真核生物基因組結(jié)構(gòu)PPT課件

1、第1頁/共67頁支原體細(xì)菌酵母霉菌蠕蟲昆蟲鳥類兩棲類哺 乳類1010109108107106第2頁/共67頁 )第3頁/共67頁植物鳥類哺乳動(dòng)物爬行動(dòng)物兩棲動(dòng)物硬骨魚軟骨魚棘皮動(dòng)物甲殼動(dòng)物昆蟲軟體動(dòng)物蠕蟲霉菌藻類真菌格蘭氏陽性菌格蘭氏陰性菌支原體陰影部分為一個(gè)門內(nèi)C-值的范圍第4頁/共67頁 第5頁/共67頁第6頁/共67頁 當(dāng) C/ C0 = 1/2 時(shí)的C0t值定義為C0t1/2C / C0 = 1/2 = 1 / (1+ k C0t(1/2)Cot(1/2) = 1/k (mol. Sec / L)即復(fù)性反應(yīng)完成一半時(shí)第7頁/共67頁p 在控制反應(yīng)條件（初始濃度、溫度、離子強(qiáng)度、片段大在

2、控制反應(yīng)條件（初始濃度、溫度、離子強(qiáng)度、片段大?。┫嗤那疤嵯拢。┫嗤那疤嵯拢珼NA分子的分子的C0t (1/2)值，取決于核苷值，取決于核苷酸的排列復(fù)雜性。酸的排列復(fù)雜性。p DNA序列的復(fù)雜度序列的復(fù)雜度(complexity) X：最長的沒有重復(fù)序列最長的沒有重復(fù)序列的核苷酸對的數(shù)值。的核苷酸對的數(shù)值。AAAAAAAA X = 1ATCGATCGATCG X = 4 N= 105 X = 105DNA序列的復(fù)雜性、初始濃度、片段大小、溫度、離子強(qiáng)度DNA復(fù)性的影響因素：復(fù)性的影響因素：X= k Cot1/2第8頁/共67頁n相同核苷酸數(shù)量的DNA，復(fù)雜性小的DNA分子復(fù)性快，Cot

3、(1/2)值小；復(fù)雜性大的DNA分子復(fù)性慢，Cot (1/2) 大。nCot曲線：表示復(fù)性速度與DNA順序復(fù)雜性的關(guān)系。Cot(1/2) = 1/k (mol. Sec / L)第9頁/共67頁 Cot曲線第10頁/共67頁2.利用復(fù)性動(dòng)力學(xué)鑒定基因組序列第11頁/共67頁原核生物Cot曲線的特點(diǎn)：形狀相似（跨越2-3個(gè)數(shù)量級），Cot（12）不相同單一序列，只是復(fù)雜性不同。第12頁/共67頁復(fù)雜性復(fù)雜性X 1不同原核生物的Cot曲線復(fù)性分?jǐn)?shù)（1-c/c0）Cot第13頁/共67頁P(yáng)74圖16真核生物DNA復(fù)性曲線的模式圖復(fù)性反應(yīng)分為三相，每相代表不同復(fù)雜長度的序列類型第14頁/共67頁 根據(jù)

4、復(fù)性動(dòng)力學(xué)特征的不同，將真核生物DNA序列分為4類：p 零時(shí)復(fù)性序列p 快速復(fù)性序列p 中速復(fù)性序列p 慢速復(fù)性序列第15頁/共67頁1）零時(shí)復(fù)性序列： 具有反向重復(fù)結(jié)構(gòu)（也稱回文結(jié)構(gòu)），可在同一條鏈內(nèi)形成雙鏈區(qū)，變性后再復(fù)性時(shí)，在鏈間復(fù)性之前就已發(fā)生鏈內(nèi)復(fù)性，因此不遵循二級反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程。由于這種序列的復(fù)性速度非?？?，在動(dòng)力學(xué)上稱為零時(shí)（或瞬時(shí)）復(fù)性序列。 DNA復(fù)性后可出現(xiàn)發(fā)卡形結(jié)構(gòu)。這種序列常常是DNA復(fù)制酶、轉(zhuǎn)錄酶以及特異蛋白質(zhì)的結(jié)合部位。第16頁/共67頁2 2）快速復(fù)性序列： 也叫高度重復(fù)序列（Highly repetitive sequence） 大部分集中于異染色質(zhì)區(qū) ，特別是

