有机体染色体基因组和基因专家讲座

第二章

有机体、染色体、基因组与基因第1页第一节有机体(Organism)有机体原核生物(Prokaryote)真核生物(Eukaryote)第2页一、原核生物(Prokaryote)原核生物是细菌、放线菌、衣原体、支原体等比较原始生物总称。其特点为：有细胞壁（除支原体外）；无真正细胞核（无核膜），但有核区；DNA无蛋白质与之结合；有核糖体，缺乏其它细胞器；DNA转录和翻译是同时进行等。原核生物即使简单，但细胞中各种各样结构、代谢功效都具备，是一个完整有机体。第3页原核细胞结构第4页某

些

原

核

细

胞

形状螺菌螺旋体鱼腥藻属（一个蓝藻细菌）大芽孢杆菌大肠杆菌葡萄球菌立克次氏体三种支原体第5页二、真核生物(Eukaryote)

真核生物是核质与细胞质之间存在核膜生物总称。真核生物全能性：是指同一个生物全部细胞都含有相同DNA，即基因数目和种类是一样，尽管细胞类型不一样，分化程度各异，但其基因组是相同，它们都含有发育成完整个体潜能。第6页真核细胞结构第7页细胞三维结构图形第8页植物细胞结构第9页原核生物与真核生物比较原核类真核类生物体细菌、放线菌、支原体、衣原体等原生生物、真菌、植物、动物细胞组织主要是单细胞主要是多细胞、有细胞分化细胞大小小（1～10μm)大（10～100μm)细胞分裂二分裂有丝分裂（或减数分裂）细胞核无核膜、核仁有核膜、核仁细胞器极少或无有细胞质无细胞骨架有细胞骨架DNA环状、裸露线状与蛋白质结合代谢厌氧或好氧好氧第10页三、病毒（Virus）

病毒是不是有机体？是有生命，还是非生命？尚无定论。病毒感染有机体，引发有机体害病，它是活，是有生命有机体。然而与细菌、支原体、衣原体等微生物不一样，病毒不具备细胞结构，不能称微生物。病毒仅含一个核酸（DNA或RNA），不含两种核酸。病毒没有线粒体、核糖体等细胞器，本身不能繁殖，也不能新陈代谢，所以病毒显示生命特征状态过程，即不属于真核也不属于原核。但病毒可保留几十年。第11页烟草mosaic

病毒第12页第二节染色质与染色体染色体由染色质组成。染色质由DNA、蛋白质和少许RNA组成。染色质和染色体在化学组成上没有大区分，只是在构象和形态上有差异。第13页

细胞周期（cellcycle）细胞增殖有一个周期过程，称细胞周期。是指连续分裂细胞从一次有丝分裂结束到下一次有丝分裂结束为止，所经历整个过程。分两个阶段：间期和细胞分裂期。间期：DNA合成前期（G1期）；DNA合成期（S期）和合成后期（G2期）。细胞分裂期（M）：前期、中期、后期和末期。第14页不一样细胞细胞周期时间不一样，普通S+G2+M期较恒定，而G1期改变较大，因而它决定了细胞周期时间长短；G1期细胞有三种可能趋向：1)进入S期(即进入细胞周期)；2)处于静止期即Co期(在一定条件下可重新进入增殖周期)；3)分化、衰老、凋亡。第15页G1期：G1早期合成各种RNA、结构蛋白和酶等。S期：DNA复制及组蛋白合成、核小体装配．细胞周期中各时相主要生化事件G2期：为有丝分裂作准备．有RNA和非组蛋白合成。M期：细胞分裂。第16页一、染色质（Chromatin）染色质是间期细胞核内伸展开DNA-蛋白质纤维，由核小体为基本单位组成。H1多个核小体第17页二、染色体（Chromosome）染色体是细胞分裂期由染色质高度凝集而形成一个棒状结构。第18页DNA核小体螺线管结构超螺旋管染色单体压缩至1/7压缩至1/6压缩至1/40压缩至1/5DNA绕组蛋白6个核小体围成一圈螺旋螺线管深入螺旋化超螺旋管深入盘绕和压缩7×6×40×5=8400第19页染色体DNA核小体核小体纤维环梅花结盘染色体第20页第三节基因组与基因生命有机体绝大部分遗传信息包含在染色体上。一个物种单倍体染色体数目，称为该物种基因组（genome）。换句话说，细胞或生物体一套完整单倍体遗传物质称为基因组。基因是基因组中一个功效性遗传单位，它本质是DNA，是DNA链上能决定一个蛋白质或一个RNA或一个功效性片段。第21页一、DNAC值与C值矛盾一个单倍体基因组DNA含量总是恒定，这是每个物种特征，称为该物种DNAC值。不一样物种，C值差异是很大。C值矛盾：生物体复杂性与DNA含量改变不相符合。第22页基因组大小和C-值矛盾开花植物鸟类哺乳动物爬行动物两栖类硬骨鱼软骨鱼棘皮动物甲壳类昆虫软体动物线虫霉菌藻类真菌革兰氏阳性菌革兰氏阴性菌支原体C-值（C-value）基因组中DNA数量各物种基因组大小比较各门类物种C-值C-值矛盾（C-valueparadox）：基因组大小与机体遗传复杂性缺乏相关性。第23页哺乳动物两栖动物鸟类昆虫线虫霉菌酵母细菌支原体各个种类生物最小基因组与其复杂性正相关第24页二、基因分类

