分子診斷-基因組

第二章

基因與基因組

GeneandGenome第一節(jié)基因與基因組概論Outlineofgeneandgenome一、基因的概念及其發(fā)展Gene:基因（gene）是1909年丹麥植物學(xué)家W.Johannsen根據(jù)希臘文單詞genos(birth，給予生命）創(chuàng)造的。Gene:是存在于染色體上的具有特定的遺傳功能的DNA片段，基因可分為三大類(lèi)：mDNA、tDNA、rDNA，就病毒而言，基因也可以是RNA片段。合成有功能的蛋白質(zhì)或RNA所必需的全部DNA序列，即一個(gè)基因不僅包括編碼蛋白質(zhì)或RNA的核酸序列，還應(yīng)包括為保證轉(zhuǎn)錄所必需的調(diào)控序列。結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄單位轉(zhuǎn)錄單位簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)錄單位復(fù)雜轉(zhuǎn)錄單位結(jié)構(gòu)基因真核生物大多數(shù)結(jié)構(gòu)基因，由若干個(gè)編碼區(qū)和非編碼區(qū)互相間隔開(kāi)但又連續(xù)鑲嵌而成，去除非編碼區(qū)再連接后，可翻譯出由連續(xù)氨基酸組成的完整蛋白質(zhì)，這些基因稱(chēng)為斷裂基因。斷裂基因(splitgene)CABD編碼區(qū)A、B、C、D非編碼區(qū)

基因的大小不同生物基因的平均大小種類(lèi)平均外顯子數(shù)目平均基因長(zhǎng)度（kb）平均mRNA長(zhǎng)度（kb）酵母11.61.6果蠅411.32.7哺乳動(dòng)物716.62.2

基因的大小基因的大小主要取決于內(nèi)含子的有無(wú)、大小及數(shù)量。

基因總數(shù)與必需基因？基因總數(shù)ORF

若知道某物種基因組大小，可以根據(jù)已知基因及其間隔區(qū)的平均大小推測(cè)基因的數(shù)量。不同生物基因的數(shù)量種類(lèi)基因組大?。╞p）基因數(shù)目枝原體1.0X106750噬菌體T41.6X105200大腸桿菌4.6X1063500酵母1.3X1076100果蠅1.4X1088750人3.0X1093.2萬(wàn)

必需基因（essentialgene）

生物體中存在的一些維持生物細(xì)胞生長(zhǎng)所必需的基因，缺失或突變這些基因均能導(dǎo)致生物體死亡。大腸桿菌酵母果蠅致死基因180036003100占基因總數(shù)42%60%26%二、基因組與C值矛盾基因組（genome）基因組（genome）一詞系由德國(guó)漢堡大學(xué)H.Winkles教授于1920年首創(chuàng)，從GENe和chromosOME組成。用于表示生物的全部基因和染色體組成的概念。基因組（genome）一詞系由德國(guó)漢堡大學(xué)H.Winkles教授于1920年首創(chuàng)，從GENe和chromosOME組成。用于表示生物的全部基因和染色體組成的概念?；蚪M（genome）：生物體全套遺傳信息，包括所有基因和基因間的區(qū)域。真核生物基因組核基因組線粒體基因組葉綠體基因組原核生物基因組染色體質(zhì)?；蚪M比較顯花植物鳥(niǎo)類(lèi)哺乳類(lèi)爬行類(lèi)兩棲類(lèi)昆蟲(chóng)類(lèi)軟體動(dòng)物蠕蟲(chóng)類(lèi)真菌革蘭陰性菌支原體病毒類(lèi)10410510610710810910101011（bp）不同生物種類(lèi)基因組的C值分布C值（Cvalue）:基因組大小。同一物種的基因組大小總是恒定的。不同物種的C值差異非常大。C值矛盾（Cvalueparadox）生物體的進(jìn)化程度與基因組大小之間不完全成比例的現(xiàn)象?；蚪M計(jì)劃（genomeproject）基因組計(jì)劃（genomeproject）：以獲得某物種基因組全序列為主要目標(biāo)的科學(xué)計(jì)劃?；蚪M學(xué)（genomics）由美國(guó)科學(xué)家ThomasRoderick于1986年首創(chuàng)?；蚪M學(xué)（genomics）：以基因組為研究對(duì)象的一門(mén)科學(xué)。研究生物基因組的組成、組內(nèi)各基因的結(jié)構(gòu)、功能及表達(dá)調(diào)控的科學(xué)。包括基因組作圖、核苷酸序列測(cè)定、基因定位及基因功能分析等。基因組作圖在長(zhǎng)鏈DNA分子的不同位置尋找特征性的分子標(biāo)記，繪制基因組圖。根據(jù)分子標(biāo)記可以準(zhǔn)確無(wú)誤地將已測(cè)序的DNA小片段錨定到染色體的位置上?；蚪M學(xué)分支

