基因组结构和功能

1、Chapter 2 Structure and Function of Genome 第二章 基因组的结构与功能 基因组（基因组（genome）是指生物体中一套完整的是指生物体中一套完整的 遗传物质的总和。遗传物质的总和。 基因组的结构是指具有一定生物学功能的片段基因组的结构是指具有一定生物学功能的片段 在核酸分子上的分布与排列情况。在核酸分子上的分布与排列情况。 基因组的功能是贮存和表达遗传信息。基因组的功能是贮存和表达遗传信息。 第一节 真核生物基因组的 结构与功能 Section 1 Structure and Function of Eukaryotic Genome n真核生物基因组

2、都是由大分子双链线状真核生物基因组都是由大分子双链线状DNA 构成。染色体通常成对出现（双倍体）。构成。染色体通常成对出现（双倍体）。 n基因组非常庞大，结构非常复杂，有多个复基因组非常庞大，结构非常复杂，有多个复 制起始位点。制起始位点。 真核生物基因组的特点真核生物基因组的特点 n基因组中存在大量的重复序列以及非编码序基因组中存在大量的重复序列以及非编码序 列。真核生物基因组内非编码序列占列。真核生物基因组内非编码序列占90%以以 上，是与细菌、病毒的重要区别，在一定程上，是与细菌、病毒的重要区别，在一定程 度上也是生物进化的标尺。度上也是生物进化的标尺。 n真核生物基因组中也存在一些可移

3、动的真核生物基因组中也存在一些可移动的DNA 序列（转座元件）。序列（转座元件）。 真核生物基因组中通常存在大量的重复序列，真核生物基因组中通常存在大量的重复序列， 可占整个基因组可占整个基因组DNA的的90%以以上。上。 采用复性动力学方法来研究真核生物基因组采用复性动力学方法来研究真核生物基因组 时，可按其复性速度的快慢或出现频率的高时，可按其复性速度的快慢或出现频率的高 低，将这些重复序列分为低，将这些重复序列分为高度重复序列高度重复序列，中中 度重复序列度重复序列和和单拷贝序列单拷贝序列三大类。三大类。 一、一、真核生物基因组中重复序列的结构与功能真核生物基因组中重复序列的结构与功能

4、（一）高度重复序列：（一）高度重复序列： 高度重复序列在基因组中重复频率高，可高度重复序列在基因组中重复频率高，可 达达106次，因此复性速度很快。高度重复序次，因此复性速度很快。高度重复序 列在基因组中所占比例随种属而异，一般列在基因组中所占比例随种属而异，一般 在在1060%范围内。范围内。 人的高度重复序列约占整个基因组的人的高度重复序列约占整个基因组的20% 左右。左右。 n 反向重复序列（反向重复序列（inverted repeats）： 是是由两个相同顺序的互补拷贝在同一由两个相同顺序的互补拷贝在同一DNA 双链上反向排列而成双链上反向排列而成。 高度重复序列按其结构特点可分为三种

5、：高度重复序列按其结构特点可分为三种： 反向重复序列的两种形式反向重复序列的两种形式 发卡结构发卡结构 回回 文文 结结 构构 画上荷花和尚画画上荷花和尚画 书临汉字翰林书书临汉字翰林书 n卫星卫星DNA（satellite DNA） ： 卫星卫星DNA的重复单位一般由的重复单位一般由270 bp组成，组成， 成串排列。成串排列。 卫星卫星DNA占基因组的比例随种属而异，占基因组的比例随种属而异， 在在31% 范围内。范围内。 卫星卫星DNA的碱基组的碱基组 成不同于其它部分，成不同于其它部分， 故可用等密度梯度故可用等密度梯度 离心法从基因组中离心法从基因组中 分离出来。分离出来。 人类基因

6、组中可分离出三类卫星人类基因组中可分离出三类卫星DNA ，共占，共占 人类基因组的人类基因组的5 6%： 大卫星大卫星DNA（macrosatellite DNA）：）： n其重复单位为其重复单位为5171 bp，主要分布于染色，主要分布于染色 体的着丝粒区。体的着丝粒区。 小卫星小卫星DNA（minisatellite DNA）：）： n其重复单位为其重复单位为1570 bp，存在于常染色体。，存在于常染色体。 微卫星微卫星DNA/短串联重复序列（短串联重复序列（microsatellite DNA/short tandem repeat, STR）：）： n其重复单位为其重复单位为25 b