5、在著絲粒和端粒區(qū)，往往沒有轉(zhuǎn)錄功能 。 占基因組的10-60%,長度6 200bp ，重復(fù)次數(shù)在105以上。第17頁/共67頁P(yáng)74圖16真核生物DNA復(fù)性曲線的模式圖復(fù)性反應(yīng)分為三相，每相代表不同復(fù)雜長度的序列類型第18頁/共67頁3）中速復(fù)性序列： 基因組中重復(fù)次數(shù)105的重復(fù)順序,重復(fù)單位平均長度約300bp; 復(fù)性速度快于單拷貝順序，慢于高度重復(fù)順序。 多與單拷貝基因間隔排列。 多為非編碼序列，如Alu序列 也有編碼基因產(chǎn)物的，如rDNA、tDNA、組蛋白基因家族, 一般往往以基因家族的形式存在。也叫中度重復(fù)序列(moderate repetitive sequences)第19頁/共

6、67頁Alu family（Alu 家族）：長約300bp的片段，大多數(shù)片段含有一個(gè)限制性內(nèi)切酶Alu的酶切位點(diǎn)（AGCT）; 均勻分散在整個(gè)基因組中的非重復(fù)序列間; 在人類基因組中占1 3; 第20頁/共67頁4）慢速復(fù)性序列： C0t1/2一般在103mol.s/L以上，復(fù)性速度極慢，在一個(gè)基因組中只有一個(gè)拷貝或23個(gè)拷貝，也稱非重復(fù)序列（單一序列、單拷貝序列）。l結(jié)構(gòu)基因 (蛋白質(zhì)基因)大多是單拷貝序列。第21頁/共67頁P(yáng)74圖16真核生物DNA復(fù)性曲線的模式圖復(fù)性反應(yīng)分為三相，每相代表不同復(fù)雜長度的序列類型第22頁/共67頁大部分結(jié)構(gòu)基因位于非重復(fù)的DNA序列內(nèi)第23頁/共67頁第二

7、節(jié)第二節(jié) 斷裂基因（斷裂基因（split gene） 不連續(xù)基因（不連續(xù)基因（interrupted gene） 編碼某一編碼某一RNARNA的基因中有些序列并不出現(xiàn)在成熟的基因中有些序列并不出現(xiàn)在成熟的的RNARNA序列中，成熟序列中，成熟RNARNA的序列在基因中被其他的的序列在基因中被其他的序列隔開。序列隔開。一、斷裂基因由外顯子和內(nèi)含子組成一、斷裂基因由外顯子和內(nèi)含子組成1 1、斷裂基因的發(fā)現(xiàn)、斷裂基因的發(fā)現(xiàn) 通過成熟通過成熟mRNAmRNA（或（或cDNAcDNA）與編碼基因的）與編碼基因的DNADNA雜雜交試驗(yàn)而發(fā)現(xiàn)。交試驗(yàn)而發(fā)現(xiàn)。第24頁/共67頁雞卵清蛋白成熟mRNA與DNA雜

8、交電鏡圖DNAmRNA第25頁/共67頁斷裂基因由外顯子和內(nèi)含子組成。1978 Gilbert 首創(chuàng)這兩個(gè)概念 二、外顯子(外元、 Exon)DNA 與成熟RNA間的對應(yīng)區(qū)域氨基酸的編碼區(qū)（amino acid coding region） 非間隔區(qū)（unspacer） 原初轉(zhuǎn)錄物中通過原初轉(zhuǎn)錄物中通過RNARNA拼接反應(yīng)而保留于拼接反應(yīng)而保留于成熟成熟RNARNA中的序列中的序列或基因中與成熟或基因中與成熟RNARNA序列相對應(yīng)的序列相對應(yīng)的DNADNA序列序列。2.斷裂基因的結(jié)構(gòu)斷裂基因的結(jié)構(gòu)第26頁/共67頁1.外顯子具有保守的序列 不同物種中的同源基因的外顯子序列通常是保守的。尤其是編

