基因组的结构与功能讲稿.ppt

关于基因组的结构与功能第一页，讲稿共五十四页哦概念 基因(gene)：基因组(genome)：基因是指DNA分子中参与编码特异的蛋白质（多肽链）或RNA的一段核酸序列。“基因组(genome)”一词是1920年Winkles从GENes和chromosOMEs两词中取其部分组成的。泛指一个细胞或一个生物体的全部遗传信息。在真核生物，基因组是指一套（单倍体）染色体DNA。例如，人类基因组包含了细胞核染色体DNA（22条常染色体和X、Y两条性染色体）和线粒体DNA所携带的所有遗传物质。第二页，讲稿共五十四页哦不同生物体中DNA的大小和基本特征不同生物体中DNA的大小和基本特征 千碱基对长度(cm)染色体数(单倍体)形 状病毒病毒SV405.20.000171环状噬菌体X1745.40.000181线性单链噬菌体原核生物460.00151线性大肠杆菌40000.131环状真核生物酵母10000.03317果蝇410001.44人28000004.123病毒基因组结构简单，所含结构基因很少；原核生物基因组所含基因数量较多，且有较为完善的表达调控体系；真核生物基因组所含基因数量巨大，表达调控系统也更为精细。第三页，讲稿共五十四页哦顺反子(cistron)：由结构基因转录生成的mRNA序列称为顺反子。单顺反子(monocistron)：一个编码基因转录生成一个mRNA分子，经翻译生成一条多肽链，此相应的mRNA序列称为单顺反子。真核生物基因的转录产物为单顺反子。多顺反子(polycistron)：原核生物中，大多数功能相关的结构基因成簇地串联在一起，形成操纵子，由操纵子控制转录生成的mRNA是多顺反子。顺反子第四页，讲稿共五十四页哦第一节 病毒基因组第五页，讲稿共五十四页哦一、病毒基因组核酸的主要类型 按照核酸的性质、基因组结构及复制的特点，可以将病毒基因组分为以下几种类型。单链正股DNA 双链DNA 单链正股RNA 单链负股RNA 双链RNARNA病毒基因组所携带的遗传信息一般都在同一条链上，序列与mRNA相同的为正股(+)，与mRNA互补的为负股()。在DNA中，不同基因可以不同的链作为转录模板，很难严格的定义为正股或负股。因此，有的病毒DNA有正股和负股之分，有的则没有。第六页，讲稿共五十四页哦二、病毒基因组结构与功能的特点 第七页，讲稿共五十四页哦第二节 原核生物基因组第八页，讲稿共五十四页哦一、原核生物基因组结构与功能的特点 第九页，讲稿共五十四页哦二、质粒二、质粒 (一一)概念概念 1.只能在宿主细胞内进行独立复制和扩增 2.分子量一般为106108，小型质粒长度一般为1.515kb 3.质粒对宿主细胞的生存不是必需的 4.携带的遗传信息能赋予细菌特定的遗传性状质粒是细菌细胞内携带的染色体外的DNA分子，是共价闭合的环状DNA分子。能独立复制的最小遗传单位。第十页，讲稿共五十四页哦质粒与宿主细胞的关系质粒与宿主细胞的关系（1）质粒对宿主的生存不是必需的，只是质粒对宿主的生存不是必需的，只是“友好友好”的的“借居借居”宿主细胞中，宿主细胞中，既不杀伤细胞，对宿主的代谢活动也无影响，宿主既不杀伤细胞，对宿主的代谢活动也无影响，宿主离开质粒照样的生存下去。离开质粒照样的生存下去。（酶和蛋白（酶和蛋白质）帮助，才能完成自身的复制（扩增）、转录。质）帮助，才能完成自身的复制（扩增）、转录。，作为对宿主细胞的补作为对宿主细胞的补偿（偿（“交房租交房租”）。）。