分子生物學(xué)基因組的結(jié)構(gòu)與功能

1、第三章第三章 基因組的結(jié)構(gòu)與功能基因組的結(jié)構(gòu)與功能基因組（genome）： 細(xì)胞或生物體中，一套完整單倍體的遺傳物質(zhì)的總和。如人：如人： 2222常常+ X+ X， Y Y，+ + 線粒體基因組線粒體基因組基因組的結(jié)構(gòu)：基因組的結(jié)構(gòu)：指不同的基因功能區(qū)域在核酸分子中的分布和排列情況?；蚪M的功能：貯存和表達(dá)遺傳信息。第一節(jié)：第一節(jié)： 病毒基因組病毒基因組一、病毒基因組核酸的主要類型病毒基因組核酸的主要類型雙鏈雙鏈RNARNA單鏈負(fù)股單鏈負(fù)股RNARNA 單鏈正股單鏈正股RNARNA分類分類DNADNARNARNA 雙鏈雙鏈DNADNA：HBVHBV 單鏈單鏈DNADNA：M13M13噬菌體噬菌

2、體正股(+)：序列與mRNA相同的鏈 負(fù)股(-)：序列與mRNA互補的鏈二、病毒基因組的特點二、病毒基因組的特點1 1基因組大小相差很大：基因組大小相差很大：HBVHBV：3.2kb 3.2kb 痘病毒：痘病毒：300 kb300 kb2 2核酸結(jié)構(gòu)多樣性：核酸結(jié)構(gòu)多樣性：DNA DNA 或或RNA RNA 單鏈或雙鏈單鏈或雙鏈 合環(huán)狀分子或線性分子合環(huán)狀分子或線性分子3 3基因組有連續(xù)的，有不連續(xù)的基因組有連續(xù)的，有不連續(xù)的大多數(shù)連續(xù)大多數(shù)連續(xù)流感病毒：流感病毒：8 8條單鏈條單鏈RNARNA4 4編碼序列編碼序列90%(90%(基因組基因組) )5. 5. 多為單拷貝多為單拷貝, ,即每個

3、基因只出現(xiàn)一次即每個基因只出現(xiàn)一次6.基因有連續(xù)的和基因有連續(xù)的和間斷的間斷的 ( (有內(nèi)含子有內(nèi)含子) ) 7.7.相關(guān)基因叢集相關(guān)基因叢集: : 功能上相關(guān)的基因排列在一起功能上相關(guān)的基因排列在一起8.有重疊基因有重疊基因9.含有不規(guī)則結(jié)構(gòu)基因含有不規(guī)則結(jié)構(gòu)基因基因之間無間隔區(qū)基因之間無間隔區(qū). . mRNAmRNA端無帽子結(jié)構(gòu)端無帽子結(jié)構(gòu). . 結(jié)構(gòu)基因本身無翻譯起始序列結(jié)構(gòu)基因本身無翻譯起始序列三、典型病毒基因組介紹典型病毒基因組介紹1. SV401. SV40病毒基因組病毒基因組 雙鏈環(huán)狀雙鏈環(huán)狀DNADNA：5243bp5243bp早期轉(zhuǎn)錄區(qū)：一個基因（早期轉(zhuǎn)錄區(qū)：一個基因（2 2

4、個蛋白質(zhì)個蛋白質(zhì) t t，T T）調(diào)控區(qū)（調(diào)控區(qū)（ 400bp400bp）：復(fù)制起始點，啟動子，增強子）：復(fù)制起始點，啟動子，增強子晚期轉(zhuǎn)錄區(qū)：先轉(zhuǎn)錄出一個晚期轉(zhuǎn)錄區(qū)：先轉(zhuǎn)錄出一個多順反子多順反子mRNAmRNAVP1 mRNAVP2 mRNAVP3 mRNAVP3比VP2N端少1/3AUG 位于VP2和 VP3內(nèi)UAA內(nèi)含子1內(nèi)含子2前體mRNA剪接方式1：去除內(nèi)含子1剪接方式2：去除內(nèi)含子2T-mRNAt -mRNAT- 抗原t-抗原分布于核內(nèi)：100 KD分布于胞漿內(nèi)：18 KDT - 抗原和t-抗原mRNA前體的不同剪接方式UAA2 2、逆轉(zhuǎn)錄病毒、逆轉(zhuǎn)錄病毒(retroviruses

