病毒基因组及原核生物基因组 PPT课件

反向重复序列 （ inverted repeat sequence） 由两个相同顺序的互补拷贝在同一 DNA链上反向排 列而成， 重复单位长度约 300 bp，多数散在于基因组中 ，总长度约占人基因组的 5 。 1 An inverted repeat (or IR) is a sequence of nucleotides followed downstream by its reverse complement. The intervening sequence of nucleotides between the initial sequence and the reverse complement can be any length including zero. When the intervening length is zero, the composite sequence is a palindromic sequence. The 5 base-pair sequence on the left is “repeated“ and “inverted“ to form sequence on the right. 2 反向重复序列 存在两种形式： A.两互补拷贝间无间隔序列 如 GGTACCCCATGG B.两互补拷贝间有间隔序列 如 GGTNNNNACCCCANNNNTGG 电镜下，两种形式都呈十字形结构，有间隔的反向重 复序列，在十字型结构两头形成两个小环。 作用：常见于基因组的调控区内，可能与复制和转录的 调控有关。 3 病毒 不具 细 胞 结 构 ， 有 遗传 、复制等生命特征的微生 物 第一节 病毒基因组 4 病毒基因组核酸的主要类型 双链 DNA 多数动物病毒，如腺病毒、疱疹病毒、痘病毒， 环形、线形。 单链 DNA 动物病毒中仅微小病毒为单链病毒；噬菌体中 仅含单链 DNA。 RNA病毒基因组所携带的遗传信息一般在同一条链上，序列 与 mRNA相同的为 正股（ +）， 与 mRNA互补的为 负股（ ） 双链 RNA 以负链 RNA为模板转录出 mRNA如呼肠孤病毒及 噬真菌体。 单链负股 RNA 单链正股 RNA 如逆转录病毒 5 病毒基因组的结构特点 与细菌相比，病毒基因组很小，而且 大小相差较大。 可以由 DNA组成，也可以由 RNA组成，每种病毒颗粒中只含 有一种核酸，或为 DNA或为 RNA，两者一般不共存于同一病毒颗 粒中。 基因重叠 。 大部分是用来编码蛋白质的，只有非常少的部分不被翻译。 DNA序列中功能上相关的蛋白质的基因或 rRNA的基因往往 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。 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，具有内含子。 6 噬菌体（研究得最为详尽的双链 DNA噬菌体） 48.5kb， 46基因，分 5部分：头部、尾部、调控（免疫区）、复 制和晚期调控区。 7 X174噬菌体（单链环状 DNA） 5.4kb， 11个基因， 3转录单位。 重叠基因 5.4kb 1795氨基酸 197kDa蛋白质 实际上： 263kDa蛋白质 基因之间的间隔区很小 如： H,A间隔 63个核苷酸 8 9 SV40病毒基因组 无包膜，直径 45nm，双链环状 DNA， DNA长 5243bp。 基因是不连续的 两个区域，转录方向相反 10 第二节 原核基因组 Prokaryotic genome 以细菌为代表讲述，有称 bacteria genome 。细菌对医学分子生物学有重要贡献，是基因工程研究的主要 材料之一。因为： 1.构造相对简单，基因结构也不复杂，取材便利，易于培养构造相对简单，基因结构也不复杂，取材便利，易于培养 ， 可 选择突变株进行研究，实验结果容易重复。（如选择 DDDPI缺 乏的 Ecoli突变株， Ecoli仍可合成 DNA，说明 DDDPI对 EcoliDNA合成不起作用。） 2.与人类有共同的分子生物学规律可循，如与人类有共同的分子生物学规律可循，如 ： （ 1）遗传物质都是 DNA； （ 2）主要的功能分子都是蛋白质； （ 3）基因密码是通用的，等等。 3.