基因基因組和基因組學(xué)

1、第二章 基因、基因組和基因組學(xué)1. 基因的結(jié)構(gòu)與功能基因(gene)：是指攜帶有遺傳信息的DNA或RNA序列，也稱為遺傳因子，是控制性狀的基本遺傳單位?；蚴呛铣捎泄δ艿牡鞍踪|(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，也包括為保證轉(zhuǎn)錄所必需的調(diào)控序列。 基因的分類： 基因按其功能可分為：結(jié)構(gòu)基因(structural genes)：可被轉(zhuǎn)錄形成mRNA，并轉(zhuǎn)譯成多肽鏈，構(gòu)成各種結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)，催化各種生化反應(yīng)的酶和激素等。調(diào)節(jié)基因(regulatory genes)：指某些可調(diào)節(jié)控制結(jié)構(gòu)基因表達(dá)的基因。其突變可影響一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)基因的功能，或?qū)е乱粋€(gè)或多個(gè)蛋白質(zhì)(或酶)量的改變

2、。常見(jiàn)的調(diào)節(jié)基因microRNAs，siRNAs，piRNAs rRNA基因與tRNA基因：這類基因只轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生相應(yīng)的RNA而不翻譯成多肽鏈。 (ribosomal RNA genes & transfer RNA genes)真核生物的RNA聚合酶(3種)：RNA聚合酶I，II，III。種類IIIIII分布核仁核基質(zhì)核基質(zhì)產(chǎn)物rRNAmRNA, microRNA5S rRNA, tRNA, siRNA基因的結(jié)構(gòu) 開(kāi)放閱讀框架(open reading frame,ORF)：在DNA鏈上，由蛋白質(zhì)合成的起始密碼開(kāi)始，到終止密碼為止的一個(gè)連續(xù)編碼序列。斷裂基因(split gene)轉(zhuǎn)錄方

3、向hnRNA 的選擇性剪接任一鏈上的可讀框(ORF)方向總是由5，3，。按照3個(gè)核苷酸決定一個(gè)氨基酸的理論，在序列中的同一個(gè)核苷酸有3種編碼ORF的可能性，即密碼子有可能重復(fù)利用?；虻墓δ?基因有控制遺傳性狀和活性調(diào)節(jié)的功能?；蛲ㄟ^(guò)復(fù)制把遺傳信息傳遞給下一代，控制生物的個(gè)體性狀表現(xiàn)。2. 基因組的結(jié)構(gòu)與功能基因組(genome)：是指一個(gè)細(xì)胞內(nèi)的全部遺傳信息，包括染色體基因組和染色體外基因組?；蚪M中的DNA包括編碼序列和非編碼序列。部分病毒基因組-RNA。C值(C-value)：一種生物體單倍體基因組DNA的總量，用以衡量基因組的大小。通常，進(jìn)化程度越高的生物其基因組越大，但從總體上說(shuō)，

4、生物基因組的大小同生物在進(jìn)化上所處地位的高低無(wú)關(guān)。存在C-value paradox(C值悖理)。生物復(fù)雜性越高，其基因的密度越低。如：toad Xenopus and human being have genomes of essentially the same size. But we assume that human is more complex in terms of genetic development! 表2-1 不同生物體基因組中基因的比較物種基因組大小/Mb大致的基因數(shù)目基因密度/(個(gè)/Mb)原核生物   肺炎鏈球菌2.223001060

5、大腸桿菌4.64400950 根瘤農(nóng)桿菌5.75400960真核生物    真菌    釀酒酵母125800480 粟酒裂殖酵母124900410 原生生物    四膜蟲220>20 000>90 無(wú)脊椎動(dòng)物    美麗線蟲9719 000200 果蠅18013 70080 東亞飛蝗5000不確定不確定 脊椎動(dòng)物    人類290027 0009.3 小鼠250029 00012 植物    擬南芥125

6、25 500200 水稻430>45 000>100 玉米2200>45 000>20 郁金香120 000不確定不確定病毒基因組的結(jié)構(gòu)與功能 病毒基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 病毒基因組可以由DNA或RNA組成：病毒基因組的多樣性：PropertyParametersNucleic acidDNA RNA Both DNA and RNA (at different stages in the life cycle) Shape Linear Circular Segmented Strandedness Single-stranded Double-stranded Doub

