基因与基因组课件

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1、基因与基因组基因与基因组基因与基因组李信民李信民 53720094435372009443遗传学与分子生物学系遗传学与分子生物学系 基因与基因组内容包括内容包括:第一章第一章 基因的结构与功能基因的结构与功能 第二章第二章 基因组的结构与功能基因组的结构与功能 第七章第七章 基因组学及相关组学基因组学及相关组学 基因与基因组第一章第一章 基因基因 第一节第一节 基因的基本概念及结构特点基因的基本概念及结构特点核酸是遗传信息的载体核酸是遗传信息的载体DNA:DNA:包括包括 结构基因序列结构基因序列:为蛋白质和为蛋白质和RNARNA编码的序列编码的序列.转录调控序列转录调控序列:与蛋白质结合与蛋

2、白质结合,控制复制和表达控制复制和表达.RNA:RNA:通过复制或逆转录传递通过复制或逆转录传递.基因与基因组一一 基因的现代生物学概念基因的现代生物学概念 基因决定遗传性状的表达基因决定遗传性状的表达,基因存在于染基因存在于染色体及线粒体色体及线粒体DNADNA上上,呈直线排列呈直线排列,并世代并世代相传。相传。基因与基因组二二 基因的现代分子生物学的概念基因的现代分子生物学的概念 核酸分子中储存遗传信息的遗传单位核酸分子中储存遗传信息的遗传单位,是是RNARNA和蛋白质相关遗传信息的基本存和蛋白质相关遗传信息的基本存在形式在形式,是指贮存是指贮存RNARNA序列信息和有功序列信息和有功能蛋

3、白质多肽链序列信息及表达这些信能蛋白质多肽链序列信息及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列息所必需的全部核苷酸序列。基因与基因组三三 基因结构的特点基因结构的特点 基因基因=结构基因结构基因+调控区序列调控区序列(一一)结构基因结构基因结构基因中贮存的遗传信息结构基因中贮存的遗传信息 编码编码RNARNA 编码编码proteins(proteins(包括翻译和加工所需的序列包括翻译和加工所需的序列)DNA:DNA:信息链信息链 sense strand sense strand 编码链编码链 反意链反意链 antisense strand antisense strand 模板链模板链(二二)调

4、控区序列调控区序列 启动子、增强子等启动子、增强子等基因与基因组2 2 结构基因的结构特点结构基因的结构特点(1)(1)原核生物结构基因的特点原核生物结构基因的特点连续连续(2)(2)真核生物结构基因的特点真核生物结构基因的特点不连续不连续 (断裂基因断裂基因)外显子外显子 exonexon 内含子内含子 intronintron 内含子数内含子数=外显子数外显子数-1-1基因与基因组断裂基因断裂基因mRNA1 872bp内含子（内含子（intron)：基因中不为多肽编码，不在：基因中不为多肽编码，不在mRNA中出现。中出现。ABCDEG7 700bpF外显子（外显子（exons）：为多肽编码

5、的基因片段。）：为多肽编码的基因片段。：由于基因中内含子的存在。由于基因中内含子的存在。例外例外：组蛋白基因(histongene)和干扰素基因(interferon gene)没有内含子。基因与基因组(3)(3)病毒结构基因的特点病毒结构基因的特点有的连续有的连续 有的不连续有的不连续 与宿主有关与宿主有关基因与基因组(二二)基因的转录调控序列基因的转录调控序列 1 1原核生物的转录调控序列原核生物的转录调控序列（1 1）启动子）启动子 （promterpromter）：是是RNARNA聚合酶识别和结合聚合酶识别和结合的的DNADNA序列。序列。不被转录。不被转录。长度长度:40-60bp.

6、:40-60bp.方向性方向性:位于结构基因上游。位于结构基因上游。5-5-TATTATTGACATGACA-TATATTTATATT-A A-GCGCGCGC-3-3 -35 -10 +1 -35 -10 +1大肠杆菌基因启动子大肠杆菌基因启动子基因与基因组基因与基因组（2 2）终止子：）终止子：为结构基因下游的一段序列为结构基因下游的一段序列特点特点 GCGC富集区组成反向重复序列富集区组成反向重复序列作用作用 终止终止RNARNA链延伸链延伸基因与基因组（3 3）操纵元件）操纵元件 operateroperater 概念概念 指被阻遏蛋白识别并结合的指被阻遏蛋白识别并结合的DNADNA序

