第二章基因組的結(jié)構(gòu)與功能

第二章基因組的結(jié)構(gòu)與功能概述基因（gene）：是指核酸分子中貯存與表達(dá)遺傳信息的單位，包括編碼序列、非編碼序列和調(diào)控序列。大部分生物中構(gòu)成基因的核酸物質(zhì)是DNA,少數(shù)生物中是RNA。基因包括結(jié)構(gòu)基因和調(diào)控基因兩大類(lèi)。結(jié)構(gòu)基因：是決定合成某一種蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)相應(yīng)的一段DNA。調(diào)節(jié)基因：是調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成的基因?；蚪M（genome）是指某種生物體中一套完整的遺傳物質(zhì)的總和。基因組中不同的區(qū)域具有不同的功能,有些是編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因,有些是復(fù)制及轉(zhuǎn)錄的調(diào)控信號(hào),有些區(qū)域的功能尚不清楚?；蚪M結(jié)構(gòu)是指不同功能區(qū)域在整個(gè)DNA分子中的分布情況?；蚪M的結(jié)構(gòu)與其功能（貯存與表達(dá)遺傳信息）密切相關(guān)。第一節(jié)原核生物基因組的結(jié)構(gòu)與功能原核生物（Procaryoticorganism）是由原核細(xì)胞組成的生物，包括藍(lán)細(xì)菌、細(xì)菌、古細(xì)菌、放線(xiàn)菌、立克次氏體、螺旋體、支原體和衣原體等。原核細(xì)胞沒(méi)有完整的細(xì)胞核,其染色體與細(xì)胞質(zhì)之間不存在膜性屏障（核膜）稱(chēng)為類(lèi)核。一、原核生物染色體基因組的結(jié)構(gòu)與功能（一）原核生物基因組的特點(diǎn)1、基因組相對(duì)較小，由DNA組成，包括染色體DNA和質(zhì)粒DNA兩種DNA分子，均為共價(jià)閉環(huán)雙鏈。染色體DNA為單拷貝。以E.coii為例，約為2.4X109道爾頓，長(zhǎng)度為42000Kb左右（1300pm）。2、每個(gè)DNA分子（染色體DNA和質(zhì)粒DNA）只有一個(gè)復(fù)制起始點(diǎn)。3、含可轉(zhuǎn)移的序列，如插入序列、轉(zhuǎn)座子等。轉(zhuǎn)座（因）子（transposableelement）細(xì)胞中能改變自身位置的一段脫氧核糖核酸（DNA）序列。4、結(jié)構(gòu)基因通常為連續(xù)基因（無(wú)內(nèi)含子），少量重疊基因，非編碼區(qū)和重復(fù)序列少。重疊基因利用堿基的重疊來(lái)編碼更多的信息。5、功能相關(guān)的基因常常組織形成操縱子結(jié)構(gòu)。（二）原核生物染色體DNA的基本結(jié)構(gòu)與功能染色體DNA通常為雙鏈環(huán)狀，與蛋白質(zhì)構(gòu)成復(fù)合體，以類(lèi)核（nucleoid）結(jié)構(gòu)存在于細(xì)胞中。染色體DNA通常與細(xì)胞膜相連，

連接點(diǎn)的數(shù)量因細(xì)胞生長(zhǎng)狀況和生活周期不同而異。此類(lèi)連接與DNA和復(fù)制和轉(zhuǎn)錄功能相關(guān)。（三）原核生物染色體基因組中結(jié)構(gòu)基因的結(jié)構(gòu)與功能特征大多數(shù)屬于連續(xù)基因，轉(zhuǎn)錄后無(wú)需剪接，即可作為模板翻譯多肽鏈重疊基因較少。重復(fù)序列較少。結(jié)構(gòu)基因大多數(shù)屬于單拷貝基因，但也有部份屬于多拷貝基因。結(jié)構(gòu)基因在基因組DNA中所占比例較大（細(xì)菌的染色體約有75%的DNA編碼基因）。（四）原核生物染色體基因組中結(jié)構(gòu)基因與調(diào)控序列的組織形式:操縱子。操縱子（operon）：在原核生物中，功能相關(guān)的若干結(jié)構(gòu)基因成串排列，由同一調(diào)控序列調(diào)控，這種基因的組織形式稱(chēng)為操縱子。在操縱子中調(diào)控序列由啟動(dòng)子、操縱元件、調(diào)節(jié)基因和終止子等組成啟動(dòng)子一一位于結(jié)構(gòu)基因上游，與RNA聚合酶辨認(rèn)、結(jié)合并起始轉(zhuǎn)錄相關(guān)的DNA序列。操縱元件一一位于結(jié)構(gòu)基因與啟動(dòng)子之間，與阻遏蛋白結(jié)合相關(guān)的DNA序列。調(diào)節(jié)基因一一阻遏蛋白的編碼基因。