基因組學,第1章課件

教材

《基因組學》，楊金水編著，高等教育出版社，第2版，2007.

基因組學(Genomics)1-5章:基因組的結構6-10章:基因組的功能11-14章:基因組的進化

《基因組學》內(nèi)容基因組（染色體組，Genome）由德國漢堡大學H.威克勒教授于1920年提出。基因組是指生物的整套染色體所含有的全部DNA序列?；蚪M學（Genomics）由T.羅德里克于1986年提出。用于概括涉及基因組作圖、測序和整個基因組功能分析的遺傳學學科分支。

基因組學與傳統(tǒng)遺傳學的差別基因組學是在全基因組范圍研究基因的結構、組成、功能及其進化。因而涉及高通量收集和分析有關基因組DNA的序列組成，全基因組的基因數(shù)目、功能和分類，基因組水平的基因表達與調(diào)控以及不同物種之間基因組的進化關系。

第1章基因組1.1遺傳的分子基礎1.2基因組序列復雜性1.3基因與基因家族1.4真核與原核基因組

遺傳信息流—中心法則1.1.1DNA的化學與生物學一、核苷酸與多聚核苷酸4種脫氧核苷酸多聚核苷酸的聚合1)4種脫氧核苷酸以磷酸二酯鍵連接，聚合成長鏈分子。加入的每一個核苷酸總是以5‘磷酸與DNA單鏈的最后一個核苷酸的3’-OH縮合形成磷酸二酯鍵。2)DNA的合成按5’-3’的方向進行，

1)右旋，A-DNA和B-DNA2)左旋，Z-DNADNA雙螺旋構象1)有兩種化學作用穩(wěn)定雙螺旋結構：堿基配對和堿基堆積;堿基配對的生物學意義：-遺傳信息的忠實傳遞;-A-T鍵能小于G-C鍵能，A/T順序更易解鏈，G/C順序較穩(wěn)定?；蚪MDNA中的某些序列為適應特別的功能便含有更多的A/T或G/C，如DNA轉(zhuǎn)錄與復制的起始區(qū)要求迅速解鏈，該區(qū)段含有較多的A/T堿基對。DNA雙螺旋結構的生物學意義2)DNA雙螺旋的大小溝具有結構信息,

許多蛋白質(zhì)都與大溝結合,是基因調(diào)控的核心;1.1.2RNA的化學與生物學一、RNA的功能和種類1)RNA的主要功能是傳遞遺傳信息，參與基因的表達與調(diào)控;2)細胞中RNA種類很多，包括核糖體RNA（ribosomalRNA,rRNA)，轉(zhuǎn)運RNA(transferRNA,tRNA),信使RNA(messengerRNA,mRNA),胞質(zhì)內(nèi)小RNA(smallcytoplasmicRNA,scRNA)，核內(nèi)小RNA(smallnuclearRNA,snRNA)，微小RNA(microRNA,miRNA)和小干擾RNA(smallinterferingRNA,siRNA）。RNA核苷酸單體都有2’—OHBACKRNA分子的不穩(wěn)定性RNA分子的高級結構胞嘧啶脫氨基變?yōu)槟蜞奏?/p>

胞苷尿苷1.1.3蛋白質(zhì)的結構與生物學一、蛋白質(zhì)的構型1)一級結構。為肽鍵連接的多肽鏈，多肽鏈的合成方向為N-C。2)二級結構。有3種，α螺旋，β折疊和轉(zhuǎn)角。3)三級結構。二級結構間互作而產(chǎn)生。4)四級結構。2個或多個三級結構的多肽鏈相互組合構成的多亞基蛋白質(zhì)?；蚧蚰ｓw圖解蛋白質(zhì)域的定義蛋白質(zhì)的三級結構中有一些在結構上和功能上相對獨立的組成區(qū)域，如球形或纖維狀結構，稱為域（domain）。蛋白質(zhì)域可根據(jù)某些特別的結構特征來定義，如富脯氨酸域；有時亦可根據(jù)所在位置定義，如RNA多聚酶大亞基羧基端具有特別的功能，稱為羧基端域（Ｃ-terminaldomain,CTD）；蛋白質(zhì)域有時還可根據(jù)觀測到的蛋白質(zhì)某一局部結構具有的活性進行定義。例如，具有催化活性的激酶區(qū)可稱為激酶域（kinasedomain），具有結合活性的區(qū)域如DNA結合域（DNA-bindingdomain）。Transmembranedomain,

與細胞膜嵌合的功能域。Extracellulardomain,面向細胞外側(cè)，與信息分子結合的功能域。Catalyticdomain,催化功能域。1.2基因組序列復雜性1.2.1C值與C值悖理

