基因與基因組

1、基因與基因組第1頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二內(nèi)容包括:第一章 基因的結(jié)構(gòu)與功能第二章 基因組的結(jié)構(gòu)與功能第七章 基因組學(xué)及相關(guān)組學(xué) 第2頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二第一章 基因第一節(jié) 基因的基本概念及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)核酸是遺傳信息的載體DNA: 包括結(jié)構(gòu)基因序列:為蛋白質(zhì)和RNA編碼的序列.轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列:與蛋白質(zhì)結(jié)合,控制復(fù)制和表達(dá).RNA:通過復(fù)制或逆轉(zhuǎn)錄傳遞.第3頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二一 基因的現(xiàn)代生物學(xué)概念基因決定遺傳性狀的表達(dá),基因存在于染色體及線粒體DNA上,呈直線排列,并世代相傳。第4頁，共56

2、頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二二 基因的現(xiàn)代分子生物學(xué)的概念核酸分子中儲存遺傳信息的遺傳單位,是RNA和蛋白質(zhì)相關(guān)遺傳信息的基本存在形式, 是指貯存RNA序列信息和有功能蛋白質(zhì)多肽鏈序列信息及表達(dá)這些信息所必需的全部核苷酸序列。第5頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二三 基因結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)基因=結(jié)構(gòu)基因+調(diào)控區(qū)序列(一)結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因中貯存的遺傳信息編碼RNA編碼proteins(包括翻譯和加工所需的序列)DNA : 信息鏈 sense strand 編碼鏈 反意鏈 antisense strand 模板鏈(二)調(diào)控區(qū)序列 啟動子、增強(qiáng)子等第6頁，共56頁

3、，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二2 結(jié)構(gòu)基因的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(1) 原核生物結(jié)構(gòu)基因的特點(diǎn)連續(xù)(2)真核生物結(jié)構(gòu)基因的特點(diǎn)不連續(xù) (斷裂基因)外顯子 exon內(nèi)含子 intron內(nèi)含子數(shù)=外顯子數(shù)-1第7頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二斷裂基因mRNA1 872bp內(nèi)含子（intron)：基因中不為多肽編碼，不在mRNA中出現(xiàn)。ABCDEG7 700bpF外顯子（exons）：為多肽編碼的基因片段。：由于基因中內(nèi)含子的存在。例外：組蛋白基因(histongene)和干擾素基因(interferon gene)沒有內(nèi)含子。第8頁，共56頁，2022年，5月20日

4、，11點(diǎn)57分，星期二(3)病毒結(jié)構(gòu)基因的特點(diǎn)有的連續(xù) 有的不連續(xù)與宿主有關(guān)第9頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二(二)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列1原核生物的轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列（1）啟動子 （promter） ：是RNA聚合酶識別和結(jié)合的DNA序列。不被轉(zhuǎn)錄。長度:40-60bp.方向性:位于結(jié)構(gòu)基因上游。5-TATTGACA-TATATT-A-GCGC-3 -35 -10 +1大腸桿菌基因啟動子第10頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二第11頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二（2）終止子：為結(jié)構(gòu)基因下游的一段序列特點(diǎn) GC富集區(qū)組成反向

5、重復(fù)序列作用 終止RNA鏈延伸第12頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二（3）操縱元件 operater概念 指被阻遏蛋白識別并結(jié)合的DNA序列。有回文序列。位置:啟動子下游 與啟動子可有部分重疊。大腸桿菌 -7+28bp作用與阻遏蛋白識別并結(jié)合，抑制下游基因轉(zhuǎn)錄。第13頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二（4）正調(diào)控蛋白結(jié)合位點(diǎn) 位置 弱啟動子附近作用 與轉(zhuǎn)錄激活蛋白（如代謝物基因激活蛋白，CAP）結(jié)合，幫助RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄。第14頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二Gene Structure Transcription s

6、tart site(AAAA)5(CAP)AUGTranslation start siteTAA5UTR3UTRTranscriptionTranslation stop siteNote: 5 CAP, poly A tail and intron only present in eukaryotes UTR = untranslated region.第15頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二2 真核生物的轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列又稱順式調(diào)控元件或順式作用元件。作用: 與調(diào)控蛋白結(jié)合，調(diào)控轉(zhuǎn)錄。包括 啟動子上游調(diào)控元件增強(qiáng)子加尾信號細(xì)胞信號反應(yīng)元件第16頁，共56頁，2022年

