基因组的结构域功能CYF

1、基因的结构与功能基因的结构与功能 Gene Structure and Function 第一章第一章 程远芳 生物化学与分子生物学教研室 联系电话:Email: RNA的 结构和 功能 基因的 功能和 结构 基因的 化学结 构 核酸酶 第一章 基因的结构与功能 第二节 基因的功能和结构 第一节 基因的化学结构 第四节 核酸酶 概述 第三节 RNA的结构和功能 概述 第一章 基因的结构与功能 RNA的 结构和 功能 基因的 功能和 结构 基因的 化学结 构 核酸酶 第二节 基因的功能和结构 第一节 基因的化学结构 第四节 核酸酶 概述 第三节 RNA的结构和功能 概

2、述 第一章 基因的结构与功能 RNA的 结构和 功能 基因的 功能和 结构 基因的 化学结 构 核酸酶 第二节 基因的功能和组构 第一节 基因的化学结构 第四节 核酸酶 概述 第三节 RNA的结构和功能 概述 第一章 基因的结构与功能 RNA的 结构和 功能 基因的 功能和 结构 基因的 化学结 构 核酸酶 第二节 基因的功能和组构 第一节 基因的化学结构 第四节 核酸酶 概述 第三节 RNA的结构和功能 概述 RNA的一级结构特点 RNA的 一级结构 u形态 RNA是由单个核苷酸 (nucleotide)头尾相连而 形成的多聚体。 u组成 4种核糖核苷酸（AMP 、GMP、CMP、UMP）

3、u连接方式 以3, 5-磷酸二酯键相连 RNA的种类、分布、功能 种类 细胞核和胞液 线粒体 功能 核糖体RNArRNAmt rRNA 核蛋白体组分 核内不均一RNAhnRNA 成熟mRNA的前体 核内小RNAsnRNA参与hnRNA的剪接、转运 胞浆小RNA scRNA/7SL-RNA 蛋白质内质网定位合成 的信号识别体的组分 snoRNA rRNA的加工、修饰 核仁小RNA 信使RNAmRNA 蛋白质合成模板 mt tRNA 转运RNAtRNA转运氨基酸 mt RNA mRNA的功能 一、 mRNA 在细胞核的基因 如何“遥控”在 细胞质中的蛋白 质的合成呢？ mRNA是蛋白质合成的模版

4、mRNA的功能 一、 mRNA 问题：mRNA的碱基序列与 蛋白质的氨基酸序列的对 应关系究竟是怎样的呢？ mRNA是蛋白质合成的模版 AUG GGG CUC CGC UUG ACA AAU UUA CAC GAA UAG mRNA mRNA中都有编码区和非翻译区 一、 mRNA 编码区 ORFORF 非编码区非编码区 Val Glu Ser Ile Gly Thr 5 GCGACUAUG UGCGAGUCAAUAGGCACCUAACGA 3 u 编码区（coding region） 在mRNA中，从起始密码子开始，连续读取密码子，一直到终 止密码子，即为编码区。 u 开放阅读框（open r

5、eading frame, ORF） 如果这一段密码子序列编码一条有功能活性的多肽链，这一段 密码子就被称为一个开放阅读框。 开放阅读框的核苷酸序列决定着多肽链分子的一级结构。 u 非编码区（non-coding region） ORF之外的核苷酸序列实际上并不组成密码子，因而称为非编 码区，或称为非翻译区。 真核生物的非翻译区特点 一、 mRNA u5端具有帽子结构 大部分真核细胞的mRNA的5末端以7-甲基鸟嘌呤三磷酸 鸟苷为起始结构，这种m7GpppN-结构被称为帽结构(cap sequence)。 u3端有polyA尾巴 在真核生物mRNA的3末端，大多数有一段由数十个至百 余个腺苷酸

6、连接而成的多聚腺苷酸结构，称为多聚A尾 poly(A)。 真核生物的非翻译区 u功能： 1. 负责mRNA从细胞核向细胞质 的转运。 2. 维护mRNA的稳定 3. 翻译起始调控 一、 mRNA tRNA的功能 二、 tRNA u转运RNA（transfer ribonucleic acid, tRNA）是具有携 带并转运氨基酸功能的一类小分子核糖核酸（74- 95个核苷酸组成）。 tRNA的结构特点 二、 tRNA u1. 二级结构呈三叶草 形(cloverleaf pattern) 茎环结构； u2. 3端是CCA-OH，连 接激活的氨基酸； u3. 含有7个碱基组成 的一个反密码环。 u

