基因组的结构和功能专家讲座

第三章基因组结构和功效基因（gene）

是编码有功效蛋白质多肽链或RNA所必需全部核苷酸序列。

一个基因不但仅包含编码蛋白质肽链或RNA核酸序列,还包含转录所必需调控序列及位于编码区5`端上游非编码序列、内含子和位于编码区3`下游非编码序列。基因组的结构和功能专家讲座第1页基因组（gencme）

细胞或生物中，一套完整单倍体遗传物质总和称为基因组。人类基因组包含22条染色体和X、Y两条性染色体上全部遗传物质（核基因组）以及胞浆线粒体上遗传物质（线粒体基因组）。不一样生物基因组结构与组织形式上有巨大差异，病毒基因组结构简单，所含结构基因极少；原核生物基因组所含基因数量较多，且有了较为完善表示调控体系；真核生物基因组所含基因数量巨大，表示调整系统也更为准确。基因组的结构和功能专家讲座第2页第一节病毒基因组病毒是最简单生命形式，病毒是不能单独繁殖生物体，它是一类只能在宿主细胞内进行复制最小微生物。遗传信息延续组成了其生命主要内容。病毒基因组主要功效就是确保基因组复制及其向子代传递，整套基因组所编码蛋白质都是与基因复制、病毒颗粒包装以及病毒向其它宿主细胞传递亲密相关。完整病毒颗粒含有蛋白质外壳，以保护病毒核酸不受核酸酶破坏，并能识别和侵袭特定宿主。基因组的结构和功能专家讲座第3页（一）病毒基因组能够由DNA组成，也能够是RNA组成，但每一个病毒颗粒只有一个核酸组成。乳头瘤病毒、乙肝病毒双链环状DNA腺病毒、疱疹病毒双链线状DNA脊灰病毒单链RNA呼肠孤病毒双链RNA病毒基因组结构功效特点基因组的结构和功能专家讲座第4页RNA病毒基因组分为以下几个类型复制负链RNA复制正链RNA正链RNA1、单股正链RNA病毒基因组：SARS冠状病毒；HIV病毒、白血病病毒、肉瘤病毒正链RNA逆转录酶双链cDNA插入宿主细胞基因组成为前病毒转录出正链RNA2、单股负链RNA病毒基因组：滤泡性口腔炎病毒、流感病毒、副流感病毒等负链RNA正链RNA复制负链RNA3、双链RNA病毒基因组：轮状病毒、呼肠孤病毒基因组的结构和功能专家讲座第5页DNA病毒基因组分为以下几个类型DNA病毒基因组也有单、双链和正、负股之分。因为单链DNA在转录之前都要合成互补DNA，所以正股、负股DNA区分没有真正显示出来。DNA病毒基因组能够有环状（乳头瘤病毒）和线性（腺病毒）之分（二）、病毒与细菌或真核生物相比，基因组小、基因数少，所含遗传信息也对应少。同时病毒基因组之间差异大。基因组的结构和功能专家讲座第6页（三）、病毒基因组有重合基因存在。

一段序列可编码2种或2种以上蛋白质，基因重合即使共用同一段核酸序列，但转录成mRNA链阅读框不一样。（四）、基因有连续和间断。

噬菌体基因是连续，基因中无内含子。但感染真核细胞病毒基因是不连续，有内含子。（五）、病毒基因组大部分是用来编码蛋白质(90%)，只有一小部分不被翻译。基因组的结构和功能专家讲座第7页

（六）、相关基因丛集

病毒基因组DNA序列中功效相关编码蛋白质基因或rRNA基因常集中在基因组一个或几个特定部位形成一个功效单位或转录单元，它们可被一起转录成多顺反子ｍＲＮＡ，然后加工成各种ｍＲＮＡ。（七）、除反转录病毒基因组有两个拷贝外，其它病毒基因组都是单倍体。基因组的结构和功能专家讲座第8页第二节原核生物基因组

原核生物生命活动不但仅是简单复制基因组，还有复杂代谢活动，即利用外界环境中营养成份，获取本身所需能量，合成本身生长所需材料。原核生物需要依据外界环境改变，调整本身酶系统组成及功效，利用不一样营养物质，调整细胞内一些蛋白质数量，应付环境改变。所以原核生物基因组结构基因数量和功效类型远远多于病毒基因组。基因组的结构和功能专家讲座第9页1.基因组通常仅由一条环状双链DNA分子组成。其DNA是与蛋白质结合，但并不形成染色体结构，只是习惯上将之称为染色体。细菌染色体DNA在胞内形成一个致密区域，即类核（nucleoid），类核无核膜将之与胞浆分开。2.功效相关几个结构基因往往串联排列在一起组成操纵子结构，受上游共同调控区控制。3.原核生物基因组中基因密度非常高,结构基因是连续多为单一拷贝。

