第三章基因组医学分子生物学ppt课件.ppt

1 第三节原核生物基因组 2 原核生物基因组通常比较简单 其基因组大小在0 6 105 支原体 到8 106 固氮菌 基因数目从几百 数千 一般来说 基因数目与其基因组大小呈正相关比例 3 一 原核生物基因组通常由环状双链DNA组成 原核生物基因组通常仅由一条环状DNA分子组成 在细胞中与蛋白质结合成复合体形式存在 细菌染色体DNA形成较致密的区域 类核结构 中央 RNA和支架蛋白 占20 外围 双链闭环超螺旋DNA 占80 花瓣状结构 4 二 操纵子结构是原核生物基因组的结构特点之一 操纵子 operon 定义 原核生物的绝大多数结构基因按功能相关性成簇串联排列于染色体上 连同其上游的调控区 包括启动子和操纵元件 以及下游的转录终止信号共同组成一个基因表达单位 即操纵子结构 5 1961年 Jacob和Monod提出 6 操纵元件 operator 是一段能够被不同基因表达调控蛋白识别和结合的DNA序列 是决定基因表达效率的关键元件 一个操纵子只含一个启动序列及数个可转录的结构基因 在同一启动序列控制下 转录出多顺反子mRNA 7 Promoter 启动子 是RNA聚合酶结合的区域 也是控制转录的关键部位 也称启动序列 基因开放时 几个基因转录在一条mRNA链上 分别翻译合成各自的蛋白肽链 操纵子的末端具有特殊的终止序列 原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子机制实现的 8 乳糖 Lac 操纵子 转录成一条mRNA链 编码3条多肽链 1 半乳糖苷酶 2 半乳糖苷透性酶 3 半乳糖苷乙酰化酶 9 操纵子 operon 的结构与功能 Inhibitorgene P S1 S2 S3 启动子 结构基因1 2 3 O 操纵基因 Promoter Operatorgene Structuregene 调控区 结构基因 操纵子 表达阻遏蛋白 转录起始部位结合RNA聚合酶 转录出mRNA 表达功能蛋白 I 阻遏物基因 信息区 控制区 管理操纵结构基因的 开放 与 关闭 可结合阻遏蛋白 10 三 原核生物基因组还具有一些结构上的特点 1 原核生物基因组中的基因密度非常高 基因组序列中编码区所占的比例较大 约为50 左右 2 基因组相对较小 只有一个DNA复制启始位点 OriC 3 结构基因无重叠现象 基因组中任何一段DNA不会用于编码2种蛋白质 4 结构基因是连续的 没有内含子 11 12 5 编码蛋白质的结构基因常为单拷贝 占99 7 但编码rRNA的基因往往是多拷贝的 这有利于核糖体的快速组装 6 基因组中重复序列很少 7 具有编码同工酶的基因 这是一类结构不完全相同 而功能相同的基因 如E coli含有2个编码乙酸乳酸合成酶的基因和2个编码分支酸变位酶同工酶的基因 8 不同的原核生物基因组中的GC含量变化很大 其范围从25 75 因此测量基因组的GC含量可以用来识别细菌种类 13 四 在原核生物基因组的非编码区内主要是一些调控序列 原核生物基因组DNA序列中有多个具有各种功能的识别区域 如复制起始区OriC 复制终止区TerC 转录启动区和终止区等 这些区域往往具有特殊序列 并且含有反向重复序列 大肠杆菌色氨酸操纵子 3 端含有40bp的GC丰富区 其后紧跟一个AT丰富区 此为转录终止子结构 14 强终止子 含有反向重复序列 可形成茎环结构 其后面有poly T 结构 不需终止蛋白 因子参与即可使转录终止 弱终止子 尽管也含有反向重复序列 但无poly T 结构 需要有终止蛋白 因子参与才能使转录终止 15 五 细菌基因组中的可移动成分能产生转座现象 转座 transposition 是指位于基因组某处的一个或一组基因复制出一个新拷贝转移到基因组的另一个位置上去 转座因子 transposableelement 能够在一个DNA分子内部或两个DNA分子之间移动的DNA片段 目前已发现多种转座因子 最简单的仍是最初发现的插入序列 P75 16 一 原核生物转座因子类别 1 插入序列 insertionsequence IS 长度在2000bp以内 是较小的转座因子 除了带有与转座作用有关的基因 转位酶基因 外不带任何基因 只有当它们转座到受体某一基因中使该基因失活和产生极性效应时才会被发现 有很多种 如IS1 768bp IS2 1327bp IS4 1428bp IS5 1195bp 等 