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1、医学分子生物学医学分子生物学基因和基因组基因和基因组基因是遗传的基本单位基因是遗传的基本单位基因：基因：能够表达和产生蛋白质或能够表达和产生蛋白质或RNARNA的的DNADNA序列，是决定序列，是决定遗传性状的功能单位。遗传性状的功能单位。Gene:Gene: The basic unit of heredity. Contains the The basic unit of heredity. Contains the information for making one RNA and, in information for making one RNA and, in most case
2、s, one polypeptide most cases, one polypeptide 结构基因结构基因:基因中编码基因中编码RNA或蛋白质的或蛋白质的DNA序列序列调控序列调控序列:启动子启动子/增强子增强子/加尾信号加尾信号 基因组基因组(Genome)(Genome) 细胞或生物体细胞或生物体 一套完整单倍体的遗传物质的总和。一套完整单倍体的遗传物质的总和。 常染色体：常染色体：2222 性染色体：性染色体：X,YX,Y 线粒体线粒体 人人（Homo Sapien）n基因组储存了生物体整套的遗传信息n不同生物基因组蕴含的遗传信息量有着巨大的差别n不同生物基因组的结构与组织形似也明显
3、不同基因组的大小1.C值：单倍体基因组的DNA总量2.对原核生物和低等真核生物而言，单倍体基因组DNA的量和形态复杂性相关 C值矛盾：指一个有机体的C值和其编码能力缺乏相关性。如：n爪蟾的基因组大小和人类相似;n两栖类最小的基因组和最大的基因组之间相差约100倍C值矛盾在进化中的原因和机制尚不清楚病病 毒：毒：动物病毒动物病毒原核生物：原核生物：E. Coli真核生物真核生物: 哺乳动物哺乳动物病毒基因组病毒基因组病毒基因组核酸的主要类型病毒基因组核酸的主要类型病毒基因组核酸的主要类型病毒基因组核酸的主要类型1 1、双链、双链、双链、双链DNA DNA 多数动物病毒，如腺病毒、疱疹病毒、痘病多
4、数动物病毒，如腺病毒、疱疹病毒、痘病多数动物病毒，如腺病毒、疱疹病毒、痘病多数动物病毒，如腺病毒、疱疹病毒、痘病毒，环形、线形。毒，环形、线形。毒，环形、线形。毒，环形、线形。2 2、单链、单链、单链、单链DNA DNA 动物病毒中仅微小病毒为单链病毒；噬菌体动物病毒中仅微小病毒为单链病毒；噬菌体动物病毒中仅微小病毒为单链病毒；噬菌体动物病毒中仅微小病毒为单链病毒；噬菌体中仅含单链中仅含单链中仅含单链中仅含单链DNADNA。 病毒基因组病毒基因组 RNARNA病毒基因组所携带的遗传信息一般在同一条链上，病毒基因组所携带的遗传信息一般在同一条链上，病毒基因组所携带的遗传信息一般在同一条链上，病毒
5、基因组所携带的遗传信息一般在同一条链上，序列与序列与序列与序列与mRNAmRNA相同的为正股（相同的为正股（相同的为正股（相同的为正股（+），与），与），与），与mRNAmRNA互补的互补的互补的互补的为负股（）为负股（）为负股（）为负股（）3 3、双链、双链、双链、双链RNA RNA 以负链以负链以负链以负链RNARNA为模板转录出为模板转录出为模板转录出为模板转录出mRNAmRNA，如呼肠，如呼肠，如呼肠，如呼肠孤病毒及噬真菌体。孤病毒及噬真菌体。孤病毒及噬真菌体。孤病毒及噬真菌体。4 4、单链负股、单链负股、单链负股、单链负股RNA RNA 5 5、单链正股、单链正股、单链正股、单链正股
