《基因组与基因组学》PPT课件.ppt

第二章 基因组与基因组学,北华大学 张吉林 温州医学院 吕建新,第二章 基因组与基因组学,两个重要概念： 基因组（genome）：一个细胞或一种生物体的整套遗传物质。 基因（gene）：基因组中一个功能性遗传单位，是贮存有功能的蛋白质多肽链信息、RNA序列信 息及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列。,第一节 原核生物基因组,第二节 病毒基因组,第二章 基因与基因组,第三节 真核生物基因组,第四节 人类基因组与人类基因组计划,第一节 原核生物基因组,第一节 原核生物基因组,一、原核生物基因组特征,二、质粒,三、转座因子,一、原核生物基因组特征,什么是原核生物（prokaryote）？ 细菌、支原体、衣原体、立克次体、螺旋体、 放线菌和蓝绿藻等原始生物的总称，是最简单的细 胞生物体。,原核生物基因组DNA较小，一般在106107bp之间 大肠杆菌基因组DNA由4.6106 bp组成，是人类基因组3109bp的1 基因数目较少，约含3500个基因 原核生物基因组中只有一个DNA复制起点,一、原核生物基因组特征,一、原核生物基因组特征,2.原核生物的操纵子结构,1.原核生物的类核结构,3.原核生物的基因结构,一、原核生物基因组特征,1.原核生物的类核结构 原核生物没有典型的细胞核结构，基因组DNA位于细胞中央的核区，无核膜将其与细胞质隔开，但 能在蛋白质的协助下，以一定的组织形式盘曲、折叠包装，形成类核（nucleoid），也称拟核。,一、原核生物基因组特征,一、原核生物基因组特征,2.原核生物的操纵子结构 操纵子结构是原核生物基因组的功能单位 原核生物的结构基因大多数按功能相关性成簇地串联排列于染色体上。结构基因连同其上游的调控区（包括调节基因、启动基因和操纵基因）以及下游的转录终止信号，共同组成了一个基因表达单位，即操纵子（operon）结构。,一、原核生物基因组特征,一、原核生物基因组特征,什么是多顺反子mRNA分子? 一个mRNA分子带有几种蛋白质的遗传信息。利用共同的启动子和终止信号，转录的mRNA分子可以编码几种不同的、但多为功能相关的蛋白质。,一、原核生物基因组特征,3.原核生物的结构基因 基因中编码RNA或蛋白质的DNA序列称为结构基因。 结构基因中没有内含子，基因是连续的，RNA被合成后不需要经过剪接加工。,多数是单拷贝基因，只有编码rRNA和tRNA的基因有多个拷贝，有利于核糖体的快速组装和蛋白质的急需合成。 原核生物结构基因的编码顺序一般不重叠。,一、原核生物基因组特征,一、原核生物基因组特征,基因重叠（gene overlapping） 基因组DNA中某些序列被两个或两个以上的基因所共用。基因重叠现象在病毒基因组中普遍存在。,1.什么是质粒,2.质粒命名的原则,3.质粒的分类,4.质粒的结构,二、质粒,5.质粒的生物学特征,二、质粒,1.什么是质粒(plasmid)? 细菌细胞染色体以外，能独立复制并稳定遗传的共价闭合环状分子。,二、质粒,2.质粒命名的原则 用小写字母p代表质粒，在p字母后面用两个 大写字母代表发现这一质粒的作者或实验室名称。,pUC118,plasmid,编号,发现者名字,二、质粒,3、质粒的分类 复制机制 严紧型 松弛型 功能 F质粒 R质粒 Col质粒 转移方式 接合型 可移动型 自传递型 大小 小型(1.5kb15kb) 大型(60kb120kb) 宿主范围 窄宿主谱型 广宿主谱型,二、质粒,4.质粒的结构与理化性质 质粒的结构 三种构型: 共价闭环DNA分子 半开环DNA分子 线性DNA分子,质粒的理化性质 具有核酸分子的一般理化特性： 可嵌入某些染料 （溴化乙锭） 具有较强的抗切割和抗变性的能力,二、质粒,二、质粒,二、质粒,二、质粒,5.