科目名稱：生物化學(一)
授課單元：基因體的結構與特性
Department of Nutrition and Health Science
Ching Sheng Yeh Ph D
Ching-Sheng Yeh Ph.D.
E-mail：janson.yeh@msa.hinet.net Teachers’ Office: C533課程大綱
基因
1
基因體
2
基因體中的重覆序列
3
核外的基因體
4
核外的基因體
4
2-1
基因
原核細胞基因
從結構的觀點而言，編碼蛋白質的基因皆含有
開放讀框
(open reading frame
，ORF)，以及5’端側翼(5’-flanking
sequence)
上 的
啟 動 子
(promoter)
、 3’ 端 側 翼 (3’-flanking
sequence)
上的
終結子
(terminator)
，和兩側翼上主要的
調
控元素
(regulatory elements)
，調控元素是一段DNA上的寡
核苷酸序列，往往是特定轉錄因子(transcription factor)的
接合位。
解釋名詞
1)
開放讀框(open reading frame，ORF)：
是指
在既定的閱
讀框架中，不包含終止密碼子的一串序列
。這段序列是生
物個體的基因組中，可能
作為蛋白質編碼序列的部分
。
例如：一段5'-UC例如： 段5 UCUAAUAAAGGUCCA-3'序列。此序列共有3種讀取法：AGGUCCA 3序列 此序列共有3種讀取法： (1).UCU AAA GGU CCA. (2).CUA AAG GUC. (3).UAAAGG UCC
由於 為終止編碼 因此第三種讀取法不具編譯出蛋白質的潛 。由於UAA為終止編碼，因此第三種讀取法不具編譯出蛋白質的潛 力，故只有前兩者為開放閱讀框架。
2)
啟動子(promoter)：
是基因的一個組成部分，在遺傳學中
是指一段能使基因進行轉錄的去氧核糖核酸序列。啟動子
可以被RNA聚合酶辨認，並開始轉錄。
可以被RNA聚合酶辨認，並開始轉錄。
終結子 是指在轉錄過程中 提供轉錄終止信號的序列 終
3) 終結子(terminator)：是指在轉錄過程中，提供轉錄終止信號的序列。終 止子和啟動子不同，啟動子由DNA序列來提供信號，但真正起終止作用 止子和啟動子不同 啟動子由DNA序列來提供信號 但真正起終止作用 的不是DNA序列本身，而是轉錄生成的RNA。
4) 調 控 元 素 (regulatory elements) ：有 順 式 調 控 元 件 (cis-regulatory element)，或順式作用元件是調節位於相同的DNA分子(通常是一個染色 體)的基因的表達的DNA或RNA的區域。 5) 轉錄因子(transcription factor)：是指能夠結合在某基因上游特異核苷酸 序列上的蛋白質 這些蛋白質能調控其基因的轉錄 轉錄因子可以調控 序列上的蛋白質，這些蛋白質能調控其基因的轉錄。轉錄因子可以調控 核糖核酸聚合酶(RNA聚合酶，或叫RNA合成酶)與DNA模板的結合。 核糖核酸聚合酶( 聚合酶 或叫 合成酶)與 模板的結合 轉錄起始點標示為+1，但+1位並不是轉錄的起始點，轉譯的起始碼(start d )在DNA層級為ATG 轉錄的 RNA上則為AUG
codon)在DNA層級為ATG，轉錄的mRNA上則為AUG。
轉譯終止碼(stop codon)在DNA層級為TAG、TGA、TAA，轉錄的mRNA上則 為UAG、UGA、UAA。
突變基因的互補實驗
實驗過程中，攜帶某突變點P的 實驗過程中，攜帶某突變點P的 大腸桿菌突變株，植入一個含有 突變點Q的質體。 a))如果突變株的外表型恢復為野 生型，則兩突變點並不在同一 互補群中。 互補群中 b)設若突變株依舊保持突變的外 型 則這兩個突變點屬於相同 型，則這兩個突變點屬於相同 的互補群； 換言之，突變點P與 突 變 點 Q 位 於 同 一 個 作 用 子 (cistron)，或稱位於同一個基因 (gene)上。原核基因的調節
原核基因的調節
原核細胞的基因編碼序列是連續性的 並未受到非編碼序
