有机体、染色体、基因组与基因.ppt

第二章第二章 有机体、染色体、基因组与基因有机体、染色体、基因组与基因第一节第一节 有机体有机体(Organism)有机体有机体原核生物原核生物(Prokaryote)真核生物真核生物(Eukaryote)一、原核生物一、原核生物(Prokaryote)原核生物是细菌、放线菌、衣原体、支原体等比较原始的生物的总称。其特点为：有细胞壁（除支原体外）；无真正的细胞核（无核膜），但有核区；DNA无蛋白质与之结合；有核糖体，缺乏其它细胞器；DNA的转录和翻译是同时进行等。原核生物虽然简单，但细胞中各种各样结构、代谢功能都具备，是一个完整的有机体。原核细胞的结构原核细胞的结构某某些些原原核核细细胞胞的的形形状状螺菌螺旋体鱼腥藻属（一种蓝藻细菌）大芽孢杆菌大肠杆菌葡萄球菌立克次氏体三种支原体二、真核生物二、真核生物(Eukaryote)真核生物是核质与细胞质之间存在核膜的生物的总称。真核生物的全能性：是指同一种生物所有细胞都含有相同的DNA，即基因的数目和种类是一样的，尽管细胞类型不同，分化程度各异，但其基因组是相同的，它们都具有发育成完整个体的潜能。真核细胞的结构真核细胞的结构细胞的三维结构图形细胞的三维结构图形植物细胞的结构植物细胞的结构原核生物与真核生物的比较原核生物与真核生物的比较原核类原核类真核类真核类生物体生物体细菌、放线菌、细菌、放线菌、支原体、衣原体等支原体、衣原体等原生生物、真菌、原生生物、真菌、植物、动物植物、动物细胞组织细胞组织主要是单细胞主要是单细胞主要是多细胞、有细胞主要是多细胞、有细胞分化分化细胞大小细胞大小小（小（1 110 10 m)m)大（大（10 10 100 100m)m)细胞分裂细胞分裂二分裂二分裂有丝分裂（或减数分裂）有丝分裂（或减数分裂）细胞核细胞核无核膜、核仁无核膜、核仁有核膜、核仁有核膜、核仁细胞器细胞器极少或无极少或无有有细胞质细胞质无细胞骨架无细胞骨架有细胞骨架有细胞骨架DNADNA环状、裸露环状、裸露线状与蛋白质结合线状与蛋白质结合代谢代谢厌氧或好氧厌氧或好氧好氧好氧 三、病毒（三、病毒（Virus）病毒是不是有机体？是有生命，还是非生病毒是不是有机体？是有生命，还是非生命？尚无定论。命？尚无定论。病毒感染有机体，引起有机体害病，它是活的，是有生命的有机体。然而与细菌、支原体、衣原体等微生物不同，病毒不具备细胞结构，不能称微生物。病毒仅含一种核酸（DNA或RNA），不含两种核酸。病毒没有线粒体、核糖体等细胞器，本身不能繁殖，也不能新陈代谢，所以病毒显示生命特征状态的过程，即不属于真核也不属于原核。但病毒可保存几十年。烟草烟草mosaicmosaic病毒病毒第二节第二节 染色质与染色体染色质与染色体n染色体由染色质组成。n染色质由DNA、蛋白质和少许RNA组成。n染色质和染色体在化学组成上没有大的区别，只是在构象和形态上有差异。细胞周期（细胞周期（cell cycle）细胞的增殖有一个周期的过程，称细胞周期。是指连续分裂的细胞从一次有丝分裂的结束到下一次有丝分裂结束为止，所经历的整个过程。分两个阶段：间期和细胞分裂期。间期：DNA合成前期（G1期）；DNA合成期（S期）和合成后期（G2期）。细胞分裂期（M）：前期、中期、后期和末期。不同细胞的细胞周期时间不不同细胞的细胞周期时间不不同细胞的细胞周期时间不不同细胞的细胞周期时间不同，一般同，一般同，一般同，一般S+G2+MS+G2+M期较恒期较恒期较恒期较恒定，而定，而定，而定，而G1G1期变化较大，因而期变化较大，因而期变化较大，因而期变化较大，因而它决定了细胞周期时间的长它决定了细胞周期时间的长它决定了细胞周期时间的长它决定了细胞周期时间的长短；短；短；短；G1G1期细胞有三种可能的趋向：期细胞有三种可能的趋向：期细胞有三种可能的趋向：期细胞有三种可能的趋向：1)1)进入进入进入进入 S S 期期期期(即进入细胞周即进入细胞周即进入细胞周即进入细胞周期期期期)；2)2)处于静止期即处于静止期即处于静止期即处于静止期即 Co Co 期期期期(在一在一在一在一定条件下可重新进入增殖周定条件下可重新进入增殖周定条件下可重新进入增殖周定条件下可重新进入增殖周期期期期)；3)3)分化、衰老、凋亡。分化、衰老、凋亡。分化、衰老、凋亡。