終止子一一轉(zhuǎn)錄終止相關(guān)的DNA序列，包括依賴(lài)p因子的終止子（弱終止子）和不依賴(lài)p因子的終止子（強(qiáng)終止子）。二、原核生物中的質(zhì)粒DNA（一）質(zhì)粒的基本特性質(zhì)粒（plasmid）：是細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的，染色體外的DNA分子，是共價(jià)閉合的環(huán)狀DNA分子，能夠獨(dú)立于細(xì)胞的染色質(zhì)DNA進(jìn)行復(fù)制。質(zhì)粒的基本特性：環(huán)狀雙鏈小分子片段；只有在宿主細(xì)胞中才能復(fù)制；決定細(xì)菌的某些遺傳特性（如耐藥性）；能自我復(fù)制、穩(wěn)定遺傳；可插入細(xì)菌染色體中或與其攜帶的外源DNA片段共同復(fù)制增殖；可通過(guò)轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)或接合作用單獨(dú)轉(zhuǎn)移或攜帶著染色體片段一起轉(zhuǎn)移，能攜帶一定的遺傳信息；可從菌體內(nèi)自行消失；可通過(guò)物理，化學(xué)手段使其消除或抑制.（二）質(zhì)粒的遺傳控制復(fù)制控制系統(tǒng)：主要參與調(diào)控細(xì)胞中質(zhì)粒的拷貝數(shù)。質(zhì)粒分配系統(tǒng)：質(zhì)粒在細(xì)胞分裂過(guò)程中精確分配到子細(xì)胞中細(xì)胞分裂控制系統(tǒng)：能抑制細(xì)胞分裂，使細(xì)胞分裂與質(zhì)粒復(fù)制協(xié)調(diào)，避免產(chǎn)生不含質(zhì)粒的子細(xì)胞。位點(diǎn)特異重組系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要使質(zhì)粒多聚體拆分為單體，以保證質(zhì)粒在子細(xì)胞中的平均分配。不相容性：具有相同復(fù)制起始位點(diǎn)和分配區(qū)的兩種質(zhì)粒DNA不能在同一宿主細(xì)胞中共存的現(xiàn)象，稱(chēng)為質(zhì)粒的不相容性。（三）質(zhì)粒的類(lèi)型按質(zhì)粒的傳遞性質(zhì)分為接合型、可移動(dòng)型和自傳遞型。按質(zhì)粒在宿主細(xì)胞中的拷貝數(shù)，分嚴(yán)謹(jǐn)型和松弛型。按質(zhì)粒可存在的宿主細(xì)胞細(xì)胞種類(lèi)的多少，分窄宿主譜型和廣宿主譜型。第二節(jié)真核生物基因組的結(jié)構(gòu)與功能一、真核生物基因組的特點(diǎn)1、真核生物基因組都是由大分子雙鏈線(xiàn)狀DNA，這些DNA通常與組蛋白、非組蛋白組成核小體、染色體等復(fù)合體而存在。染色體通常成對(duì)出現(xiàn)（雙倍體）。2、基因組非常龐大，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，有多個(gè)復(fù)制起始位點(diǎn)。3、基因組中存在大量的重復(fù)序列以及非編碼序列。4、真核生物基因組中也存在一些可移動(dòng)的DNA序列（轉(zhuǎn)座元件），但這些序列無(wú)明確的生物學(xué)功能。二、真核生物染色體DNA的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)（一）真核生物基因組中結(jié)構(gòu)基因的結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn)1、真核生物結(jié)構(gòu)基因一般屬于斷裂基因（splitgene），其基因由編碼的外顯子和非編碼的內(nèi)含子構(gòu)成，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物需經(jīng)剪接加工，才能作為模板指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成。斷裂基因：真核生物的結(jié)構(gòu)基因是不連續(xù)的，內(nèi)含子與外顯子間隔排列，這種基因稱(chēng)為斷裂基因。轉(zhuǎn)錄時(shí)內(nèi)含子與外顯子一起轉(zhuǎn)錄，在RNA中內(nèi)含子被切掉外顯子保留下來(lái)成為成熟的mRNA，作為指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的模版。內(nèi)含子：斷裂基因中不編碼蛋白質(zhì)的序列。外顯子：斷裂基因中編碼蛋白質(zhì)的序列。2、真核生物結(jié)構(gòu)基因一般轉(zhuǎn)錄生成單順?lè)醋?monocistron),即一個(gè)基因編碼一條多肽鏈。