《基因组结构》PPT课件.ppt

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1、基因组结构,生物界中基因组结构,真核生物核基因组原核生物基因组真核生物细胞器基因组病毒基因组,具有相似的组织形式,染色体是细胞中可被碱性染料着色的物质；由脱氧核糖核酸、蛋白质和少量核糖核酸组成；是生物主要遗传物质的载体。,染色体,1个人类细胞中所含DNA总长度：0.343.2109210-91.8m,1个人类细胞的平均直径：1020m,染色体长度远比它们所包含的DNA分子短得多,染色体的包装过程,核小体是构成染色体的基本单位：8个组蛋白分子构成核心:H2A、H2B、H3、H4DNA在外部缠绕两圈：140-150 bp核小体由DNA linker连接:50-70 bp,DNA（2nm）,核小体链

2、（10nm，每个核小体200bp）,纤丝（30nm，每圈6个核小体）,突环（150nm，每个突环大约75000bp）,玫瑰花结（300nm，6个突环）,螺旋圈（700nm，每圈30个玫瑰花结）,染色体（1400nm，2个染色单体，每个染色体单体含10个螺旋圈）,人类染色体核型图,每一条染色体可根据其大小及着丝粒相对于两端的定位来识别。利用染色技术可产生特定染色体典型的带型特征。核型图描述了每条染色体的带型，可用来代表一种生物的全套染色体。,真核生物基因组的遗传特征,真核生物基因组中基因位于何处？基因在整个染色体上并不是均匀分布的，在一条染色体的不同位置，基因密度变化很大。每100 kb基因组序

3、列中基因变化范围：人：064个基因 拟南芥：138个基因,拟南芥染色体上的基因密度,人类基因组12号染色体上一个50 kb片段,4个基因。这4个基因都是不连续的，所包含内含子的数目从SYB1的2个到PKP2的8个不等。88个全基因组范围重复序列。(genome-wide repeat)基因组中主要存在4种类型的基因组范围重复序列:长散布核元件(long interspersed nuclear element,LINE);短散布核元件(short interspersed nuclear element,LINE);长末端重复元件(long terminal repeat,LTR elemen

4、t);DNA转座子(DNA transposon)7个微卫星（串联重复序列的一种）。30%的部分由功能未知或不明确的非基因、非重复序列或单拷贝DNA组成。,人类基因组外显子总长48 Mb，占基因组总长的1.5%；这段50 kb片段中外显子总长4745 bp，占长度的9.5%，算得上基因比较密集区域。,基因在核基因组中的组织形式,人类基因组的组成形式,不同真核生物之间，基因组排布有何差异？,不同真核生物之间基因组大小范围,真菌,藻类,原虫,昆虫,软体动物,鱼类,两栖动物,爬行动物,鸟类,哺乳动物,开花植物,真核生物基因组大小,真菌,酿酒酵母,沟巢曲霉,原虫,梨形四膜虫,无脊椎动物,秀丽隐杆线虫,

5、黑腹果蝇,桑蚕,紫球海胆,飞蝗,脊椎动物,红鳍东方鲀,人,小鼠,植物,拟南芥,水稻,玉米,豌豆,小麦,贝母,C值悖论C值：单倍体基因组中DNA的总量；C值悖论：一个有机体的C值与它的编码能力缺乏相关性称为 C值悖论；,不同真核生物基因组大小和基因数目,人类、酵母、果蝇和玉米的基因组比较,相比于人类基因组，酵母基因组的特点：酵母基因组中不连续的基因数目相对较少。酵母基因组中只有239个内含子（人类基因组中3105个）酵母基因组中全基因组范围的重复序列更少。酵母全基因组范围的重复序列只占总序列3.4%（人类基因组中44%）酵母基因组在基因的编排方面比人类基因组更加经济。酵母基因自身更加紧密，内含子

