第6章基因组解剖2+强伯勤

第六章基因组解剖•活体中DNA总是与蛋白质结合在一起，形成染色体高级结构。•染色体始终处在动态的构型变化之中。•染色体的微观结构在基因的表达调控中扮演了重要角色1.真核生物基因组解剖2.原核生物基因组解剖3.转座因子与分散重复序列4.人类基因组草图序列中的编码基因5.拟南芥基因组编码基因一.真核生物基因组解剖•真核生物核基因组核型（karyotype）：即细胞分裂中期染色体按照大小与着丝粒的位置依次排列，组成的每种生物特有的染色体组图像.带型（bandingpattern）：某些染料与中期染色体特异性结合使染色体不同部位产生着色差异。Q带：喹丫因染色G带：温和蛋白酶处理后吉姆萨染色。R带：加热的碱性溶液处理G带图显示，深着色区与浅着色区相间分布，表明染色质的组成是非均一性组成型异染色质：所有细胞中均有的一种持久性结构，不含任何基因，总是保持致密的组成状态。除复制期以外，在整个细胞周期均处于聚缩状态，形成多个染色中心，如着丝粒和端粒、Y染色体大部分区域兼性异染色质：在某些细胞类型或一定的发育阶段,原来的常染色质聚缩,并丧失基因转录活性,变为异染色质，异染色质化可能是关闭基因活性的一种途径异染色质结构紧密，使控制基因表达的蛋白无法接近•常染色质：指间期核内染色质纤维折叠压缩程度低,处于伸展状态,用碱性染料染色时着色浅的那些染色质。常染色质状态只是基因转录的必要条件而非充分条件异染色质：碱性染料染色时着色较深的染色质组分组成型异染色质：如着丝粒和端粒、Y染色体大部分区域兼性异染色质：非持久性的异染色质异染色质结构紧密，使控制基因表达的蛋白无法接近•常染色质：指间期核内染色质纤维折叠压缩程度低,处于伸展状态,用碱性染料染色时着色浅的那些染色质。常染色质状态只是基因转录的必要条件而非充分条件•异常染色体B染色体：是正常染色体的断片，产生于非正常的细胞核分裂事件，常见于植物中，会降低其存活力；在细胞分裂过程中会逐渐丢失小染色体：染色体体积较小，但富含基因，如鸡的基因组有39条染色体，其中33条为小染色体，DNA量1/3，基因数75%•CpG岛：基因组中富含GC（60%-70%）的DNA片段，一般长度1-2kb•多数位于管家基因和大部分组织专一性表达基因的5’侧翼区及基因的第一个外显子区二氢叶酸还原酶次黄嘌呤转磷酸核糖基酶核糖体蛋白基因CpG岛与基因相连，可作为寻找基因的依据在染色体上分布很不均匀，但与基因分布频率一致真核生物细胞器基因组线粒体基因组脊椎动物线粒体基因组的某些特征：基因之间很少有间隔顺序；核糖体RNA基因极短；某些基因缺少终止密码子，需要在RNA编辑时产生大小与生物复杂性无关。但均比核基因组小很多。细胞器基因组多拷贝，但遗传行为为单一基因型。疑问？如何保持基因型的一致？不同细胞、世代之间？疑问？不同拷贝中发生中性突变能否保留？植物细胞叶绿体基因组为5000个/细胞。叶绿体基因组：在物种间变化不大；高等植物中有2段反向重复区段，可阻止基因组内部重组，使其更稳定线粒体基因组均含rRNA和某些呼吸链成分的基因，或含tRNA基因及核糖体蛋白基因等；特别是胞质蛋白进入线粒体的蛋白基因；遗传内容：叶绿体基因组均含rRNA和tRNA基因、与光合作用有关的蛋白质及核糖体蛋白基因等其他蛋白基因由核基因编码为何不能所有基因全部细胞核编码？鞭毛虫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。依据：细胞器基因与细菌基因顺序相似性高于同源的核基因，且基因表达过程与细菌很相似。疑问：哺乳动物染色体中含有线粒体DNA，但细胞器基因组很少含有核基因成分？2002年初，世界上第一只体细胞克隆猫诞生了，名为CC克隆动物1.真核生物基因组解剖2.原核生物基因组解剖3.转座因子与分散重复序列4.人类基因组草图序列中的编码基因5.拟南芥基因组编码基因大肠杆菌染色体二.原核生物基因组解剖细菌染色体：一般为许多30-100kb的独立超螺旋环组成DNA包装方式：大肠杆菌有与DNA结合的HU蛋白，古细菌有类似组蛋白的组分•操纵子：含一组彼此邻接的结构基因，基因间隔仅1-2bp，是细菌基因存在的常见形式与能量代谢有关的基因生物大肠杆菌流感嗜血杆菌生殖道支原体数目24311231满足单细胞存活所必需的最少基因数是多少？300？最小基因组生物，生殖道支原体及其亲缘种分别含有470和679个基因生殖道支原体的470个基因中仅120个是该物种独有的1.真核生物基因组解剖2.原核生物基因组解剖3.转座因子与分散重复序列4.人类基因组草图序列中的编码基因5.拟南芥基因组编码基因三.转座因子与分散重复序列转座因子：在原核生物与真核生物基因组中存在着可从一个染色体位点转移到另一位点的一些DNA序列。转座子是基因组突变的主要因素之一。DNA的直接转座插入序列IS（原核）P因子（果蝇）Ac-Ds（玉米）以RNA为中介进行转座（逆转座因子）逆转录转座子逆转录病毒（一）DNA转座子变性前的双链形式,插入序列的方向相反变性后经链内退火形成的棒糖结构转座子结构示意图原核生物转座子的类型：1、插入序列（insertionsequences，IS）———最简单的转座子。①二个分离的反向末端重复序列(invertedterminalrepeats,ITR)②一个转座酶（transposase)编码基因IRTransposaseGeneIR2、复合转座子——Ⅰ类转座子——由IS类转座组件构成的复合体。