基因按其产物功效可分为结构基因、调控基因和RNA基因：

1.结构基因：可被转录形成mRNA，并进而翻译成多肽，组成各种结构蛋白质，催化各种生化反应酶和激素等；第25页2.调控基因：指一些可调整控制结构基因表示基因。

3.RNA基因：是一些只转录不翻译基因，包含核糖体RNA基因，专门转录rRNA；以及tRNA基因，专门转录tRNA。第26页三、原核生物基因组特点：1.基因组是一条单一染色体，体积小，含基因数量也少。遗传物质以裸露核酸形式存在，只与少许蛋白质结合.2.基因组中功效相关基因往往定位在同一区域，形成同一功效单位，被转录为多顺反子（polycistronic）mRNA。（即细菌基因组中含有操纵子结构）。第27页3.基因组中多为单拷贝基因，只有极少数重复基因。4.基因组中非表示基因少，绝大多数基因都是可表示。5.病毒基因中重合现象普遍，即同一个DNA片段可编码几个蛋白质分子。其意义在于较小基因组携带较多遗传信息。第28页

大肠杆菌基因组分子生物学对大肠杆菌（E.coli）基因组研究揭示了生命活动许多基本规律。1987年完成了E.coli克隆物理图谱；1991年查明了E.coliDNA全序列。E.Coli基因组分子量为2.64×109Da，由4639221bp组成，E.coli基因组定义出4288个开放读框（ORE），已经有1853个已报道过基因，共有2584个操纵子。第29页

质粒DNA许多细菌和一些真核细胞内，除了染色体这一主要遗传物质外，还有染色体以外一些小环状DNA分子，称为质粒（plasmid）。

第30页质粒分类按功效分：R质粒-抗药性质粒；F质粒-性质粒；Col质粒-大肠杆菌因子，合成大肠杆菌素。按复制机理分：严紧型质粒-质粒复制受宿主细胞严格控制；松弛型质粒-质粒复制不受宿主细胞严格控制。第31页四、真核生物基因组特点：1.真核生物基因组远远大于原核，结构复杂，基因数庞大，DNA与蛋白质融合形成染色体，储存在细胞核内，使得转录、翻译不能同时进行，调控机制表现在多水平方面。2.真核基因转录产物普通为单顺反子。功效相关基因往往分散在不一样部位，不一样染色体上，分别转录。3.基因组非编码次序多于编码次序。第32页4.真核生物基因组中含有大量重复次序。（1）单拷贝序列(Singlecopysequence)（2）轻度重复序列(Slightlyrepetitivesequence)（3）中度重复序列(Moderatelyrepetitivesequence)（4）高度重复序列(Highlyrepetitivesequence)第33页5.真核生物基因大多是不连续称断裂基因（splitgene）。第34页细胞器基因组1发觉：（1）母性遗传(maternalinheritance)（2）体细胞分离（somaticsegregation)一些植物杂合子分化成体细胞时一些组织可能是一亲本表现型，一些组织可能是另一亲本表现型。说明核外基因存在。2性质：大多数以环状双链DNA形式存在。线粒体DNAmtDNA叶绿体DNActDNA第35页线粒体基因组

不一样生物mtDNA大小差异很大。如哺乳动物线粒体基因组很小，长十几个kb，只占总DNA0.5%，每个线粒体中平都有2.6个mtDNA分子。酵母线粒体基因组84kb，植物线粒体基因组则较大，大多在100kb以上。

