基因与基因组.pptx

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1、1第一节 基因的概念与结构一、基因的概念 （一）基因概念的发展第1页/共91页2基因概念的发展基因概念的发展1909年年 Johannsen 提出了提出了“基因基因”概念取代概念取代了遗传因子了遗传因子Morgan提出染色体学说，基因是遗传基本单提出染色体学说，基因是遗传基本单位，位，基因论基因论1936年年 Beadle 和和 Taturm提出一个基因决提出一个基因决定一种酶，之后延伸到决定一个蛋白质，多定一种酶，之后延伸到决定一个蛋白质，多肽链肽链第2页/共91页3基因的分类基因的分类编码蛋白质的基因编码蛋白质的基因编码编码RNA的基因：的基因：编码编码rRNA;tRNA;核酶；核酶；sn

2、mRNA（非（非mRNA的小的小RNA）第3页/共91页4基因基因是核酸分子中储存遗传信息的基本单位，是核酸分子中由特定核苷酸按一定的碱基是核酸分子中储存遗传信息的基本单位，是核酸分子中由特定核苷酸按一定的碱基顺序排列而成的具有一定功能的片段，是顺序排列而成的具有一定功能的片段，是RNARNA序列和蛋白质多肽链顺序相关遗传信息的序列和蛋白质多肽链顺序相关遗传信息的基本形式，以及表达这些信息所需要的全部核苷酸序列。基因是基因组序列上的遗传单基本形式，以及表达这些信息所需要的全部核苷酸序列。基因是基因组序列上的遗传单位，有调节区、转录区和（或）其他功能序列区位，有调节区、转录区和（或）其他功能序列

3、区.（二）基因的概念 基因是编码RNA或一条多肽链的DNA片段.第4页/共91页51.原核生物的结构基因是 连续的（一）结构基因 基因中编码RNA或蛋白质的DNA序列。二、基因的结构第5页/共91页6侧翼序列：含有调控序列编码序列：外显子(exon)插入序列：内含子(intron)真核生物结构基因2.第6页/共91页7 DNAmRNA前体编码序列不连续，称为断裂基因（interrupted gene）RNA剪接 由外显子（编码序列)和内含子（非编码序列)两部分组成，intron exon 成熟mRNA第7页/共91页8 5 3exon3exon1exon2GT AG GT AG真核基因中RNA

4、剪接的识别信号内含子的 5端以GT开始，3端以AG结束。GT-AG法则intron2intron13.第8页/共91页9 5 3exon3exon2exon1 intron1intron2(二)转录调控序列 前导序列尾部序列编码区侧翼序列侧翼序列 结构基因编码区两侧的一段不被翻译的DNA片段(侧翼序列)，参与转录调控。第9页/共91页10tayz opstructural gene1.原核生物基因的调控序列promoter启动子 promoterterminator终止子 terminatoroperator操纵元件 operator第10页/共91页112.真核生物基因的调控序列反式作用因子

5、trans-acting factor能识别和结合特定的顺式作用元件,并影响基因转录的一类蛋白质或RNA顺式作用元件cis-acting element能影响基因表达，但不编码RNA和蛋白质的DNA序列TATAAAATATTT 533 5 顺式作用元件第11页/共91页12 TATA盒（TATA Box）:位于-25-30bp，TATAAAA/TATATAT 与TFII结合，启动基因转录。(1)启动子和上游启动子元件-25+1-30第12页/共91页13-30-25+1-80-70 CAAT盒（CAAT Box）位于-70-80bp，GG C/T CAATCT,与CTF结合，决定启动子转录效率

6、。第13页/共91页14 GC盒（GC Box）位于-35bp，GGCGG，与转录因子SP1结合，促进转录的过程。35-35+1 第14页/共91页15(2).增强子（enhancer）CAAT box 与转录因子特异性结合，增强转录活性，在基因任意位置都有效、无方向性。TATA box enhancer promoter 5 3 exon intron 第15页/共91页16(3).沉默子（沉默子（silencer)具有抑制基因转录功具有抑制基因转录功能的特定能的特定DNA序列，为负序列，为负性调节元件，当其结合一些性调节元件，当其结合一些特异反式作用因子时，对基特异反式作用因子时，对基因转

7、录起阻遏作用，使基因因转录起阻遏作用，使基因沉默。沉默。第16页/共91页17(4).终止子（终止子（terminaor)是结构基因下游近是结构基因下游近3端端的一段的一段DNA,由由AATAAA和和一段回文序列组成，在转录一段回文序列组成，在转录中提供终止信号，使转录作中提供终止信号，使转录作用终止。用终止。第17页/共91页185-AATAAA-GT-3 DNA mRNA 前体5-AAUAAA-GU-35-AAUAAA-AAAAAAAA 3多聚腺苷酸化mRNA(5).Poly(A)加尾信号Poly(A)聚合酶5-AAUAAA-GU-3特异因子 基因末端保守的AATAAA顺序及下游GT或T富

