第三节原核生物基因组1原核生物基因组通常比较简单，其基因组大小在0.6×105（支原体）到8×106（固氮菌），基因数目从几百~数千一般来说，基因数目与其基因组大小呈正相关比例2一、原核生物基因组通常由环状双链DNA组成 原核生物基因组通常仅由一条环状DNA分子组成，在细胞中与蛋白质结合成复合体形式存在 细菌染色体DNA形成较致密的区域——类核结构中央：RNA和支架蛋白，占20% 外围：双链闭环超螺旋DNA，占80%，花瓣状结构3二、操纵子结构是原核生物基因组的结构特点之一操纵子（operon）定义：原核生物的绝大多数结构基因按功能相关性成簇串联排列于染色体上，连同其上游的调控区（包括启动子和操纵元件）以及下游的转录终止信号共同组成一个基因表达单位，即操纵子结构41961年，Jacob 和 Monod 提出5操纵元件（operator）是一段能够被不同基因表达调控蛋白识别和结合的DNA序列，是决定基因表达效率的关键元件一个操纵子只含一个启动序列及数个可转录的结构基因在同一启动序列控制下，转录出多顺反子mRNA6Promoter （启动子）：是RNA聚合酶结合的区域，也是控制转录的关键部位，也称启动序列。
基因开放时，几个基因转录在一条mRNA链 上，分别翻译合成各自的蛋白肽链操纵子的末 端具有特殊的终止序列原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子 机制实现的7乳糖（Lac）操纵子转录成一条mRNA链，编码3条多肽链（1）β- 半乳糖苷酶（2）β- 半乳糖苷透性酶（3）β- 半乳糖苷乙酰化酶8操纵子(operon)的结构与功能Inhibitor genePS1S2S3启动子结构基因1，2，3.O操纵基因PromoterOperator geneStructure gene调控区结构基因操纵子表达阻 遏蛋白转录起始 部位 结合RNA 聚合酶转录出mRNA、 表达功能蛋白?I阻遏物基因信息区控制区管理操纵结构 基因的“开放” 与“关闭”，可 结合阻遏蛋白9三、原核生物基因组还具有一些结构上的特点 1. 原核生物基因组中的基因密度非常高，基因组序列中编码区所占的比例较大（约为50% 左右）2. 基因组相对较小，只有一个DNA复制启始位 点（OriC)3. 结构基因无重叠现象，基因组中任何一段 DNA不会用于编码2种蛋白质4. 结构基因是连续的，没有内含子10115. 编码蛋白质的结构基因常为单拷贝(占99.7%) ，但 编码rRNA的基因往往是多拷贝的。
这有利于核糖体的快速组装 6. 基因组中重复序列很少 7. 具有编码同工酶的基因这是一类结构不完全相 同，而功能相同的基因如E.coli含有2个编码乙酸 乳酸合成酶的基因和2个编码分支酸变位酶同工酶的基因 8. 不同的原核生物基因组中的GC含量变化很大， 其范围从25%~75%因此测量基因组的GC含量可以用来识别细菌种类12四、在原核生物基因组的非编码区内主要是一些调控序列原核生物基因组DNA序列中有多个具有各种功能的识别区域，如复制起始区OriC，复制终止区TerC ，转录启动区和终止区等这些区域往往具有特殊序列，并且含有反向重复序列大肠杆菌色氨酸操纵子：3端含有40bp的GC 丰富区，其后紧跟一个AT丰富区，此为转录终止子结构13强终止子：含有反向重复序列，可形成茎环结构，其后面有poly（T）结构，不需终止蛋白ρ因子参与即可使转录终止弱终止子：尽管也含有反向重复序列，但无poly（T）结构，需要有终止蛋白ρ因子参与才能使转录终止14五、细菌基因组中的可移动成分能产生转座现象转座转座（transposition) 是指位于基因组某处的一个或一组基因复制出一个新拷贝转移到基因组的另一个位置上去。
