生物化学与基因组学

第七节基因与基因组基因的结构基因组线粒体与叶绿体基因组基因的结构

基因：合成一种功能蛋白或RNA分子所必须的全部DNA序列ageneincludestheentirenucleicacidsequencenecessaryfortheexpressionofitsproduct(peptideorRNA).

原核生物以操纵子为遗传信息单位真核生物内含子基因序列可以划分为：调节区regulatoryregion

转录区transcriptionalregion典型的原核基因：以操纵子为遗传信息单位，无内含子典型的真核基因包括：①编码序列—外显子(exon)②插入外显子之间的非编码序列—内合子(intron)③5'-端和3'-端非翻译区(UTR)④调控序列(可位于上述三种序列中)绝大多数真核基因是断裂基因(split-gene)，外显子不连续。原核mRNA为多顺贩子，其编码DNA称为操纵子。真核mRNA为单顺贩子，其编码DNA为基因乳糖操纵子,3个结构基因LacYβ-半乳糖苷通透酶LacZβ-半乳糖苷酶LacAβ-半乳糖苷乙酰转移酶色氨酸操纵子，5个结构基因编码色氨酸生物合成途径中起催化作用的酶顺势作用元件：启动子：DNA上RNA聚合酶结合位点，转录起始的区域。增强子：DNA序列上转录激活因子识别位点，转录激活因子与增强子相互作用结合激活转录。沉默子(Silencers)：阻遏蛋白(repressors)的识别序列,阻抑蛋白与沉默子相互作用抑制转录的进行。效应元件（Responseelements）：转录调节因子的识别序列。

基因组生物体的整套遗传物质的总和，基因组的大小通常指单倍体基因组所含的全部遗传物质，用碱基对总数表示。原核生物基因组：单个环型染色体真核生物基因组：线性染色体植物基因组包括：核基因组；线粒体基因组；

叶绿体基因组基因组研究内涵：

基因组的大小：基因组中含多少基因，基因在染色体上如何分布的；基因组的复杂性；基因组的结构真核基因组较原核基因组大，复杂。但基因组大小与遗传的复杂性并不成正比。蝾螈和百合的基因组是人基因组的10倍以上，但它们的复杂性并不比人大10倍。真核基因组中大量DNA不编码蛋白可以解释上述现象。蝾螈与人基因组的差异反映了蝾螈基因组中存在大量的非编码序列，而不是更多的基因。存在大量非编码序列是复杂真核生物基因组的特性。人的基因组是E.coli1000倍以上，但人基因的数量(50000)只是E.coli

的十几倍，真核生物基因组的复杂性源自非编码序列。真核生物中大部分DNA为非编码序列。基因组的复杂性真核基因组复杂性源于重复序列的存在。线虫非洲爪蟾烟草噬菌体线粒体和叶绿体基因组线粒体基因组

线粒体和叶绿体它们由已存在的线粒体和叶绿体分裂而来；它们在每代细胞中至少要加倍其数量（直接分裂）；电镜研究暗示细胞器分裂是一个受控制的过程。线粒体拥有自己的遗传系统，该系统与核基因组是分离的。Electronmicrographofadividingmitochondrioninalivercell.(CourtesyofDanielS.Friend.)Diagramofadividingmitochondrion.观点：线粒体起源于细菌，该细菌生活于大的细胞中，并与宿主细胞建立了共生关系。支持：近期的研究揭示线粒体基因组DNA序列与立克次氏体(Rickettsiaprowazekii)序列有明显的同源性，立克次氏体是一种细胞内的寄生菌，能够向线粒体一样在细胞内复制。立克次氏体与线粒体DNA的同源性表明它们来自相同的祖先。线粒体从该祖先演化而来。线粒体基因组通常为环状的DNA,在线粒体中可以存在多个拷贝。不同物种线粒体DNA大小变化很大。人和动物的线粒体基因组仅有约16kb，但酵母约80kb；植物多大于200kb。但这些大的线粒体基因组主要由非编码序列组成，并没有明显的含更多遗传信息。例如，已测序的最大的线粒体基因组为拟南芥的线粒体基因组，其大小为367kb，但仅编码32个蛋白，仅比人线粒体基因组编码的蛋白数多一倍多。线粒体叶绿体中的大多数蛋白由核基因组编码研究：细胞器离体合成细胞器的DNA、RNA和蛋白质，提供了一种方法确定哪些蛋白由细胞其基因组编码。用专一性抑制剂处理完整细胞。放线菌酮(cycloheximide)抑制细胞质蛋白合成，但不抑制细胞器蛋白质合成。多种抗菌素如氯霉素、四环素和红霉素抑制线粒体和叶绿体蛋白合成，但对细胞质蛋白合成影响很小。这些专一性抑制剂在研究细胞器功能上得到宽泛性用。Anoverviewofthebiosynthesisofmitochondrialandchloroplastproteins.Eachredarrowindicatesthesiteofactionofaninhibitorthatisspecificforeitherorganelleorcytosolicproteinsynthesis.Amanitin鹅膏荤素Cycloheximide放线菌酮Chloramphenicol氯霉素Erythromycin红霉素Tetracycline四环素Ethidium乙锭已知编码基因最多的是原生动物Reclinomonasamericana

