超好研究生分子生物学课件-基因组的结构与功能06

第二章基因组的结构与功能第一节病毒基因组的结构与功能第二节原核生物基因组的结构与功能第三节真核生物基因组的结构与功能基因组(genome)基因组是指一种生物所包含的全部遗传物质.(ThecompleteDNAsequenceofanorganism)单倍体基因组:一个配子、一个病毒颗粒或一个细菌所含的全套基因。染色体基因组：指一个或几个染色体包含的基因。线粒体基因组：线粒体的环状双链DNA.FluorsecentInSituHybridization(FISH)基因组大小的表示:原子质量（ku）碱基对数目（bp）质量单位（g、ng、pg）摩尔单位（pmol）光密度单位：1、基因大小可用分子量或碱基对（basepairs，bp）表示2、分子量单位是道尔顿（Dalton，D）,1D=0.992原子质量单位u3、生物大分子则以D或U单位的千（killo-）或百万mega-倍来表示，写成kD（Ku）或MD（Mu）4、DNA是双链结构，故常用碱基对(bp)，千碱基对（kb）,百万碱基对（Mb）表示其大小1bp=0.68kD酵母0.05碗豆5.0果蝇0.15太阳花5.3鸡1.3小麦7.0人3.2蚕豆14.6羊葱16.8郁金香31.2单倍体DNA(pg/cell)DNA分子大小的比较生物Kb长度（微米）染色体数形状•病毒SV405.11.71线状λ噬菌体48.671线状单链牛痘病毒190651线状•细菌大肠杆菌400013601环状•真核生物酵母13500460017果蝇165000560004人290000099000023病毒基因组结构特点1、结构简单，基因组小。2、基因组由DNA或RNA组成。3、有基因重叠现象。4、RNA病毒基因组可以由数条不相连的RNA链组成5、重复序列少；非编码区少。6、可以形成多顺反子mRNA。7、基因组是单倍体（除逆转录病毒）第一节病毒基因组结构与功能DNA分子大小的比较•生物Kb长度（微米）•病毒SV405.11.7•λ噬菌体48.617•牛痘病毒19065•细菌大肠杆菌40001360•真核生物•酵母135004600•果蝇16500056000•人2900000990000mRNA(+)链+DNADNARNADNA-DNA+RNA(II)(I)(VII)病毒核酸的分类Φx174基因重叠…GAAGGAGTGATGTAATGTCTAAAGGT…J基因MetSerLysGlyE基因…LysGly终止密码D基因E基因基因组结构特点1、环状双链DNA，约3200bp；L(-)和S(+)的5′端碱基互补，因而形成双链；长链（L链）的5’端连有一蛋白质，是转录的起点，产物为3.5KbRNA。短链长度不定。2、有广泛的基因重叠。乙型肝炎病毒（hepatitisBvirus)3、四个开放阅读框（openreadingframe,ORF)S区：由pre-S1，pre-S2和S基因组成，编码病毒外膜蛋白。C区：由pre-C和C基因组成。两个ATG被pre-C基因隔开，分别翻译出核心抗原和e抗原。P区：长度为832～845个氨基酸。P区的表达产物是一个大蛋白质，切割成逆转录酶等。X区：编码X蛋白，154个氨基酸，属核蛋白核蛋白功能：（1）反式作用因子作用于HBV启动子和增强子以及细胞的某些基因。（2）参与HBV基因组与肝细胞基因组的整合。细胞质细胞核外壳HB5Ag5,端结合蛋白反转录酶HBVDNA核心颗粒病毒侵入去壳宿主聚合酶5´3´2.1KbRNAAAAA2.4KbRNAAAAA3.5KbRNAAAAA蛋白合成形成颗粒RNA(+)AA途径1病毒包装和释放途径2DNA(-)基因组为一条（+）RNA，可直接作为mRNA使用包括某些噬菌体（如βQ），多数植物病毒，动物小RNA病毒（如polio,HAV),披盖病毒。例：脊髓灰质炎病毒(poliovirus)polio基因组:7434个核苷酸；复制酶(replicase)。