超好研究生分子生物学基因组的结构与功能

第二章基因组的构造与功能第一节病毒基因组的构造与功能第二节原核生物基因组的构造与功能第三节真核生物基因组的构造与功能基因组(genome)基因组是指一种生物所包含的全部遗传物质.(ThecompleteDNAsequenceofanorganism)单倍体基因组:一个配子、一个病毒颗粒或一个细菌所含的全套基因。染色体基因组：指一个或几个染色体包含的基因。线粒体基因组：线粒体的环状双链DNA.FluorsecentInSituHybridization(FISH)基因组大小的表示:原子质量〔ku〕碱基对数目〔bp〕质量单位〔g、ng、pg〕摩尔单位〔pmol〕光密度单位：1、基因大小可用分子量或碱基对〔basepairs，bp〕表示2、分子量单位是道尔顿〔Dalton，D〕,1D=0.992原子质量单位u3、生物大分子那么以D或U单位的千〔killo-〕或百万mega-倍来表示，写成kD〔Ku〕或MD〔Mu〕4、DNA是双链构造，故常用碱基对(bp)，千碱基对〔kb〕,百万碱基对〔Mb〕表示其大小1bp=0.68kD酵母0.05碗豆5.0果蝇0.15太阳花5.3鸡1.3小麦7.0人3.2蚕豆14.6羊葱16.8郁金香31.2单倍体DNA(pg/cell)DNA分子大小的比较生物Kb长度〔微米〕染色体数形状病毒SV405.11.71线状λ噬菌体48.671线状单链牛痘病毒190651线状细菌大肠杆菌400013601环状真核生物酵蝇165000560004人290000099000023病毒基因组构造特点1、构造简单，基因组小。2、基因组由DNA或RNA组成。3、有基因重叠景象。4、RNA病毒基因组可以由数条不相连的RNA链组成5、反复序列少；非编码区少。6、可以构成多顺反子mRNA。7、基因组是单倍体〔除逆转录病毒〕第一节病毒基因组构造与功能DNA分子大小的比较生物Kb长度〔微米〕病毒SV405.11.7λ噬菌体48.617牛痘病毒19065细菌大肠杆菌40001360真核生物酵母135004600果蝇16500056000人2900000990000mRNA(+)链+DNADNARNA+RNA-RNA-RNADNA-DNA+RNADNA-DNA+RNADNA(II)(I)(IV)(V)(VII)病毒核酸的分类Φx174基因重叠…GAAGGAGTGATGTAATGTCTAAAGGT…J基因MetSerLysGlyE基因…LysGly终止密码D基因E基因基因组构造特点1、环状双链DNA，约3200bp；L(-)和S(+)的5′端碱基互补，因此构成双链；长链〔L链〕的5’端连有一蛋白质，是转录的起点，产物为3.5KbRNA。短链长度不定。2、有广泛的基因重叠。乙型肝炎病毒〔hepatitisBvirus)3、四个开放阅读框〔openreadingframe,ORF)S区：由pre-S1，pre-S2和S基因组成，编码病毒外膜蛋白。C区：由pre-C和C基因组成。两个ATG被pre-C基因隔开，分别翻译出中心抗原和e抗原。P区：长度为832～845个氨基酸。P区的表达产物是一个大蛋白质，切割成逆转录酶等。X区：编码X蛋白，154个氨基酸，属核蛋白核蛋白功能：〔1〕反式作用因子作用于HBV启动子和加强子以及细胞的某些基因。〔2〕参与HBV基因组与肝细胞基因组的整合。

细胞质细胞核外壳HB5Ag5,端结合蛋白反转录酶HBVDNA中心颗粒病毒侵入去壳宿主聚合酶5´3´2.1KbRNAAAAA2.4KbRNAAAAA3.5KbRNAAAAA蛋白合成构成颗粒

RNA(+)AA途径1病毒包装和释放途径2DNA(-)基因组为一条〔+〕RNA，可直接作为mRNA运用包括某些噬菌体〔如βQ〕，多数植物病毒，动物小RNA病毒〔如polio,HAV),披盖病毒。