的线粒体基因组（69kb）,编码97个基因，Reclinomonasamericana线粒体基因组更接近细菌的基因组，Reclinomonasamericana线粒体基因组编码了若干氧化磷酸化系统的基本蛋白组分；所有的rRNA和大多数tRNA，其它的线粒体蛋白由核基因组编码，这些基因被认为在演化初期由线粒体基因组转移到核基因组。人的线粒体基因组编码13个参与电子传递和氧化磷酸化的蛋白，除此之外人的线粒体基因组还编码了16S和12SrRNA以及22个tRNA,用于翻译线粒体基因组编码的蛋白，动物和酵母线粒体的核糖体仅含有2个rRNA。但植物线粒体编码3个rRNA，其中一个为5SrRNA。ThehumanmitochondrialgenomeThegenomecontains13proteincodingsequences,whicharedesignatedascomponentsofrespiratorycomplexesI,III,IV,orV.Inaddition,thegenomecontainsgenesfor12Sand16SrRNAsandfor22tRNAs,whicharedesignatedbytheone-lettercodeforthecorrespondingaminoacid.Theregionofthegenomedesignated“Dloop”containsanoriginofDNAreplicationandtranscriptionalpromotersequences动物线粒体中，所有tRNA由线粒体基因组编码。植物和原生动物线粒体中部分tRNA由外界输入，植物和原生动物在输入和利用核基因组编码的tRNA方面存在差异。在线粒体中一些密码对应的氨基酸与按universalcode确定的氨基酸不同。原核和真核细胞中的一些tRNA识别不止一种密码子。按照密码子和反密码子识别的规则，按universalcode翻译至少需要30种不同的tRNA。人的线粒体基因组编码22种tRNA，翻译线粒体mRNA时仅用的tRNA。按universalcode系统，22种tRNA是不够的，但在线粒体中，密码子和反密码子的识别中存在另外的不确定性，即tRNA反密码子中的U可以和密码子第三位置上4种核苷酸中的任何核苷酸配对，使得一个tRNA可以识别4种密码，从而使翻译步骤能够由22种tRNA完成。DifferencesbetweentheUniversalandMitochondrialGeneticCodesCodonUniversalcodeHumanmitochondrialcode

UGASTOPTrpAGAArgSTOPAGGArgSTOPAUAIleMetOthercodonsvaryfromtheuniversalcodeinyeastandplantmitochondria.AlterationsintheStandardGeneticCodeinMitochondriaCodonStandardCode:MitochondriaNuclear-EncodedProteinsMammalsDrosophila

