基因和基因組

關(guān)于基因和基因組1第一節(jié)基因

(gene)第2頁,共104頁，2024年2月25日，星期天一、基因的概念及分類（一）基因的概念基因的概念是不斷發(fā)展和更新的……在遺傳學(xué)發(fā)展的不同階段，基因有著不同的定義和內(nèi)涵，基因概念的每次更新和豐富均是遺傳學(xué)和生物學(xué)的一次革命和飛躍。1865年，遺傳學(xué)奠基人Mendel遺傳因子，認(rèn)為遺傳因子是一個遺傳單位，可以決定從親代遺傳給子代的性狀；1909年，丹麥遺傳學(xué)家Johanson用基因取代了Mendel的遺傳因子，認(rèn)為遺傳因子就是基因；3第3頁,共104頁，2024年2月25日，星期天1910年，Morgan果蠅雜交實(shí)驗(yàn)果蠅眼睛顏色（白色）與性別（雄性）相互連鎖---認(rèn)識到基因在染色體上，是位于染色體上的實(shí)體物質(zhì)；基因是一個遺傳、交換和突變的單位；4特定的基因（控制白眼的基因w）和一條特定的染色體（X）聯(lián)系起來，從而證明了基因在染色體上。第4頁,共104頁，2024年2月25日，星期天1941年，Beadle和Tatum提出“一個基因一個酶”學(xué)說，認(rèn)為基因在染色體上并決定蛋白質(zhì)；1944年Avery轉(zhuǎn)化，1952年Hershey和Chase實(shí)驗(yàn)證明DNA是遺傳信息的攜帶者，是遺傳物質(zhì)。1953年Watson和CrickDNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型全面揭示了DNA的化學(xué)性質(zhì)，并解決了當(dāng)時困擾生物學(xué)家的基因復(fù)制和遺傳的難題。5第5頁,共104頁，2024年2月25日，星期天現(xiàn)代分子遺傳學(xué)關(guān)于基因的概念

現(xiàn)代基因概念DNA分子中含有特定遺傳信息的核苷酸序列，是合成有功能蛋白質(zhì)或RNA所必需的全部DNA序列（除部分病毒RNA），即一個基因不僅包括編碼蛋白質(zhì)或RNA的核苷酸序列，還包括為保證轉(zhuǎn)錄所必需的調(diào)控序列。6第6頁,共104頁，2024年2月25日，星期天（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；結(jié)構(gòu)基因可被轉(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。其突變可影響一個或多個結(jié)構(gòu)基因的功能，或?qū)е乱粋€或多個蛋白質(zhì)（或酶）量的改變。

（二）基因的分類7第7頁,共104頁，2024年2月25日，星期天8（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）除以上兩類基因外，還有一類不被轉(zhuǎn)錄的DNA序列，通常不稱為基因，但對基因的表達(dá)起調(diào)控作用。第8頁,共104頁，2024年2月25日，星期天原核生物基因結(jié)構(gòu)：二、基因的結(jié)構(gòu)與功能9（一）基因的結(jié)構(gòu)CregulatoryregionInhibitorgeneGeneZGeneYGeneAstructuralgenesregionOp3’5’igeneregion1000bp100bp3520bp760bp810bpbasepair:第9頁,共104頁，2024年2月25日，星期天10（二）真核生物基因結(jié)構(gòu)真核生物編碼序列：非編碼序列：1.外顯子和內(nèi)含子（GT-AG法則）2.調(diào)控序列第10頁,共104頁，2024年2月25日，星期天調(diào)控序列順式作用元件（

cis-actingelements

），包括啟動子，增強(qiáng)子，沉默子，終止子等。enhancersilencerenhancersilencerpromoter3’5’exonintronexon

RNApolymerase順式作用元件：反式作用因子：第11頁,共104頁，2024年2月25日，星期天具有與RNA聚合酶、系列轉(zhuǎn)錄因子相結(jié)合的位點(diǎn)；決定基因轉(zhuǎn)錄起始與否；啟動子具有嚴(yán)格的方向性；一般位于基因轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游100-200bp處，啟動子本身通常不被轉(zhuǎn)錄；不同的啟動子序列組成有所不同，活性也有所差異；最簡單的啟動子可包括一個TATA框和轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)；但是，一般最典型的啟動子還包括一個GC盒/CAAT盒。啟動子第12頁,共104頁，2024年2月25日，星期天

