-3基因組的結(jié)構(gòu)與功能課件

1、第三章 基因組的結(jié)構(gòu)與功能 重點(diǎn)：基因組的概念，各類生物基因組的特點(diǎn)。難點(diǎn)：各類生物基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)?；疽螅赫莆栈蚪M的概念、各類生物基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；熟悉基因的轉(zhuǎn)位與插入；比較和了解各類生物基因組的差異。 7/26/20221魯云霞制作基因組概述從簡單的病毒到復(fù)雜的高等動(dòng)植物細(xì)胞，都有一套決定于生物基本特征和功能的遺傳信息，貯存于病毒或細(xì)胞的核酸中；RNA和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息都以基因的形式貯存于DNA（或RNA）中；DNA中有大量非編碼序列，在真核生物中高達(dá)95%以上；含有一種生物的一整套遺傳信息的遺傳物質(zhì)，稱為基因組。病毒、原核生物及真核生物所貯存的遺傳信息量有巨大的差別，其基因組的結(jié)構(gòu)

2、與組織形式上也各有特點(diǎn)。7/26/20222魯云霞制作本章主要內(nèi)容第一節(jié) 基因組的概念第二節(jié) 病毒基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)第三節(jié) 原核生物的基因組第四節(jié) 真核生物基因組第五節(jié) 基因組變異的意義第六節(jié) 人類基因組學(xué)簡介7/26/20223魯云霞制作第一節(jié) 基因組是一套完整單倍體的遺傳物質(zhì)的總和 一、基因組儲(chǔ)存了生物體整套的遺傳信息基因組（genome）泛指一個(gè)細(xì)胞或病毒的全部遺傳信息。在真核生物體中，基因組是指一套完整單倍體DNA(染色體DNA)和線粒體DNA的全部序列，既包括編碼序列，也包括大量存在的非編碼序列。人類基因組包含22條常染色體和X、Y兩條性染色體上的全部遺傳物質(zhì)（核基因組）以及胞漿線粒體

3、上的遺傳物質(zhì)（線粒體基因組）。某些病毒的基因組由RNA組成。7/26/20224魯云霞制作二、不同生物基因組蘊(yùn)含的遺傳信息量有著巨大的差別基因組的大小通常以其DNA含量來表示，單倍體基因組中的全部DNA量稱為C值（C-value）；不同生物的基因組大小差異很大?；蚪M大小和DNA含量隨著生物進(jìn)化復(fù)雜程度的增加以及生物結(jié)構(gòu)和功能復(fù)雜程度的增加而逐步上升；C值矛盾：如人的C值只有109bp，肺魚的C值為1011bp；基因組的大小與基因的數(shù)目沒有直接的線性關(guān)系。 7/26/20225魯云霞制作不同生物物種的基因組大小比較 類別基因組（bp）基因數(shù)目數(shù)量級(jí)乙肝病毒3125（部分單鏈） 5 103 噬菌

4、體 48531 60 104 EB病毒 172282 80 105 大腸桿菌 4.2106 3000 106 人 類 3109 3萬4萬 109 7/26/20226魯云霞制作三、不同生物基因組的結(jié)構(gòu)與組織形式也明顯不同原核生物的基因組一般較小，結(jié)構(gòu)比較簡單；病毒基因組的大小和結(jié)構(gòu)差異較大；真核生物基因組一般較龐大，但結(jié)構(gòu)基因在基因組中所占的比例較小，其中編碼序列更小，且存在大量重復(fù)序列；人的基因組中只有23% 的DNA序列是編碼序列。7/26/20227魯云霞制作基因組信息人類基因組： 編碼區(qū)域只占2%-3%對(duì)于非編碼序列，尚不清楚其含義或功能非編碼區(qū)域?qū)τ谏顒?dòng)具有重要的意義 包括內(nèi)含子

5、、簡單重復(fù)序列、移動(dòng)元件、假基因 重復(fù)序列: 大衛(wèi)星（macro-satellite）DNA小衛(wèi)星（mini-satellite）DNA微衛(wèi)星（micro-satellite）DNA 順式調(diào)控元件:啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、沉默子7/26/20228魯云霞制作第二節(jié) 不同病毒基因組的核酸具有不同特點(diǎn) 病毒（virus）是最簡單的生命形式，遺傳信息的延續(xù)構(gòu)成了生命活動(dòng)的主要內(nèi)容。病毒基因組的主要功能就是保證基因組的復(fù)制及其向子代傳遞，整套基因組所編碼的蛋白質(zhì)都是與基因復(fù)制、病毒顆粒包裝以及向其它宿主細(xì)胞傳遞密切相關(guān)，有些蛋白質(zhì)可影響宿主細(xì)胞基因表達(dá)和增殖，通過促進(jìn)細(xì)胞的增殖而有利于病毒復(fù)制繁衍。 7/26

