基因与基因组学

基因与基因组学

Geneand

Genomics

1.人类对生命现象的认识还原论20世纪生命科学的飞跃2.人类对生命现象的认识

整体论

揭示生命的奥秘21世纪Genomics

StructuralGenomicsFunctionalgenomics3.概念:一个物种的单倍体染色体数目，称该物种的基因组(genome)。(细胞或生物体的一套完整的单倍体遗传物质的总和称为基因组)

Genome

wasdefinedasthehaploidchromosomesofonespecies

4.基因:是指合成有功能的蛋白质、多肽链或RNA所必需的全部核苷酸序列。基因的本质通常是DNA。Gene

isthewholenucleotideacidsequencethatisessentialtosynthesizefunctionalproteinandpolypeptideorRNA.EssenceofgeneisDNA5.基因概念的开展一个基因一种酶〔蛋白质〕一个基因一条多肽链RNA作为遗传信息的携带者……6.

Fromsimplevirustocomplicatedhigherorganisms,thetotalgeneticinformationthatcontrollifeactivityisstoredin

genes.7.不同的生物，基因的结构、数目及组合方式不同。同一生物，除精细胞和卵细胞外，所有细胞都具有相同的遗传信息Therearedifferentstructure,numberandcombinationformsofgenebetweendifferentspecies.Foronespecies,allcellsexceptforgermcellspossessthesamegeneticmaterials.8.基因组学(Genomics)

是说明基因组结构、结构与功能的关系以及基因与基因之间的相互作用的科学.主要内容包括：结构基因组学Structuralgenomics功能基因组学Functionalgenomics比较基因组学comparativegenomics9.随着基因组研究的深入，一系列基因组学也应运而生，如：环境基因组学(enviromentalgenomics)行为基因组学(behavioralgenomics)营养基因组学(nutritionalgenomics)药物基因组学〔pharmacogenomics)10.一、

原核生物基因组

Prokaryoticgenome11.原核生物(prokaryote)原核生物是细菌、放线菌、衣原体、支原体和蓝细菌等比较原始的生物的总称.Prokaryotesarethesimplestlivingcellsincludingbacteria,archaea,actiunomyces,chlamydia,mycoplasma12.Prokaryote

Prokaryotesconsistofasinglecellwhichhasnonucleusornucleolus.Thereisasinglechromosomecompactedintoanucleoidinthecellinterior.Beingnokaryotheca,genetranscriptionandtranslationoccurssimultaneouslyCellisdividedintotwocellsafterDNAreplication13.Prokaryoticgenome单一染色体.、基因数量较少.功能相似的基因往往定位在同一区域〔操纵子结构〕.

多为单拷贝基因〔单一顺序基因〕.绝大多数基因都是可表达的,非表达基因少.14.

转录产物为多顺反子mRNA

编码顺序一般不重叠基因序列是连续的，无内含子。

15.ProkaryoticgenomeSinglechromosome,lessnumberofgenes.Thesimilarfunctionalgenesusuallylocatedinthesameregion,suchasoperon.Mostofthemaresinglecopygene(singleordersequence).Massofthemareexpressional,fewofnon-expressionalgene.16.Thetranscriptionunitsmostlyare

polycistronicmRNA.Thesequenceare

uninterrupted

andnointronsremainingenes.17.D1ProkaryoticchromosomestructureNucleoid(类核,拟核)–Bacterialchromosome细菌染色体18.iOperonRegulatoryGenepozyaDNAm-RNAβ-GalactosidasePermeaseTransacetylaseProteinAlactoseoperonconsistsofthreestructuralgenes:lacZControlelementscodesforβ-galactosidase,forhydrolyzinglactose>galactose

+glucose-5+21repressor19.20.2、质粒(plasmid)

