基因組結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)資料第1頁/共55頁染色體是細胞中可被堿性染料著色的物質(zhì)；

由脫氧核糖核酸、蛋白質(zhì)和少量核糖核酸組成；

是生物主要遺傳物質(zhì)的載體。染色體第2頁/共55頁1個人類細胞中所含DNA總長度：

0.34×3.2×109×2×10-9≈1.8m1個人類細胞的平均直徑：

10~20μm染色體長度遠比它們所包含的DNA分子短得多第3頁/共55頁染色體的包裝過程核小體是構(gòu)成染色體的基本單位：8個組蛋白分子構(gòu)成核心:H2A、H2B、H3、H4DNA在外部纏繞兩圈：140-150bp核小體由DNAlinker連接:50-70bp第4頁/共55頁DNA

（2nm）核小體鏈（10nm，每個核小體200bp）纖絲（30nm，每圈6個核小體）突環(huán)（150nm，每個突環(huán)大約75000bp）玫瑰花結(jié)（300nm，6個突環(huán)）螺旋圈（700nm，每圈30個玫瑰花結(jié)）染色體（1400nm，2個染色單體，每個染色體單體含10個螺旋圈）第5頁/共55頁人類染色體核型圖

每一條染色體可根據(jù)其大小及著絲粒相對于兩端的定位來識別。利用染色技術(shù)可產(chǎn)生特定染色體典型的帶型特征。核型圖描述了每條染色體的帶型，可用來代表一種生物的全套染色體。第6頁/共55頁真核生物基因組的遺傳特征真核生物基因組中基因位于何處？

基因在整個染色體上并不是均勻分布的，在一條染色體的不同位置，基因密度變化很大。每100kb基因組序列中基因變化范圍：人：0~64個基因擬南芥：1~38個基因擬南芥染色體上的基因密度第7頁/共55頁

人類基因組12號染色體上一個50kb片段第8頁/共55頁4個基因。

這4個基因都是不連續(xù)的，所包含內(nèi)含子的數(shù)目從SYB1的2個到PKP2的8個不等。88個全基因組范圍重復(fù)序列。

(genome-widerepeat)

基因組中主要存在4種類型的基因組范圍重復(fù)序列:

長散布核元件(longinterspersednuclearelement,LINE);

短散布核元件(shortinterspersednuclearelement,LINE);

長末端重復(fù)元件(longterminalrepeat,LTRelement);DNA轉(zhuǎn)座子(DNAtransposon)7個微衛(wèi)星（串聯(lián)重復(fù)序列的一種）。30%的部分由功能未知或不明確的非基因、非重復(fù)序列或單拷貝DNA組成。人類基因組外顯子總長48Mb，占基因組總長的1.5%；這段50kb片段中外顯子總長4745bp，占長度的9.5%，算得上基因比較密集區(qū)域。第9頁/共55頁

基因在核基因組中的組織形式人類基因組的組成形式第10頁/共55頁

不同真核生物之間，基因組排布有何差異？

不同真核生物之間基因組大小范圍真菌藻類原蟲昆蟲軟體動物魚類兩棲動物爬行動物鳥類哺乳動物開花植物第11頁/共55頁真核生物基因組大小真菌釀酒酵母溝巢曲霉原蟲梨形四膜蟲無脊椎動物秀麗隱桿線蟲黑腹果蠅桑蠶紫球海膽飛蝗脊椎動物紅鰭東方鲀?nèi)诵∈笾参飻M南芥水稻玉米豌豆小麥貝母第12頁/共55頁C值悖論——C值：單倍體基因組中DNA的總量；C值悖論：一個有機體的C值與它的編碼能力缺乏相關(guān)性稱為C值悖論；不同真核生物基因組大小和基因數(shù)目第13頁/共55頁人類、酵母、果蠅和玉米的基因組比較第14頁/共55頁相比于人類基因組，酵母基因組的特點：酵母基因組中不連續(xù)的基因數(shù)目相對較少。

