真核生物的基因组

关于真核生物的基因组掌握断裂基因、端粒的概念、重复序列分类。掌握真核生物染色体的一般特征，线粒体的遗传特性。熟悉基因的转移，假基因，DNA的甲基化了解基因家族，DNA指纹及转座元件学习的目标与要求第2页,共67页，2024年2月25日，星期天基因的概念基因的概念随着分子遗传学、分子生物学、生物化学领域的进展而不断完善。从遗传学角度看：基因是生物的遗传物质，是遗传的基本单位----突变单位、重组单位和功能单位。从分子生物学角度看：基因是负载着特定遗传信息的DNA分子片段，在一定条件下能够表达这种遗传信息，执行特定的生理功能。复习第3页,共67页，2024年2月25日，星期天基因组（genome）是指生物体中一套完整的遗传物质的总和。基因组的结构是指具有一定生物学功能的片段在核酸分子上的分布与排列情况。基因组的功能是贮存和表达遗传信息。第4页,共67页，2024年2月25日，星期天真核生物基因组都是由大分子双链线状DNA构成。染色体通常成对出现（双倍体）。基因组非常庞大，结构非常复杂，有多个复制起始位点。一、真核生物基因组的特点（一般特征）第5页,共67页，2024年2月25日，星期天基因组中存在大量的重复序列以及非编码序列。真核生物基因组内非编码序列占90%以上，是与细菌、病毒的重要区别，在一定程度上也是生物进化的标尺。功能基因大多不连续，存在有内含子和外显子；真核生物基因组中也存在一些可移动的DNA序列（转座元件）。第6页,共67页，2024年2月25日，星期天真核生物基因组中通常存在大量的重复序列，可占整个基因组DNA的90%以上。采用复性动力学方法来研究真核生物基因组时，可按其复性速度的快慢或出现频率的高低，将这些重复序列分为高度重复序列，中度重复序列和单拷贝序列三大类。二、真核生物基因组中重复序列的结构与功能第7页,共67页，2024年2月25日，星期天（一）高度重复序列：高度重复序列在基因组中重复频率高，可达106次，因此复性速度很快。高度重复序列在基因组中所占比例随种属而异，一般在10～60%范围内。人的高度重复序列约占整个基因组的20%

左右。第8页,共67页，2024年2月25日，星期天

反向重复序列（invertedrepeats）：是由两个相同顺序的互补拷贝在同一DNA

双链上反向排列而成。高度重复序列按其结构特点可分为三种：

第9页,共67页，2024年2月25日，星期天反向重复序列的两种形式发卡结构第10页,共67页，2024年2月25日，星期天回文结构画上荷花和尚画书临汉字翰林书第11页,共67页，2024年2月25日，星期天卫星DNA（satelliteDNA）：卫星DNA的重复单位一般由2～70bp组成，成串排列。卫星DNA占基因组的比例随种属而异，在0.5～31%范围内。第12页,共67页，2024年2月25日，星期天卫星DNA的碱基组成不同于其它部分，故可用等密度梯度离心法从基因组中分离出来。第13页,共67页，2024年2月25日，星期天人类基因组中可分离出三类卫星DNA，共占人类基因组的5~6%：大卫星DNA（macrosatelliteDNA）：其重复单位为5~171bp，主要分布于染色体的着丝粒区。小卫星DNA（minisatelliteDNA）：其重复单位为15~70bp，存在于常染色体。第14页,共67页，2024年2月25日，星期天微卫星DNA/短串联重复序列（microsatelliteDNA/shorttandemrepeat,STR）：其重复单位为2~5bp，存在于常染色体，常见于内含子中。人类基因组DNA中平均每6～10kb就有一个STR位点。不同个体之间在一个同源STR位点的重复次数不同。由于重复单位及重复次数不同，使其在不同种族，不同人群之间的分布具有很大差异性，构成了STR遗传多态性。第15页,共67页，2024年2月25日，星期天DNA指纹同一种属中不同个体的高度重复顺序的重复次数不一样，这可以作为每一个体的特征，即DNA指纹。STR分析法已经成为法医学领域个体识别和亲权鉴定的重要分析方法，可应用于司法案件调查，也就是遗传指纹分析。第16页,共67页，2024年2月25日，星期天AlecJ.Jeffreys和历史上第一张DNA指纹图谱15-yearoldLyndaMann