7、，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二(1)啟動子位置：位于結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游。作用：含RNA聚合酶特異識別和結(jié)合位點(diǎn)。通常不被轉(zhuǎn)錄（有例外，如tRNA基因啟動子）。特點(diǎn)：與RNA聚合酶結(jié)合能力弱，需轉(zhuǎn)錄因子參與。RNA聚合酶有三種，轉(zhuǎn)錄因子分三型。第17頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二啟動子分三類類啟動子：RNA聚合酶和轉(zhuǎn)錄因子（TF A、 TF B、 TF C ）與之結(jié)合的啟動子。含類啟動子的基因主要是rRNA基因。-156-107上游調(diào)控元件，UCE-45+20核心啟元件 +1第18頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二類啟動子： RNA聚合

8、酶 和轉(zhuǎn)錄因子 （TF A、 TF B、 TF C ）與之結(jié)合的啟動子。含類啟動子的基因主要是編碼mRNA的基因和編碼核內(nèi)小RNA的基因。下圖上游啟動子元件-25 TATA盒+1第19頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二類啟動子：RNA聚合酶 和轉(zhuǎn)錄因子 （TF A、 TF B、 TF C ）與之結(jié)合的啟動子。含類啟動子的基因主要有5sRNA、tRNA的基因。 tRNA基因的啟動子下圖+10+20 A盒+50+60 C盒第20頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二（2）上游啟動子元件位置：TATA盒上游，其中一些序列與TATA共同組成啟動子；另一些是反

9、式作用因子識別位點(diǎn)。CAAT盒：5GGNCAATCT3 -70-120CACA盒： 5GCCACACCC3 -80-90GC盒： 5CCGCC3 -70-120第21頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二（3）增強(qiáng)子 enhancer形式：序列短，成簇作用：與反式因子識別和結(jié)合增強(qiáng)鄰近基因的轉(zhuǎn)錄。位置：-100bp-300bp處，也可存在于基因外或內(nèi)含子中。第22頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二（4）反應(yīng)元件概念：被細(xì)胞外信息分子激活的受體與特異的DNA序列結(jié)合，進(jìn)而調(diào)控基因的表達(dá)，這些DNA序列叫做反應(yīng)元件。反應(yīng)元件的本質(zhì):屬順式作用元件，由于能

10、介導(dǎo)基因?qū)?xì)胞外信號的反應(yīng)，故稱為反應(yīng)元件。形式：短的保守序列位置：啟動子附近、啟動子內(nèi)、增強(qiáng)子區(qū)域第23頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二（5）poly (A) 信號位置：結(jié)構(gòu)基因最后一個外顯子中形式：保守，AATAAA。下游富GC區(qū)或富T區(qū)，與AATAAA共同組成加尾信號。作用：mRNA轉(zhuǎn)錄到此后，產(chǎn)生AAUAAA和GU（或U）豐富區(qū)，與RNA聚合酶結(jié)合的延長因子與之識別并結(jié)合，然后在AAUAAA下游1030個堿基處切斷，并加上poly (A) 尾。第24頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二6 沉默子 (silencer)作用：抑制轉(zhuǎn)錄機(jī)制：與

11、反式作用因子結(jié)合，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。第25頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二（三）基因的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1 原核生物的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)形式：5-啟動子-結(jié)構(gòu)基因-轉(zhuǎn)錄終止子-3功能上相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因常常串聯(lián)在一起，由一套轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列控制其轉(zhuǎn)錄，構(gòu)成操縱子(operon)。由操縱子轉(zhuǎn)錄出的RNA為多順反子（multicistron）。第26頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二原核生物操縱子啟動子終止子結(jié)構(gòu)基因第27頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二ayzopi結(jié)構(gòu)基因控制位點(diǎn)調(diào)節(jié)基因乳糖操縱子ayzopioCAP與cAMP形成復(fù)合物

12、，結(jié)合在lac operon的啟動基因上，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行。cAMP-CAP是正調(diào)控因子，阻遏蛋白是負(fù)調(diào)控因子。第28頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二2真核生物基因的基本結(jié)構(gòu)形式：單順反子（monocistron）。即一種mRNA分子只能翻譯成一種蛋白質(zhì)。構(gòu)成：調(diào)控序列+結(jié)構(gòu)基因第29頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二3病毒基因的基本結(jié)構(gòu)噬菌體：其結(jié)構(gòu)基因與原核基因特征相同病毒：基因組小，多無內(nèi)含子，調(diào)控序列少，有不規(guī)則基因，結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)相接，編碼區(qū)無間隔等第30頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二第二章 基因組的結(jié)構(gòu)與功能

13、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。第31頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二第一節(jié) 人基因組結(jié)構(gòu)與功能人基因組中約有三萬種基因人基因組的重復(fù)序列多基因家族與假基因線粒體DNA結(jié)構(gòu)第32頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二(一)第33頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二第34頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二（二）真核細(xì)胞基因組中重復(fù)序列的結(jié)構(gòu)和功能重復(fù)序列長短不一，頻率不同根據(jù)出現(xiàn)頻率將DNA序列分為三類：高度重序列中度重復(fù)序列單拷貝序列第35頁，共56頁，2022年

