基因組的結(jié)2010的學(xué)習(xí)資料

基因組的結(jié)2010的學(xué)習(xí)資料第1頁/共78頁

基因組（genome）是指某種生物體中一套完整的遺傳物質(zhì)的總和?；蚪M中不同的區(qū)域具有不同的功能，有些是編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因，有些是復(fù)制及轉(zhuǎn)錄的調(diào)控信號，有些區(qū)域的功能尚不清楚?；蚪M結(jié)構(gòu)是指不同功能區(qū)域在整個DNA分子中的分布情況。基因組的結(jié)構(gòu)與其功能（貯存與表達遺傳信息）密切相關(guān)。

第2頁/共78頁第一節(jié)原核生物基因組的結(jié)構(gòu)與功能

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原核生物（Procaryoticorganism）是由原核細胞組成的生物，包括藍細菌、細菌、古細菌、放線菌、立克次氏體、螺旋體、支原體和衣原體等。原核細胞沒有完整的細胞核，其染色體與細胞質(zhì)之間不存在膜性屏障（核膜）稱為類核。第4頁/共78頁第5頁/共78頁E.coli的類核（nucleoid），照片可見到細胞內(nèi)有一團緊密的組織，此就是類核當(dāng)E.coli的細胞被裂解后，類核區(qū)DNA就釋放出去形成環(huán)狀第6頁/共78頁第7頁/共78頁因為原核生物的基因組較小，比較容易研究，因此對原核生物的基因組的結(jié)構(gòu)和功能研究的比較深入。第8頁/共78頁一、原核生物染色體基因組的結(jié)構(gòu)與功能第9頁/共78頁（一）原核生物基因組的特點1、基因組相對較小，由DNA組成，包括染色體DNA和質(zhì)粒DNA兩種DNA分子，均為共價閉環(huán)雙鏈。染色體DNA為單拷貝。以E.coli為例，約為2.4×109道爾頓，長度為42000Kb左右（1300μm）。第10頁/共78頁2、每個DNA分子（染色體DNA和質(zhì)粒DNA）只有一個復(fù)制起始點。第11頁/共78頁3、含可轉(zhuǎn)移的序列，如插入序列、轉(zhuǎn)座子等。轉(zhuǎn)座（因）子（transposableelement）細胞中能改變自身位置的一段脫氧核糖核酸（DNA）序列。第12頁/共78頁4、結(jié)構(gòu)基因通常為連續(xù)基因（無內(nèi)含子），少量重疊基因，非編碼區(qū)和重復(fù)序列少。蓮人在綠楊津

采

一

玉漱聲歌新闕重疊基因利用堿基的重疊來編碼更多的信息。

采蓮人在綠楊津，在綠楊津一闕新，一闕新歌聲漱玉，歌聲漱玉采蓮人第13頁/共78頁噬菌體×174的重疊基因第14頁/共78頁

操縱子（operon）：在原核生物中，功能相關(guān)的若干結(jié)構(gòu)基因成串排列，由同一調(diào)控序列調(diào)控，這種基因的組織形式稱為操縱子。

5、功能相關(guān)的基因常常組織形成操縱子結(jié)構(gòu)。第15頁/共78頁在操縱子中調(diào)控序列由啟動子、操縱元件、調(diào)節(jié)基因和終止子等組成啟動子——位于結(jié)構(gòu)基因上游，與RNA聚合酶辨認、結(jié)合并起始轉(zhuǎn)錄相關(guān)的DNA序列。操縱元件——位于結(jié)構(gòu)基因與啟動子之間，與阻遏蛋白結(jié)合相關(guān)的DNA序列。調(diào)節(jié)基因——阻遏蛋白的編碼基因。終止子——轉(zhuǎn)錄終止相關(guān)的DNA序列，包括依賴因子的終止子（弱終止子）和不依賴因子的終止子（強終止子）。第16頁/共78頁（二）原核生物染色體基因組中結(jié)構(gòu)基因的結(jié)構(gòu)與功能特征大多數(shù)屬于連續(xù)基因，轉(zhuǎn)錄后無需剪接，即可作為模板翻譯多肽鏈。重疊基因較少（相對于病毒結(jié)構(gòu)基因）。重復(fù)序列較少（相對于真核生物結(jié)構(gòu)基因）。結(jié)構(gòu)基因大多數(shù)屬于單拷貝基因，但也有部份屬于多拷貝基因。結(jié)構(gòu)基因在基因組DNA中所占比例較大（細菌的染色體約有75%的DNA編碼基因）。第17頁/共78頁二、原核生物中的質(zhì)粒DNA第18頁/共78頁（一）質(zhì)粒的基本特性