使宿主使宿主获得生存优势，与我们基因工程实验紧密相关的，如抗生素抗性基因：获得生存优势，与我们基因工程实验紧密相关的，如抗生素抗性基因：Amp r 酶，水解酶，水解-内酰胺环内酰胺环,解除氨苄毒性解除氨苄毒性,使细菌抗氨苄。使细菌抗氨苄。Tet r 膜蛋白膜蛋白,可阻止四环素进入细胞可阻止四环素进入细胞,使细菌抗四环素。使细菌抗四环素。第十一页，讲稿共五十四页哦 4.质粒发现和研究意义质粒发现和研究意义 质粒能够复制、传递和表达遗传信息，质粒能够复制、传递和表达遗传信息，从分子遗传学观点来看是一种有机体，是比病毒更原从分子遗传学观点来看是一种有机体，是比病毒更原始的生命形式，始的生命形式，基因工程基因工程的重要任务之一就是严格改造质粒的同时，控制质粒不传的重要任务之一就是严格改造质粒的同时，控制质粒不传递，若一个致癌质粒可以传递就可能会传到外。递，若一个致癌质粒可以传递就可能会传到外。第十二页，讲稿共五十四页哦 A.都能独立自主的复制；都能独立自主的复制；B.都能便利的加以检测（抗生素抗性）；都能便利的加以检测（抗生素抗性）；C.都能容易引进宿主细胞中去，也易从宿主细都能容易引进宿主细胞中去，也易从宿主细胞中分离纯化（提质粒）。胞中分离纯化（提质粒）。质粒符合上述质粒符合上述3个条件。个条件。基因工程中主要使用人工构建的质粒。基因工程中主要使用人工构建的质粒。第十三页，讲稿共五十四页哦第十四页，讲稿共五十四页哦(二)质粒的遗传控制1.复制调控系统 控制质粒的拷贝数 2.分配系统 使质粒在细菌分裂过程中精确分配到子细胞中 3.细胞分裂控制系统 能够抑制细胞分裂，使细胞分裂与 质粒复制协调 4.位点特异重组系统 高拷贝质粒在菌体内有形成多聚体 的倾向，但在分裂时又必须拆开成单体，这样才能 保证质粒向子代细胞的平均分配。控制这一过程的 诸多因子构成位点特异重组系统 u质粒的不相容性：具有相同复制起始位点和分配区的两种质粒不能共存于一个宿主菌，这种现象称为质粒的不相容性。当一个宿主菌中的两个质粒的复制起始位点不同时，它们有各自的分配系统来精确调节它们在子代细胞中的分配，两种质粒可在子代细胞中稳定共存。质粒能在不断增殖的细胞中以一定的拷贝数稳定遗传，主要取决于4个不同的系统的精细调节。第十五页，讲稿共五十四页哦(三)质粒的类型 1.接合型质粒、可移动型质粒和自传递型质粒 细菌能够通过接合作用在细菌之间传递质粒。接合型质粒 只能使细菌接合，本身不能被传递；可移动型质粒 可动被传递，但不能使细菌接合；接合型与可移动型共存时，能传递可移动型质粒；自传递型质粒 具备接合型和可移动型两种质粒的功能，可以自传递，如F质粒。2.严谨型和松弛型质粒 严谨型质粒 低拷贝数质粒，一个细菌内仅含数个质粒；松弛型质粒 高拷贝数质粒，每个细菌内可达1060个或更多；3.窄宿主谱及广宿主谱质粒窄宿主质粒 存在于一种或数种密切相关的宿主；广宿主质粒 可以在不同科、属、种细菌之间传递；第十六页，讲稿共五十四页哦第十七页，讲稿共五十四页哦三、转位因子三、转位因子(一一)转位因子的类型及特征转位因子的类型及特征1.插入序列插入序列1.插入序列(insertion sequence，IS)转位因子 是指能够在一个DNA分子内部或两个DNA分子之间移动的DNA片段，即可移动的基因成分。在细菌中，则指可在质粒和染色体之间或在质粒和质粒之间移动的DNA片段。（文献上有时形象地称其为是跳跃基因，jumping gene）。转位也是DNA重组的一种形式。细菌的转位因子包括插入序列、转座子及可转座的噬菌体。