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1、Chapter 2 Structure and Function of Genome,第二章 基因组的结构与功能,基因组（genome）是指生物体中一套完整的遗传物质的总和。 基因组的结构是指具有一定生物学功能的片段在核酸分子上的分布与排列情况。 基因组的功能是贮存和表达遗传信息。,第一节 真核生物基因组的结构与功能,Section 1 Structure and Function of Eukaryotic Genome,真核生物基因组都是由大分子双链线状DNA构成。染色体通常成对出现（双倍体）。 基因组非常庞大，结构非常复杂，有多个复制起始位点。,真核生物基因组的特点,基因组中存在大量的重
2、复序列以及非编码序列。真核生物基因组内非编码序列占90%以上，是与细菌、病毒的重要区别，在一定程度上也是生物进化的标尺。 真核生物基因组中也存在一些可移动的DNA序列（转座元件）。,真核生物基因组中通常存在大量的重复序列，可占整个基因组DNA的90%以上。 采用复性动力学方法来研究真核生物基因组时，可按其复性速度的快慢或出现频率的高低，将这些重复序列分为高度重复序列，中度重复序列和单拷贝序列三大类。,一、真核生物基因组中重复序列的结构与功能,（一）高度重复序列： 高度重复序列在基因组中重复频率高，可达百万次，因此复性速度很快。高度重复序列在基因组中所占比例随种属而异，一般在1060%范围内。
3、人的高度重复序列约占整个基因组的20% 左右。,反向重复序列（inverted repeats）： 是由两个相同顺序的互补拷贝在同一DNA双链上反向排列而成。,高度重复序列按其结构特点可分为三种：,反向重复序列的两种形式,卫星DNA（satellite DNA） ： 卫星DNA的重复单位一般由270 bp组成，成串排列。 卫星DNA占基因组的比例随种属而异，在0.531% 范围内。,卫星DNA的碱基组成不同于其它部分，故可用等密度梯度离心法从基因组中分离出来。,人类基因组中可分离出三类卫星DNA ，共占人类基因组的5 6%： 大卫星DNA（macrosatellite DNA）： 其重复单位为
4、5171 bp，主要分布于染色体的着丝粒区。 小卫星DNA（minisatellite DNA）： 其重复单位为1570 bp，存在于常染色体。 微卫星DNA（microsatellite DNA）： 其重复单位为25 bp，存在于常染色体。,复杂重复序列（complex repeats）： 这种高度重复序列的重复单位是较为复杂的核苷酸序列，多见于哺乳动物。,高度重复序列的功能： 参与复制水平的调节； 参与基因表达的调控； 参与染色体配对； 参与转位作用； 与进化有关； 同一种属中不同个体的高度重复顺序的重复次数不一样，这可以作为每一个体的特征，即DNA指纹 。,Alec J.Jeffreys
5、和历史上第一张DNA指纹图谱,1802年的一副杰斐逊和莎莉的讽刺画像,2003年瑞典外交大臣Anna Lindh遇刺身亡,（二）中度重复序列： 中度重复序列是指在基因组中重复数十次至数万次的部分，其复性速度快于单拷贝序列，但慢于高度重复序列。,中度重复序列中有一部分是编码rRNA、tRNA、组蛋白及免疫球蛋白的结构基因，另一部分可能与基因调控有关。,真核基因组中，中度重复序列主要包括短散在核元件（short interspersed nuclear elements，SINEs）和长散在核元件（long interspersed nuclear elements，LINEs）。,典型的短散在核
6、元件（SINEs）是灵长类所特有的Alu重复序列家族，因在其序列中存在限制酶Alu的切点而得名。,限制性内切酶：生物体内能识别并切割特异的双链DNA序列的一种内切核酸酶。,Alu家族的重复单位,Alu家族的重复单位为300bp，由两段130bp的 重复序列与一段31bp的间隔序列构成，两侧各有 一段620bp的正向重复序列。,Alu家族的功能是多方面的，可能参与hnRNA的加工与成熟，也与遗传重组及染色体不稳定性有关。最近研究表明，Alu顺序可能具有转录调节作用。,典型的长散在核元件（LINEs）是Kpn重复序列家族，因在其序列中存在限制酶Kpn的切点而得名。 Kpn家族的重复单位一般为6 7
7、 kb或更长，其两侧也各有一段正向重复序列，功能上与Alu家族相似。,（三）单拷贝序列： 单拷贝序列在基因组中只出现一次或几次，因此复性速度很慢。 单拷贝序列属于结构基因，它储存了巨大的遗传信息，编码各种功能不同的蛋白质。,真核生物基因组中的重复序列,二、多基因家族与假基因,多基因家族（multigene family）指DNA序列具有较高的同源性（通常大于50%），并且其编码产物具有相同或相似生理功能的一组结构基因。 多基因家族中的基因通常是由同一祖先基因经进化或变异而来。,多基因家族可分为两类： 基因家族成簇地分布在同一染色体上并同时进行转录，如组蛋白基因家族；,chromosome 7,
