基因結構和基因組

1、會計學1基因結構和基因組基因結構和基因組第1頁/共93頁2一、基因結構一、基因結構1. 基因概念：基因概念：基因是一段具有特定功能和結構的連基因是一段具有特定功能和結構的連續(xù)的續(xù)的DNA片斷，是編碼蛋白質或片斷，是編碼蛋白質或RNA分子遺傳信息的基本遺傳單位。分子遺傳信息的基本遺傳單位。 第1頁/共93頁第2頁/共93頁3第2頁/共93頁第3頁/共93頁4第3頁/共93頁第4頁/共93頁5第4頁/共93頁第5頁/共93頁6第5頁/共93頁第6頁/共93頁7第6頁/共93頁第7頁/共93頁8第7頁/共93頁第8頁/共93頁9第8頁/共93頁第9頁/共93頁10第9頁/共93頁第10頁/共93頁1

2、1第10頁/共93頁第11頁/共93頁12基因概念的更新和不斷發(fā)展基因概念的更新和不斷發(fā)展 重疊基因（重疊基因（overlapping gene）: : 一個基因的核苷酸與另一個基因的核苷酸之間存一個基因的核苷酸與另一個基因的核苷酸之間存 在這一定的重疊現(xiàn)象。在這一定的重疊現(xiàn)象。 1977年，維納（年，維納（Weiner）在研究）在研究Q0病毒的基因結構時，首先發(fā)現(xiàn)了基因的重疊現(xiàn)病毒的基因結構時，首先發(fā)現(xiàn)了基因的重疊現(xiàn)象。象。1978年，費爾（年，費爾（Feir）和桑戈爾（）和桑戈爾（Sangor）在研究分析）在研究分析X174噬菌體的核苷酸噬菌體的核苷酸序列時，也發(fā)現(xiàn)由序列時，也發(fā)現(xiàn)由537

3、5個核苷酸組成的單鏈個核苷酸組成的單鏈DNA所包含的所包含的10個基因中有幾個基因具個基因中有幾個基因具有不同程度的重疊，但是這些重疊的基因具有不同的讀碼框架。以后在噬菌體有不同程度的重疊，但是這些重疊的基因具有不同的讀碼框架。以后在噬菌體G4、MS2和和SV40中都發(fā)現(xiàn)了重疊基因。中都發(fā)現(xiàn)了重疊基因。基因的重疊性使有限的基因的重疊性使有限的DNA序列包含了更多的遺序列包含了更多的遺傳信息，是生物對它的遺傳物質經(jīng)濟而合理的利用，參與對基因的調控。傳信息，是生物對它的遺傳物質經(jīng)濟而合理的利用，參與對基因的調控。 第11頁/共93頁第12頁/共93頁13第12頁/共93頁第13頁/共93頁14第1

4、3頁/共93頁第14頁/共93頁15第14頁/共93頁第15頁/共93頁16第15頁/共93頁第16頁/共93頁17第16頁/共93頁第17頁/共93頁18非編碼區(qū)非編碼區(qū)非編碼區(qū)非編碼區(qū)編碼區(qū)編碼區(qū)上游編碼區(qū)上游 編碼區(qū)下游編碼區(qū)下游 與與RNA聚酶聚酶結合位點結合位點RNA聚合酶能夠識別調控序列中的結合位點，并與其結合。轉錄開始后，RNA聚合酶沿DNA分子移動，并與DNA分子的一條鏈為模板合成RNA。轉錄完畢后，RNA鏈釋放出來，緊接著RNA聚合酶也從DNA模板鏈上脫落下來。第17頁/共93頁第18頁/共93頁19能夠轉錄為相應的信使RNA，進而指導蛋白質的合成，也就是說能夠編碼蛋白質的區(qū)

5、域。 位于編碼區(qū)上游和編碼區(qū)下游的DNA序列，雖不能轉錄為信使RNA，不能編碼蛋白質但有調控遺傳信息表達的核苷酸序列，如啟動子、終止子等。非編碼區(qū)(調控序列)編碼區(qū)(編碼序列) 原核基因的結構原核基因的結構第18頁/共93頁第19頁/共93頁20是位于基因是位于基因5 末端上游外測的一段長度為末端上游外測的一段長度為20200bp的非編碼的非編碼核苷酸序列，其功能是與核苷酸序列，其功能是與RNA聚合酶結合形成轉錄起始復合物聚合酶結合形成轉錄起始復合物。 啟動子（啟動子（promoter）終止子（終止子（terminatorterminator） 是位于一個基因或者操縱子的末端，提供轉錄終止信號

