基因组学复习大全

第一章 基因组：生物所具有的携带遗传信息的遗传物质总和基因组学：用于概括涉及基因组作图、测序和整个基因组功能分析的遗传学学科分支一、分子基础核苷酸、2’-脱氧核糖、含氮碱基：β-N-糖基键和嘧啶环1N或嘌呤环9N、磷酸基团dNTP，前一个3’-OH和后一个5’-三磷酸缩合成磷酸脂键。双螺旋：碱基配对、碱基堆积：与DNA双螺旋主轴垂直的相邻碱基对杂环之间的互作，科增加双螺旋稳定性。大小沟：沿着双螺旋的走向交替分布两个凹槽，具有特征性的结构信息，在基因表达中重要作用，结合蛋白的特定功能域可伸入大小沟，通过氨基酸侧链和碱基杂环上的基团互作读取DNA所包含信息。DNA甲基化：细菌发生在腺嘌呤6N和胞嘧啶5C，高等只发生在后者。哺乳动物CpG变为mCpG，植物包括CpG和CpNpG。RNA:rRNA+tRNA80%、mRNA5%，大多数还含胞质内小RNA（sc）、核仁小RNA（sno），真核还有核内小RNA（sn），小分子干扰miRNA，小干扰siRNA。几乎所有RNA都会单链区段回折形成分子内双螺旋。G和U也可配对，形成两对氢键。RNA核糖2’C上连的不是H而是OH，和DNA差别：⑴非常靠近连接两个核苷酸的磷酸二酯键位置，使RNA对碱性环境非常敏感⑵活泼使RNA构型受限，双螺旋区段在数十碱基对一下⑶限制RNA长度，其易与磷酸二酯键互作断链⑷其可参与同磷酸或碱基的互作而稳定RNA折叠构型，易于形成三级结构，并获得特殊功能⑸T变为U，因此C甲基化形成的U无法区分，增加RNA突变几率。蛋白质结构：一级：N→C；二级：α螺旋：多肽链中一些连续氨基酸序列自发形成有规律的盘旋，螺距0.54，每圈3.6残基。β折叠：由侧向平行的多肽链组成，羰酰O和酰胺H形成氢键。每条5~8残基。转角（转环）：由3~4个氨基酸残基组成的紧凑U型，两端多肽形成氢键来转折，大多位于蛋白质表面，形成回折使多肽链重新定向。二级稳定性取决于多肽链中形成的氢键。三级：二级互作产生，由氢键和带有非极性基团侧链的疏水作用。四级：具三级结构多肽链形成的多亚基蛋白。高级间弱相互作用可逆、可塑、可控。基序（超二级结构）由几个二级结构组成，有特定功能，如锌指结构域：蛋白质中具有相对独立功能的模块结构。激酶域、结合域蛋白质构象变换：在不同构象之间的转变。二、序列复杂性原核生物（细菌和古细菌）、真核、细胞器基因组C值：一个单倍体基因组中DNA总量，每个种具特征C值。随着生物结构和功能复杂性增加，各分类单元最小基因组的大小随分类地位提高而递增。C值悖理：生物复杂性与基因组的大小并不完全成比例增加。序列复杂性：不同序列的DNA总长复性动力学：变性复性：互补单链在一定条件下分开，撤除条件后又恢复双螺旋。Cot1/2为其实浓度DNA在保温t时间后半数DNA完全复性的数值。与基因组复杂性成正比。大肠杆菌为标准。①快速复性组分、居间复性组分、缓慢复性组分②高度重复序列（卫星DNA）：特点：⑴由极其相似的重复拷贝首尾相连组成⑵在氯化铯介质中做密度梯度离心形成特异卫星带⑶集中分布在染色体特定区域，如着丝粒和端粒；中度重复序列：长散在、短散在序列；单一序列：原核生物基因组全部都是。低等真核大多都是。基因主要位于单一序列。证明：DNA驱动杂交。将少量mRNA或cDNA标记后与过量DNA混合，对比复性曲线，发现大多标记基因只和单一序列复性。三、基因家族DNA成分：⑴编码初级转录物的全部序列⑵为正确启动转录及转录物加工所必须的序列⑶调节转录速率的。编码RNA的基因大多为多拷贝。编码蛋白质的是单拷贝，因为RNA基因每次只转录出一个产物，且均由RNA聚合酶II转录，蛋白质编码基因的显著特征是基因编码序列的非连续性，有外显子和内含子基因家族：真核生物基因组起源于同一祖先，由加倍或趋异产生了结构功能相同或相似的基因。