真核生物基因组

第三章

真核生物基因组

引言: 真核生物基因组比较庞大，并且不同生物种间差异很大。例如,人类单倍体基因组由3.16x109bP组成，如果以1000个碱基编码一种蛋白质来计算，理论上可有300万个基因。但实际上只有很少部分(约占2％—3％)的DNA序列用于编码蛋白质。基因总数大概3.5DNA的复性动力学研究：非编码区往往都是重复序列。

第一节

真核生物基因组特点

1．分为细胞核基因组与细胞质基因组：

细胞核基因组是双份的(二倍体，diploid)，即有两份同源的基因组。细胞质基因组可有许多拷贝。2．真核细胞基因转录产物为单顺反子：一个结构基因经过转录和翻译生成一个mRNA分子和一条多肽链。3．细胞核基因组存在重复序列：重复次数可达百万次以上，大多为非编码序列，因此基因组中不编码的区域多于编码区域。4．大部分基因有内含子，所以基因是不连续的。5．真核生物基因组远远大于原核生物基因组，具有许多复制起点，但每个复制子的长度较小。

一、细胞核基因组与细胞质基因组

(一)细胞核基因组

细胞核基因组的DNA与蛋白质结合形成染色体(chromosome)。

除配子细胞外，体细胞有两个同源染色体，因此基因组有两份同源的基因组。染色体储存于细胞核内，是基因组遗传信息的载体。

(二)线粒体基因组

1．为双链环状超螺旋分子，类似于质粒。2．mtDNA的复制属于半保留复制，可以是θ型复制，或滚环复制，或D环复制，由线粒体DNA聚合酶催化完成。3．线粒体基因组主要编码与生物氧化有关的一些蛋白质和酶。4．线粒体基因组可能还包括一些抗药性基因。5．线粒体基因组有自己的rRNA、tRNA以及核糖体等系统，因此线粒体本身的一些蛋白质基因也可以在线粒体内独立地进行表达。6．哺乳动物mtDNA的遗传密码与通用的遗传密码有区别。二、单顺反子结构

真核细胞结构基因为单顺反子(monocistron)，一个结构基因经过转录生成一个单顺反子mRNA分子，翻译成一条多肽链。真核生物基本上没有操纵子结构。

三、断裂基因

真核细胞基因组的大部分序列属于非编码区。编码区通常为结构基因，结构基因不仅在两侧有非编码区，而且在基因内部也有许多不编码蛋白质的间隔序列(interveningsequences)，因此，真核细胞的基因大多由不连续的几个编码序列所组成，称之为断裂基因(splitgene)。

●内含子(intron)：

是结构基因中的非编码序列，往往与编码序列呈间隔排列。当基因转录后，在mRNA的成熟过程中被剪切(splicing)。●外显子(exon)：

是结构基因中的编码序列，往往被内含子所间隔，当基因转录后，mRNA在成熟过程中切去内含子，外显子才被拼接成完整的序列，成为成熟的mRNA作为指导蛋白质合成的模板。

内含子与外显子的概念也是相对的.●间隔区DNA：

真核生物基因之间存在编码空白区或转录的空白区，称之为间隔区DNA(spacerDNA)，这些序列往往在单拷贝的结构基因侧翼，并使结构基因彼此分开，间隔区DNA也可以存在于rDNA区。四、重复序列

根据复性动力学将真核生物基因组DNA的重复序列分为三类：(一)高度重复序列:重复频率达百万(106)以上。碱基组成的复杂度很低，因此其复性速率很快。(二)中度重复序列:重复数十至数万次(<105)。(三)低度重复序列:只出现一次或数次,复性速度很慢。

(一)高度重复序列

1.反向(倒位)重复序列

复性速度极快，又称零时复性部分。由两个相同顺序的互补拷贝在同一DNA链上反向排列而成。复性时，链内碱基配对而呈现发夹式或“+”字形结构。重复序列之间没有间隔的又称之为回文(Palindrome)结构。

2.卫星DNA(satelliteDNA)

重复单位一般由2～10bp组成,且成串排列。因碱基组成不同于其他部分，用等密度梯度离心法可与主体DNA分开,故称为卫星DNA或随体DNA。

3.α卫星DNA(α-satelliteDNA)

由较复杂的重复单位所组成，灵长类所独有。卫星DNA或随体DNA（SatelliteDNA）

因碱基组成不同于其他部分，用等密度梯度离心法可将卫星DNA与主体DNA分开。CsCl等密度梯度离心高度重复顺序的主要功能：

①参与复制水平的调节

②参与基因表达的调控

③参与转位作用:几乎所有转位因子的末端都包含反向重复序列，可以形成回文结构，既能连接非同源的基因，又可以被参与转位的特异酶所识别；

④与进化有关:具有种属特异性，但相近种属又有相似性；

⑤与个体特征有关:同一种属中不同个体的高度重复序列的重复次数不一样，这可以作为每个个体的特征，即DNA指纹；

⑥与染色体减数分裂时染色体配对有关:α卫星DNA成簇分布在染色体着丝粒附近，同源染色体之间的联会可能依赖于具有染色体专一性的特定卫星DNA序列。

(二)中度重复序列

重复数十至数万次(<105)的重复序列短分散重复片段

●

Alu家族:是哺乳动物基因组中含量最丰富的一种中度重复序列家族.