15-yearoldDawnAshworth第17页,共67页，2024年2月25日，星期天1802年的一副杰斐逊和莎莉的讽刺画像第18页,共67页，2024年2月25日，星期天第19页,共67页，2024年2月25日，星期天（二）中度重复序列：中度重复序列是指在基因组中重复数十次至数万次的部分，其复性速度快于单拷贝序列，但慢于高度重复序列。第20页,共67页，2024年2月25日，星期天中度重复序列中有一部分是编码rRNA、tRNA、Alu家族、组蛋白及免疫球蛋白的结构基因，另一部分可能与基因调控有关。第21页,共67页，2024年2月25日，星期天真核基因组中，中度重复序列主要包括短散在核元件（shortinterspersednuclearelements，SINEs）和长散在核元件（longinterspersednuclearelements，LINEs）。第22页,共67页，2024年2月25日，星期天典型的短散在核元件（SINEs）是灵长类所特有的Alu重复序列家族，因在其序列中存在限制酶Alu的切点而得名。限制性内切酶Alu的切点为（AGCT),将其切成

130bp和170bp的两段。第23页,共67页，2024年2月25日，星期天Alu家族的功能是多方面的，可能参与hnRNA的加工与成熟，也与遗传重组及染色体不稳定性有关。最近研究表明，Alu顺序可能具有转录调节作用。遗传信息从DNA分子转录到RNA分子中的过程称为转录(transcription)。在真核生物中，最初转录生成的RNA称为不均一核RNA(heterogeneousnuclearRNA,hnRNA)。核内不均一RNA为存在于真核生物细胞核中的不稳定、大小不均的一组高分子RNA（分子量约为105～2×107，沉降系数约为30—100S）之总称。占细胞全部RNA之百分之几，在核内主要存在于核仁的外侧。认为hnRNA多属信使RNA（messengerribonucleicacid，mRNA）之前体，包括各种基因的转录产物及其成为mRNA前的各中间阶段的分子，在5’末端多附有间隙结构，而3’的末端附有多聚腺苷酸聚合酶分子。这些hn-RNA在受到加工之后，移至细胞质，作为mRNA而发挥其功能。大部分的hnRNA在核内与各种特异的蛋白质形成复合体而存在着第24页,共67页，2024年2月25日，星期天典型的长散在核元件（LINEs）是KpnⅠ重复序列家族，因在其序列中存在限制酶KpnⅠ的切点而得名。KpnⅠ家族的重复单位一般为6~7kb或更长，其两侧也各有一段正向重复序列，功能上与Alu家族相似。第25页,共67页，2024年2月25日，星期天（三）单拷贝序列（单拷贝基因）：单拷贝序列在基因组中只出现一次或少数几次，因此复性速度很慢。单拷贝序列属于结构基因，它储存了巨大的遗传信息，编码各种功能不同的蛋白质。第26页,共67页，2024年2月25日，星期天1、、断裂基因（splitgene）。

