有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座

第二章

有機體、染色體、基因組與基因有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第1頁第一節(jié)有機體(Organism)有機體原核生物(Prokaryote)真核生物(Eukaryote)有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第2頁一、原核生物(Prokaryote)原核生物是細菌、放線菌、衣原體、支原體等比較原始生物總稱。其特點為：有細胞壁（除支原體外）；無真正細胞核（無核膜），但有核區(qū)；DNA無蛋白質(zhì)與之結(jié)合；有核糖體，缺乏其它細胞器；DNA轉(zhuǎn)錄和翻譯是同時進行等。原核生物即使簡單，但細胞中各種各樣結(jié)構(gòu)、代謝功效都具備，是一個完整有機體。有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第3頁原核細胞結(jié)構(gòu)有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第4頁某

些

原

核

細

胞

形狀螺菌螺旋體魚腥藻屬（一個藍藻細菌）大芽孢桿菌大腸桿菌葡萄球菌立克次氏體三種支原體有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第5頁二、真核生物(Eukaryote)

真核生物是核質(zhì)與細胞質(zhì)之間存在核膜生物總稱。真核生物全能性：是指同一個生物全部細胞都含有相同DNA，即基因數(shù)目和種類是一樣，盡管細胞類型不一樣，分化程度各異，但其基因組是相同，它們都含有發(fā)育成完整個體潛能。有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第6頁真核細胞結(jié)構(gòu)有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第7頁細胞三維結(jié)構(gòu)圖形有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第8頁植物細胞結(jié)構(gòu)有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第9頁原核生物與真核生物比較原核類真核類生物體細菌、放線菌、支原體、衣原體等原生生物、真菌、植物、動物細胞組織主要是單細胞主要是多細胞、有細胞分化細胞大小?。?～10μm)大（10～100μm)細胞分裂二分裂有絲分裂（或減數(shù)分裂）細胞核無核膜、核仁有核膜、核仁細胞器極少或無有細胞質(zhì)無細胞骨架有細胞骨架DNA環(huán)狀、裸露線狀與蛋白質(zhì)結(jié)合代謝厭氧或好氧好氧有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第10頁三、病毒（Virus）

病毒是不是有機體？是有生命，還是非生命？尚無定論。病毒感染有機體，引發(fā)有機體害病，它是活，是有生命有機體。然而與細菌、支原體、衣原體等微生物不一樣，病毒不具備細胞結(jié)構(gòu)，不能稱微生物。病毒僅含一個核酸（DNA或RNA），不含兩種核酸。病毒沒有線粒體、核糖體等細胞器，本身不能繁殖，也不能新陳代謝，所以病毒顯示生命特征狀態(tài)過程，即不屬于真核也不屬于原核。但病毒可保留幾十年。有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第11頁煙草mosaic

病毒有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第12頁第二節(jié)染色質(zhì)與染色體染色體由染色質(zhì)組成。染色質(zhì)由DNA、蛋白質(zhì)和少許RNA組成。染色質(zhì)和染色體在化學組成上沒有大區(qū)分，只是在構(gòu)象和形態(tài)上有差異。有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第13頁

