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1、第二章第二章 基因组与基因组学基因组与基因组学第一节第一节 原核生物基因组原核生物基因组第二章第二章 基因与基因组基因与基因组第二节第二节 真核生物基因组真核生物基因组第三节第三节 人类基因组与人类基因组计划人类基因组与人类基因组计划第二章第二章 基因组与基因组学基因组与基因组学第二章第二章 基因组与基因组学基因组与基因组学 两个重要概念：两个重要概念：n基因（基因（genegene）：）：是贮存有功能的蛋白质多肽链信是贮存有功能的蛋白质多肽链信息、息、RNARNA序列信息及表达这些信息所必需的全部核序列信息及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列。是遗传的基本功能单位。苷酸序列。是遗传的基本功能
2、单位。 n基因组（基因组（genomegenome）：）：是指细胞或生物体中一套完是指细胞或生物体中一套完整单倍体的遗传物质的总和。一个细胞或一种生整单倍体的遗传物质的总和。一个细胞或一种生物体的整套遗传物质。物体的整套遗传物质。第一节第一节 原核生物基因组原核生物基因组一、原核生物基因组特征一、原核生物基因组特征二、质粒二、质粒三、转座因子三、转座因子一、原核生物基因组特征一、原核生物基因组特征n1.1.原核生物基因组原核生物基因组DNADNA较小，一般在较小，一般在10106 610107 7bpbp之之间基因数目较少，约含间基因数目较少，约含35003500个基因个基因n2.2.原核生物
3、的基因组原核生物的基因组DNADNA位于细胞中央区，与支架位于细胞中央区，与支架蛋白质与蛋白质与RNARNA结合在一起，以一定的组织形式盘曲、结合在一起，以一定的组织形式盘曲、折叠成为致密区域，成为折叠成为致密区域，成为类核（类核（nucleoidnucleoid） 一、原核生物基因组特征一、原核生物基因组特征一、原核生物基因组特征一、原核生物基因组特征n3.3.存在操纵子结构存在操纵子结构 操纵子结构是原核生物基因组的功能单位操纵子结构是原核生物基因组的功能单位 原核生物功能相关的结构基因串联在一起，连同其原核生物功能相关的结构基因串联在一起，连同其上游的调控区（包括调节基因、启动基因和操纵
4、基上游的调控区（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）以及下游的转录终止信号，共同组成了一个基因表达单位，因表达单位，即操纵子（即操纵子（operonoperon）结构）结构。 一、原核生物基因组特征一、原核生物基因组特征一、原核生物基因组特征一、原核生物基因组特征n4. 4. 原核生物的结构基因是连续的，没有内含子原核生物的结构基因是连续的，没有内含子n5.5.多数是单拷贝基因，只有编码多数是单拷贝基因，只有编码rRNArRNA和和tRNAtRNA的基因的基因有多个拷贝，有利于核糖体的快速组装和蛋白质的有多个拷贝，有利于核糖体的快速组装和蛋白质的急需合
5、成。急需合成。n6.6.原核生物结构基因的编码顺序一般不重叠。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n什么是基因重叠（什么是基因重叠（gene overlappinggene overlapping） 基因组基因组DNADNA中某些序列被两个或两个以上的基因所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。共用。基因重叠现象在病毒基因组中普遍存在。二、质粒二、质粒 1.1.什么是质粒什么是质粒(plasmid)?(plasmid)? 细菌细胞染色体以外，能独立复制并稳定遗细菌细胞染色体以外，能独立复制并稳定遗传的共价闭合