一、原核生物基因组结构与功效特点基因组的结构和功能专家讲座第10页4.结构基因无重合现象，基因组中任何一段DNA不会用于编码2种蛋白质。5.在原核生物基因组中含有编码同工酶基因。6.在不一样原核生物基因组中GC含量改变很大。7、在原核生物基因组非编码区内主要是一些调控序列。

复制起始区、复制终止区、转录开启区和终止区等。这些区域往往含有特殊序列，而且含有反向重复序列。8、细菌基因组中可移动成份能产生转座现象。9、除细菌染色体外，还有能自主复制双链环状DNA分子，称为质粒。基因组的结构和功能专家讲座第11页二.转位因子

转位因子（transposableelement）即可移动基因成份（可移动基因，movablegenemob），是指能够在一个DNA分子内部或两上DNA分子之间移动DNA片段。在细菌中指在质粒和染色体之间或在质粒和质粒之间移动DNA片段（文件上有时形象地称其为是跳跃基因，jumpinggene）。转位也是DNA重组一个形式。

基因组的结构和功能专家讲座第12页移动基因最早由美国冷泉港试验室（coldspringHarborLaboratory）女科学家B.MClintock于上个世纪40年代晚期在玉米中首次发觉。60年代，为J.A.Shapirc研究大肠杆菌高效突变试验证实。1983年荣获诺贝尔生物学医学奖。基因组的结构和功能专家讲座第13页细菌转位因子包含插入序列，转座子及可转座噬菌体。

1.插入序列（insertionsequence,IS）

插入序列是一类较小没有表型效应转位因子，长度为700-BP，其组成除带有一个与转座作用相关转位酶基因外，在其两侧有反向重复序列及靶位点。同时IS转位频率为10-7/拷贝，即在一个传代107细菌中有一次插入。插入方向能够正向，也能够反向。

TSTranspcsasegeneTSIRIRtargetsite（TS）靶位点Transposasegene转位酶基因invertedrepeated（IR）反向重复次序IS示意图（一）转位因子种类及特征基因组的结构和功能专家讲座第14页Tn是一类较大可移动成份，长度在-20，000bp，除相关转座基因外，最少还含有一个以上与转座无关，但决定宿主菌遗传性状基因。如抗药基因等。Tn是在研究抗药基因中发觉，由此知道抗药基因可在质粒之间，质粒与染色体之间或质粒与可转座噬菌体之间往返移动，Tn转位原理和Is基本相同，转位频率为10-3至10-6/拷贝之间。

2.转座子（transposon,Tn）基因组的结构和功能专家讲座第15页3.可转座噬菌体（transposablephage）(1)包含Mu和D108两种噬菌体，是一类温和噬菌体。(2)感染细菌后，能够整合到细菌染色体中，插入位点是随机（而入phage插入位点是专一），能够插到结构基因内部，引发突变，Mu即Mutator(突变子)所以得名。(3)插入时，一个拷贝留在原位，新合成拷贝插入新部位。(4)和IS，Tn相比，Mu末端不含IR，这是可转座成份一个例外。基因组的结构和功能专家讲座第16页(二)转位作用机理

转位作用能够分为和。通常带有内解离区（res位点）转座因子以复制转座为主，而无解离区以简单转座为主。简单转痤（单纯转座）复制性转座基因组的结构和功能专家讲座第17页1.复制性转位机理：

