基因和基因组 PPT课件.ppt

第29章基因和基因组第30章DNA的生物合成第31章DNA重组第32章RNA的生物合成第33章蛋白质的生物合成第34章基因表达调控第14章激素与细胞信号传导第35章相关技术,遗传信息传递,第29章,基因、基因组的结构,第一节基因的概念,遗传因子，“一个因子决定一个性状”。“基因论”，基因是直线排列在染色体上的遗传颗粒三位一体的概念：携带生物体遗传信息的结构单位。控制一个特定性状的功能单位。突变单位和交换单位。“一个基因一个酶”“一个顺反子，一条多肽链；一个基因一条多肽链,顺反子(cistron),即结构基因，为决定一条多肽链合成的功能单位。顺反子的概念来自遗传学中的顺反重组试验，是确定交换片段究竟在一个基因内还是属于两个基因的试验.简言之，顺反子在一定条件下与基因同义，单顺反子是一个基因，多顺反子是多个基因。,基因的生物学定义,基因是位于染色体上呈直线排列的遗传单位。它既是携带遗传信息的结构单位，又是控制遗传性状的功能单位。即一个基因控制一个性状。后来有人扩展为“一个基因一种蛋白”。,基因的定义,基因(gene)合成有功能的蛋白质多肽链或RNA所必需的全部核苷酸序列。一般是DNA序列（或RNA病毒中的RNA）。具有编码一定生物功能分子的核苷酸序列。,基因的分子生物学定义,一个基因是编码有功能的蛋白质多肽链或RNA所必需的全部核酸序列。即一个基因不仅包含编码蛋白质肽链或RNA的核酸序列，还包括保证转录所必需的调控序列、位于编码区上游5端和下游3端的非编码序列及内含子。,模式生物基因组大小,一个典型的真核基因编码序列：外显子(exon)插入外显子之间的非编码序列：内合子(intron)5-端和3-端非翻译区(UTR)调控序列(可位于上述三种序列中),基因组(genome),是指一种生物体中的整套遗传信息，一般为一个单倍体细胞的细胞核中所有DNA分子的总和。一特定生物体的整套(单倍体)遗传物质的总和。基因组的大小用全部DNA的碱基对总数表示。每种真核生物的单倍体基因组中的全部DNA量称为C值(C-Value)。基因组中不同的区域具有不同的功能，有些是编码蛋白质的结构基因，有些是复制及转录的调控信号，有些区域的功能尚不清楚。,人的23对染色体,C值(C-Value)与C值矛盾,C-value:生物单倍体基因组中DNA总量，以基因组的碱基对来表示。每个细胞中以皮克(pg)水平表示。在真核生物中，每种生物的单倍体基因组的DNA总量是恒定的，称之为C值，C值是每种生物的一个特性。不同物种的C值差别很大。C值反常现象:C值一般随生物进化而增加,但也存在某些低等生物的C值比高等生物大,即C值反常现象。最简单的多细胞生物秀丽隐杆线虫8*107bp，是酵母的4倍。,第二节原核基因组,根据细胞的结构和遗传物质在细胞内的分布，生物可分为原核生物（prokaryote）和真核生物（eukaryote）两大类。原核生物多为简单的单细胞生物，只有类核，没有核膜。原核基因组主要包括病毒基因组和属于原核生物的细菌基因组。,一病毒基因组的结构特点,1.结构简单，基因组小。病毒核酸大小差别很大，3kb300kb；2.每种病毒核酸只有一种，或者DNA，或者RNA；3.具有重叠基因的结构即同一段DNA片段能够编码23种蛋白质分子，这在其他生物细胞仅见于线粒体和质粒DNA。其意义在于使较小的基因组携带较多的遗传信息。,4.重复序列少5.非编码区少6.相关基因丛集，具有操纵子的结构病毒基因组DNA序列中功能上相关的蛋白质基因或rRNA基因常集中在基因组的一个或几个特定的部位，形成一个功能单位或者转录单元。它们可被一起转录为多顺反子mRNA，然后再翻译成各种蛋白质。,7.除逆病毒外，基因组是单倍体。8.真核病毒基因有内含子，而噬菌体基因组是连续的，无内含子，但有操纵子结构。,二细菌基因组,细菌含有染色体和染色体外的DNA质粒,1.基因组常由一条环状双链DNA组成类核。2.具有操纵子（operon）结构。3.非编码区少，基因组中无内含子，且结构基因多为单拷贝。,4.不出现基因重叠现象，只有少数例外。如大肠杆菌染色体是研究得比较清楚的细菌染色体。其基因组由4.7106bp构成，分子量2.64109D，约3500个基因，已定位定序1500个左右，有260个基因查明有操纵子结构，定位于75个操纵子中，在已知的基因中8%的顺序具有调控作用。,（二）质粒DNA,在许多细菌和某些真核细胞中，除了染色体这一主要遗传物质外，还有存在于细胞质中的环状DNA。这种染色体外的DNA分子，含有遗传信息，能进行自主复制，并传至子代细胞，能表达，可转移。这种染色体外的DNA称为质粒（plasmid）。,按复制机理分类严密控制型质粒松弛控制型质粒（用于基因工程克隆）按质粒功能分类F质粒（性质粒）R质粒（抗药性质粒）（用于基因工程删选）Col质粒（大肠杆菌素因子）,pBR322是E.coli中的质粒，长4367bp，是分子生物学研究中最初常用的质粒。