第五章-真核生物基因组结构.ppt

18:38,1,第五章真核生物的基因组结构,18:38,2,真核生物基因组大，线状与组蛋白结合线粒体/叶绿体单顺反子断裂基因splitgene无重叠基因含大量非编码DNA大量重复序列,原核生物基因组小,环状裸露DNA质粒plasmid操纵子operon，多顺反子基因是连续的有重叠基因大部分序列都为编码序列重复序列不多（单拷贝）,18:38,3,18:38,4,一、真核基因组结构特点,真核基因组结构庞大3109bp、染色质、核膜单顺反子基因不连续性断裂基因（interruptedgene）、内含子(intron)、外显子(exon)非编码区较多多于编码序列(9:1)含有大量重复序列,第一节真核基因组的组成,18:38,5,二、真核细胞与原核细胞在基因转录、翻译及DNA的空间结构方面存在以下几个方面的差异,18:38,6,在真核细胞中，一条成熟的mRNA链只能翻译出一条多肽链，很少存在原核生物中常见的多基因操纵子形式。,真核细胞DNA与组蛋白和大量非组蛋白相结合，只有一小部分DNA是裸露的。,18:38,7,高等真核细胞DNA中很大部分是不转录的，大部分真核细胞的基因中间还存在不被翻译的内含子。,真核生物能够有序地根据生长发育阶段的需要进行DNA片段重排，还能在需要时增加细胞内某些基因的拷贝数。,18:38,8,在真核生物中，基因转录的调节区相对较大，它们可能远离启动子达几百个甚至上千个碱基对，这些调节区一般通过改变整个所控制基因5上游区DNA构型来影响它与RNA聚合酶的结合能力。在原核生物中，转录的调节区都很小，大都位于启动子上游不远处，调控蛋白结合到调节位点上可直接促进或抑制RNA聚合酶与它的结合。,18:38,9,真核生物的RNA在细胞核中合成，只有经转运穿过核膜，到达细胞质后，才能被翻译成蛋白质，原核生物中不存在这样严格的空间间隔。,许多真核生物的基因只有经过复杂的成熟和剪接过程，才能顺利地翻译成蛋白质。,18:38,10,三基因组与C值,基因组(genome)：一个物种单倍体的染色体所携带的一整套基因称为该物种的基因组。,18:38,11,基因组是指遗传物质的总量，可以用C值表示。C值（Cvalue）：一个单倍体基因组的全部DNA含量。对于特定物种，C值是恒定的。,18:38,12,C值矛盾(C-valueparadox),具体表现：与预期的编码蛋白质的基因数量相比，基因组的含量过多，为什么？一些物种之间的复杂性变化范围并不大，但值却有很大的变化范围。对于不同物种，C值差异较大。C值的大小与物种的结构组成和功能的复杂性没有严格的对应关系，这种现象称为C值矛盾。,18:38,13,四基因的数量,差别很大,18:38,14,真核生物序列特征,（一）单一顺序(nonrepetitive)：又称非重复序列，在一个基因组中只有一个拷贝，原核生物基因多数是单拷贝基因。（二）重复顺序(repetitive)：基因组中有多个拷贝，重复程度不同，真核生物的一些基因中，常含有大量的重复序列。原核基因多数是单一顺序（unique-sequences），仅有少量的重复顺序。真核基因组含少量单一顺序和大量重复顺序,18:38,15,短片段的重复序列按重复方式不同可分为三种类型：（1）正向重复(directrepeats)：同一阅读方向上的重复；（2）反向重复(invertedrepeats)：反方向上的重复；（3）回文顺序(Palindromicsequence)：倒转重复，反转对称。5GTGAGCTCAC33CACTCGAGTG5,18:38,16,按重复程度不同可分为三种类型：,轻度重复序列（lightrepetitive）：在一个基因组中有210个拷贝，如组蛋白基因和酵母tRNA基因；中度重复序列（moderatelyrepetitive）：有10至几百个拷贝，一般是不编码的序列，可能参与基因调控；高度重复序列（highlyrepetitive）：有几百个到几百万个拷贝，如rRNA基因和某些tRNA基因。,18:38,17,高度重复序列,卫星DNA(satelliteDNA)：有些高度重复DNA序列的碱基组成和浮力密度同主体DNA有区别，在浮力密度梯度离心时，可形成不同于主体DNA的卫星带，称之为卫星DNA。