有机体、染色体、基因组与基因

1、有机体、染色体、基因组与基因 第二章第二章 有机体、染色体、基因组与基因有机体、染色体、基因组与基因 有机体、染色体、基因组与基因 有机体、染色体、基因组与基因 原核生物是细菌、放线菌、衣原体、支原 体等比较原始的生物的总称。 其特点为：有细胞壁（除支原体外）；无 真正的细胞核（无核膜），但有核区；DNA无 蛋白质与之结合；有核糖体，缺乏其它细胞器； DNA的转录和翻译是同时进行等。 原核生物虽然简单，但细胞中各种各样结 构、代谢功能都具备，是一个完整的有机体。 有机体、染色体、基因组与基因 有机体、染色体、基因组与基因 某某 些些 原原 核核 细细 胞胞 的的 形形 状状 螺菌 螺旋体鱼腥藻

2、属（一种蓝藻细菌） 大芽孢杆菌 大肠杆菌 葡萄球菌 立克次氏体 三种支原体 有机体、染色体、基因组与基因 真核生物是核质与细胞质之间存在核膜 的生物的总称。 真核生物的全能性：是指同一种生物所 有细胞都含有相同的DNA，即基因的数目和种 类是一样的，尽管细胞类型不同，分化程度 各异，但其基因组是相同的，它们都具有发 育成完整个体的潜能。 有机体、染色体、基因组与基因 真核细胞的结构真核细胞的结构 有机体、染色体、基因组与基因 细胞的三维结构图形细胞的三维结构图形 有机体、染色体、基因组与基因 植物细胞的结构植物细胞的结构 有机体、染色体、基因组与基因 原核类原核类真核类真核类 生物体生物体 细

3、菌、放线菌、细菌、放线菌、 支原体、衣原体等支原体、衣原体等 原生生物、真菌、原生生物、真菌、 植物、动物植物、动物 细胞组织细胞组织主要是单细胞主要是单细胞 主要是多细胞、有细胞主要是多细胞、有细胞 分化分化 细胞大小细胞大小小（小（1 110 m)10 m)大（大（10 10 100m) 100m) 细胞分裂细胞分裂二分裂二分裂有丝分裂（或减数分裂）有丝分裂（或减数分裂） 细胞核细胞核无核膜、核仁无核膜、核仁有核膜、核仁有核膜、核仁 细胞器细胞器极少或无极少或无有有 细胞质细胞质无细胞骨架无细胞骨架有细胞骨架有细胞骨架 DNADNA环状、裸露环状、裸露线状与蛋白质结合线状与蛋白质结合 代谢

4、代谢厌氧或好氧厌氧或好氧好氧好氧 有机体、染色体、基因组与基因 三、病毒（三、病毒（Virus） 病毒是不是有机体？是有生命，还是非生病毒是不是有机体？是有生命，还是非生 命？尚无定论。命？尚无定论。 病毒感染有机体，引起有机体害病，它是 活的，是有生命的有机体。然而与细菌、支 原体、衣原体等微生物不同，病毒不具备细 胞结构，不能称微生物。 病毒仅含一种核酸（DNA或RNA），不含 两种核酸。病毒没有线粒体、核糖体等细胞 器，本身不能繁殖，也不能新陈代谢，所以 病毒显示生命特征状态的过程，即不属于真 核也不属于原核。但病毒可保存几十年。 有机体、染色体、基因组与基因 第二节第二节 染色质与染色

5、体染色质与染色体 n染色体由染色质组成。 n染色质由DNA、蛋白质和少许 RNA组成。 n染色质和染色体在化学组成上没 有大的区别，只是在构象和形态 上有差异。 有机体、染色体、基因组与基因 细胞周期（细胞周期（cell cycle） 细胞的增殖有一个周期的过程，称细胞周 期。是指连续分裂的细胞从一次有丝分裂的结 束到下一次有丝分裂结束为止，所经历的整个 过程。 分两个阶段：间期和细胞分裂期。 间期：DNA合成前期（G1期）； DNA合 成期（S期）和合成后期（G2期）。 细胞分裂期（M）：前期、中期、后期和 末期。 有机体、染色体、基因组与基因 有机体、染色体、基因组与基因 有机体、染色体、