超基因家族：指起源于共同祖先，由相似DNA序列组成的许多基因亚家族或相似的基因成员构成功能相似的群体。联合基因：基因组中一段连续的DNA序列，编码一组关联的重叠功能产物。异常结构基因：①重叠基因：编码序列彼此重叠的基因，含有不同蛋白质的编码序列。类型：⑴单个mRNA可编码多种蛋白质⑵由不同启动子转录不同mRNA，各自编码不同蛋白质。②基因内基因：一个基因的内含子中包含另一个基因。③反义基因：与已知基因编码序列互补的负链编码的基因，对编码基因进行干扰假基因：来源于功能基因但已失去活性的序列，有些沉默有些可转录。重复的假基因、加工的假基因、残缺基因四、染色体染色体数目与生物特征无关，与基因组大小也无直接关联核小体：念珠状→30nm纤丝→中期染色体着丝粒：将DNA复制后产生的2个染色体连接在一起，纺锤丝附着的区域。端粒：保护染色体末端免受内源核酸酶的破坏，为线性染色体的末端复制提供基础，保持染色体完整性。复制起点：每个复制子都有一个质粒：另一种独立的遗传物质，含一些非必要基因，是附加的遗传成分五、基因组核基因组：24条；线粒体基因组：环状；原核真核基因组比较：复杂性较高的生物基因组的结构大多臃肿松弛，具大量重复序列。原核则相反。原因：⑴原核不含内含子⑵极少重复⑶基因数量少第二章 遗传图基因组作图：在长链DNA分子的不同位置特征性的分子标记，再将包括这些序列的克隆进行连锁定位，绘制基因组图。测序方法：①作图法：绘制高密度分子标记遗传图和大分子DNA克隆重叠群覆盖的基因组物理图，然后根据分子标记所在位置将遗传图和物理图彼此衔接绘制基因组整合图。由上而下的测序。②鸟枪法：全基因鸟枪法随机测序，然后将序列重叠片段构建重叠群，然后以大分子DNA克隆为基准，最后以分子标记为基点将归并的DNA片段锚定到染色体上。由下而上。一、遗传图与物理图①遗传作图：采用遗传分析方法将基因或DNA分子标记标定在染色体上构建连锁图称为遗传连锁图。单位为厘摩cM②物理作图：采用分子生物学技术直接将DNA分子标记、基因或克隆标定在基因组的实际位置所构建的位置图。单位厘镭cR共同之处是确定基因或DNA分子标记在染色体上的排列位置，相互校正获得基因组图二、作图标记DNA标记：①限制性片段长度多态性（RFLP）：由于同源染色体同一区段DNA序列的差异，④基因命名：座位：不是基因的同义词，而由遗传标记指定的染色体连锁图上的某位置。二、基因注释计算机注释用同源性比较。同源包括：直系同源基因：不同物种间同源基因。共生同源基因（平行同源）：同一物种基因因倍增产生。倍增基因：基因组加倍产生。三、基因功能检测1.遗传分析路线和基因功能研究的不同：前者反求遗传学，从基因出发，有目的改变靶基因来观察表型。后者正向遗传学，从表型到基因。2.基因失活是主要手段。但表型效应有时不易观察。基因剔除：将无关DNA片段取代某一特定基因。原理：在无关片段两侧连接与代换基因两端相同序列，导入目的细胞，同源重组后整合到了目标染色体上。3.基因过量表达（功能增益）：⑴增加拷贝⑵采用强启动子四、高通量基因功能研究方法1.构建突变库：要求：⑴突变体可以稳定遗传⑵可以有效快速地分离突变基因⑶可反复不断产生突变基因标签法：利用转座子构建插入突变库，系统地分离与克隆功能基因和调控序列。依据：⑴植物细胞全能型，外源基因可表达⑵转座子的随机插入可获得大量突变，根据插入来合成探针，可分离被破坏位点来分析组成⑶可发生回复突变。Ac-Ds转座子系统原理：Ac因子转座酶基因构建嵌合载体；外显子捕获载体构建；植株AB杂交；增强子捕获载体。2.蛋白质互作：互作的两个蛋白，一个已鉴定，则可分离分析另一蛋白。噬菌体外显：检测基因和噬菌体外壳蛋白基因融合，当遇到互作蛋白会发生聚合，纯化后检测。酵母双杂交系统。