3、真核生物中,若干功能相似或相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因常常串聯(lián)組織在一起形成基因家族。4、真核生物基因組中結(jié)構(gòu)基因所占比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于非編碼區(qū)。(二)真核生物基因組中重復(fù)序列的結(jié)構(gòu)與功能真核生物基因組中通常存在大量的重復(fù)序列，可占整個(gè)基因組DNA的90%以上。按其復(fù)性速度的快慢或出現(xiàn)頻率的高低，將這些重復(fù)序列分為高度重復(fù)序列，中度重復(fù)序列和單拷貝序列三大類(lèi)。1、高度重復(fù)序列：高度重復(fù)序列在基因組中重復(fù)頻率高，106以上，復(fù)性速度很快。高度重復(fù)序列在基因組中所占比例隨種屬而異，一般在1?30%范圍內(nèi)。人的高度重復(fù)序列約占整個(gè)基因組的20%左右。高度重復(fù)序列按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為兩類(lèi)：反向重復(fù)序列和衛(wèi)星DNA.①反向重復(fù)序列(invertedrepeats):長(zhǎng)度一般在300?600bp范圍內(nèi)，分散于整個(gè)基因組中，此序列的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在DNA分子的每一條單鏈中，堿基序列回排對(duì)稱(chēng)。如GGTACC/CCATGG，上邊一條鏈和下面一條連重相反方向讀出的順序一致。當(dāng)反向重復(fù)序列的雙鏈DNA分離后，每一條單鏈內(nèi)的回排部分可通過(guò)鏈內(nèi)氫鍵相連，形成發(fā)卡結(jié)構(gòu)或十字架結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)有利于轉(zhuǎn)錄后RNA的穩(wěn)定2、衛(wèi)星DNA(satelliteDNA):是另一類(lèi)高度重復(fù)序列，這類(lèi)重復(fù)順序的重復(fù)單位一般由2-10bp組成，成串排列。由于這類(lèi)序列的堿基組成不同于其它部份，可用等密度梯度離心法將其與主體DNA分開(kāi)，因而稱(chēng)為衛(wèi)星DNA或隨體DNA。將衛(wèi)星DNA制成探針可用于法醫(yī)學(xué)方面的分析罪犯和親子鑒定。高度重復(fù)序列功能：參與復(fù)制水平的調(diào)節(jié)。參與基因表達(dá)的調(diào)控.參與轉(zhuǎn)位作用。與進(jìn)化有關(guān)。可以作為每一個(gè)體的特征，即DNA指紋?？赡芘c染色體減數(shù)分裂時(shí)染色體配對(duì)有關(guān)。2、中度重復(fù)序列：中度重復(fù)序列是指在基因組中重復(fù)十幾次至幾十萬(wàn)次的部分，其復(fù)性速度快于單拷貝序列，但慢于高度重復(fù)序列。中度重復(fù)序列在基因組中所占比例在不同種屬之間差異很大，一般為12?35%，人類(lèi)基因組中約占12%。中度重復(fù)序列中有些屬于結(jié)構(gòu)基因，如rRNA基因、組蛋白基因、免疫球蛋白基因、tRNA基因等，這些結(jié)構(gòu)基因常常以串聯(lián)形式排列在基因組中，故也屬于串聯(lián)重復(fù)序列；另一些中度重復(fù)序列則屬于轉(zhuǎn)座元件。中度重復(fù)序列中，典型的編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因是組蛋白基因。中度重復(fù)序列可分為短分散重復(fù)片段（300—500bp）和長(zhǎng)分散重復(fù)片段（3500－5000bp）。短分散重復(fù)片段的代表為Alu家族長(zhǎng)分散重復(fù)片段為KpnI重復(fù)序列家族3、單拷貝序列：?jiǎn)慰截愋蛄性诨蚪M中只出現(xiàn)一次或幾次，因此復(fù)性速度很慢。單拷貝序列屬于結(jié)構(gòu)基因，它代表了巨大的遺傳信息。SNP是單拷貝序列的代表。真核生物基因組中的重復(fù)序列（三）多基因家族與假基因多基因家族（multigenefamily）指DNA序列具有較高的同源性（通常大于50%），并且其編碼產(chǎn)物具有相同或相似生理功能的一組結(jié)構(gòu)基因。多基因家族中的基因通常是由同一祖先基因經(jīng)進(jìn)化或變異而來(lái)（同源）。