1、Chapter 2 Structure and Function of Genome第二章 基因组的结构与功能 基因组（基因组（genome）是指生物体中一套完整的是指生物体中一套完整的遗传物质的总和。遗传物质的总和。基因组的结构基因组的结构是指具有一定生物学功能的片段是指具有一定生物学功能的片段在核酸分子上的分布与排列情况。在核酸分子上的分布与排列情况。基因组的功能是贮存和表达遗传信息。基因组的功能是贮存和表达遗传信息。第一节 真核生物基因组的结构与功能Section 1 Structure and Function of Eukaryotic Genome1.真核生物基因组都是由大分子双链
2、线状真核生物基因组都是由大分子双链线状DNA构成。染色体通常成对出现（双倍体）。构成。染色体通常成对出现（双倍体）。2.基因组非常庞大，结构非常复杂，有多个复基因组非常庞大，结构非常复杂，有多个复制起始位点。制起始位点。真核生物基因组的特点真核生物基因组的特点3.基因组中存在大量的重复序列以及非编码序基因组中存在大量的重复序列以及非编码序列。真核生物基因组内非编码序列占列。真核生物基因组内非编码序列占90%以以上，是与细菌、病毒的重要区别，在一定程上，是与细菌、病毒的重要区别，在一定程度上也是生物进化的标尺。度上也是生物进化的标尺。4.真核生物基因组中也存在一些可移动的真核生物基因组中也存在一
3、些可移动的DNA序列（转座元件）。序列（转座元件）。真核生物基因组中通常存在大量的重复序列，真核生物基因组中通常存在大量的重复序列，可占整个基因组可占整个基因组DNA的的90%以以上。上。采用复性动力学方法来研究真核生物基因组采用复性动力学方法来研究真核生物基因组时，可按其复性速度的快慢或出现频率的高时，可按其复性速度的快慢或出现频率的高低，将这些重复序列分为低，将这些重复序列分为高度重复序列高度重复序列，中中度重复序列度重复序列和和单拷贝序列单拷贝序列三大类。三大类。一、一、真核生物基因组中重复序列的结构与功能真核生物基因组中重复序列的结构与功能（一）高度重复序列：（一）高度重复序列：高度重
4、复序列在基因组中重复频率高，可高度重复序列在基因组中重复频率高，可达达106次，因此复性速度很快。高度重复序次，因此复性速度很快。高度重复序列在基因组中所占比例随种属而异，一般列在基因组中所占比例随种属而异，一般在在1060%范围内。范围内。人的高度重复序列约占整个基因组的人的高度重复序列约占整个基因组的20%左右。左右。1.反向重复序列（反向重复序列（inverted repeats）：是是由两个相同顺序的互补拷贝在同一由两个相同顺序的互补拷贝在同一DNA 双链上反向排列而成双链上反向排列而成。高度重复序列按其结构特点可分为三种：高度重复序列按其结构特点可分为三种：反向重复序列的两种形式反向
5、重复序列的两种形式发卡结构发卡结构回回 文文 结结 构构画上荷花和尚画画上荷花和尚画书临汉字翰林书书临汉字翰林书2.卫星卫星DNA（satellite DNA）：卫卫星星DNA的的重重复复单单位位一一般般由由270 bp组组成成，成串排列。成串排列。卫卫星星DNA占占基基因因组组的的比比例例随随种种属属而而异异，在在0.531%范围内。范围内。卫卫星星DNA的的碱碱基基组组成成不不同同于于其其它它部部分分，故故可可用用等等密密度度梯梯度度离离心心法法从从基基因因组组中中分离出来。分离出来。人人类类基基因因组组中中可可分分离离出出三三类类卫卫星星DNA，共共占占人类基因组的人类基因组的5 6%：
