第三章-真核生物基因组课件

第三章第三章 真核生物基因组真核生物基因组 临床生化教研室临床生化教研室第三章 真核生物基因组 临床生化教研室1 1真核生物真核生物由真核细胞构成的生物。由真核细胞构成的生物。包括原生生物界、真菌界、植物界包括原生生物界、真菌界、植物界和动物界。和动物界。定义定义：真核生物是所有单细胞或：真核生物是所有单细胞或多细胞的、其细胞具有细胞核的生多细胞的、其细胞具有细胞核的生物的总称，它包括所有动物、植物、物的总称，它包括所有动物、植物、真菌和其他具有由膜包裹着的复杂真菌和其他具有由膜包裹着的复杂亚亚细胞结构细胞结构的生物。的生物。真核生物由真核细胞构成的生物。包括原生生物界、真菌界、植物界2 2真核生物与原核生物的根本性真核生物与原核生物的根本性区别是前者的细胞内含有细胞区别是前者的细胞内含有细胞核，因此以真核来命名这一类核，因此以真核来命名这一类细胞。许多真核细胞中还含有细胞。许多真核细胞中还含有其它细胞器，如线粒体、叶绿其它细胞器，如线粒体、叶绿体、高尔基体等。体、高尔基体等。真核生物与原核生物的根本性区别是前者的细胞内含有细胞核，因此3 3第一节第一节 真核生物染色体基因组真核生物染色体基因组 第二节第二节 染色体外的基因组染色体外的基因组 线粒体线粒体 第三节第三节 人类基因组人类基因组 第一节 真核生物染色体基因组 4 4第一节第一节 真核生物染色体基因组真核生物染色体基因组 一、真核生物染色体基因组的一般特征一、真核生物染色体基因组的一般特征二、单拷贝基因二、单拷贝基因三、重复序列三、重复序列四、基因家族四、基因家族五、端粒和端粒酶五、端粒和端粒酶六、基因移动六、基因移动第一节 真核生物染色体基因组 一、真核生物染色体基因组的一般5 5一、真核生物基因组的一般特征一、真核生物基因组的一般特征（一）基因组庞大一）基因组庞大：基因可达：基因可达109bp（二）线状双链（二）线状双链DNA和二倍体：染色体都是成对出现。和二倍体：染色体都是成对出现。（三）非编码区远多于编码区：仅（三）非编码区远多于编码区：仅1.5%的序列被转录的序列被转录表达。表达。（四）断裂基因（四）断裂基因（split gene）：基因不连续，外显子）：基因不连续，外显子和内含子并存。和内含子并存。（五）大量重复序列存在（五）大量重复序列存在：具有高度，中度重复序列：具有高度，中度重复序列一、真核生物基因组的一般特征（一）基因组庞大：基因可达106 6（一）基因组庞大（一）基因组庞大：真核生生物的基因组一般比较庞大。大肠杆菌：4.6 106bp碱基酵 母：1.2 107bp碱基人 类：3109bp碱基组成（一）基因组庞大：真核生生物的基因组一般比较庞大。7 7（二）线状双链（二）线状双链DNA和二倍体：和二倍体：线状双链线状双链DNA与蛋白结合形成染色体与蛋白结合形成染色体染色体：数量，多条染色体：数量，多条 基本都是成对出现。基本都是成对出现。特定的一组基因特定的一组基因（二）线状双链DNA和二倍体：线状双链DNA8 8（三）非编码区远多于编码区：（三）非编码区远多于编码区：人 类：3109bp碱基组成按按1000个碱基编码一种蛋白质计，理论上可有个碱基编码一种蛋白质计，理论上可有300万个基因。万个基因。但实际上，人细胞中所含基因总数大概是？万个。但实际上，人细胞中所含基因总数大概是？万个。说明在人细胞基因组中有许多说明在人细胞基因组中有许多DNA序列并不转录序列并不转录成成mRNA用于指导蛋白质的合成。用于指导蛋白质的合成。仅仅1.5%的序列被转录表达。的序列被转录表达。