6、RNARNA： 如逆转录病毒如逆转录病毒如逆转录病毒如逆转录病毒 种类单一种类单一：DNA or RNA 形式多样形式多样：单链、双链、分节段、环状、线状：单链、双链、分节段、环状、线状 单倍体基因组：单倍体基因组：每个基因在病毒中出现一次每个基因在病毒中出现一次(特例特例:Retrovirus 双倍体双倍体) 大小不一大小不一：2x103-2x105bp 基因重叠基因重叠：高效资源利用：高效资源利用 动物病毒与真核细胞基因组相似动物病毒与真核细胞基因组相似:有的含内含子有的含内含子间断间断;细菌病毒细菌病毒(噬噬菌体菌体)与原核细胞基因组相似与原核细胞基因组相似连续连续 编码基因编码基因90
7、% 具有不规则结构基因具有不规则结构基因: 结构基因的编码区无间隔结构基因的编码区无间隔; 有些病毒的有些病毒的mRNA没有没有5端帽结构端帽结构发卡结构的翻译增强子发卡结构的翻译增强子; 结构基因本身不具有翻译起始序列结构基因本身不具有翻译起始序列 病毒基因组结构与功能的特点病毒基因组结构与功能的特点* 基因编码区无间隔：通过宿主及病毒本身蛋白酶酶切基因编码区无间隔：通过宿主及病毒本身蛋白酶酶切 5端无帽状结构：翻译增强子端无帽状结构：翻译增强子 结构基因没有翻译起始序列结构基因没有翻译起始序列53SplicingHairpinProtease CleavageTranslation病毒不规
8、则结构基因病毒不规则结构基因DNA病毒病毒 RNA过程过程HBV 基因结构原核生物基因组原核生物基因组模式生物模式生物: 大肠杆菌大肠杆菌 (E.coli)细菌的遗传物质细菌的遗传物质Genome DNAplasmidTransposable element原核生物基因组结构与功能特点原核生物基因组结构与功能特点* *1、为一条环状双链、为一条环状双链DNA(无典型染色体结构无典型染色体结构,拟核拟核) 2、只有一个复制起点（、只有一个复制起点（Ori）3、具有操纵子结构、具有操纵子结构 4、重复序列少、重复序列少:绝大部分基因为单拷贝（绝大部分基因为单拷贝（99.7%）5、可表达基因约、可表
9、达基因约50%， 真核生物，真核生物， 病毒病毒6、基因一般是连续的，无内含子（古细菌除外）、基因一般是连续的，无内含子（古细菌除外） 7 、编码顺序一般不重叠、编码顺序一般不重叠操纵子操纵子*n原核基因组特有的结构原核基因组特有的结构n数个功能上相关联的数个功能上相关联的结构基因串联结构基因串联在一起在一起, ,构构成信息区成信息区, ,连同其上游的调控区连同其上游的调控区( (包括包括启动子和启动子和操纵基因操纵基因) )以及下游的以及下游的转录终止信号转录终止信号所构成的所构成的基因表达单位基因表达单位。n所转录的所转录的RNARNA为多顺反子。为多顺反子。n操纵基因并非一个基因，而是一
10、段能被特异阻操纵基因并非一个基因，而是一段能被特异阻遏蛋白识别和结合的遏蛋白识别和结合的DNADNA序列。序列。 质粒质粒DNA* 细菌染色体外细菌染色体外的遗传物质。的遗传物质。共价、闭合、环状共价、闭合、环状结构结构的的DNA分子（分子（cccDNA），能），能独立独立复制。非细菌生复制。非细菌生长所必须，但能赋予细菌特定的遗传性状。长所必须，但能赋予细菌特定的遗传性状。C：Covalent C：Closed C: Circular Drug resistant(R), Fertility(F), Colicin(Col) 转位因子转位因子n可移动的基因成分，能够在可移动的基因成分，能够在
11、一个一个DNA分子内部分子内部或两个或两个DNA分子之间移动的分子之间移动的DNA片段。片段。n在细菌中，指可在质粒和染色体之间或在质粒在细菌中，指可在质粒和染色体之间或在质粒和质粒之间移动的和质粒之间移动的DNA片段。片段。n转位也是转位也是DNA重组的一种形式。重组的一种形式。n细菌的转位因子包括：插入序列（细菌的转位因子包括：插入序列（IS），转座），转座子及可转座的噬菌体子及可转座的噬菌体IS：转位酶：转位酶+（双侧）反向重复序列（双侧）反向重复序列 Transposon：转座酶：转座酶+反向重复序列反向重复序列+特定编码基因特定编码基因Transposable phage: 具备转座