1.2.2基因組的序列組成1)C值：是指一個單倍體基因組中DNA的總量，一個特定的種屬具有特征的C值。2)低等生物基因組大小與生物復雜性呈正相關。3)C值悖理：高等生物物種的C值及其進化復雜性之間沒有嚴格的對應關系。1.2.1C值與C值悖理C值悖理N值悖理N值：一個物種基因組的基因數(shù)目。N值悖理：生物種屬所具有的基因數(shù)目與其生物結構的復雜性不成比例的現(xiàn)象.如水稻的基因數(shù)約60000,最復雜的人類其基因總數(shù)約25000.1.2.2基因組的序列組成1)單一序列:基因組中只有單拷貝的序列;2)中度重復序列:哺乳類基因組有兩大類-短散在元件(shortinterspersednuclearelement,SINE)，長度在500bp以下，拷貝數(shù)達10萬以上。-長散在元件(LINE)，長度在1000bp以上，拷貝數(shù)1萬左右。3)高度重復序列:重復單位長度在幾個堿基到數(shù)千堿基對，拷貝數(shù)從幾百個至上百萬個。串接排列,離心時形成衛(wèi)星帶，又稱衛(wèi)星DNA(satelliteDNA)。1.3基因與基因家族一、基因的概念1)“gene”一詞的出現(xiàn):1909年,Johson首次提出.2)“gene”一詞的中文翻譯最早出自談家楨先生.3)基因的定義經(jīng)典遺傳學:獨立的遺傳單位

segregatingandheritabledeterminantofthephenotype.Thefundamentalphysicalandfunctionalunitofheredity,whichcarriesinformationfromonegenerationtothenext.分子遺傳學:編碼與調(diào)控區(qū)

AsegmentofDNA,composedofatranscribedregionandregulatorysequencesthatmakepossibletranscription.二、特殊結構基因1)重疊基因:編碼序列彼此重疊的基因。-單個的mRNA可編碼2種或多種蛋白質(zhì)-由不同的啟動子轉(zhuǎn)錄的彼此重疊的mRNA。φX174基因組中的重疊基因人類和老鼠核基因組重疊基因人類INK4a/ARF基因座含兩個重疊基因:p14/ARF和p16/INK4a.這兩個基因分別由兩個獨立的啟動子調(diào)控,共享外顯子2和3,p14/ARF含外顯子1β,p16/INK4a含外顯子α.2)基因內(nèi)基因：一個基因內(nèi)含子中包含其他基因。二、特殊結構基因基因內(nèi)基因---線蟲內(nèi)含子中獨立的基因基因內(nèi)基因-人類人類神經(jīng)成纖維細胞瘤(neurofubromatosis1)1型基因長350kp,有60個內(nèi)含子。27號內(nèi)含子編碼3個獨立表達的基因.3)反義基因:

與已知基因編碼序列互補的負鏈編碼的基因。轉(zhuǎn)錄的反義基因與正義基因mRＮＡ有在５’端互補的，３’端互補的，還有完全互補的類型。二、特殊結構基因人類基因組中存在的反義基因采用軟件分析人類基因組數(shù)據(jù),結合芯片雜交,檢測到人類基因組含有1600個反義基因.見:NatureBiochenology21,379-386,2003人類基因組中的反義基因舉例三、基因家族（genefamily）來自一個共同的祖先,因基因加倍和趨異產(chǎn)生許多在DNA序列上基本一致而略有不同的成員。

1)大部分擔負類似的生物學功能.2）比較各個成員間的序列差異，可追蹤基因的演變軌跡。短片復制（Segmentalduplication)單個基因復制

(Individualgeneduplication)分散式串聯(lián)式

GGGGGGGG整條染色體復制（

Aneuploidy）整個染色體組復制（

Polyploidy）n2n基因家族的產(chǎn)生途徑

大豆基因家族成員結構同源性正向引物反向引物5’UTR3’UTR3’UTRT/GORF11223344111222ORF13’UTR1122ORF3344TC219180TC219180-1TC219180-2TC225212TC225212-1TC225212-2TC218232TC218232-1TC218232-2TC225246-1TC225246-2TC225246TC224550-1TC224550-2TC224595-1TC224595-2TC224595-3TC224550TC224595TC204932TC204932-1TC204932-211ORF22ORF11223344ORF3’UTR1122334455665’UTR3’UTR2A/GA/GORF112233445’UTR3’UTR3’UTR5’UTR追蹤基因成員的演變年代n/an/an/a0199388909816.30.02930.49080.0144579057TC224595-3TC224595-2n/an/an/a0199402909816.00.02960.47960.0142579055TC224595-3TC224595-1892415366736971004.90.00070.14780.0001579020TC224595-2TC224595-18667518611341097993.20.10550.09570.010126707TC224550-2TC224550-1n/an/an/a0329610909217.40.09060.52400.0475375036TC204932-2TC204932-1882964759331896984.60.05790.13820.0080582021TC225246-2TC225246-189423257498507981003.40.00100.10340.0001546012TC225212-2TC225212-189716912510096985.30.05130.1600.008218007TC219180-2TC219180-1905457107817520398991.90.05480.05840.003243207TC218232-2TC218232-1DNA(%)IndelSubstitutionAveragelength(bp)M2M1HomologoussequencesNon-homologoussequences(bp)cDNA(%)Protein(%)T(MYA)Ka/KsKsKaLength(bp)IndelSubstitution內(nèi)含子外顯子Member2(M2)Member1(M1)

不同物種Dicer家族的同源性四、假基因（pseudogene)定義:來源于功能基因但已失去原來功能的DNA

序列.1)重復假基因:串接排列,具有祖先基因的組成特點,具內(nèi)含子和外顯子.2)加工假基因:由RNA反轉(zhuǎn)錄再插入基因組中的基因順序,無內(nèi)含子.3)殘缺假基因:因不等交換使部分序列缺失的假基因.假基因有沒有功能?有兩層含義:1)相對于原來的功能基因而言