第二章基因与基因组.ppt

1 第二章基因与基因组GeneandGenome 2 第一节基因的概念与结构 一 基因的概念 一 基因概念的发展 3 基因概念的发展1909年Johannsen提出了 基因 概念取代了遗传因子Morgan提出染色体学说 基因是遗传基本单位 基因论 1936年Beadle和Taturm提出一个基因决定一种酶 之后延伸到决定一个蛋白质 多肽链 4 基因的分类编码蛋白质的基因编码RNA的基因 编码rRNA tRNA 核酶 snmRNA 非mRNA的小RNA 5 基因是核酸分子中储存遗传信息的基本单位 是核酸分子中由特定核苷酸按一定的碱基顺序排列而成的具有一定功能的片段 是RNA序列和蛋白质多肽链顺序相关遗传信息的基本形式 以及表达这些信息所需要的全部核苷酸序列 基因是基因组序列上的遗传单位 有调节区 转录区和 或 其他功能序列区 二 基因的概念 基因是编码RNA或一条多肽链的DNA片段 6 1 原核生物的结构基因是连续的 一 结构基因 基因中编码RNA或蛋白质的DNA序列 二 基因的结构 7 侧翼序列 含有调控序列 编码序列 外显子 exon 插入序列 内含子 intron 真核生物结构基因 2 8 DNA mRNA前体 RNA剪接 9 真核基因中RNA剪接的识别信号 内含子的5 端以GT开始 3 端以AG结束 GT AG法则 intron2 intron1 3 10 二 转录调控序列 前导序列 尾部序列 结构基因编码区两侧的一段不被翻译的DNA片段 侧翼序列 参与转录调控 11 1 原核生物基因的调控序列 12 2 真核生物基因的调控序列 反式作用因子trans actingfactor能识别和结合特定的顺式作用元件 并影响基因转录的一类蛋白质或RNA 顺式作用元件cis actingelement能影响基因表达 但不编码RNA和蛋白质的DNA序列 13 TATA盒 TATABox 位于 25 30bp TATAAAA TATATAT与TFII结合 启动基因转录 1 启动子和上游启动子元件 25 1 30 14 30 25 1 80 70 CAAT盒 CAATBox 位于 70 80bp GGC TCAATCT 与CTF结合 决定启动子转录效率 15 GC盒 GCBox 位于 35bp GGCGG 与转录因子SP1结合 促进转录的过程 35 1 16 2 增强子 enhancer CAATbox 与转录因子特异性结合 增强转录活性 在基因任意位置都有效 无方向性 TATAbox enhancer promoter 5 3 exonintron 17 3 沉默子 silencer 具有抑制基因转录功能的特定DNA序列 为负性调节元件 当其结合一些特异反式作用因子时 对基因转录起阻遏作用 使基因沉默 18 4 终止子 terminaor 是结构基因下游近3 端的一段DNA 由AATAAA和一段回文序列组成 在转录中提供终止信号 使转录作用终止 19 5 Poly A 加尾信号 基因末端保守的AATAAA顺序及下游GT或T富含区 被多聚腺苷酸化特异因子识别 在mRNA3 端加约200个A 20 CAATbox TATAbox Enhancer promoter 真核生物基因的结构 exon exon 5 3 intron intron exon 开放阅读框 openreadingframe ORF responseelement 21 三 中心法则centraldogma 22 一 原核生物的mRNA是多顺反子mRNA 多顺反子mRNA polycistronicmRNA 原核生物的一个mRNA分子带有几个结构基因的遗传信息 利用共同的启动子及终止信号 组成操纵子的基因表达调控单元 23 二 单顺反子mRNA monocistronicmRNA 真核生物的一个编码基因转录生成一个mRNA 24 二 基因的功能 1 遗传信息的储存2 基因复制 1 半保留复制 2 双向复制 3 不连续复制3 基因表达 1 转录 2 翻译 3 基因表达的调控 25 基因表达的调控 1 DNA水平的调控 甲基化 与组蛋白结合 染色质浓缩 2 转录水平的调控 顺式元件与反式元件的结合 3 转录后水平的调控 mRNA加帽子 加尾 剪接 4 翻译水平的调控 翻译起始区域 5 翻译后水平的调控 