基因与基因组

基因与基因组第1页/共82页主要内容

基因基因组

基因组学第2页/共82页第一节基因

Gene第3页/共82页中心法则遗传信息传递的规律(复制、转录、翻译).复制

转录翻译

DNARNA蛋白质

mRNAtRNA

反转录

rRNA

转录、翻译

RNA（病毒）蛋白质（病毒）

复制（TheCentralDogma）第4页/共82页Reversetranscription第5页/共82页一、基因的概念及分类（一）基因的概念基因（gene）是核酸分子中储存遗传信息的基本单位，是核酸分子中由特定的核苷酸按一定的碱基顺序排列而成的具有一定功能的片段，是RNA序列和蛋白质多肽链顺序相关遗传信息的基本存在形式，以及表达这些信息所需要的全部核苷酸序列。基因的化学本质是DNA（RNA病毒除外）。第6页/共82页一、基因的概念及分类

（二）基因的分类按定位分类（位置）：核基因：染色体上核外基因：胞质基因（线粒体基因、叶绿体基因）按功能和性质分类（终产物）：编码蛋白质的基因：结构基因+调节基因编码RNA的基因：rRNA基因、tRNA基因、核酶基因*启动子、增强子：对基因表达起调控作用，是不转录的DNA区段第7页/共82页二、基因的结构与功能（一）基因的结构操纵子（原核生物）：功能相关的结构基因成簇排列，几个结构基因共用一个mRNA分子，然后翻译成几种蛋白质，操作元件/序列与这几个结构基因相邻并控制mRNA分子的转录ZYAOPDNA阻遏基因第8页/共82页乳糖操纵子(lacoperon)的结构调控区CAP结合位点启动序列操纵序列结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶CAP:分解（代谢）物基因激活蛋白IZYAOPDNA阻遏基因第9页/共82页

二、基因的结构与功能

断裂基因（真核生物）：结构基因由编码序列和非编码序列两部分组成，编码序列在DNA中是不连续的，被非编码序列隔开第10页/共82页真核基因结构不连续，为断裂基因（splitgene）。真核基因结构外显子（exon）；在基因序列中，出现在成熟mRNA分子上的序列。内含子（intron）：外显子之间、与mRNA剪接过程中被删除部分相对应的间隔序列。第11页/共82页全长7.7kb包含8个外显子和7个内含子每个基因的内含子数目比外显子数目少一个，内含子和外显子同时出现在最初合成的mRNA前体中，在合成后被剪接1.2Kb7.7Kb第12页/共82页断裂基因的发现1993年诺贝尔生理学/医学奖Richard

J.

Roberts（英）

Phillip

A.

Sharp（美）

电镜观察腺病毒hexon基因的mRNA和其DAN分子杂交，发现mRNA对应DNA的3个被隔开的区域。第13页/共82页真核生物绝大部分编码蛋白质的基因都有内含子。编码rRNA和一些tRNA的基因也都有内含子。组蛋白编码基因例外。内含子的数量和大小决定了真核基因的大小。不同种属中，外显子序列通常比较保守，而内含子序列则变异较大。外显子与内含子接头处有一段高度保守的序列，这一共有序列是真核基因中RNA剪接的识别信号。（内含子5GT----AG3

端）第14页/共82页基因的5端称之为上游，3端称为下游基因序列中开始RNA链合成的第一个核苷酸所对应的碱基记为+1，此碱基上游的序列记为负数，下游的序列记为正数。第15页/共82页

2、调控序列：

位于结构基因两侧

不被转录

调控结构基因表达第16页/共82页位于基因转录区前后，对基因表达起调控作用的区域，因其是紧邻的DNA序列，又称旁侧序列。基因的调控区（顺式作用元件）第17页/共82页转录起始点TATA盒CAAT盒GC盒增强子AATAAA剪接加尾转录终止点修饰点外显子翻译起始点内含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚体+1结构基因启动子上游启动子元件第18页/共82页定义：影响自身基因表达活性的非编码DNA序列。例：启动子、增强子、沉默子等这些顺式作用元件往往是反式作用因子如RNA聚合酶、特异转录因子等的结合位点。顺式作用元件(cis-actingelement)BADNA编码序列转录起始点