細胞周期（cellcycle）細胞增殖有一個周期過程，稱細胞周期。是指連續(xù)分裂細胞從一次有絲分裂結(jié)束到下一次有絲分裂結(jié)束為止，所經(jīng)歷整個過程。分兩個階段：間期和細胞分裂期。間期：DNA合成前期（G1期）；DNA合成期（S期）和合成后期（G2期）。細胞分裂期（M）：前期、中期、后期和末期。有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第14頁不一樣細胞細胞周期時間不一樣，普通S+G2+M期較恒定，而G1期改變較大，因而它決定了細胞周期時間長短；G1期細胞有三種可能趨向：1)進入S期(即進入細胞周期)；2)處于靜止期即Co期(在一定條件下可重新進入增殖周期)；3)分化、衰老、凋亡。有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第15頁G1期：G1早期合成各種RNA、結(jié)構(gòu)蛋白和酶等。S期：DNA復制及組蛋白合成、核小體裝配．細胞周期中各時相主要生化事件G2期：為有絲分裂作準備．有RNA和非組蛋白合成。M期：細胞分裂。有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第16頁一、染色質(zhì)（Chromatin）染色質(zhì)是間期細胞核內(nèi)伸展開DNA-蛋白質(zhì)纖維，由核小體為基本單位組成。H1多個核小體有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第17頁二、染色體（Chromosome）染色體是細胞分裂期由染色質(zhì)高度凝集而形成一個棒狀結(jié)構(gòu)。有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第18頁DNA核小體螺線管結(jié)構(gòu)超螺旋管染色單體壓縮至1/7壓縮至1/6壓縮至1/40壓縮至1/5DNA繞組蛋白6個核小體圍成一圈螺旋螺線管深入螺旋化超螺旋管深入盤繞和壓縮7×6×40×5=8400有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第19頁染色體DNA核小體核小體纖維環(huán)梅花結(jié)盤染色體有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第20頁第三節(jié)基因組與基因生命有機體絕大部分遺傳信息包含在染色體上。一個物種單倍體染色體數(shù)目，稱為該物種基因組（genome）。換句話說，細胞或生物體一套完整單倍體遺傳物質(zhì)稱為基因組?；蚴腔蚪M中一個功效性遺傳單位，它本質(zhì)是DNA，是DNA鏈上能決定一個蛋白質(zhì)或一個RNA或一個功效性片段。有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第21頁一、DNAC值與C值矛盾一個單倍體基因組DNA含量總是恒定，這是每個物種特征，稱為該物種DNAC值。不一樣物種，C值差異是很大。C值矛盾：生物體復雜性與DNA含量改變不相符合。有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第22頁基因組大小和C-值矛盾開花植物鳥類哺乳動物爬行動物兩棲類硬骨魚軟骨魚棘皮動物甲殼類昆蟲軟體動物線蟲霉菌藻類真菌革蘭氏陽性菌革蘭氏陰性菌支原體C-值（C-value）基因組中DNA數(shù)量各物種基因組大小比較各門類物種C-值C-值矛盾（C-valueparadox）：基因組大小與機體遺傳復雜性缺乏相關(guān)性。有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第23頁哺乳動物兩棲動物鳥類昆蟲線蟲霉菌酵母細菌支原體各個種類生物最小基因組與其復雜性正相關(guān)有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第24頁二、基因分類

基因按其產(chǎn)物功效可分為結(jié)構(gòu)基因、調(diào)控基因和RNA基因：

1.結(jié)構(gòu)基因：可被轉(zhuǎn)錄形成mRNA，并進而翻譯成多肽，組成各種結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)，催化各種生化反應(yīng)酶和激素等；有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第25頁2.調(diào)控基因：指一些可調(diào)整控制結(jié)構(gòu)基因表示基因。

3.RNA基因：是一些只轉(zhuǎn)錄不翻譯基因，包含核糖體RNA基因，專門轉(zhuǎn)錄rRNA；以及tRNA基因，專門轉(zhuǎn)錄tRNA。有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第26頁三、原核生物基因組特點：1.基因組是一條單一染色體，體積小，含基因數(shù)量也少。遺傳物質(zhì)以裸露核酸形式存在，只與少許蛋白質(zhì)結(jié)合.2.基因組中功效相關(guān)基因往往定位在同一區(qū)域，形成同一功效單位，被轉(zhuǎn)錄為多順反子（polycistronic）mRNA。（即細菌基因組中含有操縱子結(jié)構(gòu)）。有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第27頁3.基因組中多為單拷貝基因，只有極少數(shù)重復基因。4.基因組中非表示基因少，絕大多數(shù)基因都是可表示。5.病毒基因中重合現(xiàn)象普遍，即同一個DNA片段可編碼幾個蛋白質(zhì)分子。其意義在于較小基因組攜帶較多遺傳信息。有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第28頁

大腸桿菌基因組分子生物學對大腸桿菌（E.coli）基因組研究揭示了生命活動許多基本規(guī)律。1987年完成了E.coli克隆物理圖譜；1991年查明了E.coliDNA全序列。E.Coli基因組分子量為2.64×109Da，由4639221bp組成，E.coli基因組定義出4288個開放讀框（ORE），已經(jīng)有1853個已報道過基因，共有2584個操縱子。有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第29頁

