有機(jī)體染色體基因組和基因培訓(xùn)課件

1、有機(jī)體染色體基因組和基因有機(jī)體染色體基因組和基因一、原核生物(Prokaryote) 原核生物是細(xì)菌、放線菌、衣原體、支原體等比較原始的生物的總稱。 其特點(diǎn)為：有細(xì)胞壁（除支原體外）；無真正的細(xì)胞核（無核膜），但有核區(qū)；DNA無蛋白質(zhì)與之結(jié)合；有核糖體，缺乏其它細(xì)胞器；DNA的轉(zhuǎn)錄和翻譯是同時(shí)進(jìn)行等。 原核生物雖然簡(jiǎn)單，但細(xì)胞中各種各樣結(jié)構(gòu)、代謝功能都具備，是一個(gè)完整的有機(jī)體。有機(jī)體染色體基因組和基因2一、原核生物(Prokaryote) 原核生原核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)有機(jī)體染色體基因組和基因3原核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)有機(jī)體染色體基因組和基因3某些原核細(xì)胞的形狀螺菌螺旋體魚腥藻屬（一種藍(lán)藻細(xì)菌）大芽孢桿菌大腸桿菌

2、葡萄球菌立克次氏體三種支原體有機(jī)體染色體基因組和基因4某些原核細(xì)胞的形狀螺菌螺旋體魚腥藻屬（一種藍(lán)藻二、真核生物(Eukaryote) 真核生物是核質(zhì)與細(xì)胞質(zhì)之間存在核膜的生物的總稱。 真核生物的全能性：是指同一種生物所有細(xì)胞都含有相同的DNA，即基因的數(shù)目和種類是一樣的，盡管細(xì)胞類型不同，分化程度各異，但其基因組是相同的，它們都具有發(fā)育成完整個(gè)體的潛能。有機(jī)體染色體基因組和基因5二、真核生物(Eukaryote) 真核生真核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)有機(jī)體染色體基因組和基因6真核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)有機(jī)體染色體基因組和基因6細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)圖形有機(jī)體染色體基因組和基因7細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)圖形有機(jī)體染色體基因組和基因7植物細(xì)

3、胞的結(jié)構(gòu)有機(jī)體染色體基因組和基因8植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)有機(jī)體染色體基因組和基因8原核生物與真核生物的比較原核類真核類生物體細(xì)菌、放線菌、支原體、衣原體等原生生物、真菌、植物、動(dòng)物細(xì)胞組織主要是單細(xì)胞主要是多細(xì)胞、有細(xì)胞分化細(xì)胞大小?。?10 m)大（10 100m)細(xì)胞分裂二分裂有絲分裂（或減數(shù)分裂）細(xì)胞核無核膜、核仁有核膜、核仁細(xì)胞器極少或無有細(xì)胞質(zhì)無細(xì)胞骨架有細(xì)胞骨架DNA環(huán)狀、裸露線狀與蛋白質(zhì)結(jié)合代謝厭氧或好氧好氧有機(jī)體染色體基因組和基因9原核生物與真核生物的比較原核類真核類生物體細(xì)菌、放線菌、原生 三、病毒（Virus） 病毒是不是有機(jī)體？是有生命，還是非生命？尚無定論。 病毒感染有機(jī)體，引

4、起有機(jī)體害病，它是活的，是有生命的有機(jī)體。然而與細(xì)菌、支原體、衣原體等微生物不同，病毒不具備細(xì)胞結(jié)構(gòu)，不能稱微生物。 病毒僅含一種核酸（DNA或RNA），不含兩種核酸。病毒沒有線粒體、核糖體等細(xì)胞器，本身不能繁殖，也不能新陳代謝，所以病毒顯示生命特征狀態(tài)的過程，即不屬于真核也不屬于原核。但病毒可保存幾十年。有機(jī)體染色體基因組和基因10 三、病毒（Virus） 病毒是不是有機(jī)體煙草mosaic病毒有機(jī)體染色體基因組和基因11煙草mosaic病毒有機(jī)體染色體基因組和基因11第二節(jié) 染色質(zhì)與染色體染色體由染色質(zhì)組成。染色質(zhì)由DNA、蛋白質(zhì)和少許RNA組成。染色質(zhì)和染色體在化學(xué)組成上沒有大的區(qū)別，只是