第19页/共82页启动子真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件。TATA盒GC盒CAAT盒TATA盒，－25附近GC盒与CCAAT盒，－30—－110附近第20页/共82页真核生物有3类启动子，分别对应于细胞内存在的三种不同的RNA聚合酶和相关蛋白质。rInr：核糖体起始因子UPE：上游启动子元件Inr：起始元件编码5srRNA,tRNA,U6snRNA等RNA分子编码（mRNA）蛋白质基因和一些小RNA编码rRNA基因第21页/共82页I类启动子富含GC碱基对：具有I类启动子的基因主要编码rRNA的基因。II类启动子具有TATA盒结构：主要编码（mRNA）蛋白质基因和一些小RNA。TATA盒的核心序列：TATA（A/T）A（A/T），决定RNA合成的起始位点。III类启动子包括A盒B盒和C盒：编码5srRNA,tRNA,U6snRNA等RNA分子第22页/共82页增强子(enhancer)指一段与转录有关的短DNA序列，可特异地与转录因子结合增加转录结构基因的RNA聚合酶分子数量，增强转录，作用的方式通常与方向、距离无关。SV40的转录单元上发现，转录起始位点上游约200bp处有两段长72bp的正向重复序列。第23页/共82页增强子是能够提高转录效率的顺式调控元件增强子的功能及其作用特征如下：与被调控基因位于同一条DNA链上，属于顺式作用元件。是组织特异性转录因子的结合部位不仅能够在基因的上游或下游起作用，而且还可以远距离实施调节作用作用与序列的方向性无关需要有启动子才能发挥作用第24页/共82页增强子作用机理：第25页/共82页沉默子(silencer)某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。第26页/共82页终止子（terminater）结构基因下游近3’端的一段DNA序列，由AATAAA和一段回文序列组成，在转录中提供终止信号，使转录作用终止。第27页/共82页增强子(enhancer)指远离转录起始点(1－30kb)、决定基因的时间、空间特异性、增强启动子转录活性的DNA序列。其发挥作用的方式通常与方向、距离无关。沉默子(silencer)某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。终止子（terminater）终止转录的一段DNA序列

启动子(promoter)真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件。小结：启动子、增强子、沉默子、终止子的定义第28页/共82页（二）基因功能概述1、遗传信息存储2、基因的复制3、基因的表达第29页/共82页利用碱基的不同排列荷载遗传信息。通过复制将遗传信息稳定、忠实地遗传给子代细胞，在这一过程中为适应环境变化，可能会发生基因突变。作为基因表达（geneexpression）的模板，使其所携带的遗传信息通过各种RNA和蛋白质在细胞内有序合成而表现出来。

基因的功能第30页/共82页（三）基因突变与疾病1、单基因病2、线粒体遗传病3、多基因病4、基因诊断与基因治疗第31页/共82页第二节基因组

Genome第32页/共82页基因组(genome)细胞或生物体中，一套完整单倍体遗传物质的总和。第33页/共82页病毒基因组的特点基因组小DNA/RNARNA病毒基因组为数条RNA组成重叠基因形成多顺反子噬菌体基因是连续的，真核细胞的病毒基因是不连续的第34页/共82页一、原核生物基因组基因组通常仅有一条环状双链DNA分子结构基因与调控序列以操纵子形式组织在一起重复序列少基因是连续的编码序列一般不重叠编码序列所占比例远大于真核基因组而小于病毒基因组存在可移动的DNA序列：插入序列和转座子第35页/共82页二、真核生物基因组都是双链线状且不止一条断裂基因，受一系列顺式作用原件调控结构基因产物为单顺反子飞编码序列远多于编码区大量重复序列和基因家族末端有端粒细胞器基因组结构特点：第36页/共82页真核基因组中存在大量重复序列高度重复序列（highlyrepetitivesequence）中度重复序列（moderatelyrepetitivesequence）单拷贝序列（singlecopysequence）或低度重复序列第37页/共82页（一）高度重复序列主要存在于染色体的着丝粒区域，重复单位一般由2～10bp组成，成串排列，在人基因组中约占5%～6%。重复频率可达106以上，不编码蛋白质或RNA。反向重复序列（invertedrepeatsequence）卫星DNA（satelliteDNA）两个相同顺序的互补拷贝在同一DNA链上反向排列而成，重复单位长度约300bp，多数散在于基因组中，总长度约占人基因组的5％。分类：第38页/共82页参与复制水平的调节

