第二章-人类基因组的结构与功能课件

第二章第二章 人类基因组的结构与功能人类基因组的结构与功能1 本章重点讲解本章重点讲解 1 1 人类基因组的组成人类基因组的组成 2 2 人类基因的组成人类基因的组成 3 3 人类多基因家族和重复人类多基因家族和重复DNADNA人类基因组人类基因组:是指单倍体细胞所代表的遗传信息是指单倍体细胞所代表的遗传信息.从从细胞遗传学水平细胞遗传学水平来说来说:是指人体细胞的是指人体细胞的2424条不同的染色体条不同的染色体.从从分子学水平分子学水平来说来说:是指组成这些染色体的是指组成这些染色体的2424个个DNADNA分子分子.2第一节第一节 人类基因组的组成人类基因组的组成人类基因组人类基因组核基因组核基因组28.5亿个碱基亿个碱基22.5万个基因万个基因线粒体基因组线粒体基因组16.6kb37个基因个基因2 rRNArRNA22 tRNA13个多肽编码基因个多肽编码基因基因外序列基因外序列75%基因和相关序列基因和相关序列25%单拷贝或中等重复单拷贝或中等重复编码编码DNA10%非编码非编码DNA90%假基因假基因基因片段基因片段内含子、非翻译序列等内含子、非翻译序列等单或低拷贝单或低拷贝60%中中高度重复高度重复40%分散重复分散重复串联重复或簇集重复串联重复或簇集重复3人类基因组常染色质序列人类基因组常染色质序列 2001年人基因组序列草图的缺点年人基因组序列草图的缺点 （1）丢失）丢失10%的常染色质基因组的常染色质基因组 （2）约有）约有150,000个间隙个间隙 （3）许多节段的次序和方向未定）许多节段的次序和方向未定 现在的序列图现在的序列图 （1）基因组序列：）基因组序列：2,851,330,913核苷酸（核苷酸（2.85Gb）（2）含有编码蛋白质基因：）含有编码蛋白质基因：20,00025,000个个 （3）覆盖基因组）覆盖基因组99%（4）还有）还有341个间隙，仍有个间隙，仍有1%序列未定序列未定是现今最精确和几乎完整的人基因组序列是现今最精确和几乎完整的人基因组序列4人类基因组的组成人类基因组的组成(按功能划分）按功能划分）5线线 粒粒 体体 基基 因因 组组环型封闭的双链环型封闭的双链DNA分子分子含有含有3737个基因（个基因（2 2个个rRNArRNA基因、基因、22tRNA22tRNA基因和基因和1313个多肽基因）个多肽基因）基因密度大，无内含子基因密度大，无内含子67nmtDNA的遗传学特征的遗传学特征:1.mtDNA是半自主性，能独立复制、转录和翻译；是半自主性，能独立复制、转录和翻译；2.Mi基因组的遗传密码与普通密码不同；基因组的遗传密码与普通密码不同；3.mtDNA为母系遗传；为母系遗传；4.mtDNA突变率高；突变率高；5.mtDNA具有阈值效应的特性；具有阈值效应的特性；6.mtDNA的进化率极高。的进化率极高。8核核 基基 因因 组组分布于分布于24条不同类型的条不同类型的DNA双链，其碱基成分与双链，其碱基成分与基因密度均有区域的差异。基因密度均有区域的差异。含有细胞含有细胞98%以上的以上的DNA。含有含有2.85106kb，编码，编码蛋白质序列占基因组蛋白质序列占基因组1.1%1.4%，基因数目约，基因数目约22.5万。万。DNA重复序列占基因组重复序列占基因组50%以上。以上。9B组组A组组D组组E组组F组组C组组G组组 染色体是基因的载体，基因分布于染色体是基因的载体，基因分布于条常染色体条常染色体和和条条性染色体性染色体上。染色体的大小不同其上分布的基因数不同。根据上。染色体的大小不同其上分布的基因数不同。根据染色体的长度和着丝粒的位置分为染色体的长度和着丝粒的位置分为A AG G共共7 7组组10染色体命名系统染色体命名系统DenverDenver体制（体制（19601960）染色体的大小和带型不同染色体的大小和带型不同11基因在染色体不同区域分布的密度不同基因在染色体不同区域分布的密度不同n平均每条染色体约含有平均每条染色体约含有130MbDNA，变异，变异在在50250Mb之间。