7、p，存在于常染色体，常见，存在于常染色体，常见 于内含子中。于内含子中。 n人类基因组人类基因组DNA中平均每中平均每610kb就有一个就有一个 STR位点位点 。不同个体之间在一个同源。不同个体之间在一个同源STR位点位点 的重复次数不同。的重复次数不同。 由于重复单位及重复次数不由于重复单位及重复次数不 同，使其在不同种族，不同人群之间的分布具同，使其在不同种族，不同人群之间的分布具 有很大差异性，构成了有很大差异性，构成了STR遗传多态性。遗传多态性。 同一种属中不同个体的高度重复顺序的重复同一种属中不同个体的高度重复顺序的重复 次数不一样，这可以作为每一个体的特征，次数不一样，这可以作

8、为每一个体的特征， 即即DNA指纹指纹 。 STR分析法已经成为分析法已经成为法医法医学领域个体识别和学领域个体识别和 亲权鉴定的重要分析方法，可应用于亲权鉴定的重要分析方法，可应用于司法司法案案 件调查，也就是件调查，也就是遗传指纹分析遗传指纹分析。 15-year old Lynda Mann 15-year old Dawn Ashworth 1802年的一副杰斐逊和莎莉的讽刺画像年的一副杰斐逊和莎莉的讽刺画像 （二）中度重复序列：（二）中度重复序列： 中度重复序列是指在基因组中重复数十次中度重复序列是指在基因组中重复数十次 至数万次的部分，其复性速度快于单拷贝至数万次的部分，其复性速度

9、快于单拷贝 序列，但慢于高度重复序列。序列，但慢于高度重复序列。 中度重复序列中有一部分是编码中度重复序列中有一部分是编码rRNA、 tRNA、组蛋白及免疫球蛋白的结构基因，另、组蛋白及免疫球蛋白的结构基因，另 一部分可能与基因调控有关。一部分可能与基因调控有关。 真核基因组中，中度重复序列主要包括真核基因组中，中度重复序列主要包括短散在短散在 核元件核元件（short interspersed nuclear elements， SINEs）和）和长散在核元件长散在核元件（long interspersed nuclear elements，LINEs）。 典型的短散在核元件典型的短散在核元

10、件（SINEs）是灵长类所特）是灵长类所特 有的有的Alu重复序列重复序列家族，因在其序列中存在限家族，因在其序列中存在限 制酶制酶Alu的切点而得名。的切点而得名。 限制性内切酶限制性内切酶Alu的切点为（的切点为（AG CT),将其切成将其切成 130bp和和170bp的两段。的两段。 Alu家族的功能是多方面的，可能参与家族的功能是多方面的，可能参与 hnRNA的加工与成熟，也与遗传重组及染的加工与成熟，也与遗传重组及染 色体不稳定性有关。最近研究表明，色体不稳定性有关。最近研究表明，Alu顺顺 序可能具有转录调节作用。序可能具有转录调节作用。 典型的典型的长散在核元件长散在核元件（LI

11、NEs）是是Kpn重复重复 序列序列家族，因在其序列中存在限制酶家族，因在其序列中存在限制酶Kpn的的 切点而得名。切点而得名。 Kpn家族的重复单位一般为家族的重复单位一般为6 7 kb或更长，或更长， 其两侧也各有一段正向重复序列，功能上与其两侧也各有一段正向重复序列，功能上与Alu 家族相似。家族相似。 （三）单拷贝序列：（三）单拷贝序列： 单拷贝序列在基因组中只出现一次或几次，单拷贝序列在基因组中只出现一次或几次， 因此复性速度很慢。因此复性速度很慢。 单拷贝序列属于结构基因，它储存了巨大单拷贝序列属于结构基因，它储存了巨大 的遗传信息，编码各种功能不同的蛋白质。的遗传信息，编码各种功

12、能不同的蛋白质。 真核生物基因组中的重复序列真核生物基因组中的重复序列 二、多基因家族与假基因二、多基因家族与假基因 多基因家族多基因家族（multigene family）指指DNA 序列具有较高的同源性（通常大于序列具有较高的同源性（通常大于50%），并），并 且其编码产物具有相同或相似生理功能的一且其编码产物具有相同或相似生理功能的一组组 结构基因。结构基因。 多基因家族中的基因通常是由同一祖先基因经多基因家族中的基因通常是由同一祖先基因经 进化或变异而来。进化或变异而来。 多基因家族可分为两类：多基因家族可分为两类： 1.基因家族成簇地分布在基因家族成簇地分布在同一同一染色体上并同时染