P75 17 2 转座子 transposon Tn 长度在2000 20000bp之间的较大的转座因子 除了带有与转座作用有关的基因外 还带有其它基因 如Tn903 Tn5带有卡那霉素抗药基因 kanR Tn10带有四环素抗药基因 terR 转座子的共同结构特点是它们的两个末端具有反向重复序列 即一个末端序列为AGCT 那么另一个末端序列则为TCGA 若缺失任何一端 都会妨碍转座功能 P76 18 3 Mu噬菌体 Mu 是一种大肠杆菌的温和型噬菌体 它在溶原化细菌内能像转座子那样在细胞内DNA上不同位置间转移 没有一定的整合位置 Mu噬菌体因整合到寄主基因组内引起突变 所以用诱变者 mutator 的头两个字母命名 它具有20多个基因 只有其中的A B基因与转座有关 P76 19 二 转座因子的几个遗传效应 1 转座因子的转座不是本身的移动 而是由转座因子复制出一个新拷贝转移到基因组的新位置上去 原来的转座因子仍留在原来的位置上 2 新的转座因子转到靶点后 靶点序列会倍增成为两个靶点序列 并分别排列在转座因子的两侧 形成同向重复序列 这是转座因子转座后的一个重要标志 只要在一个DNA序列两侧有同向重复序列 就可以断定它是转座因子 3 在转座过程中能够形成共合体 P78 20 P77 21 4 转座因子转座后能促使染色体畸变 5 转座因子可以从原来位置上切除 称为切离 excision 切离与转座是两个不同的过程 转座因子转座后 原来位置上的转座因子并不消失 转座和切离过程对外界条件的反应不同6 转座可引起插入突变 7 由于携带标志基因 ampR terR smR 转座因子插入到受体基因组内 给受体基因组增添了新的基因 22 六 质粒DNA是具有自主复制能力的双链环状DNA 质粒 plasmid 的概念 是存在于细菌染色体外的 具有自主复制能力的核酸分子 属染色体外基因组 由于质粒带有某些特殊遗传信息 在宿主细胞内能自主复制 并在细胞分裂时恒定传给子代细胞 故能赋予宿主细胞一些新的遗传性状 可用于重组细菌的筛选和鉴定 23 质粒可以是DNA 也可以是RNA 环状或线性分子 RNA质粒有蛋白质外壳 多数细菌质粒是共价闭合环状DNA分子 covalentlyclosecircularDNA cccDNA 质粒的结构 24 cccDNA covalentclosedcircular 形成的超螺旋结构 scDNA 双链DNA中两条链都产生缺口 线性DNA L DNA 双链DNA中一条链产生缺口 开环DNA ocDNA 琼脂糖电泳时 泳动速度 环形双链DNA分子有三种构型 25 26 原核生物基因组结构与功能特点 1 基因组通常仅由一条环状双链DNA分子组成 具有类核结构 2 基因组相对较小 通常只有一个DNA复制启始位点 OriC 3 具有操纵子结构 原核生物的一个基因表达单位 其转录产物为多顺反子mRNA 4 结构基因编码序列无重叠现象5 基因组中存在着可移动的DNA序列 包括插入序列 转座子等 27 6 原核生物基因组中的基因密度非常高 基因组序列中编码区所占的比例较大 约为50 左右 非编码区内主要是一些调控序列 7 结构基因是连续的 没有内含子8 基因组中重复序列很少 编码蛋白质的结构基因常为单拷贝 占99 7 但编码rRNA的基因往往是多拷贝的 9 具有编码同工酶的同基因10 不同的原核生物基因组中的GC含量变化很大 其范围从25 75 因此测量基因组的GC含量可以用来识别细菌种类 28 第四节真核生物基因组 29 一 真核生物基因组远大于原核生物基因组 真核生物基因组复杂性体现在两个方面 具有复杂多样的结构形式 具有复杂精细的基因表达调控机制 真核生物基因组结构庞大 人类单倍体基因组DNA约3 3 109bp 约有3 3 5万个基因 大肠杆菌基因组只有4 6 106bp 30 二 真核生物基因组由染色体DNA和染色体外DNA组成 染色体DNA位于细胞核内 为线状 与组蛋白 非组蛋白结合成染色质 染色质组装在核内 外有核膜包裹 因此基因组的转录和翻译不能在同一空间进行 转录在细胞核 翻译在胞浆 31 线粒体DNA mitochondrialDNA mtDNA 闭合环状双链DNA分子 哺乳动物为16 5kb 酵母为80kb 每个细胞内mtDNA数目不同 所占比例通常仅为核内DNA的1 mtDNA结构紧凑 几乎没有重复序列 mtDNA上某些基因可以重叠 没有内含子 动物细胞的mtDNA编码2个rRNA 