基因組的結(jié)構(gòu)演示文稿

基因組的結(jié)構(gòu)演示文稿目前一頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點基因組的結(jié)構(gòu)目前二頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點Textbook《基因組3》袁建剛彭小忠強伯勤譯

科學(xué)出版社98元(當當網(wǎng)73.5）

Englishversion中譯本目前三頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點第一章

基因組的基本結(jié)構(gòu)目前四頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點第一節(jié)基因與基因組一.基因與基因家族1.基因基因是一個表達水平的結(jié)構(gòu)單位，是一段有表達產(chǎn)物的DNA序列。它是一個受多重調(diào)控有序行使功能的單位，也是一個在選擇壓力下不斷變化的動態(tài)結(jié)構(gòu)單位。目前五頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點（1）RNA基因（2）蛋白質(zhì)基因（3）基因家族（4）異?；蚝图倩?.真核基因的類型目前六頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點

（1）RNA基因rRNA基因：編碼核糖體中的RNA組分。tRNA基因：編碼tRNA，轉(zhuǎn)運氨基酸至核糖體的A位。非編碼基因scRNA基因：位于真核細胞質(zhì)中的一類小分子RNA。snRNA基因：位于細胞核內(nèi)的小分子RNA.snoRNA基因：位于核仁區(qū)的小分子RNA，用于修飾rRNA.miRNA基因:微小RNA(是由約22個核苷酸組成的非編碼的單鏈RNAs)，參與基因表達的調(diào)控。目前七頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點（2）蛋白質(zhì)基因編碼蛋白質(zhì)產(chǎn)物，由RNA多聚酶II轉(zhuǎn)錄。真核生物編碼序列被或長或短的非編碼序列隔開，因而稱為斷裂基因。啟動、調(diào)控區(qū)EIEIE5’非編碼區(qū)3’非編碼區(qū)E=exon(外顯子）；I=intron（內(nèi)含子）編碼基因目前八頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點

重疊基因異?；蚧蛱谆蚍戳x基因（3）異常基因DNA單鏈重疊基因基因套基因反義基因表達基因基因目前九頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點（3）假基因可分為三類：第一類：由重復(fù)產(chǎn)生的假基因是指來源于功能基因而已經(jīng)失去活性的DNA序列。其位置與起源的基因拷貝臨近排列，保留著祖先基因的組成特點。目前十頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點第三類：殘缺基因它們?nèi)笔Я瞬糠只蚱危３Ｎ挥诨蚣易鍍?nèi)部，由不等交換及重排產(chǎn)生。第二類：加工的假基因是通過RNA反轉(zhuǎn)錄為cDNA后再整合到基因組中（逆轉(zhuǎn)座）。它不含原來基因的內(nèi)含子以及兩側(cè)序列，分散在基因組中，大多為5`殘缺。目前十一頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點2.基因家族一群具有一致或相似序列的基因。如rRNA基因，α-珠蛋白基因。基因家族的各功能成員可于不同時空選擇性表達；有些成員在長期的選擇壓力下逐漸積累突變成為假基因。目前十二頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點第二節(jié)基因組的結(jié)構(gòu)基因組(Genome)

:

指單倍體細胞中包括編碼序列和非編碼序列在內(nèi)的全部DNA分子核基因組：單倍體細胞核內(nèi)的全部DNA分子線粒體基因組：一個線粒體所包含的全部DNA分子葉綠體基因組：一個葉綠體所包含的全部DNA分子目前十三頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點一、基因組測序的概況已完成：正在進行：病毒：3982古細菌（Archaea）：真細菌（Bacteria）：4753真核生物（Eukaryotes）：目前十四頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點測序完成的生物舉例：物種基因組大小(Mb)基因數(shù)目References真核生物

擬南芥12525500AGI(2000)線蟲9719000CESC(1998)果蠅18013600Adamsetal.(2000)人320030000–40000IHGSC(2001);Venteretal.(2001)酵母12.15800Goffeauetal.(1996)目前十五頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點物種基因組大小(Mb)基因數(shù)目References真細菌大腸桿菌K124.644400Blattneretal.(1997)

結(jié)核桿菌H37Rv4.414000Coleetal.(1998)生殖道支原體0.58500Fraseretal.(1995)綠膿桿菌PA016.265700Stoveretal.(2000)肺炎鏈球菌2.162300Tettelinetal.(2001)霍亂弧菌ElTorN169614.034000Heidelbergetal.(2000)鼠疫桿菌CO924.564100Parkhilletal.(2001)目前十六頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點物種基因組大小(Mb)基因數(shù)目References古細菌

