第二章基因与基因组演示文稿

第二章基因与基因组演示文稿当前第1页\共有89页\编于星期三\9点1优选第二章基因与基因组当前第2页\共有89页\编于星期三\9点2第一节基因的概念与结构一、基因的概念

（一）基因概念的发展当前第3页\共有89页\编于星期三\9点3基因概念的发展1909年Johannsen提出了“基因”概念取代了遗传因子Morgan提出染色体学说，基因是遗传基本单位，《基因论》1936年Beadle和Taturm提出一个基因决定一种酶，之后延伸到决定一个蛋白质，多肽链当前第4页\共有89页\编于星期三\9点4基因的分类编码蛋白质的基因编码RNA的基因：编码rRNA;tRNA;核酶；snmRNA（非mRNA的小RNA）当前第5页\共有89页\编于星期三\9点5（二）基因的概念

侧翼序列：含有调控序列是编码RNA或一条多肽链的DNA片段，包括：编码序列：外显子(exon)插入序列：内含子(intron)当前第6页\共有89页\编于星期三\9点61.原核生物的结构基因是

连续的（一）结构基因

基因中编码RNA或蛋白质的DNA序列。二、基因的结构当前第7页\共有89页\编于星期三\9点7

真核生物结构基因DNAmRNA前体编码序列不连续，称为断裂基因（interruptedgene）RNA剪接2.由外显子（编码序列)和内含子（非编码序列)两部分组成，intron

exon

成熟mRNA当前第8页\共有89页\编于星期三\9点8

5′

3′exon3exon1exon2GTAGGTAG真核基因中RNA剪接的识别信号内含子的5′端以GT开始，

3′端以AG结束。GT-AG法则intron2intron13.当前第9页\共有89页\编于星期三\9点9

5′3′exon3exon2exon1

intron1intron2(二)转录调控序列

前导序列尾部序列编码区侧翼序列侧翼序列结构基因编码区两侧的一段不被翻译的DNA片段(侧翼序列)，参与转录调控。当前第10页\共有89页\编于星期三\9点10tayz

opstructural

gene1.原核生物基因的调控序列

promoter启动子promoterterminator终止子terminatoroperator操纵元件operator当前第11页\共有89页\编于星期三\9点112.真核生物基因的调控序列反式作用因子

trans-actingfactor

能识别和结合特定的顺式作用元件,并影响基因转录的一类蛋白质或RNA顺式作用元件

cis-actingelement

能影响基因表达，但不编码RNA和蛋白质的DNA序列TATAAAATATTT

5′3′3′

5′顺式作用元件当前第12页\共有89页\编于星期三\9点12TATA盒（TATABox）:

位于-25～-30bp，TATAAAA/TATATAT

与TFII结合，启动基因转录。(1)．启动子和上游启动子元件-25+1-30（II类）当前第13页\共有89页\编于星期三\9点13-30-25+1-80-70CAAT盒（CAATBox）位于-70～-80bp，GGC/TCAATCT,与CTF结合，决定启动子转录效率。当前第14页\共有89页\编于星期三\9点14GC盒（GCBox）位于-35bp，GGCGG，与转录因子SP1结合，促进转录的过程。－35-35+1

当前第15页\共有89页\编于星期三\9点15(2).增强子（enhancer）

CAATbox与转录因子特异性结合，增强转录活性，在基因任意位置都有效、无方向性。TATAbox

enhancerpromoter

5′3′exonintron当前第16页\共有89页\编于星期三\9点16(3).沉默子（silencer)具有抑制基因转录功能的特定DNA序列，为负性调节元件，当其结合一些特异反式作用因子时，对基因转录起阻遏作用，使基因沉默。当前第17页\共有89页\编于星期三\9点17(4).终止子（terminaor)是结构基因下游近3’端的一段DNA,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。当前第18页\共有89页\编于星期三\9点185′--------AATAAA----------GT-------3′