原核細胞的基因編碼序列是連續性的，並未受到非編碼序
列的干擾，故基因中的核苷酸序列與蛋白質的氨基酸有關，
列的干擾 故基因中的核苷酸序列與蛋白質的氨基酸有關
有一對一的相對關係，稱為協同線性關係(colinear)。
原核細胞內數個基因會組成一個操縱組(operon)，由同一
控制區調節基因表現
控制區調節基因表現。
操縱組(operon) 原核細胞操縱組( )包括 種以上的基因 共用 個啟動子 故基 原核細胞操縱組(operon)包括一種以上的基因，共用一個啟動子，故基 因的表現受相同的調控元素所控制，這種的控制元素又稱為操作子 (opertaor)。 當催化RNA的聚合的酵素接合在啟動子之後，轉錄反應從+1位開始， 當催化RNA的聚合的酵素接合在啟動子之後，轉錄反應從+1位開始， 持續往下游(5’→3’的方向)進行，經過操縱組的所有基因，直到遭遇終 結子才完成轉錄作用，結果產生一條多種基因訊息的mRNA，稱為聚 作用子RNA(polycistronic RNA)，由於各基因具有自己的轉錄起始碼和 終止碼，故此mRNA可轉譯成數種的蛋白質。 (polycistronic RNA)
真核基因的調節
真核細胞基因的開放讀框(open reading frame，ORF)普遍
具有非編碼序列的干擾，稱為
插入子
(intron)，編碼區段則
稱為
外顯子
(exon)，可見具有插入子基因與蛋白質序列就
稱為
外顯子
(exon)，可見具有插入子基因與蛋白質序列就
不存在協同線性關係(colinear)。
真核細胞與原核細胞最主要的差異是沒有操縱組的
真核細胞與原核細胞最主要的差異是沒有操縱組的
構造，基因只編碼一個蛋白質，稱為單作用子
(monocistron)。
每個基因各有自己的啟動子，各個基因獨立表現。如上圖中：A基 因有A基因的啟動子， B基因有B基因的啟動子。
當基因進行初步轉錄(primary transcript)，產生原
型mRNA時，插入子與外顯子同時被轉錄下來，故
型mRNA時 插入子與外顯子同時被轉錄下來 故
原型mRNA必須經過剪接(splicing)將插入子切除，
原型mRNA必須經過剪接(splicing)將插入子切除，
再將切口接合 只留下外顯子 並經過適當的修飾
再將切口接合，只留下外顯子，並經過適當的修飾
後 才能經由 殊機制經由
核
離 細胞核進
後，才能經由特殊機制經由
核孔
，離開細胞核進入
細胞質
中，以進行轉譯反應。
Pre-mRNA的修飾
Pre mRNA的修飾
(起始碼) (終止碼) (插入子) (外顯子) (轉錄) (原型mRNA) (插入子剪接) (轉譯)真核細胞轉錄和轉譯之過程
真核細胞轉錄和轉譯之過程
真核生物 基因A DNA片段 基因 轉錄 外顯子為蛋白質轉譯的區 轉錄 DNA由依憑DNA的RNA聚合酶轉錄 AAAA3’-端末轉譯區域 異負核RNA(只有 表現一個多肽鏈) 外顯子為蛋白質轉譯的區 域，必須移除沒有轉譯序 列的插入子而連接在一起， 這個移除插入子以及連接 表現子的過程稱為剪接作 剪接 小(胞)核核糖核蛋白 轉移至細胞質 在轉錄後加工Poly(A) 用。 轉譯 mRNA由細胞質核糖體轉譯為蛋白質 蛋白質A 蛋白質A插入子與外顯子的演化特性
插入子與外顯子的演化特性
外顯子(Exon)
是編碼蛋白質的基因片段，故具有
功能相同或相似的基因，其外顯子的序列有很高的
相似度，但在插入子(Intron)及5’端非轉譯序列(5’-相似度 但在插入子(Intron)及5 端非轉譯序列(5
untranslated sequence，5’ UT)與3’端非轉譯序列
untranslated sequence，5 -UT)與3 端非轉譯序列
(3’
t
l t d
3’ UT)則有較大的變
(3’-untranslated sequence，3’-UT)則有較大的變
異。
外顯子的突變
外顯子的突變
外顯子(E
)的突變經常來自點突變( i
i )
即
外顯子(Exon)的突變經常來自點突變(point mutation)，即
單 鹼基對突變 根據鹼基改變所造成的影響 大致可分