12、功能的溶源噬菌体具备转座功能的溶源噬菌体 Mu噬菌体：温和致突变噬菌体噬菌体：温和致突变噬菌体 Ap Kan Tet Hg细菌转位因子细菌转位因子 真核生物基因组真核生物基因组模式生物：酵母、线虫、果蝇、小鼠、大模式生物：酵母、线虫、果蝇、小鼠、大 鼠鼠 真核生物基因组结构与功能特点真核生物基因组结构与功能特点* *1.1.真核生物基因组远大于原核生物基因组，结构复杂，真核生物基因组远大于原核生物基因组，结构复杂，基因数庞大，具有多个复制起点。基因数庞大，具有多个复制起点。2.2.基因组基因组DNADNA与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞核内与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞核内3.3.真核基
13、因为单顺反子，而细菌和病毒的结构基因为多真核基因为单顺反子，而细菌和病毒的结构基因为多顺反子。顺反子。n单单顺顺反反子子，一一个个结结构构基基因因经经转转录录和和翻翻译译生生成成一一个个mRNAmRNA分分子子或或一一条条多肽链。多肽链。n多多顺顺反反子子，即即数数个个结结构构基基因因联联在在一一起起，受受同同一一调调节节区区调调节节，即即具具有有操操纵纵子子结结构构（包包括括功功能能上上相相关关的的几几个个蛋蛋白白质质基基因因和和一一个个共共同同的的基因调控区组成的一段基因调控区组成的一段DNADNA） 4.4.基因组中非编码区远多于编码区。基因组中非编码区远多于编码区。5.5.真真核核基基
14、因因多多是是不不连连续续的的（断断裂裂基基因因），由由外外显显子子和和内内含含子子镶镶嵌嵌排排列而成。列而成。1977, Broker&Sharp RNA1977, Broker&Sharp RNA剪接：剪接：19931993年年Noble PrizeNoble Prizen外显子外显子(exon)(exon)不仅包括基因中编码蛋白质氨基酸的不仅包括基因中编码蛋白质氨基酸的DNADNA顺序，而且顺序，而且包括包括mRNAmRNA中的中的55前导顺序和前导顺序和33端非翻译顺序。端非翻译顺序。n内含子内含子(intron)(intron)则是指插入到编码序列之中的非编码序列则是指插入到编码序列之
15、中的非编码序列n断裂基因的表达必须要以代表基因组顺序的断裂基因的表达必须要以代表基因组顺序的RNARNA前体中精确地除去前体中精确地除去内含子，产生一系列外显子组成的成熟内含子，产生一系列外显子组成的成熟RNARNA，此过程称为，此过程称为RNARNA剪接。剪接。SplicinghnRNAmRNA6.6.存在大量重复序列存在大量重复序列轻度重复：轻度重复：2-10 copies, 2-10 copies, 组蛋白及酵母组蛋白及酵母tRNAtRNA基因基因中度重复：中度重复：10-1010-105 5 copies, copies,一般为非编码序列，起调控作用一般为非编码序列，起调控作用Alu,
16、 KpnI, EcoRI Alu, KpnI, EcoRI 家族家族 高度重复高度重复:10:105 5-million copies, -million copies, 非编码序列非编码序列卫星卫星DNADNA：大，小，微：大，小，微 反向重复序列反向重复序列7.7.功能相关的基因构成各种基因家族功能相关的基因构成各种基因家族(gene family)(gene family)8.8.存在可移动的遗传因素（存在可移动的遗传因素（mobile genetic elementmobile genetic element）9.9.体细胞为双倍体，配子（精子体细胞为双倍体，配子（精子/ /卵子）为单