9、碼區(qū)內(nèi)的外顯子具有很強(qiáng)的保守性，但處于5和3非編碼區(qū)的外顯子有時(shí)會(huì)發(fā)生變化。2.外顯子對應(yīng)基因的功能性單位外顯子與蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)域相對應(yīng)。3.不同基因可能存在相關(guān)的外顯子不同基因中的某個(gè)或某幾個(gè)外顯子可能具有相關(guān)性。第27頁/共67頁三、內(nèi)含子(內(nèi)元 、 Intron)DNA 與成熟RNA間的非對應(yīng)區(qū)域 氨基酸的非編碼區(qū)（uncoding region） 間隔區(qū)（spacer） 但被轉(zhuǎn)錄 原初轉(zhuǎn)錄物中通過原初轉(zhuǎn)錄物中通過RNARNA拼接反應(yīng)而被拼接反應(yīng)而被去除的去除的RNARNA序序列列或基因中與這種或基因中與這種RNARNA序列相對應(yīng)的序列相對應(yīng)的DNADNA序列。序列。R R環(huán)（環(huán)（R-lo

10、opR-loop）：mRNAmRNA與編碼單鏈與編碼單鏈DNADNA雜交時(shí)，雜交時(shí)，不互補(bǔ)的內(nèi)含子部分形成的環(huán)。不互補(bǔ)的內(nèi)含子部分形成的環(huán)。第28頁/共67頁雞卵清蛋白成熟mRNA與DNA雜交電鏡圖DNAmRNA第29頁/共67頁斷裂基因前體mRNAIntrons 去除Exons 連接第30頁/共67頁第31頁/共67頁第32頁/共67頁 肌鈣蛋白基因內(nèi)含子的可變剪接，產(chǎn)生和兩種類型的蛋白第33頁/共67頁3.內(nèi)含子存在的意義及與進(jìn)化的關(guān)系有利于儲存更多的遺傳信息，增加信息量。由于可變剪接的存在.增加了重組概率： 基因總長度增加. 可變剪接的存在.有利于生物體的變異和進(jìn)化：增加了重組概率,還會(huì)

11、造成基因突變。第34頁/共67頁 第三節(jié) 基因家族和基因簇 （ Gene family 、 Gene cluster） 基因家族基因家族（Gene family）:真核生物的基因組中許多來源真核生物的基因組中許多來源相同，結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的相同，結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的一組基因。一組基因。第35頁/共67頁一、基因家族1.基因家族的成因基因家族的各個(gè)成員都是由某一祖先基因經(jīng)重復(fù)（復(fù)制）和突變產(chǎn)生的。2.基因家族的特點(diǎn)基因家族的各個(gè)成員之間來源相同，結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)。第36頁/共67頁人類珠蛋白基因家族典型的基因家族人類珠蛋白基因家族典型的基因家族血紅蛋白血紅蛋白珠蛋白珠蛋白血紅素血紅素 2 2

12、 2 2 不同的亞基由各自的基因不同的亞基由各自的基因編碼編碼第37頁/共67頁血紅蛋白（ Hb ）第38頁/共67頁 發(fā)育過程中的珠蛋白的亞基組成發(fā)育過程中的珠蛋白的亞基組成兩種亞基的編碼基因分別形成兩個(gè)不同的基因簇兩種亞基的編碼基因分別形成兩個(gè)不同的基因簇, ,并存在于不同的染色體上。并存在于不同的染色體上。每個(gè)基因簇中的基因按其在發(fā)育過程中的表達(dá)次序從每個(gè)基因簇中的基因按其在發(fā)育過程中的表達(dá)次序從5353排列在編碼鏈上排列在編碼鏈上( (其中包括有功能的基因和假基其中包括有功能的基因和假基因因) ) 2 2 2 22% 97% 1%2% 97% 1% 類類 鏈鏈 類類 鏈鏈第39頁/共6

13、7頁第40頁/共67頁 3.假基因（ Pseudogenes ）：概念：基因組中存在的一段與正常基因非常相似但不能表達(dá)的DNA序列。 分為兩大類：一類保留了相應(yīng)功能基因的間隔序列；另一類缺少間隔序列，稱為加工過的假基因或返座假基因。 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。第41頁/共67頁 大部分假基因在染色體上都位于正?；虻母浇?，但也有位置在不同的染色體上的。 假基因和正?；虻慕Y(jié)構(gòu)上的差異包括在不同部位上的程度不等的缺失或插入、在內(nèi)含子和外顯子鄰接區(qū)中的順序變化、在5端啟動(dòng)區(qū)域的缺陷等。這些變化