分化、衰老、凋亡。G1 G1 期：期：期：期：G1 G1 早期合成各早期合成各早期合成各早期合成各种种种种RNARNA、结构蛋白和酶、结构蛋白和酶、结构蛋白和酶、结构蛋白和酶等。等。等。等。S S 期：期：期：期：DNADNA的复制及组蛋的复制及组蛋的复制及组蛋的复制及组蛋白合成、核小体装配白合成、核小体装配白合成、核小体装配白合成、核小体装配细胞周期中各时相的主要生化事件细胞周期中各时相的主要生化事件细胞周期中各时相的主要生化事件细胞周期中各时相的主要生化事件G2 G2 期：为有丝分裂作准备期：为有丝分裂作准备期：为有丝分裂作准备期：为有丝分裂作准备有有有有RNARNARNARNA和非组蛋白合成。和非组蛋白合成。和非组蛋白合成。和非组蛋白合成。M M 期：细胞分裂期：细胞分裂期：细胞分裂期：细胞分裂。一、染色质（Chromatin）n染色质是间期细胞核内伸展开的DNA-蛋白质纤维，由核小体为基本单位构成的。H1多个核小体 二、染色体（Chromosome）n染色体是细胞分裂期由染色质高度凝集而形成的一种棒状结构。DNA核小体螺线管结构超螺旋管染色单体压缩至1/7压缩至1/6压缩至1/40压缩至1/5DNA绕组蛋白6个核小体围成一圈螺旋螺线管进一步螺旋化超螺旋管进一步盘绕和压缩76405=8400染色体DNA核小体核小体纤维环梅花结盘染色体第三节 基因组与基因 生命有机体的绝大部分遗传信息包含在染色体上。一个物种的单倍体染色体数目，称为该物种的基因组（genome）。换句话说，细胞或生物体的一套完整的单倍体遗传物质称为基因组。基因是基因组中的一个功能性遗传单位，它的本质是DNA，是DNA链上能决定一种蛋白质或一种RNA或一种功能性的片段。一、DNA的C值与C值矛盾 一个单倍体基因组的DNA含量总是恒定的，这是每个物种的特性，称为该物种DNA的C值。不同的物种，C值差异是很大的。C值矛盾：生物体的复杂性与DNA含量的变化不相符合。基因组大小和基因组大小和C-值矛盾值矛盾开花植物开花植物鸟类鸟类哺乳动物哺乳动物爬行动物爬行动物两栖类两栖类硬骨鱼硬骨鱼软骨鱼软骨鱼棘皮动物棘皮动物甲壳类甲壳类昆虫昆虫软体动物软体动物线虫线虫霉菌霉菌藻类藻类真菌真菌革兰氏阳性菌革兰氏阳性菌革兰氏阴性菌革兰氏阴性菌支原体支原体C-值（值（C-value）基因组中基因组中DNA的的数量数量各物种基因组大小比较各物种基因组大小比较各门类物种的各门类物种的C-值值C-值矛盾（值矛盾（C-value paradox）：）：基因组大小与机体的基因组大小与机体的遗传复杂性缺乏相关遗传复杂性缺乏相关性。性。哺哺乳乳动动物物两两栖栖动动物物鸟鸟类类昆昆虫虫线线虫虫霉霉菌菌酵酵母母细细菌菌支支原原体体 各个种类生物的各个种类生物的最小基因组与其复杂最小基因组与其复杂性正相关性正相关二、基因的分类二、基因的分类 基因按其产物的功能可分为结构基因、调控基因和RNA基因：1.结构基因：可被转录形成mRNA，并进而翻译成多肽，构成各种结构蛋白质，催化各种生化反应的酶和激素等；2.调控基因：指某些可调节控制结构基因表达的基因。3.RNA基因：是一些只转录不翻译的基因，包括核糖体RNA基因，专门转录rRNA；以及tRNA基因，专门转录tRNA。三、原核生物基因组 特点：特点：1.基因组是一条单一染色体，体积小，含基因数量也少。遗传物质以裸露的核酸形式存在，只与少量蛋白质结合.2.基因组中功能相关的基因往往定位在同一区域，形成同一功能单位，被转录为多顺反子（polycistronic）mRNA。（即细菌的基因组中具有操纵子结构）。3.基因组中多为单拷贝基因，只有极少数重复基因。4.基因组中非表达基因少，绝大多数基因都是可表达的。5.病毒基因中重叠现象普遍，即同一个DNA片段可编码几种蛋白质分子。其意义在于较小的基因组携带较多的遗传信息。大肠杆菌基因组大肠杆菌基因组 分子生物学对大肠杆菌（E.coli）基因组的研究揭示了生命活动的许多基本规律。1987年完成了E.coli克隆的物理图谱；1991年查明了E.coli的DNA全序列。E.Coli基因组分子量为2.64109 Da，由4639221 bp构成，E.coli基因组定义出4288个开放读框（ORE），已有1853个已报道过的基因，共有2584个操纵子。