从核酸到基因组VIP

1、1第一节第一节DNADNA的结构的结构一、一、DNADNA的一级结构的一级结构二、二、DNADNA的二级结构的二级结构 A-DNA右手双螺旋结构 B-DNA左手双螺旋结构 Z-DNA十字型DNA三股螺旋结构2OHHOHHHHCH2OPOOHGOOHHHHHCH2OPOOHOTOHHHHHCH2OPOOHOHA35 端端34 567RNNOCH3OHRNNONHHHNNNNNHRRNNNNNHHOHHRN+NONHHRNNOCH3OHT.AT C+.G C8四、线粒体四、线粒体DNADNA 人类线粒体DNA测序完成于1981年含有16569bp，37个基因： 编码2种rRNA(12S和16S)

2、22种tRNA 13种蛋白质(主要是呼吸链成分) 9第二节第二节RNARNA的结构与功能的结构与功能一、RNA的基本特征 10 二、二、mRNAmRNA1.mRNA1.mRNA的特点：的特点：种类多、含量少、种类多、含量少、寿命短、寿命短、分子大小不均，差异极分子大小不均，差异极大。大。mRNAmRNA约占细胞内总约占细胞内总RNARNA的的10%10%以下，以下，不同的不同的mRNAmRNA编码不同的蛋白质，编码不同的蛋白质，完成使命即被完成使命即被降解降解11 2.mRNA结构特点： 帽子结构 poly(A)尾 内含子、外显子 3.功能 12NNN+NHONH2OCH2HOHHHHOHCH

3、3OOCH2HOHHHO CH3POCH2HOHHHO CH3OPOPOPOOOOOHOHOHOOHP OOH碱基1碱基213三、三、tRNAtRNA 1.1.结构特点结构特点2.2.功能功能1415四、四、rRNArRNA 1. 1. 结构特点结构特点2.2.功能功能16五、小核五、小核RNARNA（snRNAsnRNA） 只存在于真核细胞的细胞核内，分子较小，约含只存在于真核细胞的细胞核内，分子较小，约含70-30070-300个核苷酸。个核苷酸。功能主要是参与转录产物的加工过程。功能主要是参与转录产物的加工过程。 17六、核酶六、核酶 概念：核酶概念：核酶(Ribozyme)(Riboz

4、yme)是具有催化活性的是具有催化活性的RNARNA特点特点: : 化学本质为化学本质为RNARNA或或RNARNA片断片断 核酶都有自己的活性序列或活性中心核酶都有自己的活性序列或活性中心 核酶的底物种类比较简单，多为自身核酶的底物种类比较简单，多为自身RNARNA或其它或其它RNARNA分子分子 核酶的催化效率比酶蛋白低得多核酶的催化效率比酶蛋白低得多 反应时需要反应时需要Mg2Mg2+ +参加参加 核酶的催化活性也具有专一性核酶的催化活性也具有专一性 18结构：意义: 1.1.对对RNARNA的生物学功能有了进一步的认识的生物学功能有了进一步的认识. . 2.RNARNA催化功能的发现对

5、于了解生命进化催化功能的发现对于了解生命进化过程有着重要意义过程有着重要意义 3.3.用于治疗用于治疗 19核酶的二级结构20第三节基因和基因组第三节基因和基因组 基本概念 基因：是指贮存有功能的蛋白质多肽链或RNA序列信息及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列。它是核酸（DNA、RNA）分子中贮存遗传信息的遗传单位 信息区结构基因 基因组成 调节区调节基因21 mRNA蛋白质 表达产物 tRNA rRNA snRNA基因组:是细胞或生物体中一套完整的遗传物质。 原核生物：整个染色体 核基因组：22条常染色体，XY性染色体 人 线粒体基因组：胞浆线粒体上的遗传物质22一、基因的基本结构一、基因的

6、基本结构 编码序列编码序列 非编码序列非编码序列 外显子外显子 内含子内含子 启动子启动子 转录起始位点转录起始位点 终止子终止子23基因结构基因结构 启动子 起始点 外显子内含子终止子外显子内含子外显子内含子外显子转录区调控序列24二、病毒基因组的结构特征二、病毒基因组的结构特征核酸种类与结构可以不同核酸种类与结构可以不同 DNADNARNA RNA 单股双股 线性环状大小差异较大大小差异较大分子数不同分子数不同 为单倍体且基因不重复为单倍体且基因不重复基本都是编码序列基本都是编码序列 基因连续性不同基因连续性不同 相关基因丛集成一个功能单位或转录单位相关基因丛集成一个功能单位或转录单位有些