22个tRNA和多种酶的蛋白亚单位 32 三 真核生物基因组中非编码序列多于编码序列 真核基因组中非编码序列 non codingsequence NCS 占90 以上 人类基因组中 编码序列仅占3 左右 这是真核生物与细菌 病毒的重要区别 在一定程度上也是生物进化的标尺 非编码序列 约占DNA总量50 90 33 重复序列 编码序列 rRNA tRNA 组蛋白 免疫球蛋白的结构基因 非编码序列 与基因组稳定性 组织形式 基因表达调控有关 P16 34 根据重复序列出现的频率不同 P17 35 重复序列 反向重复序列 两个顺序相同的拷贝在DNA链上呈反向排列 两个反向排列的拷贝之间隔着一段间隔序列 两个拷贝反向串联在一起 中间没有间隔序列 又称为回文结构 串联重复序列 散在重复序列 编码区串联重复 人类5种组蛋白基因密集在7 0kb的重复单位上 具有高度序列一致性 非编码区串联重复 通常存在于间隔DNA和内含子内 可以从2个碱基起 长短不等 重复次数可以从几次到数百次 甚至几十万次 是形成卫星DNA的基础 P17 36 ATTAGCGCTAATTAATCGCGATTA回文结构 是指一段DNA顺序 在两条链上 顺序相同而取向相反的重复序列 37 AACATGTTGTAC AACATGTTGTAC A 38 卫星DNA satelliteDNA 是出现在非编码区的串联重复序列 具有固定的重复单位 该重复单位首尾相连形成重复序列片断 通常存在于间隔DNA和内含子中 卫星DNA根据核心顺序的长短可分为三类 大卫星DNA 小卫星DNA和微卫星DNA P16 39 如果DNA分子之间存在浮力密度的差异 在氯化铯密度梯度离心将会沉降于不同的位置 DNA的浮力密度 与其G C含量存在关系 1 660 0 00098 G C 经过密度梯度离心 高度重复序列DNA可以在基因组DNA的主带旁形成一条或多条小带 这取决于其G C含量及重复程度 故又称为卫星DNA或随机DNA 40 1 大卫星DNA macro satellite 又称经典卫星DNA 真核生物 例如 果蝇 基因组DNA片段经氯化铯密度梯度超离心后 在主带以外出现的3条卫星带 这是一部分碱基组成特殊而且高度重复的DNA P16 41 卫星DNA往往分布在染色体着丝粒周围和端粒的异染色质区中 42 SatelliteDNA 由于G C含量决定了它在密度梯度中的特定位置 如果不同组分DNA的G C含量差异超过5 便会出现不同的条带 43 2 小卫星DNA minisatelliteDNA 由中等大小串联重复序列组成 分布于所有染色体 高度可变的小卫星DNA 端粒DNA 重复单位9 24bp 重复次数变化很大 呈高度多态性 称为可变数目串联重复序列 VNTR 核心序列是GGGCAGGAXG 可能与DNA同源重组有关 重复序列 TTAGGG n组成的2 20kb的DNA区段 在染色体DNA复制 末端保护等方面起重要作用 P16 44 3 微卫星DNA micro satelliteDNA 又称为短串联重复序列 shorytandemrepeat STR 重复单位1 5bp 重复次数10 60 总长度通常小于150bp 分布于所有染色体 常见的是以 AC n和 TG n为重复单位 仅存在于内含子 间隔DNA序列中 也可存在于编码区 均为3个碱基组成的重复单位 微卫星DNA在人群中存在个体间的高度的遗传多态性 DNA指纹图谱 P16 45 46 Alu家族 是中度重复序列中研究最多的一种散在重复序列 在单倍体基因组中重复30万 50万次 重复单位约300bp 由2个130bp的重复单位组成 中间有31bp的间隔序列 因在170bp处有Alu的酶切位点 AG CT 而得名 Alu序列300bp两侧各有一段17 21bp的正向重复序列 类似于转座子的靶位点顺序 P17 47 48 Alu顺序之所以散在分布于整个基因组 可能是由于其转录形成的RNA分子在逆转录酶的作用下 产生cDNA 然后重新插入到基因组中 因此推测Alu序列可能是人类基因组DNA中的一种逆转座子 Alu序列是灵长类基因组特有的 可作为天然标记 Alu家族的功能尚不清楚 可能在hnRNA转录和加工中起作用 遗传重组及染色体不稳定性有关 人类质粒 humanplasmid 形成Z DNA P17 49 Kpn 家族 人类和灵长类DNA经Kpn 酶解后 产生4个片段 1 2 1 5 1 8 1 9kb 