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第二章基因组与基因组学 第一节原核生物基因组 第二章基因与基因组 第二节真核生物基因组 第三节人类基因组与人类基因组计划 第二章基因组与基因组学 第二章基因组与基因组学 两个重要概念 基因 gene 是贮存有功能的蛋白质多肽链信息 rna序列信息及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列 是遗传的基本功能单位 基因组 genome 是指细胞或生物体中一套完整单倍体的遗传物质的总和 一个细胞或一种生物体的整套遗传物质 第一节原核生物基因组 一 原核生物基因组特征 二 质粒 三 转座因子 一 原核生物基因组特征 1 原核生物基因组dna较小 一般在106 107bp之间基因数目较少 约含3500个基因2 原核生物的基因组dna位于细胞中央区 与支架蛋白质与rna结合在一起 以一定的组织形式盘曲 折叠成为致密区域 成为类核 nucleoid 一 原核生物基因组特征 一 原核生物基因组特征 3 存在操纵子结构操纵子结构是原核生物基因组的功能单位原核生物功能相关的结构基因串联在一起 连同其上游的调控区 包括调节基因 启动基因和操纵基因 以及下游的转录终止信号 共同组成了一个基因表达单位 即操纵子 operon 结构 一 原核生物基因组特征 一 原核生物基因组特征 4 原核生物的结构基因是连续的 没有内含子5 多数是单拷贝基因 只有编码rrna和trna的基因有多个拷贝 有利于核糖体的快速组装和蛋白质的急需合成 6 原核生物结构基因的编码顺序一般不重叠 一 原核生物基因组特征 什么是基因重叠 geneoverlapping 基因组dna中某些序列被两个或两个以上的基因所共用 基因重叠现象在病毒基因组中普遍存在 二 质粒 1 什么是质粒 plasmid 细菌细胞染色体以外 能独立复制并稳定遗传的共价闭合环状分子 2 质粒命名的原则 puc118 plasmid 编号 发现者名字 二 质粒 3 质粒的分类复制机制严紧型松弛型功能f质粒r质粒col质粒转移方式接合型可移动型自传递型大小小型 1 5kb 15kb 大型 60kb 120kb 宿主范围窄宿主谱型广宿主谱型 二 质粒 4 质粒的结构三种构型 共价闭环dna分子半开环dna分子线性dna分子可嵌入某些染料 溴化乙锭 具有较强的抗切割和抗变性的能力 二 质粒 二 质粒 二 质粒 5 质粒的生物学特征对于细菌的生存并不是必要的质粒的可转移性能在细胞内自主复制 质粒的标记质粒的不相容性 1 什么是转座因子 又称转座元件 transposableelement 是一类在细菌染色体 质粒或噬菌体之间自行移动并具有转位特性的独立的dna序列 2 转座因子的分类 三 转座因子 2 转座因子分类 插入序列 insertionsequence is 一个转位酶基因两侧的反向重复序列 长度为700bp 2kb 转座子 transposon tn 具有转座酶基因 抗性基因 大小为4 5kb 20kb 可转座的噬菌体 transposablephage 具有转座功能的温和噬菌体 能整合到宿主基因组内 3 转座子的遗传效应 引起突变 引入新基因 基因重排 三 转座因子 第二节真核生物基因组 第二节真核生物基因组 一 细胞核基因组及其特点 二 细胞质基因组及其特点 一 细胞核基因组及其特点 二 不存在操纵子结构 三 基因不连续性 断裂基因 四 存在大量重复序列 五 存在基因家族与假基因 六 基因组多态性 一 真核生物基因组庞大 细胞核基因组的dna与蛋白质结合形成染色质 一 细胞核基因组及其特点 一 细胞核基因组及其特点 一个结构基因经过转录生成一个mrna分子 翻译成一条多肽链真核细胞结构基因转录产物为单顺反子 monocistron 二 不存在操纵子结构 一 细胞核基因组及其特点 真核细胞的基因为断裂基因 splitgene 内含子 基因组的非编码序列 不编码具有生物活性的蛋白质或多肽外显子 基因组的编码序列 在mrna成熟过程中切去内含子后拼接成完整的序列 成为成熟的mrna指导蛋白质的生物合成 三 基因不连续性 断裂基因 一 细胞核基因组及其特点 一 细胞核基因组及其特点 同时还存在间隔区dna spacerdna 真核生物基因之间的编码空白区或转录空白区 一般位于单拷贝的结构基因之侧翼 基因组愈大 间隔区dna所占的比例愈高 四 存在大量重复序列 1 高度重复序列 2 中度重复序列 3 低度重复序列 一 细胞核基因组及其特点 1 高度重复序列 分为反向 反转 重复序列与卫星dna重复频率可达106以上在基因组中所占比例随种属而异 约占10 60 在人类基因组中约占20 四 大量的重复序列 四 大量的重复序列 反向重复序列 四 大量的重复序列 卫星dna satellitedna 一般由2 10bp组成 成串排列碱基序列不同于其他部份 等密度梯度离心可将其与主体dna分开微卫星dna又称简单串联重复序列 str 高度重复顺序的功能 参与复制水平的调节 参与基因表达的调控 与染色体减数分裂时染色体配对有关 四 大量的重复序列 2 中度重复序列 重复数十 数万次 105 短分散重复片段平均长度约为300bp 500bp 拷贝数可达10万左右 如alu家族 hinf家长分散重复片段平均长度为3500bp 5000bp大多不编码蛋白质 有些中度重复序列编码蛋白质或rrna的结构基因 