基因组概论.ppt

第一第一节 基因基因组的功能的功能单位位基基因因n早期的基因概念早期的基因概念nMorgan等把等把遗传性状与特定的染色体区段性状与特定的染色体区段联系起来，并提出系起来，并提出“一个基因，一个一个基因，一个酶”和和“一一个基因，一条多个基因，一条多肽链”的概念。的概念。n分子生物学的基因概念分子生物学的基因概念n基因是一段携基因是一段携带功能功能产物（多物（多肽，蛋白，蛋白质，tRNA和和rRNA和某些小分子和某些小分子RNA）信息的）信息的DNA片段，是控制某种性状的的片段，是控制某种性状的的遗传单位。位。一、基因一、基因(gene)的概念的概念:1.三大特点：三大特点：l自我复制（半保留复制）：自我复制（半保留复制）：是生物得以繁衍，保是生物得以繁衍，保证物物种种稳定，保持生物的基本特征。定，保持生物的基本特征。l基因决定性状：基因决定性状：l能能够突突变基因的特点基因的特点2.蛋白蛋白/酶3.l能能够突突变致死突致死突变非致死突非致死突变物种物种进化化致病突致病突变新物种新物种遗传病病4.此外，此外，l不同物种，其基因大小不同。不同物种，其基因大小不同。总的来的来说，低等生物的基因，低等生物的基因小，高等生物的基因（通常含大量的内含子或重复序列）大。即使在同一生物内，小，高等生物的基因（通常含大量的内含子或重复序列）大。即使在同一生物内，不同基因大小不同。不同基因大小不同。l原核生物：原核生物：基因数目少，基因数目少，结构构简单、紧凑，常具有操凑，常具有操纵子子结构，序列利构，序列利用效率高，易突用效率高，易突变，大多，大多为多多顺反子。反子。l真核生物：真核生物：基因数目很多，基因数目很多，结构复构复杂，常含重复序列和非，常含重复序列和非编码序列，机序列，机制复制复杂，相，相对稳定，大多定，大多为单顺反子。反子。5.基因的基因的鉴别标准准 编码tRNA和和rRNA和某些小分子和某些小分子RNA的基因的基因:我我们较易通易通过核酸序列加以判断。核酸序列加以判断。蛋白蛋白质编码基因基因:目前可根据其特点使用五目前可根据其特点使用五项标准来准来鉴别 但但这些些标准使用起来却并不得心准使用起来却并不得心应手。手。6.1.开放开放阅读框（框（open reading frame,ORF）*始于起始密始于起始密码子并子并终于于终止密止密码子的一串密子的一串密码子。子。*从从mRNA中找出大的中找出大的ORF来确定来确定编码蛋白蛋白质的基因的基因;*适合于从适合于从DNA序列中序列中鉴别原核生物基因和含少量内原核生物基因和含少量内含子的真核基因。含子的真核基因。*但但对于一些短少的基因及一些内含子丰富的基因于一些短少的基因及一些内含子丰富的基因则很很难鉴别。基因基因基因基因组DNA启启动子等子等5非非编码区区3非非编码区区ATG 编码区区 TAAORF7.2.序列特征序列特征密密码子偏子偏爱和剪接点和剪接点*密密码子偏子偏爱（codon bias）指在不同物种的基因中指在不同物种的基因中经常常为某种氨基酸某种氨基酸编码的的只是其中的一个密只是其中的一个密码子。子。当当鉴别到一个到一个ORF时，密，密码子偏子偏爱常常用来确定常常用来确定这个个ORF是否是一个基因。是否是一个基因。*基因的剪接位点（基因的剪接位点（splice sites）一般有特定的序列特征，一般有特定的序列特征，计算机程序利用算机程序利用这种序种序列特征可列特征可预测将近将近50%的外的外显子及子及20%的完整基因。的完整基因。8.3.序列保守性序列保守性*一个功能在不同物种内是保守的基因，大都表一个功能在不同物种内是保守的基因，大都表现出出外外显子的保守性和内含子的多子的保守性和内含子的多变性。性。*最好是最好是对适当适当进化距离的物种化距离的物种间序列序列进行比行比较。*但保守性序列也可能是非但保守性序列也可能是非转录的的调控控单元。元。*寻找基因的表达找基因的表达产物物RNA或蛋白或蛋白质，是，是鉴定一定一个基因的有效方法。个基因的有效方法。*但有些但有些OFR似乎并不似乎并不转录，因，因为检测不到它不到它们的的RNA或蛋白或蛋白质产物。物。4.转录产物物9.