基因组的结构和功能.ppt

1、第三章基因组基因的结构和功能基因组基因是储存遗传信息的核酸的遗传单位，是储存功能性蛋白质多肽链或核糖核酸序列信息并表达这些信息所必需的完整核苷酸序列(P27)。在生物化学中，它指的是一种DNA或RNA(病毒)序列，它能产生或影响某种表型，并因突变而产生等位基因变异。从遗传学上讲，它代表一个遗传单位、一个功能单位、一个交换单位或一个突变单位。表型和基因型有机体的可观察特征称为表型，与表型相对应的基因组成称为基因型。如果细菌能合成亮氨酸，它们被称为亮蛋白和亮蛋白，相应的基因型是亮蛋白和亮蛋白。等位基因(1)二倍体细胞有两组基因，一组来自父本，另一组来自母本。每个细胞中的所有基因都由两组基因组成，每

2、对基因被称为等位基因。(2)由于突变引起的DNA结构变异，一个基因可以有几种不同的形式，同一基因的不同形式称为等位基因。基因的基本结构5，AGCCGACTATGTCGAAGCTT，GCTTGACTATAAGACA，3，3，CGAACTGATATTCTGT，5转录控制区存储蛋白质结构信息区的RNA或转录终止区，基因组(Genome)在细胞或生物体中，一整套单倍体遗传性状(包括生物体所需的一整套基因和间隔序列)的总和称为基因组(P27)。基因组结构主要指核酸分类中不同基因功能区的分布和排列，基因组的功能是存储和表达遗传信息。人类基因组包含多条染色体和XY性染色体上的所有遗传物质(核基因组)，以及线

3、粒体上的遗传物质(线粒体基因组)。(x免疫基因，男性XY，女性XX)。*包含在一对(精子或卵子)、一个单倍体细胞或一种病毒中的一整套基因称为基因组。在第一部分，原核生物的基因组由细菌代表，这就是所谓的细菌基因组。细菌对医学分子生物学做出了重要贡献，是基因工程研究的主要材料之一。因为：1 .结构相对简单，基因结构不复杂，取材方便，易于培养。可以选择突变体进行研究，实验结果容易重复。(如果选择了DDDPI缺乏的突变菌株，则该菌株仍能合成DNA，表明酸I对大肠杆菌合成没有影响。)2 .人类有一些重要的生物学规律，如：(1)遗传物质都是脱氧核糖核酸；(2)主要功能分子是蛋白质；(3)遗传密码是普遍的，

4、等等。3.尤其是大肠杆菌，是其分子克隆是基因工程的“明星”和主要原因的工程菌，因为基因工程的主要工作是在原核系统中表达Klonk核基因。1.原核生物基因组1的结构和功能特征。基因组通常只由一个环状双链脱氧核糖核酸分子组成。它的脱氧核糖核酸与蛋白质结合在一起，但它不形成染色体结构，但它通常被称为染色体。细菌染色体DNA在细胞中形成一个紧密的区域，即类核，它通过无类核膜与细胞质分离。2.基因组中只有一个复制起点。3.它有一个操纵子结构。操纵子是一种基因表达单位，由几个功能相关的结构基因串联组成，形成一个信息区，连同其上游调控区(包括启动和操纵区)及其下游转录终止信号。(见第6章)4 .结构基因之间

5、没有重叠，基因组中的任何脱氧核糖核酸都不会被用来编码两种蛋白质。5.基因序列是连续的，没有内含子结构。6.编码区和非编码区(主要是调控序列)约占基因组的50%。(5%，95%) 7。基因组中几乎没有重复序列。编码蛋白质结构基因大多是单拷贝的，但编码rRNA的基因往往是多拷贝的，这有利于核糖体的快速组装。(15AA/s，2AA/s) 8。同基因，是一种结构不同但功能相同的基因。例如，大肠杆菌含有两个编码乙酸乳酸合酶的基因和两个编码分支酸变位酶同工酶的基因。9.细菌基因组中有可移动的DNA序列，包括插入序列和转座子。10.原核基因的基本结构特征：启动子、操作子、调控序列、结构基因和终止子。(见第6