17、倍体卵子）为单倍体n（多）基因家族（多）基因家族：指核苷酸序列或编码产物的结构具：指核苷酸序列或编码产物的结构具有一定程度同源性的一组基因，它们功能相似。有一定程度同源性的一组基因，它们功能相似。n基因超家族基因超家族：一组由多基因家族及单基因组成的更大：一组由多基因家族及单基因组成的更大的基因家族。它们的结构有程度不等的同源性，但功的基因家族。它们的结构有程度不等的同源性，但功能并不一定相同，甚至毫无相同之处。在进化上亲缘能并不一定相同，甚至毫无相同之处。在进化上亲缘关系较远。关系较远。n假基因假基因：多基因家族中，某些成员并不能表达出有功：多基因家族中，某些成员并不能表达出有功能的产物。与
18、有功能的基因同源，但因突变等原因失能的产物。与有功能的基因同源，但因突变等原因失活，可能为进化的痕迹。活，可能为进化的痕迹。20世纪人类科技史上的三大创举40年代第一颗原子弹爆炸60年代人类首次登上月球90年代人类基因组计划基因组学：基因组学：以分子生物学技术、计算机技术和信息以分子生物学技术、计算机技术和信息网络技术为研究手段，以生物体内全部基因为研究网络技术为研究手段，以生物体内全部基因为研究对象，在全基因背景下和整体水平上探索生命活动对象，在全基因背景下和整体水平上探索生命活动的内在规律及其内外环境影响机制的科学。的内在规律及其内外环境影响机制的科学。1.根据研究的重点分类：结构基因组学
19、、功能基因根据研究的重点分类：结构基因组学、功能基因组学、比较基因组学。组学、比较基因组学。2.根据研究对象分类：肿瘤基因组学、植物基因组根据研究对象分类：肿瘤基因组学、植物基因组学、药物基因组学、环境基因组学等。学、药物基因组学、环境基因组学等。基因组学基因组学(genomics)概念及分类概念及分类遗传信息在染色体上，但染色体不能直接遗传信息在染色体上，但染色体不能直接用来测序，必须将基因组这一巨大的研究对用来测序，必须将基因组这一巨大的研究对象进行分解，使之成为较易操作的小的结构象进行分解，使之成为较易操作的小的结构区域，这个过程就是区域，这个过程就是基因作图基因作图。根据使用的标志和手
20、段不同，有根据使用的标志和手段不同，有4种作图类种作图类型：遗传图谱、物理图谱、序列图谱、基因型：遗传图谱、物理图谱、序列图谱、基因图谱。图谱。 基因组作图基因组作图1、遗传图谱、遗传图谱(genetic map) /连锁图谱连锁图谱(linkage map) 指基因或指基因或DNA标志在染色体上的相对位置与遗传距标志在染色体上的相对位置与遗传距离。它以具有多态性的遗传标记为离。它以具有多态性的遗传标记为“路标路标”，以重组频，以重组频率为图距的基因组图。率为图距的基因组图。 遗传图谱的建立为基因识别和完遗传图谱的建立为基因识别和完成基因定位创造了条件。成基因定位创造了条件。遗传多态性：在一个
21、遗传位点上具有一个以上的等遗传多态性：在一个遗传位点上具有一个以上的等位基因，在群体中的出现频率皆高于位基因，在群体中的出现频率皆高于1%遗传标记：等位基因、遗传标记：等位基因、RFLP、MS、SNP等等遗传距离：在减数分裂事件中两个位点之间进行交遗传距离：在减数分裂事件中两个位点之间进行交换、重组的百分率，换、重组的百分率，1%的重组率称为的重组率称为1“厘摩厘摩(centi-Morgan，cM) ”限制性片段长度多态限制性片段长度多态性性（restriction fragment length polymorphisms, RFLPs）：用一种或几：用一种或几种限制性内切酶切割种限制性内切