單一鹼基對突變，根據鹼基改變所造成的影響，大致可分
為兩類：
為兩類：
1) 更換位(replacement site)：這類位置在基因中平均佔75%。 1) 更換位(replacement site)：這類位置在基因中平均佔75%。 例如：第11對染色體短臂上β-球蛋白基因中，有一組編碼由例如：第11對染色體短臂上β 球蛋白基因中 有 組編碼由 GAA突變為GTA，導致轉譯的蛋白質第6個氨基酸由正常麩胺 酸(glutamine)變成纈「ㄒㄧㄝˊ」胺酸(valine)，而引起鐮刀型紅 血球貧血症(sickle-cell anemia)。鐮刀型紅血球貧血症(sickle-cell anemia)之基因突變
鐮刀型紅血球貧血症(sickle cell anemia)之基因突變
麩胺酸(glutamine) 纈胺酸(valine) 點突變 (point mutation) ( )
沉默位
當點突變發生在基因及其調控序列
2)
沉默位(silent site)：
當點突變發生在基因及其調控序列
之外，或使基因序列內一種密碼子變成編碼同一種胺基酸
之外 或使基因序列內 種密碼子變成編碼同 種胺基酸
的另一種同義密碼子時，不會改變生物個體的基因產物，
因而
不引起性狀變異
。不引起生物性狀變異的突變稱為沉
默突變。這類位置在基因中平均佔25%。
默突變。這類位置在基因中平均佔25%。
苯丙氨酸(Phenylalanine) 苯丙氨酸(Phenylalanine)2-2
基因體(Genomics)
(
)
在生物學中，一個生物體的基因體是指包含在該生物的DNA中的全部 遺傳信息，又稱基因組。 基因組包括基因和非編碼DNA。 基因組包括基因和非編碼DNA。 一個生物體的基因組是指一套染 色體中的完整的DNA序列。例如， 生物個體體細胞中的二倍體由兩 套染色體組成，其中一套DNA序 列就是一個基因組。 列就是 個基因組。 基因組一詞可以特指整套核DNA， 也可以用於包含自己DNA序列的 細胞器基因組，如粒線體基因組 細胞器基因組 如粒線體基因組 或葉綠體基因組。原核細胞基因體
原核細胞基因體
大腸桿菌(Escherichia coli)典型的原核生物，基
因體有4.64×10
6bp，約為釀酒酵母菌的1/3，卻含
有4 289的基因 平均每1000 b 就有 個基因
有4,289的基因，平均每1000 bp就有一個基因，
很少有非編碼的序列，也沒有重複性的序列。
很少有非編碼的序列，也沒有重複性的序列
所以低等生物必須充分利用有限的基因體，以編碼
所以低等生物必須充分利用有限的基因體 以編碼
足夠的蛋白質，應付維持生命現象(新陳代謝、生
(
長、生殖、適應等)的需求。
大型的病毒如疫苗病毒(Vaccina virus)的C值為
1.87×10
5bp，含約300個基因。
小型的病毒如菸草鑲嵌病毒(Tococco mosaic virus，
TMV
)的C值為6 4 10
3b
只能編碼4個基因
TMV
)的C值為6.4×10
3bp，只能編碼4個基因。
馬鈴薯病變的類病毒(P t t
i dl t b
i id
馬鈴薯病變的類病毒(Potato spindle tuber viroid
，
PSTV
)其基因體C值為359 bases，未能編碼任何
PSTV
)其基因體C值為359 bases，未能編碼任何
蛋白質，但其RNA本身具有切割的酵素活性，可
歸類為核酸酵素(ribozyme)。
Prion蛋白粒(普立子)： 可於正常中樞神經細胞中表現(僅含單一的exon)，產 Normal Prion ---- PrPc ( ) 物是一種分子量28 KD的水溶性蛋白，簡稱PrPc(c代 表cellular)，此蛋白可輕易被蛋白酶分解；但PrPc會 表cellular) 此蛋白可輕易被蛋白酶分解；但PrP 會 轉變成PrPsc(具感染力與病原性)(s代表scrapie＝搔 癢症) 這種形式對蛋白酶有很強的抗性 PrPsc的大 癢症)，這種形式對蛋白酶有很強的抗性，PrPsc的大 量沉積於細胞質小泡(cytoplasmic vesicles)中會造成 中樞神經細胞的退化與病變 中樞神經細胞的退化與病變。 