基因组的结构演示文稿

基因组的结构演示文稿目前一页\总数七十一页\编于十七点基因组的结构目前二页\总数七十一页\编于十七点Textbook《基因组3》袁建刚彭小忠强伯勤译

科学出版社98元(当当网73.5）

Englishversion中译本目前三页\总数七十一页\编于十七点第一章

基因组的基本结构目前四页\总数七十一页\编于十七点第一节基因与基因组一.基因与基因家族1.基因基因是一个表达水平的结构单位，是一段有表达产物的DNA序列。它是一个受多重调控有序行使功能的单位，也是一个在选择压力下不断变化的动态结构单位。目前五页\总数七十一页\编于十七点（1）RNA基因（2）蛋白质基因（3）基因家族（4）异常基因和假基因2.真核基因的类型目前六页\总数七十一页\编于十七点

（1）RNA基因rRNA基因：编码核糖体中的RNA组分。tRNA基因：编码tRNA，转运氨基酸至核糖体的A位。非编码基因scRNA基因：位于真核细胞质中的一类小分子RNA。snRNA基因：位于细胞核内的小分子RNA.snoRNA基因：位于核仁区的小分子RNA，用于修饰rRNA.miRNA基因:微小RNA(是由约22个核苷酸组成的非编码的单链RNAs)，参与基因表达的调控。目前七页\总数七十一页\编于十七点（2）蛋白质基因编码蛋白质产物，由RNA多聚酶II转录。真核生物编码序列被或长或短的非编码序列隔开，因而称为断裂基因。启动、调控区EIEIE5’非编码区3’非编码区E=exon(外显子）；I=intron（内含子）编码基因目前八页\总数七十一页\编于十七点

重叠基因异常基因基因套基因反义基因（3）异常基因DNA单链重叠基因基因套基因反义基因表达基因基因目前九页\总数七十一页\编于十七点（3）假基因可分为三类：第一类：由重复产生的假基因是指来源于功能基因而已经失去活性的DNA序列。其位置与起源的基因拷贝临近排列，保留着祖先基因的组成特点。目前十页\总数七十一页\编于十七点第三类：残缺基因它们缺失了部分基因片段，常常位于基因家族内部，由不等交换及重排产生。第二类：加工的假基因是通过RNA反转录为cDNA后再整合到基因组中（逆转座）。它不含原来基因的内含子以及两侧序列，分散在基因组中，大多为5`残缺。目前十一页\总数七十一页\编于十七点2.基因家族一群具有一致或相似序列的基因。如rRNA基因，α-珠蛋白基因。基因家族的各功能成员可于不同时空选择性表达；有些成员在长期的选择压力下逐渐积累突变成为假基因。目前十二页\总数七十一页\编于十七点第二节基因组的结构基因组(Genome)

:

指单倍体细胞中包括编码序列和非编码序列在内的全部DNA分子核基因组：单倍体细胞核内的全部DNA分子线粒体基因组：一个线粒体所包含的全部DNA分子叶绿体基因组：一个叶绿体所包含的全部DNA分子目前十三页\总数七十一页\编于十七点一、基因组测序的概况已完成：正在进行：病毒：3982古细菌（Archaea）：真细菌（Bacteria）：4753真核生物（Eukaryotes）：目前十四页\总数七十一页\编于十七点测序完成的生物举例：物种基因组大小(Mb)基因数目References真核生物

拟南芥12525500AGI(2000)线虫9719000CESC(1998)果蝇18013600Adamsetal.(2000)人320030000–40000IHGSC(2001);Venteretal.(2001)酵母12.15800Goffeauetal.(1996)目前十五页\总数七十一页\编于十七点物种基因组大小(Mb)基因数目References真细菌大肠杆菌K124.644400Blattneretal.(1997)

结核杆菌H37Rv4.414000Coleetal.(1998)生殖道支原体0.58500Fraseretal.(1995)绿脓杆菌PA016.265700Stoveretal.(2000)肺炎链球菌2.162300Tettelinetal.(2001)霍乱弧菌ElTorN169614.034000Heidelbergetal.(2000)鼠疫杆菌CO924.564100Parkhilletal.(2001)目前十六页\总数七十一页\编于十七点物种基因组大小(Mb)基因数目References古细菌