质粒的生物学特征 除酵母杀伤质粒为RNA分子外，已知的所有质粒 都是环状超螺旋DNA分子。 质粒较小，比较稳定，在实际操作中不易受物理 因素的损伤。,（1）质粒的转移 分子量在2.5107Da以上的质粒可以从供体细胞将 一个复本转移给受体细胞，如F质粒和R质粒。 分子量在1107Da以下的质粒一般无自我转移能力。,二、质粒,二、质粒,(2) 质粒的复制 主要由4个遗传控制系统决定 复制调控系统 分配系统 细胞分裂控制系统 位点特异重组系统,二、质粒,（3）质粒的选择性标记 抗药性基因、营养缺陷型基因、抗重金属基因。 最常见的选择性标记是抗药性基因，即带有一种 或多种抗生素的抗性基因，可赋予宿主菌抵抗某种抗 生素的能力。,二、质粒,（4）质粒的不相容性 同一类群的不同质粒通常不能在同一菌株内稳 定共存，当细胞分裂时就会分别进入不同的子代细 胞，这种现象叫做质粒的不相容性。 不同群的质粒（如F和ColE）可以在同一菌株 内稳定共存，这些质粒具有相容性。,转座因子又称转座元件（transposable element），是一类在细菌染色体、质粒或 噬菌体之间自行移动并具有转位特性的独立 的DNA序列。,三、转座因子,三、转座因子,（一） 转座子的分类,（二）转座子的遗传效应,1.插入序列,2.转座子,3.可转座的噬菌体,（一） 转座子的分类,三、转座因子,三、转座因子,1.插入序列(insertion sequence，IS) 一个转位酶基因两侧的反向重复序列， 长度为700 2 000bp。,三、转座因子,2.转座子(transposon，Tn) 具有转座酶基因、抗性基因，大小为 450020000bp。,三、转座因子,3.可转座的噬菌体（transposable phage） 具有转座功能的温和性噬菌体，能整合 到宿主基因组内。,（二）转座子的遗传效应,1.引起突变,2.引入新基因,3.基因重排,三、转座因子,三、转座因子,1.引起突变 转座可引起基因的多种突变 (插入失活、转录终止、缺失和倒位),三、转座因子,2.引入新基因 某些抗生素的抗性基因,3.基因重排 产生具有新的生物学功能的蛋白质。,三、转座因子,第二节 病毒基因组,第二节 病毒基因组,病毒 自然界普遍存在的一种结构简单、不能单独繁殖，只能在宿主细胞内进行复制以保证遗传信息传递的微生物。完整的病毒颗粒是由核酸和蛋白质组成。,第二节 病毒基因组,一、病毒基因组特征,二、DNA病毒,三、RNA病毒,一、病毒基因组特征,1.基因组的碱基组成,2.基因组核酸类型,3.基因组中有基因重叠现象,4.基因组中具有操纵子结构,5.病毒基因可连续也可间断,6.基因组中重复序列少,一、病毒基因组特征,7.基因组中非编码区少 8.基因组是单倍体 9.相关基因丛集 10.病毒基因组含有不规则结构基因 ，转录出 多种mRNA分子,一、病毒基因组特征,1.基因组的碱基组成 病毒基因组结构相对简单，基因数少，所含信息 量也少，不同病毒的基因组大小有较大差异。,一、病毒基因组特征,2.基因组核酸类型 双链DNA；单链DNA 双链RNA；单链RNA 环状分子；线性分子,一、病毒基因组特征,什么是正链病毒？什么是负链病毒？ 如果基因组序列与mRNA相同，称为正链DNA(+DNA)或正链RNA(+RNA)病毒。 如果与mRNA互补，则称为负链DNA(-DNA)或负链RNA(-RNA)病毒。,单链正链RNA病毒基因组可直接作为模板功能，翻译出所编码的蛋白质，并复制出病毒核酸，自我组装成为成熟的病毒颗粒，感染宿主细胞。,一、病毒基因组特征,3.基因组中有基因重叠现象 这种结构的意义在于使较小的基因组能携带较多的遗传信息，使病毒利用有限的基因，编码更多的蛋白质。,一、病毒基因组特征,一、病毒基因组特征,一、病毒基因组特征,4.