基因基因組和基因組學1第1頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1基因的結構與功能基因的概念是不斷發(fā)展和更新的……在遺傳學發(fā)展的不同階段，基因有著不同的定義和內(nèi)涵，基因概念的每次更新和豐富均是遺傳學和生物學的一次革命和飛躍。1865年，遺傳學奠基人Mendel遺傳因子，認為遺傳因子是一個遺傳單位，可以決定從親代遺傳給子代的性狀；1909年，丹麥遺傳學家Johanson用基因取代了Mendel的遺傳因子，認為遺傳因子就是基因；22第2頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月1910年，Morgan果蠅雜交實驗果蠅眼睛顏色（白色）與性別（雄性）相互連鎖---認識到基因在染色體上，是位于染色體上的實體物質(zhì)；基因是一個遺傳、交換和突變的單位；1941年，Beadle和Tatum提出“一個基因一個酶”學說，認為基因在染色體上并決定蛋白質(zhì)；1944年Avery轉化，1952年Hershey和Chase實驗證明DNA是遺傳信息的攜帶者，是遺傳物質(zhì)。1953年Watson和CrickDNA雙螺旋結構模型全面揭示了DNA的化學性質(zhì)，并解決了當時困擾生物學家的基因復制和遺傳的難題。33第3頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月現(xiàn)代分子遺傳學關于基因的概念

（1）現(xiàn)代基因概念DNA分子中含有特定遺傳信息的核苷酸序列，是合成有功能蛋白質(zhì)或RNA所必需的全部DNA序列（除部分病毒RNA），即一個基因不僅包括編碼蛋白質(zhì)或RNA的核苷酸序列，還包括為保證轉錄所必需的調(diào)控序列。44第4頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）具有轉錄和翻譯功能，編碼蛋白質(zhì)的基因。包括結構基因和調(diào)節(jié)基因；結構基因可被轉錄形成

mRNA，并轉譯成多肽鏈，構成各種結構蛋白質(zhì)，催化各種生化反應的酶和激素等。調(diào)節(jié)基因某些可調(diào)節(jié)控制結構基因表達的基因。其突變可影響一個或多個結構基因的功能，或導致一個或多個蛋白質(zhì)（或酶）量的改變。

2.1.1基因的分類55第5頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月6（2）只有轉錄功能而沒有翻譯功能的基因，包括tRNA基因和rRNA基因。（3）不轉錄的基因，它對基因表達起調(diào)節(jié)控制作用，包括啟動基因和操縱基因。6第6頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月開放閱讀框架(openreadingframe，ORF)：在DNA鏈上，由蛋白質(zhì)合成的起始密碼開始，到終止密碼為止的一個連續(xù)編碼序列。（1）編碼區(qū)能夠編碼產(chǎn)生蛋白質(zhì)的序列，包括外顯子與內(nèi)含子；（2）前導區(qū)位于編碼區(qū)上游，相當于mRNA5‘端非編碼區(qū)；（3）調(diào)節(jié)區(qū)包括啟動子和增強子等基因編碼區(qū)的兩側；2.1.2基因的結構77第7頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月基因的幾種特殊形式跳躍基因(jumpinggene)

指可在DNA分子間進行轉移的DNA片段。也稱為轉座遺傳因子，轉座元件或轉座基因。重復基因：指在同一個基因組中存在2個或者2個以上拷貝的基因，一般來源于基因組內(nèi)的不等交換、反轉錄插入及大規(guī)模的染色體片段重復等。

：88第8頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月斷裂基因（splitegene）指基因的編碼序列在DNA分子上是不連續(xù)排列的，而是被不編碼的序列所隔開；編碼序列稱外顯子(exon)，非編碼序列稱內(nèi)含子(intron)；因發(fā)現(xiàn)斷裂基因，1993年獲諾貝爾獎羅伯茨

夏普PromoterexonintronFlanking99第9頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月所謂重疊基因（overlappinggene）是指兩個或兩個以上的基因共有一段DNA序列；也即同一DNA序列可以得到不同的mRNA，從而編碼多種具有部分重疊序列的蛋白質(zhì)的基因。某些原核生物、病毒或噬菌體1977年，Sanger在研究ΦX174時發(fā)現(xiàn)重疊基因1010第10頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月基因重疊的方式（1）一個基因完全在另一個基因里面。（2）幾個基因部分重疊。（3）兩個基因之間只有一個堿基重疊。

