Ch基因与基因组.pptx

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1、教学内容第一节 基因的概念 第二节 病毒基因组 第三节 原核生物基因组第四节 真核生物基因组第五节 基因组学第1页/共63页第一节 基因的概念 一、基因概念的发展二、基因的分子生物学定义三、基因组第2页/共63页奥地利布隆奥地利布隆(Brnn):现捷克布尔诺现捷克布尔诺(Bruo)第3页/共63页孟德尔豌豆杂交实验中所用的七对相对性状 第4页/共63页一、基因概念的发展（一）孟德尔的遗传因子 生物体的各种特定性状受遗传因子所控制，一个因子决定一种性状。生物体的各种特定性状受遗传因子所控制，一个因子决定一种性状。第5页/共63页摩摩尔尔根根实实验验第6页/共63页一、基因概念的发展（二）摩尔根的

2、基因概念 基因以直线形式排列，它决定着一个特定的性状，而且能基因以直线形式排列，它决定着一个特定的性状，而且能发生突变并随着染色体同源节段的互换而交换，它不仅是决定发生突变并随着染色体同源节段的互换而交换，它不仅是决定性状的性状的功能单位功能单位，而且也是一个，而且也是一个突变单位突变单位和和交换单位交换单位，即著名，即著名的三位一体概念。的三位一体概念。第7页/共63页cis-trans test第8页/共63页cis-trans test 第9页/共63页一、基因概念的发展（三）顺反子 一个顺反子一个顺反子（cistroncistron）相当于一个基因，）相当于一个基因，它是一个功能单位，

3、决定一个它是一个功能单位，决定一个酶或一条多肽链的表达。顺反酶或一条多肽链的表达。顺反子（基因）内部可以出现不同子（基因）内部可以出现不同位置的突变，也可以出现交换位置的突变，也可以出现交换和重组。一个顺反子可以包括和重组。一个顺反子可以包括很多突变子和重组子。很多突变子和重组子。第10页/共63页一、基因概念的发展（四）操纵子及其基因 操纵子操纵子(operon)(operon)是原核生物基因表达是原核生物基因表达调控单元。调控单元。操纵子基因根据功能可分为操纵子基因根据功能可分为结构基因结构基因（structure genestructure gene）、）、调节基因调节基因（regula

4、tory generegulatory gene）和）和控制基因控制基因（包括启（包括启动基因和操纵基因）三类。结构基因和调节动基因和操纵基因）三类。结构基因和调节基因是可表达的基因，控制基因是不可表达基因是可表达的基因，控制基因是不可表达的基因。的基因。第11页/共63页操纵子第12页/共63页一、基因概念的发展（五）现代基因概念的扩展重叠基因（overlapping genes）断裂基因（split gene）跳跃基因（jumping gene）假基因（pseudogene）第13页/共63页断裂基因（split gene）第14页/共63页二、基因的分子生物学定义 一个基因不仅是编码有功

5、能的蛋白质多肽链或一个基因不仅是编码有功能的蛋白质多肽链或RNARNA所必需的核酸序列所必需的核酸序列(通通常指常指DNADNA序列序列)，而且还包括为保证转录所必须的调控序列、，而且还包括为保证转录所必须的调控序列、55端非翻译序列、端非翻译序列、内含子以及内含子以及 33非翻译序列等核酸序列。非翻译序列等核酸序列。第15页/共63页根据基因是否具有表达功能可以将其分为三类：第一类是编码蛋白质的基因，它具有转录和第一类是编码蛋白质的基因，它具有转录和翻译功能；翻译功能；第二类是只有转录功能而没有翻译功能的基第二类是只有转录功能而没有翻译功能的基因，包括因，包括tRNAtRNA基因和基因和rR

6、NArRNA基因；基因；第三类是不转录的基因，它对基因表达起调第三类是不转录的基因，它对基因表达起调节控制作用，包括启动基因和操纵基因，这节控制作用，包括启动基因和操纵基因，这类基因也称控制基因。类基因也称控制基因。第16页/共63页三、基因组概念 在个体水平代表一个个体所有遗传性状的总和，在个体水平代表一个个体所有遗传性状的总和，在细胞水平代表一个细胞所有不同染色体（单倍体）在细胞水平代表一个细胞所有不同染色体（单倍体）的总和，在分子水平代表一个物种所有的总和，在分子水平代表一个物种所有DNADNA分子的总和。分子的总和。简而言之，它表示一种生物的简而言之，它表示一种生物的DNADNA或或R