8、含区,被多聚腺苷酸化特异因子识别，在mRNA 3端加约200个A。第18页/共91页19 CAAT boxTATA box Enhancer promoter 调控序列调控序列真核生物基因的结构exonexon非翻译区：untranslated regions，UTR UTRUTRPoly(A)加尾信号5 +1Stop 3 结构基因intronintronexonTGA ATG开放阅读框：open reading frame，ORFresponse element第19页/共91页20三、中心法则 central dogmaReplicationReplicationReverseTransc

9、riptionTranscriptionTranslationDNARNAProtein 第20页/共91页21(一)原核生物的mRNA是多顺反子mRNAPromoterGene 1Gene 2Gene 3TerminatorDNATranscriptionmRNA31235TranslationProteins123 多顺反子mRNA(polycistronic mRNA):原核生物的一个mRNA分子带有几个 结构基因的遗传信息，利用共同的启动 子及终止信号，组成操纵子的基因表达 调控单元。第21页/共91页22TranslationTranscriptionmRNADNAProteinPr

10、omoterGene35(二)单顺反子mRNA(monocistronic mRNA):真核生物的一个编码基因转录生成一个mRNA。第22页/共91页23二、基因的功能1 1、遗传信息的储存、遗传信息的储存2 2、基因复制、基因复制（1 1）半保留复制；（）半保留复制；（2 2）双向复制；（）双向复制；（3 3）不连续复制）不连续复制3 3、基因表达、基因表达（1 1）转录；（）转录；（2 2）翻译；（）翻译；（3 3）基因表达的调控）基因表达的调控第23页/共91页24基因表达的调控基因表达的调控（1 1）DNADNA水平的调控：甲基化、与组蛋白结合、染水平的调控：甲基化、与组蛋白结合、染色

11、质浓缩色质浓缩（2 2）转录水平的调控：顺式元件与反式元件的结）转录水平的调控：顺式元件与反式元件的结合合（3 3）转录后水平的调控：）转录后水平的调控：mRNAmRNA加帽子、加尾、剪加帽子、加尾、剪接接（4 4）翻译水平的调控：翻译起始区域）翻译水平的调控：翻译起始区域（5 5）翻译后水平的调控：二硫键的形成、糖基化、）翻译后水平的调控：二硫键的形成、糖基化、C-C-末端酰胺化等末端酰胺化等第24页/共91页25基因突变与疾病基因突变与疾病1、单基因疾病、单基因疾病常染色体显性遗传常染色体显性遗传常染色体隐形遗传常染色体隐形遗传X X连锁显性遗传连锁显性遗传Y Y连锁隐性遗传连锁隐性遗传Y

12、 Y隐性遗传隐性遗传2、线粒体遗传病（如、线粒体遗传病（如Leber遗传性视神经病）遗传性视神经病）特点：特点：1 1、母系遗传；、母系遗传；2 2、异质性、异质性3、多基因疾病、多基因疾病 由多对微效基因和环境因素双重影响所引起的一类疾病称为由多对微效基因和环境因素双重影响所引起的一类疾病称为多基因疾病多基因疾病第25页/共91页26基因诊断与治疗基因诊断与治疗1 1、基因诊断：在、基因诊断：在DNADNA或或RNARNA水平对某水平对某些疾病相关基因进行分析，从而些疾病相关基因进行分析，从而对疾病进行诊断。对疾病进行诊断。2 2、基因治疗：运用重组、基因治疗：运用重组DNADNA技术，技术

13、，将正常基因导入有缺陷基因患者将正常基因导入有缺陷基因患者的细胞中，以替代或补偿缺陷基的细胞中，以替代或补偿缺陷基因，或抑制基因的过度表达，使因，或抑制基因的过度表达，使细胞恢复正常功能，达到治疗目细胞恢复正常功能，达到治疗目的。的。第26页/共91页27基因组：一个细胞或病毒的全部 遗传信息；第二节 基因组 一套完整的单倍体的遗传物质的总合；含有一种生物的一整套遗 传信息的遗传物质；第27页/共91页28C值值（C-value）：）：单倍体基因组中的全部单倍体基因组中的全部DNADNA量量(bpbp)106 107 108 109 1010 1011显花植物骨鱼类哺乳类甲壳类爬行类鸟类藻类真