6、大卫星大卫星DNA（macrosatellite DNA）：）：n其其重重复复单单位位为为5171 bp，主主要要分分布布于于染染色色体的着丝粒区。体的着丝粒区。小卫星小卫星DNA（minisatellite DNA）：）：n其重复单位为其重复单位为1570 bp，存在于常染色体。存在于常染色体。微卫星微卫星DNA/短串联重复序列（短串联重复序列（microsatellite DNA/short tandem repeat,STR）：）：n其重复单位为其重复单位为25 bp，存在于常染色体，常见，存在于常染色体，常见于内含子中。于内含子中。n人类基因组人类基因组DNA中平均每中平均每610kb
7、就有一个就有一个STR位点位点。不同个体之间在一个同源。不同个体之间在一个同源STR位点位点的重复次数不同。的重复次数不同。由于重复单位及重复次数不由于重复单位及重复次数不同，使其在不同种族，不同人群之间的分布具同，使其在不同种族，不同人群之间的分布具有很大差异性，构成了有很大差异性，构成了STR遗传多态性。遗传多态性。同一种属中不同个体的高度重复顺序的重复同一种属中不同个体的高度重复顺序的重复次数不一样，这可以作为每一个体的特征，次数不一样，这可以作为每一个体的特征，即即DNA指纹指纹。STR分析法已经成为分析法已经成为法医法医学领域个体识别和学领域个体识别和亲权鉴定的重要分析方法，可应用于
8、亲权鉴定的重要分析方法，可应用于司法司法案案件调查，也就是件调查，也就是遗传指纹分析遗传指纹分析。Alec J.Jeffreys和历史上第一张和历史上第一张DNA指纹图谱指纹图谱15-year old Lynda Mann 15-year old Dawn Ashworth1802年的一副杰斐逊和莎莉的讽刺画像年的一副杰斐逊和莎莉的讽刺画像（二）中度重复序列：（二）中度重复序列：中中度度重重复复序序列列是是指指在在基基因因组组中中重重复复数数十十次次至至数数万万次次的的部部分分，其其复复性性速速度度快快于于单单拷拷贝贝序列，但慢于高度重复序列。序列，但慢于高度重复序列。中中度度重重复复序序列列
9、中中有有一一部部分分是是编编码码rRNA、tRNA、组组蛋蛋白白及及免免疫疫球球蛋蛋白白的的结结构构基基因因，另另一部分可能与基因调控有关。一部分可能与基因调控有关。真核基因组中，中度重复序列主要包括真核基因组中，中度重复序列主要包括短散在短散在核元件核元件（short interspersed nuclear elements，SINEs）和和长散在核元件长散在核元件（long interspersed nuclear elements，LINEs）。典典型型的的短短散散在在核核元元件件（SINEs）是是灵灵长长类类所所特特有有的的Alu重重复复序序列列家家族族，因因在在其其序序列列中中存存
10、在在限限制酶制酶Alu的切点而得名。的切点而得名。限制性内切酶限制性内切酶Alu的切点为（的切点为（AG CT),将其切成将其切成 130bp和和170bp的两段。的两段。Alu家家族族的的功功能能是是多多方方面面的的，可可能能参参与与hnRNA的的加加工工与与成成熟熟，也也与与遗遗传传重重组组及及染染色色体体不不稳稳定定性性有有关关。最最近近研研究究表表明明，Alu顺顺序可能具有转录调节作用。序可能具有转录调节作用。典型的典型的长散在核元件长散在核元件（LINEs）是是Kpn重复序重复序列列家族，因在其序列中存在限制酶家族，因在其序列中存在限制酶Kpn的切的切点而得名。点而得名。Kpn家族的
