基因组解剖.ppt

中英联合实验室中英联合实验室1n基因组活性基因组活性u结构基因的组成结构基因的组成u基因表达调控序列，基因表达调控序列，DNA结合蛋白与特定核苷酸序结合蛋白与特定核苷酸序列的结合列的结合n活体中活体中DNA总是与蛋白质结合在一起，形成染色总是与蛋白质结合在一起，形成染色体高级结构。体高级结构。n染色体始终处在染色体始终处在动态的构型变化动态的构型变化之中。之中。n染色体的染色体的微观结构微观结构在基因的表达调控中扮演了重要在基因的表达调控中扮演了重要角色角色中英联合实验室中英联合实验室2n真核生物基因组解剖n原核生物基因组解剖n转座因子与分散重复序列n串接重复序列及其分布n人类基因组草图序列中的编码基因n拟南芥基因组编码基因中英联合实验室中英联合实验室3一.真核生物基因组解剖n真核生物核基因组真核生物核基因组 核型核型（karyotype）：）：即细胞即细胞分裂中期分裂中期染色染色体按照大小与着丝粒体按照大小与着丝粒的位置依次排列，组的位置依次排列，组成的每种生物特有的成的每种生物特有的染色体组图像染色体组图像中英联合实验室中英联合实验室中英联合实验室中英联合实验室中英联合实验室中英联合实验室6n异染色质异染色质：碱性染料染色时着色较深的染色质组分：碱性染料染色时着色较深的染色质组分 组成型异染色质组成型异染色质：所有细胞中，一种：所有细胞中，一种持久性持久性结构，结构，不含不含任何基因任何基因，总保持，总保持致密致密的组成状态。除复制期以外，在的组成状态。除复制期以外，在整个细胞周期均处于整个细胞周期均处于聚缩聚缩状态，形成多个染色中心状态，形成多个染色中心 ，如，如着丝粒着丝粒和和端粒端粒、Y Y染色体大部分区域染色体大部分区域兼性异染色质兼性异染色质：非持久性非持久性，特定细胞类型特定细胞类型或一定的或一定的发育发育阶段阶段,原来的原来的常染色质聚缩常染色质聚缩,丧失基因丧失基因转录转录活性活性,变为变为异染色质异染色质 异染色质化异染色质化-关闭基因活性关闭基因活性的一种途径的一种途径 异染色质结构紧密，使控制基因表达的蛋白无法接近异染色质结构紧密，使控制基因表达的蛋白无法接近n常染色质常染色质：间期间期核内染色质纤维折叠核内染色质纤维折叠压缩程度低压缩程度低,处处于于伸展伸展状态状态,用用碱性染料碱性染料染色时染色时着色浅着色浅的染色质。常染的染色质。常染色质状态是基因转录的必要条件而非充分条件色质状态是基因转录的必要条件而非充分条件中英联合实验室中英联合实验室7n异常染色体异常染色体小染色体小染色体：染色体体积较小，富含基因：染色体体积较小，富含基因鸡的基因组有鸡的基因组有3939条染色体，其中条染色体，其中3333条为小条为小染色体，染色体，DNADNA量量1/31/3，基因数基因数75%75%，基因密度，基因密度高高6 6倍倍B B染色体染色体：正常染色体的断片，源于非：正常染色体的断片，源于非正常的细胞核分裂事件，常见于植物正常的细胞核分裂事件，常见于植物（因为植物常为多倍体）（因为植物常为多倍体）存活力降低存活力降低在细胞分裂过程中会逐渐丢失在细胞分裂过程中会逐渐丢失中英联合实验室中英联合实验室8nDNA环环中英联合实验室中英联合实验室9nCpG岛岛：基因组中富含基因组中富含GC（60%-70%）的）的DNA片段，长度片段，长度1-2kbn多数位于多数位于管家基因管家基因和大部和大部分组织专一性表达基因的分组织专一性表达基因的5侧翼区及基因的侧翼区及基因的第一个第一个外显子外显子区区n未甲基化未甲基化n在染色体上不均匀分布，在染色体上不均匀分布，与基因分布频率一致与基因分布频率一致n与基因相连，作为与基因相连，作为寻找基寻找基因因的依据的依据中英联合实验室中英联合实验室10中英联合实验室中英联合实验室11n染色体各区段之间染色体各区段之间重组频率重组频率u重组率随染色体长度的增加而递减重组率随染色体长度的增加而递减u大多数染色体大多数染色体近着丝粒区近着丝粒区重组率受到重组率受到抑制抑制，远着丝粒区重组率趋向增加，远着丝粒区重组率趋向增加中英联合实验室中英联合实验室12n真核生物细胞器基因组真核生物细胞器基因组 