22、酶切割基因组基因组DNADNA，用探针杂，用探针杂交并放射自显影。由交并放射自显影。由于于DNADNA酶切位点的变异酶切位点的变异所造成的所造成的“能切能切”与与“不能切不能切”两种状况，两种状况，可产生不同长度的片可产生不同长度的片段段( (等位片段等位片段),),可用凝可用凝胶电泳显示多态性。胶电泳显示多态性。 数量可变串数量可变串联重复联重复(VNTR) /小小卫星卫星短串联重复短串联重复(STR)/微卫微卫星星(MS):使遗使遗传图的精度提传图的精度提高高;可作为物理可作为物理图谱的标志，图谱的标志，促进了遗传图促进了遗传图谱与物理图谱谱与物理图谱的整合。的整合。 单核苷酸多态性单核苷
23、酸多态性(Single Nucleotide Polymorphisms(Single Nucleotide Polymorphisms， SNPs)SNPs) 不同个体间在基因水平上的单核苷酸变异。平均不同个体间在基因水平上的单核苷酸变异。平均每每5005001000bp1000bp出现一个碱基差异出现一个碱基差异, ,如果一个碱基如果一个碱基位置发生的变异在位置发生的变异在1%1%以上的人群中存在，这个位以上的人群中存在，这个位点就被定义为点就被定义为SNPSNP位点。位于编码区的位点。位于编码区的SNPSNP称为称为cSNPcSNP。2 2个无关个体间有个无关个体间有300300万万SN
24、Ps.SNPs.单核苷酸多态标记（单核苷酸多态标记（SNP） 2、物理图谱、物理图谱 指指DNA序列上各遗传标志间的实际距离，是把遗传序列上各遗传标志间的实际距离，是把遗传图谱中克隆群上的图谱中克隆群上的DNA片段按实际的物理位置进行排序片段按实际的物理位置进行排序所构建的图谱。距离单位为所构建的图谱。距离单位为bp/kb/Mb。物理图谱物理图谱反映的是反映的是DNADNA序列上两点之间的实际距离，序列上两点之间的实际距离，而而遗传图谱遗传图谱则反映这两点之间的连锁关系。则反映这两点之间的连锁关系。在在DNADNA交换频繁的区域，两个交换频繁的区域，两个物理位置物理位置相距很近的基相距很近的基
25、因或因或DNADNA片段可能具有较大的片段可能具有较大的遗传距离遗传距离，反之亦然。，反之亦然。 染色体显带技术：染色体显带技术：通过各种染色法，以染色体上显示的深浅不同的带型确定通过各种染色法，以染色体上显示的深浅不同的带型确定DNA序列分布和位置，可区分序列分布和位置，可区分107bp范围。范围。 细胞遗传学图细胞遗传学图:用于对以用于对以104kb为长度量级的区域制图为长度量级的区域制图FISH（荧光原位杂交（荧光原位杂交)技术技术荧光原位杂交图荧光原位杂交图（fluorescent in situ hybridization map，FISH map） ：用不同波长荧光标：用不同波长荧
26、光标记的各种记的各种DNA序列（探针），序列（探针），与染色体上的互补序列杂交而与染色体上的互补序列杂交而不破坏染色体的整体形态，显不破坏染色体的整体形态，显微镜下观察、辨认荧光标记在微镜下观察、辨认荧光标记在染色体上的定位并绘制图谱。染色体上的定位并绘制图谱。限制性图谱限制性图谱(restriction map):用于对小区域用于对小区域,如如kb量级做精细结构制图量级做精细结构制图 2限制性酶切图：选用合适的限制性核酸内切酶对基因限制性酶切图：选用合适的限制性核酸内切酶对基因组组DNA或部分基因组或部分基因组DNA进行酶切，获得以酶切位进行酶切，获得以酶切位点为标记的物理图。点为标记的物理
27、图。辐射杂交图：辐射杂交图：对片段对片段DNA的断点作图。的断点作图。辐射杂交细胞图（辐射杂交细胞图（radiation hybrid map，RH）：利用）：利用X射线照射人细胞，使染色体随射线照射人细胞，使染色体随机断裂，然后与啮齿动物细胞机断裂，然后与啮齿动物细胞杂交克隆，人的染色体片段便杂交克隆，人的染色体片段便被整合到啮齿动物染色体上。被整合到啮齿动物染色体上。两个相邻基因或两个相邻基因或DNA标志的距标志的距离越近，越可能出现在同一片离越近，越可能出现在同一片段，进入同一杂交细胞。通过段，进入同一杂交细胞。通过识别、定位技术和统计学分析，识别、定位技术和统计学分析，可计算人可计算人
