第三章 真核生物基因组

1、第三章第三章 真核生物基因组真核生物基因组细胞核基因组（细胞核基因组（cytoblast cytoblast genomegenome）细胞器基因组（细胞器基因组（organelle organelle genomegenome）由染色体由染色体DNADNA组成：组成：DNADNA+ +蛋白质蛋白质= =核小体核小体线性双链线性双链DNADNA分子分子染色体的数目，绝大多数真核生物染色体的数目，绝大多数真核生物体细胞都是二倍体体细胞都是二倍体基因表达与染色质结构相关基因表达与染色质结构相关*M期期染色体形式染色体形式大部分细胞周期大部分细胞周期染色质染色质( (弥散状弥散状) ) DNADNA

2、染色质的电镜图像染色质的电镜图像a a、常染色质：密度较低，、常染色质：密度较低，一部分基因能被表达一部分基因能被表达b b、异染色质：密度较高，、异染色质：密度较高，不被表达不被表达( (着丝粒、端粒着丝粒、端粒) )DNADNA：约约200bp200bp 组蛋白：组蛋白：H1H1 H2A H2A，H2BH2B H3 H3 H4 H4 核小体核小体 染色体的基本结构染色体的基本结构多为多为 串珠状核小体结构串珠状核小体结构- 念珠样结构不利于基念珠样结构不利于基因表达因表达- 乙酰化组蛋白有利于乙酰化组蛋白有利于基因表达基因表达 核小体的细微结构影响基因表达核小体的细微结构影响基因表达真核生

3、物基因组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（双倍构成。染色体通常成对出现（双倍体）。体）。2. 基因组非常庞大，结构基因组非常庞大，结构非常复杂，有多个复制非常复杂，有多个复制起始位点。起始位点。 基因组中存在大量的基因组中存在大量的重复序列重复序列以及以及非编非编码序列码序列。真核生物基因组内非编码序列。真核生物基因组内非编码序列占占90%以上，是与细菌、病毒的重要区以上，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。别，在一定程度上也是生物进化的标尺。 功能基因大多不连续，存在有内含子和功能基因大多不连续，存在有内含子和外显子；

4、外显子；真核生物基因组中也存在一些可移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）。 多数的真核生物不存在操纵子结构，每一多数的真核生物不存在操纵子结构，每一个基因都单独构成一个转录单位，转录产个基因都单独构成一个转录单位，转录产生单顺反子生单顺反子mRNA，及编码一种蛋白质。，及编码一种蛋白质。 这是原核生物基这是原核生物基因的操纵子结构，因的操纵子结构，转录产生多顺反转录产生多顺反子子mRNA，可编，可编码多种蛋白质。码多种蛋白质。原核生物的多顺反子原核生物的多顺反子真核生物的单顺反子真核生物的单顺反子非编码序列非编码序列核蛋白体结合位点核蛋白体结合位点起

5、始密码子起始密码子终止密码子终止密码子编码序列编码序列PPP5 3 蛋白质蛋白质PPPmG -5 3 蛋白质蛋白质AAA 真核生物结构基因的真核生物结构基因的DNA序列由编码序序列由编码序列和非编码序列两部分交替组成，编码序列和非编码序列两部分交替组成，编码序列是不连续的，被非编码序列分割开来，列是不连续的，被非编码序列分割开来，称为断裂基因。其包括外显子和内含子。称为断裂基因。其包括外显子和内含子。 断裂基因断裂基因（split gene） 外显子（外显子（exonexon）：编码的：编码的DNADNA序列，即被序列，即被表达的表达的DNADNA区段区段内含子（内含子（intronintro

6、n）：非编码的：非编码的DNADNA序列序列Gilbert Gilbert （19781978年）提出内含子、外显子概念年）提出内含子、外显子概念 在每个外显子和内含子的接头区都是一段在每个外显子和内含子的接头区都是一段高度保守的共有序列，内含子的高度保守的共有序列，内含子的5端是端是GT，3端是端是AG，这种接头方式称为，这种接头方式称为GT-AG法则法则，普遍存在于真核生物中，是普遍存在于真核生物中，是RNA剪接的识剪接的识别信号，转录后的前体别信号，转录后的前体RAN中的内含子剪中的内含子剪接位点。接位点。 断裂基因存在是生物进化的结果，是从断裂基因存在是生物进化的结果，是从复制水平而言

