Ch基因與基因組

Ch基因與基因組第1頁/共64頁第一節(jié)基因的概念

一、基因概念的發(fā)展二、基因的分子生物學(xué)定義三、基因組第2頁/共64頁奧地利布隆(Brünn):

現(xiàn)捷克布爾諾(Bruo)第3頁/共64頁第4頁/共64頁孟德爾豌豆雜交實驗中所用的七對相對性狀

第5頁/共64頁一、基因概念的發(fā)展（一）孟德爾的遺傳因子

生物體的各種特定性狀受遺傳因子所控制，一個因子決定一種性狀。

第6頁/共64頁摩爾根實驗ThomasH.Morgan第7頁/共64頁一、基因概念的發(fā)展

（二）摩爾根的基因概念

基因以直線形式排列，它決定著一個特定的性狀，而且能發(fā)生突變并隨著染色體同源節(jié)段的互換而交換，它不僅是決定性狀的功能單位，而且也是一個突變單位和交換單位，即著名的三位一體概念。

第8頁/共64頁cis-transtest第9頁/共64頁cis-transtest

第10頁/共64頁一、基因概念的發(fā)展

（三）順反子

一個順反子（cistron）相當(dāng)于一個基因，它是一個功能單位，決定一個酶或一條多肽鏈的表達(dá)。順反子（基因）內(nèi)部可以出現(xiàn)不同位置的突變，也可以出現(xiàn)交換和重組。一個順反子可以包括很多突變子和重組子。第11頁/共64頁一、基因概念的發(fā)展

（四）操縱子及其基因

操縱子(operon)是原核生物基因表達(dá)調(diào)控單元。

操縱子基因根據(jù)功能可分為結(jié)構(gòu)基因（structuregene）、調(diào)節(jié)基因（regulatorygene）和控制基因（包括啟動基因和操縱基因）三類。結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因是可表達(dá)的基因，控制基因是不可表達(dá)的基因。

第12頁/共64頁操縱子第13頁/共64頁一、基因概念的發(fā)展（五）現(xiàn)代基因概念的擴(kuò)展重疊基因（overlappinggenes）斷裂基因（splitgene）跳躍基因（jumpinggene）假基因（pseudogene）第14頁/共64頁斷裂基因（splitgene）第15頁/共64頁二、基因的分子生物學(xué)定義

一個基因不僅是編碼有功能的蛋白質(zhì)多肽鏈或RNA所必需的核酸序列(通常指DNA序列)，而且還包括為保證轉(zhuǎn)錄所必須的調(diào)控序列、5'端非翻譯序列、內(nèi)含子以及3'非翻譯序列等核酸序列。

第16頁/共64頁根據(jù)基因是否具有表達(dá)功能可以將其分為三類：第一類是編碼蛋白質(zhì)的基因，它具有轉(zhuǎn)錄和翻譯功能；第二類是只有轉(zhuǎn)錄功能而沒有翻譯功能的基因，包括tRNA基因和rRNA基因；第三類是不轉(zhuǎn)錄的基因，它對基因表達(dá)起調(diào)節(jié)控制作用，包括啟動基因和操縱基因，這類基因也稱控制基因。

第17頁/共64頁三、基因組概念

在個體水平代表一個個體所有遺傳性狀的總和，在細(xì)胞水平代表一個細(xì)胞所有不同染色體（單倍體）的總和，在分子水平代表一個物種所有DNA分子的總和。簡而言之，它表示一種生物的DNA或RNA所含的全部遺傳信息。