Archaeoglobusfulgidus2.182500Klenketal.(1997)Methanococcusjannaschii

1.661750Bultetal.(1996)目前十七頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點1.C值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SpeciesGenomesize(Mb)脊椎動物紅鰭東方鲀400人3200小鼠3300植物擬南芥125水稻430玉米2500豌豆4800小麥16000川貝母120000目前十八頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點2.C值悖理內(nèi)含子數(shù)目,基因密度,基因組中的重復(fù)序列,其他非編碼序列.原因:推論：隨著生物結(jié)構(gòu)與功能復(fù)雜性的增加，各分類單元中C值隨分類地位的提高而遞增。但這一推論對于高等生物并不適用。因為在高等生物中，有些魚類和兩棲類的C值比哺乳類的C值更高。目前十九頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點酵母,果蠅和人基因組的緊密性項目酵母果蠅人基因密度(平均每Mb的基因數(shù))4797611平均每個基因的內(nèi)含子數(shù)0.0439重復(fù)序列所占的比例3.4%12%44%目前二十頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點28genes4genes11genes1genes>40genesIn50kb酵母人果蠅玉米大腸桿菌目前二十一頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點二、原核生物的基因組1.兩類原核生物:

真細菌(Bacteria)古細菌(Archaea)2.原核基因組的一般特點基因組大小:較小物理形狀:環(huán)形附加的基因:質(zhì)粒(環(huán)形，線形)目前二十二頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點3.特殊例外:BorreliaburgdorferiB31(包柔氏螺旋體菌):線形染色體911kb,帶有853個基因附帶17或18個線形或環(huán)形DNA,共533kb，帶至少430個基因目前二十三頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點4.原核生物基因組織特點原核生物真核生物基因組織操縱子基因的平均長度1kb1.5kb(除去內(nèi)含子)重復(fù)序列無(少數(shù)列外:IS)多內(nèi)含子真細菌:無古細菌:有有目前二十四頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點5.原核生物的基因組解剖（1）物理性狀1)大?。憾鄶?shù)<5Mb巨大芽孢桿菌,30Mb2)物理結(jié)構(gòu):大多數(shù)單一環(huán)狀DNA3)包裝:超螺旋，成擬核體.DNA旋轉(zhuǎn)酶和拓撲異構(gòu)酶I:維系超螺旋.包裝蛋白HU:4聚體，纏繞60bpDNA伯氏疏螺旋體,鏈球菌屬:線形DNA目前二十五頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點超螺旋包裝目前二十六頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點4）質(zhì)粒------復(fù)雜的特性大多數(shù)非必需。轉(zhuǎn)移:

能從一個細胞轉(zhuǎn)移到另一個細胞.有些能與主染色體整合，有些只能獨立存在.整合:耐輻射奇球菌R1,伯氏疏螺旋體B31的質(zhì)粒上有必需基因目前二十七頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點質(zhì)粒類型基因功能舉例抗性抗生素抗性大腸桿菌的Rbk育性結(jié)合與傳送DNAE.coli

的F質(zhì)粒殺傷合成毒物殺死其他細菌大腸桿菌的Col合成colicin降解代謝特殊物質(zhì)的酶假單胞菌的TOL,代謝甲苯毒性病原性膿桿菌的Ti質(zhì)粒引起雙子葉植物的冠纓瘤目前二十八頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點（2）基因組織幾乎沒有浪費的空間。大腸桿菌有非編碼DNA，只占基因組的11%.1)緊密組織2)特殊組織操縱子（Operon）:大腸桿菌K12有約600個操縱子。功能上相關(guān)的基因前后相連成串，由一個共同的控制區(qū)控制。目前二十九頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點28genes4genes11genes1genes>40genesIn50kb酵母人果蠅玉米大腸桿菌目前三十頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點目前三十一頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點古細菌詹氏甲烷球菌和細菌超嗜熱菌有些操縱子內(nèi)部的基因沒有功能關(guān)系。gatC:glutamyl-tRNA氨基轉(zhuǎn)移酶亞基C;recA,recJ:

重組蛋白RecA,RecJ;pilU,扭曲運動蛋白;cmk,胞嘧啶核苷激酶;pgsA,磷脂酰甘油磷酸合成酶,目前三十二頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點6.原核基因組與物種的概念（2）不同物種間的“基因流”E.coliO157:H7和E.coliK12都有自己的獨特基因,分別占基因類型的26%和12%（1）不同的菌種具有不同的基因組

