基因组结构

基因组结构 Structure of Genome,第二章,第三节 原核基因组结构,第一节 基因与基因组的概念,第二节 真核基因组结构,第四节 病毒基因组结构,一、基因 Gene,二、基因组 Genome,三、基因组结构 Structure of genome,四、基因密度 Gene density,Human Genome,一、基因 Gene,基因的现代分子生物学定义： 合成有功能的蛋白质多肽链或RNA所必需的全部核酸序列。,顺反子-Cistron: The nucleotide sequence encoding complete polypeptide 开放阅读框-ORF: Opening reading frame: a sequence including 5 start codon and 3 ending codon,6,Eukaryotic gene and expresssion 真核基因及表达,单顺反子. 真核基因,多顺反子. 原核基因,基因的分类,按产物的类别,蛋白质基因,RNA基因,按 其 功 能,结构基因：Structural gene,调节基因：Regulatory gene,只转录不翻译的基因,rRNA基因,可调节控制结构基因表达,tRNA基因,9,二、基因组 Genome,是指在细胞或生物体中，一套完整单体的遗传物质的总和。,人类基因组,The Genome Size,11,三、基因组结构 Structure of genome,是指不同DNA功能区域在整个DNA分子中的分布和排列情况,基因测序,12,四、 基因密度 Gene density,1、C-值 (C-value)： 每种生物的单倍体基因组的DNA总量是恒定的，称之为C-值。C-值是每种生物的一个特性。,2、C-值悖理（C-value paradox）： 某物种的遗传学复杂程度与C-值大小不一致称为C-值悖理。,13,C-value scope of different kingdoms 不同门生物的C-值范围,14,是单位长度基因组DNA上基因的平均数目。 生物体的复杂性与基因的密度之间存在大致负相关的关系。,3、基因密度 Gene density:,15,不同生物染色体基因密度的比较,16,导致真核细胞中基因密度降低的原因： 基因长度和基因间隔区序列的增加。 基因长度增加的原因：1.当生物体的复杂性增加时，负责指导和调控转录的DNA区段调控序列的长度显著增加；2.真核基因内含子的存在。 基因间隔区序列数目的大量增加。 大量为重复序列。 大约1/4的唯一的，包含许多丧失功能的基因片段，如无功能的突变基因、基因片段和假基因。,第三节 原核基因组结构,第一节 基因与基因组的概念,第二节 真核基因组结构,第四节 病毒基因组结构,三、线粒体基因组的结构,一、真核细胞核染色体的结构,二、真核基因组结构特点,一、真核细胞核染色体的结构,1、染色质与染色体 染色质: 是指细胞核中易被碱性染料染上颜色的物质，出现于细胞分裂间期，不均匀地分布于细胞核中; 染色体：在细胞分裂期，染色质浓集而成的高度螺旋卷曲的结构。例如人体细胞有染色体23对，共计46条；,2、DNA为什么包装为染色体?,染色体是DNA的紧密结构，更适合存在于细胞中； 可以保护DNA免受损伤； 只有包装成染色体的DNA才能在细胞分裂时传递给2个子代细胞； 染色体将每个DNA分子全面的组织起来，有助于基因表达和重组；,3、染色体的化学组成,DNA + 蛋白质（组蛋白，非组蛋白)； 染色体中含五种组蛋白： H1；H2A；H2B；H3；H4； 非组蛋白（non-histone protein,NHP)是指染色体中组蛋白以外的其它蛋白质，是一大类种类复杂的各种蛋白质的总称；如RNA聚合酶及与细胞分裂有关的蛋白质； 非组蛋白中还包括一类高迁移率组（high mobility group,HMG）蛋白质，此类蛋白质因在凝胶电泳上泳动速度快而得名。其中的一些蛋白质在转录活性区含量丰富， 认为是参与转录调控的蛋白质;,4、染色体与核小体的结构,核小体（ Nucleosomes ）是染色体的亚单位; 电子显微镜观察破裂的间期细胞流出的染色质,可以看到染色质纤维呈非连续性颗粒状,就像一条细线上串联着许多有一定间隔的小珠,这些小珠状颗粒称之为核小体; 每个核小体中包含200bp左右DNA片段,每一个单体中含有H2A、H2B、H3和H4各二分子(构成八聚体),H1一分子;,核小体电镜图,染色质及染色体基本结构单位：核小体； DNA以左手螺旋在组蛋白核心上盘绕 1.8 圈，共146 bp； DNA长度缩短倍；,1）、核小体结构,24,（1）10 nm核小体形成：DNA的长度被压缩了约6-7倍。,2）、真核生物染色体由DNA高度凝聚的形成 -三个水平的折叠,（2）形成30nm纤丝：线圈每一圈约为6个核小体，螺距为11nm。DNA的长度在一级结构的基础上又压缩了6-7倍。,（3）辐射环形成：30nm纤丝连接到脚手架上形成辐射环。