●

hinf家族:（略）

长分散重复片段

●

KpnI家族●组蛋白基因

●超基因:一个基因簇中含有几百个功能相关的基因，这样的基因簇称为超基因。如人类主要组织相容性抗原复合体HLA和免疫球蛋白重链与轻链基因。

中度重复顺序的主要功能★

中度重复序列大多不编码蛋白质。★有些中度重复序列则是编码蛋白质或rRNA的结构基因：如HLA基因、rRNA基因、tRNA基因、组蛋白基因、免疫球蛋白基因等。★中度重复序列一般具有种属特异性。

(三)低度重复序列

在单倍体基因组中只出现一次或数次，因而复性速度很慢。□低度重复序列在人类基因组中占60％-65％。□低度重复序列中储存了巨大的遗传信息，编码各种不同功能的蛋白质。□低度重复序列的两侧往往为散在分布的重复序列。

五、多基因家族与假基因

(一)多基因家族

多基因家族(multigenefamily)是指由某一祖先基因经过重复和变异所产生的一组基因。如组蛋白基因家族、珠蛋白基因家族。(二)假基因在多基因家族中，某些成员并不产生有功能的基因产物，这些基因称为假基因(pseudogene)。

六、多态性

1．不同种类的真核生物体内，基因组DNA结构存在着相当大的差异；2．同种生物的不同个体之间，基因组DNA序列也存在差异。

限制性核酸内切酶片段长度多态性(restrictionfragmentlengthpolymorphism，RFLP)：

基因组中某个基因在同种生物的不同个体中，同时和经常存在两种或两种以上的变异型，以至于用某种限制性核酸内切酶消化基因组的某段序列时，会呈现不同的消化片段，形成生物群体的多态性，这种多态性称为限制性核酸内切酶片段长度多态性。

RFLP分为两种类型：

点多态性、较大的顺序变化

限制性核酸内切酶片段长度多态性七、基因重叠(geneoverlapping)

所谓基因重叠，就是指基因组DNA中某些序列被两个或两个以上的基因所共用。复习：第二章重叠基因(overlappinggene)指同一段DNA序列能编码2-3种蛋白质多肽链。即编码顺序位于同一段DNA序列中，并相互重叠。第二节

基因组结构与疾病

一、人类染色体的结构与疾病

(一)人体染色体数目、结构和形态

1．染色体数目

●正常人的体细胞：具有46条染色体，称为二倍体(2n)。其中44条(22对)为常染色体，另两条为性染色体(女性为XX，男性为XY)。

●配子细胞(精子和卵)：具有23条染色体，称为单位体(n)。卵细胞为22+X，精子为22+X或22+Y。

2．染色体形态

根据染色体的长度和着丝粒的位置将人类染色体顺次由1编到22号，并分为A、B、C、D、E、F、G等7个组。正常人体染色体核型（男性）

Q显带：用荧光染料喹吖因氮芥体外处理染色体标本。G显带：用热、碱、胰酶、尿素、去垢剂或某些盐溶液预先处理染色体标本，再经Giemsa染色，则染色体可显示出不同的带纹。R带：与G带明暗相反；C带：专门显示着丝粒异染色质；T带：专一显示染色体端粒；N带：显示核仁组织区。常用的显带方法G显带正常人体染色体核型（女性）(二)染色体的数目异常与疾病

1．多倍体和多倍性

体细胞染色体倍数超过二倍(2n)的细胞称为多倍体细胞，体细胞获得多倍体(polyploidy)的性状称为多倍性。

2．异倍性或非整倍性

细胞的染色体数非23的整倍时，称为异倍体细胞，少于46，称为亚二倍体；多于46，称为超二倍体；67可称为亚三倍体等。

3．三体性和单体性

体细胞的某号染色体增多一条，称为三体性(trisomy)；体细胞的某号染色体减少一条，称为单体性(monosomy)。典型常见病例：三体性：Down综合征(47，+21)、Klinefelter综合征(47，XXY)、Patau综合征(47，+13)、Edward综合征(47，+18)等，

□

临床上多表现为智力损害和发育畸形。单体性：Turner综合征(45，XO)。

□常染色体的单体性由于严重破坏基因平衡，因而是致死的。

(三)染色体的结构异常与疾病

1．染色体结构异常的类型常见的染色体结构异常有：

①缺失(deletion)：主要见于染色体部分丢失；

②环状染色体(ringchromosome)：

当一条染色体的两臂各有一次断裂，有着丝粒节段的两个断裂端如彼此重新连接，可形成环状染色体；

③等臂染色体(isochromosome)：

染色体断裂如果发生在着丝粒区，使着丝粒横断，则两个臂的姐妹染色单体可分别互相连接，导致长臂与长臂重连，短臂与短臂重连，形成等臂染色体;