7、le-stranded with regions of single-strandedness 病毒基因組的大小：與細(xì)菌或真核細(xì)胞相比，病毒的基因組很小。但不同的病毒之間基因組大小相差很大。如乙肝病毒DNA只有3kb，只能編碼4種蛋白質(zhì)；而痘病毒的基因組有300kb，可以編碼幾百種蛋白質(zhì)。病毒基因組的大小通常與其對(duì)宿主的依賴程度有關(guān)，基因組越大，依賴性越小。RNA病毒基因組編碼序列具有節(jié)段性：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，輪狀病毒等。有分段基因組的病毒一般感染效率較低，只有當(dāng)全部基因組核酸片段存在時(shí)，病毒才具有感染能力。由于分段基因組容易發(fā)生重組，故病毒容易變異。

8、目前還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有節(jié)段性的DNA分子構(gòu)成的病毒基因組。病毒基因存在基因重疊：基因重疊：是指同一段DNA片段能夠參與編碼兩種甚至兩種以上的蛋白質(zhì)分子，這種現(xiàn)象在其他的生物細(xì)胞中僅見(jiàn)于線粒體和質(zhì)粒DNA。這種結(jié)構(gòu)的意義在于使較小的基因組能夠攜帶較多的遺傳信息。重疊基因是1977年Sanger在研究X174時(shí)發(fā)現(xiàn)的。X174是一種單鏈DNA病毒，宿主為大腸桿菌。它感染大腸桿菌后可合成11個(gè)蛋白質(zhì)分子，總分子量約25萬(wàn)，相當(dāng)于6078個(gè)核苷酸所容納的信息量。而X174病毒DNA本身卻只有5375個(gè)核苷酸，最多只能編碼總分子量為20萬(wàn)的蛋白質(zhì)分子。 基因重疊的方式有：一個(gè)基因完全在另一個(gè)基因里面。幾個(gè)基因

9、部分重疊。兩個(gè)基因之間只有一個(gè)堿基重疊。 噬菌體X174的重疊基因重疊基因的DNA序列可能大部分相同，但由于mRNA翻譯成蛋白質(zhì)時(shí)的讀碼框架不同，或讀碼框架相同，但起始部位不同，產(chǎn)生的蛋白質(zhì)也不同。有些真核病毒的一部分序列，對(duì)某一個(gè)基因來(lái)說(shuō)是內(nèi)含子，而對(duì)另一個(gè)基因而言卻是外顯子。病毒基因組的大部分序列具有編碼功能：病毒基因組的大部分是用來(lái)編碼蛋白質(zhì)的，只有非常小的一部份沒(méi)有編碼翻譯功能。如X174基因組中不編碼的序列只占217/5375；乳頭瘤病毒基因組約8.0Kb，其中不編碼的部分約為1.0kb。但少數(shù)真核生物病毒的基因組也存在內(nèi)含子結(jié)構(gòu)。病毒基因組的轉(zhuǎn)錄單元是多順?lè)醋樱憾囗樂(lè)醋觤RNA (

10、polycistronie mRNA)：病毒基因組DNA序列中功能上相關(guān)的蛋白質(zhì)的基因或rRNA的基因往往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?lè)醋觤RNA。如噬菌體X174基因組中的D-E-J-F-G-H基因轉(zhuǎn)錄在同一個(gè)mRNA分子中，然后再翻譯成各種蛋白質(zhì)，其中、F、G及H 編碼外殼蛋白，D蛋白與病毒的裝配有關(guān)，E蛋白負(fù)責(zé)細(xì)菌的裂解，它們?cè)诠δ苌鲜窍嚓P(guān)的。病毒基因組都是單倍體：除了逆轉(zhuǎn)錄病毒以外，一切病毒基因組都是單倍體，每個(gè)基因在病毒顆粒中只出現(xiàn)一次。逆轉(zhuǎn)錄病毒帶有逆轉(zhuǎn)錄酶，能使RNA反向轉(zhuǎn)錄生成DNA，因此其基

