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1、第三章 基因组的结构和功能基因（gene）是编码有功能的蛋白质多肽链或RNA所必需的全部核苷酸序列。一个基因不仅仅包括编码蛋白质肽链或RNA的核酸序列,还包括转录所必需的调控序列及位于编码区5端上游的非编码序列、内含子和位于编码区3下游的非编码序列。,销售信 http:/,基因组（gencme）细胞或生物中，一套完整单倍体遗传物质的总和称为基因组。人类基因组包含22条染色体和X、Y两条性染色体上的全部遗传物质（核基因组）以及胞浆线粒体上的遗传物质（线粒体基因组）。不同生物基因组结构与组织形式上有巨大差别，病毒基因组结构简单，所含结构基因很少；原核生物基因组所含基因数量较多，且有了较为完善的表达
2、调控体系；真核生物基因组所含基因数量巨大，表达调节系统也更为精确。,第一节 病毒基因组病毒是最简单的生命形式，病毒是不能单独繁殖的生物体，它是一类只能在宿主细胞内进行复制的最小微生物。遗传信息的延续构成了其生命的主要内容。病毒基因组的主要功能就是保证基因组的复制及其向子代传递，整套的基因组所编码的蛋白质都是与基因复制、病毒颗粒包装以及病毒向其它宿主细胞传递密切相关的。完整的病毒颗粒具有蛋白质外壳，以保护病毒核酸不受核酸酶的破坏，并能识别和侵袭特定的宿主。,（一）病毒基因组可以由DNA组成，也可以是RNA组成，但每一种病毒颗粒只有一种核酸组成。乳头瘤病毒、乙肝病毒 双链环状DNA腺病毒、疱疹病毒
3、 双链线状DNA脊灰病毒 单链RNA呼肠孤病毒 双链RNA,病毒基因组结构功能特点,RNA病毒基因组分为以下几种类型,复制负链RNA,复制正链RNA,正链RNA,1、单股正链RNA病毒基因组：SARS冠状病毒；HIV病毒、白血病病毒、肉瘤病毒,正链RNA,逆转录酶,双链cDNA,插入宿主细胞基因组成为前病毒,转录出正链RNA,2、单股负链RNA病毒基因组：滤泡性口腔炎病毒、流感病毒、副流感病毒等,负链RNA,正链RNA,复制负链RNA,3、双链RNA病毒基因组：轮状病毒、呼肠孤病毒,DNA病毒基因组分为以下几种类型,DNA病毒基因组也有单、双链和正、负股之分。由于单链DNA在转录之前都要合成互
4、补DNA，因此正股、负股DNA区别 没有真正的显示出来。 DNA病毒基因组可以有环状（乳头瘤病毒）和线性（腺病毒）之分,（二）、病毒与细菌或真核生物相比，基因组小、基因数少，所含遗传信息也相应少。同时病毒基因组之间差别大。,（三）、病毒基因组有重叠基因存在。一段序列可编码2种或2种以上蛋白质，基因重叠虽然共用同一段核酸序列，但转录成的mRNA链的阅读框不同。（四）、基因有连续和间断的。噬菌体的基因是连续的，基因中无内含子。但感染真核细胞的病毒基因是不连续的，有内含子。（五）、病毒基因组的大部分是用来编码蛋白质的(90%)，只有一小部分不被翻译。,（六）、相关基因丛集病毒基因组DNA序列中功能相
5、关的编码蛋白质基因或rRNA基因常集中在基因组的一个或几个特定部位形成一个功能单位或转录单元，它们可被一起转录成多顺反子，然后加工成各种。（七）、除反转录病毒基因组有两个拷贝外，其它病毒基因组都是单倍体。,第二节 原核生物基因组,原核生物的生命活动不仅仅是简单的复制基因组，还有复杂的代谢活动，即利用外界环境中的营养成分，获取自身所需的能量，合成自身生长所需的材料。原核生物需要根据外界环境的变化，调节自身的酶系统的组成及功能，利用不同的营养物质，调整细胞内一些蛋白质的数量，应付环境的变化。因此原核生物基因组的结构基因数量和功能的类型远远多于病毒基因组。,1.基因组通常仅由一条环状双链DNA分子组
