基因与基因组

关于基因与基因组第一页，共七十八页，2022年，8月28日第一节基因与基因组的概念Section1ConceptofGeneandGenome第二页，共七十八页，2022年，8月28日基因染色体DNA一、基因的概念◆基因(gene)：也称遗传因子，是染色体上呈直线排列的遗传单位，是编码有功能的蛋白质多肽链或RNA所必需的全部核苷酸序列。非编码序列(内含子)编码序列(外显子)多肽链功能RNA(rRNA及tRNA等)第三页，共七十八页，2022年，8月28日基因的分类：(1)蛋白质基因：终产物为蛋白质(2)非翻译基因：可被转录，但不被翻译，如rRNA、tRNA等(3)不转录基因：不被转录，参与基因的表达调控，常称为控制基因，如启动基因和操纵基因第四页，共七十八页，2022年，8月28日◆基因座(locus)：基因在染色体上的位置。◆等位基因(allele)：一对同源染色体在同一基因座上的一对基因。◆复等位基因(multipleallele)：在一个群体中，每个基因座上可以有两个以上等位基因。◆纯合子(homozygote)：生物体带有一对完全相同的等位基因，即纯种(true-breeding)。◆杂合子(heterozygote)：生物体带有一对不同的等位基因，即杂种(hybrid)。第五页，共七十八页，2022年，8月28日◆显性基因(dominantgene)与隐性基因(recessivegene)：当一个等位基因决定生物性状的作用强于另一等位基因时，该基因就称为显性基因，而另一基因称为隐性基因。◆完全显性(completedominance)：显性完全掩盖隐性。◆不完全显性(incompletedominance)：两者相互作用而出现介于两者中间的性状。第六页，共七十八页，2022年，8月28日基因座与等位基因人血型基因座AAOABOABBBOO人血型复等位基因：A、B、O显性基因：A、B→O，隐性基因：O→A、B共显性：A←→B(不完全显性)纯合子杂合子第七页，共七十八页，2022年，8月28日二、基因组的概念(1)

基因组(genome)：也称染色体组，指在二倍体的细胞或个体中，能维持配子或配子体正常功能的最低数目的一套染色体。细胞质基因组线粒体基因组叶绿体基因组原核生物基因组：基因带第八页，共七十八页，2022年，8月28日(2)基因组DNA序列的分类：①基因序列和非基因序列②编码序列和非编码序列③单一序列和重复序列轻度重复序列，中度重复序列和高度重复序列。(3)基因组学(genomics)：研究生物体基因和基因组的结构、组成及功能。结构基因组学(structuralgenomics)

功能基因组学(functionalgenomics)第九页，共七十八页，2022年，8月28日第二节病毒基因组Section2VirusGenome第十页，共七十八页，2022年，8月28日一、病毒微小颗粒单一核酸(DNA或RNA)无完整细胞结构(非细胞型微生物)寄生于活细胞第十一页，共七十八页，2022年，8月28日脂质层被膜病毒基因组RNA逆转录酶外壳蛋白HIV病毒结构模式图第十二页，共七十八页，2022年，8月28日S蛋白M蛋白HE蛋白E蛋白RNA核衣壳磷蛋白冠状病毒结构模型(SARS)第十三页，共七十八页，2022年，8月28日小表面蛋白中表面蛋白大表面蛋白DNA聚合酶二十面体核衣壳HBV结构模型第十四页，共七十八页，2022年，8月28日二、病毒基因组的结构特点1.病毒基因组大小相差较大乙肝病毒~3kb4种蛋白痘病毒~300kb几百种蛋白2.核酸组成复杂闭环双链DNA乳头瘤病毒线性双链DNA腺病毒单链RNA脊髓灰质炎病毒、SARS、HIV双链RNA呼肠孤病毒、轮状病毒第十五页，共七十八页，2022年，8月28日3.基因组可由节段RNA组成单链节段RNA流感病毒(8条RNA单链)双链节段RNA呼肠孤病毒(10条RNA双链)4.基因重叠(overlappinggene，重叠基因)(1)一个基因完全在另一个基因里面(2)部分重叠(3)单碱基重叠第十六页，共七十八页，2022年，8月28日噬菌体ΦX174的重叠基因顺反子间隔区第十七页，共七十八页，2022年，8月28日5.基因组大部分序列用于编码蛋白质ΦX174中不翻译的部分<5％，不翻译的DNA序列通常是基因表达的调控序列。6.存在转录单元(功能单位)功能相关的蛋白质基因丛集在基因组的一个或几个特定部位。7.除反转录病毒外，病毒基因组一般都是单倍体。8.噬菌体(原核细胞病毒)基因是连续的；而真核细胞病毒的基因是不连续的。第十八页，共七十八页，2022年，8月28日三、HBV基因组结构HBV：hepatitisBvirus基因组为不完全双链非闭合环状DNA(-)-DNA：3.2kb，5'端与引物酶结合