转座因子在其本身tnpA基因编码转座酶作用下，首先在转座成份双链相反极性端同时出现单链切口。与此同时，一个DNA内切酶在靶点序列两侧各一条单链上造成一切口。随即，供体上转座因子游离端与靶位点DNA上错开切割突出端分别连接，在宿主细菌DNA聚合酶作用下，以任意一条链为模板进行复制，新转座成份经过半保留复制完成，形成“共整合体”，此“共整合体”是以转座成份正向重复序列相连接。最终，由转座因子tnpR基因编码解离酶作用于共整合体中转座因子内解离区，使共整合体发生解离，产生各含一个供体DNA分子和受体DNA分子。基因组的结构和功能专家讲座第18页2、简单转座机制简单转座时，转位酶将供体DNA转座因子两侧各切断一条单链并与靶序列2个游离末端连接，随即并没有复制过程，而是由转位酶将供体DNA转座因子另一段也切断，所以在供体DNA留下一个致死性缺口。基因组的结构和功能专家讲座第19页（三）转座作用遗传学效应1、转座引发插入突变当插入序列或转座子插入某个基因操纵序列前时，可引发操纵子后结构基因表示失活。2、转座可产生新基因假如转座子上带有一些抗药性基因，它首先会造成靶位点DNA突变，同时会使该位点产生抗药性。3、转座可出现染色体畸变发生当转座发生在宿主DNA原有位点时，往往造成转座子两个拷贝之间同源重组，引发DNA缺失或倒位。4、转座能够引发生物进化因为转座作用，使一些原来在染色体上相距甚远基因组合到一起，构建成一个操纵子或表示单元，也可能产生上些含有新生物学功效基因和新蛋白质分子。基因组的结构和功能专家讲座第20页原核生物------大肠杆菌大肠杆菌是格兰氏阴性杆菌，生长、繁殖快速，培养时营养要求不高。同时在基因工程中有主要应用。大肠杆菌遗传物质主要是染色体DNA和质粒DNA。染色体DNA总长度为4.6*106碱基对，约有3500个基因。细菌除了在类核中有较大环状染色体DNA外，许多细菌胞质中还含有一个或多个小环状DNA分子，这些染色体外遗传物质称为质粒。基因组的结构和功能专家讲座第21页质粒（plasmid）定义

是存在于细菌染色体外，含有自主复制能力环状双链DNA分子。

质粒是双链DNA分子，大小在1—200kb之间，和病毒不一样，它们没有衣壳蛋白（裸DNA）。质粒分子在宿主细胞内独立自主地进行复制，并在细胞分裂时恒定地传给子代细胞。质粒带有一些不一样于宿主细胞遗传信息，所以质粒在细菌内存在会赋予宿主细胞一些新遗传性状，比如反抗生素或重金属产生抗性。同时能够依据宿主表型可识别质粒存在，从而用于筛选和判定重组细菌。基因组的结构和功能专家讲座第22页（1）质粒对宿主生存不是必需，只是“友好”“借居”宿主细胞中，既不杀伤细胞，对宿主代谢活动也无影响，宿主离开质粒照样生存下去。（2）质粒离开宿主就无法生存，只有依赖宿主细胞（酶和蛋白质）帮助，才能完成本身复制（扩增）、转录。（3）质粒赋于宿主各种有利表型（质粒编码蛋白质或酶），使宿主取得生存优势，与我们基因工程试验紧密相关，如抗生素抗性基因：Ampr，水解β-内酰胺环,解除氨苄青霉素毒性,使细菌抗氨苄青霉素。Tetr,可阻止四环素进入细胞,使细菌抗四环素。（二）质粒与宿主细胞关系基因组的结构和功能专家讲座第23页（三）质粒基本特征

1.自主复制

质粒复制是自主调整，不受染色体复制调整原因影响。复制调控系统由质粒上复制起点（ori），质粒rep基因和cop基因组成。Rep蛋白开启质粒复制，cop基因本身或其表示产物可抑制复制作用，从而控制质拷贝数。

2.质粒不相容性

含有相同复制起始点和分配区质粒不能共存于同一个细胞内。分配系统是使质粒在细菌分裂过程中准确分配到子细胞中。质粒中对其稳定存在至关主要区域称分配区。当一个宿主细胞内两个质粒复制起始点相同时，它们共用同一分配系统，彼此之间存在竞争。最终会出现一个质粒丢失。假如两个质粒复制起始点不一样，分配系统不一，能够共存。

3.质粒转移性在自然条件下，在些质粒能够经过细菌接合作用在细菌、细胞向传递。基因工程中惯用质粒载体缺乏转移所需基因（mob基因），不能经过接合作用在细胞间传递，但可采取人工方法转化到细菌、细胞中。基因组的结构和功能专家讲座第24页

