分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué)課件

1、02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),1,Molecular Biology,溫州醫(yī)科大學(xué) 檢驗(yàn)與生命科學(xué)學(xué)院,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),2,緒 論,分子生物學(xué)定義 分子生物學(xué)發(fā)展簡史 分子生物學(xué)研究內(nèi)容 分子生物學(xué)與醫(yī)學(xué)的關(guān)系,分子生物學(xué) 第一章,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),3,一、分子生物學(xué)定義,從分子水平研究生物分子的結(jié)構(gòu)與功能從而闡明生命現(xiàn)象本質(zhì)和生命過程規(guī)律的一門交叉科學(xué) ；主要研究遺傳信息的傳遞（復(fù)制）、保持（損傷和修復(fù)）、基因的表達(dá)（轉(zhuǎn)錄和翻譯）與調(diào)控。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),4,分子生物學(xué)的發(fā)展大致可分為三個(gè)階段： 準(zhǔn)備和醞釀階段

2、現(xiàn)代分子生物學(xué)的建立和發(fā)展階段 初步認(rèn)識生命本質(zhì)并開始改造生命的深入發(fā)展階段,二、分子生物學(xué)發(fā)展簡史,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),5,1.準(zhǔn)備和醞釀階段,19世紀(jì)后期-20世紀(jì)50年代初。該階段產(chǎn)生了兩點(diǎn)對生命本質(zhì)的認(rèn)識上的重大突破：,確定了蛋白質(zhì)是生命活動的主要物質(zhì)基礎(chǔ),19 世紀(jì)末 Buchner 兄弟證明酵母無細(xì)胞提取液能使糖發(fā)酵產(chǎn)生酒精，第1次提出酶(enzyme)的名稱，酶是生物催化劑。,20 世紀(jì) 20-40 年代提純和結(jié)晶了一些酶（包括尿素酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶、黃酶、細(xì)胞色素C、肌動蛋白等），證明酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),6,對蛋白

3、質(zhì)一級結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)的認(rèn)識,1902年Emil Fisher證明蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)是多肽；,1953年Sanger和Thompson完成了第一個(gè)多肽分子胰島素A鏈和B鏈的氨基全序列分析。,1950年P(guān)auling和Corey提出了-角蛋白的-螺旋結(jié)構(gòu)模型。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),7, 1865年，孟德爾發(fā)表了他的植物雜交實(shí)驗(yàn)一文，首次闡述了生物界有規(guī)律的遺傳現(xiàn)象-分離定律和自由組合定律?！斑z傳因子 ” 1900年，孟德爾遺傳規(guī)律被證實(shí)，成為近代遺傳學(xué)基礎(chǔ)。 1910年，Morgan的染色體基因遺傳理論 ， Gene 存在于染色體上。進(jìn)一步將“性狀”與“基因”相耦聯(lián)，成為現(xiàn)代遺傳學(xué)的奠

4、基石。,確定了生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)是DNA,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),8, 1944年，美國微生物學(xué)家Avery證明肺炎球菌轉(zhuǎn)化因子就是DNA分子，提出 DNA是遺傳信息的載體。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),9,從50年代初到70年代初，以1953年Watson和Crick提出的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型作為現(xiàn)代分子生物學(xué)誕生的里程碑，開創(chuàng)了分子遺傳學(xué)基本理論建立和發(fā)展的黃金時(shí)代。,2. 現(xiàn)代分子生物學(xué)的建立和發(fā)展階段,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),10,（1）遺傳信息傳遞中心法則的建立,1953年Watson和Crick提出DNA復(fù)制的模型；,逐漸完善了對DNA復(fù)

5、制機(jī)理的認(rèn)識,1954年Crick提出遺傳信息傳遞的規(guī)律 中心法則； 1970年Crick提出了完整的中心法則。,實(shí)線箭頭的轉(zhuǎn)移普遍地存在于所有生物細(xì)胞中。 虛線箭頭是特殊情況下的遺傳信息轉(zhuǎn)移。,朊病毒？,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),11,中心法則合理地說明了在細(xì)胞的生命活動中兩類大分子的聯(lián)系和分工： 核酸的功能是儲存和轉(zhuǎn)移遺傳信息，指導(dǎo)和控制蛋白質(zhì)的合成。 蛋白質(zhì)的主要功能是進(jìn)行新陳代謝活動和作為細(xì)胞結(jié)構(gòu)的組成成分。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),12,2 對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的進(jìn)一步認(rèn)識,1956-1958 年 Anfinsen 和 White根據(jù)對酶蛋白的變性和復(fù)性實(shí)

6、驗(yàn)，提出蛋白質(zhì)的三維空間結(jié)構(gòu)是由其氨基酸序列來確定的。 1958 年 Ingram 證明正常的血紅蛋白與鐮刀狀紅細(xì)胞貧血病人的血紅蛋白之間，肽鏈上僅有一個(gè)氨基酸殘基的差別，使人們對蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)影響功能有了深刻的印象。 對蛋白質(zhì)研究的方法手段也有很大改進(jìn)。 1969 年 Weber 應(yīng)用 SDS-PAGE 測定蛋白質(zhì)分子量； 1973 年氨基酸自動測序儀問世。 中國科學(xué)家在 1973 年通過 1.8A X 線衍射，分析測定了牛胰島素的空間結(jié)構(gòu)。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),13,3.認(rèn)識生命本質(zhì)并改造生命的發(fā)展階段,70年代后，以基因工程技術(shù)的出現(xiàn)作為新的里程碑，標(biāo)志著人類深入認(rèn)