6、环状分子。传的共价闭合环状分子。 2.2.质粒命名的原则质粒命名的原则 pUC118pUC118plasmid编号发现者名字二、质粒二、质粒 3 3、质粒的分类、质粒的分类复制机制复制机制 严紧型严紧型 松弛型松弛型 功能功能 F F质粒质粒 R R质粒质粒 ColCol质粒质粒转移方式转移方式 接合型接合型 可移动型可移动型 自传递型自传递型 大小大小 小型小型(1.5kb(1.5kb15kb) 15kb) 大型大型(60kb(60kb120kb)120kb)宿主范围宿主范围 窄宿主谱型窄宿主谱型 广宿主谱型广宿主谱型 二、质粒二、质粒 4. 4. 质粒的结构质粒的结构 三种构型三种构型:
7、:共价闭环共价闭环DNADNA分子分子 半开环半开环DNADNA分子分子 线性线性DNADNA分子分子 可嵌入某些染料可嵌入某些染料 （溴化乙锭）（溴化乙锭） 具有较强的抗切割和抗变性的能力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、质粒二、质粒二、质粒 5. 5.质粒的生物学特征质粒的生物学特征n对于细菌的生存并不是必要的对于细菌的生存并不是必要的n质粒的可转移性质粒的可转移性n能在细胞内自主复制。能在细胞内自主复制。n质粒的标记质粒的标记n质粒的不相容性质粒的不相容性 1. 1.什么是转座因子？什么是转座因子？又称转座元件（又称转座元件（transposable elemen
8、ttransposable element），），是一是一类在细菌染色体、质粒或噬菌体之间自行移动并类在细菌染色体、质粒或噬菌体之间自行移动并具有转位特性的独立的具有转位特性的独立的DNADNA序列。序列。 2. 2.转座因子的分类转座因子的分类 三、转座因子三、转座因子2、转座因子分类、转座因子分类n插入序列插入序列(insertion sequence(insertion sequence，IS)IS) 一个转位酶基因两侧的反向重复序列，长度为一个转位酶基因两侧的反向重复序列，长度为700bp 700bp - -2kb 2kb 。n转座子转座子( (transposontransposon
9、，TnTn) ) 具有转座酶基因、抗性基因，大小为具有转座酶基因、抗性基因，大小为4.5kb-20kb4.5kb-20kb。n可转座的噬菌体（可转座的噬菌体（transposable phagetransposable phage） 具有转座功能的温和噬菌体，能整合到宿主基因组内。具有转座功能的温和噬菌体，能整合到宿主基因组内。3.3.转座子的遗传效应转座子的遗传效应引起突变引起突变引入新基因引入新基因基因重排基因重排三、转座因子三、转座因子 第二节第二节 真核生物基因组真核生物基因组第二节第二节 真核生物基因组真核生物基因组一、细胞核基因组及其特点一、细胞核基因组及其特点二、细胞质基因组及其
10、特点二、细胞质基因组及其特点一、细胞核基因组及其特点一、细胞核基因组及其特点（二）不存在操纵子结构（二）不存在操纵子结构（三）基因不连续性（三）基因不连续性-断裂基因断裂基因（四）存在大量重复序列（四）存在大量重复序列（五）存在基因家族与假基因（五）存在基因家族与假基因（六）基因组多态性（六）基因组多态性（一）真核生物基因组庞大，（一）真核生物基因组庞大，细胞核基因组细胞核基因组的的DNADNA与蛋白质结合形成染色质与蛋白质结合形成染色质一、细胞核基因组及其特点一、细胞核基因组及其特点一、细胞核基因组及其特点一、细胞核基因组及其特点n一个结构基因经过转录生成一个一个结构基因经过转录生成一个mR
11、NAmRNA分子，翻译成一条多分子，翻译成一条多肽链肽链 n真核细胞结构基因转录产物为真核细胞结构基因转录产物为单顺反子（单顺反子（monocistronmonocistron）（二）不存在操纵子结构（二）不存在操纵子结构一、细胞核基因组及其特点一、细胞核基因组及其特点n真核细胞的基因为真核细胞的基因为断裂基因（断裂基因（split genesplit gene） n内含子：基因组的非编码序列，不编码具有生物活内含子：基因组的非编码序列，不编码具有生物活性的蛋白质或多肽性的蛋白质或多肽 n外显子：基因组的编码序列，在外显子：基因组的编码序列，在mRNAmRNA成熟过程中切成熟过程中切去内含子后