DNA的长度在二级结构的基础上被压缩了40倍。,DNA Organization,26,5、在真核染色体上有几个重要的元件： 复制起始位点(replication origins)： 每隔30-40kb均匀分布在每条真核染色体上，一般位于非编码区。 着丝粒(centromere)：是DNA复制后染色体正确分离所必须的。每条染色体上只有一个着丝粒。大多数真核生物的着丝粒大于40kb，且主要由重复DNA序列组成。,端粒（telomere）： 位于线性染色体的末端。维持染色体稳定及染色体的末端复制。 它们对于细胞分裂过程中染色体的正确复制和分离是至关重要的。,27,DNA Replication and Cell Division,28,6、染色质结构的调控,核小体的重塑和修饰共同增加DNA的易接近性：,组蛋白八聚体相互作用是一个动态过程,1. 核小体重塑复合体通过增加核小体的可移动性来增加核小体上DNA的易接近性。,2.组蛋白N端尾的修饰可改变染色质的易接近性。修饰主要包括赖氨酸的乙酰化和甲基化及丝氨酸的磷酸化。,29,Luger et al, Nature, 1997,Nucleosome crystal structure,30,二、真核基因组结构特点,1、真核细胞DNA序列可分为3类,2、真核生物基因组结构的总体特征,3、Splitting gene 割裂基因,4、Gene family 基因家族,5、Repetitive sequences 重复序列,1、真核细胞DNA序列可分为3类： （1）不重复序列： 只有一个或几个拷贝； 长度为750-2000bp； 结构基因； （2）中度重复序列： 重复次数为10-104； 各种rRNA、tRNA及组蛋白基因； （3）高度重复序列： 卫星DNA（只在真核生物中）； 由6-100个碱基组成； 在链上串联重复大数百万次； 功能不详，可能与染色体的稳定性有关；,32,2、真核生物基因组结构的总体特征,a. 真核基因组远大于原核生物基因组，也比较复杂,b. 基因组中常具有许多复制起点,c. 基因组DNA与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞核内,d. 基因组中不编码的区域远多于编码区域,e. 真核生物的转录产物一般为单顺反子。,33,f. 真核基因为断裂基因：高等真核生物的大部分基因有内含子，因此基因编码区是不连续的。,g. 存在大量重复序列，重复次数可以是几次、几十次，甚至高达百万次。,h. 高等真核生物基因组中存在一些可移动的DNA因素，这些因素的移动多被RNA介导，少数情况下被DNA介导。,34,3、Splitting gene （割裂基因）,35,Sir Richard “Rich“ John Roberts (born 6 September 1943, Derby) is an English biochemist and molecular biologist. He was awarded the 1993 Nobel Prize in Physiology or Medicine with Phillip Allen Sharp for the discovery of introns in eukaryotic DNA and the mechanism of gene-splicing,Phillip Allen Sharp (born June 6, 1944) is an American geneticist and molecular biologist who co-discovered RNA splicing. He shared the 1993 Nobel Prize in Physiology or Medicine with Richard J. Roberts for “the discovery that genes in eukaryotes are not contiguous strings but contain introns, and that the splicing of messenger RNA to delete those introns can occur in different ways, yielding different proteins from the same DNA sequence“,36,Hybridization of the mRNA of ovalbumin gene with the genomic DNA. 卵清蛋白mRNA与DNA杂交结果,37,Splitting gene （割裂基因）,在真核生物中，大多数编码蛋白质的基因是不连续的，即在其编码氨基酸的序列之间插入了不编码的序列，故称之为割裂基因。,割裂基因中，编码氨基酸的序列称为外显子（exon）；非翻译的间插序列称为内含子（intron）。