高等植物基因组结构1)
植物基因组学
不同物种基因外显子数目统计
三个物种基因内含子数目统计
酵母
果蝇
染色体上重复序列的位置
异染色质
常染色质
常染色质
异染色质
串联重复DNA微卫 星
串联重复
内含子、外显子、LINEs、 SINEs、微卫星与mini微
卫星
内含子、外显子、LINEs、 SINEs、微卫星与mini微
真核生物与原核生物基因组的区别
基因组 染色体 着丝粒 染色体 基因组 重复
大小
端 结构 序列
真核生物 大 多条 有 线状
有 基因排列
高
松散 被内
含子间隔
原核生物
小 单染色 无 体环状
无 基因排列 没有或
紧密无内 含子
很低
真核生物与原核生物基因组的一些例子
裂殖酵母 支 原 体
布 鲁 氏 科 寄 生 菌
DNA双链退火重合 所需时间越长，C值 越高
基因组的大小 – C0T1/2
C0T1/2 =“DNA 浓度”与“双链退火复合所需时间一半”的乘积， 这个乘积直接与基因组内DNA的数量相关。
物理参数与实测碱基对数目间的相关性
物种之间基因组大小的差别
物种间基因组的大小差别巨大，从病毒基因组的 5x103 bp到植物的103 Mb。在哺乳动物之中，最大的 基因组只是最小的基因组的两倍；而在植物界，物种之 间基因组的大小差异达100倍之多。
电子显微镜下面染色体的外观
Confocal显微镜下面植物染色体的外 观
为什么要研究基因组？
1、基因组研究的目的是从全局上阐明一种生 物中所有遗传信息的组织和功能。
2、基因组研究的内容包括所有水平上遗传信 息的加工及基因和基因产物之间的相 互作用，以及基因组的比较和进化。
植物细胞核DNA、叶绿体DNA和线粒体DNA的比较
植物细胞核DNA、叶绿体DNA和线粒体DNA的比较近年来，随着基因克隆和DNA序列分析技术的发展，叶绿体DNA和线粒体DNA 的研究有了长足的进步。
植物一般都有三套遗传信息指导它的整个生命活动，即核染色体DNA(nDNA)、叶绿体DNA(cpDNA)和线粒体DNA(mtDNA)，它们在组织结构、遗传方式、表达调控等方面互有差别，又协同作用共同控制着植物的生长和发育。
1 组织结构植物细胞的大部分DNA是在核内，并与组蛋白稳定结合组成染色体，控制着大部分性状，起着主导作用。
高等植物nDNA含量大约在0.5～200pg之间，不同植物相差很大。
植物nDNA中很大比例的胞嘧啶由5-甲基胞嘧啶取代，有40%～90%是由重复的DNA组成。
植物的大多数nDNA的浮力密度在1.69～1.71g/cm3范围内，G+C的含量为30%～51%左右。
在高等植物中，cpDNA一般以共价、闭合、环形双链(cccDNA)的形式存在，是多拷贝的。
cpDNA比nDNA和mtDNA有较强的保守性，其大小在各种植物中相近，一般在120～190kb之间。
它与nDNA不同，分子较小，不含有5-甲基胞嘧啶，而且不与组蛋白结合成复合体，是裸露的，容易复性，存在为数极少的重复顺序，与原核生物的DNA类似。
cpDNA的浮力密度约为1.697g/cm3，G+C的含量为36%～40%。
cpDNA在结构上最突出的特点是有一对22kb的反向重复顺序(inverted repeat sequence)，将环形的cpDNA分割成大单拷贝区和小单拷贝区。
植物mtDNA较大，大小范围为200～2500kb，其复杂性远大于其它生物，在同一科植物中(如葫芦科)基因组大小差异可达7～8倍。
植物mtDNA通常呈环状，是双链的。
植物mtDNA的浮力密度约1.706g/cm3，这相当于大约47%的G+C。
大多数植物mtDNA具有多基因组结构，由一个主基因组和通过重组由它衍生的一系列大小不同的分子组成。
第一章--植物细胞的结构与功能--知识要点
第一章植物细胞的结构和功能知识要点一、教学大纲基本要求了解高等植物细胞的特点与主要结构；了解植物细胞原生质的主要特性；熟悉植物细胞壁的组成、结构和功能以及胞间丝的结构和功能；了解生物膜的化学组成、结构和主要功能；了解植物细胞主要的细胞器如细胞核、叶绿体和线粒体、细胞骨架、内质网、高尔基体、液泡以及微体、圆球体、核糖体等的结构和功能；熟悉植物细胞周期与细胞的阶段性和全能性，了解植物细胞的基因组和基因表达的特点。
