1基因与基因组学.ppt

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1、1 第二讲第二讲基因与基因组学基因与基因组学Gene and Genome 主讲人：主讲人：白云飞白云飞 东南大学生物科学与医学工程学院东南大学生物科学与医学工程学院2第一节第一节 基因的概念与结构基因的概念与结构一、一、基因的概念基因的概念 （一）基因概念的发展（一）基因概念的发展随着遗传学的发展，人类对于基因的认识逐步深入，基因概念也随之发展。基因概念发展经过几个时期。(1)遗传“因子”基因的最初概念是来自孟德尔的遗传“因子”，认为生物性状的遗传是由遗传因子所控制的，性状本身是不能遗传的，控制性状的遗传因子才是遗传的。1909年，丹麦学者WLJohannsen提出了“基因”(gene)一词

2、，代替了孟德尔的遗传因子，并由此形成了“颗粒遗传”学说，认为在杂种中等位基因不融合，各自保持其独立性，这也是孟德尔遗传规律的核心。3(2)染色体是基因的载体1910年摩尔根等通过果蝇杂交实验表明，染色体在细胞分裂时的行为与基因行为一致，从而证明基因位于染色体上，并呈直线排列，提出了遗传学的连锁交换规律，证明了性别决定是受染色体支配的。基因的连锁和交换定律的实质是：在进行减数分裂形成配子时，位于同一条染色体上的不同基因，常常连在一起进入配子；在减数分裂形成四分体时，位于同源染色体上的等位基因有时会随着非姐妹染色单体的交换而发生交换，因而产生了基因的重组。4 4(3)DNA是遗传物质1944年Av

3、ery等人不仅在体外成功地重复了上述实验，而且用生物化学方法证明了转化因子(trans-formingfactor)是DNA，而不是多糖荚膜、蛋白质和RNA，而且转化频率随着DNA纯度的提高而增加。证明了DNA就是遗传物质。5(4)基因是有功能的DNA片段20世纪40年代G WBeadle和ELTatum通过对粗糙脉孢菌营养缺陷型的研究，提出了一个基因一个酶的假说。1953年Watson和Crick提出了DNA双螺旋结构模型，明确了DNA在活体内的复制方式。1957年由Crick最早提出遗传信息在细胞内的生物大分子间转移的基本法则，即中心法则，接着在1961年又提出了三联遗传密码，这样将DNA

4、分子的结构与生物学功能有机地统一起来，也为揭示基因的本质奠定了分子基础。1957年S.Benzer用大肠杆菌T4噬菌体作为材料，在DNA分子结构的水平上，分析了基因内部的精细结构，提出了顺反子(cistor)概念，证明基因是DNA分子上的一个特定的区段。6(5)操纵子模型1961法国分子生物学家F.Jacob和J.Monod通过不同的大肠杆菌乳糖代谢突变体来研究基因的作用，提出了操纵子模型学说(operontheory)。这一学说阐明了基因调控在乳糖利用中所起的作用。表明人们已认识到基因的功能并不是固定不变的，而是可以根据环境的变化进行调节。随之人们发现无论是真核还是原核生物转录调节都是涉及到

5、编码蛋白的基因和DNA上的元件。这一发现获得了1965年诺贝尔奖。7乳糖操纵子87)“跳跃基因”和“断裂基因”的发现 50年代初，美国遗传学家BMcClintock在玉米的控制因子的研究中已经指出某些遗传因子是可以转移位置的。后来的研究发现，在原核生物和真核生物中均发现有基因转移的现象，并将这些可转移位置的成分称为跳跃基因(jumping gene)，亦称转座因子(transposon element)。此外，传统的观点认为，一个结构基因是一段连续的DNA序列，70年代后期发现绝大多数真核生物基因都是不连续的，其中被一些不编码序列所隔开，故称为断裂基因。1978年，在噬菌体中还发现了重叠基因，

6、一个基因序列可被包含在另一个基因中，两个基因序列可能部分重叠。9断裂基因的意义断裂基因的意义 （1 1）有利于储存较多的遗传信息量；）有利于储存较多的遗传信息量；（2 2）有利于变异与进化；）有利于变异与进化；（3 3）增加重组机率；）增加重组机率；（4 4）内含子可能是调控装置。）内含子可能是调控装置。10（二）基因的概念（二）基因的概念在初中生物学课本中，把基因定义为“染色体遗传物质中决定生物性状的小单位”。高中生物学课本则把基因定义为“有遗传效应的DNA片段”。在最具权威的2000年版中国大百科全书中，基因的定义是“含特定遗传信息的核苷酸序列，是遗传信息的最小功能单位”。在最近几年出版的