噬菌體ΦX174的重疊基因1111第11頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

重疊基因的DNA序列可能大部分相同，但由于翻譯時的讀碼框架不同、或起始部位不同而產(chǎn)生不同的蛋白質(zhì)。

有些真核病毒的部分序列，對某一個基因來說是內(nèi)含子，而對另一個基因而言卻是外顯子。1212第12頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月假基因(pseudogene)具有與功能基因相似的序列，但由于有許多突變以致失去了原有的功能，不能轉錄或轉錄后生成無功能的蛋白質(zhì)的基因，常用ψ表示。假基因1313第13頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.3基因的功能傳遞遺傳信息，控制個體性狀表現(xiàn)。1414第14頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月基因組（genome）：一個細胞內(nèi)的全部遺傳信息，包括所有基因和基因間的區(qū)域

原核生物（prokaryote）和真核生物（eukaryote）的基因組都是DNA

病毒基因組有的是DNA，有的是RNA

基因組（原核生物和真核生物）2.2基因組的結構和功能

染色體基因組（chromosomalgenome）染色體外基因組（extrachromosomalgenome）

如：細菌的質(zhì)粒（plasmid）DNA

真核生物的線粒體（mitochondria）DNA

葉綠體（chloroplast）DNA★15第15頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月基因組大小（DNA含量）用C值表示；C值(C-value)：一種生物體單倍體基因組DNA的總量，用以衡量基因組的大小。通常，進化程度越高的生物其基因組越大，但從總體上說，生物基因組的大小同生物在進化上所處地位的高低無關。存在C-valueparadox（C值悖論）。

生物復雜性越高，其基因的密度越低。1616第16頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

基因組大小與C值矛盾C值矛盾：生物體的進化程度與基因組大小之間不完全成比例的現(xiàn)象（又稱：C值悖論，Cvalueparadox）

17第17頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月C-valueparadoxequalgenomesizetoadXenopusandhumanbeinghavegenomesofessentiallythesamesize.Butweassumethathumanismorecomplexintermsofgeneticdevelopment!1818第18頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月表2-1不同生物體基因組中基因的比較物種基因組大小/Mb大致的基因數(shù)目基因密度/（個/Mb）原核生物肺炎鏈球菌2.223001060

大腸桿菌4.64400950

根瘤農(nóng)桿菌5.75400960真核生物

真菌

釀酒酵母125800480

粟酒裂殖酵母124900410

原生生物

四膜蟲220>20000>90

無脊椎動物

美麗線蟲9719000200

果蠅1801370080

東亞飛蝗5000不確定不確定

脊椎動物

人類2900270009.3

小鼠25002900012

植物

擬南芥12525500200

水稻430>45000>100

玉米2200>45000>20

郁金香120000不確定不確定1919第19頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.1病毒基因組的結構與功能2020第20頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月PropertyParametersNucleicacid

DNA

RNA

BothDNAandRNA(atdifferentstagesinthelifecycle)Shape

Linear

Circular

SegmentedStrandedness

Single-stranded

Double-stranded

Double-strandedwithregionsofsingle-strandedness病毒基因組的多樣性2121第21頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月病毒基因組的大小與細菌或真核細胞相比，病毒的基因組很小。不同的病毒之間基因組大小相差很大。乙肝病毒DNA：3kb，編碼4種蛋白質(zhì)；痘病毒的基因組：300kb，編碼幾百種蛋白質(zhì)。病毒基因組的大小通常與其對宿主的依賴程度有關，基因組越大，依賴性越小。2222第22頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月RNA

病毒基因組編碼序列具有節(jié)段性有些病毒的基因組RNA由不連續(xù)的幾條核酸鏈組成（如流感病毒，輪狀病毒等）。分段基因組的病毒一般感染效率較低；分段基因組容易發(fā)生重組，故病毒容易變異。目前未發(fā)現(xiàn)DNA病毒有此狀況。2323第23頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月病毒基因存在基因重疊基因重疊：同一段DNA片段能夠參與編碼兩種甚至兩種以上的蛋白質(zhì)分子。這種現(xiàn)象在其它的生物細胞中僅見于線粒體和質(zhì)粒DNA。此結構意義在于使較小的基因組能夠攜帶較多的遺傳信息。2424第24頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月病毒基因組的大部分序列具有編碼功能病毒基因組的大部分是用來編碼蛋白質(zhì)的，只有非常小的一部分沒有編碼翻譯功能。ΦX174基因組中不編碼的序列只占217/5375乳頭瘤病毒基因組約8.0Kb，其中不編碼的部分約為1.0kb。