PrPc主要結構是α-helix，幾乎沒有β-sheet；而改變 Disease Prion ---- PrPsc 後的PrPsc結構卻已β-sheet為主。 • 引起羊搔癢症搔癢 (scrapie disease)、狂牛症等。( p ) 症 • 引 起 人 類 的 庫 賈 氏 症 (Creutzeldt-Jakob syndrome)及庫魯症(Kuru syndrome)等有關。 syndrome)及庫魯症(Kuru syndrome)等有關。庫魯氏症(Kuru)
庫魯氏症(Kuru)
真核細胞基因體
真核細胞生物基因體所具有的特性皆很相似，以
釀酒酵母
菌
(Saccharomyces cerevisiae)
為例：
是啤酒製造用的酵母菌 它是單細胞的真核細胞 非常容易培養 是啤酒製造用的酵母菌。它是單細胞的真核細胞，非常容易培養， 甚至在分子生物時代前，就被廣泛地用在生化分析。
酵母菌屬於單倍體，基因體有12Mb DNA，約有
6,000個基因。
在雙倍體階段，酵母菌有16個染色體約為大腸
桿菌DNA量的三倍 酵母菌只有大腸桿菌基因
桿菌DNA量的三倍。酵母菌只有大腸桿菌基因
數的1 5倍。因此，酵母菌有一部分的DNA顯然
數的1.5倍。因此，酵母菌有 部分的DNA顯然
在基因上不具有意義，也就是
非編碼DNA
(non-在基因上不具有意義 也就是
非編碼DNA
(non
coding DNA)。在單倍體階段的酵母菌，較容易
分離出突變與分析其影響。
人類基因體相對複雜性其主要特徵
1) 多數基因編碼序列皆有插入子的干擾(佔24% DNA)，真正參與編碼的 序列(外顯子)，約只佔基因體的1.1~1.5%，共有231,667個，平均每 個基因有10.4個外顯子。 個基因有10.4個外顯子2) 除 了 OFR 之 外 ， 多 數 DNA(75%) 為 非 編 碼 沙 漠 帶 (deserts of noncoding DNA)，或稱為垃圾DNA(junk DNA)。但其中非編碼DNA卻 有40~48%是重複序列。 3) 2005年研究數據，人類基因體含有22,287個基因座，其中已知的基因 有19 438個 預測基因有2 188個 其餘為未知功能的OFR 有19,438個，預測基因有2,188個，其餘為未知功能的OFR。 某些序列具有部分OFR的特徵，但缺少啟動子，或缺少5’端側翼或3’端側 翼上的主要調控元素，以致無法正常轉錄，或者無法剪接的插入子序列中 存 在 終 止 碼 ， 無 法 合 成 有 功 能 的 蛋 白 質 ， 此 類 序 列 稱 為 偽 基 因 (peudogene)，常用ψ(psi)表示 。
4) 同一個基因可利用外顯子的不同組合，即替代型剪接(alternative splicing)，產生一種以上的轉錄產物；此外，經由RNA編輯(RNA editing)使C轉變為U，常會產生終止碼(UAA、UGA或UAG)，造成轉 editing)使C轉變為U 常會產生終止碼(UAA UGA或UAG) 造成轉 錄產物的改變。 多數基因 有組織特異性表 或稱為異位表現 多數基因具有組織特異性表現，或稱為異位表現(ectopic expression)。 5) 基因體含有相當數量的CpG重複序列，約60%的基因皆有CpG區，長 度約400~500 bp，約85%位於+1位前後(-500到+1500 bp)的範圍，故 基因分佈較密的區域，CpG區較多。 基因分佈較密的區域，CpG區較多。 CpG容易被甲基化，此基因會被抑制或失去活性。 CpG聚集的區域即所謂的CpG islands，通常出現在某些特定的區域，例
如 promoter region、first exon。
6) 染色體內與染色體間含有重組和位移 (translocation)，基因重組的比例在不 同染色體上各有不同。 例如：第13對染色體相對穩定，而女性 的第12及第16對染色體則容易發生重 的第12及第16對染色體則容易發生重 組現象。 7) 單 核 苷 酸 多 型 性 (Single Nucleotide Polymorphism，SNP)在基因體中大量 存在，平均每1.250 bp就有1個SNP。 某些疾病(如癌症、遺傳性疾病等)。 某些疾病(如癌症、遺傳性疾病等)。 與藥物對個體有效性(efficacy)的差異性 有關。