6、/20229魯云霞制作7/26/202210魯云霞制作一、病毒基因組核酸的主要類型 病毒基因組（virus genome）的核酸有DNA，也有RNA，但不會(huì)二者共存。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類： 雙鏈DNA如腺病毒是線狀雙鏈，乳頭瘤病毒是環(huán)狀雙鏈； 單鏈DNA：如X174； 雙鏈RNA如輪狀病毒含有正負(fù)兩條RNA鏈； 單鏈負(fù)股RNA如流感病毒需要先合成與其互補(bǔ)的mRNA； 單鏈正股RNA如SARS；逆轉(zhuǎn)錄病毒通常引起人和動(dòng)物的腫瘤，如HIV可作為mRNA行使模板功能。7/26/202211魯云霞制作SARS病毒簡介SARS冠狀病毒屬于單股正鏈RNA病毒

7、；RNA分子不分節(jié)段，5端有甲基化帽，3端有polyA結(jié)構(gòu)，基因組長度在2700030000堿基之間；5端約2/3的區(qū)域編碼病毒RNA聚合酶蛋白，后1/3的區(qū)域編碼結(jié)構(gòu)蛋白，依次為S蛋白(spike protein)，E蛋白(envelop protein)，M蛋白(membrane protein)，N蛋白(nucleocapsid protein)等;在結(jié)構(gòu)蛋白編碼區(qū)可能的ORF中，能編碼在已知蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫中未找到任何同源序列的未知蛋白PUP (predicted unknown protein) 。7/26/202212魯云霞制作7/26/202213魯云霞制作部分RNA病毒基因組可

8、以被反轉(zhuǎn)錄成DNA逆轉(zhuǎn)錄病毒是一類特殊的單股正鏈RNA病毒，通常引起人和動(dòng)物的腫瘤；逆轉(zhuǎn)錄病毒基因組一般包括3個(gè)基本的結(jié)構(gòu)基因，即gag、pol、 env，分別編碼核心蛋 白、逆轉(zhuǎn)錄酶和膜蛋白。7/26/202214魯云霞制作逆轉(zhuǎn)錄病毒的基因組結(jié)構(gòu)； 線狀DNA 中的 LTRs；整合到宿主細(xì)胞時(shí)發(fā)生的U3和U5分別缺失2個(gè)堿基對(duì)和出現(xiàn)4-6bp的靶DNA重復(fù) 逆轉(zhuǎn)錄病毒的基因組結(jié)構(gòu)7/26/202215魯云霞制作二、病毒基因組結(jié)構(gòu)與功能的特點(diǎn) 不同病毒基因組大小相差較大乙肝病毒（HBV）DNA為3.2kb，所含信息量較少，只能編碼幾種蛋白質(zhì)；而痘病毒基因組DNA長達(dá)300kb，可編碼幾百種蛋白

9、質(zhì)。 不同病毒基因組可以是不同結(jié)構(gòu)的核酸病毒基因組的核酸可能是DNA，也可能是RNA；可能是單鏈，也可能是雙鏈；可能是閉合環(huán)狀分子，也可能是線性分子。7/26/202216魯云霞制作 病毒基因組有連續(xù)的也有不連續(xù)的DNA 病毒基因組均由連續(xù)的DNA分子組成；多數(shù)RNA病毒基因組也由連續(xù)的核糖核酸鏈組成，但有些則以不連續(xù)的核糖核酸鏈組成。 病毒基因組的編碼序列大于90 病毒基因組的大部分是用來編碼蛋白質(zhì)的，只有很小部分不編碼蛋白質(zhì)。 單倍體基因組 除逆轉(zhuǎn)錄病毒基因組有兩個(gè)拷貝外，至今發(fā)現(xiàn)的病毒基因組都是單倍體，每個(gè)基因在病毒顆粒中只出現(xiàn)一次。 7/26/202217魯云霞制作 基因有連續(xù)的和間斷

10、的 感染細(xì)菌的病毒（噬菌體）基因組與細(xì)菌基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相似，基因是連續(xù)的；而感染真核細(xì)胞的病毒基因組與真核生物基因組結(jié)構(gòu)相似，有內(nèi)含子，基因是間斷的。 相關(guān)基因叢集排列 病毒基因組核酸序列中功能相關(guān)的幾個(gè)蛋白質(zhì)基因叢集在基因組的一個(gè)或幾個(gè)特定部位，形成一個(gè)功能單位或轉(zhuǎn)錄單元，受同一個(gè)轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制調(diào)節(jié)，它們可被一起轉(zhuǎn)錄成為多順反子mRNA，然后加工成為各種蛋白質(zhì)的模板。 7/26/202218魯云霞制作 基因重疊 有些病毒在進(jìn)化過程中形成重疊基因，即同一段核酸序列能編碼2種或2種以上蛋白質(zhì)。這些重疊基因雖然共用一段核酸序列，但轉(zhuǎn)錄出的mRNA鏈閱讀框不同。X174噬菌體的基因結(jié)構(gòu) Ala Glu