绝大部分为非编码区绝大部分为非编码区（三）非编码区远多于编码区：人 类：3109b9 9（四）断裂基因（四）断裂基因（split gene）：）：真核生物结构基因，由若干个编码区和非真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。CABD编码区编码区 A、B、C、D非编码区非编码区（四）断裂基因（split gene）：真核生物结构基因，由1010（五）大量重复序列存在（五）大量重复序列存在：具有高度，中度重复序列具有高度，中度重复序列重复次数可达百万次以上重复次数可达百万次以上（五）大量重复序列存在：具有高度，中度重复序列1111二、二、单拷贝基因单拷贝基因单拷贝基因：基因组中仅出现一次的基因单拷贝基因：基因组中仅出现一次的基因。多为编码蛋白质的基因，通常复杂多为编码蛋白质的基因，通常复杂具有以下特点：单顺反子、断裂基因。具有以下特点：单顺反子、断裂基因。二、单拷贝基因1212（一）单顺反子（一）单顺反子1.转录后直接形成成熟转录后直接形成成熟mRNA翻译出一条多翻译出一条多肽链肽链。2.hnRNA不同时空转录起点、剪接方式或终不同时空转录起点、剪接方式或终止点可不同，成熟为二种以上的止点可不同，成熟为二种以上的mRNA和和多肽链。多肽链。（一）单顺反子1.转录后直接形成成熟mRNA翻译出一条多肽链1313原核生物的多顺反子原核生物的多顺反子真核生物的单顺反子真核生物的单顺反子非编码序列非编码序列核蛋白体结合位点核蛋白体结合位点起始密码子起始密码子终止密码子终止密码子编码序列编码序列PPP5 3 蛋白质蛋白质PPPmG-5 3 蛋白质蛋白质原核生物的多顺反子真核生物的单顺反子非编码序列核蛋白体结合位1414（二）断裂基因（二）断裂基因细胞内的结构基因并非全由编码序列细胞内的结构基因并非全由编码序列组成，而是在编码序列中插入了非编组成，而是在编码序列中插入了非编码序列。码序列。外显子（外显子（exon）:断裂基因中的编码序列。断裂基因中的编码序列。内含子（内含子（intron）:非编码序列。非编码序列。（二）断裂基因细胞内的结构基因并非全由编码序列组成，而是在编1515第三章-真核生物基因组课件1616不同基因内含子长度和数目不等人胰岛素：1个内含子 人胶原基因：52个内含子 外显子与所编码的蛋白质功能结构域一致内含子有共同特征：GT/AG规则不同基因内含子长度和数目不等1717三、重复序列三、重复序列定义：指多拷贝的相同或近似序列定义：指多拷贝的相同或近似序列的的DNA片段。片段。分类：分类：高度重复序列、中度重复序列高度重复序列、中度重复序列三、重复序列定义：指多拷贝的相同或近似序列的DNA片段。1818（一）高度重复序列（一）高度重复序列：一般由较短的序列（一般由较短的序列（10-300bp）组成，常集中在一起串联）组成，常集中在一起串联排列，重复频度排列，重复频度105，占基因组，占基因组1060%。（一）高度重复序列：一般由较短的序列（10-301919分类：分类：按其结构特点分为三类：按其结构特点分为三类：1、反向重复序列、反向重复序列2、卫星、卫星DNA3、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分类：按其结构特点分为三类：20201、反向重复序列、反向重复序列这种重复顺序复性速度极快，即使在极稀的DNA浓度下，也能很快复性约占人基因组的5。反向重复序列由两个相同顺序的互补拷贝在同一DNA链上反向排列而成。变性后再复性时，同一条链内的互补的拷贝可以形成链内碱基配对，形成发夹式或“+”字形结构。它们多数散布，非群集于基因组中。