基因组的结构与功能分子生物学

基因组的结构与功能分子生物学第一页，共五十四页，编辑于2023年，星期日基因组(genome）：细胞或生物体中，一套完整单倍体所含有的全部遗传物质。

ThegenomeisalltheDNAinacell.

AlltheDNAonallthechromosomes

Eukaryotescanhave2-3genomes

Nucleargenome

Mitochondrialgenome

Plastidgenome

Ifnotspecified,“genome”usuallyreferstothenucleargenome第二页，共五十四页，编辑于2023年，星期日第三页，共五十四页，编辑于2023年，星期日第四页，共五十四页，编辑于2023年，星期日不同的生物体，其基因组的大小和复杂程度各不相同进化程度越高的生物其基因组越复杂第五页，共五十四页，编辑于2023年，星期日基因组的结构：基因组的形态

不同的基因功能区域在核酸分子中的分布和排列情况病毒基因组：DNA，RNA,环状或链状原核生物基因组：环状DNA真核生物基因组：核基因组--链状DNA线粒体基因组—环状DNA第六页，共五十四页，编辑于2023年，星期日HIV-1genomeRNA10000(104)baseslong病毒基因组的大小差异较大，可以是DNA,也可以是RNA第七页，共五十四页，编辑于2023年，星期日HBV的基因组Thegenomeis3020–3320nucleotideslong(forthefull-lengthstrand)and1700–2800nucleotideslong(fortheshortlength-strand).DNA

（Acircular,double-strandedDNAcontainingsingle-strandbreaks）第八页，共五十四页，编辑于2023年，星期日基因组的功能：

贮存和表达遗传信息第九页，共五十四页，编辑于2023年，星期日第一节人类基因组的结构与功能第十页，共五十四页，编辑于2023年，星期日真核生物基因组的特点：结构复杂基因数庞大具有许多复制起点含有大量重复顺序与非编码的顺序编码蛋白质的序列约占2%～3%。第十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期日人类基因组(HumanGenome)包括细胞核染色体DNA（22条常染色体、2条性染色体)及线粒体DNA所携带的所有遗传物质。第十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期日人核基因组人线粒体基因组16,569basepairs(bp)inlength

第十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期日第十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期日人类基因组的DNA序列约30亿碱基对，含约3万个基因一、人类基因组中只有不到三万个基因第十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期日第十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期日第十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期日二、人类基因组中存在大量重复序列真核细胞基因组中存在大量的重复序列。根据重复序列的特点，分为：高度重复序列中度重复序列单拷贝序列低度重复序列第十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期日（一）高度重复序列：重复频度大于106次。根据结构特点分为：反向重复序列卫星DNA第十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期日1、反向重复序列（invertedrepeats)两个相同顺序的互补拷贝在同一DNA链上反向排列形成的重复序列，重复单位长度约为300bp，呈散在分布，两个重复单元之间的间隔约1.6kbp。两个互补拷贝可以形成链内碱基互补配对，形成十字状结构。如果两个互补序列之间没有间隔，而是串联，称为回文结构（palindrome）第二十页，共五十四页，编辑于2023年，星期日反向重复序列第二十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期日2、卫星DNA大卫星DNA（macro-satelliteDNA)小卫星DNA（mini-satelliteDNA)微卫星DNA（micro-satelliteDNA)第二十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期日卫星DNA(satelliteDNA）重复单元序列为5～171bp，呈串连排列，重复序列的长度可为100kbp～几个Mb。主要分布在着丝粒和端粒。5’……AGGGTTCTTAAGTGTCAGGGTTCTTAAGTGTC…….3’3’……TCCCAAGAATTCACACTCCCAAGAATTCACAC…….5’重复单位为AGGGTTCTTAAGTGTC，表示为(AGGGTTCTTAAGTGTC)n染色体DNA重复序列第二十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期日微卫星DNA：是由短的重复单元序列串联构成的重复序列，重复单元一般为1～6bp，重复次数10~60次左右，重复序列长度一般小于150bp。如（AC）n(TG)n（CGG）n第二十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期日高度重复序列的功能（1）参与复制的调节（2）参与基因表达的调控（3）参与染色体配对第二十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期日微卫星DNA与疾病的关系Huntington病脆性X染色体综合症第二十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期日第二十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期日Huntingtondisease第二十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期日theFragileXMentalRetardation1Gene(FMR1)trinucleotiderepetitivesequence(CGG)expansionFragilesyndrome第二十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期日manyCGGtandemrepeatsinthe5’UTRNormalindividualshave5to50CGGrepeatsFXScarriershave53-200repeats(premutation)Premutationdoesnotcausementalretardation,butthereisahighriskwhenitispassedtothenextgenerationthroughafemaleAffectedindividualshavemorethan230repeats(fullmutation)Inthefullmutation,theFMR1geneis“shutoff”andpreventstheproductionoftheFMR1protein,whichisconsideredimportantforbraindevelopmentGirlsareonlycarriersofthedisorder,sotheyshowlesssevereeffects第三十页，共五十四页，编辑于2023年，星期日第三十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期日第三十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期日（二）中度重复序列中度重复序列是指重复单元的重复次数在数十至数万次（<105）的DNA序列，散在分布在基因组中。分为两种类型：短分散重复序列和长分散重复序列。（1）短分散重复序列（shortinterspersedrepeatedsegments,SINES)重复单元的平均长度为300~500bp，拷贝数可达10万左右。包括Alu家族、Hinf家族。（2）长分散重复序列（longinterspersedrepeatedsegments,LINES)重复单元的平均长度为3500~5000bp。第三十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期日Alu家族（也称为Alu重复序列）是一种短的散在分布的重复序列，重复单元长度为300bp，因其含有一个AluI内切酶位点而命名为Alu重复序列，是灵长类动物基因组特有的序列，平均每5kb就出现一个Alu序列