6、的區(qū)段是位于一個基因或者操縱子的末端，提供轉錄終止信號的區(qū)段 是指由啟動子、結構基因和終止子組成的一段是指由啟動子、結構基因和終止子組成的一段DNA序列。序列。轉錄單元（轉錄單元（operonoperon）第19頁/共93頁第20頁/共93頁21在原核生物中只有一種在原核生物中只有一種RNARNA聚合酶聚合酶。所有的原核基因都是在同一種。所有的原核基因都是在同一種RNARNA聚合酶的作用下進行轉錄的。聚合酶的作用下進行轉錄的。 操縱子（操縱子（operator）功能上相關的幾個結構基因前后相連，利用功能上相關的幾個結構基因前后相連，利用一個共同的啟動子和終止子，這種轉錄單元一個共同的啟動子和終

7、止子，這種轉錄單元被稱為操縱子。被稱為操縱子。通常是先被轉錄成一條大的通常是先被轉錄成一條大的mRNAmRNA，再由同一，再由同一條條mRNAmRNA翻譯出幾個結構蛋白。翻譯出幾個結構蛋白。第20頁/共93頁第21頁/共93頁22第21頁/共93頁第22頁/共93頁235 3 -35TTGAC-10TATAAT結構基因結構基因2. 原核生物的基因結構原核生物的基因結構 Pribnow盒；細菌轉錄單位起點上游約10bp處的保守區(qū)域，它可 能參與結合RNA聚合酶；共有序列=TATAAT細菌轉錄單位起點上游約35bp處的保守六聚體；共有序列=TTGAC 或TGTTGACA ORF的識別是證明一個新的

8、DNA序列為特定的蛋白質編碼基因的部分或全部的先決條件。 第22頁/共93頁第23頁/共93頁24RNARNA轉錄起始轉錄起始-35-35區(qū)區(qū)-10-10區(qū)區(qū)TTGACATTGACATTAACTTTAACTTTTACATTTACATATGATTATGATTTTACATTTACATATGTTTATGTTTTGATATTGATATATAATTATAATCTGACGCTGACGTACTGTTACTGTN N1717N N1616N N1717N N1616N N1616N N7 7N N7 7N N6 6N N7 7N N6 6A AA AA AA AA Atrptrp tRNA tRNATyrTy

9、rlaclacrecrecA AAra Ara BADBAD TTGACA TTGACA TATAAT TATAAT共有序列共有序列第23頁/共93頁第24頁/共93頁25對于任何給定的核酸序列（單鏈DNA或mRNA），根據(jù)密碼子的起始位置，可以按照三種方式進行解釋。例如，序列ATTCGATCGCAA這三種閱讀順序稱為閱讀框（reading frames）CAA A ATTCGATCGATTCGATCGCAAATTCGATCGCA（1）（3）（2）第24頁/共93頁第25頁/共93頁26一個開放閱讀框（一個開放閱讀框（ORF,open reading frame）是一個沒有終止編碼的密碼子序）

10、是一個沒有終止編碼的密碼子序列。列。原核基因識別任務的重點是識別開放閱讀原核基因識別任務的重點是識別開放閱讀框，或者說識別長的編碼區(qū)域?？?，或者說識別長的編碼區(qū)域。第25頁/共93頁第26頁/共93頁273.真核生物的基因結構真核生物的基因結構Pol：轉錄：轉錄rRNArRNA（5S rRNA5S rRNA除外）除外）Pol：轉錄蛋白質編碼基因：轉錄蛋白質編碼基因Pol ：轉錄編碼眾多?。恨D錄編碼眾多小rRNArRNA（包括（包括tRNAtRNA和和 5S rRNA5S rRNA）的基因。）的基因。與原核生物基因的主要區(qū)別與原核生物基因的主要區(qū)別內含子（內含子（intron）（非編碼序列）（非

11、編碼序列）在基因表達過程中，內含子被從初級mRNA分子剪切掉，形成成熟的功能功能mRNA真核生物中有三種不同的真核生物中有三種不同的RNA聚合酶聚合酶第26頁/共93頁第27頁/共93頁28編碼區(qū)非編碼區(qū)非編碼區(qū)非編碼區(qū)非編碼區(qū)與與RNA聚酶聚酶結合位點結合位點內含子內含子 外顯子外顯子 編碼區(qū)上游編碼區(qū)上游 編碼區(qū)下游編碼區(qū)下游 真核基因的結構真核基因的結構第27頁/共93頁第28頁/共93頁29第28頁/共93頁第29頁/共93頁30上游上游增強子增強子-80CAAT-35TATA下游下游增強子增強子外顯子外顯子內含子內含子5 3 真核生物的基因結構真核生物的基因結構第29頁/共93頁第3

