植物细胞核基因组课件

第一章第一章 植物细胞核基因组植物细胞核基因组第一章 植物细胞核基因组1Genome(基因组基因组):all DNA sequences in a cell Gene(基因基因):a stretch of continuous DNA sequence encoding a protein or RNA核核基因组基因组:局限在核内的基因局限在核内的基因组 Genome(基因组):all DNA sequence2基因组计划：基因组计划：指的是以整个基因组为对象的研指的是以整个基因组为对象的研究。例如，水稻基因组计划的研究对象，就是总长为究。例如，水稻基因组计划的研究对象，就是总长为4.34.3亿个核苷酸的全部亿个核苷酸的全部1212条染色体。由于研究对象涉条染色体。由于研究对象涉及生命体的全部遗传信息，因此也有人称这类研究为及生命体的全部遗传信息，因此也有人称这类研究为全生物学研究全生物学研究(complete biology)(complete biology)。此项研究的工作。此项研究的工作量特别庞大，体系极其复杂，并涉及多种学科，如分量特别庞大，体系极其复杂，并涉及多种学科，如分子生物学、遗传学、计算机科学等。长期以来，人们子生物学、遗传学、计算机科学等。长期以来，人们就知道基因组计划的重要性，但这类研究就知道基因组计划的重要性，但这类研究19901990年初才年初才真正开始，那就是美国的人类基因组计划。因为相关真正开始，那就是美国的人类基因组计划。因为相关的科学技术到这一阶段才开始在总体上成熟，使科学的科学技术到这一阶段才开始在总体上成熟，使科学家能够着手进行基因组计划。家能够着手进行基因组计划。基因组计划：指的是以整个基因组为对象的研究。例如，水稻基因组3基因组计划基本上可分为三项内容：基因组计划基本上可分为三项内容：构建基因组的构建基因组的遗传图遗传图；构建基因组的构建基因组的物理图物理图；测定基因组的测定基因组的DNADNA全序列全序列。这三者之间都有一定的关联，各自研究的进程这三者之间都有一定的关联，各自研究的进程和结果，又都可促进相关应用科学的发展。和结果，又都可促进相关应用科学的发展。基因组计划基本上可分为三项内容：4定义：某一物种的染色体图谱（也就是我们所知的定义：某一物种的染色体图谱（也就是我们所知的连锁图谱），显示所知的基因和连锁图谱），显示所知的基因和/或遗传标记的相对或遗传标记的相对位置，而不是在每条染色体上特殊的物理位置。位置，而不是在每条染色体上特殊的物理位置。如果同一条染色体上的两个基因相对距离越长，如果同一条染色体上的两个基因相对距离越长，那么他们减数分裂发生重组的概率将越大，共同遗那么他们减数分裂发生重组的概率将越大，共同遗传的概率也就越小。因此可以根据他们后代性状的传的概率也就越小。因此可以根据他们后代性状的分离可以判断他们的交换率，也就可以判断他们在分离可以判断他们的交换率，也就可以判断他们在遗传图谱上的相对距离。遗传图谱上的相对距离。遗传图谱可以对很多的遗传病进行分析遗传图谱可以对很多的遗传病进行分析.遗传图谱：遗传图谱：定义：某一物种的染色体图谱（也就是我们所知的连锁图谱），显示5物理图谱是利用限制性内切酶将染色体切成片段，再根据重叠序列确定片段间连接顺序，以及遗传标志之间物理距离碱基对(bp)或千碱基(kb)或兆碱基(Mb)的图谱。物理图谱：物理图谱是利用限制性内切酶将染色体切成片段，再根据重叠序列确6十余种模式生物十余种模式生物(如大肠杆菌、酿酒酵母、线如大肠杆菌、酿酒酵母、线虫、果蝇、拟南芥、小立宛藓等虫、果蝇、拟南芥、小立宛藓等)和水稻、人和水稻、人类的全基因序列测定工作已基本完成。类的全基因序列测定工作已基本完成。基因组学（基因组学（genomics）、结构基因组学）、结构基因组学（structural genomics）、功能基因组学）、功能基因组学（functional genomics）、蛋白质组）、蛋白质组（proteome）和蛋白质组学（）和蛋白质组学（proteomics）十余种模式生物(如大肠杆菌、酿酒酵母、线虫、果蝇、拟南芥、小7结构基因组学结构基因组学（structural genomics）：是一门是一门研究生物中所有的蛋白质结构。主要利用实验研究生物中所有的蛋白质结构。主要利用实验方式方式(X-射线晶体衍射、核磁共振质谱射线晶体衍射、核磁共振质谱)或计算或计算方式方式(Homology Modeling)。和传统结构生物学。和传统结构生物学不同的是，利用结构基因组学方法测定蛋白质不同的是，利用结构基因组学方法测定蛋白质结构时通常知道蛋白质的功用。这令科学家创结构时通常知道蛋白质的功用。这令科学家创立了结构生物资讯学立了结构生物资讯学利用三维结构来估计蛋利用三维结构来估计蛋白质功用。结构基因组学重视快速、大量白质功用。结构基因组学重视快速、大量(high throughput)的蛋白质结构测定。的蛋白质结构测定。结构基因组学（structural genomics）：是8结结构构基基因因组组学学(structural genomics)是是基基因因组组学学的的一一个个重重要要组组成成部部分分和和研研究究领领域域,它它是是一一门门通通过过基基因因作作图图、核核苷苷酸酸序序列列分分析析确确定定基基因因组组成成、基基因因定定位位的的科科学学。