基因組的結(jié)構(gòu)與功能

關(guān)于基因組的結(jié)構(gòu)與功能第1頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三概念概念

基因(gene)：

基因組(genome)：基因是指DNA分子中參與編碼特異的蛋白質(zhì)（多肽鏈）或RNA的一段核酸序列?！盎蚪M(genome)”一詞是1920年Winkles從GENes和chromosOMEs兩詞中取其部分組成的。泛指一個(gè)細(xì)胞或一個(gè)生物體的全部遺傳信息。在真核生物，基因組是指一套（單倍體）染色體DNA。例如，人類基因組包含了細(xì)胞核染色體DNA（22條常染色體和X、Y兩條性染色體）和線粒體DNA所攜帶的所有遺傳物質(zhì)。第2頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三不同生物體中DNA的大小和基本特征不同生物體中DNA的大小和基本特征千堿基對(duì)長(zhǎng)度(cm)染色體數(shù)(單倍體)形狀病毒病毒SV405.20.000171環(huán)狀噬菌體X1745.40.000181線性單鏈?zhǔn)删w原核生物460.00151線性大腸桿菌40000.131環(huán)狀真核生物酵母10000.03317果蠅410001.44人28000004.123病毒基因組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所含結(jié)構(gòu)基因很少；原核生物基因組所含基因數(shù)量較多，且有較為完善的表達(dá)調(diào)控體系；真核生物基因組所含基因數(shù)量巨大，表達(dá)調(diào)控系統(tǒng)也更為精細(xì)。第3頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三順?lè)醋?cistron)：由結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄生成的mRNA序列稱為順?lè)醋印雾樂(lè)醋?monocistron)：一個(gè)編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個(gè)mRNA分子，經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈，此相應(yīng)的mRNA序列稱為單順?lè)醋印Ｕ婧松锘虻霓D(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順?lè)醋?。多順?lè)醋?polycistron)

：原核生物中，大多數(shù)功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因成簇地串聯(lián)在一起，形成操縱子，由操縱子控制轉(zhuǎn)錄生成的mRNA是多順?lè)醋印ｍ樂(lè)醋禹樂(lè)醋拥?頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三病毒基因組第一節(jié)第一節(jié)病毒基因組第5頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三一、病毒基因組核酸的主要類型一、病毒基因組核酸的主要類型按照核酸的性質(zhì)、基因組結(jié)構(gòu)及復(fù)制的特點(diǎn)，可以將病毒基因組分為以下幾種類型。單鏈正股DNA雙鏈DNA

單鏈正股RNA

單鏈負(fù)股RNA

雙鏈RNARNA病毒基因組所攜帶的遺傳信息一般都在同一條鏈上，序列與mRNA相同的為正股(+)，與mRNA互補(bǔ)的為負(fù)股(–)。在DNA中，不同基因可以不同的鏈作為轉(zhuǎn)錄模板，很難嚴(yán)格的定義為正股或負(fù)股。因此，有的病毒DNA有正股和負(fù)股之分，有的則沒(méi)有。第6頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三二、病毒基因組結(jié)構(gòu)與功能的特點(diǎn)二、病毒基因組結(jié)構(gòu)與功能的特點(diǎn)

1.

不同病毒基因組大小相差較大

2.

不同病毒的基因組可以是不同結(jié)構(gòu)的核酸

3.

病毒基因組有連續(xù)的也有不連續(xù)的（流感病毒由8條單鏈RNA分子構(gòu)成，呼腸孤病毒10條雙鏈RNA片段構(gòu)成）

4.

病毒基因組的編碼序列大于90％

5.

單倍體基因組(逆轉(zhuǎn)錄病毒基因組有兩個(gè)拷貝)

6.

基因有連續(xù)的和間斷的（與宿主有關(guān)）

7.

相關(guān)基因叢集

8.

基因重疊

9.

病毒基因組含有不規(guī)則結(jié)構(gòu)基因

(1)

幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因的編碼區(qū)無(wú)間隔

(2)

mRNA沒(méi)有5端的帽結(jié)構(gòu)

(3)

結(jié)構(gòu)基因本身沒(méi)有翻譯起始序列10.一種病毒基因組只是一種核酸乙肝病毒3.2kb，痘病毒300kb第7頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三原核生物基因組第二節(jié)第二節(jié)原核生物基因組第8頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三一、原核生物基因組結(jié)構(gòu)與功能的特點(diǎn)一、原核生物基因組結(jié)構(gòu)與功能的特點(diǎn)1.

基因組通常僅由一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成，無(wú)核膜包裹。轉(zhuǎn)錄與翻譯偶聯(lián)在一起。

2.

基因組中只有1個(gè)復(fù)制起始點(diǎn)

3.

具有操縱子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄單位一般是多順?lè)醋?/p>

4.

編碼順序一般不會(huì)重疊

5.

基因是連續(xù)的,無(wú)內(nèi)含子,轉(zhuǎn)錄后不需要剪切

6.

編碼區(qū)大約占50％

7.

基因組中重復(fù)序列很少

8.

具有編碼同工酶的基因

9.

