基因组的结构特点

关于基因组的结构特点第二章原核生物基因组第2页,共75页，2024年2月25日，星期天第一节原核生物基因组的一般特征1.原核生物的基因组为DNA分子只有一个复制起始点.较小，在106-107之间通常为一条环状双链DNA分子基因组DNA与支架蛋白和RNA结合，形成类核.第3页,共75页，2024年2月25日，星期天大肠杆菌类核结构照片图第4页,共75页，2024年2月25日，星期天

原核生物类核结构示意图类核结构由中央和外围组成第5页,共75页，2024年2月25日，星期天原核生物的类核结构类核（nucleoid)

原核生物基因组DNA位于细胞的中央区，与支架蛋白和RNA结合在一起，以复合体的形式存在，经高度盘旋聚集形成一个较为致密的区域，称为类核。第6页,共75页，2024年2月25日，星期天2.广泛存在操纵子结构指数个功能上相关的基因串联在一起,连同上游的调控区和下游的转录终止信号，构成一个基因的表达单位.

乳糖操纵子

阿拉伯糖操纵子

色氨酸操纵子第7页,共75页，2024年2月25日，星期天乳糖操纵子(lacoperon)的结构

调控区CAP结合位点启动序列操纵序列

结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNA第8页,共75页，2024年2月25日，星期天原核生物的多顺反子真核生物的单顺反子非编码序列核蛋白体结合位点起始密码子终止密码子编码序列PPP5

3

蛋白质PPPmG-5

3

蛋白质目录第9页,共75页，2024年2月25日，星期天3.原核生物的结构基因.基因是连续的,无内含子编码区在基因组中的比例>>真核基因组<<病毒基因组多数为单拷贝基因基因组中重复序列很少4.编码序列一般不重叠.50％第10页,共75页，2024年2月25日，星期天噬菌体ΦΧ174基因组示意图第11页,共75页，2024年2月25日，星期天基因重叠(geneoverlapping)

指基因组DNA中某些序列被两个或两个以上的基因所共用。这些基因序列之间互相有重叠，所以称基因重叠（也称重叠基因）。第12页,共75页，2024年2月25日，星期天5.具有编码同工酶的不同基因6.GC含量差异大7.非编码区内主要是一些调控序列8.具有可移动DNA序列复制、转录起始区复制、转录终止区插入序列、转座子、质粒第13页,共75页，2024年2月25日，星期天质粒的概念质粒(plasmid)

是细菌细胞染色体以外的能独立复制并能稳定遗传的共价闭合环状DNA分子（covalentlyclosedcircularDNA，cccDNA)。第14页,共75页，2024年2月25日，星期天原核生物的转座因子★转座子的分类1.插入序列(insertionsequence，IS)

组成:700-2000bp

一个转位酶基因两侧的反向重复序列2.转座子(transposon，Tn)

组成:4500-20000bp

转座酶基因抗性基因3.Mu噬菌体具有转座功能的温和性噬菌体。能整合到宿主基因组内引起突变。第15页,共75页，2024年2月25日，星期天1.插入序列(insertionsequence，IS):

750~2500

bp

两端反向重复序列，与插入有关中心序列有转座酶基因第16页,共75页，2024年2月25日，星期天2.转座子(transposon，Tn):

2000~25000bp两端为IS中心序列有与转座无关基因如：毒素基因、耐药基因等第17页,共75页，2024年2月25日，星期天转座由插入序列和转座子介导的基因移位或重排称为转座(transposition)。大多数基因在基因组内的位置是固定的，有些基因可以从一个位置移动到另一位置。

第18页,共75页，2024年2月25日，星期天基因转移的方式1.细菌的接合(conjugation)

又称“细菌杂交”，是遗传物质通过细胞间的直接接触而进行的转移和重组。2.细菌的转化(transformation)受体菌直接吸收来自供体菌的DNA片段，通过交换将其整合到自身的基因组中，从而获得供体菌部分遗传性状的现象。3.转导(transduction)是以噬菌体为媒介把细菌的基因从一个细菌细胞转移到另一个细菌细胞的过程。4.转座(transposition)指遗传物质被转移的现象。第19页,共75页，2024年2月25日，星期天1.接合当细胞与细胞、或细菌通过菌毛相互接触时，质粒DNA从一个细胞（细菌）转移至另一细胞（细菌）的DNA转移称为接合(conjugation)。第20页,共75页，2024年2月25日，星期天可接合质粒如F因子(Ffactor)第21页,共75页，2024年2月25日，星期天2.转化通过自动获取或人为地供给外源DNA，使细胞或培养的受体细胞获得新的遗传表型，称为转化