5、在構(gòu)象和形態(tài)上有差異。有機(jī)體染色體基因組和基因12第二節(jié) 染色質(zhì)與染色體染色體由染色質(zhì)組成。有機(jī)體染色體基因 細(xì)胞周期（cell cycle） 細(xì)胞的增殖有一個(gè)周期的過程，稱細(xì)胞周期。是指連續(xù)分裂的細(xì)胞從一次有絲分裂的結(jié)束到下一次有絲分裂結(jié)束為止，所經(jīng)歷的整個(gè)過程。 分兩個(gè)階段：間期和細(xì)胞分裂期。 間期：DNA合成前期（G1期）； DNA合成期（S期）和合成后期（G2期）。 細(xì)胞分裂期（M）：前期、中期、后期和末期。有機(jī)體染色體基因組和基因13 細(xì)胞周期（cell cycle） 不同細(xì)胞的細(xì)胞周期時(shí)間不同，一般S + G2 + M期較恒定，而G1期變化較大，因而它決定了細(xì)胞周期時(shí)間的長短；G1

6、期細(xì)胞有三種可能的趨向：1)進(jìn)入 S 期(即進(jìn)入細(xì)胞周期)；2)處于靜止期即 Co 期(在一定條件下可重新進(jìn)入增殖周期)；3)分化、衰老、凋亡。有機(jī)體染色體基因組和基因14不同細(xì)胞的細(xì)胞周期時(shí)間不同，一般S + G2 + M期較恒定G1 期：G1 早期合成各種RNA、結(jié)構(gòu)蛋白和酶等。S 期：DNA的復(fù)制及組蛋白合成、核小體裝配細(xì)胞周期中各時(shí)相的主要生化事件G2 期：為有絲分裂作準(zhǔn)備有RNA和非組蛋白合成。M 期：細(xì)胞分裂。有機(jī)體染色體基因組和基因15G1 期：G1 早期合成各種RNA、結(jié)構(gòu)蛋白和酶等。S 期：一、染色質(zhì)（Chromatin）染色質(zhì)是間期細(xì)胞核內(nèi)伸展開的DNA-蛋白質(zhì)纖維，由核小

7、體為基本單位構(gòu)成的。H1多個(gè)核小體有機(jī)體染色體基因組和基因16一、染色質(zhì)（Chromatin）染色質(zhì)是間期細(xì)胞核內(nèi)伸展開的 二、染色體 （Chromosome）染色體是細(xì)胞分裂期由染色質(zhì)高度凝集而形成的一種棒狀結(jié)構(gòu)。有機(jī)體染色體基因組和基因17 二、染色體 （Chromosome）染色體是細(xì)胞分裂期DNA核小體螺線管結(jié)構(gòu)超螺旋管染色單體壓縮至1/7壓縮至1/6壓縮至1/40壓縮至1/5DNA繞組蛋白6個(gè)核小體圍成一圈螺旋螺線管進(jìn)一步螺旋化超螺旋管進(jìn)一步盤繞和壓縮76405=8400有機(jī)體染色體基因組和基因18DNA壓縮至1/7壓縮至1/6壓縮至1/40壓縮至1/5DN染色體DNA核小體核小體纖

8、維環(huán)梅花結(jié)盤染色體有機(jī)體染色體基因組和基因19染色體DNA核小體核小體纖維環(huán)梅花結(jié)盤染色體有機(jī)體染色體基因第三節(jié) 基因組與基因 生命有機(jī)體的絕大部分遺傳信息包含在染色體上。一個(gè)物種的單倍體染色體數(shù)目，稱為該物種的基因組（genome）。 換句話說，細(xì)胞或生物體的一套完整的單倍體遺傳物質(zhì)稱為基因組。 基因是基因組中的一個(gè)功能性遺傳單位，它的本質(zhì)是DNA，是DNA鏈上能決定一種蛋白質(zhì)或一種RNA或一種功能性的片段。有機(jī)體染色體基因組和基因20第三節(jié) 基因組與基因 生命有機(jī)體的絕大部分遺一、DNA的C值與C值矛盾 一個(gè)單倍體基因組的DNA含量總是恒定的，這是每個(gè)物種的特性，稱為該物種DNA的C值。不