11、 Gly Val Met 終止 - G C GG A A G G A G T GA T G T A A T G T C T- Arg Lys Glu 終止 起始 Ser7/26/202219魯云霞制作噬菌體x174基因圖譜7/26/202220魯云霞制作7/26/202221魯云霞制作舉例：SV40病毒基因組SV40病毒的基因組是雙鏈環(huán)狀DNA，全長5243bp，基因組復(fù)制通過DNA復(fù)制過程而完成；基因組中含有早期轉(zhuǎn)錄基因和晚期轉(zhuǎn)錄基因兩部分，早晚期轉(zhuǎn)錄的兩部分基因大約等長，但轉(zhuǎn)錄方向相反；在早期和晚期轉(zhuǎn)錄區(qū)之間是調(diào)控區(qū)（約400bp），主要包括復(fù)制起點(diǎn)、啟動(dòng)子和增強(qiáng)子，可調(diào)節(jié)基因組的復(fù)制及早

12、期和晚期基因的轉(zhuǎn)錄。7/26/202222魯云霞制作典型病毒基因組介紹7/26/202223魯云霞制作第三節(jié) 原核生物基因組比較簡單 原核生物一般只有一個(gè)染色體，即一個(gè)核酸分子，大多數(shù)為雙螺旋結(jié)構(gòu)，少數(shù)為單鏈形式存在。原核生物基因組較小，結(jié)構(gòu)簡單。原核生物需要根據(jù)外界環(huán)境的變化，調(diào)節(jié)自身的酶系統(tǒng)的組成及功能，利用不同的營養(yǎng)物質(zhì)，調(diào)整細(xì)胞內(nèi)某些蛋白質(zhì)的數(shù)量；原核基因組中存在操縱子結(jié)構(gòu)，一個(gè)調(diào)控區(qū)控制數(shù)個(gè)結(jié)構(gòu)基因，結(jié)構(gòu)基因是成套表達(dá)的，從而可以有效地利用核酸序列。7/26/202224魯云霞制作原核生物轉(zhuǎn)錄后的mRNA結(jié)構(gòu)圖7/26/202225魯云霞制作一、原核基因組結(jié)構(gòu)與功能的特點(diǎn) 1.基因組

13、通常由一條環(huán)狀DNA分子組成。沒有明顯的核結(jié)構(gòu)，在細(xì)胞內(nèi)相對(duì)集中在一個(gè)區(qū)域，形成類核結(jié)構(gòu)。其中DNA占80，其余為RNA和蛋白質(zhì)。7/26/202226魯云霞制作Nucleoid (類核,擬核) Bacterial chromosome 細(xì)菌染色體7/26/202227魯云霞制作2.基因組中只有1個(gè)復(fù)制起始點(diǎn)。 3.基因操縱子結(jié)構(gòu)。操縱子（operon）是指數(shù)個(gè)功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因（sructure gene）串聯(lián)在一起，構(gòu)成信息區(qū)，連同上游的調(diào)控區(qū)（包括啟動(dòng)子和操縱基因）以及下游的轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)所構(gòu)成的基因表達(dá)單位，所轉(zhuǎn)錄出的RNA為多順反子。4. 編碼序列一般不重疊。5.基因是連續(xù)的，無內(nèi)含子

14、，轉(zhuǎn)錄后不需要剪接（切）。6.編碼區(qū)在基因組中所占的比例（約占50）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于真核基因組，但小于病毒基因組。非編碼區(qū)主要是一些調(diào)控序列。7/26/202228魯云霞制作7.基因組中很少有重復(fù)序列。編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因多為單拷貝，而編碼rRNA的基因往往是多拷貝的。8.細(xì)菌基因組中存在有可移動(dòng)的DNA序列，包括插入序列和轉(zhuǎn)座子。9.具有編碼同工酶的基因。10.在DNA分子中具有多種功能的識(shí)別區(qū)域，如復(fù)制的起始區(qū)、復(fù)制終止區(qū)、轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)區(qū)轉(zhuǎn)錄終止區(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。7/26/202229魯云霞制作7/26/202230魯云霞制作五、細(xì)菌基因組中的可移動(dòng)成分產(chǎn)生轉(zhuǎn)座現(xiàn)