通常使用的质粒载体还有pUC18/pUC19等,第三节真核基因组,真核生物的基因组由核内染色体DNA和核外细胞器DNA（线粒体DNA和叶绿体DNA）两类，我们只介绍前者。,一、真核生物基因组的特点：1.体细胞内的基因组为二倍体。2.基因组远远大于原核生物的基因组，具有多复制起点。3.基因组中不编码的区域多于编码区域。4.大部分基因含有内含子，因此，基因是不连续的（断裂基因）。5.真核细胞基因转录产物为单顺反子。一个结构基因经过转录和翻译生成一个mRNA分子和一条多肽链。6.单一序列为主，存在大量重复序列。7.某些有一定同源性而又不完全相同的基因簇组成一个基因家族,二.人类基因组结构,人类基因组结构非常复杂，基因组DNA总长度约3.2109bp，包含约34万个蛋白编码基因，分散在23条染色单体上。其中编码蛋白质的结构基因仅占基因组的2%3%，多以单拷贝形式存在。人类DNA中，约有40%的顺序是以重复序列形式存在的，而高度重复序列约占10%20%基因家族,（一）重复序列,人类DNA中，约有40%的顺序是以重复序列形式存在的，而高度重复序列约占10%20%,基因组中DNA序列的分类(一)高度重复序列(重复次数：1O6)(二)中度重复序列(重复次数：1O21O5)(三)单拷贝序列(UniqueSequence)包括大多数编码蛋白质的结构基因和基因间间隔序列。,Typesofrepeat,(I)高度重复序列（重复次数lO6）在人基因组中约占20（1）卫星DNA(SatelliteDNA)卫星DNA:重复序列长5200bp，串联排列，总长可达几百kb。多态性不强小卫星DNA:25bp,串联排列，20kb。在常染色体中，呈高度多态性。微卫星DNA:l00copyrRNA基因簇(重复单元18S-5.8S-28SRNA）,珠蛋白基因,（四）超基因家族(Supergenefamily),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，但功能不同免疫球蛋白超基因家族,丝氨酸蛋白酶族,ras超基因家族,（五）拟基因和基因遗迹,拟基因（pseudogene）：由于某种原因而失活的基因。常规拟基因：基因编码区产生一个终止密码子已加工拟基因：产生于基因表达的异常而非进化截短的基因：完整基因的一端缺少大小不等的一段。基因片段：从一个基因中分离出来的短片断。,来源于DNA重排和缺失，常存在于多基因家族,基因外DNA2100Mb,基因和基因相关序列900Mb,人类基因组3000Mb,编码DNA90Mb,非编码DNA810Mb,重复DNA420Mb,单拷贝和低拷贝DNA1680Mb,拟基因,基因片断,内含子前导区尾区,串联重复,散布于整个基因组的重复,小卫星DNA,LTR元件,LINE,微卫星DNA,SINE,DNA转座子,卫星DNA,人类基因组的组成Strachan和Red(1996),线粒体基因组,人线粒体基因组的特点：1、人线粒体基因组为16，569bp的双链闭环分子，一条链为重链(H链)，一条链为轻链(L链)，两条链均有编码功能，每个mtDNA分于编码13种蛋白质和24种结构RNA(22rRNA，2tRNA)2、线粒体DNA为母系遗传,人线粒体基因组的特点：,3、结构基因不含内含子，部分区域有基因重叠，因此病理性mtDNA突变更易发生4、mtDNA突变频率更高5、线粒体DNA突变的表型表达与核DNA不同。,第四节基因组学与人类基因组计划,发展和应用DNA制图、测序新技术以及计算机程序，分析生命体（包括人类）全部基因组结构及功能称为基因组学。,基因组学研究领域包括：结构基因组学（structuregenomics）：物理图谱、遗传图谱、基因组DNA序列测定（包括模式生物）功能基因组学（functionalgenomics）：用国际生物技术信息中心（NCBI）的BLAST程序，同源搜索设计基因功能；描述基因表达模式（转录组和蛋白质组）。比较基因组学（comparativegenomics）：比较不同物种的整个基因组，以理解每个基因组的功能和进化关系。,二十世纪的三大计划,癌症研究的转折点-人类基因组的全序列分析DulbeccoRScience1986,回顾了70年代以来癌症研究的进展，使人们认识到包括癌症在人类疾病的发生，都与基因直接、间接有关；同时指出，要么仍处在零打碎敲的方法研究，要么从整体上研究和分析整个人类基因组及其序列。这一计划的意义，可以与征服宇宙的计划媲美。这样的工作是任何一个实验室难以单独承担的项目。这个世界所发生的一切事情，都与这一人类的DNA序列息息相关,HGP的研究内容,总体目标：15年内投入30亿美元，完成人类24条染色体的30亿个核苷酸序列分析主要内容：1.基因组制图（遗传图谱、物理图谱、序列图谱、基因图谱）2.基因的定位与分析3.基因组研究技术的建立、改进4.模式生物基因组的图谱绘制及测序5.相关课题的研究：建立收集、贮存、分类与分析所有有关分子生物资料和数据的工作系统过程中形成了生物信息学（bioinformatics）。