基因组中具有操纵子结构 噬菌体174是单链DNA病毒，含A、A*、B、C、D、E、F、G、H、J及K共11个蛋白质基因，但这些基因却只能转录成3个mRNA，其中一个从A基因开始，一个从B基因开始，另一个从D基因开始。,二、DNA病毒,（一） DNA病毒基因组的一般特点,（二） 几种典型的DNA病毒,二、DNA病毒,（一） DNA病毒基因组的一般特点 1.DNA病毒基因组以双链DNA为常见 2.DNA病毒的基因组中，不同基因可以不同的链作 为转录模板 3.几乎所有真核DNA病毒都是在活宿主细胞核内复制,二、DNA病毒,4较大的双链DNA病毒可引起多种严重疾病， 而较小的DNA病毒会在宿主体内诱发肿瘤。 5有的DNA病毒不能直接通过DNA复制过程进行 基因组复制， 必须先转录出一个RNA中间体（前基 因组），然后通过逆转录过程才能完成基因组复 制。 6DNA病毒一般比RNA病毒大，生活周期较复杂。,（二）几种典型的DNA病毒,1.SV40病毒基因组,2.腺病毒基因组,3.乙型肝炎病毒基因组,二、DNA病毒,二、DNA病毒,1.SV40病毒基因组 SV40也称猿猴病毒40（simian virus 40， SV40） 基因组为双链环状DNA，由5243bp组成 基因组复制依赖于宿主细胞的酶类而完成 基因组中含有早期转录基因和晚期转录基因,二、DNA病毒,二、DNA病毒,二、DNA病毒,2.腺病毒基因组 腺病毒(adenovirus)颗粒呈球形，直径70nm 90nm，无包膜 核心是线性双链DNA，全长36kb,二、DNA病毒,二、DNA病毒,3.乙型肝炎病毒基因组 基因组长3.2kb，是带有部分单链区的环状双链 DNA分子，两条链长度不等。 长链为负链：L(-) 长度固定，携带有病毒全部的编码信息。 短链为正链：S(+) 长度不等，约1.6kb2.8kb。,二、DNA病毒,二、DNA病毒,HBV DNA复制周期,三、RNA病毒,（一）基因组的一般特点,（二）几种典型的RNA病毒,三、RNA病毒,（一）基因组的一般特点 1.单链或双链，但以单链RNA为多见 2.所携带的遗传信息一般都在同一条链上，因此病毒RNA 链有正负之分 3.许多哺乳类逆转录病毒属于单正链双体RNA，含有2个 相同的()RNA，属于双倍体,三、RNA病毒,4.RNA病毒变异率很高，平均每103104个碱基 中有一个突变 5.RNA病毒的复制和转录常常独立于宿主细胞核 6.尽管不同RNA病毒的复制方式不相同，但均需 经逆转录完成其基因组的复制,（二）几种典型的RNA病毒,1.丙型肝炎病毒基因组,2.人类免疫缺陷病毒基因组,三、RNA病毒,三、RNA病毒,1.丙型肝炎病毒基因组 病毒呈球型颗粒，直径约50nm，有脂质包膜 基因组为单链正链RNA病毒，链长约9.5kb 整个基因组只有一个ORF，编码3011或3010个氨基酸,三、RNA病毒,HCV基因组的两个突出特征： 5末端有一个长度和序列非常稳定的非编码区（UTR），此区是整个基因组中最保守的区域 3端UTR长度取决于病毒的来源,三、RNA病毒,三、RNA病毒,2.人类免疫缺陷病毒基因组 人类免疫缺陷病毒是获得性免疫缺陷综合征（AIDS）的病原体，属于逆转录病毒。,三、RNA病毒,HIV基因组： 由2条相同的正链RNA在5端通过氢键互相连接形成二聚体 单链RNA含9749个核苷酸，共有9个基因 3个为结构基因（gag、pol、env） 编码病毒毒粒的结构蛋白 6个为调控基因（tat、rev、nef、vif、vpr、vpu）,三、RNA病毒,第三节 真核生物基因组,真核生物的基因组比较庞大，不同生物种间差异很大，分为：,细胞核基因组,细胞质基因组,第三节 真核生物基因组,第三节 真核生物基因组,一、细胞核基因组及其特点,二、细胞质基因组及其特点,三、基因组结构与疾病,一、细胞核基因组及其特点,细胞核基因组的DNA与蛋白质结合形成染色体 