（+）RNA病毒——脊髓灰质炎病毒(poliovirus)3´poly(A)(+)RNA5´复制酶脊髓灰质炎基因组复制和外壳蛋白切割示意图（-）RNA5´3´复制酶(+)RNA5´5´5´5´5´mRNA5´3´翻译NS蛋白酶VP1VP3VP4VP2（－）RNA病毒类型：杆状病毒：狂犬病毒（rabis），水泡口炎病毒（VSV)；副粘病毒：腮腺炎病毒（mumps），麻疹病毒（measles），副流感病毒；正粘病毒：流感病毒A,B,C型。(-)RNANNSMGL基因复制转录（+）RNA复制翻译（-）RNANNSMGL（+）mRNANNSMGL蛋白质装配核壳包膜VSV的复制N50KNS40kM26KG65KL175KInfluenzavirusA,BandCHA:hemagglutinin,15subtypies,H1,H2,H3foundinhuman.NA:neuraminidase,9subtypies,N1,N2foundinhuman.第二节原核生物基因组的结构与功能一、原核生物染色体基因组的结构与功能1、原核生物染色体DNA的基本结构与功能2、原核生物染色体基因组中结构基因的基本结构与功能特征3、原核生物染色体基因组中结构基因与调控序列的组织形式二、原核生物中的质粒DNA1、质粒的基本特征2、质粒的遗传控制3、质粒的类型1、原核生物染色体DNA的基本结构与功能类核（nucleoid)：类核结构的中央部分由RNA和支架蛋白组成，外围是双链闭环的超螺旋DNAE.Colibacterium大肠杆菌liggyrAdnaldnaZdnaXpolCpolBdnaCssbdnaBrpoBgryAdnaAorlCdnaPgyrBdnaG5060708090100010203040大肠杆菌染色体上参与基因复制的一些主要酶基因位置dnaLdnaPdnaBdnaC尚不清楚polCdnaZDnaXDNA聚合酶、、三个亚基gyrAgyrBDNA旋转酶、二个亚基dnaA复制调节因子dnaGDNA引物（合成）酶rpoBRNA聚合酶亚单位ssb单链DNA结合酶poLADNA聚合酶IligDNA连接酶2、原核生物染色体基因组结构与功能特征1）结构基因的编码是连续的，不含内含子，转录后不需要剪切.2）结构基因之间的编码序列不重叠.3）基因组中很少有重复序列.4）结构基因多为单拷贝基因，但编码rRNA的基因是多拷贝基因.5）结构基因在基因组中所占的比例远远大于真核基因组，但小于病毒基因组.3、原核生物染色体基因组中结构基因与调控序列的组织形式1）具有操纵子的结构.2）操纵子的上游是启动子和操纵元件，转录产物是多顺反子.3）信息编码区的下游是转录终止信号:弱终止子是依赖ρ因子终止的方式;强终止子可以不依赖ρ因子终止的方式.4）原核生物染色体基因组只有一个复制起始点.5）基因组的功能除复制外，还有复杂的代谢活动.多肽链折叠阻遏蛋白乳糖RNA聚合酶结构基因β-半乳糖苷酶透酶乙酰转移酶乳糖操纵子的作用机理：原核生物复制真核生物复制质粒(plasmid)：指细菌和某些真核细胞染色体外、细胞内的共价闭合的环状DNA分子（cccDNA）。（1）除酵母杀伤质粒为RNA外，质粒为环状超螺旋DNA。（2）分子量一般为106×108，小型质粒的长度一般为1.5~15kb。（3）质粒的复制依赖宿主细胞的复制机器。质粒可以转移。（4）质粒不是宿主细胞生长、繁殖所必需的物质，但他所携带的遗传信息赋予宿主细胞特定的遗传性状，如F质粒的性别；R质粒的赖药性等质粒的基本特性电镜下的DNA分子质粒的遗传控制1、复制调控系统：由ori、rep和cop基因构成2、分配系统：有分配区使质粒在细菌分裂过程中精确分配到子细胞中3、细胞分裂控制系统：抑制细胞分裂，使细胞分裂与质粒复制协调4、位点特异重组系统：由质粒的att位点、Int酶、Xis酶和宿主提供的FIS因子、IHF因子组成5、质粒的不相容性：具有相同复制起始点和分配区的两种质粒不能共存于一个