真核生物基因组

真真 核核 生生 物物 基基 因因 组组Eukaryote genome主要内容主要内容染色体概染色体概述述断裂基断裂基因因重复基重复基因因真核生物基因组特真核生物基因组特点点细胞器基因细胞器基因组组核基因组核基因组（染色体染色体DNADNA）线粒体线粒体DNA(DNA(mtDNA)叶绿体叶绿体DNA DNA(ctDNA)真核生物基因组真核生物基因组 （DNA）1、染色体的化学组成、染色体的化学组成n 染色体包括染色体包括DNADNA和和蛋白质蛋白质两大部分。两大部分。组蛋白组蛋白非组蛋白核小体DNA蛋白质染色体 核小体：由核小体：由200bp200bp左右左右DNADNA双螺旋与双螺旋与1 1个组蛋白个组蛋白 八聚体和八聚体和1 1分子的组蛋分子的组蛋H1H1所组成所组成。组蛋白具有如下组蛋白具有如下特性特性：进化上的进化上的极端保守性极端保守性。不同种生物组蛋白的氨基酸组成十分相似。不同种生物组蛋白的氨基酸组成十分相似。牛、猪、大鼠的牛、猪、大鼠的H4H4氨基酸序列完全相同氨基酸序列完全相同.保守程度保守程度：H1 H2A、H2B H3、H4 无组织特异性无组织特异性。只有鸟类、鱼类及两栖类红细胞染色体不只有鸟类、鱼类及两栖类红细胞染色体不 含含H1H1而带有而带有H5H5。富含赖氨酸的组蛋白富含赖氨酸的组蛋白H5H5。v 赖氨酸（赖氨酸（24%24%）v 与与H1H1无同源性；无同源性；v 推测推测H5H5与染色体失活有关，其磷酸化在失与染色体失活有关，其磷酸化在失 活中可能起重要作用。活中可能起重要作用。存在较普遍的修饰作用存在较普遍的修饰作用 肽链上氨基酸分布的不对称性肽链上氨基酸分布的不对称性-碱性氨基酸集中分布在碱性氨基酸集中分布在N N端的半条链上，端的半条链上，易与易与DNADNA的负电荷区结合的负电荷区结合.-大部分疏水基团都分布在大部分疏水基团都分布在C C端。与其他组端。与其他组蛋白、非组蛋白结合。蛋白、非组蛋白结合。在细胞周期特定时间和组蛋白的特定位点，在细胞周期特定时间和组蛋白的特定位点，可发生甲基化、乙酰化、磷酸化等。可发生甲基化、乙酰化、磷酸化等。H3H3、H4H4修修饰作用较普遍，饰作用较普遍，H2BH2B有乙酰化作用、有乙酰化作用、H1H1有磷酸有磷酸化作用。化作用。共同目的是共同目的是降低组蛋白所携带的正电降低组蛋白所携带的正电荷荷这些组蛋白修饰的意义：这些组蛋白修饰的意义：(1)(1)改变染色体的结构，直接影响转录活性；改变染色体的结构，直接影响转录活性；(2)(2)核小体表面发生改变，使其他调控蛋白易核小体表面发生改变，使其他调控蛋白易于和染色质相互接触，从而间接影响转录活于和染色质相互接触，从而间接影响转录活性。性。电镜下看到的染色质结构电镜下看到的染色质结构念珠模型，染色质的基本结构由一系列核小体相互连接而成的念珠状念珠模型，染色质的基本结构由一系列核小体相互连接而成的念珠状2 2、染色质（体）的结构、染色质（体）的结构From DNA to Chromosome6.8:140:11000:18000:1意义意义：将近将近200 cm长的长的DNA分子容纳于直径只有分子容纳于直径只有5微米的细胞核中。微米的细胞核中。影响解链，影响与蛋影响解链，影响与蛋白质的相互作用，调白质的相互作用，调控基因表达。控基因表达。二二 真核生物的基因割裂现象真核生物的基因割裂现象v割裂基因割裂基因（splitting gene）：）：基因的编码序列被基因的编码序列被非编码序列所间隔，形成嵌合排列的断裂形式称非编码序列所间隔，形成嵌合排列的断裂形式称为割裂基因。