TATA盒

CAAT盒

GC盒

增強(qiáng)子

結(jié)構(gòu)基因-GCGC---CAAT---TATA轉(zhuǎn)錄起始真核生物啟動子(promoter)保守序列順式作用元件(cis-actingelement)第13頁,共104頁，2024年2月25日，星期天增強(qiáng)子增強(qiáng)子是一段與轉(zhuǎn)錄有關(guān)的短DNA序列；特異性與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，以增加轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)基因的RNA聚合酶分子數(shù)，增加啟動子發(fā)動轉(zhuǎn)錄的能力；增強(qiáng)子的作用與其與轉(zhuǎn)錄序列的距離無關(guān)，作用也可以累加。

geneenhancer5’3’72bp72bpenhancercoresequencecoresequenceTGTGGAATTAGTGTGGAATTAG第14頁,共104頁，2024年2月25日，星期天基因的幾種特殊形式跳躍基因(jumpinggene)

指可在DNA分子間進(jìn)行轉(zhuǎn)移的DNA片段。也稱為轉(zhuǎn)座遺傳因子，轉(zhuǎn)座元件或轉(zhuǎn)座基因。重復(fù)基因：指在同一個基因組中存在2個或者2個以上拷貝的基因，一般來源于基因組內(nèi)的不等交換、反轉(zhuǎn)錄插入及大規(guī)模的染色體片段重復(fù)等。

：15第15頁,共104頁，2024年2月25日，星期天所謂重疊基因（overlappinggene）是指兩個或兩個以上的基因共有一段DNA序列；也即同一DNA序列可以得到不同的mRNA，從而編碼多種具有部分重疊序列的蛋白質(zhì)的基因。某些原核生物、病毒或噬菌體1977年，Sanger在研究ΦX174時發(fā)現(xiàn)重疊基因16第16頁,共104頁，2024年2月25日，星期天基因重疊的方式（1）一個基因完全在另一個基因里面。（2）幾個基因部分重疊。（3）兩個基因之間只有一個堿基重疊。

噬菌體ΦX174的重疊基因17第17頁,共104頁，2024年2月25日，星期天斷裂基因（splitegene）指基因的編碼序列在DNA分子上是不連續(xù)排列的，而是被不編碼的序列所隔開；編碼序列稱外顯子(exon)，非編碼序列稱內(nèi)含子(intron)；因發(fā)現(xiàn)斷裂基因，1993年獲諾貝爾獎羅伯茨

夏普PromoterexonintronFlanking18第18頁,共104頁，2024年2月25日，星期天（二）基因的功能遺傳信息的儲存：4種堿基的不同排列荷載遺傳信息；遺傳信息傳遞：基因的復(fù)制遺傳性狀的表達(dá)：基因表達(dá)(轉(zhuǎn)錄、翻譯、基因表達(dá)的調(diào)控)19第19頁,共104頁，2024年2月25日，星期天ReplicationReplicationReverse

TranscriptionTranscriptionTranslationDNARNAProtein

基因表達(dá)(geneexpression)第20頁,共104頁，2024年2月25日，星期天基因表達(dá)調(diào)控的基本原理無論是原核生物還是真核生物，基因表達(dá)都主要在轉(zhuǎn)錄水平；原核生物主要以負(fù)控制為主，真核生物主要以正控制為主。第21頁,共104頁，2024年2月25日，星期天基因表達(dá)的多級調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控transcriptionallevel:

轉(zhuǎn)錄激活、轉(zhuǎn)錄起始;轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控post-transcriptionallevel：轉(zhuǎn)錄后加工、運(yùn)輸、mRNA降解;翻譯水平的調(diào)控translationlevel：翻譯的起始;翻譯后水平的調(diào)控post-translationlevel

