真核生物基因组结构演示课件

1、1,第四章 真核生物基因组结构,2,第一节 真核生物基因组的组成,3,C值（C-value）：一个物种单倍体基因组的DNA含量，通常称为该物种的C值。 每个物种的C值是相对恒定的，不同物种的C值差异极大。 一般随着生物结构和功能复杂程度的增加而C值增大，即：生物细胞中的C值具有从低等生物到高等生物逐渐增加的趋势。,一、真核生物基因组的大小,4,5,低等动物的C值大于高等动物 如：两栖类的C值大于哺乳类 肺鱼的C值比哺乳动物大1015倍,同一门中的动物C值变化很大 如：两栖类中的C值变化很大，可相差100倍 家蝇的比果蝇的大6倍,指 C值与生物进化复杂性之间不相对应的现象，也叫 C值反常理论。,

2、说明真核生物基因组中许多的DNA序列不编码蛋白质。,表现：, C值悖理理论（C-value paradox),6,植物 鸟类 哺乳动物 爬行动物 两栖动物 硬骨鱼 软骨鱼 棘皮动物 甲壳动物 昆虫 软体动物 蠕虫 霉菌 藻类 真菌 格兰氏阳性菌 格兰氏阴性菌 支原体,阴影部分为一个门内C-值的范围,7,二、真核生物基因组的基因数量,不同物种编码基因差别很大，从500个到50000个，有100倍的差距。 真核生物的基因数量通常在6000到50000之间。 人的基因组的全长为大约3 X 109对碱基，编码 3-4万个基因； 但某些寄生的真核生物，如脑微孢子虫，基因数量可能不超过3000个，比很多细

3、菌的基因数量还少。,8,其中，C是单链DNA在t时刻的浓度。,k复性速度常数,三、真核生物基因组的非重复序列和重复序列,DNA复性动力学 DNA的复性过程遵循二级反应动力学。,DNA复性过程中复性的速度用公式表示： dC/dt= -kC02,9,对上式积分后重排，得出复性动力学方程： CC01（1 k C0t）,C0为单链DNA的起始浓度，C为单链DNA在t时刻的浓度，单位mol/L。 t为复性时间,单位为s（秒）。重组速率常数k的单位为L/mol，取决于阳离子的浓度、温度、片段大小和DNA序列的复杂性。,当 C/ C0 = 1/2 时的C0t值定义为C0t1/2,C / C0 = 1/2 =

4、 1 / (1+ k C0t(1/2),即复性反应完成一半时,10,在控制反应条件（初始浓度、温度、离子强度、片段大小）相同的前提下，DNA分子的C0t (1/2)值，取决于核苷酸的排列复杂性。 DNA序列的复杂度(complexity) X：最长的没有重复序列的核苷酸对的数值。,AAAAAAAA X = 1,ATCGATCGATCG X = 4 N= 105 X = 105,DNA序列的复杂性、初始浓度、片段大小、温度、离子强度,DNA复性的影响因素：,X= k Cot1/2,11,相同核苷酸数量的DNA，复杂性小的DNA分子复性快，Cot (1/2)值小；复杂性大的DNA分子复性慢，Cot

5、 (1/2) 大。 Cot曲线：表示复性速度与DNA顺序复杂性的关系。,12,Cot曲线,13,2.利用复性动力学鉴定基因组序列,14,原核生物Cot曲线的特点： 形状相似（跨越2-3个数量级），Cot（12）不相同 单一序列，只是复杂性不同。,15,复杂性X 1,不同原核生物的Cot曲线,复性分数（1-c/c0）,Cot,16,P74图16,真核生物DNA复性曲线的模式图 复性反应分为三相，每相代表不同复杂长度的序列类型,17,根据复性动力学特征的不同，将真核生物DNA序列分为4类： 零时复性序列 快速复性序列 中速复性序列 慢速复性序列,18,1）零时复性序列： 具有反向重复结构（也称回文

6、结构），可在同一条链内形成双链区，变性后再复性时，在链间复性之前就已发生链内复性，因此不遵循二级反应动力学方程。由于这种序列的复性速度非常快，在动力学上称为零时（或瞬时）复性序列。 DNA复性后可出现发卡形结构。这种序列常常是DNA复制酶、转录酶以及特异蛋白质的结合部位。,19,2）快速复性序列： 也叫高度重复序列（Highly repetitive sequence）,大部分集中于异染色质区 ，特别是在着丝粒和端粒区，往往没有转录功能 。,占基因组的10-60%,长度6 200bp ，重复次数在105以上。,20,P74图16,真核生物DNA复性曲线的模式图 复性反应分为三相，每相代表不同复