7、識生命本質(zhì)并能動改造生命的新時(shí)期開始。其間的重大成就包括：,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),14,(1) 重組DNA技術(shù)的建立和發(fā)展,1967-1970年R.Yuan和H.O.Smith等發(fā)現(xiàn)的限制性核酸內(nèi)切酶為基因工程提供了有力的工具；,第一個(gè)實(shí)現(xiàn)DNA重組的人Berg 1972年斯坦福大學(xué)的Paul Berg 小組首次完成了體外重組實(shí)驗(yàn)：用E.coR 切割SV40 DNA和噬菌體DNA，經(jīng)過連接組成重組的DNA分子。(1980年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)),Paul Berg,SV40,l噬菌體,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),15,1973年，美國斯坦福大學(xué)的Cohen 組將E. co

8、li的tetr質(zhì)粒psclol和neorsr Rb-3質(zhì)粒體外限制酶切割，連接成一個(gè)新的質(zhì)粒，轉(zhuǎn)化E. coli，在含有四環(huán)素和新霉素的平板上篩選出了tetrner，實(shí)現(xiàn)了細(xì)菌遺傳性狀的轉(zhuǎn)移。這是基因工程史上的第一個(gè)克隆化并取得成功的例子，由此宣告了基因工程的誕生，這一年被定為基因工程誕生的元年。,第一個(gè)取得基因工程成功的人Cohen,Cohen,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),16,(2) 基因組研究的發(fā)展,目前分子生物學(xué)已經(jīng)從研究單個(gè)基因發(fā)展到研究生物基因組的結(jié)構(gòu)與功能。 1977年Sanger測定了X174-DNA全部5375個(gè)核苷酸的序列； 1978年Fiers等測出SV-40

9、DNA全部5224bp序列； 80年代噬菌體DNA全部48,502bp的序列全部測出； 一些小的病毒包括乙型肝炎病毒、艾滋病毒等基因組的全序列也陸續(xù)被測定；,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),17,三、分子生物學(xué)的主要研究內(nèi)容,1. 核酸的分子生物學(xué),研究核酸的結(jié)構(gòu)及其功能，包括核酸/基因組的結(jié)構(gòu)、遺傳信息的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄與翻譯，核酸存儲的信息修復(fù)與突變，基因表達(dá)調(diào)控和基因工程技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用等。遺傳信息傳遞的中心法則是其理論體系的核心。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),18,2. 蛋白質(zhì)的分子生物學(xué),研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能。,蛋白質(zhì)的研究比早，但難度較大，發(fā)展較慢。近年來在蛋白質(zhì)的

10、結(jié)構(gòu)及其與功能關(guān)系方面取得了一些進(jìn)展，但是對其基本規(guī)律的認(rèn)識尚缺乏突破性的進(jìn)展。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),19,3. 細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子生物學(xué),研究細(xì)胞內(nèi)、細(xì)胞間信息傳遞的分子基礎(chǔ)。,生物體的細(xì)胞分裂與分化及其它各種功能的完成，均依賴于環(huán)境所賦予的各種信號。 在外源信號的刺激下，細(xì)胞將信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗械纳锘瘜W(xué)變化，例如蛋白質(zhì)構(gòu)象的轉(zhuǎn)變、蛋白質(zhì)分子的磷酸化以及蛋白與蛋白互作的變化等，從而使其發(fā)生改變以適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境的需要。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),20,四、 分子生物學(xué)與醫(yī)學(xué)的關(guān)系,由于分子生物學(xué)涉及認(rèn)識生命的本質(zhì)，它也就自然而然地滲透到醫(yī)學(xué)各學(xué)科領(lǐng)域中，成為現(xiàn)代

11、醫(yī)學(xué)的重要基礎(chǔ)。在醫(yī)學(xué)各學(xué)科中，包括生理學(xué)、微生物學(xué)、免疫學(xué)、病理學(xué)、藥理學(xué)以及臨床各學(xué)科，分子生物學(xué)都正在廣泛地形成交叉和滲透，形成了一些交叉學(xué)科，如分子免疫學(xué)、分子病理學(xué)、分子病毒學(xué)和分子藥理學(xué)，大大促進(jìn)了醫(yī)學(xué)的發(fā)展。 分子生物學(xué)在醫(yī)學(xué)各個(gè)領(lǐng)域中的滲透使醫(yī)學(xué)進(jìn)入分子水平。分子生物學(xué)的發(fā)展終將解決諸多的重大醫(yī)學(xué)問題，如人腦的機(jī)能、生育控制、腫瘤防治、器官移植、免疫調(diào)節(jié)、新藥開發(fā)等。因此，可以說分子生物學(xué)將是未來醫(yī)學(xué)的核心內(nèi)容。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),21,基因、基因組和基因組學(xué),分子生物學(xué) 第二章,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),22,主要內(nèi)容,第一節(jié) 基因的結(jié)構(gòu)和

