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1、第二章 基因组与基因组学,北华大学 张吉林 温州医学院 吕建新,第二章 基因组与基因组学,两个重要概念： 基因组（genome）：一个细胞或一种生物体的整套遗传物质。 基因（gene）：基因组中一个功能性遗传单位，是贮存有功能的蛋白质多肽链信息、RNA序列信息及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列。,第一节 原核生物基因组,第二节 病毒基因组,第二章 基因与基因组,第三节 真核生物基因组,第四节 人类基因组与人类基因组计划,第一节 原核生物基因组,第一节 原核生物基因组,一、原核生物基因组特征,二、质粒,三、转座因子,一、原核生物基因组特征,什么是原核生物（prokaryote）？细菌、支原体、
2、衣原体、立克次体、螺旋体、 放线菌和蓝绿藻等原始生物的总称，是最简单的细 胞生物体。,原核生物基因组DNA较小，一般在106107bp之间 大肠杆菌基因组DNA由4.6106 bp组成，是人类基因组3109bp的1 基因数目较少，约含3500个基因 原核生物基因组中只有一个DNA复制起点,一、原核生物基因组特征,一、原核生物基因组特征,2.原核生物的操纵子结构,1.原核生物的类核结构,3.原核生物的基因结构,一、原核生物基因组特征,1.原核生物的类核结构 原核生物没有典型的细胞核结构，基因组DNA位于细胞中央的核区，无核膜将其与细胞质隔开，但能在蛋白质的协助下，以一定的组织形式盘曲、折叠包装，
3、形成类核（nucleoid），也称拟核。,一、原核生物基因组特征,一、原核生物基因组特征,2.原核生物的操纵子结构操纵子结构是原核生物基因组的功能单位 原核生物的结构基因大多数按功能相关性成簇地串联排列于染色体上。结构基因连同其上游的调控区（包括调节基因、启动基因和操纵基因）以及下游的转录终止信号，共同组成了一个基因表达单位，即操纵子（operon）结构。,一、原核生物基因组特征,一、原核生物基因组特征,什么是多顺反子mRNA分子?一个mRNA分子带有几种蛋白质的遗传信息。利用共同的启动子和终止信号，转录的mRNA分子可以编码几种不同的、但多为功能相关的蛋白质。,一、原核生物基因组特征,3.原
4、核生物的结构基因基因中编码RNA或蛋白质的DNA序列称为结构基因。结构基因中没有内含子，基因是连续的，RNA被合成后不需要经过剪接加工。,多数是单拷贝基因，只有编码rRNA和tRNA的基因有多个拷贝，有利于核糖体的快速组装和蛋白质的急需合成。 原核生物结构基因的编码顺序一般不重叠。,一、原核生物基因组特征,一、原核生物基因组特征,基因重叠（gene overlapping）基因组DNA中某些序列被两个或两个以上的基因所共用。基因重叠现象在病毒基因组中普遍存在。,1.什么是质粒,2.质粒命名的原则,3.质粒的分类,4.质粒的结构,二、质粒,5.质粒的生物学特征,二、质粒,1.什么是质粒(plas
5、mid)?细菌细胞染色体以外，能独立复制并稳定遗传的共价闭合环状分子。,二、质粒,2.质粒命名的原则用小写字母p代表质粒，在p字母后面用两个 大写字母代表发现这一质粒的作者或实验室名称。,pUC118,plasmid,编号,发现者名字,二、质粒,3、质粒的分类 复制机制 严紧型 松弛型功能 F质粒 R质粒 Col质粒 转移方式 接合型 可移动型 自传递型大小 小型(1.5kb15kb) 大型(60kb120kb) 宿主范围 窄宿主谱型 广宿主谱型,二、质粒,4.质粒的结构与理化性质质粒的结构三种构型: 共价闭环DNA分子半开环DNA分子线性DNA分子,质粒的理化性质 具有核酸分子的一般理化特性