質(zhì)粒（plasmid）：是細菌細胞內(nèi)的，染色體外的DNA分子，是共價閉合的環(huán)狀DNA分子，能夠獨立于細胞的染色質(zhì)DNA進行復(fù)制。第19頁/共78頁質(zhì)粒的分子結(jié)構(gòu)第20頁/共78頁質(zhì)粒的基本特性：環(huán)狀雙鏈小分子片段；只有在宿主細胞中才能復(fù)制；決定細菌的某些遺傳特性（如耐藥性）；能自我復(fù)制、穩(wěn)定遺傳；可插入細菌染色體中或與其攜帶的外源DNA片段共同復(fù)制增殖；可通過轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)或接合作用單獨轉(zhuǎn)移或攜帶著染色體片段一起轉(zhuǎn)移，能攜帶一定的遺傳信息；可從菌體內(nèi)自行消失；可通過物理，化學(xué)手段使其消除或抑制.第21頁/共78頁（二）質(zhì)粒的遺傳控制復(fù)制控制系統(tǒng)：主要參與調(diào)控細胞中質(zhì)粒的拷貝數(shù)。質(zhì)粒分配系統(tǒng)：質(zhì)粒在細胞分裂過程中精確分配到子細胞中細胞分裂控制系統(tǒng)：能抑制細胞分裂，使細胞分裂與質(zhì)粒復(fù)制協(xié)調(diào)，避免產(chǎn)生不含質(zhì)粒的子細胞。位點特異重組系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要使質(zhì)粒多聚體拆分為單體，以保證質(zhì)粒在子細胞中的平均分配。不相容性：具有相同復(fù)制起始位點和分配區(qū)的兩種質(zhì)粒DNA不能在同一宿主細胞中共存的現(xiàn)象，稱為質(zhì)粒的不相容性。第22頁/共78頁第二節(jié)真核生物基因組的結(jié)構(gòu)與功能第23頁/共78頁真核生物：由真核細胞構(gòu)成的生物。包括原生生物界、真菌界、植物界和動物界。真核細胞具有完整的細胞核、細胞器，DNA在細胞核中形成核小體。第24頁/共78頁一、真核生物基因組的特點1、真核生物基因組都是由大分子雙鏈線狀DNA，這些DNA通常與組蛋白、非組蛋白組成核小體、染色體等復(fù)合體而存在。染色體通常成對出現(xiàn)（雙倍體）。2、基因組非常龐大(人類基因組有3×109個堿基），結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，有多個復(fù)制起始位點。第25頁/共78頁3、基因組中存在大量的重復(fù)序列以及非編碼序列。4、真核生物基因組中也存在一些可移動的DNA序列（轉(zhuǎn)座元件），但這些序列無明確的生物學(xué)功能。第26頁/共78頁第27頁/共78頁二、真核生物染色體DNA的結(jié)構(gòu)和功能特點第28頁/共78頁（一）真核生物基因組中結(jié)構(gòu)基因的結(jié)構(gòu)與功能特點1、真核生物結(jié)構(gòu)基因一般屬于斷裂基因（splitgene），其基因由編碼的外顯子和非編碼的內(nèi)含子構(gòu)成，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物需經(jīng)剪接加工，才能作為模板指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成。第29頁/共78頁2、真核生物結(jié)構(gòu)基因一般轉(zhuǎn)錄生成單順反子(monocistron)，即一個基因編碼一條多肽鏈，受一個調(diào)控序列調(diào)控。第30頁/共78頁3、真核生物中，若干功能相似或相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因常常串聯(lián)組織在一起形成基因家族。第31頁/共78頁4、真核生物基因組中結(jié)構(gòu)基因所占比例遠遠小于非編碼區(qū)。第32頁/共78頁（二）真核生物基因組中重復(fù)序列的結(jié)構(gòu)與功能