8)
除 了 編 碼 蛋 白 質 的 基 因 之 外 ， 基 因 體 還 含 有
RNA
RNA
RNA及
RNA等RNA基因 此
mRNA、rRNA、tRNA及snoRNA等RNA基因；此
外 ， 亦 有 許 多 已 知 和 未 知 功 能 的 微
外 ， 亦 有 許 多 已 知 和 未 知 功 能 的 微
RNA(microRNA)。
RNA(microRNA)
rRNA及tRNA的基因都有許多重拷貝，稱為成
排重複(multiple tandem repeat)序列。
人類的tRNA基因有622個，其中編碼20種氨基
酸所需的tRNA共有448個。
2-3
基因體中的重覆序列
基因複製現象
明顯具有片段複製現象的序列佔人類基因體約5.3%，經過
長時間的演化和複製，複製的結果往往形成基因群聚(gene
長時間的演化和複製，複製的結果往往形成基因群聚(gene
cluster)，如α-球蛋白(α-globin)及β-球蛋白(β-globin)基因就
是 典 型 的 基 因 群 聚 ， 這 些 基 因 統 稱 為 基 因 家 族 (gene
f
il )
family)。
基因家族具有相同數量的插入子與外顯子，
因家族具有相同數 的插入子與外顯子
如球蛋白基因家族皆有3個插入子。
某些複製片斷包含：
某些複製片斷包含：
特殊功能區(functional domain)的編碼序列
特殊功能區(functional domain)的編碼序列 如
→
如
免疫球蛋白功能區(immunoglobulin domain)等。
模組(motif)的編碼序列
→
DNA
接合模組(DNA-binding motif)。
免疫球蛋白超家族(Immunoglobulins superfamily, IgSF)
在Ig的每個結構域中，都是由70~110個氨基酸組成的緊密摺疊的結構。 後來在很多不同種類的蛋白質中也都發現有類Ig結構域的存在，這些結 後來在很多不同種類的蛋白質中也都發現有類Ig結構域的存在，這些結 構 同 Ig 抗 體 一 起 構 成 了免 疫 球 蛋 白 超 家 族(immunoglobulins superfamily，IgSF)。 IgSF的大多數成員是整合膜蛋白，存在於淋巴細胞的表面，參與各種g 的大多數成員是整合膜蛋白 存在於淋巴細胞的表面 參與各種 免疫活動。它們中的某些整合蛋白參與非鈣依賴性的細胞之間的粘著。Immunoglobulins are related to other molecules which you'll find in this hypertext. As the following diagram illustrates, the "immunoglobulin superfamily" contains CD4, CD8, the T-Cell Receptor (TCR),
and HLA.
重複序列的種類與分析
DNA的復性指變性DNA在適當條件下，二條互補鏈
DNA的復性指變性DNA在適當條件下 二條互補鏈
全部或部分恢復到天然雙螺旋結構的現象，它是變
性的一種逆轉過程。
變性DNA溶液在比Tm低25℃的溫度下維持一段長時
間，其吸光率會逐漸降低。將此DNA再加熱，其變
性曲線特征可以基本恢復到第 次變性曲線的圖形
性曲線特征可以基本恢復到第一次變性曲線的圖形。
在很低的溫度(如4℃以下)下，分子的熱運動顯著減
在很低的溫度(如4℃以下)下，分子的熱運動顯著減
弱互補鏈結合的機會自然大大減少。
鏈 合 機
然大大減少
酶
將 染 色 體 DNA 分 離 後 ， 核 酸 內 切 酶
(endonuclease)
將DNA股線切成1000 bp長度片段
(endonuclease)
將DNA股線切成1000 bp長度片段，
加熱使其熔解之後，置於溫度T 低於25℃的溶液
