第2章染色体和基因组.ppt
2023/11/1,1,第二章 染色质、染色体、基因和基因组,第一节 染色质和染色体 chromatin and chromosome第二节 基因 gene第三节 基因组 genome,2023/11/1,2,第一节 染色质和染色体,染色质Chromatin describes the state of nuclear DNA and its associated proteins during the interphase(between mitosis)of the eukaryotic cell cycle.染色体A chromosome is a discrete unit of the genome carrying many genes.Each chromosome consists of a very long molecule of duplex DNA and an approximately equal mass of proteins.It is visible as a morphological entity only during cell division.,一.染色质和染色体的形态,2023/11/1,3,核心组蛋白与连接组蛋白,组成,2023/11/1,4,常染色质 euchromatin浓缩程度低，转录活跃；常分布于核质;染色着色较浅.异染色质 heterochromatin高度浓缩，一般不转录；常分布于核仁和核膜,染色体的端粒和着丝粒;染色着色较深.,染色质具有两种不同的形态:常染色质和异染色质,（一）.染色质Chromatin,2023/11/1,5,DNA 核小体 螺线体 超螺线体,从核小体到染色体,中期染色体,30nm,300nm,11nm,2nm,2023/11/1,6,核小体是染色质的基本结构单位.核小体的结构:中心是组蛋白八聚体,缠在外面的DNA分子的长度是146bp,缠绕1.75圈，每个球状小体与连接DNA构成一个核小体，与单个核小体结合的DNA长度是恒定的，一般为200bp左右。,1.核小体(nucleosome),2023/11/1,7,染色质环（代表转录的功能域，一个基因或基因簇）,螺线体(30nm),双螺旋DNA(2nm),核小体(11nm),中期染色单体,超螺线体(300nm),2.螺线体3.超螺线体,2023/11/1,8,（二）.染色体chromosome,端粒、着丝粒、复制起始点是染色体三要素,1.复制起始点 1114bp，同源性强，富含AT2.着丝粒 centromere（CEN）8090bp富含AT，两端分别为14、11bp保守区域,2023/11/1,9,3.端粒,端粒（telomere，TEL）是染色体末端的特殊结构，每一个端粒都含有一系列的短的富含G的正向重复序列。,端粒酶（telomerase）是含有RNA模板的逆转录酶。,2023/11/1,10,端粒的结构：四膜虫（T2G4）n，人（TTAGGG）n端粒的功能 保持染色体的稳定 使线形DNA的顺利复制 影响染色体的行为 可能控制细胞的寿命 和核骨架的组成有关端粒与肿瘤和衰老的关系正常细胞除生殖细胞和干细胞外，端粒酶皆为失活状态；端粒酶在肿瘤细胞的表达阳性率达85%95%；真核细胞端粒随细胞的分裂而缩短，直到细胞衰老。,2023/11/1,11,端粒酶抑制剂的研究,1.针对RNA部分的反义核酸2.逆转录酶抑制剂3.核苷类似物,2023/11/1,12,以往科学家们认为癌细胞会表现出高量的端粒酶(telomerase)。现在发现有些癌细胞端粒酶的表现量并沒有增多，只是在细胞核中分布得非常零散，相反的，正常细胞的端粒酶则是局限地分布在核仁的部位。端粒酶是一种本身拥有模板的DNA聚合酶，癌细胞能借它来修复在重复细胞分裂中逐渐缩短的染色体端粒，而能保持长生不死。正常细胞却只有在骨髓、消化道、睪丸等分裂旺盛的组织干细胞中表现出端粒酶的活性，然而这些正常组织细胞却无法避免老化。,2023/11/1,13,二.染色质和染色体的化学成分及组成,染色质由DNA、RNA、组蛋白和非组蛋白等组成,（一）DNA,（二）组蛋白 核心组蛋白 碱性蛋白质，序列保守 有H2A、H2B、H3、H4四种连接组蛋白 H1（三）非组蛋白 参与DNA复制转录作用的各种蛋白酶及结构蛋白质和部分转录因子（四）RNA,2023/11/1,14,第一节 染色质和染色体 chromatin and chromosome第二节 基因 gene第三节 基因组 genome第四节 人类基因组计划 human genome project,第二章 染色质、染色体、基因和基因组,2023/11/1,15,第二节 基因 Gene,一、基因的生物学定义,从基因研究的历史中发现基因概念的演绎,2023/11/1,16,1 19世纪中 Mendel，hereditary factor2 1909年 Johnansen Gene3 Morgon 染色体是基因的载体；连锁和交换定律4 Watson和Crick5 Benzer 基因是有功能的DNA片段，顺反子6 Jacob.Monod 操纵子模型 单顺反子和多顺反子,2023/11/1,17,概念一：等位基因 allele An allele is one of several alternative forms of a gene occupying a given locus on a chromosome（GeneVIII）即等位基因是染色体同一基因座上同一基因的不同突变型。