人類基因組

人類基因組由22條常染色體和2條性染色體，約30億個堿基對的DNA序列組成，估計約含3~4萬個基因。

第18頁/共64頁第二節(jié)病毒基因組第19頁/共64頁一、病毒基因組核酸的類型7種類型：1．雙鏈DNA（dsDNA）病毒；2．單鏈DNA（ssDNA）病毒；3．雙鏈RNA（dsRNA）病毒；4．單鏈正鏈RNA（thepositive-sensessRNA）病毒；5．單鏈負(fù)鏈RNA（thenegative-sensessRNA）病毒；6．逆轉(zhuǎn)錄RNA病毒；7．逆轉(zhuǎn)錄DNA病毒。第20頁/共64頁二、病毒基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1．病毒基因組可以由DNA或RNA組成2．病毒基因組大小相差較大3．病毒基因組為單拷貝4．病毒基因組多由連續(xù)的多核苷酸鏈組成5．病毒基因組的基因可連續(xù)或間斷6．病毒基因組的大部分是用來編碼蛋白質(zhì)7．病毒基因組的相關(guān)基因往往叢集形成一個功能單位或轉(zhuǎn)錄單元8．有重疊基因第21頁/共64頁第三節(jié)原核生物基因組第22頁/共64頁一、原核生物基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1．基因組通常僅由一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成；2．基因組中只有1個復(fù)制起始點(diǎn)；3．具有操縱子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為多順反子；4．一般無重疊基因；5．無內(nèi)含子；6．編碼蛋白質(zhì)的DNA在基因組中所占比例較大；7．結(jié)構(gòu)基因為單拷貝；8.具有編碼同工酶的基因；9．存在插入序列（insertionsequence，IS）和轉(zhuǎn)座子（transposon）等可移動的DNA序列；10．具有多種的功能識別區(qū)域。第23頁/共64頁二、質(zhì)粒概念

質(zhì)粒（plasmid）是細(xì)胞染色體或核區(qū)DNA外能夠自主復(fù)制的共價閉合環(huán)狀DNA(covalentclosedcircularDNA,cccDNA)分子。質(zhì)粒對宿主細(xì)胞的生存而言不是必需的,宿主細(xì)胞丟失了質(zhì)粒依然能夠存活。但質(zhì)粒所攜帶的遺傳信息能賦予宿主細(xì)胞特定的遺傳性狀。第24頁/共64頁EcoRⅠ、PstⅠ、HindⅢ、BamHⅠ、SalⅠ只有一個酶切位點(diǎn)，便于外源基因的插入。質(zhì)粒DNApBR322第25頁/共64頁第四節(jié)真核生物基因組第26頁/共64頁一、真核生物基因組的組成基因和基因相關(guān)DNA序列

包括編碼的DNA序列和非編碼的DNA序列（如內(nèi)含子、基因片段和假基因等）基因外DNA序列

包括各種重復(fù)序列以及非編碼的單拷貝和低拷貝序列。

第27頁/共64頁人類基因組的組成

基因外DNA2100Mb重復(fù)DNA420Mb單拷貝和低拷貝DNA1680Mb非編碼DNA810Mb擬基因基因片段基因和基因相關(guān)序列900Mb

內(nèi)含子、前導(dǎo)區(qū)、尾區(qū)編碼DNA90Mb串聯(lián)重復(fù)LTR元件SINE衛(wèi)星DNA微衛(wèi)星DNA小衛(wèi)星DNALINE人類基因組3000MbDNA轉(zhuǎn)座子散在重復(fù)第28頁/共64頁二、真核生物基因組DNA序列的分類(一)高度重復(fù)序列

(二)中度重復(fù)序列(三)低度重復(fù)序列（單拷貝序列）第29頁/共64頁(一)高度重復(fù)序列

高度重復(fù)序列是拷貝數(shù)在基因組中達(dá)數(shù)百萬(106)以上的DNA序列，因此具有很快的復(fù)性速度。在基因組中約占10-60％。典型的高度重復(fù)序列有衛(wèi)星DNA

和反向重復(fù)序列兩類。

第30頁/共64頁1.衛(wèi)星DNA概念

衛(wèi)星DNA(Satellite

DNA)是在氯化銫（CsCl）密度梯度離心時發(fā)現(xiàn)的一類高度重復(fù)的DNA序列。

第31頁/共64頁人類基因組衛(wèi)星DNA

人的主帶DNA的平均浮力密度為1.701gcm-3，其GC含量平均為40.3%，主要由單拷貝DNA片段組成。衛(wèi)星DNA的浮力密度分別為1.678、1.693和1.697gcm-3，其GC含量取決于它們的重復(fù)序列組成。第32頁/共64頁分類