15、象 轉(zhuǎn)座因子（transposable element）是能在一個(gè)DNA分子內(nèi)部或兩個(gè)DNA分子之間移動(dòng)的DNA片段。在細(xì)菌中，則指可在質(zhì)粒和染色體之間或在質(zhì)粒與質(zhì)粒之間移動(dòng)的DNA片段。轉(zhuǎn)位也是DNA重組的一種形式。 插入順序 插入順序（insertion sequence , IS）是一類較小的沒有表型效應(yīng)的轉(zhuǎn)位因子，長度約7002000bp，由一個(gè)轉(zhuǎn)位酶基因及兩側(cè)的反向重復(fù)序列（inverted repeat sequence , IR）組成。 7/26/202231魯云霞制作IR的對(duì)稱結(jié)構(gòu)使IS可以雙向插入靶位點(diǎn)，并在插入后于兩側(cè)形成一定長度（311bp）的順向重復(fù)序列（ direct

16、 repeat sequence , DR ），DR是靶位點(diǎn)序列復(fù)制的產(chǎn)物。 轉(zhuǎn)座子 轉(zhuǎn)座子（transposon , Tn）是一類較大的可移動(dòng)成分，除有關(guān)轉(zhuǎn)座的基因外，至少帶有一個(gè)與轉(zhuǎn)座作用無關(guān)并決定宿主細(xì)胞（菌）遺傳性狀的基因。轉(zhuǎn)座子中的轉(zhuǎn)位酶常稱為轉(zhuǎn)座酶，其功能是介導(dǎo)轉(zhuǎn)座子插入到DNA的其他部位。 可轉(zhuǎn)座的噬菌體 可轉(zhuǎn)座的噬菌體（transposable phage）是一類具有轉(zhuǎn)座功能的溶源性噬菌體，包括Mu和D108等。7/26/202232魯云霞制作7/26/202233魯云霞制作簡化的轉(zhuǎn)座過程7/26/202234魯云霞制作（二）轉(zhuǎn)座因子的幾個(gè)遺傳效應(yīng)由轉(zhuǎn)座因子復(fù)制出一個(gè)新拷貝轉(zhuǎn)移

17、到基因組中的新位置；新的轉(zhuǎn)座因子轉(zhuǎn)到靶點(diǎn)后，靶點(diǎn)序列倍增成為2個(gè)靶點(diǎn)序列，并分別排列在轉(zhuǎn)座因子兩側(cè)，形成同向重復(fù)序列（見圖 ）；在轉(zhuǎn)座過程中能形成共合體；轉(zhuǎn)座因子轉(zhuǎn)座后能促使染色體畸變；轉(zhuǎn)座因子從原來位置上切除（切離，excision）；轉(zhuǎn)座可引起插入突變；由于攜帶有標(biāo)志基因如ampR、terR、smR，使受體基因組增添了新的基因。7/26/202235魯云霞制作轉(zhuǎn)座子具有反向末端重復(fù)序列以及在靶部位兩側(cè)產(chǎn)生的同向重復(fù)序列。在該例中靶序列為5bp，轉(zhuǎn)座子末端由9bp反向重復(fù)序列組成，數(shù)字1-9指序列重復(fù)堿基對(duì)。7/26/202236魯云霞制作六、質(zhì)粒DNA是具有自主復(fù)制能力的雙鏈環(huán)狀DNA 是

18、存在于細(xì)菌染色體外的具有自主復(fù)制能力的共價(jià)閉合環(huán)狀雙鏈DNA分子。分子量一般為106108，小型質(zhì)粒的長度一般為1.515kb。其基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)類似于細(xì)菌基因組。通常質(zhì)粒對(duì)于宿主細(xì)胞的生存不是必需的，但質(zhì)粒含有的某些基因，可對(duì)宿主細(xì)胞的生物特性產(chǎn)生影響。因質(zhì)粒是一個(gè)完整、獨(dú)立的復(fù)制子，并能轉(zhuǎn)化細(xì)胞，即把它的一個(gè)復(fù)本從供體細(xì)胞轉(zhuǎn)移給受體細(xì)胞，而且能給轉(zhuǎn)化細(xì)胞帶來特殊標(biāo)記，故在基因工程技術(shù)中作為目的基因的載體被廣泛應(yīng)用。 7/26/202237魯云霞制作AmproripUC18(3 kb)MCS (Multiple cloning sites,多克隆位點(diǎn)）Lac promoterlacZACGA