7、外文版和部分中文版的分子生物学和分子遗传学书籍中又给出了新的答案。从上述基因研究的最新进展可以看出，基因不仅在功能上多种多样，在结构上也是五花八门，因此，给它下一个非常准确和永远适用的定义是相当困难的。基因的概念随着遗传学、分子生物学、生物化学等领域的发展而不断完善。从遗传学的角度看，基因是生物的遗传物质，是遗传的基本单位突变单位、重组单位和功能单位；从分子生物学的角度看，基因是负载特定遗传信息的核酸序列核酸序列，在一定条件下能够表达某种遗传信息（其产物为有功能的多肽链或功能RNA分子分子），变成特定的生理功能。“核酸序列核酸序列”主要指DNA，对于RNA病毒来说则指染色体RNA。“RNA分子

8、分子”主要主要包括tRNA和rRNA。这个定义较确切地表述了基因的本质和功能，已经被绝大多数学者所接受。11（三）基因的分类（三）基因的分类根据基因的功能和性质，可将其分为以下几类：(一)结构基因这类基因不仅可转录(tran-scription)成mRNA，而且可翻译(translation)成多肽链，从而构成各种结构蛋白和催化各种生化反应的酶。(二)rDNA和 tDNA基因这类基因只转录产生相应的RNA，而不翻译成多肽链。12(三)启动子(promotor)与操纵基因(operator)前者是转录时RNA多聚酶起始与DNA结合的部位；后者是调节基因的产物阻遏蛋白质或激活蛋白质与DNA结合的部

9、位，它们都是不转录的DNA区段，确切说，它们不能称为基因。但关系到结构基因的活化或钝化。13以上各类基因以上各类基因(或或DNADNA区段区段)之间的相互关系如下图。通过这些基因的相之间的相互关系如下图。通过这些基因的相互作用、密切协作，调控基因有序地表达，从而使各种生命活动表现互作用、密切协作，调控基因有序地表达，从而使各种生命活动表现出规律性、和谐性。出规律性、和谐性。14151.原核生物的结构基因是连续的原核生物的结构基因是连续的（一）（一）结构基因结构基因 基因中编码基因中编码RNARNA或蛋白质的或蛋白质的核酸核酸序列序列。二、二、基因的结构基因的结构tayz opstructura

10、l genepromoteroperatorterminator162.2.真核生物结构基因真核生物结构基因DNAmRNA前体前体编码序列不连续编码序列不连续，称为断裂基因称为断裂基因（interrupted gene）RNA剪接剪接 由外显子（编码序列由外显子（编码序列)和内含和内含子（非编码序列子（非编码序列)两部分组成，两部分组成，intron exon 成熟成熟mRNA17 5 5 33exon3exon1exon2GT AG GT AG真核基因中真核基因中RNA剪接的识别信号剪接的识别信号内含子的内含子的 5端以端以GTGT开始，开始，3端以端以AGAG结束。结束。3.GT-AG3.

11、GT-AG法则法则intron2intron118 5 3exon3exon2exon1 intron1intron2(二二)转录调控序列转录调控序列 前导序列前导序列尾部序列尾部序列编码区编码区侧翼序列侧翼序列侧翼序列侧翼序列 结构基因编码区两侧的一段不被翻译结构基因编码区两侧的一段不被翻译的的DNADNA片段片段(侧翼序列侧翼序列)，参与转录调控。参与转录调控。19tayz opstructural gene1.1.原核生物基因的调控序列原核生物基因的调控序列promoter启动子启动子 promoterterminator终止子终止子 terminatoroperator操纵元件操纵元件

12、 operator202.2.真核生物基因的调控序列真核生物基因的调控序列反式作用因子反式作用因子trans-acting factor能识别和结合特定的顺能识别和结合特定的顺式作用元件式作用元件,并影响基因并影响基因转录的一类转录的一类蛋白质蛋白质或或RNARNA顺式作用元件顺式作用元件cis-acting element能能影响基因表达，影响基因表达，但不编码但不编码RNARNA和蛋和蛋白质的白质的DNADNA序列序列TATAAAATATTT 533 5 顺式作用元件顺式作用元件21 TATA盒盒（TATA Box）:位于位于-25-25-30-30bpbp，TATAAAA/TATATAT