（1）大衛(wèi)星DNA

大衛(wèi)星DNA(macrosatelliteDNA)也稱為經(jīng)典衛(wèi)星DNA，總長度為100kb~幾個Mb。重復(fù)單位約5~200bp，多分布在染色體著絲粒區(qū)異染色質(zhì)和其它異染區(qū)。（2）小衛(wèi)星DNA

小衛(wèi)星DNA(minisatelliteDNA)由中等大小的串聯(lián)重復(fù)序列（tandemrepeat，TR）組成,其總長度約為0.1~20kb,包括高度可變的小衛(wèi)星DNA(重復(fù)單位9~24bp)和端粒DNA。（3)微衛(wèi)星DNA

微衛(wèi)星DNA(microsatelliteDNA)由短串聯(lián)重復(fù)序列（shorttandemrepeat，STR）組成，分布在所有染色體,其重復(fù)單位為2~6bp，重復(fù)次數(shù)10~60次左右,其總長度常小于150bp。

串聯(lián)重復(fù)序列多態(tài)性第33頁/共64頁2.反向重復(fù)序列

反向重復(fù)序列(invertedrepeats)是指兩個序列相同的拷貝在同一DNA分子上呈反向排列。這種重復(fù)序列具有極快的復(fù)性速度，又稱零時復(fù)性部分。反向重復(fù)序列的排列有兩種形式：一種是兩個反向排列的拷貝之間隔著一段間隔序列；另一種是兩個拷貝反向串聯(lián)在一起,中間沒有間隔序列,這種沒有間隔的反向重復(fù)序列也稱回文結(jié)構(gòu)(palindrome)。反向重復(fù)序列約占人類基因組中的5%,散布于整個基因組中，常見于基因組調(diào)控區(qū)內(nèi)，其作用推測與復(fù)制轉(zhuǎn)錄的調(diào)控有關(guān)

第34頁/共64頁(二)中度重復(fù)序列

中度重復(fù)序列是拷貝數(shù)在基因組中大致數(shù)十至數(shù)萬（<105）的DNA序列。其復(fù)性速度快于單拷貝序列，但慢于高度重復(fù)序列。這類重復(fù)序列在基因組中約占35%。依據(jù)重復(fù)序列的長度，中度重復(fù)序列可分為短散在重復(fù)片段和長散在重復(fù)片段兩種類型。第35頁/共64頁短散在重復(fù)片段

短散在重復(fù)片段（shortinterspersedrepeatedsegments,SINES）的序列長度平均約為300bp（＜500bp），它們與平均長度約為1000bp的單拷貝序列間隔排列。拷貝數(shù)大于10萬。Alu家族是其典型代表。

第36頁/共64頁Alu序列的基本結(jié)構(gòu)兩端的灰色區(qū)為17~21bp的正向重復(fù)序列，中間的網(wǎng)格區(qū)為31bp間隔序列

第37頁/共64頁長散在重復(fù)片段

長散在重復(fù)片段（longinterspersedrepeatedsegments,LINES）這類重復(fù)序列的長度大于1kb，長者可達(dá)7kb，平均長度為3.5~5kb。它們與平均長度為13kb的單拷貝序列間隔排列，拷貝數(shù)約104~105。LINES的典型代表是KpnI家族。

第38頁/共64頁(三)低度重復(fù)序列（單拷貝序列）

低度重復(fù)序列也稱單拷貝序列(unique

sequence)。這類序列在整個基因組中僅出現(xiàn)一次或少數(shù)幾次，因而復(fù)性速度很慢。單拷貝序列在真核基因組中約占50~80％。

第39頁/共64頁三、真核生物基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（一）真核基因組龐大（二）真核基因組的大部分為非編碼序列（三）真核基因組存在大量的重復(fù)序列（四）真核基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子（五）真核基因是斷裂基因（六）真核基因組中功能相關(guān)的基因構(gòu)成基因家族（七）真核基因組中存在逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子（八）真核基因組中存在大量的順式作用元件（九）真核基因組中存在大量的DNA多態(tài)性（十）真核生物基因組具有端粒結(jié)構(gòu)第40頁/共64頁結(jié)構(gòu)基因及其調(diào)控序列示意圖