DNA

mRNA

前体5′--------AAUAAA----------GU-------3′5′--------AAUAAA------AAAAAAAA3′多聚腺苷酸化mRNA(5).Poly(A)加尾信号Poly(A)聚合酶5′--------AAUAAA----------GU-------3′特异因子

含有II类启动子的基因，基因末端保守的AATAAA顺序及下游GT或T富含区,被多聚腺苷酸化特异因子识别，在mRNA3′端加约200个A。当前第19页\共有89页\编于星期三\9点19

CAATboxTATAbox

Enhancerpromoter

调控序列调控序列真核生物基因的结构exonexon非翻译区：untranslatedregions，UTRUTRUTRPoly(A)加尾信号5′+1Stop3′结构基因intronintronexonTGAATG开放阅读框：openreadingframe，ORFresponseelement当前第20页\共有89页\编于星期三\9点20三、中心法则

centraldogmaReplicationReplicationReverse

TranscriptionTranscriptionTranslationDNARNAProtein

当前第21页\共有89页\编于星期三\9点21(一)原核生物的mRNA是多顺反子mRNAPromoterGene1Gene2Gene3TerminatorDNATranscriptionmRNA3′1235′TranslationProteins123

多顺反子mRNA

(polycistronicmRNA):原核生物的一个mRNA分子带有几个

结构基因的遗传信息，利用共同的启动

子及终止信号，组成操纵子的基因表达

调控单元。当前第22页\共有89页\编于星期三\9点22TranslationTranscriptionmRNADNAProteinPromoterGene3′5′(二)单顺反子mRNA(monocistronicmRNA):真核生物的一个编码基因转录生成一个mRNA。当前第23页\共有89页\编于星期三\9点23二、基因的功能1、遗传信息的储存2、基因复制（1）半保留复制；（2）双向复制；（3）不连续复制3、基因表达（1）转录；（2）翻译；（3）基因表达的调控当前第24页\共有89页\编于星期三\9点24基因表达的调控（1）DNA水平的调控：甲基化、与组蛋白结合、染色质浓缩（2）转录水平的调控：顺式元件与反式元件的结合（3）转录后水平的调控：mRNA加帽子、加尾、剪接（4）翻译水平的调控：翻译起始区域（5）翻译后水平的调控：二硫键的形成、糖基化、C-末端酰胺化等当前第25页\共有89页\编于星期三\9点25基因突变与疾病1、单基因疾病常染色体显性遗传常染色体隐形遗传X连锁显性遗传Y连锁隐性遗传Y隐性遗传2、线粒体遗传病（如Leber遗传性视神经病）特点：1、母系遗传；2、异质性3、多基因疾病由多对微效基因和环境因素双重影响所引起的一类疾病称为多基因疾病当前第26页\共有89页\编于星期三\9点26基因诊断与治疗1、基因诊断：在DNA或RNA水平对某些疾病相关基因进行分析，从而对疾病进行诊断。2、基因治疗：运用重组DNA技术，将正常基因导入有缺陷基因患者的细胞中，以替代或补偿缺陷基因，或抑制基因的过度表达，使细胞恢复正常功能，达到治疗目的。当前第27页\共有89页\编于星期三\9点27基因组：一个细胞或病毒的全部

遗传信息；

第二节基因组

一套完整的单倍体的遗传物质的总合；

含有一种生物的一整套遗

传信息的遗传物质；……当前第28页\共有89页\编于星期三\9点28C值（C-value）：单倍体基因组中的全部DNA量(bp)

106107108109

10101011显花植物骨鱼类哺乳类甲壳类爬行类鸟类藻类真菌革兰氏阳性菌革兰氏阴性菌枝原体霉菌蠕虫类软体动物棘皮类昆虫类软骨鱼类两栖类当前第29页\共有89页\编于星期三\9点29一、病毒基因组一、特点：基因组小有的是DNA,有的是RNARNA病毒基因组可由数条RNA组成存在重叠基因可形成多顺反子噬菌体基因是连续的，而真核细胞的病毒基因是不连续的当前第30页\共有89页\编于星期三\9点30DNA病毒