二硫键的形成 糖基化 C 末端酰胺化等 26 基因突变与疾病1 单基因疾病常染色体显性遗传常染色体隐形遗传X连锁显性遗传Y连锁隐性遗传Y隐性遗传2 线粒体遗传病 如Leber遗传性视神经病 特点 1 母系遗传 2 异质性3 多基因疾病由多对微效基因和环境因素双重影响所引起的一类疾病称为多基因疾病 27 基因诊断与治疗 1 基因诊断 在DNA或RNA水平对某些疾病相关基因进行分析 从而对疾病进行诊断 2 基因治疗 运用重组DNA技术 将正常基因导入有缺陷基因患者的细胞中 以替代或补偿缺陷基因 或抑制基因的过度表达 使细胞恢复正常功能 达到治疗目的 28 基因组 一个细胞或病毒的全部遗传信息 第二节基因组 一套完整的单倍体的遗传物质的总合 含有一种生物的一整套遗传信息的遗传物质 29 C值 C value 单倍体基因组中的全部DNA量 bp 30 一 病毒基因组 一 特点 基因组小有的是DNA 有的是RNARNA病毒基因组可由数条RNA组成存在重叠基因可形成多顺反子噬菌体基因是连续的 而真核细胞的病毒基因是不连续的 31 DNA病毒RNA病毒 二 基本结构 多数为双链 ds 环状或线性 多数为单链 ss 线性 32 三 RNA病毒基因组 类型特点代表种类 33 1 单股正链RNA病毒 SARS冠状病毒SARScoronavirus 34 单股正链RNA 不分节段 5 端有甲基化帽 3 端有poly A 结构 脊髓灰质炎病毒 鼻病毒 多数RNA噬菌体 冠状病毒 35 禽流感病毒 H5N1 avianinfluenzaAvirus 2 单股负链RNA病毒 36 单股负链RNA 8节段 均编码蛋白质 5 端由相同的13个核苷酸组成 3 端有12个保守的核苷酸序列 流感病毒 滤泡性口腔炎病毒 狂犬病毒 37 3 双链RNA病毒 内衣壳蛋白 外衣壳蛋白 38 正负双链RNA 10 12节段 每段编码一个蛋白质 呼肠孤病毒 轮状病毒 噬菌体 6 39 4 逆转录病毒 retrovirus 核心蛋白逆转录酶膜蛋白 poly A Cap 人类免疫缺陷病毒 HIV 40 单股正链RNA 有三个基本的结构基因 gag pol 逆转录酶 env 白血病病毒 肉瘤病毒 人类免疫缺陷病毒 5 端有甲基化帽 3 端有poly A 另有多个基因表达调控位点 41 四 DNA病毒基因组 类型特点代表种类 42 1 线性双链DNA病毒 早期蛋白 E 晚期蛋白 L 43 反向末端重复序列 invertedterminalrepeat ITR AT丰富区保守序列 ATAATATACCGC丰富区保守序列 GGGCGG TGACGT在病毒复制过程有重要作用 基因组 线性双链DNA 编码两大类蛋白早期蛋白 E 晚期蛋白 L 44 2 双链环状DNA病毒 衣壳蛋白 DNA复制 膜信号蛋白 组装与释放 中断细胞生长周期 上游调节区转录与复制 45 基因组 双链环状DNA 可分为早期区 E 晚期区 L 上游调节区 upstreamregulatoryregion URR 调节转录与复制 46 3 单链环状DNA病毒 47 乙型肝炎病毒 HBV 4 开环部分双链DNA病毒 48 乙型肝炎病毒 HBV HBeAg 开环部分双链DNA病毒 49 二 原核生物基因组 以大肠杆菌 Escherichiacoli 为例 50 原核基因组特点 1 仅由一条环状双链DNA组成2 结构基因与调控序列以操纵子形式出现 所转录的RNA为多顺反子3 基因组中重复序列少4 结构基因多为单拷贝5 基因是连续的6 编码序列一般不会重叠 51 类核 nucleoid 细菌染色体在细胞内形成的一个致密区域 大肠杆菌细胞结构 52 一 由一条环状双链DNA分子组成 通常只有一个DNA复制起点 C Value 4 6 106bp 大肠杆菌染色体DNA 53 二 结构基因大多组成操纵子 乳糖操纵子lacoperon galactosidase半乳糖苷酶z galactosidepermease透酶y galactosidetransacetylase半乳糖苷乙酰转移酶a 54 多个功能相关的结构基因成簇串联排列 与上游共同的调控区和下游转录终止信号组成的基因表达单位 操纵子operon 55 三 其它结构特点 C值 4 639 221bp基因数 4288基因大小 950bp gene基因间隔 