6、：可嵌入某些染料 （溴化乙锭）具有较强的抗切割和抗变性的能力,二、质粒,二、质粒,二、质粒,二、质粒,5.质粒的生物学特征除酵母杀伤质粒为RNA分子外，已知的所有质粒 都是环状超螺旋DNA分子。质粒较小，比较稳定，在实际操作中不易受物理 因素的损伤。,（1）质粒的转移分子量在2.5107Da以上的质粒可以从供体细胞将一个复本转移给受体细胞，如F质粒和R质粒。分子量在1107Da以下的质粒一般无自我转移能力。,二、质粒,二、质粒,(2) 质粒的复制主要由4个遗传控制系统决定复制调控系统 分配系统 细胞分裂控制系统 位点特异重组系统,二、质粒,（3）质粒的选择性标记 抗药性基因、营养缺陷型基因、抗
7、重金属基因。最常见的选择性标记是抗药性基因，即带有一种或多种抗生素的抗性基因，可赋予宿主菌抵抗某种抗生素的能力。,二、质粒,（4）质粒的不相容性 同一类群的不同质粒通常不能在同一菌株内稳 定共存，当细胞分裂时就会分别进入不同的子代细 胞，这种现象叫做质粒的不相容性。不同群的质粒（如F和ColE）可以在同一菌株 内稳定共存，这些质粒具有相容性。,转座因子又称转座元件（transposable element），是一类在细菌染色体、质粒或噬菌体之间自行移动并具有转位特性的独立的DNA序列。,三、转座因子,三、转座因子,（一） 转座子的分类,（二）转座子的遗传效应,1.插入序列,2.转座子,3.可转
8、座的噬菌体,（一） 转座子的分类,三、转座因子,三、转座因子,1.插入序列(insertion sequence，IS) 一个转位酶基因两侧的反向重复序列， 长度为700 2 000bp。,三、转座因子,2.转座子(transposon，Tn)具有转座酶基因、抗性基因，大小为 450020000bp。,三、转座因子,3.可转座的噬菌体（transposable phage）具有转座功能的温和性噬菌体，能整合到宿主基因组内。,（二）转座子的遗传效应,1.引起突变,2.引入新基因,3.基因重排,三、转座因子,三、转座因子,1.引起突变转座可引起基因的多种突变(插入失活、转录终止、缺失和倒位),三、
9、转座因子,2.引入新基因 某些抗生素的抗性基因,3.基因重排 产生具有新的生物学功能的蛋白质。,三、转座因子,第二节 病毒基因组,第二节 病毒基因组,病毒自然界普遍存在的一种结构简单、不能单独繁殖，只能在宿主细胞内进行复制以保证遗传信息传递的微生物。完整的病毒颗粒是由核酸和蛋白质组成。,第二节 病毒基因组,一、病毒基因组特征,二、DNA病毒,三、RNA病毒,一、病毒基因组特征,1.基因组的碱基组成,2.基因组核酸类型,3.基因组中有基因重叠现象,4.基因组中具有操纵子结构,5.病毒基因可连续也可间断,6.基因组中重复序列少,一、病毒基因组特征,7.基因组中非编码区少 8.基因组是单倍体 9.相
10、关基因丛集 10.病毒基因组含有不规则结构基因 ，转录出多种mRNA分子,一、病毒基因组特征,1.基因组的碱基组成病毒基因组结构相对简单，基因数少，所含信息 量也少，不同病毒的基因组大小有较大差异。,一、病毒基因组特征,2.基因组核酸类型双链DNA；单链DNA双链RNA；单链RNA环状分子；线性分子,一、病毒基因组特征,什么是正链病毒？什么是负链病毒？如果基因组序列与mRNA相同，称为正链DNA(+DNA)或正链RNA(+RNA)病毒。如果与mRNA互补，则称为负链DNA(-DNA)或负链RNA(-RNA)病毒。,单链正链RNA病毒基因组可直接作为模板功能，翻译出所编码的蛋白质，并复制出病毒核