真核生物基因組中通常存在大量的重復(fù)序列，可占整個基因組DNA的90%以上。按其復(fù)性速度的快慢或出現(xiàn)頻率的高低，將這些重復(fù)序列分為高度重復(fù)序列，中度重復(fù)序列和單拷貝序列三大類。第33頁/共78頁1、高度重復(fù)序列：

高度重復(fù)序列在基因組中重復(fù)頻率高，106以上，復(fù)性速度很快。高度重復(fù)序列在基因組中所占比例隨種屬而異，一般在1～30%范圍內(nèi)。人的高度重復(fù)序列約占整個基因組的20%左右。第34頁/共78頁高度重復(fù)序列按其結(jié)構(gòu)特點可分為兩類：反向重復(fù)序列和衛(wèi)星DNA.①反向重復(fù)序列（invertedrepeats）：長度一般在300～600bp范圍內(nèi)，分散于整個基因組中，此序列的結(jié)構(gòu)特點是在DNA分子的每一條單鏈中，堿基序列回排對稱。如GGTACC/CCATGG，上邊一條鏈和下面一條鏈從相反方向讀出的順序一致。第35頁/共78頁當(dāng)反向重復(fù)序列的雙鏈DNA分離后，每一條單鏈內(nèi)的回排部分可通過鏈內(nèi)氫鍵相連，形成發(fā)卡結(jié)構(gòu)或十字架結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)有利于轉(zhuǎn)錄后RNA的穩(wěn)定第36頁/共78頁第37頁/共78頁②、衛(wèi)星DNA(satelliteDNA)：是另一類高度重復(fù)序列，這類重復(fù)順序的重復(fù)單位一般由2-10bp組成，成串排列。由于這類序列的堿基組成不同于其它部份，可用等密度梯度離心法將其與主體DNA分開，因而稱為衛(wèi)星DNA或隨體DNA。具有種屬特異性和個體特異性。將衛(wèi)星DNA制成探針可用于法醫(yī)學(xué)方面的分析罪犯和親子鑒定。第38頁/共78頁高度重復(fù)序列功能：參與復(fù)制水平的調(diào)節(jié)：蛋白質(zhì)（包括酶）和DNA的結(jié)合位點。參與基因表達的調(diào)控：發(fā)卡結(jié)構(gòu).參與轉(zhuǎn)位作用：反向重復(fù)順序。與進化有關(guān)?？梢宰鳛槊恳粋€體的特征，即DNA指紋。可能與染色體減數(shù)分裂時染色體配對有關(guān)：特定衛(wèi)星DNA順序。第39頁/共78頁2、中度重復(fù)序列：中度重復(fù)序列是指在基因組中重復(fù)十幾次至幾十萬次的部分，其復(fù)性速度快于單拷貝序列，但慢于高度重復(fù)序列。中度重復(fù)序列在基因組中所占比例在不同種屬之間差異很大，一般為12～35%，人類基因組中約占12%。第40頁/共78頁中度重復(fù)序列中有些屬于結(jié)構(gòu)基因，如rRNA基因、tRNA基因、組蛋白基因、免疫球蛋白基因等，這些結(jié)構(gòu)基因常常以串聯(lián)形式排列在基因組中，故也屬于串聯(lián)重復(fù)序列；另一些中度重復(fù)序列則屬于轉(zhuǎn)座元件。第41頁/共78頁中度重復(fù)序列中，典型的編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因是組蛋白基因。各種生物組蛋白基因在基因組中重復(fù)頻率不同。如海膽中的組蛋白基因重復(fù)300～1000次，果蠅的重復(fù)約110次，人的組蛋白基因重復(fù)30～40次。第42頁/共78頁中度重復(fù)序列可分為短分散重復(fù)片段（300－500bp）和長分散重復(fù)片段（3500－5000bp）。短分散重復(fù)片段的代表為Alu家族長分散重復(fù)片段為KpnⅠ重復(fù)序列家族第43頁/共78頁Alu家族因在其序列中存在限制酶Alu的切點而得名其重復(fù)單位為300bp，由兩段130bp的重復(fù)序列與一段31bp的間隔序列構(gòu)成，兩側(cè)各有一段6~20bp的正向重復(fù)序列，類似于轉(zhuǎn)座元件的靶位點。Alu家族的功能是多方面的，可能參與hnRNA的加工與成熟也與遺傳重組及染色體不穩(wěn)定性有關(guān)。最近研究表明，Alu順序可能具有轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)作用。第44頁/共78頁KpnⅠ家族因在其序列中存在限制酶KpnⅠ的切點而得名，其重復(fù)單位一般為6~7kb或更長，其兩側(cè)也各有一段正向重復(fù)序列，功能上與Alu家族相似。第45頁/共78頁3、單拷貝序列：單拷貝序列在基因組中只出現(xiàn)一次或幾次，因此復(fù)性速度很慢。單拷貝序列屬于結(jié)構(gòu)基因，它代表了巨大的遺傳信息。SNP是單拷貝序列的代表。第46頁/共78頁ACGTGTCGGTCTTAAA