(transformation)。

第22页,共75页，2024年2月25日，星期天例：溶菌时，裂解的DNA片段被另一细菌摄取。第23页,共75页，2024年2月25日，星期天3.转导当病毒从被感染的（供体）细胞释放出来、再次感染另一（供体）细胞时，发生在供体细胞与受体细胞之间的DNA转移及基因重组即为转导作用(transduction)。第24页,共75页，2024年2月25日，星期天*转染（transfection）转染是转化的一种特殊形式。由transformation（转化）和infection（感染）两词构成。通过感染方式将外来DNA引入宿主细胞，并导致宿主细胞遗传性状改变的过程称为转染。将任何类型DNA转移至真核细胞内的过程均可叫转染。第25页,共75页，2024年2月25日，星期天原核生物基因组的结构特征1.基因组DNA分子量较小2.64×109Da位于细胞中央，形成一个致密的区域，称为类核(nucleoid)。2.存在操纵子(operon)结构。3.结构基因是单拷贝，连续排列没有内含子成分。4.编码顺序一般不重叠。5.具有编码同工酶的不同基因。6.基因组编码区占50﹪左右。7.存在多种功能的识别区，常以反向重复序列存在。8.存在可移动成分。第26页,共75页，2024年2月25日，星期天第三章真核生物基因组第27页,共75页，2024年2月25日，星期天第一节真核生物染色体基因组

一、真核生物染色体基因组的一般特征二、单拷贝基因三、重复序列四、基因家族五、端粒和端粒酶六、基因移动七、果蝇基因组概述第28页,共75页，2024年2月25日，星期天一、真核生物染色体基因组的一般特征1.基因组庞大2.线状双链DNA和二倍体3.非编码区远多于编码区4.断裂基因（splitgene）5.存在大量重复序列第29页,共75页，2024年2月25日，星期天二、单拷贝基因

单拷贝基因：基因组中仅出现一次的基因特点：（一）单顺反子（二）断裂基因：内含子（intron），外显子（exon）

第30页,共75页，2024年2月25日，星期天原核生物的多顺反子真核生物的单顺反子非编码序列核蛋白体结合位点起始密码子终止密码子编码序列PPP5

3

蛋白质PPPmG-5

3

蛋白质目录第31页,共75页，2024年2月25日，星期天三、真核生物基因组的重复序列(一)高度重复序列(重复次数：>1O5)(二)中度重复序列(重复次数：1O－1O5)第32页,共75页，2024年2月25日，星期天Typesofrepeat第33页,共75页，2024年2月25日，星期天重复序列(一)高度重复序列（重复次数>lO5）

约占10-60％，在人基因组中约占20％1.卫星DNA(SatelliteDNA)2.反向重复DNA：回文结构：GGTACC

CCATGG

常见于基因的调控区和特异蛋白结合区。第34页,共75页，2024年2月25日，星期天卫星DNA(SatelliteDNA)第35页,共75页，2024年2月25日，星期天卫星DNA（satelliteDNA）1．大卫星DNA（macro-satelliteDNA）

重复单位5－100bp；

2．小卫星DNA（mini-satelliteDNA）

重复单位6－70bp；VNTR3．微卫星DNA（micro-satelliteDNA）

重复单位2－6bp；STR第36页,共75页，2024年2月25日，星期天可变数目串联重复序列Variablenumbertandemrepeat，VNTR．

又称小卫星DNA(minisatelliteDNA)短重复单位(6-70bp)串联重复(6-100次以上)VNTR多态性—分子标记—DNA指纹图（fingerprint）第37页,共75页，2024年2月25日，星期天微卫星DNA（microstalliteDNA）重复单位：2-6个核苷酸；串联重复(10-60次)，两侧为特异的单拷贝序列。短串联重复：Shorttandemrepeat，STR双核苷酸重复：（AC）n、（TG）n．新一代遗传标记，人类基因组研究，肿瘤，遗传病．第38页,共75页，2024年2月25日，星期天(二)中度重复序列1．中度重复序列的特点①重复单位较大，重复次数：1O－1O5②散在分布于基因组中③常与单拷贝基因间隔排列④一般具有种属特异性，可作DNA标记第39页,共75页，2024年2月25日，星期天(二)中度重复序列2．中度重复序列的分类①longinterspersedrepeatedsegments，LINES，长分散片段长度>1000bp(可达7Kb)，拷贝数104-105，如人KpnI②Shortinterspersedrepeatedsegments，SINES，短分散片段

