基因组的结构与功能.ppt

基因组的结构与功能基因组的结构与功能第二章第二章8/21/20248/21/20241 1第一节第一节 原核生物基因组的结构与功能原核生物基因组的结构与功能第二节第二节 真核生物基因组的结构与功能真核生物基因组的结构与功能第三节第三节 病毒基因组的结构特点病毒基因组的结构特点8/21/20248/21/20242 2基因组（基因组（genome）） 细胞或生物体中，一套完整单倍体的遗传细胞或生物体中，一套完整单倍体的遗传细胞或生物体中，一套完整单倍体的遗传细胞或生物体中，一套完整单倍体的遗传 物质的总和物质的总和物质的总和物质的总和 结结 构构 指不同的基因功能区域在核酸分子中指不同的基因功能区域在核酸分子中指不同的基因功能区域在核酸分子中指不同的基因功能区域在核酸分子中 的分布和排列情况的分布和排列情况的分布和排列情况的分布和排列情况 功功 能能 贮存和表达遗传信息贮存和表达遗传信息贮存和表达遗传信息贮存和表达遗传信息 8/21/20248/21/20243 3特点特点 ●●不同的生物体，其基因组的大小和复杂程度不同的生物体，其基因组的大小和复杂程度 各不相同各不相同 ●●进化程度越高的生物其基因组越复杂进化程度越高的生物其基因组越复杂8/21/20248/21/20244 4第一节第一节 原核生物基因组的结构与功能原核生物基因组的结构与功能一、原核生物染色体基因组的结构与功能原核生物染色体基因组的结构与功能二、原核生物中的质二、原核生物中的质粒粒DNADNA8/21/20248/21/20245 5（一）（一）原核生物染色体原核生物染色体DNADNA的基本结构与功能的基本结构与功能 ● 环状双链环状双链DNA分子分子 ● 与蛋白质形成复合物与蛋白质形成复合物 ● 类核（类核（nucleoid）） 中央：中央：RNA和支架蛋白组成。

和支架蛋白组成 外围：外围：双链闭环的超螺旋双链闭环的超螺旋DNA （（1））基本结构特点基本结构特点一、原核生物染色体基因组的结构与功能原核生物染色体基因组的结构与功能8/21/20248/21/20246 6原核生物染色体原核生物染色体DNADNA通常与细胞膜相连，通常与细胞膜相连，连接点的数量随细胞生长状况和不同的连接点的数量随细胞生长状况和不同的生活周期而异生活周期而异 8/21/20248/21/20247 7原核生物原核生物DNA的高级结构的高级结构---超螺旋结构超螺旋结构8/21/20248/21/20248 8（（2））染色体染色体DNADNA的功能与细胞膜密切相关的功能与细胞膜密切相关 ★ ★ ★ ★ 信号区域往往优先与细胞膜结合信号区域往往优先与细胞膜结合 ★ ★ ★ ★ 在细胞分裂时将染色体在细胞分裂时将染色体DNADNA均匀地分配到两均匀地分配到两 个子代细菌中个子代细菌中 8/21/20248/21/20249 9（二）原核生物染色体基因组结构基因特征（二）原核生物染色体基因组结构基因特征● 结构基因的编码是连续的结构基因的编码是连续的结构基因的编码是连续的结构基因的编码是连续的 ●结构基因之间的编码序列不重叠结构基因之间的编码序列不重叠结构基因之间的编码序列不重叠结构基因之间的编码序列不重叠●基因组中很少有重复序列基因组中很少有重复序列基因组中很少有重复序列基因组中很少有重复序列 ●结构基因多为单拷贝基因（编码结构基因多为单拷贝基因（编码结构基因多为单拷贝基因（编码结构基因多为单拷贝基因（编码rRNArRNA的基因除外的基因除外的基因除外的基因除外) )●结构基因在基因组中所占的比例（约占结构基因在基因组中所占的比例（约占结构基因在基因组中所占的比例（约占结构基因在基因组中所占的比例（约占50%50%）远）远）远）远 大于真核基因组大于真核基因组大于真核基因组大于真核基因组 ，小于病毒基因组，小于病毒基因组，小于病毒基因组，小于病毒基因组 8/21/20248/21/20241010（三）原核生物染色体基因组中结构基因与（三）原核生物染色体基因组中结构基因与调控序列的组织形式调控序列的组织形式 ● ● 操纵子（操纵子（operon）） 8/21/20248/21/20241111●● 转录终止信号转录终止信号位于信息编码区位于信息编码区下游，使转录终下游，使转录终止止8/21/20248/21/20241212二、原核生物中的质粒二、原核生物中的质粒DNA1.