14、往往使假基因不能轉(zhuǎn)錄形成正常的(mRNA)，從而不能表達(dá)。 第42頁/共67頁產(chǎn)生方式：復(fù)制（duplication）即復(fù)制后基因發(fā)生序列變化而失去功能，這樣產(chǎn)生的假基因帶有內(nèi)含子，稱為未加工假基因或復(fù)制假基因 。返座（retrotransposition）即mRNA轉(zhuǎn)錄本經(jīng)過反轉(zhuǎn)錄為cDNA,再插入基因組，由于插入位點(diǎn)不合適或序列發(fā)生變化而導(dǎo)致失去功能。這種類型的假基因不含內(nèi)含子，被稱為已加工假基因或返座假基因。第43頁/共67頁二、基因簇（gene cluster ）概念：基因家族中來源相同、結(jié)構(gòu)相似和功能相關(guān)的在染色體上彼此緊密連鎖的一組基因。 它們屬于同一個(gè)祖先的基因擴(kuò)增產(chǎn)物，也常常包

15、括一些沒有生物功能的假基因。 如：編碼催化同一新陳代謝途徑的不同步驟的酶的結(jié)構(gòu)基因 。這些基因各自編碼的酶常能組成多酶復(fù)合物。 細(xì)菌同一操縱子中的幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因也可稱為基因簇 。第44頁/共67頁串聯(lián)重復(fù)基因簇的特點(diǎn)：各成員之間有高度的序列一致性拷貝數(shù)高 : 幾十 幾百非轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū)短而一致 組蛋白基因、組蛋白基因、rRNA rRNA 基因和基因和 tRNAtRNA基因基因往往以串聯(lián)重往往以串聯(lián)重復(fù)基因簇的形式出現(xiàn)。復(fù)基因簇的形式出現(xiàn)。正好滿足細(xì)胞對組蛋白、正好滿足細(xì)胞對組蛋白、rRNA rRNA 和和 tRNAtRNA的的 的大量需求。的大量需求。 由完全相同的基因簇成員所構(gòu)成。由完全相同的基

16、因簇成員所構(gòu)成。1.串聯(lián)重復(fù)序列第45頁/共67頁 a. rRNA 基因家族 （rDNA gene family）海膽450copies煙草750 copies果蠅100 copiesT 18s T 5.8s T 28s NT 18s T 5.8s T28s5.8s重復(fù)單位的組織情況：重復(fù)單位的組織情況：一個(gè)重復(fù)單位內(nèi)的一個(gè)重復(fù)單位內(nèi)的轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū)的間隔區(qū)（內(nèi)元）（內(nèi)元）重復(fù)單位之間的重復(fù)單位之間的不轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)不轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)第46頁/共67頁 b.組蛋白基因家族（Histone gene family）H1H4H2BH3H2A一個(gè)重復(fù)單位一個(gè)重復(fù)單位( (基因簇基因簇 gene cluste

17、r)gene cluster)的組織情況：的組織情況：組織方式因不同生物而異：組織方式因不同生物而異：基因次序、間隔區(qū)的長短、重復(fù)頻率基因次序、間隔區(qū)的長短、重復(fù)頻率不轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)不轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)海膽：海膽：組蛋白基因表達(dá)特點(diǎn)：組蛋白基因表達(dá)特點(diǎn)： 沒有內(nèi)元沒有內(nèi)元 沒有多聚沒有多聚A A尾巴尾巴第47頁/共67頁 c. tRNA基因 tRNAtRNA約長約長 70 70 80 bp80 bp，其基因約長，其基因約長140 bp 140 bp ( (內(nèi)元內(nèi)元) )串聯(lián)重復(fù)排列，但各重復(fù)單位內(nèi)的各串聯(lián)重復(fù)排列，但各重復(fù)單位內(nèi)的各tRNAtRNA基因可以不同基因可以不同d. 5SrRNA基因 簡單多基因