細(xì)菌基因組中存在著可移動(dòng)的DNA序列,包括插入序列和轉(zhuǎn)座子

10.

DNA分子中具有多種功能的識(shí)別區(qū)域(如復(fù)制起始區(qū)、復(fù)制終止區(qū)、

轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)區(qū)和終止區(qū)等),這些區(qū)域往往具有特殊的序列，并且含有反向重復(fù)序列

11.不同的原核生物基因組中的GC含量相差較大

第9頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三二、質(zhì)粒

(一)概念二、質(zhì)粒(plasmid)質(zhì)粒的一些特性與特征1.

只能在宿主細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行獨(dú)立復(fù)制和擴(kuò)增2.

分子量一般為106~108，小型質(zhì)粒長(zhǎng)度一般為1.5~15kb3.

質(zhì)粒對(duì)宿主細(xì)胞的生存不是必需的4.

攜帶的遺傳信息能賦予細(xì)菌特定的遺傳性狀質(zhì)粒是細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)攜帶的染色體外的DNA分子，是共價(jià)閉合的環(huán)狀DNA分子。能獨(dú)立復(fù)制的最小遺傳單位。()一概念第10頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三質(zhì)粒與宿主細(xì)胞的關(guān)系（1）質(zhì)粒對(duì)宿主的生存不是必需的，只是“友好”的“借居”宿主細(xì)胞中，既不殺傷細(xì)胞，對(duì)宿主的代謝活動(dòng)也無(wú)影響，宿主離開質(zhì)粒照樣的生存下去。（2）質(zhì)粒離開宿主就無(wú)法生存，只有依賴宿主細(xì)胞的（酶和蛋白質(zhì)）幫助，才能完成自身的復(fù)制（擴(kuò)增）、轉(zhuǎn)錄。（3）質(zhì)粒經(jīng)常為宿主執(zhí)行一些適當(dāng)?shù)倪z傳功能，作為對(duì)宿主細(xì)胞的補(bǔ)償（“交房租”）。（4）質(zhì)粒賦于宿主各種有利的表型（質(zhì)粒編碼蛋白質(zhì)或酶），使宿主獲得生存優(yōu)勢(shì)，與我們基因工程實(shí)驗(yàn)緊密相關(guān)的，如抗生素抗性基因：Ampr酶，水解β-內(nèi)酰胺環(huán),解除氨芐毒性,使細(xì)菌抗氨芐。Tetr膜蛋白,可阻止四環(huán)素進(jìn)入細(xì)胞,使細(xì)菌抗四環(huán)素。第11頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三4.質(zhì)粒發(fā)現(xiàn)和研究意義

1）理論意義質(zhì)粒能夠復(fù)制、傳遞和表達(dá)遺傳信息，從分子遺傳學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看是一種有機(jī)體，是比病毒更原始的生命形式，是生命起源研究的一塊重要基石。

2）實(shí)踐意義是基因工程的重要載體（vector），能把外源基因（目的基因）送到宿主細(xì)胞中去克隆擴(kuò)增或克隆表達(dá)。

①質(zhì)粒是可以改造的，可以剪切、剪接的，基因工程的重要任務(wù)之一就是嚴(yán)格改造質(zhì)粒的同時(shí)，控制質(zhì)粒不傳遞，若一個(gè)致癌質(zhì)粒可以傳遞就可能會(huì)傳到外。第12頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三②作為基因工程載體的3個(gè)特點(diǎn)：

A.都能獨(dú)立自主的復(fù)制；

B.都能便利的加以檢測(cè)（抗生素抗性）；

C.都能容易引進(jìn)宿主細(xì)胞中去，也易從宿主細(xì)胞中分離純化（提質(zhì)粒）。質(zhì)粒符合上述3個(gè)條件?；蚬こ讨兄饕褂萌斯?gòu)建的質(zhì)粒。第13頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三第14頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三(二)質(zhì)粒的遺傳控制1.

復(fù)制調(diào)控系統(tǒng)––控制質(zhì)粒的拷貝數(shù)2.

分配系統(tǒng)––使質(zhì)粒在細(xì)菌分裂過(guò)程中精確分配到子細(xì)胞中3.

細(xì)胞分裂控制系統(tǒng)––能夠抑制細(xì)胞分裂，使細(xì)胞分裂與

質(zhì)粒復(fù)制協(xié)調(diào)4.

位點(diǎn)特異重組系統(tǒng)––高拷貝質(zhì)粒在菌體內(nèi)有形成多聚體的傾向，但在分裂時(shí)又必須拆開成單體，這樣才能保證質(zhì)粒向子代細(xì)胞的平均分配?？刂七@一過(guò)程的諸多因子構(gòu)成位點(diǎn)特異重組系統(tǒng)

質(zhì)粒的不相容性：具有相同復(fù)制起始位點(diǎn)和分配區(qū)的兩種質(zhì)粒不能共存于一個(gè)宿主菌，這種現(xiàn)象稱為質(zhì)粒的不相容性。當(dāng)一個(gè)宿主菌中的兩個(gè)質(zhì)粒的復(fù)制起始位點(diǎn)不同時(shí)，它們有各自的分配系統(tǒng)來(lái)精確調(diào)節(jié)它們?cè)谧哟?xì)胞中的分配，兩種質(zhì)?？稍谧哟?xì)胞中穩(wěn)定共存。二質(zhì)粒的遺傳控制()質(zhì)粒能在不斷增殖的細(xì)胞中以一定的拷貝數(shù)穩(wěn)定遺傳，主要取決于4個(gè)不同的系統(tǒng)的精細(xì)調(diào)節(jié)。

第15頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三(三)質(zhì)粒的類型1.