存在于DNA复制起点区的附近，是一些蛋白质（包括酶）的结合位点。参与基因表达的调控

可以转录到核内不均一RNA分子中，有些反向重复序列可以形成发夹结构，有助于稳定RNA分子。参与染色体配对

如卫星DNA成簇样分布在染色体着丝粒附近，可能与染色体减数分裂时染色体配对有关。功能：第39页/共82页（二）中度重复序列重复数十至数千次,大多数与单拷贝基因间隔排列。短分散重复片段长分散重复片段平均长度约300bp～500bp，与长度约为1000bp的单拷贝序列间隔排列。拷贝数可达数十万。如Alu家族、KpnI家族、Hinf家族。平均长度为3500bp～5000bp，与长度约为13000bp的单拷贝序列间隔排列。第40页/共82页重复达30~50万次，每个成员的长度约300bp。每个单位长度中一个限制性内切酶Alu的切点（AG↓CT），将其切成长130bp和170bp的两段。Alu家族仅次于Alu家族的第二大家族，重复序列中含有限制性内切酶KpnⅠ的位点呈散在分布，拷贝数约为3000～4800个KpnI家族以319bp长度的串联重复存在于人基因组中重复序列中含有限制性内切酶HinfI的位点。Hinf家族第41页/共82页rRNA基因重复序列属于中度重复序列各重复单位中的rRNA基因都是相同的。rRNA基因集中成簇存在，这样的区域称为rDNA区。人类的rRNA基因位于13、14、15、21和22号染色体的核仁组织区，每个核仁组织区平均含有50个rRNA基因的重复单位。5SrRNA基因似乎全部位于1号染色体，每个单倍体基因组约有1000个5SrRNA基因。第42页/共82页在单倍体基因组中只出现一次或数次，大多数为蛋白质编码的基因，体现生物的各种功能，因此对这些序列的研究对医学实践有特别重要的意义。（三）单拷贝序列（低度重复序列）第43页/共82页真核基因组中存在大量的多基因家族与假基因多基因家族是指由某一祖先基因经过重复和变异所产生的一组在结构上相似、功能相关的基因。基因家族成簇地分布在某一条染色体上，同时发挥作用，合成某些蛋白质。如组蛋白基因家族。基因家族的不同成员成簇地分布于不同染色体上，编码一组功能上紧密相关的蛋白质。如球蛋白基因家族。第44页/共82页DNA序列相似，但功能不一定相关的若干个单拷贝基因或若干组基因家族总称。超家族基因（superfamilygene）基因组中存在的一段与正常基因非常相似但不能表达的DNA序列。以来表示。假基因（psuedogene）第45页/共82页线粒体DNA结构有别于染色体DNA线粒体DNA（mitochondrialDNA，mtDNA）是核外遗传物质，能独立编码线粒体中的一些蛋白质。mtDNA的结构为环状分子，与原核生物的DNA类似，结构特点也与原核生物相似。第46页/共82页人的线粒体基因组线粒体基因组编码37个基因，包括13个编码呼吸链多酶体系的一些多肽的基因、22个编码mt-tRNA的基因、2个编码mt-rRNA（16S和12S）的基因。第47页/共82页物种基因组大小(Mb)基因数染色体数*支原体M.genitalium0.58470无流感嗜血杆菌H.influrnzae1.831743无枯草芽孢桿菌B.subtilis4.204100无大肠杆菌E.coli4.604288无酿酒酵母S.cerevisiae13.50603416裂殖酵母S.pombe12.50492916燕麦O.sativa4663000021果蝇D.melanogaster165136014秀丽隐杆线虫

C.elegans97184246小鼠mouse27003000020人H.sapiens30002500023不同生物体基因组的比较五、人基因组中有两万多个基因第48页/共82页第三节基因组学

Genomics第49页/共82页基因组学(genomics)是阐明整个基因组的结构、结构与功能关系以及基因之间相互作用的科学。对所有基因进行基因作图、核苷酸序列分析、基因定位、研究基因结构与功能的关系以及基因间相互作用的一门科学，简言之，就是研究基因组结构和功能的科学。第50页/共82页基因组学分类：结构基因组学(structuralgenomics)功能基因组学(functionalgenomics)比较基因组学(comparativegenomics)药物基因组学（pharmacogenomics）疾病基因组学（morbidgemomics）

第51页/共82页基因组学研究的内容包括基因的结构、组成、存在方式、表达调控模式、基因的功能及相互作用等，是解码生命的所有信息的一门新的前沿科学。基因组学已经对生物学、遗传学、医药学乃至整个人类社会产生了深远影响。第52页/共82页结构基因组学(structuralgenomics)是通过HGP的实施来完成的。HGP的内容就是制作高分辨率的人类遗传图和物理图，最终完成人类和其它重要模式生物全部基因组DNA序列测定，因此HGP属于结构基因组学范畴。结构基因组学第53页/共82页⑴遗传图谱(geneticmap)⑵物理图谱(physicalmap)⑶序列图谱(sequencemap)⑷转录图谱(transcriptionmap)HGP包括以下研究内容：第54页/共82页人类基因组计划要完成的四张图谱第55页/共82页遗传图谱(geneticmap)利用人类基因组中的一些特殊位点作为遗传标记而进行的基因组分区。遗传标记

