第一章-基因与基因组

1、第一章 基因组概论 细胞内的遗传物质 1.染色体（chromosome） 和染色质（chromatin）： 细胞内的一种形态结构， 易被碱性染料染成深色， 由核酸和蛋白质组成。 2.基因组（genome）： 细胞中一套完整单体 遗传物质的总和。 3.基因（gene） 基因组的功能单位。 基因（gene）的分子生物学定义 合成有功能的蛋白质或RNA所必需的全部DNA序 列（除部分病毒RNA），即一个基因不仅包括编码 蛋白质或RNA的核酸序列（编码序列），还应包括 为保证转录所必需的调控序列（非编码序列）。 & 本质：DNA或RNA & 产物：蛋白质或RNA 转录单位（transcription

2、unit） 蛋白基因鉴别标准 1 1 开放阅读框架开放阅读框架（open reading frame,ORF) 始于起始密码子并终于终止密码子的一串始于起始密码子并终于终止密码子的一串 密码子组成的核苷酸序列密码子组成的核苷酸序列 2 2 密码子偏爱密码子偏爱 3 3 序列保守性序列保守性 4 4 转录产物转录产物 5 5 基因失活基因失活 总结： 1、DNA与染色体的关系： 2、DNA分子的特点： 3、DNA与基因的关系： 4、DNA是 DNA是组成染色体的主要物质 相对分子质量很大， 分子由两条长链组成，盘成螺旋状(双螺旋) 基因是DNA分子上起遗传作用的一些片段 （相当于火车与车厢的关系

3、） 一种遗传物质，但不是唯一的一 种 。 染色体 DNA 基因 基因组（genome）（P10） 是指生物体全套 单倍体遗传信息，包 括所有基因和基因间 的区域。 对人类而言： 22+X+Y+mtDNA 46,XY 细胞中一套完整单体遗传物质的总和。 基因总数基因总数 基因组中基因数目与生物进化程度和复杂程基因组中基因数目与生物进化程度和复杂程 度的不对称性度的不对称性N值矛盾（值矛盾（N value paradox) 基因大小基因大小 基因组中基因大小（基因组中基因大小（bp）与生物进化程度和）与生物进化程度和 复杂程度的不对称性复杂程度的不对称性C值矛盾（值矛盾（C value parad

4、ox) 基因组计划基因组计划 以获得某物种基因组全序列为主要目标的科学以获得某物种基因组全序列为主要目标的科学 计划计划基因组计划基因组计划 基本原理：人类基因组基本原理：人类基因组DNADNA 打碎打碎 拼接拼接 基因组测序计划 海量DNA序列数据 1990年启动 目标：测定人类基因组的全部DNA序 列, 了解基因及其功能 投入：30亿美元 结果：2003年完成精细图，产生约32亿个数据(碱基) 人类基因组计划人类基因组计划（human genome project,HGP) 遗传图谱遗传图谱(genetic map)（连锁图（连锁图 linkage map） 用遗传标签确定基因排列顺序 物

5、理图谱（物理图谱（physical map) ：确定排列距离 序列图谱序列图谱(sequence map)：碱基排列顺序 2021-5-2复旦大学图书馆文献检索教研室 检索字段限制 分子类型选择 基因位置限定 序列片段限定 数据更新，日期限定 功能栏 2021-5-2复旦大学图书馆文献检索教研室 序列存取号 基因定义 数据库标识符 2021-5-2复旦大学图书馆文献检索教研室 代码 物种来源 参考文献 特性 2021-5-2复旦大学图书馆文献检索教研室 原序列复制 后，可到 BLAST中 进行相似性 对本 AGCATCGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGCAGCATCGAAG

6、TTGCATGACGATGCATGACCTAGCAA GTTGCATGACGATGCATGACCTAGCAGCATCGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGTGCATGACGATG CATGACCTAGCAGCATCGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGCAAGTTGCATGACGATTGACCTAGTG CATGACGATGCATGACCTAGCAGCATCGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGCAAGAAGTTGCATGAC GATGCATGACCTAGTGCATGACGATGCATGACCTAGCAGCATCGAAGTTGCATGACGATG

7、CATGACCTAG CAAGTTGCATGACGATTGACCTAGTGCATGACGATGCATGACCTAGCAGCATCGCGATGCATGACCTAGC AAGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGTGCATGACGATGCATGACCTAGCAGCATCGAAGTTGCATGA CGATGCATGACCTAGCAAGTTGCATGACGATTGACCTAGTGCATGACTGACCTAGCAGCATCGAAGTTGC ATGACGATGCATGACCTAGTGCATGACGATGCATGACCTAGCAGCATCGAAGTTGCATGACGATGCATGA CCTAG

