真核生物基因组结构 (2).ppt

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1、第五章 真核生物的基因组结构2023/6/10 2023/6/10 1 1真核生物基因组 大，线状 与组蛋白结合 线粒体/叶绿体 单顺反子 断裂基因 split gene 无重叠基因 含大量非编码 DNA 大量重复序列 原核生物基因组 小,环状 裸露DNA 质粒 plasmid 操纵子 operon，多顺反子 基因是连续的 有重叠基因 大部分序列都为编码序列 重复序列不多（单拷贝）2023/6/10 2023/6/10 2 2存在方式组成 序列特点基因特点遗传物质的组成真核生物细胞核DNA重复序列多，单一序列少。基因家族、假基因核染色体和细胞器基因组原核生物类核DNA 和RNA重复序列少，单一

2、序列多。重叠基因、操纵子主染色体和质粒2023/6/10 2023/6/10 3 3一、真核基因组结构特点 真核基因组结构庞大 3109bp、染色质、核膜 单顺反子 基因不连续性 断裂基因（interrupted gene）、内含子(intron)、外显子(exon)非编码区较多 多于编码序列(9:1)含有大量重复序列第一节真核基因组的组成2023/6/10 4二、真核细胞与原核细胞在基因转录、翻译及DNA的空间结构方面存在以下几个方面的差异 2023/6/10 5 在真核细胞中，一条成熟的mRNA链只能翻译出一条多肽链，很少存在原核生物中常见的多基因操纵子形式。真核细胞DNA与组蛋白和大量非

3、组蛋白相结合，只有一小部分DNA是裸露的。2023/6/10 6 高等真核细胞DNA中很大部分是不转录的，大部分真核细胞的基因中间还存在不被翻译的内含子。真核生物能够有序地根据生长发育阶段的需要进行DNA片段重排，还能在需要时增加细胞内某些基因的拷贝数。2023/6/10 7 在真核生物中，基因转录的调节区相对较大，它们可能远离启动子达几百个甚至上千个碱基对，这些调节区一般通过改变整个所控制基因5上游区DNA构型来影响它与RNA聚合酶的结合能力。在原核生物中，转录的调节区都很小，大都位于启动子上游不远处，调控蛋白结合到调节位点上可直接促进或抑制RNA聚合酶与它的结合。2023/6/10 8 真

4、核生物的RNA在细胞核中合成，只有经转运穿过核膜，到达细胞质后，才能被翻译成蛋白质，原核生物中不存在这样严格的空间间隔。许多真核生物的基因只有经过复杂的成熟和剪接过程，才能顺利地翻译成蛋白质。2023/6/10 9三 基因组与C值 基因组(genome)：一个物种单倍体的染色体所携带的一整套基因称为该物种的基因组。2023/6/10 2023/6/10 10 10l l 基因组是指遗传物质的总量，可以用C值表示。l l C值（C value）：一个单倍体基因组的全部DNA含量。l l 对于 特定物种，C值是恒定的。2023/6/10 2023/6/10 11 11C值矛盾(C-value pa

5、radox)具体表现：具体表现：l l与预期的编码蛋白质的基因数量相比，基因组与预期的编码蛋白质的基因数量相比，基因组的的含量过多含量过多，为什么？为什么？l l一些物种之间的复杂性变化范围并不大，但值却一些物种之间的复杂性变化范围并不大，但值却有很大的变化范围。对于不同物种，有很大的变化范围。对于不同物种，CC值差异较大。值差异较大。CC值的大小与物种的结构组成和功能的复杂性没有严值的大小与物种的结构组成和功能的复杂性没有严格的对应关系，这种现象称为格的对应关系，这种现象称为CC值矛盾值矛盾。2023/6/10 2023/6/10 12 12四 基因的数量差别很大2023/6/10 2023

6、/6/10 13 13真核生物序列特征（一一）单单一一顺顺序序(nonrepetitive(nonrepetitive)：又又称称非非重重复复序序列列，在在一一个个基基因因组组中中只只有有一一个个拷拷贝贝，原原核核生生物物基基因因多多数数是是单拷贝基因。单拷贝基因。（二二）重重复复顺顺序序(repetitive(repetitive)：基基因因组组中中有有多多个个拷拷贝贝，重重复复程程度度不不同同，真真核核生生物物的的一一些些基基因因中中，常常含含有有大大量量的重复序列。的重复序列。l l 原核 原核基因多数是 基因多数是单一顺序 单一顺序（unique-sequences unique-se