11、重复单位一般为家族的重复单位一般为6 7 kb或更长，或更长，其两侧也各有一段正向重复序列，功能上与其两侧也各有一段正向重复序列，功能上与Alu家族相似。家族相似。（三）单拷贝序列：（三）单拷贝序列：单拷贝序列在基因组中只出现一次或几次，单拷贝序列在基因组中只出现一次或几次，因此复性速度很慢。因此复性速度很慢。单拷贝序列属于结构基因，它储存了巨大单拷贝序列属于结构基因，它储存了巨大的遗传信息，编码各种功能不同的蛋白质。的遗传信息，编码各种功能不同的蛋白质。真核生物基因组中的重复序列真核生物基因组中的重复序列二、多基因家族与假基因二、多基因家族与假基因多基因家族多基因家族（multigene f
12、amily）指指DNA序序列具有较高的同源性（通常大于列具有较高的同源性（通常大于50%），并且），并且其编码产物具有相同或相似生理功能的一其编码产物具有相同或相似生理功能的一组结组结构基因。构基因。多基因家族中的基因通常是由同一祖先基因经多基因家族中的基因通常是由同一祖先基因经进化或变异而来。进化或变异而来。多基因家族可分为两类：多基因家族可分为两类：1.基因家族成簇地分布在基因家族成簇地分布在同一同一染色体上并同时染色体上并同时进行转录，如组蛋白基因家族；进行转录，如组蛋白基因家族；chromosome 72.基因家族成簇地分布于基因家族成簇地分布于不同不同的染色体上并分的染色体上并分别进
13、行转录，且不同基因编码的蛋白质在功别进行转录，且不同基因编码的蛋白质在功能上相关，如珠蛋白基因家族。能上相关，如珠蛋白基因家族。珠蛋白多基因家族的组织结构珠蛋白多基因家族的组织结构-类珠蛋白基因家族类珠蛋白基因家族-类珠蛋白基因家族类珠蛋白基因家族chromosome 11chromosome 16假基因（假基因（pseudogene）又称为加工基因或又称为加工基因或非功能基因。这类基因的核苷酸顺序虽然与正非功能基因。这类基因的核苷酸顺序虽然与正常的结构基因很相似，但基本上不能表达常的结构基因很相似，但基本上不能表达。人类染色体上的假基因人类染色体上的假基因假基因是由于在进化过程中，某些假基因
14、是由于在进化过程中，某些DNA片段发片段发生了缺失、倒位或点突变，导致调控基生了缺失、倒位或点突变，导致调控基因丢失；因丢失；或无剪接加工信号；或编码区出现终止信号；或无剪接加工信号；或编码区出现终止信号；或编码无功能或不完或编码无功能或不完 整的基因。整的基因。雁过尚且留声，人生岂能无痕雁过尚且留声，人生岂能无痕三、线粒体三、线粒体DNADNA的结构的结构线粒体线粒体DNA（mitochondrial DNA,mtDNA）属于真核细胞核外遗传物质，可独立编码存在属于真核细胞核外遗传物质，可独立编码存在于线粒体中的多肽链、于线粒体中的多肽链、rRNA或或tRNA。mtDNA为双链环状为双链环状
15、DNA，其分子结构特点与，其分子结构特点与原核生物原核生物DNA相同。相同。mtDNA长长16,569 bp，含，含37个结构基因，编码个结构基因，编码13种蛋白、种蛋白、22种种tRNA和和2种种rRNA。这这13种蛋白质种蛋白质为呼吸链酶复合物的为呼吸链酶复合物的单单位位。第二节 原核生物基因组的结构与功能Section 2 Structure and Function of Prokaryotic Genome1.基基因因组组相相对对较较小小，由由DNA组组成成，包包括括染染色色体体DNA和和质质粒粒DNA两两种种DNA分分子子，均均为为共共价价闭闭环双链。染色体环双链。染色体DNA为单
