原核及病毒基因组课件

1、1基因组 II原核与病毒基因组2提纲1、1、原核生物基因组2、病毒生物基因组3无真正细胞核的的单细胞或多细胞的低等生物:细菌（Bacteria）古细菌（Archaea）放线菌Actonomyce）立克次氏体、螺旋体、支原体（无细胞壁）、衣原体一、原核生物基因组4形态与细胞组成：无核膜，无细胞核（拟核或类核）；无微纤维系统（无肌球、肌动蛋白），细胞质不能流动，无伪足、吞噬作用等现象）；鞭毛（非微管）由几条螺旋或平行的蛋白质丝构成；核糖体（70S）散在于细胞内，无线粒体、高尔基体、内质网、溶酶体、液泡和质体（植物）、中心粒(低等植物和动物)等细胞器；单位膜系统由细胞膜内褶而成，发挥氧化磷酸化电子传

2、递功能或光合作用（蓝细菌在类囊体内）或化能营养。繁殖方式：简单二分裂方式繁殖，无有丝分裂或减数分裂;遗传物质：一条环状双螺旋脱氧核糖核酸丝（不与组蛋白结合），无染色体（有的原核生物其主基因组外还有更小能进出细胞的质粒DNA）；遗传物质的传递：细胞间通过接合、转化或转导（无性行为）进行； 原核生物基本特点单倍体生物：一条染色体(主基因组，游离于细胞质中)+质粒+转座因子5原核生物基因组计划http:/mbgd.genome.ad.jp/7大肠杆菌基因组大小约4.5-5.6M（质粒大小0.1-0.9M），基因数目大约在4400-5900个（其中有大量与代谢相关的基因，另大多数rRNA基因集中于基因

3、组复制起点oriC位置附近），GC含量50%左右，基因具有操纵子结构，含有假基因。8幽门螺杆菌（Helicobacter pylori）基因组目前测定菌株30株，有多个亚群，目前共有30株菌株进行了基因组测序（11/2011），基因组大小1.5M左右，基因1400-1600个左右，GC含量为39%左右。萎缩性胃炎和胃溃疡，胃癌 10RNA和蛋白质支架(易受RNA和蛋白酶水解而断裂）负超螺旋DNA（80%）呈放射花瓣状，结构域类核11共价环闭超螺旋DNA (1)解超螺旋环状DNA (2)解环线性DNA (3)2电泳迁移方向31122、基因组DNA小，基因数目少（1500-5900个），种间DNA

4、大小差异大，GC含量差异大(菌种鉴定和分类标准），基因多为单拷贝基因（编码rRNA 、tRNA基因多拷贝，利于核糖体的快速组装和蛋白质合成）143、基因组只有一个复制起始点，功能相关的基因大多成簇地串联排列（操纵子结构）在染色体上，结构基因无内含子，基因连续分布，为多顺反子。DNA复制时，需在特定的位点起始，这些特定核苷酸排列片段，就是复制起始点（origin of replication，复制子）。原核生物中，复制起始点通常为一个，而真核生物有多个。15422bp大肠杆菌染色体 DNA 复制起始点 oriC反向重复序列（回文结构）：复制酶的识别启动子：转录可能对大肠杆菌染色体DNA 复制起始

5、有重要作用具有3-OH （自由羟基）；原核生物中约为1016个核苷酸，真核生物中约为10个核苷酸；自主复制序列（ARS）引物合成酶解旋酶解旋酶单链结合蛋白SSB单链结合蛋白SSB17操纵子结构操纵子（Operon）：原核基因功能单位，含有一个启动子序列和多个结构基因。指数个功能上相关的基因串联在一起，连同上游的调控区和 下游的转录终止信号构成基因的表达单位。半乳糖苷酶渗透酶转乙酰酶调节基因操作子18单顺反子(Monocistron)：一个基因编码一条多肽链或RNA链，每个基因转录有各自的调节元件。多顺反子（Polycistron）：受同一个控制区调控的一组基因。它们前后排列，并一起转录、翻译，