为割裂基因。v上世纪上世纪7070年代，罗伯茨和夏普通过成熟年代，罗伯茨和夏普通过成熟mRNAmRNA（或（或cDNAcDNA）与编码基因的）与编码基因的DNADNA杂交试验而发现。杂交试验而发现。将鸡输卵管的卵清白蛋白mRNA反转录成cDNA，同卵清白蛋白基因作分子杂交后置于显微镜下观察：突出成环的为无互补序列的基因序列。R-R-环结构环结构 ：DNADNA与与cDNAcDNA（mRNAmRNA）杂交发现许多不）杂交发现许多不配对区配对区R-环结构环结构 Richard J.Roberts Phillip A.Sharp Nobel Prize 1993外显子外显子（Exon）：）：断裂基因中的编码序列称为外断裂基因中的编码序列称为外显子，它是基因中可表达为多肽的部分。显子，它是基因中可表达为多肽的部分。内含子内含子（Intron）：）：断裂基因中的非编码序列称为断裂基因中的非编码序列称为内含子。内含子。真核生物基因结构示意图真核生物基因结构示意图剪接剪接:前体前体RNARNA中由内含子转录下来的序列去除，并把由外显子中由内含子转录下来的序列去除，并把由外显子转录的转录的RNARNA序列连接起来的过程。序列连接起来的过程。割裂基因割裂基因前体前体mRNAmRNAIntrons 去除去除Exons 连接连接剪接剪接n 割裂基因的特性割裂基因的特性（1 1）外显子在基因中的排列顺序和它在成熟）外显子在基因中的排列顺序和它在成熟mRNAmRNA产物中的排列顺序是相同的。产物中的排列顺序是相同的。（2 2）在割裂基因中，外显子和内含子是相间排）在割裂基因中，外显子和内含子是相间排列的。列的。割裂基因由一系列交替存在的外显子和内含子构成，如果割裂基因由一系列交替存在的外显子和内含子构成，如果一个基因有一个基因有n n个内含子，则相应地含有个内含子，则相应地含有n+1n+1个外显子。个外显子。不同的割裂基因外显子和内含子的数目相差很大，基因的不同的割裂基因外显子和内含子的数目相差很大，基因的长度也相差悬殊。长度也相差悬殊。*人血红蛋白人血红蛋白珠蛋白链基因珠蛋白链基因:3:3个外显子个外显子+2+2个内含子个内含子.*苯丙氨酸羟化酶基因苯丙氨酸羟化酶基因:13:13个外显子个外显子+12+12个内含子个内含子.（4 4）通常内含子上发生的突变不能影响蛋白质）通常内含子上发生的突变不能影响蛋白质的结构，其突变对生物体没有影响；但也有例外。的结构，其突变对生物体没有影响；但也有例外。n例如一些发生在内含子上的突变可通过抑制外显子的例如一些发生在内含子上的突变可通过抑制外显子的相互剪接阻止相互剪接阻止mRNAmRNA的产生。的产生。（3 3）在每个外显子与内含子的交界处，都有一段）在每个外显子与内含子的交界处，都有一段高度保守的特异性碱基顺序。高度保守的特异性碱基顺序。每个内含子的每个内含子的55端以端以GTGT开始，开始，33端以端以AGAG结束，这一特异结束，这一特异的碱基顺序称为的碱基顺序称为外显子内含子接头外显子内含子接头，也称，也称GTGTAGAG法则。法则。它是它是RNARNA的剪切识别信号的剪切识别信号。Splitting gene 概念的相对性概念的相对性 a)Intron 并非“含而不露”Yeast 细胞色素b基因Intron II编码成熟酶 b)Exon并非“表里如一”人类尿激酶原基因Exon I不编码氨基酸序列 c)并非真核生物所有的结构基因均为splitting gene Histone gene family 干扰素干扰素 Yeast 中多数基因中多数基因三三 重复序列重复序列(一)高度高度重复序列(重复次数：1O6)(二)中度中度重复序列(重复次数：1O21O5)(三)单拷贝单拷贝序列(Unique Sequence)包括大多数编码蛋白质的结构基因和基因间隔序列。