7、NARNA所含的全部遗所含的全部遗传信息。传信息。人类基因组 人类基因组由人类基因组由2222条常染色体和条常染色体和2 2条性染色体，约条性染色体，约3030亿个碱基对的亿个碱基对的DNADNA序列组成，估计约含序列组成，估计约含3434万个基因。万个基因。第17页/共63页第二节 病毒基因组第18页/共63页一、病毒基因组核酸的类型7种类型：1双链DNA（dsDNA）病毒；2单链DNA（ssDNA）病毒；3双链RNA（dsRNA）病毒；4单链正链RNA（thepositive-sensessRNA）病毒；5单链负链RNA（thenegative-sensessRNA）病毒；6逆转录RNA病

8、毒；7逆转录DNA病毒。第19页/共63页二、病毒基因组的结构特点1病毒基因组可以由DNA或RNA组成2病毒基因组大小相差较大3病毒基因组为单拷贝4病毒基因组多由连续的多核苷酸链组成5病毒基因组的基因可连续或间断6病毒基因组的大部分是用来编码蛋白质7病毒基因组的相关基因往往丛集形成一个功能单位或转录单元8有重叠基因第20页/共63页第三节 原核生物基因组第21页/共63页一、原核生物基因组的结构特点1基因组通常仅由一条环状双链DNA分子组成；2基因组中只有1个复制起始点；3具有操纵子结构，转录产物为多顺反子；4一般无重叠基因；5无内含子；6编码蛋白质的DNA在基因组中所占比例较大；7结构基因为

9、单拷贝；8.具有编码同工酶的基因；9存在插入序列（insertionsequence，IS）和转座子（transposon）等可移动的DNA序列；10具有多种的功能识别区域。第22页/共63页二、质粒概念 质粒（质粒（plasmidplasmid）是细胞染色体或核区）是细胞染色体或核区DNADNA外能够自主复制的共价闭合外能够自主复制的共价闭合环状环状DNA(covalent closed circular DNA,cccDNA)DNA(covalent closed circular DNA,cccDNA)分子。分子。质粒对宿主细胞的生存而言不是必需的质粒对宿主细胞的生存而言不是必需的,宿主

10、细胞丢失了质粒依然能够宿主细胞丢失了质粒依然能够存活。但质粒所携带的遗传信息能赋予宿主细胞特定的遗传性状。存活。但质粒所携带的遗传信息能赋予宿主细胞特定的遗传性状。第23页/共63页EcoR、Pst、Hind、BamH、Sal只有一个酶切位点，便于外源基因的插入。质粒DNApBR322第24页/共63页第四节 真核生物基因组第25页/共63页一、真核生物基因组的组成基因和基因相关DNA序列包括编码的DNA序列和非编码的DNA序列（如内含子、基因片段和假基因等）基因外DNA序列包括各种重复序列以及非编码的单拷贝和低拷贝序列。第26页/共63页人类基因组的组成 基因外DNA2100Mb重复DNA4

11、20Mb单拷贝和低拷贝DNA1680Mb非编码DNA810Mb拟基因基因片段基因和基因相关序列900Mb 内含子、前导区、尾区编码DNA90Mb串联重复LTR元件SINE卫星DNA微卫星DNA小卫星DNALINE人类基因组3000MbDNA转座子散在重复第27页/共63页二、真核生物基因组DNA序列的分类(一)高度重复序列(二)中度重复序列(三)低度重复序列（单拷贝序列）第28页/共63页(一)高度重复序列 高度重复序列是拷贝数在基因组中达数百万(106)以上的DNA序列，因此具有很快的复性速度。在基因组中约占10-60。典型的高度重复序列有卫星 DNA 和反向重复序列两类。第29页/共63页