接合型質(zhì)粒、可移動(dòng)型質(zhì)粒和自傳遞型質(zhì)粒三質(zhì)粒的類型()細(xì)菌能夠通過(guò)接合作用在細(xì)菌之間傳遞質(zhì)粒。接合型質(zhì)粒––只能使細(xì)菌接合，本身不能被傳遞；可移動(dòng)型質(zhì)粒––可動(dòng)被傳遞，但不能使細(xì)菌接合；接合型與可移動(dòng)型共存時(shí)，能傳遞可移動(dòng)型質(zhì)粒；自傳遞型質(zhì)粒––具備接合型和可移動(dòng)型兩種質(zhì)粒的功能，可以自傳遞，如F質(zhì)粒。2.

嚴(yán)謹(jǐn)型和松弛型質(zhì)粒嚴(yán)謹(jǐn)型質(zhì)粒––

低拷貝數(shù)質(zhì)粒，一個(gè)細(xì)菌內(nèi)僅含數(shù)個(gè)質(zhì)粒；松弛型質(zhì)粒––

高拷貝數(shù)質(zhì)粒，每個(gè)細(xì)菌內(nèi)可達(dá)10~60個(gè)或更多；3.

窄宿主譜及廣宿主譜質(zhì)粒窄宿主質(zhì)粒––

存在于一種或數(shù)種密切相關(guān)的宿主；廣宿主質(zhì)粒––

可以在不同科、屬、種細(xì)菌之間傳遞；第16頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三第17頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三三、轉(zhuǎn)位因子

(一)轉(zhuǎn)位因子的類型及特征

1.插入序列三、轉(zhuǎn)位因子(transposableelement)1.插入序列(insertionsequence，IS)

轉(zhuǎn)位因子

––是指能夠在一個(gè)DNA分子內(nèi)部或兩個(gè)DNA分子之間移動(dòng)的DNA片段，即可移動(dòng)的基因成分。在細(xì)菌中，則指可在質(zhì)粒和染色體之間或在質(zhì)粒和質(zhì)粒之間移動(dòng)的DNA片段。（文獻(xiàn)上有時(shí)形象地稱其為是跳躍基因，jumpinggene）。轉(zhuǎn)位也是DNA重組的一種形式。()一轉(zhuǎn)位因子的類型及特征細(xì)菌的轉(zhuǎn)位因子包括插入序列、轉(zhuǎn)座子及可轉(zhuǎn)座的噬菌體。TSTranspcsasegeneTSIRIRTStargetsite靶位點(diǎn)Transposasegene轉(zhuǎn)位酶基因IRinvertedrepeated反向重復(fù)順序第18頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三（1）IS是一類較小的轉(zhuǎn)位因子，長(zhǎng)度約700-2000bp，按發(fā)現(xiàn)順序IS1、IS2…命名，只攜帶轉(zhuǎn)移的必需基因，不含有其它偏碼蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)基因，本身沒(méi)有表型效應(yīng)。（2）IS兩側(cè)為反向（倒轉(zhuǎn)）重復(fù)順序（16-41bp），中間為轉(zhuǎn)位酶基因，在插入新的位點(diǎn)側(cè)有3~116p順向重復(fù)順序（directrepeatedsequence）,DR是靶位點(diǎn)序列復(fù)制的產(chǎn)物。（3）IS到處活動(dòng)，可以插入到E.coli染色體的各個(gè)位置上，也可以插入到質(zhì)粒和某些噬菌體基因組上，甚至同一基因不同位點(diǎn)上。這種插入作用可以雙向進(jìn)行，可以是正向，也可以是反向插入IS這種移動(dòng)方式稱為轉(zhuǎn)位作用（transposition）。（4）在一個(gè)世代的107細(xì)菌中有1次插入。*TR（反向倒轉(zhuǎn)重復(fù)序列）GGAAGGT、、、ACCTTCCCCTTCCA、、、TGGAAGG*DR（正同向重復(fù)序列）：TACGTTACGT第19頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三2.轉(zhuǎn)座子

3.可轉(zhuǎn)座的噬菌體2.