多基因家族可分為兩類(lèi)：、基因家族成簇地分布在同一染色體上并同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，并同時(shí)發(fā)揮作用。如組蛋白基因家族；、基因家族成簇地分布于不同的染色體上并分別進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，且不同基因編碼的蛋白質(zhì)在功能上相關(guān)，如珠蛋白基因家族。假基因（pseudogene）——又稱(chēng)為加工基因或非功能基因。這類(lèi)基因的核苷酸順序雖然與正常的結(jié)構(gòu)基因很相似，但基本上不能表達(dá)。假基因是由于在進(jìn)化過(guò)程中，某些DNA片段發(fā)生了缺失、倒位或點(diǎn)突變，導(dǎo)致調(diào)控基因丟失；或無(wú)剪接加工信號(hào)；或編碼區(qū)出現(xiàn)終止信號(hào)；或編碼無(wú)功能或不完整的基因。三、真核生物線(xiàn)粒體DNA的結(jié)構(gòu)人mtDNA是一個(gè)長(zhǎng)為16,569bp的雙鏈閉合環(huán)狀分子，編碼13條多肽鏈、22種tRNA和2種rRNA。13種蛋白質(zhì)均是呼吸鏈酶復(fù)合物的亞單位。因?yàn)榫€(xiàn)粒體DNA（MtDNA）缺乏組蛋白的保護(hù)并且線(xiàn)粒體中沒(méi)有DNA損傷修復(fù)系統(tǒng)，因此其突變率非常高。第三節(jié)病毒基因組的結(jié)構(gòu)與功能病毒是由一個(gè)或幾個(gè)核酸分子組成的基因組，有一層蛋白或脂蛋白保護(hù)性外殼，且可在一定宿主細(xì)胞中自我復(fù)制的感染性因子。一、病毒基因組的類(lèi)型二、病毒基因組的特點(diǎn)1、基因組大小變化較大：一般為3~300kb。2、基因組的組成與結(jié)構(gòu)變化較大：DNA或RNA,雙鏈或單鏈，線(xiàn)狀或環(huán)狀，連續(xù)或不連續(xù)，單倍體或多倍體。3、基因的結(jié)構(gòu)變化較大：連續(xù)基因，斷裂基因，串聯(lián)基因，mRNA缺失5'-端帽子結(jié)構(gòu)或翻譯起始序列等。4、基因重疊現(xiàn)象較普遍：三、典型的病毒基因組（一）乙型肝炎病毒（HBV）基因組乙肝病毒屬于嗜肝DNA病毒，是引起乙型肝炎的病毒；病毒形態(tài)：感染血清中可檢查出完整顆粒（Dane顆粒），小球形外膜顆粒和管狀顆粒。Dane顆粒的檢出是肝內(nèi)病毒活躍復(fù)制的標(biāo)志乙肝病毒的形態(tài)電鏡下呈雙層外殼的圓形顆粒外膜約7nm，攜帶HBV表面抗原（HBSAg），核心顆粒為20面體的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，直徑約27nm攜帶HBV核心抗原（HBcAg），核心中包含雙鏈DNA分子，DNA多聚酶等.病毒的基因組結(jié)構(gòu)1、為不完全雙鏈環(huán)狀DNA，但兩條鏈長(zhǎng)短不一，負(fù)股為模板鏈，長(zhǎng)3.2kb，正股則長(zhǎng)約1.6~3.2kb。2、兩鏈的5'-端為粘性末端，并通過(guò)此粘性末端成環(huán)。3、利用重疊的開(kāi)放讀碼框架（ORF）編碼多個(gè)蛋白質(zhì)；4、所有調(diào)控序列均位于蛋白質(zhì)編碼區(qū)內(nèi)；5、基因序列具有多變性：免疫逃逸。通過(guò)檢測(cè)乙肝病毒的抗體可以簡(jiǎn)單的判斷感是否染了乙肝病毒，最好的辦法就是將和乙肝相關(guān)的抗原和抗體全部檢測(cè)出來(lái)，這就是：乙肝表面抗原（HBsAg）、e抗原（HBeAg）和核心抗原（HBcAg）,以及三種抗原誘生的相應(yīng)的抗體，分別是表面抗體（抗一HBs）、e抗體（抗一HBe）和核心抗體（抗一HBc）。由于技術(shù)的原因，一般實(shí)驗(yàn)室無(wú)法檢驗(yàn)核心抗原，所以三對(duì)抗原抗體少了一項(xiàng)，因此醫(yī)院驗(yàn)乙肝病毒標(biāo)志是查“乙肝五項(xiàng)”，俗稱(chēng)兩對(duì)半。通常所說(shuō)的''大三陽(yáng)〃是指乙肝表面抗原、e抗原、核心抗體三項(xiàng)陽(yáng)性是病毒處于復(fù)制期的標(biāo)志，具有傳染性；''小三陽(yáng)〃指的是是表面抗原、e抗體、核心抗體陽(yáng)性，病毒處于靜息期。（二）逆轉(zhuǎn)錄病毒基因組：逆轉(zhuǎn)錄病毒是屬于RNA病毒的一個(gè)大科他不同與其他病毒的特點(diǎn)是具有二倍體的基因和逆轉(zhuǎn)錄的復(fù)制過(guò)程。逆轉(zhuǎn)錄病毒的結(jié)構(gòu)由包膜，核衣殼和基因組RNA組成（正鏈s