平均一条带约有之间。平均一条带约有6MbDNA（550条带中期染色体）。条带中期染色体）。n基因在染色体不同区域分布和密度不同，在基因在染色体不同区域分布和密度不同，在着丝粒区、着丝粒区、Y染色体的大部分则无基因，异染染色体的大部分则无基因，异染色质区主要由重复的非编码色质区主要由重复的非编码DNA构成。构成。G-显显带深染带带深染带GC含量较浅染带低。含量较浅染带低。12常规常规G显带核型显带核型13常规常规G显带分析显带分析14第二节第二节 人类基因的组成人类基因的组成一、人基因的功能具有多样性，它们簇集或分散于不同的染一、人基因的功能具有多样性，它们簇集或分散于不同的染 色体区域色体区域-分布分布1 大多数基因都编码特异的多肽（蛋白）执行不同的功能大多数基因都编码特异的多肽（蛋白）执行不同的功能。2 许多基因为单拷贝许多基因为单拷贝 簇集于特殊染色体位置或分散于基因组簇集于特殊染色体位置或分散于基因组 某些基因为基因家族某些基因为基因家族3 编码编码RNA基因家族有许多成员：基因家族有许多成员：rRNA基因基因 tRNA基因基因 snRNA基因基因 其它其它RNA基因基因15有些基因构成基因家族，有些基因构成基因家族，簇集簇集于特殊染色体位置于特殊染色体位置或或分散分散于基因组。于基因组。如如:n珠蛋白基因簇由珠蛋白基因簇由5个相关基因组成，集群排列在个相关基因组成，集群排列在16号染色体短臂上。号染色体短臂上。n珠蛋白基因簇由珠蛋白基因簇由6个相关基因组成，集群排列在个相关基因组成，集群排列在11号染色体短臂上。号染色体短臂上。16 珠蛋白基因簇珠蛋白基因簇（16p13）珠蛋白基因簇珠蛋白基因簇（11p15）17某些多基因家族中的不同成员分布于不同染色体上。某些多基因家族中的不同成员分布于不同染色体上。如，组蛋白基因家族分散于不同染色体如，组蛋白基因家族分散于不同染色体H3H3H4H3H4H2AH2AH2AH3H1H2AH2B18编码编码RNA基因家族成员：基因家族成员：rRNA基因基因 tRNA基因基因 snRNA基因基因 其它其它RNA基因基因19编码编码RNA基因家族基因家族2021二二.人类基因在大小和内部组成上的不同人类基因在大小和内部组成上的不同1 大小多样大小多样 几个几个kb几个几个Mb 平均长约平均长约27kb，最大的为，最大的为dystrophin基因基因2.5Mb。基因大小与产物大小直接相关，但也有某些异常基因大小与产物大小直接相关，但也有某些异常 2 内部组成的多样性内部组成的多样性 大多数基因有外显子和内含子，少数无内含子大多数基因有外显子和内含子，少数无内含子 有内含子的基因中，内含子大小不同，一般大基因有大内含有内含子的基因中，内含子大小不同，一般大基因有大内含 子，因此，外显子含量百分比小，但也有大基因小内含子子，因此，外显子含量百分比小，但也有大基因小内含子 每个人类基因平均有每个人类基因平均有9个外显子，外显子的平均大小约个外显子，外显子的平均大小约122bp 22人类基因大小多样人类基因大小多样23三三.基因组中有少量重叠基因和基因内基因基因组中有少量重叠基因和基因内基因1 高度重叠基因高度重叠基因6p21.3在在4Mb的的HLA复合体有高度重叠基因复合体有高度重叠基因24NF1基因的第基因的第26内含子中有内含子中有3个小基因个小基因2 在大内含子中有完整的小基因在大内含子中有完整的小基因25第三节第三节 人类多基因家族和重复人类多基因家族和重复DNA一一.