1）理论意义质粒能够复制、传递和表示遗传信息，从分子遗传学观点来看是一个有机体，是比病毒更原始生命形式，是生命起源研究一块主要基石。

2）实践意义是基因工程主要载体（vector），能把外源基因（目标基因）送到宿主细胞中去克隆扩增或克隆表示（见第八章）。

①质粒是能够改造，能够剪切、剪接，基因工程主要任务之一就是严格改造质粒同时，控制质粒不传递，若一个致癌质粒能够传递就会传处处都是。

（四）质粒研究意义基因组的结构和功能专家讲座第25页②作为基因工程载体3个特点：A.都能独立自主复制；B.都能便利加以检测（抗生素抗性）；C.都能轻易引进宿主细胞中去，也易从宿主细胞中分离纯化（提质粒）。质粒符合上述3个条件。基因工程中主要使用人工构建质粒。基因组的结构和功能专家讲座第26页（五）质粒分类按质粒复制机理，分为两类：1）紧密控制型2）松弛控制型

(1)拷贝数少，普通<10个，分子量大；(1)拷贝数多，10-200个，分子量小；(2)复制受限，受细菌宿主DNA复制系(2)复制不受细菌DNA复制系统限制，统控制；当宿主蛋白质合成受抑制时（如培养(3)特点是这类质粒能够自传递；中加入氯要素时），其拷贝数可猛增至(4)严谨控制机理（低拷贝原因），认1000-3000之多，该性质对基因工程技术为是该质粒能够产生阻遏蛋白，反馈十分有利。抑制本身DNA合成。3）分子量小，不具备自传递能力；4）基因工程使用松弛型（高拷贝数）质粒，以取得列多基因产物。基因组的结构和功能专家讲座第27页第三节真核生物基因组

真核生物远比原核生物复杂，其基因组容量远远大于原核生物基因组，真核基因组结构和功效也更为复杂。真核生物细胞含有细胞核，DNA为线性，与组蛋白、非组蛋白结合成染色质，染色质组装在核内，外有核膜包裹，所以基因组转录和翻译不能在同一空间进行，转录在细胞核、翻译在胞浆。真核生物除了核基因组外，真核生物还含有线粒体基因组，植物细胞叶绿体内也有遗传物质。基因组的结构和功能专家讲座第28页一、真核生物基因组结构与功效特点1、每一个真核生物都有一定染色体数目，除了配子为单倍体外，体细胞普通为双倍体。而原核生物为单倍体。2、真核基因组远远大于原核生物基因组，结构复杂，基因数多。含有多个复制起始点。3、真核生物基因组DNA与蛋白质结合形成染色体,储存于核内。基因组的结构和功能专家讲座第29页4、真核生物中含有大量重复序列。5、真核生物基因组内非编码序列占90%以上。基因组中非编码序列所占百分比是真核生物与细菌、病毒主要区分，且在一定程度上也是生物进化标尺。6、真核基因是断裂基因，即编码序列被非编码序列分隔开。基因组的结构和功能专家讲座第30页二、真核生物基因组C值矛盾问题？

同一物种基因组DNA含量总是恒定，一个单倍体基因组中全部DNA量称为该物种DNAC值。普通来说，伴随生物进化，生物体结构与功效越复杂，基因组DNA也应增多，其C值就越大。即C值伴随生物复杂性增加而增加。但真核生物中，这种进化复杂程度与DNAC值大小并不完全一致。这种形态学复杂程度与C值大小不一致C值反常现象称为C值矛盾基因组的结构和功能专家讲座第31页

真核生物基因数目巨大，结构功效复杂，但这些众多基因实际上是由数量有限原始基因逐步进化、发展而来，所以许多基因在核苷酸序列或编码产物结构上存在着不一样程度同源性。基因家族：

是指核苷酸序列或编码产物含有一定程度同源性一组基因.同一基因家族组员可分散在不一样染色体上，也可集中在一条染色体上，而且同一个基因家族组员也不不一定都是有功效，没有功效组员称为假基因。