一个二倍体生物一个基因座上一般只有一对等位基因。,需要清楚的几个概念,2023/11/1,18,假如一个DNA片断上有两个突变位点a和b，其在杂合细胞中同源染色体上的排列有两种情况（如下），在顺式排列中，有一个DNA片断是未突变的，其所决定的性状为野生型，而在反式排列中，每个DNA片断都由一个正常位点和一个突变位点组成，如果这个个体的表现为野生型，则说明a.b两个位点属于不同的基因，即不同顺反子，a/+,b/+都有一个正常基因，其功能发生了互补。如果个体表现为突变型，则说明a和b是一个基因内的不同突变点，一个基因在任何一点发生突变都会影响基因正常功能而表现为突变性状，这种试验就是互补试验或称顺反试验。在反式结构中不能互补的各个突变位点在染色体上所占的一个区域就叫一个顺反子。,互补试验是比较顺式和反式构型的细胞，从而判断两个突变是否属于同一基因的测验测验基因间是否互补。,概念二：互补试验complementation Test,2023/11/1,19,如果两个突变产生野生型表型，那么这两个突变点或者在同一基因处于顺式，或者发生在不同的基因（无论顺式还是反式）如果两个突变点产生突变型表型，那么这两种突变在同一基因处于反式,两个突变点不能在反式排列中互补，它们属于同一互补群,杂合细胞的同源染色体,野生型,野生型,野生型,互补试验,反式,顺式,2023/11/1,20,概念三：顺反子cistron,在反式结构中不能互补的各个突变位点在染色体上所占的一个区域就叫一个顺反子。,顺反子即基因（错误）,一个顺反子是一条编码多肽链的单位（不完全对）,2023/11/1,21,基因研究的历史中有出现一些新的发现，挑战基因的概念：,重叠基因断裂基因跳跃基因复等位基因假基因,2023/11/1,22,（一）重叠基因(overlapping gene),采莲人在绿杨津，在绿杨津一阙新；一阙新歌声漱玉，歌声漱玉采莲人。,2023/11/1,23,1977年，Sanger首先发现重叠基因。单链环状的噬菌体X174,5375Nt 11 基因，3个转录单位，由3个启动子（pA,pB,pD）启动。X174含有的5375Nt最多能编码1392个aa，若每个aa的平均Mr为110，则总的蛋白质Mr为154KD，但实际蛋白质总Mr却为262KD。,2023/11/1,24,Sanger将X174 全部DNA顺序和蛋白质的氨基酸顺序进行比较，发现了重叠基因。,3种重叠方式：1.一个基因的核苷酸序列完全包含在另一基因的核苷酸序列之中。2.两个基因的核苷酸序列之末端密码子相互重叠。3.一个碱基重复,2023/11/1,25,目前认为，基因重叠有如下几种：1.异相位基因重叠.UGAUG.2.同相位基因重叠3.反向基因重叠,2023/11/1,26,（二）断裂基因split gene,传统的观点认为每个结构基因是一段连续的DNA顺序，到1977年法国的Charp等和美国的Roberts等首次在猴类病毒SV40和腺病毒中发现基因内部以及基因与基因之间存在有间隔顺序（spacer sequence），从而产生隔裂基因的概念。断裂基因：基因的编码序序列由若干非编码区域（间隔序列）隔开，使阅读框不连续，这种基因称为断裂基因。通读框（open reading frame，ORF），在一条DNA链上，从起始密码开始到终止密码为止的连续核苷酸密码序列。,2023/11/1,27,一个基因由几个互不相邻的段落组成，它们被长达数百乃至数千个核苷酸对的间隔序列所隔开。外显子exon,基因的编码序列.DNA分子中编码mRNA 某一部分的区域内含子intron，位于编码序列之间，能被转录成前体转录物却不能成为mRNA组成成分的序列，即被切的部分,断裂基因,2023/11/1,28,（三）复等位基因,人血型基因MHC,2023/11/1,29,(四)假基因（Pseudogene）,基因家族中不能产生有功能基因产物的基因为假基因.假基因在序列上与活性基因相似，但它们不能翻译或不转录或转录产物不能变成蛋白质、tRNA、rRNA或翻译的蛋白质过早终止或由于错误的阅读框架无法翻译转录。,Pseudogenes are inactive but stable components of the genome derived by mutation of an ancestral active gene.Usually they are inactive because of mutations that block transcription or translation or both.(from Gene VIII),Pseudogenes are dead ends of evolution!,2023/11/1,30,Mutations in a pseudogene,Active gene,Pseudogene,2023/11/1,31,加工的假基因有以下的特点：缺少正常的内含子；3末端有多聚腺苷酸；5端的结构和mRNA的5端十分相似；两侧有顺向重复顺序的存在。