基因组结构与功能

Chapter3

基因组的结构与功能StructureandFunctionofGenome分子生物学多媒体课件张晓君上海交通大学生命学院GenomesThetermgenomereferstothecompletecomplementofDNAforagivenspecieseverycell(exceptsexcellsandmatureredbloodcells)containsthecompletegenomeofanorganismFormoreinformationsee:WhatisGenome?（）Theminimumgenenumberrequiredforanytypeoforganismincreaseswithitscomplexity.VirtualText/MolecularBiology.2004.C值矛盾？基因组的结构与功能——引言

千碱基对/

染色体长度

(cm）染色体数

形状病毒SV405.20.000171环状噬菌体φX174540.00181线状单链噬菌体λ460.00151线状细菌大肠杆菌40000.131环状酿酒酵母120000.4117

果蝇18000064

人350000012023

不同生物体中DNA的大小Genesoccupy25%ofthehumangenome,butprotein-codingsequencesareonlyatinypartofthisfraction.基因组的结构与功能HumanGenome基因组的结构与功能

——病毒基因组的结构和功能病毒基因组的结构特点

1.病毒基因组大小：几kb到几十kb2.病毒基因组组成：DNA或RNA3.多数RNA病毒的连续性基因组的结构与功能

——病毒基因组的结构和功能病毒基因组的结构特点

4.基因重叠（Overlappinggene）：一个基因完全在另一个基因里面。部分重叠。如基因Ｋ和基因Ａ及Ｃ的一部分基因重叠。两个基因只有一个碱基重叠。5.病毒基因组的大部分是用来编码蛋白质的基因组的结构与功能

——病毒基因组的结构和功能病毒基因组的结构特点

6.病毒基因组的转录单元。7.除了反转录病毒以外，病毒基因组都是单倍体（haploid），反转录病毒基因组有两个拷贝。8.噬菌体的基因是连续的；而真核细胞病毒的基因是不连续的，具有内含子（intron）乳头瘤病毒（papillomavirus，BPV）DNA病毒，属于乳多空泡病毒（papovavirus）科。BPVDNA全长7945bp，为闭环超螺旋结构所有的开放读框（ORF）都存在于一条DNA链上，基因之间有相互重叠。整个BPV基因组分为编码区和非编码区（NCR）牛乳头瘤病毒基因组结构和功能基因组的结构与功能——病毒基因组的结构和功能

编码区又按其编码蛋白质的功能不同，分为早期转录功能区（E区）和晚期转录功能区（L区）早期转录功能区（或称早期基因区，E区）BPV的E区含有八个开放读框（ORF），分别为E6、E7、E8、E1、E2、E3、E4、E5，晚期转录功能区（晚期基因区、L区）：L区ORFs有两个，即L1和L2ORF，编码乳头瘤病毒的外壳蛋白，其中L1蛋白是主要外壳蛋白，L2蛋白是次要外壳蛋白牛乳头瘤病毒基因组结构和功能基因组的结构与功能——病毒基因组的结构和功能

非编码区（NCR）非编码区又称上游调控区（URR）或长控制区（LCR），位于晚期基因L1终止密码子与早期基因E6第一个起始密码子之间，长度在不同的乳头瘤病毒中不一样，在BPV中长约1.0kb牛乳头瘤病毒基因组结构和功能基因组的结构与功能——病毒基因组的结构和功能

RNA噬菌体的基因组结构和功能

基因组的结构与功能——病毒基因组的结构和功能

乙肝病毒基因组的结构特点和功能

环状的部分双螺旋结构,长约3.2kb,两条链不等长,长链为负链，短链为正链.HBV基因组中已确定的开放读框有4个,分别编码病毒的核壳（C）和包膜（S）蛋白，病毒复制酶（聚合酶)及一种似乎与病毒基因表达有关的蛋白质XS基因完全重叠于聚合酶基因中，X基因与聚合酶基因、C基因重叠，C基因与聚合酶也有重叠调节序列位于基因内部DNA复制过程也非常特别基因组的结构与功能

——病毒基因组的结构和功能

基因组的结构与功能

——细菌基因组的结构和功能细菌的染色体基因组通常仅由一条环状双链DNA分子组成，称为类核（nucleoid）具有操纵子结构(operon)结构基因在细菌染色体基因组中都是单拷贝,编码rRNA的基因rrn往往是多拷贝非编码区少基因组的结构与功能

——细菌基因组的结构和功能具有编码同工酶的同基因（isogene）无基因重叠现象DNA分子中具有各种功能的识别区域(OriC,TerC…)基因或操纵子的终末往往具有特殊的终止顺序基因组的结构与功能

——细菌基因组的结构和功能细菌的水平基因转移（HGT，Horizentalgenetransfer）比较基因组学基因组的结构与功能

——细菌基因组的结构和功能大肠杆菌染色体基因组somenumbersinE.coligenome:Thereare4085predictedgenesinEscherichiacolistrainK-12isolateW3110.