13、 与与TFII（RNA聚合酶复合物）聚合酶复合物）结合，启动结合，启动基因转录。基因转录。(1)(1)启动子和上游启动子元件启动子和上游启动子元件-25-25+1+1-30-30（II类类）22-30-30-25-25+1+1-80-80-70-70 CAAT盒（盒（CAAT BoxCAAT Box）位于位于-70-80bp，GG C/T CAATCT,与与CTF结合，决定启动子转录效率。结合，决定启动子转录效率。23 GC GC盒（盒（GC BoxGC Box）位于位于-35bp，GGCGG，与转录因，与转录因子子SP1SP1结合，促进转录的过程。结合，促进转录的过程。24(2).(2).增

14、强子（增强子（enhancerenhancer）与转录因子特异性结合，增强与转录因子特异性结合，增强转录活性，在基因任意位置都有效、转录活性，在基因任意位置都有效、无方向性。无方向性。3255-AATAAA-GT-3 DNA mRNA 前体前体5-AAUAAA-GU-35-AAUAAA-AAAAAAAA 3多聚腺苷酸化多聚腺苷酸化mRNA(3).Poly(A)加尾信号加尾信号Poly(A)聚合酶聚合酶5-AAUAAA-GU-3特异因子特异因子 含有含有IIII类启动子的基因，基因末端保类启动子的基因，基因末端保守的守的AATAAA顺序及下游顺序及下游GT或或T富含区富含区,被多聚腺苷酸化特异因

15、子识别，在被多聚腺苷酸化特异因子识别，在mRNA 3端加约端加约200200个个A。26CAAT boxTATA box Enhancer promoter 调控序列调控序列调控序列调控序列真核生物基因的结构真核生物基因的结构exonexon非翻译区非翻译区：untranslated regions，UTR UTRUTRPoly(A)加尾信号加尾信号5 +1Stop 3 结构基因结构基因intronintronexonTGA ATG开放阅读框开放阅读框：open reading frame，ORFresponse element27三、中心法则三、中心法则 central dogmaRepli

16、cationReplicationReverseTranscriptionTranscriptionTranslationDNARNAProtein28(一一)原核生物的原核生物的mRNAmRNA是多顺反子是多顺反子mRNAmRNAPromoterGene 1Gene 2Gene 3TerminatorDNATranscriptionmRNA31235TranslationProteins123 多顺反子多顺反子mRNA mRNA(polycistronic mRNA):):原核生物的一个原核生物的一个mRNAmRNA分子带有几个分子带有几个 结构基因的遗传信息，利用共同的启动结构基因的遗传信

17、息，利用共同的启动 子及终止信号，组成操纵子的基因表达子及终止信号，组成操纵子的基因表达 调控单元。调控单元。29TranslationTranscriptionmRNADNAProteinPromoterGene35(二二)单顺反子单顺反子mRNAmRNA(monocistronic mRNA):):真核生物的一个编码基因转录真核生物的一个编码基因转录生成一个生成一个mRNAmRNA。30基因组基因组：一个细胞或病毒的全部：一个细胞或病毒的全部 遗传信息；遗传信息；第二节第二节 基因组基因组 一套完整的单倍体的遗传一套完整的单倍体的遗传物质的总合；物质的总合；含有一种生物的一整套遗含有一种生

18、物的一整套遗 传信息的遗传物质；传信息的遗传物质；31C值（值（C-value）：）：单倍体基因组中的全部单倍体基因组中的全部DNADNA量量(bpbp)32 10 106 6 10107 7 10108 8 10109 9 101010 10 10101111显花植物骨鱼类哺乳类甲壳类爬行类鸟类藻类真菌革兰氏阳性菌革兰氏阴性菌枝原体霉菌蠕虫类软体动物棘皮类昆虫类软骨鱼类两栖类C值C值悖理值悖理-C值值生物体的单倍体基因组所含DNA总量称为C值。每种生物各有其特定的C值，不同物种的c值之间有很大差别。能营独立生活的最小的生物支原体(Mycoplasma)的C值不106bp，一些植物和两栖类动物

19、的C值则可多达1011Mbp，相差10万倍。在一些低等生物中，当进化增加了生物体的复杂性时，基因组也相应地增大。如蠕虫的C值大于霉菌、藻类、真菌、细菌和支原体。可是，在其他生物中则看不到这种规律。显花植物和两栖类动物的基因组最大，软骨鱼、硬骨鱼甚至昆虫和软体动物的基因组都大于包括人类在内的哺乳动物的基因组。爬行类和棘皮动物的基因组大小同哺乳动物几乎相等。因此，从总体上说，生物基因组的大小同生物在进化上所处地位的高低无关，这种现象称为C值悖理(CValueparadox)。C值悖理值悖理-举例说明举例说明在同一类生物中，不同种的基因组大小也有很大差别。比如，两栖类生物中最小的基因组不足109Mb

