分子生物学 第二章 基因组与基因组学.pptx

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1、第二章 基因组与基因组学,生物化学与分子生物学教研室 张向阳,学习目标,掌握：1原核生物基因组和真核生物基因组的特点。 2基因组学的研究内容。 熟悉：1病毒基因组的特点。 2人类基因组的结构特点，人类基因组计划的研究内容。 3基因组学的分类。 了解：1基因组学在现代医药学上的应用。,第一节 基因组,基因组（genome），又称染色体组，是物种遗传信息的“总词典”、控制发育的“总程序”、生物进化历史的“总档案”。 一般的定义是单倍体细胞中的全套染色体为一个基因组，或是单倍体细胞中的全部基因为一个基因组。,基因组,DNA测序的结果研究发现，基因编码序列只占整个基因组序列的很小一部分。因此，基因组应

2、定义为单倍体细胞中全部的核苷酸序列（包括编码序列和非编码序列）。 RNA病毒不含有DNA，其遗传信息的携带者为RNA，因此，基因组也可指RNA病毒颗粒中的全部RNA分子。,一、病毒基因组的特点,病毒是最简单的生物，完整的病毒颗粒包括外壳蛋白和内部的基因组DNA或RNA。 病毒不能独立地复制，必需进入宿主细胞中借助细胞内的一些酶类和细胞器才能使病毒得以复制。,病毒基因组的特点,1病毒基因组较小。 与细菌或真核细胞基因组相比，病毒基因组很小。且不同病毒的基因组相差很大，如乙肝病毒DNA只有3kb，只能编码4种蛋白质，而痘病毒的基因组有300kb，可编码几百种蛋白质，主要为病毒复制酶类基因,病毒基因

3、组的特点,2病毒基因组为DNA或RNA 。每种病毒颗粒中只含有一种核酸，或为DNA或为RNA，两者一般不共存。病毒基因组DNA或RNA可以是单链也可以是双链，可以是闭环，也可以是线性分子。大多数DNA病毒的基因组是双链DNA分子，而大多数RNA病毒的基因组是单链RNA分子。,病毒基因组的特点,病毒基因组的特点,3RNA病毒基因组为一条或多条RNA 。多数RNA病毒的基因组只有一条核糖核酸链，但也有些病毒的基因组RNA含有多条核酸链。如禽流感病毒的基因组RNA分子是节段性的，由8条RNA分子构成，每条RNA分子都含有编码蛋白质分子的信息,禽流感病毒的基因组RNA,病毒基因组的特点,4病毒基因组含

4、有基因重叠 。基因重叠是指同一段DNA片段含有2种以上编码蛋白质的核苷酸序列。这种现象在其它的生物细胞中仅见于线粒体和质粒DNA。这种结构使较小的基因组能够携带较多的遗传信息。,基因重叠,基因重叠是1977年Sanger在研究X174时发现的。X174是一种单链DNA病毒，宿主为大肠杆菌，因此，又称为噬菌体。它感染大肠杆菌后共合成11个蛋白质分子，相当于6078个核苷酸所编码的2381个氨基酸的蛋白质信息量。而该病毒DNA本身只有5386个核苷酸，最多能编码1795个氨基酸。,X174基因重叠,基因重叠,基因重叠有3种情况： 完全重叠，一个基因完全被包含在另一个基因里面。 部分重叠，两个基因只

5、有部分核苷酸序列共用。 两个基因只有一个核苷酸的重叠。,基因重叠,重叠基因尽管它们的DNA大部分相同，但由于将mRNA翻译成蛋白质时的读码框不同，产生不同的蛋白质分子。,病毒基因组的特点,5病毒基因组几乎全部为编码序列 。病毒基因组的大部分是用来编码蛋白质的，只有非常小的一部分不被翻译。 如在X174中不翻译的部份只占217/5375。,不翻译的DNA序列,不翻译的DNA序列通常是基因表达的控制序列。如X174的H基因和A基因之间的序列（39063973），共67个碱基，包括RNA聚合酶结合位点，转录的终止信号及核糖体结合位点等基因表达的控制区。,病毒基因组的特点,6病毒基因组常为多顺反子转录