,假基因分为两类：重复的假基因 人珠蛋白基因（见基因家族）加工的假基因 人金属硫蛋白基因,对以上特点作何推论？,2023/11/1,32,二、基因的分子生物学定义,基因是染色体上有特定核苷酸序列的DNA片段，它是储存遗传信息的功能单位.,2023/11/1,33,三、原核生物基因特征,2023/11/1,34,（一）、E.coli基因组2.4109 Da，4.64106bp（1300微米），闭合环状，约编码4288个ORFs(开放阅读框)。类核（nucleoid）每200bp就有一个负超螺旋,即基因组中含5%的负超螺旋。,一.原核生物基因特征,2023/11/1,35,E.coli含有的各种DNA结合蛋白,2023/11/1,36,（三）原核生物基因的特征1.功能相关的基因高度集中，形成一个转录单元即操纵子2.编码蛋白质的基因通常以单拷贝形式存在3.RNA基因常是多拷贝的4.细菌的结构基因是连续的5.细菌中DNA大部分用于编码蛋白质6.细菌结构基因重复序列少7.单个染色体呈环状，基因组DNA 并不和蛋白质固定结合,Lac operon,2023/11/1,37,（四）真核生物基因的特征,（一）基因不连续性（二）基因家族（三）重复序列,2023/11/1,38,（二）基因家族,基因家族(Gene Family)基因家族：真核细胞的基因组中有许多来源相同、结构相似、功能相关的基因，这样一组基因称为基因家族,2023/11/1,39,按照在基因组分布的不同分为两类：串联重复基因簇：rDNA，tDNA，组蛋白基因 分散式基因簇：珠蛋白家族、干扰素（、在9号，在12号）、生长激素等,2023/11/1,40,1.rRNA gene的基因家族 rRNA占所有RNA 8090%，采用中度串联重复。人类18S、5.8S、28S基因约280个拷贝，分布在5条染色体上，由RNA聚合酶I转录；5S基因独立，2000个拷贝，由RNA聚合酶III转录,串联重复基因簇,2023/11/1,41,2.tRNA gene的基因家族 3端有CCA-OH，长度70-90nt，基因长度为140bp，基因拷贝数为数百数千。同种tRNA串联在一起形成基因簇,有些有内含子有些没有。,串联重复基因簇,2023/11/1,42,3.组蛋白家族(Histone family)基因数有种类的差异。人30-40个，海胆300-1000个5种蛋白的排列位置也有差异没有内含子，转录后无polyA尾巴,串联重复基因簇,2023/11/1,43,孤独基因(了解),与串联排列的基因簇成员相关的、但在位置上是彼此分立的基因称为孤独基因海胆组蛋白基因以基因簇为单位重复上百次，但每一种也有520个拷贝以孤独基因的形式散布在基因组的其他区段上。,串联重复基因簇,2023/11/1,44,4.珠蛋白家族 the Globins,All globin genes are descended by duplication and mutation from an ancestral gene that had three exons.The ancestral gene gave rise to myoglobin,leghemoglobin,and-and-globins.The-and-globin genes separated in the period of early vertebrate evolution,after which duplications generated the individual clusters of separate-like and-like genes.Once a gene has been inactivated by mutation,it may accumulate further mutations and become a pseudogene,which is homologous to the active gene(s)but has no functional role.,From Gene VIII,分散式基因簇,2023/11/1,45,和两簇，分别位于16号和11号染色体。结构和功能更为相似的基因彼此靠近成串地排列在一起，形成一个基因簇,分散式基因簇,2023/11/1,46,分散式基因簇,2023/11/1,47,5.超基因家族（Supergene Family）,概念：有一些特殊的基因家族，各成员之间没有相同的功能，核苷酸序列的同源性程度也不高，但他们编码的蛋白质亚结构域（subdomains）却是彼此相关的。我们称这类基因家族为超基因家族。如免疫球蛋白超基因家族。,2023/11/1,48,第一节 染色质和染色体 chromatin and chromosome第二节 基因 gene第三节 基因组 genome,2023/11/1,49,第三节 基因组,基因组(Genome)：细胞中一整套完整单体的遗传物质的总和。对二倍体真核生物而言指维持配子或配子体正常功能的最基本的一套染色体及其所携带的全部基因,2023/11/1,50,二、真核生物的基因组,（一）、真核生物基因1.基因组大2.和蛋白质结合形成染色体,而且是多条3.有重复序列4.