(+)-DNA：1.6~2.8kb，桥连未闭合的(-)链有基因重叠仅4个基因第十九页，共七十八页，2022年，8月28日HBV3182bpPSpre-S2pre-S1XCpre-C12(-)-DNA(+)-DNApoly(A)C：核衣壳蛋白S：包膜蛋白P：聚合酶X：调控蛋白HBV基因组结构引物酶第二十页，共七十八页，2022年，8月28日四、HIV基因组结构HIV：humanimmunodeficiencyvirus分两型：HIV-1和HIV-2基因组为双份的RNA，长9718nt

三个结构基因：gag、pol和env

六个附加基因(包括调节基因)：tat、rev、nef、vif、vpr、vpu(HIV-1)或vpx(HIV-2)

第二十一页，共七十八页，2022年，8月28日HIV-1基因组结构HIV-2基因组结构第二十二页，共七十八页，2022年，8月28日第三节原核基因组Section3ProkaryoticGenome第二十三页，共七十八页，2022年，8月28日一、细菌染色体基因组结构的一般特点1.一条环状双链DNA分子具有类核：中央为RNA和支架蛋白；外围是双链闭环超螺旋DNA。

DNA通常与细胞膜相连。E.coli细胞模式图DNA与细胞膜相连处第二十四页，共七十八页，2022年，8月28日E.coli细胞DNA电镜照片第二十五页，共七十八页，2022年，8月28日蛋白质核心超螺旋DNA环大肠杆菌染色体结构模式图第二十六页，共七十八页，2022年，8月28日2.具有操纵子结构功能相关的结构基因串联在一起，受同一个调节区的调节。3.结构基因常为单拷贝，rRNA的基因常为多拷贝4.非编码序列所占比例小5.具有编码同工酶的同基因(isogene)6.一般无基因重叠现象第二十七页，共七十八页，2022年，8月28日7.具有各种功能识别区:复制起始区OriC与终止区

TerC、转录启动区和终止区等。8.基因或操纵子的终末往往具有特殊的终止顺序强终止子：有poly(T)

弱终止子：无poly(T)9.有可移动序列，如转座子和质粒等。色氨酸操纵子的终止子第二十八页，共七十八页，2022年，8月28日二、质粒1.质粒(plasmid)：在细菌细胞中，独立于染色体之外存在的一些能复制和遗传的环状DNA分子。类核质粒细菌细胞质粒示意图第二十九页，共七十八页，2022年，8月28日E.coli细胞DNA电镜照片第三十页，共七十八页，2022年，8月28日细胞中质粒的不同形态第三十一页，共七十八页，2022年，8月28日2.质粒的特性①常含有特殊基因：如抗生素的抗性基因②有复制起始区：能自主复制③可与宿主染色体整合：随宿主染色体同步复制④可遗传：细胞分裂时，可传递给子代⑤可转移：由一个细胞转移到另一个细胞⑥大小不定：小的约有1kb，大的可达250kb⑦拷贝数不定：严紧型(stringent)和松弛型(relaxed)⑧不相容性(plasmidincompatibility)：有些质粒不能共存于一个细菌的细胞内第三十二页，共七十八页，2022年，8月28日②致育因子(Fertility(F)plasmids)