14、，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二高度重復(fù)序列重復(fù)次數(shù)為106反向重復(fù)序列 (5%)衛(wèi)星DNA(重復(fù)序列短,2-10bp組成)作用：參與復(fù)制水平的調(diào)節(jié)，參與基因表達(dá)調(diào)控，參與染色體配對。第36頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二2 中度重復(fù)序列重復(fù)次數(shù)101105 ，占基因組的10-40%,在人類約占12%。短分散重復(fù)片段：300-500bp與1000 bp單拷貝間隔相排列。長分散重復(fù)片段：3500-5000bp與13000bp單拷貝間隔相排列。編碼rRNA、tRNA、組蛋白及免疫球蛋白，基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)。Alu基因家族、Kpn基因家族、 rRNA基因家族第37頁，共56

15、頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二3單拷貝序列：僅出現(xiàn)一次或少數(shù)幾次，大多數(shù)是編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因。也叫低度重復(fù)序列。第38頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二（三）多基因家族與假基因多基因家族：由某一祖先基因經(jīng)重復(fù)和變異所產(chǎn)生的一組基因。家族成員成簇地分布在某一條染色體上，可同時(shí)合成某些蛋白質(zhì)。如組蛋白基因家族。家族成員成簇地分布在不同的染色體上，編碼一組功能上密切相關(guān)的產(chǎn)物。如珠蛋白基因。假基因：在多基因家族中，不產(chǎn)生有功能的基因產(chǎn)物的基因。缺少正常的內(nèi)含子。第39頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二三 線粒體基因組的結(jié)構(gòu)環(huán)狀分子，

16、與原核相似。16569bp，包括編碼13個呼吸鏈蛋白質(zhì)，22個tRNA，2個rRNA。共37個基因。第40頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二第41頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二第二節(jié) 原核生物基因組結(jié)構(gòu)和功能1.通常僅有一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成2.只有一個復(fù)制起點(diǎn)3.具有操縱子結(jié)構(gòu)4.編碼序列一般不重疊第42頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二5.基因是連續(xù)的,無內(nèi)含子,轉(zhuǎn)錄后不需加工6.編碼區(qū)在基因組中所占比例約為50%7.基因組中重復(fù)序列很少8.組織形式:操縱子第43頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57

17、分，星期二第三節(jié)病毒基因組結(jié)構(gòu)與功能大?。翰《净蚪M小，基因少。核酸：DNA，RNA。二者擇其一。形式：單鏈，或雙鏈。線形或環(huán)形。多數(shù)DNA病毒為雙鏈，RNA病毒多是單鏈。RNA病毒基因組可由數(shù)條不相連的RNA鏈組成?；蜷g有重疊：同一段核酸可為2-3種蛋白質(zhì)編碼。第44頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二相關(guān)基因叢集，可形成多順反子?；蚩蛇B續(xù)或間斷。噬菌體基因是連續(xù)的，真核細(xì)胞病毒基因是不連續(xù)的，非編碼區(qū)少?；蚪M是單倍體。第45頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二第六章 基因組學(xué)、功能基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)(自學(xué))Genomics, Functi

18、onal Genomics and Proteomics第46頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二第一節(jié)基因組學(xué)概念:闡明整個基因組結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系基因間相互作用第47頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二一 人類基因組計(jì)劃主要研究內(nèi)容人類基因組作圖基因鑒定第48頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二（一）人類基因組作圖遺傳圖(genetic map)：利用人類基因組中的特殊位點(diǎn)作為遺傳標(biāo)志而進(jìn)行的基因組的分區(qū).制成以遺傳多態(tài)性標(biāo)記為“位標(biāo)”，遺傳學(xué)距離為“圖距”的基因組圖.限制性片段長度多態(tài)性(RFLP)短串聯(lián)重復(fù)序列(STR)單核苷酸多態(tài)性(SNP):約1000bp出現(xiàn)一次.第49頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二物理圖(physical map)：以一段已知核苷酸序列的DNA片段為“位標(biāo)”，以DNA實(shí)際距離（Mb或kb）作為“圖距”的基因組圖.粘粒(Cosmid):插入片段3040kb酵母人工染色體(YAC):插入片段12mb細(xì)菌人工染色體(BAC):穩(wěn)定性好,大規(guī)模測序物理圖譜與遺傳圖譜之間可轉(zhuǎn)換.第50頁，共56頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)57分，星期二序列圖(sequence map)：確定人類基因組的全部核苷酸順序.2003年4月已完成.轉(zhuǎn)錄圖(transcriptio