除除以以上上鉴定定基基因因的的五五项标准准之之外外，在在实施施过程程中中还有有些些麻麻烦的的问题，如如重重叠叠基基因因、变通通性性断断裂裂基基因因、假假基因等。基因等。*使基因失活也是确使基因失活也是确认基因功能的一个方法。基因功能的一个方法。*但但许多多编码序列的失活并不序列的失活并不导致一个明致一个明显的表型，的表型，因而很因而很难找到找到鉴定的定的标准。准。5.基因失活基因失活10.第二第二节 基因基因组基因基因组（genome）是指一个是指一个细胞或生物体的一套胞或生物体的一套完整的完整的单倍体倍体遗传物物质。对二倍体高等生物来二倍体高等生物来说，维持配子正常功能最低持配子正常功能最低数目的一套染色体数目的一套染色体遗传物物质，构成一套基因，构成一套基因组。原核生物和真核生物基因原核生物和真核生物基因组又分染色体基因又分染色体基因组与与染色体外基因染色体外基因组，后者如原核生物的，后者如原核生物的质粒粒DNA，真，真核生物的核生物的线粒体粒体DNA及叶及叶绿体体DNA。人人类基因基因组24个染色体（个染色体（22+X+Y）约3.0109bp11.人人类基因基因组24个染色体（个染色体（22+X+Y）约3.0109bp12.1.基因基因组大小与大小与C值佯佯谬 n基因基因组大小在不同生物之大小在不同生物之间差异很大；差异很大；如如HBV 仅3200 bp，而某些，而某些显花植物和两栖花植物和两栖类动物可达物可达1011bp。n基因基因组大小用大小用C C值（C valueC value）表示；）表示；nC值大小基本上反映生物大小基本上反映生物进化程度的差异；化程度的差异；n但但这种相关性并不很精确；种相关性并不很精确；n这种生物体的种生物体的进化程度与基因化程度与基因组大小之大小之间不完全成不完全成比例的比例的现象称象称为C值佯佯谬（C value paradox）；）；nC值矛盾主要是由于各种生物基因矛盾主要是由于各种生物基因组的的结构特征的差构特征的差异造成的，低等和高等生物差异造成的，低等和高等生物差别明明显。13.C值（C-value）：）：单倍体基因倍体基因组中的全部中的全部DNADNA量量(bpbp)106 107 108 109 1010 1011显花植物骨鱼类哺乳类甲壳类爬行类鸟类藻类真菌革兰氏阳性菌革兰氏阴性菌枝原体霉菌蠕虫类软体动物棘皮类昆虫类软骨鱼类两栖类14.2.基因基因总数与数与N值佯佯谬 n基因基因总数（数（N表示）表示）n人人类为3万多个，万多个，仅比大比大肠杆菌大杆菌大7倍，比低倍，比低等等动物秀物秀丽线虫大虫大1.6倍，水稻高达倍，水稻高达5万。万。n果果蝇在在进化上比秀化上比秀丽线虫高等，基因虫高等，基因总数只数只有后者的有后者的0.6倍。倍。n基因基因组中基因数目与生物中基因数目与生物进化程度或复化程度或复杂程程度的不度的不对称性，称称性，称为N值佯佯谬（N-value paradox）。）。15.基因基因总数与数与N值佯佯谬 16.n既然一切生物性状都是由基因决定的，那么既然一切生物性状都是由基因决定的，那么生物体的生物体的DNA含量（含量（C值）和）和质量（量（N值）就就应该与生物与生物进化化阶梯及复梯及复杂性成正相关。性成正相关。n生物体生物体结构与功能的复构与功能的复杂程度不程度不仅取决于一取决于一定的基因数量，更重要的是在于定的基因数量，更重要的是在于基因功能及基因功能及其相互作用网其相互作用网络的复的复杂性和精确性性和精确性。17.第三第三节 基因基因组计划划 (genome project)n基基因因组计划划是是指指以以获得得某某物物种种基基因因组全全序序列列为主要目主要目标的科学的科学计划。划。n如如人人类基基因因组计划划（human genome project，HGP），小小鼠鼠基基因因组计划划，家家狗狗基因基因组计划，划，细菌基因菌基因组计划等。划等。18.19.一、修正后的一、修正后的HGP主要内容主要内容HGP主要任主要任务及内容及内容主要任务 内容物理物理图 确定染色体确定染色体DNA上上诸如限制性内切如限制性内切酶识别 位点，或序列位点，或序列标志点（志点（STSs）等的位置）等的位置图遗传图 确定确定标志位点在染色体志位点在染色体DNA上的上的线性排列性排列 顺序。