1、反向重复序列这种重复顺序复性速度极快，即使在极稀的DNA21215 GGAATCGATCTTAAGATCGATTCC 33 CCTTAGCTAGAATTCTAGCTAAGG 55 GGAATCGATCTTAAGATCGATTCC 322222、卫星、卫星DNA卫星卫星DNA(satelliteDNA)是是另一类高度重复序列，这另一类高度重复序列，这类重复顺序的重复单位一类重复顺序的重复单位一般由般由2-100bp组成，成串排组成，成串排列。列。由于这类序列的碱基组成由于这类序列的碱基组成不同于其他部份，可用等不同于其他部份，可用等密度梯度离心法将其与主密度梯度离心法将其与主体体DNA分开，因而称为卫分开，因而称为卫星星DNA或随体或随体DNA。在人细胞组中卫星在人细胞组中卫星DNA约约占占5-6。2、卫星DNA卫星DNA(satelliteDNA)是另一类2323卫星卫星DNA分类：分类：1卫星卫星DNA（satellite DNA）2小卫星小卫星DNA（mini-satellite DNA）3微卫星微卫星DNA（micro-satellite DNA）卫星DNA分类：1卫星DNA（satellite DNA）2424高度重复序列比较高度重复序列比较重复长度重复长度总长度总长度定位定位卫星卫星DNA5100bp100Mb异染色质，中心粒，端异染色质，中心粒，端粒附近，通常不转录粒附近，通常不转录小卫星小卫星DNA1570bp0.530kb常染色质常染色质 高度多态性高度多态性微卫星微卫星DNA26bp400bp常染色质常染色质高度重复序列比较重复长度总长度定位卫星DNA5100bp12525微卫星微卫星DNA 重复单位序列最短，只有重复单位序列最短，只有26bp，串联成，串联成簇，重复次数簇，重复次数15-60次，长度次，长度400bp以下，以下，又称为又称为短串联重复序列短串联重复序列（Short Tandem Repeat STR)。广泛分布于广泛分布于基因组基因组中。中。其中富含其中富含A-T碱基对。碱基对。以（以（CA）n、（GT）n（CAG）n微卫星DNA 重复单位序列最短，只有26bp，串联成簇2626特点：特点：种类多、分布广，在人群中世代相传。在种类多、分布广，在人群中世代相传。在基因组中平均基因组中平均50kb就有一个重复序列，突就有一个重复序列，突变率低（变率低（0.04%）。）。在人群中高度多态，其多态信息含量容量在人群中高度多态，其多态信息含量容量超过超过70%。其多态性表现为正常人群的不。其多态性表现为正常人群的不同个体某一基因位点重复序列的重复次数同个体某一基因位点重复序列的重复次数可不一样，同一个体的两个同源染色体上可不一样，同一个体的两个同源染色体上重复次数也可以不一样，即微卫星重复次数也可以不一样，即微卫星DNA拷拷贝数在人群中是可变的。贝数在人群中是可变的。具有遗传连锁不平衡现象。具有遗传连锁不平衡现象。特点：种类多、分布广，在人群中世代相传。在基因组中平均50k2727均可被转录，有些编码蛋白质，而另一些均可被转录，有些编码蛋白质，而另一些则位于非转译区的则位于非转译区的5端和端和3端不编码蛋白质。端不编码蛋白质。属于不稳定的属于不稳定的DNA序列，其数目在某些遗序列，其数目在某些遗传病中有扩大现象，而这种扩增并非是减传病中有扩大现象，而这种扩增并非是减数分裂的重组造成，扩大可发生在减数分数分裂的重组造成，扩大可发生在减数分裂过程中，由一代传递给另一代，也可发裂过程中，由一代传递给另一代，也可发生在有丝分裂中，导致嵌合体形成。与成生在有丝分裂中，导致嵌合体形成。与成熟人体细胞比较，微卫星熟人体细胞比较，微卫星DNA在胚胎时期在胚胎时期有丝分裂很不稳定。有丝分裂很不稳定。在不同基因位点上的微卫星在不同基因位点上的微卫星DNA的重复序的重复序列可以不同，也可以相同。