質(zhì)粒DNA許多細菌和一些真核細胞內(nèi)，除了染色體這一主要遺傳物質(zhì)外，還有染色體以外一些小環(huán)狀DNA分子，稱為質(zhì)粒（plasmid）。

有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第30頁質(zhì)粒分類按功效分：R質(zhì)粒-抗藥性質(zhì)粒；F質(zhì)粒-性質(zhì)粒；Col質(zhì)粒-大腸桿菌因子，合成大腸桿菌素。按復制機理分：嚴緊型質(zhì)粒-質(zhì)粒復制受宿主細胞嚴格控制；松弛型質(zhì)粒-質(zhì)粒復制不受宿主細胞嚴格控制。有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第31頁四、真核生物基因組特點：1.真核生物基因組遠遠大于原核，結(jié)構(gòu)復雜，基因數(shù)龐大，DNA與蛋白質(zhì)融合形成染色體，儲存在細胞核內(nèi)，使得轉(zhuǎn)錄、翻譯不能同時進行，調(diào)控機制表現(xiàn)在多水平方面。2.真核基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物普通為單順反子。功效相關(guān)基因往往分散在不一樣部位，不一樣染色體上，分別轉(zhuǎn)錄。3.基因組非編碼次序多于編碼次序。有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第32頁4.真核生物基因組中含有大量重復次序。（1）單拷貝序列(Singlecopysequence)（2）輕度重復序列(Slightlyrepetitivesequence)（3）中度重復序列(Moderatelyrepetitivesequence)（4）高度重復序列(Highlyrepetitivesequence)有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第33頁5.真核生物基因大多是不連續(xù)稱斷裂基因（splitgene）。有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第34頁細胞器基因組1發(fā)覺：（1）母性遺傳(maternalinheritance)（2）體細胞分離（somaticsegregation)一些植物雜合子分化成體細胞時一些組織可能是一親本表現(xiàn)型，一些組織可能是另一親本表現(xiàn)型。說明核外基因存在。2性質(zhì)：大多數(shù)以環(huán)狀雙鏈DNA形式存在。線粒體DNAmtDNA葉綠體DNActDNA有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第35頁線粒體基因組

不一樣生物mtDNA大小差異很大。如哺乳動物線粒體基因組很小，長十幾個kb，只占總DNA0.5%，每個線粒體中平都有2.6個mtDNA分子。酵母線粒體基因組84kb，植物線粒體基因組則較大，大多在100kb以上。

線粒體能夠有本身轉(zhuǎn)錄和翻譯系統(tǒng)，它編碼部分本身所需蛋白和tRNA、rRNA等。有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第36頁有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第37頁其大小因植物不一樣而改變，大多在100~200kb之間。大多數(shù)葉綠體DNA一個顯著特征就是有一個反向重復序列和長短兩個單拷貝序列。但也不是全部ctDNA都有反向重復序列，也有些植物ctDNA有正向重復序列等。它編碼部分本身所需全部tRNA、rRNA，和約50種蛋白質(zhì)。葉綠體基因組

