基因组结构专题知识讲座

基因组结构专题知识讲座基因组结构专题知识讲座第1页生物界中基因组结构真核生物核基因组原核生物基因组真核生物细胞器基因组病毒基因组含有相同组织形式基因组结构专题知识讲座第2页染色体是细胞中可被碱性染料着色物质；

由脱氧核糖核酸、蛋白质和少许核糖核酸组成；

是生物主要遗传物质载体。染色体基因组结构专题知识讲座第3页1个人类细胞中所含DNA总长度：

0.34×3.2×109×2×10-9≈1.8m1个人类细胞平均直径：

10~20μm染色体长度远比它们所包含DNA分子短得多基因组结构专题知识讲座第4页染色体包装过程核小体是组成染色体基础单位：8个组蛋白分子组成关键:H2A、H2B、H3、H4DNA在外部缠绕两圈：140-150bp核小体由DNAlinker连接:50-70bp基因组结构专题知识讲座第5页DNA

（2nm）核小体链（10nm，每个核小体200bp）纤丝（30nm，每圈6个核小体）突环（150nm，每个突环大约75000bp）玫瑰花结（300nm，6个突环）螺旋圈（700nm，每圈30个玫瑰花结）染色体（1400nm，2个染色单体，每个染色体单体含10个螺旋圈）基因组结构专题知识讲座第6页人类染色体核型图

每一条染色体可依据其大小及着丝粒相对于两端定位来识别。利用染色技术可产生特定染色体经典带型特征。核型图描述了每条染色体带型，可用来代表一个生物全套染色体。基因组结构专题知识讲座第7页真核生物基因组遗传特征真核生物基因组中基因位于何处？

基因在整个染色体上并不是均匀分布，在一条染色体不一样位置，基因密度改变很大。每100kb基因组序列中基因改变范围：人：0~64个基因拟南芥：1~38个基因拟南芥染色体上基因密度基因组结构专题知识讲座第8页

人类基因组12号染色体上一个50kb片段基因组结构专题知识讲座第9页4个基因。

这4个基因都是不连续，所包含内含子数目从SYB12个到PKP28个不等。88个全基因组范围重复序列。

(genome-widerepeat)

基因组中主要存在4种类型基因组范围重复序列:

长散布核元件(longinterspersednuclearelement,LINE);

短散布核元件(shortinterspersednuclearelement,LINE);

长末端重复元件(longterminalrepeat,LTRelement);DNA转座子(DNAtransposon)7个微卫星（串联重复序列一个）。30%个别由功效未知或不明确非基因、非重复序列或单拷贝DNA组成。人类基因组外显子总长48Mb，占基因组总长1.5%；这段50kb片段中外显子总长4745bp，占长度9.5%，算得上基因比较密集区域。基因组结构专题知识讲座第10页

基因在核基因组中组织形式人类基因组组成形式基因组结构专题知识讲座第11页

不一样真核生物之间，基因组排布有何差异？

不一样真核生物之间基因组大小范围真菌藻类原虫昆虫软体动物鱼类两栖动物爬行动物鸟类哺乳动物开花植物基因组结构专题知识讲座第12页真核生物基因组大小真菌酿酒酵母沟巢曲霉原虫梨形四膜虫无脊椎动物秀丽隐杆线虫黑腹果蝇桑蚕紫球海胆飞蝗脊椎动物红鳍东方鲀人小鼠植物拟南芥水稻玉米豌豆小麦贝母基因组结构专题知识讲座第13页C值悖论——C值：单倍体基因组中DNA总量；C值悖论：一个有机体C值与它编码能力缺乏相关性称为C值悖论；不一样真核生物基因组大小和基因数目基因组结构专题知识讲座第14页人类、酵母、果蝇和玉米基因组比较基因组结构专题知识讲座第15页相比于人类基因组，酵母基因组特点：酵母基因组中不连续基因数目相对较少。