第41頁/共64頁人細(xì)胞中α和β-珠蛋白基因簇結(jié)構(gòu)示意圖

第42頁/共64頁限制性片段長度多態(tài)性(restrictionfragmentlengthpolymorphism,RFLP)

第43頁/共64頁串聯(lián)重復(fù)序列多態(tài)性

(tandemrepeatspolymorphism)

第44頁/共64頁SNP第45頁/共64頁端粒（telomere）第46頁/共64頁第五節(jié)基因組學(xué)基因組學(xué)（genomics）是以基因組為研究對象的科學(xué)，研究內(nèi)容包括對基因組作圖、測序、基因定位和基因功能分析等。

一、人類基因組計劃二、結(jié)構(gòu)基因組學(xué)與功能基因組學(xué)三、后基因組學(xué)研究的重要領(lǐng)域第47頁/共64頁一、人類基因組計劃概念人類基因組計劃(humangenomeproject）是測定人類基因組DNA約30億個堿基對的排列順序，在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)所有人類基因并確定它們在染色體上的位置，從而破譯人類全部遺傳信息的生命科學(xué)研究計劃。研究內(nèi)容

對基因組作遺傳圖(geneticmap)、物理圖(physicalmap)、轉(zhuǎn)錄圖(transcriptionmap)和序列圖(sequencemap)等四張圖。

第48頁/共64頁人類基因組計劃示意圖

第49頁/共64頁遺傳圖(geneticmap)是以遺傳標(biāo)志作為“路標(biāo)”,遺傳學(xué)距離為“圖距”的基因組圖，又稱基因連鎖圖(genelinkagemap)。遺傳學(xué)距離是通過計算連鎖的遺傳標(biāo)志之間的重組頻率來確定的,一般用厘摩(centimorgan，cM)表示。1cM表示每次減數(shù)分裂的重組頻率為1%。在人類，1cM大致相當(dāng)于100萬個堿基對。繪制遺傳圖的多態(tài)性標(biāo)志有多種。早期應(yīng)用的多態(tài)性標(biāo)志是RFLP；后來應(yīng)用VNTR，主要是STR或微衛(wèi)星序列；新一代的多態(tài)性標(biāo)志是SNP，與RFLP和VNTR等多態(tài)性標(biāo)志不同，SNP不再以長度的差異為檢測手段，而直接以序列的變異作為標(biāo)志。第50頁/共64頁物理圖(physicalmap)是以序列標(biāo)簽位點(diǎn)（sequencetaggedsite,STS）為“路標(biāo)”,以DNA的長度單位堿基對（bp）、千堿基對（kb）或兆堿基對（Mb）為圖距的基因組圖。STS是指一段在染色體上定位明確的已知核苷酸序列，通常是單拷貝。物理作圖包括二層含義：一是獲得分布于整個基因組的STS；二是在此基礎(chǔ)上構(gòu)建覆蓋每條染色體的大片段DNA的重疊連續(xù)克隆系，即克隆重疊群（contig），以確定兩個相鄰的STS之間的物理聯(lián)系。第51頁/共64頁轉(zhuǎn)錄圖(transcriptionmap)是以表達(dá)序列標(biāo)簽（expressedsequencetag,EST）為“路標(biāo)”的基因組圖。EST是指具有表達(dá)能力的DNA序列，占人類基因組總序列的2%。而正是這2%的序列在不同的組織和不同的發(fā)育時間的表達(dá)水平，決定著人類個體的生長發(fā)育、功能發(fā)揮以及健康或疾病等等。構(gòu)建轉(zhuǎn)錄圖的前提是獲得大量基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物以構(gòu)建cDNA文庫。因此，轉(zhuǎn)錄圖又稱cDNA圖，它實際上就是人類“基因圖”的雛形。第52頁/共64頁序列圖(sequencemap)是基因組中所有核苷酸序列的一維排列圖。在基因組圖中，序列圖是分子水平上最高層次、最詳盡的物理圖。第53頁/共64頁人類基因組計劃的研究概況