除配子细胞外，体细胞有两个同源染色体，因此有两份同源的基因组 染色体位于细胞核内，是基因组遗传信息的载体,一、细胞核基因组及其特点,一、细胞核基因组及其特点,（一）单顺反子结构 （五）不连续复制 （二）断裂基因 （六）多态性 （三）重复序列 （七）基因重叠 （四）多基因家族与假基因 （八）端粒结构,细胞核基因组的特点,一、细胞核基因组及其特点,（一）细胞核基因组的特点单顺反子结构,（二）细胞核基因组的特点断裂基因,（三）细胞核基因组的特点重复序列,（四）多基因家族与假基因,（五）基因组多态性,一、细胞核基因组及其特点,真核细胞结构基因为单顺反子（monocistron） 一个结构基因经过转录生成一个单顺反子mRNA 分子，翻译成一条多肽链,（一）单顺反子结构,一、细胞核基因组及其特点,真核细胞的基因为断裂基因（split gene） 基因组的大部分序列属于非编码区，不编码具有生物活性的蛋白质或多肽 编码区通常为结构基因，在两侧有非编码区，而且在基因内部也有许多不编码蛋白质的间隔序列,（二）断裂基因,一、细胞核基因组及其特点,一、细胞核基因组及其特点,1.内含子与外显子,2.间隔区DNA,结构基因由内含子（intron）和外显子（exon）间隔排列组成。,一、细胞核基因组及其特点,1.内含子与外显子,内含子是非编码序列，在mRNA的成熟过程中被剪切，对外显子的正常表达可能具有调节作用。 外显子是编码序列，在mRNA成熟过程中切去内含子后拼接成完整的序列，成为成熟的mRNA指导蛋白质的生物合成。,一、细胞核基因组及其特点,一、细胞核基因组及其特点,2.间隔区DNA(spacer DNA) 真核生物基因之间的编码空白区或转录空 白区，一般位于单拷贝的结构基因之侧翼 。 基因组愈大，间隔区DNA所占的比例愈高 。,一、细胞核基因组及其特点,（三）细胞核基因组的特点重复序列,1.高度重复序列,2.中度重复序列,3.低度重复序列,1.高度重复序列,分为反向（倒位）重复序列与卫星DNA 重复频率可达106以上 在基因组中所占比例随种属而异，约占10%60在人类基因组中约占20 复性速率快，复杂度低,一、细胞核基因组及其特点,反向（倒位）重复序列,两个相同顺序的互补拷贝在同一DNA链上反 向排列而成 发夹式或“+”字形结构 回文结构,一、细胞核基因组及其特点,一、细胞核基因组及其特点,一、细胞核基因组及其特点,卫星DNA（satellite DNA） 一般由210bp组成，成串排列 碱基序列不同于其他部份，等密度梯度离心可将其与主体DNA分开,高度重复顺序的功能,参与复制水平的调节 参与基因表达的调控 参与转位作用 与进化有关 与个体特征有关 与染色体减数分裂时染色体配对有关,一、细胞核基因组及其特点,2.中度重复序列,重复数十数万次（105） 复性速度快于单拷贝序列，但慢于高度重复序列 大多与单拷贝基因间隔排列，少数在基因组中成 串排列在一个区域 依据重复序列的长度可分为： 短分散片段、长分散片段,一、细胞核基因组及其特点,短分散片段,重复序列的平均长度为300bp（一般500bp） 拷贝数可达10万左右，如Alu家族、Hinf家族,一、细胞核基因组及其特点,长分散片段,平均长度为35005000bp，与单拷贝序列间隔排列 。 大多不编码蛋白质。 有些中度重复序列编码蛋白质或rRNA的结构基因，如HLA基因、rRNA基因、tRNA基因、组蛋白 基因、免疫球蛋白基因等。,一、细胞核基因组及其特点,3.低度重复序列,在单倍体基因组中只出现一次或数次 复性速度慢 在基因组中占50%80% 意义：储存巨大的遗传信息，编码各种不同功能的 蛋白质,一、细胞核基因组及其特点,一、细胞核基因组及其特点,（四）多基因家族与假基因 多基因家族（multigene family） 由某一祖先基因经过重复和变异所产生的一组基因。 