转座因子转座因子（transposable element）能够在一个DNA 分子内部或两个DNA分子之间移动的DNA 片段目前已发现多种转座因子，最简单的仍是最初发现的插入序列P7515（一）原核生物转座因子类别1. 插入序列（insertion sequence ，IS）：长度在2000bp以内，是较小的转座因子，除了带有与转座作用有关的基因（转位酶基因）外不带任何基因只有当它们转座到受体某一基因中使该基因失活和产生极性效应时才会被发现 有很多种：如IS1（768bp）、IS2（1327bp） 、IS4（1428bp）、 IS5（1195bp）等P75162. 转座子（transposon，Tn）：长度在2000 ~ 20 000bp之间的较大的转座因 子，除了带有与转座作用有关的基因外，还带有 其它基因如Tn903、Tn5带有卡那霉素抗药基 因（kanR），Tn10带有四环素抗药基因（terR ）转座子的共同结构特点是它们的两个末端具 有反向重复序列，即一个末端序列为AGCT，那 么另一个末端序列则为TCGA若缺失任何一端 ，都会妨碍转座功能 P76173. Mu噬菌体（Mu）：是一种大肠杆菌的温和型噬菌体，它在溶原化细菌内能像转座子那样在细胞内DNA上不同位置间转移，没有一定的整合位置。
Mu噬菌体因整合到寄主基因组内引起突变，所以用诱变者（mutator）的头两个字母命名它具有20多个基因，只有其中的A、B基因与转座有关P7618（二）转座因子的几个遗传效应1. 转座因子的转座不是本身的移动，而是由转座 因子复制出一个新拷贝转移到基因组的新位置上 去，原来的转座因子仍留在原来的位置上2. 新的转座因子转到靶点后，靶点序列会倍增成 为两个靶点序列，并分别排列在转座因子的两侧 ，形成同向重复序列这是转座因子转座后的一 个重要标志只要在一个DNA序列两侧有同向 重复序列，就可以断定它是转座因子3. 在转座过程中能够形成共合体P7819P77204. 转座因子转座后能促使染色体畸变5. 转座因子可以从原来位置上切除，称为切离（ excision）切离与转座是两个不同的过程 转座因子转座后，原来位置上的转座因子并不消失 转座和切离过程对外界条件的反应不同6. 转座可引起插入突变7. 由于携带标志基因（ampR、terR、smR），转 座因子插入到受体基因组内，给受体基因组增添 了新的基因21六、质粒DNA是具有自主复制能力的双链环状DNA质粒（plasmid）的概念：是存在于细菌染色体外的，具有自主复制能力的核酸分子，属染色体外基因组。
由于质粒带有某些特殊遗传信息，在宿主细胞内能自主复制，并在细胞分裂时恒定传给子代细胞，故能赋予宿主细胞一些新的遗传性状，可用于重组细菌的筛选和鉴定22质粒可以是DNA，也可以是RNA，环状或 线性分子RNA质粒有蛋白质外壳多数细菌质 粒是共价闭合环状DNA分子（covalently close circular DNA，ccc DNA)质粒的结构：23①cccDNA(covalent closed circular)形成的超螺旋结构（scDNA)②双链DNA中两条链都产生缺口—线性DNA(L-DNA)③双链DNA中一条链产生缺口—开环DNA（ocDNA)琼脂糖电泳时，泳动速度①>②>③环形双链DNA分子有三种构型 24++连接转化、筛选和鉴定阳性克隆含重组子的阳性克隆载体目的基因DNA重组体受体细胞25原核生物基因组结构与功能特点1. 基因组通常仅由一条环状双链DNA分子组成，具有类核结构 2. 基因组相对较小，通常只有一个DNA复制启始位点（OriC) 3. 具有操纵子结构（原核生物的一个基因表达单位），其转录产物为多顺反子mRNA 4. 结构基因编码序列无重叠现象 5. 基因组中存在着可移动的DNA序列：包括插入 序列、转座子等。