6、 。病毒基因组DNA序列中，功能相关的编码蛋白质的基因常丛集在基因组的一个或几个特定的部位，形成一个功能单位或转录单元。该转录单元被转录成一条含多个蛋白质编码序列的mRNA，称为多顺反子mRNA。,病毒基因组的特点,7病毒基因组多为单倍体 。除逆转录病毒外，其他病毒基因组都是单倍体。逆转录病毒基因组有两个拷贝，如人类免疫缺陷病毒（HIV），其基因组为二倍体的单链RNA。,病毒基因组的特点,8真核细胞病毒基因组含有内含子 。噬菌体（细胞病毒）的基因是连续的；而真核细胞病毒的基因是不连续的，含有内含子。,二、原核生物基因组的特点,原核生物基因组的结构基因数量和功能类型远大于病毒基因组，但与真核生物

7、基因组相比，其基因组较小。大多数原核生物基因组小于5Mb（兆碱基对），所能容纳的基因数量有限。,原核生物基因组特点,1原核生物基因组较小。 原核生物基因组通常只有一个环形或线形DNA分子。 基因组DNA虽与蛋白结合，但不形成染色体结构。 基因组中只含有一个复制起始点。,原核生物基因组特点,2原核生物基因组有操纵子结构 。操纵子是指几个功能相关的结构基因串连在一起，由共同的调控元件调控，转录生成一条mRNA分子，可指导合成多种蛋白质。,原核生物基因组特点,3原核生物基因组重复序列较少。 大多数原核生物基因组没有高拷贝数的全基因组范围的重复序列。然而，可能在基因组的某处含有一些重复序列，且大多为转

8、座子序列。,原核生物基因组特点,4原核生物基因组结构基因多为单拷贝基因。 原核生物基因组中的结构基因多为单拷贝，但编码rRNA的基因往往是多拷贝的，这有利于核糖体的快速组装，便于急需蛋白质的快速合成。,原核生物基因组特点,5原核生物基因组多为编码基因 。原核生物基因组编码区在基因组中所占的比例约为50%，非编码区主要是一些调控序列。原核生物基因组基本是连续的，结构基因中无内含子。,原核生物基因组特点,6原核生物基因组无基因重叠。 原核生物结构基因一般无重叠现象，这与病毒基因组是不同的。基因重叠现象可见于原核生物的质粒DNA中。,原核生物基因组特点,7原核生物基因组存在可移动的DNA序列 。与真

9、核生物基因组类似，原核生物基因组中存在可移动的DNA序列，如转座子和质粒等。,三、真核生物基因组的特点,真核生物基因组包含两部分，染色体基因组和染色体外基因组（线粒体或叶绿体基因组）。 真核生物的染色体基因组的基本结构尽管相似，但不同生物的基因组大小有很大差异。最小的真核生物基因组长度不到10Mb，最大的超过了100000Mb。,真核生物基因组特点,1真核生物基因组较大真核生物的基因组由多条线形的染色体构成，每条染色体有一个线形的DNA分子，每个DNA分子有多个复制起点。 真核生物中，配子（精子和卵子）基因组为单倍体，体细胞基因组为双倍体。,真核生物基因组特点,2真核生物基因为单顺反子。真核生

10、物的基因与原核生物不同，不以操纵子结构形式存在，其结构基因的转录产物为单顺反子（monocistron），即一个基因转录成一条mRNA，翻译成一条蛋白质多肽链。,真核生物基因组特点,3真核生物基因存在大量的重复序列。真核生物基因组结构庞大，出现大量重复序列，可占基因组的35%左右，功能相关基因构成各种基因家族。,重复序列,根据重复程度可分为高度、中度和轻度重复序列。 高度重复序列是指重复次数大于105，如卫星DNA 。 中度重复序列是指重复次数在102105之间，如rRNA基因和tRNA基因等。中度重复序列一般具有种特异性，因此，可应用它作为探针区分不同种哺乳动物的DNA。 轻度重复序列是指重