12、拼接成完整的序列，去内含子后拼接成完整的序列，成为成熟的成为成熟的mRNAmRNA指指导蛋白质的生物合成导蛋白质的生物合成。 （三）基因不连续性（三）基因不连续性-断裂基因断裂基因一、细胞核基因组及其特点一、细胞核基因组及其特点一、细胞核基因组及其特点一、细胞核基因组及其特点同时还存在间隔区同时还存在间隔区DNA(spacerDNA(spacer DNA) DNA)n真核生物基因之间的编码空白区或转录空真核生物基因之间的编码空白区或转录空 白区，一般位于单拷贝的结构基因之侧翼白区，一般位于单拷贝的结构基因之侧翼 。n基因组愈大，间隔区基因组愈大，间隔区DNADNA所占的比例愈高所占的比例愈高
13、。 （四）存在大量重复序列（四）存在大量重复序列1.1.高度重复序列高度重复序列2.2.中度重复序列中度重复序列3.3.低度重复序列低度重复序列一、细胞核基因组及其特点一、细胞核基因组及其特点 1. 1.高度重复序列高度重复序列n分为分为反向反向（反转）重复序列（反转）重复序列与与卫星卫星DNADNA n重复频率可达重复频率可达10106 6以上以上n在基因组中所占比例随种属而异，约占在基因组中所占比例随种属而异，约占10%10%6060在人类基因组中约占在人类基因组中约占2020（四）大量的重复序列（四）大量的重复序列（四）大量的重复序列（四）大量的重复序列反向重复序列反向重复序列（四）大量
14、的重复序列（四）大量的重复序列卫星卫星DNADNA（satellite DNAsatellite DNA）n一般由一般由2 210bp10bp组成，成串组成，成串排列排列 n碱基序列不同于其他部份，碱基序列不同于其他部份，等密度梯度离心可将其与主等密度梯度离心可将其与主体体DNADNA分开分开 n微卫星微卫星DNADNA又称简单串联重又称简单串联重复序列（复序列（STRSTR）高度重复顺序的功能高度重复顺序的功能 参与复制水平的调节参与复制水平的调节 参与基因表达的调控参与基因表达的调控 与染色体减数分裂时染色体配对有关与染色体减数分裂时染色体配对有关 （四）大量的重复序列（四）大量的重复序列
15、2.2.中度重复序列中度重复序列n重复数十重复数十 - - 数万次（数万次（10105 5）n短分散重复片段短分散重复片段 平均长度约为平均长度约为300 bp-500 300 bp-500 bpbp，拷贝数可达，拷贝数可达1010万左右，如万左右，如AluAlu家族、家族、HinHinf f家家n长分散重复片段长分散重复片段 平均长度为平均长度为3500 bp-5000 3500 bp-5000 bpbp 大多不编码蛋白质。有些中度重复序列编码蛋白质或大多不编码蛋白质。有些中度重复序列编码蛋白质或rRNArRNA的的结构基因，如结构基因，如HLAHLA基因、基因、rRNArRNA基因、基因、
16、tRNAtRNA基因、组蛋白基因、组蛋白 （四）大量的重复序列（四）大量的重复序列3.3.低度重复序列低度重复序列n在单倍体基因组中只出现一次或数次在单倍体基因组中只出现一次或数次n在基因组中占在基因组中占50%50%80%80%意义：储存巨大的遗传信息，编码各种不同功能意义：储存巨大的遗传信息，编码各种不同功能 的蛋白质的蛋白质 （四）大量的重复序列（四）大量的重复序列（五）存在基因家族与假基因（五）存在基因家族与假基因n多基因家族（多基因家族（multigenemultigene family family） 由某一祖先基因经过重复和变异所产生的一组基因。由某一祖先基因经过重复和变异所产生