质粒的基本特性质粒的基本特性● 质粒的定义质粒的定义 质粒质粒（（plasmid））是细菌细胞内的、染色体外的是细菌细胞内的、染色体外的共价闭合的环状共价闭合的环状DNA分子（分子（covalent closed circularDNA，，cccDNA））8/21/20248/21/20241313质粒的结构与功能特点质粒的结构与功能特点● ● ● ● 能够独立于细胞的染色质能够独立于细胞的染色质DNADNA而进行复制而进行复制●●●● 对宿主细胞的生存不是必需的对宿主细胞的生存不是必需的●●●● 能赋予细菌特定的遗传性状能赋予细菌特定的遗传性状8/21/20248/21/202414142. .质粒的遗传调控质粒的遗传调控● ● ● ● 质粒自身带有一个复制调控系统质粒自身带有一个复制调控系统●●●● 能使细胞分裂与质粒复制协调能使细胞分裂与质粒复制协调●●●● 质粒在宿主菌中具有不相容性质粒在宿主菌中具有不相容性8/21/20248/21/202415153. .质粒的类型质粒的类型 ●● 接合型质粒接合型质粒 只能使细菌接合，本身不能被传递只能使细菌接合，本身不能被传递 ●●可移动型质粒可移动型质粒 可以被传递，但不能使质粒接合，只能被动传递可以被传递，但不能使质粒接合，只能被动传递 ( (接合型与可移动型并存时，能传递可移动型质粒接合型与可移动型并存时，能传递可移动型质粒) )●●自传递型质粒自传递型质粒 兼具上述两种质粒的功能，因而可以自传递，兼具上述两种质粒的功能，因而可以自传递， 如如F F质粒质粒8/21/20248/21/202416164. .质粒拷贝方式质粒拷贝方式● ● 严谨型质粒严谨型质粒（（strigent plasmid）） 低拷贝数质粒，一个细菌内仅含数个质粒。

低拷贝数质粒，一个细菌内仅含数个质粒低拷贝数质粒，一个细菌内仅含数个质粒低拷贝数质粒，一个细菌内仅含数个质粒● 松弛型质粒（松弛型质粒（relaxed plasmid）） 即高拷贝质粒，每个细菌内的质粒数目可即高拷贝质粒，每个细菌内的质粒数目可即高拷贝质粒，每个细菌内的质粒数目可即高拷贝质粒，每个细菌内的质粒数目可 达达达达10-6010-60个或更多个或更多个或更多个或更多8/21/20248/21/202417175. .质粒对宿主的适应性质粒对宿主的适应性●● 窄宿主谱质粒窄宿主谱质粒 仅能存在于一种或数种密切相关的宿主仅能存在于一种或数种密切相关的宿主仅能存在于一种或数种密切相关的宿主仅能存在于一种或数种密切相关的宿主 ●● 广宿主谱质粒广宿主谱质粒 可以在不同科、属、种的细菌之间传递可以在不同科、属、种的细菌之间传递可以在不同科、属、种的细菌之间传递可以在不同科、属、种的细菌之间传递8/21/20248/21/20241818第二节第二节 真核生物基因组的结构与功能真核生物基因组的结构与功能一、真核细胞染色质一、真核细胞染色质DNA的高级结构的高级结构 二、真核细胞核基因组结构和功能特点二、真核细胞核基因组结构和功能特点8/21/20248/21/20241919一、真核细胞染色质一、真核细胞染色质DNA的高级结构的高级结构1. DNA高级结构中的蛋白质高级结构中的蛋白质 （（1））组蛋白组蛋白 碱性蛋白碱性蛋白,带正电荷带正电荷,有较多的精氨酸和赖氨酸有较多的精氨酸和赖氨酸 分类分类 核心组蛋白：核心组蛋白：H2A、、H2B、、H3、、H4等等4种种 连接组蛋白：连接组蛋白：H18/21/20248/21/20242020核心组蛋白结构特点核心组蛋白结构特点非常保守非常保守原因：原因：●●●●绝大多数氨基酸都与绝大多数氨基酸都与绝大多数氨基酸都与绝大多数氨基酸都与DNADNADNADNA或其它组蛋白相互或其它组蛋白相互或其它组蛋白相互或其它组蛋白相互 作用作用作用作用, , , ,不可置换不可置换不可置换不可置换● ●所有的生物中与组蛋白相互作用的所有的生物中与组蛋白相互作用的所有的生物中与组蛋白相互作用的所有的生物中与组蛋白相互作用的DNADNADNADNA磷酸磷酸磷酸磷酸 二酯骨架都是相同的二酯骨架都是相同的二酯骨架都是相同的二酯骨架都是相同的 ● ● 球形部球形部8/21/20248/21/20242121四种核心组蛋白的组成四种核心组蛋白的组成 借精氨酸残基与磷酸二酯骨架间的静电借精氨酸残基与磷酸二酯骨架间的静电 作作 用用使使DNA 分子缠绕在组蛋白核心周围，形分子缠绕在组蛋白核心周围，形 成核小体成核小体 ● ● 尾部尾部 