6、章)2。染色体外遗传物质的质粒(1)概念1。质粒是能够独立复制的最小遗传单位，独立于许多细菌和一些真核细胞。(P35-6) 2。质粒是大小为1200kb的双链DNA分子。与病毒不同，它们没有衣壳蛋白(裸DNA)。在生物化学中，除了酵母的致死质粒是核糖核酸之外，其他质粒都是染色体外的基因分子。在遗传学上，质粒是一种不同于宿主染色体的复制子(在真核细胞分裂过程中，DNA纤维被分成许多复制单位，称为复制子)。在细胞分裂过程中能持续传递到交代细胞的独立遗传因子，或能在细胞中寄生和复制的复制子。质粒与宿主细胞的关系(1)质粒不是宿主生存所必需的，而是宿主细胞中“友好的”和“活的”，它既不杀死细胞也不影响

7、宿主的代谢活性，没有质粒宿主也能生存。(2)质粒没有宿主就不能存活。只有在宿主细胞(酶和蛋白质)的帮助下，它们才能完成自己的复制(扩增)和转录。(3)质粒通常为宿主执行一些适当的遗传功能，作为对宿主细胞的补偿(“支付租金”)。(4)质粒赋予宿主各种有利的表型(质粒编码蛋白质或酶)，使宿主获得生存优势，这与我们的基因工程实验密切相关，如抗生素抗性基因：Ampr酶、水解-内酰胺环、解除氨相关毒性和使细菌抵抗氨相关。河豚膜蛋白可以阻止四环素进入细胞，使细菌对四环素产生耐药性。4。质粒发现和研究的意义1)理论意义质粒可以复制、传递和表达遗传信息。从分子遗传学的角度来看，它是一种有机体，一种比病毒更原始

8、的生命形式，也是生命起源研究的基石。2)实际意义是基因工程的一个重要载体，它可以将外源基因(目的基因)送至宿主细胞进行克隆、扩增或克隆表达(见第8章)。质粒可以被修饰、切割和拼接。基因工程的重要任务之一是严格修饰质粒，同时控制质粒的非传递性。如果致癌质粒能够传播，它将会传播到全世界。作为一种基因工程载体，它有三个特点：一是可以独立复制；b .易于检测(抗生素耐药性)；它们可以容易地导入宿主细胞，也可以容易地从宿主细胞中分离和纯化(质粒提取)。质粒满足上述三个条件。人工质粒主要用于基因工程。(2)质粒的分类1。根据质粒的复制机制，它们可分为两类：1)严格控制型；2)放松控制型；1)少量拷贝，通常

9、为10个，分子量大；(1)拷贝数大，10-200，分子量小；(2)复制受细菌宿主DNA复制系统的限制和控制(2)复制不受细菌DNA复制系统的限制；当宿主蛋白的合成受到抑制时，只需要DDDPI。(3)这种质粒的特点是可以自我转移；当(例如，当在培养物中加入氯时)，其拷贝数(4)被严格控制(低拷贝的原因)，并且识别号可以大大增加到1000-3000。这一特性对基因工程技术的反馈非常有益，因为质粒可以产生阻遏蛋白。并抑制自身的DNA合成。3)分子量小，不具有自转移能力；4)在基因工程中使用松弛型(高拷贝数)质粒以获得更多的基因产物。*拷贝数(copy number )(拷贝数)按每个基因组计算的细胞

10、中包含的质粒或基因的数量。根据分子量大小，可分为两种类型：1)小质粒，15kb小质粒，无接合和自体运输能力。就接合或自体运输而言，大质粒只能在质粒的帮助下转移，并且也有可能通过一种细菌的作用通过细菌的接合通过转化进入受体细胞。这种质粒有很多种，可以传播给另一种细菌。(例如质粒f)。几乎每一种细菌都可以包含两种以上，而基因工程通常使用小质粒。3。根据质粒转移的方式，可分为三类：1)与基因质粒有效接触的接合质粒只能使细菌加入，而不能自行转移；2)可移动质可以被转移，但是当细菌接合和移动性共存时不能被转移。3)自传递质粒具有1)和2)的双重功能，因此它可以是自传递的，如F质粒。*转化(transfo

11、rmation)，这是一种涉及细菌吸收外源DNA以实现基因转移机制。(见第8章)，(3)质粒的功能质粒的功能主要由质粒本身携带的基因部分编码蛋白来表达。携带质粒的宿主细胞可以显示相应的表型。1.质粒，即雄性细菌的F质粒，当它转移到F-宿主细胞时，将后者转化为F，从而改变宿主细菌的性别。2.抗生素抗性质粒使细菌产生抗生素抗性，这种抗药性基因也可以转移到缺乏这种抗药性基因的细菌中产生抗药性。3.产生毒素的质粒，如col质粒，可以产生大肠杆菌素，杀死与毒素不相容的相关细菌。4.作为能量质粒的复杂有机化合物的降解。5.生产限制性和修饰酶。(见第8章)，(4)质粒1的基本特征。自主复制质粒的复制是自我调