少數(shù)真核生物病毒的基因組也存在內(nèi)含子結構。2525第25頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月病毒基因組的轉錄單元是多順反子多順反子mRNA

(polycistroniemRNA)

：病毒基因組DNA序列中功能上相關的蛋白質(zhì)的基因或rRNA的基因往往叢集在基因組的一個或幾個特定的部位，形成一個功能單位或轉錄單元。它們可被一起轉錄成含有多個mRNA的分子。2626第26頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月噬菌體ΦX174ΦX174基因組中的D-E-J-F-G-H基因轉錄在同一個mRNA中，然后再翻譯成各種蛋白質(zhì)，其中Ｊ、F、G及H編碼外殼蛋白，D蛋白與病毒的裝配有關，E蛋白負責細菌的裂解，它們在功能上是相關的。2727第27頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月病毒基因組都是單倍體

除了逆轉錄病毒以外，一切病毒基因組都是單倍體，每個基因在病毒顆粒中只出現(xiàn)一次。逆轉錄病毒帶有逆轉錄酶，能使RNA反向轉錄生成DNA，因此其基因組可擁有兩個拷貝。2828第28頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月噬菌體基因具有連續(xù)性噬菌體的基因是連續(xù)的，而真核細胞病毒的基因是不連續(xù)的，具有內(nèi)含子。2929第29頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.2原核生物基因組的結構與功能原核生物基因組通常比較簡單，其基因組大小在106bp～107bp之間，所包含的基因數(shù)目幾百個到數(shù)千個之間。原核生物基因組通常由一條環(huán)狀的雙鏈DNA分子組成，在細胞中與蛋白質(zhì)結合成染色體的形式，在細胞內(nèi)形成一個致密的區(qū)域，稱為

類核（nucleoid）.3030第30頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月大腸桿菌的類核結構模型3131第31頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月3232第32頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月大腸桿菌染色體基因組的結構和功能大腸桿菌基因組序列中的基因密度非常高，編碼區(qū)所占的比例較大。大腸桿菌中總共有4288個基因，平均編碼長度為950bp，基因之間的間隔區(qū)長度為118bp，而且這些結構基因沒有內(nèi)含子。大腸桿菌DNA分子中的重復序列很少，但在大腸桿菌基因組中不同部位可以有稱為轉座子的50kb的重復片段。3333第33頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月轉座因子原核生物轉座因子主要有二類：插入序列(insertionsequence，IS)復合型轉座子(compositetransposon,Tn)3434第34頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

只有當

IS

轉座到某一基因中使該基因失活或插入位點旁邊的染色體發(fā)生畸變等效應時才會被發(fā)現(xiàn)。IS：2000bp以內(nèi)，兩端都有正向重復序列（directrepeats，DR）和反向重復序列（invertedrepeats，IR），中間1kb左右的編碼序列，僅編碼和轉座有關的轉座酶。3535第35頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月Tn：2000～20000bp之間，兩端由一對IS元件組成，帶有與轉座作用有關的基因以及其他基因。