酵母基因组中只有239个内含子（人类基因组中>3×105个）酵母基因组中全基因组范围重复序列更少。

酵母全基因组范围重复序列只占总序列3.4%（人类基因组中44%）酵母基因组在基因编排方面比人类基因组愈加经济。酵母基因本身愈加紧密，内含子更少基因间空隙相对较短全基因组范围重复序列和其它非编码序列占用空间更少基因组结构专题知识讲座第16页基因组中有多少基因，功效又是什么？当前人染色体测序图谱提醒：3~4万个基因；年，草图完成前几个月推测：8~10万个基因；推测依据：单个基因→单个mRNA→单个蛋白质细胞中存在8~10万种蛋白质，基因数目应与此相同；错误原因：选择性剪切存在造成了单个基因可产生多个蛋白。因为选择性剪切存在，单纯执着于“有多少个基因”这个问题并没有真正生物学意义，因为基因数目并不能代表被合成出蛋白质数量。基因组结构专题知识讲座第17页人类基因目录人类基因组中仅半数基因功效已知或在某种程度上得到确认。基因组结构专题知识讲座第18页酵母、拟南芥、线虫、果蝇和人类基因种类比较基因组结构专题知识讲座第19页人类基因目录与其它物种生物基因目录关系基因组结构专题知识讲座第20页基因家族在基因组DNA测序早期，研究这就认识到多基因家族（multigenefamily）存在；含有相同或相同序列基因家族是许多基因组共同特征；“经典”多基因家族：家族中全部组员序列完全相同或大致相同；（例，人类基因组中编码5SrRNA基因）集合体：家族组员即使序列相同，不过基因产物特征却显著不一样；（例，人类α和β珠蛋白基因簇）基因组结构专题知识讲座第21页假基因和其它进化遗址假基因(pseudogene)：无功效基因拷贝，假基因是一个进化遗址，表明基因组处于连续性改变过程中；主要存在2种假基因：

常规假基因（conventionalpseudogene）:基因核苷酸序列因为突变而发生改变，造成基因失活；

已加工假基因（processedpseudogene）:某个基因mRNA拷贝合成cDNA拷贝再次插入到基因组基因组以后形成；造成失活机制：

常规假基因：进化学上突变造成基因功效丧失；已加工假基因：缺乏开启母体基因表示信号序列；截短基因(truncatedgene)：与完整基因相比或多或少缺失了个别序列。基因组结构专题知识讲座第22页真核生物基因组中重复序列约62%人类基因组由基因间隔区(intergenicregion)组成，是指位于基因与基因之间，不存在已知功效基因组成份(junkDNA?)。大量基因间隔区由某周重复序列组成：

全基因组范围或散布重复(interspersedrepeat)，各个重复序列以随机形式散布于整个基因组；

串联重复DNA(tandemlyrepeatedDNA)，其重复序列以一个接一个方式排列；基因组结构专题知识讲座第23页串联重复DNA见于真核生物染色体着丝粒及其它位置卫星DNA(satellite):由长一系列串联重复组成，可能长达几百kb，一个基因组中可能存在几个不一样类型卫星DNA，有不一样重复单元。重复单元能够小于5bp，也可能大于200bp，例，着丝粒α-DNA重复。小卫星(minisatellite):形成长达20kb聚集区，每个重复单位最多25bp，例，端粒。微卫星(microsatellite):通常小于150bp，其重复单位只有13bp或更少。基因组结构专题知识讲座第24页原核生物基因组和真核生物细胞器基因组原核生物基因组物理特征：经典原核生物中，基因组包含于单一环状DNA分子中，这个分子位于拟核拟核是指位于无着色原核细胞中轻微着色区。基因组结构专题知识讲座第25页原核生物基因组DNA组织排布原核生物基因组也必须压缩到一个相对微小体积（大肠杆菌环状染色体周长1.6mm，细胞只有1.0μm×2.0μm）；大肠杆菌环状基因组特点：超螺旋(supercoiled)，超螺旋由DNA双螺旋再次螺旋（正超螺旋）或去螺旋（负超螺旋）形成；大肠杆菌超螺旋是由促旋酶和拓扑异构酶I产生和调控。基因组结构专题知识讲座第26页大肠杆菌拟核结构模型40~50个DNA超螺旋自关键蛋白质放射排列，每个环大约100kb超螺旋DNA；拟核蛋白质成份包含促旋酶和拓扑异构酶I，以及在包装中起作用最少4种蛋白图中有一个超螺旋呈环形，说明这段DNA有断口存在，造成超螺旋消失；基因组结构专题知识讲座第27页原核生物基因组遗传学特征大肠杆菌基因组中也存在非编码DNA，但只占11%，以小片段形式分布于整个基因组。大肠杆菌K12基因组。编码DNA，但只占11%，外环基因按顺时针方向转录，内环基因按逆时针方向转录。原核生物基因组基础没有浪费空间。基因组结构专题知识讲座第28页大肠杆菌基因组中基因排布基因之间间隔较少；原核生物基因比其对应真核生物基因要短，细菌基因平均长度约是真核基因2/3(即使后者扣除内含子长度)；大肠杆菌中没有不连续基因（即基因无内含子）；重复序列比较少见。大肠杆菌基因组中一段50kb片段基因组结构专题知识讲座第29页操纵子是原核生物基因组特征操纵子(operon)：一组基因参加单一生化路径，而且联合表示。乳糖操纵子：含有3个基因，参加将二糖乳糖转化为单糖——葡萄糖和半乳糖代谢路径。基因组结构专题知识讲座第30页lacY编码乳糖通透酶：负责将乳糖转移至细胞内