例：脊髓灰质炎病毒(poliovirus)polio基因组:7434个核苷酸；复制酶(replicase)。〔+〕RNA病毒——脊髓灰质炎病毒(poliovirus)3´poly(A)(+)RNA5´复制酶脊髓灰质炎基因组复制和外壳蛋白切割表示图〔-〕RNA5´3´复制酶(+)RNA5´5´5´5´5´mRNA5´3´翻译NS蛋白酶VP1

VP3VP4VP2〔－〕RNA病毒

类型：杆状病毒：狂犬病毒〔rabis〕，水泡口炎病毒〔VSV)；副粘病毒：腮腺炎病毒〔mumps〕，麻疹病毒〔measles〕，副流感病毒；正粘病毒：流感病毒A,B,C型。(-)RNANNSMGL基因复制转录〔+〕RNA复制翻译〔-〕RNANNSMGL〔+〕mRNANNSMGL蛋白质装配核壳包膜VSV的复制N50KNS40kM26KG65KL175KInfluenzavirusA,BandCHA:hemagglutinin,15subtypies,H1,H2,H3foundinhuman.NA:neuraminidase,9subtypies,N1,N2foundinhuman.第二节原核生物基因组的构造与功能一、原核生物染色体基因组的构造与功能1、原核生物染色体DNA的根本构造与功能2、原核生物染色体基因组中构造基因的根本构造与功能特征3、原核生物染色体基因组中构造基因与调控序列的组织方式二、原核生物中的质粒DNA1、质粒的根本特征2、质粒的遗传控制3、质粒的类型1、原核生物染色体DNA的根本构造与功能类核〔nucleoid)：类核构造的中央部分由RNA和支架蛋白组成，外围是双链闭环的超螺旋DNAE.Colibacterium大肠杆菌liggyrAdnaldnaZdnaXpolCpolBdnaCssbdnaBrpoBgryAdnaAorlCdnaPgyrBdnaG5060708090100010203040大肠杆菌染色体上参与基因复制的一些主要酶基因位置dnaLdnaPdnaBdnaC尚不清楚polCdnaZDnaXDNA聚合酶、、三个亚基gyrAgyrBDNA旋转酶、二个亚基dnaA复制调理因子dnaGDNA引物〔合成〕酶rpoBRNA聚合酶亚单位ssb单链DNA结合酶poLADNA聚合酶IligDNA衔接酶2、原核生物染色体基因组构造与功能特征1〕构造基因的编码是延续的，不含内含子，转录后不需求剪切.2〕构造基因之间的编码序列不重叠.3〕基因组中很少有反复序列.4〕构造基因多为单拷贝基因，但编码rRNA的基因是多拷贝基因.5〕构造基因在基因组中所占的比例远远大于真核基因组，但小于病毒基因组.3、原核生物染色体基因组中构造基因与调控序列的组织方式1〕具有支配子的构造.2〕支配子的上游是启动子和支配元件，转录产物是多顺反子.3〕信息编码区的下游是转录终止信号:弱终止子是依赖ρ因子终止的方式;强终止子可以不依赖ρ因子终止的方式.4〕原核生物染色体基因组只需一个复制起始点.5〕基因组的功能除复制外，还有复杂的代谢活动.多肽链折叠阻遏蛋白乳糖RNA聚合酶构造基因β-半乳糖苷酶透酶乙酰转移酶乳糖支配子的作用机理：原核生物复制真核生物复制质粒(plasmid)：指细菌和某些真核细胞染色体外、细胞内的共价闭合的环状DNA分子〔cccDNA〕。〔1〕除酵母杀伤质粒为RNA外，质粒为环状超螺旋DNA。〔2〕分子量普通为106×108，小型质粒的长度普通为1.5~15kb。〔3〕质粒的复制依赖宿主细胞的复制机器。质粒可以转移。