5、)(retroviruses)（1 1）一般特征）一般特征 病毒病毒(+)(+)股股RNARNA為為2 2個拷貝個拷貝, ,基本結(jié)構(gòu)為基本結(jié)構(gòu)為: :帽帽R RU5U5PBPBDLSDLS gaggagpolpolenvenv(onc(onc) ) C CPBPBU3U3R Rpoly(A)npoly(A)n病毒顆粒中有兩條相同的正股病毒顆粒中有兩條相同的正股RNA+RNA+兩條來自宿主細(xì)胞的兩條來自宿主細(xì)胞的tRNAtRNAA A：編碼區(qū)：編碼區(qū): :所有逆轉(zhuǎn)錄病毒均含有所有逆轉(zhuǎn)錄病毒均含有3 3個基本結(jié)構(gòu)基因個基本結(jié)構(gòu)基因gag: gag: 病毒衣殼蛋白病毒衣殼蛋白pol: pol: 肽鏈

6、內(nèi)切酶肽鏈內(nèi)切酶, ,一個逆轉(zhuǎn)錄酶一個逆轉(zhuǎn)錄酶, ,一個與前病毒整一個與前病毒整 合相關(guān)的酶合相關(guān)的酶env: env: 包膜蛋白包膜蛋白B B：非編碼區(qū)：非編碼區(qū): : 與基因組復(fù)制和基因表達(dá)有關(guān)與基因組復(fù)制和基因表達(dá)有關(guān)A: RA: R區(qū)區(qū): : 兩端的重復(fù)序列兩端的重復(fù)序列, ,與與cDNAcDNA合成有關(guān)合成有關(guān)B: B: 引物結(jié)合區(qū)引物結(jié)合區(qū)(primer binding site, PB)(primer binding site, PB)C: UC: U區(qū)區(qū): U3 : U3 含強啟動子含強啟動子, ,起始轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄RNA.RNA. U5 U5 與轉(zhuǎn)錄終止和加與轉(zhuǎn)錄終止和加pol

7、yApolyA有關(guān)有關(guān)D: DLS-D: DLS- -C-C區(qū)區(qū): : DLS: DLS:兩條病毒兩條病毒(+)RNA(+)RNA鏈結(jié)合位點鏈結(jié)合位點 : : 包裝信號包裝信號:RNA:RNA裝入病毒顆粒裝入病毒顆粒 C: C: 調(diào)控區(qū)調(diào)控區(qū). .（2 2）前病毒基因組的轉(zhuǎn)錄和翻譯）前病毒基因組的轉(zhuǎn)錄和翻譯A A：逆轉(zhuǎn)錄病毒基因組的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄都需要經(jīng)：逆轉(zhuǎn)錄病毒基因組的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄都需要經(jīng)過過DNADNA中間體才能完成中間體才能完成. .RNARNA病毒病毒DNADNA前病毒前病毒RNARNA病毒病毒(cDNA)(cDNA)末端形成新的重復(fù)序列末端形成新的重復(fù)序列( (U3-R-U5U3-R-U

8、5) )稱長末端重復(fù)序列稱長末端重復(fù)序列(LTR) (LTR) long terminal repeatlong terminal repeatB B：翻譯：翻譯多順反子多順反子mRNAmRNA gag-pol( gag-pol(無起始密碼子無起始密碼子) )90% 90% 形成形成gaggag蛋白蛋白 10%10%形成形成gag- pol gag- pol 蛋白蛋白 剪接后形成剪接后形成env mRNAenv mRNA第二節(jié)第二節(jié) 原核生物基因組原核生物基因組一、原核生物基因組結(jié)構(gòu)的特點一、原核生物基因組結(jié)構(gòu)的特點：1 1、基因組為環(huán)狀雙鏈、基因組為環(huán)狀雙鏈DNADNA分子分子2 2、只有一

