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1、医学分子生物学,基因和基因组,基因是遗传的基本单位,基因：能够表达和产生蛋白质或RNA的DNA序列，是决定遗传性状的功能单位。Gene:The basic unit of heredity.Contains the information for making one RNA and,in most cases,one polypeptide,结构基因:基因中编码RNA或蛋白质的DNA序列调控序列:启动子/增强子/加尾信号,基因组(Genome),细胞或生物体 一套完整单倍体的遗传物质的总和。,常染色体：22 性染色体：X,Y 线粒体,人（Homo Sapien）,基因组储存了生物体整套的遗传
2、信息不同生物基因组蕴含的遗传信息量有着巨大的差别不同生物基因组的结构与组织形似也明显不同,基因组的大小,C值：单倍体基因组的DNA总量对原核生物和低等真核生物而言，单倍体基因组DNA的量和形态复杂性相关,C值矛盾：指一个有机体的C值和其编码能力缺乏相关性。如：爪蟾的基因组大小和人类相似;两栖类最小的基因组和最大的基因组之间相差约100倍C值矛盾在进化中的原因和机制尚不清楚,病 毒：动物病毒,原核生物：E.Coli,真核生物:哺乳动物,病毒基因组,病毒基因组核酸的主要类型,1、双链DNA 多数动物病毒，如腺病毒、疱疹病毒、痘病毒，环形、线形。2、单链DNA 动物病毒中仅微小病毒为单链病毒；噬菌体
3、中仅含单链DNA。,病毒基因组,RNA病毒基因组所携带的遗传信息一般在同一条链上，序列与mRNA相同的为正股（+），与mRNA互补的为负股（）3、双链RNA 以负链RNA为模板转录出mRNA，如呼肠孤病毒及噬真菌体。4、单链负股RNA 5、单链正股RNA：如逆转录病毒,种类单一：DNA or RNA 形式多样：单链、双链、分节段、环状、线状 单倍体基因组：每个基因在病毒中出现一次(特例:Retrovirus 双倍体)大小不一：2x103-2x105bp 基因重叠：高效资源利用 动物病毒与真核细胞基因组相似:有的含内含子间断;细菌病毒(噬菌体)与原核细胞基因组相似连续 编码基因90%具有不规则结
4、构基因:结构基因的编码区无间隔;有些病毒的mRNA没有5端帽结构发卡结构的翻译增强子;结构基因本身不具有翻译起始序列,病毒基因组结构与功能的特点*,病毒不规则结构基因,DNA病毒 RNA过程,HBV 基因结构,原核生物基因组,模式生物:大肠杆菌(E.coli),细菌的遗传物质,Genome DNA,plasmid,Transposable element,原核生物基因组结构与功能特点*,1、为一条环状双链DNA(无典型染色体结构,拟核)2、只有一个复制起点（Ori）3、具有操纵子结构4、重复序列少:绝大部分基因为单拷贝（99.7%）5、可表达基因约50%，真核生物，病毒6、基因一般是连续的，无
5、内含子（古细菌除外）7、编码顺序一般不重叠,操纵子*,原核基因组特有的结构数个功能上相关联的结构基因串联在一起,构成信息区,连同其上游的调控区(包括启动子和操纵基因)以及下游的转录终止信号所构成的基因表达单位。所转录的RNA为多顺反子。操纵基因并非一个基因，而是一段能被特异阻遏蛋白识别和结合的DNA序列。,质粒DNA*细菌染色体外的遗传物质。共价、闭合、环状结构的DNA分子（cccDNA），能独立复制。非细菌生长所必须，但能赋予细菌特定的遗传性状。C：Covalent C：Closed C:Circular Drug resistant(R),Fertility(F),Colicin(Col)
6、,转位因子,可移动的基因成分，能够在一个DNA分子内部或两个DNA分子之间移动的DNA片段。在细菌中，指可在质粒和染色体之间或在质粒和质粒之间移动的DNA片段。转位也是DNA重组的一种形式。细菌的转位因子包括：插入序列（IS），转座子及可转座的噬菌体,IS：转位酶+（双侧）反向重复序列,Transposon：转座酶+反向重复序列+特定编码基因,Transposable phage:具备转座功能的溶源噬菌体 Mu噬菌体：温和致突变噬菌体,Ap Kan Tet Hg,细菌转位因子,真核生物基因组,模式生物：酵母、线虫、果蝇、小鼠、大 鼠,真核生物基因组结构与功能特点*,1.真核生物基因组远大于原核