〔4〕质粒不是宿主细胞生长、繁衍所必需的物质，但他所携带的遗传信息赋予宿主细胞特定的遗传性状，如F质粒的性别；R质粒的赖药性等质粒的根本特性电镜下的DNA分子质粒的遗传控制1、复制调控系统：由ori、rep和cop基因构成2、分配系统：有分配区使质粒在细菌分裂过程中准确分配到子细胞中3、细胞分裂控制系统：抑制细胞分裂，使细胞分裂与质粒复制协调4、位点特异重组系统：由质粒的att位点、Int酶、Xis酶和宿主提供的FIS因子、IHF因子组成5、质粒的不相容性：具有一样复制起始点和分配区的两种质粒不能共存于一个宿主菌λ-噬菌体位点特异性重组〔1〕按质粒复制机理分为：严密控制型细胞内质粒拷贝数少松弛控制型细胞内质粒拷贝数多〔2〕按质粒性质分为：F质粒〔性质粒〕R质粒〔抗药质粒)col质粒〔大肠杆菌素因子〕〔3〕按转移的方式接合型质粒可挪动型质粒自传送质粒〔4〕宿主谱：窄宿主谱和宽宿主谱质粒的类型2686bpplasmidFigure3.Plasmidconstruction.The'bait'and'hunter'fusionproteinsareconstructedinthesamemanner.The'bait'DNAisisolatedandinsertedintoaplasmidadjacenttotheGAL4BDDNA.WhenthisDNAistranscribed,the'bait'proteinwillnowcontaintheGAL4DNA-bindingdomainaswell.The'hunter'fusionproteincontainstheGAL4AD.第三节真核生物基因组的构造与功能一、真核生物染色质DNA的高级构造1、DNA高级构造中的蛋白质2、DNA与蛋白质的结合与染色体的组装二、真核生物核基因组构造与功能特点1、真核细胞基因组中构造基因的构造与功能特点2、真核细胞基因组中的反复序列的构造与功能特点3、多基因家族与假基因三、真核生物线粒体基因组的构造前期的染色体(chromosome)一、真核生物染色体DNA的高级构造染色体间期染色体片段300nm纤维30nm纤维核小体串DNA片段DNA高级构造中的蛋白质1、组蛋白1〕性质：含量恒定；带正电荷，含有较多的Arg和Lys，属碱性蛋白质2〕分类：高度保守的中心组蛋白〔H2A、H2B、H3、H4〕非高度保守的中心组蛋白〔H1〕3〕构造：4种中心组蛋白均由球型部和尾部构成，球型部借Arg残基与磷酸二酯骨架间的静电作用使DNA分子缠绕在组蛋白中心周围，构成核小体；尾部有大量的Arg和Lys残基，为组蛋白翻译后进展修饰的部位2、非组蛋白1〕特性：带负电荷，属酸性氨基酸，含有较多的Asp、Glu在整个细胞周期都可以合成能识别特异性的DNA序列,位点在DNA的大沟部分2〕功能协助DNA分子折叠，以构成不同的构造域，有利于DNA复制和基因的转录协助启动DNA复制控制基因转录，调理基因表达核小体(nucleosome)：存在于真核细胞染色体内由DNA和组蛋白构成。组蛋白分子共有H1、H2A、H2B、H3和H4五种，各两分子的H2A、H2B、H3和H4构成扁平圆柱状八聚体，含146bp的DNA双链在此颗粒上缠绕1.8圈构成核小体。核小体之间由一段DNA〔约55bp〕和组蛋白H1构成的衔接区衔接构成串珠样构造。1、真核细胞基因组中构造基因的构造与功能特点真核生物的构造基因大都为断裂基因真核细胞基因转录产物为单顺反子基因组构造基因所占区域远小于非编码区域2、真核细胞基因组中的反复序列的构造与功能特点反复序列(repeatedsequances)指在基因组中多次出现的DNA序列。由特定长度的反复单位，特定的拷贝数目在空间上以特定的方式组成。根据Cot曲线分为高度反复序列，中等反复序列和单拷贝序列。3、多基因家族与假基因二、真核生物核基因组构造与功能特点反复序列：特定大小序列〔反复单位〕，特定拷贝数,在空间上以特殊方式组成正向反复