长度<500bp，拷贝数可达105．如人Alu序列第40页,共75页，2024年2月25日，星期天A1u序列重复单位长300bp：

130bp

+31bp+130bp含有Alu酶切位点：AGCT具有种属特异性可能与hnRNA的加工成熟、DNA复制与转录调控有关第41页,共75页，2024年2月25日，星期天第42页,共75页，2024年2月25日，星期天rRNA基因>l00copy．rRNA基因簇(重复单元18S-5.8S-28SRNA）第43页,共75页，2024年2月25日，星期天四、基因家族(genefamily)一组功能相似、核苷酸序列具有同源性的基因．可能由某一共同祖先基因经重复和突变产生。第44页,共75页，2024年2月25日，星期天基因家族的特点：①基因家族的成员可以串联排列在一起，形成基因簇(genecluster)或串联重复基因，如组蛋白的基因；②有些基因家族的成员也可位于不同的染色体上，如珠蛋白基因；③与具正常功能的基因序列相似，但无转录功能或转录产物无功能的基因称为假基因(Pseudogene)．

Ψa1表示与a1相似的假基因．第45页,共75页，2024年2月25日，星期天组蛋白基因家族

5个成员:H1,H2A,H2B,H3,H45个基因串联排列形成一个重复单位,但不同生物中排列不同第46页,共75页，2024年2月25日，星期天线粒体DNA的结构

人线粒体DNA模式图第47页,共75页，2024年2月25日，星期天线粒体基因组的特点1.人线粒体基因组为16，569bp的双链闭环分子，一条链为重链(H链)，一条链为轻链(L链)，两条链均有编码功能，每个mtDNA分于编码13种蛋白质和24种结构RNA(22rRNA，2tRNA)．2.线粒体DNA为母系遗传．第48页,共75页，2024年2月25日，星期天线粒体基因组的特点3.结构基因不含内含子，部分区域有基因重叠，因此病理性mtDNA突变更易发生．4.mtDNA突变频率更高．5.线粒体DNA突变的表型表达与核DNA不同。第49页,共75页，2024年2月25日，星期天真核生物基因组与原核生物基因组的

主要区别（1）真核生物基因组DNA与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞核内，除配子细胞外，体细胞内的基因组是双份的（即双倍体）。细菌染色体基因组通常由一条环状双链DNA分子组成，染色体形成类核，无核膜与胞浆分开。（2）基因组远远大于原核生物的基因组，具有许多复制起点，而每个复制子的长度较小。（3）真核细胞基因转录产物为单顺反子。一个结构基因经过转录和翻译生成一个mRNA分子和一条肽链。原核生物基因转录产物为多顺反子，功能上相关的几个基因往往在一起组成操纵子结构。第50页,共75页，2024年2月25日，星期天真核生物基因组与原核生物基因组的

主要区别（4）真核基因组大部分基因含有内含子，因此，基因是不连续的，称为断裂基因，需要进行转录后加工；原核基因组没有内含子结构，不需进行转录后剪接加工。（5）真核基因组中不编码的区域多于编码区域。原核基因组大部分为编码序列，不编码区域仅占一小部分。（6）真核生物基因组存在重复序列，重复次数可达百万次以上基因组远远大于原核生物的基因组。（7）真核生物基因组存在基因家族和假基因。第51页,共75页，2024年2月25日，星期天第四章

病毒基因组

Viralgenome

第52页,共75页，2024年2月25日，星期天病毒（virus）的概念比较原始的、有生命特征的能够自我复制的严格细胞内寄生的非细胞生物是结构最简单、最微小的生命形式第53页,共75页，2024年2月25日，星期天病毒的四种基本结构成份①病毒基因组②衣壳③包膜④其它内容物：酶、核酸结合蛋白及金属离子等。第54页,共75页，2024年2月25日，星期天病毒基因组的一般特征一、病毒基因组的组成和分类双链RNA单链RNA：正链：序列与mRNA相同