RNA病毒

（二）基本结构多数为双链(ds)、环状或线性多数为单链(ss)、线性当前第31页\共有89页\编于星期三\9点31（三）RNA病毒基因组类型特点代表种类当前第32页\共有89页\编于星期三\9点321.单股正链RNA病毒SARS冠状病毒SARScoronavirus

包膜蛋白膜蛋白核衣壳蛋白刺突蛋白

病毒RNA聚合酶当前第33页\共有89页\编于星期三\9点33单股正链RNA、不分节段，5′端有甲基化帽，3′端有poly(A)结构。脊髓灰质炎病毒、鼻病毒、

多数RNA噬菌体、冠状病毒当前第34页\共有89页\编于星期三\9点34.

禽流感病毒(H5N1)

avianinfluenzaAvirus2.单股负链RNA病毒8节段-ssRNA血凝素（HA）神经氨酸酶（N)当前第35页\共有89页\编于星期三\9点35单股负链RNA、8节段，均编码蛋白质，

5′端由相同的13个核苷酸组成，3′端有12个保守的核苷酸序列。流感病毒、滤泡性口腔炎病毒、

狂犬病毒当前第36页\共有89页\编于星期三\9点36呼肠孤病毒reovirus3.双链RNA病毒11节段dsRNA内衣壳蛋白外衣壳蛋白当前第37页\共有89页\编于星期三\9点37正负双链RNA，10－12节段、每段编码一个蛋白质呼肠孤病毒、轮状病毒、

噬菌体Φ6当前第38页\共有89页\编于星期三\9点384.逆转录病毒(retrovirus)核心蛋白逆转录酶膜蛋白poly(A)Cap人类免疫缺陷病毒（HIV）当前第39页\共有89页\编于星期三\9点39单股正链RNA，有三个基本的结构

基因：gag、pol（逆转录酶）、env，

白血病病毒、肉瘤病毒、

人类免疫缺陷病毒

5′端有甲基化帽，3′端有poly(A)，

另有多个基因表达调控位点。当前第40页\共有89页\编于星期三\9点40（四）DNA病毒基因组类型特点代表种类当前第41页\共有89页\编于星期三\9点411.线性双链DNA病毒早期蛋白（E）

晚期蛋白（L）

腺病毒adenovirusE1AE1BE3E4E2BE2A0102030405060708090100%L2L3L4L5L1ITRITRITR:反向末端重复序列当前第42页\共有89页\编于星期三\9点42反向末端重复序列（invertedterminalrepeat，ITR）AT丰富区保守序列：ATAATATACCGC丰富区保守序列：GGGCGG,TGACGT在病毒复制过程有重要作用基因组：线性双链DNA，编码两大类蛋白早期蛋白（E）、晚期蛋白（L）当前第43页\共有89页\编于星期三\9点43乳头瘤病毒papillomavirusURR2.双链环状DNA病毒衣壳蛋白DNA复制膜信号蛋白组装与释放中断细胞生长周期上游调节区转录与复制当前第44页\共有89页\编于星期三\9点44基因组：双链环状DNA，可分为早期区（E）、晚期区（L）、上游调节区（upstreamregulatory

region,URR）

调节转录与复制当前第45页\共有89页\编于星期三\9点453.单链环状DNA病毒5387nt噬菌体phiX174基因重叠5387nt编码2500AA1977，Sanger当前第46页\共有89页\编于星期三\9点46乙型肝炎病毒（HBV）4.开环部分双链DNA病毒聚合酶HBsAgHBcAg当前第47页\共有89页\编于星期三\9点47乙型肝炎病毒（HBV）逆转录酶HBsAgHBcAgHBeAg开环部分双链DNA病毒当前第48页\共有89页\编于星期三\9点48二、原核生物基因组细菌染色体DNA质粒DNA以大肠杆菌（Escherichiacoli）为例当前第49页\共有89页\编于星期三\9点49原核基因组特点：1、仅由一条环状双链DNA组成2、结构基因与调控序列以操纵子形式出现，所转录的RNA为多顺反子3、基因组中重复序列少4、结构基因多为单拷贝5、基因是连续的6、编码序列一般不会重叠当前第50页\共有89页\编于星期三\9点50类核（nucleoid）：细菌染色体在