质粒质粒DNA 许多细菌和某些真核细胞内，除了染色体这一主要遗传物质外，还有染色体以外一些小的环状DNA分子，称为质粒（plasmid）。质粒分类n按功能分：R质粒-抗药性质粒；F质粒-性质粒；Col质粒-大肠杆菌因子，合成大肠杆菌素。n按复制机理分：严紧型质粒-质粒复制受宿主细胞的严格控制；松弛型质粒-质粒复制不受宿主细胞的严格控制。四、真核生物基因组 特点：1.真核生物基因组远远大于原核，结构复杂，基因数庞大，DNA与蛋白质融合形成染色体，储存在细胞核内，使得转录、翻译不能同步进行，调控机制表现在多水平方面。2.真核基因转录产物一般为单顺反子。功能相关基因往往分散在不同的部位，不同的染色体上，分别转录。3.基因组的非编码顺序多于编码顺序。4.真核生物基因组中含有大量的重复顺序。（1）单拷贝序列(Single copy sequence)（2）轻度重复序列(Slightly repetitive sequence)（3）中度重复序列(Moderately repetitive sequence)（4）高度重复序列(Highly repetitive sequence)5.真核生物的基因大多是不连续的称断 裂基因（split gene）。细胞器基因组1 发现：（1）母性遗传 (maternal inheritance)（2）体细胞分离（somatic segregation)某些植物杂合子分化成体细胞时某些组织可能是一亲本表现型，某些组织可能是另一亲本表现型。说明核外基因的存在。2 性质：大多数以环状双链DNA的形式存在。线粒体DNA mtDNA 叶绿体DNA ctDNA 线粒体基因组n 不同生物mtDNA大小差异很大。如哺乳动物的线粒体基因组很小，长十几个kb，只占总DNA的 0.5%，每 个 线 粒 体 中 平 均 有 2.6个mtDNA分子。酵母线粒体基因组84 kb，植物的线粒体基因组则较大，大多在100kb以上。n线粒体可以有本身的转录和翻译系统，它编码部分自身所需蛋白和tRNA、rRNA等。n其 大 小 因 植 物 不 同 而 变 化，大 多 在100200kb之间。大多数叶绿体DNA一个明显的特征就是有一个反向重复序列和长短两个单拷贝序列。但也不是所有的ctDNA都有反向重复序列，也有些植物ctDNA有正向重复序列等。n它编码部分自身所需所有tRNA、rRNA，和约50种蛋白质。叶绿体基因组第四节 人类基因组计划（Human Genome Project，HGP）一、问题的提出一、问题的提出70年代对人类基因组的研究已具有一定的雏形；1986年著名遗传学家Mckusick V提出从整个基因组的层次研究遗传学的科学称“基因组学”。同年，诺贝尔奖获得者Dulbecco R在Science杂志上发表了题为“癌症研究的转折点人类基因组的全序列分析”，得到了世界范围的响应；1986年美国能源部宣布实施这一草案；1987年美国能源部（DOE）和国家健康研究院（NIH）为HGP下拔了经费1.66亿美元，开始筹建HGP实验室；1988美国成立了“国家人类基因组研究中心”由诺贝尔奖获得者Watson J出任第一任主任。二、世界的行动二、世界的行动1987年，意大利的国家研究委员会（NRC）组织了15个（后来发展到30个）实验室，开始HGP的研究；1989年2月，英国的HGP开始启动;1990年6月，法国的国家HGP开始启动；同月，欧共体通过了“欧洲HGP研究计划”，主要资助23个实验室；1990年10月1日 美国国会正式批准美国的“HGP”启动，计划在15年内投入至少30亿美元进行人类全基因组的分析；1994年初，在吴旻、强伯勤、陈竺院士和杨焕明教授的倡导下，中国的HGP开始启动；1998国家科技部在上海成立了中国南方基因中心，由陈竺院士挂帅；1998年1999年成立了中国科学院北京人类基因组中心和北方人类基因组中心，由中科院遗传所的杨焕明教授，强伯勤院士等人牵头；1995年6月，德国正式开始HGP。n三、任务与进展三、任务与进展完成四张图：遗传图谱、物理图谱、序列图谱、基因图谱（一）遗传图谱（一）遗传图谱（genetic map)：.定义又称连锁图谱（linkage map)或遗传连锁图谱（genetic linkage map)，是指人类基因组内基因以及专一的多态性DNA标记(marker)相对位置的图谱，其研究经历了从经典的遗传图谱到现代遗传图谱的过程。.