组成：两端为IS中间编码抗生素物质ISIS抗生素抗性基因IRIRTransposaseGene有用基因3、复杂转座子——Ⅱ类转座子（TnA家族）——携带转座和耐药等基因的独立体家族。组成：两端为ITR，而不是IS中间编码区含转座酶编码基因，及抗生素抗性和解离酶等编码基因。果蝇中的P因子“杂种不育”（hybriddysgenesis）。P型（父本贡献的，paternalcontributing）M型（母本贡献的，maternalcontributing）M（♂）×P（♀）后代不育P（♂）×M（♀）后代可育。有P因子转座阻遏物抑制所ORF0ORF1ORF2ORF387K阻遏物的相互作用。P因子合成转座酶杂种不育阻遏物抑制所有P因子转座P品系(P♂×P♀)雄性染色体雌性染色体P细胞型P因子P因子66KD阻遏物ORF0ORF1ORF2ORF3ORF0ORF1ORF2ORF366KP♂×M♀雄性染色体雌性染色体P细胞型P因子M♂×P♀雄性染色体雌性染色体P细胞型无P因子P因子66KD阻遏物ORF0ORF1ORF2ORF366K图23-57杂种不育取决于基因组中P因子和不同类型细胞中66KD(仿B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997,Fig.18.27)（二）逆转录转座子以RNA介导的转座与逆转录病毒有关，被转移的因子称为逆转录转座子。逆转录转座子是真核生物转座子的重要类型。艾滋病毒的基因结构LTR长末端重复序列gag核心蛋白，反转录酶pol蛋白酶vif感染因子vpr,vpu复制因子tat反式激活因子rev(art抗阻遏翻译基因活化,trstransregulatorofsplicing)调节因子env衣壳蛋白nef(3’orf)negativefactor抑制复制模板vprrevrevgagviftatvputatnefLTRpolenvLTR逆转录病毒的生活史：RNA，DNA，整合内源逆转录病毒（ERVs）：是已经整合到脊椎动物染色体中的逆转录病毒基因组，一般无活性，不能扩增逆转录因子分类LTRgagpolLTR内源逆转录病毒LTR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Pol基因：编码逆转录酶和其他与复制有关的酶env基因:衣壳蛋白envLTRgagpolLTR逆转录转座子LTR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pol基因：编码逆转录酶和其他与复制有关的酶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列gag?LINE，（长散在元件）Longinterspersedneuclearelement人类基因组中line1，6.1kb，3500个拷贝polpoly(A)~6Kbpoly(A)~0.3KbSINE：借用寄主的逆转座酶实现转座如人类Alu家族重复序列，百万拷贝，含有内启动子，具有转录活性，大量扩增。MIR,mammalianwideinterspersedrepeat:只分布在哺乳动物中，起源于tRNA，含有内启动子人类基因组中2种重复顺序家族Alu与LINE1占所有分散重复顺序的60%，而其他生物仅为5%-25%人类基因组的常染色体含有较之其他生物密度高得多的转座因子拷贝（三）真核生物分散重复序列的比较人类基因组中填充了大量古老的转座因子，housecleaning自家清扫机制非功能DNA半衰期，果蝇1200万年，人类8亿年1.真核生物基因组解剖2.原核生物基因组解剖3.转座因子与分散重复序列4.人类基因组草图序列中的编码基因5.拟南芥基因组编码基因四.人类基因组草图序列中的编码基因人类基因组总基因数100000，依据基因平均大小与人类基因组的比例80000，CpG岛与大多数管家基因相连，CpG岛约45000，而管家基因占总基因1/235000，依据22号染色体的测序结果31778，2000年国际人类基因组联合体公布26383，CeleraGenomics编码蛋白质基因编码序列仅占总DNA的1.5%左右单基因产生的蛋白质数为果蝇或线虫的5倍3种生物外显子平均长度接近，表明mRNA剪接机制在进化上的保守性（如下图），但内含子大小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编码RNA基因4种rRNA10种snRNA48种tRNA端粒酶RNA1.真核生物基因组解剖2.原核生物基因组解剖3.转座因子与分散重复序列4.人类基因组草图序列中的编码基因5.拟南芥基因组编码基因五.拟南芥基因组编码基因基因组最小且第一种被测序的高等植物基因组大小125Mb注解基因25498，11000个基因家族，9%已验证基因结构紧凑，外显子长度250bp，内含子170bp，基因密度4.6kb•编码蛋白质基因新陈代谢基因占10%基因组48%-60%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学方面具有强保守性转录因子基因数目1500，人类2000，线虫500，果蝇700•编码RNA基因：41种tRNA，5种snRNA