通过接合在供体和受体间传递遗传物质。

F因子：可以合成和装配性纤毛；重组区：有多个插入序列复制区：oriV和oriT3.质粒类型①抗性质粒(Resistance(R)plasmids)

通常是一些抗生素抗性基因，如KanR，AmpR等。第三十三页，共七十八页，2022年，8月28日通过F因子性纤毛在两个细菌细胞间转移DNA第三十四页，共七十八页，2022年，8月28日③Col质粒编码大肠杆菌素(colicins)，可杀死其它细菌。如E.coli中的ColE1。④降解质粒(degradativeplasmids)

可使宿主代谢特殊分子，如甲苯或水杨酸等。⑤侵入性质粒(virulenceplasmids)

使宿主菌具有致病能力，如Ti质粒，Ri质粒等。第三十五页，共七十八页，2022年，8月28日三、转座因子(transposableelements)1.转座因子概念是指DNA分子中不依靠同源性重组也能移动位置的DNA节段。已知转座因子的大小为750-40000bp。2.分类

(1)插入序列(insertionsequence，IS)

编码转位酶(transposase)，可含有启动子。

(2)转座子(transposon，Tn)

含有一到几个基因，编码抗药性或毒素基因。第三十六页，共七十八页，2022年，8月28日转座子的结构图解(两侧的IS组件可以同向或反向，可以相同或不同)第三十七页，共七十八页，2022年，8月28日第四节真核基因组Section4EukaryoticGenome第三十八页，共七十八页，2022年，8月28日一、真核生物基因组的特点1.与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞核内，常为二倍体(除配子体外)2.转录产物为单顺反子3.存在重复序列4.非编码序列比重大5.基因不连续6.基因组大，多个复制起点第三十九页，共七十八页，2022年，8月28日人类基因组染色体模式图第四十页，共七十八页，2022年，8月28日人类细胞整套染色体(白细胞)第四十一页，共七十八页，2022年，8月28日人姐妹染色体电镜照片(有丝分离中期)第四十二页，共七十八页，2022年，8月28日核小体H1组蛋白组蛋白八聚体第四十三页，共七十八页，2022年，8月28日二、真核生物基因组的重复序列1.高度重复序列重复频率高(~106)，复性速度很快。反向重复、串联重复和散布重复(1)倒位(反向)重复序列(invertedrepeatsequence)

两个相同顺序的互补拷贝在同一DNA链上反向排列而成。高度重复序列、中度重复序列和低度重复序列。第四十四页，共七十八页，2022年，8月28日回文结构(palin-dromestructure)：指没有间隔的反向重复序列。反向重复反向重复变性复性第四十五页，共七十八页，2022年，8月28日(2)串联重复序列Ⅰ.长度：2~172bp重复单位排列成串而形成。Ⅱ.碱基组成：串联重复序列的碱基组成不同于其他部份，在等密度梯度离心时与主体DNA分开，称卫星DNA。①特点：Ⅲ.物种局限：只发现于真核生物。第四十六页，共七十八页，2022年，8月28日②串联重复序列分类卫星DNA、小卫星DNA和微卫星DNA。Ⅰ.卫星DNA(satelliteDNA)◆

重复区涵盖100kb~5Mb◆

大部分位于染色体着丝点◆

重复单位2bp~172bp

灵长类~170bp

非洲绿猴172bp

人类

171bp◆

约占每个染色体的3~5%第四十七页，共七十八页，2022年，8月28日Ⅱ.小卫星DNA(minisatelliteDNA)重复区域在0.1kb~20kb，包括两类：

◆可变数目串联重复序列(variablenumberoftandemrepeats，VNTR，9~80bp)：可用于DNA指纹(DNAfingerprinting)鉴定技术。

◆端粒：人类端粒的重复序列是TTAGGG，涵盖10~15kb，与细胞老化有关。第四十八页，共七十八页，2022年，8月28日

◆

重复单元1~6bp的短串联接重复(shorttandemrepeats，STR)，◆涵盖区域小于150bp◆重复数目亦随个体而异，广泛被用於DNA指纹Ⅲ.微卫星DNA(microsatelliteDNA)。(3)散布重复序列