19、ATTCGAGCTCGGTACCCGGGGATCCTCTAGAGTCGACCTGCAGGCATGCA. T h rA s n S er S e r Val Pro Gly Asp Pro Leu Glu Ser Thr Cys Arg His Ala SerEcoRISacIKpnISmaIXmaIBamHIXbaISalIHincIIAccIPstISphILac ZThe ORF of the inserted gene has to be in the same direction as that of the lacZ A fusion protein contains the N-t

20、erminal sequence of lacZ and the inserted ORF will be produced 7/26/202238魯云霞制作AmproripUC18(3 kb)MCS (Multiple cloning sites,多克隆位點(diǎn)）Lac promoterlacZACGAATTCGAGCTCGGTACCCGGGGATCCTCTAGAGTCGACCTGCAGGCATGCA. T h rA s n S er S e r Val Pro Gly Asp Pro Leu Glu Ser Thr Cys Arg His Ala SerEcoRISacIKpnISmaIXma

21、IBamHIXbaISalIHincIIAccIPstISphILac ZThe ORF of the inserted gene has to be in the same direction as that of the lacZ A fusion protein contains the N-terminal sequence of lacZ and the inserted ORF will be produced 7/26/202239魯云霞制作Ampicillin resistant? yes yesTetracycline resistant? No yesB X BBBXAmp

22、roriAmprTcroriAmprTcroripBR322B抗性基因的插入失活以篩選重組質(zhì)粒7/26/202240魯云霞制作質(zhì)粒的遺傳控制復(fù)制調(diào)控系統(tǒng)：由復(fù)制起點(diǎn)（ori)、rep基因、cop基因組成，控制質(zhì)粒的拷貝數(shù)；分配系統(tǒng):使質(zhì)粒在細(xì)菌分裂過程中精確分配到子細(xì)胞中；細(xì)胞分裂系統(tǒng)：抑制細(xì)胞分裂，使細(xì)胞分裂與質(zhì)粒復(fù)制協(xié)調(diào)；位點(diǎn)特異重組系統(tǒng)：由質(zhì)粒att位點(diǎn)、質(zhì)粒編碼的Int和Xis酶、宿主FIS組成，將高拷貝質(zhì)粒形成的多聚體拆開成單體，便于平均分配；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。7/26/202241魯云霞制作質(zhì)粒的類型接合型質(zhì)粒、可移動(dòng)型質(zhì)粒

23、和自傳遞質(zhì)粒：接合型質(zhì)粒只能使細(xì)菌接合；可移動(dòng)型質(zhì)?？杀粋鬟f；自傳遞型質(zhì)粒兼具上述兩種質(zhì)粒的功能（如F質(zhì)粒）。嚴(yán)謹(jǐn)型和松弛型質(zhì)粒：分別為低拷貝數(shù)和高拷貝數(shù)質(zhì)粒。窄宿主譜及廣宿主譜質(zhì)粒：窄宿主譜質(zhì)粒存在于一種或數(shù)種密切相關(guān)的宿主（如ColE）；廣宿主譜質(zhì)?？稍诓煌啤?、種細(xì)菌間傳遞（如pC194）。7/26/202242魯云霞制作細(xì)菌基因組學(xué)研究及意義細(xì)菌基因組學(xué)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)工具結(jié)合起來，研究細(xì)菌的毒力和致病性的一門科學(xué)。更好地了解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

24、有效藥物及發(fā)展疫苗提供參考。7/26/202243魯云霞制作第四節(jié) 真核生物基因組更加復(fù)雜 一、真核生物基因組遠(yuǎn)大于原核生物基因組真核生物（eukaryote）基因組的容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原核生物基因組，真核基因組的結(jié)構(gòu)與功能更為復(fù)雜。人的單倍體基因組DNA約為3.3x109bp，大腸桿菌的基因組只有4.6x106bp。7/26/202244魯云霞制作二、真核生物基因組由染色體DNA和染色體外DNA組成真核生物細(xì)胞具有細(xì)胞核，DNA為線狀，與組蛋白、非組蛋白結(jié)合成染色質(zhì)。除細(xì)胞核基因組外，真核生物還具有線粒體基因組，在植物細(xì)胞中的葉綠體內(nèi)也有遺傳物質(zhì)。 7/26/202245魯云霞制作7/26/202

25、246魯云霞制作7/26/202247魯云霞制作三、真核生物基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 1、每一種真核生物都有一定的染色體數(shù)目，除配子（精子和卵子）為單倍體外，體細(xì)胞一般為雙倍體，即含有兩份同源的基因組。2、真核基因組遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原核生物基因組，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，基因數(shù)龐大，具有許多復(fù)制起始點(diǎn)，每個(gè)復(fù)制子大小不一。3、真核基因都由一個(gè)結(jié)構(gòu)基因與相關(guān)的調(diào)控區(qū)組成，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子（monocistron），即一分子mRNA只能翻譯成一種蛋白質(zhì)。4、真核生物含有大量重復(fù)順序。 7/26/202248魯云霞制作5、真核生物基因組內(nèi)非編碼序列（non-coding sequence ，NCS）占90以上。6、真核基因是斷

