基因組的結(jié)構(gòu)與功能分子生物學

基因組的結(jié)構(gòu)與功能分子生物學第一頁，共五十四頁，2022年，8月28日基因組(genome）：細胞或生物體中，一套完整單倍體所含有的全部遺傳物質(zhì)。

ThegenomeisalltheDNAinacell.

AlltheDNAonallthechromosomes

Eukaryotescanhave2-3genomes

Nucleargenome

Mitochondrialgenome

Plastidgenome

Ifnotspecified,“genome”usuallyreferstothenucleargenome第二頁，共五十四頁，2022年，8月28日第三頁，共五十四頁，2022年，8月28日第四頁，共五十四頁，2022年，8月28日不同的生物體，其基因組的大小和復雜程度各不相同進化程度越高的生物其基因組越復雜第五頁，共五十四頁，2022年，8月28日基因組的結(jié)構(gòu)：基因組的形態(tài)

不同的基因功能區(qū)域在核酸分子中的分布和排列情況病毒基因組：DNA，RNA,環(huán)狀或鏈狀原核生物基因組：環(huán)狀DNA真核生物基因組：核基因組--鏈狀DNA線粒體基因組—環(huán)狀DNA第六頁，共五十四頁，2022年，8月28日HIV-1genomeRNA10000(104)baseslong病毒基因組的大小差異較大，可以是DNA,也可以是RNA第七頁，共五十四頁，2022年，8月28日HBV的基因組Thegenomeis3020–3320nucleotideslong(forthefull-lengthstrand)and1700–2800nucleotideslong(fortheshortlength-strand).DNA

（Acircular,double-strandedDNAcontainingsingle-strandbreaks）第八頁，共五十四頁，2022年，8月28日基因組的功能：

貯存和表達遺傳信息第九頁，共五十四頁，2022年，8月28日第一節(jié)人類基因組的結(jié)構(gòu)與功能第十頁，共五十四頁，2022年，8月28日真核生物基因組的特點：結(jié)構(gòu)復雜基因數(shù)龐大具有許多復制起點含有大量重復順序與非編碼的順序編碼蛋白質(zhì)的序列約占2%～3%。第十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日人類基因組(HumanGenome)包括細胞核染色體DNA（22條常染色體、2條性染色體)及線粒體DNA所攜帶的所有遺傳物質(zhì)。第十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日人核基因組人線粒體基因組16,569basepairs(bp)inlength

第十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日第十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日人類基因組的DNA序列約30億堿基對，含約3萬個基因一、人類基因組中只有不到三萬個基因第十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日第十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日第十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日二、人類基因組中存在大量重復序列真核細胞基因組中存在大量的重復序列。根據(jù)重復序列的特點，分為：高度重復序列中度重復序列單拷貝序列低度重復序列第十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日（一）高度重復序列：重復頻度大于106次。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點分為：反向重復序列衛(wèi)星DNA第十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日1、反向重復序列（invertedrepeats)兩個相同順序的互補拷貝在同一DNA鏈上反向排列形成的重復序列，重復單位長度約為300bp，呈散在分布，兩個重復單元之間的間隔約1.6kbp。兩個互補拷貝可以形成鏈內(nèi)堿基互補配對，形成十字狀結(jié)構(gòu)。如果兩個互補序列之間沒有間隔，而是串聯(lián)，稱為回文結(jié)構(gòu)（palindrome）第二十頁，共五十四頁，2022年，8月28日反向重復序列第二十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日2、衛(wèi)星DNA大衛(wèi)星DNA（macro-satelliteDNA)小衛(wèi)星DNA（mini-satelliteDNA)微衛(wèi)星DNA（micro-satelliteDNA)第二十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日衛(wèi)星DNA(satelliteDNA）重復單元序列為5～171bp，呈串連排列，重復序列的長度可為100kbp～幾個Mb。主要分布在著絲粒和端粒。5’……AGGGTTCTTAAGTGTCAGGGTTCTTAAGTGTC…….3’3’……TCCCAAGAATTCACACTCCCAAGAATTCACAC…….5’重復單位為AGGGTTCTTAAGTGTC，表示為(AGGGTTCTTAAGTGTC)n染色體DNA重復序列第二十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日微衛(wèi)星DNA：是由短的重復單元序列串聯(lián)構(gòu)成的重復序列，重復單元一般為1～6bp，重復次數(shù)10~60次左右，重復序列長度一般小于150bp。如（AC）n(TG)n（CGG）n第二十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日高度重復序列的功能（1）參與復制的調(diào)節(jié)（2）參與基因表達的調(diào)控（3）參與染色體配對第二十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日微衛(wèi)星DNA與疾病的關系Huntington病脆性X染色體綜合癥第二十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日第二十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日Huntingtondisease第二十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日theFragileXMentalRetardation1Gene(FMR1)trinucleotiderepetitivesequence(CGG)expansionFragilesyndrome第二十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日manyCGGtandemrepeatsinthe5’UTRNormalindividualshave5to50CGGrepeatsFXScarriershave53-200repeats(premutation)Premutationdoesnotcausementalretardation,butthereisahighriskwhenitispassedtothenextgenerationthroughafemaleAffectedindividualshavemorethan230repeats(fullmutation)Inthefullmutation,theFMR1geneis“shutoff”andpreventstheproductionoftheFMR1protein,whichisconsideredimportantforbraindevelopmentGirlsareonlycarriersofthedisorder,sotheyshowlesssevereeffects第三十頁，共五十四頁，2022年，8月28日第三十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日第三十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日（二）中度重復序列中度重復序列是指重復單元的重復次數(shù)在數(shù)十至數(shù)萬次（<105）的DNA序列，散在分布在基因組中。分為兩種類型：短分散重復序列和長分散重復序列。（1）短分散重復序列（shortinterspersedrepeatedsegments,SINES)重復單元的平均長度為300~500bp，拷貝數(shù)可達10萬左右。包括Alu家族、Hinf家族。（2）長分散重復序列（longinterspersedrepeatedsegments,LINES)重復單元的平均長度為3500~5000bp。第三十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日Alu家族（也稱為Alu重復序列）是一種短的散在分布的重復序列，重復單元長度為300bp，因其含有一個AluI內(nèi)切酶位點而命名為Alu重復序列，是靈長類動物基因組特有的序列，平均每5kb就出現(xiàn)一個Alu序列