14、菌革兰氏阳性菌革兰氏阴性菌枝原体霉菌蠕虫类软体动物棘皮类昆虫类软骨鱼类两栖类第28页/共91页29一、病毒基因组一、特点：一、特点：(1)(1)基因组小基因组小(2)(2)有的是有的是DNA,DNA,有的是有的是RNARNA(3)(3)RNARNA病毒基因组可由数条病毒基因组可由数条RNARNA组成组成(4)(4)存在重叠基因存在重叠基因(5)(5)可形成多顺反子可形成多顺反子(6)(6)噬菌体基因是连续的，而真核细胞噬菌体基因是连续的，而真核细胞的病毒基因是不连续的的病毒基因是不连续的第29页/共91页30 DNA病毒 RNA病毒 （二）基本结构多数为双链(ds)、环状或线性多数为单链(ss

15、)、线性第30页/共91页31（三）RNA病毒基因组 类型 特点 代表种类第31页/共91页321.单股正链RNA病毒SARS冠状病毒 SARS coronavirus 包膜蛋白膜蛋白核衣壳蛋白刺突蛋白 病毒RNA聚合酶第32页/共91页33 单股正链RNA、不分节段，5端有甲基化帽，3端有poly(A)结构。脊髓灰质炎病毒、鼻病毒、多数RNA噬菌体、冠状病毒 第33页/共91页34.禽流感病毒(H5N1)avian influenza A virus2.单股负链RNA病毒8节段-ssRNA血凝素（HA）神经氨酸酶（N)第34页/共91页35 单股负链RNA、8节段，均编码蛋白质，5端由相同的

16、13个核苷酸组成，3端有12个保守的核苷酸序列。流感病毒、滤泡性口腔炎病毒、狂犬病毒第35页/共91页36呼肠孤病毒 reovirus3.双链RNA病毒11节段dsRNA内衣壳蛋白外衣壳蛋白第36页/共91页37 正负双链RNA，1012节段、每段编码一个蛋白质 呼肠孤病毒、轮状病毒、噬菌体6第37页/共91页384.逆转录病毒(retrovirus)核心蛋白 逆转录酶 膜蛋白poly(A)Cap人类免疫缺陷病毒（HIV）第38页/共91页39 单股正链RNA，有三个基本的结构 基因：gag、pol（逆转录酶）、env，白血病病毒、肉瘤病毒、人类免疫缺陷病毒 5端有甲基化帽，3端有poly(A

17、)，另有多个基因表达调控位点。第39页/共91页40（四）DNA病毒基因组 类型 特点 代表种类第40页/共91页411.线性双链DNA病毒 早期蛋白（E）晚期蛋白（L）腺病毒 adenovirusE1A E1BE3E4E2BE2A0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100%L2L3L4L5L1ITRITR ITR:反向末端重复序列第41页/共91页42 反向末端重复序列 （inverted terminal repeat，ITR）AT丰富区保守序列：ATAATATACCGC丰富区保守序列：GGGCGG,TGACGT在病毒复制过程有重要作用 基因组：线性双链DNA，编码两

18、大类蛋白 早期蛋白（E）、晚期蛋白（L）第42页/共91页43乳头瘤病毒 papillomavirus URR2.双链环状DNA病毒衣壳蛋白DNA复制膜信号蛋白组装与释放 中断细胞生长周期上游调节区转录 与复制第43页/共91页44基因组：双链环状DNA，可分为早期区（E）、晚期区（L）、上游调节区（upstream regulatory region,URR）调节转录与复制第44页/共91页453.单链环状DNA病毒5387nt噬菌体phiX174基因重叠5387 nt 编码2500 AA1977，Sanger第45页/共91页46乙型肝炎病毒（HBV）4.开环部分双链DNA病毒 聚合酶HB

19、sAgHBcAg第46页/共91页47乙型肝炎病毒（HBV）逆转录酶HBsAgHBcAgHBeAg开环部分双链DNA病毒第47页/共91页48二、原核生物基因组细菌染色体DNA质粒DNA以大肠杆菌（Escherichia coli）为例第48页/共91页49原核基因组特点：原核基因组特点：1 1、仅由一条环状双链、仅由一条环状双链DNADNA组成组成2 2、结构基因与调控序列以操纵子形式出现，、结构基因与调控序列以操纵子形式出现，所转录的所转录的RNARNA为多顺反子为多顺反子3 3、基因组中重复序列少、基因组中重复序列少4 4、结构基因多为单拷贝、结构基因多为单拷贝5 5、基因是连续的、基因