线粒体能够有本身转录和翻译系统，它编码部分本身所需蛋白和tRNA、rRNA等。第36页第37页其大小因植物不一样而改变，大多在100~200kb之间。大多数叶绿体DNA一个显著特征就是有一个反向重复序列和长短两个单拷贝序列。但也不是全部ctDNA都有反向重复序列，也有些植物ctDNA有正向重复序列等。它编码部分本身所需全部tRNA、rRNA，和约50种蛋白质。叶绿体基因组

第38页第四节人类基因组计划

（HumanGenomeProject，HGP）第39页一、问题提出70年代对人类基因组研究已含有一定雏形；1986年著名遗传学家MckusickV提出从整个基因组层次研究遗传学科学称“基因组学”。第40页同年，诺贝尔奖取得者DulbeccoR在Science杂志上发表了题为“癌症研究转折点——人类基因组全序列分析”，得到了世界范围响应；1986年美国能源部宣告实施这一草案；第41页1987年美国能源部（DOE）和国家健康研究院（NIH）为HGP下拔了经费1.66亿美元，开始筹建HGP试验室；第42页1988美国成立了“国家人类基因组研究中心”由诺贝尔奖取得者WatsonJ出任第一任主任。第43页二、世界行动1987年，意大利国家研究委员会（NRC）组织了15个（以后发展到30个）试验室，开始HGP研究；1989年2月，英国HGP开始开启;第44页1990年6月，法国国家HGP开始开启；同月，欧共体经过了“欧洲HGP研究计划”，主要资助23个试验室；1990年10月1日美国国会正式同意美国“HGP”开启，计划在15年内投入最少30亿美元进行人类全基因组分析；第45页1994年初，在吴旻、强伯勤、陈竺院士和杨焕明教授提倡下，中国HGP开始开启；1998国家科技部在上海成立了中国南方基因中心，由陈竺院士挂帅；1998年~1999年成立了中国科学院北京人类基因组中心和北方人类基因组中心，由中科院遗传所杨焕明教授，强伯勤院士等人牵头；第46页1995年6月，德国正式开始HGP。第47页三、任务与进展完成四张图：

遗传图谱、物理图谱、

序列图谱、基因图谱第48页（一）遗传图谱（geneticmap)：１.定义又称连锁图谱（linkagemap)或遗传连锁图谱（geneticlinkagemap)，是指人类基因组内基因以及专一多态性DNA标识(marker)相对位置图谱，其研究经历了从经典遗传图谱到当代遗传图谱过程。第49页２.经典遗传图谱（以基因表型为标识）３.当代遗传图谱（以DNA为标识）第一代多态性标识：限制性片段长度多态性（restrictionfragmentlengthpolymorphism,RFLP)，位点数目可达105以上。第50页第二代多态性标识：小卫星/可变数量串联重复（minisatellite/variablenumbertandemrepeat,VNTR)及微卫星/简短串联重复（microsatellite/simpletandemrepeat,STR)。个数在6000个以上。其中STR具高度多态性，有可形成几十种等位片段，是当前在基因定位研究中应用最多标识系统。第51页第三代多态性标识：单核苷酸多态性（singlenucleotidepolymorphism,SNP)。这种标识在人类基因组中多达300万个。第52页４.构建遗传图谱基本原理真核生物在减数分裂过程中染色体进行重组和交换，染色体上任意两点之间发生重组和交换概率伴随两点之间相对距离远近而发生改变。第53页５.构建遗传图谱意义：经过连锁分析，能够找到某一致病基因或表型基因与某一标识邻近（即紧密连锁）证据，从而可把这一基因定位于染色体特定区域，再对基因进行分离和研究。第54页（二）物理图谱（physicalmap):：１.定义用物理学方法构建由不一样DNA结构按其在染色体上原始次序和实际距离排列图谱。第55页２.内容（1）基因组细胞遗传学图（cytogeneticmap，即染色体区、带、亚带）；（2）序列标签位点(sequence-taggedsite,STS)图谱；第56页（3）DNA“重合群(contig)”图谱：把基因组文库中含有相同STS序列DNA克隆按照其在原始基因组上线形次序进行排列，连接成相互重合“片段重合群(contig)”。是构建物理图谱主要任务；第57页（4）大片段限制性内切酶切点图；（5）cDNA/EST图谱；（6）基因组中广泛存在特征性序列（如CpG序列、Alu序列等）标识图等。第58页（三）序列图谱：年之前完成。（四）基因图谱：目标：在人类基因组中判别出全部基因位置