加熱使其熔解之後 置於溫度T
m低於25℃的溶液
中，此時單股DNA會逐漸恢復為雙股，此過程可
由OD
260值的辦化加以偵測。
單股DNA很快找到互補的另一條線，復性速率
時間就比較
快
。
單股DNA很難遭遇到互補的另一條線，復性速
率時間就比較
慢
率時間就比較
慢
。
細胞核DNA在上述實驗條件下，可分為三個主群：
1)
慢速再結合群(slow rate reassociation)
2)
中等速率再結合群(intermediate rate reassociation)
3)
極快速再結合群(very rapid rate reassociation)
DNA股線再結合的速率
C0t1/2值愈大，代表50% 再結合所需時間愈長。 C0t1/2值愈小，代表50% 再結合所需時間愈短。 C：代表特定時間溶液中剩餘的單股DNA濃度。 C0：代表反應最初單股DNA總濃度。 K：為每一種DNA再結合反應的二次反應常數。為每 種 再結合反應的 次反應常數 t：反應時間。三群再結合速率明顯不同的DNA
1) 慢速再結合群(slow rate reassociation)：
是 群單 拷貝的DNA片段 約佔哺乳類45 60%
是一群單一拷貝的DNA片段，約佔哺乳類45~60%。 EX.非編碼序列、插入子。
2) 中等速率再結合群(intermediate rate reassociation)：
是屬於低重複性序列，約佔哺乳類25~40%。
EX. 基因家族、基因群聚、中度重複性序列(轉移性的DNA元素)、轉位子。 3)) 極快速再結合群(very rapid rate reassociation)：( y p )
是一群重複性很高的序列，約佔哺乳類10~25%。包括兩大類：
a. 成排重複性序列：存在於染色體的中節和端粒以及異染色質區。
a. 成排重複性序列：存在於染色體的中節和端粒以及異染色質區
b. 散佈型重複元素：
散佈型長元素(long interspersed element, LINE)：約佔人類16.1%，每個( g p , )
LINE長度在6~8 kb之間。
散佈型短元素(short interspersed element, SINE)：約佔人類15%，每個( )
衛星DNA(Satellite DNA）
(
）
衛星DNA(satellite DNA)是一類高度重復序列。在氯化銫密度實驗中， 以看到在 條主帶以外還有 個或多個小的衛星帶 這些在衛星帶中 以看到在一條主帶以外還有一個或多個小的衛星帶。這些在衛星帶中 的DNA即被稱為衛星DNA，這種DNA的GC含量一般少於主帶中的 DNA，浮力密度也低。 這些衛星DNA主要存在於異染色質的區域(人類基因體中含有33個異染色質這些衛星DNA主要存在於異染色質的區域(人類基因體中含有33個異染色質 區)。 橙腹田鼠 黑猩猩 山田鼠 倭黑猩猩 人類
衛星DNA按其
浮力密度的大小
可以分成I、Ⅱ、Ⅲ、
Ⅳ四類，其浮力密度分別是1.687，1.693，1.697
和1.700 g/cm
3。
1.
衛 星 DNA I 家 族
由 42bp 的 單 元 組 成 ， 其 中
為 可 變 區
17bp(ACATAAAATATAAAGT)
為 可 變 區 ， 25
bp(ACCCAAAAAGTTATTATATACTGT)
為 重
bp(ACCCAAAAAGTTATTATATACTGT)
為 重
復單元。
復單元
2.
衛星DNA Ⅱ家族
衛星
Ⅱ家族
是保守性差的ATTCC重復。
是保守性差的
CC重復
3.
衛星DNA Ⅲ
衛星
Ⅲ
是較保守的ATTCC重復，且與10bp
是較保守的
重復 且與
p
的序列(ATCGGGTTG)相間分布。如α-衛星DNA
是靈長類特有的單元為171 bp的高度重復序列，
分布在人染色體的著絲粒區。β-衛星DNA家族是
單元為
的串聯重復序列 富含
衛星
單元為68bp的串聯重復序列，富含GC。γ-衛星
DNA是220 bp的串聯重復。
DNA是220 bp的串聯重復。
4
第 Ⅳ 類 衛 星 DNA
稱 為 隱 藏 的 衛 星 DNA(cryptil
4.