6、成。其DNA是与蛋白质结合，但并不形成染色体结构，只是习惯上将之称为染色体。细菌染色体DNA在胞内形成一个致密区域，即类核（nucleoid），类核无核膜将之与胞浆分开。 2.功能相关的几个结构基因往往串联排列在一起组成操纵子结构，受上游共同的调控区控制。 3.原核生物基因组中基因密度非常高,结构基因是连续的多为单一拷贝。,一、原核生物基因组结构与功能的特点,4.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。 5.在原核生物基因组中含有编码同工酶的基因。 6.在不同原核生物基因组中GC含量变化很大。 7、在原核生物基因组的非编码区内主要是一些调控序列。复制起始区、复制终止区
7、、转录启动区和终止区等。这些区域往往具有特殊的序列，并且含有反向重复序列。 8、细菌基因组中的可移动成分能产生转座现象。 9、除细菌染色体外，还有能自主复制的双链环状DNA分子，称为质粒。,二.转位因子转位因子（transposable element） 即可移动的基因成分（可移动基因，movable gene mob），是指能够在一个DNA分子内部或两上DNA分子之间移动的DNA片段。在细菌中指在质粒和染色体之间或在质粒和质粒之间移动的DNA片段（文献上有时形象地称其为是跳跃基因，jumping gene）。转位也是DNA重组的一种形式。,移动基因最早由美国冷泉港实验室（cold sprin
8、g Harbor Laboratory）的女科学家B.MClintock于上个世纪40年代晚期在玉米中首次发现的。60年代，为J.A.Shapirc研究大肠杆菌高效突变实验证实。1983年荣获诺贝尔生物学医学奖。,细菌的转位因子包括插入序列，转座子及可转座的噬菌体。1.插入序列（insertion sequence,IS） 插入序列是一类较小的没有表型效应的转位因子，长度为700-2000BP，其组成除带有一个与转座作用有关的转位酶基因外，在其两侧有反向重复序列及靶位点。同时IS的转位频率为10-7/拷贝，即在一个传代的107细菌中有一次插入。插入方向可以正向，也可以反向。,target si
9、te （TS）靶位点 Transposase gene 转位酶基因 inverted repeated （IR）反向重复顺序,IS的示意图,（一）转位因子的种类及特征,Tn是一类较大的可移动成分，长度在2000-20，000bp，除有关转座基因外，至少还含有一个以上与转座无关，但决定宿主菌遗传性状的基因。如抗药基因等。Tn是在研究抗药基因中发现的，由此知道抗药基因可在质粒之间，质粒与染色体之间或质粒与可转座的噬菌体之间来回移动，Tn的转位原理和Is基本相同，转位频率为10-3至10-6/拷贝之间。,2.转座子（transposon,Tn）,3.可转座的噬菌体（transposable phag
10、e） (1)包括Mu和D108两种噬菌体，是一类温和噬菌体。 (2)感染细菌后，可以整合到细菌染色体中，插入位点是随机的（而入phage插入位点是专一的），可以插到结构基因内部，引起突变，Mu即Mutator(突变子)因此得名。 (3) 插入时，一个拷贝留在原位，新合成的拷贝插入新的部位。 (4)和IS，Tn相比，Mu末端不含IR，这是可转座成分的一个例外。,(二)转位作用的机理,转位作用可以分为和。通常带有内解离区（res位点）的转座因子以复制转座为主，而无解离区的以简单转座为主。,简单转痤（单纯转座）,复制性转座,1.复制性转位机理：转座因子在其自身tnpA基因编码的转座酶作用下，首先在转
11、座成分双链的相反极性端同时出现单链切口。与此同时，一种DNA内切酶在靶点序列两侧各一条单链上造成一切口。随后，供体上转座因子的游离端与靶位点DNA上错开切割的突出端分别连接，在宿主细菌DNA聚合酶的作用下，以任意一条链为模板进行复制，新的转座成分通过半保留复制完成，形成“共整合体”，此“共整合体”是以转座成分正向重复序列相连接。最后，由转座因子tnpR基因编码的解离酶作用于共整合体中的转座因子的内解离区，使共整合体发生解离，产生各含一个供体DNA分子和受体DNA分子。,2、简单转座机制,简单转座时，转位酶将供体DNA的转座因子两侧各切断一条单链并与靶序列的2个游离末端连接，随后并没有复制过程，