17、的一组基因。 n假基因（假基因（pseudo genepseudo gene） 多基因家族中不产生有功能的基因产物的某些成员。多基因家族中不产生有功能的基因产物的某些成员。（六）基因组多态性（六）基因组多态性 2.2.单核苷酸多态性单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphismsingle nucleotide polymorphism，SNPSNP） 1.1.限制性片段长度多态性限制性片段长度多态性（restriction fragment length polymorphismrestriction fragment length polymorphism，
18、RFLP RFLP）一、细胞核基因组及其特点一、细胞核基因组及其特点 1.1.限制性片段长度多态性限制性片段长度多态性 多态性出现在限制性核酸内切酶的酶切位点序多态性出现在限制性核酸内切酶的酶切位点序列中，用某个内切酶水解基因组的某段序列时，在列中，用某个内切酶水解基因组的某段序列时，在同种的不同个体之间该段序列可能被酶解成长短不同种的不同个体之间该段序列可能被酶解成长短不等的几个等的几个DNADNA片段。片段。一、细胞核基因组及其特点一、细胞核基因组及其特点一、细胞核基因组及其特点一、细胞核基因组及其特点2.2.单核苷酸多态性单核苷酸多态性 n是由基因组是由基因组DNADNA上单个核苷酸的变
19、异引起的上单个核苷酸的变异引起的DNADNA序列多态性。人群中个体差异最具代表性的序列多态性。人群中个体差异最具代表性的DNADNA多态性多态性 n人类基因组中每人类基因组中每1kb1kb就有一个就有一个SNPSNP位点位点, ,共约共约300300万个万个 二、细胞质基因组及其特点二、细胞质基因组及其特点 （了解，自学了解，自学） n两类细胞器能够携带遗传物质：两类细胞器能够携带遗传物质： 线粒体和叶绿体，称为线粒体和叶绿体，称为细胞器基因组细胞器基因组 n这些遗传物质独立于细胞核基因组外自行复制和表这些遗传物质独立于细胞核基因组外自行复制和表达，又称为达，又称为染色体外基因组。染色体外基因
20、组。 n叶绿体基因组叶绿体基因组只存在于绿色植物中只存在于绿色植物中 线粒体基因组线粒体基因组存在于几乎所有的真核生物中存在于几乎所有的真核生物中 。二、细胞质基因组及其特点二、细胞质基因组及其特点线粒体基因组线粒体基因组DNADNA（mitochondrial DNAmitochondrial DNA，mtDNAmtDNA）n双链环状超螺旋分子双链环状超螺旋分子n人类人类mtDNAmtDNA由由1656916569 bpbp组成组成 n编码编码: 12s : 12s rRNArRNA，16s 16s rRNArRNA 22 22种种tRNAtRNA 13 13条与细胞氧化磷酸化有关的多肽链条
21、与细胞氧化磷酸化有关的多肽链 第三节第三节 人类基因组与人类基因组计划人类基因组与人类基因组计划 第三节第三节 人类基因组与人类基因组计划人类基因组与人类基因组计划一、人类基因组一、人类基因组二、人类基因组计划二、人类基因组计划一、人类基因组一、人类基因组 n人类基因组包括细胞核内的人类基因组包括细胞核内的核基因组核基因组和细胞质内的和细胞质内的线粒体基因组线粒体基因组 n正常体细胞（二倍体）基因组包括二个核基因组和正常体细胞（二倍体）基因组包括二个核基因组和多个线粒体基因组多个线粒体基因组 n人类核基因组人类核基因组包括包括 2424条染色体，条染色体，3 310109 9bpbp，3-43
22、-4万个基因。万个基因。n各个基因的大小差异很大各个基因的大小差异很大( (从数百个从数百个bpbp到数百个到数百个kbkb不等不等) )n基因组含重复序列，大多为非编码，与编码序列基因组含重复序列，大多为非编码，与编码序列相间排列相间排列 n每个结构基因都有单独的调控序列每个结构基因都有单独的调控序列 一、人类基因组一、人类基因组二、人类基因组计划二、人类基因组计划 （human genome project, HGP） HGPHGP也称人类基因测序计划，也称人类基因测序计划，最终目标最终目标是完成对是完成对人的基因组的所有碱基序列的测定，阐明人体中人的基因组的所有碱基序列的测定，阐明人体中