9、同的物種， C值差異是很大的。 C值矛盾：生物體的復(fù)雜性與DNA含量的變化不相符合。有機(jī)體染色體基因組和基因21一、DNA的C值與C值矛盾 一個(gè)單倍體基因組的基因組大小和C-值矛盾開花植物鳥類哺乳動(dòng)物爬行動(dòng)物兩棲類硬骨魚軟骨魚棘皮動(dòng)物甲殼類昆蟲軟體動(dòng)物線蟲霉菌藻類真菌革蘭氏陽性菌革蘭氏陰性菌支原體C-值（C-value）基因組中DNA的數(shù)量各物種基因組大小比較各門類物種的C-值C-值矛盾（C-value paradox）：基因組大小與機(jī)體的遺傳復(fù)雜性缺乏相關(guān)性。有機(jī)體染色體基因組和基因22基因組大小和C-值矛盾開花植物線蟲C-值（C-value）各哺乳動(dòng)物兩棲動(dòng)物鳥類昆蟲線蟲霉菌酵母細(xì)菌支原體

10、 各個(gè)種類生物的最小基因組與其復(fù)雜性正相關(guān)有機(jī)體染色體基因組和基因23哺乳動(dòng)物 各個(gè)種類生物的最小基因組與其復(fù)雜性正相二、基因的分類 基因按其產(chǎn)物的功能可分為結(jié)構(gòu)基因、調(diào)控基因和RNA基因： 1.結(jié)構(gòu)基因：可被轉(zhuǎn)錄形成mRNA，并進(jìn)而翻譯成多肽，構(gòu)成各種結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)，催化各種生化反應(yīng)的酶和激素等；有機(jī)體染色體基因組和基因24二、基因的分類有機(jī)體染色體基因組和基因24 2.調(diào)控基因：指某些可調(diào)節(jié)控制結(jié)構(gòu)基因表達(dá)的基因。 3.RNA基因：是一些只轉(zhuǎn)錄不翻譯的基因，包括核糖體RNA基因，專門轉(zhuǎn)錄rRNA；以及tRNA基因，專門轉(zhuǎn)錄tRNA。有機(jī)體染色體基因組和基因25 2.調(diào)控基因：指某些可調(diào)節(jié)控制結(jié)

11、構(gòu)基因表三、原核生物基因組 特點(diǎn)：1.基因組是一條單一染色體，體積小，含基因數(shù)量也少。遺傳物質(zhì)以裸露的核酸形式存在，只與少量蛋白質(zhì)結(jié)合.2.基因組中功能相關(guān)的基因往往定位在同一區(qū)域，形成同一功能單位，被轉(zhuǎn)錄為多順反子（polycistronic）mRNA。 （即細(xì)菌的基因組中具有操縱子結(jié)構(gòu)）。有機(jī)體染色體基因組和基因26三、原核生物基因組 特點(diǎn)：有機(jī)體染色體基因組和基因263.基因組中多為單拷貝基因，只有極少數(shù)重復(fù)基因。4.基因組中非表達(dá)基因少，絕大多數(shù)基因都是可表達(dá)的。5.病毒基因中重疊現(xiàn)象普遍，即同一個(gè)DNA片段可編碼幾種蛋白質(zhì)分子。其意義在于較小的基因組攜帶較多的遺傳信息。有機(jī)體染色體基

12、因組和基因273.基因組中多為單拷貝基因，只有極少數(shù)重復(fù)基因。有機(jī)體染色體 大腸桿菌基因組 分子生物學(xué)對(duì)大腸桿菌（E.coli）基因組的研究揭示了生命活動(dòng)的許多基本規(guī)律。 1987年完成了E.coli克隆的物理圖譜； 1991年查明了E.coli的DNA全序列。 E.Coli基因組分子量為2.64109 Da，由4639221 bp構(gòu)成， E.coli基因組定義出4288個(gè)開放讀框（ORE），已有1853個(gè)已報(bào)道過的基因，共有2584個(gè)操縱子。有機(jī)體染色體基因組和基因28 大腸桿菌基因組 分子生物學(xué)對(duì) 質(zhì)粒DNA 許多細(xì)菌和某些真核細(xì)胞內(nèi)，除了染色體這一主要遺傳物質(zhì)外，還有染色體以外一些小的環(huán)