MaternalchromosomeACGTGTCCGTCTTAAA

PaternalchromosomeACGTGTCGGTCTTAAA

Maternalchromosome

ACGTGTCGGTCTTAAA

PaternalchromosomeACGTGTCCGTCTTAAA

MaternalchromosomeACGTGTCCTACTTAAA

PaternalchromosomeThepositionoftheSNPisindicatedbythebox.Individual1isheterozygous,whileindividuals2and3arehomozygous.Individual1Individual2Individual3SNPSinglenucleotidepolymorphism(SNP)第47頁/共78頁真核生物基因組中的重復(fù)序列第48頁/共78頁（三）多基因家族與假基因

多基因家族（multigenefamily）——指DNA序列具有較高的同源性（通常大于50%），并且其編碼產(chǎn)物具有相同或相似生理功能的一組結(jié)構(gòu)基因。多基因家族中的基因通常是由同一祖先基因經(jīng)進化或變異而來（同源）。第49頁/共78頁多基因家族可分為兩類：1、基因家族成簇地分布在同一染色體上并同時進行轉(zhuǎn)錄，并同時發(fā)揮作用，如組蛋白基因家族；組蛋白基因家族集中分布在第7號染色體長臂3區(qū)2帶到3區(qū)6帶的區(qū)域內(nèi)第50頁/共78頁2、基因家族成簇地分布于不同的染色體上并分別進行轉(zhuǎn)錄，且不同基因編碼的蛋白質(zhì)在功能上相關(guān)，如珠蛋白基因家族。-類珠蛋白基因家族-類珠蛋白基因家族chromosome11chromosome16第51頁/共78頁人類a類和b類珠蛋白基因分布在不同染色體上，a類位于16號染色體短臂12區(qū)，由6個基因組成基因簇長度約24kb，ζ是胚胎基因，在胚胎其開放成人期關(guān)閉，a是成人基因。5個基因中間由間隔序列分隔。b基因位于11號染色體短臂15區(qū)，由7個基因組成e是胚胎基因，Gr和Ar是胎兒基因其他3個為成人基因。Ψb是假基因。第52頁/共78頁