7、4. 富含稀有碱基或修 饰碱基； tRNA的三级结构 utRNA的三级结构是倒L型 二、 tRNA rRNA的功能 u核糖体RNA，是细胞内含量最多的RNA，约 占RNA总量的80以上。 urRNA与核糖体蛋白结合组成核糖体 (ribosome)，为蛋白质的合成提供场所。 三、 rRNA 小分子RNA的种类与功能 四、 小分子 RNA u1. 核小RNA 参与mRNA的剪接 u2. 核仁小RNA 参与rRNA前体的剪接 u3. 胞质小RNA 参与蛋白质的翻译和转运 u4. 小RNA（微RNA，小干扰RNA，反义RNA） 参与基因表达调控 第一章 基因的结构与功能 RNA的 结构和 功能 基因的

8、 功能和 结构 基因的 化学结 构 核酸酶 第二节 基因的功能和结构 第一节 基因的化学结构 第四节 核酸酶 概述 第三节 RNA的结构和功能 概述 核酸酶 u核酸酶是指所有可以水解核酸的酶。 核酸酶 u依据底物不同分类 DNA酶(deoxyribonuclease ，DNase) 专一降解DNA RNA酶(ribonuclease，RNase) 专一降解RNA 核酸酶 u依据切割部位不同分类 核酸内切酶：限制性核酸内切酶，非限制性核酸内切酶 核酸外切酶：35或53核酸外切酶 核酸酶 5 A G C T T C A G G A T A 3 | | | | | | | | | | | | 3 T

9、 C G A A G T C C T A G C G A C 5 核 酶 u核酶(ribozyme)是一类具有催化作用的RNA。 主要参与RNA的加工和成熟。 核酸酶实例：四膜虫L19RNA在一定条件下能专一地催化寡聚核苷 酸底物的切割与连接，具有核酶和RNA聚合酶的活性。 核 酶 u除了其在RNA合成后的加工修饰作用机制正 在逐步阐明外，核酶也正在作为针对病毒 或肿瘤基因的药物而被广泛研究，有的已 经进入临床试验阶段。 核酸酶 程远芳 生物化学与分子生物学教研室 联系电话:Email: 第二章第二章 Chapter 2 基因组的结构与功能基因组的结构与功能 Str

10、ucture and Function of Genome 概概 述述 一、基因组(genome)的概念 细胞或生物体中，一套完整单倍体的遗 传物质的总和。 如人： 22常+ X， Y，+ 线粒体基因组 二、基因组的结构 指不同的基因功能区域在核酸分子中的 分布和排列情况。 三、基因组的功能 贮存和表达遗传信息。 DNA RNA 蛋白质 四、基因组的特点 不同的生物体，其基因组大小和复杂程度各不相同。 进化程度越高的生物，基因组越复杂。 不同生物体中DNA的比较 第一节第一节 人人基因组的结构与功能基因组的结构与功能 二、 大量重 复序列 三、 多基因 家族 四、 假基因 五、 线粒体 基因组

11、 一、 种类与 数目 人基因组的结构与功能 二、人基因组中存在的大量重复序列 三、人基因组中的多基因家族 四、人基因组中的假基因 五、线粒体基因组 一、人基因组中的基因种类与数目 （一）人基因组中只有不到三万种基因 一、 种类与 数目 人类基因组计划的初步完成使基因的推测数目大约是3.4 万-3.5万个，目前基于基因组序列测定的基因数目约 28900个（截止到2008年2月）。 （一）人基因组中只有不到三万种基因 一、 种类与 数目 人的核染色体上的基因数量分布 人基因组的结构与功能 二、 大量重 复序列 三、 多基因 家族 四、 假基因 五、 线粒体 基因组 一、 种类与 数目 二、人基因组

12、中存在的大量重复序列 三、人基因组中的多基因家族 四、人基因组中的假基因 五、线粒体基因组 一、人基因组中的基因种类与数目 （一）高度重复序列 二、 大量重 复序列 高度重复序列(highly repetitive sequence) 在基因组中重复频率可高达106以上。 1. 反向重复序列 2. 卫星DNA (satellite DNA) 高度重复序列按其结构特点分为以下2种： （一）高度重复序列 二、 大量重 复序列 反向重复序列由两个相同顺序的互补拷 贝在同一DNA链上反向排列而成。 经验体会1. 反向重复序列 （一）高度重复序列 二、 大量重 复序列 是另一类高度重复序列，这类重复顺序