二、本章知识要点（一）名词解释1．原核细胞(prokaryotic-cell) 无典型细胞核的细胞，其核质外面无核膜，细胞质中缺少复杂的内膜系统和细胞器。
由原核细胞构成的生物称原核生物（prokaryote）。
细菌、蓝藻等低等生物属原核生物。
2．真核细胞(eukaryotic-cell) 具有真正细胞核的细胞，其核质被两层核膜包裹，细胞内有结构与功能不同的细胞器，多种细胞器之间有内膜系统联络。
由真核细胞构成的生物称为真核生物（eukayote）。
高等动物与植物属真核生物。
3．原生质体(protoplast) 除细胞壁以外的细胞部分。
包括细胞核、细胞器、细胞质基质以及其外围的细胞质膜。
原生质体失去了细胞的固有形态，通常呈球状。
4．细胞壁(cell-wall) 细胞外围的一层壁，是植物细胞所特有的，具有一定弹性和硬度，界定细胞的形状和大小。
典型的细胞壁由胞间层、初生壁以及次生壁组成。
5．生物膜(biomembrane) 即构成细胞的所有膜的总称，它由脂类和蛋白质等组成，具有特定的结构和生理功能。
按其所处的位置可分为质膜和内膜。
6．共质体(symplast) 由胞间连丝把原生质（不含液泡）连成一体的体系，包含质膜。
7．质外体(apoplast) 由细胞壁及细胞间隙等空间（包含导管与管胞）组成的体系。
8．内膜系统(endomembrane-system) 是那些处在细胞质中，在结构上连续、功能上关联的，由膜组成的细胞器总称。
高等植物细胞特有的生物膜结构
高等植物细胞特有的生物膜结构近几十年来，利用显微镜技术，人们首次发现了细胞的真菌膜，从而给科学研究开启了一个新的篇章。
无论是植物细胞，动物细胞还是真菌细胞，他们都具有相似的基本结构，即细胞壁、细胞质、细胞核以及细胞膜。
细胞膜是一种有机非晶态膜，它是细胞和其他物质之间最重要的分离层，因而被称为生物膜。
生物膜具有很高的分子质量和活性，可以在细胞内部布置一些有机分子，并参与膜的动力学过程，在此基础上影响细胞的生物活性。
高等植物细胞特有的生物膜状态特征有：一是膜由多孔性脂质胶束首先由多种脂质和半胱氨酸组成，其次是介质层以多种蛋白质和硫酸盐组成。
其中，膜蛋白参与细胞间的信号转导，影响细胞的生化过程，而硫酸盐有助于维持细胞的动力学稳定性。
二是膜的结构可以有活性和动力学类型，不同的蛋白质和硫酸盐的比例也不同，会影响膜的结构动力学和动力学性能。
三是膜的厚度，即随着细胞的发展和活化，厚度会随之变化。
四是细胞膜不仅参与进入细胞的各种反应物质，还参与离开细胞的反应物质，从而调节细胞内外环境的平衡。
在高等植物细胞中，生物膜特征是细胞膜特征更加细致复杂，包括膜表面抗原、膜蛋白、酯键和磷脂复合物等。
膜表面抗原可以与宿主白细胞产生反应，从而调节细胞的免疫反应；膜蛋白参与细胞的膜通顿，调节细胞的生物功能；酯键和磷脂复合物可以与膜蛋白结合，影响膜的结构和动力学特征，从而调节细胞的功能。
由此可见，高等植物细胞的生物膜特征极其复杂，是影响细胞性状及功能的重要决定因素。
它们不仅是膜通道的重要组成部分，而且还参与细胞的各种反应，调节细胞的生物活性，对细胞的发展和活化具有重要作用。
同时，高等植物细胞的生物膜也能够受外界致病因素的影响，而发生变化，从而引起细胞的疾病反应。
考虑到高等植物细胞生物膜在细胞活性调节中的重要作用，因此近些年来，研究人员开始关注生物膜结构和动力学特性对细胞性状、功能及发育的影响。
在膜蛋白组成、屏障性能、结构动力学特性、厚度变化等方面，都提出了研究思路；同时，采用膜表面分析技术，可以研究膜的物理和化学特性，并采用分子生物学技术，可以更精确地了解膜的动态变化。
大学植物学知识点
19 世纪初，两位德国生物学家施莱登和施旺正式明确提出：一切生物，从单细胞到高等动、植物都是由细胞组成的，细胞是植物体和动物体的基本结构单位。