12、功能 第二節(jié) 病毒基因組的結(jié)構(gòu)和功能 第三節(jié) 原核生物基因組的結(jié)構(gòu)和功能 第四節(jié) 真核生物基因組的結(jié)構(gòu)和功能 第五節(jié) 基因組學(xué),02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),23,遺傳學(xué)角度： 基因（gene）：是指攜帶有遺傳信息的DNA或RNA序列，也稱為遺傳因子。 分子生物學(xué)角度： 基因（gene）：是合成有功能的蛋白質(zhì)或RNA所必需的全部DNA，包括編碼蛋白質(zhì)或RNA的核酸序列及為保證轉(zhuǎn)錄所必需的調(diào)控序列。,第一節(jié) 基因的結(jié)構(gòu)和功能,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),24,（1）具有轉(zhuǎn)錄和翻譯功能，編碼蛋白質(zhì)的基因。包括結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因；,基因的分類,基因按其功能可分為：,結(jié)構(gòu)基因 可

13、被轉(zhuǎn)錄成mRNA，并可翻譯成多肽，構(gòu)成結(jié)構(gòu)蛋白或催化各種生化反應(yīng)的酶。 調(diào)節(jié)基因 指某些可調(diào)節(jié)、控制結(jié)構(gòu)基因表達(dá)的基因。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),25,（2）只有轉(zhuǎn)錄功能而沒有翻譯功能的基因，包括tRNA基因和rRNA基因。 （3）不轉(zhuǎn)錄的基因，它對基因表達(dá)起調(diào)節(jié)控制作用，包括啟動基因和操縱基因。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),26,基因的結(jié)構(gòu),真核生物,編碼區(qū)：能夠編碼產(chǎn)生蛋白質(zhì)的序列，包括外顯子與內(nèi)含子。 前導(dǎo)區(qū)：位于編碼區(qū)上游，相當(dāng)于mRNA5端非編碼區(qū)。 調(diào)節(jié)區(qū)：包括啟動子和增強(qiáng)子等基因編碼區(qū)的兩側(cè)，也稱為側(cè)翼序列。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),2

14、7,斷裂基因（splite gene）,真核生物結(jié)構(gòu)基因，由若干個(gè)編碼區(qū)和非編碼區(qū)互相間隔開但又連續(xù)鑲嵌而成，去除非編碼區(qū)再連接后，可翻譯出由連續(xù)氨基酸組成的完整蛋白質(zhì)，這些基因稱為斷裂基因 編碼序列稱外顯子(exon)，非編碼序列稱內(nèi)含子(intron)。,1977年發(fā)現(xiàn)斷裂基因，1993年獲諾貝爾獎(jiǎng),02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),28,斷裂基因,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),29,基因大小,低等生物的基因較小，高等生物基因較大,基因的大小主要取決于內(nèi)含子的有無、大小及數(shù)量,病毒與原核生物（古細(xì)菌除外）基因沒有內(nèi)含子，不是斷裂基因（split gene） 低等真核生物（如

15、酵母和真菌）大多數(shù)基因沒有內(nèi)含子，因此其基因較小，一般不超過5kb 高等真核生物基因普遍含有內(nèi)含子，內(nèi)含子通常比外顯子（exon）大很多，使基因比其mRNA分子大很多,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),30,基因攜帶遺傳信息 基因控制生物體的性狀 （1）控制酶的合成； （2）控制結(jié)構(gòu)蛋白的成分 遺傳信息的表達(dá)過程是一個(gè)基因所攜帶的信息轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N具有正常功能產(chǎn)物（蛋白質(zhì)、多肽、RNA）的過程。(嚴(yán)格的時(shí)間和空間特異性),基因功能,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),31,基因組（genome）：是指一個(gè)物種的單倍體的染色體所攜帶的全部遺傳信息。,原核生物（prokaryote）和真核生

16、物（eukaryote）的基因組都是DNA 病毒基因組有的是DNA，有的是RNA,基因組（原核生物和真核生物）,第二節(jié) 基因組的結(jié)構(gòu)和功能,染色體基因組（chromosomal genome） 染色體外基因組（extrachromosomal genome） 如：細(xì)菌的質(zhì)粒（plasmid）DNA 真核生物的線粒體（mitochondria）DNA 葉綠體（chloroplast）DNA,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),32,C值（C value）：一種生物體單倍體基因組的DNA含量總是恒定的，它通常稱為該物種DNA的C值。不同物種的C值差異很大，如最小的支原體只有104bp，而最大的

17、某些顯花植物和兩棲動物可達(dá)1011bp。,基因組的大小,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),33,不同生物種類基因組DNA的C值分布圖,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),34,主要表現(xiàn): 1. C值不隨生物的進(jìn)化程度和復(fù)雜性而增加,如肺魚的C值為112.2109bp ，而人的是3.2109bp ； 2. 親緣關(guān)系密切的生物C值相差甚大，如兩棲動物，C值小的可以低至109bp以下，C值大的可以高至幾乎1011bp； 3. 高等真核生物具有比用于遺傳高得多的C值，如人的染色體組DNA含量在理論上包含300萬個(gè)基因，但實(shí)際有用途的基因只有2-3萬左右。,C值矛盾：生物體的進(jìn)化程度與基因組大

