分子诊断学：基因组结构与特征-原核生物基因组.ppt

中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER第三节第三节 基因组结构与特征基因组结构与特征中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER基因组基因组（（genome））的概念的概念 基因组指生物体一套完整的单倍体遗传信息，包括所有基因和基因间的区域§原核生物和真核生物的基因组都是DNA，而病毒基因组是DNA或RNA§原核生物和真核生物基因组又分染色体基因组染色体基因组与染色体外基染色体外基因组因组，染色体外基因组指原核生物的质粒DNA、真核生物的线粒体DNA及叶绿体DNA§每一种生物及其个体都有特定的基因组，携带构成和维持该生物体生命现象及其特征的所有遗传信息中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER（一）原核生物基因组（一）原核生物基因组中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER原核生物基因组的结构原核生物基因组的结构原核生物基因组的一般特征原核生物基因组的一般特征一、原核生物基因组的结构一、原核生物基因组的结构1. DNA分子量较小分子量较小 •大肠埃希菌基因组DNA:4.6×106 bp ,约3500个基因。

•基因组DNA通常是由一条环状双链DNA（dsDNA）分子组成•基因组中只有一个DNA复制起点•基因组DNA位于细胞的中央区，与支架蛋白和RNA结合在一起，形成“类核”原核生物基因组类核结构（中央较致密的区域为类核）中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER2．．存在操纵子结构存在操纵子结构（（operon）） 中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER乳糖操纵子的作用机制乳糖操纵子的作用机制中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER原核生物原核生物mRNA的结构特点的结构特点3 3顺反子顺反子顺反子顺反子顺反子顺反子插入顺序插入顺序插入顺序插入顺序 先导区先导区( (启动序列启动序列) )末端顺序末端顺序AGGAGGUSDSD区区一条一条mRNA链编码几种功能相关的蛋白质链编码几种功能相关的蛋白质中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER3．．结构基因多数是单拷贝，只有结构基因多数是单拷贝，只有rRNA和和tRNA是多是多拷贝。

拷贝}结构基因中没有内含子成分}RNA合成后不需要剪切加工 } 基因之间也几乎没有间隔,结构基因之间不重叠 } 基因之间存在重复序列，重复序列可形成茎环结构 . 中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER4．．具有编码同工酶的不同基因具有编码同工酶的不同基因 基因表达产物的功能相同，但基因结构不完全相同5．．GC含量差异大含量差异大 有种属的特异性6．．非编码区内主要是一些调控序列非编码区内主要是一些调控序列 非编码区内存在多种功能的识别区域，存在反向重复序列，反向重复序列可形成特殊的结构，具有复制调控作用 编码区所占比例为50﹪，小于病毒基因组，大于真核生物基因组7．存．存在着可移动的在着可移动的DNA序列序列 插入序列、转座子和质粒 等中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER重复序列重复序列中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER反向重复序列反向重复序列在单链DNA或RNA中能形成茎环/发夹结构，状双链DNA中还能成十字形结构。

中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER原核生物的类核（nucleoid）结构§ 类核中央部分由RNA和支架蛋白（scaffolding protein）组成，外围是双链闭环的超螺旋DNA§ 超螺旋DNA一方面可附着在支架蛋白上形成多个DNA环；另一方面可与细胞膜相连接，使类核区域在菌体内相对固定，并参与DNA复制及转录§ 原核细胞的组蛋白样蛋白质（hitone like proteins，HLPs）的功能与DNA的拓扑结构及基因表达有关中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER大肠埃希菌基因组结构与功能大肠埃希菌基因组结构与功能 大肠埃希菌大肠埃希菌 ( E.coli )K12 菌株基因组图谱菌株基因组图谱 中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER 质粒质粒（（ plasmid））））特征：特征：§共价闭合环状共价闭合环状DNA分子分子 （covalently closed circular DNA，cccDNA）§存在于细胞质中存在于细胞质中§独立复制及稳定遗传独立复制及稳定遗传 质粒在转化细胞后能自主复制，并对细菌的一些代谢活动和抗药性表型具有一定的作用，给细菌能带来特殊的标志。