以单拷贝和多拷贝两种形式5.基因不连续，有大量非编码序列6.基因家族化7.DNA片段可以重排8.单顺反子,2023/11/1,51,（二）、真核生物的DNA序列的类型,1.单一序列 结构基因2.重复序列 短片段的重复序列可分为三种类型：（1）正向重复(direct repeats)；（2）反向重复(inverted repeats)；（3）回文序列(Palindromic sequence),2023/11/1,52,书临汉字翰林书,画上荷花和尚画,5 GTGAGCTCAC 3 3 CACTCGAGTG 5,回文序列,旋转180度重合,2023/11/1,53,（1）.轻度重复序列 在基因组中含有2-10拷贝，酵母tRNA基因、人和小鼠的珠蛋白基因等。（2）.中度重复序列 基因组中约有十个到数百个拷贝，低等真核生物，仅10-20%；动物细胞50%；植物，两栖类80%。如rRNA和tRNA基因 tRNA基因一般都分布于基因组中，而rRNA常集中分布于核仁形成区。,2023/11/1,54,rRNA的重复单位,Spacer 间隔序列,中度重复序列,2023/11/1,55,Alu家族(Alu family)占人类基因组中3-10%，长300bp，由两个130bp的串联重复序列组成；在右半部有31bp插入序列，此插入 序列可能来自7SL RNA。300bp两端各有一段620bp正向重复序列170位点为Alu限制酶的切点序列AGCTACGA单倍体大约重复3050万次,AluI,31bp,Alu序列,300bp,中度重复序列,2023/11/1,56,Alu序列属于短散布元件（short interspersed elements,SINE），hnRNA 的主要部分都是由Alu序列组成SINE 500bpLINE 500bpKpn家族占人类基因组中3-6%，3500-5000bp，重复次数3000-4000,中度重复序列,2023/11/1,57,中度重复序列,各种rRNA、tRNA、组蛋白基因,2023/11/1,58,4.高度重复序列 基因组中有几百到几百万个拷贝，常为异染色质区，多为端粒、着丝粒附近；重复序列基本单位较短卫星DNA（satelite DNA）：蔗糖或氯化铯梯度超速离心中浮力密度曲线图上观察到位于DNA旁边的小带DNA，称为卫星DNA,Satelite DNA,Main band,2023/11/1,59,卫星DNA(satellite DNA)小卫星(minisatellite)DNA,小重复单位数：10bp微卫星(microsatellite)DNA,小重复单位：16bp,Minisatelite number differs between individual genomes,卫星DNA含很多串联重复序列，每个重复序列含有一个短的保守的重复单位。,2023/11/1,60,Microsatellite DNAs consist of repetitions of extremely short(typically 10 bp)units.Minisatellite DNAs consist of 10 copies of a short repeating sequence.the length of the repeating unit is measured in 10s of base pairs.The number of repeats varies between individual genomes.DNA fingerprinting analyzes the differences between individuals of the fragments generated by using restriction enzymes to cleave regions that contain short repeated sequences.Because the lengths of the repeated regions are unique to every individual,the presence of a particular subset in any two individuals can be used to define their common inheritance(e.g.a parent-child relationship).,2023/11/1,61,第四节 人类基因组计划HGP,人类基因组计划的核心内容是绘制人类的遗传图、物理图和序列图，最核心的是序列图的绘制,遗传图（genetic map）又称连锁图(linkage map)，基因或DNA标志在染色体上的相对距离或相对遗传距离。,物理图（physical map）指基因组两点之间的实际距离。,人类基因组研究主要分为两部分：一是人类基因组DNA全部序列测定；二是基因DNA序列的识别和正常功能，基因变异与人类疾病的研究,序列图,2023/11/1,62,一、概述二、人类基因组研究的策略 作图 测序 人类基因组全貌三、我国人类基因组研究四、功能基因组研究,本节的框架,2023/11/1,63,一、概述,2023/11/1,64,2023/11/1,65,2000年5月，德国与日本科学家合作完成了人第21号染色体的基因测序工作，该项成果可以揭开早老性痴保症、躁狂抑郁症状等疾病的成病机理。