20、p，最大的则达1011Mbp，又如昆虫中的家蝇基因组比果蝇基因组大6倍左右。把每一类生物中的最小基因组作比较，可以看出，每类生物的最小基因组的大小基本上对应于生物在进化上所处地位的高低；进化地位高、形态结构复杂程度高的一类生物，其最小的基因组也较大。3334一、病毒基因组一、病毒基因组 DNA病毒病毒 RNA病毒病毒 （一）基本结构（一）基本结构多数为双链多数为双链(ds)、环状或线性环状或线性多数为单链多数为单链(ss)、线性线性35（二）（二）RNARNA病毒基因组病毒基因组 类型类型 特点特点 代表种类代表种类361.1.单股正链单股正链RNARNA病毒病毒SARSSARS冠状病毒冠状病

21、毒 SARS SARS coronaviruscoronavirus 包膜蛋白包膜蛋白膜蛋白膜蛋白核衣壳核衣壳蛋白蛋白刺突刺突蛋白蛋白 病毒病毒RNARNA聚合酶聚合酶37 单股正链单股正链RNARNA、不分节段，不分节段，5 5端有甲基化帽，端有甲基化帽，3 3端有端有poly(Apoly(A)结构。结构。脊髓灰质炎病毒、鼻病毒、脊髓灰质炎病毒、鼻病毒、多数多数RNARNA噬菌体、噬菌体、冠状病毒冠状病毒 38.禽流感病毒禽流感病毒(H5N1)avian influenza A virus2.2.单股负链单股负链RNARNA病毒病毒8 8节段节段-ssRNAssRNA血凝素（血凝素（HAHA

22、）神经氨酸酶（神经氨酸酶（N)N)39 单股负链单股负链RNARNA、8 8节段，均编码蛋白质，节段，均编码蛋白质，5 5端由相同的端由相同的1313个核苷酸组成，个核苷酸组成，3 3端有端有1212个保守的核苷酸序列。个保守的核苷酸序列。流感病毒流感病毒、滤泡性口腔炎病毒、滤泡性口腔炎病毒、狂犬病毒狂犬病毒40呼肠孤病毒呼肠孤病毒 reovirusreovirus3.3.双链双链RNARNA病毒病毒1111节段节段dsRNAdsRNA内衣内衣壳蛋壳蛋白白外衣壳外衣壳蛋白蛋白41 正负双链正负双链RNARNA，10101212节段、节段、每段编码一个蛋白质每段编码一个蛋白质 呼肠孤病毒、轮状病

23、毒、呼肠孤病毒、轮状病毒、噬菌体噬菌体6 6424.4.逆转录病毒逆转录病毒(retrovirusretrovirus)核心蛋白核心蛋白 逆转录酶逆转录酶 膜蛋白膜蛋白poly(Apoly(A)CapCap人类免疫缺陷病毒（人类免疫缺陷病毒（HIVHIV）43 单股正链单股正链RNARNA，有三个基本的结构有三个基本的结构 基因：基因：gaggag、polpol（逆转录酶逆转录酶）、）、envenv，白血病病毒、肉瘤病毒、白血病病毒、肉瘤病毒、人类免疫缺陷病毒人类免疫缺陷病毒 5 5端有甲基化帽，端有甲基化帽，33端有端有poly(Apoly(A)，另有多个基因表达调控位点。另有多个基因表达调

24、控位点。44（三）（三）DNADNA病毒基因组病毒基因组 类型类型 特点特点 代表种类代表种类451.1.线性双链线性双链DNADNA病毒病毒 早期蛋白（早期蛋白（E E）晚期蛋白（晚期蛋白（L L）腺病毒腺病毒 adenovirusadenovirusE1A E1BE3E4E2BE2A0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100%L2L3L4L5L1ITRITRITRITR ITR:ITR:反向末端重复序列反向末端重复序列46 反向末端重复序列反向末端重复序列 （inverted terminal inverted terminal repeatrepeat，ITRITR

25、）ATAT丰富区保守序列：丰富区保守序列：ATAATATACCATAATATACCGCGC丰富区保守序列：丰富区保守序列：GGGCGG,TGACGTGGGCGG,TGACGT在病毒复制过程有重要作用在病毒复制过程有重要作用 基因组：线性双链基因组：线性双链DNADNA，编码两大类编码两大类蛋白蛋白 早期蛋白（早期蛋白（E E）、）、晚期蛋白（晚期蛋白（L L）47乳头瘤病毒乳头瘤病毒 papillomavirus URR2.双链环状双链环状DNA病毒病毒衣壳衣壳蛋白蛋白DNA复制复制膜信号蛋白膜信号蛋白组装与释放组装与释放 中断细胞生长周期中断细胞生长周期上游调节区上游调节区转录转录 与复制与