Thereare4289predictedgenesinEscherichiacolistrainK-12isolateMG1665.

Thereare5283predictedgenesinEscherichiacolistrainO157:H7isolateEDL933(enterohemorrhagicpathogen).

Thereareabout5361predictedgenesinEscherichiacolistrainO157:H7substrainRIMD0509952(enterohemorrhagicpathogen).Roughly2600geneshavebeenfoundtobeexpressedinEscherichiacolistrainK-12cells,understandardlaboratorygrowthconditions.About2100spotscanbeseenon2-Dproteingels.Veryroughly1000differentgenes(onlyabout600mRNAtranscripts)areexpressedat"detectablelevels"inE.colicellsgrowninLBmedia.

Onlyabout350proteinsexistatconcentrationsof>100copiespercell.(Thesemakeup90%ofthetotalproteininE.coli!)

Most(>90%)oftheproteinsarepresentinverylowamounts(lessthan100copiespercell).

somenumbersinE.coligenome:基因组的结构与功能

——线粒体DNA的结构和功能线粒体DNA（mtDNA）的性质mtDNA与质粒DNA一样，也是双链的超螺旋环状分子。mtDNA的分子量多在１×106~200×106。mtDNA的复制属于半保留复制，可以是θ型复制，或滚环复制。另一种比较突出的特点是所谓mtDNA的D环复制，即二条DNA链不同时开始复制，而是一条在前，一条在后，因而在复制进行中生成D环。Mitochondrialgenomeshavegenescodingfor(mostlycomplexI-IV)proteins,rRNAs,andtRNAs.基因组的结构与功能

——线粒体DNA的结构和功能基因组的结构与功能

——线粒体DNA的结构和功能线粒体基因组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（b,c复制物）基因一些抗药性基因基因组的结构与功能

——线粒体DNA的结构和功能线粒体的密码系统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mttRNA在结构上与细胞质tRNA也有区别基因组的结构与功能

——线粒体DNA的结构和功能线粒体DNA的双重遗传控制线粒体除具有DNA外，还有自己的蛋白质合成系统参与呼吸链的一些酶成份是受双重遗传控制的线粒形成的内共生学说（endosymbio-nttheory)由Margulis提出基因组的结构与功能

——线粒体DNA的结构和功能Mitochondriaoriginatedbyaendosymbioticeventwhenabacteriumwascapturedbyaeukaryoticcell.基因组的结构与功能

——线粒体DNA的结构和功能基因组的结构与功能——真核细胞核染色体的结构基因组的结构与功能——真核细胞核染色体的结构基因组的结构与功能——真核细胞核染色体的结构基因组的结构与功能——真核细胞核染色体的结构HumanChromosomes.Achromosome.染色体中的五种蛋白组蛋白类别碱性氨基酸％Lys

Arg酸性氨基酸％碱/酸氨基酸残基数分子量（Dalton)H1极富Lys29155.421523,000H2A

119151.412913,960H2B稍富Lys166131.712513,774H3

1013131.813515,342H4富Arg1114102.510211,282基因组的结构与功能——真核细胞核染色体的结构基因组的结构与功能——真核细胞核染色体的结构真核生物基因组一、特点1、.体细胞:两套基因组性细胞:一套基因组2、基因组结构复杂,数目庞大,多个复制起始点3、mRNA为单顺反子.4、含大量重复序列.5、非编码序列占90%以上.6、基因间有间隔区(spacerDNA),基因为断裂基因(splitgene)即内含子,外显子.7、功能相关的基因串联在一起形成基因家族8、存在可移动成分.

类似细菌的:如玉米中发现的.

类似逆转录病毒的:转位机制需RNA介导

基因家族（genefamily）或多基因家族指结构相似，功能相关的一组基因,由同一祖先进化而来。假基因:进化中死亡的基因(无功能),用表示

如:组蛋白基因家族:5个成员:H1,H2A,H2B,H3,H4

5个基因串联排列形成一个重复单位,但不同生物中排列不同海胆:H1-H4-H2B-H3-H2A

果蝇:H2B-H2A-H4-H3-H1

水螈:H1-H3-H2B-H2A-H4基因超家族或超基因家族（genesuperfamily）在结构上有不同程度的同源性，但功能不一定相同。如：免疫球蛋白基因超家族丝氨酸蛋白酶基因家族

+载脂蛋白超家族SoftwareTeelingH,JWaldmann,TLombardot,MBauerandFOGlöckner.TETRA:aweb-serviceandastand-aloneprogramfortheanalysisandcomparisonoftetranucleotideusagepatternsinDNASequences.BMCBioinformatics2004,5:163/CMRHomePage.splComprehensiveMicrobialResourceCompletedmicrobialgenomesHOWDYIntegratedhumangenomicinformationAndreasD.Ba