◆

可看成是一种转座子，借DNA重组机制转移

◆每个重复单位的序列并非完全相同第四十九页，共七十八页，2022年，8月28日◆参与复制水平的调节◆参与基因表达的调控◆参与转座作用◆与进化有关◆用于DNA指纹，区分个体◆可能与同源染色体的联会配对有关(4)高度重复顺序的功能第五十页，共七十八页，2022年，8月28日2.中度重复顺序

(1)特点◆

重复数十至数万次(<105)◆复性速度中等◆少数在基因组中成串排列，大多数与单拷贝基因间隔排列(2)分类①短分散片段(SINES)◆平均长度约300bp(<500bp)◆拷贝数可达10万左右，如Alu家族，Hinf家族第五十一页，共七十八页，2022年，8月28日②长分散片段(LINES)◆平均长度3500~5000bp◆拷贝数一般在1万左右，如KpnⅠ家族等◆中度重复顺序在不同种属基因组中所占比例差异很大，一般约10~40％◆中度重复序列可用于编码蛋白质或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。◆中度重复顺序一般具有种属特异性第五十二页，共七十八页，2022年，8月28日◆

重复一次或数次

◆复性速度很慢

◆在基因组中占50-80％

◆编码各种不同功能的蛋白质

◆两侧往往为散在分布的重复顺序3.单拷贝顺序(低度重复顺序)第五十三页，共七十八页，2022年，8月28日4.多基因家族与假基因

◆指由某一祖先基因经过重复和变异所产生的一组基因。◆多基因家族大致可分为两类：①基因家族成员成簇地分布在某一条染色体上如组蛋白基因家族②基因家族的不同成员成簇地分布不同染色体上，如珠蛋白基因家族(1)多基因家族(multigenefamily)第五十四页，共七十八页，2022年，8月28日组蛋白基因家族第五十五页，共七十八页，2022年，8月28日(2)假基因(pseudogene)◆

指在多基因家族中，不能产生有功能的基因产物的一些基因◆无正常内含子◆两侧有顺向重复序列5.自私DNA(selfishDNA)◆非编码序列，如高度重复序列、内含子等◆大部分没有功用◆可被复制分配第五十六页，共七十八页，2022年，8月28日三、限制性片段长度多态性◆用限制性内切酶消化基因组DNA时，在同种生物不同个体中会出现不同长度的限制性片段类型，即限制性片段长度多态性(RFLP)◆RFLP分为两类：①点多态性；②由于DNA分子内部发生较大的顺序变化所产生的多态性。RFLP示意图等位基因A等位基因BA/AA/BB/B10kb6kb4kb6kb4kb片段长度电泳方向凝胶电泳10kb结核分支杆菌基因组DNA的RFLP第五十七页，共七十八页，2022年，8月28日1.点多态性(pointpolymorphism)◆是由于限制性内切酶位点上发生单个碱基突变而使这一限制性位点发生丢失或获得。1.2kb0.2kb1.4kbMstⅡMstⅡMstⅡMstⅡMstⅡMstⅡ：CCTNAGG正常人与镰刀型贫血病人β珠蛋白的比较第五十八页，共七十八页，2022年，8月28日2.高变区DNA与DNA指纹(1)DNA分子内部发生较大的顺序变化产生原因：①顺序改变，如缺失、重复、插入等②“高变区”序列导致(2)高变区(highlyvariableregion)

◆由多个串联重复顺序组成◆特征是限制酶识别位点的碱基序列没有改变，改变的只是它在基因组中的相对位置第五十九页，共七十八页，2022年，8月28日(2)DNA指纹(DNAfingerprinting)◆

指用限制酶消化个体基因组DNA，经特异性探针杂交后显示的有个体特异性的DNA图谱。◆DNA指纹的应用：遗传病诊断、产前诊断、亲子鉴定以及法医学上对罪犯的确认。◆DNA指纹技术探针：常用重复序列中的重复单位。目前有两种探针：