7、quences），仅有），仅有少量 少量的重复顺序。的重复顺序。l l 真核 真核基因组含 基因组含少量 少量单一顺序和 单一顺序和大量 大量重复顺序 重复顺序 2023/6/10 2023/6/10 14 14短片段的重复序列按重复方式不同可分为三种类型：（11）正正向向重重复复(direct(direct repeats)repeats)：同同一一阅阅读读方方向向上上的的重复；重复；（22）反反向向重重复复(inverted(inverted repeats)repeats)：反反方方向向上上的的重重复；复；（33）回回文文顺顺序序(Palindromic(Palindromic sequ

8、ence)sequence)：倒倒转转重重复，反转对称。复，反转对称。5 GTGAGCTCAC 35 GTGAGCTCAC 3 3 CACTCGAGTG 5 3 CACTCGAGTG 52023/6/10 2023/6/10 15 15按重复程度不同可分为三种类型：l l轻度重复序列轻度重复序列（light repetitivelight repetitive）：在一个基因组中有）：在一个基因组中有221010个拷贝，如组蛋白基因和酵母个拷贝，如组蛋白基因和酵母tRNAtRNA基因；基因；l l中度重复序列中度重复序列（moderately repetitive moderately repe

9、titive）：有）：有1010至几至几百百个拷贝，一般是不编码的序列，可能参与基因调控；个拷贝，一般是不编码的序列，可能参与基因调控；l l高度重复序列高度重复序列（highly repetitivehighly repetitive）：有）：有几百个到几百几百个到几百万万个拷贝，如个拷贝，如rRNArRNA基因和某些基因和某些tRNAtRNA基因。基因。2023/6/10 2023/6/10 16 16高度重复序列 卫星卫星DNA(satellite DNA)DNA(satellite DNA)：有些高度重复：有些高度重复DNADNA序列的碱基组成和浮力密度同主体序列的碱基组成和浮力密度同

10、主体DNADNA有区别，有区别，在浮力密度梯度离心时，可形成不同于主体在浮力密度梯度离心时，可形成不同于主体DNADNA的卫星带，称之为卫星的卫星带，称之为卫星DNA DNA。卫星 卫星DNA DNA：由长串联重复序列组成，一般对应于：由长串联重复序列组成，一般对应于 染色体上的异染区域。染色体上的异染区域。卫星 卫星DNA DNA 小卫星 小卫星DNA DNA：由中等大小的串联重复序列组成，：由中等大小的串联重复序列组成，位于靠近染色体末端的区域。位于靠近染色体末端的区域。微卫星 微卫星DNA DNA：由更简单的重复单位组成的小序：由更简单的重复单位组成的小序 列，分散于基因组中。列，分散于

11、基因组中。2023/6/10 2023/6/10 17 17利用复性动力学鉴定基因组序列l l 零时复性序列l l 快速复性序列l l 中速复性序列l l 慢速复性序列2023/6/10 2023/6/10 18 18细胞器基因组l线粒体l叶绿体2023/6/10 2023/6/10 19 19第二节 断裂基因ll在真核生物基因组中，一个基因的编码序列在DNA分子上是不连续的，被非编码序列所隔开，称为断裂基因或不连续基因。2023/6/10 2023/6/10 20 20GC框：调节转录活动。CAAT框增强子尾部区结构基因转录单位非编码区调控 区外显子：具有编码意义内含子：无编码意义（5GT、

12、3AG；GT-AG法则）前导区启动子终止子TATA框mRNA裂解信号回文结构2023/6/10 21Interrupted gene2023/6/10 22外显子(Exon)：真核细胞基因DNA中的编码序 列，这些序列被转录成RNA并进而翻译为蛋白质。内含子(Intron)：真核细胞基因DNA中的间插序列，这些序列被转录成RNA，但随即被剪除而不翻译。2023/6/10 2023/6/10 23 232023/6/10 24外显子(Exon)l具有保守序列l对应基因的功能性单位l不同基因存在相关的外显子2023/6/10 2023/6/10 25 25内含子(Intron)ll相位ll类型 G

