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1、第三章 基因组的结构与功能 l重点：基因组的概念，各类生物基因组的特点。l难点：各类生物基因组的结构特点。l基本要求：l掌握基因组的概念、各类生物基因组的结构特点；l熟悉基因的转位与插入；l比较和了解各类生物基因组的差异。 Datel1鲁云霞制作基因组概述l从简单的病毒到复杂的高等动植物细胞，都有一套决定于生物基本特征和功能的遗传信息，贮存于病毒或细胞的核酸中；lRNA和蛋白质的结构信息都以基因的形式贮存于DNA（或RNA）中；lDNA中有大量非编码序列，在真核生物中高达95%以上；l含有一种生物的一整套遗传信息的遗传物质，称为基因组。l病毒、原核生物及真核生物所贮存的遗传信息量有巨大的差别，
2、其基因组的结构与组织形式上也各有特点。Datel2鲁云霞制作本章主要内容l第一节 基因组的概念l第二节 病毒基因组的结构特点l第三节 原核生物的基因组l第四节 真核生物基因组l第五节 基因组变异的意义l第六节 人类基因组学简介Datel3鲁云霞制作二、不同生物基因组蕴含的遗传信息量有着巨大的差别l基因组的大小通常以其DNA含量来表示，单倍体基因组中的全部DNA量称为C值（C-value）；l不同生物的基因组大小差异很大。基因组大小和DNA含量随着生物进化复杂程度的增加以及生物结构和功能复杂程度的增加而逐步上升；lC值矛盾：如人的C值只有109bp，肺鱼的C值为1011bp；l基因组的大小与基因
3、的数目没有直接的线性关系。 Datel5鲁云霞制作不同生物物种的基因组大小比较 类别类别基因组组（bp）基因数目数量级级乙肝病毒3125（部分单链单链） 5 103 噬菌体 48531 60 104 EB病毒 172282 80 105 大肠肠杆菌 4.2106 3000 106 人 类类 3109 3万4万 109 Datel6鲁云霞制作三、不同生物基因组的结构与组织形式也明显不同l原核生物的基因组一般较小，结构比较简单；l病毒基因组的大小和结构差异较大；l真核生物基因组一般较庞大，但结构基因在基因组中所占的比例较小，其中编码序列更小，且存在大量重复序列；l人的基因组中只有23% 的DNA序
4、列是编码序列。Datel7鲁云霞制作基因组信息人类基因组： 编码区域只占2%-3%对于非编码序列，尚不清楚其含义或功能非编码区域对于生命活动具有重要的意义 包括内含子、简单重复序列、移动元件、假基因 重复序列: 大卫星（macro-satellite）DNA小卫星（mini-satellite）DNA微卫星（micro-satellite）DNA 顺式调控元件:启动子、增强子、沉默子Datel8鲁云霞制作第二节 不同病毒基因组的核酸具有不同特点 l病毒（virus）是最简单的生命形式，遗传信息的延续构成了生命活动的主要内容。l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，整套基因组所
5、编码的蛋白质都是与基因复制、病毒颗粒包装以及向其它宿主细胞传递密切相关，有些蛋白质可影响宿主细胞基因表达和增殖，通过促进细胞的增殖而有利于病毒复制繁衍。 Datel9鲁云霞制作Datel10鲁云霞制作一、病毒基因组核酸的主要类型 l病毒基因组（virus genome）的核酸有DNA，也有RNA，但不会二者共存。l按照核酸的性质、基因组结构及复制的特点，可以将病毒基因组分为以下几类：l 双链双链DNADNA如腺病毒是线状双链，乳头瘤病毒是如腺病毒是线状双链，乳头瘤病毒是环状双链；环状双链；l 单链DNA：如X174；l 双链RNA如轮状病毒含有正负两条RNA链；l 单链负股RNA如流感病毒需要
