《基因組學(xué)》第01章 基因組

第1章基因組1)遺傳的分子基礎(chǔ)2)基因組順序復(fù)雜性3)基因與基因家族4)基因組

遺傳的分子基礎(chǔ)1)DNA的化學(xué)與生物學(xué)2)RNA的化學(xué)與生物學(xué)3)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與生物學(xué)遺傳信息流—中心法則四種核苷酸

DNA的結(jié)構(gòu)特點1）DNA由兩條具有極性的互補單鏈組成.2)兩條互補單鏈走向相反.3)DNA雙螺旋大小溝槽交替排列.4）堿基配對原則：A-T，C-G，A-T配對形成

2對氫鍵，C-G配對形成3對氫鍵.5）每旋轉(zhuǎn)一圈為10.5bp(堿基對).核苷酸的化學(xué)極性與生物學(xué)1)DNA的合成具有方向性,造成先行鏈與延滯鏈復(fù)制方式的差異;2)DNA的降解具有方向性,3’→5’和5’→3’的降解由不同的酶執(zhí)行;3)遺傳密碼的編排具有方向性,只有正鏈才具有編碼功能;4)導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄的方向性.DNA雙螺旋的生物學(xué)1)DNA的雙螺旋使DNA的復(fù)制復(fù)雜化,

必需一套解旋機制;2)DNA雙螺旋的大小溝具有結(jié)構(gòu)信息,

許多蛋白質(zhì)都與大溝結(jié)合;3)DNA雙螺旋產(chǎn)生了環(huán)狀DNA分子的拓?fù)鋵W(xué)結(jié)構(gòu)的變化.4)DNA雙螺旋的螺距約10bp,轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合與此有關(guān).DNA雙螺旋DNA大小溝的結(jié)構(gòu)信息

DNA雙

螺

旋

拓

撲

學(xué)

結(jié)

構(gòu)

堿基配對的生物學(xué)1)遺傳信息的忠實傳遞.2)每一種核苷酸都有二種互變異構(gòu)體（tautomer），它們處在動態(tài)平衡中。例如胸腺嘧啶有二種異構(gòu)體，即酮式（keto）和烯醇式（enol）胸腺嘧啶。就每個分子而言偶然會從一種異構(gòu)體轉(zhuǎn)為另一種異構(gòu)體，胸腺嘧啶的情況是趨向于酮式異構(gòu)體。如果復(fù)制叉經(jīng)過某一胸腺嘧啶堿基，而后者又恰恰處在烯醇式異構(gòu)體時，就會發(fā)生一次錯配。因為烯醇式胸腺嘧啶更趨向于與G而不是與A

配對。稀有的亞氨基腺嘌呤異構(gòu)體優(yōu)先與C而非與T配對，烯醇鳥嘌呤異構(gòu)體優(yōu)先與胸腺嘧啶配對。

3)A-T鍵能小于G-C鍵能,A/T順序更易解鏈,因此在需要快速解鏈的區(qū)域A/T堿基對比例較高,如啟動子區(qū).堿基錯配的原因螺距長為10堿基對每一輪雙螺旋由10堿基對組成,這一結(jié)構(gòu)具有多種生物學(xué)意義:1)啟動子與轉(zhuǎn)錄起始點位置;2)轉(zhuǎn)錄因子與DNA結(jié)合的位置;3)引起DNA彎曲---A/T堿基對的平面有點傾斜,G/C較平整.在周期性重復(fù)的(A/T)5-6與(G/C)4-6序列,DNA分子會發(fā)生彎曲.彎曲DNA在基因表達(dá)調(diào)控中具有重要意義.4)纏繞在核小體上的DNA堿基對的朝向.RNA的結(jié)構(gòu)與生物學(xué)1)2’—OH賦予了RNA許多不同與DNA的特性,

極易斷裂與分解,不能形成穩(wěn)定的雙螺旋;2)單鏈RNA分子的鏈內(nèi)配對可形成高級結(jié)構(gòu),賦予RNA分子在生命活動中擔(dān)負(fù)許多重要的結(jié)構(gòu)和催化功能;3)RNA的核苷酸組成中由尿嘧啶取代了DNA中的胞嘧啶,使其不能成為遺傳信息的載體.RNA核苷酸單體都有2’—OHBACKRNA分子核苷酸的2’-OH1)2’-OH非?？拷B接兩個核苷酸的磷酸二脂鍵位置，使