18、小之間不完全成比例的現(xiàn)象（又稱：C值悖論，C value paradox ）,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),35,必需基因：指關(guān)系到生物體存活的基因，可通過基因突變的方法確定致死位點(diǎn)的數(shù)量，以得知基因組必需基因的數(shù)量,有相當(dāng)一部分基因?qū)ι矬w的存活沒有影響。原因之一可能是冗余（也即多拷貝）基因的存在 基因組中是否存在非必需基因，其比例是多少等有待研究,基因總數(shù)與必需基因,生物體的復(fù)雜程度與基因組中基因數(shù)目成正相關(guān)（不完全成比例）,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),36,（1）病毒基因組的核酸類型,病毒基因組有4種不同類型 雙鏈DNA（乳頭瘤病毒） 單鏈DNA（ X174 ） 雙

19、鏈RNA（輪狀病毒） 單鏈RNA（流感病毒） 對于單鏈DNA或RNA病毒而言，如果基因組序列與mRNA相同，稱為正鏈DNA（+DNA）或正鏈RNA（+RNA）病毒，如果與mRNA互補(bǔ)，則稱為負(fù)鏈DNA（-DNA）或負(fù)鏈RNA（-RNA）病毒,一、病毒基因組的結(jié)構(gòu)和功能,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),37,（2）病毒基因組的大小及堿基組成,病毒基因組大小在不同病毒有較大差異，變化范圍在1.5103bp（核苷酸，nucleotide，nt）3.6106bp（nt）之間 乙肝病毒DNA：3kb，信息量較小，編碼4種蛋白質(zhì) 痘病毒的基因組：300kb，編碼幾百種蛋白質(zhì)（病毒復(fù)制所涉及 的酶類

20、編碼，核苷酸代謝的酶類） 病毒基因組大小與病毒對宿主的依賴性有關(guān) 不同病毒核酸的堿基組成相差很大 皰疹病毒屬，G+C含量高達(dá)75% 痘病毒屬G+C含量卻低至26%,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),38,（3）RNA病毒基因組編碼序列具有節(jié)段性 多數(shù)RNA病毒的基因組是由連續(xù)的RNA鏈組成；但有些病毒的基因組RNA由不連續(xù)的幾條核酸鏈組成； 如：流感病毒由8條RNA分子構(gòu)成，每條RNA分子都含有編碼蛋白質(zhì)分子的信息；輪狀病毒由10個(gè)節(jié)段性的線性雙鏈RNA分子構(gòu)成，每段RNA分子都編碼一種蛋白質(zhì)。 有分段基因組的病毒一般感染效率較低；容易重組，發(fā)生變異。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因

21、組學(xué),39,所謂重疊基因（overlapping gene）是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的基因共有一段DNA序列，或是指一段DNA序列成為兩個(gè)或兩個(gè)以上基因的組成部分。 某些原核生物、病毒或噬菌體,（4）病毒基因存在基因重疊；,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),40,基因重疊,1977年，Sanger 在研究X174時(shí)發(fā)現(xiàn),X174是一種單鏈DNA病毒， 感染大腸桿菌后共合成總分子量為25萬左右蛋白質(zhì)分子，相當(dāng)于6078個(gè)核苷酸所容納的信息量 X174 DNA本身只有5386個(gè)核苷酸，最多能編碼總分子量為20萬的蛋白質(zhì)分子,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),41,基因重疊,基因重疊有以下幾種

22、情況： （1）完全重疊 （2）部分重疊 （3）兩個(gè)基因只有一個(gè)堿基重疊 一個(gè)基因終止密碼子的最后一個(gè)堿基是另一個(gè)基因起始密碼子的第一個(gè)堿基,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),42,（5）病毒基因組的大部分序列可編碼蛋白質(zhì)，只有非常小的一部份不編碼蛋白質(zhì)； （6）病毒基因組的轉(zhuǎn)錄單元是多順反子； DNA序列中功能相關(guān)的蛋白質(zhì)的基因叢集在基因組的一個(gè)或幾個(gè)特定的部位，形成一個(gè)功能單位或轉(zhuǎn)錄單元，它們可被一起轉(zhuǎn)錄成含有多個(gè)mRNA的分子，稱為多順反子mRNA。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),43,（7）病毒基因組都是單倍體（逆轉(zhuǎn)錄病毒除外） （8）噬菌體（細(xì)菌病毒）的基因是連續(xù)的，而

23、真核細(xì)胞病毒的基因是不連續(xù)的,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),44,病毒基因組的結(jié)構(gòu)與功能特征,病毒基因組基因組很小，且大小相差較大。 病毒基因組可以由DNA組成，或由RNA組成。 多數(shù)RNA病毒的基因組是由連續(xù)的RNA鏈組成； 基因重疊。 基因組的大部分可編碼蛋白質(zhì)，只有非常小的一部份不編碼蛋白質(zhì)。 形成多順反子結(jié)構(gòu)（polycistronie）。 病毒基因組都是單倍體（逆轉(zhuǎn)錄病毒除外）。 噬菌體（細(xì)菌病毒）的基因是連續(xù)的，而少數(shù)真核細(xì)胞病毒的基因是不連續(xù)的。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),45,2.2.2原核生物基因組的結(jié)構(gòu)和功能,原核生物基因組通常比較簡單，其基因組大小