TSTranspcsase geneTSIRIRTS target site 靶位点Transposase gene 转位酶基因IR inverted repeated 反向重复顺序第十八页，讲稿共五十四页哦（1），长度约，长度约700-2000bp，按发现顺序，按发现顺序IS1、IS2命名，命名，只携带转移的必需基因，不含有其它偏码蛋白质结构基因，本身没只携带转移的必需基因，不含有其它偏码蛋白质结构基因，本身没有表型效应。有表型效应。（2）在插入新的位点侧有在插入新的位点侧有3116p顺向重复顺序（顺向重复顺序（direct repeated sequence）,DR是靶位点序列复制的产物。是靶位点序列复制的产物。（3）可以插入到可以插入到E.coli染色体的各个位置上，也可以插染色体的各个位置上，也可以插入到质粒和某些噬菌体基因组上，甚至同一基因不同位点上。这种插入到质粒和某些噬菌体基因组上，甚至同一基因不同位点上。这种插入作用可以双向进行，可以是正向，也可以是反向插入入作用可以双向进行，可以是正向，也可以是反向插入IS这种移动方这种移动方式称为转位作用（式称为转位作用（transposition）。）。（4）*TR（反向倒转重复序列）（反向倒转重复序列）GGAAGGT、ACCTTCC CCTTCCA、TGGAAGG*DR（正同向重复序列）：（正同向重复序列）：TACGTTACGT 第十九页，讲稿共五十四页哦2.转座子3.可转座的噬菌体可转座的噬菌体 2.转座子(transposon，Tn)Tn是一类较大的可移动成分根据Tn的结构特征不同，Tn可以分为三类：(1)复合型Tn 由一个基因序列及两侧臂构成，两侧臂即为IS序列或类IS序列。(2)TnA 族 Tn 两端没有IS或类IS组件，由三部分组成，两端是正向或反向重复序列，中间有与Tn功能相关的基因(编码转座酶)及抗生素抗性基因等。(3)接合型Tn 可以在不同细菌间通过接合进行转移的Tn,它们没有末端反向重复序列，转座后也不产生顺向重复序列。3.可转座的噬菌体(transposable phage)是一类具有转座功能的溶源性噬菌体,包括Mu和D108等。第二十页，讲稿共五十四页哦(二)转位因子的几个遗传效应 第二十一页，讲稿共五十四页哦带有内解离区(res位点)的转座因子主要以复制性转座为主；不带解离区的转座因子以简单转座为主。简单转座(单纯转座)复制性转座转位作用解离位点DNA聚合酶 复制新链共整合(三)转位作用的机制受体DNA 供体DNA：表示靶位点转座子靶位酶在靶位 点处错位切开箭头处表示连接的末端第二次切割转座子,与供体DNA完全分离开DNA聚合酶完成靶位点的复制通过重组过程解离 酶在两个转座子拷贝之间把共 整合体分开连接连接第二十二页，讲稿共五十四页哦四、细菌基因组学研究及意义 彻底搞清病原微生物的致病机制 加快重要致病基因的发现速度 寻找病原菌特异的DNA序列，提高临床诊断的效率和准确性 为筛选有效药物及发展疫苗提供参考 第二十三页，讲稿共五十四页哦第三节 真核生物基因组第二十四页，讲稿共五十四页哦一、真核生物基因组的特点 第二十五页，讲稿共五十四页哦二、真核生物基因组的结构二、真核生物基因组的结构 (一一)结构基因结构基因第二十六页，讲稿共五十四页哦(二)顺式调控元件 第二十七页，讲稿共五十四页哦1.启动子启动子2.上游启动子元件上游启动子元件(promoter)(upstream promoter elements)上游启动子元件包括CAAT盒、CACA盒及GC盒等。CAAT5-GGNCAATCT-3CAAT5-GCCACACCC-3GC5-CCGCC-3第二十八页，讲稿共五十四页哦3.启动子启动子4.增强子增强子 5.