28、DNA标志的连锁关系标志的连锁关系及其在染色体上的排列。及其在染色体上的排列。Huds on TJ等构建的相隔等构建的相隔 199kb含有含有15086个个STS图图谱谱标志着人类基因组计划的物理图谱已初步完成。标志着人类基因组计划的物理图谱已初步完成。2序列标签位点序列标签位点(sequence tagged sites, STSs): 在染色体在染色体上定位明确，而且可用上定位明确，而且可用PCR扩增的单拷贝序列，通常为扩增的单拷贝序列，通常为200-500bp。 3、序列图谱、序列图谱 以以某某一一染染色色体体上上所所含含的的全全部部碱碱基基顺顺序序绘绘制制的的图图谱谱。既既包包括括可可
29、转转录录序序列列，也也包包括括非非转转录录序序列列，是是转转录录序序列列、调调节节序列和功能未知序列的总和。序列和功能未知序列的总和。连续克隆系逐个克隆法连续克隆系逐个克隆法 （公共领域测序计划）（公共领域测序计划） （1）建立插入人类基因组片段的酵母人工染色体）建立插入人类基因组片段的酵母人工染色体（YAC）克隆群克隆群。（2）利用高频分布、易于检索的）利用高频分布、易于检索的DNA标志或者标志或者DNA指指纹图谱建立克隆之间的联系，组成有序排列的纹图谱建立克隆之间的联系，组成有序排列的连续克隆连续克隆系系，最常使用的，最常使用的DNA标志有标志有STS和表达的序列标签和表达的序列标签（ex
30、pressed sequence tag，EST）。）。（3）将克隆群）将克隆群定位定位于染色体的不同区域，构成完全基于染色体的不同区域，构成完全基因组因组物理图谱物理图谱。（4）进行）进行次级克隆次级克隆，序列分析序列分析。用机械方法打断用机械方法打断DNA，建立插入片段约，建立插入片段约2kb的高度的高度随机基因组文库随机基因组文库。高效、大规模的两高效、大规模的两末端测序末端测序。用有关软件对测序克隆片段进行用有关软件对测序克隆片段进行序列集合序列集合。用适当方法用适当方法填补缺口填补缺口。全基因组鸟枪法（美国全基因组鸟枪法（美国Celera公司）公司） 直接将基因组分解成小片段随机测序
31、，利用超级直接将基因组分解成小片段随机测序，利用超级计算机进行组装计算机进行组装 4、基因图谱（转录图谱）、基因图谱（转录图谱）基因图谱是在识别基因组所包含的蛋白质编码序基因图谱是在识别基因组所包含的蛋白质编码序列的基础上绘制的结合有关基因序列、位置及表达列的基础上绘制的结合有关基因序列、位置及表达模式等信息的图谱。最主要的方法是通过基因的表模式等信息的图谱。最主要的方法是通过基因的表达产物达产物mRNA反追到染色体的位置。反追到染色体的位置。利用利用EST作为标记所构建的遗传图谱作为标记所构建的遗传图谱 mRNA3 ESTs5 ESTsEST lengths vary due to varying polymerase activityExpressed Sequence Tags (EST) 对对基基因因转转录录表表达达产产物物mRNA互互补补的的cDNA（其其片片段段称称为为表表达达序序列列标标签签，EST）进进行行大大规规模模测测序序是是序序列列标标签签位位点点的的主主要来源，并以此构建人类基因组转录图（基因图）。要来源，并以此构建人类基因组转录图（基因图）。思考题 试述病毒、原核生物和真核生物基因组结构的不同之处 试说明真核生物的基因组很庞大，但所含基因总数却很少的原因？并且分析真核生物基因编码和调控的复杂性。