多为环状多为环状DNA多拷贝，但遗传行为为单一基因型多拷贝，但遗传行为为单一基因型人体细胞线粒体数目平均为人体细胞线粒体数目平均为800个，每个线粒体有个，每个线粒体有10个基因组拷贝个基因组拷贝植物细胞叶绿体基因组为植物细胞叶绿体基因组为5000个个/细胞。细胞。大小与生物复杂性无关。均比核基因组小很多。大小与生物复杂性无关。均比核基因组小很多。脊椎动物线粒体基因组的特征：基因之间很少有间脊椎动物线粒体基因组的特征：基因之间很少有间隔顺序；核糖体隔顺序；核糖体RNA基因极短；某些基因缺少终止基因极短；某些基因缺少终止密码子，需要在密码子，需要在RNA编辑时产生编辑时产生叶绿体基因组：物种间变化不大；高等植物中有叶绿体基因组：物种间变化不大；高等植物中有2段反向重复区段，可阻止基因组内部重组，使其更段反向重复区段，可阻止基因组内部重组，使其更稳定稳定中英联合实验室中英联合实验室13人类与酵母线粒体基因组人类与酵母线粒体基因组中英联合实验室中英联合实验室14中英联合实验室中英联合实验室15遗传内容：遗传内容：线粒体基因组均含线粒体基因组均含rRNA和某些和某些呼吸链呼吸链成分的基成分的基因，或含因，或含tRNA基因及基因及核糖体核糖体蛋白基因等；特别蛋白基因等；特别是胞质蛋白进入线粒体的蛋白基因是胞质蛋白进入线粒体的蛋白基因叶绿体基因组均含叶绿体基因组均含rRNA和和tRNA基因、与基因、与光合光合作用作用有关的蛋白质及核糖体蛋白基因等有关的蛋白质及核糖体蛋白基因等起源：内共生理论，即线粒体和叶绿体是游离起源：内共生理论，即线粒体和叶绿体是游离细菌与远古真核细胞结合形成的。细菌与远古真核细胞结合形成的。细胞器基因与细菌基因序列细胞器基因与细菌基因序列相似性相似性高于同源的高于同源的核基因核基因基因表达过程基因表达过程与细菌很相似与细菌很相似疑问疑问：哺乳动物染色体中含有线粒体：哺乳动物染色体中含有线粒体DNA，但，但细胞器基因组很少含有核基因成分细胞器基因组很少含有核基因成分中英联合实验室中英联合实验室16中英联合实验室中英联合实验室17二.原核生物基因组解剖n细菌染色体：一般为许多细菌染色体：一般为许多30-100kb30-100kb的独的独立超螺旋环组成立超螺旋环组成n质粒：小分子环状质粒：小分子环状DNADNA，或可整合到染色，或可整合到染色体上，往往携带的基因对细菌的生存不体上，往往携带的基因对细菌的生存不是必需的，很多可在不同细胞中转移是必需的，很多可在不同细胞中转移nDNADNA包装方式：大肠杆菌有与包装方式：大肠杆菌有与DNADNA结合的结合的HUHU蛋白，古细菌有类似组蛋白的组分蛋白，古细菌有类似组蛋白的组分中英联合实验室中英联合实验室18中英联合实验室中英联合实验室19n基因组紧凑，基因间很少间隔，大肠杆菌基因组基因组紧凑，基因间很少间隔，大肠杆菌基因组中非编码序列仅占中非编码序列仅占11%11%，有利于基因组的快速复，有利于基因组的快速复制与繁殖制与繁殖n操纵子：含一组彼此邻接的结构基因，基因间隔操纵子：含一组彼此邻接的结构基因，基因间隔仅仅1-2bp1-2bp，是细菌基因存在的常见形式，是细菌基因存在的常见形式中英联合实验室中英联合实验室20与能量代谢有关的基因与能量代谢有关的基因生物生物大肠杆菌大肠杆菌流感嗜血杆菌流感嗜血杆菌生殖道支原体生殖道支原体数目数目24311231l 满足单细胞存活所必需的最少基满足单细胞存活所必需的最少基因数是多少？因数是多少？300300？