染色质与染色体、基因、基因组.ppt

1、第二章 染色质、染色体、 基因和基因组,顾玉超,人的基因组总共有30亿个碱基对，计算一下人所有DNA首尾相连的总长度？,第一节 染色质和染色体 形态、组成、功能 第二节 基因 定义、 特征（亚细胞结构、原核、真核） 第三节 基因组 定义、结构、图谱、人类基因组计划,第一节 染色质和染色体chromatin and chromosome,1882，Flemming：提出“染色质”一词 同一物质，化学组成相同 形态不同，细胞增殖周期中的不同阶段 细胞间期：染色质 有丝分裂期：染色体 真核细胞核中由基因组DNA、组蛋白、非组蛋白组成的复合物形成的高度有序的核蛋白体。,一、染色质和染色体的形态,（一）

2、染色质 常染色质 异染色质 （euchromatin） （heterochromatin） 位置 细胞核中央 核仁和核膜附近 包装比 100010000 10000 染色 浅 深 活性 高 低,核小体（nucleosome） 染色质的基本结构单位,核小体 由200bp左右的DNA、组蛋白八聚体、一分子的组蛋白H1形成的念珠状结构。 146bp的DNA（核心DNA）在组蛋白八聚体（H2A、H2B、H3、H4各两分子）上缠绕1.75圈，组蛋白H1封闭核小体的出入口，相邻球状小体之间由连接DNA连接。,4,The Nucleosome 146 bp DNA 2X H3, H4, H2A, H2B,H

3、4,H2B,H2A,H3,（二）染色体 不同生物，染色体数目不同。,染色体的包装超螺旋结构,核小体：染色体DNA的一级包装 由直径2nm的DNA双螺旋链绕组蛋白形成直径11nm 的核小体 “串珠” 结构，其长度压缩了6-7倍 螺线管纤维（solenoidal fiber）：染色体DNA二级包装 由6个核小体盘绕形成一种中空螺线管，其外径为30 nm，因此，螺线管的形成使DNA一级包装又压缩小6倍 环状螺线管：染色体DNA的三级的包装 电镜显示，由螺线管纤维缠绕在一个由某些非组蛋白构成的中心轴骨架上形成的。这显然使螺线管纤维得到了较大程度的压缩，10倍左右 染色体结构： 从环状螺线管到包装形成染

4、色体，是DNA压缩程度最高的阶段，估计在200-240倍。 经各级包装后染色体DNA总共被压缩了数千倍（8100多倍）,1、染色单体（chromatid） 中期细胞染色体由两条染色单体组成，两条染色单体在着丝粒处相连。 2、着丝粒/主缢痕（centromere） 在两个染色单体相连处，染色体上出现向内凹陷的缢痕。所含DNA大约130bp，中部富含AT，两端高度保守。 3、端粒（ telomere） 染色体末端的特异结构，所含DNA序列由不含遗传信息的重复序列组成。完成染色体末端的复制，维持染色体的稳定完整。 4、复制起始点 染色体上有多个复制起始点，富含AT，间隔30300kb。,细菌染色体,

5、1. 形成类核（nucleoid） 大多数由一条环状双链 DNA 分子组成细菌的染色体，并相对聚集在一起，形成一个较为致密的区域 类核无核膜与胞浆分开，类核的中央部分由RNA和支架蛋白组成，外围是双链闭环的DNA超螺旋 2. 染色体DNA通常与细胞膜相连 连接点的数量随细菌生长状况和不同的生活周期而异 在 DNA链上，与 DNA 复制、转录有关的信号区域与细胞膜优先结合,大肠杆菌模式图,二、染色质和染色体的化学成分,（一）DNA （二）组蛋白 （三）非组蛋白 （四）RNA,（一）DNA 非重复序列：在一个基因组中只有一个拷贝的序列，编码蛋白质。 轻度重复序列：在一个基因组中含210个拷贝的序列

6、，编码蛋白质和tRNA、rRNA。 中度重复序列：在一个基因组中含10到几百个拷贝的序列，一般是不编码的序列，与DNA复制、基因表达及调控相关。 高度重复序列：在一个基因组中含几百到几百万个拷贝的序列，只是简单的重复，可编码rRNA、tRNA，更多的是不编码的序列。 卫星DNA ：210bp，可重复108次。,（二）组蛋白（histone） 碱性蛋白质，没有种属和组织特异性，含量与DNA相当，负责核小体的构建。 （三）非组蛋白（non-histone） 酸性蛋白质，有种属和组织特异性，数百种，每种仅1万个分子，包括结构蛋白质（肌动蛋白、管蛋白等）和酶（DNA聚合酶、RNA聚合酶等），通过氨基酸