。在人类基因组中约占3～6%。Alu序列在170位碱基附近有限制性内切酶Alu的酶切位点序列AGCT染色体5’……..AGCT…….3’3’……..TCGA…….5’:Alu重复序列AluI酶切位点170bp130bpAlu重复序列主要构成基因组间隔序列和内含子序列。与基因表达调控有关。第三十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期日rRNA基因也属于中度重复序列，各种rRNA的基因串连成簇。真核生物的5.8s、18s、28srRNA基因序列在同一转录单位中，三个基因间有短的被转录间隔区将它们分开，形成一个约7500bp的转录单位。45SrRNA前体45SrRNA前体rRNA基因18S5.8S28S不转录的间隔区第三十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期日（三）单拷贝序列（singlecopysequence，uniquesequence）在基因组中只出现一次或少数几次的序列。多数编码蛋白质的基因均为单拷贝序列。第三十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期日三、多基因家族和假基因1、多基因家族在真核生物中，一些起源于同一祖先基因、结构相似、功能相关的一组基因。分为两类：一类是基因家族位于同一条染色体上，如组蛋白基因家族的基因均分布在7号染色体；另一类是基因家族的不同成员分布在不同染色体上，如人珠蛋白基因家族，珠蛋白基因分布在第16号染色体，珠蛋白基因家族分布在第11号染色体。第三十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期日珠蛋白基因簇珠蛋白基因簇:第三十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期日2、假基因（pseudogene)在多基因家族中，DNA序列与正常基因的结构相似，但不能产生有功能的基因产物的基因称为假基因。第三十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期日第二节原核生物基因组的结构与功能一、原核生物染色体的结构与功能（一）原核生物染色体DNA的基本结构由一条环状双链DNA分子组成，在细胞中与蛋白质结合存在，高度折叠，盘绕聚集在一起形成类核。第四十页，共五十四页，编辑于2023年，星期日（二）原核生物染色体基因组中结构基因的结构与功能特征1、结构基因序列是连续排列的，无内含子，转录后不需要剪接。2、结构基因之间的编码序列无重叠现象。4、结构基因多为单拷贝，但编码rRNA的基因通常是多拷贝。3、基因组中重复序列少。5、结构基因在基因组中所占的比例约为50%，大于真核基因组，但小于病毒基因组。6、只有一个复制起始点7、具有操纵子结构第四十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期日（三）原核生物染色体基因组中结构基因与调控序列的的组织形式功能上相关的几个结构基因往往串联排列在一起，与上游调控序列组成操纵子，结构基因的表达受上游调控序列的调控。第四十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期日阻遏物基因：编码阻遏蛋白启动子：RNA聚合酶结合区操纵基因：阻遏物结合区OP结构基因2结构基因1结构基因3第四十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期日二、原核生物中的质粒DNA（一）质粒的基本特征质粒是存在于细菌内染色体外的环状DNA分子，能在宿主细胞中进行自我复制，并能在细胞分裂时传给子代。其DNA的长度约为1.5~15kb。第四十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期日质粒的结构与功能特点●

能够独立于细胞的染色质DNA而进行复制●

对宿主细胞的生存不是必需的●

能赋予细菌特定的遗传性状第四十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期日质粒只有在宿主细胞内才能够自我复制，其携带的遗传信息会赋予宿主细胞一些特定的遗传性状。如耐药性等第四十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期日第三节

病毒基因组的结构与功能第四十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期日一、病毒基因组的结构特点DNA病毒或RNA病毒基因组较小不到大肠杆菌基因组大小的十分之一可以是DNA，也可以是RNA可以是单链结构，也可以是双链结构可以是闭环分子，也可以是线性分子基因重叠:

同一DNA片段可以是2种甚至3种蛋白质分子的部分编码区,重叠编码机制提高了病毒基因组的编码能力

无自主复制的酶类第四十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期日多顺反子mRNA

功能相关的基因或rRNA基因，可以形成1个转录单元。可被一起转录成为多顺反子mR