26、复制48基因组：双链环状基因组：双链环状DNADNA，可分为早期区（可分为早期区（E E）、）、晚期区（晚期区（L L）、）、上游调节区（上游调节区（upstream regulatory upstream regulatory region,URR region,URR）调节转录与复制调节转录与复制493.3.单链环状单链环状DNADNA病毒病毒5387nt噬菌体噬菌体phiX174phiX174基因重叠基因重叠5387 5387 ntnt 编码编码2500 AA2500 AA1977，Sanger50乙型肝炎病毒（乙型肝炎病毒（HBVHBV）4.4.开环部分双链开环部分双链DNADNA病毒

27、病毒 聚合酶聚合酶HBsAgHBcAg51乙型肝炎病毒（乙型肝炎病毒（HBVHBV）逆转录酶逆转录酶HBsAgHBcAgHBeAg开环部分双链开环部分双链DNA病毒病毒52二、原核生物基因组二、原核生物基因组细菌染色体细菌染色体DNADNA质粒质粒DNADNA以大肠杆菌以大肠杆菌（Escherichia coli）为例为例53类核（类核（nucleoid）：）：细菌染色体在细菌染色体在 细胞内形成的一个致密区域细胞内形成的一个致密区域大肠杆菌细胞结构大肠杆菌细胞结构nucleoidnucleoid质粒质粒plasmid54大肠杆菌染色体结构大肠杆菌染色体结构蛋白质蛋白质核心核心超螺旋超螺旋DN

28、ADNA环环55（一）由一条环状双链（一）由一条环状双链DNADNA分子组成，分子组成，通常只有一个通常只有一个DNADNA复制起点。复制起点。C-Value:4.6106bp大肠杆菌染色体大肠杆菌染色体DNA DNA 大肠杆菌大肠杆菌40004000K K30003000K K20002000K K10001000K K0 0OriCOriCTerCTerC56(二二)结构基因大多组成操纵子结构基因大多组成操纵子乳糖操纵子乳糖操纵子 lac operontayz opstructural genepromoterterminatoroperator-galactosidase半乳糖苷酶半乳糖

29、苷酶 z-galactoside permease透酶透酶 y-galactoside transacetylase半乳糖苷乙酰转移酶半乳糖苷乙酰转移酶 a 57 多个功能相关的结构基因多个功能相关的结构基因成簇串联排列，与上游共同的成簇串联排列，与上游共同的调控区和下游转录终止信号组调控区和下游转录终止信号组成的基因表达单位。成的基因表达单位。操纵子操纵子operonoperon:58（三）其它结构特点（三）其它结构特点 C 值：值：4,639,221 bp基因数：基因数：4288基因大小：基因大小：950bp/gene基因间隔：基因间隔：118bp/gene1.基因密度非常高，编码区在基因

30、密度非常高，编码区在 基因组中所占比例大；基因组中所占比例大；2.结构基因没有内含子，多为结构基因没有内含子，多为 单拷贝，单拷贝，rRNA基因为多拷贝；基因为多拷贝；3.重复序列很少，重复片段为重复序列很少，重复片段为 转座子；转座子；50kb594.4.有编码同工酶的同基因有编码同工酶的同基因（isogene）分支酸别构酶分支酸别构酶 ilvBN acetolactate synthase I ilvIH acetolactate synthase III 乙酰乳酸合酶乙酰乳酸合酶 entC isochorismate synthase entB isochorismatase605.不同

31、的原核生物基因组的不同的原核生物基因组的GC含量含量（GC content）变化很大变化很大(25%-75%)Escherichia coliMicrococcus luteus藤黄微球菌藤黄微球菌Bacillus subtilisSerratia marcescens枯草杆菌枯草杆菌粘质沙雷菌大肠杆菌大肠杆菌%GC 51 51 52 55 58 52 37 66 61 43 45 33 39 25 75 73 69Shigella flexnerl志贺氏杆菌（痢疾）志贺氏杆菌（痢疾）Salmonella typhimurium鼠伤寒沙门菌Klebsiella pneumoniae肺炎克雷伯士