Repetitive sequences(一）高度重复序列（重复次数一）高度重复序列（重复次数10106 6）高度重复顺序又高度重复顺序又按其结构特点分为三种按其结构特点分为三种（1 1）倒位（反向）重复序列）倒位（反向）重复序列约占人基因组的约占人基因组的5 5。反向重复。反向重复序列由两个相同顺序的互补拷贝序列由两个相同顺序的互补拷贝在同一在同一DNADNA链上反向排列而成。链上反向排列而成。常见于基因的调控区和特异蛋白结合区常见于基因的调控区和特异蛋白结合区只存在于真核生物中，占基因组的只存在于真核生物中，占基因组的10%-60%10%-60%，由，由6-1006-100个碱基组成个碱基组成，在，在DNADNA链上串联链上串联重复高达数百万次。重复高达数百万次。（2 2）卫星）卫星DNADNA 卫星DNA又称随体DNA，由CsCl超速离心后，分散在主峰旁。一般2-10bp短序列，人类为171bp。保护和稳定染色体。（3 3）较复杂的重复单位组成的重复顺序）较复杂的重复单位组成的重复顺序 这种重复顺序为灵长类所独有，用限制性内切酶处理可以得到重复单位为172bp的高度重复顺序，这种顺序大部份由交替变化的嘌呤和嘧啶组成。高度重复顺序的功能高度重复顺序的功能ua.a.参与复制水平的调节参与复制水平的调节：反向序列常存在于：反向序列常存在于DNADNA复制起复制起点区的附近。另外，许多反向重复序列是一些蛋白质点区的附近。另外，许多反向重复序列是一些蛋白质（包括酶）与（包括酶）与DNADNA的结合位点。的结合位点。ub.b.参与基因表达的调控参与基因表达的调控：有些反向重复顺序可以形成：有些反向重复顺序可以形成发夹结构，这对稳定发夹结构，这对稳定RNARNA分子，免遭分解有重要作用分子，免遭分解有重要作用.uc.c.参与转位作用：参与转位作用：几乎所有转位因子的末端都包括反几乎所有转位因子的末端都包括反向重复顺序。由于这种顺序可以形成回文结构，因此向重复顺序。由于这种顺序可以形成回文结构，因此在转位作用中既能连接非同源的基因，又可以被参与在转位作用中既能连接非同源的基因，又可以被参与转位的特异酶所识别。转位的特异酶所识别。ue.e.同一种属中不同个体的高度重复顺序的重复次数不同一种属中不同个体的高度重复顺序的重复次数不一样，这可以作为每一个体的特征，即一样，这可以作为每一个体的特征，即DNADNA指纹指纹（二）中度重复顺序（二）中度重复顺序 1.短散在重复序列（SINES）平均长度500bp，它们与平均长度约为1000bp的单拷贝顺序间隔排列。拷贝数可达10万左右.依据重复顺序的长度，可分为：依据重复顺序的长度，可分为：有有Alu酶切位点（酶切位点（AGCT）而得名）而得名如如AluAlu家族家族：2 2 长散在重复序列长散在重复序列（LINES）v与单拷贝顺序间隔排列v有些中度重复顺序是编码蛋白质或rRNA的结构基因（rRNA基因,tRNA基因,组蛋白基因,免疫球蛋白基因）v中度重复顺序一般具有种特异性；可作为探针区分不同种哺乳动物细胞的DNA。Tandem：串联重复：串联重复Interspersed：散在重复：散在重复单拷贝顺序（低度重复顺序）单拷贝顺序（低度重复顺序）*在基因组中只出现一次或数次(130kb)*在基因组中占50-80，人基因组中，大约占60-65*单拷贝顺序中储存了巨大的遗传信息，大多数是编码蛋白质的结构基因。