24、在106bp107bp之間，所包含的基因數(shù)目幾百個(gè)到數(shù)千個(gè)之間。,類核（nucleoid）：是指原核生物基因組通常由一條環(huán)狀的雙鏈DNA分子組成，在細(xì)胞中與蛋白質(zhì)結(jié)合成染色體的形式，在細(xì)胞內(nèi)形成一個(gè)致密的區(qū)域。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),46,圖 大腸桿菌的類核結(jié)構(gòu)模型,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),47,基因組較?。?06bp107bp） 功能上相關(guān)的幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起組成操縱子(operon)結(jié)構(gòu)。 結(jié)構(gòu)基因均為單拷貝基因（除18s、28s、5s rRNA及tRNA基因外）,（1）原核生物基因組的一般特點(diǎn),02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),48,不編碼的D

25、NA序列約占全基因組的10%以內(nèi)（比真核生物少得多）：基因組中幾乎沒有重復(fù)序列，基因間幾乎沒有間隔，基因內(nèi)沒有內(nèi)含子（古細(xì)菌除外）。 不編碼部分通常包含調(diào)控基因表達(dá)的序列 DNA分子中有各種功能區(qū)，如復(fù)制起始區(qū)OriC，復(fù)制終止區(qū)TerC，轉(zhuǎn)錄起始區(qū)和終止區(qū)等，這些區(qū)域往往有反向重復(fù)序列，能形成特殊的結(jié)構(gòu),02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),49,有色部分代表編碼序列 外環(huán)為順時(shí)針轉(zhuǎn)錄的編碼序列 內(nèi)環(huán)為逆時(shí)針轉(zhuǎn)錄的編碼序列,化膿性鏈球菌基因組,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),50,大腸桿菌染色體基因組的結(jié)構(gòu)和功能,大腸桿菌染色體基因組是研究最清楚的基因組。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： （1）僅有一條

26、環(huán)狀雙鏈DNA分子組成，總共具有4288個(gè)基因，平均編碼長度950bp，且這些結(jié)構(gòu)基因沒有內(nèi)含子。 （2）幾乎所有的基因都是單拷貝基因； （3）和病毒的基因相似，不編碼的DNA部分所占比例比真核細(xì)胞基因組少得多。 （4）基因組種編碼順序一般不會重疊，即不會出現(xiàn)基因重疊現(xiàn)象。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),51,（5）具有操縱子結(jié)構(gòu)，其中的結(jié)構(gòu)基因?yàn)槎囗樂醋樱磾?shù)個(gè)功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起，受同一個(gè)調(diào)節(jié)區(qū)的調(diào)節(jié)。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),52,（6）DNA分子中重復(fù)序列很少，但是在大腸桿菌基因組的不同部位可以稱為轉(zhuǎn)座子的50kb的重復(fù)片段。 轉(zhuǎn)座子：能在基因組中從一

27、個(gè)位點(diǎn)移至另一位點(diǎn)的DNA序列稱為轉(zhuǎn)座因子（transposable element），又稱為可轉(zhuǎn)座元件 原核生物轉(zhuǎn)座因子的種類及結(jié)構(gòu)功能特征： 根據(jù)分子結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)座特點(diǎn)，原核生物的轉(zhuǎn)座因子可分為 插入序列（insertion sequence，IS） 復(fù)合型轉(zhuǎn)座子,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),53,插入序列(insertion sequence，IS) ：2 000bp以內(nèi)，兩端正向重復(fù)序列（direct repeats，DR）、反向重復(fù)序列（inverted repeats，IR），中間1kb左右的編碼序列，僅編碼和轉(zhuǎn)座有關(guān)的轉(zhuǎn)座酶。 復(fù)合型轉(zhuǎn)座子( composite tran

28、sposon) ：2 00020 000bp之間，兩端由一對IS元件組成，帶有與轉(zhuǎn)座作用有關(guān)的基因和其他基因。,圖 Tn的基本結(jié)構(gòu),02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),54,大腸桿菌染色體外基因組的結(jié)構(gòu)和功能,大腸桿菌質(zhì)粒是雙鏈環(huán)狀結(jié)構(gòu)的DNA分子。 可以有共價(jià)閉合環(huán)狀DNA、缺口的環(huán)狀、DNA線性DNA 三種結(jié)構(gòu)狀態(tài)。,質(zhì)粒（plasmid）：是指一類染色體外具有自主復(fù)制能力的環(huán)狀雙鏈DNA分子，屬染色體外基因組。,沒有游離的末端，每條鏈上的核苷酸通過共價(jià)鍵彼此頭尾相連，這種 結(jié)構(gòu)稱為共價(jià)閉環(huán)DNA（covalently closed circular DNA，cccDNA）,常形成超螺

29、旋結(jié)構(gòu)。 如果雙鏈中一條鏈產(chǎn)生一個(gè)缺口，則形成帶缺口的開環(huán)DNA； 如果兩條鏈都產(chǎn)生缺口則成為線狀DNA分子； 瓊脂糖凝膠電泳時(shí)泳動速度依次為： 共價(jià)閉環(huán)DNA線狀DNA開環(huán)DNA,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),55,質(zhì)粒 (plasmid),特點(diǎn)：能在宿主細(xì)胞內(nèi)獨(dú)立自主復(fù)制；帶有某些遺傳信息, 會賦予宿主細(xì)胞一些遺傳性狀。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),56,質(zhì)粒的功能 （細(xì)菌質(zhì)?？刂频男誀睿?質(zhì)粒對宿主細(xì)胞的生存一般不是必需的，但質(zhì)粒帶有某些特殊的不同于宿主細(xì)胞的遺傳信息，其存在賦予宿主細(xì)胞一些新的遺傳性狀，某些情況下有利于細(xì)胞的生長。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基