23、全部基因的位置、结构、功能、表达、调控方式全部基因的位置、结构、功能、表达、调控方式及致病突变的全部信息。及致病突变的全部信息。基本任务基本任务是完成遗传图、物理图、序列图和转录是完成遗传图、物理图、序列图和转录图。图。二、人类基因组计划二、人类基因组计划 （human genome project, HGP） （一）（一） 人类基因组计划的启动人类基因组计划的启动（二）（二） 人类基因组计划的内容人类基因组计划的内容（三）（三） 人类基因组计划的延伸人类基因组计划的延伸后基因组计划后基因组计划20世纪人类科技发展史上的三大创举世纪人类科技发展史上的三大创举 90年代人类基因组计划年代人类基因
24、组计划40年代第一颗原子弹爆炸年代第一颗原子弹爆炸60年代人类首次登上月球年代人类首次登上月球（一）（一） 人类基因组计划的启动人类基因组计划的启动R R杜尔贝科杜尔贝科沃森沃森（一）（一） 人类基因组计划的启动人类基因组计划的启动19891989年年 美国国立卫生研究院成立了人类染色体美国国立卫生研究院成立了人类染色体研究中心，沃森出任第一任主任。研究中心，沃森出任第一任主任。19901990年年 美国国会批准了美国国会批准了“人类基因组计划人类基因组计划”，并于并于1010月月1 1日正式启动。美国承担了全部任务的日正式启动。美国承担了全部任务的54%54%，英国，英国33%33%，日本，
25、日本7%7%，法国，法国2.8%2.8%，德国，德国2.2%2.2%。中国在中国在HGPHGP中的贡献中的贡献n19991999年年9 9月起，我国承担了人类基因组月起，我国承担了人类基因组1%1%的的 测序任务测序任务n20012001年年8 8月月2626日，人类基因组日，人类基因组“中国卷中国卷”的绘的绘 制工作宣告完成制工作宣告完成 人类基因组计划进展人类基因组计划进展n20032003年年4 4月月1414日，中、美、日、德、法、英等日，中、美、日、德、法、英等6 6国科学家宣布人类基因组序列图绘制成功，人国科学家宣布人类基因组序列图绘制成功，人类基因组计划的所有目标全部实现类基因组
26、计划的所有目标全部实现n已完成的序列图覆盖人类基因组的已完成的序列图覆盖人类基因组的99%99%，精确，精确率达到率达到99.99%99.99%，进度比原计划提前两年多，进度比原计划提前两年多n20042004年年1010月，公布人类基因组完成图月，公布人类基因组完成图 二、人类基因组计划二、人类基因组计划（二）（二） 人类基因组计划的内容人类基因组计划的内容1.1.1.1.遗传图遗传图遗传图遗传图2.2.2.2.物理图物理图物理图物理图3.3.3.3.序列图序列图序列图序列图4.4.4.4.基因图基因图基因图基因图遗传图谱遗传图谱转录图谱转录图谱0.7 cM 或或 kb 序列图谱序列图谱物理
27、图谱物理图谱100 kb100 kbSTS mapSTS map（二）（二） 人类基因组计划的内容人类基因组计划的内容1.1.1.1.遗传图：遗传图：遗传图：遗传图：指基因或指基因或指基因或指基因或DNADNADNADNA标记在染色体上的相对位置标记在染色体上的相对位置标记在染色体上的相对位置标记在染色体上的相对位置与遗传距离。与遗传距离。与遗传距离。与遗传距离。 DNADNADNADNA遗传标志遗传标志遗传标志遗传标志 第一代第一代第一代第一代 RFLPRFLPRFLPRFLP 第二代第二代第二代第二代 微卫星微卫星微卫星微卫星STRSTRSTRSTR 第三代第三代 SNPSNP （二）人类