6、基因组与基因 一、染色质（Chromatin） n染色质是间期细胞核内伸展开的DNA-蛋白质 纤维，由核小体为基本单位构成的。 H1 多个核小体 有机体、染色体、基因组与基因 二、染色体 （Chromosome） n染色体是细 胞分裂期由 染色质高度 凝集而形成 的一种棒状 结构。 有机体、染色体、基因组与基因 DNA 核小体 螺线管结构 超螺旋管 染色单体 压缩至1/7 压缩至1/6 压缩至1/40 压缩至1/5 DNA绕组蛋白 6个核小体围成一圈螺旋 螺线管进一步螺旋化 超螺旋管进一步盘绕和压缩 76405=8400 有机体、染色体、基因组与基因 染色体 DNA 核小体 核小体 纤维 环

7、梅花结 盘 染色体 有机体、染色体、基因组与基因 第三节 基因组与基因 生命有机体的绝大部分遗传信息包含在染 色体上。一个物种的单倍体染色体数目，称为 该物种的基因组（genome）。 换句话说，细胞或生物体的一套完整的单 倍体遗传物质称为基因组。 基因是基因组中的一个功能性遗传单位， 它的本质是DNA，是DNA链上能决定一种蛋白 质或一种RNA或一种功能性的片段。 有机体、染色体、基因组与基因 一、DNA的C值与C值矛盾 一个单倍体基因组的DNA含量总是恒定的， 这是每个物种的特性，称为该物种DNA的C值。 不同的物种， C值差异是很大的。 C值矛盾：生物体的复杂性与DNA含量的 变化不相符

8、合。 有机体、染色体、基因组与基因 基因组大小和基因组大小和C-值矛盾值矛盾 开花植物开花植物 鸟类鸟类 哺乳动物哺乳动物 爬行动物爬行动物 两栖类两栖类 硬骨鱼硬骨鱼 软骨鱼软骨鱼 棘皮动物棘皮动物 甲壳类甲壳类 昆虫昆虫 软体动物软体动物 线虫线虫 霉菌霉菌 藻类藻类 真菌真菌 革兰氏阳性菌革兰氏阳性菌 革兰氏阴性菌革兰氏阴性菌 支原体支原体 C-值（值（C-value） 基因组中基因组中DNA的的 数量数量 各物种基因组大小比较各物种基因组大小比较 各门类物种的各门类物种的C-值值 C-值矛盾（值矛盾（C-value paradox）：）： 基因组大小与机体的基因组大小与机体的 遗传复杂

9、性缺乏相关遗传复杂性缺乏相关 性。性。 有机体、染色体、基因组与基因 哺乳动物哺乳动物 两栖动物两栖动物 鸟类鸟类 昆虫昆虫 线虫线虫 霉菌霉菌 酵母酵母 细菌细菌 支原体支原体 各个种类生物的各个种类生物的 最小基因组与其复杂最小基因组与其复杂 性正相关性正相关 有机体、染色体、基因组与基因 二、基因的分类二、基因的分类 基因按其产物的功能可分 为结构基因、调控基因和RNA 基因： ：可被转录形成mRNA，并 进而翻译成多肽，构成各种结 构蛋白质，催化各种生化反应 的酶和激素等； 有机体、染色体、基因组与基因 2.调控基因：指某些可调节控制 结构基因表达的基因。 ：是一些只转录不翻译的基因，

10、 包括核糖体RNA基因，专门转录 rRNA；以及tRNA基因，专门转录 tRNA。 有机体、染色体、基因组与基因 三、原核生物基因组 特点：特点： 1.基因组是一条单一染色体，体积小，含基因 数量也少。遗传物质以裸露的核酸形式存在， 只与少量蛋白质结合. 2.基因组中功能相关的基因往往定位在同一区 域，形成同一功能单位，被转录为多顺反子 （polycistronic）mRNA。 （即细菌的基因组中具有操纵子结构）。 有机体、染色体、基因组与基因 3.基因组中多为单拷贝基因，只有极少数重 复基因。 4.基因组中非表达基因少，绝大多数基因都 是可表达的。 5.病毒基因中重叠现象普遍，即同一个DNA