细胞内形成的一个致密区域大肠杆菌细胞结构nucleoid质粒plasmid当前第51页\共有89页\编于星期三\9点51（一）由一条环状双链DNA分子组成，

通常只有一个DNA复制起点。C-Value:4.6×106bp大肠杆菌染色体DNA大肠杆菌4000K3000K2000K1000K0OriCTerC当前第52页\共有89页\编于星期三\9点52(二)结构基因大多组成操纵子乳糖操纵子

lacoperontayz

opstructural

genepromoterterminatoroperatorß-galactosidase半乳糖苷酶zß-galactosidepermease透酶y

ß-galactosidetransacetylase

半乳糖苷乙酰转移酶a

当前第53页\共有89页\编于星期三\9点53多个功能相关的结构基因成簇串联排列，与上游共同的调控区和下游转录终止信号组成的基因表达单位。操纵子operon:当前第54页\共有89页\编于星期三\9点54（三）其它结构特点

C

值：4,639,221bp基因数：4288基因大小：950bp/gene基因间隔：118bp/２gene1.基因密度非常高，编码区在

基因组中所占比例大；2.结构基因没有内含子，多为

单拷贝，rRNA基因为多拷贝；3.重复序列很少，重复片段为

转座子；

50kb当前第55页\共有89页\编于星期三\9点554.有编码同工酶的同基因（isogene）分支酸别构酶ilvBNacetolactatesynthaseIilvIHacetolactatesynthaseIII乙酰乳酸合酶

entCisochorismatesynthaseentBisochorismatase当前第56页\共有89页\编于星期三\9点565.不同的原核生物基因组的GC含量

（GCcontent）变化很大(25%-75%)EscherichiacoliMicrococcusluteus藤黄微球菌BacillussubtilisSerratiamarcescens枯草杆菌粘质沙雷菌大肠杆菌%GC51

51

52

55

58

52

37

66

61

43

45

33

39

25

75

73

69Shigellaflexnerl志贺氏杆菌（痢疾）Salmonellatyphimurium鼠伤寒沙门菌Klebsiellapneumoniae肺炎克雷伯士氏杆菌Mycopiasmacapricolum支原体当前第57页\共有89页\编于星期三\9点57（四）非编码区主要是调控序列：复制起始区（OriC）复制终止区（TerC）转录起动区转录终止区当前第58页\共有89页\编于星期三\9点58复制起始区（OriC）当前第59页\共有89页\编于星期三\9点59大肠杆菌强启动子TTGACTATAAT

转录起始当前第60页\共有89页\编于星期三\9点60GA

CCGCCGCU

GGCGGCAUUUU-OH3’5’UUC

G

G5’…GCCGCCAGUUCGGCUGGCGGCAUUUU…3’RNA5’…GCCGCCAGTTCGGCTGGCGGCATTTT…3’DNA终止子：强终止子：有反向重复顺序，可形成茎环结构，其后面为poly(T)结构，转录终止无需ρ因子。GC丰富区、AT丰富区当前第61页\共有89页\编于星期三\9点61（五）具有转座现象