7、杂长度的序列类型,21,3）中速复性序列：,基因组中重复次数105的重复顺序,重复单位平均长度约300bp; 复性速度快于单拷贝顺序，慢于高度重复顺序。 多与单拷贝基因间隔排列。 多为非编码序列，如Alu序列 也有编码基因产物的，如rDNA、tDNA、组蛋白基因家族, 一般往往以基因家族的形式存在。,也叫中度重复序列(moderate repetitive sequences),22,Alu family（Alu 家族）： 长约300bp的片段，大多数片段含有一个限制性内切酶Alu的酶切位点（AGCT）; 均匀分散在整个基因组中的非重复序列间; 在人类基因组中占1 3;,23,4）慢速复性序列

8、： C0t1/2一般在103mol.s/L以上，复性速度极慢，在一个基因组中只有一个拷贝或23个拷贝，也称非重复序列（单一序列、单拷贝序列）。 结构基因 (蛋白质基因)大多是单拷贝序列。,24,P74图16,真核生物DNA复性曲线的模式图 复性反应分为三相，每相代表不同复杂长度的序列类型,25,大部分结构基因位于非重复的DNA序列内,26,第二节 断裂基因（split gene） 不连续基因（interrupted gene）,编码某一RNA的基因中有些序列并不出现在成熟的RNA序列中，成熟RNA的序列在基因中被其他的序列隔开。,一、断裂基因由外显子和内含子组成 1、断裂基因的发现, 通过成熟

9、mRNA（或cDNA）与编码基因的DNA杂交试验而发现。,27,鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图,DNA,mRNA,28,断裂基因由外显子和内含子组成。 1978 Gilbert 首创这两个概念,二、外显子(外元、 Exon),DNA 与成熟RNA间的对应区域,氨基酸的编码区（amino acid coding region）,非间隔区（unspacer）,原初转录物中通过RNA拼接反应而保留于成熟RNA中的序列或基因中与成熟RNA序列相对应的DNA序列。,2.断裂基因的结构,29,1.外显子具有保守的序列,不同物种中的同源基因的外显子序列通常是保守的。尤其是编码区内的外显子具有很强的

10、保守性，但处于5和3非编码区的外显子有时会发生变化。,2.外显子对应基因的功能性单位,外显子与蛋白质的结构域相对应。,3.不同基因可能存在相关的外显子,不同基因中的某个或某几个外显子可能具有相关性。,30,三、内含子(内元 、 Intron),DNA 与成熟RNA间的非对应区域,氨基酸的非编码区（uncoding region）,间隔区（spacer） 但被转录,原初转录物中通过RNA拼接反应而被去除的RNA序列或基因中与这种RNA序列相对应的DNA序列。,R环（R-loop）：mRNA与编码单链DNA杂交时，不互补的内含子部分形成的环。,31,鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图,DNA

11、,mRNA,32,断裂基因,前体mRNA,Introns 去除 Exons 连接,33,1.内含子的相位和类型,（1） 内含子相位 内含子可以出现在转录本的任何位置，甚至在以后成为密码子的三核苷酸之间。 若内含子位于一密码子的第三位核苷酸和另一密码子的第一位核苷酸(即两密码子之间)，则被称为0位内含子；相应地，位于一密码子的第一位和第二位核苷酸之间的内含子被称为1位内含子；位于第二和第三位之间时，则被称为2位内含子。 这在外显子复制中很重要，处于两同相位内含子之间的外显子被称为对称外显子，其核苷酸数为3的整数倍，它可以被成功复制，不会造成阅读框的推移。相反，非对称外显子是不可复制的。,34,2

12、.内含子的特点,1）不具有序列特异性 2）同源基因中内含子的位置通常是保守的： 同源基因的断裂发生在相同的位置，但相应内含子的长度变化很大。 3）基因的总长度主要由内含子决定 4）内含子的相对性： 一个基因的内含子可能是另一个基因的外显子，所以一些DNA序列可以编码一种以上的蛋白质。 同一初始转录本产生不同mRNA的剪接方式称为可变剪接。,35,肌钙蛋白基因内含子的可变剪接，产生和两种类型的蛋白,36,3.内含子存在的意义及与进化的关系 有利于储存更多的遗传信息，增加信息量。 由于可变剪接的存在. 增加了重组概率： 基因总长度增加. 可变剪接的存在. 有利于生物体的变异和进化： 增加了重组概率

13、,还会造成基因突变。,37,第三节 基因家族和基因簇 （ Gene family 、 Gene cluster）,基因家族（Gene family）:真核生物的基因组中许多来源相同，结构相似、功能相关的一组基因。,38,一、基因家族,1.基因家族的成因 基因家族的各个成员都是由某一祖先基因经重复（复制）和突变产生的。 2.基因家族的特点 基因家族的各个成员之间来源相同，结构相似、功能相关。,39,人类珠蛋白基因家族典型的基因家族,血红蛋白,珠蛋白,血红素,22 不同的亚基由各自的基因编码,40,血红蛋白（ Hb ）,41,发育过程中的珠蛋白的亚基组成,两种亚基的编码基因分别形成两个不同的基因簇