細菌和古細菌之間的基因側(cè)向轉(zhuǎn)移：海棲熱袍菌有1877個基因,其中451似乎是從古細菌來的目前三十三頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點紅色DNA和數(shù)字表示側(cè)向來的基因占基因組的比例目前三十四頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點側(cè)向基因轉(zhuǎn)移使原核生物的物種進化關(guān)系模糊高等生物原核生物目前三十五頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點（3）關(guān)于最小基因組的思考一個獨立生存的細胞需要的最少基因數(shù)目265-350NumberofgenesinCategoryE.coliK12H.influenzaeRdM.genitalium

Totalprotein-codinggenes42881727470Biosynthesisofaminoacids131681Biosynthesisofcofactors103545Biosynthesisofnucleotides585319Cellenvelopeproteins2378417Energymetabolism24311231Intermediarymetabolism188306Lipidmetabolism48256DNAreplication,recombinationandrepair1158732Proteinfolding967Regulatoryproteins178647Transcription552712Translation182141101Uptakeofmoleculesfromtheenvironment42712334TakenfromFraseretal.(1995)andBlattneretal.(1997).目前三十六頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點（4）獨特基因使一個物種區(qū)別于其它物種的基因.生殖道支原體基因組：470個基因,其中350個與枯草桿菌相似470-350=120120個基因是生殖道支原體的獨特基因？???目前三十七頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點7.原核生物的DNA轉(zhuǎn)座子（1）插入序列（IS）IS<2000bpLength:abcabc目前三十八頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點（2）復(fù)合轉(zhuǎn)座子（Tn）一對IS攜帶一個或幾個基因（一般是抗生素抗性基因），由IS攜帶轉(zhuǎn)座。ISAntibiotic-resistanceISTnTargetsiteDRTargetsiteDR目前三十九頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點（3）可轉(zhuǎn)座的噬菌體是噬菌體的一種感染周期，在細菌基因組中復(fù)制轉(zhuǎn)座。（4）Tn3-型轉(zhuǎn)座子:本身具有轉(zhuǎn)座酶基因，轉(zhuǎn)座的時候不需要其兩側(cè)的IS幫助。目前四十頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點目前四十一頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點三、真核生物的基因組1.細胞核基因組的一般特性（1）DNA包裝成染色體①染色體數(shù)目不同物種不同，但與基因組大小無關(guān)Chromosomebanding:目前四十二頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點②染色體分帶（Chromosomebanding）TechniqueProcedureBandingpatternG-banding酶解，Giemsa染色暗帶AT-rich淺帶GC-richR-banding熱變性，Giemsa染色暗帶GC-rich淺帶AT-richQ-bandingQuinacrine染色暗帶AT-rich淺帶GC-richC-bandingBaOH變性，Giemsa染色暗帶含組成性異染色質(zhì)目前四十三頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點人染色體G-帶目前四十四頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點③各染色體上的基因分布不均勻1)著絲粒區(qū):高度重復(fù)序列擬南芥:180bp→0.9–1.2Mb人:171bp(alphoidDNA).極少量基因擬南芥:7-9個基因/100kb2)端粒區(qū):數(shù)百份重復(fù)的短序列（motif）人:5′-TTAGGG-3′目前四十五頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點3)其他區(qū)域:基因隨機分布。但密度不均勻。平均基因密度:擬南芥:25個/100kb4）整條染色體的基因密度:擬南芥:1-38個/100kb人:0-64個/100kb目前四十六頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點（2）基因類型（人類）1)按功能分類：基因表達、復(fù)制、維持基因組結(jié)構(gòu)：23.2%信號傳導(dǎo)：21.1%細胞基本生化功能：17.5%其他活性：38.2%目前四十七頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點2)按蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域分類：脊椎動物特有的：22%脊椎動物和其他動物共有的：24%真核生物與原核生物共有的：21%動物和其他真核生物共有的：32%與其他生物無關(guān)的：1%目前四十八頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點

不同生物的結(jié)構(gòu)域基因基因組中含有帶結(jié)構(gòu)域的基因數(shù)目Domain

功能人果蠅線蟲擬南芥酵母Zincfinger,C2H2typeDNA結(jié)合564234682134Zincfinger,GATAtypeDNA結(jié)合1158269Homeobox發(fā)育基因調(diào)控16010082666Death細胞凋亡165700Connexin細胞間偶聯(lián)140000Ephrin神經(jīng)生長72400TakenfromVenteretal.(2001).FormoreinformationonzincfingersandthehomeoboxdomainseeSection9.1.4.目前四十九頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點（3）基因家族1)簡單基因家族所有成員都具有相同或幾乎相同的序列。rRNAgenefamily2)復(fù)雜的基因家族成員在序列上相似，但基因產(chǎn)物的功能不同3）分散的基因家族成員分布在不同的染色體上.Aldolase:染色體3,9,10,16,17目前五十頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點4）超基因家族哺乳動物血紅蛋白基因超家族人染色體16人染色體11包含有兩個以上的基因家族。目前五十一頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點（3）核基因組中的重復(fù)DNA1）順接重復(fù)DNA也叫衛(wèi)星DNA（satelliteDNA）.在真核生物基因組中常見，但原核生物基因組中無。主帶：主要由單一序列構(gòu)成重復(fù)單元長度：5-