12、0頁/共93頁31第30頁/共93頁第31頁/共93頁32第31頁/共93頁第32頁/共93頁33第32頁/共93頁第33頁/共93頁34第33頁/共93頁第34頁/共93頁35第34頁/共93頁第35頁/共93頁36第35頁/共93頁第36頁/共93頁37第36頁/共93頁第37頁/共93頁38增強子（增強子（enhancerenhancer） 能使和它連鎖的基因轉錄頻率明顯增強的能使和它連鎖的基因轉錄頻率明顯增強的DNADNA序列序列 增強效應十分明顯。增強效應十分明顯。增強效應與其位置無關，不論增強子以什么方增強效應與其位置無關，不論增強子以什么方 向排列（向排列（5 533或或3 35

13、5），還是在基因的上游），還是在基因的上游 或者下游，均表現(xiàn)出增強效應?；蛘呦掠危憩F(xiàn)出增強效應。增強子可遠離轉錄起始點，通常在增強子可遠離轉錄起始點，通常在1 14kb4kb起作用。起作用。增強子沒有基因專一性，對同源或者異源基因都有效增強子沒有基因專一性，對同源或者異源基因都有效許多增強子具有組織或者細胞特異性，說明只有許多增強子具有組織或者細胞特異性，說明只有 特定的蛋白質參與才能發(fā)揮作用。特定的蛋白質參與才能發(fā)揮作用。許多增強子還受到外部信號的調控。許多增強子還受到外部信號的調控。第37頁/共93頁第38頁/共93頁39沉默子（沉默子（silencersilencer） 在酵母交配型

14、座位中首次發(fā)現(xiàn)，動物、人中也發(fā)現(xiàn)。在酵母交配型座位中首次發(fā)現(xiàn)，動物、人中也發(fā)現(xiàn)。屬于負調控元件，可不受距離和方向的限制。屬于負調控元件，可不受距離和方向的限制。在真核生物細胞中對成簇基因的表達起重要作用。如在真核生物細胞中對成簇基因的表達起重要作用。如酵母菌酵母菌HMR的的E沉默子。沉默子。第38頁/共93頁第39頁/共93頁40第39頁/共93頁第40頁/共93頁41第40頁/共93頁第41頁/共93頁42第41頁/共93頁第42頁/共93頁43c cDNADNAa aDNADNA反式調節(jié)反式調節(jié)C C順式調節(jié)順式調節(jié) mRNA mRNA C C蛋白質蛋白質C CB BA A mRNAmRN

15、A蛋白質蛋白質A AA A第42頁/共93頁第43頁/共93頁44原核細胞原核細胞 真核細胞真核細胞不同點不同點相同點相同點原核細胞原核細胞真核細胞真核細胞不同點不同點編碼區(qū)是連續(xù)的編碼區(qū)是連續(xù)的編碼區(qū)是間隔的、編碼區(qū)是間隔的、不連續(xù)的不連續(xù)的相同點相同點都由能夠編碼蛋白質的編碼區(qū)和具都由能夠編碼蛋白質的編碼區(qū)和具有調控作用的非編碼區(qū)組成的有調控作用的非編碼區(qū)組成的原核細胞與真核細胞的基因結構比較：第43頁/共93頁第44頁/共93頁45第44頁/共93頁第45頁/共93頁46啟動子與起始密碼有何不同啟動子與起始密碼有何不同啟動子是基因結構中位于編碼區(qū)上游的核苷酸序列，是RNA聚合酶結合位點，

16、能夠準確地識別轉錄的起始點并開始轉錄，有調控遺傳信息表達的作用。而起始密碼則是mRNA上的三個相鄰堿基(AUG,GUG)。啟動子不止三個堿基。 第45頁/共93頁第46頁/共93頁47終止子和終止密碼終止子和終止密碼有何不同有何不同終止子是在非編碼區(qū)內緊靠轉錄終點，調控遺傳信息表達的DNA序列。它特殊的堿基排列順序能夠阻礙RNA聚合酶的移動，并使其從DNA模板鏈上脫離下來，從而使轉錄工作結束。終止密碼位于mRNA上，共有三種：UAA、UAG、UGA。第46頁/共93頁第47頁/共93頁48二、基因組學二、基因組學 Genomics1.1.基因組（基因組（genomegenome） 是指單倍體細

