植物细胞核基因组课件.ppt

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1、第一章 植物细胞核基因组,Genome (基因组): all DNA sequences in a cell,Gene (基因): a stretch of continuous DNA sequence encoding a protein or RNA,核基因组: 局限在核内的基因组,基因组计划：指的是以整个基因组为对象的研究。例如，水稻基因组计划的研究对象，就是总长为4.3亿个核苷酸的全部12条染色体。由于研究对象涉及生命体的全部遗传信息，因此也有人称这类研究为全生物学研究(complete biology)。此项研究的工作量特别庞大，体系极其复杂，并涉及多种学科，如分子生物学、遗传学、

2、计算机科学等。长期以来，人们就知道基因组计划的重要性，但这类研究1990年初才真正开始，那就是美国的人类基因组计划。因为相关的科学技术到这一阶段才开始在总体上成熟，使科学家能够着手进行基因组计划。,基因组计划基本上可分为三项内容： 构建基因组的遗传图； 构建基因组的物理图； 测定基因组的DNA全序列。 这三者之间都有一定的关联，各自研究的进程和结果，又都可促进相关应用科学的发展。,定义：某一物种的染色体图谱（也就是我们所知的连锁图谱），显示所知的基因和/或遗传标记的相对位置，而不是在每条染色体上特殊的物理位置。 如果同一条染色体上的两个基因相对距离越长，那么他们减数分裂发生重组的概率将越大，共

3、同遗传的概率也就越小。因此可以根据他们后代性状的分离可以判断他们的交换率，也就可以判断他们在遗传图谱上的相对距离。遗传图谱可以对很多的遗传病进行分析.,遗传图谱：,物理图谱是利用限制性内切酶将染色体切成片段，再根据重叠序列确定片段间连接顺序，以及遗传标志之间物理距离碱基对(bp)或千碱基(kb)或兆碱基(Mb)的图谱。,物理图谱：,十余种模式生物(如大肠杆菌、酿酒酵母、线虫、果蝇、拟南芥、小立宛藓等)和水稻、人类的全基因序列测定工作已基本完成。,基因组学（genomics）、结构基因组学（structural genomics）、功能基因组学（functional genomics）、蛋白质组

4、（proteome）和蛋白质组学（proteomics）,结构基因组学（structural genomics） ：是一门研究生物中所有的蛋白质结构。主要利用实验方式(X-射线晶体衍射、核磁共振质谱)或计算方式(Homology Modeling)。和传统结构生物学不同的是，利用结构基因组学方法测定蛋白质结构时通常知道蛋白质的功用。这令科学家创立了结构生物资讯学利用三维结构来估计蛋白质功用。结构基因组学重视快速、大量(high throughput) 的蛋白质结构测定。,结构基因组学(structural genomics)是基因组学的一个重要组成部分和研究领域,它是一门通过基因作图、核苷酸序

5、列分析确定基因组成、基因定位的科学。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,这个过程就是基因作图;根据使用的标志和手段不同,作图有4种类型,即构建生物体基因组高分辨率的遗传图、物理图谱、序列图以及转录图谱。,功能基因组学（functional genomics)：以基因功能鉴定为目标，又被称为后基因组（postgenome）研究。,研究内容包括基因功能发现、基因表达分析及突变检测。基因的功能包括：生物学功能，如作为蛋白质激酶对特异蛋白质进行磷酸化修饰；细胞学功能，如参与细胞间和细胞内信号传递途径；发育上功能，如参与形态建成等。采用的手段包

6、括经典的减法杂交，差示筛选，cDNA代表差异分析以及mRNA差异显示等，但这些技术不能对基因进行全面系统的分析，新的技术应运而生，包括基因表达的系统分析（serial analysis of gene expression,SAGE），cDNA微阵列（cDNA microarray），DNA 芯片（DNA chip）和序列标志片段显示（sequence tagged fragments display，20th ICG德国柏林）技术、微流控芯片实验室等。,蛋白质组学（Proteomics）一词，源于蛋白质（protein）与 基因组学（genomics）两个词的组合，意指“一种基因组所表达的全

7、套蛋白质”，即包括一种细胞乃至一种生物所表达的全部蛋白质。,一、植物核基因组大小,1.核基因组大小的差异,研究方法： 孚尔根染色显微光密度测定法 DNA复性动力学 核体积测定 流式细胞计量术,不同植物的核基因组大小差异可达上千倍之多。已知的最小植物基因组是拟南芥基因组，只有125Mb；最大的基因组之一是百合科的贝母属的Fritillaria assyriaca，其大小为100 000Mb。,Range of genome size in different phyla,各种生物细胞内DNA总量的比较,在真核生物中，C值一般是随生物进化而增加的，高等生物的C值一般大于低等生物。,C值（ C-va

8、lue ）：通常是指一种生物单倍体基因组DNA的总量。,C-value is the quantity of DNA in the genome (per haploid set of chromosomes).C-value paradox (C值矛盾) refers to the lack of a correlation between genome size and genetic complexity,C值反常现象（C-value paradox）C值往往与种系进化的复杂程度不一致，某些低等生物却具有较大的C值。,2.复性动力学和基因组的不同序列组成,复性动力学-认识基因组DNA的复

