有机体染色体基因组和基因.ppt

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有机体(Organism),有机体,原核生物,(Prokaryote),真核生物,(Eukaryote),一、原核生物(Prokaryote),原核生物是细菌、放线菌、衣原体、支原体等比较原始的生物的总称。,其特点为：有细胞壁（除支原体外）；无真正的细胞核（无核膜），但有核区；DNA无蛋白质与之结合；有核糖体，缺乏其它细胞器；DNA的转录和翻译是同时进行等。,原核生物虽然简单，但细胞中各种各样结构、代谢功能都具备，是一个完整的有机体。,原核细胞的结构,某些原核细胞的形状,螺菌,螺旋体,鱼腥藻属（一种蓝藻细菌）,大芽孢杆菌,大肠杆菌,葡萄球菌,立克次氏体,三种支原体,二、真核生物(Eukaryote),真核生物是核质与细胞质之间存在核膜的生物的总称。,真核生物的全能性：是指同一种生物所有细胞都,含有相同的DNA,，,即基因的数目和种类是一样的，尽管细胞类型不同，分化程度各异，但其基因组是相同的,，它们都具有发育成完整个体的潜能,。,真核细胞的结构,细胞的三维结构图形,植物细胞的结构,原核生物与真核生物的比较,原核类,真核类,生物体,细菌、放线菌、,支原体、衣原体等,原生生物、真菌、,植物、动物,细胞组织,主要是单细胞,主要是多细胞、有细胞分化,细胞大小,小（110,m),大（10 100,m),细胞分裂,二分裂,有丝分裂（或减数分裂）,细胞核,无核膜、核仁,有核膜、核仁,细胞器,极少或无,有,细胞质,无细胞骨架,有细胞骨架,DNA,环状、裸露,线状与蛋白质结合,代谢,厌氧或好氧,好氧,三、病毒（Virus）,病毒是不是有机体？是有生命，还是非生命？尚无定论。,病毒感染有机体，引起有机体害病，它是活的，是有生命的有机体。然而与细菌、支原体、衣原体等微生物不同，病毒不具备细胞结构，不能称微生物。,病毒仅含一种核酸（DNA或RNA），不含两种核酸。病毒没有线粒体、核糖体等细胞器，本身不能繁殖，也不能新陈代谢，所以病毒显示生命特征状态的过程，即不属于真核也不属于原核。但病毒可保存几十年。,烟草mosaic病毒,第二节 染色质与染色体,染色体由染色质组成。,染色质由DNA、蛋白质和少许RNA组成。,染色质和染色体在化学组成上没有大的区别，只是在构象和形态上有差异。,细胞周期（cell cycle）,细胞的增殖有一个周期的过程，称细胞周期。是指连续分裂的细胞,从一次有丝分裂的结束到下一次有丝分裂结束为止,，所经历的整个过程。,分两个阶段：,间期,和,细胞分裂期,。,间期：DNA合成前期（G,1,期）；DNA合成期（S期）和合成后期（G,2,期）。,细胞分裂期（M）：前期、中期、后期和末期。,不同细胞的细胞周期时间不同，一般,S+G2+M,期较恒定，而,G1,期变化较大，因而它决定了细胞周期时间的长短；,G1,期细胞有三种可能的趋向：,1),进入,S,期(即进入细胞周期)；,2),处于静止期即,Co,期(在一定条件下可重新进入增殖周期)；,3),分化、衰老、凋亡。,G1,期：,G1,早期合成各种,RNA,、结构蛋白和酶等。,S,期：,DNA,的复制及组蛋白合成、核小体装配,细胞周期中各时相的主要生化事件,G2,期：为有丝分裂作准备有RNA和非组蛋白合成。,M,期：细胞分裂,。,一、染色质（Chromatin）,染色质是,间期,细胞核内伸展开的DNA-蛋白质纤维，由核小体为基本单位构成的。,H1,多个核小体,二、染色体（Chromosome）,染色体是细胞分裂期由染色质高度凝集而形成的一种棒状结构。,DNA,核小体,螺线管结构,超螺旋管,染色单体,压缩至1/7,压缩至1/6,压缩至1/40,压缩至1/5,DNA绕组蛋白,6个核小体围成一圈螺旋,螺线管进一步螺旋化,超螺旋管进一步盘绕和压缩,7,6405=8400,染色体,DNA,核小体,核小体纤维,环,梅花结,盘,染色体,第三节 基因组与基因,生命有机体的绝大部分遗传信息包含在染色体上。一个物种的单倍体染色体数目，称为该物种的基因组（genome）。,换句话说，细胞或生物体的一套完整的单倍体遗传物质称为基因组。,基因是基因组中的一个功能性遗传单位，它的本质是DNA，是DNA链上能决定一种蛋白质或一种RNA或一种功能性的,片段,。,一、DNA的C值与C值矛盾,一个单倍体基因组的DNA含量总是恒定的，这是每个物种的特性，称为该物种DNA的C值。不同的物种，C值差异是很大的。,C值矛盾：生物体的复杂性与DNA含量的变化不相符合。,基因组大小和C-值矛盾,开花植物,鸟类,哺乳动物,爬行动物,两栖类,硬骨鱼,软骨鱼,棘皮动物,甲壳类,昆虫,软体动物,线虫,霉菌,藻类,真菌,革兰氏阳性菌,革兰氏阴性菌,支原体,C-值（C-value）,基因组中DNA的,数量,各物种基因组大小比较,各门类物种的C-值,C-值矛盾（C-value paradox）：,基因组大小与机体的遗传复杂性缺乏相关性。