26、裂基因（split gene），即編碼序列被非編碼序列分割開來，基因與基因間的非編碼序列為間隔DNA（spacer DNA），基因內(nèi)非編碼序列為內(nèi)含子，被內(nèi)含子隔開的編碼序列則為外顯子。7、功能相關(guān)的基因構(gòu)成各種基因家族，它們可以串聯(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。8、真核生物基因組中也存在有一些可移動(dòng)的遺傳因素（mobile genetic elements）。 7/26/202249魯云霞制作內(nèi)含子、啟動(dòng)子假基因基因片段非編碼序列 90 編碼序列105）的DNA序列稱為高度重復(fù)序列。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。 中度重復(fù)序列 中度重復(fù)

27、序列是在基因組中的重復(fù)次數(shù)為101105。中度重復(fù)序列約占基因組DNA總量的35。 單拷貝序列 在整個(gè)基因組中僅出現(xiàn)一次或少數(shù)幾次。大多數(shù)編碼蛋白質(zhì)的基因都屬于這一類。7/26/202252魯云霞制作（一）高重復(fù)序列DNA：可集中在某一區(qū)域串聯(lián)排列，典型的高重復(fù)序列有衛(wèi)星DNA和反向重復(fù)序列。1.衛(wèi)星DNA是出現(xiàn)在非編碼區(qū)的串聯(lián)重復(fù)序列，通常存在于間隔DNA和內(nèi)含子中，分為：大衛(wèi)星DNA：也稱經(jīng)典衛(wèi)星DNA；小衛(wèi)星DNA：由中等大小的串聯(lián)重復(fù)順序組成，有高度可變的小衛(wèi)星DNA和端粒DNA；微衛(wèi)星DNA：一類更簡單的寡核苷酸串聯(lián)重復(fù)序列。7/26/202253魯云霞制作Satellite DNA

28、Mouse genome DNA30% GC in satellite DNACsCl centrifugation7/26/202254魯云霞制作包括特異基因的區(qū)域可由原位雜交技術(shù) （in situ hybridization）識(shí)別。衛(wèi)星 DNAs 經(jīng)常存在于異染色質(zhì)7/26/202255魯云霞制作鼠衛(wèi)星位于著絲粒7/26/202256魯云霞制作2.反向重復(fù)序列兩個(gè)順序相同的拷貝在DNA鏈上呈反向排列。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)。兩個(gè)反向排列的拷貝之間隔著一段間隔順序；兩個(gè)拷貝反向串聯(lián)在一起，中間沒有間隔順序，形成回文

29、結(jié)構(gòu)（palindrome）。7/26/202257魯云霞制作（二）中重復(fù)序列DNA中度重復(fù)序列散在分布于基因組中；中重復(fù)序列常與單拷貝序列間隔排列，有一部分是編碼rRNA、tRNA、組蛋白和免疫球蛋白的結(jié)構(gòu)基因，另外一些可能與基因的調(diào)控有關(guān)；典型的Alu家族是一種散在重復(fù)順序，由于序列中有限制性內(nèi)切酶Alu的酶切位點(diǎn)而得名；重復(fù)單位是300bp，由2個(gè)130bp的重復(fù)序列組成，中間有31bp間隔序列，重復(fù)3050萬次；為靈長類基因組所特有，可作為天然標(biāo)記。7/26/202258魯云霞制作（三）重復(fù)序列的DNA多態(tài)性DNA位點(diǎn)多態(tài)性：由于等位基因間在特定位點(diǎn)上的DNA序列存在差異造成；限制性片

30、段長度多態(tài)性（RFLP）：用同一種限制酶消化不同個(gè)體的DNA時(shí)，會(huì)得到長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：可變數(shù)目的串聯(lián)重復(fù)序列（VNTRs），有小衛(wèi)星DNA多態(tài)性，微衛(wèi)星DNA多態(tài)性。7/26/202259魯云霞制作 四、多基因家族和假基因 基因家族（gene family）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，同源性最高可達(dá)100（多拷貝基因）。多基因家族中的基因，其編碼產(chǎn)物常具有相似的功能；而在基因超家族中，許多基因的編碼產(chǎn)物在功能上卻毫無相同之處。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：