二、基因家族(genefamily)基因组的结构和功能专家讲座第32页依据基因家族内各组员同源性程度，基因家族分类:在真核生物基因组中，有些基因拷贝数不只一个，能够有几个、几十个或上百个，这些基因被称为单纯多基因家族（各基因核苷酸序列相同）如rRNA,tRNA家族和组蛋白基因家族。tRNA基因:人类基因约有1300个tRNA基因，编码50各种tRNA。每种tRNA可有10-几百个基因拷贝。同种tRNA往往串联在一起形成基因簇，但基因间有非转录间隔区分隔，经常比结构基因长近10倍。组蛋白基因家族在染色体上排列则是另一个形式，5种组蛋白基因串联成一个单元，再由许多单元串联成一个大簇。这种重复排列与DNA复制时需要大量组蛋白相关。提升了组蛋白合成效率。1、核酸序列相同基因组的结构和功能专家讲座第33页2.家族中各基因核苷酸序列高度同源人类生长激素基因家族包含人生长激素（hGh）、人胎盘促乳素（hCS）和催乳素。它们之间同源性很高，尤其是hGh和hCS之间，蛋白质氨基酸序列有85%同源性，mRNA上序列上有92%同源性，说明它们是来自一个共同祖先基因。3种基因并不都排列在一起，hGh和hcs基因位于第17号染色体长臂，催乳素基因位于第6号染色体。基因组的结构和功能专家讲座第34页3.家族中各基因编码产物蛋白质有同源功效区（但基因核苷酸序列相同性可能很低）如src癌基因家族src,abl,fes,fgr,fps,fym,kck,lyn,ros,tkl,yes此家族中各基因DNA序列没有显著同源性。但每个基因产物都含有250个氨基酸次序同源蛋白激酶结构域。这个结构域含有酪氨酸激酶活性。共同参加细胞信号转导。基因组的结构和功能专家讲座第35页4.家族各基因编码蛋白质中含有小段保守基序这类基因家族中各组员DNA序列可能并不显著相关，而所编码产物含有共同功效特征，存在一小段保守氨基酸基序。如DEADbox基因家族。DEADbox：Asp-Glu-Ala-Asp.此家族中各基因DNA序列没有显著同源性，但全部表示产物都含有解旋酶功效，都含有一样保守基序（DEAD盒），DEAD是酶活性关键结构。基因组的结构和功能专家讲座第36页5.基因超家族（genesuperfamily）

基因超家族是指一组由多基因家族及单基因家族组成更大基因家族。它们结构有程度不等同源性，所以它们可能起源于相同祖先基因，不过它们功效并不一定相同，这一点正是与多基因家族差异所在。这些基因在进化上也有亲缘关系，但亲缘关系较远，故将其称为基因超家族。如：（1）免疫球蛋白超基因家族表示产物都有免疫球蛋白样结构域结构。有2个微球蛋白、MHCI类抗原α链,Ⅱ类抗原α链和β链、CD4、CD8等与免疫相关分子。以后又陆续发觉了许多免疫系统内以及与免疫无关家族组员。基因组的结构和功能专家讲座第37页假基因（pseudogene)

1.假基因在多基因家族中一些与正常功效基因在核苷酸序列上相同，但不能转录或转录后生成无功效基因产物DNA序列，被称为假基因。2.假基因惯用符号ψ表示，如ψα1表示与α1相同假基因.3.假基因与有功效基因同源,原来也能够是有功效基因,因为发生缺失(deletion)、倒位(inversion)或点突变（pointmutaion）等，成为无功效基因，即形成了假基因，哺乳动物基因组中1/4基因为假基因，可能为进化痕迹。

基因组的结构和功能专家讲座第38页三、真核生物DNA序列类型真核生物染色体DNA中存在着许多重复序列，依据DNA序列出现频率不一样，可分为：单拷贝序列、中度重复序列、高度重复序列。单拷贝序列：该拷贝序列在基因组中只出现一次或少数几次(<10)。真核生物大多数基因都是单拷贝。基因组的结构和功能专家讲座第39页中度重复序列：中度重复序列基因重复次数在数十次至数万次（<105）,其长度为300-7000碱基对,普通是不编码序列。有些编码区如rRNA基因、tRNA基因、组蛋白基因等也属于中度重复序列。Alu家族；该家族是哺乳动物及人基因组中存在最广泛一个中度重复序列，约占人基因组DNA总量3-6%。Alu序列长300bp，在170位碱基附近AGCT次序是限制性内切酶AluⅠ酶切位点，所以得名。基因组的结构和功能专家讲座第40页高度重复序列

在基因组中重复次数>105DNA序列，这种序列能够集中分布在某一区域串联排列，经典高度重复序列有卫星DNA和反向重复序列两类。

⑴反向重复次序（invertedrepeats,IR）是指两个次序相同拷贝在DNA链上呈反向排列。反向重复次序有两种形式。①.连续反向重复次序，这种结构又称回文结构（palindrome)；②.不连续反向重复次序之间含有间隔次序。ATTAGCGCT