11、复次数在10102之间。 真核生物基因组中50-80%的基因为单拷贝基因，在基因组中出现一次或几次。,真核生物基因组特点,4真核生物结构基因为断裂基因。真核生物结构基因为断裂基因，即含有不编码的内含子和编码的外显子序列，二者间隔排列。,真核生物基因组特点,5真核基因组含有端粒。真核基因组DNA末端都有一特殊结构称为端粒，它是由一段短而简单的串联重复序列RNA和蛋白质形成的复合体，仅在真核细胞染色体末端存在。,真核生物基因组特点,6真核基因组存在可移动的DNA序列。真核基因组存在一些可移动的遗传因子，如在人类基因组中发现的逆转座子、在果蝇中发现的DNA转座子等。,四、人类基因组计划,人类基因组包

12、括位于细胞核内的染色体基因组（占人类遗传信息总数的99.9995%）和位于线粒体内的线粒体基因组。,四、人类基因组计划,人类基因组计划(human genome project, HGP)的目的是测出人类基因组DNA的30亿个碱基对的序列，发现所有的人类基因，找出它们在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息，为整体上解释人类发生、发育、衰老、死亡和疾病的奥秘提供最基本的数据。,人类基因组计划,HGP序列图的绘制完成揭示了，人类基因组中存在着基因密度较高的“热点”区域和大片不携带人类基因的 “荒漠”区域。如基因密度在第17、19和22号染色体上最高，在X、Y、第4号和第18号染色体上密度较低,人类

13、基因组计划,大约1/3以上基因包含重复序列。 所有人都具有99.99%的相同基因。 任何两个个体之间大约每1000个核苷酸序列中会有一个不同，这称为单核苷酸多态性（SNP），每个人都有自己的一套SNP，它对“个性”起着决定性作用。,临床应用,卫星DNA标记(microsatelliteDNA)是近十多年发展起来的一种新型的分子遗传标记。它具有数量大、分布广且均匀、多态信息含量高、检测快速方便等特点，目前被广泛应用于动、植物基因定位、连锁分析、血缘关系鉴定、遗传多样性评估、系统发生树构建、标记辅助选择等方面。,STR扩增与亲子鉴定,STR（short tandem repeat），短串联重复序列

14、是广泛存在于人染色体DNA中的一类多态性遗传标记系统。复合扩增多个STR基因座，累计鉴别能力可达到DNA指纹水平。STR序列广泛分布于各个染色体上，个体（或等位基因）之间的差异一般只表现为重复数目（因而造成该DNA片段长度）的差异。,STR扩增与亲子鉴定,STR重复数目的差异片段是严格遵循孟德尔遗传规律遗传的，因而可以用来区分不同个体，并追溯个体的父母来源。 STR重复数目的差异能用PCR技术检测出来。这种分析技术一次实验的个体识别力可达到10-17。目前全世界各个国家和地区几乎都在使用STR分型技术进行亲子鉴定和DNA的个体识别工作。,第二节 基因组学,基因组学（genomics）是对生物体

15、所有基因进行基因作图、核苷酸序列分析、基因定位和功能分析以及基因之间的相互作用研究的科学。 简单地说，就是研究基因组结构与功能的科学。它以分子生物学、计算机和信息网络技术为研究手段，以生物体全部基因为研究对象，在全基因组背景下和整体水平上探索生命活动的内在规律及内外环境对机体影响机制的科学。,一、结构基因组学,结构基因组学(structural genomics )是以全基因组测序为目标，确定基因组的组织结构、基因组成及基因定位的基因组学。 以建立具有高分辨率的生物体基因组的遗传图谱（genetic map）、物理图谱（physical map）、序列图谱（sequence map）及转录图谱