④倒位(inversion)：

如果两次断裂形成的片段倒转180度重新接合，那么，虽然没有染色体物质的丢失，但基因顺序颠倒。臂内倒位：倒位发生在同一臂内。臂间倒位：两次断裂分别发生在长臂和短臂。

⑤易位(translocation)：染色体片段位置的改变称为易位。

移位(shift)或染色体内易位：易位发生在一条染色体内。

染色体间易位：易位发生在两条同源或非同源染色体之间。

染色体间易位包括：□转位(transposition)

□相互易位(reciprocaltranslocation)

●相互易位是比较常见的染色体结构畸变。

⑥双着丝粒染色体：

两条染色体断裂后，具有着丝粒的两个片段相连接，形成一个双着丝粒染色体。两个无着丝粒片段也可以连接成一个无着丝粒片段(通常在细胞分裂时丢失)。

⑦插入(insertion)：●一条染色体的某一节段插人到另一染色体中。●插入可以是正位的，也可以反向插入。●插入如发生在同源染色体间，则导致一条染色体中发生重复，而另一条同源染色体的同一节段发生缺失；

⑧重复(duplication)：

染色体的某些区段多出一份时称为重复。染色体的相互易位、插入等都是导致重复的主要原因。2．染色体结构异常与疾病

猫叫综合征：主要为5p15缺失。脆性X染色体综合征：是由于X染色体长臂2区7带(Xq27)具有随体和细丝状次缢痕，称为脆性部位(fragilesite)，在Xq27处有脆性部位的X染色体称为脆性X染色体(fragileX)。Down综合征：主要是由于患者体内多了一条21号染色体(47，+21)。Turner综合征：主要是由于患者体内少了一条X染色体(45，X)。二、基因结构与疾病

基因组结构：是指基因组DNA中不同的功能片段在整个基因组中的分布。基因组结构的改变不一定导致基因结构的改变，基因结构的改变也不一定导致基因功能的异常。只有当缺失、倒位、易位、插入等引起基因突变，而且这种突变又改变了基因的编码序列或影响了基因的调控序列时，基因的功能才发生异常。

基因结构异常：

●广义上:包括染色体畸变(chromosomeaberration)和基因突变(genemutation)。

●狭义上:

基因结构异常一般指基因突变。基因突变：即基因的核苷酸序列或数目发生改变。DNA分子中只出现单个碱基改变者称为点突变(pointmutation)，涉及多个碱基改变的有缺失，重复以及插入等。基因病:

包括单基因病(monogenicdisease)和多基因病(multigenicdisorder)基因结构异常与疾病1．单基因病

(1)三联体重复:

基因序列中有高度重复的三联体序列。

如：脆性X综合征:含CGG三联体重复；脊髓延髓肌萎缩(Kennedy病):含CAG三联体重复；强直性肌萎缩:含GCT三联体重复；Huntington舞蹈病:含CAG三联体重复。

(2)

血红蛋白病

由于珠蛋白基因突变导致珠蛋白分子结构或合成量异常所引起的疾病，称为血红蛋白病(hemoglobinopathy)。

(3)

苯丙酮尿症(PKU)

患者肝细胞缺乏苯丙氨酸羟化酶，使体内的苯丙氨酸不能正常代谢为酪氨酸，导致血清中苯丙酮酸浓度升高。(4)遗传性原发痛风

病因是次黄嘌呤—鸟嘌呤磷酸核糖转移酶(HGPRT)缺失所致，部分缺失时，临床表现为尿酸过多的痛风特征；当完全缺失时，表现为高尿酸血症、精神发育迟缓等特征的自毁容貌综合征。HGPRT基因定位于X染色体长臂远端，因此该病表现为X连锁。2．多基因病

(1)原发性高血压：原发性高血压的致病基因及相关基因尚不明确。但是，现已列出的高血压候选基因有150多个。(2)糖尿病：糖尿病是一种具有明显遗传倾向的多基因疾病，根据发病机制，可分为I型、Ⅱ型和妊娠型糖尿病。(3)实体瘤：（略）

三、端粒与端粒酶

真核细胞的染色体末端存在着一种由DNA片段和蛋白组成的独特的结构，这种结构对维持染色体的稳定性具有重要作用，如果失去了这些片段，染色体就会互相粘连到一块，发生结构及功能上的改变，从而影响到细胞的分裂与生长，这一结构定义为端粒(telomere)。

(一)端粒结构

组成端粒的DNA是由非编码重复序列所组成，重复序列中富含G。重复序列因物种而异。组成端粒的蛋白质在维持端粒DNA长度上可能起重