第一节细胞的基本特征一、细胞的概念细胞学说／细胞是植物有机体的基本结构单位。
／细胞也是代谢和功能的基本单位。
／细胞还是有机体生长、发育的基础。
／细胞又是遗传的基本单位，具有遗传上的全能性。
原核细胞／没有典型的细胞核：其遗传物质集中在某一区域，没有核膜包被。
／DNA 呈环状，不与或很少与蛋白质结合。
／没有以膜为基础的细胞器。
／细胞通常体积很小，直径为～10 m 不等。
由原核细胞构成的生物称原核生物。
植物界（两界系统）中的细菌和蓝藻属于原核生物。
真核细胞／具有典型的细胞核结构。
／基因组 DNA 为线状，并且与组蛋白结合。
／具有以膜为基础的多种细胞器。
／细胞较大，直径一般为 20-50 微米。
由真核细胞构成的生物称真核生物，高等植物和绝大多数低等植物均由真核细胞构成。
二、植物细胞的基本特征（一）植物细胞的形态、大小1.大小：一般 20-50 微米。
／特例：棉花种子的表皮毛细胞可长达 70mm，成熟的西瓜果实和番茄果实的果肉细胞，其直径约 1 mm，苎麻茎的纤维细胞长达 550 mm。
2.形状：球状体、多面体、纺锤形和柱状体等。
（二）植物细胞与动物细胞的主要区别植物细胞有一些特有的细胞结构是动物细胞所没有的，如细胞壁、液泡、质体和胞间连丝等。
有些动物细胞的结构，如中心粒，是植物细胞内不常见到的。
第二节植物细胞的基本结构和功能／真核植物细胞由细胞壁、原生质体和后含物三大部分组成。
／原生质体是指活细胞中细胞壁以内各种结构的总称，是细胞内各种代谢活动进行的场所。
包括细胞膜、细胞质、细胞核等。
／植物细胞中还常有一些贮藏物质和代谢产物称后含物。
一、原生质体(一) 质膜（细胞膜）（二）细胞质1．细胞器(1) 质体质体是植物细胞特有的细胞器。
根据所含色素及结构的不同，可分为叶绿体、有色体与白色体三种。
什么是植物基因组
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2、植物基因组多倍体比较常见，而动物中极其罕见。
水稻
倍型
2n
染色体数 24 目
常见植物染色体数目以及其倍型
玉米 香蕉
水仙
马铃薯
2n
3n
3n
4n
20
33
30
48
曼陀罗 4n 48
小麦 6n 42
3、植物基因组重复序列含量往往更高。 4、植物体独有的功能比如光合作用就有其相对应植物独有的基因。
植物特有的编码、非编码基因、调控序列及其产物形成了植物特有的光合作用系统。
植物叶绿体基因组:
定义：
叶绿体DNA（cp DNA）存在于叶绿体内的DNA。高等植物 叶绿体的DNA为双链共价闭合环状分子。
结构上叶绿体基因组DNA一般为双链环状分子，极少数为线状， CpDNA 基因数为120个左右。典型的叶绿体基因组结构包括四个部分, 两个IR区把 整个基因组分割为LSC区和SSC区。并不是所有的叶绿体都含有IR。 叶绿体基因组中含有大量的功能基因，可分成三类，即光合作用有关基 因，和基因表达本身有关的基因和其他生物合成有关的基因。
该图（A）为含有大麦HA位点（B）是其水稻共线区域，可以鲜明地看出他们 在这一基因区域的基因集结构差异。
THE END
请老师和同学们 批评指正！
物种演变的过程中曾经的多倍体区域其基因相似性和基因顺序的一致性会一定程度上得以保留因此能够通过这两个方面的信息来推测历史多倍体化事件图中的短线即代表相似性的片段若颜色相同的片段出现在三个不同的染色体对的区域则证明该物种的基因组曾经发生过三倍highqualitycarrotgenomeassemblyprovidesnewinsightscarotenoidaccumulationasteridgenomeevolution
动物基因组与植物基因组基本差异
动物基因组与植物基因组基本差异植物vs动物总结版：简述⾼等植物基因组（可以以拟南芥和⽔稻基因组为例）与⾼等动物基因组（可以以⼈类、果蝇等基因组为例）在基因结构层⾯展⽰出来的基本差异。
⾼等植物基因组与⾼等动物基因组在基因结构上的基本差异主要是⽣命组学的第⼀困境，即复制-转录负载困境。