Archaeoglobusfulgidus2.182500Klenketal.(1997)Methanococcusjannaschii

1.661750Bultetal.(1996)目前十七页\总数七十一页\编于十七点1.C值C值是指一个单倍体基因组中DNA的总量一个特定的种属具有特征的C值SpeciesGenomesize(Mb)脊椎动物红鳍东方鲀400人3200小鼠3300植物拟南芥125水稻430玉米2500豌豆4800小麦16000川贝母120000目前十八页\总数七十一页\编于十七点2.C值悖理内含子数目,基因密度,基因组中的重复序列,其他非编码序列.原因:推论：随着生物结构与功能复杂性的增加，各分类单元中C值随分类地位的提高而递增。但这一推论对于高等生物并不适用。因为在高等生物中，有些鱼类和两栖类的C值比哺乳类的C值更高。目前十九页\总数七十一页\编于十七点酵母,果蝇和人基因组的紧密性项目酵母果蝇人基因密度(平均每Mb的基因数)4797611平均每个基因的内含子数0.0439重复序列所占的比例3.4%12%44%目前二十页\总数七十一页\编于十七点28genes4genes11genes1genes>40genesIn50kb酵母人果蝇玉米大肠杆菌目前二十一页\总数七十一页\编于十七点二、原核生物的基因组1.两类原核生物:

真细菌(Bacteria)古细菌(Archaea)2.原核基因组的一般特点基因组大小:较小物理形状:环形附加的基因:质粒(环形，线形)目前二十二页\总数七十一页\编于十七点3.特殊例外:BorreliaburgdorferiB31(包柔氏螺旋体菌):线形染色体911kb,带有853个基因附带17或18个线形或环形DNA,共533kb，带至少430个基因目前二十三页\总数七十一页\编于十七点4.原核生物基因组织特点原核生物真核生物基因组织操纵子基因的平均长度1kb1.5kb(除去内含子)重复序列无(少数列外:IS)多内含子真细菌:无古细菌:有有目前二十四页\总数七十一页\编于十七点5.原核生物的基因组解剖（1）物理性状1)大小：多数<5Mb巨大芽孢杆菌,30Mb2)物理结构:大多数单一环状DNA3)包装:超螺旋，成拟核体.DNA旋转酶和拓扑异构酶I:维系超螺旋.包装蛋白HU:4聚体，缠绕60bpDNA伯氏疏螺旋体,链球菌属:线形DNA目前二十五页\总数七十一页\编于十七点超螺旋包装目前二十六页\总数七十一页\编于十七点4）质粒------复杂的特性大多数非必需。转移:

能从一个细胞转移到另一个细胞.有些能与主染色体整合，有些只能独立存在.整合:耐辐射奇球菌R1,伯氏疏螺旋体B31的质粒上有必需基因目前二十七页\总数七十一页\编于十七点质粒类型基因功能举例抗性抗生素抗性大肠杆菌的Rbk育性结合与传送DNAE.coli

的F质粒杀伤合成毒物杀死其他细菌大肠杆菌的Col合成colicin降解代谢特殊物质的酶假单胞菌的TOL,代谢甲苯毒性病原性脓杆菌的Ti质粒引起双子叶植物的冠缨瘤目前二十八页\总数七十一页\编于十七点（2）基因组织几乎没有浪费的空间。大肠杆菌有非编码DNA，只占基因组的11%.1)紧密组织2)特殊组织操纵子（Operon）:大肠杆菌K12有约600个操纵子。功能上相关的基因前后相连成串，由一个共同的控制区控制。目前二十九页\总数七十一页\编于十七点28genes4genes11genes1genes>40genesIn50kb酵母人果蝇玉米大肠杆菌目前三十页\总数七十一页\编于十七点目前三十一页\总数七十一页\编于十七点古细菌詹氏甲烷球菌和细菌超嗜热菌有些操纵子内部的基因没有功能关系。gatC:glutamyl-tRNA氨基转移酶亚基C;recA,recJ:

重组蛋白RecA,RecJ;pilU,扭曲运动蛋白;cmk,胞嘧啶核苷激酶;pgsA,磷脂酰甘油磷酸合成酶,目前三十二页\总数七十一页\编于十七点6.原核基因组与物种的概念（2）不同物种间的“基因流”E.coliO157:H7和E.coliK12都有自己的独特基因,分别占基因类型的26%和12%（1）不同的菌种具有不同的基因组