,哺乳动物,两栖动物,鸟类,昆虫,线虫,霉菌,酵母,细菌,支原体,各个种类生物的最小基因组与其复杂性正相关,二、基因的分类,基因按其产物的功能可分为结构基因、调控基因和RNA基因：,1.结构基因,：可被转录形成mRNA，并进而翻译成多肽，构成各种结构蛋白质，催化各种生化反应的酶和激素等；,2.,调控基因,：指某些可调节控制结构基因表达的基因。,3.RNA基因,：是一些只转录不翻译的基因，包括核糖体RNA基因，专门转录rRNA；以及tRNA基因，专门转录tRNA。,三、原核生物基因组,特点：,1.基因组是一条单一染色体，体积小，含基因数量也少。遗传物质以裸露的核酸形式存在，只与少量蛋白质结合.,2.基因组中功能相关的基因往往定位在同一区域，形成同一功能单位，被转录为多顺反子（polycistronic）mRNA。,（即细菌的基因组中具有操纵子结构）。,3.基因组中多为单拷贝基因，只有极少数重复基因。,4.基因组中非表达基因少，绝大多数基因都是可表达的。,5.病毒基因中重叠现象普遍，即同一个DNA片段可编码几种蛋白质分子。其意义在于较小的基因组携带较多的遗传信息。,大肠杆菌基因组,分子生物学对大肠杆菌（E.coli）基因组的研究揭示了生命活动的许多基本规律。,1987年完成了E.coli克隆的物理图谱；,1991年查明了E.coli的DNA全序列。,E.Coli基因组分子量为2.64,10,9,Da，由4639221 bp构成，E.coli基因组定义出4288个开放读框（ORE），已有1853个已报道过的基因，共有2584个操纵子。,质粒DNA,许多细菌和某些真核细胞内，除了染色体这一主要遗传物质外，还有染色体以外一些小的环状DNA分子，称为质粒（plasmid）。,质粒分类,按功能分：,R质粒-抗药性质粒；,F质粒-性质粒；,Col质粒-大肠杆菌因子，合成大肠杆菌素。,按复制机理分：,严紧型质粒-质粒复制受宿主细胞的严格控制；,松弛型质粒-质粒复制不受宿主细胞的严格控制。,四、真核生物基因组,特点：,1.真核生物基因组远远大于原核，结构复杂，基因数庞大，DNA与蛋白质融合形成染色体，储存在细胞核内，使得转录、翻译不能同步进行，调控机制表现在多水平方面。,2.真核基因转录产物一般为单顺反子。功能相关基因往往分散在不同的部位，不同的染色体上，分别转录。,3.基因组的非编码顺序多于编码顺序。,4.真核生物基因组中含有大量的重复顺序。,（1）单拷贝序列(Single copy sequence),（2）轻度重复序列(Slightly repetitive sequence),（3）中度重复序列(Moderately repetitive sequence),（4）高度重复序列(Highly repetitive sequence),5.真核生物的基因大多是不连续的称断 裂基因（,split gene,）。,细胞器基因组,1 发现：,（1）母性遗传 (maternal inheritance),（2）体细胞分离（somatic segregation),某些植物杂合子分化成体细胞时某些组织可能是一亲本表现型，某些组织可能是另一亲本表现型。说明核外基因的存在。,2 性质：大多数以环状双链DNA的形式存在。,线粒体DNA mtDNA,叶绿体DNA ctDNA,线粒体基因组,不同生物,mtDNA,大小差异很大。如哺乳动物的线粒体基因组很小，长十几个,kb,，,只占总,DNA,的,0.5%,，每个线粒体中平均有,2.6,个,mtDNA,分子。酵母线粒体基因组,84 kb,，,植物的线粒体基因组则较大，大多在,100kb,以上。,线粒体可以有本身的转录和翻译系统，它编码部分自身所需蛋白和,tRNA,、,rRNA,等。,其大小因植物不同而变化，大多在100200kb之间。大多数叶绿体DNA一个明显的特征就是有一个反向重复序列和长短两个单拷贝序列。但也不是所有的ctDNA都有反向重复序列，也有些植物ctDNA有正向重复序列等。,它编码部分自身所需所有tRNA、rRNA，和约50种蛋白质。,叶绿体基因组,第四节 人类基因组计划,（Human Genome Project，HGP）,一、问题的提出,70年代对人类基因组的研究已具有一定的雏形；,1986年著名遗传学家Mckusick V提出从整个基因组的层次研究遗传学的科学称“基因组学”。,同年，诺贝尔奖获得者Dulbecco R在Science杂志上发表了题为“癌症研究的转折点人类基因组的全序列分析”，得到了世界范围的响应；,1986年美国能源部宣布实施这一草案；,1987年美国能源部（DOE）和国家健康研究院（NIH）为HGP下拔了经费1.66亿美元，开始筹建HGP实验室；,1988美国成立了“国家人类基因组研究中心”由诺贝尔奖获得者Watson J出任第一任主任。