7、病毒存在基因重叠现象有些病毒存在基因重叠现象 2526三、原核生物基因组的结构特征三、原核生物基因组的结构特征基因组通常由单一环状双链基因组通常由单一环状双链DNADNA分子组成分子组成 基因组中只有基因组中只有一个复制起点一个复制起点基因组所含基因数量较多，形成操纵子结构（多顺反子）基因组所含基因数量较多，形成操纵子结构（多顺反子）基因组编码序列一般不重叠。基因组编码序列一般不重叠。基因是连续的，无内含子，因而转录后不需要剪接基因是连续的，无内含子，因而转录后不需要剪接 编码序列约占基因组的编码序列约占基因组的50%50%非编码序列主要是一些调控序列。非编码序列主要是一些调控序列。多拷贝基因

8、很少多拷贝基因很少 基因组中存在转座子基因组中存在转座子在在DNADNA分子中存在各种特异序列分子中存在各种特异序列 2728四、真核生物基因组的结构特征四、真核生物基因组的结构特征真核生物有完整的细胞核，核真核生物有完整的细胞核，核DNADNA与组蛋白、非组蛋白与组蛋白、非组蛋白及及RNARNA形成染色体结构形成染色体结构 每一种真核生物都有一定的染色体数目，配子每一种真核生物都有一定的染色体数目，配子( (精子和精子和卵子卵子) )为单倍体外，体一般为双倍体。为单倍体外，体一般为双倍体。真核生物基因组有多个复制起点真核生物基因组有多个复制起点。4.4.真核基因的转录产物为单顺反子真核基因的

9、转录产物为单顺反子mRNAmRNA 29真核生物基因组含大量重复序列真核生物基因组含大量重复序列 高度重复序列：重复次数高度重复序列：重复次数: :大于大于10106 6 功能功能: :参与参与DNADNA复制、基因表达调控、基因转座或细胞分裂时的复制、基因表达调控、基因转座或细胞分裂时的染色体配对染色体配对. .中度重复序列中度重复序列:重复次数重复次数: :小于小于10105 5 排列特点：大多数与单拷贝基排列特点：大多数与单拷贝基 因交替排列因交替排列. . 功能：功能：RNARNA、组蛋白及免疫球蛋白的编码序列。、组蛋白及免疫球蛋白的编码序列。 可能与基因表达调控有关可能与基因表达调控

10、有关30真核生物基因组的真核生物基因组的90%90%以上为非编码序列以上为非编码序列真核生物基因是断裂基因真核生物基因是断裂基因存在各种基因家族存在各种基因家族 31基因家族基因家族(gene family)(gene family) 概念概念：指碱基序列或编码产物的结构具有一定程度同源性的一组基因：指碱基序列或编码产物的结构具有一定程度同源性的一组基因 。认为同一基因家族的成员由同一祖先认为同一基因家族的成员由同一祖先基因进化而来，功能相似，碱基序列同源性高。同源性最高的可达基因进化而来，功能相似，碱基序列同源性高。同源性最高的可达100100( (即多拷贝基因即多拷贝基因) )。多基因家族

11、与假基因多基因家族与假基因 多基因家族多基因家族是指由同一祖先基因经过重组和变异所产生的一组基因。是指由同一祖先基因经过重组和变异所产生的一组基因。 分布：分布： 编码产物：编码产物：功能相似功能相似32假基因：假基因：在多基因家族中，不能表达出有功能产物的某些成员。在结构上在多基因家族中，不能表达出有功能产物的某些成员。在结构上假基因假基因与有功能的基因同源，原来可能也有功能，只是由于发生基因突变等而失活。与有功能的基因同源，原来可能也有功能，只是由于发生基因突变等而失活。基因超家族基因超家族基因超家族基因超家族：指一组由多基因家族及单基因组成的更大的基因家族。结构上有程：指一组由多基因家族