11、片 段可编码几种蛋白质分子。其意义在于较 小的基因组携带较多的遗传信息。 有机体、染色体、基因组与基因 大肠杆菌基因组大肠杆菌基因组 分子生物学对大肠杆菌（E.coli）基因组的 研究揭示了生命活动的许多基本规律。 1987年完成了E.coli克隆的物理图谱； 1991年查明了E.coli的DNA全序列。 109 Da，由4639221 bp构成， E.coli基因组定 义出4288个开放读框（ORE），已有1853个已 报道过的基因，共有2584个操纵子。 有机体、染色体、基因组与基因 质粒质粒DNA 许多细菌和某些真核细胞内， 除了染色体这一主要遗传物质外， 还有染色体以外一些小的环状DN

12、A 分子，称为质粒（plasmid）。 有机体、染色体、基因组与基因 质粒分类 n按功能分： R质粒-抗药性质粒； F质粒-性质粒； Col质粒-大肠杆菌因子，合成大肠杆菌素。 n按复制机理分： 严紧型质粒-质粒复制受宿主细胞的严格控 制； 松弛型质粒-质粒复制不受宿主细胞的严 格控制。 有机体、染色体、基因组与基因 四、真核生物基因组 特点： 1.真核生物基因组远远大于原核，结构复杂，基 因数庞大，DNA与蛋白质融合形成染色体，储 存在细胞核内，使得转录、翻译不能同步进行， 调控机制表现在多水平方面。 2.真核基因转录产物一般为单顺反子。功能相关 基因往往分散在不同的部位，不同的染色体上，

13、分别转录。 3.基因组的非编码顺序多于编码顺序。 有机体、染色体、基因组与基因 4.真核生物基因组中含有大量的重复顺序。 （1）单拷贝序列(Single copy sequence) （2） 轻度重复序列(Slightly repetitive sequence) （3）中度重复序列(Moderately repetitive sequence) （4）高度重复序列(Highly repetitive sequence) 有机体、染色体、基因组与基因 5.真核生物的基因大多是不连续的称断 裂基因（ split gene ）。 有机体、染色体、基因组与基因 细胞器基因组 1 发现： （1）母性遗

14、传 (maternal inheritance) （2）体细胞分离（somatic segregation) 某些植物杂合子分化成体细胞时某些组织 可能是一亲本表现型，某些组织可能是另一 亲本表现型。说明核外基因的存在。 2 性质：大多数以环状双链DNA的形式存在。 线粒体DNA mtDNA 叶绿体DNA ctDNA 有机体、染色体、基因组与基因 线粒体基因组 n 不同生物mtDNA大小差异很大。如哺乳动物 的线粒体基因组很小，长十几个kb，只占总 DNA的0.5%，每个线粒体中平均有个mtDNA 分子。酵母线粒体基因组84 kb，植物的线粒体 基因组则较大，大多在100kb以上。 n线粒体可

15、以有本身的转录和翻译系统，它 编码部分自身所需蛋白和tRNA、 rRNA等。 有机体、染色体、基因组与基因 有机体、染色体、基因组与基因 n其 大 小 因 植 物 不 同 而 变 化 ， 大 多 在 100200kb之间。大多数叶绿体DNA一个明 显的特征就是有一个反向重复序列和长短两 个单拷贝序列。但也不是所有的ctDNA都有 反向重复序列，也有些植物ctDNA有正向重 复序列等。 n它编码部分自身所需所有tRNA、 rRNA，和约 50种蛋白质。 叶绿体基因组 有机体、染色体、基因组与基因 第四节 人类基因组计划 （Human Genome Project，HGP） 有机体、染色体、基因组

16、与基因 一、问题的提出一、问题的提出 70年代对人类基因组的研究已具有 一定的雏形； 1986年著名遗传学家Mckusick V提 出从整个基因组的层次研究遗传 学的科学称“基因组学”。 有机体、染色体、基因组与基因 同年，诺贝尔奖获得者Dulbecco R在 Science杂志上发表了题为“癌症研 究的转折点人类基因组的全序列 分析”，得到了世界范围的响应； 1986年美国能源部宣布实施这一草案； 有机体、染色体、基因组与基因 1987年美国能源部（DOE） 和国家健康研究院（NIH） 为HGP下拔了经费1.66 亿美元，开始筹建HGP 实验室； 有机体、染色体、基因组与基因 1988美国成