轉(zhuǎn)座子(transposon，Tn)Tn是一類較大的可移動(dòng)成分根據(jù)Tn的結(jié)構(gòu)特征不同，Tn可以分為三類：

(1)復(fù)合型Tn––由一個(gè)基因序列及兩側(cè)臂構(gòu)成，兩側(cè)臂即為IS序列或類IS序列。(2)TnA

族

Tn––兩端沒(méi)有IS或類IS組件，由三部分組成，兩端是正向或反向重復(fù)序列，中間有與Tn功能相關(guān)的基因(編碼轉(zhuǎn)座酶)及抗生素抗性基因等。(3)

接合型Tn––可以在不同細(xì)菌間通過(guò)接合進(jìn)行轉(zhuǎn)移的Tn,它們沒(méi)有末端反向重復(fù)序列，轉(zhuǎn)座后也不產(chǎn)生順向重復(fù)序列。3.

可轉(zhuǎn)座的噬菌體(transposablephage)

是一類具有轉(zhuǎn)座功能的溶源性噬菌體,包括Mu和D108等。第20頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三(二)轉(zhuǎn)位因子的幾個(gè)遺傳效應(yīng)()二轉(zhuǎn)位因子的幾個(gè)遺傳效應(yīng)

1.轉(zhuǎn)座因子的轉(zhuǎn)座不是本身移動(dòng)

2.

轉(zhuǎn)座因子轉(zhuǎn)到靶點(diǎn)后，靶點(diǎn)序列會(huì)倍增成為兩個(gè)靶點(diǎn)序列，并分別排列在轉(zhuǎn)座因子的兩側(cè)，形成同向重復(fù)序列

3.轉(zhuǎn)座過(guò)程中能夠形成共整合體

4.轉(zhuǎn)座因子轉(zhuǎn)座后能促使染色體畸變

5.轉(zhuǎn)座因子可以從原來(lái)位置上切除

6.轉(zhuǎn)座可引起插入突變

7.轉(zhuǎn)座因子攜帶有標(biāo)志基因

第21頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三帶有內(nèi)解離區(qū)(res位點(diǎn))的轉(zhuǎn)座因子主要以復(fù)制性轉(zhuǎn)座為主；不帶解離區(qū)的轉(zhuǎn)座因子以簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)座為主。簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)座(單純轉(zhuǎn)座)復(fù)制性轉(zhuǎn)座轉(zhuǎn)位作用解離位點(diǎn)DNA聚合酶復(fù)制新鏈共整合(三)轉(zhuǎn)位作用的機(jī)制()三轉(zhuǎn)位作用機(jī)制受體DNA

供體DNA：表示靶位點(diǎn)轉(zhuǎn)座子靶位酶在靶位點(diǎn)處錯(cuò)位切開箭頭處表示連接的末端第二次切割轉(zhuǎn)座子,與供體DNA完全分離開DNA聚合酶完成靶位點(diǎn)的復(fù)制通過(guò)重組過(guò)程解離酶在兩個(gè)轉(zhuǎn)座子拷貝之間把共整合體分開連接單純轉(zhuǎn)座復(fù)制轉(zhuǎn)座連接第22頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三四、細(xì)菌基因組學(xué)研究及意義四、細(xì)菌基因組學(xué)研究及意義基因組學(xué)––就是測(cè)定細(xì)菌全基因組序列，把細(xì)菌全基因組序列的知識(shí)和分析序列的情報(bào)工具接合起來(lái)，研究細(xì)菌的毒力和致病性的一門學(xué)科。意義徹底搞清病原微生物的致病機(jī)制加快重要致病基因的發(fā)現(xiàn)速度尋找病原菌特異的DNA序列，提高臨床診斷的效率和準(zhǔn)確性為篩選有效藥物及發(fā)展疫苗提供參考第23頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三第三節(jié)真核生物基因組真核生物基因組第三節(jié)第24頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三一、真核生物基因組的特點(diǎn)一、真核生物基因組的特點(diǎn)

1.

真核生物基因組以染色體形式儲(chǔ)存于細(xì)胞核內(nèi),DNA為線性，除了配子(精子和卵子)為單倍體外,體細(xì)胞內(nèi)的基因是雙倍體。轉(zhuǎn)錄在細(xì)胞核，翻譯在胞質(zhì)。此外，真核生物還具有閉環(huán)雙鏈的線粒體DNA

2.

真核生物基因組>>原核生物基因組,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,有多個(gè)復(fù)制起始點(diǎn),每個(gè)復(fù)制子的長(zhǎng)度較小且大小不一

3.無(wú)基因重疊

4.轉(zhuǎn)錄單位一般是單順?lè)醋?/p>

5.含有大量的重復(fù)序列

6.非編碼序列(NCS)占90％以上

7.真核生物基因是斷裂基因

8.功能相關(guān)的基因構(gòu)成各種基因家族,它們可串聯(lián)在一起,亦可相距很遠(yuǎn),但即使串聯(lián)在一起的成簇的基因也是分別轉(zhuǎn)錄的

9.真核生物基因組中也存在一些可移動(dòng)的DNA序列,其移動(dòng)多被RNA介導(dǎo)第25頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三二、真核生物基因組的結(jié)構(gòu)