NeurosporaYeastsPlantsUGAStopTrpTrpTrpTrpStopAGA,AGGArgStopSerArgArgArgAUAIleMetMetIleMetIleAUUIleMetMetMetMetIleCUULeuLeuLeuLeuThrLeuCUCLeuLeuLeuLeuThrLeuCUALeuLeuLeuLeuThrLeuCUGLeuLeuLeuLeuThrLeu线粒体基因组也会产生变异，并且通常是有害变异。几乎所有的受精卵中的线粒体来自卵母细胞，线粒体的突变由母亲传递给子代。有人认为个体发育过程中线粒体突变的积累对个体的衰老有一定的作用。绝大多数线粒体基因组不编码DNA复制、转录和翻译中需要的蛋白。参与线粒体DNA复制和基因表达有关的蛋白由核基因组编码。核基因组还编码多数参与氧化磷酸化的蛋白和所有参与线粒体代谢的酶（如，柠檬酸循环中的酶）。这些蛋白占线粒体蛋白的95%以上，由细胞质中游离的核糖体合成。合成后，前体多肽链被运进线粒体。转运至线粒体的蛋白，其N端含带正电荷的presequences，起定位作用。通过与细胞质Hsp70的结合，线粒体蛋白转运中呈未折叠状态。未折叠的线粒体蛋白被线粒体膜表面的受体识别，其后通过Tom复合体转运到内膜上的Tim复合体，之后借助跨膜电化学势梯度转运到线粒体基质中。多肽前体被基质中的蛋白酶切割，并与线粒体的Hsp70结合，转运至线粒体的Hsp60，进行折叠后转运至基质。.线粒体膜蛋白疏水的stop-transfer序列，使转运停止在Tom或Tim复合体，进而导致蛋白进入腺粒体的外膜或内膜。线粒体膜蛋白蛋白也可定位于外膜与内膜的间隙。有些蛋白被转运至Tom复合体，然后释放到膜间间隙。有些蛋白被转运至Tim复合体，由于含疏水stop-transfer序列而停止通过，然后被切割释放蛋白到膜间间隙。有些蛋白被转运到基质，去掉presequences后暴露输水序列，使蛋白回到膜间间隙。叶绿体基因组(TheChloroplastGenome)

叶绿体也含有自己的遗传系统，反映了其在进化上起源于光合细菌，叶绿体基因组为环状DNA分子，在叶绿体中存在多拷贝。叶绿体基因组大小为120~160kb，含约120个基因，叶绿体基因组比线粒体基因组复杂。已有若干种植物进行过完整叶绿体基因组的测序，确定了许多由叶绿体编码的基因。叶绿体基因组编码RNA和参与基因表达的蛋白以及参与光合作用的蛋白。翻译叶绿体mRNA需要的rRNA和tRNA由叶绿体基因组编码，包括4种rRNA(23S、16S、5S和4.5S)和30种tRNA。叶绿体编码的tRNA足以按照universalgeneticcode翻译mRNA。另外叶绿体基因组还编码约20种核糖体蛋白，约占叶绿体所有核糖体蛋白的1/3。叶绿体中的有些RNA聚合酶的亚基由叶绿体基因组编码，另外一些RNA聚合酶亚基和其它叶绿体基因表达所需要的蛋白由核基因组编码。叶绿体基因组编码约30种参与光合作用的蛋白，包括光系统I和光系统II的组分、细胞色素fb复合体和ATP合成酶。另外线粒体基因组还编码核酮糖二磷酸羧化酶(rubisco)的大亚基，Rubisco在卡尔文循环中催化将CO2

加到核酮糖1-5二磷酸上，是卡尔文循环中的关键的酶。尽管与线粒体相比，叶绿体基因组编码了更多自身的蛋白，但叶绿体中约90%蛋白仍由核基因组编码。这些蛋白由细胞质核糖体合成，然后完整的多肽链被输入叶绿体。在叶绿体中分选(sort)到适当的部位。叶绿体含3个分离的膜系统，将叶绿体分成不同的隔室，这使得蛋白质的分选更复杂GenesEncodedbyChloroplastDNAFunctionNumberofgenes

GenesforthegeneticapparatusrRNAs(23S,16S,5S,4.5S)4tRNAs30Ribosomalproteins21RNApolymerasesubunits4GenesforphotosynthesisPhotosystemI5PhotosystemII