l 最小基因组生物，生殖道支原体最小基因组生物，生殖道支原体及其亲缘种分别含有及其亲缘种分别含有470470和和679679个基个基因因l生殖道支原体的生殖道支原体的470470个基因中仅个基因中仅120120个是该物种独有的个是该物种独有的中英联合实验室中英联合实验室21三.转座因子与分散重复序列n转座因子转座因子：可移动的遗传：可移动的遗传因子，在转座过程中，一因子，在转座过程中，一个拷贝常留在原来位置上，个拷贝常留在原来位置上，在新位点上出现的仅是拷在新位点上出现的仅是拷贝。依赖于贝。依赖于DNADNA的复制的复制DNADNA的直接转座的直接转座 插入序列插入序列ISIS（原核），（原核），P P因子（果蝇），因子（果蝇），Ac-DsAc-Ds（玉（玉米）米）以以RNARNA为中介进行转座（逆为中介进行转座（逆转座因子）转座因子）逆转录转座子，逆转录逆转录转座子，逆转录病毒病毒中英联合实验室中英联合实验室22中英联合实验室中英联合实验室23n细菌的细菌的DNADNA转座因子转座因子 插入序列插入序列 复合转座子复合转座子Tn3Tn3转座子转座子可转座的噬菌体可转座的噬菌体 IR:IR:反向重复序列反向重复序列中英联合实验室中英联合实验室24中英联合实验室中英联合实验室25n逆转座因子逆转座因子nLTR因子：含有长末端重复序列因子：含有长末端重复序列逆转录病毒的生活史：逆转录病毒的生活史：RNA，DNA，整合，整合，内源逆转录病毒（内源逆转录病毒（ERVs）：是已经整合到脊椎）：是已经整合到脊椎动物染色体中的逆转录病毒基因组，一般无活动物染色体中的逆转录病毒基因组，一般无活性，不能扩增性，不能扩增逆转录转座子：主要存在于植物、无脊椎动物逆转录转座子：主要存在于植物、无脊椎动物和微生物等中，如玉米中的多数的分散重复序和微生物等中，如玉米中的多数的分散重复序列列n逆转座子：缺少逆转座子：缺少LTRLINE（长分散核因子）（长分散核因子），如人的，如人的LINE1SINE（短分散核因子）和（短分散核因子）和MIR中英联合实验室中英联合实验室26中英联合实验室中英联合实验室27中英联合实验室中英联合实验室28 LTRgagpolLTR逆转录转座子逆转录转座子LTR因子：内部含与转座相关的基因因子：内部含与转座相关的基因 gag基因：编码病毒颗粒内部的蛋白质基因：编码病毒颗粒内部的蛋白质pol基因：编码逆转录酶和其他与复制有关的酶基因：编码逆转录酶和其他与复制有关的酶 中英联合实验室中英联合实验室29 gag?pol poly(A)LINE，Long Long interspersedinterspersed neuclear neuclear elementelement：人类基因组中：人类基因组中line1,6.1kb,3500line1,6.1kb,3500个拷贝个拷贝SINESINE：借借用用寄寄主主的的逆逆转转座座酶酶实实现现转转座座，人人类类AluAlu，百百万万拷拷贝贝，含含有有内内启启动动子子，具具有有转转录录活活性，大量扩增性，大量扩增MIR,mammalianwide MIR,mammalianwide interspersed interspersed repeat:repeat:只只分分布布在在哺哺乳乳动动物物中中，起起源源于于tRNAtRNA，含含有有内内启启动子动子中英联合实验室中英联合实验室30n真核生物分散重复序列的比较真核生物分散重复序列的比较u人类基因组的常染色体含有较之其人类基因组的常染色体含有较之其他生物密度他生物密度高得多高得多的转座因子拷贝的转座因子拷贝u人类基因组中填充了大量古老的转人类基因组中填充了大量古老的转座因子，座因子，housecleaning,housecleaning,非功能非功能DNADNA半衰期，果蝇半衰期，果蝇12001200万年，人类万年，人类8 8亿年亿年u人类基因组中人类基因组中2 2种重复序列家族种重复序列家族AluAlu与与LINE1LINE1占所有分散重复序列的占所有分散重复序列的60%60%，而其他生物仅为而其他生物仅为5%-25%5%-25%中英联合实验室中英联合实验室31中英联合实验室中英联合实验室32中英联合实验室中英联合实验室33四.