6、得到一组功能相关的蛋白质或酶（通常是氨基酸序列的不同剪辑形成）。194、除主基因组外，原核生物往往还具有质粒基因组质粒（Plasmid）：独立于核基因组外的环状或线性的共价闭合环状DNA/RNA分子。可嵌入某些染 料 （ 溴化乙锭 ）有较强的抗切割和抗变性能力几乎所有已知质粒都为环状超 螺旋DNA分子（酵母杀伤质粒为RNA分子）自主复制：有复制调控ori+rep+cop、分裂分配、分裂控制和位点特异重组四大系统基因转移：常用作基因工程载体，用来转移目的基因（最大10Kb）。 2.5 10 7Da 质粒（ F 质粒和R 质粒）可从供体细胞将副本移给受体细胞；1 10 7Da 质粒一般无自我转移能

7、力。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选择性标记：携带多种选择性标记，利于实际工作中的筛选应用。生物学特征20降解质粒：编码一种特殊蛋白，可使宿主菌代谢特殊的分子，如甲苯或水杨酸。侵入性质粒： 如根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)中发现的Ti质粒严密型质粒： 1-2个拷贝松弛型质粒：10-60拷贝F质粒/致育质粒R质粒/耐药性质粒 ：带有耐药基因Col质粒:大肠埃希菌素生长因子生产，典型EolE1结合型质粒: 携带有效接触基因，促进细菌结合。可移动型质粒: 被动传递。自传递质粒: 兼具以上两种功能。

8、如F质粒窄譜型质粒广谱型质粒小型质粒大型质粒复制程度功 能转移方式宿主范围大 小质粒作用方式21质粒图谱：http:/www.shigen.nig.ac.jp/cvector/cvector.html22质粒限制性图谱：/PLASMID/GetAllVectors.do245、转座元件/基因是原核生物基因组的重要特征DNA序列从原位上单独复制或断裂下来，插入另DNA序列位点，并调控其后基因的转录，此过程称转座(Transposition)而转座元件（Tranposable Element）是指可移动的基因成分，即能在一段DNA分子内部或两段DNA分子之间移动的DNA片段，又称跳跃基因。Tran

9、posableElement25插入序列（Insertion Sequence，IS）一类简单的转位因子，长度约700-2000bp，由一个转位酶基因及两侧的反向重复序列（16-41bp）组成，除带有与其转座作用有关的基因外不带任何基因。转座元件转座子（Transposon， Tn）4500-20,000bp之间，较大，转座酶基因+其他基因。能引入新基因、基因突变和基因重排：DNA转座元件逆转座因子可转座的噬菌体（Transposable phage）具 有转座 功能的温和性噬菌体， 能整到宿主基因组内，如mu噬菌体。 IS1 (768bp)IS2 （1327bp）IS4 (1428BP)IS

10、5 (1195bp)IS10R (1329bp)IS50R (1531bp)Tn1681 (2088bp)Tn420 (5000bp)Tn903 & Tn5 带有 kanRTn10 带有 terR27幽门螺杆菌毒力岛：CagE.coli：SPI1SPI2SH3SPI4SPI5沙门菌：SPI1SPI2SH3SPI4SPI528二、病毒生物基因组RNA正义单链病毒：遗传物质就是mRNA，可直接作为病毒复制以及翻译蛋白模板，自我组装成病毒颗粒，感染宿主，侵染能力强。RNA正链逆转录病毒是个例外，mRNA不具有模板活性，需逆转录酶存在才具有侵染能力。 RNA负义单链病毒：遗传物质与mRNA互补，在核衣

11、壳蛋白转录酶租用下转录成正链RNA分子。DNA病毒RNA病毒逆转录病毒 亚病毒因子双链DNA病毒单链DNA病毒双链RNA病毒单链RNA病毒线性：疱疹病毒、腺病毒、痘病毒环状：乳头瘤、多瘤病毒、HBVM13噬菌体呼肠孤病毒正义负义单一分子：黄病毒、冠状病毒、HCV分段基因：单一分子：丝状病毒分段基因：沙粒病毒、流感病毒卫星类病毒朊病毒蛋白质病毒：克雅氏病、震颤病、疯牛病、羊搔痒症RNA卫星环死病毒马铃薯纤块茎病、柑桔裂皮病类病毒、草矮生类病毒HIV292.1、病毒基因组的特点1）基因组大小相差很大HBV：3.2kb痘病毒：300kb2）结构分子具有多样性乳头瘤病毒/SV40：闭合双链DNA病毒H