染染色色体体不不能能直直接接用用来来测测序序,必必须须将将基基因因组组这这一一巨巨大大的的研研究究对对象象进进行行分分解解,使使之之成成为为较较易易操操作作的的小小的的结结构构区区域域,这这个个过过程程就就是是基基因因作作图图;根根据据使使用用的的标标志志和和手手段段不不同同,作作图图有有4种种类类型型,即即构构建建生生物物体体基基因因组组高高分分辨辨率率的的遗遗传传图图、物物理理图图谱谱、序序列列图图以以及及转录图谱。转录图谱。结构基因组学(structural genomics)是基因9功能基因组学功能基因组学（functional genomics)：以：以基因功能鉴定为目标，又被称为后基因组基因功能鉴定为目标，又被称为后基因组（postgenome）研究。）研究。研究内容研究内容包括基因功能发现、基因表达分析及突变检测。基因的功能包包括基因功能发现、基因表达分析及突变检测。基因的功能包括：生物学功能，如作为蛋白质激酶对特异蛋白质进行磷酸化修饰；细括：生物学功能，如作为蛋白质激酶对特异蛋白质进行磷酸化修饰；细胞学功能，如参与细胞间和细胞内信号传递途径；发育上功能，如参与胞学功能，如参与细胞间和细胞内信号传递途径；发育上功能，如参与形态建成等。形态建成等。采用的手段采用的手段包括经典的减法杂交，差示筛选，包括经典的减法杂交，差示筛选，cDNA代表差代表差异分析以及异分析以及mRNA差异显示等，但这些技术不能对基因进行全面系统的差异显示等，但这些技术不能对基因进行全面系统的分析，新的技术应运而生，包括基因表达的系统分析（分析，新的技术应运而生，包括基因表达的系统分析（serial analysis of gene expression,SAGE），），cDNA微阵列（微阵列（cDNA microarray），），DNA 芯片（芯片（DNA chip）和序列标志片段显示（）和序列标志片段显示（sequence tagged fragments display，20th ICG德国柏林）技术、微流控芯片实验室等。德国柏林）技术、微流控芯片实验室等。功能基因组学（functional genomics)：以基10 蛋白质组学蛋白质组学（Proteomics）一词，源于一词，源于蛋白质（蛋白质（protein）与）与 基因组学基因组学（genomics）两个词的组合，意指）两个词的组合，意指“一一种基因组所表达的全套蛋白质种基因组所表达的全套蛋白质”，即包，即包括一种细胞乃至一种生物所表达的全部括一种细胞乃至一种生物所表达的全部蛋白质。蛋白质。蛋白质组学（Proteomics）一词，源于蛋白质（11一、植物核基因组大小一、植物核基因组大小1.核基因组大小的差异核基因组大小的差异研究方法：研究方法：孚尔根染色显微光密度测定法孚尔根染色显微光密度测定法 DNA复性动力学复性动力学 核体积测定核体积测定 流式细胞计量术流式细胞计量术不同植物的核基因组大小差异可达上千倍之多。不同植物的核基因组大小差异可达上千倍之多。已知的最小植物基因组是拟南芥基因组，只有已知的最小植物基因组是拟南芥基因组，只有125Mb；最大的基因组之一是百合科的贝母属的；最大的基因组之一是百合科的贝母属的Fritillaria assyriaca，其大小为，其大小为100 000Mb。一、植物核基因组大小1.核基因组大小的差异研究方法：不同植物12Range of genome size in different phyla Range of genome size in differ13各种生物细胞内各种生物细胞内DNA总量的比较总量的比较各种生物细胞内DNA总量的比较14植物细胞核基因组课件15在真核生物中，在真核生物中，C值一般是随生物进化而增加的，高值一般是随生物进化而增加的，高等生物的等生物的C值一般大于低等生物。值一般大于低等生物。C值（值（C-value）：通常是指一种生物单倍体基因组通常是指一种生物单倍体基因组DNA的总量。的总量。在真核生物中，C值一般是随生物进化而增加的，高等生物的C值一16C-value is the quantity of DNA in the genome(per haploid set of chromosomes).C-value paradox(C值矛盾值矛盾)refers to the lack of a correlation between genome size and genetic complexityC-value is the quantity of DNA17C值反常现象值反常现象（C-value paradox）C值往往与种系进化的复杂程度不一致，值往往与种系进化的复杂程度不一致，某些低等生物却具有较大的某些低等生物却具有较大的C值。值。C值反常现象182.复性动力学和基因组的不同序列组成复性动力学和基因组的不同序列组成复性动力学复性动力学-认识基因组认识基因组DNADNA的复杂性的复杂性变性变性复性复性退火（退火（anneal）C0t值：单链值：单链DNA浓度（浓度（C0）和反应培育时间（）和反应培育时间（t）的乘积。）的乘积。C0t1/2值：值越大，表明达到复性一半所需的时间越长，复性值：值越大，表明达到复性一半所需的时间越长，复性反应越慢。