31、7/26/202260魯云霞制作 核酸序列相同 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。 核酸序列高度同源 如人類生長激素基因家族。包括3種激素的基因：人生長激素（hGH）、人胎盤促乳素（hCS）和催乳素（prolactin）。它們之間的同源性很高，尤其是hGH與hCS，蛋白質(zhì)氨基酸序列有85的同源性，mRNA序列有92的同源性。 編碼產(chǎn)物具有同源功能區(qū) 如src癌基因家族，各成員基因結(jié)構(gòu)雖無明顯的同源性，但每個(gè)基因產(chǎn)物都含有250個(gè)氨基酸順序的同源蛋白激酶結(jié)構(gòu)域。7/26/202261魯云霞制作 編碼產(chǎn)物具有小段保守基序 如DEAD盒基因家族含有幾個(gè)不同的

32、基因，它們的產(chǎn)物都具有解旋酶的功能，其結(jié)構(gòu)特征是8個(gè)氨基酸基序，內(nèi)含DEAD盒序列：AspGluAlaAsp。 基因超家族 基因超家族（gene superfamily）是指一組由多基因家族及單基因組成的更大的基因家族。它們的結(jié)構(gòu)有程度不等的同源性，可能都起源于相同的祖先基因，但是它們的功能并不一定相同。最典型的基因超家族是免疫球蛋白基因超家族。7/26/202262魯云霞制作基因超家族通過應(yīng)用計(jì)算機(jī)分析基因結(jié)構(gòu)序列，使越來越多的基因歸為一類，使原來的多基因家族成為基因超家族。如絲氨酸蛋白酶基因超家族，原來是多基因家族，具有酶活性；現(xiàn)已有很多新成員加入進(jìn)去，特別是載脂蛋白（apolipopro

33、tein），只是轉(zhuǎn)移膽固醇蛋白顆粒中的成分，不具有酶活性。7/26/202263魯云霞制作（二）假基因（pseudogene,）是與某些有功能的基因結(jié)構(gòu)相似，但不能表達(dá)基因產(chǎn)物的基因；假基因起初可能是有功能的，但在復(fù)制時(shí)編碼序列或調(diào)控元件發(fā)生突變，或是插入了mRNA逆轉(zhuǎn)錄的cDNA，缺少基因表達(dá)所需要的啟動(dòng)子序列；傳統(tǒng)假基因通常是在編碼區(qū)引入了終止密碼子，如；加工的假基因（）是插入了由mRNA逆轉(zhuǎn)錄的cDNA；假基因在高等哺乳動(dòng)物基因組中是一種普遍現(xiàn)象。7/26/202264魯云霞制作假基因：類似于基因但不表達(dá)的DNA序列。不表現(xiàn)任何功能，是基因的退化形式。假基因在基因組中形成穩(wěn)定的和無活性的

34、拷貝，由活化的原始基因突變而來，存在著在某個(gè)階段傷及基因表達(dá)的一種或多種缺陷（入啟動(dòng)子錯(cuò)誤、有缺陷的剪接信號(hào)、框架中有終止信號(hào)等）之故。一旦不能產(chǎn)生正常的基因產(chǎn)物，就失去了對(duì)發(fā)生進(jìn)一步突變的選擇性屏障作用，因此典型的假基因都有很多缺陷。某些假基因有3-多聚A尾巴及準(zhǔn)確地切掉了內(nèi)含子，因而與mRNA類似，被認(rèn)為是源自插入基因組的逆轉(zhuǎn)錄體（可能由某些病毒攜帶）。7/26/202265魯云霞制作每個(gè)和球蛋白基因家族組成單個(gè)簇，包括功能性基因和假基因7/26/202266魯云霞制作 真核生物基因組中的轉(zhuǎn)座子在真核生物基因組中，編碼序列在染色體中的位置相對(duì)比較穩(wěn)定，但一些中度重復(fù)序列往往可以移動(dòng)。 端粒

35、以線性染色體形式存在的真核基因組DNA末端都有一種特殊的結(jié)構(gòu)，稱為端粒（telomere）。該結(jié)構(gòu)是一段DNA序列和蛋白質(zhì)形成的復(fù)合體，僅在真核細(xì)胞染色體末端存在。其功能主要有保護(hù)線性DNA的完整復(fù)制、保護(hù)染色體末端及決定細(xì)胞的壽命等。7/26/202267魯云霞制作第五節(jié)基因組變異具有重要的生理和病理意義基因組在進(jìn)化過程中發(fā)生了各種形式的變異，如突變、插入、缺失、不同數(shù)目串聯(lián)重復(fù)和單核苷酸多態(tài)性（）；染色體變異可導(dǎo)致疾病的發(fā)生；線粒體基因病受到越來越多的重視；易感基因與環(huán)境的相互作用。7/26/202268魯云霞制作基因組學(xué)包括3個(gè)不同的亞領(lǐng)域結(jié)構(gòu)基因組學(xué)(structural genomi