串接重复序列及其分布n串接重复序列：是通过某一祖先顺序的不等交换扩增的，串接重复序列：是通过某一祖先顺序的不等交换扩增的，大都首尾相连簇集。大都首尾相连簇集。卫星卫星DNADNA：DNADNA在介质氯化铯中作密度梯度离心，形成了不在介质氯化铯中作密度梯度离心，形成了不同的条带。根据荧光强度的分析，可以看到在一条主带以同的条带。根据荧光强度的分析，可以看到在一条主带以外还有一个或多个小的卫星带。这些在卫星带中的外还有一个或多个小的卫星带。这些在卫星带中的DNADNA即被即被称为卫星称为卫星DNADNA。卫星。卫星DNADNA按其重复单元的核苷酸的多少，可按其重复单元的核苷酸的多少，可以分为两类。以分为两类。小卫星序列：由几百个核苷酸对的单元重复组成。小卫星序列：由几百个核苷酸对的单元重复组成。微卫星序列：由微卫星序列：由2 2个到个到2020个左右的核苷酸对的单元重复成百个左右的核苷酸对的单元重复成百上千次所组成。上千次所组成。在基因组中分布广泛在基因组中分布广泛。中英联合实验室中英联合实验室34五.人类基因组草图序列中的编码基因n人类基因组总基因数人类基因组总基因数2500025000，依据基因平均大小与人类基因组的比，依据基因平均大小与人类基因组的比例例80000 80000，CpGCpG岛与大多数管家基因相连，岛与大多数管家基因相连，CpGCpG岛约岛约4500045000，而管家基因占总基因，而管家基因占总基因1/21/23500035000，依据，依据2222号染色体的测序结果号染色体的测序结果3177831778，20002000年国际人类基因组联合体公布年国际人类基因组联合体公布2638326383，Celera GenomicsCelera Genomics中英联合实验室中英联合实验室35n编码蛋白质基因编码蛋白质基因编码序列仅占总编码序列仅占总DNADNA的的1.5%1.5%左右左右单基因产生的蛋白质数为果蝇或线虫的单基因产生的蛋白质数为果蝇或线虫的5 5倍倍3 3种生物外显子平均长度接近，表明种生物外显子平均长度接近，表明mRNAmRNA剪接机剪接机制在进化上的保守性（如下图），但内含子大小制在进化上的保守性（如下图），但内含子大小悬殊悬殊线虫果蝇人类外显子平均长度（bp）131114971340内含子平均长度（bp）2674873300中英联合实验室中英联合实验室36n编码编码RNA基因基因n4种种rRNAn10种种snRNAn48种种tRNAn端粒酶端粒酶RNA中英联合实验室中英联合实验室37六.拟南芥基因组编码基因n基因组最小且第一种被测序的高等植物基因组最小且第一种被测序的高等植物 125Mb125Mb，注解基因，注解基因2549825498，基因结构紧凑，外显，基因结构紧凑，外显子长度子长度250bp250bp，内显子，内显子170bp170bp，基因密度，基因密度4.6kb4.6kbn编码蛋白质基因编码蛋白质基因新陈代谢基因占新陈代谢基因占10%10%基因组基因组48%-60%48%-60%与蛋白质合成有关的基因同其他真核生与蛋白质合成有关的基因同其他真核生物具有广泛的相似性，说明不同生物在基本生物物具有广泛的相似性，说明不同生物在基本生物学方面具有强保守性学方面具有强保守性转录因子基因数目转录因子基因数目15001500，人类，人类20002000，线虫，线虫500500，果蝇果蝇700700n编码编码RNARNA基因：基因：4141种种tRNA，5种种snRNA