细胞染色体以外具有自主复制能力的环状DNA分子，称为质粒(plasmid)。

Plasmids

areextrachromosomaldouble-strandedDNAthataregenerallycovalentlyclosedandsupercoiledcircles.plasmidscan

replicateautonomously.21.质粒对于宿主细胞的生存不是必需的，但质粒中含有某些基因，可左右细胞的生物特性.Plasmids

arenonessentialforthehosttolive,butmostplasmidscarrygenesthattransferphenotypeofthehost.22.Classificationbyfunction

①R质粒

②F质粒

③col质粒R

plasmidscarrygenesthatmakingthehostcellkeepingresistanttotherelevantantibiotic.F

plasmidscandeterminebacterialsex;Col

plasmidsendowE.colitosecretecolicintokillthebacteriathatdon’tcontaintheplasmids.

23.Classificationonthebasisofmechanism：

①严紧型质粒(Stringentplasmid)

②松驰型质粒(relaxedplasmid)

24.

F因子(fertlityfactor)

接合作用(conjugation)25.质粒虽然可以独立于染色体而进行复制，但复制只有在宿主细胞内才能够完成，一旦离开宿主就无法复制和扩增。Althoughplasmidscanreplicate

autonomously,replicationmustbecompletedinthehostcell.Oncedepartedfromthehost,plasmidscan’treplicateandamplification26.质粒的特性：Charactersofplasmidsl

共价闭合的环状DNA分子〔covalentclosedcircularDNA,cccDNA〕l

在细胞内完成其复制Replicationinthehostl

质粒可以转移Transferringabilityl

具有不相容性〔同一类型的质粒—具有相同复制起点和分配区，不能在同一宿主菌内共存〕Incompatibility27.3、

转位因子

transposableelement转位因子

(transposableelement)━━指可移动的基因成分。Definition:Mobilegeneticelements

。28.TransposableElementinMaizeBarbaraMcClintock1983NP29.插入序列

(insertionSequence,

IS)

是一类简单转位因子。它们携带转移所必需的基因，不含其它编码基因.长度约700-2000bp

。transposableelement

withsizesrangingfrom700bpto2kb.Theycontaingenesrequiredfortheirtransfer,butnoothercodingsequence.30.转座子

(transposon,Tn)

是一类复杂的转位因子。携带除了有关转座的必需基因外，还含有其它基因。约4500-20,000bp.Transposons

aresortsofcomplicatedtransposableelementwithmoresizerangingfrom4500bpto20kbthanIS.Theycarrynotonlythosegenesrequiredfortransposition,butalsononessentialgenes31.32.33.34.二、原核生物〔细菌〕基因组研究及意义Significancesofbacterialgenomeresearch

对研究对象的全基因进行核酸测序Theterm“Genomeresearch〞meansresearchtotalgeneticsequenceofthetarget,35.在了解全基因结构的根底上，研究各个基因单独或数个基因间相互作用的功能。theninvestigatefunctionofeachgeneorinteractionofseveralgenesonthebasisofcomprehensionoftotalgenesstructure.36.是首先获得DNA序列知识，然后根据顺序分析和核苷酸、氨基酸同源性比较，参考已获得的基因、蛋白质资料来研究基因的功能．

first,weshouldobtainbackgroundofDNAsequence,referringtheinformationofgenesandproteinacquired,thenresearchgeneticfunctiononthebasisofsequenceanalysisandhomologicalanalysisofnucleotideoraminoacid.37.Forwardgenetics〔正向遗传学〕ReverseGenetics〔反向遗传学〕38.这一顺序上的颠倒，反映了研究技术和研究策略上的进步。thisreversedorderreflectprogressinmethodandstrategyofresearch.

39.研究意义Significance

1、更好地了解病原微生物的致病机制wecanfurtherrealizethemechanismofdiseasecausingbymicroorganisms.

2、有利于新的致病基因的发现Disease-causinggeneseasilytobediscovered.