RNA的磷酸二脂鍵對堿性環(huán)境變得十分敏感，即使在正常細(xì)胞內(nèi)略微徧堿的pH條件下也很容易降解。2)2’-OH的化學(xué)作用使RNA構(gòu)型的選擇范圍受到很大限制，通常RNA雙螺旋區(qū)段均在數(shù)十堿基對以下。3)長鏈RNA增加了2’-OH與磷酸脂鍵互作引起分子斷裂的可能,限制了RNA長度的增加，這是RNA遠(yuǎn)比DNA分子量小得多的主要原因。由于不能形成很長的多聚分子，RNA只能儲存有限的遺傳信息。4)2’-OH可參于同磷酸或堿基的互作從而穩(wěn)定RNA分子的折疊構(gòu)型，所以RNA分子比DNA分子更易形成穩(wěn)定而緊湊的三級結(jié)構(gòu)使RNA分子獲得了某些重要的催化功能。RNA分子的不穩(wěn)定性RNA分子的高極結(jié)構(gòu)RNA

的高級結(jié)構(gòu)具有重要的生物學(xué)功能mRNA前體的剪接體中UsnRNA是催化前體Mrna斷裂的主要成分.前體mRNA剪接中,需借助2’-OH進(jìn)行脂鍵轉(zhuǎn)移.7SLRNA的生物學(xué)功能

-SRP結(jié)合骨架RNA分子尿苷酸的生物學(xué)RNA分子不足以擔(dān)當(dāng)遺傳物質(zhì)的大任,因為RNA分子的四種堿基分別為A,U,C和G:1)胞嘧啶脫氨基后轉(zhuǎn)變?yōu)槟蜞奏?2)細(xì)胞內(nèi)化學(xué)環(huán)境容易使胞嘧啶脫氨基.3)胞嘧啶脫氨基轉(zhuǎn)變?yōu)槟蜞奏?尿嘧啶的氫鍵配對方式選擇腺瞟呤而非鳥嘌呤,從而使RNA的順序組成發(fā)生改變,影響遺傳信息的傳遞.4)細(xì)胞中缺少修復(fù)RNA堿基突變的酶,一旦胞嘧啶脫氨基轉(zhuǎn)變?yōu)槟蜞奏ず?即無法更正,容易積累大量突變.胞嘧啶脫氨基變?yōu)槟蜞奏?/p>

胞苷尿苷

蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)1)二級結(jié)構(gòu)是建筑蛋白質(zhì)的基石.2)蛋白質(zhì)基序或模體(motif)是蛋白質(zhì)功能的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu).3)由單個或多個基序或模體組合而成的結(jié)構(gòu)域是蛋白質(zhì)的相對獨立的功能結(jié)構(gòu)成分,是蛋白質(zhì)洗牌的單元.4)蛋白質(zhì)域賦予了蛋白質(zhì)家族的特征.蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)1)α-螺旋2)β-折疊3)轉(zhuǎn)角(turn)蛋白質(zhì)基序或模體在許多蛋白質(zhì)中都可發(fā)現(xiàn)由2個或3個二級結(jié)構(gòu)如α-螺旋，β-折疊和轉(zhuǎn)環(huán)構(gòu)成的組合，它們有特征性的序列，具有特定的功能，稱為基序或模體（motif）。鋅指結(jié)構(gòu)（zincfinger）即是一種十分常見的蛋白質(zhì)基序。鋅指基序含３個二級結(jié)構(gòu)：一個α-螺旋，一對反向平行的β鏈。在鋅指基部２個位于α-螺旋的組氨酸和２個位于β鏈的半胱氨酸與鋅指中的金屬離子（鋅）螯合，形成“指狀”結(jié)構(gòu)。指狀結(jié)構(gòu)可與DNA螺旋的大溝結(jié)合，與大約５個核苷酸相互作用，起到識別順序的功能。螺旋-環(huán)-螺旋(helix-loop-helix)也是一種蛋白質(zhì)基序，是許多鈣結(jié)合蛋白質(zhì)(calcium-bindingprotein）的固有結(jié)構(gòu)?；蚧蚰ｓw圖解蛋白質(zhì)創(chuàng)新