30、因組學(xué),57,表2-2 細(xì)菌質(zhì)粒所控制的一些性狀,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),58,質(zhì)粒的復(fù)制,質(zhì)粒能自主復(fù)制，是能獨(dú)立復(fù)制的復(fù)制子（autonomous replicon）。 嚴(yán)緊控制（stringent control）型質(zhì)粒：其復(fù)制常與宿主的繁殖偶聯(lián)，拷貝數(shù)較少，每個(gè)細(xì)胞中只有1個(gè)到十幾個(gè)拷貝。 松弛控制（relaxed control）型質(zhì)粒：其復(fù)制與宿主不偶聯(lián)，每個(gè)細(xì)胞中有幾十到幾百個(gè)拷貝。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),59,質(zhì)粒的穩(wěn)定性與不相容性,質(zhì)粒的穩(wěn)定性：質(zhì)粒在宿主細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)定地存在而不丟失稱為質(zhì)粒地穩(wěn)定性。 影響質(zhì)粒穩(wěn)定性的因素有兩種： （1）宿主細(xì)胞

31、分裂時(shí)質(zhì)粒能否均衡地分配到子代細(xì)胞； （2）質(zhì)粒分子自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。,質(zhì)粒的不相容性：兩種不同的質(zhì)粒因利用同一復(fù)制和維持機(jī)制，在復(fù)制和隨后向子代細(xì)胞分配的過程中會發(fā)生競爭，從而不能在同一宿主細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)定存在，其中一種質(zhì)粒將被丟失的現(xiàn)象。 攜帶不同復(fù)制和維持機(jī)制的質(zhì)粒則屬于不同的不相容群，它們可以共存于同一細(xì)胞中。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),60,原核生物基因組的一般特點(diǎn),基因組較小（106bp107bp）。 操縱子結(jié)構(gòu)是原核生物基因組的功能單位。 結(jié)構(gòu)基因均為單拷貝基因（除18s、28s、5s rRNA及tRNA基因外）。 不編碼的DNA序列約占全基因組的10%以內(nèi)（比真核生物少

32、得多）：基因組中幾乎沒有重復(fù)序列，基因間幾乎沒有間隔，基因內(nèi)沒有內(nèi)含子（古細(xì)菌除外）。 不編碼部分通常包含調(diào)控基因表達(dá)的序列 DNA分子中有各種功能區(qū)，如復(fù)制起始區(qū)OriC，復(fù)制終止區(qū)TerC，轉(zhuǎn)錄起始區(qū)和終止區(qū)等，這些區(qū)域往往有反向重復(fù)序列，能形成特殊的結(jié)構(gòu)。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),61,真核生物的遺傳物質(zhì)絕大部分存在于細(xì)胞核染色體，少部分存在于線粒體或葉綠體中，因此真核生物基因組可分為細(xì)胞核基因組和細(xì)胞器（質(zhì)）基因組。,細(xì)胞核基因組：不同物種之間，大小相差懸殊（1071012bp）,三、真核生物基因組的結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn),線粒體 葉綠體,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué)

33、,62,（一）細(xì)胞核染色體基因組 1. 細(xì)胞核基因組由染色體DNA組成 DNA以線形分子的形式存在于染色體中,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),63,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),64,真核生物染色體基因組特點(diǎn),真核生物基因組存在大量的重復(fù)序列 ； 真核基因組的另一特點(diǎn)是存在多基因家族與假基因 。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),65,真核生物的染色體基因組一般比較龐大，例如人的單倍體基因組由3109bp堿基組成，按1000個(gè)堿基編碼一種蛋白質(zhì)計(jì)算，理論上可有300萬個(gè)基因。但實(shí)際上，人類基因組中僅含有2500030000個(gè)基因。 這些與表達(dá)無關(guān)的DNA大部分是基因間隔

34、區(qū)序列，基因間隔區(qū)序列主要由重復(fù)DNA構(gòu)成。 只有很少一部份（約占2-3）的DNA序列用以編碼蛋白質(zhì)和結(jié)構(gòu)RNA。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),66,真核生物基因組存在大量的重復(fù)序列,單拷貝序列 中度重復(fù)序列 高度重復(fù)序列,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),67,單拷貝序列（低度重復(fù)序列）,在單倍體基因組中，單拷貝序列只有一個(gè)或幾個(gè)拷貝，占DNA總量的40-80： 果蠅中占79，小鼠中占70。 結(jié)構(gòu)基因基本上屬于單拷貝序列，儲存的巨大遺傳信息，用來編碼各種不同功能的蛋白質(zhì)，體現(xiàn)了生物的各種功能。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),68,中度重復(fù)序列,中度重復(fù)序列在真核基