13、色体上并同时 进行转录，如组蛋白基因家族；进行转录，如组蛋白基因家族； chromosome 7 n基因家族成簇地分布于基因家族成簇地分布于不同不同的染色体上并分的染色体上并分 别进行转录，且不同基因编码的蛋白质在功别进行转录，且不同基因编码的蛋白质在功 能上相关，如珠蛋白基因家族。能上相关，如珠蛋白基因家族。 珠蛋白多基因家族的组织结构珠蛋白多基因家族的组织结构 -类珠蛋白基因家族类珠蛋白基因家族 -类珠蛋白基因家族类珠蛋白基因家族 chromosome 11 chromosome 16 假基因（假基因（pseudogene）又称为加工基因或又称为加工基因或 非功能基因。这类基因的核苷酸顺序

14、虽然与正非功能基因。这类基因的核苷酸顺序虽然与正 常的结构基因很相似，但基本上不能表达常的结构基因很相似，但基本上不能表达。 人类染色体上的假基因人类染色体上的假基因 假基因是由于在进化过程中，某些假基因是由于在进化过程中，某些DNA片段发片段发 生了缺失、倒位或点突变，导致调控基生了缺失、倒位或点突变，导致调控基因丢失；因丢失； 或无剪接加工信号；或编码区出现终止信号；或无剪接加工信号；或编码区出现终止信号； 或编码无功能或不完或编码无功能或不完 整的基因。整的基因。 雁过尚且留声，人生岂能无痕雁过尚且留声，人生岂能无痕 三、线粒体三、线粒体DNADNA的结构的结构 线粒体线粒体DNA（mi

15、tochondrial DNA, mtDNA） 属于真核细胞核外遗传物质，可独立编码存在属于真核细胞核外遗传物质，可独立编码存在 于线粒体中的多肽链、于线粒体中的多肽链、rRNA或或tRNA。 mtDNA为双链环状为双链环状DNA，其分子结构特点与，其分子结构特点与 原核生物原核生物DNA相同。相同。 mtDNA长长16,569 bp，含，含 37个结构基因，编码个结构基因，编码13 种蛋白、种蛋白、22种种tRNA和和2 种种rRNA。这。这13种蛋白质种蛋白质 为呼吸链酶复合物的为呼吸链酶复合物的单单 位位。 第二节 原核生物基因组的 结构与功能 Section 2 Structure a

16、nd Function of Prokaryotic Genome n基因组相对较小，由基因组相对较小，由DNA组成，包括染色体组成，包括染色体 DNA和质粒和质粒DNA两种两种DNA分子，均为共价闭分子，均为共价闭 环双链。染色体环双链。染色体DNA为单拷贝为单拷贝。 原核生物基因组的特点原核生物基因组的特点 n每个每个DNA分子（染色体分子（染色体DNA和质粒和质粒DNA）只）只 有一个复制起始点。有一个复制起始点。 n含可转移的序列，如插入序列、转座子等。含可转移的序列，如插入序列、转座子等。 n结构基因通常为连续基因，少量重叠基因，结构基因通常为连续基因，少量重叠基因， 非编码区和重复

17、序列少。非编码区和重复序列少。 n功能相关的基因常常组织形成操纵子结构，功能相关的基因常常组织形成操纵子结构， 操纵子结构是原核基因组的一个突出的结构操纵子结构是原核基因组的一个突出的结构 特点。特点。 一、原核生物基因以操纵子方式组构一、原核生物基因以操纵子方式组构 功能上相关的若干结构基因串联在一起，功能上相关的若干结构基因串联在一起， 由一套调控序列控制其转录表达，构成基由一套调控序列控制其转录表达，构成基 本转录单位，称为本转录单位，称为操纵子（操纵子（operon）。 其转录产生的其转录产生的mRNA通常为通常为多顺反子多顺反子 （multicistron）：）：一个一个mRNA可编

18、码多可编码多个个 蛋白质。蛋白质。 二、原核生物中的质粒二、原核生物中的质粒DNADNA 质粒质粒（plasmid） 是指存在于细菌中独立于染是指存在于细菌中独立于染 色体色体DNA外的双链环状小分子外的双链环状小分子DNA，可进行可进行 自主复制。自主复制。 质粒分子量一般为质粒分子量一般为10106 610108 8 ，小型质粒的长度，小型质粒的长度 为。为。 质粒只有在宿主细胞内才能完成自己的复制，质粒只有在宿主细胞内才能完成自己的复制， 一旦离开宿主就无法复制和扩增。但质粒对宿一旦离开宿主就无法复制和扩增。但质粒对宿 主细胞的生存不是必需的，宿主细胞丢失了质主细胞的生存不是必需的，宿主