1986年

美國病毒學(xué)家R·杜爾貝科（1914－）1986年3月7日在美國《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇題為《癌癥研究的轉(zhuǎn)折點(diǎn)——人類基因組的全序列分析》的文章，他指出：“人類DNA序列是人類的真諦，這個世界上發(fā)生的一切事情，都與這一序列息息相關(guān)。”該文后來被稱為“人類基因組計劃”的“標(biāo)書”。第54頁/共64頁二、結(jié)構(gòu)基因組學(xué)與功能基因組學(xué)結(jié)構(gòu)基因組學(xué)(structuralgenomics)功能基因組學(xué)(functionalgenomics)第55頁/共64頁結(jié)構(gòu)基因組學(xué)(structuralgenomics)結(jié)構(gòu)基因組學(xué)是以全基因組測序為目標(biāo)的基因組學(xué)。結(jié)構(gòu)基因組學(xué)代表基因組分析的早期階段，目標(biāo)是建立生物體高分辨率遺傳圖、物理圖、轉(zhuǎn)錄圖和序列圖等四張圖。第56頁/共64頁功能基因組學(xué)(functionalgenomics)

功能基因組學(xué)是以基因功能鑒定為目標(biāo)的基因組學(xué)。功能基因組學(xué)代表基因分析的新階段，目標(biāo)是利用結(jié)構(gòu)基因組學(xué)提供的信息系統(tǒng)地闡明基因組的功能及調(diào)控機(jī)制。第57頁/共64頁三、后基因組學(xué)研究的重要領(lǐng)域比較基因組學(xué)國際人類基因組單體型圖計劃蛋白質(zhì)組學(xué)生物信息學(xué)第58頁/共64頁比較基因組學(xué)(comparativegenomics)比較基因組學(xué)是基于同源序列比對的功能基因組學(xué)。比較基因組學(xué)在結(jié)構(gòu)基因組學(xué)研究的基礎(chǔ)上，通過比較模式生物基因組與人類基因組之間序列的同源性來了解基因的功能、表達(dá)機(jī)理和物種進(jìn)化。與人類基因組計劃密切相關(guān)的模式生物基因組計劃包括大腸桿菌、酵母、線蟲、果蠅、河豚魚、小鼠和大鼠等生物的基因組研究。第59頁/共64頁國際人類基因組單體型圖計劃國際人類基因組單體型圖計劃（InternationalHapMapProject）是2002年啟動的一個國際協(xié)作項目，其目標(biāo)是構(gòu)建人類DNA序列中多態(tài)位點(diǎn)的常見模式，即人類基因組單體型圖（A

haplotypemap

of

the

human

genome，HapMap）。單體型（haplotype）是指位于染色體上某一區(qū)域的一組連鎖的多態(tài)位點(diǎn)。大多數(shù)染色體區(qū)域只有少數(shù)幾個常見的單體型，它們代表了一個群體中人與人之間的大部分多態(tài)性。國際HapMap計劃的益處之一就是可以利用單體型圖HapMap來更多地了解如癌癥、中風(fēng)、心臟病、糖尿病、憂郁癥和哮喘等常見疾病和我們的基因之間的關(guān)系。第60頁/共64頁蛋白質(zhì)組學(xué)（protemics）所謂蛋白質(zhì)組（proteome）指的是一個細(xì)胞或一種組織所表達(dá)的全部蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)組學(xué)是研究細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)組成及其活動規(guī)律的一門新興學(xué)科。蛋白質(zhì)組學(xué)研究不同時間和