16、（transcription map)为主要内容。是基因组分析的早期阶段，,（一）遗传图谱,遗传图谱，即遗传连锁图谱（genetic linkage map），是把通过遗传重组所确定的基因和/或遗传标记绘制在染色体上的相对位置所得到的图谱。它是通过计算连锁的遗传标志之间的重组频率，确定他们的相对距离，一般用厘摩（centimorgan，cM）来表示。,遗传图谱遗传标志,绘制遗传连锁图早期使用的遗传标志为限制性片段长度多态性（restriction fragment length polymorphism，RFLP）、随机引物扩增多态性DNA（RAPD）、扩增片段长度多态性（AFLP），为第一代

17、遗传标记。,遗传图谱遗传标志,80年代后出现的有短串联重复序列（short tandem repeats，STR），又称微卫星，为第二代遗传标记。 90年代发展的单个核苷酸的多态性（single nucleotide polymorphisms，SNP）分析，为第三代遗传标记。 遗传图谱可以用于对多种疾病的遗传分析与基因定位。,（二）物理图谱,物理图谱是以遗传图谱为基础，以已知序列标签位点（STS）作为标记，以DNA实际长度为“图距”绘制，采用分子生物学技术直接将遗传标记或基因定位在基因组实际位置的基因组图谱。,物理图谱,物理图谱描绘了DNA上可以识别的标记位置和相互之间的距离。 已知的序列标

18、签包括限制性内切酶的酶切位点，基因等。,物理图谱,一般物理图谱的构建是利用限制性内切酶将染色体切成片段，再根据重叠序列确定片段间连接顺序来确定遗传标志之间物理距离（bp或kb或Mb）。 物理图谱是进行DNA测序和基因组结构研究的基础。,（三）序列图谱,序列图谱是在遗传图谱和物理图谱的基础上，对基因组DNA进行大规模测序绘制的基因组序列图谱。 是最详细、最准确的物理图谱。,序列图谱,序列分析采用一个区域的DNA序列重叠群使测序工作不断延伸，使用其中的序列标记位点STS作为两个片段间的重叠区域，使分别被测序的短序列进行正确的拼接，最后获得DNA全序列图谱。 序列图谱是人类基因组计划的最终目标之一。

19、,（四）转录图谱,转录图谱，又称cDNA图谱或表达序列图谱，是一种以表达序列标签（expressedsequencetag，EST）为“位标”绘制的分子遗传图谱。,（四）转录图谱,通过从cDNA文库中随机挑取的克隆进行测序所获得的部分cDNA的5或3端序列称为表达序列标签，一般长300500bp左右。 一般说，mRNA的3端非翻译区（3-UTR）是代表每个基因的比较特异的序列，将对应于3-UTR的EST序列进行RH（radiation hybrid map）定位，即可构成转录图谱。,二、功能基因组学,功能基因组学（functuional genomics）是根据结构基因组学的研究结构所提供的基

20、因结构相关信息，采用分子生物学、生物化学、细胞生物学和生物信息学的理论和技术，全面、系统地对基因组中所有基因功能进行注释的学科。,功能基因组学的研究内容,研究内容包括基因功能的发现、基因表达分析及基因突变的检测。 基因的功能包括：生物学功能；细胞学功能；发育学功能等。,功能基因组学的研究手段,采用经典的减法杂交、差示筛选、cDNA代表差异分析以及mRNA差异显示等，但这些技术不能对基因进行全面系统的分析。 新的技术包括基因表达的系统分析（SAGE）、cDNA微阵列（cDNA microarray）、DNA芯片（DNA chip）等。,功能基因组学的分类,功能基因组学的研究又细分为蛋白质组、转录组、代谢组、癌基因组、疾病基因组、药物基因组、环境基因组和行为基因组等组学的研究。,三、比较基因组学,比较基因组学（comparative Genomics）是基于基因组图谱和测序基础上，对已知的基因和基因组结构进行比较，来了解基因的功能、表达机理和物种进化的学科。,比较基因组学,比较基因组学主要是利用模式生物基因组与人类基因组之间编码顺序上和结构上的同源性，克隆人类疾病基因，揭示基因功能和疾病分子机制，阐明物种进化关系及基因组的内在关系,