13、狀DNA分子，稱為質(zhì)粒（plasmid）。 有機(jī)體染色體基因組和基因29 質(zhì)粒DNA 許多細(xì)菌和 質(zhì)粒分類按功能分： R質(zhì)粒-抗藥性質(zhì)粒； F質(zhì)粒-性質(zhì)粒； Col質(zhì)粒-大腸桿菌因子，合成大腸桿菌素。按復(fù)制機(jī)理分： 嚴(yán)緊型質(zhì)粒-質(zhì)粒復(fù)制受宿主細(xì)胞的嚴(yán)格控制； 松弛型質(zhì)粒-質(zhì)粒復(fù)制不受宿主細(xì)胞的嚴(yán)格控制。 有機(jī)體染色體基因組和基因30 質(zhì)粒分類按功能分：有機(jī)體四、真核生物基因組 特點(diǎn)：1.真核生物基因組遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原核，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，基因數(shù)龐大，DNA與蛋白質(zhì)融合形成染色體，儲(chǔ)存在細(xì)胞核內(nèi)，使得轉(zhuǎn)錄、翻譯不能同步進(jìn)行，調(diào)控機(jī)制表現(xiàn)在多水平方面。2.真核基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物一般為單順反子。功能相關(guān)基因往往分散在不

14、同的部位，不同的染色體上，分別轉(zhuǎn)錄。3.基因組的非編碼順序多于編碼順序。有機(jī)體染色體基因組和基因31四、真核生物基因組 特點(diǎn)：有機(jī)體染色體基因組和基因314.真核生物基因組中含有大量的重復(fù)順序。 （1）單拷貝序列(Single copy sequence) （2） 輕度重復(fù)序列(Slightly repetitive sequence) （3）中度重復(fù)序列(Moderately repetitive sequence) （4）高度重復(fù)序列(Highly repetitive sequence)有機(jī)體染色體基因組和基因324.真核生物基因組中含有大量的重復(fù)順序。有機(jī)體染色體基因組和 5.真核生物

15、的基因大多是不連續(xù)的稱斷 裂基因（ split gene ）。有機(jī)體染色體基因組和基因33 5.真核生物的基因大多是不連續(xù)的稱斷 裂基因（ 細(xì)胞器基因組1 發(fā)現(xiàn)： （1）母性遺傳 (maternal inheritance) （2）體細(xì)胞分離（somatic segregation) 某些植物雜合子分化成體細(xì)胞時(shí)某些組織可能是一親本表現(xiàn)型，某些組織可能是另一親本表現(xiàn)型。說明核外基因的存在。2 性質(zhì)：大多數(shù)以環(huán)狀雙鏈DNA的形式存在。 線粒體DNA mtDNA 葉綠體DNA ctDNA有機(jī)體染色體基因組和基因34 細(xì)胞器基因組1 發(fā)現(xiàn)：有機(jī)體染色體基 線粒體基因組 不同生物mtDNA大小差異很大

16、。如哺乳動(dòng)物的線粒體基因組很小，長十幾個(gè)kb，只占總DNA的0.5%，每個(gè)線粒體中平均有2.6個(gè)mtDNA分子。酵母線粒體基因組84 kb，植物的線粒體基因組則較大，大多在100kb以上。線粒體可以有本身的轉(zhuǎn)錄和翻譯系統(tǒng)，它編碼部分自身所需蛋白和tRNA、 rRNA等。有機(jī)體染色體基因組和基因35 線粒體基因組有機(jī)有機(jī)體染色體基因組和基因36有機(jī)體染色體基因組和基因36其大小因植物不同而變化，大多在100200kb之間。大多數(shù)葉綠體DNA一個(gè)明顯的特征就是有一個(gè)反向重復(fù)序列和長短兩個(gè)單拷貝序列。但也不是所有的ctDNA都有反向重復(fù)序列，也有些植物ctDNA有正向重復(fù)序列等。它編碼部分自身所需所