>200bpDNA密度梯度離心的時候，在主要DNA帶的上方有額外的DNA帶目前五十二頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點①大部分位于著絲粒區(qū)有些satelliteDNA分散在基因組中

②

小衛(wèi)星（Minisatellites）重復(fù)單元達25bp，重復(fù)后長度20kb人端粒DNA:

數(shù)百份5′-TTAGGG-3′目前五十三頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點③微衛(wèi)星（microsatellites）重復(fù)單元小于13bp，重復(fù)后的長度<150bp人類二核苷酸重復(fù):單核苷酸重復(fù):CACACACACACACACAAAAAAAAAAAAAA目前五十四頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點遺傳識別（GeneticProfiling）微衛(wèi)星重復(fù)單元數(shù)目在不同的個體上不同由于DNA復(fù)制的時候發(fā)生了滑序，導(dǎo)致重復(fù)單元的插入、缺失也稱遺傳指紋（geneticfingerprinting）原理：用PCR擴增個體基因組中的微衛(wèi)星DNA，電泳后產(chǎn)生的帶譜目前五十五頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點PCR擴增人類6號染色體短臂上的微衛(wèi)星DNA圖譜紅色帶是DNA分子量Marker目前五十六頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點（2）分散重復(fù)DNA以單一重復(fù)單元，分散在整個基因組中(由于轉(zhuǎn)座引起）經(jīng)RNA中間體形成的轉(zhuǎn)座①逆轉(zhuǎn)座目前五十七頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點有些逆轉(zhuǎn)座元件與逆轉(zhuǎn)錄病毒的基因組結(jié)構(gòu)相似.目前五十八頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點LTR元件（長末端重復(fù)）:逆轉(zhuǎn)錄病毒:內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒(ERVs):整合在脊椎動物染色體上的逆轉(zhuǎn)錄病毒基因組，但已經(jīng)不能形成病毒逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子（retrotransposon）:序列與ERV相似，但位于無脊椎動物、植物、真菌染色體上。Ty3/gypsyfamilyTy1/copiafamily(lackenvgene)如目前五十九頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點反轉(zhuǎn)座子（Retroposons）:不含LTRsLINEs(長分散核元件)SINEs(短分散核元件)包含一個與逆轉(zhuǎn)錄酶相似的基因.不含逆轉(zhuǎn)錄酶基因，但仍然能轉(zhuǎn)座。如LINE-1如Alu目前六十頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點②DNA轉(zhuǎn)座子導(dǎo)致原序列被多復(fù)制●復(fù)制轉(zhuǎn)座●保守轉(zhuǎn)座原序列被切下來重新插入到基因組其他部位。目前六十一頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點真核生物:DNA轉(zhuǎn)座子不如逆轉(zhuǎn)座子普遍如玉米的Ac/Ds原核生物:DNA轉(zhuǎn)座子比逆轉(zhuǎn)座轉(zhuǎn)座子重要。如IS1和IS186目前六十二頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點（4）基因組中的單一序列單一或少數(shù)幾份拷貝的序列占人類基因組的40%-70%大多數(shù)的功能基因都是單一序列大多數(shù)是非編碼序列目前六十三頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點①功能基因只占基因組的少部分人:估計30,000個功能基因<5%果蠅:5-10%海膽:<10%②假基因：在進化過程中喪失了功能的基因序列③

非編碼序列目前六十四頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點人類基因組3×109bp基因及其相關(guān)序列20-30%基因以外非編碼序列70-80%非編碼序列>90%編碼序列<10%內(nèi)含子5’前導(dǎo)、3’尾假基因基因片斷啟動子中高度重復(fù)序列20-30%單一序列70-80%分散重復(fù)40%成簇重復(fù)60%SINELINE衛(wèi)星微衛(wèi)星小衛(wèi)星啟動子目前六十五頁\總數(shù)七十一頁\編于十七點2.細胞器基因組（1）一般特性不等，與生物的復(fù)雜性無關(guān)1)大小:2)形狀