假基因（pseudo gene） 多基因家族中不产生有功能的基因产物的某些成员。,一、细胞核基因组及其特点,（五）基因组多态性,2.单核苷酸多态性 （single nucleotide polymorphism，SNP）,1.限制性片段长度多态性 （restriction fragment length polymorphism， RFLP）,一、细胞核基因组及其特点,1.限制性片段长度多态性 多态性出现在限制性核酸内切酶的酶切位点序列中，用某个内切酶水解基因组的某段序列时，在同种的不同个体之间该段序列可能被酶解成长短不等的几个DNA片段。,一、细胞核基因组及其特点,一、细胞核基因组及其特点,2.单核苷酸多态性 单个核苷酸的变异，人群中个体差异最具代表性的DNA多态性 人类基因组中每1kb就有一个SNP位点,共约300万个,一、细胞核基因组及其特点,变异的4种形式 三种颠换：C A（G T） C G（G C） T A（A T） 一种转换：C T（G A） 转换的频率是颠换的3倍，因此转换是SNP发生的主要原因。,一、细胞核基因组及其特点,（六）基因重叠（gene overlapping） 基因组DNA中某些序列被两个或两个以上的基因所共用的现象。,一、细胞核基因组及其特点,（七）端粒（telomere） 是真核细胞的染色体末端存在着一种由DNA片段和蛋白组成的独特的结构，对维持染色体的稳定性具有重要的作用。,组成端粒的DNA是由(TTGGGG)n所组成的非编码重复序列 。 组成端粒的蛋白质有两种，一种与单链富含G的端粒DNA结合，另一种与双链的端粒DNA结合 。,一、细胞核基因组及其特点,一、细胞核基因组及其特点,端粒的主要作用 维持染色体的稳定性，防止染色体的重组及末端被降解。 端粒酶（telomerase） 一种核糖蛋白酶，具有逆转录酶活性，其本质是可催化端粒延长的RNA蛋白质复合物。,二、细胞质基因组及其特点,两类细胞器能够携带遗传物质： 线粒体和叶绿体，称为细胞器基因组 这些遗传物质独立于细胞核基因组外自行复制和表达，又称为染色体外基因组。 叶绿体基因组只存在于绿色植物中 线粒体基因组存在于几乎所有的真核生物中 。,二、细胞质基因组及其特点,线粒体基因组DNA（mitochondrial DNA，mtDNA） 双链环状超螺旋分子 人类mtDNA由16569 bp组成 编码: 12s rRNA，16s rRNA 22种tRNA 13条与细胞氧化磷酸化有关的多肽链,二、细胞质基因组及其特点,线粒体基因组的遗传特点 母系遗传 突变率较核DNA高10倍左右 遗传密码与通用的遗传密码有所区别 mtDNA突变导致的主要疾病 Leber遗传性视神经病、非胰岛素依赖性糖尿病 氨基糖甙诱发的耳聋、衰老等,三、基因组结构与疾病,基因组结构 基因组DNA中不同功能片段的分布 基因组结构与染色体数目、结构和形态有关,三、基因组结构与疾病,（一）人类染色体与疾病,（二）基因结构与疾病,三、基因组结构与疾病,（一）人类染色体与疾病 核基因组存在于染色体，人类的染色体组（单倍体）约有3万个结构基因。 染色体发生数目异常或微小的结构改变，会导致相应的基因数量与结构的异常，而引起疾病。,三、基因组结构与疾病,1.染色体数目、结构和形态 2.染色体数目畸变与疾病 多倍体和多倍性 异倍性或非整倍性 三体性和单体性 3.染色体结构异常与疾病,三、基因组结构与疾病,（二）基因结构与疾病 基因结构异常一般指基因突变，即基因的核苷酸序列或数目发生改变，包括点突变，缺失、重复、插入等。,三、基因组结构与疾病,（二）基因结构与疾病,1.单基因病,2.多基因病,3.疾病基因与疾病相关基因,三、基因组结构与疾病,1.单基因病 血红蛋白病、苯丙酮尿症、原发性痛风 ,2.