7、，复制水平而言，不同的外显子可分别编不同的外显子可分别编码不同的功能结构域，基因外显子不同码不同的功能结构域，基因外显子不同的组合产生新的编码蛋白质，即是外显的组合产生新的编码蛋白质，即是外显子改组子改组。如血红蛋白和肌红蛋白均由独。如血红蛋白和肌红蛋白均由独立的外显子编码结合血红素的结构域。立的外显子编码结合血红素的结构域。 重复序列：多拷贝的相同或近似序列的重复序列：多拷贝的相同或近似序列的DNADNA片段片段真核生物基因组中通常存在大量的重复序真核生物基因组中通常存在大量的重复序列，可占整个基因组列，可占整个基因组DNADNA的的90%90%以上。以上。按复性动力学方法可将这些重复序列分

8、为按复性动力学方法可将这些重复序列分为高度重复序列高度重复序列，中度重复序列中度重复序列和和低度重复低度重复序列（单拷贝序列）序列（单拷贝序列）三大类。三大类。 （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，高度重复序列在基因组中重复频率高，可达可达10106 6次，因此复性速度很快。高度次，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重复序列在基因组中所占比例随种属而异，一般在而异，一般在101060%60%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%20%左右。左右。是由两个相同顺序的是由两个相同顺序的互补拷贝在同

9、一互补拷贝在同一DNADNA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两种：高度重复序列按其结构特点可分为两种： 反向重复序列（反向重复序列（inverted repeatsinverted repeats）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 构构卫星卫星DNADNA（satellite DNAsatellite DNA）卫星卫星DNADNA的重复单位一般由的重复单位一般由2 270 bp70 bp组组成，成串排列。成，成串排列。卫星卫星DNADNA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0.50.531%

10、31% 范围内。范围内。人类基因组中可分离出三类卫星：人类基因组中可分离出三类卫星：大卫星大卫星DNADNA（macrosatellite DNAmacrosatellite DNA）：）：其重复单位为其重复单位为5 5 171 bp171 bp，主要分布于染色体的，主要分布于染色体的着丝粒区。着丝粒区。小卫星小卫星DNADNA（minisatellite DNAminisatellite DNA）：）：其重复单位为其重复单位为1515 70 bp70 bp，存在于常染色体。，存在于常染色体。微卫星微卫星DNA/DNA/短串联重复序列（短串联重复序列（microsatellite micros

11、atellite DNA/short tandem repeat, STRDNA/short tandem repeat, STR）：）： 其重复单位为其重复单位为2 2 5 bp5 bp，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。 人类基因组人类基因组DNADNA中平均每中平均每6 610kb10kb就有一个就有一个STRSTR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STRSTR位点的重复位点的重复次数不同。次数不同。 由于重复单位及重复次数不同，使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有很大差其在不同种族，不同人群之间的分

12、布具有很大差异性，构成了异性，构成了STRSTR遗传多态性。遗传多态性。参与复制水平的调节参与复制水平的调节参与基因表达的调控参与基因表达的调控参与转位参与转位与进化有关与进化有关与个体特征有关与个体特征有关与染色体减数分裂时染色体配对有关与染色体减数分裂时染色体配对有关基因组中重复次数基因组中重复次数101000bp1000bp，如，如KpnKpn家族家族 AluAlu家族家族是哺乳动物和人类基因组中含量最丰富的一是哺乳动物和人类基因组中含量最丰富的一种中度重复序列家族种中度重复序列家族AluAlu家族每个成员长度约为家族每个成员长度约为300bp300bp，典型的特，典型的特征是内部有一个

13、限制性内切酶征是内部有一个限制性内切酶AluAlu位点（位点（AG/CTAG/CT），序列被分割成），序列被分割成170bp170bp和和130bp130bp的两个的两个片段，因而称其为片段，因而称其为AluAlu序列或序列或AluAlu家族。家族。具有种特异性具有种特异性正向重复序列正向重复序列170bp130bp+31bp130bp正向重复序列正向重复序列正向重复序列正向重复序列正向重复序列正向重复序列6-20 bp6-20 bp 130bp由两个约由两个约130bp130bp的正向重复构成的二聚体的正向重复构成的二聚体；第二个单体中有一个第二个单体中有一个31bp31bp的插入序列的插入