40.3、寻找特异的病原分子标记，作为诊断、分型依据WecanfindSpecificpathogenicmoleculartagtousedforevidenceofdiagnosisandtyping.4、为筛选有效药物及开展疫苗提供参考Itprovidereferenceforscreeningefficientdruganddevelopingvaccine.41.大肠杆菌O157

淋球菌

百日咳鲍氏杆菌

流感嗜血杆菌

脑膜炎球菌

空肠弯曲菌

幽门螺杆菌

金黄色葡萄球菌

伤寒沙门氏菌

肺炎支原体

肺炎链球菌及脓球菌

变异链球菌

麻风杆菌

霍乱弧菌

沙眼衣原体

结核杆菌

梅毒螺旋体

绿脓假单孢菌

42.二、真核生物

eukaryote43.

真核生物是核质与细胞质之间存在核膜的生物的总称。

Eukaryotesaredefinedbytheirpossessionofkaryothecaenclosingnucleus

真核生物由真核细胞构成。Most

eukaryotesconsistofcomplicatedmulti-cellorganism。

44.Thesamecharacterstoprokaryoticgenome

areasfollow:

genome

consistsofDNA;genome

containnumerousgenes;resemblemechanismoftranscriptionandtranslation;

geneticcodesareIdentical.45.1、多个染色体〔酵母除外〕，结构复杂，基因数庞大。Multiplechromosomesexceptforyeast,complicatedstructure,hugenumberofgene.2、功能相关的基因大多分散在不同的染色体上。associatedfunctionalgenesmostlylocatedindifferentchromosome.特点：Differentcharacters46.3、转录产物为单顺反子，不存在操纵子结构。Thetranscriptunitismonocistron,thereisnooperonremaininthegenome.

4、非编码顺序(NCS)多于编码顺序。noncodingsequence〔NCS〕areexcessivetocodingsequence47.5、含有大量重复顺序。所谓重复顺序是指在基因组中屡次反复出现的DNA序列。高度重复顺序〔重复频率>105，中度重复10-104。containingabundantrepeatsequence.repeatsequenceareDNAsequencethatappearthroughandthroughingenome.Itcanbeclassifiedbyrepeatedrateintothreetypes:highlyrepeatedsequence;moderatelyrepeatedsequence;singlecopysequence.48.6、是断裂基因(splitgene)内含子(intron)——指插入到结构基因〔编码顺序〕之中的非编码顺序。Intronisnonencodedsequenceinsertedstructuralgene.49.外显子(exon)——相应的编码蛋白质的DNA顺序称外显子Exon

isDNAsequenceencodingprotein.50.内含子存在于各类基因中，内含子一般不具有编码蛋白的功能。通过剪接，内含子被切除，一些基因具有不同剪接方式，一个内含子在另一种情况下可能是外显子。

Intronsexistinginallsortsofgenedon’tencodeproteingenerally.theywereremovedbyalternativecleaving,oneinrtoncanbeactasexoninanothercondition51.52.7、相关的基因构成各种基因家族(Genefamily)

基因家族指核苷酸序列或编码产物的结构具有一定同源性的一组基因。。Genefamily

arecomposedofmanycorrelatedgenesthatstructureofsequenceandencodedproductsarehomology,53.

它们可相距很远，也可串联成蔟，均为分别转录

whichnotonlyapartfarfromeachother,butalsotandemexistinseries,bothofthemtranscriberespectively.54.假基因：类似于基因但不表达的DNA序列。pseudogenes:DNAsequencethatissimilartogenes,butnottoexpress.

不表现任何功能，是基因的退化形式。

havenofunction,actingasdegenerationofgenes.55.56.断裂基因是如何演化的？Howdoesthesplitgenesevolve?57.在很多情况，一个DNA序列可以产生多个mRNA序列，需要依据它所选择的表达途径而定。Usually,

thereisnofixedrelationbetweengenesandprotein.strandofDNAproducemanymRNAs,methods.becauseofmanysplicingmanner,there

58.