§基因工程技术中常用的载体基因工程技术中常用的载体（（vector ））质粒：细菌染色体外的环状双链质粒：细菌染色体外的环状双链DNA分子分子中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER质粒的结构与理化性质质粒的结构与理化性质质粒的结构质粒的结构DNA质粒没有蛋白质包裹 RNA质粒多数有蛋白质外壳 中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER 质粒的理化性质质粒的理化性质§溶于乙醇等有机溶剂； §在一定pH值下可解离而带电荷； §吸收紫外线； §可嵌入某些染料； 如溴化乙锭 §较强的抗切割和抗变性的能力 质粒的命名质粒的命名命名的原则：如pBR322为例p---质粒 BR---发现这一质粒的作者或实验室名称 322---构建的一系列质粒的编号 中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER 1））按复制机理按复制机理 ①严紧型质粒（stringent plasmid）：低拷贝数②松弛型质粒（relaxed plasmid）：高拷贝数2））按质粒的功能按质粒的功能 ①F质粒 （性质粒） ②R质粒 （抗药性质粒或耐药性质粒）③Col质粒 （大肠杆菌质粒）3））按转移方式按转移方式 ①接合型质粒 （conjugative plasmid） ②可移动型质粒 （mobilizable plasmid） ③自传递型质粒 （self transmissible plasmid）如F质粒 4））按质粒大小按质粒大小 ①小型质粒 无接合和自传递作用 ②大型质粒 接合型或自传递型质粒 5））按宿主范围按宿主范围 ①窄宿主谱型质粒 如ColEⅠ ②广宿主谱型质粒 如 PC194质粒的分类质粒的分类中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTERR质粒质粒 R质粒因携带有耐药性基因而被称为耐药性质粒，耐药质粒可通过细菌之间的接合作用进行传递,抗生素的应用,促使携带R质粒菌株的出现及播散。

中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTERF质粒质粒 又称性质粒，决定细菌性别，含有与质粒复制和转移有关的许多基因，可整合到宿主核染色体上的一定部位，并具有转移能力 中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTERColCol质粒质粒 Col质粒含有编码大肠杆菌素的基因 中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER1．．质粒的主要成分质粒的主要成分 环状超螺旋DNA分子（除酵母杀伤质粒为RNA分子外）2．．质粒的转移质粒的转移 转移方式：}通过性菌毛的接合}与染色体整合 3 3．质粒的复制．质粒的复制 质粒的复制依赖于宿主细胞4．．质粒带有选择标记质粒带有选择标记 有些质粒带有抗药性基因，如氨苄青霉素抗性基因Ampr（编码β-内酰胺酶）、四环素抗性基因 Tetr 5．．质粒有不相容性质粒有不相容性（（incompatibility）） 　　 同一类群的不同质粒通常不能在同一菌株内稳定共存，当细胞分裂时就会分别进入不同的子代细胞。

质粒的生物学特征质粒的生物学特征中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER基因转移基因转移 指遗传物质的横向和纵向流动§自然基因转移 §人工基因转移 基因工程原核生物基因横向自然转移方式原核生物基因横向自然转移方式 1．．接合接合（（conjugation）） 细胞与细胞、或细菌通过菌毛相互接触，质粒DNA从一个细胞（细菌）转移至另一细胞（细菌）的方式 中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER2．．转化转化（（transformation）） 通过自动获取或人为地供给外源DNA，使细胞或培养的受体细胞获得新的遗传表型 中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER3．．转导转导（（transduction）） 发生在供体细胞与受体细胞之间的DNA转移及基因重组,针对温和性噬菌体,分普遍性转导和局限性转导 中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER局限性转导局限性转导 噬菌体感染宿主菌后，将供体菌的少数特定基因携带至受体菌。