(一)結(jié)構(gòu)基因二、真核生物基因組的結(jié)構(gòu)按基因產(chǎn)物的功能特性，通常將直接參與物質(zhì)代謝的功能蛋白質(zhì)、參與細(xì)胞組成的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)編碼的基因稱為結(jié)構(gòu)基因；參與蛋白質(zhì)合成所需的rRNA和tRNA編碼的基因也屬于結(jié)構(gòu)基因。一結(jié)構(gòu)基因()指能轉(zhuǎn)錄成rRNA、tRNA、mRNA的核苷酸序列。真核生物的結(jié)構(gòu)基因是不連續(xù)的(斷裂基因)，編碼氨基酸的序列被非編碼序列隔開。基因與基因間的非編碼序列為間隔DNA(spacerDNA)基因內(nèi)非編碼序列稱為內(nèi)含子(intron)基因內(nèi)被內(nèi)含子分隔開的編碼序列稱為外顯子(exon)。第26頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三(二)順式調(diào)控元件二順式調(diào)控元件()順式調(diào)控元件亦稱順式作用元件(cis-actingelements)，是指那些與結(jié)構(gòu)基因表達(dá)調(diào)控相關(guān)、能夠被基因調(diào)控蛋白特異識(shí)別和結(jié)合的DNA序列。包括啟動(dòng)子、上游啟動(dòng)元件、增強(qiáng)子、加尾信號(hào)和一些反應(yīng)元件等。

*反式作用因子(trans-actingelements)––能直接或間接地識(shí)別或結(jié)合在各順式調(diào)控元件8~12bp的核心序列上，參與調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄效率的一組蛋白質(zhì)。第27頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三1.啟動(dòng)子

2.上游啟動(dòng)子元件啟動(dòng)子1.(promoter)啟動(dòng)子是RNA聚合酶特異性識(shí)別和結(jié)合的DNA序列。啟動(dòng)子有方向性，位于結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的上游，本身并不被轉(zhuǎn)錄。真核生物的啟動(dòng)子元件是TATA盒(TATAbox)，核心序列是TATA(A/T)A(A/T)。上游啟動(dòng)子元件2.(upstreampromoterelements)是TATA盒上游的一些特定的DNA序列。反式作用因子與這些元件結(jié)合后，可調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄效率。上游啟動(dòng)子元件包括CAAT盒、CACA盒及GC盒等。CAAT盒核心序列：5-GGNCAATCT-3CAAT盒核心序列：5-GCCACACCC-3GC盒核心序列：5-CCGCC-3第28頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三3.啟動(dòng)子

4.增強(qiáng)子5.加尾信號(hào)反應(yīng)元件3.(responseelements)增強(qiáng)子4.(enhancer)加尾信號(hào)5.一些信息分子的受體被細(xì)胞外信息分子激活后，能與特異的DNA序列結(jié)合，調(diào)控基因的表達(dá)。這種特異的DNA序列由于能介導(dǎo)基因?qū)?xì)胞外的某種信號(hào)產(chǎn)生反應(yīng)被稱為反應(yīng)元件，實(shí)際上也是順式作用元件。是含有多個(gè)能被反式作用因子識(shí)別與結(jié)合的順式作用元件。反式作用因子與這些元件結(jié)合后能夠調(diào)控(通常為增強(qiáng))鄰近基因的轉(zhuǎn)錄。增強(qiáng)子內(nèi)含負(fù)調(diào)控序列，稱為負(fù)增強(qiáng)子(negativeenhancer)，又稱沉默子(silencer)。在結(jié)構(gòu)基因最后一個(gè)外顯子中有一個(gè)保守的AATAAA序列，這個(gè)序列對(duì)于mRNA轉(zhuǎn)錄終止和加poly(A)尾是必不可少的。此位點(diǎn)下游有一段GT或T豐富區(qū)，此區(qū)與AATAAA序列共同構(gòu)成poly(A)加尾信號(hào)。mRNA轉(zhuǎn)錄到此部位后，產(chǎn)生AAUAAA和隨后的GU(或U)豐富區(qū)。與RNA聚合酶結(jié)合的延長(zhǎng)因子可以識(shí)別這種結(jié)構(gòu)并與之結(jié)合，然后在AAUAAA下游10~30個(gè)堿基的部位切斷RNA，并加上poly(A)尾。第29頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三(三)基因家族基因家族––是指核苷酸序列或編碼產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)具有一定程度同源性，具有類似功能的一組基因。*同一個(gè)家族的基因成員是由同一祖先基因進(jìn)化而來(lái)，同源性最高的可達(dá)100％(即多拷貝基因)。同源性也可以很低，只有一小段序列相同。*在多基因家族中的基因，其編碼產(chǎn)物常常具有相似的功能，而在基因超家族中，則有許多基因的編碼產(chǎn)物在功能上毫無(wú)相同之處。三基因家族()(genefamily)––亦稱多基因家族(multigenefamily)第30頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三基因家族的類型根據(jù)家族內(nèi)各成員同源性的程度，基因家族主要有以下幾種類型:1.

核苷酸序列相同––實(shí)際上是多拷貝基因。如rRNA基因家族，tRNA基因家族，組蛋白基因家族等。2.

核苷酸序列高度同源3.