7、列。有回序列。有回文序列。文序列。位置位置:启动子下游启动子下游 与启动子可有部分重叠。与启动子可有部分重叠。大肠杆菌大肠杆菌-7-7+28+28bpbp 作用作用与阻遏蛋白识别并结合，抑制下游基因转与阻遏蛋白识别并结合，抑制下游基因转录。录。基因与基因组（4 4）正调控蛋白结合位点）正调控蛋白结合位点 位置位置 弱启动子附近弱启动子附近 作用作用 与转录激活蛋白（如代谢物基因与转录激活蛋白（如代谢物基因激活蛋白，激活蛋白，CAPCAP）结合，帮助结合，帮助RNARNA聚合酶聚合酶转录。转录。基因与基因组Gene Structure Transcription start site(AAAA)

8、5(CAP)AUGTranslation start siteTAA5UTR3UTRTranscriptionTranslation stop siteNote:5 CAP,poly A tail and intron only present in eukaryotes UTR=untranslated region.基因与基因组2 2 真核生物的转录调控序列真核生物的转录调控序列 又称顺式调控元件或顺式作用元件。又称顺式调控元件或顺式作用元件。作用作用:与调控蛋白结合，调控转录。与调控蛋白结合，调控转录。包括包括 启动子启动子上游调控元件上游调控元件增强子增强子加尾信号加尾信号细胞信号反应

9、元件细胞信号反应元件基因与基因组(1)(1)启动子启动子 位置：位于结构基因转录起始点上游。位置：位于结构基因转录起始点上游。作用：含作用：含RNARNA聚合酶特异识别和结合位点。聚合酶特异识别和结合位点。通常不被转录（有例外，如通常不被转录（有例外，如tRNAtRNA基因启基因启动子）。动子）。特点：与特点：与RNARNA聚合酶结合能力弱，需转录聚合酶结合能力弱，需转录因子参与。因子参与。RNARNA聚合酶有三种，转录因子分三型。聚合酶有三种，转录因子分三型。基因与基因组启动子分三类启动子分三类 类启动子：类启动子：RNARNA聚合酶聚合酶和转录因子和转录因子（TF ATF A、TF B T

10、F B、TF C TF C）与之结与之结合的启动子。合的启动子。含含类启动子的基因主要是类启动子的基因主要是rRNArRNA基因。基因。-156-107上游调控元件，UCE-45+20核心启元件+1基因与基因组 类启动子：类启动子：RNARNA聚合酶聚合酶 和转录因子和转录因子 （TF ATF A、TF B TF B、TF C TF C）与之结合的启动子。与之结合的启动子。含含类启动子的基因主要是编码类启动子的基因主要是编码mRNAmRNA的的基因和编码核内小基因和编码核内小RNARNA的基因。下图的基因。下图上游启动子元件-25 TATA盒+1基因与基因组 类启动子：类启动子：RNARNA聚

11、合酶聚合酶 和转录因子和转录因子 （TF ATF A、TF B TF B、TF C TF C）与与之结合的启动子。之结合的启动子。含含类启动子的基因主要有类启动子的基因主要有5 5sRNAsRNA、tRNAtRNA的的基因。基因。tRNAtRNA基因的启动子下图基因的启动子下图+10+20 A盒+50+60 C盒基因与基因组（2 2）上游启动子元件）上游启动子元件 位置：位置：TATATATA盒上游，其中一些序列与盒上游，其中一些序列与TATATATA共同组成启动子；另一些是反式作共同组成启动子；另一些是反式作用因子识别位点。用因子识别位点。CAATCAAT盒：盒：55GGNGGNCAATCA

12、ATCT3 -70CT3 -70-120-120 CACACACA盒：盒：5 5GCGCCACACACACCC3 -80CCC3 -80-90-90 GCGC盒：盒：5 5CCCCGCGCC3 -70C3 -70-120-120基因与基因组（3 3）增强子）增强子 enhancerenhancer 形式：序列短，成簇形式：序列短，成簇 作用：与反式因子识别和结合增强邻近作用：与反式因子识别和结合增强邻近基因的转录。基因的转录。位置：位置：-100-100bpbp-300bp-300bp处，也可存在于处，也可存在于基因外或内含子中。基因外或内含子中。基因与基因组（4 4）反应元件）反应元件 概念