含有大量赖氨酸和精氨酸残基，为组蛋白翻含有大量赖氨酸和精氨酸残基，为组蛋白翻 译后进行修饰的部位译后进行修饰的部位 . .8/21/20248/21/20242222连接蛋白连接蛋白H1H1特点特点●● 具有种属特异性具有种属特异性●● 具有组织特异性具有组织特异性8/21/20248/21/20242323 ● 酸性蛋白质酸性蛋白质酸性蛋白质酸性蛋白质 ● ● 合成合成合成合成与与与与DNADNA复制同步进行复制同步进行复制同步进行复制同步进行 ● 能识别特异的能识别特异的能识别特异的能识别特异的DNADNA序列序列序列序列 （（2）非组蛋白）非组蛋白是染色体上结合特异是染色体上结合特异DNA序列蛋白质序列蛋白质特性特性8/21/20248/21/20242424功能功能 ● 帮助帮助帮助帮助DNADNA分子折叠分子折叠分子折叠分子折叠 ● ● 协助启动协助启动协助启动协助启动DNADNA复制复制复制复制 ● 控制基因转录，调节基因表达控制基因转录，调节基因表达控制基因转录，调节基因表达控制基因转录，调节基因表达8/21/20248/21/202425252. .DNADNA与蛋白质的结合与染色体的组装与蛋白质的结合与染色体的组装●●基本结构基本结构基本结构基本结构 八聚体核心组蛋白八聚体核心组蛋白八聚体核心组蛋白八聚体核心组蛋白 ↓↓↓↓ 核心颗粒核心颗粒核心颗粒核心颗粒 ↓↓↓↓ 核心颗粒之间核心颗粒之间核心颗粒之间核心颗粒之间+ + + +连接区形成串珠样的结构连接区形成串珠样的结构连接区形成串珠样的结构连接区形成串珠样的结构 核小体是染色质的基本组成单位核小体是染色质的基本组成单位8/21/20248/21/20242626核小体的结构核小体的结构8/21/20248/21/20242727多聚核小体的结构多聚核小体的结构8/21/20248/21/20242828染色质的压缩过程染色质的压缩过程8/21/20248/21/20242929二、真核细胞核基因组结构和功能特点二、真核细胞核基因组结构和功能特点 ●●大都为断裂基因大都为断裂基因 1. .结构基因的结构与功能特点结构基因的结构与功能特点非编码区非编码区非编码区非编码区 内含子内含子编码区编码区编码区编码区 外显子外显子●●转录产物为单顺反子转录产物为单顺反子●●结构基因所占区域远小于非编码区域结构基因所占区域远小于非编码区域8/21/20248/21/202430302.基因组中的重复序列的结构及其功能基因组中的重复序列的结构及其功能（（1）高度重复序列）高度重复序列 重复频率可达重复频率可达106次次(卫星卫星DNA、、反向重复序列等）反向重复序列等） ●● 反向重复序列反向重复序列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DNADNA链上反链上反向排列而成向排列而成 ●●卫星卫星DNADNA这类序列的碱基组成不同于基因组的其他部份这类序列的碱基组成不同于基因组的其他部份, ,可用等密度梯度离心法将其与主体可用等密度梯度离心法将其与主体DNADNA分开分开8/21/20248/21/20243131（（1）高度重复序列功能）高度重复序列功能 ●参与复制水平的调节参与复制水平的调节 存在存在于于DNA复制起点区的附近，是一些蛋白质复制起点区的附近，是一些蛋白质 （包括酶（包括酶)的结合位点的结合位点 ●参与基因表达的调控参与基因表达的调控 可以形成发夹结构，有助于稳定可以形成发夹结构，有助于稳定RNA分子分子●参与染色体配对参与染色体配对 同源染色体之间的联会可能依赖于具有染同源染色体之间的联会可能依赖于具有染 色体专一性的特定卫星色体专一性的特定卫星DNA序列序列8/21/20248/21/20243232（（2）中度重复序列）中度重复序列 ●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平均长度约为平均长度约为300 300 bpbp-500 -500 bpbp拷贝数可拷贝数可拷贝数可拷贝数可 达达达达1010万左右，万左右，万左右，万左右，如如如如AluAlu家族家族家族家族●长分散重复片段长分散重复片段 平均长度为平均长度为平均长度为平均长度为3500 3500 bpbp-5000 -5000 bpbp 重复数十至数万（重复数十至数万（<105）次）次8/21/20248/21/20243333● Alu家族家族 人基因组平均每人基因组平均每人基因组平均每人基因组平均每5 5 kb kb DNADNA就有一个就有一个就有一个就有一个AluAlu序列，长序列，长序列，长序列，长度约度约度约度约300 300 bpbp ，，，，每个单位长每个单位长每个单位长每个单位长度中有一个限制性内切酶度中有一个限制性内切酶度中有一个限制性内切酶度中有一个限制性内切酶AluAlu的切点（的切点（的切点（的切点（AGAG↓ ↓CTCT），），），），故故故故称为称为称为称为AluAlu序列（或序列（或序列（或序列（或AluAlu家族）。