16、拷贝为单拷贝。原核生物基因组的特点原核生物基因组的特点2.每每个个DNA分分子子（染染色色体体DNA和和质质粒粒DNA）只只有一个复制起始点。有一个复制起始点。3.含可转移的序列，如插入序列、转座子等。含可转移的序列，如插入序列、转座子等。4.结结构构基基因因通通常常为为连连续续基基因因，少少量量重重叠叠基基因因，非编码区和重复序列少。非编码区和重复序列少。5.功能相关的基因常常组织形成操纵子结构，功能相关的基因常常组织形成操纵子结构，操纵子结构是原核基因组的一个突出的结构操纵子结构是原核基因组的一个突出的结构特点。特点。一、原核生物基因以操纵子方式组构一、原核生物基因以操纵子方式组构功能上相
17、关的若干结构基因串联在一起，功能上相关的若干结构基因串联在一起，由一套调控序列控制其转录表达，构成基由一套调控序列控制其转录表达，构成基本转录单位，称为本转录单位，称为操纵子（操纵子（operon）。其转录产生的其转录产生的mRNA通常为通常为多顺反子多顺反子（multicistron）：）：一个一个mRNA可编码多可编码多个个蛋白质。蛋白质。二、二、原核生物中的原核生物中的质粒质粒DNADNA质质粒粒（plasmid）是是指指存存在在于于细细菌菌中中独独立立于于染染色色体体DNA外外的的双双链链环环状状小小分分子子DNA，可可进进行行自主复制。自主复制。质粒分子量一般为质粒分子量一般为101
18、06 610108 8，小型质粒的长度，小型质粒的长度为为1.5-15kb。质粒只有在宿主细胞内才能完成自己的复制，质粒只有在宿主细胞内才能完成自己的复制，一旦离开宿主就无法复制和扩增。但质粒对宿一旦离开宿主就无法复制和扩增。但质粒对宿主细胞的生存不是必需的，宿主细胞丢失了质主细胞的生存不是必需的，宿主细胞丢失了质粒依旧能够存活。粒依旧能够存活。质粒所携带的遗传信息能够赋予细菌特定的质粒所携带的遗传信息能够赋予细菌特定的 遗传性状，遗传性状，能把外源基因（目的基因）送到能把外源基因（目的基因）送到能把外源基因（目的基因）送到能把外源基因（目的基因）送到 宿主细胞中去克隆扩增或克隆表达。因此宿主
19、细胞中去克隆扩增或克隆表达。因此宿主细胞中去克隆扩增或克隆表达。因此宿主细胞中去克隆扩增或克隆表达。因此质质质质 粒粒粒粒是基因工程的重要载体（是基因工程的重要载体（是基因工程的重要载体（是基因工程的重要载体（vectorvectorvectorvector）。）。）。）。转座元件（转座元件（transposable elementtransposable element）/转座子转座子（transposontransposon）是指能够在）是指能够在DNADNA分子内部或分子内部或DNADNA分子之间移动的分子之间移动的DNADNA片段或基因。片段或基因。它们从基因组的一个部位直接转移到另一
20、个部它们从基因组的一个部位直接转移到另一个部位，这个过程称为转座（位，这个过程称为转座（transpositiontransposition）。）。三、转座元件三、转座元件1983年诺贝尔生理学或医学奖年诺贝尔生理学或医学奖McClintock(1902-1992）转座子不仅能够在基因组内转移，而且还能够转座子不仅能够在基因组内转移，而且还能够改变基因的活性并引起功能的改变。改变基因的活性并引起功能的改变。转座子有时插入到一个结构基因或基因调节序转座子有时插入到一个结构基因或基因调节序列内，引起基因表达的改变。列内，引起基因表达的改变。现在认为转座子存在于地球上所有的生物。现在认为转座子存在于
