基因组的结构与功能.ppt

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1、第 二 章 基因组的结构与功能 The Structure and Function of Genome,Genome： a set of integrated monoploid genetic material sum total in cellule or organism. Structure of genome： the distribution and alinement of diverse gene domain in nucleic acid. Function of genome: store and express hereditary information.,Geno

2、me: Humans have two genomes, which together make up the total genome: a chromosomal genome - inside the nucleus of the cell in the familiar form of chromosomes; and a mitochondrial genome - outside the nucleus in the cytoplasm of the cell, usually in the form of one round chromosome (the mitochondri

3、al chromosome).,diversity species creature, diversity genome size as well as complex extent.,the more evolve, the more complicated to genome.,第一节 人类基因组的结构与功能 The Genome Structure and Function of Human,一、homo sapiens gene dosage,人类基因数量几度缩水,最初，人们推测人类所拥有的基因大约有十万个这么多。当第一代的人类基因组测序结果公布后，研究人员发现人类基因组大约只含有3万

4、到4万个蛋白质编码基因。 由于测序技术方法的不断发展，对基因组分析的误差也在逐渐缩小。人类基因组数量也从34万，缩水到了25000左右。 而2011年一项发表在近日的PNAS上的研究表明，人类基因组中编码蛋白质的基因数量要比最新估计的24500这个数字要少。根据Broad研究所的这项研究显示，人类基因组中的蛋白质编码基因数目减少到20500个。研究人员也表示，随着研究的进一步深入，这个数目还可能会有变化。,higher structure of eukaryotic chromatin 真核生物染色质由DNA和蛋白质构成，其基本单位是核小体(nucleosome) compose of nuc

5、leosome DNA：approximately 200bp Histone：H1；H2A；H2B；H3；H4,Nucleosome is the fundamental histone-containing structural subunit of eukaryotic chromosomes. In most eukaryotic organisms, nuclear deoxyribonucleic acid (DNA) is complexed with an approximately equal mass of histone protein. The nucleosome i

6、s organized so that the DNA is exterior and the histones interior. The DNA makes two turns around a core of eight histone molecules. A short length of linker or spacer DNA connects one nucleosome to the next, forming a nucleosomal chain that has been likened to a beaded string. This basic structure

7、is found in all forms of chromatin.,真核细胞基因组中结构基因的特点 1.真核生物的结构基因大多为断裂基因； 2.真核细胞基因转录产物为单顺反子； 3.结构基因所占区域远小于非编码区域。,二、人基因组中存在大量重复序列 1.高度重复序列：重复频率达到106。 2.中度重复序列：重复频率达到105。 3.单拷贝序列：重复频率低于10次，占基因组中 大部分区域，编码大部分蛋白质。,Concept： 真核生物基因组中普遍存在着重复序列，其中重复频率高，可达百万（106）以上的重复序列，称之为高度重复序列。 在人类基因组中约占20。 由于高度重复序列中碱基组成的复杂度

8、很低，因此其复性速率很快。,1. Highly repetitive sequences,function： 参与复制水平的调节。 反向序列常存在于DNA复制起点区的附近；另外，许多反向重复序列是一些蛋白质（包括酶）和DNA的结合位点。 参与基因表达的调控。 参与转位作用。 几乎所有转位因子的末端都包含反向重复序列，长度由几个bp到1400bp。,与进化有关 不同种属的高度重复序列的核苷酸序列不同，具有种属特异性，但相近种属又有相似性。 与个体特征有关 同一种属中不同个体的高度重复序列的重复次数不一样，这可以作为每个个体的特征，即DNA指纹。 与染色体减数分裂时染色体配对有关。,高度重复序列类

9、型 （1）反向（倒位）重复序列 由两个相同顺序的互补拷贝在同一DNA链上反向排列而成。 这种重复序列复性速度极快，即使在极稀的DNA浓度下，也能很快复性，因此又称零时复性部分，人基因组中约占5。,（2）卫星DNA（satellite DNA） 重复序列的重复单位一般由2-10bp组成，且成串排列。 在介质氯化铯中作密度梯度离心，离心达到平衡后，从离心管外看，不同层面的DNA形成了不同的条带。根据荧光强度的分析，可以看到在一条主带以外还有一个或多个小的卫星带。 在人类基因组中卫星DNA约占5-6。,指在真核基因组中105的重复序列。少数在基因组中成串排列在一个区域，大多数与单拷贝基因间隔排列。

10、其复性速度快于单拷贝顺序，但慢于高度重复序列。 两种类型：短分散重复片段 长分散重复片段,2. Moderate repetitive sequence,（1）Short Interspersed Repeated Segments 重复序列的平均长度为300-500bp，与平均长度为1000bp左右的单拷贝序列间隔排列，拷贝数可达10万左右。 如Alu家族、Hinf家族等属于这种类型的中度重复序列。,（2）long interspersed repeated segments 重复序列的长度大于1000bp，平均长度为3500-5000bp。 如Kpn家族等，是中度重复顺序中仅次于Alu家族

11、的第二大家族。,低度重复序列在单倍体基因组中只出现一次或数次，复性速度很慢。 低度重复序列中储存了巨大的遗传信息，在低度重复序列中只有一小部份用来编码各种蛋白质，其他部份的功能尚不清楚。 人基因组中，大约占60%-65。,3. single-copy sequence,三、多基因家族与假基因 multigene family： from ancestral gene to group genes by repetition and mutation long time. histone family: clustering in same chromosome. Hb family: dist