9、個復(fù)制起始點、只有一個復(fù)制起始點. .3 3、具有、具有操縱子操縱子結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)指數(shù)個功能上相關(guān)的基因串聯(lián)在一起,連同上游的調(diào)控區(qū)和 下游的轉(zhuǎn)錄終止信號構(gòu)成基因的表達(dá)單位. .4 4、一般無重疊基因、一般無重疊基因. .5 5、基因是連續(xù)的、基因是連續(xù)的, ,無內(nèi)含子無內(nèi)含子6 6、編碼區(qū)在基因組中的比例、編碼區(qū)在基因組中的比例 真核基因組真核基因組 病毒基因組病毒基因組7 7、基因組中重復(fù)序列很少、基因組中重復(fù)序列很少8、具有編碼同工酶的基因具有編碼同工酶的基因(isogene)(isogene)9、存在可移動存在可移動DNADNA序列序列1010、分子中有多功能識別區(qū)域、分子中有多功能識別區(qū)域

10、復(fù)制、轉(zhuǎn)錄起始區(qū)復(fù)制、轉(zhuǎn)錄起始區(qū) 復(fù)制、轉(zhuǎn)錄終止區(qū)復(fù)制、轉(zhuǎn)錄終止區(qū)二、質(zhì)粒（二、質(zhì)粒（plasmidplasmid）是細(xì)菌內(nèi)攜帶的染色體以外的是細(xì)菌內(nèi)攜帶的染色體以外的DNADNA分子分子是共價閉合環(huán)狀是共價閉合環(huán)狀DNADNA（covalent closed circular covalent closed circular DNADNA， cccDNAcccDNA）1、最大特點最大特點: : 可獨立復(fù)制可獨立復(fù)制2 2、質(zhì)粒的遺傳控制、質(zhì)粒的遺傳控制http:/ : 控制質(zhì)粒的拷貝數(shù)控制質(zhì)粒的拷貝數(shù) 復(fù)制起始點復(fù)制起始點(ori)(ori) Rep Rep基因基因: Rep: Rep蛋白結(jié)

11、合于蛋白結(jié)合于ori, ori, 促進(jìn)復(fù)制促進(jìn)復(fù)制 過量可抑制復(fù)制過量可抑制復(fù)制 CopCop基因基因: : 抑制復(fù)制抑制復(fù)制(2).(2).分配系統(tǒng)分配系統(tǒng): : 使質(zhì)粒在細(xì)菌分裂時精確分配到子細(xì)胞中使質(zhì)粒在細(xì)菌分裂時精確分配到子細(xì)胞中. .(3). (3). 細(xì)胞分裂抑制系統(tǒng)細(xì)胞分裂抑制系統(tǒng): : 控制細(xì)胞分裂控制細(xì)胞分裂, ,使細(xì)胞分裂與質(zhì)粒使細(xì)胞分裂與質(zhì)粒 復(fù)制協(xié)調(diào)復(fù)制協(xié)調(diào)(4).(4).位點特異重組系統(tǒng)位點特異重組系統(tǒng): : 多聚體多聚體 單體單體 ( (細(xì)菌內(nèi)細(xì)菌內(nèi)) () (分裂時分裂時) )(5) (5) 質(zhì)粒的不相容性質(zhì)粒的不相容性: : 具有相同復(fù)制起始點和分配區(qū)的兩種具有

12、相同復(fù)制起始點和分配區(qū)的兩種質(zhì)粒不能共質(zhì)粒不能共 存于一個宿主存于一個宿主, ,這種現(xiàn)象稱這種現(xiàn)象稱 . . 共存一宿主共存一宿主 兩種質(zhì)粒兩種質(zhì)粒 不共存一宿主不共存一宿主另另: :凡經(jīng)改建作為基因克隆載體的質(zhì)粒必須包括三種共同的凡經(jīng)改建作為基因克隆載體的質(zhì)粒必須包括三種共同的組成成分組成成分: : 復(fù)制基因復(fù)制基因(replicator) (replicator) 選擇性標(biāo)記選擇性標(biāo)記 克隆位點克隆位點三、轉(zhuǎn)位因子轉(zhuǎn)位因子(transposable element)(transposable element)指可指可移動的移動的DNADNA 或跳躍基因或跳躍基因(jumping (jump

