基因组的结构

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1、第一节 基因组的C值悖理 一、基因组与C值 基因组(genome)：一个物种单倍体全套染色体的 全部DNA序列 C值(C value)：一个物种单倍体的DNA含量 水稻全套单倍染色体DNA序列的分布 几种代表性生物的基因组的大小 门（phylum）种(Species)C值（C-value） 藻类（algae）Pyrenomas salina6.6105bp 支原体（mycoplasma）M. pneumoniae1.0106bp 细菌（bacterium）E. coli4.2106bp 酵母(yeast）S. cerevisiae1.3107bp 霉菌(slime mold）D. discoi

2、deum5.4107bp 线虫(nematode）C. elegans8.0107bp 昆虫(insect）D. melanogaster1.4108bp 鸟(bird）G. domesticus1.2109bp 两栖动物(amphibian）X. laevis3.1109bp 哺乳动物(mammal）H. sapiens3.3109bp (爬行类) (两栖类) (硬骨鱼类) (软骨鱼类) (棘皮类) (甲壳类) (软体动物) (蠕虫类) (霉) (澡) human(7109) (支原体) 不同类群生物的C值变化范围 每类生物最小基因组 的大小基本上对应于 生物在进化上所处地 位的高低；进化地

3、位 高, 形态结构复杂的一 类生物，其最小基因 组也较大 每一类生物的最小基 因组比较： 二、C值悖理(C value paradox): 指C值的大小并不能完全说明生物进化的程度和遗 传复杂性的高低，即物种的C值和它的进化复杂性之间 没有严格的对应关系。具体表现在： 1.在显花植物内部、两栖类内部、爬虫类内部，不同 物种之间尽管结构、功能复杂程度相似，尽管亲缘关 系相近，C值却可以相差10倍甚至百倍。两栖类的C值 高于进化程度更高、结构和功能更为复杂的哺乳类的C 值。 （见图：不同类群生物的C值变化范围） 2. C值（基因组DNA含量）高于预期的编码蛋白质基 因所需要的DNA含量，两者之间的

4、差异在进化程度高 的生物中尤其显著。例如哺乳类的DNA含量可编码40 万-60万个基因，但实际上只有3万-4万个基因。 C值悖理现象促使人们探究基因组的结构，即基因组中是否存在基因以外的DNA 序列，这些序列具有怎样的组织形式和功能，它们对生物的生存和进化具有怎样的 意义，于是诞生了一们新兴的学科基因组学。 基因组学（genomics）: 研究生物体基因组的结构组成、 稳定性及功能的一门学科。主要包括以下两个方面： 结构基因组学（structural genomics）：研究基因组的结构，各种遗传元件 的序列特征，基因组作图、基因定位乃至整个生物体遗传物质的核苷酸序列的 测定等。 功能基因组学

5、（functional genomics）：研究不同的序列结构具有的不同功 能，基因的表达调控，基因与环境之间(包括基因与基因之间，基因与其它DNA 序列之间，基因与蛋白质之间)相互作用以及基因对表型的作用等。 三、基因组学 第二节 原核生物的基因组 结构简单。例如噬菌体的各种基因在基因组中只出现一次 。X174噬菌体甚至 存在不同基因共用一部分DNA序列的现象，称为重叠基因。 一、重叠基因（overlapping gene） X174噬菌体的重叠基因 二、操纵子（operon） 发现大肠杆菌乳糖操纵子的F Jacob(左) 和J Monod（1961） 大肠杆菌的乳糖操纵子示意图 原核生物中

6、的细菌，基因组结构略比 噬菌体复杂。 1.首先表现在一些功能相关的基 因，在染色体上彼此靠近地排列 成为操纵子为共同的表达元件所 调控。 例如大肠杆菌的乳糖操纵子有3个结 构基因串连排列在基因组上，其表达 和关闭为共同的启动子和调控序列所 调控。 2.操纵子以外的其他基因则多 以单一序列存在；但也有例外，例 如rRNA基因是一个由7个基因构成的基 因簇。 3.约75%的染色体DNA用于编码基因，其 余25%则是 “基因间DNA。一些基因间DNA具 有重要功能，例如细菌染色体的复制起点即在 此处。其他基因间区域可能与DNA的包装蛋白 相作用。 4.几乎所有基因都在染色体基因组中，只有 少数基因位