翻譯后的加工、轉(zhuǎn)運(yùn)、多肽鏈的分解.第22頁,共104頁，2024年2月25日，星期天（三）基因突變與疾病1、單基因??；2、線粒遺傳??；3、多基因??；4、基因診斷與基因治療。第23頁,共104頁，2024年2月25日，星期天1、單基因?。╩onogenicdisease）由單個基因缺陷引發(fā)的疾病?！綠eneticphenotype】顯性遺傳（多數(shù)）、隱性遺傳、X性連鎖遺傳（血友?。?、Y性連鎖遺傳。第24頁,共104頁，2024年2月25日，星期天（1）苯丙酮尿癥（Phenylketonuria）

PKU型（99%）苯丙氨酸羥化酶缺陷

BH4型（1%）鳥苷三磷酸環(huán)化水合酶（GTP－CH）苯丙酮尿癥怪味：尿和汗液有鼠尿臭味；(怪味寶寶)智力發(fā)育低下，神經(jīng)行為異常，多動或有肌痙攣、癲癇小發(fā)作，甚至驚厥，少數(shù)肌張力增高和腱反射亢進(jìn)；出生數(shù)月后因黑色素合成不足，毛發(fā)、皮膚和虹膜色澤變淺。Chromosome12pq12q22-q24.2

【Mechanism】

苯丙氨酸羥化酶類缺陷有關(guān)。酶缺陷主要原因是基因的錯義突變、缺失以及剪接突變造成的。苯丙酮尿癥患者第25頁,共104頁，2024年2月25日，星期天正常的紅細(xì)胞鐮刀型紅細(xì)胞（2）鐮型紅細(xì)胞貧血第26頁,共104頁，2024年2月25日，星期天鐮形紅細(xì)胞貧血病人Hb(HbS)β亞基N-val

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C肽鏈CACGTG基因正常成人Hb(HbA)β亞基N-val

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C肽鏈CTCGAG基因第27頁,共104頁，2024年2月25日，星期天（3）常染色體病—唐氏綜合癥唐氏綜合癥俗稱先天性癡呆。它是最常見的一種染色體疾病，大約每750個新生兒就會有一個患有唐氏綜合癥。

60%的患兒在胎兒早期即夭折流產(chǎn)?；純旱闹饕R床特征為智能障礙、體格發(fā)育落后和特殊面容，并可伴有多發(fā)畸形?！疤剖暇C合癥”（Down'sSyndrome,Trisomy21)就是第21對染色體多一條；也就是說有三條21號染色體。所以唐氏綜合癥也叫做21三體。第28頁,共104頁，2024年2月25日，星期天（4）貓叫綜合征貓叫綜合征（5號染色體部分缺失綜合征）為最見的缺失綜合征，其發(fā)病率估計(jì)為1：50000，女性多于男性?；颊叩娜旧w缺失片段大小不一。癥狀主要由5p15的缺失引起?；紜氲目藿新暦浅Ｋ菩∝埖倪溥渎?，故得名?；純好娌壳樗坪軝C(jī)靈，但實(shí)則智力低下非常嚴(yán)重（智商常低于20），發(fā)育遲滯也很明顯。常見的臨床表現(xiàn)還有小頭、滿月臉、眼裂過寬、內(nèi)眥贅皮、下頜小且后縮?；颊叩乃劳雎实?，許多能活到成年。第29頁,共104頁，2024年2月25日，星期天男性女性（5）性染色體病性染色體病是性染色體(X或Y）出現(xiàn)異常而應(yīng)起的一類遺傳病。除Turner綜合征(45，X)及個別病人外，大多在嬰幼兒期無明顯臨床表現(xiàn)，要到青春期才出現(xiàn)第二性征發(fā)育障礙或異常。第30頁,共104頁，2024年2月25日，星期天由線粒體DNA突變引起的疾病。2、線粒體遺傳病母系遺傳異質(zhì)性第31頁,共104頁，2024年2月25日，星期天臨床癥狀雙側(cè)視神經(jīng)萎縮、壞死引起中央視力迅速喪失.主要癥狀伴隨癥狀神經(jīng)傳導(dǎo)缺陷、震顫、肌張力降低.男性患者是女性患者的5倍；但僅通過女性傳遞。（1）Leber遺傳性視神經(jīng)病變第32頁,共104頁，2024年2月25日，星期天11778bp位點(diǎn)突變GA高度保守精氨酸組氨酸還原型輔酶Ⅰ異常Firstdiscovery能量生成受阻多種mtDNA突變都與Leber遺傳性視神經(jīng)萎縮的發(fā)生有關(guān)。mtDNA第11778位G轉(zhuǎn)為A面使NADH脫氫酶第四亞單位ND4的第340位精氨酸殘基被組氨酸殘基取代第33頁,共104頁，2024年2月25日，星期天（2）線粒體腦肌病(encephalomyopathies,ME)線粒體腦肌病是一組由于線粒體功能缺陷造成的以神經(jīng)肌肉系統(tǒng)病變?yōu)橹鞯亩嘞到y(tǒng)疾病。線粒體腦肌病分為：伴有破碎紅纖維的肌陣攣癲癇（MERRF)、線粒體腦疾病合并乳酸血癥及卒中樣發(fā)作(MELAS)、Kearns-Sayer綜合征（KSS)、慢性進(jìn)行性眼外肌癱瘓（CEPO)、神經(jīng)源性肌軟弱、共濟(jì)失調(diào)并發(fā)色素性視網(wǎng)膜炎（NARP)和Leigh綜合征（LS)等幾種。第34頁,共104頁，2024年2月25日，星期天4977位點(diǎn)缺失