12、及单基因组成的更大的基因家族。结构上有程度不等的同源性，可能都起源于相同的祖先基因，但其功能不一定相同。度不等的同源性，可能都起源于相同的祖先基因，但其功能不一定相同。 33真核生物也存在转座子真核生物也存在转座子真核基因组真核基因组DNADNA为线性分子，其末端特殊序列称为端粒。为线性分子，其末端特殊序列称为端粒。34五、真核五、真核DNADNA的多态性的多态性 DNADNA多态性多态性：同一物种不同个体之间的基因产物大多数一致同一物种不同个体之间的基因产物大多数一致，但但不同个体不同个体之间存在遗传差异，这种遗传差异可以孟德尔遗传方式遗传之间存在遗传差异，这种遗传差异可以孟德尔遗传方式遗传

13、, ,这种差异称为这种差异称为DNADNA多态性多态性 。 物质基础是物质基础是DNADNA碱基序列的差异。碱基序列的差异。 其中有些差异在群体中出现的频率大于其中有些差异在群体中出现的频率大于1%1%35DNADNA的多态性主要有的多态性主要有单核苷酸多态性单核苷酸多态性单核苷酸多态性单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism(single nucleotide polymorphism，SNPSNP) )主要是指在基因组水平上由单个核苷酸的变异主要是指在基因组水平上由单个核苷酸的变异所产生的所产生的DNADNA多态性，是人类可遗传的变异中最常见的一种，占所

14、有已知多态性的多态性，是人类可遗传的变异中最常见的一种，占所有已知多态性的90%90%以上。以上。SNPSNP在人类基在人类基因组中广泛存在，平均每因组中广泛存在，平均每1000bp1000bp中就有中就有1 1个，估计其总数可达个，估计其总数可达300300万个甚至更多万个甚至更多。36多态性只涉及到单个核苷酸的变异多态性只涉及到单个核苷酸的变异编码序列或非编码序列内编码序列或非编码序列内 意义：意义： SNPSNP有助于解释个体的表型差有助于解释个体的表型差异，包括对各种药物的耐受性差异、异，包括对各种药物的耐受性差异、对环境因子的反应差异以及对疾病的对环境因子的反应差异以及对疾病的易感性

15、差异。易感性差异。SNPSNP已成为研究基因组已成为研究基因组多样性、定位疾病相关基因的新手段。多样性、定位疾病相关基因的新手段。37串联重复序列多态性串联重复序列多态性串联重复序列多态性串联重复序列多态性(tandem repeats (tandem repeats polymorphism)polymorphism)是由是由DNADNA所含重复序列数目发生变所含重复序列数目发生变异而产生的异而产生的DNADNA多态性多态性限制性片段长度多态性限制性片段长度多态性 用限制性内切核酸酶切限制性内切核酸酶切割不同来源的割不同来源的DNADNA，可以得到不同长度的，可以得到不同长度的DNADNA片

16、段，片段，称为限制性片段称为限制性片段 38 用特别的探针与这些用特别的探针与这些DNADNA片段杂交时，发片段杂交时，发现同一物种不同个体的现同一物种不同个体的DNADNA的探针杂交信的探针杂交信号有所不同，形成限制性片段长度多态性号有所不同，形成限制性片段长度多态性(restriction fragment length (restriction fragment length polymorphismspolymorphisms，RFLP)RFLP) SNPSNP存在于限制性酶切位点之内产生存在于限制性酶切位点之内产生RFLP RFLP 串联重复序列多态性导致酶切片段长度改串联重复序列多

17、态性导致酶切片段长度改变，而产生变，而产生RFLPRFLP RFLPRFLP因插入、缺失和重组等基因突变而产因插入、缺失和重组等基因突变而产生生 通过分析通过分析RFLPRFLP可以筛选基因突变，诊断遗可以筛选基因突变，诊断遗传病。传病。 39单链构象多态性单链构象多态性 在中性条件下，单链在中性条件下，单链DNADNA会因其分子内碱会因其分子内碱基之间的相互作用，形成一定的立体构象。基之间的相互作用，形成一定的立体构象。长度相同的单链长度相同的单链DNADNA，如果碱基序列不同，如果碱基序列不同，形成的构象就不同形成的构象就不同 40DNADNA指纹指纹 应用应用DNADNA印迹技术，将不同

18、个体的基因组印迹技术，将不同个体的基因组DNADNA用某种限制性内切核酸用某种限制性内切核酸酶水解，经电泳分离，与小卫星酶水解，经电泳分离，与小卫星DNADNA探针进行分子杂交，应用放射自探针进行分子杂交，应用放射自显影技术进行分析，可见每个个体都呈现出不同长度片段的显影技术进行分析，可见每个个体都呈现出不同长度片段的DNADNA杂交杂交显影带。带的多少和相对位置构成了特定的的图谱，类似于人的指显影带。带的多少和相对位置构成了特定的的图谱，类似于人的指纹，具有高度的个体特异性，称之为纹，具有高度的个体特异性，称之为DNADNA指纹指纹(DNA (DNA fingerprinting)finge