編碼產(chǎn)物具有同源功能區(qū)某些具有家族成員之間，基因全長(zhǎng)序列的相似性可能較低，但基因編碼的產(chǎn)物具有高度保守的功能區(qū)。如src癌基因家族4.

編碼產(chǎn)物具有小段保守基序有些基因家族中各成員的DNA序列可能并不明顯相關(guān)，而所編碼的產(chǎn)物缺具有共同的功能特征，存在小段保守的氨基酸基序。5.

基因超家族(supergenefamily)

由多基因家族及單基因組成的更大的基因家族。成員間有不同程度的同源，但功能并不相似。最經(jīng)典的基因超家族是免疫球蛋白基因超家族。6.

假基因––在多基因家族中，某些成員并不能表達(dá)出有功能的產(chǎn)物，這些基因稱為假基因，用表示?；蚣易宓念愋?/p>

第31頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三(四)重復(fù)序列1.

高度重復(fù)序列(＞105次)2.

中度重復(fù)序列(101~105次)

中度重復(fù)序列散在分布于基因組中，常與單拷貝基因間隔排列，約占基因組DNA總量的35％。3.

單拷貝序列(一次或少數(shù)幾次)

大多數(shù)編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因都屬于這一類。多拷貝序列四重復(fù)序列()根據(jù)出現(xiàn)頻率的不同可將DNA序列分為三類：第32頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三(五)真核生物基因組中的轉(zhuǎn)座子

(六)端粒五真核生物基因組中的轉(zhuǎn)座子()六端粒()(telomere)真核生物基因組中,一些中度重復(fù)序列往往是可移動(dòng)的。①

其中一部分可移動(dòng)成分的結(jié)構(gòu)與原核基因組的轉(zhuǎn)位因子相似,是通過(guò)DNA介導(dǎo)的。②另外一些中度重復(fù)序列的轉(zhuǎn)移成分則與一般細(xì)菌中的轉(zhuǎn)移成分不同,要先轉(zhuǎn)錄成RNA,載逆轉(zhuǎn)錄生成cDNA,然后重新整合到基因組中,這種逆轉(zhuǎn)錄旁路的轉(zhuǎn)移成分稱為逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子(retroposon)。以線性染色體形式存在的真核基因組DNA的末端所存在的一種特殊結(jié)構(gòu)，稱為端粒，僅在真核細(xì)胞染色體末端存在。端粒的主要功能是保護(hù)線性DNA的完整復(fù)制、保護(hù)染色體末端、決定細(xì)胞的壽命等。第33頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三原核基因組、真核基因組、病毒基因組比較（供參考）

原核基因組真核基因組病毒基因組1.生物學(xué)特征類核、無(wú)核膜轉(zhuǎn)錄、翻譯有核膜,錄在核,譯在漿DNA或RNA不共存1個(gè)V顆粒(一

同一個(gè)區(qū)間進(jìn)行 般利用宿主機(jī)制轉(zhuǎn)錄、翻譯)2.染色體數(shù)目單倍體配子為單倍體、體細(xì)胞雙倍體單倍體、逆轉(zhuǎn)錄病毒除外3.核酸分子結(jié)構(gòu)雙鏈環(huán)狀DNA分子雙鏈線型以單鏈DNA，雙鏈RNA突出4.基因組大小5000多個(gè)基因（E.coli）5~10萬(wàn)（2.8萬(wàn)）3~幾百個(gè)5.核酸類型DNA DNA DNA或RNA6.核酸數(shù)目中（）多（）少（）7.結(jié)構(gòu)基因連續(xù)性無(wú)內(nèi)含子，連續(xù)基因有內(nèi)含子、斷裂基因真核病毒不連續(xù)、原核連續(xù)8.重疊基因無(wú) 無(wú) 有9.操縱子結(jié)構(gòu)有，多順?lè)醋訜o(wú)操縱子結(jié)構(gòu)、單順?lè)醋訜o(wú)操縱子結(jié)構(gòu)10.重復(fù)順序大量重復(fù)順序有、少有、少11.編碼區(qū)/非編碼區(qū)50%，50%5%、95%95%、5%12.基因家族（） √ （）13.假基因（） √ （）14.可移動(dòng)基因√√ （）15.端?！? √ （） 16.復(fù)制方式半保留 半保留 多樣第34頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三三、人類基因組的組織結(jié)構(gòu)特征三、人類基因組的組織結(jié)構(gòu)特征1.人類基因組的DNA總量約為3×109bp2.編碼序列＜5％3.非編碼序列占95％以上

非編碼序列中有一部分是啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、內(nèi)含子等序列4.含有大量的重復(fù)序列第35頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三(一)人類基因組的重復(fù)順序

1．反向重復(fù)順序一人類基因組的重復(fù)順序()1．反向重復(fù)順序(invertedrepeats)①兩個(gè)反向排列的拷貝之間隔著一段間隔順序另一種形式是兩個(gè)拷貝反向串聯(lián)在一起，中間沒(méi)有間隔順序，這種結(jié)構(gòu)也稱回文結(jié)構(gòu)(palindrome)。