缺血性心臟病冠狀動脈粥樣硬化性心臟病

7436位點(diǎn)缺失

擴(kuò)張性心肌病肥厚性心肌病線粒體心肌病累及心臟和骨骼肌，病人常有嚴(yán)重的心力衰竭，常見臨床表現(xiàn)為勞動性呼吸困難，心動過速，全身肌無力伴全身嚴(yán)重水腫，心臟和肝腫大等癥狀。（3）線粒體心肌病第35頁,共104頁，2024年2月25日，星期天

（4）線粒體DNA突變與家族性耳聾第36頁,共104頁，2024年2月25日，星期天由多基因的結(jié)構(gòu)或表達(dá)調(diào)控的改變引發(fā)的疾病?！綜linicdisease】高血壓、糖尿病、自身免疫性疾病和惡性腫瘤。3、多基因?。∕ultifactorgenedisorder）第37頁,共104頁，2024年2月25日，星期天第38頁,共104頁，2024年2月25日，星期天第39頁,共104頁，2024年2月25日，星期天1、血管緊張素原（AGT）基因2、血管緊張素轉(zhuǎn)化酶（ACE）基因3、β2-腎上腺能受體基因5、α-內(nèi)收蛋白基因（ADD1）6、G-蛋白β3-亞單位（GNβ3）原發(fā)性高血壓相關(guān)基因（1）原發(fā)性高血壓首次在中國漢族人中將原發(fā)性高血壓易感基因定位在2p14-2p23區(qū)域內(nèi)。

第40頁,共104頁，2024年2月25日，星期天6號、8號和22號染色體區(qū)域可能蘊(yùn)藏精神分裂癥的易感基因位點(diǎn)，而5－HT2a、DRD3、NOTCH4、COMT、DISCI、DISCII等基因被認(rèn)為是熱點(diǎn)候選基因；6號、16號、18號、21號、22號和X染色體可能蘊(yùn)藏雙向情感障礙的易感基因位點(diǎn)，而SERT基因被認(rèn)為是熱點(diǎn)候選基因；1號、10號和19號染色體可能蘊(yùn)藏遲發(fā)性阿爾茲海默病易感基因位點(diǎn)，而A2M、ACE和APOE基因被認(rèn)為是熱點(diǎn)候選基因。

（2）精神疾病第41頁,共104頁，2024年2月25日，星期天4、基因診斷與基因治療GeneticDiagnosisandGeneTherapy第42頁,共104頁，2024年2月25日，星期天