lacZ编码β-半乳糖苷酶

lacA编码乙酰基转移酶lacZ与lacY间隔52bplacY与lacA间隔64bp三个基因同时表示将乳糖转化成半乳糖和葡萄糖基因组结构专题知识讲座第31页原核生物基因组中存在多少基因，其功效又是什么？生殖道支原体肺炎链球菌霍乱弧菌结核分枝杆菌大肠杆菌耶尔森鼠疫杆菌铜绿假单孢菌甲烷球菌闪烁古生球菌基因组结构专题知识讲座第32页大多数基因组按照类似于大肠杆菌方式排布，意味着基因数目与基因组大小成百分比，平均每Mb含950个基因；基因数目改变范围大，反应了不一样原核生物物种生存生态小环境自然属性。大肠杆菌K12和生殖道支原体个别基因目录大肠杆菌K12和生殖道支原体个别基因目录基因组结构专题知识讲座第33页不一样生物基因组结构特点（1）基因组小（2）结构简练（3）存在含多顺反子转录单元（4）基因存在重合现象原核生物基因组结构特点基因组结构专题知识讲座第34页真核生物基因组结构特点（1）含有大量重复序列（基因外区域）不重复序列(nonrepetitiveDNA)，中度重复序列(moderatelyrepetitiveDNA)，高度重复序列(highlyrepetitiveDNA）（2）功效DNA序列大多被非功效DNA所隔开（外显子和内含子）。基因组结构专题知识讲座第35页真核生物细胞器基因组细胞器基因组起源内共生学说：线粒体和叶绿体是一些自由生存细菌遗址，这些细菌在进化最早期与真核细胞祖先形成内共生关系。证据：细胞器基因表示过程在很多方面与细菌相同；核酸序列比对发觉，细胞器基因与细菌基因相同性要高于其所在真核生物和基因；有些生物有内共生阶段，但其共生进化程度不及线粒体和叶绿体。基因组结构专题知识讲座第36页细胞器基因组物理特点大多数线粒体和叶绿体基因组是环状；人每个线粒体中含有大约10个相同分子；而酿酒酵母每个线粒体有超出100个基因组拷贝；线粒体基因组大小改变很大，且与生物复杂程度无关；多数多细胞动物线粒体基因组较小，结构紧密，基因间几乎没有间隔；低等真核生物和开花植物线粒体基因组较大且较涣散，大量基因含有内含子；叶绿体基因组大小改变较小，且大多数含有相同结构基因组结构专题知识讲座第37页人类线粒体基因组：人类线粒体基因组小而紧密，极少有浪费空间，主要为编码呼吸复合物基因、编码rRNA和tRNA基因。基因组结构专题知识讲座第38页酵母线粒体基因组中基因之间有较大空间，有基因有内含子。酵母线粒体基因组中基因之间有较大空间，有基因有内含子。基因组结构专题知识讲座第39页恶性疟原虫莱茵衣藻小鼠人高令细指海葵黑腹果蝇皱波角叉菜构巢曲霉菌异养鞭毛虫酿酒酵母牛肝菌羽衣甘蓝拟南芥玉米甜瓜豌豆地钱水稻烟草莱茵衣藻线粒体和叶绿体基因组大小基因组结构专题知识讲座第40页细胞器基因组遗传组成莱茵衣藻酿酒酵母拟南芥恶性疟原虫