7、生物基因组，结构复杂，基因数庞大，具有多个复制起点。2.基因组DNA与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞核内3.真核基因为单顺反子，而细菌和病毒的结构基因为多顺反子。单顺反子，一个结构基因经转录和翻译生成一个mRNA分子或一条多肽链。多顺反子，即数个结构基因联在一起，受同一调节区调节，即具有操纵子结构（包括功能上相关的几个蛋白质基因和一个共同的基因调控区组成的一段DNA）,4.基因组中非编码区远多于编码区。5.真核基因多是不连续的（断裂基因），由外显子和内含子镶嵌排列而成。1977,Broker&Sharp RNA剪接：1993年Noble Prize外显子(exon)不仅包括基因中编码蛋白质氨
8、基酸的DNA顺序，而且包括mRNA中的5前导顺序和3端非翻译顺序。内含子(intron)则是指插入到编码序列之中的非编码序列断裂基因的表达必须要以代表基因组顺序的RNA前体中精确地除去内含子，产生一系列外显子组成的成熟RNA，此过程称为RNA剪接。,Splicing,hnRNA,mRNA,6.存在大量重复序列轻度重复：2-10 copies,组蛋白及酵母tRNA基因中度重复：10-105 copies,一般为非编码序列，起调控作用Alu,KpnI,EcoRI 家族 高度重复:105-million copies,非编码序列卫星DNA：大，小，微 反向重复序列7.功能相关的基因构成各种基因家族(
9、gene family)8.存在可移动的遗传因素（mobile genetic element）9.体细胞为双倍体，配子（精子/卵子）为单倍体,（多）基因家族：指核苷酸序列或编码产物的结构具有一定程度同源性的一组基因，它们功能相似。基因超家族：一组由多基因家族及单基因组成的更大的基因家族。它们的结构有程度不等的同源性，但功能并不一定相同，甚至毫无相同之处。在进化上亲缘关系较远。假基因：多基因家族中，某些成员并不能表达出有功能的产物。与有功能的基因同源，但因突变等原因失活，可能为进化的痕迹。,20世纪人类科技史上的三大创举,40年代第一颗原子弹爆炸,60年代人类首次登上月球,90年代人类基因组计
10、划,基因组学：以分子生物学技术、计算机技术和信息网络技术为研究手段，以生物体内全部基因为研究对象，在全基因背景下和整体水平上探索生命活动的内在规律及其内外环境影响机制的科学。,1.根据研究的重点分类：结构基因组学、功能基因组学、比较基因组学。2.根据研究对象分类：肿瘤基因组学、植物基因组学、药物基因组学、环境基因组学等。,基因组学(genomics)概念及分类,遗传信息在染色体上，但染色体不能直接用来测序，必须将基因组这一巨大的研究对象进行分解，使之成为较易操作的小的结构区域，这个过程就是基因作图。根据使用的标志和手段不同，有4种作图类型：遗传图谱、物理图谱、序列图谱、基因图谱。,基因组作图,
11、1、遗传图谱(genetic map)/连锁图谱(linkage map)指基因或DNA标志在染色体上的相对位置与遗传距离。它以具有多态性的遗传标记为“路标”，以重组频率为图距的基因组图。遗传图谱的建立为基因识别和完成基因定位创造了条件。遗传多态性：在一个遗传位点上具有一个以上的等位基因，在群体中的出现频率皆高于1%遗传标记：等位基因、RFLP、MS、SNP等遗传距离：在减数分裂事件中两个位点之间进行交换、重组的百分率，1%的重组率称为1“厘摩(centi-Morgan，cM)”,限制性片段长度多态性（restriction fragment length polymorphisms,RFLP