加尾信号加尾信号(response elements)(enhancer)第二十九页，讲稿共五十四页哦(三)基因家族(gene family)(multigene family)第三十页，讲稿共五十四页哦基因家族的类型:(supergene family)G 第三十一页，讲稿共五十四页哦(四)重复序列1.高度重复序列(105次)2.中度重复序列(101105次)中度重复序列散在分布于基因组中，常与单拷贝 基因间隔排列，约占基因组DNA总量的35。3.单拷贝序列(一次或少数几次)大多数编码蛋白质的结构基因都属于这一类。多拷贝序列第三十二页，讲稿共五十四页哦(五五)真核生物基因组中的转座子真核生物基因组中的转座子(六六)端粒端粒(telomere)真核生物基因组中,一些中度重复序列往往是可移动的。其中一部分可移动成分的结构与原核基因组的转位因子相似,是通过DNA介导的。另外一些中度重复序列的转移成分则与一般细菌中的转移成分不同,要先转录成RNA,载逆转录生成cDNA,然后重新整合到基因组中,这种逆转录旁路的转移成分称为逆转录转座子(retroposon)。以线性染色体形式存在的真核基因组DNA的末端所存在的一种特殊结构，称为端粒，仅在真核细胞染色体末端存在。端粒的主要功能是保护线性DNA的完整复制、保护染色体末端、决定细胞的寿命等。第三十三页，讲稿共五十四页哦原核基因组、真核基因组、病毒基因组比较（供参考）原核基因组、真核基因组、病毒基因组比较（供参考）原核基因组原核基因组 真核基因组真核基因组 病毒基因组病毒基因组1.生物学特征生物学特征 类核、无核膜转录、翻译类核、无核膜转录、翻译 有核膜有核膜,录在核录在核,译在浆译在浆 DNA或或RNA不共存不共存1个个V颗粒颗粒(一一 同一个区间进行同一个区间进行 般利用宿主机制转录、翻译般利用宿主机制转录、翻译)2.染色体数目染色体数目 单倍体单倍体 配子为单倍体、体细胞双倍体配子为单倍体、体细胞双倍体 单倍体、逆转录病毒除外单倍体、逆转录病毒除外3.核酸分子结构核酸分子结构 双链环状双链环状DNA分子分子 双链线型双链线型 以以单链单链DNA，双链双链RNA突出突出4.基因组大小基因组大小 5000多个基因（多个基因（E.coli）510万（万（2.8万）万）3几百个几百个5.核酸类型核酸类型 DNA DNA DNA或或RNA6.核酸数目核酸数目 中（中（）多（多（）少（少（）7.结构基因连续性结构基因连续性 无内含子，连续基因无内含子，连续基因 有内含子、断裂基因有内含子、断裂基因 真核病毒不连续、原核连续真核病毒不连续、原核连续8.重叠基因重叠基因 无无 无无有有9.操纵子结构操纵子结构 有，多顺反子有，多顺反子 无操纵子结构、单顺反子无操纵子结构、单顺反子 无操纵子结构无操纵子结构10.重复顺序重复顺序 大量重复顺序大量重复顺序 有、少有、少 有、少有、少11.编码区编码区/非编码区非编码区 50%，50%5%、95%95%、5%12.基因家族基因家族 （）（）13.假基因假基因 （）（）14.可移动基因可移动基因 （）15.端粒端粒 （）16.复制方式复制方式 半保留半保留 半保留半保留 多样多样第三十四页，讲稿共五十四页哦三、人类基因组的组织结构特征 第三十五页，讲稿共五十四页哦(一一)人类基因组的重复顺序人类基因组的重复顺序 1反向重复顺序反向重复顺序(inverted repeats)GGAAGGT、ACCTTCC CCTTCCA、TGGAAGG第三十六页，讲稿共五十四页哦2.