细菌和古细菌之间的基因侧向转移：海栖热袍菌有1877个基因,其中451似乎是从古细菌来的目前三十三页\总数七十一页\编于十七点红色DNA和数字表示侧向来的基因占基因组的比例目前三十四页\总数七十一页\编于十七点侧向基因转移使原核生物的物种进化关系模糊高等生物原核生物目前三十五页\总数七十一页\编于十七点（3）关于最小基因组的思考一个独立生存的细胞需要的最少基因数目265-350NumberofgenesinCategoryE.coliK12H.influenzaeRdM.genitalium

Totalprotein-codinggenes42881727470Biosynthesisofaminoacids131681Biosynthesisofcofactors103545Biosynthesisofnucleotides585319Cellenvelopeproteins2378417Energymetabolism24311231Intermediarymetabolism188306Lipidmetabolism48256DNAreplication,recombinationandrepair1158732Proteinfolding967Regulatoryproteins178647Transcription552712Translation182141101Uptakeofmoleculesfromtheenvironment42712334TakenfromFraseretal.(1995)andBlattneretal.(1997).目前三十六页\总数七十一页\编于十七点（4）独特基因使一个物种区别于其它物种的基因.生殖道支原体基因组：470个基因,其中350个与枯草杆菌相似470-350=120120个基因是生殖道支原体的独特基因？???目前三十七页\总数七十一页\编于十七点7.原核生物的DNA转座子（1）插入序列（IS）IS<2000bpLength:abcabc目前三十八页\总数七十一页\编于十七点（2）复合转座子（Tn）一对IS携带一个或几个基因（一般是抗生素抗性基因），由IS携带转座。ISAntibiotic-resistanceISTnTargetsiteDRTargetsiteDR目前三十九页\总数七十一页\编于十七点（3）可转座的噬菌体是噬菌体的一种感染周期，在细菌基因组中复制转座。（4）Tn3-型转座子:本身具有转座酶基因，转座的时候不需要其两侧的IS帮助。目前四十页\总数七十一页\编于十七点目前四十一页\总数七十一页\编于十七点三、真核生物的基因组1.细胞核基因组的一般特性（1）DNA包装成染色体①染色体数目不同物种不同，但与基因组大小无关Chromosomebanding:目前四十二页\总数七十一页\编于十七点②染色体分带（Chromosomebanding）TechniqueProcedureBandingpatternG-banding酶解，Giemsa染色暗带AT-rich浅带GC-richR-banding热变性，Giemsa染色暗带GC-rich浅带AT-richQ-bandingQuinacrine染色暗带AT-rich浅带GC-richC-bandingBaOH变性，Giemsa染色暗带含组成性异染色质目前四十三页\总数七十一页\编于十七点人染色体G-带目前四十四页\总数七十一页\编于十七点③各染色体上的基因分布不均匀1)着丝粒区:高度重复序列拟南芥:180bp→0.9–1.2Mb人:171bp(alphoidDNA).极少量基因拟南芥:7-9个基因/100kb2)端粒区:数百份重复的短序列（motif）人:5′-TTAGGG-3′目前四十五页\总数七十一页\编于十七点3)其他区域:基因随机分布。但密度不均匀。平均基因密度:拟南芥:25个/100kb4）整条染色体的基因密度:拟南芥:1-38个/100kb人:0-64个/100kb目前四十六页\总数七十一页\编于十七点（2）基因类型（人类）1)按功能分类：基因表达、复制、维持基因组结构：23.2%信号传导：21.1%细胞基本生化功能：17.5%其他活性：38.2%目前四十七页\总数七十一页\编于十七点2)按蛋白质结构域分类：脊椎动物特有的：22%脊椎动物和其他动物共有的：24%真核生物与原核生物共有的：21%动物和其他真核生物共有的：32%与其他生物无关的：1%目前四十八页\总数七十一页\编于十七点