18、家族簡單多基因家族成簇排列、成簇排列、10102 2 10103 3個(gè)拷貝個(gè)拷貝123 3 不轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū)1 5S rRNA2 假基因 重復(fù)單位間由高 度重復(fù)序列隔開第48頁/共67頁2.衛(wèi)星DNA（Satellite DNA）： 將DNA切成數(shù)百個(gè)堿基對的片段進(jìn)行氯化銫密度梯度離心時(shí)，由于富含AT的簡單高度重復(fù)序列區(qū)段浮力密度較小，因而很容易和總體DNA分開，即常會(huì)在主要的DNA帶之外有一個(gè)次要的帶相伴隨。 根據(jù)重復(fù)頻率和大小可分為衛(wèi)星DNA小衛(wèi)星DNA微衛(wèi)星DNA衛(wèi)星DNA的重要特征是：序列長且復(fù)雜性低。第49頁/共67頁Mouse genome DNA30% GC in satellit

19、e DNACsCl 離心主帶衛(wèi)星帶光 的 吸 收 率浮 力 密 度第50頁/共67頁衛(wèi)星DNA: 一個(gè)重復(fù)單位長100幾百bp，不能轉(zhuǎn)錄和翻譯，多分布于異染色質(zhì)的著絲粒區(qū)。小衛(wèi)星DNA: 一個(gè)重復(fù)單位長10100bp，具有高度的可變性，甚至同一群體中個(gè)體間重復(fù)次數(shù)變動(dòng)很大，所以個(gè)體間長度變化很大（DNA長度多態(tài)性） 但每個(gè)小衛(wèi)星DNA又都存在一段共有的核心序列，長1015bp,富含GC。 第51頁/共67頁 存在于基因組的廣泛區(qū)域：基因的間隔區(qū)，內(nèi)含子，外顯子，調(diào)控區(qū)。 不同物種，微衛(wèi)星含量不同：真核生物平均50150kb一 個(gè)微衛(wèi)星。 不同微衛(wèi)星在不同物種中豐度不同：哺乳動(dòng)物基因組中(AC)

20、n最豐富；植物基因組中 (AT)n最豐富。 真核生物基因組中，二核苷酸微衛(wèi)星最豐富，三核苷酸微衛(wèi)星比二核苷酸微衛(wèi)星低10倍，四核苷酸微衛(wèi)星更少。微衛(wèi)星DNA:一個(gè)重復(fù)單位長10bp以下。第52頁/共67頁 后兩種衛(wèi)星后兩種衛(wèi)星DNA又稱為又稱為數(shù)目可變的串聯(lián)重復(fù)序數(shù)目可變的串聯(lián)重復(fù)序列列( Variable number tandem repeats . VNTR )或或短串短串聯(lián)重復(fù)序列聯(lián)重復(fù)序列（short tandem repeats . STR ）第53頁/共67頁第四節(jié) 真核基因組的包裝第54頁/共67頁一、概述：一、概述： * * 真核真核DNA組蛋白組蛋白 核小體核小體 * *

21、核小體折疊壓積核小體折疊壓積 染色質(zhì)（染色質(zhì)（chromatin） （還包括非組蛋白和少量的（還包括非組蛋白和少量的RNA） * * 大部分細(xì)胞生活周期里以染色質(zhì)的形式存在（彌散狀）大部分細(xì)胞生活周期里以染色質(zhì)的形式存在（彌散狀） M期期染色體形式染色體形式 * * 染色質(zhì)有兩種類型染色質(zhì)有兩種類型 a a、常染色質(zhì)：密度較低，一部分基因能被表達(dá)、常染色質(zhì)：密度較低，一部分基因能被表達(dá) b b、異染色質(zhì)：密度較高，不被表達(dá)（著絲粒、端粒）、異染色質(zhì)：密度較高，不被表達(dá)（著絲粒、端粒）第55頁/共67頁第56頁/共67頁 * * 組蛋白八聚體（組蛋白八聚體（Histone octamer ） H2A與與H2B，H3與與H4的親和力強(qiáng)，的親和力強(qiáng)， 通過通過C端的疏水氨基酸結(jié)合端的疏水氨基酸結(jié)合 兩個(gè)兩個(gè)H3、H4先形成四聚體先形成四聚體 結(jié)合兩個(gè)結(jié)合兩個(gè)H2A和和H2B的異二聚體的異二聚體 組蛋白八聚體組蛋白八聚體 第57頁/共67頁二、核小體（二、核小體（Nuclearsome） * * 構(gòu)成染色質(zhì)的構(gòu)成染色質(zhì)