酵母基因組中只有239個內(nèi)含子（人類基因組中>3×105個）酵母基因組中全基因組范圍的重復(fù)序列更少。

酵母全基因組范圍的重復(fù)序列只占總序列3.4%（人類基因組中44%）酵母基因組在基因的編排方面比人類基因組更加經(jīng)濟。酵母基因自身更加緊密，內(nèi)含子更少基因間的空隙相對較短全基因組范圍的重復(fù)序列和其他非編碼序列占用的空間更少第15頁/共55頁基因組中有多少基因，功能又是什么？目前人染色體測序圖譜提示：3~4萬個基因；2000年，草圖完成前幾個月推測：8~10萬個基因；推測依據(jù)：單個基因→單個mRNA→單個蛋白質(zhì)細胞中存在8~10萬種蛋白質(zhì)，基因數(shù)目應(yīng)與此相似；錯誤原因：選擇性剪切的存在導(dǎo)致了單個基因可產(chǎn)生多個蛋白。由于選擇性剪切的存在，單純執(zhí)著于“有多少個基因”這個問題并沒有真正的生物學(xué)意義，因為基因數(shù)目并不能代表被合成出的蛋白質(zhì)數(shù)量。第16頁/共55頁人類基因目錄人類基因組中僅半數(shù)基因功能已知或在某種程度上得到確認。第17頁/共55頁酵母、擬南芥、線蟲、果蠅和人類基因種類比較第18頁/共55頁人類基因目錄與其他物種生物基因目錄的關(guān)系第19頁/共55頁基因家族在基因組DNA測序的早期，研究這就認識到多基因家族（multigenefamily）的存在；具有相同或相似序列的基因家族是許多基因組的共同特征；“經(jīng)典”多基因家族：家族中所有成員的序列完全相同或大致相同；（例，人類基因組中編碼5SrRNA的基因）集合體：家族成員雖然序列相似，但是基因產(chǎn)物的特性卻明顯不同；（例，人類α和β珠蛋白基因簇）第20頁/共55頁假基因和其他進化遺跡假基因(pseudogene)：無功能的基因拷貝，假基因是一種進化遺跡，表明基因組處于持續(xù)性變化過程中；主要存在2種假基因：

常規(guī)假基因（conventionalpseudogene）:基因的核苷酸序列因為突變而發(fā)生改變，導(dǎo)致基因失活；

已加工的假基因（processedpseudogene）:某個基因mRNA拷貝合成的cDNA拷貝再次插入到基因組基因組以后形成的；導(dǎo)致失活機制：

常規(guī)假基因：進化學(xué)上的突變導(dǎo)致基因功能喪失；已加工的假基因：缺乏啟動母體基因表達的信號序列；截短基因(truncatedgene)：與完整基因相比或多或少缺失了部分序列。第21頁/共55頁真核生物基因組中的重復(fù)序列約62%的人類基因組由基因間隔區(qū)(intergenicregion)組成，是指位于基因與基因之間，不存在已知功能的基因組成分(junkDNA?)。大量的基因間隔區(qū)由某周重復(fù)序列組成：

全基因組范圍或散布重復(fù)(interspersedrepeat)，各個重復(fù)序列以隨機的形式散布于整個基因組；

串聯(lián)重復(fù)DNA(tandemlyrepeatedDNA)，其重復(fù)序列以一個接一個的方式排列；第22頁/共55頁串聯(lián)重復(fù)DNA見于真核生物染色體著絲粒及其他位置衛(wèi)星DNA(satellite):由長的一系列串聯(lián)重復(fù)組成，可能長達幾百kb，一個基因組中可能存在幾個不同類型的衛(wèi)星DNA，有不同的重復(fù)單元。重復(fù)單元可以小于5bp，也可能大于200bp，例，著絲粒α-DNA重復(fù)。小衛(wèi)星(minisatellite):形成長達20kb的聚集區(qū)，每個重復(fù)單位最多25bp，例，端粒。微衛(wèi)星(microsatellite):通常小于150bp，其重復(fù)單位只有13bp或更少。第23頁/共55頁原核生物基因組和真核生物細胞器基因組原核生物基因組的物理特征：典型的原核生物中，基因組包含于單一的環(huán)狀DNA分子中，這個分子位于擬核擬核是指位于無著色原核細胞中的輕微著色區(qū)。第24頁/共55頁原核生物基因組的DNA組織排布原核生物基因組也必須壓縮到一個相對微小的體積（大腸桿菌環(huán)狀染色體周長1.6mm，細胞只有1.0μm×2.0μm）；大腸桿菌環(huán)狀基因組的特點：超螺旋(supercoiled)，超螺旋由DNA雙螺旋再次螺旋（正超螺旋）或去螺旋（負超螺旋）形成；大腸桿菌超螺旋是由促旋酶和拓撲異構(gòu)酶I產(chǎn)生和調(diào)控的。第25頁/共55頁大腸桿菌擬核的結(jié)構(gòu)模型40~50個DNA超螺旋自核心蛋白質(zhì)放射排列，每個環(huán)大約100kb的超螺旋DNA；擬核的蛋白質(zhì)成分包括促旋酶和拓撲異構(gòu)酶I，以及在包裝中起作用的至少4種蛋白圖中有一個超螺旋呈環(huán)形，說明這段DNA有斷口存在，導(dǎo)致超螺旋的消失；第26頁/共55頁原核生物基因組的遺傳學(xué)特征大腸桿菌基因組中也存在非編碼DNA，但只占11%，以小片段的形式分布于整個基因組。大腸桿菌K12基因組。編碼DNA，但只占11%，外環(huán)基因按順時針方向轉(zhuǎn)錄，內(nèi)環(huán)基因按逆時針方向轉(zhuǎn)錄。原核生物基因組基本沒有浪費空間。第27頁/共55頁大腸桿菌基因組中的基因排布基因之間間隔較少；原核生物基因比其對應(yīng)的真核生物基因要短，細菌基因的平均長度約是真核基因的2/3(即使后者扣除內(nèi)含子的長度)；大腸桿菌中沒有不連續(xù)基因（即基因無內(nèi)含子）；重復(fù)序列比較少見。大腸桿菌基因組中一段50kb的片段第28頁/共55頁操縱子是原核生物基因組的特征操縱子(operon)：一組基因參與單一的生化途徑，并且聯(lián)合表達。乳糖操縱子：含有3個基因，參與將二糖乳糖轉(zhuǎn)化為單糖——葡萄糖和半乳糖的代謝途徑。第29頁/共55頁lacY編碼乳糖通透酶：負責(zé)將乳糖轉(zhuǎn)移至細胞內(nèi)