13、ing gene)gene)分子內(nèi)分子內(nèi) 分子間分子間1940s, 1940s, 美國冷泉港實驗室美國冷泉港實驗室(Cold Spring Harber Lab) (Cold Spring Harber Lab) 的女科學(xué)家的女科學(xué)家B.McClintock(B.McClintock(榮獲榮獲19831983年若貝爾生物醫(yī)學(xué)獎年若貝爾生物醫(yī)學(xué)獎) )在玉米中首次發(fā)現(xiàn)在玉米中首次發(fā)現(xiàn). .1.1.分類及特征分類及特征插入序列插入序列(insertion sequence, IS):(insertion sequence, IS):轉(zhuǎn)位轉(zhuǎn)位( (座座) )子子(transposon, Tn) (t

14、ransposon, Tn) 噬菌體噬菌體Mu Mu 和和 D108D108(1)(1)插入序列插入序列: :較小較小, ,分子量分子量 2000 bp 2000 bp2000 bp 含轉(zhuǎn)座基因含轉(zhuǎn)座基因( (轉(zhuǎn)座酶轉(zhuǎn)座酶) ) 決定宿主遺傳性狀的基因決定宿主遺傳性狀的基因特征特征: :A:A:復(fù)合型復(fù)合型: : 一個基因一個基因 + + 兩側(cè)臂兩側(cè)臂( (ISIS 或或類類ISIS序列序列) () (圖圖3-5)3-5)方向可相同方向可相同可相反可相反不可單獨不可單獨存在存在B: TnAB: TnA族兩側(cè)無族兩側(cè)無IS.(IS.(如如(Tn3) ).(Tn3) ).反向重復(fù)反向重復(fù)轉(zhuǎn)座酶（T

15、npA）阻遏和解離蛋白（TnpR）-內(nèi)酰胺酶內(nèi)解離區(qū)Tn3 Tn3 的分子結(jié)構(gòu)的分子結(jié)構(gòu)C C：接合型：接合型: G(+) : G(+) 球菌中發(fā)現(xiàn)球菌中發(fā)現(xiàn), ,可在不同細(xì)菌間移動可在不同細(xì)菌間移動. .無末無末 端反向重復(fù)序列端反向重復(fù)序列2 2、轉(zhuǎn)位作用的機制、轉(zhuǎn)位作用的機制( (圖圖3-7)3-7)單純轉(zhuǎn)座單純轉(zhuǎn)座( (簡單轉(zhuǎn)座簡單轉(zhuǎn)座) )復(fù)制型轉(zhuǎn)座復(fù)制型轉(zhuǎn)座http:/ 真核生物基因組一一 、特點、特點1、. 體細(xì)胞: 兩套基因組 性細(xì)胞: 一套基因組2、基因組結(jié)構(gòu)復(fù)雜,數(shù)目龐大, 多個復(fù)制起始點3、mRNA為單順反子.4、含大量重復(fù)序列.5、非編碼序列占90%以上.6、基因間有間

16、隔區(qū)(spacer DNA),基因為斷裂基因(split gene) 即內(nèi)含子,外顯子.7、功能相關(guān)的基因串聯(lián)在一起形成基因家族8、存在可移動成分.類似細(xì)菌的類似細(xì)菌的: :如玉米中發(fā)現(xiàn)的如玉米中發(fā)現(xiàn)的. .類似逆轉(zhuǎn)錄病毒的類似逆轉(zhuǎn)錄病毒的: : 轉(zhuǎn)位機制需轉(zhuǎn)位機制需RNARNA介導(dǎo)介導(dǎo)( (圖圖3-8)3-8)二、基因家族（基因家族（gene familygene family）或）或 多基因家族多基因家族指結(jié)構(gòu)相似，功能相關(guān)的一組基因, 由同一祖先進(jìn)化而來。假基因: 進(jìn)化中死亡的基因(無功能),用 表示如:組蛋白基因家族:5個成員: H1, H2A, H2B, H3, H45個基因串聯(lián)排列形成一個重復(fù)單位,但不同生物中排列不同海膽: H1-H4-H2B-H3-H2A果蠅: H2B- H2A- H4- H3- H1水螈: H1-H3-H2B-H2A-H4三、基因超家族（基因超家族（gene superfamilygene superfamily） 或或 超基因家超基因家族族在結(jié)構(gòu)上有不同程度的同源性，