13、T-AC2023/6/10 2023/6/10 26 26l l外显子与内含子的外显子与内含子的连接区序列很短，高度保守，连接区序列很短，高度保守，是是RNARNA剪接的信号序列剪接的信号序列 5GTAG 35GTAG 3内含子(Intron)2023/6/10 2023/6/10 27 27特点1.不具有序列特异性2.保守性3.决定基因的长度4.相对性内含子(Intron)2023/6/10 2023/6/10 28 28l选择性剪接：同一基因的转录产物由于不同的剪接方式形成不同mRNA。内含子(Intron)2023/6/10 2023/6/10 29 292023/6/10 30l起源l

14、存在的意义与进化的关系内含子(Intron)2023/6/10 2023/6/10 31 31l假基因第三节基因家族和基因簇是基因组中因突变而失活的基因，无蛋白质产物。一般是启动子出现问题。2023/6/10 2023/6/10 32 32 基因家族和基因簇 基因家族（gene family）：是真核生物基因组中来源相同，结构相似，功能相关的一组基因。l l 其中大部分有功能的家族成员之间相似程度高，个别成员间 其中大部分有功能的家族成员之间相似程度高，个别成员间的差异程度大；的差异程度大；l l 基因家族各成员在染色体上的分布是不同的，一些 基因家族各成员在染色体上的分布是不同的，一些成簇分

15、布 成簇分布（clustered gene family clustered gene family）；一些）；一些广泛分布，分散在 广泛分布，分散在不同的染 不同的染色体上 色体上2023/6/10 2023/6/10 33 33 基因家族经过重复和变异所产生的一组基因。如血红蛋白基因家族。2023/6/10 2023/6/10 34 34l l基因簇（基因簇（gene clustergene cluster）：基因家族的各成员）：基因家族的各成员紧密成簇排列成大段的串联重复单位，在紧密成簇排列成大段的串联重复单位，在同一同一条染色体条染色体的特定区域，相对集中。基因簇内各的特定区域，相对集

16、中。基因簇内各序列间的同源性大于基因簇间的序列同源性；序列间的同源性大于基因簇间的序列同源性；如组蛋白基因家族就成簇地集中在第7号染色体长臂3区2带到3区6带区域内；2023/6/10 2023/6/10 35 35高度重复序列 卫星卫星DNA(satellite DNA)DNA(satellite DNA)：有些高度重复：有些高度重复DNADNA序列的碱基组成和浮力密度同主体序列的碱基组成和浮力密度同主体DNADNA有区别，有区别，在浮力密度梯度离心时，可形成不同于主体在浮力密度梯度离心时，可形成不同于主体DNADNA的卫星带，称之为卫星的卫星带，称之为卫星DNA DNA。卫星 卫星DNA

17、DNA：由长串联重复序列组成，一般对应于：由长串联重复序列组成，一般对应于 染色体上的异染区域。染色体上的异染区域。卫星 卫星DNA DNA 小卫星 小卫星DNA DNA：由中等大小的串联重复序列组成，：由中等大小的串联重复序列组成，位于靠近染色体末端的区域。位于靠近染色体末端的区域。微卫星 微卫星DNA DNA：由更简单的重复单位组成的小序：由更简单的重复单位组成的小序 列，分散于基因组中。列，分散于基因组中。2023/6/10 2023/6/10 36 36第四节 真核基因组的包装n n 包装比(packing ratio):用以描述DNA的浓缩程度，即DNA的原始长度除以包装后的长度。如

18、人类最小的染色体（Y）：DNA拉直约为1.4 cm，在有丝分裂最致密状态下，这条染色体长度约为2m，因此包装比可以大到7000。2023/6/10 2023/6/10 37 37 真核生物基因组的包装DNA 核小体染色质染色体 2023/6/10 2023/6/10 38 38染色体基本组成单位：核小体（基本结构单位）基本形态：条状、纺锤状、哑铃状等主要结构：染色体臂、着丝粒、染色粒端粒等基本功能：携带遗传信息，控制遗传性状一、染色质的结构单位2023/6/10 2023/6/10 39 39组蛋白：H1 H2A H2B H3H4非组蛋白核小体DNA蛋白质染色体真核生物染色体的组成2023/6

