基因组的结构与功能分子生物学.ppt

第二章第二章 基因组的结构与功能基因组的结构与功能 基因组基因组(genome）：细胞或生物体中，一套完整单）：细胞或生物体中，一套完整单倍体所含有的全部遗传物质。倍体所含有的全部遗传物质。The genome is all the DNA in a cell.All the DNA on all the chromosomes Eukaryotes can have 2-3 genomes Nuclear genome Mitochondrial genome Plastid genome If not specified,“genome”usually refers to the nuclear genomel不同的生物体，其基因组的大小和复杂不同的生物体，其基因组的大小和复杂程度程度 各不相同各不相同l进化程度越高的生物其基因组越复杂进化程度越高的生物其基因组越复杂基因组的结构：基因组的结构：u基因组的形态基因组的形态 u不同的基因功能区域在核酸分子中的分布不同的基因功能区域在核酸分子中的分布和排列情况和排列情况病毒基因组：病毒基因组：DNADNA，RNA,RNA,环状或链状环状或链状原核生物基因组：环状原核生物基因组：环状DNADNA真核生物基因组：核基因组真核生物基因组：核基因组-链状链状DNADNA 线粒体基因组线粒体基因组环状环状DNADNAHIV-1 genomelRNAl10 000(104)bases long病毒基因组的大小差异较大，可以是病毒基因组的大小差异较大，可以是DNA,DNA,也可以是也可以是RNARNAHBVHBV的基因组的基因组uThe genome is 30203320 nucleotides long(for the full-length strand)and 17002800 nucleotides long(for the short length-strand).uDNA（A circular,double-stranded DNA containing single-strand breaks）基因组的功能：基因组的功能：贮贮存和表达遗传信息存和表达遗传信息第一节第一节 人类基因组的结构与功能人类基因组的结构与功能真核生物基因组的特点：真核生物基因组的特点：n结构复杂结构复杂n基因数庞大基因数庞大n具有许多复制起点具有许多复制起点n含有大量重复顺序与非编码的顺序含有大量重复顺序与非编码的顺序n编码蛋白质的序列约占编码蛋白质的序列约占2%2%3%3%。人类基因组人类基因组(Human Genome)(Human Genome)包括细胞核染色包括细胞核染色体体DNADNA（22 22条常染色体、条常染色体、2 2条性染色体条性染色体)及线粒体及线粒体 DNADNA所携带的所有遗传物质。所携带的所有遗传物质。人核基因组人线粒体基因组16,569 base pairs(bp)in length 人类基因组的人类基因组的DNADNA序列约序列约3030亿碱基对，含约亿碱基对，含约3 3万个基因万个基因一、人类基因组中只有不到三万个基因一、人类基因组中只有不到三万个基因二、人类基因组中存在大量重复序列二、人类基因组中存在大量重复序列 真核细胞基因组中存在大量的重复序列。根真核细胞基因组中存在大量的重复序列。根据重复序列的特点，分为：据重复序列的特点，分为：u 高度重复序列高度重复序列u 中度重复序列中度重复序列u 单拷贝序列低度重复序列单拷贝序列低度重复序列 （一）高度重复序列：重复频度大于（一）高度重复序列：重复频度大于10106 6次。根据次。根据结构特点分为：结构特点分为：u反向重复序列反向重复序列u卫星卫星DNADNA1 1、反向重复序列、反向重复序列（inverted repeats)inverted repeats)两个相同顺序的互补拷贝在同一两个相同顺序的互补拷贝在同一 DNA DNA链上反向链上反向排列形成的重复序列，重复单位长度约为排列形成的重复序列，重复单位长度约为300bp300bp，呈，呈散在分布，两个重复单元之间的间隔约。散在分布，两个重复单元之间的间隔约。u两个互补拷贝可以形成链两个互补拷贝可以形成链内碱基互补配对，形成十字内碱基互补配对，形成十字状结构。状结构。