负链：序列与mRNA互补DNARNA

双链DNA：HBV

单链DNA：M13噬菌体病毒基因组核酸的类型一个核酸分子;数个核酸分子（分段基因组）线状和环状分子第55页,共75页，2024年2月25日，星期天SARS冠状病毒的基因组结构线状单链（+）RNA第56页,共75页，2024年2月25日，星期天病毒分类:根据基因组组成及复制方式DNA病毒（DNAViruses）

第一组：双链DNA病毒（dsDNAViruses）

第二组：单链DNA病毒（ssDNAViruses）RNA病毒（RNAvirus）

第三组：双链RNA病毒（dsRNAViruses）

第四组：正链RNA病毒（(+)ssRNAViruses）

第五组：负链RNA病毒（(-)ssRNAViruses）

第57页,共75页，2024年2月25日，星期天DNA与RNA逆转录病毒（DNAandRNAReverseTranscribingViruses）

第六组：RNA逆转录病毒（RNAReverseTranscribingViruses）

第七组：DNA逆转录病毒（DNAReverseTranscribingViruses）亚病毒因子（SubviralAgents）卫星（Satellites）类病毒（Viroids）朊病毒（Prions）第58页,共75页，2024年2月25日，星期天二、病毒基因组的大小基因组大小：1.5×103

～3.6×106bp（nt）编码基因：5~数百个最大基因组：痘苗病毒科，dsDNA病毒，

3.6×106bp，编码数百个蛋白质；乙型肝炎病毒：仅3.2Kb，编码6个蛋白质第59页,共75页，2024年2月25日，星期天

HBV基因组的不完全双链环状结构

是已知可感染人类又能独立进行复制的双链DNA病毒中最小和最高效的。第60页,共75页，2024年2月25日，星期天（一）帽子和poly（A）尾结构与真核mRNA5′帽和3′poly(A)尾相似作用：对RNA有保护作用参与蛋白质的翻译过程与病毒的感染性有关常见于：大多数真核病毒的正链RNA基因组双链RNA基因组的正链RNA

病毒mRNA三、病毒基因组的结构特点

第61页,共75页，2024年2月25日，星期天图4-1带粘性末端的病毒双链DNA基因组形成环状结构或二聚体环化聚合（二）末端序列结构

第62页,共75页，2024年2月25日，星期天（二）末端序列结构1.粘性末端指病毒基因组双链DNA分子两端具有能够互补的单链DNA部分。作用：形成环状结构或连接成二联体或多联体。第63页,共75页，2024年2月25日，星期天2.末端正向重复序列又称末端冗余（terminalredundancy）；是指双链DNA分子两端有一段相同的核苷酸序列；疱疹病毒、T4及T7噬菌体基因组；经外切核酸酶切割产生粘性末端，也可使病毒基因组环化或形成多联体。第64页,共75页，2024年2月25日，星期天

图4-2含末端反向重复序列的病毒基因组形成的锅柄样环状结构+第65页,共75页，2024年2月25日，星期天3.末端反向重复序列

（invertedterminalrepeat，ITR）

是指病毒基因组两端的反向互补重复序列。单链DNA或RNA分子能够通过其ITR互补配对形成锅柄样（panhandle）环状结构。腺病毒、痘病毒、细小病毒及布尼亚病毒等的基因组均含ITR序列。ITR可能与病毒的复制、转录及整合有关。

第66页,共75页，2024年2月25日，星期天4.

长末端重复序列

（longterminalrepeat，LTR）

包括重复序列、单一序列5′端：包含许多特定的基因表达调控区域，是一组真核生物增强子和启动子。3′端：具有转录终止的作用。逆转录病毒基因组利用LTR中的重复序列形成环状结构，在整合酶作用下整合入宿主细胞基因组。第67页,共75页，2024年2月25日，星期天HIV-1病毒的基因组结构

双拷贝的单链（+）RNA：两条单链RNA通过5′端的氢键结合在一起，每条RNA的长度为9749bp；帽子和poly(A)尾，两端各有一个LTR；

结构基因：gag、pol及env；

多种附加基因和调节基因：vif、vpr、nef、tat及rev等；第68页,共75页，2024年2月25日，星期天病毒基因组重叠基因ORF1ORF2ORF3ORF4重叠基因图4-3病毒基因组的重叠基因第69页,共75页，2024年2月25日，星