AGGTAGGTTCCATCCAAGGTNNNNAGGTTCCANNNNTCCAACTTTTCATGAAAAGTACTTNNNNTTCATGAANNNNAAGT反向反复串联两侧对称旋转对称ACGGCCGTACGGNNNNNCCGTTGCCGGCATCCCNNNNNGGCA1、高度反复序列(highrepetitivesequence)：分类：反复频率>10，反向反复序列、卫星DNA(satelliteDNA)和较复杂的反复单位组成的反复序列。1〕反向反复序列其总长度约占人基因组的5%；其长度约为300bp；多数为散在〔两对之间的平均间隔约为12kb〕2〕卫星DNA(satelliteDNA)占人基因组的5%~6%；其长度约为2~10bp功能：1〕参与复制程度的调理〔常存在于复制起始区〕2〕参与基因表达调控〔可以转录到hnRNA中；有助于稳定RNA分子〕3〕参与染色体配对〔α卫星DNA分布着丝粒附近，即同源染色体之间的联会能够依赖特定的卫星DNA序列〕62、中等反复序列分类：反复频率＜10；大多数与单拷贝基因间隔陈列，少数在基因组中成串陈列在一个区域1〕短分散反复片段〔SINES〕：长度为300~500bp(与平均长度1000bp的单拷贝序列间隔陈列)；反复次数大102〕长分散反复片段〔LINES〕：长度为3.5~5kb(与平均长度13kb的单拷贝序列间隔陈列)部位：在人基因组中中等反复序列大多不编码蛋白质；所占比例为12%类型：1〕编码序列：如RNA基因；组蛋白基因；免疫球蛋基因。2〕非编码序列：如Alu；KpnI56Alu家族的特点1、在单倍体人基因组中反复次数达30万~50万次，约占人基因组的3%~6%；2、平均长度为300bp；限制酶可将其切成130bp和170bp的两段〔AG↓CT〕3、Alu序列具有种属特异性170bp130bp..CTAGT..GGGGA…..GGGGA…………..CTAGT..内部正向反复序列〔40bp)Alu位点侧翼正向反复序列〔6-20bp)31bp的插入序列KpnI家族特点1、在单倍体人基因组中反复次数达3000~4800次，约占人基因组的1%；2、KpnI限制酶可将其切成1.2、1.5、1.8、1.9kb的4个片段；3ˊ端有广泛的同源性3、有一部分是经过KpnI序列的RNA转录产物的cDNA拷贝重新插入到人基因组DNA中产生的rRNA基因家族的特点1、各反复单位都是一样的；通常集成成族存在如rDNA区2、人类的rRNA位于13、14、15、21和22号染色体的核仁组织中每个组织平均含有50个反复单位3、5SrRNA位点是1q42-43；每单倍体基因组有1000个基因3、单拷贝序列〔uniquesequences)1〕在基因组中只出现一次或少数几次的序列(uniquesequencesessentiallycomprisessingle-copygenes,orthoserepeatedafewtimes).2〕单拷贝序列在基因组中占50%~80%〔人约60%~65%〕3〕单拷贝序列中，小部分编码蛋白质多基因家族(multigenefamily)：由某一祖先基因经过反复和变异产生的一组基因。分类：1、分布在同一条染色体上，同时发扬作用如组蛋白基因家族〔7q32-36〕2、分布在不同染色体上，其功能相关如珠蛋白基因家族(α珠蛋白在16p13.3；βγδ珠蛋白在11p15〕假基因(psuedogene)：核苷酸序列与正常功能基因类似，但不能转录或转录后生成无功能蛋白质的DNA序列。-珠蛋白基因家族(定位16p13.3，全长29kb。3个功能基因，3个假基因〕-珠蛋白基因家族(定位11p15，全长60kb。5个功能基因，2个假基因〕ζζ21212GA15～8周胚胎8～14周胚胎出生以后Yeast(chromosome3)Humanβ-globingenecluster(chromosome11)tRNAgeneORFψβ2εGγAγψ1δβAlusiteDiagramsof～80kbregionfromyeastandhumanchromosomes超基因家族(supergenefamily)由多基因家族和单拷贝基因组成，构造有程度不同的同源性，但功能并不一样的基因家族。如免疫球蛋白超基因家族，丝氨酸蛋白酶超基因家族和RAS超基因家族。免疫球蛋白超基因家族主要成员分类表DNA多态性的类型〔1〕限制性片断长度多态性〔restrictedfragmentlengthpolymorphism,RFLP〕〔2〕可变数目串联反复序列〔variablenumbertandemrepeats,VNTR)，即小卫星DNA(minisatelliteDNA)〔3〕微卫DNA(microsatelliteDNA)〔4〕单核苷酸多态性(singlenucleotidepolymorphism,SNP)ABCDA,父亲B