第 Ⅳ 類 衛 星 DNA
稱 為 隱 藏 的 衛 星 DNA(cryptil
satellite)。包含多種串聯重復序列的DNA分子，
)
包含多種串聯 復序列的
分子
離心時並不像衛星DNA那樣也分開，但它的屬
性卻類似衛星DNA。
衛星DNA按其
重復單元的核苷酸的多
寡
， 可 以 分 為 兩 類 。 一 類 是 小 衛 星
寡
， 可 以 分 為 兩 類 。 類 是 小 衛 星
DNA(minisatellite DNA)
，由幾百個核
苷酸對的單元重復組成。另一類是微衛
星DNA( i
lli
DNA)
由2個到
星DNA(microsatellite DNA)，由2個到
20個左右的核苷酸對的單元重復成百
20個左右的核苷酸對的單元重復成百
上千次所組成。
微小衛星 1) 長 度 約 10~100 bp 的 稱 為迷 你 衛 星 (minisatellite DNA)。 微小衛星 (minisatellite DNA) 2) 長 度 短 於 10 bp 的 稱 為 微 小 衛 星 (microsatellite DNA)。迷你衛星(minisatellite DNA)
迷你衛星(minisatellite DNA)
迷你衛星DNA的重複次數在不同個體之間有很顯
迷你衛星DNA的重複次數在不同個體之間有很顯
著的差異，故又稱為數量變異性成排重複(variable
(
number tandem repeat
，VNTR)。
每一種衛星DNA的重複次數在不同個體染色體中
具有多型性(polymorphism)，以孟德爾遺傳法則傳
給子代。
在正常情況下，每個人某一種衛星DNA的重複次數是一
定的 如果以某種特定衛星DNA的序列探針(
b )進行
定的。如果以某種特定衛星DNA的序列探針(probe)進行
個體DNA的南方轉漬
(ㄗˋ)法(Southern blot) 。
(
)
黑帶欲接近膠片上方，代表此 DNA愈長 也就是重複序列愈 DNA愈長 也就是重複序列愈 多 。 黑帶欲接近膠片下方，代表此 DNA愈短 也就是重複序列愈 少 。
DNA指紋(DNA fingerprint)
DNA指紋(DNA fingerprint)
目前全世界人口數在60
億左右，幾乎找不到兩
個完全相同的人，故用
南 方 轉 漬 法
(Southern
南 方 轉 漬 法
(Southern
blot)所呈現的DNA片段
圖 形 可 稱 為 DNA 指 紋
(DNA fi
i t)
(DNA fingerprint)
。
微小衛星(microsatellite DNA)
(
)
微 小 衛 星 DNA 的 重 複 次 數 稱 為 短 成 排 重 複 (short
tandem repeat，STR)。
此重複數量的多型性再加上具有共顯性的特性(co-dominat)，使得微小衛星在探討親源關係及族群遺傳的
dominat)
使得微小衛星在探討親源關係及族群遺傳的
議題上可以當作很好的分子標記(molecular marker)。
(Short tandem repeat，STR)親子鑑定之應用
在右圖中，藍色的屠普中
顯示，父親(13, 15)、母親
(11 14)、小孩(11 15)，
(11, 14)、小孩(11, 15)，
其中小孩的11來自母親，
15來自父親，符合小孩的
基因 半來自父親 另
基因一半來自父親，另一
半來自母親。同理，綠色
半來自母親 同理 綠色
的圖普亦具有類似的結果。
衛星DNA重複序列的生物功能
衛星DNA重複序列的生物功能
微小衛星DNA大致上沒有生物功能上的意義。只有少數微小衛星DNA 微小衛星DNA大致上沒有生物功能上的意義。只有少數微小衛星DNA 對基因表現具有調節作用(如CpG小島)，也與許多種疾病的基因有關。 微小衛星DNA突變機率很高(約10-3~10-4代)，故快速分裂的細胞(如腫 瘤細胞)產生重複序列突變的機率也就相對高，使得微小衛星DNA不穩 瘤細胞)產生重複序列突變的機率也就相對高 使得微小衛星 不穩 定性(microsatellite instability，MSI)成為多種癌症的指標之一。如某些 癌症 癌症： 基因5’端側翼的CpG島，G:C鹼基對突變為T:A。 (CA)n重複序列(如微小衛星DNA標記D13S126等)。 (TAT) 重複序列(如微小衛星DNA標記D1S1589等) (TAT)n重複序列(如微小衛星DNA標記D1S1589等)。 (GATA)n重複序列(如微小衛星DNA標記D1S162)。享丁頓氏舞蹈症(Huntington’s Disease，HD)
(
g
)
是一種體染色體顯性遺傳的神經退化性疾病。是由於第四
對染色體上的huntington基因的CAG(Cytosine胞嘧啶、
Adenine
腺嘌呤、Guanine鳥糞嘌呤，三種核苷酸之縮寫)
三個核苷酸組合重複序列數目不正常的增加，造成錯誤折
三個核苷酸組合重複序列數目不正常的增加 造成錯誤折
疊的蛋白質堆積在大腦，導致神經細胞壞死。
基因的第1個外顯子中含有類似微小衛星DNA的(CAG)n重複序列， 正常基因重複序列次數6-34次之間，但HD的病人具有40次以上的 正常基因重複序列次數6-34次之間，但HD的病人具有40次以上的 重複次數。 轉譯之後產生一段過長的聚麩醯胺酸(polygluttamine)，造成錯誤折 疊的異常蛋白質(HD蛋白)堆積在大腦，導致神經細胞壞死。( )
大腦基底核是統合肌肉運動的
主要位置 這個區域的神經壞
主要位置，這個區域的神經壞
死會使得病人產生手舞足蹈((
抽筋、無法自我控制的肢體運
動)、身體協調能力變差等症
狀。其臨床表現為漸進的運動
狀 其臨床表現為漸進的運動
失能、認知功能喪失、吞嚥困
MRI and PET images for patient 5. Thegrafts in the upper striatum (arrows) do not induce a noticeable increase of metabolism.難、呼吸困難及失禁，最後常
因死於呼吸感染 營養不良或
induce a noticeable increase of metabolism. The colour scale indicates the level of brain metabolism.