13、：被细胞外信息分子激活的受体与特异的概念：被细胞外信息分子激活的受体与特异的DNADNA序列结合，进而调控基因的表达，这些序列结合，进而调控基因的表达，这些DNADNA序列叫做反应元件。序列叫做反应元件。反应元件的本质反应元件的本质:属顺式作用元件，由于能介属顺式作用元件，由于能介导基因对细胞外信号的反应，故称为反应元件。导基因对细胞外信号的反应，故称为反应元件。形式：短的保守序列形式：短的保守序列 位置：启动子附近、启动子内、增强子区域位置：启动子附近、启动子内、增强子区域基因与基因组（5 5）poly(A)poly(A)信号信号 位置：结构基因最后一个外显子中位置：结构基因最后一个外显子中

14、 形式：保守，形式：保守，AATAAAAATAAA。下游富下游富GCGC区或富区或富T T区，与区，与AATAAAAATAAA共同组成加共同组成加尾信号。尾信号。作用：作用：mRNAmRNA转录到此后，产生转录到此后，产生AAUAAAAAUAAA和和GUGU（或或U U）丰富区，与丰富区，与RNARNA聚合酶结合的聚合酶结合的延长因子与之识别并结合，然后在延长因子与之识别并结合，然后在AAUAAAAAUAAA下游下游10103030个碱基处切断，并加个碱基处切断，并加上上poly(A)poly(A)尾。尾。基因与基因组6 6 沉默子沉默子 (silencer)(silencer)作用：抑制转录

15、作用：抑制转录 机制：与反式作用因子结合，对基因转机制：与反式作用因子结合，对基因转录起阻遏作用。录起阻遏作用。基因与基因组（三）基因的基本结构特点（三）基因的基本结构特点 1 1 原核生物的基本结构特点原核生物的基本结构特点 形式：形式：5-5-启动子启动子-结构基因结构基因-转录终止转录终止子子-3-3功能上相关的结构基因常常串联在一起，功能上相关的结构基因常常串联在一起，由一套转录调控序列控制其转录，构成操纵由一套转录调控序列控制其转录，构成操纵子子(operon)operon)。由操纵子转录出的由操纵子转录出的RNARNA为多顺反子为多顺反子（multicistronmulticist

16、ron）。）。基因与基因组原核生物操纵子原核生物操纵子启动子终止子结构基因基因与基因组ayzopi结构基因结构基因控制位点控制位点调节基因调节基因乳糖操纵子乳糖操纵子ayzopioCAP与cAMP形成复合物，结合在lac operon的启动基因上，促进转录的进行。cAMP-CAP是正调控因子，阻遏蛋白是负调控因子。基因与基因组2 2真核生物基因的基本结构真核生物基因的基本结构 形式：单顺反子（形式：单顺反子（monocistronmonocistron）。）。即一即一种种mRNAmRNA分子只能翻译成一种蛋白质。分子只能翻译成一种蛋白质。构成：调控序列构成：调控序列+结构基因结构基因基因与基因

17、组3 3病毒基因的基本结构病毒基因的基本结构 噬菌体：其结构基因与原核基因特征相噬菌体：其结构基因与原核基因特征相同同 病毒：基因组小，多无内含子，调控序病毒：基因组小，多无内含子，调控序列少，有不规则基因，结构基因串联相列少，有不规则基因，结构基因串联相接，编码区无间隔等接，编码区无间隔等基因与基因组第二章第二章 基因组的结构与功能基因组的结构与功能基因组（基因组（genomegenome）：细胞或生物体中，）：细胞或生物体中，一套完整单倍体的遗传物质的总和。一套完整单倍体的遗传物质的总和。基因与基因组第一节第一节 人基因组结构与功能人基因组结构与功能 人基因组中约有三万种基因人基因组中约有

18、三万种基因 人基因组的重复序列人基因组的重复序列 多基因家族与假基因多基因家族与假基因 线粒体线粒体DNADNA结构结构基因与基因组(一一)基因与基因组基因与基因组（二）真核细胞基因组中重复序（二）真核细胞基因组中重复序列的结构和功能列的结构和功能重复序列长短不一，频率不同重复序列长短不一，频率不同根据出现频率将根据出现频率将DNADNA序列分为三类：序列分为三类：高度重序列高度重序列中度重复序列中度重复序列单拷贝序列单拷贝序列基因与基因组高度重复序列高度重复序列重复次数为重复次数为10106 6反向重复序列反向重复序列 (5%)(5%)卫星卫星DNA(DNA(重复序列短重复序列短,2-10b