13、的重复单 位成串排列。 经验体会2. 卫星DNA (satellite DNA) 5AGAATTCTTAAGTGTCAGAATTCTTAAGTGTC. 3 3TCTTAAGAATTCACACTCTTAAGAATTCACAC 5 重复单位为AGAATTCTTAAGTGTC， 表示为(AGAATTCTTAAGTGTC)n 染色体 DNA 重复序列 （一）高度重复序列 二、 大量重 复序列 由于碱基组成不同于其他部份，可用等密度梯度 离心法将其与主体DNA分开，因而称为卫星 DNA或随体DNA。 经验体会2. 卫星DNA (satellite DNA) （一）高度重复序列 二、 大量重 复序列 经验

14、体会2. 卫星DNA (satellite DNA) 微卫星DNA（microsatellite DNA）由短串联重复 序列（short tandem repeat，STR）组成，分布在 所有染色体, 其重复单位为26bp。 如（AC）n ；（TG）n；（CGG）n （一）高度重复序列 二、 大量重 复序列 经验体会2. 卫星DNA (satellite DNA) （一）高度重复序列 二、 大量重 复序列 参与复制水平的调节； 参与基因表达的调控； 参与染色体配对。 经验体会高度重复序列的功能： （二）中度重复序列 二、 大量重 复序列 中度重复序列(moderately repetitive

15、 sequence)指在基因组中重复频率 10105的序列。 经验体会1. 短分散片段 重复序列平均长度为300bp-500bp。 经验体会2. 长分散片段 重复序列平均长度为35005000bp 。 （二）中度重复序列 二、 大量重 复序列 中度重复序列：一部分是编码的结构基因。 如： rRNA、tRNA、组蛋白基因等都属这一类。 非洲爪蟾的28S、5.8S及18SrRNA基因是连在一 起的，中间隔着不转录的间隔区，这些单位在DNA 链上串联重复约5000次。 （三）单拷贝序列 二、 大量重 复序列 单拷贝序列在单倍体基因组中只出现一次或数次， 又称低度重复顺序（single copy se

16、quences） 。 单拷贝序列在基因组中占50-80%，如人基因组 中，大约有60-65%的序列属于这一类。 大多数为蛋白质编码的基因属于这一类，所以说 单拷贝序列中储存了巨大的遗传信息。因此，对 这些序列的研究对医学实践有特别重要的意义。 但是，单拷贝序列中只有一小部分编码蛋白质， 其它部份的功能尚不清楚。 在基因组中，单拷贝序列一般与重复序列相间排 列。 人基因组的结构与功能 二、 大量重 复序列 三、 多基因 家族 四、 假基因 五、 线粒体 基因组 一、 种类与 数目 二、人基因组中存在的大量重复序列 三、人基因组中的多基因家族 四、人基因组中的假基因 五、线粒体基因组 一、人基因组

17、中的基因种类与数目 多基因家族 三、 多基因 家族 多基因家族(multigene family)是指一群具有相 似序列的基因，编码在结构和功能上相关联的 一个蛋白质家族的若干个基因。 多基因家族中的基因 通常是由某一祖先基 因经过重复和变异所 产生的一组基因。 杨树13个 GST基因的基因 组结构进化历史 （一）成簇的分布于某一条染色体上 三、 多基因 家族 基因家族成簇地分布在同一染色体上并同时进 行转录，合成某些蛋白质，如组蛋白基因家族。 chromosome 7 组蛋白多基因家族的组织结构 （二）成簇的分布于不同的染色体上 三、 多基因 家族 基因家族成簇地分布于不同的染色体上，并分

18、别进行转录，这些不同成员编码一组功能上紧 密相关的蛋白质，如珠蛋白基因家族。 -类类珠珠蛋白基因蛋白基因家族家族 -类类珠珠蛋白基因蛋白基因家族家族 chromosome 11 chromosome 16 珠蛋白多基因家族的组织结构 人基因组的结构与功能 二、 大量重 复序列 三、 多基因 家族 四、 假基因 五、 线粒体 基因组 一、 种类与 数目 二、人基因组中存在的大量重复序列 三、人基因组中的多基因家族 四、人基因组中的假基因 五、线粒体基因组 一、人基因组中的基因种类与数目 四、 质粒 DNA （五）假基因 假基因(pseudogene)是基因组中存在的一段与 正常基因非常相似但不能

19、表达的DNA序列。 假基因往往缺少正常基因的内含子。 -类类珠珠蛋白基因蛋白基因家族家族 -类类珠珠蛋白基因蛋白基因家族家族 chromosome 11 chromosome 16 珠蛋白多基因家族的组织结构 人基因组的结构与功能 二、 大量重 复序列 三、 多基因 家族 四、 假基因 五、 线粒体 基因组 一、 种类与 数目 二、人基因组中存在的大量重复序列 三、人基因组中的多基因家族 四、人基因组中的假基因 五、线粒体基因组 一、人基因组中的基因种类与数目 线粒体基因组 五、 线粒体 基因组 线粒体DNA （mitochondrial DNA， mtDNA）是核外遗传 物质。 双链环状分子