32、氏杆菌肺炎克雷伯士氏杆菌 Mycopiasma capricolum支原体支原体61（四）非编码区主要是调控序列：（四）非编码区主要是调控序列：复制起始区（复制起始区（OriCOriC）复制终止区（复制终止区（TerCTerC）转录起动区转录起动区转录终止区转录终止区62复制起始区（复制起始区（OriCOriC）63大肠杆菌强启动子大肠杆菌强启动子TTGAC TATAATTTGAC TATAAT 转录起始转录起始64GACCGCCGCUGGCGGC A U U U U-OH 35U U C G G 5GCCGCCAGUUCGGCUGGCGGCAUUUU3RNA5GCCGCCAGTTCGGCTG

33、GCGGCATTTT 3DNA终止子：终止子：强终止子：有反向重复顺强终止子：有反向重复顺序，可形成茎环结构，其序，可形成茎环结构，其后面为后面为poly(T)结构，转录结构，转录终止无需终止无需因子。因子。GC丰富区、丰富区、AT丰富区丰富区65（五）具有转座现象（五）具有转座现象 Barbara McClintock 1902-1992 转座转座，或称移位，或称移位（transposition）：转座因子在基因组转座因子在基因组 不同位置间的移动。不同位置间的移动。“转座子”先驱麦克林托克 芭芭拉麦克林托克81岁才获得诺贝尔生理或医学奖，成为遗传学研究领域第一位独立获得诺贝尔奖的女科学家。

34、她90岁去世，一生未婚，只对玉米情有独钟。其主要贡献就是发现玉米中的转座子现象：基因组中一段DNA序列在基因组中移动，可以通过切割、重新整合等一系列过程从基因组的一个位置“跳跃”到另一个位置。6667 1.1.转座因子的类别转座因子的类别Is3 转座酶转座酶(1)(1)插入序列插入序列（insertion sequence,Is）小于小于20002000bpbp，只有转座相关基因只有转座相关基因2kb68Tn3转座酶转座酶 Tn10 转座酶转座酶(2)(2)转座子转座子（transposon，Tn）2-20kb2-20kb，常带有抗性基因等其它基因常带有抗性基因等其它基因氨苄青霉素抗性氨苄青霉

35、素抗性 四环素抗性四环素抗性2kb69(3)Mu(3)Mu噬菌体（噬菌体（MuMu）转座酶转座酶头尾部蛋白头尾部蛋白转座酶转座酶结合位点结合位点 转座酶转座酶结合位点结合位点宿主宿主DNADNA宿主宿主DNADNA37 37 kbkbA B70切离切离是转座因子从原是转座因子从原来位置上切除并转移来位置上切除并转移到基因组新的位置到基因组新的位置 转座转座是转座因子复是转座因子复制出一个新拷贝转移制出一个新拷贝转移到基因组新的位置到基因组新的位置2.2.转座因子的遗传效应转座因子的遗传效应供体供体DNADNA转座子转座子受体受体DNADNA复制和转座复制和转座新的新的DNADNA切除和连接切除

36、和连接71转座的结果使靶点序列倍增转座的结果使靶点序列倍增 促使染色体畸变促使染色体畸变 72 共合体共合体 重组重组 解离解离复制子复制子1 1复制子复制子2 2转座子可以使供体转座子可以使供体和受体复制子融合，和受体复制子融合，形成共合体，形成共合体，解离后释放出两个解离后释放出两个复制子，每一个都复制子，每一个都带有一个转座子。带有一个转座子。可形成共合体可形成共合体转座子转座子融合融合73转座子转座子 F F E E A A B B C C D D复制复制插入插入 转座子新拷贝转座子新拷贝 F F E E A A B B C C D D引起插入突变引起插入突变 基因基因F F被隔断而失

37、去功能被隔断而失去功能 74携带标志基因使受体增添新基因携带标志基因使受体增添新基因Tn3转座酶转座酶 Tn10 转座酶转座酶氨苄青霉素抗性氨苄青霉素抗性 四环素抗性四环素抗性75（六）质粒（六）质粒（plasmidplasmid）质粒质粒是存在于细菌染色体外的，是存在于细菌染色体外的，具有自主复制能力的环状双链具有自主复制能力的环状双链DNADNA分分子；大小为子；大小为2-3 2-3 kbkb。76质粒的特性质粒的特性 在宿主细胞内可自主复制；在宿主细胞内可自主复制；所携带的遗传信息能赋予宿主特所携带的遗传信息能赋予宿主特 定的遗传性状；定的遗传性状；细胞分裂时恒定地传给子代；细胞分裂时恒