*在基因组中，单拷贝顺序的两侧往往为散在分布的重复顺序。*与有机体复杂程度一致。四、真核生物基因组的特点四、真核生物基因组的特点 1.含有两份同源的基因组。2.具有多个复制起点。3.基因内存在着不表达的插入序列,功能上密切相关的基因集中程度不如原核生物.4.真核基因由一个结构基因与相关的调控区组成，转录产物为单顺反子。一个结构基因经过转录和翻译生成一个mRNA分子和一条多肽链。5.存在大量不编码蛋白质的DNA序列，占90%以上。6.真核生物的蛋白质编码基因往往位于基因组DNA单拷贝序列中，除单拷贝序列外还存在大量重复序列 7.真核生物基因组中，有许多结构相似、功能相关的基因组成所谓的基因家族。可串联在一起，也可相距很远 8.真核生物除核基因组外，还有细胞器基因组。五五 细胞器基因组细胞器基因组n线粒体和叶绿体都含有遗传物质，形成相对独立的遗传系统，不遵循孟德尔遗传规律。n细胞质遗传系统是半自主的，只能合成几种与自身功能有关的蛋白质，n线粒体和叶绿体基因表达所需要的RNA均由自身提供(tRNA和rRNA)1 1 线粒体基因组线粒体基因组 (mtDNA)v双链环状分子，一个线粒体中存在多个双链环状分子，一个线粒体中存在多个mtDNAmtDNA.v真核生物线粒体基因组大小差异很大，真核生物线粒体基因组大小差异很大，动物植物动物植物v线粒体是半自主性的细胞器，线粒体是半自主性的细胞器，只能编码部分所需产物。只能编码部分所需产物。v遗传密码与核遗传密码与核DNADNA的不完全一致的不完全一致:如核基因中的如核基因中的UAGUAG为终止密码子，而为终止密码子，而在线粒体基因中则是编码色氨酸的在线粒体基因中则是编码色氨酸的密码子）密码子）v 线粒体基因组含线粒体基因组含编码蛋白质编码蛋白质(酶酶),rRNA),rRNA和和tRNAtRNA的基因的基因v结构基因不含内含子，部分区域有基因重叠。结构基因不含内含子，部分区域有基因重叠。v线粒体线粒体DNADNA为母系遗传。为母系遗传。由于线粒体存在于细胞质中，而由于线粒体存在于细胞质中，而成熟的精子几乎不含成熟的精子几乎不含细胞质，细胞质，故精子中只含有少量的故精子中只含有少量的mtDNAmtDNA。这样，受精卵。这样，受精卵细胞质中的线粒体基因均来自母方，因此线粒体基因细胞质中的线粒体基因均来自母方，因此线粒体基因呈现母系遗传。呈现母系遗传。2 叶绿体基因组（叶绿体基因组（ctDNA)u 叶绿体基因组一般叶绿体基因组一般为为双链环状双链环状DNADNA分子分子，极少为线状。极少为线状。u 叶绿体基因组比较大叶绿体基因组比较大。在高等植物中通常为在高等植物中通常为140Kb.140Kb.u 叶绿体基因组大小差别比较大，叶绿体基因组大小差别比较大，尤其是藻类。尤其是藻类。一种寄生性绿藻：一种寄生性绿藻：37 Kb37 Kb 伞藻：伞藻：2000 Kb2000 Kbu 基因组结构非常保守基因组结构非常保守。基因组由两个反向重复区（基因组由两个反向重复区（IRIR）和一个小单拷贝区（和一个小单拷贝区（SSCSSC）及一）及一个大单拷贝区（个大单拷贝区（LSCLSC）。两个）。两个IRIR编码相同，方向相反。编码相同，方向相反。u 具有相对独立的基因复制、表达和调节系统具有相对独立的基因复制、表达和调节系统.u 部分基因有内含子。部分基因有内含子。如：如：tRNAtRNA基因基因u 启动子和原核生物的相似，基因产生启动子和原核生物的相似，基因产生单顺单顺反反 子或多顺反子的子或多顺反子的mRNA.mRNA.