特點(diǎn)針對性強(qiáng)特異性強(qiáng)靈敏度高適應(yīng)性強(qiáng)（1）基因診斷定義利用現(xiàn)代分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)的技術(shù)和方法，直接檢測基因結(jié)構(gòu)及其表達(dá)水平是否正常，從而對疾病作出診斷的方法。第43頁,共104頁，2024年2月25日，星期天感染性疾病的病原診斷;各種腫瘤的生物學(xué)特性的判斷;遺傳病的基因異常分析。在感染性疾病方面主要有結(jié)核病、乙型肝炎病毒（HBV）、丙型肝炎病毒（HCV），甚至艾滋病等?；蛟\斷檢測的疾病主要有第44頁,共104頁，2024年2月25日，星期天基因診斷常用技術(shù)方法1.限制性酶切(rescrictionenzymedigestiton)2.聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)3.基因芯片(genechips)4.基因測序(DNAsequencing)5.核酸分子雜交(hybridization)第45頁,共104頁，2024年2月25日，星期天限制性酶切(RFLP法)限制性內(nèi)切酶譜分析法DNA限制性長度多態(tài)性(restrictionfragmentlengthpolymorphism,RLFP)分析等位基因特異寡核苷酸探針(allelespecificoligonucleotide,ASO)第46頁,共104頁，2024年2月25日，星期天

內(nèi)切酶有特異的識別序列,如果基因突變發(fā)生在識別序列,酶切片段的長度就會改變。

鐮形細(xì)胞貧血癥是由于β

鏈第6個密碼子GAG突變?yōu)镚TG，這一突變使原有的MstⅡ酶位點(diǎn)消失。第47頁,共104頁，2024年2月25日，星期天×MstⅡ酶切位點(diǎn)(CCTNAGG)5′3′正?；?′3′突變基因1.15kb1.35kb鐮狀紅細(xì)胞貧血患者基因組的限制性酶切分析第48頁,共104頁，2024年2月25日，星期天+﹣0.2kb1.15kb1.35kb正常人突變攜帶著患者酶切后電泳結(jié)果分析第49頁,共104頁，2024年2月25日，星期天早期是指用正常的基因整合入細(xì)胞基因組，以校正和置換致病基因的一種治療方法。

目前廣義上來講是指將某種遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移到患者細(xì)胞內(nèi)，使其在體內(nèi)發(fā)揮作用，以達(dá)到治療疾病目的的方法。（1）基因治療第50頁,共104頁，2024年2月25日，星期天基因治療的基本方法基因矯正(genecorrection)基因置換(genereplacement)基因增補(bǔ)(geneaugmentation)基因失活(geneinactivation)

第51頁,共104頁，2024年2月25日，星期天基因組（genome）：是細(xì)胞中一套完整單倍體的遺傳物質(zhì)的總和；對于細(xì)菌和噬菌體而言是指單個染色體上所含的全部基因；而對于二倍體真核生物的基因組是指維持配子或配子體正常功能的最基本的一套染色體及其所帶的全部基因?；蚪M（原核生物和真核生物）第二節(jié)基因組

染色體基因組（chromosomalgenome）染色體外基因組（extrachromosomalgenome）

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第52頁,共104頁，2024年2月25日，星期天基因組大?。―NA含量）用C值表示；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，生物基因組的大小同生物在進(jìn)化上所處地位的高低無關(guān)。存在C-valueparadox（C值悖論）。

生物復(fù)雜性越高，其基因的密度越低。53第53頁,共104頁，2024年2月25日，星期天

基因組大小與C值矛盾C值矛盾：生物體的進(jìn)化程度與基因組大小之間不完全成比例的現(xiàn)象（又稱：C值悖論，Cvalueparadox）

第54頁,共104頁，2024年2月25日，星期天C-valueparadoxequalgenomesizetoadXenopusandhumanbeinghavegenomesofessentiallythesamesize.Butweassumethathumanismorecomplexintermsofgeneticdevelopment!55第55頁,共104頁，2024年2月25日，星期天一、原核生物基因組原核生物基因組通常比較簡單，所包含的基因數(shù)目幾百個到數(shù)千個之間。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)形成一個致密的區(qū)域，稱為