GGAAGGT、、、ACCTTCCCCTTCCA、、、TGGAAGG––是指兩個(gè)順序相同的拷貝在DNA鏈上呈反向排列。有兩種形式人類基因組約含5％的反向重復(fù)序列散布于整個(gè)基因組中，常見于基因組調(diào)控區(qū)內(nèi)，可能與復(fù)制轉(zhuǎn)錄的調(diào)控有關(guān)。

第36頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三2.串聯(lián)重復(fù)順序2．串聯(lián)重復(fù)順序(tandemrepeats)––是指具有一個(gè)固定的重復(fù)單位，該重復(fù)單位頭尾相連形成重復(fù)順序片段。約占整個(gè)人類基因組的10％。串聯(lián)重復(fù)順序

編碼區(qū)串聯(lián)重復(fù)順序非編碼區(qū)串聯(lián)重復(fù)順序大衛(wèi)星DNA小衛(wèi)星DNA微衛(wèi)星DNA大衛(wèi)星DNA

(macrosatelliteDNA)

也稱為經(jīng)典衛(wèi)星DNA，總長(zhǎng)度100kb~幾個(gè)Mb(重復(fù)單位5~70bp)。小衛(wèi)星DNA

(minisatelliteDNA)

由中等大小的串聯(lián)重復(fù)順序構(gòu)成，衛(wèi)星DNA總長(zhǎng)度約為0.1~20kb，分布在所有染色體，往往位于近端粒處。小衛(wèi)星DNA又分為高度可變(重復(fù)單位9~24bp)和端粒DNA(重復(fù)單位2~20bp)。微衛(wèi)星DNA

(microsatelliteDNA)

分布在所有染色體，其重復(fù)單位為1~5bp，重復(fù)次數(shù)10~60次左右，其總長(zhǎng)度常小于150bp。第37頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三3.散在重復(fù)順序3．散在重復(fù)順序(interspersed

repeats)散在重復(fù)順序短散在核元件(shortinterspersednuclearelements，SINEs)，由150~300bp的重復(fù)單位組成，拷貝數(shù)可達(dá)幾十萬(wàn)個(gè),其中最主要的是Alu重復(fù)序列家族，為靈長(zhǎng)類基因組特有。長(zhǎng)散在核元件(longinterspersednuclearelements，LINEs)，重復(fù)單位長(zhǎng)度為5~6kb，拷貝數(shù)可達(dá)1~4萬(wàn)個(gè)。較典型的是KpnⅠ重復(fù)順序。許多散在重復(fù)序列家族為轉(zhuǎn)座元件(transposableelements)，轉(zhuǎn)座元件是一類可以在不同染色體區(qū)域移動(dòng)的不穩(wěn)定的DNA元件。––人類基因組DNA中的重復(fù)順序，除串聯(lián)重復(fù)、反向重復(fù)外，其余歸為散在重復(fù)順序。第38頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三(二)人類基因組中的DNA多態(tài)性DNA序列的多態(tài)性：人類基因組個(gè)體之間存在的差異。二人類基因組中的多態(tài)性()DNADNA序列的多態(tài)性DNA位點(diǎn)多態(tài)性(DNAsitepolymorphism)

––是由于等位基因間在特定位點(diǎn)上DNA序列存在差異造成的。

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

DNA位點(diǎn)多態(tài)性可影響限制酶的切割位點(diǎn)，造成限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性，即用同一種限制酶消化不同個(gè)體的DNA時(shí)，會(huì)得到長(zhǎng)度各不相同的限制性片段類型。串聯(lián)重復(fù)順序多態(tài)性(tandemrepeatspolymorphism)也稱為可變數(shù)目的串聯(lián)重復(fù)序列(variablenumberoftandemrepeat，VNTR)––小衛(wèi)星DNA多態(tài)性和微衛(wèi)星DNA多態(tài)性第39頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三四、基因組學(xué)與人類基因組計(jì)劃

(一)基因組學(xué)四、基因組學(xué)與人類基因組計(jì)劃它是闡明整個(gè)基因組的結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系以及基因之間相互作用的科學(xué)。一基因組學(xué)()(genomics)根據(jù)研究的重點(diǎn)分為：結(jié)構(gòu)基因組學(xué)功能基因組學(xué)比較基因組學(xué)結(jié)構(gòu)基因組學(xué)(structuralgenomics)：通過(guò)基因作圖、核苷酸序列分析確定基因組成、基因定位的科學(xué)。功能基因組學(xué)(functionalgenomics)：

利用結(jié)構(gòu)基因組學(xué)提供的信息，進(jìn)行基因和非基因序列功能的研究。比較基因組學(xué)(comparativegenomics)：比較不同生物間基因和基因組結(jié)構(gòu)的差異，以增進(jìn)對(duì)基因功能的了解、闡明物種進(jìn)化關(guān)系。第40頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三遺傳圖譜轉(zhuǎn)錄圖譜物理圖譜序列圖譜0.7cM或1kb100kbSTSmapHGP所從事的4張圖譜(二)HGP的主要研究?jī)?nèi)容二的主要研究?jī)?nèi)容()HGP人類基因組計(jì)劃(HumanGenomeProject，HGP)研究?jī)?nèi)容是完成人類基因組的四種圖譜遺傳圖譜物理圖譜序列圖譜轉(zhuǎn)錄圖譜第41頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三1.遺傳圖譜遺傳多態(tài)性：在一個(gè)遺傳位點(diǎn)上具有一個(gè)以上的等位基因，在群體中的出現(xiàn)頻率皆高于1%