重复重复DNA和多基因家族的分类和鉴定方法和多基因家族的分类和鉴定方法依结合动力学，人类依结合动力学，人类DNA分为三大类：分为三大类：单拷贝单拷贝DNA 中等重复中等重复DNA 高度重复高度重复DNADNA重复序列的鉴定方法：重复序列的鉴定方法：DNA测序测序 DNA杂交检测杂交检测 PCR检测检测26二二.人类多基因家族人类多基因家族1.序列的相关性序列的相关性和和特殊保守序列特殊保守序列的相似性的相似性（1）典型基因家族）典型基因家族 高度的序列同源性和进化与功能上的相关性高度的序列同源性和进化与功能上的相关性（2）编码产物的基因家族）编码产物的基因家族 序列全长的同源性虽低，但有大而保守的功能域序列全长的同源性虽低，但有大而保守的功能域（基序）（基序）27（3）编码产物的基因家族）编码产物的基因家族具有很短的保守的氨基酸基序具有很短的保守的氨基酸基序 如：如：DEAD box基因家族（天冬基因家族（天冬-谷谷-丙丙-天冬氨）天冬氨）如：如：WD重复基因家族（色重复基因家族（色-天冬氨）天冬氨）28（4）基因超家族基因超家族 基因超家族的编码产物在功能上呈一般相关，在基因超家族的编码产物在功能上呈一般相关，在DNA大节段上，大节段上，其同源性序列很少，但有重要的保守的氨基酸基序（其同源性序列很少，但有重要的保守的氨基酸基序（Ig样）的共样）的共同结构特征。同结构特征。如：免疫球蛋白超家族如：免疫球蛋白超家族292人类基因家族分布与结构特点人类基因家族分布与结构特点（1）基因簇家族）基因簇家族-紧密簇集在一起紧密簇集在一起 珠蛋白基因簇珠蛋白基因簇（16p13）珠蛋白基因簇珠蛋白基因簇（11p15）30（2）分散基因家族分散基因家族成成员员间间无无明明显显物物理理关关系系，一一般般分分散散于于若若干干染染色色体体上上，有有序序列列多多样样性性和和假假基基因因。31 （3）编码编码RNA基因家族基因家族属于高拷贝数多基因家族属于高拷贝数多基因家族最后表达产物为最后表达产物为RNARNA分子分子 包括包括tRNAtRNA、snRNAsnRNA、rRNArRNA（28S28S，5.8S5.8S，18S18S）基因）基因 rRNArRNA基因簇分布于染色体基因簇分布于染色体1313、1414、1515、2121和和2222的的 短臂上短臂上32(4)人基因簇中常有：人基因簇中常有：假基因、截短基因、基因片段假基因、截短基因、基因片段如：如：型型HLA位于位于6号染色体号染色体，全长全长2Mb ，基因簇基因簇 17个成员，个成员，6个表达基因，个表达基因，4个全长假基因，个全长假基因，7个非功能截断基因或片段个非功能截断基因或片段 表达表达基因基因假基因假基因截短截短基因基因33人人 类类 分分 散散 基基 因因 家家 族族 常常 有有 许许 多多 加加 工工 假假 基基 因因（processing pseudogenes）：缺缺乏乏功功能能基基因因的的内内含含子子、启启动动子子序序列列，不不产产生生有功能活性的蛋白。有功能活性的蛋白。加工假基因产生机制加工假基因产生机制34（5）基因簇中单个基因可由一共同基因簇中单个基因可由一共同 座位控制区协调表达座位控制区协调表达LCR位位于于基基因因簇簇上上游游，是是活活性性染染色色质质区区域域，具具有有转转录录增增强强子子作作用用。353 3、基因组、基因组DNADNA序列的类型序列的类型 按其不同的结构和功能分类如：按其不同的结构和功能分类如：基因序列和非基因序列基因序列和非基因序列 编码序列和非编码序列编码序列和非编码序列 单一序列和单一序列和重复序列重复序列36基因外重复基因外重复DNA序列序列人类核基因组中具有大量高度重复序列家族。人类核基因组中具有大量高度重复序列家族。主要功能可能为主要功能可能为转录失活转录失活。