19、细胞丢失了质 粒依旧能够存活。粒依旧能够存活。 质粒所携带的遗传信息能够赋予细菌特定的质粒所携带的遗传信息能够赋予细菌特定的 遗传性状，遗传性状， 转座元件（转座元件（transposable elementtransposable element）/ /转座子转座子 （transposontransposon）是指能够在）是指能够在DNADNA分子内部或分子内部或DNADNA 分子之间移动的分子之间移动的DNADNA片段或基因。片段或基因。 它们从基因组的一个部位直接转移到另一个部它们从基因组的一个部位直接转移到另一个部 位，这个过程称为转座（位，这个过程称为转座（transposition

20、transposition）。）。 三、转座元件三、转座元件 1983年诺贝尔生理学或医学奖年诺贝尔生理学或医学奖McClintock (1902-1992） 转座子不仅能够在基因组内转移，而且还能够转座子不仅能够在基因组内转移，而且还能够 改变基因的活性并引起功能的改变。改变基因的活性并引起功能的改变。 转座子有时插入到一个结构基因或基因调节序转座子有时插入到一个结构基因或基因调节序 列内，引起基因表达的改变。列内，引起基因表达的改变。 现在认为转座子存在于地球上所有的生物。现在认为转座子存在于地球上所有的生物。 第三节 病毒基因组的结构与功能 Section 3 Structure and

21、 Function of Virus Genome 病毒（病毒（virus）是一种具有比较原始的生命形）是一种具有比较原始的生命形 态和生命特征的非细胞生物。态和生命特征的非细胞生物。 完整的病毒颗粒包括衣壳蛋白和内部的基因组完整的病毒颗粒包括衣壳蛋白和内部的基因组 DNA或或RNA，有些病毒的衣壳蛋白外面有一层，有些病毒的衣壳蛋白外面有一层 被膜，被膜内含有病毒基因编码的糖蛋白。被膜，被膜内含有病毒基因编码的糖蛋白。 病毒不能独立地复制，必须进入宿主细胞中借病毒不能独立地复制，必须进入宿主细胞中借 助细胞内的一些酶类和细胞器才能使病毒复制。助细胞内的一些酶类和细胞器才能使病毒复制。 一、病毒

22、基因组的类型一、病毒基因组的类型 双链双链DNA病毒病毒乙肝病毒乙肝病毒 单链单链DNA病毒病毒微小病毒微小病毒 双链双链RNA病毒病毒动物呼肠孤病毒动物呼肠孤病毒 单链单链RNA病毒病毒逆转录病毒逆转录病毒 DNA病毒病毒 RNA病毒病毒 基因组大小变化较大：基因组大小变化较大： 一般为一般为3 300 kb。 基因组的组成与结构变化较大：基因组的组成与结构变化较大： DNA或或RNA，双链或单链，线状或环状，双链或单链，线状或环状， 单倍体或多倍体。单倍体或多倍体。 二、病毒基因组的特点二、病毒基因组的特点 基因的结构变化较大：基因的结构变化较大： 连续基因，断裂基因，串联基因，连续基因，

23、断裂基因，串联基因，mRNA缺缺 失失5 -端帽子结构或翻译起始序列等。端帽子结构或翻译起始序列等。 基因重叠现象较普遍。基因重叠现象较普遍。 莲人在绿杨津莲人在绿杨津 采采 一一 玉漱声歌新阙玉漱声歌新阙 采莲人在绿杨津，采莲人在绿杨津， 在绿杨津一阙新，在绿杨津一阙新， 一阙新歌声漱玉，一阙新歌声漱玉， 歌声漱玉采莲人歌声漱玉采莲人 。 野野野野 鸟鸟鸟鸟 啼啼啼啼 时时时时 有有有有 思思思思 重叠基因重叠基因（overlapping gene）即同一段）即同一段DNA 片段能够以两种或两种以上的阅读方式进行阅片段能够以两种或两种以上的阅读方式进行阅 读，因而可编码两种或两种以上的多肽。读，因而可编码两种或两种以上的多肽。 *按重叠方式不同