卫星DNA：由长串联重复序列组成，一般对应于染色体上的异染区域。卫星DNA小卫星DNA：由中等大小的串联重复序列组成，位于靠近染色体末端的区域。微卫星DNA：由更简单的重复单位组成的小序列，分散于基因组中。,18:38,18,利用复性动力学鉴定基因组序列,零时复性序列快速复性序列中速复性序列慢速复性序列,18:38,19,细胞器基因组,线粒体叶绿体,18:38,20,第二节断裂基因,在真核生物基因组中，一个基因的编码序列在DNA分子上是不连续的，被非编码序列所隔开，称为断裂基因或不连续基因。,18:38,21,GC框：调节转录活动。,CAAT框,增强子,尾部区,结构基因,转录单位,非编码区,调控区,外显子：具有编码意义,内含子：无编码意义（5GT、3AG；GT-AG法则）,前导区,启动子,终止子,TATA框,mRNA裂解信号,回文结构,18:38,22,Interruptedgene,18:38,23,外显子(Exon)：真核细胞基因DNA中的编码序列，这些序列被转录成RNA并进而翻译为蛋白质。内含子(Intron)：真核细胞基因DNA中的间插序列，这些序列被转录成RNA，但随即被剪除而不翻译。,18:38,24,18:38,25,外显子(Exon),具有保守序列对应基因的功能性单位不同基因存在相关的外显子,18:38,26,内含子(Intron),相位类型GT-AC,18:38,27,外显子与内含子的连接区序列很短，高度保守，是RNA剪接的信号序列5GTAG3,内含子(Intron),18:38,28,特点1.不具有序列特异性2.保守性3.决定基因的长度4.相对性,内含子(Intron),18:38,29,选择性剪接：同一基因的转录产物由于不同的剪接方式形成不同mRNA。,内含子(Intron),18:38,30,18:38,31,起源存在的意义与进化的关系,内含子(Intron),18:38,32,假基因,第三节基因家族和基因簇,是基因组中因突变而失活的基因，无蛋白质产物。一般是启动子出现问题。,18:38,33,基因家族和基因簇,基因家族（genefamily）：是真核生物基因组中来源相同，结构相似，功能相关的一组基因。其中大部分有功能的家族成员之间相似程度高，个别成员间的差异程度大；基因家族各成员在染色体上的分布是不同的，一些成簇分布（clusteredgenefamily）；一些广泛分布，分散在不同的染色体上,18:38,34,基因家族,经过重复和变异所产生的一组基因。,如血红蛋白基因家族。,18:38,35,基因簇（genecluster）：基因家族的各成员紧密成簇排列成大段的串联重复单位，在同一条染色体的特定区域，相对集中。基因簇内各序列间的同源性大于基因簇间的序列同源性；如组蛋白基因家族就成簇地集中在第7号染色体长臂3区2带到3区6带区域内；,18:38,36,高度重复序列,卫星DNA(satelliteDNA)：有些高度重复DNA序列的碱基组成和浮力密度同主体DNA有区别，在浮力密度梯度离心时，可形成不同于主体DNA的卫星带，称之为卫星DNA。卫星DNA：由长串联重复序列组成，一般对应于染色体上的异染区域。卫星DNA小卫星DNA：由中等大小的串联重复序列组成，位于靠近染色体末端的区域。微卫星DNA：由更简单的重复单位组成的小序列，分散于基因组中。,18:38,37,第四节真核基因组的包装,包装比(packingratio):用以描述DNA的浓缩程度，即DNA的原始长度除以包装后的长度。如人类最小的染色体（Y）：DNA拉直约为1.4cm，在有丝分裂最致密状态下，这条染色体长度约为2m，因此包装比可以大到7000。,18:38,38,真核生物基因组的包装,DNA核小体染色质染色体,18:38,39,染色体,基本组成单位：核小体（基本结构单位）基本形态：条状、纺锤状、哑铃状等主要结构：染色体臂、着丝粒、染色粒端粒等基本功能：携带遗传信息，控制遗传性状,一、染色质的结构单位,18:38,40,真核生物染色体的组成,18:38,41,DNA（28%）RNA（6%）非组蛋白Pr（66%）组蛋白,染色体,染色体的化学组成,18:38,42,核小体的概念,核小体(nucleosome)：染色质的基本结构亚基，由约200bp的DNA和约等量的组蛋白所组成。