家族）有种属的特异性有种属的特异性有种属的特异性有种属的特异性 8/21/20248/21/20243434（（3）单拷贝序列（低度重复序列））单拷贝序列（低度重复序列） 在单倍体基因组中只出现一次或数次，单拷贝在单倍体基因组中只出现一次或数次，单拷贝在单倍体基因组中只出现一次或数次，单拷贝在单倍体基因组中只出现一次或数次，单拷贝序列在基因组中占序列在基因组中占序列在基因组中占序列在基因组中占50-8050-80％％％％，储存了编码各种不，储存了编码各种不，储存了编码各种不，储存了编码各种不同功能的蛋白质的遗传信息同功能的蛋白质的遗传信息同功能的蛋白质的遗传信息同功能的蛋白质的遗传信息8/21/20248/21/20243535 3.多基因家族与假基因多基因家族与假基因 ●多基因家族多基因家族（（multigene family）） 指由某一祖先基因经过重复和变异所产生的一组基因指由某一祖先基因经过重复和变异所产生的一组基因 分布特点分布特点 基因家族成簇地分布在某一条染色体上基因家族成簇地分布在某一条染色体上 基因家族成簇地分布于不同染色体上基因家族成簇地分布于不同染色体上 8/21/20248/21/20243636●● 假基因（假基因（pseudogene）） 多基因家族中并不产生有功能的基因产物的成员多基因家族中并不产生有功能的基因产物的成员多基因家族中并不产生有功能的基因产物的成员多基因家族中并不产生有功能的基因产物的成员 特征特征缺少正常基因的内含子缺少正常基因的内含子缺少正常基因的内含子缺少正常基因的内含子8/21/20248/21/20243737线粒体线粒体DNA（（mitochondrial ，，mtDNA）） ● mtDNAmtDNA是核外遗传物质是核外遗传物质是核外遗传物质是核外遗传物质●环状分子环状分子环状分子环状分子●结构特点与原核生物相同结构特点与原核生物相同结构特点与原核生物相同结构特点与原核生物相同8/21/20248/21/20243838第三节第三节 病毒基因组的结构特点病毒基因组的结构特点8/21/20248/21/202439391. .病毒基因组的特点病毒基因组的特点●●基因组较小基因组较小 不到大肠杆菌基因组大小的十分之一不到大肠杆菌基因组大小的十分之一 ●●可以是可以是DNA，也，也可以是可以是RNA ●●可以是单链结构，也可以是双链结构可以是单链结构，也可以是双链结构 ●●可以是闭环分子，也可以是线性分子可以是闭环分子，也可以是线性分子8/21/20248/21/202440402 2. . RNARNA病毒基因组病毒基因组 可以由不相连的几条可以由不相连的几条RNA链构成链构成 ，每个，每个RNA分子都含有编码蛋白质分子的信息。

分子都含有编码蛋白质分子的信息DNA病毒无病毒无类似现象类似现象8/21/20248/21/202441413. . 基因重叠基因重叠● 同一同一DNA片段可以是片段可以是2种甚至种甚至3种蛋种蛋 白质分子的部分编码区白质分子的部分编码区● 重叠编码机制提高了病毒基因组的编重叠编码机制提高了病毒基因组的编 码能力码能力 8/21/20248/21/202442424. 多顺反子多顺反子mRNA 功能相关的基因或功能相关的基因或功能相关的基因或功能相关的基因或rRNArRNA基因，可以形成基因，可以形成基因，可以形成基因，可以形成1 1个转录单元可被一起转录成为多顺反子个转录单元可被一起转录成为多顺反子个转录单元可被一起转录成为多顺反子个转录单元可被一起转录成为多顺反子mRNAmRNA，，，，然后再加工成各种蛋白质的模板然后再加工成各种蛋白质的模板然后再加工成各种蛋白质的模板然后再加工成各种蛋白质的模板mRNAmRNA 8/21/20248/21/20244343原核与真核细胞基因组结构知识点原核与真核细胞基因组结构知识点8/21/20248/21/20244444。