三、病毒基因组

viralgenome59.病毒基因组类型(typesofviralgenome)１.双链ＤＮＡ〔doublestrandedDNAdsDNA〕

２、单链ＤＮＡ〔singlestrandedDNAssDNA〕３、双链ＲＮＡ〔doublestrandedRNAdsRNA〕60.４、单链负股ＲＮＡ〔singleminusstrandedDNA,ss-RNA〕5、单链正股ＲＮＡ〔singleplusstrandedRNAss+RNA〕6.双链DNA并有RNA中间体(doublestrandedDNAwithRNAintermediate)

7.正股RNA并有DNA中间体(plusstrandedRNAwithDNAintermediate)61.

病毒基因组的特点(characteristic

of

viralgenome)

基因组小，结构简单。但不同病毒基因组相差甚大

Genomeissmallandstructureissimple.Thereisquitevariant

indifferent

viralgenome

乙肝病毒：3.2kb，几种蛋白质痘病毒：300kb，几百种蛋白质。62.基因组由DNA或RNA组成

genomeconsistsof

DNAorRNA

双链或单链

doublestrandorsinglestrand

环形或线形

annuliformorfilate63.基因重叠多见Mostofthemareoverlappinggene完全重叠completelyoverlapping局部重叠partialoverlapping

64.所谓重叠基因〔overlappinggene〕是指两个或两个以上的基因共有一段DNA序列，或是指一段DNA序列成为两个或两个以上基因的组成局部。ThetermoverlappinggenemeanstwoorovertwogenesownasegmentDNAsequence,orasegmentDNAsequenceiscomposedoftwoorovertwogenes65.重复顺序少littlerepetitivesequence非编码区少，编码区多〔大于90%)littlenoncodingregion,Muchcodingregion(exceed90%)除逆转录病毒基因组有两个拷贝外，其它都是单倍体Exceptretrovirusgenomewhichhastwocopies,othersarehaploids66.

7、相关基因丛集

relatedgenesareaggregated

67.四

、

人类基因组

humangenome68.稳定性不同民族、群体、个体具有相同数目的染色体，相同数量的基因，相同的基因分布以及根本相同的核苷酸顺序。Stability:Differentnations,folksandindividualshavethesamenumberofchromosomeandgene,thesamedistributionofgene,andbasicallythesamenucleotideacidsequence69.多态性

长期进化过程中基因组的变异产生多态性。Polymorphism:Mutationofgenomeresultingenomicpolymorphisminlongevolution.70.人基因组主要特点：Charactersofhumangenome

基因组总长度约3×109bp，约4万个基因分布在23条染色体上。Thereareapproximately3×109bpincompletesequence,about40000genesdistribute23chromosomes71.编码蛋白质的结构基因仅仅占基因组3％左右并多以单拷贝形式存在。

thegenecodingproteinonlyaccountfor

threepercent

ingenomeandexistin

singlecopyform.72.大多数DNA序列为基因之间，基因内的插入序列和各种重复顺序。restofDNAsequencemostlyareinsertsandrepeatsliedininteriorandinterspaceofgene73.〔一〕重复顺序RepetitiveSequence1.倒位〔转〕重复顺序(invertedrepeats)倒位〔转〕重复顺序是指两个顺序相同的互补拷贝在DNA链上呈反向排列。InvertedSequenceTwoidenticalcomplementarycopyarearrangedalongDNAchainreversely.74.l

发夹式结构

Barrette-likestructurel

回文结构

Palindrome75.76.2.串联重复顺序〔Tandemrepeatsequence〕具有一个固定的重复单位并头尾相连。是一类高度重复顺序，占基因组10％左右。Multiplerepeatsofidenticalcopiesfollowoneanotherdirectly(tandemrepeated)。77.卫星DNA

satelliteDNA.

Theyareakindofhighlyrepetitivesequenceaccountingfor10percentthroughoutthegenome78.