118bp gene 1 基因密度非常高 编码区在基因组中所占比例大 2 结构基因没有内含子 多为单拷贝 rRNA基因为多拷贝 3 重复序列很少 重复片段为转座子 56 4 有编码同工酶的同基因 isogene 分支酸别构酶 ilvBNacetolactatesynthaseIilvIHacetolactatesynthaseIII 乙酰乳酸合酶 entCisochorismatesynthaseentBisochorismatase 57 5 不同的原核生物基因组的GC含量 GCcontent 变化很大 25 75 支原体 58 四 非编码区主要是调控序列 复制起始区 OriC 复制终止区 TerC 转录起动区转录终止区 59 复制起始区 OriC 60 大肠杆菌强启动子 TTGACTATAAT转录起始 61 终止子 强终止子 有反向重复顺序 可形成茎环结构 其后面为poly T 结构 转录终止无需 因子 GC丰富区 AT丰富区 62 五 具有转座现象 BarbaraMcClintock1902 1992 转座 或称移位 transposition 转座因子在基因组不同位置间的移动 63 1 转座因子的类别 转座酶 1 插入序列 insertionsequence Is 小于2000bp 只有转座相关基因 64 2 转座子 transposon Tn 2 20kb 常带有抗性基因等其它基因 氨苄青霉素抗性 四环素抗性 65 3 Mu噬菌体 Mu 66 切离是转座因子从原来位置上切除并转移到基因组新的位置 转座是转座因子复制出一个新拷贝转移到基因组新的位置 2 转座因子的遗传效应 供体DNA 转座子 受体DNA 复制和转座 新的DNA 切除和连接 67 转座的结果使靶点序列倍增 促使染色体畸变 68 引起插入突变 69 携带标志基因使受体增添新基因 氨苄青霉素抗性 四环素抗性 70 六 质粒 plasmid 质粒是存在于细菌染色体外的 具有自主复制能力的环状双链DNA分子 大小为2 3kb 71 质粒的特性 在宿主细胞内可自主复制 所携带的遗传信息能赋予宿主特定的遗传性状 细胞分裂时恒定地传给子代 质粒可以转移 72 三 真核生物基因组 73 一 真核基因组特点1 双链线状 且不止一条2 结构基因为断裂基因3 转录产物为单顺反子4 非编码序列远远多于编码区5 含大量重复序列和基因家族6 DNA末端有端粒结构7 有细胞器基因组 线粒体 叶绿体 74 人类基因组染色体 二 染色体DNA的组成 核小体 75 1 单一序列DNA uniquesequenceDNA 单一序列在人类基因组中大于50 结构基因主要存在于单一序列中 单拷贝DNA singlecopyDNA 76 2 高度重复序列DNA highlyrepetitiveDNA 重复次数 106次 77 1 卫星DNA存在于非编码区的串联重复序列 在基因组中约占5 78 a 大卫星 macro satellite DNA 重复单位5 10bp 其在人群中多态性不显著 79 b 小卫星 minisatellite DNA 重复单位9 24bp 呈高度多态性 可变数目串联重复序列 variablenumberoftandemrepeat VNTR 端粒DNA TTAGGG n 2 20kb 染色体复制 末端保护 核心序列GGGCAGGAXG 80 c 微卫星DNA macro satelliteDNA 短串联重复 shorttandemrepeat STR 重复单位2 6bp 常见为 AC n和 TG n 重复次数10 60次 总长度小于150bp 高度多态性 可作遗传标记 81 2 反向重复序列 5 AAACCACCGCTGGTAGCGGTGGTTT3 3 TTTGGTGGCGACCATCGCCACCAAA5 5 AAACCACCGCTAGCGGTGGTTT3 3 TTTGGTGGCGATCGCCACCAAA5 回文结构 两个顺序列相同的拷贝在DNA链上呈反向排列 在基因组中约占5 常见于基因调控区 82 3 中度重复序列 重复次数10 105 约占基因组的35 83 Alu家族 重复单位约300bp 由两个130bp重复序列及31bp间隔序列组成 重复30 50万次 散在分布 灵长类特有 84 三 基因组序列多态性 两个同源DNA序列