《药学分子生物》PPT课件

第二章 染色质、染色体、基因和基因组 第一节、染色质和染色体 一、 染色质和染色体的形态 （一）染色质 存在于细胞核中，由DNA、组蛋白和非组蛋白形成 的高度有序的核蛋白质。,常染色质和异染色质常染色质：分布较稀疏，处于活跃状态。异染色质：分布较紧密，处于抑制状态。,异染色质,常染色质,染色质和染色体之间的关系(同一物质在细胞周期不同时期的不同形态和功能形式),1. 核小体 核小体（nucleosome):染色质的基本结构单位。,核小体的组成,核心颗粒,连接区,八聚体（组蛋白H2A、H2B、H3、H4各2分子）,140bp DNA，缠绕1.75圈,60bp左右DNA片段+H1组蛋白,2. 染色质纤维 间期染色质呈纤维状。,（二）染色体 原核染色体：单一环型双链DNA分子 真核染色体：单一线型双链DNA分子及结合蛋白形成的 遗传物质单位,DNA双螺旋,核小体（一级结构）,螺线体（二级结构）,超螺线管（三级结构）,染色单体（四级结构）,压缩7倍,压缩6倍,压缩40倍,压缩5倍,共计压缩8400倍,1. 染色单体： 2. 着丝粒：主缢痕：着丝粒所在部位两染色单体缩窄 3. 次溢痕：有的染色体在长、短臂上还存在缩窄区或浅染区，称为次缢痕。 4. 随体：近端着丝粒染色体短臂末端有一球形小体 5.核仁组织区：近端着丝粒染色体随体和短臂相连的柄部含有rDNA，可转录形成rRNA,与核仁形成有关，也称核仁组织者区。,7. 复制子与起始位点,6. 端粒：端粒(telomeres)是染色体末端的高度保守特异结构，它是由富含鸟嘌呤核苷酸的简单重复序列（TTAGGG）n组成.,染色体结构模式图,二、染色质和染色体的化学成分及组成 （一）DNA 1.非重复序列 2.轻度重复序列 3.中度重复序列 4.高度重复序列,（二）组蛋白 含量最高的一种染色体蛋白质，带大量精氨酸和组氨酸（碱性氨基酸）分为，有H1、H2A、H2B、H3、H4五种,（三）非组蛋白：细胞中一类酸性蛋白质，一半为结构蛋白，一半为酶类。 作用：1.参与染色体构建 2.启动基因复制 3.调控基因转录,（四）RNA （五）酶,三、染色质和染色体的功能 （一）染色体在遗传中的作用 1.有丝分裂 有丝分裂是真核生物细胞分裂的基本形式。,前期,中期,后期,末期,2.减数分裂,3.染色体畸变 （1）染色体数目的改变 1）整倍体 1.多倍体 2.三倍体 2) 非整倍体 1.缺体 2.单体 3.三体 4.双三体 5.多体 3）体细胞非整倍体,（2）染色体的结构的改变,1）缺失：染色体部分丢失称为缺失,2）重复：染色体上个别区段多出一份，称为重复,重复,4）易位：染色体片段位置的改变称为易位,（二）组蛋白和非组蛋白磷酸化 （三）组蛋白和非组蛋白的转录调控,第二节、基因 一、 基因生物学定义,1. 重叠基因:原核生物和某些病毒基因组比较小，为利用有限碱基编码更多信息，存在重叠基因,2. 断裂基因：真核的基因组形式。 编码序列称外显子（exon），非编码序列称内含子（intron，or intervening sequence）。,3. 复等位基因： 位于一对同源染色体上对应位置的一对基因叫等位基因。由于群体的突变，同一基因座的基因系列称为复等位基因，对某一个体来说一个基因座只有一对等位基因，复等位基因是群体的概念。HLA存在为数众多的复等位基因。 如：人的ABO血型,4. 假基因 在多基因家族中，不产生有功能基因产物的基因。即序列与有功能的基因相似，但或者不能转录，或者转录后生成无功能的基因产物。用表示。造成原因是基因在进化过程中，发生突变所致（如缺失、倒位、点突变等）。,二、 基因的分子生物学定义 DNA分子中含有特定遗传信息的核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。合成有功能的蛋白质多肽链或RNA所必需的全部核酸序列（通常是DNA序列）。故一个基因应包含不仅是编码蛋白质肽链或RNA的核酸序列，还包括为保证转录所必需的调控序列、5非翻译序列、内含子以及3非翻译序列等所有的核酸序列（蛋白质基因和RNA基因）。,三、 基因功能 1. 基因转录的基本特性 2.翻译-蛋白质的合成,四、原核生物基因特征,功能上相关的基因高度集中，组成操纵子结构。 编码蛋白的基因大多是是单拷贝的 RNA基因是多拷贝的 基因是连续的：结构基因中没有内含子（intron）成分，在转录后不需剪接加工，转录产物的寿命较短。,6.结构基因重复序列少，基因组中仅有少数基因存在基因重叠现象 7. 单个染色体呈环状，染色体DNA并不和蛋白质固定结合。,5.细菌中的DNA大部分是用于编码蛋白质，只有一小部分是不翻译的。,五、 真核生物基因特征 基因的不连续性,1.基因家族 真核细胞基因组中有许多来源相同，结构相似，功能相关的基因，这样的一组基因称基因家族 (1) 串联重复基因簇 （2）分散式基因簇,（3）超基因家族 （supergene family）：由多基因家族及单基因组成的更大的基因家族。成员间有不同程度的同源，但它们的功能并不相似，这是与多基因家族的差别所在。如Ig超家族。,（三）重复基因结构,1.中度重复序列: 100-几千bp片段的重复，其产物是细胞大量需要的。