6、先合成与其互补的mRNA；l 单链正股RNA如SARS；逆转录病毒通常引起人和动物的肿瘤，如HIV可作为mRNA行使模板功能。Datel11鲁云霞制作SARS病毒简介lSARS冠状病毒属于单股正链RNA病毒；lRNA分子不分节段，5端有甲基化帽，3端有polyA结构，基因组长度在2700030000碱基之间；l5端约2/3的区域编码病毒RNA聚合酶蛋白，后1/3的区域编码结构蛋白，依次为S蛋白(spike protein)，E蛋白(envelop protein)，M蛋白(membrane protein)，N蛋白(nucleocapsid protein)等;l在结构蛋白编码区可能的ORF中
7、，能编码在已知蛋白质序列数据库中未找到任何同源序列的未知蛋白PUP (predicted unknown protein) 。Datel12鲁云霞制作Datel13鲁云霞制作部分RNA病毒基因组可以被反转录成DNAl逆转录病毒是一类特殊的单股正链RNA病毒，通常引起人和动物的肿瘤；l逆转录病毒基因组一般包括3个基本的结构基因，即gag、pol、 env，分别编码核心蛋 白、逆转录酶和膜蛋白。Datel14鲁云霞制作逆转录病毒的基因组结构； 线状DNA 中的 LTRs；整合到宿主细胞时发生的U3和U5分别缺失2个碱基对和出现4-6bp的靶DNA重复 逆转录病毒的基因组结构Datel15鲁云霞制作
8、二、病毒基因组结构与功能的特点l 不同病毒基因组大小相差较大l乙肝病毒（HBV）DNA为3.2kb，所含信息量较少，只能编码几种蛋白质；而痘病毒基因组DNA长达300kb，可编码几百种蛋白质。l 不同病毒基因组可以是不同结构的核酸l病毒基因组的核酸可能是DNA，也可能是RNA；可能是单链，也可能是双链；可能是闭合环状分子，也可能是线性分子。Datel16鲁云霞制作l 病毒基因组有连续的也有不连续的lDNA 病毒基因组均由连续的DNA分子组成；多数RNA病毒基因组也由连续的核糖核酸链组成，但有些则以不连续的核糖核酸链组成。l 病毒基因组的编码序列大于90 l病毒基因组的大部分是用来编码蛋白质的，
9、只有很小部分不编码蛋白质。l 单倍体基因组 除逆转录病毒基因组有两个拷贝外，至今发现的病毒基因组都是单倍体，每个基因在病毒颗粒中只出现一次。 Datel17鲁云霞制作l 基因有连续的和间断的 感染细菌的病毒（噬菌体）基因组与细菌基因组结构特点相似，基因是连续的；而感染真核细胞的病毒基因组与真核生物基因组结构相似，有内含子，基因是间断的。 l 相关基因丛集排列 病毒基因组核酸序列中功能相关的几个蛋白质基因丛集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，受同一个转录调控机制调节，它们可被一起转录成为多顺反子mRNA，然后加工成为各种蛋白质的模板。 Datel18鲁云霞制作l 基因重叠
10、 有些病毒在进化过程中形成重叠基因，即同一段核酸序列能编码2种或2种以上蛋白质。这些重叠基因虽然共用一段核酸序列，但转录出的mRNA链阅读框不同。lX174噬菌体的基因结构 Ala Glu Gly Val Met 终止 - G C GG A A G G A G T GA T G T A A T G T C T- Arg Lys Glu 终止 起始 SerDatel19鲁云霞制作噬菌体x174基因图谱Datel20鲁云霞制作Datel21鲁云霞制作举例：SV40病毒基因组lSV40病毒的基因组是双链环状DNA，全长5243bp，基因组复制通过DNA复制过程而完成；l基因组中含有早期转录基因和晚期
11、转录基因两部分，早晚期转录的两部分基因大约等长，但转录方向相反；l在早期和晚期转录区之间是调控区（约400bp），主要包括复制起点、启动子和增强子，可调节基因组的复制及早期和晚期基因的转录。Datel22鲁云霞制作典型病毒基因组介绍Datel23鲁云霞制作第三节 原核生物基因组比较简单 l原核生物一般只有一个染色体，即一个核酸分子，大多数为双螺旋结构，少数为单链形式存在。原核生物基因组较小，结构简单。l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，调整细胞内某些蛋白质的数量；l原核基因组中存在操纵子结构，一个调控区控制数个结构基因，结构基因是成套表达的，从而