u如果两个互补序列之间没如果两个互补序列之间没有间隔，而是有间隔，而是 串联，称为串联，称为回回文结构（文结构（palindromepalindrome）反向重复序列反向重复序列2 2、卫星、卫星DNADNAl大卫星大卫星DNA（macro-satellite DNA)l小卫星小卫星DNA（mini-satellite DNA)l微卫星微卫星DNA（micro-satellite DNA)卫星卫星DNA(satellite DNADNA(satellite DNA）重复单元序列为重复单元序列为5 5171bp171bp，呈串连排列，重复序列的，呈串连排列，重复序列的长度可为长度可为100kbp100kbp几个几个Mb Mb。主要分布在着丝粒和端粒。主要分布在着丝粒和端粒。5AGGGTTCTTAAGTGTCAGGGTTCTTAAGTGTC.33TCCCAAGAATTCACACTCCCAAGAATTCACAC.5重复单位为重复单位为AGGGTTCTTAAGTGTC，表示为表示为(AGGGTTCTTAAGTGTC)n染色体染色体DNA重复序列重复序列 微卫星微卫星DNADNA：是由短的重复单元序列串联构成的：是由短的重复单元序列串联构成的重复序列，重复单元一般为重复序列，重复单元一般为1 16bp6bp，重复次数，重复次数10601060次次左右，重复序列长度一般小于左右，重复序列长度一般小于150bp150bp。如（如（ACAC）n n (TG)n (TG)n （CGGCGG）n n 高度重复序列的功能高度重复序列的功能（1 1）参与复制的调节）参与复制的调节（2 2）参与基因表达的调控）参与基因表达的调控（3 3）参与染色体配对）参与染色体配对微卫星微卫星DNADNA与疾病的关系与疾病的关系n nHuntington病病n n脆性脆性X染色体综合症染色体综合症Huntington diseasen nthe Fragile X Mental Retardation 1 Gene(FMR1)trinucleotide repetitive sequence(CGG)expansion Fragile syndromeumany CGG tandem repeats in the 5UTRuNormal individuals have 5 to 50 CGG repeatsuFXS carriers have 53-200 repeats(premutation)uPremutation does not cause mental retardation,but there is a high risk when it is passed to the next generation through a femaleuAffected individuals have more than 230 repeats(fullmutation)uIn the full mutation,the FMR1 gene is“shut off”andprevents the production of the FMR1 protein,which is considered important for brain developmentuGirls are only carriers of the disorder,so they show lesssevere effects（二）中度重复序列（二）中度重复序列 中度重复序列是指重复单元的重复次数在数十至数万中度重复序列是指重复单元的重复次数在数十至数万次（次（10105 5）的）的DNADNA序列，散在分布在基因组中。分为两序列，散在分布在基因组中。分为两种类型：短分散重复序列和长分散重复序列。种类型：短分散重复序列和长分散重复序列。（1）短分散重复序列（）短分散重复序列（short interspersed repeated segments,SINES)重复单元的平均长度为重复单元的平均长度为300500bp，拷贝数可达，拷贝数可达10万左右。万左右。包括包括Alu家族、家族、Hinf家族。家族。（2）长分散重复序列（长分散重复序列（long interspersed repeated segments,LINES)重复单元的平均长度为重复单元的平均长度为35005000bp。AluAlu家族（也称为家族（也称为AluAlu重复序列）重复序列）是一种短的散在分布的重复序列，重复单元长度为是一种短的散在分布的重复序列，重复单元长度为300bp300bp，因其含有一，因其含有一个个AluIAluI内切酶位点而命名为内切酶位点而命名为AluAlu重复序列，是灵长类动物基因组特有的序列，重复序列，是灵长类动物基因组特有的序列，平均每平均每5kb5kb就出现一个就出现一个AluAlu序列序列。在人类基因组中约占。在人类基因组中约占3 36%6%。