-

基序重復(fù)蛋白質(zhì)域的定義蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)中有一些在結(jié)構(gòu)上和功能上相對獨立的組成區(qū)域，如球形或纖維狀結(jié)構(gòu)，稱為域（domain），它們介于二級結(jié)構(gòu)與三級結(jié)構(gòu)之間。蛋白質(zhì)域可根據(jù)某些特別的結(jié)構(gòu)特征來定義，如含有一些特定的氨基酸（富脯氨酸域，富甘氨酸域，酸性域）。有時亦可根據(jù)所在位置定義，如RNA多聚酶大亞基羧基端具有特別的功能，稱為羧基端域（Ｃ-terminaldomain,CTD）。蛋白質(zhì)域有時還可根據(jù)觀測到的蛋白質(zhì)某一局部結(jié)構(gòu)具有的活性進(jìn)行定義。例如，具有催化活性的激酶區(qū)可稱為激酶域（kinasedomain），具有結(jié)合活性的區(qū)域如DNA結(jié)合域（DNA-bindingdomain）和RNA結(jié)合域，膜結(jié)合域（membrane-bindingdomain）等。功能域常由實驗進(jìn)行鑒定，可采用突變來分辯功能域的邊界。在后續(xù)章節(jié)中將祥細(xì)討論蛋白質(zhì)模塊的生物學(xué)功能。蛋白質(zhì)域(domain)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域是蛋白質(zhì)洗牌的基本單元.轉(zhuǎn)錄因子DNA結(jié)合域離子通道蛋白的結(jié)構(gòu)

及其功能域

DomainstructuresofNALPs

anovelproteinfamilyinvolvedininflammation

JürgTschopp,FabioMartinonandKimberlyBurns

NatureReviewsMolecularCellBiology4,95-104,

February2003

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域與外顯子蛋白質(zhì)的構(gòu)像可塑性自然狀態(tài)的蛋白質(zhì)常常有多種構(gòu)像，蛋白質(zhì)在不同構(gòu)像之間的轉(zhuǎn)變稱為蛋白質(zhì)構(gòu)像變換，即蛋白質(zhì)構(gòu)像可塑性（proteinconformationflexibility），與蛋白質(zhì)活性密切相關(guān)。當(dāng)一個氧分子與血紅蛋白四個亞基中的一個結(jié)合后可使珠蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，并促使整個血紅蛋白構(gòu)型變化，使第二個氧分子相比于第一個氧分子更容易和血紅蛋白的另一個亞基結(jié)合，而它的結(jié)合會進(jìn)一步促進(jìn)第三個和第四個氧分子的結(jié)合。放氧的過程也具有類似的現(xiàn)象，一個氧分子的離去會加速另一個氧分子的離去，直到釋放所有血紅蛋白結(jié)合的氧分子。跨膜信號受體蛋白具有胞外信號分子結(jié)合域和胞內(nèi)激酶域。在無信號分子結(jié)合時，胞內(nèi)激酶域處于非活性狀態(tài)。當(dāng)信號分子與跨膜信號受體蛋白的胞外區(qū)結(jié)合時，可引起胞內(nèi)激酶域構(gòu)型的改變使之活化，并催化靶蛋白的磷酸化，使胞外信號得以向胞內(nèi)轉(zhuǎn)導(dǎo)，逐級放大。當(dāng)信號分子離去，胞內(nèi)激酶域的構(gòu)型又回復(fù)到非活性狀態(tài)。這種因構(gòu)像改變促使蛋白質(zhì)活性的增強或減弱，抑制或活化的現(xiàn)象非常普遍，是許多生化反應(yīng)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。蛋白質(zhì)構(gòu)像可塑性的生物學(xué)意義1）跨膜信號受體蛋白在接受信號分子后的活化。2）激酶蛋白在磷酸化和去磷酸化時的活性改變。3）反饋抑制時產(chǎn)物與催化酶結(jié)合抑制酶的活性。4）多肽鏈折疊成蛋白質(zhì)及蛋白質(zhì)去折疊線性化。5）骨架蛋白的組裝與拆卸。