266. 原核生物基因组中的基因密度非常高，基因组序列中编码区所占的比例较大（约为50% 左右），非编码区内主要是一些调控序列 7. 结构基因是连续的，没有内含子 8. 基因组中重复序列很少编码蛋白质的结构基因常为单拷贝(占99.7%) ，但编码rRNA 的基因往往是多拷贝的 9. 具有编码同工酶的同基因 10. 不同的原核生物基因组中的GC含量变化很大，其范围从25%~75%因此测量基因组的GC含量可以用来识别细菌种类27第四节真核生物基因组28一、真核生物基因组远大于原核生物基因组真核生物基因组复杂性体现在两个方面: 具有复杂多样的结构形式 具有复杂精细的基因表达调控机制真核生物基因组结构庞大，人类单倍体基因组DNA约3.3109 bp ，约有3~3.5万个基因大肠杆菌基因组只有4.6106 bp29二、真核生物基因组由染色体DNA和染色体外DNA组成真核生物基因组染色体DNA染色体外DNA（线粒体DNA）染色体DNA位于细胞核内，为线状，与组蛋白、非组蛋白结合成染色质，染色质组装在核内 ，外有核膜包裹，因此基因组的转录和翻译不能 在同一空间进行，转录在细胞核，翻译在胞浆。
30线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）闭合环状双链DNA分子，哺乳动物为16.5kb ，酵母为80kb每个细胞内mtDNA数目不同所 占比例通常仅为核内DNA的1%mtDNA结构紧凑，几乎没有重复序列mtDNA上某些基因可以重叠，没有内含子动物细胞的 mtDNA编码2个rRNA、22个tRNA和多种酶的蛋白亚单位31三、真核生物基因组中非编码序列多于编码序列真核基因组中非编码序列(non-coding sequence， NCS) 占90%以上人类基因组中，编码序列仅占 3%左右这是真核生物与细菌、病毒的重要区别，在一定程度上也是生物进化的标尺非编码序列基因的内含子、调控序列等重复序列约占DNA 总量50%＞90% 32重复序列编码序列：rRNA、tRNA、组蛋白、免疫球蛋白的结构基因 非编码序列：与基因组稳定性、组织形式、基因表达调控有关 P1633根据重复序列出现的频率不同:重复序列高重复序列： （>105次）卫星DNA、反向重复序列 中重复序列： （10~105次）散在分布于基因 组中，约占基因组DNA总量的35%，常与单拷贝基因间隔排列。
其产物是细胞大量需要的 rRNA、tRNA、组蛋白、免疫球蛋白的结构基 因；基因调控；Alu家族等单拷贝序列或低重复序列：在整个基因组 中仅出现一次或少数几次，大部分为编码蛋白 质的结构基因P1734重复序列反向重复序列：两个顺序相同的拷贝在DNA链 上呈反向排列①两个反向排列的拷贝之间隔着 一段间隔序列；②两个拷贝反向串联在一起，中 间没有间隔序列，又称为回文结构串联重复序列：散在重复序列：编码区串联重复： 人类5种组蛋白基因密集在 7.0kb的重复单位上，具有高度序列一致性 非编码区串联重复：通常存在于间隔DNA和 内含子内可以从2个碱基起，长短不等；重复 次数可以从几次到数百次、甚至几十万次是形 成卫星DNA的基础P1735ATTAGC GCTAATTAATCG CGATTA回文结构：是指一段DNA顺序，在两条链上，顺序相同而取向相反的重复序列36AACATGTTGTACAACATG TTGTACA A37卫星DNA（satellite DNA ）：是出现在非编码区的串联重复序列，具有固定的重复单位，该重复单位首尾相连形成重复序列片断，通常存在于间隔DNA和内含子中卫星DNA根据核心顺序的长短可分为 三类，大卫星DNA、小卫星DNA和微卫星 DNA。
P1638Ø如果DNA分子之间存在浮力密度的差异， 在氯化铯密度梯度离心将会沉降于不同的 位置ØDNA的浮力密度（ρ）与其G-C含量存在关 系：ρ=1.660+0.00098(G-C%) Ø经过密度梯度离心，高度重复序列DNA可 以在基因组DNA的主带旁形成一条或多条 小带，这取决于其G-C含量及重复。