人异养鞭毛虫基因组结构专题知识讲座第41页线粒体基因组中基因数目表现出很大可变性；全部线粒体基因组都含有非编码rRNA基因和最少一个别呼吸链组分蛋白基因；基因含量更高线粒体基因组还编码tRNA、核糖体蛋白，参加转录和翻译蛋白质以及将胞质蛋白运输进入线粒体转运蛋白；大多数叶绿体基因组含有约200个基因，编码rRNA、tRNA、核糖体蛋白以及参加光和作用蛋白。基因组结构专题知识讲座第42页病毒基因组和可移动遗传元件病毒是生命形式最简单生物（活生物体？）；与其它生命形式不一样，不存在细胞结构；采取非常极端方式专性寄生；多数病毒利用宿主酶进行基因组复制和转录，全部病毒都利用宿主核糖体和翻译装置来合成子代蛋白质衣壳；病毒必需适应宿主基因系统（决定了病毒特异性）。基因组结构专题知识讲座第43页噬菌体和真核生物病毒基因组噬菌体：感染细菌病毒统称为噬菌体。组成：蛋白质（衣壳）和核酸。结构：蛋白质形成外壳，内部包含核酸基因组。衣壳三种基础结构：二十面体结构，多肽亚基围绕核酸，排列成三维几何结构；丝状或螺旋状结构，其中多肽亚基以螺旋形式排列，形成杆状结构；头-尾结构，包含核酸二十面体头部，附着到丝状尾部以及其它有利于核酸进入宿主细胞附加结构结合体。基因组结构专题知识讲座第44页噬菌体基因组结构和排列各不相同描述噬菌体基因组——核酸（DNA或RNA病毒）；基因组能够是单链，也能够是双链形式；多数噬菌体中，一个DNA或RNA分子就包含了整个基因组；一些RNA噬菌体含有节段基因组(segmentedgenome)，即它们基因由几个不一样RNA分子携带；噬菌体基因组大小差异很大；基因组结构专题知识讲座第45页相对较小噬菌体，基因组包含基因也较少，基因能够以非常复杂方式进行组织，如重合基因(overlappinggene)基因B完全包含于基因A基因E末端和基因D起始重合转录物能够从不一样起始位置、不一样读码框进行翻译基因组结构专题知识讲座第46页噬菌体依据生命周期分为两类：裂解性和溶源性；基础去区分：裂解性噬菌体在首次感染后很快就杀死宿主细胞；溶源性噬菌体能够在宿主中静止停留一段很长时间，甚至经理宿主细胞屡次传代；经典代表：裂解性（或称烈性噬菌体）T4

溶源性（或称温和噬菌体）λ噬菌体基因组复制策略基因组结构专题知识讲座第47页噬菌体T4裂解性感染周期噬菌体λ溶源性感染周期基因组结构专题知识讲座第48页真核生物病毒基因组真核生物病毒衣壳为二十面体或丝状；显著特征（尤其是动物病毒）：衣壳可能被脂质膜包围，形成额外病毒结组成份。这种膜结构是新病毒颗粒离开宿主细胞时，从宿主细胞处取得。基因组结构专题知识讲座第49页真核生物病毒基因组结构和复制策略真核生物病毒基因组结构有很大不一样：可能是DNA或RNA，单链或双链，线性或环状，分段或不分段；绝大多数植物病毒都是RN