五、组学转录物组：某一条件下单个或一组细胞具有的mRNA总和，可由SAGE基因表达系列分析六、基因本体：通用词汇体系。分为三方面，细胞组分，生物学过程，分子功能，其编排是以树形图方式展开来对基因和基因功能进行描述的。第六章基因组解剖一、原核基因组解剖操纵子、最小基因组、完美基因组二、真核染色体数目：一种蚂蚁最短；染色体组型（核型）；染色体核型分析；染色体显带：有些染料可以和中期染色体特异性结合产生独特带型；常染色质和异染色质区别：异：分布在细胞核周缘，染色深，结构紧密，使控制基因表达的蛋白无法接近DNA、常：染色浅，基因松散有活性，调控因子可以接触。异染色质：组成型：不含任何基因，持久保持致密，例如着丝粒和端粒。兼性：周期性处于活性状态。异常染色体：小染色体：体积小，但富含基因。B染色体：正常染色体的断片，存在时会影响生物表型。DNA环：中期染色体除去结合蛋白剩下的从致密蛋白骨架向外伸展的DNA环。核基质：类似支架的网状结构，分布在整个细胞核中结构区域：被核基质分隔成的相对独立的区域骨架附着区：染色体骨架结合着的DNA序列基质附着区：核基质结合的DNA序列等高线：连续分布的具有相似碱基组成的DNA区段，在基因组中成片镶嵌排列。CpG岛：指基因组中富含双碱基CpG的序列，GC含量60%-70%。分布：人染色体的R带区；管家基因和大部分组织专一性表达基因的5’侧翼区以及第一个外显子区。特点：分布、CpG岛中CpG双碱基均为甲基化。作用：CpG岛总与基因相连，可作为寻找基因依据。遗传图和物理图比较启示：⑴重组率随染色体长度增加而递减⑵近着丝粒区重组受影响⑶染色体连锁不平衡区的碱基组成和基因组成有明显特征，表明其受到自然选择的影响。操纵子与原核比较：⑴没有操纵基因序列⑵内部多顺反子之间间隔序列更长⑶多顺反子具有外显子和内含子结构，转录产物首先通过反式剪接产生单个顺反子前体mRNA，再进行内含子切除外显子连接。细胞器基因组：半自主性细胞器，⑴基因组为多拷贝⑵大小与生物复杂性无关⑶具有编码rRNA基因，呼吸链基因，部分含tRNA基因线粒体基因组和叶绿体基因组比较：⑴线粒体：结构非均一；不同种属间大小差距较大；含有大量短序列正向或反向重复，产生很多分子内重组。⑵叶绿体：结构紧凑；不同种属基因组大小较恒定；具有两段很长的反向重复序列，阻止分子内重组。细胞器基因组起源：内共生学说：曾是游离细菌，与远古真核细胞结合，并最终定居。依据：基因表达过程与细菌非常相似。细胞器基因可以进入核基因而相反则不能，由于基因必须获得一段转移信号肽序列才能使其编码蛋白质再进入细胞器。三、、转座子和分散重复序列DNA转座子：DNA直接转座；包括：复合转座子、Tn3型转座子、可转座噬菌体。RNA转座子：以RNA为中介进行转座。包括：LTR因子（含有负责转座的长末端重复序列）：真核生物逆转座子、内源逆转录病毒、逆转座子。非LTR因子：LINE长散在原件（含转座酶基因）、SINE短散在原件（无转座酶基因，需用寄主转座酶）四、串联重复序列卫星DNA、小卫星序列、微卫星序列五、人类基因组：小的原因：人类基因的mRNA具有更多的可变剪切方式。人类蛋白质组含有的域构建类型多。第十章表观遗传一、表观遗传：与DNA序列组成，基因空间位置，染色质构型变化，DNA碱基修饰有关定义：染色体区域的一种适应性结构，可使改变的活性状态注册、传导或持续。表观遗传特点：⑴主体是染色质活性可变性⑵核心是染色质结构改变⑶染色质结构变化可以是持续的或非持续的⑷染色质活性和结构改变由程序控制。表观遗传学特点：⑴研究基因如何发挥功能及互作关系⑵研究范畴只涉及DNA序列之外使基因表达模式改变并可稳定遗传的因素副突变：不涉及基因突变，通过等位基因互作改变基因表达模式并遗传。包括：副突变基因（诱导）、可副突变基因、已副突变基因。