19、/10 40DNA（28%）RNA（6%）非组蛋白 Pr（66%）组蛋白染色体染色体的化学组成2023/6/10 2023/6/10 41 41 核小体的概念nn核小体(nucleosome)：染色质的基本结构亚基，由约200 bp的DNA和约等量的组蛋白所组成。2023/6/10 2023/6/10 42 42当分裂间期的细胞核悬浮于低离子强度的溶液中时，它们膨胀破裂，释放出染色质纤维（电镜图）染色质是一串核小体2023/6/10 2023/6/10 43 43 核小体的结构组成n n 每个核小体含有约200bp的DNA，核心组蛋白H2A、H2B、H3和H4各2份拷贝，1份拷贝的H1组蛋白位

20、于核小体外侧。n n 微球菌核酸酶(micrococcal nuclease)处理染色体可得到单个核小体。2023/6/10 2023/6/10 44 442023/6/10 2023/6/10 45 452023/6/10 2023/6/10 46 462023/6/10 2023/6/10 47 47二、染色质的高级结构模型DNA链（缩短缩短77倍）倍）核小体（缩短缩短66倍）倍）螺线管（缩短缩短4040倍）倍）超级螺线管（缩短缩短55倍）倍）染色体2023/6/10 2023/6/10 48 48染色体的四级结构串珠模型 串珠模型一级结构 一级结构螺线管螺线管二级结构 二级结构超螺线管超

21、螺线管三级结构 三级结构染色体染色体四级结构 四级结构从染色质到染色体2023/6/10 2023/6/10 49 492023/6/10 2023/6/10 50 50 真核生物染色体DNA组装不同层次的结构DNA（2nm）核小体链（10nm，每个核小体200bp）纤丝（30nm，每圈6个核小体）突环（150nm，每个突环大约75000bp）玫瑰花结（300nm，6个突环）螺旋圈（700nm，每圈30个玫瑰花结）染色体（1400nm，2个染色单体，每个染色体单体含10个螺旋圈）2023/6/10 51n n染色质染色质(chromatin)(chromatin)：是：是指细胞周期间期指细胞周

22、期间期细胞核内由细胞核内由DNADNA、组蛋白、非组蛋白和少量、组蛋白、非组蛋白和少量RNARNA组成的复合结构，组成的复合结构，因其易被碱性染料染色而得名。因其易被碱性染料染色而得名。n n染色体染色体(chromosome)(chromosome)：是指在：是指在细胞分裂期细胞分裂期出现的出现的一种能被碱性染料强烈染色，并具有一定形态、结构特一种能被碱性染料强烈染色，并具有一定形态、结构特征的物体。征的物体。携带很多基因的分离单位。只有在细胞分携带很多基因的分离单位。只有在细胞分裂中才可见的形态单位。裂中才可见的形态单位。染色质和染色体的概念2023/6/10 2023/6/10 52 5

23、2 三、染色质的分类n n 常染色质(euchromatin)（间期纤丝的包装密度度比分裂期染色体的要小很多）（间期纤丝的包装密度度比分裂期染色体的要小很多）n n 异染色质(heterochromatin)（间期纤丝染色质区的包装密度十分致密，可与有丝分（间期纤丝染色质区的包装密度十分致密，可与有丝分裂期染色体相比）裂期染色体相比）组成型异染色质(constitutive heterochromatin)(constitutive heterochromatin)兼性异染色质(facultative heterochromatin)(facultative heterochromatin)2