这些就被命名为Kpn 家族 人类基因组中的Kpn 序列约在3 6 也是散在分布的 功能尚不清楚 50 重复序列的多态性 限制性片段长度多态性的概念 restrictionfragmentlengthpolymorphism RFLP 用同一种限制性内切酶消化不同个体的同一段DNA时 由于碱基组成的变化而改变限制性内切酶识别位点 从而产生长度不同的DNA片段 这种方法称为限制性片段长度多态性技术 RFLP技术 P44 51 在高度重复序列中的无间隔反向重复序列很容易形成限制性内切酶识别位点 也很容易由于突变产生或失去一个酶切位点 造成RFPL 因而小卫星DNA和微卫星DNA具有很高的多态性 具有体细胞稳定性和种系稳定性 可以作为遗传标记 在疾病基因的检测 产前诊断 法医学鉴定等方面具有重要意义 52 四 多基因家族和假基因的存在是真核基因组的另一特点 一 多基因家族 多基因家族 multigenefamily 是指核苷酸序列或编码产物的结构具有一定程度同源性的一组基因 其编码产物常具有相似的功能 是真核生物基因组中最显著的特征之一 多基因家族属中度重复序列 是一组来源相同 结构相似 功能相关的基因 由同一祖先基因经过重复和变异所产生的一组基因 有的编码RNA 有的编码蛋白质 多基因家族按基因的终产物分为两类 一类编码RNA 一类编码蛋白质 P14 53 1 核酸序列相同实际上是一个基因的多次拷贝 成簇地排列在同一条染色体上 形成一个基因簇 包括rRNA基因家族 tRNA基因家族 组蛋白基因家族等 P15 54 Organizationofhistonegenesintheanimalgenome 果蝇 海胆 55 2 核酸序列高度同源多数成员的同源性非常高 珠蛋白基因家族由高度同源的几个基因成簇排列在同一条染色体上 人的生长激素基因家族 生长激素 GH 绒毛膜生长催乳激素 CS 催乳素 PRL 氨基酸序列同源性 85 mRNA序列同源性 92 氨基酸序列同源性 50 mRNA序列同源性 很低 P15 56 珠蛋白基因家族由高度同源的几个基因成簇排列在16号染色体短臂上 这些基因的表达具有红系组织特异性和不同发育阶段特异性 也有些基因在不同发育阶段进行表达 P15 57 3 编码产物的功能或功能区同源在某些基因家族的成员之间 基因全长序列的相似性可能较低 但其编码产物具有高度保守的功能区 src癌基因家族 基因结构无明显同源性 但每个基因产物都含有250AA序列的同源蛋白激酶结构域 DEAD盒基因家族 家族中含有几个不同的基因 其产物都有解旋酶的功能 结构特征是8个氨基酸的保守序列 内含DEAD盒序列 Asp Glu Ala Asp 58 4 基因超家族 基因超家族 genesuperfamily 也称超基因家族 supergenefamily 由多基因家族及单基因组成的更大的基因家族 它们的结构有程度不等的同源性 但它们的功能并不一定相同 这是与多基因家族的差别所在 这些基因在进化上也有亲缘关系 但较远 故将其称为基因超家族 最经典的是免疫球蛋白基因超家族 Ig超家族 P15 59 二 假基因 假基因 pseudogene 与某些有功能的基因结构相似 但不能表达基因产物的基因 序列与有功能的基因相似 但或者不能转录 或者转录后生成无功能的基因产物 假基因原来也可能是有功能的基因 其形成的原因可能是基因在进化过程中 发生突变所致 如缺失 倒位 点突变等 P16 60 假基因 传统假基因 由于突变 在编码区引入了终止密码子 从而引起功能缺失 加工的假基因 由插入了mRNA逆转录生成的cDNA而造成的假基因 它们不含内含子 大多数没有基因表达所需的调控区 61 真核生物基因组结构与功能特点 1 每一种真核生物都有一定的染色体数目 除配子为单倍体外 体细胞一般为双倍体 即含两份同源的基因组 2 真核生物基因组远大于原核生物基因组 结构复杂 基因数庞大 具有许多复制起始点 每个复制子大小不一 3 真核生物基因组由染色体DNA和染色体外DNA组成 4 真核基因组都由一个结构基因与相关的调控区组成 转录产物为单顺反子 62 5 真核基因组中含有大量重复顺序 6 真核基因组中非编码序列 non codingsequence NCS 占90 以上 7 真核生物的结构基因是断裂基因 splitgene 8 真核生物基因组中有假基因存在 9 功能相关的基因构成各种基因家族 它们可串联在一起 也可相距很远 分散在不同染色体上 