Ch2基因與基因組200809課件

基因與基因組

第二章GeneandGenome

教學(xué)內(nèi)容第一節(jié)基因的概念第二節(jié)病毒基因組第三節(jié)原核生物基因組第四節(jié)真核生物基因組第五節(jié)基因組學(xué)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、基因組孟德爾豌豆雜交實(shí)驗(yàn)中所用的七對相對性狀

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(gè)因子決定一種性狀。

摩爾根實(shí)驗(yàn)ThomasH.Morgancis-transtestcis-transtest

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。

操縱子一、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）二、基因的分子生物學(xué)定義

一個(gè)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。

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。

三、基因組概念

在個(gè)體水平代表一個(gè)個(gè)體所有遺傳性狀的總和，在細(xì)胞水平代表一個(gè)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(gè)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(gè)堿基對的DNA序列組成，估計(jì)約含3~4萬個(gè)基因。

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。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(gè)功能單位或轉(zhuǎn)錄單元8．有重疊基因第三節(jié)原核生物基因組二、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(jià)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。EcoRⅠ、PstⅠ、HindⅢ、BamHⅠ、SalⅠ只有一個(gè)酶切位點(diǎn)，便于外源基因的插入。質(zhì)粒DNApBR322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)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）(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。

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(shí)發(fā)現(xiàn)的一類高度重復(fù)的DNA序列。

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。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(gè)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2.反向重復(fù)序列

反向重復(fù)序列(invertedrepeats)是指兩個(gè)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(shí)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(gè)反向排列的拷貝之間隔著一段間隔序列；另一種是兩個(gè)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(gè)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)

(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。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。

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

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。

(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(gè)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％。

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)結(jié)構(gòu)基因及其調(diào)控序列示意圖

人細(xì)胞中α和β-珠蛋白基因簇結(jié)構(gòu)示意圖

限制性片段長度多態(tài)性(restrictionfragmentlengthpolymorphism,RFLP)

串聯(lián)重復(fù)序列多態(tài)性

(tandemrepeatspolymorphism)

SNP端粒（telomere）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(jì)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)域一、人類基因組計(jì)劃概念人類基因組計(jì)劃(humangenomeproject）是測定人類基因組DNA約30億個(gè)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(jì)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。

人類基因組計(jì)劃示意圖

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(jì)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(gè)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。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(gè)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(gè)相鄰的STS之間的物理聯(lián)系。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(shí)間的表達(dá)水平，決定著人類個(gè)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(shí)際上就是人類“基因圖”的雛形。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。人類基因組計(jì)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(gè)世界上發(fā)生的一切事情，都與這一序列息息相關(guān)?！痹撐暮髞肀环Q為“人類基因組計(jì)劃”的“標(biāo)書”。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)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?yàn)槟繕?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。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。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(jì)劃蛋白質(zhì)組學(xué)生物信息學(xué)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(jì)劃密切相關(guān)的模式生物基因組計(jì)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。國際人類基因組單體型圖計(jì)劃國際人類基因組單體型圖計(jì)劃（InternationalHapMapProject）是2002年啟動的一個(gè)國際協(xié)作項(xiàng)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(gè)常見的單體型，它們代表了一個(gè)群體中人與人之間的大部分多態(tài)性。國際HapMap計(jì)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。蛋白質(zhì)組學(xué)（protemics）所謂蛋白質(zhì)組（proteome）指的是一個(gè)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(shí)間和空間發(fā)揮功能的特定蛋白質(zhì)群體，研究內(nèi)容不僅包括蛋白質(zhì)的定性和定量，還包括它們的定位、修飾、活性、功能、相互作用、表達(dá)模式和功能模式等。蛋白質(zhì)組學(xué)不同于傳統(tǒng)的蛋白質(zhì)學(xué)科，它從一個(gè)機(jī)體或一個(gè)細(xì)胞的蛋白質(zhì)整體活動來揭示生命規(guī)律。蛋白質(zhì)組學(xué)研究總體上可分為兩個(gè)方面：蛋白