17、胞中所含有的全套遺傳物質是指單倍體細胞中所含有的全套遺傳物質 病毒：病毒：103 bp 如如X174X174噬菌體是單鏈環(huán)狀噬菌體是單鏈環(huán)狀DNADNA，5 5 10 103 3 bpbp 細菌：細菌：106 bp 大腸桿菌染色體大腸桿菌染色體DNADNA，4.7 4.7 10 106 6 bpbp 真核生物真核生物：109 bp 人的染色體人的染色體DNADNA， 3.2 3.2 10 109 9 bpbp 第47頁/共93頁第48頁/共93頁49一）、基因組及表達的概念一）、基因組及表達的概念* * 基因組基因組(genome)(genome)一個細胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或一個細胞或

18、病毒所攜帶的全部遺傳信息或整套基因。整套基因。基因經(jīng)過轉錄、翻譯，產(chǎn)生具有特異生物學基因經(jīng)過轉錄、翻譯，產(chǎn)生具有特異生物學功能的蛋白質分子的過程。功能的蛋白質分子的過程。* * 基因表達基因表達(gene expression)(gene expression)基因表達是受調控的基因表達是受調控的第48頁/共93頁第49頁/共93頁50基因組學概念基因組學概念基因組學基因組學(genomics)(genomics)就是發(fā)展和應用就是發(fā)展和應用DNADNA制圖、測序新技術以及計制圖、測序新技術以及計算機程序，分析生命體（包括人類）全部基因組算機程序，分析生命體（包括人類）全部基因組結構及功能。結

19、構及功能。第49頁/共93頁第50頁/共93頁51基因組學包括：基因組學包括：結構基因組學結構基因組學(structural genomics) (structural genomics) 功能基因組學功能基因組學(functional genomics)(functional genomics)比較基因組學比較基因組學(comparative genomics) (comparative genomics) 第50頁/共93頁第51頁/共93頁52* *結構基因組學結構基因組學結構基因組學結構基因組學(structural genomics)(structural genomics)是通過是

20、通過HGPHGP的實的實施來完成的。施來完成的。Human Genome Project，HGPHGP的內容就是制作高分辨率的人類遺傳圖和物理圖的內容就是制作高分辨率的人類遺傳圖和物理圖，最終完成人類和其它重要模式生物全部基因組，最終完成人類和其它重要模式生物全部基因組DNADNA序列測定，因此序列測定，因此HGPHGP屬于結構基因組學范疇。屬于結構基因組學范疇。第51頁/共93頁第52頁/共93頁53第52頁/共93頁第53頁/共93頁54（一）物理制圖（一）物理制圖 （二）遺傳制圖（二）遺傳制圖 （三）基因組（三）基因組DNADNA序列測定序列測定 （四）創(chuàng)建計算機分析管理系統(tǒng)（四）創(chuàng)建計

21、算機分析管理系統(tǒng) HGPHGP包括：包括：第53頁/共93頁第54頁/共93頁55HGPHGP主要任務及內容主要任務及內容第54頁/共93頁第55頁/共93頁56通過通過HGPHGP獲得的廣泛基因組信息組成了結構基因獲得的廣泛基因組信息組成了結構基因組學的基本內容，是開展功能基因組學的研究的組學的基本內容，是開展功能基因組學的研究的基礎；同時為詳盡研究每一個單基因遺傳病提供基礎；同時為詳盡研究每一個單基因遺傳病提供“平臺平臺”，并將成為復雜的多基因遺傳病研究的，并將成為復雜的多基因遺傳病研究的發(fā)端發(fā)端第55頁/共93頁第56頁/共93頁57完成一個生物體全部基因組測序后即進入后基因組完成一個生

22、物體全部基因組測序后即進入后基因組測序階段測序階段詳盡分析序列，描述基因組所有基因詳盡分析序列，描述基因組所有基因的功能，包括研究基因的表達及其調控模式，這就的功能，包括研究基因的表達及其調控模式，這就是功能基因組學（是功能基因組學（functional genomicsfunctional genomics）第56頁/共93頁第57頁/共93頁58（一）鑒定（一）鑒定DNADNA序列中的基因序列中的基因（二）同源搜索設計基因功能（二）同源搜索設計基因功能 （三）實驗性設計基因功能（三）實驗性設計基因功能 （四）描述基因表達模式（四）描述基因表達模式 主要具體內容包括以下方面主要具體內容包括以