机制：1.从平衡流看，1.1⾼等植物基因组以复制负载为主，由单细胞祖先就决定，即⾼等植物的重复序列位于基因间区，只复制不转录，这种情况的重复序列在⽔稻中占50%，在⼩麦中占95%，相对于复制负担⽽⾔，其转录能量负担则会减少 50%（拟南芥和⽔稻）到 95%（⼤麦和⼩麦，这些多出来的能量显然会⽤于其它⽣物⼤分⼦的合成，如淀粉、纤维素、半纤维素、⽊质素和其它植物特异的次⽣代谢产物。
即⾼等植物的能量⼤部分⽤于复制。
1.2⾼等动物基因组以转录负载为主，由单细胞祖先决定，即⾼等动物的重复序列位于基因内含⼦中，只转录不翻译，这种情况的重复序列在⼈中占90%，即⾼等动物物的能量⼤部分⽤于转录。
2.操作流⾓度来看，⾼等植物有多倍体化，⽽⾼等动物特别是脊椎动物就没有多倍体化。
1. 操作流⾓度来看，⾼等植物有较复杂的DNA修复机制，⽽⾼等动物有较为复杂的剪切机制。
=================================================3.1主体上，操作流中的不同剪接⼦决定所剪接的内含⼦⼤⼩，⾼等动物和⾼等植物中都有通⽤剪接⼦和⾃⾝独有的剪接⼦。
对于特异剪接⼦来说，⾼等植物的特异剪接⼦⽐⾼等动物简单，这是因为增强⼦的缘故。
增强⼦⽤于帮助剪切，⾼等植物的在intron中，⽽⾼等动物的增强⼦在exon中，所以⾼等植物的内含⼦⽐⾼等动物短。
即⾼等动物允许⽐较⼤的内含⼦。
3.2因为等动物允许⽐较⼤的内含⼦，所以在机制上，从信息流的⾓度来说，⾼等动物允许重复序列插⼊内含⼦。
所以信息流上现象是：3.2.1就最⼩内含⼦的⼤⼩来说，⾼等植物⽐⾼等植物⼩，⽐如拟南芥⽐果蝇的最⼩内含⼦⼩3.2.2就基因空间来说，⾼等植物⽐⾼等植物⼩，⽐如⽔稻的基因空间⼤⼩为50%，其中基因间区成为基因组序列主体；⽽⼈类的基因空间⼤⼩为90%，其中内含⼦成为基因组序列主体。
基因组的结构与功能
本章主要内容
第一节 基因组的概念 第二节 病毒基因组的结构特点 第三节 原核生物的基因组 第四节 真核生物基因组 第五节 基因组变异的意义 第六节 人类基因组学简介ຫໍສະໝຸດ 2021/4/83
第一节 基因组是一套完整单倍体的遗传物
质的总和
一、基因组储存了生物体整套的遗传信息
基因组（genome）泛指一个细胞或病毒的全 部遗传信息。在真核生物体中，基因组是指一 套完整单倍体DNA(染色体DNA)和线粒体DNA 的全部序列，既包括编码序列，也包括大量存 在的非编码序列。
乙肝病毒 3125（部分单链）
5
λ噬菌体
48531
>60
EB病毒
172282
>80
大肠杆菌
4.2×106
>3000
人类
3×109
3万～4万
2021/4/8
数量级
103 104 105 106 109
6
三、不同生物基因组的结构与组织形 式也明显不同
原核生物的基因组一般较小，结构比较简单； 病毒基因组的大小和结构差异较大；
2021/4/8
32
2021/4/8
33
简化的转座过程
2021/4/8
34
（二）转座因子的几个遗传效应
由转座因子复制出一个新拷贝转移到基因组中的新 位置；
新的转座因子转到靶点后，靶点序列倍增成为2个 靶点序列，并分别排列在转座因子两侧，形成同向 重复序列（见图 ）；
在转座过程中能形成共合体； 转座因子转座后能促使染色体畸变； 转座因子从原来位置上切除（切离，excision）； 转座可引起插入突变； 由于携带有标志基因如ampR、terR、smR，使受体
基因与基因组的结构与功能
病毒组装组分基因 病毒感染相关基因 病毒复制相关基因
Φ Χ 174噬菌体基因组
• 单链环状，5386个核苷酸对，11个基因，3 个转录单元， • 有重叠基因，基因间间隔区很小
63
A H B
A＊
K 5866bp 8
C
D E J G 110 F 36
• SV40病毒基因组 • SV40（simian sarcom avirus40 猴肉 瘤病毒)属乳多空病毒类，是最小的DNA病 毒之一。它可长期潜伏于猴肾细胞，对新 生仓鼠有致癌性，体外试验还可使多种属 细胞恶性转化。