6、更少 基因间的空隙相对较短 全基因组范围的重复序列和其他非编码序列占用的空间更少,基因组中有多少基因，功能又是什么？,目前人染色体测序图谱提示：34万个基因；2000年，草图完成前几个月推测：810万个基因；,推测依据：单个基因单个mRNA 单个蛋白质 细胞中存在810万种蛋白质，基因 数目应与此相似；错误原因：选择性剪切的存在导致了单个基因可产 生多个蛋白。,由于选择性剪切的存在，单纯执着于“有多少个基因”这个问题并没有真正的生物学意义，因为基因数目并不能代表被合成出的蛋白质数量。,人类基因目录,人类基因组中仅半数基因功能已知或在某种程度上得到确认。,酵母、拟南芥、线虫、果蝇和人类基因种类比

7、较,人类基因目录与其他物种生物基因目录的关系,基因家族,在基因组DNA测序的早期，研究这就认识到多基因家族（multigene family）的存在；具有相同或相似序列的基因家族是许多基因组的共同特征；“经典”多基因家族：家族中所有成员的序列完全相同或大致相同；（例，人类基因组中编码5S rRNA的基因）集合体：家族成员虽然序列相似，但是基因产物的特性却明显不同；（例，人类和珠蛋白基因簇）,假基因和其他进化遗迹,假基因(pseudogene)：无功能的基因拷贝，假基因是一种进化遗迹，表明基因组处于持续性变化过程中；主要存在2种假基因：常规假基因（conventional pseudogene）

8、:基因的核苷酸序列因为突变而发生改变，导致基因失活；已加工的假基因（processed pseudogene）:某个基因mRNA拷贝合成的cDNA拷贝再次插入到基因组基因组以后形成的；导致失活机制：常规假基因：进化学上的突变导致基因功能丧失；已加工的假基因：缺乏启动母体基因表达的信号序列；截短基因(truncated gene)：与完整基因相比或多或少缺失了部分序列。,真核生物基因组中的重复序列,约62%的人类基因组由基因间隔区(intergenic region)组成，是指位于基因与基因之间，不存在已知功能的基因组成分(junk DNA?)。大量的基因间隔区由某周重复序列组成：全基因组范围或

9、散布重复(interspersed repeat)，各个重复序列以随机的形式散布于整个基因组；串联重复DNA(tandemly repeated DNA)，其重复序列以一个接一个的方式排列；,串联重复DNA见于真核生物染色体着丝粒及其他位置,卫星DNA(satellite):由长的一系列串联重复组成，可能长达几百 kb，一个基因组中可能存在几个不同类型的卫星DNA，有不同的重复单元。重复单元可以小于5 bp，也可能大于200 bp，例，着丝粒-DNA重复。小卫星(minisatellite):形成长达20 kb的聚集区，每个重复单位最多25 bp，例，端粒。微卫星(microsatellite

10、):通常小于150 bp，其重复单位只有13 bp或更少。,原核生物基因组和真核生物细胞器基因组,原核生物基因组的物理特征：典型的原核生物中，基因组包含于单一的环状DNA分子中，这个分子位于拟核拟核是指位于无着色原核细胞中的轻微着色区。,原核生物基因组的DNA组织排布,原核生物基因组也必须压缩到一个相对微小的体积（大肠杆菌环状染色体周长1.6 mm，细胞只有1.0m2.0m）；大肠杆菌环状基因组的特点：超螺旋(supercoiled)，超螺旋由DNA双螺旋再次螺旋（正超螺旋）或去螺旋（负超螺旋）形成；大肠杆菌超螺旋是由促旋酶和拓扑异构酶 I产生和调控的。,大肠杆菌拟核的结构模型,4050个DN

11、A超螺旋自核心蛋白质放射排列，每个环大约100 kb的超螺旋DNA；拟核的蛋白质成分包括促旋酶和拓扑异构酶 I，以及在包装中起作用的至少4种蛋白图中有一个超螺旋呈环形，说明这段DNA有断口存在，导致超螺旋的消失；,原核生物基因组的遗传学特征,大肠杆菌基因组中也存在非编码DNA，但只占11%，以小片段的形式分布于整个基因组。,大肠杆菌K12基因组。编码DNA，但只占11%，外环基因按顺时针方向转录，内环基因按逆时针方向转录。,原核生物基因组基本没有浪费空间。,大肠杆菌基因组中的基因排布,基因之间间隔较少；原核生物基因比其对应的真核生物基因要短，细菌基因的平均长度约是真核基因的2/3(即使后者扣除

