè)核苷酸的地方，有CAAT框(CAAT box)。CAAT框是啟動(dòng)子中另一個(gè)短的核苷酸序列，其堿基順序?yàn)镚GCTCAATCT。CAAT框是RNA聚合酶的另一個(gè)結(jié)合點(diǎn)，它的作用還不很肯定，但一般認(rèn)為它控制著轉(zhuǎn)錄的起始頻率，而不影響轉(zhuǎn)錄的起始點(diǎn)。當(dāng)這段順序被改變后，mRNA的形成量會(huì)明顯減少。③在5′端轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游約100個(gè)核苷酸以遠(yuǎn)的位置，有些順序可以起到增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄活性的作用，它能使轉(zhuǎn)錄活性增強(qiáng)上百倍，因此被稱為增強(qiáng)子。當(dāng)這些順序不存在時(shí)，可大大降低轉(zhuǎn)錄水平。研究表明，增強(qiáng)子通常有組織特異性，這是因?yàn)椴煌?a href="/w/%E7%BB%86%E8%83%9E%E6%A0%B8" title="細(xì)胞核">細(xì)胞核有不同的特異因子與增強(qiáng)子結(jié)合，從而對(duì)不同組織、器官的基因表達(dá)有不同的調(diào)控作用。例如，人類胰島素基因 5′末端上游約250個(gè)核苷酸處有一組織特異性增強(qiáng)子，在胰島素β細(xì)胞中有一種特異性蛋白因子，可以作用于這個(gè)區(qū)域以增強(qiáng)胰島素基因的轉(zhuǎn)錄。在其他組織細(xì)胞中沒有這種蛋白因子，所以也就沒有此作用。這就是為什么胰島素基因只有在胰島素β細(xì)胞中才能很好表達(dá)的重要原因。④在3′端終止密碼的下游有一個(gè)核苷酸順序?yàn)锳ATAAA，這一順序可能對(duì)mRNA的加尾(mRNA尾部添加多聚A)有重要作用。這個(gè)順序的下游是一個(gè)反向重復(fù)順序。這個(gè)順序經(jīng)轉(zhuǎn)錄后可形成一個(gè)發(fā)卡結(jié)構(gòu)(圖3-4)。發(fā)卡結(jié)構(gòu)阻礙了RNA聚合酶的移動(dòng)。發(fā)卡結(jié)構(gòu)末尾的一串U與轉(zhuǎn)錄模板DNA中的一串A之間，因形成的氫鍵結(jié)合力較弱，使mRNA 與DNA雜交部分的結(jié)合不穩(wěn)定，mRNA就會(huì)從模板上脫落下來，同時(shí)，RNA聚合酶也從DNA上解離下來，轉(zhuǎn)錄終止。AATAAA順序和它下游的反向重復(fù)順序合稱為終止子，是轉(zhuǎn)錄終止的信號(hào)。

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