12、1.卫星 DNA概念 卫星卫星DNA DNA(SatelliteD(SatelliteDNA)NA)是在氯化铯是在氯化铯（CsClCsCl）密度）密度梯度离心时发梯度离心时发现的一类高度现的一类高度重复的重复的DNADNA序列。序列。第30页/共63页人类基因组卫星DNA 人的主带DNA的平均浮力密度为，其GC含量平均为40.3%，主要由单拷贝DNA片段组成。卫星DNA的浮力密度分别为、和，其GC含量取决于它们的重复序列组成。第31页/共63页分类（1）大卫星DNA大卫星大卫星DNA(macrosatellite DNA)DNA(macrosatellite DNA)也称为经典卫星也称为经典卫

13、星DNADNA，总，总长度为长度为100kb100kb几个几个MbMb。重复单位约。重复单位约5 5200bp200bp，多分布在染色体着丝，多分布在染色体着丝粒区异染色质和其它异染区。粒区异染色质和其它异染区。（2）小卫星DNA小卫星小卫星DNA(minisatellite DNA)DNA(minisatellite DNA)由中等大小的串联重复序由中等大小的串联重复序列（列（tandem repeattandem repeat，TRTR）组成）组成,其总长度约为其总长度约为20kb,20kb,包括高度包括高度可变的小卫星可变的小卫星DNA(DNA(重复单位重复单位9 924bp)24bp)

14、和端粒和端粒DNADNA。（3)微卫星DNA微卫星微卫星DNA(microsatellite DNA)DNA(microsatellite DNA)由短串联重复序列由短串联重复序列（short tandem repeatshort tandem repeat，STRSTR）组成，分布在所有染色体）组成，分布在所有染色体,其其重复单位为重复单位为2 26bp6bp，重复次数，重复次数10106060次左右次左右,其总长度常小于其总长度常小于150bp150bp。串联重复序列多态性串联重复序列多态性第32页/共63页2.反向重复序列 反向重复序列(inverted repeats)是指两个序列相同

15、的拷贝在同一DNA分子上呈反向排列。这种重复序列具有极快的复性速度，又称零时复性部分。反向重复序列的排列有两种形式：一种是两个反向排列的拷贝之间隔着一段间隔序列；另一种是两个拷贝反向串联在一起,中间没有间隔序列,这种没有间隔的反向重复序列也称回文结构(palindrome)。反向重复序列约占人类基因组中的5%,散布于整个基因组中，常见于基因组调控区内，其作用推测与复制转录的调控有关第33页/共63页(二)中度重复序列 中度重复序列是拷贝数在基因组中大致数十至数万（105）的DNA序列。其复性速度快于单拷贝序列，但慢于高度重复序列。这类重复序列在基因组中约占35%。依据重复序列的长度，中度重复序

16、列可分为短散在重复片段和长散在重复片段两种类型。第34页/共63页短散在重复片段 短散在重复片段（短散在重复片段（short interspersed repeated segments,SINESshort interspersed repeated segments,SINES）的序列长度平均约为）的序列长度平均约为300bp300bp（500bp500bp），它们与平均长度约为），它们与平均长度约为1000bp1000bp的单拷贝序列间隔排列。拷贝数大于的单拷贝序列间隔排列。拷贝数大于1010万。万。AluAlu家族是其家族是其典型代表。典型代表。第35页/共63页Alu序列的基本结构

17、两端的灰色区为两端的灰色区为1721bp的正向重复序列，中间的网格区为的正向重复序列，中间的网格区为31bp间隔间隔序列序列 第36页/共63页长散在重复片段 长散在重复片段（长散在重复片段（long interspersed repeated segments,LINESlong interspersed repeated segments,LINES）这类重复序列的长度大于）这类重复序列的长度大于1kb1kb，长者可达，长者可达7kb7kb，平均长度为，平均长度为3.55kb3.55kb。它们与平均长度为。它们与平均长度为13kb13kb的单拷贝序列间隔排列，拷贝数约的单拷贝序列间隔排列，