串联重复顺序(tandem repeats)(macrosatellite DNA)(minisatellite DNA)(microsatellite DNA)第三十七页，讲稿共五十四页哦3.散在重复顺序(interspersed repeats)第三十八页，讲稿共五十四页哦(二)人类基因组中的DNA多态性 第三十九页，讲稿共五十四页哦四、基因组学与人类基因组计划四、基因组学与人类基因组计划(一一)基因组学基因组学它是阐明整个基因组的结构、结构与功能的关系以及基因之间相互作用的科学。(genomics)u结构基因组学(structural genomics)：通过基因作图、核苷酸序列分析确定基因组成、基因定位的科学。u功能基因组学(functional genomics)：利用结构基因组学提供的信息，进行基因和非基因序列功能的研究。u比较基因组学(comparative genomics)：比较不同生物间基因和基因组结构的差异，以增进对基因功能的了解、阐明物种进化关系。第四十页，讲稿共五十四页哦遗传图谱转录图谱物理图谱序列图谱0.7cM或1kb100kbSTS mapHGP所从事的4张图谱(二)HGP的主要研究内容人类基因组计划研究内容是完成人类基因组的四种图谱遗传图谱物理图谱序列图谱转录图谱第四十一页，讲稿共五十四页哦1.遗传图谱指基因或DNA标志在染色体上的相对位置与遗传距离。它以具有多态性的遗传标记(细胞减数分裂时同源染色体发生交换的DNA区段)为“路标”，以重组频率为图距的基因组图。反映染色体上两点之间的连锁关系。遗传图谱的建立为基因识别和完成基因定位创造了条件。1.遗传图谱(genetic map)/连锁图谱(linkage map)第四十二页，讲稿共五十四页哦2.物理图谱指DNA序列上各遗传标志间的物理距离，是把遗传图谱中克隆群上的DNA片段按实际的物理位置进行排序所构建的图谱。距离单位为bp/kb/Mb。1cM的遗传距离大致上相当于1Mb的物理距离。物理图谱反映的是DNA序列上两点之间的实际距离，而遗传图谱则反映这两点之间的连锁关系。在DNA交换频繁的区域，两个物理位置相距很近的基因或DNA片段可能具有较大的遗传距离，反之亦然。物理图谱的目标：是在基因组中每100kb设一个标志点(即“路标”)，目前最满意的是以已定位的DNA(探针)序列STS(sequencing tagged site，序列标记位点)作为“路标”。至今已测定了40 000个以上的STS，平均图距(即分辨率)可达100kb。2.物理图谱(physical mapping)第四十三页，讲稿共五十四页哦3.序列图谱以某一染色体上所含的全部碱基顺序绘制的图谱。既包括可转录序列，也包括非转录序列，是转录序列、调节序列和功能未知序列的总和。遗传图谱与物理图谱都是为了绘制序列图谱而建的。目前的策略是把庞大的基因组分成若干个有路标的区域后，再着手进行序列分析。序列分析需要用一个区域的DNA片段重叠群使测序工作不断延伸，为此，序列标签位点(STS)被用作任何两个片段(上百个bp)间的重叠区域，使分别被测的短序列进行正确的拼接。序列图谱的基本策略是建立DNA小片段的重叠群并尽可能地降低重叠部分所占的比例以提高效率和降低成本。3.序列图谱(sequence mapping)第四十四页，讲稿共五十四页哦4.基因图谱 基因图谱实际上是一种转录图谱(transcription map)，又称cDNA(complementary DNA)计划。它是在识别基因组所包含的蛋白质编码序列的基础上绘制的结合有关基因序列、位置及表达模式等信息的图谱。