基因組的結(jié)構(gòu)和功能

基因組的結(jié)構(gòu)和功能第一頁，共六十一頁，2022年，8月28日基因組（genome）是指生物體中一套完整的遺傳物質(zhì)的總和?；蚪M的結(jié)構(gòu)是指具有一定生物學(xué)功能的片段在核酸分子上的分布與排列情況?；蚪M的功能是貯存和表達遺傳信息。第二頁，共六十一頁，2022年，8月28日第一節(jié)真核生物基因組的結(jié)構(gòu)與功能Section1StructureandFunctionofEukaryoticGenome第三頁，共六十一頁，2022年，8月28日真核生物基因組都是由大分子雙鏈線狀DNA構(gòu)成。染色體通常成對出現(xiàn)（雙倍體）?；蚪M非常龐大，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，有多個復(fù)制起始位點。真核生物基因組的特點第四頁，共六十一頁，2022年，8月28日基因組中存在大量的重復(fù)序列以及非編碼序列。真核生物基因組內(nèi)非編碼序列占90%以上，是與細菌、病毒的重要區(qū)別，在一定程度上也是生物進化的標尺。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）。第五頁，共六十一頁，2022年，8月28日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。采用復(fù)性動力學(xué)方法來研究真核生物基因組時，可按其復(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。

一、真核生物基因組中重復(fù)序列的結(jié)構(gòu)與功能第六頁，共六十一頁，2022年，8月28日（一）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，可達106次，因此復(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10～60%范圍內(nèi)。人的高度重復(fù)序列約占整個基因組的20%

左右。第七頁，共六十一頁，2022年，8月28日

反向重復(fù)序列（invertedrepeats）：是由兩個相同順序的互補拷貝在同一DNA

雙鏈上反向排列而成。高度重復(fù)序列按其結(jié)構(gòu)特點可分為三種：

第八頁，共六十一頁，2022年，8月28日反向重復(fù)序列的兩種形式發(fā)卡結(jié)構(gòu)第九頁，共六十一頁，2022年，8月28日回文結(jié)構(gòu)畫上荷花和尚畫書臨漢字翰林書第十頁，共六十一頁，2022年，8月28日衛(wèi)星DNA（satelliteDNA）：衛(wèi)星DNA的重復(fù)單位一般由2～70bp組成，成串排列。衛(wèi)星DNA占基因組的比例隨種屬而異，在0.5～31%范圍內(nèi)。第十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日衛(wèi)星DNA的堿基組成不同于其它部分，故可用等密度梯度離心法從基因組中分離出來。第十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日人類基因組中可分離出三類衛(wèi)星DNA，共占人類基因組的5~6%：大衛(wèi)星DNA（macrosatelliteDNA）：其重復(fù)單位為5~171bp，主要分布于染色體的著絲粒區(qū)。小衛(wèi)星DNA（minisatelliteDNA）：其重復(fù)單位為15~70bp，存在于常染色體。第十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日微衛(wèi)星DNA/短串聯(lián)重復(fù)序列（microsatelliteDNA/shorttandemrepeat,STR）：其重復(fù)單位為2~5bp，存在于常染色體，常見于內(nèi)含子中。人類基因組DNA中平均每6～10kb就有一個STR位點。不同個體之間在一個同源STR位點的重復(fù)次數(shù)不同。由于重復(fù)單位及重復(fù)次數(shù)不同，使其在不同種族，不同人群之間的分布具有很大差異性，構(gòu)成了STR遺傳多態(tài)性。第十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日同一種屬中不同個體的高度重復(fù)順序的重復(fù)次數(shù)不一樣，這可以作為每一個體的特征，即DNA指紋。STR分析法已經(jīng)成為法醫(yī)學(xué)領(lǐng)域個體識別和親權(quán)鑒定的重要分析方法，可應(yīng)用于司法案件調(diào)查，也就是遺傳指紋分析。第十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日AlecJ.Jeffreys和歷史上第一張DNA指紋圖譜15-yearoldLyndaMann

15-yearoldDawnAshworth第十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日1802年的一副杰斐遜和莎莉的諷刺畫像第十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日第十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日（二）中度重復(fù)序列：中度重復(fù)序列是指在基因組中重復(fù)數(shù)十次至數(shù)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。第十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日中度重復(fù)序列中有一部分是編碼rRNA、tRNA、組蛋白及免疫球蛋白的結(jié)構(gòu)基因，另一部分可能與基因調(diào)控有關(guān)。第二十頁，共六十一頁，2022年，8月28日真核基因組中，中度重復(fù)序列主要包括短散在核元件（shortinterspersednuclearelements，SINEs）和長散在核元件（longinterspersednuclearelements，LINEs）。第二十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日典型的短散在核元件（SINEs）是靈長類所特有的Alu重復(fù)序列家族，因在其序列中存在限制酶Alu的切點而得名。限制性內(nèi)切酶Alu的切點為（AGCT),將其切成

130bp和170bp的兩段。第二十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日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。第二十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日典型的長散在核元件（LINEs）是KpnⅠ重復(fù)序列家族，因在其序列中存在限制酶KpnⅠ的切點而得名。KpnⅠ家族的重復(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。第二十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日（三）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，它儲存了巨大的遺傳信息，編碼各種功能不同的蛋白質(zhì)。第二十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日真核生物基因組中的重復(fù)序列第二十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日二、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。第二十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日多基因家族可分為兩類：基因家族成簇地分布在同一染色體上并同時進行轉(zhuǎn)錄，如組蛋白基因家族；chromosome7第二十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日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。第二十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日珠蛋白多基因家族的組織結(jié)構(gòu)-類珠蛋白基因家族-類珠蛋白基因家族chromosome11chromosome16第三十頁，共六十一頁，2022年，8月28日假基因（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。

