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第二章第二章 基因组与基因组学基因组与基因组学第一节第一节 原核生物基因组原核生物基因组第二章第二章 基因与基因组基因与基因组第二节第二节 真核生物基因组真核生物基因组第三节第三节 人类基因组与人类基因组计划人类基因组与人类基因组计划第二章第二章 基因组与基因组学基因组与基因组学第二章第二章 基因组与基因组学基因组与基因组学 两个重要概念：两个重要概念：n基因（基因（genegene）：）：是贮存有功能的蛋白质多肽链信是贮存有功能的蛋白质多肽链信息、息、RNARNA序列信息及表达这些信息所必需的全部核序列信息及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列。是遗传的基本功能单位。苷酸序列。是遗传的基本功能单位。n基因组（基因组（genomegenome）：）：是指细胞或生物体中一套完是指细胞或生物体中一套完整单倍体的遗传物质的总和。一个细胞或一种生整单倍体的遗传物质的总和。一个细胞或一种生物体的整套遗传物质。物体的整套遗传物质。第一节第一节 原核生物基因组原核生物基因组一、原核生物基因组特征一、原核生物基因组特征二、质粒二、质粒三、转座因子三、转座因子一、原核生物基因组特征一、原核生物基因组特征n1.1.原核生物基因组原核生物基因组DNADNA较小，一般在较小，一般在10106 610107 7bpbp之之间基因数目较少，约含间基因数目较少，约含35003500个基因个基因n2.2.原核生物的基因组原核生物的基因组DNADNA位于细胞中央区，与支架位于细胞中央区，与支架蛋白质与蛋白质与RNARNA结合在一起，以一定的组织形式盘曲、结合在一起，以一定的组织形式盘曲、折叠成为致密区域，成为折叠成为致密区域，成为类核（类核（nucleoidnucleoid）一、原核生物基因组特征一、原核生物基因组特征一、原核生物基因组特征一、原核生物基因组特征n3.3.存在操纵子结构存在操纵子结构 操纵子结构是原核生物基因组的功能单位操纵子结构是原核生物基因组的功能单位 原核生物功能相关的结构基因串联在一起，连同其原核生物功能相关的结构基因串联在一起，连同其上游的调控区（包括调节基因、启动基因和操纵基上游的调控区（包括调节基因、启动基因和操纵基因）以及下游的转录终止信号，共同组成了一个基因）以及下游的转录终止信号，共同组成了一个基因表达单位，因表达单位，即操纵子（即操纵子（operonoperon）结构）结构。一、原核生物基因组特征一、原核生物基因组特征一、原核生物基因组特征一、原核生物基因组特征n4.4.原核生物原核生物的的结构基因是连续的，没有内含子结构基因是连续的，没有内含子n5.5.多数是单拷贝基因，只有编码多数是单拷贝基因，只有编码rRNArRNA和和tRNAtRNA的基因的基因有多个拷贝，有利于核糖体的快速组装和蛋白质的有多个拷贝，有利于核糖体的快速组装和蛋白质的急需合成。急需合成。n6.6.原核生物结构基因的编码顺序一般不重叠。原核生物结构基因的编码顺序一般不重叠。一、原核生物基因组特征一、原核生物基因组特征n什么是基因重叠（什么是基因重叠（gene overlappinggene overlapping）基因组基因组DNADNA中某些序列被两个或两个以上的基因中某些序列被两个或两个以上的基因所共用。基因重叠现象在病毒基因组中普遍存在。所共用。基因重叠现象在病毒基因组中普遍存在。二、质粒二、质粒 1.1.什么是质粒什么是质粒(plasmid)?(plasmid)?细菌细胞染色体以外，能独立复制并稳定遗细菌细胞染色体以外，能独立复制并稳定遗传的共价闭合环状分子。传的共价闭合环状分子。2.2.