反应越慢。2.复性动力学和基因组的不同序列组成复性动力学-认识基因组D19denaturationRe-associationMeasuring andplottingReassociation kineticsHighly repetitive DNAGenomic DNA extraction Shearing or sonicationmoderately repetitive DNAunique DNAunique DNASpectroscopy,hydroxyapatite chromotographydenaturationRe-associationMeas20Genome complexity:Unique sequence(单一序列单一序列):(one to a few copies)Moderately repetitive(中度重复中度重复)(1 million copies)Genome complexity:21Tandem(串连串连)gene clusters:rDNA:45S precursor(18,5.8&28S)10-10000 copies(human:ca.5x40);histone genes:100.Dispersed(分散分散)repetitive DNA:e.g.Alu and L1 elements.2.2.重复序列重复序列Tandem(串连)gene clusters:rDN22Dispersed repetitive DNA:Human Alu elements:300bp,300000 500 000 copies of 80-90%identityL1 element:Alu and L1:almost 10%of human genome.Transposition(转座转座),as selfish or parasitic DNA,role in evolutionDispersed repetitive DNA:23植物核基因组中的散布重复序列主要是一些可植物核基因组中的散布重复序列主要是一些可移位的遗传因子（移位的遗传因子（transposable elements），），可分成两类：转座子和逆转座子。可分成两类：转座子和逆转座子。转座元件转座元件(Transposable element)：它是指那些可在它是指那些可在DNA分子内分子内或或DNA分子间转移的分子间转移的DNA片段片段.转座元件的转移过程转座元件的转移过程转座转座转座的特点转座的特点:1.转座后原来位置的转座元件序列仍然保留转座后原来位置的转座元件序列仍然保留,但同时又把新合成但同时又把新合成的的DNA 复本插入到另外一个位点；复本插入到另外一个位点；2.转座过程需要转座酶转座过程需要转座酶(transposase).它催化断裂和重接两步连它催化断裂和重接两步连续的续的 过程；过程；3.转座元件插入位置的两侧有转座元件插入位置的两侧有3-12bp的正向重复序列的正向重复序列(靶序列靶序列),它它是由于转座酶错位切割是由于转座酶错位切割DNA造成的造成的.这种短正向重复序列是存在这种短正向重复序列是存在转座元件的特征转座元件的特征.植物核基因组中的散布重复序列主要是一些可移位的遗传因子（tr24植物细胞核基因组课件25转座子转座子(transposon):通过通过DNA复制而复制而转移的转座元件转移的转座元件.逆转座子逆转座子(retroposon)或返座子或返座子：通：通过过RNA阶段实现转移的转座元件阶段实现转移的转座元件(DNA RNA DNA 插入新位点插入新位点)，属于最丰，属于最丰富类型的散布重复序列。富类型的散布重复序列。转座的转座的遗传效应遗传效应导致基因重排、插导致基因重排、插入、缺失。入、缺失。转座子(transposon):通过DNA复制而转移的转座26Tandem(串联串联)gene clusters:各种各种rRNA、tRNA以及某些结构基因如组蛋白基因等都属于以及某些结构基因如组蛋白基因等都属于这一类。这一类。1.rDNA:45S precursor(18S-5.8 S-28S)10-10000 copies(human:ca.5x40);histone genes:100.Tandem(串联)gene clusters:各种rR27中度重复序列的特点中度重复序列的特点重复单位序列相似，但不完全一样，重复单位序列相似，但不完全一样，散在分布于基因组中散在分布于基因组中序列的长度和拷贝数非常不均一，序列的长度和拷贝数非常不均一，中度重复序列一般具有种属特异性，可作中度重复序列一般具有种属特异性，可作为为DNA标记标记中度重复序列可能是转座元件中度重复序列可能是转座元件(返座子返座子)，中度重复序列的特点重复单位序列相似，但不完全一样，散282.Satellite DNA(卫星卫星DNA)Highly repetitive(高度重复高度重复):Mouse genome DNASatellite DNA:30%GCEcoRI:234bp bandRepeats:GAAAAA(A/T)(G/C)T2.Satellite DNA(卫星DNA)Mouse29Satellite DNA 卫星卫星DNA:-Highly repetitive in eukaryotic genome(106).