有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第38頁第四節(jié)人類基因組計劃

（HumanGenomeProject，HGP）有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第39頁一、問題提出70年代對人類基因組研究已含有一定雛形；1986年著名遺傳學家MckusickV提出從整個基因組層次研究遺傳學科學稱“基因組學”。有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第40頁同年，諾貝爾獎取得者DulbeccoR在Science雜志上發(fā)表了題為“癌癥研究轉(zhuǎn)折點——人類基因組全序列分析”，得到了世界范圍響應(yīng)；1986年美國能源部宣告實施這一草案；有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第41頁1987年美國能源部（DOE）和國家健康研究院（NIH）為HGP下拔了經(jīng)費1.66億美元，開始籌建HGP試驗室；有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第42頁1988美國成立了“國家人類基因組研究中心”由諾貝爾獎取得者WatsonJ出任第一任主任。有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第43頁二、世界行動1987年，意大利國家研究委員會（NRC）組織了15個（以后發(fā)展到30個）試驗室，開始HGP研究；1989年2月，英國HGP開始開啟;有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第44頁1990年6月，法國國家HGP開始開啟；同月，歐共體經(jīng)過了“歐洲HGP研究計劃”，主要資助23個試驗室；1990年10月1日美國國會正式同意美國“HGP”開啟，計劃在15年內(nèi)投入最少30億美元進行人類全基因組分析；有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第45頁1994年初，在吳旻、強伯勤、陳竺院士和楊煥明教授提倡下，中國HGP開始開啟；1998國家科技部在上海成立了中國南方基因中心，由陳竺院士掛帥；1998年~1999年成立了中國科學院北京人類基因組中心和北方人類基因組中心，由中科院遺傳所楊煥明教授，強伯勤院士等人牽頭；有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第46頁1995年6月，德國正式開始HGP。有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第47頁三、任務(wù)與進展完成四張圖：

遺傳圖譜、物理圖譜、

序列圖譜、基因圖譜有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第48頁（一）遺傳圖譜（geneticmap)：１.定義又稱連鎖圖譜（linkagemap)或遺傳連鎖圖譜（geneticlinkagemap)，是指人類基因組內(nèi)基因以及專一多態(tài)性DNA標識(marker)相對位置圖譜，其研究經(jīng)歷了從經(jīng)典遺傳圖譜到當代遺傳圖譜過程。有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第49頁２.經(jīng)典遺傳圖譜（以基因表型為標識）３.當代遺傳圖譜（以DNA為標識）第一代多態(tài)性標識：限制性片段長度多態(tài)性（restrictionfragmentlengthpolymorphism,RFLP)，位點數(shù)目可達105以上。有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第50頁第二代多態(tài)性標識：小衛(wèi)星/可變數(shù)量串聯(lián)重復（minisatellite/variablenumbertandemrepeat,VNTR)及微衛(wèi)星/簡短串聯(lián)重復（microsatellite/simpletandemrepeat,STR)。個數(shù)在6000個以上。其中STR具高度多態(tài)性，有可形成幾十種等位片段，是當前在基因定位研究中應(yīng)用最多標識系統(tǒng)。有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第51頁第三代多態(tài)性標識：單核苷酸多態(tài)性（singlenucleotidepolymorphism,SNP)。這種標識在人類基因組中多達300萬個。有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第52頁４.構(gòu)建遺傳圖譜基本原理真核生物在減數(shù)分裂過程中染色體進行重組和交換，染色體上任意兩點之間發(fā)生重組和交換概率伴隨兩點之間相對距離遠近而發(fā)生改變。有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第53頁５.構(gòu)建遺傳圖譜意義：經(jīng)過連鎖分析，能夠找到某一致病基因或表型基因與某一標識鄰近（即緊密連鎖）證據(jù)，從而可把這一基因定位于染色體特定區(qū)域，再對基因進行分離和研究。有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第54頁（二）物理圖譜（physicalmap):：１.定義用物理學方法構(gòu)建由不一樣DNA結(jié)構(gòu)按其在染色體上原始次序和實際距離排列圖譜。有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第55頁２.內(nèi)容（1）基因組細胞遺傳學圖（cytogeneticmap，即染色體區(qū)、帶、亞帶）；（2）序列標簽位點(sequence-taggedsite,STS)圖譜；有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第56頁（3）DNA“重合群(contig)”圖譜：把基因組文庫中含有相同STS序列DNA克隆按照其在原始基因組上線形次序進行排列，連接成相互重合“片段重合群(contig)”。是構(gòu)建物理圖譜主要任務(wù)；有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第57頁（4）大片段限制性內(nèi)切酶切點圖；（5）cDNA/EST圖譜；（6）基因組中廣泛存在特征性序列（如CpG序列、Alu序列等）標識圖等。有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第58頁（三）序列圖譜：年之前完成。（四）基因圖譜：目標：在人類基因組中判別出全部基因位置、結(jié)構(gòu)和功效；有機體染色體基因組和基因?qū)＜抑v座第59頁定位方法：cDNA/ES