质粒命名的原则质粒命名的原则 pUC118pUC118plasmid编号发现者名字二、质粒二、质粒 3 3、质粒的分类、质粒的分类复制机制复制机制 严紧型严紧型 松弛型松弛型 功能功能 F F质粒质粒 R R质粒质粒 ColCol质粒质粒转移方式转移方式 接合型接合型 可移动型可移动型 自传递型自传递型 大小大小 小型小型(1.5kb(1.5kb15kb)15kb)大型大型(60kb(60kb120kb)120kb)宿主范围宿主范围 窄宿主谱型窄宿主谱型 广宿主谱型广宿主谱型 二、质粒二、质粒 4.4.质粒的结构质粒的结构 三种构型三种构型:共价闭环共价闭环DNADNA分子分子 半开环半开环DNADNA分子分子 线性线性DNADNA分子分子 可嵌入某些染料可嵌入某些染料 （溴化乙锭）（溴化乙锭）具有较强的抗切割和抗变性的能力具有较强的抗切割和抗变性的能力二、质粒二、质粒二、质粒二、质粒二、质粒二、质粒 5.5.质粒的生物学特征质粒的生物学特征n对于细菌的生存并不是必要的对于细菌的生存并不是必要的n质粒的可转移性质粒的可转移性n能在细胞内自主复制。能在细胞内自主复制。n质粒的标记质粒的标记n质粒的不相容性质粒的不相容性 1.1.什么是转座因子？什么是转座因子？又称转座元件（又称转座元件（transposable elementtransposable element），），是一是一类在细菌染色体、质粒或噬菌体之间自行移动并类在细菌染色体、质粒或噬菌体之间自行移动并具有转位特性的独立的具有转位特性的独立的DNADNA序列。序列。2.2.转座因子的分类转座因子的分类 三、转座因子三、转座因子2、转座因子分类、转座因子分类n插入序列插入序列(insertion sequence(insertion sequence，IS)IS)一个转位酶基因两侧的反向重复序列，长度为一个转位酶基因两侧的反向重复序列，长度为700bp 700bp-2kb 2kb。n转座子转座子(transposontransposon，TnTn)具有转座酶基因、抗性基因，大小为具有转座酶基因、抗性基因，大小为4.5kb-20kb4.5kb-20kb。n可转座的噬菌体（可转座的噬菌体（transposable phagetransposable phage）具有转座功能的温和噬菌体，能整合到宿主基因组内。具有转座功能的温和噬菌体，能整合到宿主基因组内。3.3.转座子的遗传效应转座子的遗传效应引起突变引起突变引入新基因引入新基因基因重排基因重排三、转座因子三、转座因子第二节第二节 真核生物基因组真核生物基因组一、细胞核基因组及其特点一、细胞核基因组及其特点二、细胞质基因组及其特点二、细胞质基因组及其特点一、细胞核基因组及其特点一、细胞核基因组及其特点（二）不存在操纵子结构（二）不存在操纵子结构（三）基因不连续性（三）基因不连续性-断裂基因断裂基因（四）存在大量重复序列（四）存在大量重复序列（五）存在基因家族与假基因（五）存在基因家族与假基因（六）基因组多态性（六）基因组多态性（一）真核生物基因组庞大，（一）真核生物基因组庞大，细胞核基因组细胞核基因组的的DNADNA与蛋白质结合形成染色质与蛋白质结合形成染色质一、细胞核基因组及其特点一、细胞核基因组及其特点一、细胞核基因组及其特点一、细胞核基因组及其特点n一个结构基因经过转录生成一个一个结构基因经过转录生成一个mRNAmRNA分子，翻译成一条多分子，翻译成一条多肽链肽链 n真核细胞结构基因转录产物为真核细胞结构基因转录产物为单顺反子（单顺反子（monocistronmonocistron）（二）不存在操纵子结构（二）不存在操纵子结构一、细胞核基因组及其特点一、细胞核基因组及其特点n真核细胞的基因为真核细胞的基因为断裂基因（断裂基因（split genesplit gene）n内含子：基因组的非编码序列，不编码具有生物活内含子：基因组的非编码序列，不编码具有生物活性的蛋白质或多肽性的蛋白质或多肽 n外显子：基因组的编码序列，在外显子：基因组的编码序列，在mRNAmRNA成熟过程中切成熟过程中切去内含子后拼接成完整的序列，去内含子后拼接成完整的序列，成为成熟的成为成熟的mRNAmRNA指指导蛋白质的生物合成导蛋白质的生物合成。