,18:38,43,当分裂间期的细胞核悬浮于低离子强度的溶液中时，它们膨胀破裂，释放出染色质纤维（电镜图）,染色质是一串核小体,18:38,44,核小体的结构组成,每个核小体含有约200bp的DNA，核心组蛋白H2A、H2B、H3和H4各2份拷贝，1份拷贝的H1组蛋白位于核小体外侧。微球菌核酸酶(micrococcalnuclease)处理染色体可得到单个核小体。,18:38,45,18:38,46,18:38,47,18:38,48,二、染色质的高级结构模型,DNA链（缩短7倍）核小体（缩短6倍）螺线管（缩短40倍）超级螺线管（缩短5倍）染色体,18:38,49,染色体的四级结构,串珠模型一级结构,螺线管二级结构,超螺线管三级结构,染色体四级结构,从染色质到染色体,18:38,50,18:38,51,真核生物染色体DNA组装不同层次的结构,DNA（2nm）,核小体链（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）,18:38,52,染色质(chromatin)：是指细胞周期间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白和少量RNA组成的复合结构，因其易被碱性染料染色而得名。染色体(chromosome)：是指在细胞分裂期出现的一种能被碱性染料强烈染色，并具有一定形态、结构特征的物体。携带很多基因的分离单位。只有在细胞分裂中才可见的形态单位。,染色质和染色体的概念,18:38,53,三、染色质的分类,常染色质(euchromatin)（间期纤丝的包装密度度比分裂期染色体的要小很多）异染色质(heterochromatin)（间期纤丝染色质区的包装密度十分致密，可与有丝分裂期染色体相比）组成型异染色质(constitutiveheterochromatin)兼性异染色质(facultativeheterochromatin),18:38,54,组成型异染色质的普遍特征,它是持久压缩的；它常由不被转录的少数DNA序列的多份重复拷贝组成；与常染色质相比，这些区域的基因密度非常低，易位进入或靠近该区的基因通常是失活的；也许由于它的压缩状态造成了在S期的晚期才被复制，并且具有相对较低的遗传重组频率。,18:38,55,核骨架核骨架结合元件,四、核骨架与核骨架结合元件,18:38,56,着丝点,染色单体,短臂,长臂,随体,亚中着丝粒染色体,中着丝粒染色体,近端着丝粒染色体,端着丝粒染色体,染色体结构与类型：,五、染色体,18:38,57,着丝粒（又叫主缢痕）是染色体最显著的特征，碱性染料着色浅，且表现缢缩，它将染色体分成两个臂（长臂q和短臂p）。功能：把两个姐妹染色单体结合在一起。是纺锤丝附着于染色体的位点根据长臂和短臂的比值将染色体分成4类型：,18:38,58,次缢痕和随体和NOR,除主缢痕外，在染色体上还有其他的浅染缢缩部位称为次缢痕。它的外侧称为随体。核仁组织区（nucleolarorganizingregion，NOR）位于染色体的次缢痕部位，与核仁形成有关。用硝酸银染色可以使其特异性着色（AgNOR）。,18:38,59,端粒（telomere）的功能,保持染色体的稳定使线形DNA的顺利复制影响染色体的行为可能控制细胞的寿命和核骨架的组成有关,18:38,60,),人类基因组的23对染色体,18:38,61,核型分析与染色体显带,核型（karyotype）指染色体在有丝分裂中期的表型，包括染色体的数目、大小、形态特征等。核型分析对生物染色体进行配对、分组、编号等分析的过程。用途：可以诊断由于染色体异常引起的遗传病、研究亲缘关系、探讨物种进化等。,18:38,62,染色体显带技术（1970年发现）,用物理、化学因素处理染色体标本,再用染料对染色体进行分化染色,使染色体上呈现出特定的深浅不同宽窄不一的稳定带纹。染色体带型G带C带Q带T带N带R带,18:38,63,特殊染色体,灯刷染色体多线染色体,18:38,64,第五节重要模式生物的基因组计划,酿酒酵母基因组结构秀