3636第36頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)轉座的的機制和結果，可將轉座分為：復制型轉座（replicativetransposition）保守型轉座（conservativetransposition）復制型保守型3737第37頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月大腸桿菌染色體外基因組的結構和功能質(zhì)粒（plasmid）：一類染色體外具有自主復制能力的環(huán)狀雙鏈DNA分子，屬染色體外基因組。大腸桿菌質(zhì)粒是雙鏈環(huán)狀結構的DNA分子?？梢杂泄矁r閉合環(huán)狀DNA（covalentlyclosedcircularDNA，cccDNA）、缺口的環(huán)狀DNA、線性DNA三種結構狀態(tài)。3838第38頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月質(zhì)粒對宿主細胞的生存一般不是必需的，但質(zhì)粒帶有某些特殊的不同于宿主細胞的遺傳信息，其存在賦予宿主細胞一些遺傳性狀。3939第39頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月4040第40頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月表2-2細菌質(zhì)粒所控制的一些性狀抗性抗生素抗性氨基糖甙類、β-內(nèi)酰胺類、大環(huán)內(nèi)酯類及磺胺類等重金屬抗性汞離子及有機汞制劑、鎳、鈷、銀、鉻、鉛、銻及鉍等陽離子抗性砷酸鹽、亞砷酸鹽、鉻酸鹽及硼酸鹽等其它抗性紫外線，X射線，細菌素，質(zhì)?？刂频男揎椣到y(tǒng)等代謝能力簡單糖類的代謝乳糖、蔗糖及綿籽糖等鹵化物的代謝2，4-二氯甲苯復雜碳化合物的代謝甲苯、萘、樟腦、苯胺、煙堿及烷烴等蛋白質(zhì)代謝明膠及酪蛋白等其他代謝色素生成，產(chǎn)硫化氫，胞外DNA酶等致病性侵襲力菌毛、夾膜、黏附因子及血漿凝固酶等毒素大腸桿菌腸毒素、破傷風桿菌神經(jīng)毒素、炭疽桿菌外毒素及鼠疫菌素等結合轉移性傘毛的合成，表面排斥，致育性抑制，對信息素的反應和抑制等4141第41頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月質(zhì)粒能自主復制，是能獨立復制的復制子（autonomousreplicon）。

嚴緊控制（stringentcontrol）型質(zhì)粒：其復制常與宿主的繁殖偶聯(lián)，拷貝數(shù)較少，每個細胞中只有1個到十幾個拷貝。

松弛控制（relaxedcontrol）型質(zhì)粒：其復制與宿主不偶聯(lián)，每個細胞中有幾十到幾百個拷貝。4242第42頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月質(zhì)粒的穩(wěn)定性與不相容性質(zhì)粒的不相容性（incompatibility）：兩種不同質(zhì)粒因利用同一復制和維持機制，在復制和隨后向子代細胞分配的過程中會發(fā)生競爭，從而不能在同一宿主細胞內(nèi)穩(wěn)定存在，其中一種質(zhì)粒將被丟失。

攜帶不同復制和維持機制的質(zhì)粒屬于不同的不相容群，它們可以共存于同一細胞中。4343第43頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月影響質(zhì)粒穩(wěn)定性的因素：①宿主細胞分裂時質(zhì)粒能否均衡地分配到子代細胞。②質(zhì)粒分子自身結構的穩(wěn)定性。

4444第44頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.3真核生物基因組的結構與功能真核生物的遺傳物質(zhì)絕大部分存在于細胞核染色體，少部分存在于線粒體或葉綠體中----細胞核基因組和細胞器基因組。4545第45頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月真核生物染色體基因組特點人類基因組中僅含有25000～30000個基因，遠低于預期。在人類基因組中只有很少一部份（約2-3％）DNA序列用以編碼蛋白質(zhì)和結構RNA。人類基因組中存在大量基因間隔區(qū)序列，主要由重復DNA構成。在基因內(nèi)部含大量內(nèi)含子。4646第46頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月單拷貝序列：占40%-80%，結構基因基本上屬于單拷貝序列。中度重復序列：重復次數(shù)10～105，占10-40%。如rRNA、tRNA、組蛋白以及免疫球蛋白的基因等，另有部分可能與基因的調(diào)控有關。高度重復序列：拷貝數(shù)大于106

，占10-60%。如反向重復序列

(invertedrepeats)

和衛(wèi)星DNA

(satelliteDNA)。47（1）真核基因組存在大量的重復序列47第47頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月重復序列的多態(tài)性DNA多態(tài)性：DNA

序列發(fā)生變異從而導致的個體間核苷酸序列的差異。

主要包括

單核苷酸多態(tài)性（singlenucleotidepolymorphism，SNP）和

串聯(lián)重復序列多態(tài)性（tandemrepeatspolymorphism）。4848第48頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月SNP--由基因組DNA上的單個堿基的變異引起的DNA序列多態(tài)性。