,二、世界的行动,1987年，意大利的国家研究委员会（NRC）组织了15个（后来发展到30个）实验室，开始HGP的研究；,1989年2月，英国的HGP开始启动;,1990年6月，法国的国家HGP开始启动；,同月，欧共体通过了“欧洲HGP研究计划”，主要资助23个实验室；,1990年10月1日 美国国会正式批准美国的“HGP”启动，计划在15年内投入至少30亿美元进行人类全基因组的分析；,1994年初，在吴旻、强伯勤、陈竺院士和杨焕明教授的倡导下，中国的HGP开始启动；,1998国家科技部在上海成立了中国南方基因中心，由陈竺院士挂帅；,1998年1999年成立了中国科学院北京人类基因组中心和北方人类基因组中心，由中科院遗传所的杨焕明教授，强伯勤院士等人牵头；,1995年6月，德国正式开始HGP。,三、任务与进展,完成四张图：,遗传图谱、物理图谱、序列图谱、基因图谱,（一）遗传图谱（genetic map)：,.定义,又称连锁图谱（linkage map)或遗,传连锁图谱（genetic linkage map)，,是指人类基因组内基因以及专一的多态,性DNA标记(marker)相对位置的图谱，,其研究经历了从经典的遗传图谱到现代,遗传图谱的过程。,.经典的遗传图谱（以基因表型为标记）,.现代遗传图谱（以DNA为标记）,第一代多态性标记：限制性片段长度,多态性（restriction fragment length,polymorphism,RFLP)，位点数目可,达10,5,以上。,第二代多态性标记：小卫星/可变数量串联重,复（minisatellite/variable number,tandem repeat,VNTR)及微卫星/简短串联,重复（microsatellite/simple tandem repeat,STR)。个数在6000个以上。其中STR具高,度多态性，有的可形成几十种等位片段，是,目前在基因定位的研究中应用最多的标记系,统。,第三代多态性标记：单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism,SNP)。这种标记在人类基因组中多达300万个。,.构建遗传图谱的基本原理,真核生物在减数分裂过程中染色体,进行重组和交换，染色体上任意两点之,间发生重组和交换的概率随着两点之间,相对距离的远近而发生变化。,.构建遗传图谱的意义：,通过连锁分析，可以找到某一,致病基因或表型的基因与某一标记,邻近（即紧密连锁）的证据，从而,可把这一基因定位于染色体的特定,区域，再对基因进行分离和研究。,（二）物理图谱（physical map):：,.定义,用物理学方法构建的由不同的DNA结构按其在染色体上的原,始顺序和实际距离排列的图谱。,.内容,（1）基因组的细胞遗传学图（cytogenetic map，即染色体的区、带、亚带）；,（2）序列标签位点,(sequence-tagged site,STS)图谱；,（3）DNA“重叠群(contig)”图谱：把基因组文库中含有相同STS序列的DNA克隆按照其在原始基因组上线形顺序进行排列，连接成相互重叠的“片段重叠群(contig)”。是构建物理图谱的主要任务；,（4）大片段限制性内切酶切点图；,（5）cDNA/EST图谱；,（6）基因组中广泛存在的特征性序列（如CpG序列、Alu序列等）的标记图等。,（三）序列图谱：,2003年之前完成。,（四）基因图谱：,目标：在人类基因组中鉴别出全部基因的位置、结构和功能；,定位方法：cDNA/EST的染色体定位（实验手段，电子杂交）；,完成时间：200,？,年完成。,（五）模式生物基因组：,酵母 1996年,大肠肝菌 1997年,线虫 1999年,果蝇 2000年,拟南芥菜 2000年,小鼠 2005年之前完成,四、人类基因组计划的延伸,人类后基因组（功能基因组）研究,（一）蛋白质组（proteome）和蛋白质组学（proteomics),.蛋白质组：由一个细胞或一个组织的基因组所表达的全部相应的蛋白质。,.蛋白质组的动态性。,（1）原因：,同一个机体的不同组织和不同细胞；,在同一机体的不同发育阶段；,机体的生理状况；,机体所处的外界环境。,（2）结果：,基因mRNA表达种类的改变；,基因表达的不同形式（基因剪接，蛋白质翻译修饰，蛋白质剪接等）。,测定一个有机体的基因组所表达的全部蛋白质。,3.蛋白质组学的任务：,（二）后基因组研究的研究内容：,人类基因组多样性计划,（Human Genome Diversity Project）,环境基因组学,（Enviromental Genomics）,肿瘤基因组解剖计划,（Cancer Genome Anatomy Project）,药物基因组学,（Pharmacogenomics）,核心问题：,基因组的多样性；,遗传疾病产生的起因；,基因的表达调控作用；,蛋白质产物的功能,。,