Alu Alu序列在序列在170170位碱基附近有限制性内切酶位碱基附近有限制性内切酶AluAlu的酶切位点序列的酶切位点序列AGCTAGCT染色体染色体5.AGCT.33.TCGA.5:AluAlu重复序列重复序列Alu IAlu I酶切位点酶切位点170bp130bp Alu Alu重复序列主要构成基因组间隔序列和内含子序列。与基因表达调控有关。重复序列主要构成基因组间隔序列和内含子序列。与基因表达调控有关。rRNArRNA基因也属于中度重复序列，各种基因也属于中度重复序列，各种rRNArRNA的基因串连成簇。的基因串连成簇。真核生物的、真核生物的、18s18s、28s rRNA28s rRNA基因序列在同一转录单位中，基因序列在同一转录单位中，三个基因间有短的被转录间隔区将它们分开，形成一个约三个基因间有短的被转录间隔区将它们分开，形成一个约7500bp7500bp的转录单位。的转录单位。45SrRNA45SrRNA前体前体45SrRNA45SrRNA前体前体rRNArRNA基因基因18S18S5.8S5.8S28S28S不转录的不转录的间隔区间隔区（三）单拷贝序列（三）单拷贝序列（single copy sequencesingle copy sequence，unique sequenceunique sequence）在基因组中只出现一次或少数几次的在基因组中只出现一次或少数几次的序列。多数编码蛋白质的基因均为单拷贝序列。多数编码蛋白质的基因均为单拷贝序列。序列。三、多基因家族和假基因三、多基因家族和假基因1 1、多基因家族、多基因家族 在真核生物中，一些起源于同一祖先基因、结构相似、功能在真核生物中，一些起源于同一祖先基因、结构相似、功能相关的一组基因。相关的一组基因。分为两类：一类是基因家族位于同一条染色体上，如组蛋白分为两类：一类是基因家族位于同一条染色体上，如组蛋白基因家族的基因均分布在基因家族的基因均分布在7 7号染色体；另一类是基因家族的不同成号染色体；另一类是基因家族的不同成员分布在不同染色体上，如人珠蛋白基因家族，员分布在不同染色体上，如人珠蛋白基因家族，珠蛋白基因分布珠蛋白基因分布在第在第1616号染色体，号染色体，珠蛋白基因家族分布在第珠蛋白基因家族分布在第1111号染色体。号染色体。珠蛋白基因簇珠蛋白基因簇 珠蛋白基因簇珠蛋白基因簇珠蛋白基因簇珠蛋白基因簇:2 2、假基因、假基因（pseudogene)在多基因家族中，在多基因家族中，DNADNA序列与正常基因的结构相似，但不序列与正常基因的结构相似，但不能产生有功能的基因产物的基因称为假基因。能产生有功能的基因产物的基因称为假基因。第二节第二节 原核生物基因组的结构与功能原核生物基因组的结构与功能一、原核生物染色体的结构与功能一、原核生物染色体的结构与功能（一）（一）原核生物染色体原核生物染色体DNADNA的基本结构的基本结构 由一条环状双链由一条环状双链DNADNA分子组成，在细胞中与蛋白质结合存分子组成，在细胞中与蛋白质结合存在，高度折叠，盘绕聚集在一起形成类核。在，高度折叠，盘绕聚集在一起形成类核。（二）原核生物染色体基因组中结构基因的结构与功能特征原核生物染色体基因组中结构基因的结构与功能特征1 1、结构基因序列是连续排列的，无内含子，转录后不需要剪接。、结构基因序列是连续排列的，无内含子，转录后不需要剪接。2 2、结构基因之间的编码序列无重叠现象。、结构基因之间的编码序列无重叠现象。4 4、结构基因多为单拷贝，但编码、结构基因多为单拷贝，但编码rRNArRNA的基因通常是多拷贝。的基因通常是多拷贝。3 3、基因组中重复序列少。、基因组中重复序列少。5 5、结构基因在基因组中所占的比例约为、结构基因在基因组中所占的比例约为50%50%，大于真核基因组，大于真核基因组，但小于病毒基因组。但小于病毒基因组。6 6、只有一个复制起始点只有一个复制起始点7、具有操纵子结构具有操纵子结构（三）原核生物染色体基因组中结构基因与调（三）原核生物染色体基因组中结构基因与调控序列的的组织形式控序列的的组织形式 功能上相关的几个结构基因往往串联排列在一起，功能上相关的几个结构基因往往串联排列在一起，与上游调控序列组成与上游调控序列组成操纵子操纵子，结构基因的表达受上游调，结构基因的表达受上游调控序列的调控。控序列的调控。阻遏物基因：编码阻遏蛋白阻遏物基因：编码阻遏蛋白启动子：启动子：RNARNA聚合酶结合区聚合酶结合区操纵基因：阻遏物操纵基因：阻遏物 结合区结合区O OP P结构基因结构基因2 2结构基因结构基因1 1结构基因结构基因3 3二、原核生物中的质粒二、原核生物中的质粒DNADNA（一）（一）质粒的基本特征质粒的基本特征 质粒是存在于细菌内染色体外的环状质粒是存在于细菌内染色体外的环状DNADNA分子，能在宿主细分子，能在宿主细胞中进行自我复制，并能在细胞分裂时传给子代。