19、p,2-10bp组成组成)作用：参与复制水平的调节，参与基因作用：参与复制水平的调节，参与基因表达调控，参与染色体配对。表达调控，参与染色体配对。基因与基因组2 2 中度重复序列中度重复序列 重复次数重复次数10101 110105 5，占基因组的，占基因组的10-40%,10-40%,在人在人类约占类约占12%12%。短分散重复片段：短分散重复片段：300-500bp300-500bp与与1000 bp1000 bp单拷贝间隔单拷贝间隔相排列。相排列。长分散重复片段：长分散重复片段：3500-5000bp3500-5000bp与与13000bp13000bp单拷贝间单拷贝间隔相排列。隔相排列

20、。编码编码rRNArRNA、tRNAtRNA、组蛋白及免疫球蛋白，基因表达、组蛋白及免疫球蛋白，基因表达调控有关。调控有关。AluAlu基因家族、基因家族、KpnKpn基因家族、基因家族、rRNA rRNA基因家族基因家族基因与基因组 3 3单拷贝序列：仅出现一次或少数几次，单拷贝序列：仅出现一次或少数几次，大多数是编码蛋白质的结构基因。也叫大多数是编码蛋白质的结构基因。也叫低度重复序列。低度重复序列。基因与基因组（三）多基因家族与假基因（三）多基因家族与假基因 多基因家族：由某一祖先基因经重复和变异所多基因家族：由某一祖先基因经重复和变异所产生的一组基因。产生的一组基因。家族成员成簇地分布在

21、某一条染色体上，可同时合家族成员成簇地分布在某一条染色体上，可同时合成某些蛋白质。如组蛋白基因家族。成某些蛋白质。如组蛋白基因家族。家族成员成簇地分布在不同的染色体上，编码一组家族成员成簇地分布在不同的染色体上，编码一组功能上密切相关的产物。如珠蛋白基因。功能上密切相关的产物。如珠蛋白基因。假基因：在多基因家族中，不产生有功能的基假基因：在多基因家族中，不产生有功能的基因产物的基因。缺少正常的内含子。因产物的基因。缺少正常的内含子。基因与基因组三三 线粒体基因组的结构线粒体基因组的结构 环状分子，与原核相似。环状分子，与原核相似。16569bp16569bp，包括编码，包括编码1313个呼吸链

22、蛋白质，个呼吸链蛋白质，2222个个tRNAtRNA，2 2个个rRNArRNA。共。共3737个基因。个基因。基因与基因组基因与基因组第二节第二节 原核生物基因组结构和功能原核生物基因组结构和功能1.1.通常仅有一条环状双链通常仅有一条环状双链DNADNA分子组成分子组成2.2.只有一个复制起点只有一个复制起点3.3.具有操纵子结构具有操纵子结构4.4.编码序列一般不重叠编码序列一般不重叠基因与基因组5.5.基因是连续的基因是连续的,无内含子无内含子,转录后不需加转录后不需加工工6.6.编码区在基因组中所占比例约为编码区在基因组中所占比例约为50%50%7.7.基因组中重复序列很少基因组中重

23、复序列很少8.8.组织形式组织形式:操纵子操纵子基因与基因组第三节病毒基因组结构与功能第三节病毒基因组结构与功能 大小：病毒基因组小，基因少。大小：病毒基因组小，基因少。核酸：核酸：DNADNA，RNARNA。二者择其一。二者择其一。形式：单链，或双链。线形或环形。多形式：单链，或双链。线形或环形。多数数DNADNA病毒为双链，病毒为双链，RNARNA病毒多是单链。病毒多是单链。RNARNA病毒基因组可由数条不相连的病毒基因组可由数条不相连的RNARNA链链组成。组成。基因间有重叠：同一段核酸可为基因间有重叠：同一段核酸可为2-32-3种蛋种蛋白质编码。白质编码。基因与基因组 相关基因丛集，可

24、形成多顺反子。相关基因丛集，可形成多顺反子。基因可连续或间断。噬菌体基因是连续基因可连续或间断。噬菌体基因是连续的，真核细胞病毒基因是不连续的，的，真核细胞病毒基因是不连续的，非编码区少。非编码区少。基因组是单倍体。基因组是单倍体。基因与基因组第六章第六章 基因组学、功能基因组基因组学、功能基因组学、蛋白质组学学、蛋白质组学(自学自学)Genomics,Functional Genomics Genomics,Functional Genomics and Proteomicsand Proteomics基因与基因组第一节基因组学第一节基因组学 概念概念:阐明整个基因组结构阐明整个基因组结构结