17、有tRNA、 rRNA，和約50種蛋白質(zhì)。 葉綠體基因組有機(jī)體染色體基因組和基因37其大小因植物不同而變化，大多在100200kb之間。大多數(shù)第四節(jié) 人類基因組計(jì)劃（Human Genome Project，HGP）有機(jī)體染色體基因組和基因38第四節(jié) 人類基因組計(jì)劃（Human Genome Proj一、問題的提出70年代對(duì)人類基因組的研究已具有一定的雛形；1986年著名遺傳學(xué)家Mckusick V提出從整個(gè)基因組的層次研究遺傳學(xué)的科學(xué)稱“基因組學(xué)”。有機(jī)體染色體基因組和基因39一、問題的提出有機(jī)體染色體基因組和基因39同年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Dulbecco R在Science雜志上發(fā)表了題為“

18、癌癥研究的轉(zhuǎn)折點(diǎn)人類基因組的全序列分析”，得到了世界范圍的響應(yīng)；1986年美國能源部宣布實(shí)施這一草案；有機(jī)體染色體基因組和基因40同年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Dulbecco R在Science雜志1987年美國能源部（DOE）和國家健康研究院（NIH）為HGP下拔了經(jīng)費(fèi)1.66億美元，開始籌建HGP實(shí)驗(yàn)室；有機(jī)體染色體基因組和基因411987年美國能源部（DOE）和國家健康研究院（NIH）為H1988美國成立了“國家人類基因組研究中心”由諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Watson J出任第一任主任。有機(jī)體染色體基因組和基因421988美國成立了“國家人類基因組研究中心”由諾貝爾獎(jiǎng)獲得者二、世界的行動(dòng)1987年，意大

19、利的國家研究委員會(huì)（NRC）組織了15個(gè)（后來發(fā)展到30個(gè)）實(shí)驗(yàn)室，開始HGP的研究；1989年2月，英國的HGP開始啟動(dòng);有機(jī)體染色體基因組和基因43二、世界的行動(dòng)有機(jī)體染色體基因組和基因431990年6月，法國的國家HGP開始啟動(dòng)；同月，歐共體通過了“歐洲HGP研究計(jì)劃”，主要資助23個(gè)實(shí)驗(yàn)室；1990年10月1日 美國國會(huì)正式批準(zhǔn)美國的“HGP”啟動(dòng)，計(jì)劃在15年內(nèi)投入至少30億美元進(jìn)行人類全基因組的分析；有機(jī)體染色體基因組和基因441990年6月，法國的國家HGP開始啟動(dòng)；有機(jī)體染色體基因組1994年初，在吳旻、強(qiáng)伯勤、陳竺院士和楊煥明教授的倡導(dǎo)下，中國的HGP開始啟動(dòng)；1998國家科

20、技部在上海成立了中國南方基因中心，由陳竺院士掛帥；1998年1999年成立了中國科學(xué)院北京人類基因組中心和北方人類基因組中心，由中科院遺傳所的楊煥明教授，強(qiáng)伯勤院士等人牽頭；有機(jī)體染色體基因組和基因451994年初，在吳旻、強(qiáng)伯勤、陳竺院士和楊煥明教授的倡導(dǎo)下，1995年6月，德國正式開始HGP。有機(jī)體染色體基因組和基因461995年6月，德國正式開始HGP。有機(jī)體染色體基因組和基因三、任務(wù)與進(jìn)展完成四張圖： 遺傳圖譜、物理圖譜、 序列圖譜、基因圖譜有機(jī)體染色體基因組和基因47三、任務(wù)與進(jìn)展完成四張圖： 遺傳圖譜、物理圖譜（一）遺傳圖譜（genetic map)：.定義又稱連鎖圖譜（linka