9、杂性,变性复性退火（anneal）,C0t值：单链DNA浓度（ C0）和反应培育时间（ t）的乘积。C0t1/2值：值越大，表明达到复性一半所需的时间越长，复性反应越慢。,denaturation,Re-association,Measuring andplotting,Reassociation kinetics,Highly repetitive DNA,Genomic DNA extraction,Shearing or sonication,moderately repetitive DNA,unique DNA,Spectroscopy, hydroxyapatite chromot

10、ography,Genome complexity:Unique sequence (单一序列) : (one to a few copies)Moderately repetitive (中度重复) ( 1 million copies),Tandem (串连) gene clusters: rDNA: 45S precursor (18,5.8 histone genes: 100.,Dispersed (分散) repetitive DNA: e.g. Alu and L1 elements.,2.重复序列,Dispersed repetitive DNA: Human Alu elem

11、ents: 300bp, 300000 500 000 copies of 80-90% identityL1 element:Alu and L1: almost 10% of human genome.Transposition (转座), as selfish or parasitic DNA, role in evolution,植物核基因组中的散布重复序列主要是一些可移位的遗传因子（transposable elements），可分成两类：转座子和逆转座子。,转座元件(Transposable element)：它是指那些可在DNA分子内或DNA分子间转移的DNA片段.转座元件的转移

12、过程转座转座的特点:1.转座后原来位置的转座元件序列仍然保留,但同时又把新合成的DNA 复本插入到另外一个位点；2.转座过程需要转座酶(transposase).它催化断裂和重接两步连续的 过程；3.转座元件插入位置的两侧有3-12bp的正向重复序列(靶序列),它是由于转座酶错位切割DNA造成的.这种短正向重复序列是存在转座元件的特征.,转座子(transposon):通过DNA复制而转移的转座元件.逆转座子(retroposon)或返座子：通过RNA阶段实现转移的转座元件 (DNA RNA DNA 插入新位点)，属于最丰富类型的散布重复序列。,转座的遗传效应导致基因重排、插入、缺失。,Tan

13、dem (串联) gene clusters:各种rRNA、tRNA以及某些结构基因如组蛋白基因等都属于这一类。,1. rDNA: 45S precursor (18S-5.8 S- 28S) 10-10000 copies (human: ca. 5x40); histone genes: 100.,中度重复序列的特点重复单位序列相似，但不完全一样，散在分布于基因组中序列的长度和拷贝数非常不均一，中度重复序列一般具有种属特异性，可作为DNA标记中度重复序列可能是转座元件(返座子)，,2. Satellite DNA (卫星DNA) Highly repetitive (高度重复):,Mous

14、e genome DNA,Satellite DNA: 30% GCEcoRI: 234bp bandRepeats: GAAAAA(A/T)(G/C)T,Satellite DNA 卫星DNA:- Highly repetitive in eukaryotic genome (106).very short (2 to 20-30bp, mini- or micro-), in tandem arrays concentrated near the centromeres and forms a large part of heterochromatin.,- as separate ban

15、d in buoyant density gradient (浮力密度梯度) no function found, except a possible role in kinetochore (动粒或中心粒) binding Repeat number in some arrays hypervariable between individuals (fingerprinting 指纹印迹),5 ATAAACTATAAACTATAAACT 33 TATTTGATATTTGATATTTGA 5,Drosophila virilis satellite DNA repeat(several mil

16、lion copies),n,ATAAACT, 1.1x107 bp, 25% genomeATAAACT, 3.6x106 bp, 8% genomeACAAATT, 3.6x106 bp, 8% genomeAATATAG, crypticSatellites comprise more than 40% of the genome,植物卫星DNA富GC组成。甜瓜卫星DNA是研究较多的，由基本的400bp序列组成，重复次数约106。在单子叶植物中，锦枣儿属植物（Scilla）卫星DNA的重复单位为34bp长，GC占78。,大部分卫星DNA靠近染色体着丝粒、端粒区或近端粒区。,3.基因家族,

17、一组功能相似且核苷酸序列具有同源性的基因可能由某一共同祖先基因(ancestral gene)经重复(duplication)和突变产生。,基因家族的特点：基因家族的成员可以串联排列在一起，形成基因簇(gene cluster)或串联重复基因(tandemly repeated genes)，如rRNA、tRNA和组蛋白的基因；有些基因家族的成员也可位于不同的染色体上，如珠蛋白基因；有些成员不产生有功能的基因产物，这种基因称为假基因 (Pseudogene),典型的基因家族1tRNA基因 单倍体人基因组中1300个tRNA基因，tRNA基因簇2rRNA基因l00copyrRNA基因簇(重复单元

18、28S、18S、5.8s-rRNA)3组蛋白基因30-40copy定位：7q32-q36组蛋白基因簇(重复单位：H1，H2A，H2B，H3、H4)特点：无intron，Poly(A)- RNA 4珠蛋白基因类：16p13，基因簇(24Kb)：5-1-2-1-3类：11p15，基因簇(60Kb)：5- -Gr-Ar-3,超基因家族(Supergene family ，Superfamily)由基因家族和单基因组成的大基因家族，结构上有程度不等的同源性，但功能不同,Genome: Coding region (编码区) Noncoding (非编码) DNA: introns (内含子), tandemly repeated (串连重复) sequences (e.g. satellite DNA) or interspersed repeats 分散重复 (e.g. Alu element).,4.真核基因的断裂结构,Uninterrupted genes（不间断基因） in genomes: E. coli 100% Yeast 96% Drosophila17% Human6%,