11、因組可擁有兩個(gè)拷貝。噬菌體基因具有連續(xù)性：噬菌體的基因是連續(xù)的，而真核細(xì)胞病毒的基因是不連續(xù)的，具有內(nèi)含子。原核生物基因組的結(jié)構(gòu)與功能原核生物基因組通常比較簡(jiǎn)單，其基因組大小在106bp-107bp之間，所包含的基因數(shù)目幾百個(gè)到數(shù)千個(gè)之間。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，稱為類核(nucleoid)。大腸桿菌的類核結(jié)構(gòu)模型大腸桿菌染色體基因組的結(jié)構(gòu)和功能：大腸桿菌基因組序列中的基因密度非常高，編碼區(qū)所占的比例較大。大腸桿菌中總共有4288個(gè)基因，平均編碼長(zhǎng)度為950bp，基因之間的間隔區(qū)長(zhǎng)度為118bp，而且這些

12、結(jié)構(gòu)基因沒(méi)有內(nèi)含子。大腸桿菌DNA分子中的重復(fù)序列很少，但在大腸桿菌基因組中不同部位可以有稱為 轉(zhuǎn)座子的50kb的重復(fù)片段。 轉(zhuǎn)座因子：原核生物轉(zhuǎn)座因子主要有二類：插入序列(IS)；復(fù)合型轉(zhuǎn)座子(Tn)插入序列(IS)：長(zhǎng)度在2000bp以內(nèi)，兩端都有正向重復(fù)序列(direct repeats,DR)和反向重復(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。只有當(dāng)IS轉(zhuǎn)座到某一基因中使該基因失活或插入位點(diǎn)旁邊的染色體發(fā)生畸變等效應(yīng)時(shí)才會(huì)被發(fā)現(xiàn)。復(fù)合型轉(zhuǎn)座子(Tn)：長(zhǎng)度在2000-20000bp之間，兩端由一對(duì)IS元件組成，帶有與轉(zhuǎn)座作用有關(guān)

13、的基因以及其他基因。 根據(jù)轉(zhuǎn)座的的機(jī)制和結(jié)果，可將轉(zhuǎn)座分為：復(fù)制型轉(zhuǎn)座(replicative transposition）；保守型轉(zhuǎn)座(conservative transposition)大腸桿菌染色體外基因組的結(jié)構(gòu)和功能：質(zhì)粒(plasmid)：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。大腸桿菌質(zhì)粒是雙鏈環(huán)狀結(jié)構(gòu)的DNA分子，沒(méi)有游離的末端，每條鏈上的核苷酸通過(guò)共價(jià)鍵彼此頭尾相連，這種結(jié)構(gòu)稱為共價(jià)閉合環(huán)狀DNA(cccDNA)。質(zhì)粒DNA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)粒的功能：質(zhì)粒對(duì)宿主細(xì)胞的生存一般不是必需的，但質(zhì)粒帶有

14、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(zhǎng)。表2-2 細(xì)菌質(zhì)粒所控制的一些性狀抗性抗生素抗性氨基糖甙類、-內(nèi)酰胺類、大環(huán)內(nèi)酯類及磺胺類等重金屬抗性 汞離子及有機(jī)汞制劑、鎳、鈷、銀、鉻、鉛、銻及鉍等陽(yáng)離子抗性砷酸鹽、亞砷酸鹽、鉻酸鹽及硼酸鹽等其它抗性紫外線，X射線，細(xì)菌素，質(zhì)?？刂频男揎椣到y(tǒng)等代謝能力簡(jiǎn)單糖類的代謝乳糖、蔗糖及綿籽糖等鹵化物的代謝2,4-二氯甲苯復(fù)雜碳化合物的代謝甲苯、萘、樟腦、苯胺、煙堿及烷烴等蛋白質(zhì)代謝 明膠及酪蛋白等其他代謝 色素生成，產(chǎn)硫化氫，胞外DNA酶等致病性侵襲力菌毛、夾膜、黏附因子及血漿凝固酶等毒素大腸桿菌腸

15、毒素、破傷風(fēng)桿菌神經(jīng)毒素、炭疽桿菌外毒素及鼠疫菌素等結(jié)合轉(zhuǎn)移性傘毛的合成，表面排斥，致育性抑制，對(duì)信息素的反應(yīng)和抑制等質(zhì)粒能自主復(fù)制，是能獨(dú)立復(fù)制的復(fù)制子(autonomous replicon)。復(fù)制子是一個(gè)復(fù)制單位，包括DNA復(fù)制起點(diǎn)及其相關(guān)的調(diào)控元件。按質(zhì)粒復(fù)制的調(diào)控及其拷貝數(shù)可分兩類：嚴(yán)緊控制型質(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。 質(zhì)粒的穩(wěn)定性與不相容性：質(zhì)粒的不相容性(incompatibility)：兩種不同質(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(guò)程中會(huì)發(fā)生