14、序列，不同成员，不同成员之间核苷酸顺序相似但不相同；之间核苷酸顺序相似但不相同；两侧为两侧为6-20bp6-20bp的正向重复顺序的正向重复顺序，不同成员的侧翼，不同成员的侧翼重复顺序各不相同；重复顺序各不相同；人类人类AluAlu序列特征：序列特征：AluIAlu家族的功能是多方面的，可能家族的功能是多方面的，可能参与参与hnRNA的加工与成熟，也与遗的加工与成熟，也与遗传重组及染色体不稳定性有关。最传重组及染色体不稳定性有关。最近研究表明，近研究表明，Alu顺序可能具有转录顺序可能具有转录调节作用。调节作用。典型的典型的长散在核元件长散在核元件（LINEs）是是Kpn重复序列重复序列家族，

15、因在其序列中存家族，因在其序列中存在限制酶在限制酶Kpn的切点而得名。的切点而得名。Kpn家族的重复单位一般为家族的重复单位一般为6 6 7 kb7 kb或更长，其两侧也各有一段正向重复序或更长，其两侧也各有一段正向重复序列，功能上与列，功能上与Alu家族相似。家族相似。（三）低度重复序列（单拷贝序列）（三）低度重复序列（单拷贝序列）单拷贝序列在基因组中只出现一次或单拷贝序列在基因组中只出现一次或少数几次，因此复性速度很慢。少数几次，因此复性速度很慢。单拷贝序列属于结构基因，它储存了单拷贝序列属于结构基因，它储存了巨大的遗传信息，编码各种功能不同巨大的遗传信息，编码各种功能不同的蛋白质。的蛋白

16、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多基因家族多基因家族(multigene family)(multigene family)：指由：指由某一祖先基因经过重复和变异所产生的一某一祖先基因经过重复和变异所产生的一组基因。组基因。DNADNA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%50%），并且其编码产物具有相同或相似生），并且其编码产物具有相同或相似生理功能的一组结构基因。理功能的一组结构基因。可分为可分为二类二类：一类一类是是，基因家族成员位置相对集中，基因家族成员位置相对集中，成簇地分布在，成簇地分布在同一同一染色体上并同时进行转染色体上并同

17、时进行转录。如组蛋白基因家族。录。如组蛋白基因家族。chromosome 7另一类另一类是基因家族成员分布在是基因家族成员分布在不同不同的染色体的染色体上，分别进行转录，且不同基因编码的蛋白上，分别进行转录，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。质在功能上相关，如珠蛋白基因家族。假基因（假基因（pseudo genepseudo gene）：在多基因家族在多基因家族中，某些并不产生有功能的基因产物的成员中，某些并不产生有功能的基因产物的成员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DNADNA片片段发生了缺失、倒位或点突变，导致调控基段发生了缺失、倒位或点突变

18、，导致调控基因丢失；或无剪接加工信号；或编码区出现因丢失；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整的基因。终止信号；或编码无功能或不完整的基因。 根据假基因产生的机制分类：根据假基因产生的机制分类：复制假基因：复制后基因发生序列变化而失复制假基因：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去功能，这样产生的假基因带有内含子加工假基因：基因转录后加工成熟的加工假基因：基因转录后加工成熟的RNARNA经经逆转录生成互补逆转录生成互补DNADNA，后者在整合到基因组中，后者在整合到基因组中称为加工假基因称为加工假基因 指基因组中某个基因在同种指基因组中某个基因在

19、同种生物的不同个体中，同时和经常生物的不同个体中，同时和经常存在的两种或两种以上的变异型存在的两种或两种以上的变异型或基因型的现象或基因型的现象基因多态性的类型：基因多态性的类型： 限制性片段长度多态性限制性片段长度多态性(RFLP) (RFLP) (restuiction fragment lengh (restuiction fragment lengh polymorphism)polymorphism) 单核苷酸多态性单核苷酸多态性(SNP)(SNP) (single nucleotide polymorphism) (single nucleotide polymorphism) R