分为两大类：分为两大类：卫星卫星DNA （1）串联重复）串联重复DNA 小卫星小卫星DNA 微卫星微卫星DNA （2）分散重复）分散重复DNASINEsLINEs37n卫星卫星DNA(satelliteDNA)是一类高度重复序列，是一类高度重复序列，DNA在介质氯化铯中作密度梯度离心，在介质氯化铯中作密度梯度离心，DNA分子将分子将按其大小分布在离心管内不同密度的氯化铯介质中，按其大小分布在离心管内不同密度的氯化铯介质中，小的分子处于上层，大的分子处于下层；从离心管外小的分子处于上层，大的分子处于下层；从离心管外看，不同层面的看，不同层面的DNA形成了不同的条带。根据荧光强形成了不同的条带。根据荧光强度的分析，可以看到在一条度的分析，可以看到在一条主带主带以外还有以外还有一个或多个一个或多个小小的卫星带。这些在卫星带中的的卫星带。这些在卫星带中的DNA即被称为卫星即被称为卫星DNA，这种，这种DNA的的GC含量一般含量一般少于少于主带中的主带中的DNA。串联重复串联重复卫星卫星DNA38n按其浮力密度的大小：按其浮力密度的大小：I、四类；四类；n按其重复单元的核苷酸数：小卫星按其重复单元的核苷酸数：小卫星DNA(minisatelliteDNA)和和微卫星微卫星DNA(microsatelliteDNA)两类；两类；n其他分类：其他分类：卫星卫星DNA是灵长类特有的单元为是灵长类特有的单元为171bp的高度重复序列的高度重复序列卫星卫星DNA家族是单元为家族是单元为68bp的串联重复序列，富含的串联重复序列，富含GC卫星卫星DNA是是220bp的串联重复的串联重复第第类卫星类卫星DNA称为隐藏的卫星称为隐藏的卫星DNA(cryptilsatellite)，包含，包含了多种串联重复序列的了多种串联重复序列的DNA分子，离心时并不像卫星分子，离心时并不像卫星DNA那样那样也分开，但它的属性却类似卫星也分开，但它的属性却类似卫星DNA。串联重复串联重复卫星卫星DNA卫星卫星DNA分类分类39串联重复串联重复卫星卫星DNA由由很很长长排排列列的的串串联联重重复复组组成成，重重复复单单位位为为一一简简单单或或中中等序列。等序列。此此类类DNA不不转转录录，位位于于有有重重要要功功能能的的真真核核染染色色体体的的着着丝粒和端粒上。丝粒和端粒上。40串联重复串联重复小卫星小卫星DNA由中等大小排列的串联重复构成。由中等大小排列的串联重复构成。常位于或近端粒，不转录。常位于或近端粒，不转录。包括：包括：A A：超可变小卫星超可变小卫星DNADNA 重复单位变化大，但共有核心序列（重复单位变化大，但共有核心序列（GGGCAGGXGGGGCAGGXG），可），可 能与人类细胞的同源重组有关。能与人类细胞的同源重组有关。B B：端粒端粒DNADNA 在在染染色色体体末末端端的的端端粒粒内内，主主要要为为101015kb15kb的的六六核核苷苷酸酸的的串串联联重重复复（TTAGGGTTAGGG），与与端端粒粒的的功功能能有有关关，防防止止染染色色体末端的降解、丢失体末端的降解、丢失.41超可变小卫星超可变小卫星DNA和端粒和端粒DNA4243串联重复串联重复微卫星微卫星DNA由简单串联重复单位构成，重复单位为由简单串联重复单位构成，重复单位为14bp。分散于全基因组。分散于全基因组。包括：包括：单核苷酸单核苷酸 双核苷酸双核苷酸A和和T重复很普遍，共重复很普遍，共10Mb，为基因组，为基因组0.3%G和和C重复少见重复少见CA重复多见，有很高的多态性，占基因组重复多见，有很高的多态性，占基因组0.5%CT/AG重复也普遍，占基因组重复也普遍，占基因组0.2%CG/GC重复很少重复很少三、四核苷酸重复较少，但常有高度多态。编码三、四核苷酸重复较少，但常有高度多态。编码DNA的串联的串联重复三核苷酸与某些疾病的病理机制有关。重复三核苷酸与某些疾病的病理机制有关。44微卫星微卫星DNA45分散重复分散重复DNASINE（短分散元件）：（短分散元件）：如人的如人的Alu家族家族：全长：全长280300bp.