-very short(2 to 20-30bp,mini-or micro-),in tandem arrays-concentrated near the centromeres and forms a large part of heterochromatin.Satellite DNA 卫星DNA:30-as separate band in buoyant density gradient(浮力密度梯度浮力密度梯度)-no function found,except a possible role in kinetochore(动粒或中心粒动粒或中心粒)binding-Repeat number in some arrays hypervariable between individuals(fingerprinting 指纹印迹指纹印迹)-as separate band in buoyant 315 ATAAACTATAAACTATAAACT 33 TATTTGATATTTGATATTTGA 5Drosophila virilis satellite DNA repeat(several million copies)nATAAACT,1.1x107 bp,25%genomeATAAACT,3.6x106 bp,8%genomeACAAATT,3.6x106 bp,8%genomeAATATAG,crypticSatellites comprise more than 40%of the genome5 ATAAACTATAAACTATAAACT 332植物卫星植物卫星DNA富富GC组成。甜瓜卫星组成。甜瓜卫星DNA是研是研究较多的，由基本的究较多的，由基本的400bp序列组成，重复次序列组成，重复次数约数约106。在单子叶植物中，锦枣儿属植物。在单子叶植物中，锦枣儿属植物（Scilla）卫星）卫星DNA的重复单位为的重复单位为34bp长，长，GC占占78。大部分卫星大部分卫星DNA靠近染色体着丝粒、端粒区或靠近染色体着丝粒、端粒区或近端粒区。近端粒区。植物卫星DNA富GC组成。甜瓜卫星DNA是研究较多的，由基本333.3.基因家族基因家族一组功能相似且核苷酸序列具有同源性的基因可一组功能相似且核苷酸序列具有同源性的基因可能由某一共同祖先基因能由某一共同祖先基因(ancestral gene)经重复经重复(duplication)和突变产生。和突变产生。基因家族的特点：基因家族的特点：基因家族的成员可以串联排列在一起，形成基因簇基因家族的成员可以串联排列在一起，形成基因簇(gene cluster)或串联重复基因或串联重复基因(tandemly repeated genes)，如，如rRNA、tRNA和组蛋白的基因；和组蛋白的基因；有些基因家族的成员也可位于不同的染色体上，如有些基因家族的成员也可位于不同的染色体上，如珠蛋白基因；珠蛋白基因；有些成员不产生有功能的基因产物，这种基因称为有些成员不产生有功能的基因产物，这种基因称为假基因假基因(Pseudogene)3.基因家族一组功能相似且核苷酸序列具有同源性的基因可能由34典型的基因家族典型的基因家族1tRNA基因基因 单倍体人基因组中单倍体人基因组中1300个个tRNA基因，基因，tRNA基因簇基因簇2rRNA基因基因l00copyrRNA基因簇基因簇(重复单元重复单元28S、18S、5.8s-rRNA)3组蛋白基因组蛋白基因30-40copy定位：定位：7q32-q36组蛋白基因簇组蛋白基因簇(重复单位：重复单位：H1，H2A，H2B，H3、H4)特点：无特点：无intron，Poly(A)-RNA 4珠蛋白基因珠蛋白基因类：类：16p13，基因簇，基因簇(24Kb)：5-1-2-1-3类：类：11p15，基因簇，基因簇(60Kb)：5-Gr-Ar-3 典型的基因家族35超基因家族超基因家族(Supergene family(Supergene family，Superfamily)Superfamily)由基因家族和单基因组成的大基因家族，结构由基因家族和单基因组成的大基因家族，结构上有程度不等的同源性，但功能不同上有程度不等的同源性，但功能不同 超基因家族(Supergene family，Superf36Genome:1.Coding region(编码区编码区)2.Noncoding(非编码非编码)DNA:introns(内含子内含子),tandemly repeated(串连串连重复重复)sequences(e.g.satellite DNA)or interspersed repeats 分散重复分散重复(e.g.Alu element).4.真核基因的断裂结构真核基因的断裂结构Genome:4.真核基因的断裂结构37Uninterrupted genes（不间断基因）（不间断基因）in genomes:1.E.coli 100%2.Yeast 96%3.Drosophila17%4.Human6%Uninterrupted genes（不间断基因）in 38植物细胞核基因组课件39