不同生物的结构域基因基因组中含有带结构域的基因数目Domain

功能人果蝇线虫拟南芥酵母Zincfinger,C2H2typeDNA结合564234682134Zincfinger,GATAtypeDNA结合1158269Homeobox发育基因调控16010082666Death细胞凋亡165700Connexin细胞间偶联140000Ephrin神经生长72400TakenfromVenteretal.(2001).FormoreinformationonzincfingersandthehomeoboxdomainseeSection9.1.4.目前四十九页\总数七十一页\编于十七点（3）基因家族1)简单基因家族所有成员都具有相同或几乎相同的序列。rRNAgenefamily2)复杂的基因家族成员在序列上相似，但基因产物的功能不同3）分散的基因家族成员分布在不同的染色体上.Aldolase:染色体3,9,10,16,17目前五十页\总数七十一页\编于十七点4）超基因家族哺乳动物血红蛋白基因超家族人染色体16人染色体11包含有两个以上的基因家族。目前五十一页\总数七十一页\编于十七点（3）核基因组中的重复DNA1）顺接重复DNA也叫卫星DNA（satelliteDNA）.在真核生物基因组中常见，但原核生物基因组中无。主带：主要由单一序列构成重复单元长度：5-

>200bpDNA密度梯度离心的时候，在主要DNA带的上方有额外的DNA带目前五十二页\总数七十一页\编于十七点①大部分位于着丝粒区有些satelliteDNA分散在基因组中

②

小卫星（Minisatellites）重复单元达25bp，重复后长度20kb人端粒DNA:

数百份5′-TTAGGG-3′目前五十三页\总数七十一页\编于十七点③微卫星（microsatellites）重复单元小于13bp，重复后的长度<150bp人类二核苷酸重复:单核苷酸重复:CACACACACACACACAAAAAAAAAAAAAA目前五十四页\总数七十一页\编于十七点遗传识别（GeneticProfiling）微卫星重复单元数目在不同的个体上不同由于DNA复制的时候发生了滑序，导致重复单元的插入、缺失也称遗传指纹（geneticfingerprinting）原理：用PCR扩增个体基因组中的微卫星DNA，电泳后产生的带谱目前五十五页\总数七十一页\编于十七点PCR扩增人类6号染色体短臂上的微卫星DNA图谱红色带是DNA分子量Marker目前五十六页\总数七十一页\编于十七点（2）分散重复DNA以单一重复单元，分散在整个基因组中(由于转座引起）经RNA中间体形成的转座①逆转座目前五十七页\总数七十一页\编于十七点有些逆转座元件与逆转录病毒的基因组结构相似.目前五十八页\总数七十一页\编于十七点LTR元件（长末端重复）:逆转录病毒:内源性逆转录病毒(ERVs):整合在脊椎动物染色体上的逆转录病毒基因组，但已经不能形成病毒逆转录转座子（retrotransposon）:序列与ERV相似，但位于无脊椎动物、植物、真菌染色体上。Ty3/gypsyfamilyTy1/copiafamily(lackenvgene)如目前五十九页\总数七十一页\编于十七点反转座子（Retroposons）:不含LTRsLINEs(长分散核元件)SINEs(短分散核元件)包含一个与逆转录酶相似的基因.不含逆转录酶基因，但仍然能转座。如LINE-1如Alu目前六十页\总数七十一页\编于十七点②DNA转座子导致原序列被多复制●复制转座●保守转座原序列被切下来重新插入到基因组其他部位。目前六十一页\总数七十一页\编于十七点真核生物:DNA转座子不如逆转座子普遍如玉米的Ac/Ds原核生物:DNA转座子比逆转座转座子重要。如IS1和IS186目前六十二页\总数七十一页\编于十七点（4）基因组中的单一序列单一或少数几份拷贝的序列占人类基因组的40%-70%大多数的功能基因都是单一序列大多数是非编码序列目前六十三页\总数七十一页\编于十七点①功能基因只占基因组的少部分人:估计30,000个功能基因<5%果蝇:5-10%海胆:<10%②假基因：在进化过程中丧失了功能的基因序列③

非编码序列目前六十四页\总数七十一页\编于十七点人类基因组3×109bp基因及其相关序列20-30%基因以外非编码序列70-80%非编码序列>90%编码序列<10%内含子5’前导、3’尾假基因基因片断启动子中高度重复序列20-30%单一序列70-80%分散重复40%成簇重复60%SINELINE卫星微卫星小卫星启动子目前六十五页\总数七十一页\编于十七点2.细胞器基因组（1）一般特性不等，与生物的复杂性无关1)大小:2)形状