7、残基与特定碱基序列结合，参与染色体的构建、DNA复制、转录调控等。 （四）RNA 约占染色体的13，与染色体DNA同源，有组织特异性，可能与基因表达调控相关。,三、染色质和染色体的功能,遗传的物质基础，对遗传信息的贮存和传递起着至关重要的作用。,第二节 基因 Gene,定义 亚细胞结构基因的特征 原核生物基因的特征 真核生物基因的特征,一、基因的定义,基因是指核酸分子中能编码一条多肽链或RNA，并具有一定长度的片段，还包括为保证转录所必需的调控序列，即前导区和尾部区。 基因是核酸中贮存遗传信息的遗传单位。,正义链 编码链 与转录出的RNA序列相同,反义链 模板链 指导RNA合成的模板，与RNA

8、序列互补,二、亚细胞生物（病毒）基因的特征,基因存在于DNA或RNA上； 存在启动子和操纵子结构； 几乎所有噬菌体基因都没有内含子，但某些病毒基因有内含子； 基因组中几乎全部为编码序列； 结构基因中重复序列少； 有重叠基因。,赏花归去马如飞， 去马如飞酒力微； 酒力微醒时已暮， 醒时已暮赏花归。,三、原核生物基因的特征,基因较小，平均1kb，且大小变化不大； 功能密切相关的基因构成操纵子，转录时产生一条多基因的mRNA； 编码蛋白质的基因通常以单拷贝的形式存在； RNA基因常是多拷贝的； DNA大部分用于编码蛋白质，只有很少不编码的DNA； 结构基因是连续的； 结构基因中重复序列少； 结构基因

9、中没有重叠基因； 有编码同工酶的基因。,四、真核生物基因的特征,基因较大，平均16kb，且大小变化较大； 一条mRNA中只包含一个结构基因携带的遗传信息； 大部分基因存在内含子，基因是不连续的（断裂基因）； DNA中不编码的区域多于编码的区域； DNA存在重复序列，最高可达数百万次； 没有重叠基因； 存在基因家族。,不连续基因 interrupted gene / 断裂基因 split gene,在DNA分子上基因的编码序列是不连续的，被不编码的序列隔开，这样的基因称为不连续基因，又称为断裂基因。 普遍存在：核基因、线粒体基因、叶绿体基因 外显子（exon） 基因中编码mRNA某一部分序列的区

10、域。 内含子（intron） 基因中除前导区、尾部区外不编码mRNA某一部分序列的区域。 不同的基因中内含子的数目和大小差异很大。 RNA剪接（RNA splicing） 在翻译之前，将内含子从RNA中去除，并将外显子的末端连接在一起，形成共价键结合的完整RNA。,基因家族 gene family,真核细胞基因组中来源相同、结构相似、功能相关的一组基因，称为基因家族。 串联重复基因簇：基因家族的基因串联排列在一起，如rRNA基因、tRNA基因、组蛋白基因等。 分散式基因家族：基因家族的基因分布在染色体的不同位置，如干扰素、珠蛋白、生长激素等。 假基因：基因家族中不能产生有功能的基因产物的基因，

11、大多因为缺失部分序列。 超基因家族：由基因家族和单基因组成，来源相同，结构有不等的同源性，功能不同。如免疫球蛋白、生长因子受体等。,第三节 基因组 Genome,定义 基因组结构特征 四种图谱 人类基因组计划,一、基因组的定义,基因组是细胞中一套完整单体的遗传物质的总和。 细菌、噬菌体、病毒：单个染色体上所有的遗传物质。 二倍体真核生物：维持配子或配子体正常功能的最基本的一套染色体上所有的遗传物质。 细胞的倍数性：细胞中基因组的拷贝数。 C值：单倍体基因组中DNA的总量。,二、基因组结构特征,除了前面讲的基因的特征，还包括： 噬菌体、病毒：基因组小，且大小相差很大；可以是DNA或RNA；单倍体

12、（逆转录病毒除外）。 原核生物：基因组较小；几乎没有蛋白质和核酸结合；染色体只有1条。 真核生物：基因组较大；核酸与蛋白质结合，形成染色体；染色体多条。,三、基因组的四张图谱,遗传图谱（连锁图谱） 物理图谱 序列图谱 基因图谱,遗传图谱： 以具有遗传多态性的遗传标记为“路标”，以遗传学距离为图距的基因组图。 真核生物遗传过程中会发生减数分裂，此过程中染色体要进行重组和交换，染色体上任意两点间重组和交换的概率会随着其相对距离的远近而发生相应的变化，由此就可以推算出同一条染色体上两点间的相对距离和位置关系。 用此方法推算出的同一条染色体上两点间的相对距离称为遗传距离。（摩尔根，厘摩尔根） DNA遗