19、rprinting)。 DNADNA指纹实质上是一种特殊的指纹实质上是一种特殊的RFLPRFLP，不同个体，不同个体DNADNA指纹各不相同。地指纹各不相同。地球上除了同卵双生子外，没有两个人的球上除了同卵双生子外，没有两个人的DNADNA指纹完全相同。因此，指纹完全相同。因此，DNADNA指纹有着广泛的应用意义。指纹有着广泛的应用意义。41第四节人类基因组计划第四节人类基因组计划 HGP的主要目标是在2005年之前分析人类24条染色体(22+x,y)的遗传图谱、物理图谱和全部碱基序列，并在此基础上进行基因定位和分离，破译人类基因的全部信息，建立人类遗传物质的全套信息数据库，为从整体上揭示人类

20、发生、发育、衰老、死亡和疾病的奥秘提供最基本的数据，从而使人类对自身的认识达到一个新的高度。 42一、人类基因组作图 首先必须将染色体DNA进行分割，使之成为较易操作的小的结构区域。这个过程简称作图作图。 根据使用的标记和手段不同，解析人类基因组的全序列需要依次绘制四张图谱 遗传图谱 物理图谱 转录图谱 序列图谱 43遗传图谱遗传图谱 遗传图谱遗传图谱(genetic map)又称为连锁图连锁图(linkage map)，是以DNA多态性标记为“位标位标”，以遗传学距离为“图距”的基因组图。 1994年 完成 44物理图谱物理图谱 物理图谱物理图谱(physical map)是以一段已知碱基序

21、列的DNA片段为“位标”，以DNA实际长度(kb)为图距的基因组图。 1995年完成 45转录图谱转录图谱 从cDNA文库随机取样进行测序，在基因组中定位，作为表达基因的位标。这样的位标称为表达序列标记表达序列标记(expressed sequence tag，EST)。 转录图谱转录图谱(transcription map)就是以EST作为位标的基因组图，又称cDNA图或“表达序列图”。 鉴定出基因组中所有的功能基因以及它们在基因组中的位置 cDNA具有组织特异性与时间特异性，可以绘制基因表达的时空图，以研究基因表达的时空特异性 46序列图谱序列图谱 人类基因组碱基序列图谱(sequence

22、 map)也就是在分子水平上层次最高、最详尽的物理图谱。 人类基因组图被誉为人类“分子水平上的解剖图”，或更形象地称为人类“生命元素周期表”。人类将依赖这张“生命元素周期表”彻底解开人类进化和生命之谜，同时有望彻底阐明人类6000多种单基因、多基因遗传病的发病机制，并为这些疾病的诊断、治疗及预防奠定基础。 47二、功能基因组学二、功能基因组学 指基因组功能信息的提取、鉴定和开发利用，以及与此相关的数据资料、基因材料和技术手段的贮存和使用48 功能基因组学包括以下内容：研究基因，鉴定基因编码序列及表达调控序列；阐明所有基因产物的功能；研究基因表达调控机制，分析基因与基因产物的相互作用，绘制基因表

23、达调控网络图；在基因组水平比较生物，揭示生命的起源和进化49 人类疾病基因组学需要研究的重大科学问题包括 人类疾病相关基因的识别、鉴定和克隆 疾病相关基因的结构与功能 与疾病防治相关的基因表达的调控 50研究功能基因组学常用技术 生物信息学 比较基因组学 结构基因组学 蛋白质组学 整体生物学 DNA芯片 基因剔除 药物基因组学51三、人类基因组计划在医学中的意义三、人类基因组计划在医学中的意义1.基因结构与功能的研究2.基因组信息与疾病易感性的研究3.基因组与癌症研究4.疾病的遗传学背景5.药物基因组学52OHHOHHHHCH2OPOOHGOOHHHHHCH2OPOOHOTOHHHHHCH2OPOOHOHA35 端端53 2.mRNA结构特点： 帽子结构 poly(A)尾 内含子、外显子 3.功能 54五、小核五、小核RNARNA（snRNAsnRNA） 只存在于真核细胞的细胞核内，分子较小，约含只存在于