基因组组的结构与功能（6学时）

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1、,第三章,基因组的结构与功能,中心法则 (The Central Dogma),转 录,翻 译,逆转录,复 制,DNA,RNA,蛋白质,DNA通过基因表达，决定了蛋白质的结构、功能,DNA通过复制，将基因信息代代相传,RNA参与DNA遗传信息的表达,RNA也可作为某些病毒遗传信息的载体,【基因】 基因是核酸分子中贮存遗传信息的遗传单位，是指贮存有功能的蛋白质多肽链或RNA序列信息及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列。,基因和蛋白的关系？,5AGCCGACTATGTCGAAGCTTGCTTGACTATAAGACA3 3TCGGCTGATACAGCTTCGAACGAACTGATATTCTGT5转录

2、调控区 贮存RNA或蛋白质结构信息区 转录终止区,大部分生物中构成基因的遗传物质是DNA，但有一部分生物（RNA病毒）是以RNA作为构成基因的遗传物质。基因的基本结构：,【基因组】 细胞或生物体中，一套完整单倍体的遗传物质的总和（包括一种生物所需的全套基因及其间隔序列）称为基因组。 人类基因组包括：22条染色体，X、Y两条性染色体及胞浆线粒体上遗传物质。 基因组的结构主要指不同的基因功能区域在核酸分子中的分布和排列情况，基因组的功能是贮存和表达遗传信息。 基因组的结构和功能是密切相关的。,第 一 节,病 毒 基 因 组,一、病毒基因组核酸的主要类型,正股(+)：序列与mRNA相同的链负股(-)

3、：序列与mRNA互补的链,（一）双链DNA病毒 （SV40 病毒） 基因组DNA DNA 复制 基因组 DNA 或通过逆转录完成复制（少数，见三）。 （二）单链DNA病毒 （M13 噬菌体） 基因组DNA DNA 复制 基因组DNA （三）DNARNA病毒 （HBV） 基因组DNA 转录 RNA 逆转录 基因组DNA,（四）双链RNA病毒 （呼肠孤病毒） 基因组RNA RNA 复制 基因组RNA（五）单链（）RNA病毒 （脊髓灰白质炎病毒） 基因组RNA RNA 复制 基因组RNA,（六）单链（）RNA 病毒（疱疹性口炎病毒，VSV） 基因组RNA RNA 复制 基因组RNA（七）RNADNA

4、病毒 （逆转录病毒） 基因组RNA 逆转录 cDNA 转录 基因组RNA,二、病毒基因组的结构与功能的特点,（一）基因组核酸可以是任何一种类型的核酸，但一种病毒的基因组只是一种核酸。（二）不同病毒基因组的核酸大小差别很大。（三）基因常常成簇排列，没有间隔序列或间隔序列很小。 (功能上相关的基因排列在一起) （四）病毒的基因都是单拷贝，基因组多为单倍体,（五）病毒基因组有重叠基因,（六）病毒基因组的编码序列平均约 90 （但差异很大） （七）病毒基因有连续的，有不连续的 （八）病毒基因组含有不规则的结构基因 1、几个结构基因的编码区无间隔，因此有些结构基因没有翻译起始序列。 2、gene mRN

5、A，有的mRNA 没有 5 端的帽结构，有翻译增强子。 3、有的mRNA 没有 5 端的帽结构，有翻译增强子。,三、典型病毒基因组举例,（一）SV40病毒基因组 （双链 DNA 病毒） 1、SV40病毒基因的结构特征 2、SV40病毒基因的表达和复制,（1）SV40 的基因表达 启动子，增强子,（2）RNA的选择剪切形成不同的mRNA，不连续基因，一个基因产生不同的蛋白质,初级转录物,（3）病毒基因组的复制 T抗原控制病毒的复制，启动晚期转录,1、HBV基因组结构 （1）双链（）DNA病毒 （2）二条链长短不一 （3）重叠基因,（二） HBV基因组 （DNA-RNA 病毒）,2、HBV基因组复