20、，结构特 点与原核生物相同。 mtDNA含37个结构基 因，编码13种蛋白、 22种tRNA和2种 rRNA。 这13种蛋白质为呼吸 链酶复合物的单位。 人线粒体 基因组 第二节第二节 原原核生物与病毒基因组的结构与功能核生物与病毒基因组的结构与功能 原核生物与病毒基因组研究的意义 一、 研究意 义 更好的了解病原微生物的治病机理 加快致病微生物致病基因的发现 提高临床诊断的效率和准确性 筛选有效药物及发展疫苗 原核生物与病毒基因组的结构与功能 二、 原核基因 组特征 三、 操纵子 方式 四、 质粒 DNA 五、 病毒基因 组特征 一、 研究意 义 二、原核生物基因组结构与功能的特征 三、原核

21、生物基因的操纵子方式组构 四、原核生物中的质粒DNA 五、病毒基因组的特征 一、原核生物与病毒基因组研究的意义 原核生物基因组结构与功能的特征 二、 原核基因 组特征 1. 结构基因序列是连续排列的，无内含子，转 录后不需要剪接。 2. 基因组中重复序列少。 3. 结构基因多为单拷贝，但编码rRNA的基因 通常是多拷贝。 4. 结构基因在基因组中所占的比例约为50%， 远大于真核基因组，但小于病毒基因组。 5. 具有操纵子结构 原核生物与病毒基因组的结构与功能 二、 原核基因 组特征 三、 操纵子 方式 四、 质粒 DNA 五、 病毒基因 组特征 一、 研究意 义 二、原核生物基因组结构与功能

22、的特征 三、原核生物基因的操纵子方式组构 四、原核生物中的质粒DNA 五、病毒基因组的特征 一、原核生物与病毒基因组研究的意义 原核生物基因的操纵子方式组构 三、 操纵子 方式 操纵子(operon)指启动基因、操纵基因 和一系列紧密连锁的结构基因的总称。 原核生物基因的操纵子方式组构 三、 操纵子 方式 mRNA分子携带了几个多肽链的编码信息， 被称为多顺反子mRNA (polycistron)。 原核生物与病毒基因组的结构与功能 二、 原核基因 组特征 三、 操纵子 方式 四、 质粒 DNA 五、 病毒基因 组特征 一、 研究意 义 二、原核生物基因组结构与功能的特征 三、原核生物基因的操

23、纵子方式组构 四、原核生物中的质粒DNA 五、病毒基因组的特征 一、原核生物与病毒基因组研究的意义 原核生物中的质粒DNA 四、 质粒 DNA 质粒（plasmid ）是指存在于细菌中独立于染 色体DNA外的双链环状小分子DNA。 经验体 会 1. 质粒的概念 原核生物中的质粒DNA 四、 质粒 DNA 能够独立于细胞的染色 质DNA而进行复制 只有在宿主细胞内 才能自我复制， 对宿主细胞的生存 不是必需的 能赋予细菌特定的遗传 性状 经验体会2. 质粒的结构与功能特点 原核生物中的质粒DNA 四、 质粒 DNA （1）复制调控系统：由ori、rep和cop基 因构成 （2）分配系统：有分配区

24、使质粒在细菌分 裂过程中精确分配到子细胞中 （3）细胞分裂控制系统：抑制细胞分裂， 使细胞分裂与质粒复制协调 （4）质粒的不相容性：具有相同复制起始 点和分配区的两种质粒不能共存于一个宿主菌 经验体会3. 质粒的遗传调控 原核生物与病毒基因组的结构与功能 二、 原核基因 组特征 三、 操纵子 方式 四、 质粒 DNA 五、 病毒基因 组特征 一、 研究意 义 二、原核生物基因组结构与功能的特征 三、原核生物基因的操纵子方式组构 四、原核生物中的质粒DNA 五、病毒基因组的特征 一、原核生物与病毒基因组研究的意义 病毒基因组的特征 五、 病毒基因 组特征 病毒个体微小，但不同的病毒基因组在大小和 结构上有比较大的差异。 （一）病毒的基因组较小 五、 病毒基因 组特征 与真核细胞和细菌基因组相比，病毒基因组要 小的多。 痘病毒：300 KBp， 编码几百种蛋白质 细菌：4000 KBp， 包含大约3500个基因 （二）病毒基因组有的是DNA，有的是RNA 五、 病毒基因 组特征 经验体 会 1. DNA病毒 经验体 会 2. RNA病毒 每种病毒中只含有一种核酸，