lacZ編碼β-半乳糖苷酶

lacA編碼乙?；D(zhuǎn)移酶lacZ與lacY間隔52bplacY與lacA間隔64bp三個基因同時表達將乳糖轉(zhuǎn)化成半乳糖和葡萄糖第30頁/共55頁原核生物基因組中存在多少基因，其功能又是什么？生殖道支原體肺炎鏈球菌霍亂弧菌結(jié)核分枝桿菌大腸桿菌耶爾森鼠疫桿菌銅綠假單孢菌甲烷球菌閃爍古生球菌第31頁/共55頁大多數(shù)基因組按照類似于大腸桿菌的方式排布，意味著基因的數(shù)目與基因組大小成比例，平均每Mb含950個基因；基因數(shù)目變化范圍大，反映了不同原核生物物種生存的生態(tài)小環(huán)境的自然屬性。大腸桿菌K12和生殖道支原體的部分基因目錄大腸桿菌K12和生殖道支原體的部分基因目錄第32頁/共55頁不同生物基因組結(jié)構(gòu)特點（1）基因組?。?）結(jié)構(gòu)簡練（3）存在含多順反子的轉(zhuǎn)錄單元（4）基因存在重疊現(xiàn)象原核生物基因組結(jié)構(gòu)特點第33頁/共55頁真核生物基因組結(jié)構(gòu)特點（1）含有大量重復(fù)序列（基因外區(qū)域）不重復(fù)序列(nonrepetitiveDNA)，中度重復(fù)序列(moderatelyrepetitiveDNA)，高度重復(fù)序列(highlyrepetitiveDNA）（2）功能DNA序列大多被非功能DNA所隔開（外顯子和內(nèi)含子）。第34頁/共55頁真核生物細胞器基因組細胞器基因組的起源內(nèi)共生學(xué)說：線粒體和葉綠體是一些自由生存的細菌的遺跡，這些細菌在進化最早期與真核細胞祖先形成內(nèi)共生關(guān)系。證據(jù)：細胞器基因表達過程在很多方面與細菌相似；核酸序列比對發(fā)現(xiàn)，細胞器基因與細菌基因的相似性要高于其所在的真核生物和基因；有些生物有內(nèi)共生階段，但其共生的進化程度不及線粒體和葉綠體。第35頁/共55頁細胞器基因組的物理特點大多數(shù)線粒體和葉綠體基因組是環(huán)狀的；人每個線粒體中含有大約10個相同的分子；而釀酒酵母每個線粒體有超過100個基因組拷貝；線粒體基因組大小變化很大，且與生物復(fù)雜程度無關(guān)；多數(shù)多細胞動物的線粒體基因組較小，結(jié)構(gòu)緊密，基因間幾乎沒有間隔；低等真核生物和開花植物的線粒體基因組較大且較松散，大量基因具有內(nèi)含子；葉綠體基因組大小變化較小，且大多數(shù)具有相似的結(jié)構(gòu)第36頁/共55頁人類線粒體基因組：人類線粒體基因組小而緊密，極少有浪費的空間，主要為編碼呼吸復(fù)合物基因、編碼rRNA和tRNA基因。第37頁/共55頁酵母線粒體基因組中基因之間有較大的空間，有的基因有內(nèi)含子。酵母線粒體基因組中基因之間有較大的空間，有的基因有內(nèi)含子。第38頁/共55頁惡性瘧原蟲萊茵衣藻小鼠人高令細指?？诟构壈櫜ń遣娌藰?gòu)巢曲霉菌異養(yǎng)鞭毛蟲釀酒酵母牛肝菌羽衣甘藍擬南芥玉米甜瓜豌豆地錢水稻煙草萊茵衣藻線粒體和葉綠體基因組大小第39頁/共55頁細胞器基因組的遺傳組成萊茵衣藻釀酒酵母擬南芥惡性瘧原蟲