13、传标记： 第一代：限制性片断长度多态性（RFLP） 第二代：微卫星（microsatellite） 第三代：单核苷酸多态性（SNP）,微卫星（microsatellite）,短串联重复序列(short tandem repeats， STR) 、简单重复序列(simple sequence repeat， SSR)，指DNA基因组中小于10个核苷酸的简单重复序列，广泛存在于真核基因组中，多数以26个碱基为核心单位、串联重复排列的序列。 SSR标记分析的基本原理是利用某一SSR两翼区域特定的DNA序列，来设计位点专一的一对引物，在PCR仪上扩增单个SSR位点，通过电泳，进行SSLP分析，在此基础

14、上进行相应的遗传分析。,物理图谱： 以一段已知核苷酸序列的DNA片断（序列标记位点，STS）为“路标”，以物理距离（bp，kb，Mb）为图距的基因组图。 把含有STS对应序列的DNA克隆片段连接成相互重叠的“片段重叠群（contig）”。 序列图谱： 基因组中全部核酸一级序列。 基因图谱： 基因组中全部基因的序列、结构和功能。,四、人类基因组计划Human genome project, HGP,研究内容： 绘制人类基因组的遗传图谱、物理图谱、序列图谱、基因图谱，测定人体23对染色体由3109核苷酸组成的全部DNA序列，于2000年完成了人类基因组“工作框架图”。 研究意义： 1、全面而透彻地

15、认识人类基因组的正常结构、功能及基因的异常结构与人类疾病的关系，对生命进行系统、科学地解码，以达到了解和认识生命起源、个体间差异的原因、疾病产生机制、长寿衰老机制的目的。 2、基因诊断、基因疗法和基因药物的开发，有可能成为未来医学发展的重要分支。 3、人类基因组计划的进一步成功还将促进生命科学与信息科学、材料科学的融合，从而带动一批高技术产业的发展。,发展的历史 :,美国：人类基因组计划的形成 1985年5月，美国能源部提出“人类基因组计划”草案 1986年3月宣布实施这个草案 1986年3月7日，Dulbecco R在Science上发表了一篇有关开展人类基因组计划研究的短文 1987年初，

16、美国能源部和国家健康研究院为“人类基因组计划”下拨了启动经费550万美元，全年共1.66亿美元 1988年2月，国家科学研究委员会的专家成立了“国家人类基因组研究中心”，由沃森任第一任主任 美国国会正式批准的“人类基因组计划”到1990年10月1日才正式启动，其规模在世界上是最大的，计划在15年内投入30亿美元以上的资金进行人类基因组的分析,2其他国家的情况 1987年，意大利 1989年，英国 1990年，法国 1995年，德国 1990年6月，欧共体通过“欧洲人类基因组计划”。此外，丹麦，日本，韩国，俄罗斯和澳大利亚也加入行动行列,3中国 1994年，吴旻min 强伯勤 陈竺，倡导启动 启

17、动的研究项目 中华民族基因组中若干位点基因结构的研究 重大基因相关基因的定位、克隆、结构与功能研究 1998年3月由陈竺院士挂帅成立上海中心，10月改名为中国南方基因中心。同时，决定成立由国家卫生部牵头的若干中国人类遗传资源保护中心 1998年由杨焕明和余军教授组织了中国科学院遗传所人类基因组中心 1999年由强伯勤院士牵头在北京先后成立了中国医学科学院北京人类基因组中心和北方人类基因组中心,年月日，杨焕明教授在第五次伦敦国际人类基因组战略讨论会上介绍情况。 会议正式接受中国加入国际合作，划定了测序区域，正式承担的测序任务 1%的序列：识别出122个基因 目前已知的86个基因 有55个基因功能明确 8个是与肾细胞癌、肌肉萎缩、贫血等疾病直接相关的基因 36个为首次发现的新基因 基因大小差异很大，最大的基因有约88万个碱基，其基因结构也是迄今未知的，而最小的两个基因中，一个“负责”编码只有21个氨基酸的多肽，一个“负责”编码有110个氨基酸的鼻咽癌相关蛋白。,4、完成 2000.6.26 人类基因组框架图完成 2003.4.14 人类基因组序列图完成,后基因组计划,人类基因组多样性计划 基因组信息学 功能基因组学 蛋白质组学 比较基因组学 环境基因组学 病理基因组学 肿瘤基因组解剖学计划 药物基因组学,药物基因组学 Phamarcogenom