多基因病 原发性高血压、糖尿病、哮喘、实体瘤 ,三、基因组结构与疾病,三、基因组结构与疾病,3.疾病基因与疾病相关基因 疾病基因 该基因的突变可引起某种疾病 疾病相关基因 与某种疾病相关,第四节 人类基因组与人类基因组计划,第四节 人类基因组与人类基因组计划,一、人类基因组,二、人类基因组计划,一、人类基因组,人类基因组包括细胞核内的核基因组和细胞质内的线粒体基因组 正常体细胞（二倍体）基因组包括二个核基因组和多个线粒体基因组,人类基因组的组织特点： 功能相似或相关的基因常常散在地分布在不同的染色体上 基因组中各个基因之间差异极大,一、人类基因组,各个基因的大小差异很大(从数百个bp到数百个kb不等) 基因组含重复序列，大多为非编码，与编码序列相间排列 每个结构基因都有单独的调控序列,一、人类基因组,二、人类基因组计划 （human genome project, HGP）,（一） 人类基因组计划的启动,（二） 人类基因组计划的内容,（三） 人类基因组计划的延伸后基因组计划,二、人类基因组计划,（一） 人类基因组计划的启动 美国于1990年10月启动“人类基因组计划” 欧洲、日本、韩国、俄罗斯、澳大利亚和中国相继加入人类基因组计划的研究行列,二、人类基因组计划,中国于1994年启动人类基因组计划 最初的经费来源: 国家自然科学基金委员会 “863”高科技计划 最初的研究项目: 中华民族基因组中若干位点基因结构的研究 重大疾病相关基因定位、克隆、结构与功能研究,二、人类基因组计划,1999年9月起，我国承担了人类基因组1%的 测序任务 2001年8月26日，人类基因组“中国卷”的绘 制工作宣告完成,二、人类基因组计划,2003年4月14日，中、美、日、德、法、英等6国科学家宣布人类基因组序列图绘制成功，人类基因组计划的所有目标全部实现 已完成的序列图覆盖人类基因组的99%，精确率达到99.99%，进度比原计划提前两年多 2004年10月，公布人类基因组完成图,二、人类基因组计划,二、人类基因组计划,（二） 人类基因组计划的内容,1.遗传图,2.物理图,3.序列图,4.基因图,二、人类基因组计划,1.遗传图 DNA遗传标志 第一代 RFLP 第二代 VNTR、STR 第三代 SNP,二、人类基因组计划,第二代DNA遗传标志 小卫星VNTR 微卫星STR 具高度多态性，提供更大的信息量,二、人类基因组计划,第三代DNA遗传标志(SNP） 人基因组中，每1000个碱基即会出现单个碱基的变异，由这种方式产生的单碱基变异是一种双等位基因多态性标记。,二、人类基因组计划,2.物理图 测定人类基因组DNA分子的物理长度 描述DNA分子两个位点或染色体两个位标之间的实际距离,基本原理：人类基因组DNA 打碎 拼接 图距：以Mb、kb作为图距,平均图距100kb 路标：以DNA探针的STS序列为路标,二、人类基因组计划,构建物理图的主要内容: 把含有STS对应序列的DNA克隆片段连接成相互重叠的“片段重叠群（contig）” 以STS为路标的物理图与已建的遗传图进行对比,二、人类基因组计划,二、人类基因组计划,3.序列图 把庞大的基因组分成若干有路标的区域后，进行测序分析,二、人类基因组计划,4.基因图 内容：鉴别全部基因的位置、结构与功能 人类基因组计划已经确定人类3万多个基因在23对染色体上的位置及其碱基排列顺序,二、人类基因组计划,（三） 人类基因组计划的延伸 后基因组计划,二、人类基因组计划,后基因组计划（功能基因组学） 序列所起的作用是什么？ 具有哪一些功能？ 生命的整体现象是如何形成的？,二、人类基因组计划,基因组研究的重心将转向基因功能，从分子整体水平对生物学功能进行研究，在分子层面探索人类健康和疾病的奥秘。,大规模的功能基因组、蛋白质组以及药物基因组的研究已经成