據(jù)估計，人類基因組中每1kp就存在一個SNP位點，共有約300萬個之多，是人群中個體差異最具代表性的DNA多態(tài)性。

相當一部分SNP還直接或間接與個體的表型差異、對疾病的易感性或抵抗能力、對藥物的反應性等相關。

大多數(shù)SNP位點十分穩(wěn)定，人類85%的SNP是共有的。4949第49頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月高度重復序列中的無間隔反向重復序列很容易形成限制性內(nèi)切酶識別位點，也很容易因為突變產(chǎn)生或是失去一個酶切位點，可以造成

限制性片段長度多態(tài)性(restrictionfragmentlengthpolymorphism，RFLP).5050第50頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月Restricitonmap5151第51頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）真核基因組存在多基因家族與假基因多基因家族(multigenefamily)：由某一祖先基因經(jīng)過重復和變異所產(chǎn)生的一組基因。假基因(pseudogene)：與某些有功能的基因結構相似，但不能表達有功能的基因產(chǎn)物的某些基因。5252第52頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月多基因家族大致可分為兩類：

一個基因家族的不同成員成簇地分布在不同染色體上，但核酸序列高度同源，編碼一組功能上緊密相關的蛋白質(zhì)，如珠蛋白基因家族。

基因家族成簇地分布在某一條染色體上，它們可同時發(fā)揮作用，合成某些蛋白質(zhì)，如組蛋白基因家族就成簇地集中在第7號染色體長臂3區(qū)2帶到3區(qū)6帶區(qū)域內(nèi)，這種分布方式與DNA復制時需要大量的組蛋白有關。5353第53頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月假基因的產(chǎn)生有兩種方式：

由突變引起的基因序列變化而失去功能，這樣產(chǎn)生的假基因帶有內(nèi)含子，稱為常規(guī)假基因（conventionalpseudogene）。

mRNA經(jīng)過反轉錄為cDNA，再插入基因組，由于插入位點不合適或序列發(fā)生變化而導致失去功能。這種類型的假基因不含內(nèi)含子，稱為已加工的假基因（processedpseudogenes）。5454第54頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月真核生物細胞器基因組真核生物有兩類細胞器能攜帶遺傳物質(zhì)：線粒體和葉綠體。這些遺傳物質(zhì)獨立于細胞核基因組外，能夠自行復制和表達，又稱為染色體外基因組。線粒體基因組編碼其自身蛋白質(zhì)合成體系的某些成員，如rRNA和tRNA等，以及呼吸鏈中的某些成員，如ATP酶、NADH還原酶、細胞色素氧化酶復合體中的某些組分。其它成員由細胞核基因組編碼。5555第55頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月人類線粒體（mitochondrion）基因組

16569bp37個基因

22tRNA2rRNA13蛋白質(zhì)56第56頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

高等動物線粒體基因組具有獨特的特點：

①母系遺傳。子代線粒體基因組來自母親，父系的線粒體基因組在精卵結合時一般不能進入卵細胞。

②線粒體DNA損傷后不易修復，突變率較高，可能與衰老及某些疾病有關。

③遺傳密碼與通用遺傳密碼存在差別，如UGA（終止密碼子）編碼Trp，AGA/AGG（Arg）為終止密碼子等。5757第57頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3基因組學基因組學（Genomics）：對生命有機體全基因組進行序列分析和功能研究的學科。結構基因組學：以全基因組測序為目標功能基因組學：根據(jù)結構基因組學提供的信息，以高通量、大規(guī)模的實驗方法，借助計算機分析，系統(tǒng)地對基因功能進行詮釋。58第58頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

基因組學的意義改變生物學研究的模式★59第59頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

基因組學的意義對疾病的診斷、治療、預防、預測、保健等產(chǎn)生巨大的影響環(huán)境基因組學（EnviromentalGenomics）專門鑒定機體暴露在特定環(huán)境下的那些顯示易感或抵抗性基因的DNA多態(tài)性對環(huán)境比較敏感的基因有：DNA修復基因、細胞周期相關基因、激素代謝基因、受體基因、參與免疫和感染反應的基因、信號轉導基因、等等藥物基因組學（Phamarcogenomics）不同個體的藥物反應差異（主要指藥效與毒性）與DNA多態(tài)性的關系通過DNA序列差異的分析，從基因水平上深入認識疾病及藥物作用的個體差異的機理，指導和優(yōu)化臨床用藥，并有可能在此基礎上發(fā)展個體化醫(yī)療60第60頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月NoresponseAdverseDrugResponseRespondersGenotypeca