8、CAAGTTGCATGACGATTGACCTAGTGCATGACGATGCATGACCTAGCAGCATCGAAGTTGCATGA CGATGCATGACCTAGCAAGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAATGCATGACCTAGCAGCATCGCGATG CATGACCTAGCAAGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGTGCATGACGATGCATGACCTAGCAGCATCG AAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGCAAGTTGCATGACGATTGACCTAGTGCATGACTGACCTAGCAGC ATCGAAGTTGCATGACGATGC

9、ATGACCTAGTGCATGACGATGCATGACCTAGCAGCATCGAAGTTGCATG ACGATGCATGACCTAGCAAGTTGCATGACGATTGACCTAGCAGCATCGAAGTTGCATGACGATGCATGAC CTAGCAAGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGTGCATGACGATGCATGACCTAGCAGCATCGAAGTTG CATGACGATGCATGACCTAGCAAGTTGCATGACGATTGACCTAGTGCATGACGATGCATGACCTAGCAGC ATCGCGATGCATGACCTAGCAAGAAGTTGCATGACGA

10、TGCATGACCTAGTGCATGACGATGCATGACCTA GCAGCATCGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGCAAGTTGCATGACGATTGACCTAGTGCATGACTGA CCTAGCAGCATCGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGTGCATGACGATGCATGACCTAGCAGCATCGA AGTTGCATGACGATGCATGACCTAGCATGACCTAGTGCATGACGATGCATGACCTAGCAGCATCGAAGTT GCATGACGATGCATGACCTAGCAAGTTGCATGACGATTGACCTAGTGCATGAC

11、TGACCTAGCAGCATCGA AGTTGCATGACGATGCATGACCTAGTGCATGACGATGCATGACCTAGCAGCATCGAAGTTGCATGACGAT GCATGACCTAGCAAGTTGCATGACGATTGACCTAGTGCATGACGATGCATGACCTAGCAGCATCGAAGTT GCATGACGATGCATGACCTAGCAAGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAATGCATGACCTAGCAGCATC GCGATGCATGACCTAGCAAGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGTGCATGACGATGCATGACCTAGC

12、A GCATCGAAGTTGCATA 基因组学(genomics) 对所有基因进行基因组作图，核苷酸序列分析，对所有基因进行基因组作图，核苷酸序列分析， 基因定位和基因功能分析的一门科学。基因定位和基因功能分析的一门科学。 结构基因组学结构基因组学（structural genomics) 以全基因组测序为目标以全基因组测序为目标 功能基因组学功能基因组学（functional genomics) 以基因功能鉴定为目标以基因功能鉴定为目标 功能基因组学功能基因组学后基因组计划后基因组计划 1.功能基因组学 2.蛋白质组学 3.比较基因组学 4.环境基因组学 5.药物基因组学 6.基因组多态性的

13、研究 7.模式生物体基因组研究 掌握下列概念 基因基因 结构基因结构基因 基因组基因组 基因组学基因组学 开放阅读框架开放阅读框架 HGP 第二章第二章 原核生物基因组特征原核生物基因组特征 原核生物 （prokaryote）是细 菌、支原体、衣原体、 立克次体、螺旋体、 放线菌和蓝绿藻等原 始生物的总称，是最 简单的细胞生物体。 原核生物基因组特点 基因组较小，通常由一条环状双链DNA（double stranded DNA，dsDNA）分子组成。 大肠杆菌基因组DNA分子量为2.64109 Da， 由4.2106 bp组成，是人类基因组的1， 且基因数目也较少，大约含3500个基因。 类

14、核 结 构 操纵子结构是原核生物基因组的功能单位操纵子结构是原核生物基因组的功能单位 多顺反子mRNA（polycistronic mRNA） 在共同的启动子作用下，转录出的一个mRNA分子带有几种蛋白 质的遗传信息，可编码几种不同的，但多为功能相关的蛋白质。 结构基因通常以单拷贝形式存在结构基因通常以单拷贝形式存在 rRNArRNA及及tRNAtRNA基因多拷贝基因多拷贝 基因连续，基因内没有基因连续，基因内没有内含子内含子（古细菌除外）（古细菌除外） 非编码的DNA序列所占比例较真核生物少得 多，通常包含调控基因表达的序列。 重复序列很少 具有可移动序列 1.什么是质粒 2.质粒命名的原则