28、基因组计划内容（二）人类基因组计划内容2.2.物理图物理图n以已知核苷酸序列的以已知核苷酸序列的DNADNA片段（序列标签位点，片段（序列标签位点，sequence-tagged sequence-tagged site,STSsite,STS）为）为“路标路标”，以碱基，以碱基对作为基本测量单位（图距）的基因组图。对作为基本测量单位（图距）的基因组图。n测定人类基因组测定人类基因组DNADNA分子的物理长度分子的物理长度n描述描述DNADNA分子两个位点或染色体两个位标之间的实分子两个位点或染色体两个位标之间的实际距离际距离n基本原理：人类基因组基本原理：人类基因组DNADNA 打碎打碎 拼
29、接拼接n图距：以图距：以MbMb、kbkb作为图距作为图距, ,平均图距平均图距100kb100kbn路标：以路标：以DNADNA探针的探针的STSSTS序列为路标序列为路标 （二）人类基因组计划内容（二）人类基因组计划内容（二）人类基因组计划内容（二）人类基因组计划内容 3.3.序列图序列图 把把庞庞大大的的基基因因组组分分成成若若干干有有路路标标的的区区域域后后，进进行行测测序分析，是最详尽的物理图。序分析，是最详尽的物理图。 既既包包括括可可转转录录序序列列，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、调节序列和功能未知序列的总和。列、调节序列和功能未知序列的总和。（二）人类基
30、因组计划内容（二）人类基因组计划内容4.4.基因图基因图以以ESTEST（expressed sequence tag expressed sequence tag ，表达序列标，表达序列标签签）为标记，根据转录顺序的位置和距离绘制的为标记，根据转录顺序的位置和距离绘制的图谱。图谱。n内容：鉴别全部基因的位置、结构与功能内容：鉴别全部基因的位置、结构与功能n人类基因组计划已经确定人类人类基因组计划已经确定人类3 3万多个基因在万多个基因在2323对染色体上的位置及其碱基排列顺序对染色体上的位置及其碱基排列顺序（三）（三） 人类基因组计划的延伸人类基因组计划的延伸 - -后基因组计划后基因组计划
31、n序列所起的作用是什么？序列所起的作用是什么？n具有哪一些功能？具有哪一些功能？n生命的整体现象是如何形成的？生命的整体现象是如何形成的？ 研究的重心将转向基因功能，从分子整体水平对生物学研究的重心将转向基因功能，从分子整体水平对生物学功能进行研究，在分子层面探索人类健康和疾病的奥秘。功能进行研究，在分子层面探索人类健康和疾病的奥秘。生物信息学：生物信息学：n应用计算机技术研究生物信息的一门新生学科应用计算机技术研究生物信息的一门新生学科n将生物遗传密码与电脑信息结合，分析核酸、蛋将生物遗传密码与电脑信息结合，分析核酸、蛋 白质等生物大分子的序列，揭示遗传信息白质等生物大分子的序列，揭示遗传信
32、息n通过查询、搜索、比较、分析生物信息，理解生通过查询、搜索、比较、分析生物信息，理解生 物大分子信息的生物学意义物大分子信息的生物学意义 （三）（三） 人类基因组计划的延伸人类基因组计划的延伸 - -后基因组计划后基因组计划系统生物学：系统生物学： 在经典实验生物学、生物大科学、系统科学和在经典实验生物学、生物大科学、系统科学和计算数学等基础上发展起来的一门新兴交叉学科。计算数学等基础上发展起来的一门新兴交叉学科。 主要研究目标：主要研究目标： 了解生物系统中所有组成成分在特定条件下的了解生物系统中所有组成成分在特定条件下的相互关系和一定时间内该系统的动力学过程。相互关系和一定时间内该系统的动力学过程。（三）（三） 人类基因组计划的延伸人类基因组计划的延伸 - -后基因组计划后基因组计划（三）（三） 人类基因组计划的延伸人类基因组计划的延伸 - -后基因组计划后基因组计划1.1.功能基因组学功能基因组学2.2.蛋白质组学蛋白质组学3.3.比较基因组学比较基因组学4.4.环境基因组学环境基因组学5.5.药物基因组学药物基因组学6.6.基因组多态性的研究基因组多态性的研究7. .模式生物体基因组研究模式生物体基因组研究