宿主菌λ-噬菌体位点特异性重组（1）按质粒复制机理分为：严密控制型细胞内质粒拷贝数少松弛控制型细胞内质粒拷贝数多（2）按质粒性质分为：F质粒（性质粒）R质粒（抗药质粒)col质粒（大肠杆菌素因子）（3）按转移的方式接合型质粒可移动型质粒自传递质粒（4）宿主谱：窄宿主谱和宽宿主谱质粒的类型2686bpplasmidFigure3.Plasmidconstruction.The'bait'and'hunter'fusionproteinsareconstructedinthesamemanner.The'bait'DNAisisolatedandinsertedintoaplasmidadjacenttotheGAL4BDDNA.WhenthisDNAistranscribed,the'bait'proteinwillnowcontaintheGAL4DNA-bindingdomainaswell.The'hunter'fusionproteincontainstheGAL4AD.第三节真核生物基因组的结构与功能一、真核生物染色质DNA的高级结构1、DNA高级结构中的蛋白质2、DNA与蛋白质的结合与染色体的组装二、真核生物核基因组结构与功能特点1、真核细胞基因组中结构基因的结构与功能特点2、真核细胞基因组中的重复序列的结构与功能特点3、多基因家族与假基因三、真核生物线粒体基因组的结构前期的染色体(chromosome)一、真核生物染色体DNA的高级结构染色体间期染色体片段300nm纤维30nm纤维核小体串DNA片段DNA高级结构中的蛋白质1、组蛋白1）性质：含量恒定；带正电荷，含有较多的Arg和Lys，属碱性蛋白质2）分类：高度保守的核心组蛋白（H2A、H2B、H3、H4）非高度保守的核心组蛋白（H1）3）结构：4种核心组蛋白均由球型部和尾部构成，球型部借Arg残基与磷酸二酯骨架间的静电作用使DNA分子缠绕在组蛋白核心周围，形成核小体；尾部有大量的Arg和Lys残基，为组蛋白翻译后进行修饰的部位2、非组蛋白1）特性：带负电荷，属酸性氨基酸，含有较多的Asp、Glu在整个细胞周期都可以合成能识别特异性的DNA序列,位点在DNA的大沟部分2）功能帮助DNA分子折叠，以形成不同的结构域，有利于DNA复制和基因的转录协助启动DNA复制控制基因转录，调节基因表达核小体(nucleosome)：存在于真核细胞染色体内由DNA和组蛋白构成。组蛋白分子共有H1、H2A、H2B、H3和H4五种，各两分子的H2A、H2B、H3和H4构成扁平圆柱状八聚体，含146bp的DNA双链在此颗粒上缠绕1.8圈形成核小体。核小体之间由一段DNA（约55bp）和组蛋白H1构成的连接区连接形成串珠样结构。1、真核细胞基因组中结构基因的结构与功能特点真核生物的结构基因大都为断裂基因真核细胞基因转录产物为单顺反子基因组结构基因所占区域远小于非编码区域2、真核细胞基因组中的重复序列的结构与功能特点重复序列(repeatedsequances)指在基因组中多次出现的DNA序列。由特定长度的重复单位，特定的拷贝数目在空间上以特定的方式组成。根据Cot曲线分为高度重复序列，中等重复序列和单拷贝序列。3、多基因家族与假基因二、真核生物核基因组结构与功能特点重复序列：特定大小序列（重复单位），特定拷贝数,在空间上以特殊方式组成正向重复AGGTAGGTTCCATCCAAGGTNNNNAGGTTCCANNNNTCCAACTTTTCATGAAAAGTACTTNNNNTTCATGAANNNNAAGT反向重复串联两侧对称旋转对称ACGGCCGTACGGNNNNNCCGTTGCCGGCATCCCNNNNNGGCA1、高度重复序列(highrepetitivesequence)：分类：重复频率10，反向重复序列、卫星DNA(satelliteDNA)和较复杂的重复单位组成的重复序列。1）反向重复序列其总长度约占人基因组的5%；其长度约为30