第三十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日人類染色體上的假基因第三十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日假基因是由于在進化過程中，某些DNA片段發(fā)生了缺失、倒位或點突變，導(dǎo)致調(diào)控基因丟失；或無剪接加工信號；或編碼區(qū)出現(xiàn)終止信號；或編碼無功能或不完整的基因。雁過尚且留聲，人生豈能無痕第三十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日三、線粒體DNA的結(jié)構(gòu)線粒體DNA（mitochondrialDNA,mtDNA）屬于真核細胞核外遺傳物質(zhì)，可獨立編碼存在于線粒體中的多肽鏈、rRNA或tRNA。mtDNA為雙鏈環(huán)狀DNA，其分子結(jié)構(gòu)特點與原核生物DNA相同。第三十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日

mtDNA長16,569bp，含37個結(jié)構(gòu)基因，編碼13種蛋白、22種tRNA和2種rRNA。這13種蛋白質(zhì)為呼吸鏈酶復(fù)合物的單位。第三十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日第三十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日第二節(jié)原核生物基因組的結(jié)構(gòu)與功能Section2StructureandFunctionofProkaryoticGenome第三十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日基因組相對較小，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。原核生物基因組的特點第三十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日每個DNA分子（染色體DNA和質(zhì)粒DNA）只有一個復(fù)制起始點。第三十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日含可轉(zhuǎn)移的序列，如插入序列、轉(zhuǎn)座子等。結(jié)構(gòu)基因通常為連續(xù)基因，少量重疊基因，非編碼區(qū)和重復(fù)序列少。功能相關(guān)的基因常常組織形成操縱子結(jié)構(gòu)，操縱子結(jié)構(gòu)是原核基因組的一個突出的結(jié)構(gòu)特點。第四十頁，共六十一頁，2022年，8月28日一、原核生物基因以操縱子方式組構(gòu)功能上相關(guān)的若干結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起，由一套調(diào)控序列控制其轉(zhuǎn)錄表達，構(gòu)成基本轉(zhuǎn)錄單位，稱為操縱子（operon）。其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mRNA通常為多順反子（multicistron）：一個mRNA可編碼多個蛋白質(zhì)。第四十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日第四十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日第四十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日二、原核生物中的質(zhì)粒DNA質(zhì)粒（plasmid）是指存在于細菌中獨立于染色體DNA外的雙鏈環(huán)狀小分子DNA，可進行自主復(fù)制。第四十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日質(zhì)粒分子量一般為106～108

，小型質(zhì)粒的長度為1.5-15kb。質(zhì)粒只有在宿主細胞內(nèi)才能完成自己的復(fù)制，一旦離開宿主就無法復(fù)制和擴增。但質(zhì)粒對宿主細胞的生存不是必需的，宿主細胞丟失了質(zhì)粒依舊能夠存活。

第四十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日

質(zhì)粒所攜帶的遺傳信息能夠賦予細菌特定的遺傳性狀，能把外源基因（目的基因）送到宿主細胞中去克隆擴增或克隆表達。因此質(zhì)粒是基因工程的重要載體（vector）。

第四十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)座元件（transposableelement）/轉(zhuǎn)座子（transposon）是指能夠在DNA分子內(nèi)部或DNA分子之間移動的DNA片段或基因。它們從基因組的一個部位直接轉(zhuǎn)移到另一個部位，這個過程稱為轉(zhuǎn)座（transposition）。三、轉(zhuǎn)座元件第四十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日1983年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎McClintock(1902-1992）第四十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)座子不僅能夠在基因組內(nèi)轉(zhuǎn)移，而且還能夠改變基因的活性并引起功能的改變。轉(zhuǎn)座子有時插入到一個結(jié)構(gòu)基因或基因調(diào)節(jié)序列內(nèi)，引起基因表達的改變?，F(xiàn)在認為轉(zhuǎn)座子存在于地球上所有的生物。第四十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日第三節(jié)病毒基因組的結(jié)構(gòu)與功能Section3StructureandFunctionofVirusGenome第五十頁，共六十一頁，2022年，8月28日病毒（virus）是一種具有比較原始的生命形態(tài)和生命特征的非細胞生物。完整的病毒顆粒包括衣殼蛋白和內(nèi)部的基因組DNA或RNA，有些病毒的衣殼蛋白外面有一層被膜，被膜內(nèi)含有病毒基因編碼的糖蛋白。病毒不能獨立地復(fù)制，必須進入宿主細胞中借助細胞內(nèi)的一些酶類和細胞器才能使病毒復(fù)制。第五十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日一、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——動物呼腸孤病毒單鏈RNA病毒——逆轉(zhuǎn)錄病毒DNA病毒

RNA病毒第五十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日基因組大小變化較大：一般為3~300kb?；蚪M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。二、病毒基因組的特點第五十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日基因的結(jié)構(gòu)變化較大：連續(xù)基因，斷裂基因，串聯(lián)基因，mRNA缺失5′-端帽子結(jié)構(gòu)或翻譯起始序列等。基因重疊現(xiàn)象較普遍。第五十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日

蓮人在綠楊津

采

一

玉漱聲歌新闕采蓮人在綠楊津，在綠楊津一闕新，一闕新歌聲漱玉，歌聲漱玉采蓮人。野野鳥鳥啼啼時時有有思思第五十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日

重疊基因（overlappinggene）即同一段DNA片段能夠以兩種或兩種以上的閱讀方式進行閱讀，因而可編碼兩種或兩種以上的多肽。按重疊方式不同，可分為完全重疊