如hla基因 rrna基因 trna基因 组蛋白 四 大量的重复序列 3 低度重复序列 在单倍体基因组中只出现一次或数次在基因组中占50 80 意义 储存巨大的遗传信息 编码各种不同功能的蛋白质 四 大量的重复序列 五 存在基因家族与假基因 多基因家族 multigenefamily 由某一祖先基因经过重复和变异所产生的一组基因 假基因 pseudogene 多基因家族中不产生有功能的基因产物的某些成员 六 基因组多态性 2 单核苷酸多态性 singlenucleotidepolymorphism snp 1 限制性片段长度多态性 restrictionfragmentlengthpolymorphism rflp 一 细胞核基因组及其特点 1 限制性片段长度多态性多态性出现在限制性核酸内切酶的酶切位点序列中 用某个内切酶水解基因组的某段序列时 在同种的不同个体之间该段序列可能被酶解成长短不等的几个dna片段 一 细胞核基因组及其特点 一 细胞核基因组及其特点 2 单核苷酸多态性是由基因组dna上单个核苷酸的变异引起的dna序列多态性 人群中个体差异最具代表性的dna多态性人类基因组中每1kb就有一个snp位点 共约300万个 二 细胞质基因组及其特点 了解 自学 两类细胞器能够携带遗传物质 线粒体和叶绿体 称为细胞器基因组这些遗传物质独立于细胞核基因组外自行复制和表达 又称为染色体外基因组 叶绿体基因组只存在于绿色植物中线粒体基因组存在于几乎所有的真核生物中 二 细胞质基因组及其特点 线粒体基因组dna mitochondrialdna mtdna 双链环状超螺旋分子人类mtdna由16569bp组成编码 12srrna 16srrna22种trna13条与细胞氧化磷酸化有关的多肽链 第三节人类基因组与人类基因组计划 第三节人类基因组与人类基因组计划 一 人类基因组 二 人类基因组计划 一 人类基因组 人类基因组包括细胞核内的核基因组和细胞质内的线粒体基因组正常体细胞 二倍体 基因组包括二个核基因组和多个线粒体基因组 人类核基因组包括24条染色体 3 109bp 3 4万个基因 各个基因的大小差异很大 从数百个bp到数百个kb不等 基因组含重复序列 大多为非编码 与编码序列相间排列每个结构基因都有单独的调控序列 一 人类基因组 二 人类基因组计划 humangenomeproject hgp hgp也称人类基因测序计划 最终目标是完成对人的基因组的所有碱基序列的测定 阐明人体中全部基因的位置 结构 功能 表达 调控方式及致病突变的全部信息 基本任务是完成遗传图 物理图 序列图和转录图 二 人类基因组计划 humangenomeproject hgp 一 人类基因组计划的启动 二 人类基因组计划的内容 三 人类基因组计划的延伸 后基因组计划 20世纪人类科技发展史上的三大创举 90年代人类基因组计划 40年代第一颗原子弹爆炸 60年代人类首次登上月球 一 人类基因组计划的启动 r 杜尔贝科 沃森 一 人类基因组计划的启动 1989年美国国立卫生研究院成立了人类染色体研究中心 沃森出任第一任主任 1990年美国国会批准了 人类基因组计划 并于10月1日正式启动 美国承担了全部任务的54 英国33 日本7 法国2 8 德国2 2 中国在hgp中的贡献 1999年9月起 我国承担了人类基因组1 的测序任务2001年8月26日 人类基因组 中国卷 的绘制工作宣告完成 人类基因组计划进展 2003年4月14日 中 美 日 德 法 英等6国科学家宣布人类基因组序列图绘制成功 人类基因组计划的所有目标全部实现已完成的序列图覆盖人类基因组的99 精确率达到99 99 进度比原计划提前两年多2004年10月 公布人类基因组完成图 二 人类基因组计划 二 人类基因组计划的内容 1 遗传图 2 物理图 3 序列图 4 基因图 二 人类基因组计划的内容 1 遗传图 指基因或dna标记在染色体上的相对位置与遗传距离 dna遗传标志第一代rflp第二代微卫星str第三代snp 二 人类基因组计划内容 2 物理图以已知核苷酸序列的dna片段 序列标签位点 sequence taggedsite sts 为 路标 以碱基对作为基本测量单位 图距 的基因组图 测定人类基因组dna分子的物理长度描述dna分子两个位点或染色体两个位标之间的实际距离 基本原理 人类基因组dna 打碎 拼接图距 以mb kb作为图距 平均图距100kb路标 以dna探针的sts序列为路标 二 人类基因组计划内容 二 人类基因组计划内容 3 序列图把庞大的基因组分成若干有路标的区域后 进行测序分析 是最详尽的物理图 既包括可转录序列 也包括非转录序列 是转录序列 调节序列和功能未知序列的总和 二 人类基因组计划内容 4 基因图以est expressedsequencetag 表达序列标签 为标记 根据转录顺序的位置和距离绘制的图谱 内容 鉴别全部基因的位置 结构与功能人类基因组计划已经确定人类3万多个基因在23对染色体上的位置及其碱基排列顺序 三 人类基因组计划的延伸 后基因组计划 序列所起的作用是什么 具有哪一些功能 生命的整体现象是如何形成的 研究的重心将转向基因功能 从分子整体水平对生物学功能进行研究 在分子层面探索人类健康和疾病的奥秘 生物信息学 应用计算机技术研究生物信息的一门新生学科将生物遗传密码与电脑信息结合 分析核酸 蛋白质等生物大分子的序列 揭示遗传信息通过查询 搜索 比较 分析生物信息