12、BV病毒：闭合不完全双链DNA病毒腺病毒：线性双链DNA病毒脊髓灰质炎病毒：单链RNA病毒呼肠孤病毒：双链RNA病毒DNA病毒/RNA病毒单链DNA/RNA病毒双链DNA/RNA病毒环状分子/线性分子303）基因组多数是连续性（单一分子基因组），但RNA病毒往往不连续性（分段基因组）；4）编码序列占基因组的90%以上，间隔区序列很少；5）多为单拷贝（单倍体），即每个基因只出现一次（除逆转录病毒基因组有两个拷贝）；6）相关基因丛集（功能上相关的基因排列在一起）、有重叠基因和不规则基因结构序列。呼肠孤病毒：10条节段双链RNA甲乙流感病毒：8条单链节段RNA丙型流感病毒：7段单链节段RNA包装在同

13、一个病毒颗粒内，或在不同病毒颗粒内，只有全部基因组序列都存在，才具备感染能力31重叠基因（Overlapping Gene）:两个或两个以上的基因共用一段DNA序列噬菌体噬菌体174：单链DNA病毒，5386bp，3个转录单位（含有11 基因），3个启动子（pA、pB、pD）将全部DNA顺序和蛋白质氨基酸顺序进行比较，发现重叠基因32S: 外膜蛋白P: 聚合酶C: 核壳蛋白X蛋白乙肝病毒基因组（the Hepatitis B virus，HBV）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：

14、 S(+)，长度 不 等，约1.6kb 2.8kb典型的DNA病毒，同时也是DNA逆转录病毒33S区段：S基因，pre-S1区段，pre-S2区段，变异率大约为10和20，逃避宿主免疫系统）。编码外膜主蛋白S（HBsAg）、中蛋白和大蛋白，前S区与肝细胞浆膜受体结合，病毒嗜肝性。C区段：核心抗原（HBcAg，相对保守，变异率6），水解C-端后变为分泌性e抗原（HBeAg）。抗HBe一般有良好预后，Pre-C突变株不能被此抗原识别，仍应检测病毒DNA。P区段：碱性蛋白（富含组蛋白），依赖于RNA的DNA聚合酶。X区段：一种反式激活因子，可能与病毒基因表达调控有关。34正向重复（DR)：5-TTC

15、ACCTCTGC-3末端蛋白1）不完全双链（局部单链）环状结构： 2/3为双螺旋结构，1/3为单链。长链（-）： 3.2Kb，5结合有末端蛋白，正负链互补区5端有DR1短链（+）， 2/3长链，5固定，有帽子结构，正负链互补区5端有DR2特点35ORF5,ORF6？ORFC核壳蛋白基因ORFS外膜蛋白基因ORFP聚合酶基因ORFXX蛋白基因2）多个开放阅读框，相互重叠，编码效率很高长链：ORFS、ORFP、ORFC、ORFX和ORF5短链：ORF6，这些ORF相互重叠，编码效率达150-200%36正向重复（DR)：5-TTCACCTCTGC-3PolyAU5约100bp增强子250个碱基对序

16、列，成环和复制关键区长链起始短链起始3）基因内部调节序列：短链正向复制序列（DR1和DR2）：DR1位于前CORF中，是合成DNA长链的起始部位，DR2位于聚合酶基因与X基因重叠处，是DNA短链合成的起始部位；U5样序列（因与反转录病毒末端的U5序列类似而得名，U5位于前CORF中）；两个增强子（ORFP和ORFX中）；PolyA374）多抗原，多突变Pre-c (1862, GT): HBeAg 前体降解堆积，重症肝炎； Pre-c (1896, GA): HBeAg表达终止，HBV阴性，复制降低； Pre-S/S (GT): HBsAg抗原改变，免疫逃逸及疫苗接种失败。前抗原Pre-S1/