類核（nucleoid）.56第56頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大腸桿菌的類核結(jié)構(gòu)模型57第57頁,共104頁，2024年2月25日，星期天1、基因組通常僅由一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成。2、結(jié)構(gòu)基因與調(diào)控序列以操縱子的形式組織在一起。3、基因組中重復(fù)序列很少。4、結(jié)構(gòu)基因多為單拷貝。5、基因是連續(xù)的。6、編碼序列一般不會重疊。7、編碼區(qū)在基因組中所占比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于真核基因組。8、細(xì)菌基因組中存在可移動的DNA序列。第58頁,共104頁，2024年2月25日，星期天59第59頁,共104頁，2024年2月25日，星期天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?？梢杂泄矁r閉合環(huán)狀DNA（covalentlyclosedcircularDNA，cccDNA）、缺口的環(huán)狀DNA、線性DNA三種結(jié)構(gòu)狀態(tài)。60第60頁,共104頁，2024年2月25日，星期天質(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)胞一些遺傳性狀。61第61頁,共104頁，2024年2月25日，星期天細(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、β-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，對信息素的反應(yīng)和抑制等62第62頁,共104頁，2024年2月25日，星期天質(zhì)粒能自主復(fù)制，是能獨(dú)立復(fù)制的復(fù)制子（autonomousreplicon）。

嚴(yán)緊控制（stringentcontrol）型質(zhì)粒：其復(fù)制常與宿主的繁殖偶聯(lián)，拷貝數(shù)較少，每個細(xì)胞中只有1個到十幾個拷貝。

松弛控制（relaxedcontrol）型質(zhì)粒：其復(fù)制與宿主不偶聯(lián)，每個細(xì)胞中有幾十到幾百個拷貝。63第63頁,共104頁，2024年2月25日，星期天二、真核生物基因組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----細(xì)胞核基因組和細(xì)胞器基因組。64第64頁,共104頁，2024年2月25日，星期天（一）真核生物基因組特點(diǎn)1、真核生物的基因組DNA都是雙鏈線狀且往往不是一條。2、大多數(shù)真核生物的結(jié)構(gòu)基因?yàn)閿嗔鸦?，并受順式元件調(diào)控。3、結(jié)構(gòu)基因的產(chǎn)物為單順反子。4、真核生物內(nèi)非編碼序列遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于編碼區(qū)。5、真核生物含大量重復(fù)序列和基因家族。6、真核生物內(nèi)存可移動的遺傳因子。7、真核生物基因組包括細(xì)胞器基因組。二、真核生物基因組第65頁,共104頁，2024年2月25日，星期天（二）人類基因組1、人類基因組中的基因數(shù)量及分布。2、人類基因組中的重復(fù)序列。（1）高度重復(fù)序列。（2）中度重復(fù)序列。（3）單拷貝序列。3、基因家族第66頁,共104頁，2024年2月25日，星期天1、人類基因組中基因的數(shù)量及分布人染色體組第67頁,共104頁，2024年2月25日，星期天人類基因組中僅含有25000～30000個基因，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)部含大量內(nèi)含子。68第68頁,共104頁，2024年2月25日，星期天2、人類基因組中的重復(fù)序列（1）高度重復(fù)基因序列；（2）中度重復(fù)序列；（3）單拷貝序列。第69頁,共104頁，2024年2月25日，星期天高度重復(fù)序列：拷貝數(shù)大于106

，如反向重復(fù)序列

(invertedrepeats)

和衛(wèi)星DNA

(satelliteDNA)。中度重復(fù)序列：重復(fù)次數(shù)10～105，如rRNA、tRNA、組蛋白以及免疫球蛋白的基因等，另有部分可能與基因的調(diào)控有關(guān)。單拷貝序列：占60%-65%，結(jié)構(gòu)基因基本上屬于單拷貝序列。70第70頁,共104頁，2024年2月25日，星期天3、基因家族（genefamily）真核細(xì)胞的基因組中來源相同、結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的一組基因，稱為基因家族；按其終產(chǎn)物分兩類：一類是編碼RNA的，另一類是編碼蛋白質(zhì)的；第71頁,共104頁，2024年2月25日，星期天（1）核酸序列相同或幾乎相同家族中各基因的核苷酸序列相同這些基因族也被稱為單純多基因家庭(如rRNA，tRNA家族等）第72頁,共104頁，2024年2月25日，星期天核酸序列相同：