尤其是尤其是 E.coli,是分子克隆是是分子克隆是 “明星明星 “,基因工程的主要工程菌，因基因工程的主要工程菌，因 为基因工程的主要工作是克隆真核基因在原核系统中表达。为基因工程的主要工作是克隆真核基因在原核系统中表达。 11 细菌 属于原核型细胞的一种单胞生物 ,形体微小 ,结构简单。无成形细 胞核、也无核仁和核膜， 沙门氏干菌 , 博德氏菌 , 梭狀干菌 , 大肠干菌 ; 螺旋菌 , 葡萄球菌 12 含有 3500个基因，已被定位 的有 900个左右。在这 900个基 因中，有 260个基因已查明具有 操纵子结构，定位于 75个操纵 子中。在已知的基因中 8的序 列具有调控作用。 大肠杆菌基因组 13 类核的结构 14 一、一、 原核生物基因组结构与功能的特点原核生物基因组结构与功能的特点 1.基因组通常仅由 一条环状双链一条环状双链 DNA分子组成。分子组成。 其 DNA是与蛋白质结合，但并不形成染色体结构，只是习惯上将 之称为染色体。细菌染色体 DNA在胞内形成一个致密区域，即类 核（ nucleoid），类核无核膜将之与胞浆分开。 2.基因组中 只有只有 1个复制起点个复制起点 。 3.具有操纵子结构。具有操纵子结构。 操纵子（ operon） 是指数个功能相关的结构 基因串联在一起，构成信息区，连同其上游的调控区（包括启动 和操纵区）及其下游的转录终止信号构成的基因表达单位。 4.结构基因无重叠现象，结构基因无重叠现象， 基因组中任何一段 DNA不会用于编码 2种 蛋白质。 5.基因序列是连续的，无内含子结构。基因序列是连续的，无内含子结构。 15 6.编码区和非编码区编码区和非编码区 （主要是调控序列） 在基因组中约各占在基因组中约各占 50% 。 7.基因组中的 重复序列 很少。 编码蛋白质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。（ 15AA/秒， 2AA/秒） 8.具有编码同功酶的基因（具有编码同功酶的基因（ isogene） 这是一类结构不完全相同， 而功能相同的基因。如 E.coli含有 2个编码乙酸乳酸合成酶的基因 和 2个编码分支酸变位酶同工酶的基因。 9.细菌基因组中存在可移动的细菌基因组中存在可移动的 DNA序列，包括插入序列和转座子序列，包括插入序列和转座子 。 10.原核基因的基本结构特点：原核基因的基本结构特点： 启动子（ promoter）、操纵基因（ operator）、调控序列、结 构基因（ structure gene）、终止子（ terminator）。 16 细菌的染色体基因组通常仅由一条环状双链 DNA分子组成，染色 体相对聚集在一起，形成一个较为致密的区域，称为类核。 只有一个复制起点 具有操纵子结构。 在大多数情况下，结构基因在细菌染色体基因组中都是单拷贝， 和病毒的基因组相似，不编码的 DNA部份所占比例比真核细胞基 因组少得多。 在 DNA分子中具有各种功能的识别区域如复制起始区 OriC，复制 终止区 TerC,转录启动区和终止区等。 具可移动的 DNA序列 没有基因重叠现象。 在基因或操纵子的终末往往具有特殊的终止顺序 ,它可使转录终止 和 RNA聚合酶从 DNA链上脱落。 细菌染色体基因组结构的一般特点： 17 二、染色体外的遗传物质二、染色体外的遗传物质 质粒质粒 （一）概念 1.质粒（质粒（ plasmid） 是独立于许多细菌及某些真核细胞染色体 外 共价闭合环状的 DNA分子（ covalant closed circnlar,cccDNA ）， 能独立复制的最小遗传单位。 2.质粒是双链的质粒是双链的 DNA分子，大小在分子，大小在 1200kb 之间，和病毒不之间，和病毒不 同，它们没有衣壳蛋白（裸同，它们没有衣壳蛋白（裸 DNA）。）。 18 从生化学来说，从生化学来说， 除酵母的杀伤质粒（ killer plasmid）是 RNA外，其余质粒是染色体外的 cccDNA分子。 从遗传学来说，从遗传学来说， 质粒是与宿主染色体有别的复制子（真核 细胞分裂过程中， DNA分成许多复制单位，该单位称为复 制子）。在细胞分裂时能恒定传递给子代细胞的独立遗传因 子或能在胞内寄生和复制的复制子。 19 3.