12、ributing in different chromosome. pseudogene： 多基因家族中，某些成员由于缺失、倒位或点突变等，并不产生有功能的基因产物，以缺少正常基因的内含子为特征。,histone cluster 2,四、线粒体基因组的结构 procaryotic DNA structure analog 2. cricoid molecule 3. extranuclear heredity material mitochondrial genome total length 16569bp. coding 37genes: 13 respiratory genes, 22

13、mt- tRNA genes and 2mt-rRNA genes.,Mitochondrial genome,Mitochondria have been essential for the evolution of animals. It is generally believed that the energy-converting organelles of eucaryotes evolved from procaryotes that were engulfed by primitive eucaryotic cells and developed a symbiotic rela

14、tionship with them about 1.5 x 109 years ago. This would explain why mitochondria have their own DNA (mtDNA), which codes for some of their proteins. Since their initial uptake by a host cell, these organelles have lost much of their own genome and have become heavily dependent on genes in the nucle

15、us.,第二节 原核生物基因组的结构与功能 procaryotic genome structure and function,procaryotic genome structure and function,Procaryotic chromosome structure gene feature： 1.结构基因编码是连续的； 2.编码序列不重叠； 3.基因组中很少有重复序列； 4.编码蛋白质的结构基因多为单拷贝基因； 5.结构基因在基因组中的比例约为50%，以操纵子 为单位排列。,An operon is a group of key nucleotide sequences inclu

16、ding an operator, a common promoter, and one or more structural genes. Operons occur primarily in prokaryotes. Although located independent of the operon gene, a Regulator gene is present which codes for the production of a repressor or corepressor protein. They were first described by Franois Jacob

17、 and Jacques Monod in 1961.,一、原核生物基因以操纵子方式组构,二、原核生物中质粒基因组结构基因特点： 质粒（plasmid）:是细菌细胞内的、染色体之外的DNA分子，是共价闭合的环状DNA分子，能够独立于细胞的染色质DNA而进行复制。 由于质粒能在不断增殖的细胞中以一定的拷贝数稳定遗传，因此常常被用于重组DNA技术。,Plasmid is a circular, double-stranded unit of DNA that replicates within a cell independently of the chromosomal DNA. Plasmid

18、s are most often found in bacteria and are used in recombinant DNA research to transfer genes between cells. Plasmids are not usually required by their host cell for its survival. Instead, they carry genes that confer a selective advantage on their host, such as resistance to heavy metals or resista

19、nce to naturally made antibiotics carried by other organisms. Alternatively, they may produce antibiotics (toxins) that help the host to compete for food or space.,质粒的不同构象是否会影响在电泳过程中的迁移速率呢？ 如果迁移速率有影响，那迁移速度最快和最慢的分别是哪些构象？,A B C,A:闭合松弛质粒 B:线性质粒 C:闭合超螺旋质粒,4000bp 3000bp 2000bp 1000bp 600bp,如何用实验验证在pBR322

20、质粒中含有Bsg I 酶切位点和Sal I 酶切位点？ 如果用这两种酶同时酶切该质粒，酶切后的体系经电泳后会出现怎样的情况？,A B C D,4000bp 3000bp 2000bp 1000bp 600bp,克隆质粒和表达质粒,克隆质粒,表达质粒,质粒的特点 1.质粒中携带许多基因，影响生物学性状。 2.质粒可从一个细菌转移至另一个细菌，其携 带的遗传性状也随之转移。 3.质粒并非细菌生命活动所必需。 质粒编码非细菌生命所必须的某些生物学性状，如性菌毛、细菌素、毒素和耐药性等。其编码的性状对细菌有保护作用。,4）选择标记（如药物筛选标记，Amp、Kpn等） 5）不相容性:携带相同复制子的质粒

21、不能在同一 细菌中共存。 6）质粒转移性：可在同种属或异种属间转移。 7）质粒自身带有复制调控系统，能是细胞分裂 和质粒复制同步。 8）质粒拷贝方式有严禁性（低拷贝）和松弛性 （高拷贝）,第三节 病毒基因组的结构与功能 virus genome structure and function,病毒是最简单的原核生物，完整的病毒颗粒包括外壳蛋白和内部的基因组DNA或RNA.,外壳蛋白（或被膜）的功能是识别和侵袭特定的宿主细胞并保护病毒基因组不受核酸酶的破坏。,病毒不能独立地复制，必需进入宿主细胞中借助细胞内的一些酶类和细胞器才能使病毒得以复制。,Characteristic of virus ge

22、nome,不同的病毒的基因组相差较大。如乙肝病毒DNA为3kb，只能编码4种pro，而痘病毒的基因组有300kb，可编码几百种pro.,1. 基因组较小,可以是DNA，也可以是RNA。两者一般不共存在一种病毒中.,2. 可以是单链（大多数RNA病毒），也可以是 双链（大多数DNA病毒）,3. 可以是闭环（乳头瘤病毒闭环dsDNA） 4. 也可以是线性分子（腺病毒线性dsDNA）,5.RNA病毒基因组,如流感病毒的基因组RNA分子是节段性的，由八条RNA分子构成，每条RNA分子都含有编码蛋白质分子的信息。,可以由不相连的几条RNA组成，每条RNA都含有编码蛋白质的信息，DNA无类似现象。,Others 1.病毒基因可形成多顺反子mRNA 2.真核细胞病毒基因是不连续的 3.正链（）RNA：序列与mRNA相同的链 4.负链（）RNA：序列与mRNA互补的链,Key points,1.基因组概念 2.真核生物、原核生物及病毒基因组的结构特点 3.多基因家族及假基因的概念 4.质粒的概念,