列可以不同，也可以相同。均可被转录，有些编码蛋白质，而另一些则位于非转译区的5端和28283、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。这种重复顺序为灵长类所独有。用限制性内切酶用限制性内切酶Hind消化非洲消化非洲绿猴绿猴DNA，可以得到重复单位为，可以得到重复单位为172bp的高度重复顺序，这种顺序的高度重复顺序，这种顺序大部份由交替变化的嘌呤和嘧啶组大部份由交替变化的嘌呤和嘧啶组成。有人把这类称为成。有人把这类称为卫星卫星DNA。而人的而人的卫星卫星DNA更为复杂。更为复杂。3、较复杂的重复单位组成的重复顺序 这种重复顺序为2929高度重复序列的功能高度重复序列的功能参与复制水平的调节反向序列常存在于参与复制水平的调节反向序列常存在于DNA复制复制起点区的附近。另外，许多反向重复序列是一些起点区的附近。另外，许多反向重复序列是一些蛋白质（包括酶）和蛋白质（包括酶）和DNA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DNA的重复顺序可以转录到的重复顺序可以转录到核内不均一核内不均一RNA分子中，而有些反向重复顺序可分子中，而有些反向重复顺序可以形成发夹结构，这对稳定以形成发夹结构，这对稳定RNA分子，免遭分解分子，免遭分解有重要作用。有重要作用。参与转位作用，几乎所有转位因子的末端都包括参与转位作用，几乎所有转位因子的末端都包括反向重复顺序，长度由几个反向重复顺序，长度由几个bp到到1000bp。由于。由于这种顺序可以形成回文结构，因此在转位作用中这种顺序可以形成回文结构，因此在转位作用中即能连接非同源的基因，又可以被参与转位的特即能连接非同源的基因，又可以被参与转位的特异酶所识别。异酶所识别。高度重复序列的功能参与复制水平的调节反向序列常存在于DNA复3030与进化有关，不同种属的高度重复顺与进化有关，不同种属的高度重复顺序的核苷酸序列不同，具有种属特异序的核苷酸序列不同，具有种属特异性，但相近种属又有相似性。性，但相近种属又有相似性。同一种属中不同个体的高度重复顺序同一种属中不同个体的高度重复顺序的重复次数不一样，这可以作为每一的重复次数不一样，这可以作为每一个体的特征，即个体的特征，即DNA指纹。指纹。卫星卫星DNA成簇的分布在染色体着丝粒成簇的分布在染色体着丝粒附近，可能与染色体减数分裂时染色附近，可能与染色体减数分裂时染色体配对有关，即同源染色体之间的联体配对有关，即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会可能依赖于具有染色体专一性的特定卫星定卫星DNA顺序。顺序。与进化有关，不同种属的高度重复顺序的核苷酸序列不同，具有种属3131（二）中度重复序列（二）中度重复序列 主要由较大的片段（主要由较大的片段（100-几千个几千个bp）串联重复组成，）串联重复组成，分散在整个基因组中，少数在基因中成串排列在一分散在整个基因组中，少数在基因中成串排列在一个区域，大多数与单拷贝基因间隔排列个区域，大多数与单拷贝基因间隔排列 分为短分散片段和长分散片段：分为短分散片段和长分散片段：短分散片段：短分散片段：300bp 拷贝数拷贝数10万万 长分散片段：长分散片段：1000bp 拷贝数拷贝数1万万 其表达产物常是细胞大量需要的，如其表达产物常是细胞大量需要的，如rRNA、tRNA等。等。（二）中度重复序列32321rRNA基因基因：rRNA常集中成簇存在基因组中，常集中成簇存在基因组中，28s、18s和和5.8s串联排列，串联排列，300个拷贝，个拷贝，5s单独存单独存在，有在，有2000个拷贝。