17、立了“国 家人类基因组研究中 心”由诺贝尔奖获得 者Watson J出任第一 任主任。 有机体、染色体、基因组与基因 二、世界的行动二、世界的行动 1987年，意大利的国家研究 委员会（NRC）组织了15个 （后来发展到30个）实验室， 开始HGP的研究； 1989年2月，英国的HGP开始 启动; 有机体、染色体、基因组与基因 1990年6月，法国的国家HGP开始 启动； 同月，欧共体通过了“欧洲HGP研 究计划”，主要资助23个实验室； 1990年10月1日 美国国会正式批准 美国的“HGP”启动，计划在15年 内投入至少30亿美元进行人类全基 因组的分析； 有机体、染色体、基因组与基因 1

18、994年初，在吴旻、强伯勤、陈竺 院士和杨焕明教授的倡导下，中国 的HGP开始启动； 1998国家科技部在上海成立了中国 南方基因中心，由陈竺院士挂帅； 1998年1999年成立了中国科学院 北京人类基因组中心和北方人类基 因组中心，由中科院遗传所的杨焕 明教授，强伯勤院士等人牵头； 有机体、染色体、基因组与基因 1995年6月，德国正式开 始HGP。 有机体、染色体、基因组与基因 n三、任务与进展三、任务与进展 完成四张图： 遗传图谱、物理图谱、 序列图谱、基因图谱 有机体、染色体、基因组与基因 （一）遗传图谱（一）遗传图谱（genetic map)： 又称连锁图谱（linkage map)

19、或遗 传连锁图谱（genetic linkage map)， 是指人类基因组内基因以及专一的多态 性DNA标记(marker)相对位置的图谱， 其研究经历了从经典的遗传图谱到现代 遗传图谱的过程。 有机体、染色体、基因组与基因 .经典的遗传图谱（以基因表型为 标记） .现代遗传图谱（以DNA为标记） 第一代多态性标记：限制性片段长度 多态性（restriction fragment length polymorphism, RFLP)，位点数目可 达105以上。 有机体、染色体、基因组与基因 第二代多态性标记：小卫星/可变数量串联重 复（minisatellite/ variable numb

20、er tandem repeat, VNTR)及微卫星/简短串联 重复（microsatellite / simple tandem repeat, STR)。个数在6000个以上。 其中STR具高 度多态性，有的可形成几十种等位片段，是 目前在基因定位的研究中应用最多的标记系 统。 有机体、染色体、基因组与基因 第三代多态性标记：单核苷酸 多态性（single nucleotide polymorphism, SNP)。这种 标记在人类基因组中多达300 万个。 有机体、染色体、基因组与基因 真核生物在减数分裂过程中染色体 进行重组和交换，染色体上任意两点之 间发生重组和交换的概率随着两点之

21、间 相对距离的远近而发生变化。 有机体、染色体、基因组与基因 .构建遗传图谱的意义： 通过连锁分析，可以找到某一 致病基因或表型的基因与某一标记 邻近（即紧密连锁）的证据，从而 可把这一基因定位于染色体的特定 区域，再对基因进行分离和研究。 有机体、染色体、基因组与基因 （二）物理图谱（二）物理图谱（physical map):： 用物理学方法构建的由不同的 DNA结构按其在染色体上的原 始顺序和实际距离排列的图谱。 有机体、染色体、基因组与基因 （1）基因组的细胞遗传学图 （cytogenetic map，即染色体 的区、带、亚带）； （2）序列标签位点 (sequence-tagged s

22、ite,STS)图 谱； 有机体、染色体、基因组与基因 （3）DNA“重叠群(contig)”图谱： 把基因组文库中含有相同STS序列 的DNA克隆按照其在原始基因组 上线形顺序进行排列，连接成相互 重叠的“片段重叠群(contig)”。是 构建物理图谱的主要任务； 有机体、染色体、基因组与基因 （4）大片段限制性内切酶切 点图； （5）cDNA/EST图谱； （6）基因组中广泛存在的特 征性序列（如CpG序列、 Alu序列等）的标记图等。 有机体、染色体、基因组与基因 （三）序列图谱：（三）序列图谱： 2003年之前完成。 （四）基因图谱：（四）基因图谱： 目标：在人类基因组中鉴别出 全部基因的位置、结构和功能； 有机体、染色体、基因组与基因 定位方法：cDNA / EST的染色 体定位（实验手段，电子杂 交）； 完成时间：200？年完成。 有机体、染色体、基因组与基因 （五）模式生物基因组：（五）模式生物基因组： l酵母 1996年 l大肠肝菌 1997年 l线虫 1999年 l果蝇 2000年 l拟