35、因組中重復(fù)次數(shù)為10105，占DNA總量的10-40： 果蠅中占15，小鼠中占20。 編碼rRNA、tRNA、組蛋白以及免疫球蛋白的結(jié)構(gòu)基因等都屬于這一類，另有部分可能與基因的調(diào)控有關(guān)。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),69,Alu家族,Alu家族是靈長類基因組特有的含量豐富的中度重復(fù)序列，是散在重復(fù)序列中最大的一個(gè)家族，因序列內(nèi)部有限制性內(nèi)切酶AluI的酶切位點(diǎn)而得名。 Alu序列每個(gè)成員的長度約300bp，由兩個(gè)130bp的正向重復(fù)序列組成，二者之間有31bp的間隔序列，Alu序列的重復(fù)次數(shù)為30-50萬次。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),70,rRNA基因,rRNA基因

36、通常集中成簇存在，而不是分散于基因組中，這樣的區(qū)域稱為rDNA，如染色體的核仁組織區(qū)（nucleolus organizer region）即為rDNA區(qū)。,圖 非洲爪蟾的rRNA基因結(jié)構(gòu),02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),71,高度重復(fù)序列,高度重復(fù)序列在真核基因組中重復(fù)次數(shù)可高達(dá)百萬(106)以上，在基因組中所占比例隨種屬而異，約占DNA總量10-60，可以集中串聯(lián)排列在某一區(qū)域。 典型的高度重復(fù)序列DNA有反向重復(fù)序列(inverted repeats)和衛(wèi)星DNA(satellite DNA)。,反向重復(fù)序列 ：是指兩個(gè)相同順序的互補(bǔ)拷貝在同一DNA鏈上的反向排列。,衛(wèi)星DNA

37、是另一類高度重復(fù)序列，這類重復(fù)序列的重復(fù)單位一般由2-10bp組成，成串排列。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),72,圖 反向重復(fù)序列發(fā)夾式結(jié)構(gòu),反向重復(fù)序列 ：兩個(gè)相同順序的互補(bǔ)拷貝在同一DNA鏈上的反向排列。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),73,重復(fù)序列的多態(tài)性,DNA多態(tài)性是指DNA序列發(fā)生變異從而導(dǎo)致的個(gè)體間核苷酸序列的差異，主要包括： 單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphism，SNP） 串聯(lián)重復(fù)序列多態(tài)性（tandem repeats polymorphism）,一般認(rèn)為，DNA序列的某一特定位點(diǎn)的變異頻率低于1%為基因突變，高于

38、1%則為DNA分子多態(tài)性。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),74,SNP是由基因組DNA上的單個(gè)堿基的變異引起的DNA序列多態(tài)性。是人群中個(gè)體差異最具代表性的DNA多態(tài)性，相當(dāng)一部分還直接或間接與個(gè)體的表型差異、對疾病的易感性或抵抗能力、對藥物的反應(yīng)性等相關(guān)。SNP被認(rèn)為是一種能穩(wěn)定遺傳的早期突變。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),75,Alu序列多態(tài)性,Alu序列每個(gè)成員的長度約300bp，由于其內(nèi)部都有一個(gè)限制性內(nèi)切酶AluI的酶切位點(diǎn)（AGCT），將其切割為170bp和130bp的兩個(gè)片段；但是這種序列很容易形成限制性內(nèi)切酶識別位點(diǎn)，也容易失去一個(gè)酶切位點(diǎn)，造成限制性片段

39、長度多態(tài)性。,170 bp,130 bp,AluI酶切位點(diǎn)（AGCT）,外部重復(fù)序列,富含CpG的重復(fù)序列,插入序列,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),76,真核基因組的另一特點(diǎn)是存在多基因家族與假基因,多基因家族（multi gene family） ：是指由某一祖先基因經(jīng)過復(fù)制和變異所產(chǎn)生的一組基因。,多基因家族分為兩類： 基因家族成員相對集中地存在于某一染色體的特定區(qū)域，又稱為基因簇（gene cluster） 基因家族成員在整個(gè)染色體上散在分布，甚至存在于不同染色體上,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),77,2 1 21 2 1 ,珠蛋白基因, G A ,珠蛋白基因,胚胎基

40、因,胎兒基因,成人基因,假基因,珠蛋白基因家族：家族的不同成員成簇地分布在不同染色體上，但核酸序列高度同源，編碼一組功能上緊密相關(guān)的蛋白質(zhì)。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),78,假基因(pseudogene)具有與功能基因相似的序列，但由于有許多突變以致失去了原有的功能，不能轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后生成無功能的蛋白質(zhì)的基因，常用表示。,假基因,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),79,傳統(tǒng)假基因的形成,the rabbit pseudogene, 2,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),80,加工假基因可在由RNA向DNA的反轉(zhuǎn)錄過程中產(chǎn)生并整合到基因組中,A processed pse

41、udogene is an inactive gene copy that lacks introns, contrasted with the interrupted structure of the active gene. Such genes originate by reverse transcription of mRNA and insertion of a duplex copy into the genome,圖 加工的假基因,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),81,真核生物細(xì)胞器基因組的結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn),真核生物有兩類細(xì)胞器能攜帶遺傳物質(zhì)：線粒體和葉綠體。這些遺傳物質(zhì)獨(dú)