个拷贝。2tRNA基因基因:每种氨基酸都有一种或多种每种氨基酸都有一种或多种tRNA，而每一种而每一种tRNA基因也有几十基因也有几十几百个拷贝。同一几百个拷贝。同一种基因常串联在一起，排列成基因簇。种基因常串联在一起，排列成基因簇。3Alu家族家族：长度约：长度约300bp，富含，富含GC。具有一个。具有一个Alu I酶切位点酶切位点(AGCT)，因而得名。分布非常广，因而得名。分布非常广，重复次数重复次数100万，约万，约10%基因组。基因组。1rRNA基因：rRNA常集中成簇存在基因组中，28s、3333真核生物真核生物rRNA基因的加工基因的加工真核生物rRNA基因的加工3434四、基因家族四、基因家族(gene family)（一）基因家族：（一）基因家族：一组功能相似且核苷酸一组功能相似且核苷酸序列具有同源性的基因，序列具有同源性的基因，在进化过程中从在进化过程中从一个祖先基因一个祖先基因经重复和突变经重复和突变演变而来的。演变而来的。（二）假基因（二）假基因（pseudogene）：与具正）：与具正常功能的基因序列相似，但无转录功能或常功能的基因序列相似，但无转录功能或转录产物无功能的基因。转录产物无功能的基因。四、基因家族(gene family)（一）基因家族：一组功3535组蛋白基因家族组蛋白基因家族 组蛋白基因家族 3636五、端粒和端粒酶五、端粒和端粒酶端粒（端粒（telomere）真核染色体末端特有的结构，是一种特殊的核蛋白结构，真核染色体末端特有的结构，是一种特殊的核蛋白结构，由由“TTAGGG”重复序列和端粒结合蛋白构成，具有保护染色体重复序列和端粒结合蛋白构成，具有保护染色体末端和保证复制正常进行的作用，与细胞周期和衰老密切相关。末端和保证复制正常进行的作用，与细胞周期和衰老密切相关。端粒酶端粒酶(telomerase)一种特殊的逆转录酶，由蛋白质和一种特殊的逆转录酶，由蛋白质和RNA两部分组成，它以两部分组成，它以自身的自身的RNA为模板，可合成端粒重复序列而延长端粒。为模板，可合成端粒重复序列而延长端粒。五、端粒和端粒酶端粒（telomere）3737端粒酶的催端粒酶的催化延长作用化延长作用爬爬行行模模型型端粒酶的催化延长作用爬行模型3838DNADNA聚合酶复制子链聚合酶复制子链进一步加工进一步加工DNA聚合酶复制子链进一步加工3939六、基因移动六、基因移动 基因在染色体上不是固定不变的，可以从基因在染色体上不是固定不变的，可以从某一处转移到另一处，称为基因移动。某一处转移到另一处，称为基因移动。发生移动的基因称为可移动基因。发生移动的基因称为可移动基因。以转座子形式运动以转座子形式运动六、基因移动 基因在染色体上不是固定不变的，可以4040第二节第二节 染色体外的基因组线粒体染色体外的基因组线粒体 线线粒粒体体DNA（mitochondria，mtDNA）全全长长为为16.5kb，环环状状双双链链分分子子，不不含含内内含含子子。共共有有37个个编编码码基基 因因，2个个 rRNA（12sRNA和和 16sRNA）和和 22个个tRNA（tRNAser和和tRNAleu各各2个个基基因因），另另有有13个个为多肽编码基因。为多肽编码基因。