即使串联在一起的基因也是分别转录的 63 第五节基因组变异具有重要的生理和病理意义 64 一 基因组在进化过程中发生了各种形式的变异 SNP singlenucleotidepolymorphism 定义 是指单个核苷酸变异而形成DNA分子多态即单核苷酸多态性 P43 65 SNPs可以位于基因编码区或非编码区SNPs发生的频率很高about1in1000basesto1in100to300bases SNPs可作为检测基因遗传变异的标记SNPs位于某基因的附近可作为该基因的基因标记位于基因编码区的SNPs会或不会改变蛋白质的结构 66 人SNP位点约有300万个之多 远多于其他的DNA多态性 是最具代表性的DNA多态性 一部分与个体的表型差异 对疾病的易感性或抵抗力 对药物的反应性相关 在疾病的诊断 治疗和预防中具有重要意义 67 SNP的分类 编码区SNP 非同义SNP 同义SNP 改变蛋白质的AA顺序 不改变蛋白质的AA顺序 基因周边区SNP 基因间SNP 70 80 20 30 68 SNP属于二等位DNA多态性 某位点要么是A 要么是B SNP的应用 基因组作图 亲子鉴定 法医鉴定疾病的连锁分析 群体遗传学进化生物学研究等 个体化医学和保健 69 二 染色体DNA变异可导致疾病的发生 结构基因突变导致蛋白质结构改变 影响功能结构基因或调控序列突变导致蛋白质合成量的变化 从而影响蛋白质总体活性非编码序列变异会导致某些疾病发生 70 三 线粒体基因病受到越来越多的重视 真核生物细胞器基因组特点 线粒体基因组 几乎所有真核生物都有 叶绿体基因组 能进行光合作用的真核生物都有 又称为染色体外基因组 多为环状DNA 具有多个拷贝 71 动物细胞线粒体DNA mtDNA 含37个编码基因 2个rRNA 22个tRNA 13种蛋白 目前发现mtDNA50多种点突变及200多种基因组重排与人类疾病相关线粒体基因病表现为母系遗传突变基因常仅影响部分mtDNA 存在异质性和阈值效应 72 mtDNA的基因表达同时受染色体DNA制约线粒体DNA编码基因排列紧密 无间隔区 部分区域存在重叠mtDNA突变频率较高 缺乏有效的修复系统及组蛋白的保护 73 人线粒体基因组 是独立于细胞核染色体外的另一基因组 能自主复制 编码其自身蛋白质合成体系的某些成员 tRNA rRNA 及呼吸链的某些成员 其他成员由核基因组编码闭环双链DNA分子基因密度大 无内含子母系遗传损伤后不易修复 74 四 易感基因与环境的相互作用 环境基因组学 theEnvironmentalGenomePrject EGP 其目的在于阐明不同个体对环境因素易感性的差异以及这些差异是如何形成和变化的 其主要内容是鉴定与环境相关疾病易感基因的等位多态性 allelicpolymorphism 及建立这些基因多态性的中心数据库 75 第六节基因组学是20世纪末发展起来的一门科学 76 基因组学 genomics 定义 是旨在阐明基因组结构 结构与功能的关系以及基因与基因之间的相互作用的科学 研究内容 结构基因组学structuregenomics功能基因组学functionalgenomics比较基因组学comparativegenomics 77 人类基因组的四张图谱 遗传图geneticmap物理图physicalmapDNA序列图DNAsequencing转录图transcriptionalmap 人类基因组计划的完成向人们提出了更高的挑战 78 介绍几种基因 NR2B基因 聪明基因 管家基因 housekeepinggene 胸腺素原 基因 prothymosinalphagene 肥胖ob基因 自杀基因 79 NR2B基因 聪明基因 美国普林斯顿大学美籍华裔生物学家钱卓 利用基因克隆方法培育出一批 杜奇 鼠 鼠脑注入NR2B基因 鼠变聪明 记忆力成倍提高 走迷宫能力增强 NR2B基因能引导产生NMDA 这是一种神经递质 位于脑神经树突的末梢 是控制脑部神经的关键 也是记忆能力的核心 午后记忆力差就是NMDA减少所致 此成果有利于研发治疗老年痴呆症的新药 此发现被科学家称为 为人类神秘而黑暗的大脑活动开启了一扇天窗 80 管家基因 house keepinggene 某些基因产物对生命全过程都是必需的 这些基因在一个生物体的几乎所有细胞中持续表达 通常被称为 管家基因 由于这类基因表达变化很小 所以又称为组成性表达 如 三羧酸循环是一枢纽性代谢途径 催化该途