,38,Eukaryotic gene,39,在已分析的DNA序列中，原核生物基因中几乎没有内含子，低等真核生物如酵母内含子也不普遍，但在高等真核生物中则大量存在内含子，且多数情况下，内含子要比外显子长得多( Exons: 5%, Introns:95%)。,并非所有的高等生物的基因都含有内含子。在已经分析过的基因中，已知编码组蛋白和干扰素的基因是不含内含子的。,40,4、Gene family 基因家族,编码一个蛋白质家族（也包括在结构和功能上相关联的rRNA和tRNA等）的若干个基因称为基因家族。,Pseudogene(假基因)：在多基因家族中某些与正常功能基因在核苷酸序列上相似，但不能转录或转录后生成无功能基因产物的DNA序列，被称为假基因。,假基因常用符号表示，如1 表示与1 相似的假基因.,Gene cluster（基因簇）：同一家族的成员有时紧密的排列在一起，叫基因簇。,41,简单多基因家族：其中的基因结构是相同的，基因与基因之间由中度重复序列隔开，如rDNA gene family等。,rDNA gene family,42,Embryo,Fetus,Adult,由发育阶段控制的多基因家族：如人类珠蛋白基因家族。,43,5、Repetitive sequences 重复序列,44,45,Repetitive sequences 重复序列,根据DNA复性速率的高低，DNA可以被分为4类：,1.单一序列（unique sequence），即每个单拷贝基因组中含一个拷贝；,2.中度重复序列（moderately repetitive sequence），每个单倍体基因组中含106拷贝；,46,3. 高度重复序列（highly repetitive sequence），每个单倍体基因组含106拷贝；,4. 反向重复序列(inverted repeats)。A symmetrical sequence of DNA, reading the same forward on one strand and backward on the opposite strand. GGATCC CCTAGG,47,1. 反向重复序列（inverted repeats）：,也叫回文序列（palindrome），在DNA双螺旋分子中，一条链的碱基序列（53）和另一条链沿同一方向（53）的序列相同。,Able was I ere I saw Elba.,50,2. Highly repetitive sequences 高度重复序列,由长度不到10bp的DNA片段组成 在每个细胞的DNA中重复次数以百万计。,Types： Satellite DNA-卫星DNA Minisatellite DNA-小卫星DNA Microsatellite DNA-微卫星DNA,51,1) Satellite DNA-卫星DNA：,将真核细胞的DNA打碎后进行CsCl密度梯度离心，其沉降图谱中除了主带外还有几条密度不等的额外的小带，称之为卫星带，它们的DNA称为卫星DNA（satellite DNA），也叫简单序列DNA（simple sequence DNA）。,Density gradient centrifugation.,53,10 bp / copy,106-108 copies / genome,Arranged in tandem repeat 多为串联重复排列,分布于着丝点, 端粒区, 结构基因两侧，不编码蛋白质或RNA.,卫星DNA（satellite DNA)结构特点,54,2) 小卫星DNA（minisatellite DNA）：,数目可变的串联重复（variable number tandem repeat，VNTR）,人类基因组普遍存在着与卫星序列类似，由短的单位串联重复组成的序列，它们的总长度短得多，大致由5-50个重复单位组成，称之为小卫星DNA。分布于基因的间隔区及内含子。,在一个群体中，在基因组的相同位点，不同个体的小卫星DNA序列的长度变化很大，表现出高度的多态性。,55,DNA 指纹技术（DNA fingerprinting),Application of minisatellite DNA 小卫星DNA的应用：,56,Southern blot analysis of DNA,57,58,59,60,Features of DNA fingerprinting DNA 指纹图谱的特点:,1. Multiple sites。 多位点性基因组中存在上千个小卫星位点,2. Variable。 变异性重复单位、次数和分布位点不同,3. Simple and stable heredity。简单而稳定的遗传性亲代的图带象孟德 遗传标记一样独立的分配给子代,4. 高度体细胞稳定性同一个体不同组织的DNA 指纹图谱一致,5. 高度灵敏几个血细胞，一根头发,61,Application of DNA fingerprinting DNA指纹图谱的应用：,1. 个体识别与血缘关系鉴别（Testing parentage and forensic use亲子鉴定和罪犯鉴定）,2. 