24、023/6/10 2023/6/10 53 53组成型异染色质的普遍特征n n 它是持久压缩的；n n 它常由不被转录的少数DNA序列的多份重复拷贝组成；n n 与常染色质相比，这些区域的基因密度非常低，易位进入或靠近该区的基因通常是失活的；n n 也许由于它的压缩状态造成了在S期的晚期才被复制，并且具有相对较低的遗传重组频率。2023/6/10 2023/6/10 54 54核骨架核骨架结合元件四、核骨架与核骨架结合元件2023/6/10 2023/6/10 55 55着丝点染色单体短臂长臂随体亚中着丝粒染色体中着丝粒染色体近端着丝粒染色体端着丝粒染色体染色体结构与类型：五、染色体2023/

25、6/10 2023/6/10 56 56着丝粒（又叫主缢痕）是染色体最显著的特征，碱性染料着色浅，且表现缢缩，它将染色体分成两个臂（长臂q和短臂p）。功能：把两个姐妹染色单体结合在一起。是纺锤丝附着于染色体的位点根据长臂和短臂的比值将染色体分成4类型：2023/6/10 2023/6/10 57 57次缢痕和随体和NOR 除主缢痕外除主缢痕外，在染色体上还有其他的浅染缢缩在染色体上还有其他的浅染缢缩部位称为部位称为次缢痕次缢痕。它的外侧称为它的外侧称为随体随体。核仁组织区核仁组织区（nucleolar organizing region nucleolar organizing region，

26、NOR NOR）位于染色体的次缢痕部位，与核仁形成有关。位于染色体的次缢痕部位，与核仁形成有关。用硝酸银染色可以使其特异性着色用硝酸银染色可以使其特异性着色（Ag Ag NOR NOR）。2023/6/10 2023/6/10 58 58端粒（telomere）的功能保持染色体的稳定使线形DNA的顺利复制影响染色体的行为可能控制细胞的寿命和核骨架的组成有关2023/6/10 2023/6/10 59 59)人类基因组的23对染色体2023/6/10 2023/6/10 60 60核型分析与染色体显带 核型核型（karyotypekaryotype）指染色体在有丝分裂指染色体在有丝分裂中期的表型

27、，包括染色体的数目、大小、形态特中期的表型，包括染色体的数目、大小、形态特征等征等。核型分析核型分析对生物染色体进行配对、分组、对生物染色体进行配对、分组、编号等分析的过程。编号等分析的过程。用途：可以诊断由于染色体异常引起的遗传用途：可以诊断由于染色体异常引起的遗传病、研究亲缘关系、探讨物种进化等。病、研究亲缘关系、探讨物种进化等。2023/6/10 2023/6/10 61 61染色体显带技术（1970年发现）用 用物 物理 理、化 化学 学因 因素 素处 处理 理染 染色 色体 体标 标本 本,再 再用 用染 染料 料对 对染 染色 色体 体进 进行 行分 分化 化染 染色 色,使 使染

28、 染色 色体 体上 上呈 呈现 现出 出特 特定 定的 的深 深浅 浅不 不同 同宽窄不一的稳定带纹。宽窄不一的稳定带纹。染色体带型 染色体带型 G G带 带 C C带 带 Q Q带 带 T T带 带 N N带 带 R R带 带2023/6/10 2023/6/10 62 62特殊染色体灯刷染色体多线染色体2023/6/10 2023/6/10 63 63第五节重要模式生物的基因组计划酿酒酵母基因组结构秀丽新小杆线虫基因组结构黑腹果蝇基因组结构小鼠基因组结构拟南芥基因组结构2023/6/10 2023/6/10 64 64第六节 人类基因组结构HGPHGP人类基因组学研究方法人类基因组学研究方

29、法 核型分析核型分析 基因组作图基因组作图 基因组测序基因组测序 基因组注释基因组注释2023/6/10 2023/6/10 65 65基因组作图遗传图谱物理图谱序列图谱基因图谱2023/6/10 2023/6/10 66 66人类基因组的特点基本数据有用与无用变异与突变与其他基因组比较2023/6/10 2023/6/10 67 67后基因组时代人类基因组计划的意义2023/6/10 2023/6/10 68 682023/6/10 69ll单倍体含有配子染色体数的生物。它们的体细胞和性细胞中染色体数都是单倍的（记为n），如雄蜂。l l 一倍体含有一个染色体组的细胞或生物。（记为x）2023/6/10 2023/6/10 70 70