20、是连续的6 6、编码序列一般不会重叠、编码序列一般不会重叠第49页/共91页50类核（nucleoid）：细菌染色体在 细胞内形成的一个致密区域大肠杆菌细胞结构nucleoid质粒plasmid第50页/共91页51（一）由一条环状双链DNA分子组成，通常只有一个DNA复制起点。C-Value:4.6106bp大肠杆菌染色体DNA 大肠杆菌4000K3000K2000K1000K0OriCTerC第51页/共91页52(二)结构基因大多组成操纵子乳糖操纵子 lac operontayz opstructural genepromoterterminatoroperator-galactosid

21、ase半乳糖苷酶 z-galactoside permease透酶 y-galactoside transacetylase半乳糖苷乙酰转移酶 a 第52页/共91页53 多个功能相关的结构基因成簇串联排列，与上游共同的调控区和下游转录终止信号组成的基因表达单位。操纵子operon:第53页/共91页54（三）其它结构特点 C 值：4,639,221 bp基因数：4288基因大小：950bp/gene基因间隔：118bp/gene1.基因密度非常高，编码区在 基因组中所占比例大；2.结构基因没有内含子，多为 单拷贝，rRNA基因为多拷贝；3.重复序列很少，重复片段为 转座子；50kb第54页/

22、共91页554.有编码同工酶的同基因（isogene）分支酸别构酶 ilvBN acetolactate synthase I ilvIH acetolactate synthase III 乙酰乳酸合酶 entC isochorismate synthase entB isochorismatase第55页/共91页565.不同的原核生物基因组的GC含量（GC content）变化很大(25%-75%)Escherichia coliMicrococcus luteus藤黄微球菌Bacillus subtilisSerratia marcescens枯草杆菌粘质沙雷菌 大肠杆菌%GC 51

23、51 52 55 58 52 37 66 61 43 45 33 39 25 75 73 69Shigella flexnerl志贺氏杆菌（痢疾）Salmonella typhimurium鼠伤寒沙门菌 Klebsiella pneumoniae肺炎克雷伯士氏杆菌 Mycopiasma capricolum支原体第56页/共91页57（四）非编码区主要是调控序列：复制起始区（OriC）复制终止区（TerC）转录起动区转录终止区第57页/共91页58复制起始区（OriC）第58页/共91页59大肠杆菌强启动子TTGAC TATAAT 转录起始第59页/共91页60GACCGCCGCUGGCGGC

24、 A U U U U-OH 35U U C G G 5GCCGCCAGUUCGGCUGGCGGCAUUUU3RNA5GCCGCCAGTTCGGCTGGCGGCATTTT 3DNA终止子：强终止子：有反向重复顺序，可形成茎环结构，其后面为poly(T)结构，转录终止无需因子。GC丰富区、AT丰富区第60页/共91页61（五）具有转座现象 Barbara McClintock 1902-1992 转座，或称移位（transposition）：转座因子在基因组 不同位置间的移动。第61页/共91页62 1.转座因子的类别 Is3 转座酶(1)插入序列（insertion sequence,Is）小于

25、2000bp，只有转座相关基因2kb第62页/共91页63Tn3转座酶 Tn10 转座酶(2)转座子（transposon，Tn）2-20kb，常带有抗性基因等其它基因氨苄青霉素抗性 四环素抗性2kb第63页/共91页64(3)Mu噬菌体（Mu）转座酶头尾部蛋白转座酶结合位点 转座酶结合位点宿主DNA宿主DNA37 kbA B第64页/共91页65切离是转座因子从原来位置上切除并转移到基因组新的位置 转座是转座因子复制出一个新拷贝转移到基因组新的位置2.转座因子的遗传效应供体DNA转座子受体DNA复制和转座新的DNA切除和连接第65页/共91页66 transposonHost DNATarg

26、et siteT A C A T G C A C A GA T G T A C G T G T C transposonTAC ATGCAATG CAGTACGTGTC 转座的结果使靶点序列倍增 transposonDirect RepeatsTAC ATGCAATG TACGTATGCA CAGTACGT GTC 促使染色体畸变 第66页/共91页67转座子 F E A B C D复制插入 转座子新拷贝 F E A B C D引起插入突变 基因F被隔断而失去功能 第67页/共91页68携带标志基因使受体增添新基因Tn3转座酶 Tn10 转座酶氨苄青霉素抗性 四环素抗性第68页/共91页69（