2000.6.26 提前完成了人类基因组的工作草图，已绘制出人体97%的基因组，基中85%的基因组序列得到了精确测定，包含了人体约30亿个碱基对的正确排序。2003.4.4 人类基因组序列图绘制成功,2023/11/1,66,二、人类基因组研究的策略1.作图遗传图（genetic map）基因或DNA标志在染色体上的相对距离或相对遗传距离，又称连锁图(linkage map)。遗传图距单位为厘摩，1%重组率作为一个图距单位 遗传图中应用的遗传标记：(1)第一代 RFLP(2)第二代 MS or STR(3)第三代 SNPs,2023/11/1,67,(1)RFLP 限制性片段长度多态性,EcoRI酶切,BamHI酶切,电泳,要求：会用语言描述RFLP,2023/11/1,68,B1,B1,A2,B2,A1,A1,A2,B2,杂交,P1,P2,A1,B1,A2,B2,F1,A和B为DNA标记,F1自交,出现重组的频率有百分之几就认为A和B之间相距多少厘摩,2023/11/1,69,(2)微卫星序列（MS）或见上节中重复序列）人类基因组中76的重复序列为A，AC，AAAN，AAN，AG，作图应用最广的为AG。,2023/11/1,70,(3)SNPs 单核苷酸多态性 基因组中单个核苷酸的突变称为点突变，SNP就是一种点突变。人基因组30亿bp SNPs约占千分之一，基因内部和外部都有。分析SNP通常用DNA芯片技术 如两个同源序列的SNP：CAGGCATGAATGAT CAGGCATTAATGAT,2023/11/1,71,物理图（physical map）,物理图指基因组两点之间的实际距离，用bp，kb，Mb表示。作图应用的主流技术是STS绘图(sequence tagged site，序列标签位点）.STS片段长度为100-500bp，每个基因仅一份拷贝。任何已知单一DNA序列都可以作为STS。常用寻找STS的办法：表达序列标签(expressed sequence tag,EST),HGP作图中找到40000个EST,即把基因组可以分成40000份.载体：YAC 酵母人工染色体 BAC 细菌人工染色体,2023/11/1,72,序列图,2023/11/1,73,2.测序map-then-sequence strategyfull-scale genome sequencing 全基因组随机测序or whole-genome short-gun strategy全基因组鸟枪战略,2023/11/1,74,3.人类基因组的面貌基因数量少存在热点和荒漠 基因密度在17，19，22号染色体最高，X，4，18，Y染色体上相对贫瘠35.3%的基因组包含重复序列地球上人与人之间99.99%的基因密码是相同的,2023/11/1,75,人类基因组序列,2023/11/1,76,果蝇基因组,未知,2023/11/1,77,三、我国人类基因组研究,承担3号染色体短臂至端粒30Mb的任务2001年8月绘出了中国卷，识别出122个基因建立南北方和12个少数民族共733个永生细胞株疾病基因和功能基因研究方面获得进展,2023/11/1,78,2023/11/1,79,尽管我国在人类基因在人类基因组研究方面取得了一系列令人惊喜的成就，但科学家们指出，我国现有的基因组研究队伍的总体状况，特别是在资金与技术设备方面与发达国家相比，仍存在着相当大的差距。要使我国从基因资源大国转变为基因研究大国，扭转目前面临的生物资源流失的严重情况，不得不付出极大的努力。,2023/11/1,80,四、功能基因组研究,以鉴定基因功能、阐释严格时空和细胞依赖性的基因表达调控机制为中心内容。基因表达谱 gene expression profile 应用：正常细胞或组织基因表达谱的研究 疾病相关基因表达研究 基因功能研究 药物作用机制研究 毒理学研究,2023/11/1,81,后基因组时代 post genome project,环境基因组学environmental genomics 药物基因组学肿瘤基因组学功能基因组学（functional genomics）蛋白组学(proteomics)蛋白质组学指对一定时间或某一特定的环境条件下，细胞组织或有机体内所表达的所有蛋白质进行系统的、总的研究的一门学科。技术方法:2-DE,激光解吸质谱,电喷雾质谱等等,2023/11/1,82,人类蛋白质组正式启动,2001年成立国际人类蛋白质组组织（HUPO），2003.12.15启动两个首批行动计划。人类肝脏蛋白质组计划（HLPP）由中国军事医学科学院副院长贺福初院士领导，16国80多个实验室参加。中国第一次领导重大国际协作计划。人类血浆蛋白质组计划（HPPP）由美国科学家牵头，13国47个实验室参加。第三届国际人类蛋白质组大会在北京举行。主题：蛋白质组-生命真谛的诠释。,2023/11/1,83,本章知识点回顾,染色质和染色体形态,结构和组成基因定义,发展史,分类；假基因，基因组原核、真核基因组特点,重复序列,基因家族人类基因组计划研究内容分子标记RFLP，SNP，MS,本章核心是在分子水平分析和解剖遗传信息的静态的分布,