中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER普遍性转导普遍性转导 供体菌任何部位的基因随机包装进噬菌体颗粒，被某一噬菌体携带并传递给受体菌中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER4．．转染转染（（transfection）） 转染是转化的一种特殊形式 原指将噬菌体、病毒或以其为载体构建的重组子导入受体细胞的过程 通过感染方式将外来DNA引入宿主细胞，并导致宿主细胞遗传性状改变的过程称为转染中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER 或称转座元件，是一类在细菌染色体、质粒或噬菌体之间自行移动并具有转位特性的独立的DNA序列转座因子转座因子（（transposition element））中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER1．．插入序列插入序列（（insertion sequence，，IS）） 一类最简单的转座因子，能在染色体上和质粒（ R质粒、F质粒）的许多位点上插入并改换位点，也称跳跃基因（jumping genes）。

所有插入序列的两端都有反向重复反向重复(inverted repeats，IR)序列，反向重复序列为转座酶识别转座酶识别所需 2．．转座子转座子（（transposon，，Tn）） 一类复杂的转位因子，约4500～20000bp除编码转座功能有关的基因外还携带抗性或其他标记基因两端有插入序列插入序列( (IS) )3．．可转座的噬菌体可转座的噬菌体( (transposable phage) ) 具有转座功能的温和性噬菌体 如：如： Mu噬菌体 原核生物的转座因子原核生物的转座因子中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER插入序列插入序列 每种IS元件具有不同的序列，但有共同的组织形式， 即由一个中央区域和两端的反向重复序列构成中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER转座因子的插入宿主DNA后，在插入序列的两侧形成一定长度的同向重复靶序列中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER转座子的结构转座子的结构 复合转座子的结构复合转座子的结构Tn1681Tn1681IS1IS1552bp552bpIRIRIRIR大肠杆菌热稳定毒素I基因中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER 1．．引起突变引起突变}转位因子插入一个基因内部：插入失活；}转位因子插入多顺反子前端的基因中： 下游的所有基因停止转录（转位因子中含ρ依赖的转录终止信号 ）。

2．．引入新的基因引入新的基因 如抗药性基因 3．．引起生物进化引起生物进化 由于可导致基因重排，可能产生具有新的生物学功能的基因和新的蛋白质分子 转座子的遗传效应转座子的遗传效应中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER插入整合过程插入整合过程中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER转座整合过程转座整合过程中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER转座子引起的遗传变异转座子引起的遗传变异染色体内的异位交换中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER转座子介导的姊妹染色单体互换转座子介导的姊妹染色单体互换染色体间的异位交换中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER逆转录子逆转录子( (retroposon) ) 又称逆转录转座子(retrotransposon)，，通过DNA转录为mRNA后，再经逆转录成为cDNA并插入到基因组的新位点上的转座因子。

逆转录子可以分成两大类：逆转录子可以分成两大类：§LTR逆逆转座子转座子 具有长末端重复序列长末端重复序列(1ong terminal repeats，LTR)的转录子，这也是逆转录病毒逆转录病毒基因组的特征性结构，这类逆转录转座子可以编码逆转录酶(Reverse transcripatase)或整合酶(integrases)，自主地进行转录，其转座机制同逆转录病毒相似，但不能像逆转录病毒那样以自由感染的方式进行传播§非非LTR逆逆转录子转录子 包括LINES(长散在核元件)类、SINES(短散在核元件)类、复合SINE转座子类，其本身没有长末端重复序列，自身也没有转座酶或整合酶的编码能力，需要在细胞内已有的酶系统作用下进行转座 逆逆转录子的共同特点，就是在其插入位点上产生短的同向重复序列(DR) 中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER逆转录子模型逆转录子模型中山大学肿瘤防治中心中山大学肿瘤防治中心 SUN YAT-SEN UNIVERSITY CANCER CENTER逆转录子介导的基因重排逆转录子介导的基因重排结果导致基因序列：§缺失§扩增§倒位§移位§断裂。