其长度3007000bp，一般都是不编码的顺序。据认为在基因调控中起重要作用，包括开启或关闭基因，促进或终止转录，DNA复制的起始，参与前mRNA加工等。 rRNA基因：可重复数百次，可作为一种遗传标志。 tRNA基因 组蛋白基因,Alu家族： 有3万个成员，平均每6kb就有一个，长度约300bp，因在170bp处有一Alu位点（AG/CT）而得名。Alu顺序具有种的特异性，功能：尚不清楚。可能在hnRNA转录和加工中起作用；遗传重组及染色体不稳定性有关；人类质粒（human plasmid）；形成Z-DNA。,Kpn家族： 人类和灵长类DNA经Kpn酶解后，产生4个片段（1.2、1.5、1.8、1.9kb），这些就被命名为Kpn家族。人类基因组中的Kpn序列约在3-6%，也是散在分布的。功能尚不清楚。,2高度重复序列： 高度重复顺序不能转录，它们参与染色体结构的维持，形成结构基因间隔。分布于着丝点、端粒区、结构基因两侧 反向重复序列 卫星DNA：简单串联重复序列,六 细胞器基因 1.线粒体-母性遗传 .线粒体DNA编码的蛋白质占线粒体全部蛋白质的10%，其余90%由核基因编码,Maternal Inheritance,mtDNA A,mtDNA B,mtDNA D,mtDNA C,Electron micrograph of a mitochondrial DNA,Electron micrograph of a mitochondrion,Encoded by nuclear genes. Encoded by mitochondrial genes.,Gene Products Essential to Mitochondrial Function:,Map of human mtDNA,Hypervariable region,七 亚细胞结构的基因特征 病毒、噬菌体： 1.核酸成分只有一种 2.单链、双链或者片段 3.大小很大差别 4.具有启动子和操纵基因的结构 5.噬菌体基因组没有内含子，真核病毒基因组有内含子 6.病毒中有重叠基因存在,噬菌体x174基因图谱,八、原核和真核细胞中基因和顺反子的关系 原核-单顺反子 真核-多顺反子,第三节、基因组,基因组就是一个物种中所有基因的整体组成。人类基因组有两层意义：遗传信息和遗传物质。要揭开生命的奥秘，就需要从整体水平研究基因的存在、基因的结构与功能、基因之间的相互关系。,基因组：携带生物体全部遗传信息的核酸量。,“Cellular” Genomes,Viruses,Procaryotes,Eucaryotes,Viral genome,Bacterial chromosome,Plasmids,Chromosomes (Nuclear genome),Mitochondrial genome,Chloroplast genome,Capsid,Nucleus,一、 基因组的结构特点 原核生物基因组结构,基因组较小,平均1Kb，大小变化不大 几乎无蛋白质同核酸结合 具有操纵子结构 结构基因是单拷贝，rRNA基因是多拷贝。 有基因重叠现象。 多顺反子,（二）真核生物基因组结构,基因组较大，且大小变化大 和蛋白质结合，形成染色体，而且是多条 有重复序列 有单拷贝和多拷贝两种形式 基因是不连续的，基因家族化是最显著特征之一。并且DNA片段可以重排 转录单位一般是单顺反子的。即基因-一种蛋白质,Chromosome organization,Eucaryotic chromosome,Telomere,Telomere,Centromere,p-arm,q-arm,Eucaryotic genes,Exon 1 90 bp,Exon 2 222 bp,Exon 3 126 bp,Intron A 131 bp,Intron B 851 bp,Hemoglobin beta subunit gene,Introns: intervening sequences within a gene that are not translated into a protein sequence. Collagen has 50 introns. Exons: sequences within a gene that encode protein sequences Splicing: Removal of introns from the mRNA molecule.,Splicing,（三）线粒体基因组结构,Daphnia pulex (15,333bp),The animal mitochondrial genome,（四）叶绿体基因组结构,Electron microscopic image of a circular DNA molecule isolated from a soybean chloroplast (a ctDNA),Chloroplast DNA,128 genes, 4 of which are rRNA genes, 32 are tRNA genes and 55 are open reading frames (ORF),三、基因组的染色体倍数性和数目 一倍体数目代表基因组一份拷贝的染色体数目.