位置效应：基因由于染色体位置变化而使表达改变基因组印记（亲代印记）：等位基因来自不同性别亲本而在发育过程中经专一性（甲基化）加工使表达模式发生可遗传变化。表观遗传机制：染色质重建：染色质由收缩状态向伸展开放状态的转变；DNA甲基化二、位置效应类型：①因染色质的物理状态处于极度收缩而使活化因子无法接触内部基因而关闭②有座位控制区LCR在5端上游对下游进行调控。座位控制区与下游基因组成功能域。绝缘子：可以制止临近位置激活或失火的序列，作用仅限于隔绝相邻染色质区域影响，对其本身表达活性无关。定向控制：绝缘子效应具方向性。单等位基因表达：2个等位基因成员只有一个选择性表达。三、DNA甲基化原理：将S-腺苷甲硫氨酸的甲基基团转移到DNA的碱基结构中。低等真核：腺嘌呤甲基转移酶，高等：胞嘧啶~特点⑴确定细胞命运⑵决定基因表达模式的重要因素⑶在上下代间传递⑷只修饰影响表型和遗传而不改变碱基方式：⑴局部影响染色质结构组织转录因子与启动子/增强子结合控制基因表达。⑵大范围影响染色体基因表达四、染色质重建和核小体1.核小体相位（定位）：指一段序列确定的DNA与核小体核心八聚体的结合方式。方法：内在要求，合适的DNA序列优先定位；外在影响，第一个定位随后加入的以第一个为基准按限定长度重复组装。平移定位：移动10bp时缠绕核小体的序列会改变位置，但不改变DNA序列朝向旋转定位：移动小于整圈螺旋碱基对数（10.2bp）原有序列朝向发生变化。均通过影响蛋白质和DNA的接触来调控基因表达。转录时核小体移位：RNA酶接近核小体时停止移动，热力学校应使其继续位移，聚合酶侵入缠绕在核小体上的DNA内部，并使其暂离核小体，转录后复位结合，重复发生DNA依次环突直到转录完成。2.先入模型：转录起始复合物取代启动子区核小体核心组蛋白位置，争夺DNA爪蟾：卵母细胞5SrRNA基因+体细胞5SrRNA基因，仅在ICR5端有3到6个碱基差别，囊胚期前前者主导，囊胚期后优势转变，原肠胚到体细胞使其后者主导。动态模型：蛋白质之间互作和蛋白质DNA间接触需要ATP参与五、表观遗传通路：表观遗传是由程序严格控制的。分子机制：⑴产生表观遗传的初始原因：表观源，诱导发生；⑵信号，指导确立染色质重建的范围和模式：表观起始子；⑶代际间维持和传递：表观维持子。组蛋白修饰：甲基化乙酰化磷酸化泛素化。使染色质松弛原因：减少位于NH4+的正电荷，降低组蛋白与DNA亲和性，减弱核小体间相互作用。表观遗传密码假说：每个真核细胞具有的修饰总和，由组蛋白密码和DNA甲基化组成组蛋白密码假说：组蛋白的化学修饰可部分调控储存在DNA中的信息表达。第十三章基因组进化模式遗传系统的起源最初的生命：自我复制、积累变异保持遗传。核酶：⑴自我剪接⑵催化切断其他RNA⑶催化肽键形成⑷催化核苷酸合成类膜结构：⑴使生化反应更集中⑵为过滤和选择周围环境的化学分子提供了可能⑶催化功能的蛋白质出现后，定位在脂膜上的蛋白质可以组成有序的反应链，为建立细胞结构奠定基础。氧化还原反应是生命利用化学能构建有序物质形态的生化基础。蛋白质的催化优点：多肽链有更大可塑性，RNA分子长度有限且配对区物理刚性较大。RNA催化活性转移到蛋白质是RNA原始基因组功能的根本性改变，使RNA与蛋白质分工明确，进而提高整个系统的效率。此后RNA和蛋白质联手以RNA为模板合成DNA。古细菌的转录和翻译相关基因的起源与真核生物更接近，而代谢基因与真细菌接近。新基因两次扩张：第一次：14亿年前真核生物出现，10000基因。第二次寒武纪脊椎动物出现。新基因产生方式：⑴基因加倍后趋异⑵外显子或结构域洗牌⑶逆转录及其后的趋异或重排⑷外源基因水平转移⑸基因裂变和融合⑹非编码序列转变为编码序列。基因加倍方式：基因组加倍；单条或部分染色体加倍；单个或成群基因加倍。