是人基因组中最丰富的序列是人基因组中最丰富的序列 每每3kb重复一次，拷贝数约为重复一次，拷贝数约为1 000 000，主要分散于常染色质区（染色体亮带）主要分散于常染色质区（染色体亮带）,170bp 130bp Alu46分散重复分散重复DNALINELINE（长分散元件）：（长分散元件）：如人的如人的KpnKpn重复重复：全长全长6.1kb 6.1kb，大约每，大约每50kb50kb重复一次，大约有重复一次，大约有100100 10000 10000个，编码逆转录酶，有两个个，编码逆转录酶，有两个ORFsORFs.大多数重复为截短大多数重复为截短5 5末端末端.主要分散于异染色质区（染色体暗带）主要分散于异染色质区（染色体暗带）.缺少编码序列，但可见于基因内的非编码序列缺少编码序列，但可见于基因内的非编码序列.47Alu家家族族和和Kpn元元件件48分散重复家族的许多成员是分散重复家族的许多成员是“可位移元件可位移元件”（一种不稳定的（一种不稳定的DNA元件），可移动到元件），可移动到基因组的不同区域基因组的不同区域-转座因子转座因子（transposable element or transposon）转座因子与转座转座因子与转座:转座因子：转座因子：细胞中能改变自身位置的一段脱氧核糖核酸（细胞中能改变自身位置的一段脱氧核糖核酸（DNA）序列或存在于染色体）序列或存在于染色体DNA 可自主复制和移位的基本单可自主复制和移位的基本单位。位。转座：转座：转座因子改变位置（例如从染色体上的一个位置转移到转座因子改变位置（例如从染色体上的一个位置转移到另一个位置，或者从质粒转移到染色体上）的行为。另一个位置，或者从质粒转移到染色体上）的行为。49n复制转座复制转座(replicativetransposition):转座因子在转座期间先复制转座因子在转座期间先复制一份拷贝，复制的拷贝转座到新的位置，在原先的位置上仍然保留一份拷贝，复制的拷贝转座到新的位置，在原先的位置上仍然保留原来的转座因子。复制转座有转座酶原来的转座因子。复制转座有转座酶(transposase)和解离酶和解离酶(resolvase)的参与。转座酶作用于原来的转座因子的末端，解离酶的参与。转座酶作用于原来的转座因子的末端，解离酶则作用于复制的拷贝。则作用于复制的拷贝。n非复制转座非复制转座(non-replicativetransposition):转座因子直接从原来转座因子直接从原来位置上转座插入新的位置，并留在插入位置上，这种转座只需转座位置上转座插入新的位置，并留在插入位置上，这种转座只需转座酶的作用。非复制转座的结果是在原来的位置上丢失了转座因子，酶的作用。非复制转座的结果是在原来的位置上丢失了转座因子，而在插入位置上增加了转座因子。而在插入位置上增加了转座因子。转座子（转座子（transposable element）-转座因子的转座途径转座因子的转座途径50转座子的作用转座子的作用n由于转座因子既能给基因组带来新的遗传物质，在某些由于转座因子既能给基因组带来新的遗传物质，在某些情况中又能像一个开关那样启动或关闭某些基因，并常情况中又能像一个开关那样启动或关闭某些基因，并常使基因组发生缺失、重复或倒位等使基因组发生缺失、重复或倒位等DNA重排，与生物重排，与生物演化有密切的关系，并可能与个体发育、细胞分化有关。演化有密切的关系，并可能与个体发育、细胞分化有关。n此外，带有不同抗药性基因的转座因子在细菌质粒间的此外，带有不同抗药性基因的转座因子在细菌质粒间的转座会导致多价抗药性质粒的形成，将使多种药物药效转座会导致多价抗药性质粒的形成，将使多种药物药效降低，对人类的健康是一个威胁。另一方面具有独特功降低，对人类的健康是一个威胁。另一方面具有独特功能的转座因子已经成为遗传学研究中一种有用的工具。能的转座因子已经成为遗传学研究中一种有用的工具。51 The END52