12、而是由转位酶将供体DNA转座因子的另一段也切断，因此在供体DNA留下一个致死性缺口。,（三）转座作用的遗传学效应,1、转座引起插入突变当插入序列或转座子插入某个基因的操纵序列前时，可引起操纵子后的结构基因表达失活。 2、转座可产生新基因如果转座子上带有某些抗药性基因，它一方面会造成靶位点DNA突变，同时会使该位点产生抗药性。 3、转座可出现染色体畸变发生当转座发生在宿主DNA原有位点时，往往导致转座子两个拷贝之间的同源重组，引起DNA的缺失或倒位。 4、转座可以引起生物进化由于转座作用，使一些原来在染色体上相距甚远的基因组合到一起，构建成一个操纵子或表达单元，也可能产生上些具有新的生物学功能的
13、基因和新的蛋白质分子。,原核生物-大肠杆菌,大肠杆菌是格兰氏阴性杆菌，生长、繁殖迅速，培养时营养要求不高。同时在基因工程中有重要应用。 大肠杆菌的遗传物质主要是染色体DNA和质粒DNA。染色体DNA总长度为4.6*106碱基对，约有3500个基因。细菌除了在类核中有较大环状染色体DNA外，许多细菌胞质中还含有一个或多个小的环状DNA分子，这些染色体外的遗传物质称为质粒。,质粒（plasmid）定义是存在于细菌染色体外的，具有自主复制能力的环状双链DNA分子。质粒是双链的DNA分子，大小在1200kb之间，和病毒不同，它们没有衣壳蛋白（裸DNA）。质粒分子在宿主细胞内独立自主地进行复制，并在细胞
14、分裂时恒定地传给子代细胞。质粒带有的一些不同于宿主细胞的遗传信息，所以质粒在细菌内存在会赋予宿主细胞一些新的遗传性状，例如对抗生素或重金属产生抗性。同时可以根据宿主表型可识别质粒存在，从而用于筛选和鉴定重组细菌。,（1）质粒对宿主的生存不是必需的，只是“友好”的“借居”宿主细胞中，既不杀伤细胞，对宿主的代谢活动也无影响，宿主离开质粒照样的生存下去。 （2）质粒离开宿主就无法生存，只有依赖宿主细胞的（酶和蛋白质）帮助，才能完成自身的复制（扩增）、转录。 （3）质粒赋于宿主各种有利的表型（质粒编码蛋白质或酶），使宿主获得生存优势，与我们基因工程实验紧密相关的，如抗生素抗性基因： Ampr ，水解-
15、内酰胺环,解除氨苄青霉素毒性,使细菌抗氨苄青霉素。 Tetr ,可阻止四环素进入细胞,使细菌抗四环素。,（二）质粒与宿主细胞的关系,（三）质粒的基本特性1.自主复制 质粒的复制是自主调节的，不受染色体复制调节因素的影响。 复制调控系统由质粒上的复制起点（ori），质粒的rep基因和cop基因组成。Rep蛋白启动质粒的复制，cop基因本身或其表达产物可抑制复制作用，从而控制质的拷贝数。2.质粒的不相容性 具有相同的复制起始点和分配区的质粒不能共存于同一个细胞内。分配系统是使质粒在细菌分裂过程中精确分配到子细胞中。质粒中对其稳定存在至关重要的区域称分配区。当一个宿主细胞内的两个质粒的复制起始点相同
16、时，它们共用同一分配系统，彼此之间存在竞争。最终会出现一种质粒的丢失。如果两个质粒的复制起始点不同，分配系统不一，可以共存。3.质粒的转移性 在自然条件下，在些质粒可以通过细菌接合作用在细菌、细胞向传递。基因工程中常用的质粒载体缺乏转移所需的基因（mob基因），不能通过接合作用在细胞间传递，但可采用人工方法转化到细菌、细胞中。,1）理论意义 质粒能够复制、传递和表达遗传信息，从分子遗传学观点来看是一种有机体，是比病毒更原始的生命形式，是生命起源研究的一块重要基石。2）实践意义 是基因工程的重要载体（vector），能把外源基因（目的基因）送到宿主细胞中去克隆扩增或克隆表达（见第八章）。质粒是可以改造的，可以剪切、剪接的，基因工程的重要任务之一就是严格改造质粒的同时，控制质粒不传递，若一个致癌质粒可以传递就会传的到处都是。,