BarbaraMcClintock

1902-1992转座，或称移位（transposition）：转座因子在基因组不同位置间的移动。当前第62页\共有89页\编于星期三\9点62

1.转座因子的类别

Is3

转座酶(1)插入序列（insertionsequence,Is）

小于2000bp，只有转座相关基因2kb当前第63页\共有89页\编于星期三\9点63Tn3转座酶Tn10

转座酶(2)转座子（transposon，Tn）

2-20kb，常带有抗性基因等其它基因氨苄青霉素抗性

四环素抗性2kb当前第64页\共有89页\编于星期三\9点64(3)Mu噬菌体（Mu）转座酶头尾部蛋白转座酶结合位点转座酶

结合位点宿主DNA宿主DNA37kbAB当前第65页\共有89页\编于星期三\9点65切离是转座因子从原来位置上切除并转移到基因组新的位置转座是转座因子复制出一个新拷贝转移到基因组新的位置2.转座因子的遗传效应供体DNA转座子受体DNA复制和转座新的DNA切除和连接当前第66页\共有89页\编于星期三\9点66

transposonHostDNA

TargetsiteTACATGCACAGATGTACGTGTC

transposonTACATGCA

ATG

CAGTACGTGTC

转座的结果使靶点序列倍增

transposonDirectRepeatsTACATGCA

ATGTACGTATGCACAG

TACGTGTC

促使染色体畸变

当前第67页\共有89页\编于星期三\9点67转座子

F

E

A

B

C

D复制插入转座子新拷贝

F

E

A

B

C

D引起插入突变

基因F被隔断而失去功能

当前第68页\共有89页\编于星期三\9点68携带标志基因使受体增添新基因Tn3转座酶Tn10

转座酶氨苄青霉素抗性

四环素抗性当前第69页\共有89页\编于星期三\9点69（六）质粒（plasmid）

质粒是存在于细菌染色体外的，具有自主复制能力的环状双链DNA分子；大小为2-3kb。当前第70页\共有89页\编于星期三\9点70质粒的特性在宿主细胞内可自主复制；所携带的遗传信息能赋予宿主特

定的遗传性状；细胞分裂时恒定地传给子代；质粒可以转移。当前第71页\共有89页\编于星期三\9点71三真核生物基因组染色体DNA线粒体DNA当前第72页\共有89页\编于星期三\9点72（一）真核基因组特点1、双链线状，且不止一条2、结构基因为断裂基因3、转录产物为单顺反子4、非编码序列远远多于编码区5、含大量重复序列和基因家族6、DNA末端有端粒结构7、有细胞器基因组（线粒体、叶绿体）当前第73页\共有89页\编于星期三\9点73人类基因组染色体（二）染色体DNA的组成核小体当前第74页\共有89页\编于星期三\9点741.单一序列DNA

（uniquesequenceDNA）单一序列在人类基因组中大于50％。结构基因主要存在于单一序列中。单拷贝DNA(singlecopyDNA)当前第75页\共有89页\编于星期三\9点752.高度重复序列DNA（highlyrepetitiveDNA）卫星DNA（satelliteDNA）反向重复序列（invertedrepeats)重复次数>106次当前第76页\共有89页\编于星期三\9点76

（1）

卫星DNA存在于非编码区的串联重复序列，

在基因组中约占5％。主带光密度卫星DNA当前第77页\共有89页\编于星期三\9点77a.大卫星（macro-satellite）DNA：重复单位5-10bp，其在人群中多态性不显著。

光密度260nm果蝇基因组当前第78页\共有89页\编于星期三\9点78b.小卫星（minisatellite）

DNA：重复单位9-24bp，呈高度多态性。可变数目串联重复序列（variable

numberoftandemrepeat,VNTR）端粒DNA：（TTAGGG）n，2-20kb，

染色体复制，末端保护。核心序列GGGCAGGAXG；当前第79页\共有89页\编于星期三\9点79c.微卫星DNA

(macro-satelliteDNA)短串联重复(shorttandemrepeat,STR)重复单位2-6bp，常见为(AC)n和(TG)n，重复次数10-60次，总长度小于150bp，高度多态性，可作遗传标记。当前第80页\共有89页\编于星期三\9点80（2）