—基因组中具有遗传多态性的位点。第56页/共82页物理图谱(physicalmap)是通过测定遗传标志的排列顺序与位置而绘制成的基因图谱。作图位标

—各种已知序列的DNA片段，这种标记称为序列标签位点(sequencetaggedsite，STS)。物理图谱与遗传图谱可以进行转换。第57页/共82页序列图谱(sequencemap)绘制方法

—在遗传图谱和物理图谱基础上，精细分析各克隆的物理图谱，将其切割成易于操作的小片段，构建YAC或BAC文库，得到DNA测序模板，测序得到各片段的碱基序列，再根据重叠的核苷酸顺序将已测定序列依次排列，获得人类全基因组的序列图谱。即人类基因组核苷酸序列图，是人类基因组在分子水平上最高层次、最详尽的物理图。第58页/共82页注释酵母人工染色体(yeastartificialchromosome，YAC)细菌人工染色体(bacterialartificialchromosome，BAC)第59页/共82页转录图谱(transcriptionmap)即基因图谱，是编码蛋白质的序列在基因组中的位置。又称cDNA图谱或表达图谱(expressionmap)。是一种以表达序列标签(expressedsequencetags,EST)为位标绘制的分子遗传图谱。可提供人类基因或基因家族的准确数目、每一基因的序列和在基因组中的位置，并且提供基因表达的时间和空间关系。第60页/共82页⑴鉴定人类的全部基因，推动生物技术的进一步发展;⑵将把人类带入基因医学的新时代；基因组与疾病易感性的研究；基因组与癌症研究；疾病的遗传学背景等。⑶推动了模式生物基因组的研究；⑷促进了学科交叉与重组；医学基因组学、药物基因组学等。HGP在医学中的意义：第61页/共82页功能基因组学(functionalgenomics)是利用基因组学提供的信息和产物，发展和应用新的实验手段，在基因组或系统水平上全面地分析基因组中所有基因功能的学科。（一）功能基因组学第62页/共82页它以揭示基因组功能及调控机制为目标，探讨的是单一细胞在其生命的一定时刻、一定条件下所表达的基因的种类和数量；或比较不同细胞之间、或同一细胞在不同的条件下基因表达的差异。第63页/共82页这一研究将促进对细胞的分化及其功能的理解，同时将了解不同生理病理条件下的基因表达状态，从而深入认识基因在发育、分化和病理等状态下的功能变化，认识其表达调控方式及调控机制。第64页/共82页⑴识别和鉴定人类基因组⑵分析基因功能⑶研究基因表达谱⑷研究基因组多样性⑸疾病相关基因的再测序⑹寻找人类基因的共同变异型功能基因组学的研究内容：第65页/共82页识别和鉴定基因序列是提取、鉴定人类基因组必不可少的基础工作。基因的识别和鉴定需采用计算机生物学、生物信息学和分子生物学实验手段相结合的方法。同时，还需要利用收集的现有数据，不断扩大数据库，并研制、建立更多样化的数据库和分析软件。识别和鉴定人类基因组第66页/共82页主要的研究策略是利用计算机进行同源搜索，根据已知序列、进化相关性，发现重要的蛋白质功能域；也可对基因系列进行突变或剔除后，结合功能、表型变化的实验鉴定基因的功能。分析基因功能第67页/共82页

基因表达谱包括转录组谱和蛋白质表达谱，反映了一定环境、一定细胞类型、一定细胞生长阶段和一定细胞状态下基因功能的信息。制作的基因表达谱应当包括每种组织、每种细胞的基因表达谱，细胞在不同发育阶段的基因表达谱，正常和疾病状态下的基因表达谱，以及治疗状态下的基因表达谱等。研究基因表达谱第68页/共82页⑴基因芯片技术⑵基因表达序列分析⑶差异显示PCR⑷消减杂交法基因表达谱研究方法：第69页/共82页在全基因组测序的基础上，分析不同人群基因组的多样性，解释和说明人类的历史和身份、遗传病产生的起因等。研究基因组多样性第70页/共82页在基因组测序的基础上，对已知疾病基因进行再测序，就可以识别其中的变异型，从而深入探讨疾病相关基因的作用机理。疾病相关基因的再测序第71页/共82页即单核苷酸多态性研究(singlenucleotidepolymorphism,SNP)，可以发现不同个体在某种生物学性状的差异，其中包括疾病的易感性。寻找人类基因的共同变异型第72页/共82页注释

有的人吸烟喝酒却长寿，也有人自幼就病痛缠身；同一种治疗肿瘤的药物对一些人非常有效，对另一些人则完全无效。这是为什么？答案是他们基因组中存在的差异。这种差异很多表现为单个碱