真核生物的结构基因的DNA序列由编码序列和非编码序列两部分组成，编码序列是不连续的，被非编码序列分割开来，称为断裂基因（splitgene）。其包括外显子和内含子。第27页,共67页，2024年2月25日，星期天（1）、外显子和内含子在结构基因中，编码序列称为外显子(exon)，表达多肽链部分。非编码序列称为内含子(Intron)，又称插入序列。β珠蛋白基因（1700bp）=3个外显子+2个内含子。DMD基因（2300kb）=79个外显子+78个内含子。（迄今认识的最大的基因）第28页,共67页，2024年2月25日，星期天真核生物内含子和外显子不是完全固定不变的，有时同一DNA链上的某一段DNA序列，当它作为编码某一多肽链的基因时是外显子，而作为编码另一多肽链时，则是内含子。这样，同一基因却可以转录两种或两种以上的mRNA。真核生物某些结构Gene没有内含子，如组蛋白Gene，干扰素Gene等。它们多以基因簇形式存在，大多数的酵母结构Gene也没有内含子。第29页,共67页，2024年2月25日，星期天5`GT——AG3`法则在每个外显子和内含子的接头区都是一段高度保守的共有序列，内含子的5`端是GT，3端是AG，这种接头方式称为GT-AG法则，普遍存在于真核生物中，是RNA剪接的识别信号，转录后的前体RAN中的内含子剪接位点。第30页,共67页，2024年2月25日，星期天断裂基因存在的意义断裂基因存在是生物进化的结果，是从复制水平而言，不同的外显子可分别编码不同的功能结构域，基因外显子不同的组合产生新的编码蛋白质，即是外显子改组。如血红蛋白和肌红蛋白均由独立的外显子编码结合血红素的结构域。第31页,共67页，2024年2月25日，星期天（2）、侧翼序列与调控序列每个结构基因的第一个和最后一个外显子的外侧，都有一段不被转录的非编码区，称为侧翼序列（Flankingsequence）。它是基因的调控序列，对基因的有效表达起调控作用，包括：启动子、增强子、终止子等。第32页,共67页，2024年2月25日，星期天1.单顺反子多数的真核生物不存在操纵子结构，每一个基因都单独构成一个转录单位，转录产生单顺反子mRNA，及编码一种蛋白质。这是原核生物基因的操纵子结构，转录产生多顺反子mRNA，可编码多种蛋白质。第33页,共67页，2024年2月25日，星期天复习：原核生物基因转录翻译的过程第34页,共67页，2024年2月25日，星期天第35页,共67页，2024年2月25日，星期天真核生物基因组中的重复序列第36页,共67页，2024年2月25日，星期天三、基因家族与假基因基因家族（multigenefamily）——指DNA序列具有较高的同源性（通常大于50%），并且其编码产物具有相同或相似生理功能的一组结构基因。多基因家族中的基因通常是由同一祖先基因经进化或变异而来。第37页,共67页，2024年2月25日，星期天多基因家族可分为两类：基因家族成簇地分布在同一染色体上并同时进行转录，如组蛋白基因家族；chromosome7第38页,共67页，2024年2月25日，星期天基因家族成簇地分布于不同的染色体上并分别进行转录，且不同基因编码的蛋白质在功能上相关，如珠蛋白基因家族。第39页,共67页，2024年2月25日，星期天珠蛋白多基因家族的组织结构-类珠蛋白基因家族-类珠蛋白基因家族chromosome11chromosome16第40页,共67页，2024年2月25日，星期天假基因（pseudogene）——又称为加工基因或非功能基因。这类基因的核苷酸顺序虽然与正常的结构基因很相似，但基本上不能表达。

第41页,共67页，2024年2月25日，星期天人类染色体上的假基因第42页,共67页，2024年2月25日，星期天假基因是由于在进化过程中，某些DNA片段发生了缺失、倒位或点突变，导致调控基因丢失；或无剪接加工信号；或编码区出现终止信号；或编码无功能或不完整的基因。雁过尚且留声，人生岂能无痕第43页,共67页，2024年2月25日，星期天四、端粒与端粒酶第44页,共67页，2024年2月25日，星期天第45页,共67页，2024年2月25日，星期天第46页,共67页，2024年2月25日，星期天第47页,共67页，2024年2月25日，星期天转座元件（transposableelement）/转座子（transposon）是指能够在DNA分子内部或DNA分子之间移动的DNA片段或基因。它们从基因组的一个部位直接转移到另一个部位，这个过程称为转座（transposition）。五、基因的转移（教材29页）：转座元件第48页,共67页，2024年2月25日，星期天1983年诺贝尔生理学或医学奖McClintock(1902-1992）第49页,共67页，2024年2月25日，星期天转座子不仅能够在基因组内转移，而且还能够改变基因的活性并引起功能的改变。转座子有时插入到一个结构基因或基因调节序列内，引起基因表达的改变。现在认为转座子存在于地球上所有的生物。第50页,共67页，2024年2月25日，星期天线粒体DNA（mitochondrialDNA,mtDNA）属于真核细胞核外遗传物质，可独立编码存在于线粒体中的多肽链、rRNA或tRNA。mtDNA为双链环状DNA，其分子结构特点与原核生物DNA相同。第二节、染色体外的基因---线粒体一、线粒体DNA的结构第51页,共67页，2024年2月25日，星期天一、线粒体DNA的结构