6、制 （1）cccDNA（共价双链闭环状DNA）的生成 （2）转录生成（）RNA （3）合成（）链DNA和（）链DNA （4）形成子代病毒,（三）脊髓灰白质炎病毒基因组（ 单链() RNA 病毒 ） 1. 基因组的特征,（ mRNA）,2. 基因组信息表达的特点,() RNA 5-pUUNNNNNNNNAAAAAAAn 3,VPg蛋白形成后，可以共价结合两个U，成为病毒RNA复制的引物。,3. 基因组复制特点,UUp-,（引导合成负链RNA）,() RNA 3AANNNNNNNNNNUUUUUUUp- 5,-pUU,新合成的（）RNA的poly(A) 尾不是另外加上去的，而是直接复制出来的。,（

7、引导合成正链RNA）,() RNA 3AANNNNNNNNNNUUUUUUUp- 5,-pUU,（引导合成正链RNA）,合成的()RNA实际上有三种用途： 作为mRNA翻译病毒蛋白质; 作为模板复制（）RNA; 作为子代病毒的RNA, 加上蛋白质后包装成 病毒颗粒。,（四）逆转录病毒基因组 （RNA-DNA 病毒）1.基因组结构特征 （1）帽子结构和多聚A尾 （2）编码区,（3）非编码区（调控区） 重复序列R区 引物结合区 U区 DLS、和C区,A：编码区:所有逆转录病毒均含有3个基本结构基因,gag: 病毒衣壳蛋白 pol: 肽链内切酶,一个逆转录酶,一个与前病毒整 合相关的酶 env: 包

8、膜蛋白,B：非编码区: 与基因组复制和基因表达有关,A: R区: 两端的重复序列,与cDNA合成有关 B: 引物结合区(primer binding site, PB) C: U区: U3 含强启动子,起始转录RNA.U5 与转录终止和加polyA有关 D: DLS-C区: DLS:两条病毒(+)RNA链结合位点: 包装信号:RNA装入病毒颗粒C: 调控区.,2、前病毒基因的转录 （1） 病毒基因组的形成（转录）,U3有强启动子，5 端的U3是病毒RNA的启动子，启动病毒RNA的转录；3 端的U3可作为下游基因的启动子。R和U5之间有加polyA信号的序列。,由5 端的U3 提供启动子，从U3

9、和R区分界处开始转录。直到RNA转录到3端的R和U5之间时，RNA在R和U5交界处断裂，在RNA的3 端加polyA 。,RNA 5 端的PB区与来自宿主细胞的tRNA结合，两个相同的（+）RNA又以平行的二聚体结构在二聚体结合位点（DLS）以氢键相连。最后，包装蛋白把病毒基因包装起来，形成病毒颗粒。,（2）mRNA翻译 gag 基因的转录与翻译 全长RNA能直接作为gag基因的mRNA，进行翻译。有90的mRNA只翻译出gag 多蛋白质，经肽链加工裂解成为病毒的衣壳蛋白。, pol基因的翻译 RNA序列中有干扰gag基因终止密码子的序列。约有10的mRNA在翻译过程中可以越过gag基因的终止

10、密码子，一直翻译到pol基因的终止密码子，形成更大的多蛋白质，经翻译后加工裂解，形成病毒的衣壳蛋白、逆转录酶和一种与前病毒整合有关的酶（integrase，整合酶）。, env 基因的转录与翻译 一部分全长mRNA经过转录后剪接，使env基因的编码区与病毒RNA的5 端帽结构连接在一起，从而形成env基因的mRNA。翻译出病毒包膜的糖蛋白。,第 二 节,原 核 基 因 组,一、原核生物基因组结构与功能的特点,1、原核生物基因组通常由一条环状双链DNA分子组成。原核生物的基因组DNA虽与蛋白结合，但不形成染色体结构，只是习惯上将之称为染色体。,染色体DNA在细胞内形成一个致密区域，即类核（nuc