42、立于細(xì)胞核基因組外，能夠自行復(fù)制和表達(dá)，又稱為染色體外基因組。 大多數(shù)細(xì)胞器基因組是環(huán)狀DNA，某些低等真核生物（如草履蟲、衣滴蟲和幾種酵母）的線粒體DNA是線狀分子。通常每個(gè)細(xì)胞內(nèi)有許多細(xì)胞器，每個(gè)細(xì)胞器基因組又有許多拷貝。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),82,線粒體基因組編碼其自身蛋白質(zhì)合成體系的某些成員，如rRNA和tRNA等，以及呼吸鏈中的某些成員，如ATP酶、NADH還原酶、細(xì)胞色素氧化酶復(fù)合體中的某些組分。線粒體蛋白質(zhì)合成體系及呼吸鏈中的其它成員由細(xì)胞核基因組編碼。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),83,人類線粒體（mitochondrion）基因組,16569

43、bp 37個(gè)基因 22 tRNA 2 rRNA 13 蛋白質(zhì),02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),84,核基因組和線粒體基因組的協(xié)同作用,核基因組編碼了近千個(gè)線粒體蛋白,線粒體基因組只編碼了13條多肽鏈，22個(gè)tRNA和2個(gè)rRNA,?,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),85,高等動物線粒體基因組具有獨(dú)特的特點(diǎn)：,母系遺傳。子代線粒體基因組來自母親，父系的線粒體基因組在精卵結(jié)合時(shí)一般不能進(jìn)入卵細(xì)胞。因此，在子代個(gè)體發(fā)育過程中沒有父母雙方線粒體DNA的重組發(fā)生。 線粒體DNA損傷后不易修復(fù)，突變率較高，可能與衰老及某些疾病有關(guān)。 遺傳密碼與通用遺傳密碼存在差別，如UGA（終止密碼子）編

44、碼Trp，AGA/AGG（Arg）為終止密碼子，AUA（Ile）為起始密碼子并編碼Met。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),86,線粒體相關(guān)疾病 母系遺傳性耳聾 Leber遺傳性視神經(jīng)病 線粒體糖尿病 腫瘤 原發(fā)性高血壓 弱精子癥,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),87,真核生物基因組的結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn),1. 基因組DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體，儲存于細(xì)胞核內(nèi)， 除配子細(xì)胞外， 體細(xì)胞內(nèi)基因組是雙份的（即雙倍體，diploid），有兩份同源的基因組。 2. 基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子。一個(gè)結(jié)構(gòu)基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄生成一個(gè)mRNA分子，再翻譯生成一條多肽鏈。 3. 存在重復(fù)序列，重復(fù)次數(shù)可達(dá)百萬

45、次以上。 4. 基因組中不編碼的區(qū)域多于編碼的區(qū)域。 5. 大部分基因含有內(nèi)含子，因此，基因是不連續(xù)的（斷裂基因，split gene） 6. 基因組遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原核生物的基因組，具有許多復(fù)制起始點(diǎn)，而每個(gè)復(fù)制子的長度較小,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),88,基因組學(xué),基因組學(xué)（Genomics）是一門對生命有機(jī)體全基因組進(jìn)行序列分析和功能研究的新興學(xué)科。 隨著人類基因組測序工作的初步完成，基因組學(xué)的研究由最初的結(jié)構(gòu)基因組學(xué)向功能基因組學(xué)轉(zhuǎn)移。研究目標(biāo)從單純的基因結(jié)構(gòu)和表達(dá)發(fā)展為整體水平上的基因組分析。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),89,基因組學(xué),人類基因組計(jì)劃 結(jié)構(gòu)基因組學(xué)

46、 基因定位克隆 基因組功能研究 基因組學(xué)與進(jìn)化 宏基因組學(xué),02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),90,人類基因組計(jì)劃,人類基因組計(jì)劃（The Human Genome Project， HGP）是二十世紀(jì)九十年代初開始啟動的多國科學(xué)合作計(jì)劃，對少數(shù)人進(jìn)行全基因組（即24條非同源染色體，共30億堿基）的測序和拼接，繪制出人類基因的譜圖 。,1986年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者R.Dulbecco在科學(xué)雜志上發(fā)表一篇短文腫瘤研究的轉(zhuǎn)折點(diǎn)人類基因組研究，提出人類基因組計(jì)劃，也即測出人類基因組全部堿基的序列（1n3109）。,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),91,School of Laborator

47、y Medicine, Wenzhou Medical College,91,1990年，美國政府決定正式啟動HGP，預(yù)計(jì)用15年時(shí)間，投入30億美元完成HGP； 由美國國立衛(wèi)生研究院和能源部共同組成“人類基因組研究所； 逐漸地，HGP擴(kuò)展為多國協(xié)作計(jì)劃，主要由6個(gè)國家，20個(gè)研究所，2000多位科學(xué)工作者組成；這6個(gè)國家對HGO地貢獻(xiàn)依次是：美（67%）、英（22%）、日（6%）、法（2%） 、德（2%） 、中（1%，人類3號染色體上約3000萬個(gè)堿基對的測序任務(wù)）,02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),92,人類基因組計(jì)劃,遺傳圖譜 物理圖譜 序列圖譜 轉(zhuǎn)錄圖譜,HGP的主要任務(wù),02分子生物學(xué)概論基因基因組和基因組學(xué),93,遺傳圖譜（genetic map）：又稱連鎖圖譜(linkage map)，它是以具有遺傳多態(tài)性的遺傳標(biāo)記為“路標(biāo)”，以遺傳學(xué)距離為圖距