第二节 染色体外的基因组线粒体 线粒4141线粒体线粒体DNA线粒体DNA4242二、线粒体二、线粒体DNA的遗传特性的遗传特性（一）线粒体一）线粒体DNA(mtDNA)：母性遗传的核外遗传物质母性遗传的核外遗传物质（二）与核（二）与核DNA区别：区别：1、非孟德尔的母系遗传、非孟德尔的母系遗传 2、高突变率、高突变率 3、异质性和复制分离、异质性和复制分离 4、阈值效应、阈值效应 5、半自主复制与协同作用、半自主复制与协同作用二、线粒体DNA的遗传特性（一）线粒体DNA(mtDNA)4343第三节第三节 人类基因组人类基因组 一、人类基因组概貌一、人类基因组概貌 二、人类基因组的多态性及在分子诊断中的应用二、人类基因组的多态性及在分子诊断中的应用三、人类基因组研究三、人类基因组研究 第三节 人类基因组 一、人类基因组概貌 4444一、人类基因组概貌一、人类基因组概貌 基基因因甲甲基基化化：DNA甲甲基基化化是是甲甲基基转转移移酶酶将将胞胞嘧嘧啶啶转转变变为为5-甲甲基基胞胞嘧嘧啶啶，DNA甲甲基基化化后后表达下调。表达下调。一、人类基因组概貌 基因甲基化：DN4545二、人类基因组的多态性及在分子诊断二、人类基因组的多态性及在分子诊断中的应用中的应用（一）短串联重复序列（一）短串联重复序列(short tandem repeat,STR)主要用途：主要用途：人类基因遗传图谱的制作。人类基因遗传图谱的制作。目的基因筛选和基因诊断。目的基因筛选和基因诊断。法医学个体识别和亲权鉴定。法医学个体识别和亲权鉴定。二、人类基因组的多态性及在分子诊断中的应用（一）短串联重复序4646（二）单核苷酸的多态性（二）单核苷酸的多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)主要用途：主要用途：疾病的连锁分析与基因的定位疾病的连锁分析与基因的定位 指导用药和药物设计指导用药和药物设计 用于进化和种群多样性的研究用于进化和种群多样性的研究 （二）单核苷酸的多态性(single nucleotide4747三、人类基因组研究三、人类基因组研究（一）（一）1990年，年，“人类基因组计划（人类基因组计划（human genome project，HGP）”启动。启动。（二）（二）1994年，我国年，我国HGP启动，参与启动，参与1%工作。工作。（三）（三）2001年年2月月12日，美国日，美国Celera公司与人类基因组计划分别公司与人类基因组计划分别在科学和自然杂志上公布了人类基因组精细图谱及在科学和自然杂志上公布了人类基因组精细图谱及其初步分析结果。其初步分析结果。（四）（四）2003年年4月月14日中、美、日、德、法、英等日中、美、日、德、法、英等6国科学家宣国科学家宣布人类基因组序列图绘制成功。布人类基因组序列图绘制成功。三、人类基因组研究（一）1990年，“人类基因组计划（hu4848人类基因组作图人类基因组作图v遗传图谱（遗传图谱（genetic map）指通过计算连锁遗传标志之间的重组频率，得指通过计算连锁遗传标志之间的重组频率，得到基因线性排列从而确定相对距离的图谱，又称到基因线性排列从而确定相对距离的图谱，又称连锁图（连锁图（linkage map）。）。v物理图谱（物理图谱（physical map）指标明一些界标（已定位的指标明一些界标（已定位的DNA序列，如限制序列，如限制酶的切点、酶的切点、CpG序列、基因等）在序列、基因等）在DNA上的位上的位置，确定遗传标志之间物理距离的图谱置，确定遗传标志之间物理距离的图谱。人类基因组作图遗传图谱（genetic map）4949q转录图谱（转录图谱（transcriptional map）是具有表达能力，利用是具有表达能力，利用EST作为标记所构建的分子作为标记所构建的分子遗传图谱。遗传图谱。序列图谱（序列图谱（sequencing mapsequencing map）是获得人类基因组是获得人类基因组DNADNA的全部核苷酸序列。的全部核苷酸序列。转录图谱（transcriptional map）5050