23、下方面 第57頁/共93頁第58頁/共93頁59功能基因組學研究策略及主要內容功能基因組學研究策略及主要內容第58頁/共93頁第59頁/共93頁60第59頁/共93頁第60頁/共93頁61The Relation between Genomics and Medicine第60頁/共93頁第61頁/共93頁62* *基因病的概念基因病的概念以基因組學為基礎，從疾病和健康的角以基因組學為基礎，從疾病和健康的角度考慮，人類疾病大多直接或間接地與基因度考慮，人類疾病大多直接或間接地與基因相關，故有相關，故有“基因病基因病”概念產(chǎn)生。根據(jù)這一概念產(chǎn)生。根據(jù)這一概念，人類疾病大致分為三類：概念，人類疾病

24、大致分為三類：（一）單基因?。ㄒ唬﹩位虿?（二）多基因?。ǘ┒嗷虿?（三）獲得性基因?。ㄈ┇@得性基因病 第61頁/共93頁第62頁/共93頁63第62頁/共93頁第63頁/共93頁64第63頁/共93頁第64頁/共93頁65第64頁/共93頁第65頁/共93頁66第65頁/共93頁第66頁/共93頁67第66頁/共93頁第67頁/共93頁68第67頁/共93頁第68頁/共93頁69第68頁/共93頁第69頁/共93頁70第69頁/共93頁第70頁/共93頁71寡核苷酸雜交分析寡核苷酸雜交分析SNPSNP和等位基因特異和等位基因特異寡核苷酸雜交寡核苷酸雜交 第70頁/共93頁第71頁/共

25、93頁72DNADNA芯片檢測的差異表達譜芯片檢測的差異表達譜第71頁/共93頁第72頁/共93頁73第72頁/共93頁第73頁/共93頁74第73頁/共93頁第74頁/共93頁75第74頁/共93頁第75頁/共93頁76第75頁/共93頁第76頁/共93頁77第76頁/共93頁第77頁/共93頁78第77頁/共93頁第78頁/共93頁79三、真核生物基因組及特點三、真核生物基因組及特點 1. 真核生物基因組的結構特點真核生物基因組的結構特點 基因組的分子量大基因組的分子量大 真核生物往往有很多條染色體，一般呈線性。每個染色體的真核生物往往有很多條染色體，一般呈線性。每個染色體的DNA又有又有

26、很多個復制起始位點。細胞核很多個復制起始位點。細胞核DNA與蛋白質穩(wěn)定地結合成染色質的復制與蛋白質穩(wěn)定地結合成染色質的復制結構。結構。 核基因組核基因組DNA分子存在于細胞核內，由于核膜將細胞分隔成細胞質和分子存在于細胞核內，由于核膜將細胞分隔成細胞質和細胞核，在基因表達中轉錄和翻譯的空間位置是分隔的，不偶聯(lián)。原核細胞核，在基因表達中轉錄和翻譯的空間位置是分隔的，不偶聯(lián)。原核生物的染色體外沒有核膜。生物的染色體外沒有核膜?；蚪M有大量不編碼蛋白質的序列基因組有大量不編碼蛋白質的序列 真核生物的蛋白質編碼基因往往單拷貝形式存在。真核生物的蛋白質編碼基因往往單拷貝形式存在。 第78頁/共93頁第7

27、9頁/共93頁802. 2. 真核生物基因組中的真核生物基因組中的DNADNA序列特征序列特征 非重復序列（單一序列）非重復序列（單一序列） 是指在一個基因組中，這些序列一般只有一個或者幾個拷貝，它占是指在一個基因組中，這些序列一般只有一個或者幾個拷貝，它占DNA總量的總量的4080。750-2000bp750-2000bp 中度重復序列中度重復序列 指在一個基因組中有幾十到幾百個拷貝，占總指在一個基因組中有幾十到幾百個拷貝，占總DNA的的1040。 高度重復序列高度重復序列衛(wèi)星衛(wèi)星DNA 只在真核生物中發(fā)現(xiàn)，占基因組的只在真核生物中發(fā)現(xiàn)，占基因組的1060，由，由6100個堿基組個堿基組成，在成，在DNA鏈上串連重復幾百萬次鏈上串連重復幾百萬次 第79頁/共93頁第80頁/共93頁813.3.基因家族與基因簇基因家族與基因簇 基因家族（基因家族（gene family） 真核生物的基因組中有許多來源相同、結構相似、功能相關的基因真核生物的基因組中有許多來源相同、結構相似、功能相關的基因，這樣一組基因稱為基因家族，這樣一組基因稱為基因家族 。基因簇（基因簇（gene cluster） 基因家族的成員緊密成簇排列成大段的串連重復單位，定位于基因家族的成員緊密成簇排列成大段的串連重復單位，定位于染色體特殊區(qū)域上形成基因簇染色體特殊區(qū)