多数核苷酸序列变化会造成基因失活，成为假基因，少部分会形成新的功能，对进化做贡献。2R假说：在无颌类脊椎动物出现之前和之后分别有一次全基因组的加倍，即脊椎动物有两次。尽管脊椎动物中发生过加倍，但大多数加倍基因为保留下来或失去功能，因此脊椎动物中很少有完整的多倍体物种。可能和动物的封闭式发育模式有关，胚胎时几乎所有未来气管原基在同时产生，需要高度协同，多倍体带来的基因剂量不平衡会产生致命影响。而植物的开放式，营养器官可以不断重复产生，且绝大多数细胞可独立从外界获取能量，减小了器官彼此的依赖程度，可以忍受多倍体带来的影响。基因加倍可以通过基因测序和EST分析发现。基因加倍：不等交换：位于同源染色体上不同位置的相似核苷酸序列之间发生的重组事件，结果是在重组区段产生重复DNA。姐妹染色体间的不等交换。基因重复：脊椎动物的进化动力。区段重复（低拷贝重复）：基因组中两个或多个位置具有连续的相同DNA序列，是基因组进化的主要方式之一，灵长类很多。基因组融合：原核和真核内共生产生线粒体叶绿体，原核生物之间DNA水平转移，植物异源多倍体都是基因组融合促使生命形式多样化的例子。外显子或功能域洗牌：由不同基因中编码不同结构域的片段彼此连接形成新的序列。外显子洗牌：外显子可以作为独立的模块用来构建不同的蛋白质，是新基因产生的重要途径。证据：⑴蛋白质中外显子编码的多肽链形成一个相对独立的结构域⑵内含子的排列位置常常落在两个相邻的具有独立结构或功能的多肽链编码序列间⑶与独立空间构型形成有关的氢键二硫键主要存在外显子编码的多肽链中⑷蛋白质中重复的外显子多肽链产物总和重复结构或功能单元对应⑸非同源基因中同源的外显子多肽链产物具有相似结构或功能。功能域加倍：编码结构域的基因区段可因不等交换或DNA加倍使拷贝增加，进而发生突变。原核生物DNA水平转移：⑴自私操纵子，非必须基因在不断获取丢失中趋向组成功能协调和便于共调节的操纵子⑵转化。真核生物：逆转录病毒。重复基因突变后的命运：⑴趋异成为新基因⑵调控序列的突变而拥有新的表达模式⑶处于进化之中与祖先基因在功能上重叠，表现为冗余基因⑷丧失功能成为假基因⑸丢失。冗余基因：重复后多余出来的基因，包括：⑴年轻的重复基因⑵正在向新功能过渡的⑶保留部分功能重叠的同源基因包括：直系：不同物种中起源于同一祖先的基因；共生：加倍产生的重复基因。非编码序列的扩张非编码序列包括：⑴高度重复序列⑵转座因子，逆转录转座子+DNA转座子，分布在整个基因组⑶其他的基因间和内含子中的非编码序列。转座因子TE对基因组进化的影响：促使染色体区段的重组和交换；提供转录调控原件；增添前体mRNA的剪接信号和加尾信号；提供新的蛋白质的编码序列。序列扩张途径：⑴基因组或染色体区段的重复⑵转座子的活化增加拷贝。内含子起源：I/II/III型起源于RNA，争论围绕在GU-AG内含子内含子早起源假说：在生命起源早期就存在，随进化丢失。内含子晚起源：进化中出现而逐渐累积。比较遗传学比较基因组学：在基因组水平上研究不同物种和品系之间在基因组结构与功能方面的亲缘关系及内在联系的一门交叉学科。通过大量生物信息的收集整理，发现自然选择信号与进化轨迹，了解进化过程和机制。基因共线性（同线性）：在许多亲缘物种中，除了基因组组成相似外，序列也存在一致性。其可出现在不同基因组的对应区段或同一基因组不同染色体位置。破坏基因组同线性因素：转座、插入、染色体重排、区段加倍和缺失。用基因同线性程度估算物种分化年代时应避免高保守和高变异区段。同线性难进行跨种的基因分离：因为近源物种基因组在很多区段显示了很好的宏观同线性，但微观同线性并不完美，往往被局部插入、倒位、缺失打乱基因岛：区段基因密度比全基因组平均密度高得多。基因岛上的基因群常常有功能相关性，可能因此造成基因的紧密连锁。基因协同进化：执行同一生物学功能的基因有