組蛋白基因家族多拷貝基因形成的基因簇，rRNA、tRNA、組蛋白基因家族。非洲爪蟾的5SRNA基因結(jié)構(gòu)5SRNA基因非轉(zhuǎn)錄空隔區(qū)第73頁,共104頁，2024年2月25日，星期天74這些基因家族的各個成員在DNA分子上的排列順序按照發(fā)育的不同階段先后次序排列，故也稱“發(fā)育控制復(fù)合多基因家族”。α-珠蛋白和β-珠蛋白基因家族第74頁,共104頁，2024年2月25日，星期天人類生長激素基因家族包括人生長激素（hGh）、人胎盤促乳素和催乳素（prolactin）。它們之間的同源性很高，尤其是hGh和hcs之間，蛋白質(zhì)氨基酸序列有85%的同源性，mRNA上序列上有92%的同源性，說明它們是來自一個共同祖先基因。3種基因并不都排列在一起，hGh和hcs基因位于第17號染色體長臂，催乳素基因位于第6號染色體。（2）核酸序列高度同源第75頁,共104頁，2024年2月25日，星期天（3）超基因家族（supergenefamily）

由基因家族與單基因組成的較大的基因家族，其結(jié)構(gòu)有不等的同源性，起源于相同的祖先基因，功能卻并不相同，如Ig超家族。這些基因在進(jìn)化上也有親緣關(guān)系，但親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，故稱為基因超家族。如：第76頁,共104頁，2024年2月25日，星期天表達(dá)產(chǎn)物都有免疫球蛋白樣的結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)。有2個微球蛋白、MHCI類抗原的α鏈,Ⅱ類抗原的α鏈和β鏈,Thy1、CD4、CD8等與免疫有關(guān)的分子。在后又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了許多免疫系統(tǒng)內(nèi)以及與免疫無關(guān)的家族成員。免疫球蛋白超基因家族第77頁,共104頁，2024年2月25日，星期天其基因產(chǎn)物都有一個特殊的功能區(qū)，具有酶的功能。功能區(qū)中絲氨酸是活性中心瓣關(guān)鍵氨基酸殘基?，F(xiàn)有很多新成員加進(jìn)去，如載脂蛋白（apolipoprotein），它們只是轉(zhuǎn)移膽因醇蛋白顆粒中的成分而不具備任何水解蛋白質(zhì)的酶功能。絲氨酸蛋白酶基因超家族第78頁,共104頁，2024年2月25日，星期天（4）假基因（pseudogene,Ψ）

GA

21Alu10kb珠蛋白基因簇中的假基因

在進(jìn)化過程中，某些基因家族中某些基因發(fā)生了突變，產(chǎn)生了假基因；對不能轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后生成無功能蛋白質(zhì)的基因。與有功能的基因相似，但不表達(dá)的基因。第79頁,共104頁，2024年2月25日，星期天假基因常用符號ψ表示，如ψα1表示與α1相似的假基因.假基因與有功能的基因同源,原來也可以是有功能的基因,由于發(fā)生缺失(deletion)、例位(inversion)或點(diǎn)突變（pointmutaion）等，成為無功能的基因，即形成了假基因，哺乳動物基因組中的1/4基因?yàn)榧倩?。?0頁,共104頁，2024年2月25日，星期天第81頁,共104頁，2024年2月25日，星期天4、線粒體基因組真核生物細(xì)胞中有兩種細(xì)胞器能夠攜帶遺傳物質(zhì)：線粒體和葉綠體，它們均含有各自的基因組，獨(dú)立于核基因組進(jìn)行復(fù)制，但其復(fù)制的酶和蛋白質(zhì)卻由核基因編碼，在細(xì)胞質(zhì)中合成后運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞器。第82頁,共104頁，2024年2月25日，星期天人類線粒體（mitochondrion）基因組第83頁,共104頁，2024年2月25日，星期天2個ATP酶復(fù)合體成分基因22個tRNA基因2個rRNA基因7個NADH脫氫酶亞單位的基因3個細(xì)胞色素c氧化酶亞單位基因1個細(xì)胞色素b基因16569bp編碼37個基因13個線粒體氧化磷酸化有關(guān)的蛋白質(zhì)基因

MitochondrialDNA第84頁,共104頁，2024年2月25日，星期天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線粒體蛋白線粒體基因組只編碼了13條多肽鏈，22個tRNA和2個rRNA?第85頁,共104頁，2024年2月25日，星期天