序。标志位点志位点间的的图距以距以遗传学（重学（重组 ）距离表示、）距离表示、单位位为厘摩厘摩尔根（根（cM）序列序列图 测定人定人类24条染色体的、由条染色体的、由3103109 9个核苷个核苷 酸酸组成的全部成的全部DNADNA序列，序列，绘制人制人类基因基因组序序 列列图谱20.HGP的研究的研究进程程nDulbecco（1986）首次提出）首次提出HGP的概念，的概念，1990美国国会批准正式启美国国会批准正式启动。n 1995年以年以STS为标志的物理志的物理图谱问世，其分辨率世，其分辨率为200bp、覆盖率高达、覆盖率高达94%；n同年，同年，汇集了人集了人类基因基因组初步的全物理初步的全物理图，3、12、16、22号染色体高密度物理号染色体高密度物理图，以及，以及30余万个左余万个左右右cDNA（EST）序列信息；）序列信息；n由于由于卫星多星多态性性标志的志的应用，用，遗传制制图已于已于1994年提前完成，确定的全部年提前完成，确定的全部标志密度志密度为0.7cM，含，含5826个个转座子，大小座子，大小为4000cM的的线性性遗传图；21.n1994年人年人类基因基因组遗传图谱发表。表。n人人类基因基因组工作框架已于工作框架已于2000年年6月由人月由人类基因基因组计划国划国际合作合作组完成。完成。n在此基在此基础上上经整理、分整理、分类和排列后，人和排列后，人类基基因因组图谱及其初步分析及其初步分析结果于果于2001年年2月月12日正式公布。日正式公布。n2004年年10月月发表了人表了人类基因基因组常染色常染色质全全序列，（人序列，（人类基因基因组的常染色的常染色质部分中）其部分中）其中中99%的序列已被确定，其精度达到每的序列已被确定，其精度达到每10万个碱基中只有一个万个碱基中只有一个测量量误差。差。22.其他基因其他基因组计划划n微生物基因微生物基因组计划和人划和人类基因基因组计划分划分别于于1986年和年和1990年启年启动，n其后又启其后又启动了各种了各种模式生物（模式生物（model organisms）基因基因组计划（如划（如线虫、果虫、果蝇、小鼠、小鼠等），等），n致病生物体基因致病生物体基因组计划，划，n环境相关基因境相关基因组计划，划，n以及具有重要以及具有重要经济价价值的的动植物基因植物基因组计划等。划等。n到目前到目前为止已止已经完成了数百种生物体的基因完成了数百种生物体的基因组测序工作。序工作。23.第四第四节 基因基因组学学n基因基因组学（学（Genomics）n指指对所有基因所有基因进行基因行基因组作作图（包括（包括遗传图谱、物理物理图谱、转录图谱，核苷酸序列分析，基因，核苷酸序列分析，基因定位和基因功能分析的一定位和基因功能分析的一门科学。科学。n基因基因组学研究包括两学研究包括两亚领域域n以全基因以全基因组测序序为目目标的的结构基因构基因组学学（structural genomics）n以基因功能以基因功能鉴定定为目目标的的功能基因功能基因组学学（functional genomics)又称又称为后基因后基因组学学（postgenome）研究。研究。24.后基因后基因组计划划n21世世纪生物学的生物学的发展方向展方向功能基因功能基因组学学n对整个基因整个基因组所包含的基因、非基因序列的功能所包含的基因、非基因序列的功能进行大行大规模分析；模分析；认识基因在基因在发育、分化和病理育、分化和病理状状态下的功能下的功能变化及其化及其调节机制。机制。n后基因后基因组时代的主角代的主角蛋白蛋白质组学学n蛋白蛋白质组(proteome)是指是指细胞或胞或组织表达的全表达的全部蛋白部蛋白质。n人人类2.4万个基因，几十万种蛋白万个基因，几十万种蛋白质；n重点分析生命不同重点分析生命不同时期、不同期、不同组织、不同（疾病）、不同（疾病）状状态蛋白蛋白质的的变化化n蛋白蛋白质组学学(proteomics):是从整体上采取高通是从整体上采取高通量量/大大规模手段研究所有蛋白模手段研究所有蛋白组成及其活成及其活动规律律.25.