21、ge map)或遺傳連鎖圖譜（genetic linkage map)，是指人類基因組內(nèi)基因以及專一的多態(tài)性DNA標(biāo)記(marker)相對(duì)位置的圖譜，其研究經(jīng)歷了從經(jīng)典的遺傳圖譜到現(xiàn)代遺傳圖譜的過程。有機(jī)體染色體基因組和基因48（一）遺傳圖譜（genetic map)：有機(jī)體染色體基因組.經(jīng)典的遺傳圖譜（以基因表型為標(biāo)記）.現(xiàn)代遺傳圖譜（以DNA為標(biāo)記）第一代多態(tài)性標(biāo)記：限制性片段長度多態(tài)性（restriction fragment length polymorphism, RFLP)，位點(diǎn)數(shù)目可達(dá)105以上。有機(jī)體染色體基因組和基因49.經(jīng)典的遺傳圖譜（以基因表型為標(biāo)記）有機(jī)體染色體基因組和

22、基第二代多態(tài)性標(biāo)記：小衛(wèi)星/可變數(shù)量串聯(lián)重復(fù)（minisatellite/ variable number tandem repeat, VNTR)及微衛(wèi)星/簡(jiǎn)短串聯(lián)重復(fù)（microsatellite / simple tandem repeat, STR)。個(gè)數(shù)在6000個(gè)以上。 其中STR具高度多態(tài)性，有的可形成幾十種等位片段，是目前在基因定位的研究中應(yīng)用最多的標(biāo)記系統(tǒng)。有機(jī)體染色體基因組和基因50第二代多態(tài)性標(biāo)記：小衛(wèi)星/可變數(shù)量串聯(lián)重有機(jī)體染色體基因組和第三代多態(tài)性標(biāo)記：?jiǎn)魏塑账岫鄳B(tài)性（single nucleotide polymorphism, SNP)。這種標(biāo)記在人類基因組中多達(dá)

23、300萬個(gè)。有機(jī)體染色體基因組和基因51第三代多態(tài)性標(biāo)記：?jiǎn)魏塑账岫鄳B(tài)性（single nucleo有機(jī)體染色體基因組和基因培訓(xùn)課件.構(gòu)建遺傳圖譜的意義： 通過連鎖分析，可以找到某一致病基因或表型的基因與某一標(biāo)記鄰近（即緊密連鎖）的證據(jù)，從而可把這一基因定位于染色體的特定區(qū)域，再對(duì)基因進(jìn)行分離和研究。有機(jī)體染色體基因組和基因53.構(gòu)建遺傳圖譜的意義：有機(jī)體染色體基因組和基因53（二）物理圖譜（physical map):： .定義用物理學(xué)方法構(gòu)建的由不同的DNA結(jié)構(gòu)按其在染色體上的原始順序和實(shí)際距離排列的圖譜。有機(jī)體染色體基因組和基因54（二）物理圖譜（physical map):：有機(jī)體染色

24、體基.內(nèi)容（1）基因組的細(xì)胞遺傳學(xué)圖（cytogenetic map，即染色體的區(qū)、帶、亞帶）；（2）序列標(biāo)簽位點(diǎn)(sequence-tagged site,STS)圖譜；有機(jī)體染色體基因組和基因55.內(nèi)容有機(jī)體染色體基因組和基因55（3）DNA“重疊群(contig)”圖譜：把基因組文庫中含有相同STS序列的DNA克隆按照其在原始基因組上線形順序進(jìn)行排列，連接成相互重疊的“片段重疊群(contig)”。是構(gòu)建物理圖譜的主要任務(wù)；有機(jī)體染色體基因組和基因56（3）DNA“重疊群(contig)”圖譜：把基因組文庫中含（4）大片段限制性內(nèi)切酶切點(diǎn)圖；（5）cDNA/EST圖譜；（6）基因組中廣泛存在的特征性序列（如CpG序列、Alu序列等）的標(biāo)記圖等。有機(jī)體染色體基因組和基因57（4）大片段限制性內(nèi)切酶切點(diǎn)圖；有機(jī)體染色體基因組和基因57（三）序列圖譜：2003年之前完成。（四）基因圖譜：目標(biāo)：在人類基因組中鑒別出全部基因的位置、結(jié)構(gòu)和功能；有機(jī)體染色體基因組和基因58（三）序列圖譜：有機(jī)體染色體基因組和基因58定位方法：cDNA / EST的染色體定位（實(shí)驗(yàn)手段，電子雜交）；完成