DNA,RNA和蛋白質(zhì)的進(jìn)化關(guān)系RNA的起源及其自我復(fù)制RNA世界假說的主要依據(jù)有兩點:1)RNA具有催化能力,可以合成肽鍵;2)RNA具有復(fù)制能力,可以復(fù)制拷貝.但RNA的單體即核苷酸如何生成是一個存在爭議的問題.核苷酸的合成RNA的自我復(fù)制Schemeforcross-catalyticreplicationofRNAenzymes.TheenzymeE′(gray)catalyzesligationofsubstratesAandB(black)toformtheenzymeE,whileEcatalyzesligationofA′andB′toformE′.ThetwoenzymesdissociatetoprovidecopiesofbothEandE′thateachcancatalyzeanotherreaction復(fù)制系統(tǒng)實際上涉及兩種酶，每種酶都由兩個亞基組成，每種酶都作為催化劑來裝配另外一種酶。復(fù)制過程是循環(huán)的，在此過程中第一種酶和組成第二種酶的兩個亞基結(jié)合，將其連接形成第二種酶的一個新副本；同時，第二種酶也對第一種酶做著同樣的工作。這樣，兩種酶相互裝配對方，用術(shù)語來說叫做交叉復(fù)制。只需要剛開始時少量的兩種酶及穩(wěn)定供應(yīng)的亞基，交叉復(fù)制即可無限進(jìn)行下去。喬伊斯說，這是生物學(xué)之外分子信息可永存的唯一案例。.見:Science.2009February,27;323(5918):1229–1232.

基因組的結(jié)構(gòu)特征

1)C值悖理

2)基因組DNA的順序組成

3)順序復(fù)雜性

4)基因與基因家族

5)真核基因組與原核基因組C值悖理基因組DNA的順序組成1)單一順序:基因組中只有單拷貝的順序;2)中度重順序:拷貝數(shù)在1—10萬,長度50-1000bp在基因組中分散分布;3)高度重復(fù)順序:串接排列,拷貝數(shù)達(dá)數(shù)百萬,離心時形成衛(wèi)星帶.不同物種基因組順序組成什么叫基因?1)“gene”一詞的出現(xiàn):1905年,Johson首次提出.2)“gene”一詞的中文翻譯最早出自談家楨先生.3)基因的定義(GeneticsGlossary):

經(jīng)典遺傳學(xué):獨立的遺傳單位

segregatingandheritabledeterminantofthephenotype.Thefundamentalphysicalandfunctionalunitofheredity,whichcarriesinformationfromonegenerationtothenext.分子遺傳學(xué):編碼與調(diào)控區(qū)

AsegmentofDNA,composedofatranscribedregionandregulatorysequencesthatmakepossibletranscription.:該定義依據(jù)“AnIntroductiontoGeneticAnalysis”一書,作者為DavidT.Suzuki等.N值悖理處于不同進(jìn)化階梯,復(fù)雜性不同的生物種屬所具有的基因數(shù)目與其生物結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性不成比例的現(xiàn)象被稱為N值悖理.如結(jié)構(gòu)比較簡單的線蟲含有的基因數(shù)為19000,比線蟲更復(fù)雜的果蠅基因數(shù)為18000,水稻的基因數(shù)約50000,最復(fù)雜的人類其基因總數(shù)約24000.特殊結(jié)構(gòu)基因1)重疊基因2)基因套基因(geneingene)3)反義基因4)分裂基因(由兩段非連續(xù)DNA組成的基因)φX174基因組中的重疊基因人類線粒體基因組重疊基因人類和老鼠核基因組重疊基因人類INK4a/ARF基因座含兩個重疊基因:p14/ARF和p16/INK4a.這兩個基因分別由兩個獨立的啟動子調(diào)控,共享外顯子2和3,p14/ARF含外顯子1β,p16/INK4a含外顯子α.人類VLCAD和DLG4基因的重疊人類基因組中兩個反相重疊的基因:VLCAD和DLG4.