12、可以有效地利用核酸序列。Datel24鲁云霞制作原核生物转录后的mRNA结构图Datel25鲁云霞制作一、原核基因组结构与功能的特点 l1.基因组通常由一条环状DNA分子组成。没有明显的核结构，在细胞内相对集中在一个区域，形成类核结构。其中DNA占80，其余为RNA和蛋白质。Datel26鲁云霞制作Nucleoid (类核,拟核) Bacterial chromosome 细菌染色体Datel27鲁云霞制作l2.基因组中只有1个复制起始点。 l3.基因操纵子结构。操纵子（operon）是指数个功能相关的结构基因（sructure gene）串联在一起，构成信息区，连同上游的调控区（包括启动子和
13、操纵基因）以及下游的转录终止信号所构成的基因表达单位，所转录出的RNA为多顺反子。l4. 编码序列一般不重叠。l5.基因是连续的，无内含子，转录后不需要剪接（切）。l6.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，但小于病毒基因组。非编码区主要是一些调控序列。Datel28鲁云霞制作l7.基因组中很少有重复序列。编码蛋白质的结构基因多为单拷贝，而编码rRNA的基因往往是多拷贝的。l8.细菌基因组中存在有可移动的DNA序列，包括插入序列和转座子。l9.具有编码同工酶的基因。l10.在DNA分子中具有多种功能的识别区域，如复制的起始区、复制终止区、转录启动区转录终止区等。这些区域往往
14、具有特殊的序列，并且含有反向重复序列。Datel29鲁云霞制作Datel30鲁云霞制作五、细菌基因组中的可移动成分产生转座现象 l转座因子（transposable element）是能在一个DNA分子内部或两个DNA分子之间移动的DNA片段。在细菌中，则指可在质粒和染色体之间或在质粒与质粒之间移动的DNA片段。转位也是DNA重组的一种形式。l 插入顺序 插入顺序（insertion sequence , IS）是一类较小的没有表型效应的转位因子，长度约7002000bp，由一个转位酶基因及两侧的反向重复序列（inverted repeat sequence , IR）组成。 Datel31鲁
15、云霞制作lIR的对称结构使IS可以双向插入靶位点，并在插入后于两侧形成一定长度（311bp）的顺向重复序列（ direct repeat sequence , DR ），DR是靶位点序列复制的产物。l 转座子 转座子（transposon , Tn）是一类较大的可移动成分，除有关转座的基因外，至少带有一个与转座作用无关并决定宿主细胞（菌）遗传性状的基因。转座子中的转位酶常称为转座酶，其功能是介导转座子插入到DNA的其他部位。l 可转座的噬菌体 可转座的噬菌体（transposable phage）是一类具有转座功能的溶源性噬菌体，包括Mu和D108等。Datel32鲁云霞制作Datel33鲁云
16、霞制作简化的转座过程Datel34鲁云霞制作（二）转座因子的几个遗传效应l由转座因子复制出一个新拷贝转移到基因组中的新位置；l新的转座因子转到靶点后，靶点序列倍增成为2个靶点序列，并分别排列在转座因子两侧，形成同向重复序列（见图 ）；l在转座过程中能形成共合体；l转座因子转座后能促使染色体畸变；l转座因子从原来位置上切除（切离，excision）；l转座可引起插入突变；l由于携带有标志基因如ampR、terR、smR，使受体基因组增添了新的基因。Datel35鲁云霞制作转座子具有反向末端重复序列以及在靶部位两侧产生的同向重复序列。在该例中靶序列为5bp，转座子末端由9bp反向重复序列组成，数字1-9指序列重复碱基对。Datel36鲁云霞制作六、质粒DNA是具有自主复制能力的双链环状DNA l是存在于细菌染色体外的具有自主复制能力的共价闭合环状双链DNA分子。l分子量一般为106108，小型质粒的长度一般为1.515kb。l其基因组的结构特点类似于细菌基因组。l通常质粒对于宿主细胞的生存不是必需的，但质粒含有的某些基因，可对宿主细胞的生物特性产生影响。l因质粒是一个完整、独立的复制子，并