11、酸，自我组装成为成熟的病毒颗粒，感染宿主细胞。,一、病毒基因组特征,3.基因组中有基因重叠现象这种结构的意义在于使较小的基因组能携带较多的遗传信息，使病毒利用有限的基因，编码更多的蛋白质。,一、病毒基因组特征,一、病毒基因组特征,一、病毒基因组特征,4.基因组中具有操纵子结构 噬菌体174是单链DNA病毒，含A、A*、B、C、D、E、F、G、H、J及K共11个蛋白质基因，但这些基因却只能转录成3个mRNA，其中一个从A基因开始，一个从B基因开始，另一个从D基因开始。,二、DNA病毒,（一） DNA病毒基因组的一般特点,（二） 几种典型的DNA病毒,二、DNA病毒,（一） DNA病毒基因组的一般
12、特点 1.DNA病毒基因组以双链DNA为常见 2.DNA病毒的基因组中，不同基因可以不同的链作 为转录模板 3.几乎所有真核DNA病毒都是在活宿主细胞核内复制,二、DNA病毒,4较大的双链DNA病毒可引起多种严重疾病， 而较小的DNA病毒会在宿主体内诱发肿瘤。5有的DNA病毒不能直接通过DNA复制过程进行 基因组复制， 必须先转录出一个RNA中间体（前基 因组），然后通过逆转录过程才能完成基因组复 制。6DNA病毒一般比RNA病毒大，生活周期较复杂。,（二）几种典型的DNA病毒,1.SV40病毒基因组,2.腺病毒基因组,3.乙型肝炎病毒基因组,二、DNA病毒,二、DNA病毒,1.SV40病毒基
13、因组SV40也称猿猴病毒40（simian virus 40， SV40）基因组为双链环状DNA，由5243bp组成基因组复制依赖于宿主细胞的酶类而完成基因组中含有早期转录基因和晚期转录基因,二、DNA病毒,二、DNA病毒,二、DNA病毒,2.腺病毒基因组腺病毒(adenovirus)颗粒呈球形，直径70nm 90nm，无包膜 核心是线性双链DNA，全长36kb,二、DNA病毒,二、DNA病毒,3.乙型肝炎病毒基因组基因组长3.2kb，是带有部分单链区的环状双链 DNA分子，两条链长度不等。长链为负链：L(-)长度固定，携带有病毒全部的编码信息。短链为正链：S(+)长度不等，约1.6kb2.8
14、kb。,二、DNA病毒,二、DNA病毒,HBV DNA复制周期,三、RNA病毒,（一）基因组的一般特点,（二）几种典型的RNA病毒,三、RNA病毒,（一）基因组的一般特点1.单链或双链，但以单链RNA为多见 2.所携带的遗传信息一般都在同一条链上，因此病毒RNA 链有正负之分 3.许多哺乳类逆转录病毒属于单正链双体RNA，含有2个 相同的()RNA，属于双倍体,三、RNA病毒,4.RNA病毒变异率很高，平均每103104个碱基 中有一个突变 5.RNA病毒的复制和转录常常独立于宿主细胞核 6.尽管不同RNA病毒的复制方式不相同，但均需 经逆转录完成其基因组的复制,（二）几种典型的RNA病毒,1
15、.丙型肝炎病毒基因组,2.人类免疫缺陷病毒基因组,三、RNA病毒,三、RNA病毒,1.丙型肝炎病毒基因组 病毒呈球型颗粒，直径约50nm，有脂质包膜 基因组为单链正链RNA病毒，链长约9.5kb 整个基因组只有一个ORF，编码3011或3010个氨基酸,三、RNA病毒,HCV基因组的两个突出特征： 5末端有一个长度和序列非常稳定的非编码区（UTR），此区是整个基因组中最保守的区域 3端UTR长度取决于病毒的来源,三、RNA病毒,三、RNA病毒,2.人类免疫缺陷病毒基因组人类免疫缺陷病毒是获得性免疫缺陷综合征（AIDS）的病原体，属于逆转录病毒。,三、RNA病毒,HIV基因组： 由2条相同的正链RNA在5端通过氢键互相连接形成二聚体 单链RNA含9749个核苷酸，共有9个基因 3个为结构基因（gag、pol、env）编码病毒毒粒的结构蛋白6个为调控基因（tat、rev、nef、vif、vpr、vpu）,三、RNA病毒,第三节 真核生物基因组,真核生物的基因组比较庞大，不同生物种间差异很大，分为：,