人異養(yǎng)鞭毛蟲第40頁/共55頁線粒體基因組中基因數(shù)目表現(xiàn)出很大的可變性；所有線粒體基因組都含有非編碼rRNA基因和至少一部分呼吸鏈組分蛋白的基因；基因含量更高的線粒體基因組還編碼tRNA、核糖體蛋白，參與轉(zhuǎn)錄和翻譯的蛋白質(zhì)以及將胞質(zhì)蛋白運輸進入線粒體的轉(zhuǎn)運蛋白；大多數(shù)葉綠體基因組含有約200個基因，編碼rRNA、tRNA、核糖體蛋白以及參與光和作用的蛋白。第41頁/共55頁病毒基因組和可移動的遺傳元件病毒是生命形式最簡單的生物（活的生物體？）；與其他生命形式不同，不存在細胞結(jié)構(gòu)；采用非常極端的方式專性寄生；多數(shù)病毒利用宿主的酶進行基因組復(fù)制和轉(zhuǎn)錄，所有病毒都利用宿主的核糖體和翻譯裝置來合成子代蛋白質(zhì)衣殼；病毒必需適應(yīng)宿主的基因系統(tǒng)（決定了病毒的特異性）。第42頁/共55頁噬菌體和真核生物病毒的基因組噬菌體：感染細菌的病毒統(tǒng)稱為噬菌體。組成：蛋白質(zhì)（衣殼）和核酸。結(jié)構(gòu)：蛋白質(zhì)形成外殼，內(nèi)部包含核酸基因組。衣殼的三種基本結(jié)構(gòu)：二十面體結(jié)構(gòu)，多肽亞基圍繞核酸，排列成三維幾何結(jié)構(gòu)；絲狀或螺旋狀結(jié)構(gòu)，其中的多肽亞基以螺旋形式排列，形成桿狀結(jié)構(gòu)；頭-尾結(jié)構(gòu)，包含核酸的二十面體頭部，附著到絲狀尾部以及其他有利于核酸進入宿主細胞的附加結(jié)構(gòu)的結(jié)合體。第43頁/共55頁噬菌體的基因組結(jié)構(gòu)和排列各不相同描述噬菌體基因組——核酸（DNA或RNA病毒）；基因組可以是單鏈，也可以是雙鏈形式；多數(shù)噬菌體中，一個DNA或RNA分子就包含了整個基因組；一些RNA噬菌體具有節(jié)段基因組(segmentedgenome)，即它們的基因由幾個不同的RNA分子攜帶；噬菌體基因組大小的差別很大；第44頁/共55頁相對較小的噬菌體，基因組包含的基因也較少，基因可以以非常復(fù)雜的方式進行組織，如重疊基因(overlappinggene)基因B完全包含于基因A基因E的末端和基因D的起始重合轉(zhuǎn)錄物可以從不同的起始位置、不同的讀碼框進行翻譯第45頁/共55頁噬菌體根據(jù)生命周期分為兩類：裂解性和溶源性；基本去區(qū)別：裂解性噬菌體在首次感染后不久就殺死宿主細胞；溶源性噬菌體可以在宿主中靜止停留一段很長的時間，甚至經(jīng)理宿主細胞的多次傳代；典型代表：裂解性（或稱烈性噬菌體）T4

溶源性（或稱溫和噬菌體）λ噬菌體基因組的復(fù)制策略第46頁/共55頁噬菌體T4裂解性感染周期噬菌體λ溶源性感染周期第47頁/共55頁真核生物病毒的基因組真核生物病毒的衣殼為二十面體或絲狀；顯著特征（尤其是動物病毒）：衣殼可能被脂質(zhì)膜包圍，形成額外的病毒結(jié)構(gòu)成分。這種膜結(jié)構(gòu)是新病毒顆粒離開宿主細胞時，從宿主細胞處獲得的。第48頁/共55頁真核生物病毒基因組的結(jié)構(gòu)和復(fù)制策略真核生物病毒基因組結(jié)構(gòu)有很大不同：可能是DNA或RNA，單鏈或雙鏈，線性或環(huán)狀，分段的或不分段；絕大多數(shù)植物病毒都是RNA基因組；基因組大小涵蓋范圍大。腺病毒乙肝病