其胞中进行自我复制，并能在细胞分裂时传给子代。其DNADNA的长度的长度约为约为1.515kb1.515kb。质粒的结构与功能特点 能够独立于细胞的染色质能够独立于细胞的染色质能够独立于细胞的染色质能够独立于细胞的染色质DNADNADNADNA而进行复制而进行复制而进行复制而进行复制 对宿主细胞的生存不是必需的对宿主细胞的生存不是必需的对宿主细胞的生存不是必需的对宿主细胞的生存不是必需的 能赋予细菌特定的遗传性状能赋予细菌特定的遗传性状能赋予细菌特定的遗传性状能赋予细菌特定的遗传性状 质粒只有在宿主细胞内才能够自我复制，其携带质粒只有在宿主细胞内才能够自我复制，其携带的遗传信息会赋予宿主细胞一些特定的遗传性状。如的遗传信息会赋予宿主细胞一些特定的遗传性状。如耐药性等耐药性等第三节第三节 病毒基因组的结构与功能病毒基因组的结构与功能一、病毒基因组的结构特点一、病毒基因组的结构特点uuDNADNA病毒或病毒或RNARNA病毒病毒uu基因组较小基因组较小基因组较小基因组较小 不到大肠杆菌基因组大小的十分之一不到大肠杆菌基因组大小的十分之一不到大肠杆菌基因组大小的十分之一不到大肠杆菌基因组大小的十分之一uu可以是可以是可以是可以是DNADNADNADNA，也，也，也，也可以是可以是可以是可以是RNA RNA RNA RNA uu可以是单链结构，也可以是双链结构可以是单链结构，也可以是双链结构可以是单链结构，也可以是双链结构可以是单链结构，也可以是双链结构 uu可以是闭环分子，也可以是线性分子可以是闭环分子，也可以是线性分子可以是闭环分子，也可以是线性分子可以是闭环分子，也可以是线性分子uu基因重叠基因重叠基因重叠基因重叠:同一同一同一同一DNADNADNADNA片段可以是片段可以是片段可以是片段可以是2 2 2 2种甚至种甚至种甚至种甚至3 3 3 3种蛋白质分子的部分编种蛋白质分子的部分编种蛋白质分子的部分编种蛋白质分子的部分编码区码区码区码区,重叠编码机制提高了病毒基因组的编码能力重叠编码机制提高了病毒基因组的编码能力重叠编码机制提高了病毒基因组的编码能力重叠编码机制提高了病毒基因组的编码能力 uu无自主复制的酶类无自主复制的酶类无自主复制的酶类无自主复制的酶类u多顺反子多顺反子mRNAmRNA 功能相关的基因或功能相关的基因或功能相关的基因或功能相关的基因或rRNArRNArRNArRNA基因，可以形成基因，可以形成基因，可以形成基因，可以形成1 1 1 1个转个转个转个转录单元。可被一起转录成为多顺反子录单元。可被一起转录成为多顺反子录单元。可被一起转录成为多顺反子录单元。可被一起转录成为多顺反子mRNAmRNAmRNAmRNA，然后，然后，然后，然后再加工成各种蛋白质的模板再加工成各种蛋白质的模板再加工成各种蛋白质的模板再加工成各种蛋白质的模板mRNA mRNA mRNA mRNA u噬菌体基因是连续的，真核细胞病毒的噬菌体基因是连续的，真核细胞病毒的基因组是不连续的基因组是不连续的逆转录病毒逆转录病毒n nHIVHIV、白血病病毒、肉瘤病毒、白血病病毒、肉瘤病毒n n有逆转录酶有逆转录酶HIV病毒的特点RNARNA病毒病毒Evolution of Viral Mutations Mutations arise because HIV-1 RT makes Mutations arise because HIV-1 RT makes spontaneous errors(1 in 10spontaneous errors(1 in 104 4)HIV-1 genome is 10 000 HIV-1 genome is 10 000(10(104 4)bases long,therefore bases long,therefore 1 error each time the genome is replicated1 error each time the genome is replicated Production of virus=10Production of virus=109 9 to 10 to 101010 virionsvirions per day per day 含含4个个ORF,编码编码7个蛋白个蛋白（four open reading frames that encode seven polypeptides）uS HBsAg,Pre-s1,Pre-s2uC HBcAg，HBeAguP polymerase聚合酶聚合酶uX HBxAg基因基因HBVHBV的基因组的基因组