（三）基因不连续性（三）基因不连续性-断裂基因断裂基因一、细胞核基因组及其特点一、细胞核基因组及其特点一、细胞核基因组及其特点一、细胞核基因组及其特点同时还存在间隔区同时还存在间隔区DNA(spacerDNA(spacer DNA)DNA)n真核生物基因之间的编码空白区或转录空真核生物基因之间的编码空白区或转录空 白区，一般位于单拷贝的结构基因之侧翼白区，一般位于单拷贝的结构基因之侧翼 。n基因组愈大，间隔区基因组愈大，间隔区DNADNA所占的比例愈高所占的比例愈高 。（四）存在大量重复序列（四）存在大量重复序列1.1.高度重复序列高度重复序列2.2.中度重复序列中度重复序列3.3.低度重复序列低度重复序列一、细胞核基因组及其特点一、细胞核基因组及其特点 1.1.高度重复序列高度重复序列n分为分为反向反向（反转）重复序列（反转）重复序列与与卫星卫星DNADNA n重复频率可达重复频率可达10106 6以上以上n在基因组中所占比例随种属而异，约占在基因组中所占比例随种属而异，约占10%10%6060在人类基因组中约占在人类基因组中约占2020（四）大量的重复序列（四）大量的重复序列（四）大量的重复序列（四）大量的重复序列反向重复序列反向重复序列（四）大量的重复序列（四）大量的重复序列卫星卫星DNADNA（satellite DNAsatellite DNA）n一般由一般由2 210bp10bp组成，成串组成，成串排列排列 n碱基序列不同于其他部份，碱基序列不同于其他部份，等密度梯度离心可将其与主等密度梯度离心可将其与主体体DNADNA分开分开 n微卫星微卫星DNADNA又称简单串联重又称简单串联重复序列（复序列（STRSTR）高度重复顺序的功能高度重复顺序的功能 参与复制水平的调节参与复制水平的调节 参与基因表达的调控参与基因表达的调控 与染色体减数分裂时染色体配对有关与染色体减数分裂时染色体配对有关 （四）大量的重复序列（四）大量的重复序列2.2.中度重复序列中度重复序列n重复数十重复数十 -数万次（数万次（10105 5）n短分散重复片段短分散重复片段 平均长度约为平均长度约为300 bp-500 300 bp-500 bpbp，拷贝数可达，拷贝数可达1010万左右，如万左右，如AluAlu家族、家族、HinHinf f家家n长分散重复片段长分散重复片段 平均长度为平均长度为3500 bp-5000 3500 bp-5000 bpbp 大多不编码蛋白质。有些中度重复序列编码蛋白质或大多不编码蛋白质。有些中度重复序列编码蛋白质或rRNArRNA的结构基因，如的结构基因，如HLAHLA基因、基因、rRNArRNA基因、基因、tRNAtRNA基因、组蛋白基因、组蛋白 （四）大量的重复序列（四）大量的重复序列3.3.低度重复序列低度重复序列n在单倍体基因组中只出现一次或数次在单倍体基因组中只出现一次或数次n在基因组中占在基因组中占50%50%80%80%意义：储存巨大的遗传信息，编码各种不同功能意义：储存巨大的遗传信息，编码各种不同功能 的蛋白质的蛋白质（四）大量的重复序列（四）大量的重复序列（五）存在基因家族与假基因（五）存在基因家族与假基因n多基因家族（多基因家族（multigenemultigene family family）由某一祖先基因经过重复和变异所产生的一组基因。由某一祖先基因经过重复和变异所产生的一组基因。n假基因（假基因（pseudo genepseudo gene）多基因家族中不产生有功能的基因产物的某些成员。多基因家族中不产生有功能的基因产物的某些成员。（六）基因组多态性（六）基因组多态性 2.2.单核苷酸多态性单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphismsingle nucleotide polymorphism，SNPSNP）1.1.限制性片段长度多态性限制性片段长度多态性（restriction fragment length polymorphismrestrict