18、拷贝数约104104 105105。LINESLINES的典型代表是的典型代表是Kpn IKpn I家族。家族。第37页/共63页(三)低度重复序列（单拷贝序列）低度重复序列也称单拷贝序列(uniquesequence)(uniquesequence)。这类序列在整个基因组中仅出现一次或少数几次，因而复性速度很慢。单拷贝序列在真核基因组中约占5050 8080。第38页/共63页三、真核生物基因组的结构特点（一）真核基因组庞大（二）真核基因组的大部分为非编码序列（三）真核基因组存在大量的重复序列（四）真核基因的转录产物为单顺反子（五）真核基因是断裂基因（六）真核基因组中功能相关的基因构成基因家

19、族（七）真核基因组中存在逆转录转座子（八）真核基因组中存在大量的顺式作用元件（九）真核基因组中存在大量的DNA多态性（十）真核生物基因组具有端粒结构第39页/共63页结构基因及其调控序列示意图 第40页/共63页人细胞中和-珠蛋白基因簇结构示意图 第41页/共63页限制性片段长度多态性(restriction fragment length polymorphism,RFLP)第42页/共63页串联重复序列多态性(tandem repeats polymorphism)第43页/共63页SNP第44页/共63页端粒（telomere）第45页/共63页第五节 基因组学基因组学（genomics

20、）是以基因组为研究对象的科学，研究内容包括对基因组作图、测序、基因定位和基因功能分析等。一、人类基因组计划二、结构基因组学与功能基因组学三、后基因组学研究的重要领域第46页/共63页一、人类基因组计划概念 人类基因组计划(human genome project）是测定人类基因组DNA约 30亿个碱基对的排列顺序，在此基础上发现所有人类基因并确定它们在染色体上的位置，从而破译人类全部遗传信息的生命科学研究计划。研究内容对基因组作遗传图(genetic map)、物理图(physical map)、转录图(transcription map)和 序列图(sequence map)等四张图。第47

21、页/共63页人类基因组计划示意图 第48页/共63页遗传图遗传图(genetic map)(genetic map)是以遗传标志作为“路标”,遗传学距离为“图距”的基因组图，又称基因连锁图(genelinkagemap)。遗传学距离是通过计算连锁的遗传标志之间的重组频率来确定的,一般用厘摩(centimorgan，cM)表示。1cM表示每次减数分裂的重组频率为1%。在人类，1cM大致相当于100万个碱基对。绘制遗传图的多态性标志有多种。早期应用的多态性标志是RFLP；后来应用VNTR，主要是STR或微卫星序列；新一代的多态性标志是SNP，与RFLP和VNTR等多态性标志不同，SNP不再以长度的

22、差异为检测手段，而直接以序列的变异作为标志。第49页/共63页物理图物理图(physical map)(physical map)是以序列标签位点（sequencetaggedsite,STS）为“路标”,以DNA的长度单位碱基对（bp）、千碱基对（kb）或兆碱基对（Mb）为图距的基因组图。STS是指一段在染色体上定位明确的已知核苷酸序列，通常是单拷贝。物理作图包括二层含义：一是获得分布于整个基因组的STS；二是在此基础上构建覆盖每条染色体的大片段DNA的重叠连续克隆系，即克隆重叠群（contig），以确定两个相邻的STS之间的物理联系。第50页/共63页转录图转录图(transcriptio

23、n map)(transcription map)是以表达序列标签（expressedsequencetag,EST）为“路标”的基因组图。EST是指具有表达能力的DNA序列，占人类基因组总序列的2%。而正是这2%的序列在不同的组织和不同的发育时间的表达水平，决定着人类个体的生长发育、功能发挥以及健康或疾病等等。构建转录图的前提是获得大量基因的转录产物以构建cDNA文库。因此，转录图又称cDNA图，它实际上就是人类“基因图”的雏形。第51页/共63页序列图序列图(sequence map)(sequence map)是基因组中所有核苷酸序列的一维排列图。在基因组图中，序列图是分子水平上最高层次