经典的遗传图谱（以基因表型为标记）.现代遗传图谱（以DNA为标记）第一代多态性标记：限制性片段长度多态性（restriction fragment length polymorphism,RFLP)，位点数目可达105以上。第二代多态性标记：小卫星/可变数量串联重复（minisatellite/variable number tandem repeat,VNTR)及微卫星/简短串联重复（microsatellite/simple tandem repeat,STR)。个数在6000个以上。其中STR具高度多态性，有的可形成几十种等位片段，是目前在基因定位的研究中应用最多的标记系统。第三代多态性标记：单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism,SNP)。这种标记在人类基因组中多达300万个。.构建遗传图谱的基本原理 真核生物在减数分裂过程中染色体进行重组和交换，染色体上任意两点之间发生重组和交换的概率随着两点之间相对距离的远近而发生变化。.构建遗传图谱的意义：通过连锁分析，可以找到某一致病基因或表型的基因与某一标记邻近（即紧密连锁）的证据，从而可把这一基因定位于染色体的特定区域，再对基因进行分离和研究。（二）物理图谱（二）物理图谱（physical map):：.定义用物理学方法构建的由不同的DNA结构按其在染色体上的原始顺序和实际距离排列的图谱。.内容（1）基因组的细胞遗传学图（cytogenetic map，即染色体的区、带、亚带）；（2）序列标签位点(sequence-tagged site,STS)图谱；（3）DNA“重叠群(contig)”图谱：把基因组文库中含有相同STS序列的DNA克隆按照其在原始基因组上线形顺序进行排列，连接成相互重叠的“片段重叠群(contig)”。是构建物理图谱的主要任务；（4）大片段限制性内切酶切点图；（5）cDNA/EST图谱；（6）基因组中广泛存在的特征性序列（如CpG序列、Alu序列等）的标记图等。（三）序列图谱：（三）序列图谱：2003年之前完成。（四）基因图谱：（四）基因图谱：目标：在人类基因组中鉴别出全部基因的位置、结构和功能；定位方法：cDNA/EST的染色体定位（实验手段，电子杂交）；完成时间：200？年完成。（五）模式生物基因组：（五）模式生物基因组：l酵母 1996年l大肠肝菌 1997年l线虫 1999年l果蝇 2000年l拟南芥菜 2000年l小鼠 2005年之前完成四、人类基因组计划的延伸四、人类基因组计划的延伸 人类后基因组（功能基人类后基因组（功能基因组）研究因组）研究（一）蛋白质组（一）蛋白质组（proteome）和蛋白质组学（和蛋白质组学（proteomics).蛋白质组：由一个细胞蛋白质组：由一个细胞或一个组织的基因组所表或一个组织的基因组所表达的全部相应的蛋白质。达的全部相应的蛋白质。.蛋白质组的动态性。蛋白质组的动态性。（1）原因：）原因：同一个机体的不同组织和不同细胞；同一个机体的不同组织和不同细胞；在同一机体的不同发育阶段；在同一机体的不同发育阶段；机体的生理状况；机体的生理状况；机体所处的外界环境。机体所处的外界环境。（2）结果：）结果：基因基因mRNA表达种类的改变；表达种类的改变；基因表达的不同形式（基因剪接，蛋基因表达的不同形式（基因剪接，蛋白质翻译修饰，蛋白质剪接等）。白质翻译修饰，蛋白质剪接等）。测定一个有机体的基因组测定一个有机体的基因组所表达的全部蛋白质。所表达的全部蛋白质。3.蛋白质组学的任务：（二）后基因组研究的研究内容：人类基因组多样性计划人类基因组多样性计划（Human Genome Diversity Project）环境基因组学环境基因组学（Enviromental Genomics）肿瘤基因组解剖计划肿瘤基因组解剖计划（Cancer Genome Anatomy Project）药物基因组学药物基因组学（Pharmacogenomics）核心问题：核心问题：基因组的多样性；基因组的多样性；遗传疾病产生的起因；遗传疾病产生的起因；基因的表达调控作用；基因的表达调控作用；蛋白质产物的功能蛋白质产物的功能。