15、 3.质粒的分类 4.质粒的结构 质粒(plasmid) 5.质粒的生物学特征 二、质粒二、质粒 1. 1.什么是质粒什么是质粒(plasmid)?(plasmid)? 细菌细胞染色体以外，能独立复制并稳定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遗传的共价闭合环状DNADNA分子。分子。 染色体DNA 质粒DNA 二、质粒二、质粒 质粒的结构质粒的结构 三种构型三种构型: : 共价闭环共价闭环DNADNA分子分子 半开环半开环DNADNA分子分子 线性线性DNADNA分子分子 二、质粒二、质粒 质粒的理化性质质粒的理化性质 具有核酸分子的一般理化特性：具有核酸分子的一般理化特性

16、： 可嵌入某些染料（溴化乙锭可嵌入某些染料（溴化乙锭,EB,EB）(Syber Green)(Syber Green) 具有较强的抗切割和抗变性的能力具有较强的抗切割和抗变性的能力 二、质粒 二、质粒二、质粒 2.2.质粒命名的原则质粒命名的原则 用小写字母用小写字母p p代表质粒，在代表质粒，在p p字母后面用两个字母后面用两个 大写字母代表发现这一质粒的作者或实验室名称。大写字母代表发现这一质粒的作者或实验室名称。 pUC118 plasmid 编号 发现者名字 质粒的特征质粒的特征(p79) 1. 结构为结构为环状超螺旋环状超螺旋DNADNA分子分子 2. 2. 自主复制性自主复制性 3

17、. 3. 不相容性不相容性 4. 4. 可扩增性可扩增性 5. 5. 可转移性可转移性 6. 6. 带有选择性标记带有选择性标记 二、质粒二、质粒 质粒的不相容性质粒的不相容性 同一类群同一类群的不同质粒通常不能在同一菌株内稳的不同质粒通常不能在同一菌株内稳 定共存，当细胞分裂时就会分别进入不同的子代细定共存，当细胞分裂时就会分别进入不同的子代细 胞，这种现象叫做质粒的不相容性。胞，这种现象叫做质粒的不相容性。 不同群不同群的质粒（如的质粒（如F F和和ColEColE）可以在同一菌）可以在同一菌 株株 内稳定共存，这些质粒具有相容性。内稳定共存，这些质粒具有相容性。 二、质粒二、质粒 3 3

18、、质粒的分类、质粒的分类 复制机制复制机制 严紧型严紧型 松弛型松弛型 功能功能 F F质粒（性质粒）质粒（性质粒） R R质粒（耐药性质粒）质粒（耐药性质粒） ColCol质粒（大肠埃希菌质粒）质粒（大肠埃希菌质粒） 转移方式转移方式 接合型接合型 可移动型可移动型 自传递型自传递型 大小大小 小型小型(1.5kb(1.5kb15kb) 15kb) 大型大型(60kb(60kb120kb)120kb) 宿主范围宿主范围 窄宿主谱型窄宿主谱型 广宿主谱型广宿主谱型 质粒的转移质粒的转移 分子量在分子量在2.52.510107 7DaDa以上的质粒可以从供体细胞将以上的质粒可以从供体细胞将 一个

19、复本转移给受体细胞，如一个复本转移给受体细胞，如F F质粒和质粒和R R质粒。质粒。 分子量在分子量在1 110107 7DaDa以下的质粒一般无自我转移能力。以下的质粒一般无自我转移能力。 二、质粒二、质粒 转化-将质粒或以质粒为载体的重组DNA分子导入细菌，使其在细 菌体内扩增及表达的过程称为转化(transformation) 重组质粒 细 菌(CaCl2处理） 细 菌(CaCl2处理） 质粒导入未成功 质粒导入成功 质粒导入不成功 感受态细胞感受态细胞(competent cell) 细胞膜结构改变、通透性增加并具有细胞膜结构改变、通透性增加并具有 摄取外源摄取外源DNA能力的细胞称谓

20、感受态能力的细胞称谓感受态 细胞细胞(competent cell)。 常用低渗的常用低渗的(0.1%)CaCl2洗涤受体细胞洗涤受体细胞 制作成感受态细胞。制作成感受态细胞。 当细菌处于0、二价阳离子低渗溶液中时，细 菌细胞膨胀成球形，处于感受态 转化混合物中的DNA形成抗DNA酶的羟基-钙磷酸 复合物粘附于细胞表面， 在42短时间热冲击 后DNA进入细胞。 转化效率为每微克DNA可获得105106转化子 CaClCaCl2 2法法 转化的方法可分为CaCl2法和电穿孔法 二、质粒二、质粒 质粒的选择性标记质粒的选择性标记 抗药性基因、酶基因标记等。抗药性基因、酶基因标记等。 最常见的选择性标记是抗药性基因，即带有一种最常见的选择性标记是抗药性基因，即带有一种 或多种抗生素的抗性基因，可赋予宿主菌抵抗某