11、leoid）。类核无核膜将之与胞浆分开。在染色体DNA中含有许多基因。,2基因组中只有1个复制起点。,启动子（promoter), 操纵元件（operator） 结构基因, 终止子（terminator)，,3、原核基因的基本结构特点,结构基因（structure gene),4、操纵子结构 操纵子（operon）是指数个功能上相关联的结构基因串联在一起，构成信息区，连同其上游的调控区（包括启动子和操纵区）以及下游的转录终止信号所构成的基因表达单位，所转录的RNA为多顺反子。,多顺反子,单顺反子,启动子是RNA聚合酶结合的区域， 操纵区是特异阻遏蛋白结合区。 操纵子的转录通常受一个调节基因所表

12、达的阻遏蛋白的控制。,核糖体蛋白的操纵子:大肠杆菌核糖体有50余种蛋白，其基因是组合在数个操纵子中。如：S10L3L4L23L2L22S19S3L16L29S17operon : L10L7L12 operon : S13S11S4L17 (, : RNA聚合酶的亚单位 ),5、结构基因无重叠现象，基因组中的任何一段DNA顺序不会用于编码两种蛋白质。6、基因序列是连续的，无内含子。,7、编码区在基因组中所占的比例（约占50）远远大于真核基因组，但又远远小于病毒基因组。非编码区主要是一些调控序列。,8、基因组中重复序列很少。编码蛋白质的结构基因多为单拷贝，但编码rRNA的基因往往是多拷贝的。,9

13、、具有编码同工酶的基因（isogene）。这是一类结构上不完全相同，而功能相同的基因。例如在大肠杆菌中含有2个编码乙酸乳酸合成酶同工酶的基因, 和2个编码分支酸变位酶同工酶的基因。10、细菌基因组中存在着可移动的DNA序列，包括插入序列和转座子,沙门菌鞭毛素基因的调节,二、染色体外的遗传物质 质粒,（一）质粒的定义质粒（plasmid）是细菌细胞内携带的染色体之外的环状DNA分子，是共价闭合的环状DNA分子（covalant closed circular DNA，cccDNA），可以独立于细菌染色体而进行复制,1、质粒的大小小型质粒： 15 kb 小型质粒易于通过转化作用进入细菌，大型质粒只

14、能通过细菌的接合作用从一个细菌传递到另一个细菌。,（二）质粒的主要特性,2、质粒的复制质粒与染色体拷贝数之比10为低拷贝数质粒，10为高拷贝数质粒。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基因构成。,低拷贝数质粒也称为严谨型质粒，自身产生的复制阻遏作用较强，分子量较大。 高拷贝数质粒或称为松驰型质粒，分子量小。,3、质粒的不相容性。利用相同复制系统的质粒不能共存于同一个宿主细胞内，这种特性称为质粒的不相容性。两个具有相同或密切相关复制起始位点和调控机制的质粒不能共存于同一个宿主细胞内。,两个带有ColE1复制调控

15、系统的质粒不能共存于同一个细胞内。,pMB1和ColE1是两个密切相关的复制调控系统，带有pMB1和ColE1复制调控系统的质粒也是不相容的。,但ColE1和pMB1与带有pSC101或p15A复制调控系统的质粒则是完全相容的，可以共存于同一个细胞内。,4、质粒与宿主细胞的关系。 （1）质粒是作为附加的遗传物质存在于细菌细胞内，其复制和遗传均独立于宿主细胞染色体。 （2）质粒的存在通常不是宿主细胞所必须的。 （3）质粒的复制和转录均依赖于宿主细胞的酶和蛋白质。 （4）在特定的条件下，质粒编码的蛋白质（酶）可以赋予宿主细胞生存优势。,5、质粒的功能质粒的功能主要通过质粒本身携带的基因编码蛋白质而表现出来。携带质粒的宿主细胞可表现出相应的表型。 （1）性质粒 （2）抗生素抗性 （3）产生毒素的质粒（如大肠杆菌素） （4）降解复杂的有机化合物作为能源 （5）产生限制和修饰酶,