高等動物線粒體基因組具有獨(dú)特的特點(diǎn)：

①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)合時一般不能進(jìn)入卵細(xì)胞。

②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)。

③遺傳密碼與通用遺傳密碼存在差別，如UGA（終止密碼子）編碼Trp，AGA/AGG（Arg）為終止密碼子等。86第86頁,共104頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)基因組學(xué)(genomics)一、基因組學(xué)概述以分子生物學(xué)、電子計(jì)算機(jī)和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為研究手段，以生物體內(nèi)全部基因?yàn)檠芯繉ο?，在全基因組背景下和整體水平上探索生命活動的內(nèi)在規(guī)律及內(nèi)外環(huán)境對機(jī)體影響機(jī)制的科學(xué)。第87頁,共104頁，2024年2月25日，星期天

基因組學(xué)的意義改變生物學(xué)研究的模式★第88頁,共104頁，2024年2月25日，星期天NoresponseAdverseDrugResponseRespondersGenotypecandirectRightdrugRightdoseRightpatient

基因組學(xué)的意義PHARMACOGENOMICS第89頁,共104頁，2024年2月25日，星期天（一）結(jié)構(gòu)基因組學(xué)以全基因組測序?yàn)槟繕?biāo)的基因組研究，弄清楚基因組中全部基因的位置和結(jié)構(gòu)。第90頁,共104頁，2024年2月25日，星期天又稱為連鎖圖譜或遺傳連鎖圖譜，它是以遺傳多態(tài)性的遺傳標(biāo)記為“路標(biāo)”，以遺傳學(xué)距離為圖距的基因組圖。它顯示各種DNA標(biāo)記，對于搞清基因的功能、定位及分離克隆新基因、排列DNA片段、研究染色體上基因排列順序等起到重要作用。三代遺傳標(biāo)記：RFLP、microsatellite、SNP遺傳圖又稱為連鎖圖（LinkageMap），指基因或DNA標(biāo)志在染色體上的相對位置（或距離），通常以基因或DNA片段在染色體交換過程中的分離頻率（cM）來表示。cM值越大，兩者之間遺傳距離越遠(yuǎn)。（一）遺傳圖譜（geneticmap）第91頁,共104頁，2024年2月25日，星期天“遺傳圖”的建立為人類疾病相關(guān)基因的分離克隆奠定了基礎(chǔ)。擁有5000多個遺傳學(xué)位點(diǎn)，相當(dāng)于把整個人類基因組劃分為5000多個小區(qū)，并分別設(shè)置了“標(biāo)牌”。把多態(tài)性的疾病基因位點(diǎn)（該位點(diǎn)至少包括“正?！奔啊爸虏　眱蓚€等位基因）與上述遺傳標(biāo)記進(jìn)行分析比較時，如果在家系中證實(shí)該基因與某個標(biāo)記不連鎖（重組率為50%），表明該基因不在這一標(biāo)記附近；如果發(fā)現(xiàn)該基因與某個標(biāo)記有一定程度的“連鎖”（重組率小于50%但大于0），表明它可能位于這個標(biāo)記附近；如果該基因與某標(biāo)記間不發(fā)生重組（重組率等于0），我們就推測該標(biāo)記與所研究的疾病基因可能非常接近。第92頁,共104頁，2024年2月25日，星期天DNA分子標(biāo)記：遺傳圖繪制需要應(yīng)用多態(tài)性標(biāo)志?！钤鐟?yīng)用的標(biāo)記是限制性酶切片段長度多態(tài)性（RFLP）——到80年代后期應(yīng)用短串聯(lián)重復(fù)序列（shorttandemrepeat,STR）標(biāo)記，又稱微衛(wèi)星（microsatellite,MS）——第三代的多態(tài)性標(biāo)記，即單個核苷酸多態(tài)性（SNPs）標(biāo)志近期被大量使用第93頁,共104頁，2024年2月25日，星期天限制性核酸內(nèi)切酶(restrictionendonuclease)限制性核酸內(nèi)切酶(restrictionendonuclease,RE)是識別DNA的特異序列,并在識別位點(diǎn)切割雙鏈DNA的一類內(nèi)切酶。BamHⅠGGATCCCCTAGGGCCTAGGATCCG+第94頁,共104頁，2024年2