AGAGGTGGGCAGGTGGAGGGCTGGAGG第六十页，共七十八页，2022年，8月28日123*4567人类DNA指纹图谱第六十一页，共七十八页，2022年，8月28日四、单核苷酸多态性(SNP)与个体差异SNP：指基因组中特定位点上单核苷酸的差异，是遗传信息差异的一种基本方式。SNP是人类可遗传的变异中最常见的一种，在人类基因组中广泛存在，平均每500～1000个碱基对中就有1个，总数可达300万个甚至更多。基因组SNP研究可以揭示了种群及个体之间的差异.第六十二页，共七十八页，2022年，8月28日SNP研究的意义：

(1)进行疾病的遗传连锁分析(linkageanalysis)及关联分析(associationanalysis)，用于疾病易感基因定位;(2)在药物基因组学(pharmacogenomics)研究中，可通过检测SNPs的遗传多态性标记揭示人群中不同个体对不同药物的敏感性差异的根本原因。如多药耐药蛋白(MDR)、P-糖蛋白(P-gp)、有机阴离子转运体(OAT)等。第六十三页，共七十八页，2022年，8月28日第五节人类基因组计划Section5HumanGenomeProject第六十四页，共七十八页，2022年，8月28日2000年6月26日，美国、英国、法国、德国、日本和中国六国科学家同时向世界宣布人类基因组工作草图基本完成，绘制出人体97%的基因组，基中85%的基因组序列得到了精确测定，包含了人体约30亿个碱基对的正确排序。第六十五页，共七十八页，2022年，8月28日一、人类基因组计划的由来与进展◆提出：由美国生物学家，诺贝尔奖获得者杜尔贝科(R.Dulbecco)于1986年在美国《科学》杂志上发表的一篇文章中提出。◆主要目标：测出人类基因组DNA长达3×109碱基对的序列，发现所有人类基因并阐明其在染色体上的位置，从而在整体上破译人类遗传信息。◆HGP还包括对一系列模式生物体基因组的全序列测定，如大肠杆菌、酵母、拟南芥、线虫、果蝇和小鼠等。第六十六页，共七十八页，2022年，8月28日◆美国政府于1990年10月正式启动了这项将耗资30亿美元、为期15年的计划，预期在2005年完成人类基因组全部序列的测定。◆英国、日本、法国、德国的科学家先后加盟，遂扩展成国际性合作计划，并于1996年举行了国际合作的人类基因组大规模测序战略会议。◆1997年美国国立卫生研究院成立国家人类基因组研究所(NHGRI)。第六十七页，共七十八页，2022年，8月28日◆1999年7月，中国科学院遗传研究所人类基因组中心在国际人类基因组组织注册成功，负责测定全部序列的1%。◆1999年12月国际基因组首次完成人体染色体基因完整序列的测定。◆2000年4月美国塞莱拉(Celera)基因研究公司宣布，该公司已破译出一名实验者的完整遗传密码。◆2000年6月人类基因组工作草图基本完成。第六十八页，共七十八页，2022年，8月28日二、我国人类基因组研究工作的历程与进展◆

2000年4月提前完成人第3号染色体短臂上3000万个碱基对的工作草图。◆我国人类基因组研究相关工作：建立了多民族人群的DNA样品库

疾病基因的研究

模式生物体基因组的全序列测定第六十九页，共七十八页，2022年，8月28日三、后基因组时代的展望◆

后基因组时代，亦称功能基因组学时代◆

后基因组时代目标：揭示基因组的功能及调控机制◆核心科学问题包括：基因组的多样性基因组的表达调控与蛋白产物的功能模式生物基因组研究等第七十页，共七十八页，2022年，8月28日四、单核苷酸多态性(SNP)与个体差异SNP：指基因组中特定位点上单核苷酸的差异，是遗传信息差异的一种基本方式。SNP是人类可遗传的变异中最常见的一种，在人类基因组中广泛存在，平均每500～