质粒与宿主细胞的关系 （ 1） 质粒对宿主的生存不是必需的，只是 “友好 ”的 “借居 ”宿主 细胞中， 既不杀伤细胞，对宿主的代谢活动也无影响，宿主离 开质粒照样的生存下去。 （ 2）质粒离开宿主就无法生存，只有依赖宿主细胞的）质粒离开宿主就无法生存，只有依赖宿主细胞的 （酶和蛋 白质）帮助，才能完成自身的复制（扩增）、转录。 （ 3）质粒经常为宿主执行一些适当的遗传功能）质粒经常为宿主执行一些适当的遗传功能 ， 作为对宿主细 胞的补偿（ “交房租 ”）。 （ 4）质粒赋于宿主各种有利的表型（质粒编码蛋白质或酶），）质粒赋于宿主各种有利的表型（质粒编码蛋白质或酶）， 使宿主获得生存优势，与我们基因工程实验紧密相关的，如抗 生素抗性基因： Ampr 酶，水解 - 内酰胺环 ,解除氨苄毒性 ,使细菌抗氨苄。 Tetr 膜蛋白 ,可阻止四环素进入细胞 ,使细菌抗四环素。 20 4.质粒发现和研究意义 1）理论意义）理论意义 质粒能够复制、传递和表达遗传信息，从分子 遗传学观点来看是一种有机体，是比病毒更原始的生命形式， 是生命起源研究的起一块体重要基石。 2）实践意义）实践意义 是基因工程的重要载体（是基因工程的重要载体（ vector），能把外源），能把外源 基因（目的基因）送到宿主细胞中去克隆扩增或克隆表达。基因（目的基因）送到宿主细胞中去克隆扩增或克隆表达。 质粒是可以改造的，质粒是可以改造的， 可以剪切、剪接的，可以剪切、剪接的， 基因工程的重要 任务之一就是严格改造质粒的同时，控制质粒不传递，若一个 致癌质粒可以传递就会传到外都是。 21 作为基因工程载体的作为基因工程载体的 3个特点：个特点： A.都能独立自主的复制； B.都能便利的加以检测（抗生素抗性）； C.都能容易引进宿主细胞中去，也易从宿主细胞中分离纯化 （提质粒）。 质粒符合上述 3个条件。 基因工程中主要使用人工构建的质粒。 22 （二）质粒的分类 1.按质粒的复制机理，分为按质粒的复制机理，分为 2类类 ： 1）严谨控制型（）严谨控制型（ stringent contrd type） 2）松弛控制型（）松弛控制型（ relaxed control type） (1)拷贝数少，一般 15kb 小型质粒，无接合和自传递能力，在按 多属接合型或自传递型，大型质粒只 合质粒协助也能转移，也可心通过转化 能通过细菌的接合作用人一个细菌 作用进入受体细胞，这类质粒种类较多， 传到另一个细菌。（如 F质粒）。 几乎每种细菌都可以含有 2种以上， 基因基因 工程一般用小型质粒。工程一般用小型质粒。 24 3.按质粒转移方式，分为按质粒转移方式，分为 3类类 1）接合型质粒）接合型质粒 （ conjugative plasmid）带有效接触基因质粒 ，只能使细菌接合，本身不被传递 . 2）可移动质粒）可移动质粒 （ mobiliableplasmid）可以被传递，但不能使 细菌接合。 3)自传递质粒自传递质粒 （ selftran missible plasmid）兼具 1） 2）两种功 能因而可以自传递，如 F质粒。 *转化作用（ transformation） 这是涉及细菌摄入外源 DNA 而实现基因转移一种机制。 25 （三）质粒的功能 质粒的功能主要通过质粒本身携带的基因编码蛋白质表现出来 。携带质粒的宿主细胞可表现出相应表型。 1.性质粒性质粒 即雄性细菌 F质粒，它本身转到 F-宿主细胞时，使后 者变成 F+，改变宿主细菌性别。 2.抗生素抗性抗生素抗性 抗药性（ R）质粒使细菌产生抗生素抗性，这种 抗药性抗性基因也可以转移到缺乏这种抗药基因的细菌体内，使 之产生抗药性。 3.产生毒素的质粒产生毒素的质粒 如 col质粒能产生大肠杆菌素因子（ colicin ），杀死不合该毒素的亲缘细菌。 4.降解复杂的有机化合物作为能源质粒。降解复杂的有机化合物作为能源质粒。 5.产生限制酶和修饰酶。产生限制酶和修饰酶。 26 （四）质粒的基本特性 1.自主复制自主复制 质粒的复制是自主调节的，不受染色体复制调节因素的影响质粒的复制是自主调节的，不受染色体复制调节因素的影响 。 复制调控系统由质粒上的复制起点（ ori），质粒的 rep基因和 cop基因组成。 Rep蛋白启动质粒的复制， cop基因本身或其表达产物可抑制复制作用，从而 控制质的拷贝数。 2.质粒的不相容性质粒的不相容性 利用同一复制系统的不同质粒不能在同一宿主细胞中共同 存在