是以表达序列标签(expression sequence tag，EST)为标志绘制的。34,10034,150 Kb4.基因图谱(gene mapping)第四十五页，讲稿共五十四页哦人类基因组计划简介 20世纪科学史上的三个里程碑：曼哈顿原子弹计划、人类登月计划、HGP 第四十六页，讲稿共五十四页哦 全部人类基因组约有2.91Gbp 基因数量约34万(2638339114)。目前已定位了2.6万多个基因，但其中尚有42%的功能不明。人类基因组中存在“热点”和大片“荒漠”。编码序列约占3%，非编码序列约占97%。35.3%的基因组包含重复的序列。人与人之间99.99%的基因密码是相同的。仅1%1.5%的人类基因带有制造蛋白质的指令 大约有223个基因可能是人类的脊椎动物祖先生存时由细菌插入的顺序。男性的基因突变率是女性的两倍，而且大部分人类遗传疾病是在Y染色体上进行的。人类基因组草图初步结论人类基因组草图初步结论第四十七页，讲稿共五十四页哦目前已建成的数据库包括Genbank、EMBL、DDBJ、PIR和Swiss-PROT等等。我们可以通过互联网直接进入这些数据库获得或输送有关基因组序列的数据。人类基因组研究资料和数据的储存及利用也是该计划的重要组成部分。基因数据库基因数据库第四十八页，讲稿共五十四页哦(三)HGP在医学中的意义基因结构与功能的研究基因组信息与疾病易感性的研究 在了解人类基因变异的基础上确定疾病的易感状态，尤其是比较病人与正常人群间的SNP，最终将确认各种疾病易感人群的遗传学背景。基因组与癌症研究 疾病的遗传学背景 确定各种疾病的基因结构。药物基因组学 个体化药物治疗。第四十九页，讲稿共五十四页哦(四)后基因组计划 功能基因组学：研究单一细胞在其生命的一定时刻、一定条件下所表达的基因的种类和数量；或比较不同细胞之间、或同一细胞在不同条件下基因表达的差异。进行基因功能鉴定、基因表达分析及突变检测 蛋白质组学：研究细胞或组织中基因组所表达的全部蛋白质，尤其是不同生命时期，或正常、或疾病或给药前后的全部蛋白质的变化。分析基因编码产物蛋白质的结构、功能和蛋白质群体内相互作用后基因组学研究内容主要为功能基因组学和蛋白质组学等。对疾病发生的分子机制、疾病的诊断、治疗、药物的研发等从基因的角度加以认识。蛋白质空间结构的分析与预测、基因表达产物的功能分析、细胞信号转导机制研究等也将在后基因组时代成为重要的研究领域。第五十页，讲稿共五十四页哦发现新的致病基因发展一些复杂疾病的早期基因诊断方法疾病易感基因的识别及对风险人群进行生活方式、环境因子的干预人类基因组多样性与个体化医学遗传多态性在身份识别方面的应用通过基因治疗解决传统方法无法解决的疑难杂症基因工程药物 诊断和研究试剂产业：基因和抗体试剂盒、生物芯片、疾病和筛药模型筛选新药和药物的靶点，分析药理过程 进行药物设计，对基因蛋白产物的高级结构分析、预测、模拟药物作用“口袋”个体化药物治疗：药物基因组学胚胎和成年期干细胞、克隆技术、器官再造基因组学对医学的影响第五十一页，讲稿共五十四页哦人类基因组计划的研究价值人类基因组计划的研究价值医学领域：将人类感知生命的里程提高到分子水平阶段，大大加速人们对疾病基因的鉴定生命科学领域：阐明基因的结构与功能关系，细胞的发育、生长、分化的分子机理，疾病发生的机理等，有利于理解生物是如何进化的促进生命科学与信息科学相结合：生物信息学技术经济价值：医药、保健、农业和食品制造等产业第五十二页，讲稿共五十四页哦再见再见再见再见再见第五十三页，讲稿共五十四页哦感谢大家观看第五十四页，讲稿共五十四页哦