38、定地传给子代；质粒可以转移；质粒可以转移；质粒上常有抗生素的抗性基因。质粒上常有抗生素的抗性基因。77三三真核生物基因组真核生物基因组染色体染色体DNADNA线粒体线粒体DNADNA78人类基因组染色体人类基因组染色体（一）染色体（一）染色体DNADNA的组成的组成核小体核小体791.1.单一序列单一序列DNA（unique sequence DNA）单一序列在人类基因组中单一序列在人类基因组中大于大于5050。结构基因主要存。结构基因主要存在于单一序列中。在于单一序列中。单拷贝单拷贝DNA(single copy DNA)802.2.高度重复序列高度重复序列DNA（highly repeti

39、tive DNA）卫星卫星DNADNA（satellitesatellite DNA DNA）反向重复序列反向重复序列 （inverted repeats)inverted repeats)重复次数重复次数106次次81 （1）卫星卫星DNADNA 存在于非编码区的串联重复序列，存在于非编码区的串联重复序列，在基因组中约占在基因组中约占5 5。主带主带 光光密密度度 卫星卫星DNA82a.大卫星（大卫星（macro-satellite）DNADNA：重复单位重复单位5-5-10 10 bpbp，其在人群中多态性不显著。其在人群中多态性不显著。光密度光密度260nm果蝇基因组果蝇基因组83b.小

40、卫星（小卫星（minisatellite）DNA：重复单位重复单位9-24 bp，呈高度多态性。呈高度多态性。可变数目串联重复序列（可变数目串联重复序列（variable number of tandem repeat,VNTR）端粒端粒DNA：（TTAGGG）n，2-20 kb，染色体复制，末端保护。染色体复制，末端保护。核心序列核心序列 GGGCAGGAXG；84c.微卫星微卫星DNA(macro-satellite DNA)短串联重复短串联重复(short tandem repeat,STR)重复单位重复单位2-6bp，常见为常见为(AC)n和和(TG)n，重复次数重复次数10-60次，

41、总长度小于次，总长度小于150bp，高度多态性，可作遗传标记。高度多态性，可作遗传标记。8585（2 2）.反向重复序列反向重复序列55AAACCACCGCTGGTAGCGGTGGTTT33TTTGGTGGCGACCATCGCCACCAAA5555AAACCACCGCTAGCGGTGGTTT33TTTGGTGGCGATCGCCACCAAA5回文结构回文结构 两两个个顺顺序序列列相相同同的的拷拷贝贝在在DNADNA链链上上呈呈反反向向排排列列。在在基基因因组组中中约约占占5 5，常见于基因调控区。常见于基因调控区。863.3.中度重复序列中度重复序列:tRNAtRNA、rRNArRNA组蛋白、免

42、疫球蛋白组蛋白、免疫球蛋白可能与基因调控相关序列可能与基因调控相关序列重复次数重复次数10-1010-105 5，约占基因组的，约占基因组的353587AluAlu家族：家族：有有AluAlu酶切位点（酶切位点（AG/CTAG/CT）而得名。而得名。重重 复复 单单 位位 约约 300300bpbp，由由两两个个130130bpbp重重复复序序列列及及3131bpbp间间隔隔序序 列列组组成成；重重复复30-5030-50万万次次，散散在在分分布布；灵长类特有。灵长类特有。ALU家族：Alu家族每个成员的长度约300bp，每个单位长度中有一个限制性内切酶Alu的切点（AGCT），Alu可将其切

43、成长130和170bp的两段。Alu家族是灵长类动物特有的且是最重要的短散在元件（short interspersed elements，SINEs），经过6千5百万年的进化，Alu序列在基因组中约有120万份拷贝，占基因组的10以上。Alu家族在基因组中有很多功能，如介导重组、基因插入和删除、甲基化和A-to-I的编辑作用、调控转录和翻译、选择性剪接等等。Alu家族的变异与疾病和进化存在密切关系。8889等位型等位型1 1等位型等位型2 2（二）基因组序列多态性（二）基因组序列多态性 两个同源两个同源DNADNA序列中同一碱基位置序列中同一碱基位置含有不同的核苷酸。含有不同的核苷酸。1.1.