25、构与功能的关系结构与功能的关系基因间相互作用基因间相互作用基因与基因组一一 人类基因组计划主要研究内容人类基因组计划主要研究内容 人类基因组作图人类基因组作图 基因鉴定基因鉴定基因与基因组（一）人类基因组作图（一）人类基因组作图 遗传图遗传图(genetic map)(genetic map)：利用人类基因组中：利用人类基因组中的特殊位点作为遗传标志而进行的基因组的的特殊位点作为遗传标志而进行的基因组的分区分区.制成以遗传多态性标记为制成以遗传多态性标记为“位标位标”，遗传学距离为遗传学距离为“图距图距”的基因组图的基因组图.限制性片段长度多态性限制性片段长度多态性(RFLP)(RFLP)短串

26、联重复序列短串联重复序列(STR)(STR)单核苷酸多态性单核苷酸多态性(SNP):(SNP):约约1000bp1000bp出现一次出现一次.基因与基因组 物理图物理图(physical map)(physical map)：以一段已知核苷酸：以一段已知核苷酸序列的序列的DNADNA片段为片段为“位标位标”，以，以DNADNA实际距离实际距离（MbMb或或kbkb）作为）作为“图距图距”的基因组图的基因组图.粘粒粘粒(Cosmid):(Cosmid):插入片段插入片段303040kb40kb酵母人工染色体酵母人工染色体(YAC):(YAC):插入片段插入片段1 12mb2mb细菌人工染色体细菌

27、人工染色体(BAC):(BAC):稳定性好稳定性好,大规模测序大规模测序 物理图谱与遗传图谱之间可转换物理图谱与遗传图谱之间可转换.基因与基因组 序列图序列图(sequence map)(sequence map)：确定人类基因：确定人类基因组的全部核苷酸顺序组的全部核苷酸顺序.20032003年年4 4月已完成月已完成.转录图转录图(transcription map)(transcription map)：以表达序：以表达序列标签（列标签（ESTEST）为位标，又称）为位标，又称cDNAcDNA图或表图或表达序列图达序列图.基因与基因组二二 人类基因组计划在医学中的意义人类基因组计划在医学

28、中的意义 有效反映在正常或受控条件下表达的全有效反映在正常或受控条件下表达的全基因的时空图基因的时空图,此图可做为正常标准此图可做为正常标准.在此基础上在此基础上,可构建特定生理条件下可构建特定生理条件下(如如病原体感染病原体感染,药物药物,食物刺激食物刺激,以及精神因以及精神因素的影响素的影响)的差异的差异.将生命的研究推进到一个崭新的阶段将生命的研究推进到一个崭新的阶段.基因与基因组第二节第二节 功能基因组学功能基因组学 概念概念:研究基因组中所有基因功能的科学研究基因组中所有基因功能的科学.方法方法:整体水平或全局上整体水平或全局上研究一种组织或细胞在同一时间或同一条研究一种组织或细胞在

29、同一时间或同一条件下的表达的基因的种类件下的表达的基因的种类,数量数量,功能及其在功能及其在基因组中的定位基因组中的定位.从整体水平上研究同一组织或同一细胞在从整体水平上研究同一组织或同一细胞在不同状态下基因表达的差异不同状态下基因表达的差异.基因与基因组 内容内容:基因表达谱的研究基因表达谱的研究基因产物基因产物-蛋白质功能的研究蛋白质功能的研究基因组多样性的研究基因组多样性的研究疾病相关基因的再测序疾病相关基因的再测序寻找人类基因的共同变异型寻找人类基因的共同变异型基因组功能注释基因组功能注释基因与基因组第三节第三节 蛋白质组学蛋白质组学 定义定义:一个基因组一个基因组,一个细胞或组织或一种生物体一个细胞或组织或一种生物体所表达的全部蛋白质所表达的全部蛋白质.研究方法研究方法:双向电泳双向电泳生物质谱与蛋白质鉴定生物质谱与蛋白质鉴定 研究特点研究特点:动态研究动态研究基因与基因组 基因组学基因组学,功能基因组学功能基因组学,蛋白质组学的蛋白质组学的研究除上述方法外研究除上述方法外,尚需尚需 生物信息学及其它科学的支持生物信息学及其它科学的支持.