7、于染色体外DNA。 一、基因在基因组中的组织形式 1单一序列 基因组中的大多数基因，只在基因组中出 现一次，属于单一序列。大多数结构基因 都是这种单一序列，它们具有高度的表达 能力。 第三节 真核生物的基因组 2. 基因家族 基因家族(gene family)指真核生物基因组中有许多来源相 同、结构相似、功能相关的一组基因，它们可归为一个基因家 族。 基因家族成员的分布存在两种形式： （1）分别散布在基因组不同部位。如果蝇的肌动蛋白基因家族的成员。 （2）大多数是集中地、彼此靠近地、成串地排列在一起，形成 “基因 簇”(gene cluster)。例如人的血红蛋白基因家族成员，形成珠蛋白基因簇

8、 和珠蛋白基因簇。 人血红蛋白基因家族 上： 基因簇 ： 下： 基因簇 基因簇在11号染色体，包括3个活跃基因和2个假基因。 基因簇在16号染色体，包括5个活跃基因和一个假基因。 chromosome 11 chromosome 16 GA1 人类簇 2121 人类 簇 假基因（）与有功能的基因同源，原来可能属有功能的基因，由于缺 失、倒位或突变等原因使该基因失去活性而成为无功能的基因。 各种生物的组蛋白基因的组织形式 3.串联重复基因 在基因家族中，DNA序列完全相同或一致性很高的许多基因 ，串联在一起成为基因簇的，特称为串联重复基因。 （1）组蛋白基因 在真核生物中，组蛋白 H1，H2A，

9、H2B，H3，和 H4是染色体的重要成分。 现在知道，许多真核生物编 码这五种组蛋白的基因彼此 靠近，构成一个单位；许多 这样的单位又串联在一起构 成组蛋白的串联重复基因。 （2）rRNA基因 高等真核生物一般以200500 个拷贝的rRNA基因组成串联重复 单位。 rRNA基因的大量转录产生大量 rRNA，形成核仁。含有rRNA基因 串联重复单位的染色体区域即次缢 痕区域。一个细胞核内有多少RNA 基因串联重复单位，就会形成多少 个核仁。 非洲爪蟾每个卵母细 胞中含有几百个核仁 （3）tRNA基因 研究比较多 的酵母tRNA基 因,已知也是串 联重复序列， 但是不同重复 单位中的各个 tRN

10、A基因互不 相同。 二、基因外序列在基因 组中的组织形式 n 根据基因外序列在每个基因组中出现的拷贝数，可将它们分为以下四类 。 单一序列：主要指在每个基因组只出现1个拷贝的序列。但常 将在每个基因组只出现2-3个拷贝的序列也包括在内。 低度重复序列：在每个基因组出现2-10个拷贝的序列。 中度重复序列：在每个基因组出现10个到几百个拷贝的序列 。 高度重复序列：在每个基因组出现几百到几百万拷贝的序列 。 1簇状重复序列（clustered repitative sequence） 高度重复序列中常有一些AT碱基对含量很高的简单序列， 例如螃蟹DNA含有简单的AT高度重复序列，以致 AT含 量

11、高达97%。 由于AT段的浮力密度比较小，因而在将DNA切成几百个 碱基对的片段进行超速离心时，常常会在主要的DNA带的 上面出现一个次要的DNA带，这就是通常所说的“卫星 DNA”。 这些卫星DNA呈簇状重复，位于着丝粒、端粒等附近的异 染色质区，不产生RNA和蛋白质，起着保证染色体正常分 配，或维持染色体正常结构的作用。 电泳DNA片段时显示的卫星DNA (箭头所指) 卫星DNA的分布区域 各个异染色质区(图 中着色深的区域) 着丝粒(亮点 ) 端粒(染色体两端亮点) 端粒区域的DNA示意图端粒示意图 卫星DNA的应用 有的簇状重复序列，在一个固定位 点出现的重复次数经常是不相同的。 这种