36、cs) 功能基因組學(xué)(functional genomics)比較基因組學(xué)(comparative genomics) 基因組學(xué)概念第六節(jié)基因組學(xué)是一門新的科學(xué)7/26/202269魯云霞制作人類基因組計(jì)劃的直接動(dòng)因是要解決包括腫瘤在內(nèi)的人類疾病的分子遺傳學(xué)問題。6000多個(gè)單基因遺傳病和多種大面積危害人類健康的多基因遺傳病的致病基因及相關(guān)基因，代表了對(duì)人類基因中結(jié)構(gòu)和功能完整性至關(guān)重要的組成部分。疾病基因的克隆在HGP中占據(jù)著核心位置，也是計(jì)劃實(shí)施以來成果最顯著的部分。7/26/202270魯云霞制作人類基因組DNA的奧秘 遺傳信息存貯在4種字符組成的核酸序列中 “天書”用遺傳語言書寫的人類

37、遺傳藍(lán)本包含的信息量巨大更重要的是目前人類對(duì)它了解甚少天書中只有4個(gè)字符（堿基A、T、G、C）既沒有段落，也沒有標(biāo)點(diǎn)符號(hào)是一個(gè)長度為3109的一維序列。 7/26/202271魯云霞制作一、人類基因組的四張圖譜：遺傳圖，物理圖，轉(zhuǎn)錄圖，序列圖；二、人類基因組計(jì)劃的完成向人們提出了更高的挑戰(zhàn) 人類基因組計(jì)劃簡介7/26/202272魯云霞制作Craig Venter (head of Celera Genomics), Ari Patrinos (director of DOE HumanGenome Program and Biological and Environmental Resear

38、ch Program), and Francis Collins (director, NIH National Human Genome Research Institute) 7/26/202273魯云霞制作Background 1:The Road to the Sequence7/26/202274魯云霞制作1985 HGP first be discussed(May) Robert Sinsheimer (pictured) hosts a meeting at the University of California (UC), Santa Cruz, to discuss th

39、e feasibility of sequencing the human genome.(December) Kary Mullis and colleagues at Cetus Corp. develop PCR, a technique to replicate vast amounts of DNA (Science).7/26/202275魯云霞制作1990 large-scale sequencing on model organisms (August) NIH (National Institutes of Health) begins large-scale sequenc

40、ing trials on four model organisms: Mycoplasma capricolum (支原體), Escherichia coli (大腸桿菌）(up, pink), Caenorhabditis elegans (線蟲 ) (up, rainbow), and Saccharomyces cerevisiae (啤酒酵母) (up, ovals). Each research group agrees to sequence 3 Mb at 75 cents a base within 3 years.7/26/202276魯云霞制作1991 rice gen

41、ome sequencing begins(June) NIH biologist J. Craig Venter announces a strategy to find expressed genes, using ESTs (Science). A fight erupts at a congressional hearing 1 month later, when Venter reveals that NIH is filing patent applications on thousands of these partial genes.(October) The Japanese

42、 rice genome sequencing effort begins.7/26/202277魯云霞制作2019 Draft Sequence of Human Genome PublishedThe HGP consortium publishes its working draft in Nature (15 February), and Celera publishes its draft in Science (16 February).For more details,we can refer the web:/feature/plus/sfg/hum

43、an/timeline.shtml7/26/202278魯云霞制作And 2019 April 5, A Draft Sequence of Rice Genome published by Chinese scientistA Draft Sequence Assembly of the Rice Genome Science 2019 April 5; 296(5565): p. 79-92Refer Science Online：/cgi/content/abstract/296/5565/797/26/202279魯云霞制作On Feb 16th 2019 What happened? 2019年2月中旬，Nature與Science分別發(fā)表了人類基因組工作框架圖(the draft genome)，這是人類基因組計(jì)劃(human genome project，HGP)實(shí)施以來所取得的最重大進(jìn)展，也是生命科學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)里程碑。自HGP提出以來，到現(xiàn)在一共16年。這16年來科學(xué)家們所走過的是一條充滿艱辛的路，同時(shí)也是一條譜寫輝煌的路。回顧這段將在人類歷史上永載史冊(cè)的光輝歷程，相信對(duì)每一位科學(xué)殿堂里的探索者都會(huì)大有啟迪。我們應(yīng)該記住他們，記住他們所作出的成就。 J. Craig Venter是一位在人類基因組計(jì)劃實(shí)