12、s）：用一种或几种限制性内切酶切割基因组DNA，用探针杂交并放射自显影。由于DNA酶切位点的变异所造成的“能切”与“不能切”两种状况，可产生不同长度的片段(等位片段),可用凝胶电泳显示多态性。,数量可变串联重复(VNTR)/小卫星,短串联重复(STR)/微卫星(MS):使遗传图的精度提高;可作为物理图谱的标志，促进了遗传图谱与物理图谱的整合。,单核苷酸多态性(Single Nucleotide Polymorphisms，SNPs)不同个体间在基因水平上的单核苷酸变异。平均每5001000bp出现一个碱基差异,如果一个碱基位置发生的变异在1%以上的人群中存在，这个位点就被定义为SNP位点。位于
13、编码区的SNP称为cSNP。2个无关个体间有300万SNPs.,单核苷酸多态标记（SNP）,2、物理图谱 指DNA序列上各遗传标志间的实际距离，是把遗传图谱中克隆群上的DNA片段按实际的物理位置进行排序所构建的图谱。距离单位为bp/kb/Mb。,物理图谱反映的是DNA序列上两点之间的实际距离，而遗传图谱则反映这两点之间的连锁关系。在DNA交换频繁的区域，两个物理位置相距很近的基因或DNA片段可能具有较大的遗传距离，反之亦然。,染色体显带技术：通过各种染色法，以染色体上显示的深浅不同的带型确定DNA序列分布和位置，可区分107bp范围。,细胞遗传学图:用于对以104kb为长度量级的区域制图,FI
14、SH（荧光原位杂交)技术,荧光原位杂交图（fluorescent in situ hybridization map，FISH map）：用不同波长荧光标记的各种DNA序列（探针），与染色体上的互补序列杂交而不破坏染色体的整体形态，显微镜下观察、辨认荧光标记在染色体上的定位并绘制图谱。,限制性图谱(restriction map):用于对小区域,如kb量级做精细结构制图,限制性酶切图：选用合适的限制性核酸内切酶对基因组DNA或部分基因组DNA进行酶切，获得以酶切位点为标记的物理图。,辐射杂交图：对片段DNA的断点作图。,辐射杂交细胞图（radiation hybrid map，RH）：利用X射
15、线照射人细胞，使染色体随机断裂，然后与啮齿动物细胞杂交克隆，人的染色体片段便被整合到啮齿动物染色体上。两个相邻基因或DNA标志的距离越近，越可能出现在同一片段，进入同一杂交细胞。通过识别、定位技术和统计学分析，可计算人DNA标志的连锁关系及其在染色体上的排列。,Huds on TJ等构建的相隔 199kb含有15086个STS图谱标志着人类基因组计划的物理图谱已初步完成。序列标签位点(sequence tagged sites,STSs):在染色体上定位明确，而且可用PCR扩增的单拷贝序列，通常为200-500bp。,3、序列图谱 以某一染色体上所含的全部碱基顺序绘制的图谱。既包括可转录序列，
16、也包括非转录序列，是转录序列、调节序列和功能未知序列的总和。,连续克隆系逐个克隆法（公共领域测序计划）,（1）建立插入人类基因组片段的酵母人工染色体（YAC）克隆群。（2）利用高频分布、易于检索的DNA标志或者DNA指纹图谱建立克隆之间的联系，组成有序排列的连续克隆系，最常使用的DNA标志有STS和表达的序列标签（expressed sequence tag，EST）。（3）将克隆群定位于染色体的不同区域，构成完全基因组物理图谱。（4）进行次级克隆，序列分析。,用机械方法打断DNA，建立插入片段约2kb的高度随机基因组文库。高效、大规模的两末端测序。用有关软件对测序克隆片段进行序列集合。用适当
17、方法填补缺口。,全基因组鸟枪法（美国Celera公司）,直接将基因组分解成小片段随机测序，利用超级计算机进行组装,4、基因图谱（转录图谱）,基因图谱是在识别基因组所包含的蛋白质编码序列的基础上绘制的结合有关基因序列、位置及表达模式等信息的图谱。最主要的方法是通过基因的表达产物mRNA反追到染色体的位置。利用EST作为标记所构建的遗传图谱,Expressed Sequence Tags(EST),对基因转录表达产物mRNA互补的cDNA（其片段称为表达序列标签，EST）进行大规模测序是序列标签位点的主要来源，并以此构建人类基因组转录图（基因图）。,思考题,试述病毒、原核生物和真核生物基因组结构的不同之处 试说明真核生物的基因组很庞大，但所含基因总数却很少的原因？并且分析真核生物基因编码和调控的复杂性。,