mtDNA长16,569bp，含37个结构基因，编码13种蛋白、22种tRNA和2种rRNA。这13种蛋白质为呼吸链酶复合物的单位。第52页,共67页，2024年2月25日，星期天二、线粒体DNA的遗传特性线粒体DNA（mitochondrialDNA,mtDNA）属于母性遗传的核外遗传物质，其具有独特的分子结构、功能、变异的规律与核DNA有较大的区别。第53页,共67页，2024年2月25日，星期天二、线粒体DNA的遗传特性1、非孟德尔的母系遗传。由于线粒体存在于细胞质中，受精过程中仅精子的细胞核与卵子融合，产生的合子从卵子的细胞质中得到线粒体和相关的mtDNA。即母亲将她的mtDNA传递给儿子和女儿，再由女儿将其传递给下一代，父亲从不将其mtDNA传递给后代。由此导致了线粒体遗传病的传递模式与经典孟德尔性状的传递模式不同（图6－3）。如果家族中发现一些男女成员具有相同的临床症状，而且是从受累的女性传递下来，家系分析又不符合XD遗传，就应考虑可能是由于线粒体DNA突变造成的。第54页,共67页，2024年2月25日，星期天图6－3

线粒体DNA的母系遗传

第55页,共67页，2024年2月25日，星期天2、半自主性复制与协同作用

线粒体DNA能够编码自己的mRNA、rRNA和tRNA，合成一部分自身所需的蛋白质，线粒体的这一功能称为线粒体的半自主性。线粒体中的大多数蛋白质是核基因编码的，在细胞质中合成。因此，线粒体的生长繁殖是核-质两套遗传系统共同控制的结果。

第56页,共67页，2024年2月25日，星期天3.异质性与纯质性

异质性（heteroplasmy）表示一个细胞或组织既含有野生型线粒体基因组又含有突变型线粒体基因组。当异质性细胞经过有丝分裂和减数分裂时，随机分离到两个子细胞中的突变型和野生型mtDNA的比例发生改变，mtDNA基因型分别向纯合突变型和纯合野生型漂变，经过无数次分裂后，细胞中的mtDNA达到纯合型，即纯质性（homoplasmy）。纯质性是指一个细胞或组织中所有的线粒体DNA具有相同的基因型。或者都是野生型序列，或者都是携带一个基因突变的序列（图6－4）。第57页,共67页，2024年2月25日，星期天图6－4

mtDNA的复制分离

第58页,共67页，2024年2月25日，星期天4.阈值效应

在杂质性细胞中，突变型与野生型线粒体的比例确定了细胞是否能量短缺，即当突变达到一定的比例时，才有受损表型出现。如果携带突变型线粒体数量很少，则产能不会受到明显的影响。相反，在含有大量突变型线粒体基因组的组织细胞中，产生的能量可能不足以维持细胞的正常功能，这就会出现异常性状，即线粒体病（图6－5）。换句话说，对于线粒体病，存在着表型表达的阈值。这种线粒体基因突变产生有害影响的阈值明显地依赖于特定细胞或组织对能量的需求。因此，那些高需能的组织，如脑、骨骼肌、心脏和肝，非常容易受到线粒体DNA突变的影响。第59页,共67页，2024年2月25日，星期天图6－5

mtDNA的阈值效应第60