如：2C,四、 遗传图谱、物理图谱、基因图谱 （一）遗传图谱,指基因或DNA标志在染色体上的相对位置与遗传距离。CM表示（基因或DAN片段在染色体交换过程中分离的频率）。通过该图谱可分清各基因或DNA片段之间的相对距离与方向，如靠近着丝粒或端粒。,Genetic Map,Cytogenetic Map,Physical Map,RH Map,Clone-based Map,Sequence Map,GATCTGCTA TACTACCGC ATTATTCCG,Restriction Map,Typing RFLPs,Restriction mapping,EcoR1,NotI,EcoRI,NotI,2.0 kb,3.0 kb,1.0 kb,EcoRI,NotI,EcoRI/NotI,3.0 kb,5.0 kb,2.0 kb,3.0 kb,5.0 kb,4.0 kb,1.0 kb,Typing STRs,PCR,Alleles 1,Alleles 2,Alleles 3,STS and STS map,Typing SNPs,Intact chromosome,50-260 Mb,5-10 Mb,Cytogenetic band,Long-range Landmark map,50-2500 kb,50-1500 kb,100-200 kb,60-1000 bp,1bp,YAC clone,BAC clone,STS,DNA sequence,GGATTCCGACTAGGTCGGTCTTGGATTAGCTAGG,.GTCGGTC.,Adapted from Rossiter & Caskey,（二）、物理图谱,指DNA序列上两点间的实际距离。用于确定各遗传标志间的物理距离有两种物理图谱：（1）以已定位的DNA序列标记位点（STS）为位标，以DNA实际长度为图谱距离的基因组图谱。（2）由YAC和/或细菌人工染色体（BAC）连续克隆重叠群组成的物理图谱。,（三）基因图谱,五、人类基因组,（一） 人类基因组定义 （二）人类基因组计划研究的意义 （三） 人类基因组计划研究的内容 （,四）人类基因组的多态性与基因组药物 （五） 后基因组研究计划 （六）人类基因组的生物信息在药物研究中的作用,人类基因组计划,人类只有一个基因组，大约有5-10万个基因。人类基因组计划是美国科学家于1985年率先提出的，旨在阐明人类基因组30亿个碱基对的序列，发现所有人类基因并搞清其在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息，使人类第一次在分子水平上全面地认识自我。计划于1990年正式启动，这一价值30亿美元的计划的目标是，为30亿个碱基对构成的人类基因组精确测序，从而最终弄清楚每种基因制造的蛋白质及其作用。打个比方，这一过程就好像以步行的方式画出从北京到上海的路线图，并标明沿途的每一座山峰与山谷。虽然很慢，但非常精确。,6国科学家组成的国家人类基因组中心主要研究比例,美国：WASHMIT等7家研究中心，贡献率为54。 英国：SANGER一家研究中心，贡献率为33。 日本：RIKEN等两家研究中心，贡献率为7。 法国：GENOSCOPE研究中心，贡献率为2.8。 德国：IMB等3家研究中心，贡献率为2.2。 中国：北京华大研究中心、国家南北方基因研究 中心等三家，贡献率为1。,二000年六月二十六日克林顿宣布 人类基因组草图绘制完成,人1号染色体基因图谱,人类基因组草图基本信息,由31.65亿bp组成 含33.5万基因 与蛋白质合成有关 的基因占2%,人类基因组,人类基因组研究成果表明,基因数量少得惊人 人类基因组中存在“热点”和大片“荒漠” 三分之一为“垃圾”DNA 种族歧视毫无根据 男性基因突变比例更高,基因组: 人类细胞中的全部基因 蛋白组: 由全套基因组编码控制 的蛋白质 药物基因组: 即为一个病人的基 因组对单个药物反应的相互关系 人类基因组、蛋白组和药物基因组 是生命科学研究路上的三个阶段,遗传因素和环境因素共同作用导致了药物反应的个体差异。 药物遗传学从单个基因出发，研究药物与遗传之间的关系。 1959年，Vogel提出了药物遗传学概念(pharmacogenetics)，指出药物代谢与酶和受体的遗传学关系。 药物基因组学从基因组出发，研究药物与基因组结构之间 的关系，根据不同人群设计和制造药物，达到个体化治疗目标。,随着人类基因组逐渐被破译，一张生命之图将被绘就，人们的生活也将发生巨大变化。人类基因研究的意义在于它可以支持和推动生命科学中一系列重要的基础性研究。如基因组遗传语言的破译，基因的结构与功能关系，生命的起源和进化，细胞发育、生产、分化的分子机理，疾病发生的机理等。,人类基因组计划的意义,后人类基因组计划,伴随着人类基因组计划的迅速进展，基因的全序列逐步被完整的测出，会出现大量的不知道任何功能信息的序列。因此，在HGP完成之后即全部人类基因被定序之后，还需要继续发展能对大量的基因进行功能分析的方法，还要继续分析大量未知功能基因的具体生物学功能。包括基因克隆计划、蛋白质计划以及细胞计划等。,