44、单核苷酸多态性单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism,SNP）单核苷酸多态性单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism，SNP),主要是指在基因组水平上由单个核苷酸的变异所引主要是指在基因组水平上由单个核苷酸的变异所引起的起的DNA序列多态性。它是人类可遗传的变异中最常见的序列多态性。它是人类可遗传的变异中最常见的一种。占所有已知多态性的一种。占所有已知多态性的90%以上。以上。SNP在人类基因组在人类基因组中广泛存在，平均每中广泛存在，平均每5001000个碱基对中就有个碱基对中就有1个，估个，估计其总数可达计其总数可达

45、300万个甚至更多。万个甚至更多。SNP所表现的多态性只涉及到单个碱基的变异，这种变所表现的多态性只涉及到单个碱基的变异，这种变异可由单个碱基的转换异可由单个碱基的转换(transition)或颠换或颠换(transversion)所引起，也可由碱基的插入或缺失所致。但通常所说的所引起，也可由碱基的插入或缺失所致。但通常所说的SNP并不包括后两种情况。并不包括后两种情况。转换转换(C T，在其互补链上则为，在其互补链上则为G A)，颠换，颠换(C A，G T，C G，A T)90SNP自身的特性决定了它更适合于对复杂性状与疾病的遗传解剖以及基于群体的基因识别等方面的研究：1、SNP数量多，分布

46、广泛。据估计，人类基因组中每1000个核苷酸就有一个SNP，人类30亿碱基中共有300万以上的SNPs。SNP遍布于整个人类基因组中，根据SNP在基因中的位置，可分为基因编码区SNPs（Coding-regionSNPs，cSNPs）、基因周边SNPs（PerigenicSNPs，pSNPs）以及基因间SNPs（IntergenicSNPs，iSNPs）等三类。2、SNP适于快速、规模化筛查。组成DNA的碱基虽然有4种，但SNP一般只有两种碱基组成，所以它是一种二态的标记，即二等位基因（biallelic）。由于SNP的二态性，非此即彼，在基因组筛选中SNPs往往只需+/-的分析，而不用分析片

47、段的长度，这就利于发展自动化技术筛选或检测SNPs。3、SNP等位基因频率的容易估计。采用混和样本估算等位基因的频率是种高效快速的策略。该策略的原理是：首先选择参考样本制作标准曲线，然后将待测的混和样本与标准曲线进行比较，根据所得信号的比例确定混和样本中各种等位基因的频率。4、易于基因分型。SNPs的二态性，也有利于对其进行基因分型。对SNP进行基因分型包括三方面的内容：(1)鉴别基因型所采用的化学反应，常用的技术手段包括：DNA分子杂交、引物延伸、等位基因特异的寡核苷酸连接反应、侧翼探针切割反应以及基于这些方法的变通技术；(2)完成这些化学反应所采用的模式，包括液相反应、固相支持物上进行的反

48、应以及二者皆有的反应。(3)化学反应结束后，需要应用生物技术系统检测反应结果。91922.限制性片段长度多态性限制性片段长度多态性 （restriction fragment length polymorphism）DNA1-1DNA1-1DNA1-2DNA1-2 用一种限制性内切酶消化不同个用一种限制性内切酶消化不同个体的同一段体的同一段DNADNA时，由于碱基组成的时，由于碱基组成的变化而改变限制性内切酶识别位点，变化而改变限制性内切酶识别位点，从而会产生长度不同的从而会产生长度不同的DNADNA片段。片段。93(三三)多基因家族（多基因家族（multigenemultigene fami

49、ly family）是指一组有类似功能，核苷是指一组有类似功能，核苷酸序列又有同源性的基因。酸序列又有同源性的基因。真核基因组的特点之一就是存在多基因家族（真核基因组的特点之一就是存在多基因家族（multi multi gene familygene family）。多基因家族是指由某一祖先基因经过重）。多基因家族是指由某一祖先基因经过重复和变异所产生的一组基因。多基因家族大致可分为两复和变异所产生的一组基因。多基因家族大致可分为两类：一类是基因家族成簇地分布在某一条染色体上，它类：一类是基因家族成簇地分布在某一条染色体上，它们可同时发挥作用，合成某些蛋白质，如组蛋白基因家们可同时发挥作用，合

50、成某些蛋白质，如组蛋白基因家族就成簇地集中在第族就成簇地集中在第7 7号染色体长臂号染色体长臂3 3区区2 2带到带到3 3区区6 6带区域带区域内；另一类是一个基因家族的不同成员成簇地分布不同内；另一类是一个基因家族的不同成员成簇地分布不同染色体上，这些不同成员编码一组功能上紧密相关的蛋染色体上，这些不同成员编码一组功能上紧密相关的蛋白质，如珠蛋白基因家族。白质，如珠蛋白基因家族。1.1.基因超家族（基因超家族（supergene familysupergene family）由多基因家族及单基因组成，成员间由多基因家族及单基因组成，成员间有不同程度的同源，但它们的功能不一定有不同程度的同源