結(jié)構(gòu)基因組學(xué)（structuralgenomics）功能基因組學(xué)(functionalgenomics)

比較基因組學(xué)

比較基因組學(xué)：對(duì)已知的基因和基因組結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，研究不同物種之間在基因組結(jié)構(gòu)和功能方面的親源關(guān)系及其內(nèi)在聯(lián)系的學(xué)科。

比較基因組學(xué)的研究?jī)?nèi)容物種的進(jìn)化了解同源基因的功能。對(duì)序列差異性的研究有助于認(rèn)識(shí)產(chǎn)生大自然生物多樣性的基礎(chǔ)。三、基因組學(xué)的意義有些人既抽煙又喝酒卻能活到90歲而不生癌癥，而有些人卻因?yàn)槌闊熡趾染圃缭绲氐昧税┌Y。有些女性的乳腺癌經(jīng)治療后能得到好轉(zhuǎn)，而有些女性卻不能。為什么？第二節(jié)真核生物基因組EukaryoticGenome一、真核生物基因組結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)Featureofstructureandfunction細(xì)胞核基因組（cytoblastgenome）細(xì)胞器基因組（organellegenome）(一)

Featureofstructureandfunctionincytoblastgenome1.細(xì)胞核基因組由染色體DNA組成：真核基因組龐大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為線性雙鏈DNA分子存在于染色體中。核小體結(jié)構(gòu)核小體模型核小體是構(gòu)成染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位，使染色質(zhì)中DNA、RNA和蛋白質(zhì)組成一種致密的結(jié)構(gòu)。

染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)錄活性相關(guān)常染色質(zhì)異染色質(zhì)核小體的細(xì)微結(jié)構(gòu)影響基因表達(dá)念珠樣結(jié)構(gòu)不利于基因表達(dá)乙?；M蛋白有利于基因表達(dá)2.真核生物的斷裂基因（splitgene）大多數(shù)真核生物的基因是斷裂的，是由外顯子和內(nèi)含子間隔組成的不連續(xù)基因。3.真核生物的重復(fù)序列（Eukaryoticrepeatedsequence）真核生物基因組中含有大量的重復(fù)序列，這是真核生物基因組的重要特征。重復(fù)序列的分類(lèi)高度重復(fù)序列（highlyrepetitivesequence）：1萬(wàn)-幾百萬(wàn)個(gè)拷貝。單拷貝序列（uniquesequence）亦稱(chēng)非重復(fù)序列（nonrepetitivesequence）:在一個(gè)基因組中只有一個(gè)拷貝或2-3個(gè)拷貝。輕度重復(fù)系列（minor

repetitivesequence):拷貝數(shù)介于4-10之間。中度重復(fù)序列（moderatelyrepetitivesequence）：拷貝數(shù)介于10-幾千之間。4.真核基因組的另一個(gè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是存在多基因家族和假基因Multigenefamily:起源相同、序列相似、功能相關(guān)的一組基因。

人珠蛋白多基因家族ξ2α1α2εGγAγδβ假基因（pseudogene）在多基因家族中，有的家族成員因突變而失活，不能表達(dá)出有活性的基因產(chǎn)物，這些基因被稱(chēng)為假基因。據(jù)假基因產(chǎn)生的機(jī)制分類(lèi)