14、,并存在于不同的染色体上。,每个基因簇中的基因按其在发育过程中的表达次序从53排列在编码链上(其中包括有功能的基因和假基因),42,43,3.假基因（ Pseudogenes ）：,概念：基因组中存在的一段与正常基因非常相似但不能表达的DNA序列。 分为两大类： 一类保留了相应功能基因的间隔序列； 另一类缺少间隔序列，称为加工过的假基因或返座假基因。,假基因(pseudogene)具有与功能基因相似的序列，但由于有许多突变以致失去了原有的功能，所以假基因是没有功能的基因，常用表示。,44,大部分假基因在染色体上都位于正常基因的附近，但也有位置在不同的染色体上的。 假基因和正常基因的结构上的差异

15、包括在不同部位上的程度不等的缺失或插入、在内含子和外显子邻接区中的顺序变化、在5端启动区域的缺陷等。这些变化往往使假基因不能转录形成正常的(mRNA)，从而不能表达。,45,产生方式： 复制（duplication） 即复制后基因发生序列变化而失去功能，这样产生的假基因带有内含子，称为未加工假基因或复制假基因 。 返座（retrotransposition） 即mRNA转录本经过反转录为cDNA,再插入基因组，由于插入位点不合适或序列发生变化而导致失去功能。这种类型的假基因不含内含子，被称为已加工假基因或返座假基因。,46,二、基因簇（gene cluster ）,概念：基因家族中来源相同、结

16、构相似和功能相关的在染色体上彼此紧密连锁的一组基因。 它们属于同一个祖先的基因扩增产物，也常常包括一些没有生物功能的假基因。 如：编码催化同一新陈代谢途径的不同步骤的酶的结构基因 。这些基因各自编码的酶常能组成多酶复合物。 细菌同一操纵子中的几个结构基因也可称为基因簇 。,47,组蛋白基因、rRNA 基因和 tRNA基因往往以串联重复基因簇的形式出现。 正好满足细胞对组蛋白、rRNA 和 tRNA的 的大量需求。,由完全相同的基因簇成员所构成。,1.串联重复序列,48,a. rRNA 基因家族 （rDNA gene family）,重复单位的组织情况：,49,b.组蛋白基因家族（Histone

17、 gene family）,一个重复单位(基因簇 gene cluster)的组织情况：,组织方式因不同生物而异： 基因次序、间隔区的长短、重复频率,不转录间隔区,海胆：,组蛋白基因表达特点： 没有内元 没有多聚A尾巴,50,c. tRNA基因,tRNA约长 70 80 bp，其基因约长140 bp (内元),串联重复排列，但各重复单位内的各tRNA基因可以不同,d. 5SrRNA基因,简单多基因家族 成簇排列、102 103个拷贝,3 不转录的间隔区,1 5S rRNA,2 假基因,重复单位间由高 度重复序列隔开,51,2.卫星DNA（Satellite DNA）： 将DNA切成数百个碱基对

18、的片段进行氯化铯密度梯度离心时，由于富含AT的简单高度重复序列区段浮力密度较小，因而很容易和总体DNA分开，即常会在主要的DNA带之外有一个次要的带相伴随。,卫星DNA的重要特征是：序列长且复杂性低。,52,Mouse genome DNA,30% GC in satellite DNA,CsCl 离心,主带,卫星带,光 的 吸 收 率,浮 力 密 度,53,卫星DNA: 一个重复单位长100几百bp，不能转录和翻译，多分布于异染色质的着丝粒区。,小卫星DNA:,一个重复单位长10100bp，具有高度的可变性，甚至同一群体中个体间重复次数变动很大，所以个体间长度变化很大（DNA长度多态性） 但

19、每个小卫星DNA又都存在一段共有的核心序列，长1015bp,富含GC。,54,存在于基因组的广泛区域：基因的间隔区，内含子，外显子，调控区。 不同物种，微卫星含量不同：真核生物平均50150kb一 个微卫星。 不同微卫星在不同物种中丰度不同：哺乳动物基因组中(AC)n最丰富；植物基因组中 (AT)n最丰富。 真核生物基因组中，二核苷酸微卫星最丰富，三核苷酸微卫星比二核苷酸微卫星低10倍，四核苷酸微卫星更少。,微卫星DNA:一个重复单位长10bp以下。,55, 后两种卫星DNA又称为数目可变的串联重复序列( Variable number tandem repeats . VNTR )或短串联重复序列（short tandem repeats . STR ）,56,第四节 真核基因组的包装,57,一、概述：,* 大部分细胞生活周期里以染色质的形