12、节的，不受染色体复制调节因子的影响。复制控制系统由质粒上的复制起点(ori)、质粒的rep基因和cop基因组成。Rep蛋白启动质粒复制，cop基因本身或其表达产物可以抑制复制，从而控制质粒的拷贝数。2.质粒的不相容性具有相同复制系统的质粒不能在同一细胞中共存。PMB和COLEI是两个密切相关的复制调控系统，带有PMB和COLEI复制调控系统的质粒是不相容的。然而，它们与具有PSC101或P15A复制的调节系统完全兼容，并且可以在一个细胞中共存。不相容性使得质粒易于克隆。3.质粒的转移在自然条件下，一些质粒可以通过细菌接合转移到细菌细胞中。基因工程中常用的质粒载体缺乏转移所需的基因(mob基因)

13、，不能通过接合在细胞之间转移，但可以通过人工方法转化到细菌细胞中。转座因子转座因子是一个可移动的基因群，指的是一个可以在一个脱氧核糖核酸分子内部或两个脱氧核糖核酸分子之间移动的脱氧核糖核酸片段。在细菌中，它指在质粒和染色体之间或质粒和质粒之间移动的DNA片段(在文献中有时称为跳跃基因)。换位也是一种DNA重组的形式。20世纪40年代末，美国冷泉港实验室的女科学家B .麦克林托克首次在玉米中发现了移动基因。20世纪60年代，证实了大肠杆菌对沙培基的高效诱变实验。1983年，他获得了诺贝尔生物学和医学奖。(1)转座因子的类型和特征细菌的转座因子包括插入序列、转座子和转座子噬菌体。1.插入序列的体图

14、为，其中转座酶基因在目的位点被逆转(重复序列被逆转)。(IS1是一个相对较小的转座因子，长度约为700-2000个碱基，根据IS1和IS2的发现序列命名，它只携带转移必需基因，但不包含其他结构基因的偏移蛋白。(2)IS两侧是反向(反向)重复序列(16-41bp)，中间是一个转座酶基因，插入新位点一侧是一个3116p直接重复序列。灾难恢复是目标位点序列复制的产物。(3)信息系统在任何地方都是活跃的，可以插入大肠杆菌染色体、质粒和一些噬菌体基因组的每个位置，甚至同一基因的不同位点。这种插入可以在两个方向进行，向前或向后。这一运动被称为换位。(4)在107个细菌的一代中有一个插入。*TR(反向重复序

15、列):GGAAGGT，ACCTTC CCTTCCA，TGGAAGG *DR(正向反向重复序列):TACGTTACGT，2。转座子Tn(1)Tn(1)Tn是一个大的可移动成分，它含有除mob基因以外的其他基因，如耐药基因等。Tn是在对耐药基因的研究中发现的，已知耐药基因可以在质粒之间、质粒和染色体之间或质粒和转座子噬菌体之间来回移动。Tn的换位原理与is基本相同，换位频率为10-310-6/份。(2)根据不同的结构特征，Tn可以分为两个亚类：复合Tn:转座酶由is编码，IS可以是反向(或正向)重复构型。几个结构基因(mob、mdr等。)由红外光谱组成。结构基因，红外，红外，结构基因，IS1，IS

16、1，3。转座噬菌体(1)包括和D108，是一种温和的噬菌体*。(2)被细菌感染后，可以整合到细菌的染色体中，插入位点是随机的(噬菌体的插入位点是特异性的)，可以插入到结构基因中引起突变，因此命名为Mu (Mutator)。(3)在插入部位的两侧有短的DR。插入时，一个副本保留在原位，新合成的副本插入新站点。(4)与IS和Tn相比，末端不含IR，这是转座因子的一个例外。*噬菌体是一种侵入细菌的病毒，主要由蛋白质和核酸组成。噬菌体的生命周期可分为溶菌周期和溶源周期。溶源性噬菌体(中度噬菌体)宿主细菌将其自身的脱氧核糖核酸整合到细菌染色体中，并将其与细菌染色体一起复制，随细菌增殖将其传递给细菌后代，而不产生后代噬菌体。(2)换位机制1。复制换位的机制1。结合的形成和分离，靶序列的切割和复制。2.非复制转座切断了供体