20、FLP RFLP指用某个限制性核酸内切酶来酶解指用某个限制性核酸内切酶来酶解基因组的某段序列时，在同种的不同个体基因组的某段序列时，在同种的不同个体之间该段序列可能被酶解成长短不等的几之间该段序列可能被酶解成长短不等的几个个DNADNA片段，这些序列在该种生物的群体片段，这些序列在该种生物的群体中形成多态性。中形成多态性。 限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶RERE是一类能识别和切割双链是一类能识别和切割双链DNADNA特定特定核苷酸序列的核酸水解酶。核苷酸序列的核酸水解酶。GGATCCCCTAGGGCCTAGGATCC GBam Hrestriction endonuclease, restr

21、iction endonuclease, RERE RFLPRFLP的类型的类型1.1.点的多态性点的多态性表现为表现为DNADNA链中发生单个碱基的突变，且突变导致链中发生单个碱基的突变，且突变导致一个原有酶切位点的丢失或形成一个新的酶切位一个原有酶切位点的丢失或形成一个新的酶切位点。点。SouthernSouthern杂交即可诊断。杂交即可诊断。2.2.序列多态性序列多态性由于由于DNA DNA 顺序上发生突变如缺失、重复、插入所顺序上发生突变如缺失、重复、插入所致。致。由于高变区（由于高变区（highly variable region highly variable region ）内

22、串）内串联重复顺序的拷贝数不同所产生的，其突出特征联重复顺序的拷贝数不同所产生的，其突出特征是限制性内切酶识别位点本身的碱基没有发生改是限制性内切酶识别位点本身的碱基没有发生改变，改变的只是它在基因组中的相对位置。变，改变的只是它在基因组中的相对位置。 SNP SNP是指单个核苷酸变异而形成的是指单个核苷酸变异而形成的DNADNA分子多态性分子多态性 SNP SNP所表现的多态性只涉及到单个所表现的多态性只涉及到单个碱基的变异，碱基的变异，也就是通常说的基因的点也就是通常说的基因的点突变，突变，这种变异可由单个碱基的转换或这种变异可由单个碱基的转换或颠换所引起颠换所引起。转换是指同型碱基之间替

23、换转换是指同型碱基之间替换颠换是指发生在嘌呤与嘧啶之间替换颠换是指发生在嘌呤与嘧啶之间替换 组成组成DNADNA的碱基虽然有的碱基虽然有4 4种，种，SNPSNP理论上有四种理论上有四种等位形式，但实际上某一特定位点的等位形式，但实际上某一特定位点的SNPSNP通常只通常只有一种变异形式，即有一种变异形式，即二等位多态二等位多态。三等位和四等。三等位和四等位多态很少见。位多态很少见。 人类基因组人类基因组1SNP/kb1SNP/kb，共约，共约300300万万SNPSNP，是人群，是人群中个体差异最中个体差异最具代表性具代表性的的DNADNA多态性多态性根据根据SNPSNP在基因组中的位置分为

24、在基因组中的位置分为-编码区编码区SNPSNP 非同义非同义SNPSNP（20-30%20-30%） 同义同义SNPSNP（70-80%70-80%）-基因周边区基因周边区SNPSNP-基因间基因间SNPSNP大多数大多数SNPSNP位点十分稳定，被认为是一位点十分稳定，被认为是一种能稳定遗传的早期突变种能稳定遗传的早期突变研究意义研究意义 SNP SNP的应用范围较微卫星标记更加宽广，的应用范围较微卫星标记更加宽广，经常被经常被用于基因组作图、法医鉴定、亲子鉴定、疾病的用于基因组作图、法医鉴定、亲子鉴定、疾病的连锁反应、群体遗传学及生物学进化的研究，此连锁反应、群体遗传学及生物学进化的研究，此外外SNPSNP在个体化医学及保健中有着广阔的应用前在个体化医学及保健中有着广阔的应用前景。景。 人们希望通过研究人们希望通过研究SNPSNP图谱，更深刻地认识癌症图谱，更深刻地认识癌症、糖尿病、血管性疾病和、糖尿病、血管性疾病和某些精神性疾病等发病率某些精神性疾病等发病率高的多基因疾病的发生机高的多基因疾病的发生机制。制。 是