16、競(jìng)爭(zhēng)，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，這種現(xiàn)象稱為質(zhì)粒的不相容性。攜帶不同復(fù)制和維持機(jī)制的質(zhì)粒屬于不同的不相容群，它們可以共存于同一細(xì)胞中。影響質(zhì)粒穩(wěn)定性的因素：宿主細(xì)胞分裂時(shí)質(zhì)粒能否均衡地分配到子代細(xì)胞。質(zhì)粒分子自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。 真核生物基因組的結(jié)構(gòu)與功能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)胞器基因組。真核生物染色體基因組特點(diǎn)：人類基因組中僅含有25000-30000個(gè)基因，遠(yuǎn)低于預(yù)期。在人類基因組中只有很少一部份(約2-3)DNA序列用以編碼蛋白質(zhì)和結(jié)構(gòu)RNA。人類基因組中存在大量基因

17、間隔區(qū)序列，主要由重復(fù)DNA構(gòu)成。在基因內(nèi)部含大量?jī)?nèi)含子。 真核生物基因組存在大量的重復(fù)序列：?jiǎn)慰截愋蛄校赫?0-80%，結(jié)構(gòu)基因基本上屬于單拷貝序列。中度重復(fù)序列：重復(fù)次數(shù)10-105，占10-40%。編碼rRNA、tRNA、組蛋白以及免疫球蛋白的機(jī)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)。高度重復(fù)序列：重復(fù)次數(shù)可高達(dá)106，占10-60%。如反向重復(fù)序列和衛(wèi)星DNA (satellite DNA)。rRNA: 反向重復(fù)序列-發(fā)夾式結(jié)構(gòu)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鏈上的方向排列。反向重復(fù)序列常見(jiàn)于基因的調(diào)控區(qū)，可能與復(fù)制、轉(zhuǎn)錄的調(diào)控有關(guān)。重復(fù)序列的多態(tài)性：DN

18、A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)和串聯(lián)重復(fù)序列多態(tài)性(tandem repeats polymorphism)。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。據(jù)估計(jì)，人類基因組中每1kp就存在一個(gè)SNP位點(diǎn)，共有約300萬(wàn)個(gè)之多，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SNP還直接或間接與個(gè)體的表型差異、對(duì)疾病的易感性或抵抗能力、對(duì)藥物的反應(yīng)性等相關(guān)。大多數(shù)SNP位點(diǎn)十分穩(wěn)定，人類85%的SNP是共有的。高度重復(fù)序列中的無(wú)間隔反向重復(fù)序列

19、很容易形成限制性內(nèi)切酶識(shí)別位點(diǎn)，也很容易因?yàn)橥蛔儺a(chǎn)生或是失去一個(gè)酶切位點(diǎn)，可以造成限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性(restriction fragment length polymorphism,RFLP)。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(guò)重復(fù)和變異所產(chǎn)生的一組基因。多基因家族大致可分為兩類：一個(gè)基因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)，如珠蛋白基因家族。基因家族成簇地分布在某一條染色體上，它們可同時(shí)發(fā)揮作用，合成某些蛋白質(zhì)，如組蛋白基因家族就成簇地集中在第7號(hào)染色體長(zhǎng)臂3區(qū)2帶到3區(qū)6帶區(qū)域內(nèi)，這種分布方式與DNA復(fù)制時(shí)需要大量的組蛋白有關(guān)。假基因(pseudo gene)：是指與某些有功能的基因結(jié)構(gòu)相似，但不能表達(dá)有功能的基因產(chǎn)物的某些基因。假基因的產(chǎn)生有兩種方式：由突變引起的基因序列變化而失去功能，這樣產(chǎn)生的假基因帶有內(nèi)含子，稱為常規(guī)假基因。mRNA經(jīng)過(guò)反轉(zhuǎn)錄為cDNA，再插入基因組，由于插入位點(diǎn)不合適或序列發(fā)生變化而導(dǎo)致失去功能。這種類型的假基因不含內(nèi)含子，稱為已加工的假基因(pr