水稻核基因組的重疊基因水稻核基因編碼的線粒體sdhB和rps14蛋白由同一基因編碼,rps14基因位于sdhB基因的內(nèi)含子中.基因內(nèi)基因---線蟲內(nèi)含子中獨立的基因基因內(nèi)基因--人類NF1基因第27內(nèi)含子

含3個獨立表達(dá)的基因人類神經(jīng)成纖維細(xì)胞瘤1(neurofubromatosis1)基因編碼GTPase的激酶,是致癌基因RAS的負(fù)調(diào)控因子,長350kp,60個內(nèi)含子,蛋白質(zhì)產(chǎn)物2839aa.27號內(nèi)含子編碼3個獨立表達(dá)的基因.多重可選啟動子基因果蠅求愛基因(fru)有4個啟動子:果蠅的“同性戀”果蠅求愛4步曲:雄果蠅發(fā)現(xiàn)異性的存在，便追上去。然后“溫柔的觸碰”，用前腿輕輕地敲打雌果蠅的身體，促使對方釋放出信息素——昆蟲的催情藥。第三步是“唱情歌”，雄果蠅伸出一只翅膀，以特定的方式振動，發(fā)出特殊的聲音。一只正常的雄果蠅，會花上兩分鐘來完成這前三個步驟.第四步則是”云雨之歡”.耶魯大學(xué)的KulbirGill在研究雌性不育的問題時發(fā)現(xiàn),有一群基因變異的雄果蠅不僅追求異性，也追求同性，而且會回應(yīng)同性的追求。而普通的雄果蠅不會主動追求同性，在被同性追求時會抗拒。Gill為此把這個基因叫做fruity，即美國俚語里的“男同性戀”.JeffHall給該基因改名為更文雅的fruitless.普通雄果蠅(右)追逐雌果蠅；而fru基因變異的雄果蠅追求同性，有時它們會前后連成一串，每一只雄蠅都追求自己前面的那只雄蠅.人類基因組中存在的反義基因asetofcomputationaltoolsdesignedtoidentifysense-antisensetranscriptionalunitsonoppositeDNAstrandsofthesamegenomiclocus.Theresultingdatasetof2,667sense-antisensepairswasevaluatedbymicroarrayscontainingstrand-specificoligonucleotideprobesderivedfromtheregionofoverlap.Verificationofspecificcasesbynorthernblotanalysiswithstrand-specificriboprobesprovedtranscriptionfrombothDNAstrands.Weconcludethat60%ofthisdataset,or1,600predictedsense-antisensetranscriptionalunits,aretranscribedfrombothDNAstrands.

采用軟件分析人類基因組數(shù)據(jù),結(jié)合芯片雜交,檢測到人類基因組含有1600個反義基因.見:NatureBiochenology21,379-386,2003反義基因篩查方法人類基因組中的反義基因舉例擬南芥天然反義轉(zhuǎn)錄物的功能玉米自交不親合(S)反義基因基因家族

同一物種或不同物種中來自一個共同的祖先,因加倍趨異而產(chǎn)生的一組具有相似順序組成的基因成員(asetofgenesdescendedbyduplicationandvariationfromsomeancestralgene):

1)具有25%以上的氨基酸順序相似性;2)具有相同的功能域.超基因家族(Supergenefamily)DNA順序相似但功能不一定相似的若干組基因家族的總稱,或DNA順序相似但功能不一定相似的若干個單拷貝基因的總稱.Setsofgenesthatsharemanyoftheirnucleotidesequences,implyingacommonancestry.

不同物種Dicer家族的同源性擬南芥基因家族總數(shù)--796擬南芥基因家族列表

(部分)假基因定義:來源于功能基因但已失去活性的DNA

順序.1)重復(fù)假基因:串接排列,具有祖先基因的組成特點,具內(nèi)含子和外顯子,突變失活.2)加工假基因:由RNA反轉(zhuǎn)錄再插入基因組中的基因順序,無內(nèi)含子.3)殘缺假基因:因不等交換使部分順序缺失的假基因.假基因有沒有功能?有兩層含義:1)相對于原來的功能基因而言,假基因已失去正常功能.2)假基因可能產(chǎn)生了新的功能.假基因能否轉(zhuǎn)錄?1)最初人們認(rèn)為,假基因是不能轉(zhuǎn)錄的基因,有些名詞解釋即以此特征定義假基因,并不確切.2)隨著基