。遺傳標(biāo)記：等位基因、RFLP(限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性)、MS(微衛(wèi)星)、SNP(單核苷酸多態(tài)性)等。遺傳距離：在減數(shù)分裂事件中兩個(gè)位點(diǎn)之間進(jìn)行交換、重組的百分率。距離單位：厘摩(cM，centi-Morgan),1cM表示每次減數(shù)分裂的重組頻率為1％。指基因或DNA標(biāo)志在染色體上的相對(duì)位置與遺傳距離。它以具有多態(tài)性的遺傳標(biāo)記(細(xì)胞減數(shù)分裂時(shí)同源染色體發(fā)生交換的DNA區(qū)段)為“路標(biāo)”，以重組頻率為圖距的基因組圖。反映染色體上兩點(diǎn)之間的連鎖關(guān)系。遺傳圖譜的建立為基因識(shí)別和完成基因定位創(chuàng)造了條件。1.遺傳圖譜(geneticmap)/連鎖圖譜(linkagemap)第42頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三2.物理圖譜指DNA序列上各遺傳標(biāo)志間的物理距離，是把遺傳圖譜中克隆群上的DNA片段按實(shí)際的物理位置進(jìn)行排序所構(gòu)建的圖譜。距離單位為bp/kb/Mb。1cM的遺傳距離大致上相當(dāng)于1Mb的物理距離。物理圖譜反映的是DNA序列上兩點(diǎn)之間的實(shí)際距離，而遺傳圖譜則反映這兩點(diǎn)之間的連鎖關(guān)系。在DNA交換頻繁的區(qū)域，兩個(gè)物理位置相距很近的基因或DNA片段可能具有較大的遺傳距離，反之亦然。物理圖譜的目標(biāo)：是在基因組中每100kb設(shè)一個(gè)標(biāo)志點(diǎn)(即“路標(biāo)”)，目前最滿意的是以已定位的DNA(探針)序列STS(sequencingtaggedsite，序列標(biāo)記位點(diǎn))作為“路標(biāo)”。至今已測(cè)定了40000個(gè)以上的STS，平均圖距(即分辨率)可達(dá)100kb。

2.

物理圖譜(physicalmapping)第43頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三3.序列圖譜以某一染色體上所含的全部堿基順序繪制的圖譜。既包括可轉(zhuǎn)錄序列，也包括非轉(zhuǎn)錄序列，是轉(zhuǎn)錄序列、調(diào)節(jié)序列和功能未知序列的總和。遺傳圖譜與物理圖譜都是為了繪制序列圖譜而建的。目前的策略是把龐大的基因組分成若干個(gè)有路標(biāo)的區(qū)域后，再著手進(jìn)行序列分析。序列分析需要用一個(gè)區(qū)域的DNA片段重疊群使測(cè)序工作不斷延伸，為此，序列標(biāo)簽位點(diǎn)(STS)被用作任何兩個(gè)片段(上百個(gè)bp)間的重疊區(qū)域，使分別被測(cè)的短序列進(jìn)行正確的拼接。序列圖譜的基本策略是建立DNA小片段的重疊群并盡可能地降低重疊部分所占的比例以提高效率和降低成本。

3.序列圖譜(sequencemapping)第44頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三4.基因圖譜

基因圖譜實(shí)際上是一種轉(zhuǎn)錄圖譜(transcriptionmap)，又稱cDNA(complementaryDNA)計(jì)劃。它是在識(shí)別基因組所包含的蛋白質(zhì)編碼序列的基礎(chǔ)上繪制的結(jié)合有關(guān)基因序列、位置及表達(dá)模式等信息的圖譜。是以表達(dá)序列標(biāo)簽(expressionsequencetag，EST)為標(biāo)志繪制的。34,10034,150Kb4.基因圖譜(genemapping)第45頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三人類基因組計(jì)劃簡(jiǎn)介人類基因組計(jì)劃簡(jiǎn)介1985年，美國(guó)能源部已提出‘HGP’，形成草案。1986年，RenatoDulbecco(諾貝爾獎(jiǎng)獲得者)在Science上發(fā)表題為“癌癥研究的轉(zhuǎn)折點(diǎn)——人類基因組的全序列分析”的短文，在此短文影響下，許多國(guó)家著手進(jìn)行HGP。1990年，HGP正式啟動(dòng)1993年，對(duì)HGP的目標(biāo)進(jìn)行了修正1999年9月，中國(guó)加入該計(jì)劃，測(cè)定3號(hào)染色體上的30Mb。2003年4月14日，人類基因組計(jì)劃宣布完成20世紀(jì)科學(xué)史上的三個(gè)里程碑