24、、最详尽的物理图。第52页/共63页人类基因组计划的研究概况人类基因组计划的研究概况 1986年 美国病毒学家美国病毒学家RR杜尔贝杜尔贝科（科（19141914）19861986年年3 3月月7 7日日在美国在美国科学科学杂志上发表杂志上发表了一篇题为了一篇题为癌症研究的转癌症研究的转折点折点人类基因组的全序人类基因组的全序列分析列分析的文章，他指出：的文章，他指出：“人类人类DNADNA序列是人类的真谛，序列是人类的真谛，这个世界上发生的一切事情，这个世界上发生的一切事情，都与这一序列息息相关。都与这一序列息息相关。”该文后来被称为该文后来被称为“人类基因人类基因组计划组计划”的的“标书标

25、书”。第53页/共63页二、结构基因组学与功能基因组学结构基因组学(structuralgenomics)功能基因组学(functionalgenomics)第54页/共63页结构基因组学(structural genomics)结构基因组学是以全基因组测序为目标的基因组学。结构基因组学代表基因组分析的早期阶段，目标是建立生物体高分辨率遗传图、物理图、转录图和序列图等四张图。第55页/共63页功能基因组学(functional genomics)功能基因组学是以基因功能鉴定为目标的基因组学。功能基因组学代表基因分析的新阶段，目标是利用结构基因组学提供的信息系统地阐明基因组的功能及调控机制。第5

26、6页/共63页三、后基因组学研究的重要领域比较基因组学国际人类基因组单体型图计划蛋白质组学生物信息学第57页/共63页比较基因组学(comparative genomics)比较基因组学是基于同源序列比对的功能基因组学。比较基因组学在结构基因组学研究的基础上，通过比较模式生物基因组与人类基因组之间序列的同源性来了解基因的功能、表达机理和物种进化。与人类基因组计划密切相关的模式生物基因组计划包括大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇、河豚鱼、小鼠和大鼠等生物的基因组研究。第58页/共63页国际人类基因组单体型图计划国际人类基因组单体型图计划（InternationalHapMapProject）是2002年

27、启动的一个国际协作项目，其目标是构建人类DNA序列中多态位点的常见模式，即人类基因组单体型图（Ahaplotypemapofthehumangenome，HapMap）。单体型（haplotype）是指位于染色体上某一区域的一组连锁的多态位点。大多数染色体区域只有少数几个常见的单体型，它们代表了一个群体中人与人之间的大部分多态性。国际HapMap计划的益处之一就是可以利用单体型图HapMap来更多地了解如癌症、中风、心脏病、糖尿病、忧郁症和哮喘等常见疾病和我们的基因之间的关系。第59页/共63页蛋白质组学（protemics）所谓蛋白质组（proteome）指的是一个细胞或一种组织所表达的全部

28、蛋白质。蛋白质组学是研究细胞内蛋白质组成及其活动规律的一门新兴学科。蛋白质组学研究不同时间和空间发挥功能的特定蛋白质群体，研究内容不仅包括蛋白质的定性和定量，还包括它们的定位、修饰、活性、功能、相互作用、表达模式和功能模式等。蛋白质组学不同于传统的蛋白质学科，它从一个机体或一个细胞的蛋白质整体活动来揭示生命规律。蛋白质组学研究总体上可分为两个方面：蛋白质表达模式（或蛋白质组成）和蛋白质功能模式（目前集中在蛋白质相互作用网络关系）的研究。第60页/共63页生物信息学（bioinformatics）1991Walter GilbertThenewparadigm,nowemerging,istha

29、tallgeneswillbeknown(inthesenseofbeingresidentindatabasesavailableelectronically),andthatthestartingpointofabiologicalinvestigationwillbetheoretical.Anindividualscientistwillbeginwithatheoreticalconjecture,onlythenturningtoexperimentstofollowortotestthathypothesis.第61页/共63页生物信息学（bioinformatics）生物信息学是生物学与计算机科学以及应用数学等学科相互交叉而形成的一门新兴学科。它通过对生物学实验数据的获取、加工、存储、检索与分析，进而达到揭示数据所蕴含的生物学意义的目的。生物信息学是以计算机为主要工具，开发各种软件，对海量并日益增长的DNA和蛋白质的序列和结构等相关信息进行收集、储存、发行、提取、加工、分析和研究，同时建立理论模型，指导实验研究。生物信息学由数据库、计算机网络和应用软件三大部分构成，在基因组学研究中发挥不可替代的作用。第62页/共63页感谢您的观看！第63页/共63页