12、可变性存在于个体之间，和同一 个体的一对同源染色体之间。因此， 这些序列被称为变数串联重复序列（ 简称VNTR）。使用PCR反应能扩增这种 VNTR，产物的长度取决于重复序列的 重复数。 这种长度的变化可用于鉴定个体之 间的差异，和鉴定同一个体一对同源 染色体之间的差异，已被广泛应用于 法学领域，例如用于排除犯罪嫌疑（ 或结合其他证据确定罪犯），和用于 亲子鉴定等，因而被称为DNA指纹。 DNA指纹技术发明人杰夫里斯 利用卫星DNA进行亲 子鉴定的基本原理 亲子鉴定实验室她们真是母女吗 ? 法医利用DNA指纹鉴定罪犯 现场DNA（3）和罪犯DNA（4） DNA指纹曾用于鉴定一个坟墓 的墓主是否

13、路易十七本人，从 而解决了法国历史上的一个悬 案。 原来法国资产阶级革命胜利后 ，路易十六被送上断头台，他 的儿子按照王室惯例自动登基 。这个尚未成年的路易十七被 革命党囚禁，后来病死并被就 地安葬。保皇党则宣扬他已越 狱逃到了国外，并声称坟墓的 主人是他的替身。这事一时成 为法国历史上的悬案。 到20世纪80年代，法国利用 DNA指纹技术才确定了坟墓的 主人是路易十七本人。 右图是防腐药剂浸泡着的路易 十七的心脏，曾被偷运出国和 辗转在国外，历史真相大白后 才送回法国公开展览。 2弥散重复序列 （dispersed repitative sequence） p 弥散重复序列是指广泛分散在整个

14、基因组的重复序列。它 们又可以分为长、短两种： 短序列称为“短弥散因子”(short interspersed elements,简 称SINEs)。这种序列的长度少于500个碱基对。在基因组 中重复出现700 000900 000次，存在于大部分地方，有 的甚至存在于基因之中。 长的序列称为“长弥散因子”(long interspersed elements, 简称LINEs)。一个序列大约含有数千个碱基对，在基因组 中重复出现3 0004 000次。 以上两种序列的作用还有待进一步研究。 基因组的作图，需要利用某种遗传标记表示等位基因的位 置。遗传学中通常将可识别的等位基因称为遗传标记 (

15、genetic marker)。 RFLP AFLP RAPD SSR 遗传标记可用于基因的连锁分析、基因定位、遗传作图和基因转移的鉴定。 限制性酶消化和 分子杂交技术为 基础 以PCR技术为基 础 遗传标记 形态学标记 生化标记 分子标记 细胞学标记 第四节 遗传标记 一、形态学标记 形态学标记即生物的外部形态特征，如矮秆、白化、变态叶 、雄性不育等，就是一种特定的肉眼可见的外部特征。 玉米甜粒/非甜粒 番茄红果/黄果 番茄连萼/非连萼甜椒果色 、果形 二、细胞学标记 染色体的变化常常会引起某些表型性状的 异常，从而可以将染色体的变化作为一种 遗传标记，来分析测定基因所在的染色体 及相对位置

16、，也可通过染色体置换等进行 基因的定位。 染色体数目的变化(如单体、缺 体、三体、四体) 染色体结构的变异(如缺失、易位 、倒位、重复等) 染色体组型(染色体数目、大小、随 体有无、着丝粒位置等)和带型（C带 、N带、G带等) 人类染色体组型 三、生化标记 同工酶(isozyme)：同一种酶具有多种不同形式，它们催化同 样的生化反应。这类结构不同、功能相似的酶称为同工酶。 p同工酶标记的特点： 可用两点或三点测验定位于染色体 编码同工酶的等位基因是共显性的 p同工酶标记的不足： 具有组织特异性 发现的同工酶标记有限 四、分子标记 遗传标记多态性形成的分子基础均是基因 组DNA的变异，而分子标记所揭示的多态 性是直接反映基因组DNA间的差异。 （一） 分子标记的优越性 直接以DNA的形式表现 数量多，遍及整个基因组，检测位点近乎无限 多态性高，自然存在着许多等位变异，不需要专门 创造特殊的遗传材料 表现为“中性”，