8、基因家族成簇地分布于不同的染色体上并分别进行转录，且不同基因编码的蛋白质在功能上相关，如珠蛋白基因家族。,珠蛋白多基因家族的组织结构,-类珠蛋白基因家族,-类珠蛋白基因家族,chromosome 11,chromosome 16,假基因（pseudogene）又称为加工基因或非功能基因。这类基因的核苷酸顺序虽然与正常的结构基因很相似，但基本上不能表达。,人类染色体上的假基因,假基因是由于在进化过程中，某些DNA片段发生了缺失、倒位或点突变，导致调控基因丢失；或无剪接加工信号；或编码区出现终止信号；或编码无功能或不完整的基因。,三、线粒体DNA的结构,线粒体DNA（mitochondrial D
9、NA, mtDNA）属于真核细胞核外遗传物质，可独立编码存在于线粒体中的多肽链、rRNA或tRNA。 mtDNA为双链环状DNA，其分子结构特点与原核生物DNA相同。,mtDNA长16,569 bp，含37个结构基因，编码13种蛋白、22种tRNA和2种rRNA。这13种蛋白质为呼吸链酶复合物的单位。,第二节 原核生物基因组的结构与功能,Section 2 Structure and Function of Prokaryotic Genome,基因组相对较小，由DNA组成，包括染色体DNA和质粒DNA两种DNA分子，均为共价闭环双链。染色体DNA为单拷贝。,原核生物基因组的特点,每个DNA分
10、子（染色体DNA和质粒DNA）只有一个复制起始点。,含可转移的序列，如插入序列、转座子等。 结构基因通常为连续基因，少量重叠基因，非编码区和重复序列少。 功能相关的基因常常组织形成操纵子结构，操纵子结构是原核基因组的一个突出的结构特点。,一、原核生物基因以操纵子方式组构,功能上相关的若干结构基因串联在一起，由一套调控序列控制其转录表达，构成基本转录单位，称为操纵子（operon）。 其转录产生的mRNA通常为多顺反子（multicistron）：一个mRNA可编码多个蛋白质。,二、原核生物中的质粒DNA,质粒（plasmid） 是指存在于细菌中独立于染色体DNA外的双链环状小分子DNA，可进行
11、自主复制。,质粒分子量一般为106108 ，小型质粒的长度为1.5-15kb。 质粒只有在宿主细胞内才能完成自己的复制，一旦离开宿主就无法复制和扩增。但质粒对宿主细胞的生存不是必需的，宿主细胞丢失了质粒依旧能够存活。,质粒所携带的遗传信息能够赋予细菌特定的遗传性状，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。因此质粒是基因工程的重要载体（vector）。,转座元件（transposable element）/转座子（transposon）是指能够在DNA分子内部或DNA分子之间移动的DNA片段或基因。 它们从基因组的一个部位直接转移到另一个部位，这个过程称为转座（transp
12、osition）。,三、转座元件,转座子不仅能够在基因组内转移，而且还能够改变基因的活性并引起功能的改变。 转座子有时插入到一个结构基因或基因调节序列内，引起基因表达的改变。 现在认为转座子存在于地球上所有的生物。,第三节 病毒基因组的结构与功能,Section 3 Structure and Function of Virus Genome,病毒（virus）是一种具有比较原始的生命形态和生命特征的非细胞生物。 完整的病毒颗粒包括衣壳蛋白和内部的基因组DNA或RNA，有些病毒的衣壳蛋白外面有一层被膜。,一、病毒基因组的类型,基因组大小变化较大： 一般为3 300 kb。 基因组的组成与结构变
13、化较大： DNA或RNA，双链或单链，线状或环状，单倍体或多倍体。,二、病毒基因组的特点,基因的结构变化较大： 连续基因，断裂基因，串联基因，mRNA缺失5-端帽子结构或翻译起始序列等。 基因重叠现象较普遍。,莲人在绿杨津采 一玉漱声歌新阙,采莲人在绿杨津， 在绿杨津一阙新， 一阙新歌声漱玉， 歌声漱玉采莲人 。,噬菌体174的重叠基因,重叠基因（overlapping gene）即同一段DNA片段能够以两种或两种以上的阅读方式进行阅读，因而可编码两种或两种以上的多肽。 按重叠方式不同，可分为完全重叠和部分重叠,（一）乙型肝炎病毒（HBV）基因组结构 为不完全双链环状DNA，但两条链长短不一，
14、负股为模板链，长3.2 kb，正股则长约1.6-3.2 kb。 利用重叠的开放读码框架（ORF）编码多个蛋白质。,三、典型的病毒基因组,HBV基因组的结构和转录图谱,乙肝表面抗原(HBsAg) 乙肝表面抗体(抗HBs)e抗原(HBeAg) e抗体(抗HBe)核心抗原(HBcAg) 核心抗体(抗HBc)“两对半”,通常所说的“大三阳”是指乙肝表面抗原、e抗原、核心抗体三项阳性是病毒处于复制期的标志，具有传染性。,“小三阳”指的是是表面抗原、e抗体、核心抗体阳性，病毒处于静息期。,中国乙肝病毒携带者首获 食品卫生类健康证明,（二）逆转录病毒 逆转录病毒是属于RNA病毒的一个大科。 所有逆转录病毒的共同特点是能够携带或编码合成逆转录酶。,逆转录病毒基因组,逆转录病毒（retro-viruses）的基因组是由两个相同的正链RNA组成的双倍体，长约3.59.0 kb。 其病毒RNA具有5-端帽子结构和3-端polyA尾，两个RNA分子在5-端通过氢键相结合。,编码核心蛋白,编码被膜糖蛋白,逆转录病毒的许多特点使其成为基因转移载体的上佳选择。最重要的一点是它可以有效的整合入靶细胞基因组并稳定持久地表达所带的外源基因。,掌握基因组、多基因 家族、假基因、操纵 子、质粒的概念； 掌握原核生物基因 组的特点、重复序 列的分类。,