测定品种的遗传纯度和品种间的遗传距离,3. 寻找与控制重要经济性状的基因相连锁的分子遗传标记,62,63,3) 微卫星DNA (microsatellite DNA),特点,As genetic markers,重复单位长度：2-4bp 重复次数：10-20次 基因组中均匀分布,应用,64,3、moderately repetitive sequences 中度重复序列：,是由100到几千个bp的片段重复而成，它们分散在整个高等生物的基因组中，约占基因组DNA总量的40%-70%，大多数基因位于这类序列中间。,大多数片段含有一个限制性内切酶Alu I的酶切位点，故被命名为Alu序列。这一类序列共同组成Alu家族。Alu家族是人类基因组中存在最广泛的中度重复序列。,65,特点： 内含子（introns）和间隔区 可长达数千碱基对 排列不紧密 由不同类型的相似或相同的多重拷贝组成 卫星DNA（连续的） Alu元件（不连续的） 低等真核生物 10-20% 高等植物 80% repetitive sequence 高等动物 50%,“垃圾”DNA（junk DNA)并非垃圾，可能起着非常重要的基因调控作用！,三、线粒体基因组的结构,线粒体基因组含有如下基因： tRNA基因 rRNA基因 细胞色素氧化酶基因： ATP酶基因 细胞色素还原酶基因：此酶有七个亚基，其中一个由mtDNA编码 抗药性基因,线粒体的密码系统,UGA不是终止信号，而是色氨酸的密码； 多肽内部的甲硫氨酸由AUG和AUA两个密码子编码； 而起始甲硫氨酸由AUG,AUA,AUU和AUC四个密码子编码； AGA,AGG不是精氨酸的密码子，而是终止密码子；,线粒体受双重遗传控制,有自己的蛋白质合成系统； mtDNA复制和转录是自己的聚合酶完成的； 呼吸链的一些酶是受双重遗传控制的，即部份亚基为细胞核基因所编码，另一些亚基则是mtDNA编码； (mtDNA: 线粒体DNA),第三节 原核基因组结构,第一节 基因与基因组的概念,第二节 真核基因组结构,第四节 病毒基因组结构,一、原核（细菌）基因组的结构和功能,细菌基因组存在细胞中心的类核结构中； 基因组较小； 结构简练；,二、原核（细菌）染色体基因组结构的特点,细菌的染色体基因组含一条环状双链DNA； 具有操纵子结构，其中结构基因为多顺反子，即数个功能相关的结构基因串联在一起； 结构基因是单拷贝，但编码rRNA的基因往往是多拷贝； 非编码的DNA少； 编码顺序不重叠； 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； 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。如大肠杆菌Trp操纵子终止子序列是40bp的GC丰富区紧跟AT丰富区,其后为PolyT.,三、质粒（plasmid DNA), 是细菌中的另一类遗传物质，存在与染色体之外; 环状，能自我复制; 大小：1kb到200kb； 能从细胞代代相传; 质粒携带许多基因; 如对抗菌素、重金属和其它抑制物有抗性的基因,74,质粒发现和研究的意义 1）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，是生命起源研究的一块重要基石。 2）实践意义 是基因工程的重要载体（vector），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（见第八章）。 质粒是可以改造的，可以剪切、连接的，,75,作为基因工程载体的3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。,76,78,Restriction endonuclease 限制性内切酶,A category of enzymes that recognizes specific base sequences in double stranded DNA and cuts at or near those sites. 是一类能够识别双链DNA分子中的某种特定核苷酸序列，并由此切割DNA双链结构的核酸内切酶。它们主要是从原核生物中分离纯化出来的。,Type II of Restriction Endonuclease,a) Cohesive end RE 粘末端RE,-GAATTC- -CTTAAG-,-AAGCTT- -TTCGAA-,Escharichia coli Ry13 first,-G AATTC- -CTTAA G-,EcoR I,Hind III,-A AGCTT- -TTCGA A-,Heamophilus influenzae RD third,b) blunt end RE,-GG CC- -CC GG-,Hea III,-GGCC- -CCGG-,特点；Inversion repeat or palindrome 粘性末端 Cohesive