21、地球上所有的生物。第三节 病毒基因组的结构与功能Section 3 Structure and Function of Virus Genome病毒（病毒（virus）是一种具有比较原始的生命形态）是一种具有比较原始的生命形态和生命特征的非细胞生物。和生命特征的非细胞生物。完整的病毒颗粒包括衣壳蛋白和内部的基因组完整的病毒颗粒包括衣壳蛋白和内部的基因组DNA或或RNA，有些病毒的衣壳蛋白外面有一层，有些病毒的衣壳蛋白外面有一层被膜，被膜内含有病毒基因编码的糖蛋白。被膜，被膜内含有病毒基因编码的糖蛋白。病毒不能独立地复制，必须进入宿主细胞中借病毒不能独立地复制，必须进入宿主细胞中借助细胞内的一些
22、酶类和细胞器才能使病毒复制。助细胞内的一些酶类和细胞器才能使病毒复制。一、病毒基因组的类型一、病毒基因组的类型双链双链DNA病毒病毒乙肝病毒乙肝病毒单链单链DNA病毒病毒微小病毒微小病毒双链双链RNA病毒病毒动物呼肠孤病毒动物呼肠孤病毒单链单链RNA病毒病毒逆转录病毒逆转录病毒DNA病毒病毒 RNA病毒病毒1.基因组大小变化较大：基因组大小变化较大：一般为一般为3 300 kb。2.基因组的组成与结构变化较大：基因组的组成与结构变化较大：DNA或或RNA，双链或单链，线状或环状，双链或单链，线状或环状，单倍体或多倍体。单倍体或多倍体。二、病毒基因组的特点二、病毒基因组的特点3.基因的结构变化较
23、大：基因的结构变化较大：连连续续基基因因，断断裂裂基基因因，串串联联基基因因，mRNA缺缺失失5-端帽子结构或翻译起始序列等。端帽子结构或翻译起始序列等。4.基因重叠现象较普遍。基因重叠现象较普遍。莲人在绿杨津莲人在绿杨津 采采 一一玉漱声歌新阙玉漱声歌新阙采莲人在绿杨津，采莲人在绿杨津，在绿杨津一阙新，在绿杨津一阙新，一阙新歌声漱玉，一阙新歌声漱玉，歌声漱玉采莲人歌声漱玉采莲人。野野野野 鸟鸟鸟鸟 啼啼啼啼 时时时时 有有有有 思思思思 重叠基因重叠基因（overlapping gene）即同一段）即同一段DNA片片段能够以两种或两种以上的阅读方式进行阅读，段能够以两种或两种以上的阅读方式进
24、行阅读，因而可编码两种或两种以上的多肽。因而可编码两种或两种以上的多肽。按重叠方式不同，可分为完全重叠和部分重叠按重叠方式不同，可分为完全重叠和部分重叠噬菌体174的重叠基因 逆转录病毒逆转录病毒逆转录病毒是属于逆转录病毒是属于RNARNA病毒的一个大科。病毒的一个大科。所所有有逆逆转转录录病病毒毒的的共共同同特特点点是是能能够够携携带带或或编编码码合成逆转录酶。合成逆转录酶。逆转录病毒基因组逆转录病毒基因组逆逆转转录录病病毒毒（retro-viruses）的的基基因因组组是是由由两两个个相相同同的的正正链链RNA组组成成的的双双倍倍体体，长长约约3.59.0 kb。其其病病毒毒RNA具具有有
25、5-端端帽帽子子结结构构和和3-端端polyA尾尾，两个两个RNA分子在分子在5-端通过氢键相结合。端通过氢键相结合。5-cap-R-U5-PB-DLS-gag-pol-env-(onc)-C-PB+-U3-R-polyA-3 尾部结构尾部结构末端重末端重复序列复序列末端重末端重复序列复序列调控区调控区调控区调控区tRNA引物结引物结合区合区tRNA引物结引物结合区合区氢键结氢键结合区合区包装信包装信号区号区结构基因区结构基因区共同区共同区编码核编码核心蛋白心蛋白编码逆编码逆转录酶转录酶编码被膜编码被膜糖蛋白糖蛋白逆转录病毒的许多特点使其成为基因转移载体逆转录病毒的许多特点使其成为基因转移载体的上佳选择。最重要的一点是它可以有效的整的上佳选择。最重要的一点是它可以有效的整合入靶细胞基因组并稳定持久地表达所带的外合入靶细胞基因组并稳定持久地表达所带的外源基因。源基因。掌握基因组、多基因掌握基因组、多基因家族、假基因、操纵家族、假基因、操纵子、质粒的概念；子、质粒的概念；掌握重复序列的分类掌握重复序列的分类。