。在人類基因組中約占3～6%。Alu序列在170位堿基附近有限制性內(nèi)切酶Alu的酶切位點序列AGCT染色體5’……..AGCT…….3’3’……..TCGA…….5’:Alu重復序列AluI酶切位點170bp130bpAlu重復序列主要構(gòu)成基因組間隔序列和內(nèi)含子序列。與基因表達調(diào)控有關。第三十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日rRNA基因也屬于中度重復序列，各種rRNA的基因串連成簇。真核生物的5.8s、18s、28srRNA基因序列在同一轉(zhuǎn)錄單位中，三個基因間有短的被轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)將它們分開，形成一個約7500bp的轉(zhuǎn)錄單位。45SrRNA前體45SrRNA前體rRNA基因18S5.8S28S不轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū)第三十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日（三）單拷貝序列（singlecopysequence，uniquesequence）在基因組中只出現(xiàn)一次或少數(shù)幾次的序列。多數(shù)編碼蛋白質(zhì)的基因均為單拷貝序列。第三十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日三、多基因家族和假基因1、多基因家族在真核生物中，一些起源于同一祖先基因、結(jié)構(gòu)相似、功能相關的一組基因。分為兩類：一類是基因家族位于同一條染色體上，如組蛋白基因家族的基因均分布在7號染色體；另一類是基因家族的不同成員分布在不同染色體上，如人珠蛋白基因家族，珠蛋白基因分布在第16號染色體，珠蛋白基因家族分布在第11號染色體。第三十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日珠蛋白基因簇珠蛋白基因簇:第三十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日2、假基因（pseudogene)在多基因家族中，DNA序列與正?；虻慕Y(jié)構(gòu)相似，但不能產(chǎn)生有功能的基因產(chǎn)物的基因稱為假基因。第三十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日第二節(jié)原核生物基因組的結(jié)構(gòu)與功能一、原核生物染色體的結(jié)構(gòu)與功能（一）原核生物染色體DNA的基本結(jié)構(gòu)由一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成，在細胞中與蛋白質(zhì)結(jié)合存在，高度折疊，盤繞聚集在一起形成類核。第四十頁，共五十四頁，2022年，8月28日（二）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1、結(jié)構(gòu)基因序列是連續(xù)排列的，無內(nèi)含子，轉(zhuǎn)錄后不需要剪接。2、結(jié)構(gòu)基因之間的編碼序列無重疊現(xiàn)象。4、結(jié)構(gòu)基因多為單拷貝，但編碼rRNA的基因通常是多拷貝。3、基因組中重復序列少。5、結(jié)構(gòu)基因在基因組中所占的比例約為50%，大于真核基因組，但小于病毒基因組。6、只有一個復制起始點7、具有操縱子結(jié)構(gòu)第四十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日（三）原核生物染色體基因組中結(jié)構(gòu)基因與調(diào)控序列的的組織形式功能上相關的幾個結(jié)構(gòu)基因往往串聯(lián)排列在一起，與上游調(diào)控序列組成操縱子，結(jié)構(gòu)基因的表達受上游調(diào)控序列的調(diào)控。第四十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日阻遏物基因：編碼阻遏蛋白啟動子：RNA聚合酶結(jié)合區(qū)操縱基因：阻遏物結(jié)合區(qū)OP結(jié)構(gòu)基因2結(jié)構(gòu)基因1結(jié)構(gòu)基因3第四十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日二、原核生物中的質(zhì)粒DNA（一）質(zhì)粒的基本特征質(zhì)粒是存在于細菌內(nèi)染色體外的環(huán)狀DNA分子，能在宿主細胞中進行自我復制，并能在細胞分裂時傳給子代。其DNA的長度約為1.5~15kb。第四十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日質(zhì)粒的結(jié)構(gòu)與功能特點●

能夠獨立于細胞的染色質(zhì)DNA而進行復制●

對宿主細胞的生存不是必需的●

能賦予細菌特定的遺傳性狀第四十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日質(zhì)粒只有在宿主細胞內(nèi)才能夠自我復制，其攜帶的遺傳信息會賦予宿主細胞一些特定的遺傳性狀。如耐藥性等第四十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日第三節(jié)

病毒基因組的結(jié)構(gòu)與功能第四十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日一、病毒基因組的結(jié)構(gòu)特點DNA病毒或RNA病毒基因組較小不到大腸桿菌基因組大小的十分之一可以是DNA，也可以是RNA可以是單鏈結(jié)構(gòu)，也可以是雙鏈結(jié)構(gòu)可以是閉環(huán)分子，也可以是線性分子基因重疊:

同一DNA片段可以是2種甚至3種蛋白質(zhì)分子的部分編碼區(qū),重疊編碼機制提高了病毒基因組的編碼能力

無自主復制的酶類第四十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日多順反子mRNA

功能相關的基因或rRNA基因，可以形成1個轉(zhuǎn)錄單元?？杀灰黄疝D(zhuǎn)錄成為多順反子mR