常規(guī)假基因（conventionalpsudogene）加工假基因（processedpsudogene）5.無(wú)操縱子結(jié)構(gòu)，真核生物基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順?lè)醋印?.真核生基因組內(nèi)編碼序列所占的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于非編碼序列。（二）Featureofstructureandfunctionabouteukaryoticorganellegenome人線立體基因組示意圖16569bpD-loop:呼吸鏈蛋白基因:tRNA基因人線粒體基因組共編碼37個(gè)基因2個(gè)RNA基因16S和12SrRNA22個(gè)tRNA基因13個(gè)蛋白質(zhì)基因

1個(gè)Cytb基因

2個(gè)ATP酶亞基的基因ATPase6和ATPase83個(gè)細(xì)胞色素氧化酶亞基基因--CO1、CO2、CO3

7個(gè)呼吸鏈NADH脫氫酶亞基的基因高等動(dòng)物線粒體基因組區(qū)別于核基因組的特點(diǎn)

母系遺傳。線粒體DNA損傷后不易修復(fù)。遺傳密碼與通用密碼有差別。二、人類(lèi)基因組計(jì)劃（humangenomeproject）20世紀(jì)人類(lèi)科技發(fā)展史上的三大創(chuàng)舉

40年代第一顆原子彈爆炸60年代人類(lèi)首次登上月球90年代人類(lèi)基因組計(jì)劃目的：測(cè)定基因組的全部序列，弄清整個(gè)基因組的的結(jié)構(gòu)、功能及其表達(dá)產(chǎn)物，徹底了解人類(lèi)生命活動(dòng)本質(zhì)。二000年六月二十六日克林頓宣布人類(lèi)基因組草圖繪制完成三、人類(lèi)基因組多樣性Humangenomediversity人與人之間有很大的不同。這些差異主要是由基因組的差異所決定的。Humangenomediversity:人類(lèi)基因組的個(gè)體差異。同一人種或不同人種的基因組之間存在的或多或少的差異。人與人的基因組99.99%都是相同的。只有0.01%不同。。正是這不同的部分形成一個(gè)人的特性，例如人的相貌，易患的疾病等。大多數(shù)基因組的差異對(duì)人體沒(méi)有影響，稱(chēng)為沉默性差異。這種差異大多位于DNA的非編碼序列。常見(jiàn)多態(tài)性的類(lèi)型（一）微衛(wèi)星DNA多態(tài)性（microsatelliteDNApolymorphism）衛(wèi)星DNA（satelliteDNA）A260重復(fù)序列的長(zhǎng)度為1-6bp構(gòu)成微衛(wèi)星DNA核心區(qū)側(cè)翼區(qū)側(cè)翼區(qū)RERE微衛(wèi)星DNA核心區(qū)拷貝數(shù)的差異產(chǎn)生的機(jī)制

不均等交換（unequalcrossingover）XababababababYXababababababYXabababababababababYXabababY復(fù)制滑移（replicationslippage）XababababababababababababYXabababY結(jié)論：重復(fù)序列單元的拷貝數(shù)的變異導(dǎo)致了微衛(wèi)星DNA多態(tài)性。（二）Alu序列多態(tài)性

據(jù)重復(fù)序列的長(zhǎng)度可將散在分布的重復(fù)序列分為兩個(gè)主要的類(lèi)型：短散布核元件（shortinterspersednuclearelement,SINE）:Alu家族長(zhǎng)散布核元件（longinterspersednuclearelement,SINE）:Kpn家族AluⅠ酶切位點(diǎn)（AGTC）170bp130bp外部重復(fù)序列富含CG的重復(fù)序列插入序列Alu序列的基本結(jié)構(gòu)結(jié)論：Alu序列多態(tài)性是由可轉(zhuǎn)座元件導(dǎo)致的分子多態(tài)。三、SNP單核苷酸多態(tài)性（singlenucleotidepolymorphism）SNP：是由于單個(gè)核苷酸變異而導(dǎo)致的DNA分子多態(tài)。

SNP在人基因組中發(fā)生頻率高，是最常見(jiàn)的基因組差異。SNP和人類(lèi)的健康有著密切的關(guān)系。SNP在基因組中數(shù)量繁多(幾百萬(wàn)個(gè))，易于檢測(cè)，