,HGP有关新技术和新方法,1脉冲电场电泳（pulsedfieldelectrophoresis）,1984年发展和建立了这种新的大片段DNA分离技术，可以分离大到4106bp的DNA片段。这是基因组测序所必需的技术与方法。,2大分子克隆技术,一般的克隆载体，最大的可克隆的DNA片段仅有几个到45kb，不能克隆更大的DNA片段，不能满足基因组测序的需要。YAC载体能克隆5001000kb的DNA片断。重组的YAC载体可转化酵母细胞，在酵母细胞内复制。,3新的DNA测序技术,目前能进行准确测序的DNA片段，一般最多在1kb以下，不能满足需要。现创造了荧光标记核苷酸DNA外切酶法；寡核苷酸探针分子杂交法以及扫描隧道显微镜法等新测序方法，大大加快了测序的精确度与速度。,4.生物芯片技术,生物芯片技术是在20世纪末发展起来的一项新的规模化生物信息分析技术。它是由分子生物学、生物信息学、物理学、化学、计算机技术等学科融合形成的一项高新技术。基因芯片和蛋白质芯片它应用于基因表达检测、基因突变检测、基因诊断、功能基因组研究、基因组作图、杂交测序和新基因的发现等方面。,后基因组时代的工作,分析所有的这些基因及其编码产物（主要是蛋白质）是如何单独和共同在生命过程中发挥作用的。在目前阶段研究蛋白比研究基因难得多，而成千上万的结构和功能都复杂多样的蛋白分子才是生命过程的最后执行者。我们现在还没有有效的研究手段去揭示蛋白分子在生物体内究竟完成什么功能、又是通过何种机制去完成其生物功能的等等。,跟踪基因组最新研究动态的杂志和网站,主要杂志：1.AnnualReviewofBiochemistry2.AnnualReviewofGenetics3.Bioessays4.CurrentBiology5.CrrentOpinioninCellBiology6.CrrentOpinioninGeneticsandDevelopment7.CrrentOpinioninStructuralBiology8.NewScientist9.ScientificAmerican10.TrendsinBiochemicalSciences11.TrendsinBiotechnology12.TrendsinGenetics13.Cell14.Nature15.Science16.NatureBiotechnology17.NatureGenetics18.NatureStructuralBiology,国际著名的生物信息中心,NCBINationalCenterforBiotechnologyInformation(US)EBIEuropeanBioinformaticsInstitute(EU)HGMPHumanGenomeMappingProjectResourceCentre(UK)ExPASyExpertofProteinAnalysisSystem(Switzerland)CMBICentreofMolecularandBiomolecule(TheNetherlands)ANGISNationalGenomeInformationService(Australia)NIGNationalInstituteofGenetics(Japan)BICNationalBioinformaticsCentre(Singapore),63,.,国内部分生物信息学和生物医学信息服务器,北京大学生物信息中心中国生物信息/北京大学物理化学研究所北京医科大学生物医学信息中国科学院微生物研究所天津大学生物信息中心中科院计算所智能信息处理重点实验室生物信息学研究组,北京大学生物信息中心,安装了70多个数据库，提供200多种软件下载建立了14个国外著名生物信息中心镜象提供了数据库和文献查询、搜索构建了中华民族基因多样性等专用数据库集成和开发了基于Web的生物信息软件工具开展了分子模拟、序列分析等应用研究举办了国际国内培训班、讲习班、讨论会开设了生物信息学概论研究生课程,其他数据库,EMBLhttp:/www.embl-heidelberg.de/http:/www.ebi.ac.uk/embl/GenBank/Web/Genbank/DDBJhttp:/www.ddbj.nig.ac.jp/Ensembl/Medline/medline/queryform.htmlBioMedNethttp:/www.BioMedNPRESAGE（Collaborativeresourceforstructuralgenomics结构基因组学联合资源）/ExPASyhttp:/www.expasy.ch/SRShttp:/srs.ebi.ac.uk:5000/Entrez/Entrez/GCG:,分子生物学软件,1.分析和处理实验数据和公共数据，加快研究进度，缩短科研时间2.提示、指导、替代实验操作，利用对实验数据的分析所得的结论设计下一阶段的实验3.用计算机管理实验室数据及文献资料4.用计算机预测新基因及其结构和功能5.蛋白高级结构预测,1.分析和处理实验数据和公共数据，加快研究进度，缩短科研时间,蛋白：序列同源性比较