因死於呼吸感染、營養不良或
意外等危及生命。
2-4
核外的基因體
細胞核中的基因複製後，隨著有有絲分裂平均分配至子代細胞中，使 代代繁衍的子代得以保有原先母細胞的整套基因體，以及相同的染色 體數目。 但有少數性狀的遺傳並不遵循孟德爾遺傳定律，如某種使讓釀酒酵母 菌細胞異常短小的突變性狀( ) 就在子代間任意分 菌細胞異常短小的突變性狀(petite yeast mutant)，就在子代間任意分 配，這種產生突變的基因位於原生質中，且稱此種遺傳方式為原生質 遺傳(cytoplasmic inheretance)。粒腺體DNA
粒腺體DNA
以高等動物而言，受精時只有精子的細胞核(精核)進入受精
卵細胞中 因此受精卵只含有來自母親的粒腺體 故子代
卵細胞中，因此受精卵只含有來自母親的粒腺體，故子代
細胞的核外細胞(extranuclear genes)皆遺傳自母親，又稱
(
g
)
為母系遺傳(maternal inheretance)。
粒腺體細胞基因體依然遵循中心規範(Central Dogma)，即
DNA
指導RNA的合成(轉錄) RNA隨著指導蛋白質的製造
DNA
指導RNA的合成(轉錄)，RNA隨著指導蛋白質的製造
(
轉譯)，來自親代的遺傳訊息則順著DNA
→
RNA
→
(
)
protein的方向流傳，表現出各種特定的性狀。
在演化的過程，粒腺體基因體和細胞核基因體之
間，有許多基因交流的現象，合成蛋白質使用的
密碼子大致上與細胞核基因體相同 但有少數密
密碼子大致上與細胞核基因體相同，但有少數密
嗎子有變異的情形。如：
嗎子有變異的情形 如：
AGA
在細胞核基因體是
精胺酸
(arginine)的密碼子，而
( g
)
在哺乳類粒腺體基因體中則作為
終止碼
。
CUU
在細胞核基因體是
白胺酸
(leucine)的密碼子，而
在 釀 酒 酵 母 菌 粒 腺 體 基 因 體 中 則 作 為
蘇 胺 酸
在 釀 酒 酵 母 菌 粒 腺 體 基 因 體 中 則 作 為
蘇 胺 酸
(threonine)。
(
)
粒線體變更使用密碼子的例證
粒線體變更使用密碼子的例證
密碼子 標準胺基酸 哺乳類 mt 果蠅 mt 釀酒酵母菌 mt 植物 mt mt mt mt mtAGA Arg (精胺酸)g ( ) Stopp Ser (絲胺酸)( ) Arg (精胺酸)g ( ) Arg (精胺酸)g ( )
CUU Leu (白胺酸) Leu (白胺酸) Leu (白胺酸) Thr (羥丁胺酸) Leu (白胺酸)
UGA Stop Trp (色胺酸) Trp (色胺酸) Trp (色胺酸) Stop
AGA Arg (精胺酸) Stop Ser (絲胺酸) Arg (精胺酸) Arg (精胺酸)