SatelliteDNA

在ＣsCl密度梯度离心时发现IdentifiedinCsCldensitygradient

。

大卫星DNA经典的卫星DNA，又分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和α、β卫星DNA.MacrosatelliteDNA:classicsatelliteDNA

wasclassifiedintoⅠ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳandα、βsatelliteDNA79.80.SatelliteDNAMousegenomeDNA30%GCinsatelliteDNAD4GenomeComplexityCsClcentrifugation81.l

小卫星DNA〔小卫星由6-40bp串联重复短顺序组成。重复单位的数目从几次到几百次不等〕MinisatelliteDNA:repeatunitsconsistof4-60bpThenumberofrepeatunitsisfromseveraltohundredstimes.82.微卫星DNA

Ｍicro-satelliteDNA〔ＭＳ〕微卫星由更短的重复单位串联而成，如(CA)n、(GATA)n。微卫星中重复单位数目是高度变异的。因此，微卫星显示了高度长度多态性。

83.

Theshortestrepeatunitssuchas(CA)n，(GATA)n

occuronthechromosomesinseries.Thenumberofrepeatsinthearraysofmicrosatellitesequencesarehypervariable

from15to50,thatistheyvarysignificantlyinlengthbetweenindividualswhichisknownasMSlengthpolymorphisms84.

对等位基因进行家系分析，发现它们遵照孟德尔遗传规律，是一套新的遗传标记系统。

FamilyanalysisforMSallelesfoundthat

MendellawscanapplytoMSsotheybecame

anewsystemofgeneticmarker85.3

.散在重复顺序Dispersedrepeatsequence

不属于前两者，散在分布于基因组中。

Scatteredthroughoutthegenome

AluelementKpnelement86.87.88.〔二〕DNA多态性DNApolymorphism1.DNA位点多态性(DNAsitepolymorphism)DNA位点多态性是由控制某些性状的DNA碱基组成差异造成。DNAsitepolymorphismProducedbytheDNAsequencevariationofgenecontrollingsomecharacters

89.2.

串联重复顺序多态性

可变数串联重复序列多态性(Variablenumberoftandemrepeats,VNTRs)。主要发生在小卫星和微卫星DNA中。在人群中有极高的频率tandemrepeatsVNTRsVariablenumberoftandemrepeatsVNTRsmainlyoccurintheminisatellitesandmicrosatellitesbyhighfrequencyingroup90.３、限制性片段长度的多态性(restrictionfragmentlengthpolymorphism,RFLP)

当DNA碱基组成的变化改变了限制酶识别位点时，用限制酶酶切，会得到不同的限制片段类型。91.

通过限制酶酶切片段的长度多态性来揭示DNA碱基组成不同的技术简称RFLP技术。whichisthebasisofthetechnologyofthe

restrictionfragmentlengthpolymorphism(RFLP),－－－DNA指纹分析。

DNAfingerprintanalysis.

92.93.94.人DNA位点多态性和VNTRs是按孟德尔规律遗传的，具有体细胞稳定性和种系稳定性。DNAsitepolymorphismandVNTRs

inheritedaccordingtoMendellawshavingtwofeatures:

SomaticstabilitySpeciesstability95.作为基因座位的遗传标记。在疾病基因携带者检测、产前诊断以及法医学上有重要价值。Asthegeneticmarkersofgenelocus,theyplayanimportantroleinthemedicaljurisprudenceandthediagnosisofgeneticdiseases。96.４、单核苷酸多态性〔single-nucleotidepolymorphism,ＳＮＰ〕出现在基因组ＤＮＡ分子的特定位置的单个核苷酸的置换．定义ＳＮＰ位点必须满足该位点的变异在人群中出现的频率大于１％97.１９９６年由麻省理工学院LandeES提出。SNP通常是一种二等位基因(biallelic)在人群中可有３种基因型〔T-A纯合子homozygote、G-C纯合子和T-A/GC杂合子hetero－zygote〕98.按核甘酸置换类型，ＳＮＰ包含有：G/A,C/T,G/T,A/C,A/T和G/C.是人类基因组内最为广泛的遗传变异，占ＤＮＡ多态性的９０％〔：//〕99.100.101.发生在基因内和调节区的SNP可影响基因功能。同时，SNP也是目前用于寻找疾病易感基因的重要遗传标记。102.103.104.基因组变异与人类疾病易感性genomemutationandsusceptibilitytodiseases105.１.基因突变的类型typesofgeneticmutation点突变〔dot－mutation〕转换〔transition〕－同型碱基的取代。颠换〔transversion〕－异型碱基的取代。106.缺失〔deletion〕一个或多个核苷酸的丧失。插入〔insertion〕一个或多个核苷酸的增加。107.２.突变对功能的影响Effectonfuntionofmutation同义突变〔samesensemutation〕不引起氨基酸组成和排列发生任何改变的基因突变。错义突变〔mis-sensemutation〕－导致氨基酸组成和排列发生改变的基因突变GAGGA〔甘氨酸〕AGA〔精氨酸〕108.无义突变〔non-sensemutation〕－一个核苷酸的改变可能使代表某个氨基酸的密码子变成终止密码子〔UAA、UAG、UGA〕，使蛋白质合成提前终止.移码突变〔frame－shiftingmutation〕－使阅读框移动的基因突变.109.基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变(frameshiftmutation)。110.沉默突变〔silentmutation〕、中性突变〔neutralmutation〕-----即指不引起明显表型变化的ＤＮＡ变异，无蛋白质功能改变。111.引起蛋白质结构发生改变，导致功能改变〔失活－获得；活性下降－增强〕的ＤＮＡ变异为致病突变〔disease-causingmutation〕。致病突变在人类单基因疾病中经常出现突变热点〔hotspotofmutation〕112.

启动子突变、剪接位点突变和多聚腺苷酸尾信号突变等——抑制或增强基因表达。

当量的改变超过一定范围，导致功能紊乱，引起疾病。113.3.单基因遗传病与致病基因singlegeneinheritancediseaseandvirulencegene基因组某单个基因座〔locus〕上存在缺陷基因所引起的一类遗传病称为单基因遗传病。〔6000余种〕红绿色盲、血友病等114.疾病特点是：表型(phaenotype)与缺陷基因之间存在确定的对应关系。这种与表型有确定的一一对应关系的基因称为致病基因〔disease-causinggene〕115.单基因遗传病的致病基因有显性(dominancy)和隐性(recessiveness)之分。116.4.复杂性状疾病与疾病易感基因Comlexdiseaseandsusceptibilitygenetodisease由遗传和环境相互作用所决定的生物性状称复杂性状〔complextraits〕

117.一种基因型(genetype)可产生假设干不同的表现型(phenotype)，或相反，一种表现型可能由假设干基因型所影响。基因型与表型非“一对一〞118.与单基因性状比较，复杂形状特点：TheCharacteristicsofcomplexcharactercomparedwithmonogeniccharacter１〕表型由遗传因素和环境因素共同决定Thephenotypeisdeterminedbythehereditaryfactorandenvironmentalfactortogether

119.遗传度〔heritability〕——人群中遗传因素造成表型变异占总的表型变异的比例〔单基因遗传病的遗传度为100%〕。120.2〕遗传方式为非Mendelian遗传在一级亲属中的患病风险一般仅为5%-15%，低于孟德尔阴性遗传病的1/4。121.由多基因控制，根据功能可分为主基因〔maiorgene〕、微效基因〔minorgene〕和修饰基因〔modifiergene〕122.3〕复杂性状的表型为数量性状thephenotypeofcomplexcharacterisquantitativetrait不同个体之间没有质的区别，只有量的差异。极端个体少，绝大多数处于中间状态。呈“钟形〞正态分布。123.4〕复杂性状的致病基因称为易感基因〔susceptibilitygene〕。易感基因是一些微效基因。它决定的不是疾病的本身，而是对疾病的遗传易感性，是否发病取决于多遗传因素的累加效应和与环境因素的相互作用。多基因涉及确实切基因数目难以答复。124.易感基因的概念与单基因病的致病基因有明显区别：Thereareobviou