17、S2外膜蛋白基因核心前抗原Pre-c蛋白基因1862: GT: 重肝炎1896: GA: 阴性GT:免疫逃逸38（1）在DNA聚合酶作用下，以负股DNA为模板合成完整的正链DNA，形成双螺旋。（2）在RNA聚合酶作用下，以负股DNA为模板转录出两种RNA：2.1kb的mRNA，翻译为衣壳蛋白3.5kb的RNA（前基因组），可翻译成各蛋白。（3）自DR1区开始，病毒DNA聚合酶的逆转录活性使RNA合成负股DNA，RNA被降解。（4）自DR2区开始，复制正链DNA。（复制过程同时包装，使正链有长有短）。乙肝病毒基因组的复制39丙肝病毒基因组（the hepatitis C virus，HCV）RN

18、A病毒单股正链的RNA病毒，基因组全长为9.6 kb：1个开放阅读框(ORF)+两侧5, 3非编码区(UTRs)HCV基因组翻译为1个聚蛋白前体（3011 或 3010AA），前体聚蛋白会被宿主和病毒的蛋白酶共同切割成为若干个具有独立功能的HCV蛋白：C、E1、E2、p7、NS2、NS3、NS4A、NS4B、NS5A和NS5B。它们在HCV生活史和宿主细胞的信号传导、凋亡及物质代谢等一系列生化过程发挥重要作用。405-UTR是整个基因组中最保守的 区域3-UTR长度取决于病毒的来源41逆转录病毒逆转录为DNA分子，整合进入宿主基因组，引起免疫缺陷和恶性肿瘤，所有逆转录病毒均含有3个基本结构基因

19、：5-cap-R-U5-PB-DLS-gagpolenv-(onc)-C-PB-U3-R-poly(A)n-3病毒衣壳蛋白包膜蛋白肽链内切酶、逆转录酶、与前病毒整合相关的酶DLS-C区R区：两端的重复序列与cDNA合成有关引物结合区含强启动子起始转录转录终止加polyADLS：两条病毒(+)RNA链结合位点：包装信号:RNA装入病毒颗粒C: 调控区.42第一阶段：合成cDNA链的大部分（1）tRNA结合于PB-区，以之为引物，合成一段短的DNA序列（5 -PB-U5-R-3 ）。（2）逆转录酶水解杂交区的RNA（3）第一次跳跃：3 端反转于新合成的DNA中R区互补结合，连和tRNA一起转移到3

20、 末端。（4）以之为模板，合成负股cDNA（5 U5-R-U3-PB+-gene-PB-3 ）逆转录病毒基因组的复制43第二阶段：以负股DNA合成小部分正股DNA（1）RNA链的PB+与U3之间被切开，逆转录即以之3 端为引物合成正链DNA（5 PB+-U3-R-U5-PB-3 ）。（2）杂交链的RNA被水解。第三阶段：完成前病毒基因组DNA复制（1）第二次跳跃：新合成正链DNA的PB-与负链的PB-区结合，短正链DNA转移到5 端。（2）合成全长DNA复制：逆转录酶以之为引物合成全长正链DNA，前病毒DNA（5 U3-R-U5-PBgene-PB+-U3-R-U5-3 ）44HIV (Hum

21、an Immunodeficiency Virus)逆转录病毒的一类，引起人类获得性免疫缺损综合症（AIDS），又称艾滋病毒，长约9.3kb，除了逆转录病毒一般的特征外，另外至少含有6个调控基因：tat、rev、nef、vif、vpu及vpr。已发现的HIV有两种：HIV和HIV。4546LTR-long terminal repeats; repetitive sequence of basesgag-group specific antigen gene, encodes viral nucleopcapsid proteins: p24, a nucleoid shell protein, MW=24000; several internal proteins, p7, p15, p17 and p55.pol-polymerase gene; en