假基因（pseudogene）——又稱為加工基因或非功能基因。這類基因的核苷酸順序雖然與正常的結(jié)構(gòu)基因很相似，但基本上不能表達。

第53頁/共78頁三、真核生物線粒體DNA的結(jié)構(gòu)第54頁/共78頁人mtDNA是一個長為16,569bp的雙鏈閉合環(huán)狀分子，編碼13條多肽鏈、22種tRNA和2種rRNA。13種蛋白質(zhì)均是呼吸鏈酶復(fù)合物的亞單位。第55頁/共78頁

因為線粒體DNA（MtDNA）缺乏組蛋白的保護并且線粒體中沒有DNA損傷修復(fù)系統(tǒng)，因此其突變率非常高。第56頁/共78頁第三節(jié)病毒基因組的結(jié)構(gòu)與功能第57頁/共78頁病毒是由一個或幾個核酸分子組成的基因組，有一層蛋白或脂蛋白保護性外殼，且可在一定宿主細胞中自我復(fù)制的感染性因子。第58頁/共78頁一、病毒基因組的類型雙鏈DNA病毒——乙肝病毒單鏈DNA病毒——微小病毒雙鏈RNA病毒——動物呼腸孤單鏈（+或-）RNA病毒——逆轉(zhuǎn)錄病毒DNA病毒

RNA病毒第59頁/共78頁天花病毒脊髓灰質(zhì)炎病毒第60頁/共78頁二、病毒基因組的特點1、基因組大小變化較大：一般為3~300kb。2、基因組的組成與結(jié)構(gòu)變化較大：

DNA或RNA，雙鏈或單鏈，線狀或環(huán)狀，單倍體或多倍體。

第61頁/共78頁3、結(jié)構(gòu)基因的變化較大：連續(xù)基因，斷裂基因4、基因重疊現(xiàn)象較普遍：第62頁/共78頁三、典型的病毒基因組（一）乙型肝炎病毒（HBV)基因組乙肝病毒屬于嗜肝DNA病毒，是引起乙型肝炎的病毒；病毒形態(tài)：感染血清中可檢查出完整顆粒（Dane顆粒），小球形外膜顆粒和管狀顆粒。Dane顆粒的檢出是肝內(nèi)病毒活躍復(fù)制的標(biāo)志第63頁/共78頁電子顯微鏡下的乙肝病毒顆粒第64頁/共78頁乙肝病毒的形態(tài)電鏡下呈雙層外殼的圓形顆粒外膜約7nm，攜帶HBV表面抗原（HBSAg），核心顆粒為20面體的對稱結(jié)構(gòu)，直徑約27nm攜帶HBV核心抗原（HBcAg），核心中包含雙鏈DNA分子，DNA多聚酶等.第65頁/共78頁病毒的基因組結(jié)構(gòu)

1、為不完全雙鏈環(huán)狀DNA，但兩條鏈長短不一，負股為模板鏈，長3.2kb，正股則長約1.6~3.2kb。

2、兩鏈的5′-端為粘性末端，并通過此粘性末端成環(huán)。第66頁/共78頁3、利用重疊的開放讀碼框架（ORF）編碼多個蛋白質(zhì)；4、所有調(diào)控序列均位于蛋白質(zhì)編碼區(qū)內(nèi)；5、基因序列具有多變性：免疫逃逸。第67頁/共78頁HBV基因組的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)錄圖譜第68頁/共78頁乙肝病毒的復(fù)制第69頁/共78頁通過檢測乙肝病毒的抗體可以簡單的判斷感是否染了乙肝病毒，最好的辦法就是將和乙肝相關(guān)的抗原和抗體全部檢測出來，這就是：乙肝表面抗原(HBsAg)、e抗原(HBeAg)和核心抗原(HBcAg)，以及三種抗原誘生的相應(yīng)的抗體，分別是表面抗體(抗—HBs)、e抗體(抗—HBe)和核心抗體(抗—HBc)。由于技術(shù)的原因，一般實驗室無法檢驗核心抗原，所以三對抗原抗體少了一項，因此醫(yī)院驗乙肝病毒標(biāo)志是查“乙肝五項”，