27、六）质粒（plasmid）质粒是存在于细菌染色体外的，具有自主复制能力的环状双链DNA分子；大小为2-3 kb。第69页/共91页70质粒的特性 在宿主细胞内可自主复制；所携带的遗传信息能赋予宿主特 定的遗传性状；细胞分裂时恒定地传给子代；质粒可以转移。第70页/共91页71三真核生物基因组染色体DNA线粒体DNA第71页/共91页72（一）真核基因组特点1、双链线状，且不止一条2、结构基因为断裂基因3、转录产物为单顺反子4、非编码序列远远多于编码区5、含大量重复序列和基因家族6、DNA末端有端粒结构7、有细胞器基因组（线粒体、叶绿体）第72页/共91页73人类基因组染色体（二）染色体DNA的

28、组成核小体第73页/共91页741.单一序列DNA（unique sequence DNA）单一序列在人类基因组中大于50。结构基因主要存在于单一序列中。单拷贝DNA(single copy DNA)第74页/共91页752.高度重复序列DNA（highly repetitive DNA）卫星DNA（satellite DNA）反向重复序列（inverted repeats)重复次数106次第75页/共91页76（1）卫星DNA 存在于非编码区的串联重复序列，在基因组中约占5。主带 光密度 卫星DNA第76页/共91页77a.大卫星（macro-satellite）DNA：重复单位5-10 b

29、p，其在人群中多态性不显著。光密度260nm果蝇基因组第77页/共91页78b.小卫星（minisatellite）DNA：重复单位9-24 bp，呈高度多态性。可变数目串联重复序列（variable number of tandem repeat,VNTR）端粒DNA：（TTAGGG）n，2-20 kb，染色体复制，末端保护。核心序列 GGGCAGGAXG；第78页/共91页79c.微卫星DNA(macro-satellite DNA)短串联重复(short tandem repeat,STR)重复单位2-6bp，常见为(AC)n和(TG)n，重复次数10-60次，总长度小于150bp，高度

30、多态性，可作遗传标记。第79页/共91页80（2）.反向重复序列反向重复序列5AAACCACCGCTGGTAGCGGTGGTTT33TTTGGTGGCGACCATCGCCACCAAA55AAACCACCGCTAGCGGTGGTTT33TTTGGTGGCGATCGCCACCAAA5回文结构 两两个个顺顺序序列列相相同同的的拷拷贝贝在在DNADNA链链上上呈呈反反向向排排列列。在在基基因因组组中中约约占占5 5，常见于基因调控区。，常见于基因调控区。第80页/共91页813.中度重复序列:tRNA、rRNA组蛋白、免疫球蛋白可能与基因调控相关序列重复次数10-105，约占基因组的35第81页/共9

31、1页82AluAlu家族：家族：有Alu酶切位点（AG/CT）而得名。重重复复单单位位约约300300bpbp，由由两两个个130130bpbp重重复复序序列列及及3131bpbp间间隔隔序序 列列组组成成；重重复复30-5030-50万万次次，散散在在分分布布；灵长类特有。灵长类特有。第82页/共91页83等位型1等位型2（三）基因组序列多态性 两个同源DNA序列中同一碱基位置含有不同的核苷酸。1.单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism,SNP）第83页/共91页842.限制性片段长度多态性 （restriction fragment length po

32、lymorphism）DNA1-1DNA1-2 用一种限制性内切酶消化不同个体的同一段DNA时，由于碱基组成的变化而改变限制性内切酶识别位点，从而会产生长度不同的DNA片段。第84页/共91页85(四四)多基因家族多基因家族（multigene familymultigene family）1.超基因家族（supergene family）由多基因家族及单基因组成，成员间有不同程度的同源，但它们的功能不一定相同。是指一组有类似功能，核苷酸序列又有同源性的基因。第85页/共91页862.核酸序列相同：组蛋白基因家族多拷贝基因形成的基因簇，rRNA、tRNA、组蛋白基因家族。非洲爪蟾的5SRNA基

33、因结构 5SRNA基因 非转录空隔区第86页/共91页873.核酸序列高度同源生长激素（GH）与绒毛膜生长催乳激素（CS）氨基酸序列比对217第87页/共91页884.编码产物的功能或功能区相同第88页/共91页89(五)假基因（pseudogene,）G A 21Alu10 kb珠蛋白基因簇中的假基因珠蛋白基因簇中的假基因 与有功能的基因相似，不表达基因产物的基因。第89页/共91页90线粒体基因组线粒体基因组真核细胞每个细胞含有210个线粒体DNA（mitochondral DNA,mtDNA),独立于染色体外的基因组人mtDNA约16.6Kb，除含有与复制及转录相关的D-loop外，几乎不含编码区，无内含子。人mtDNA 含37个编码基因，17个与氧化磷酸化有关的蛋白，2种rRNA基因，22种rRNA基因.第90页/共91页91感谢您的观看。第91页/共91页