12、内含子的长度)；大肠杆菌中没有不连续基因（即基因无内含子）；重复序列比较少见。,大肠杆菌基因组中一段50 kb的片段,操纵子是原核生物基因组的特征,操纵子(operon)：一组基因参与单一的生化途径，并且联合表达。乳糖操纵子：含有3个基因，参与将二糖乳糖转化为单糖葡萄糖和半乳糖的代谢途径。,lacY编码乳糖通透酶：负责将乳糖转移至细胞内lacZ编码-半乳糖苷酶lacA编码乙酰基转移酶,lacZ与lacY间隔52 bplacY与lacA间隔64 bp三个基因同时表达,将乳糖转化成半乳糖和葡萄糖,原核生物基因组中存在多少基因，其功能又是什么？,生殖道支原体,肺炎链球菌,霍乱弧菌,结核分枝杆菌,大肠

13、杆菌,耶尔森鼠疫杆菌,铜绿假单孢菌,甲烷球菌,闪烁古生球菌,大多数基因组按照类似于大肠杆菌的方式排布，意味着基因的数目与基因组大小成比例，平均每Mb含950个基因；基因数目变化范围大，反映了不同原核生物物种生存的生态小环境的自然属性。,大肠杆菌K12和生殖道支原体的部分基因目录,大肠杆菌K12和生殖道支原体的部分基因目录,不同生物基因组结构特点,（1）基因组小（2）结构简练（3）存在含多顺反子的转录单元（4）基因存在重叠现象,原核生物基因组结构特点,真核生物基因组结构特点,（1）含有大量重复序列（基因外区域）不重复序列(nonrepetitive DNA)，中度重复序列(moderately

14、repetitive DNA)，高度重复序列(highly repetitive DNA）（2）功能DNA序列大多被非功能DNA所隔开（外显子和内含子）。,真核生物细胞器基因组,细胞器基因组的起源内共生学说：线粒体和叶绿体是一些自由生存的细菌的遗迹，这些细菌在进化最早期与真核细胞祖先形成内共生关系。证据：细胞器基因表达过程在很多方面与细菌相似；核酸序列比对发现，细胞器基因与细菌基因的相似性要高于其所在的真核生物和基因；有些生物有内共生阶段，但其共生的进化程度不及线粒体和叶绿体。,细胞器基因组的物理特点,大多数线粒体和叶绿体基因组是环状的；人每个线粒体中含有大约10个相同的分子；而酿酒酵母每个线

15、粒体有超过100个基因组拷贝；线粒体基因组大小变化很大，且与生物复杂程度无关；多数多细胞动物的线粒体基因组较小，结构紧密，基因间几乎没有间隔；低等真核生物和开花植物的线粒体基因组较大且较松散，大量基因具有内含子；叶绿体基因组大小变化较小，且大多数具有相似的结构,人类线粒体基因组：人类线粒体基因组小而紧密，极少有浪费的空间，主要为编码呼吸复合物基因、编码rRNA和tRNA基因。,酵母线粒体基因组中基因之间有较大的空间，有的基因有内含子。,酵母线粒体基因组中基因之间有较大的空间，有的基因有内含子。,线粒体和叶绿体基因组大小,细胞器基因组的遗传组成,线粒体基因组中基因数目表现出很大的可变性；所有线粒

16、体基因组都含有非编码rRNA基因和至少一部分呼吸链组分蛋白的基因；基因含量更高的线粒体基因组还编码tRNA、核糖体蛋白，参与转录和翻译的蛋白质以及将胞质蛋白运输进入线粒体的转运蛋白；大多数叶绿体基因组含有约200个基因，编码rRNA、tRNA、核糖体蛋白以及参与光和作用的蛋白。,病毒基因组和可移动的遗传元件,病毒是生命形式最简单的生物（活的生物体？）；与其他生命形式不同，不存在细胞结构；采用非常极端的方式专性寄生；多数病毒利用宿主的酶进行基因组复制和转录，所有病毒都利用宿主的核糖体和翻译装置来合成子代蛋白质衣壳；病毒必需适应宿主的基因系统（决定了病毒的特异性）。,噬菌体和真核生物病毒的基因组,

17、噬菌体：感染细菌的病毒统称为噬菌体。组成：蛋白质（衣壳）和核酸。结构：蛋白质形成外壳，内部包含核酸基因组。,衣壳的三种基本结构：二十面体结构，多肽亚基围绕核酸，排列成三维几何结构；丝状或螺旋状结构，其中的多肽亚基以螺旋形式排列，形成杆状结构；头-尾结构，包含核酸的二十面体头部，附着到丝状尾部以及其他有利于核酸进入宿主细胞的附加结构的结合体。,噬菌体的基因组结构和排列各不相同,描述噬菌体基因组核酸（DNA或RNA病毒）；基因组可以是单链，也可以是双链形式；多数噬菌体中，一个DNA或RNA分子就包含了整个基因组；一些RNA噬菌体具有节段基因组(segmented genome)，即它们的基因由几个

18、不同的RNA分子携带；噬菌体基因组大小的差别很大；,相对较小的噬菌体，基因组包含的基因也较少，基因可以以非常复杂的方式进行组织，如重叠基因(overlapping gene),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,转录物可以从不同的起始位置、不同的读码框进行翻译,噬菌体根据生命周期分为两类：裂解性和溶源性；基本去区别：裂解性噬菌体在首次感染后不久就杀死宿主细胞；溶源性噬菌体可以在宿主中静止停留一段很长的时间，甚至经理宿主细胞的多次传代；典型代表：裂解性（或称烈性噬菌体）T4 溶源性（或称温和噬菌体）,噬菌体基因组的复制策略,噬菌体T4裂解性感染周期,噬菌体溶源性感染周期,真核生

19、物病毒的基因组,真核生物病毒的衣壳为二十面体或丝状；显著特征（尤其是动物病毒）：衣壳可能被脂质膜包围，形成额外的病毒结构成分。这种膜结构是新病毒颗粒离开宿主细胞时，从宿主细胞处获得的。,真核生物病毒基因组的结构和复制策略,真核生物病毒基因组结构有很大不同：可能是DNA或RNA，单链或双链，线性或环状，分段的或不分段；绝大多数植物病毒都是RNA基因组；基因组大小涵盖范围大。,腺病毒,乙肝病毒,流感病毒,细小病毒,脊髓灰质炎病毒,呼肠病毒,逆转录病毒,豆苗病毒,逆转录病毒(retrovirus),一些DNA和RNA病毒能整合到宿主的基因组中；复制通路中存在新的步骤：将RNA形式的基因组转换成DNA

20、；整合性真核生物病毒：2种病毒逆转录元件(virus retroelement)逆转录病毒(retrovirus)，衣壳包被RNA形式的基因组；副逆转录病毒(pararetrovirus)，衣壳包被的基因组由DNA组成；在被逆转录病毒感染的细胞中，分离到逆转录酶(reverse trancriptase)；逆转录酶：能以RNA为模板合成DNA。,生命形式边缘的基因组,卫星RNA和拟病毒，是RNA分子，长320400核苷酸，不编码自身的衣壳蛋白，而是在辅助病毒衣壳内，从一个细胞移动到另一个细胞；区别：卫星病毒与辅助病毒公用衣壳，而拟病毒RNA分子自身可以包装衣壳，它们被视为辅助病毒的寄生物；类病毒，是RNA分子，长240375个氨基酸，不包含基因，也不被包被，以裸DNA的形式在细胞间扩散；类病毒和拟病毒分子是环状、单链的，由宿主或辅助病毒基因组编码的酶进行复制，复制过程产生一组首尾串联的RNA；这些RNA可发生自催化反应切开，过程中RNA起酶的作用；朊病毒,类病毒和拟病毒复制过程中相连基因组的自催化剪切。,自催化锤头型核酶的结构,著名的朊病毒病例疯牛病牛海绵样脑病,谢 谢！,