3 逆转录病毒 1.逆转录病毒一般分类 逆转录病毒可以说就是RNA肿瘤病毒。 第一个被发现的RNA肿瘤病毒是劳氏肉瘤病毒（Rous Sarcoma vivus, RSV, 1911)。至今为止所发现的retro-v都能使动物致癌，如下。 （1）肉瘤病毒 （2）白血病病毒(leuremia virus) （3）乳腺瘤病毒(mammazy tumor virus)和淋巴瘤病毒，如鸟类髓细胞 瘤病毒（avian myelocytoma, AMV) （4）人类嗜T细胞逆转录病毒（human T-lymphotropic retro-v, HTLV)HTLV-III现称人类免疫缺陷综合症病毒（human immunodeficiency virus, HIV)或AIDS病毒。
1、基因组结构特点 （1）双链环状DNA分子、MW3×103KD，长52436p,与 4种组蛋白（H2A、H2B、H3及H4）综合，与真核染色质区 别在于不含H1。 （2）基因组由早期基因、调控区和晚期基因构成。 ①早期基因含有2个重叠基因，编码T和t（T=tumor)抗原 ②晚期基因含3个重叠基因，编码VP1（主），VP2和VP3 （次）3种衣壳蛋白 ③调控区位早、晚期基因之间，长约4006p包括复制起点， 启动子和增强子，可调节基因组的复制及早、晚期基因的转录。
基因的分子结构
基因的分子结构吴乃虎黄美娟（中国科学院遗传发育所）（北京大学生命科学学院）（2011年3月修订）一．若干概念1. 5'—末端和3'—末端5'—末端：系指具有一个自由的或加帽的 5'—磷酸基团（ 5'-P)之核苷酸链的末端。
3'—末端：系指具有一个自由的或是磷酸化的3'—羟基（3'-OH)之核苷酸链的末端。
2. 上游与下游这是用来描述多核苷酸链或蛋白质多肽链分子中相反取向或相对位置关系的一对术语。
上游（upstream）和下游（downstream）在不同的场合代表不同的含义：(1) 基因的DNA或mRNA分子:上游：位于5'-末端的序列叫上游序列。
下游：位于3'-末端的序列叫下游序列。
(2) 在基因的转录反应中：上游：位于转录起点5'-方向的DNA序列叫上游。
下游：位于转录起点3'-方向的DNA序列叫下游。
(3 )蛋白质多肽链:上游：处于N-端的氨基酸序列为上游。
下游：处于C-端的氨基酸序列为下游。
(4) 在基因工程研究中：上游：基因的克隆、分离、转化、表达和调节等研究工作统称上游。
下游：转基因之后的细菌培养与发酵以及转基因动植物的培育、表达产物的分离纯化及鉴定等研究工作统称下游。
3.上游序列与下游序列在基因的DNA序列中，头一个被转录的核苷酸碱基叫做转录起点，通常是A或G,其坐标定为+1。
.(1)上游序列位于转录起点5'一侧的DNA叫做上游序列。
其核苷酸碱基的坐标定为负。
例如-1 -5，-10.......。
(2) 下游序列位于转录起点3'-侧的DNA叫做下游序列。
其核苷酸碱基的坐标定为正。
例如+3,+5，+10.......。
4. 5'-侧翼序列区和3'-侧翼序列区(1) 5'-侧翼序列区（5'-flanking sequence region)位于mRNA转录起点之前的一段长度有限的DNA序列区，叫做5'-侧翼序列区，或者泛称为启动子区。
【doc】高等植物Rac家族的结构与功能
高等植物Rac家族的结构与功能自.鞋科荸盈展第13卷第9期2003年9月901高等植物Rac家族的结构与功能*罗敏吴乃虎一中国科学院遗传与发育生物学研究所,北京100080摘要Rac家族是高等植物中惟一一类分布广泛的信号GTP结合蛋白.近年来研究表明,植物Rac蛋白参与细胞形态建成及极性生成,细胞凋亡,活性氧产生,细胞分化和激素反应等多种生命活动的调节作用,并扮演着分子开关角色.结合本实验室近年有关水稻Rac基因的研究工作,综述了高等植物Rac家族发现至今10年的研究成果,以便系统认识植物Rac蛋白信号传导通路与其调控的生物学功能之间内在的联系.关键词Rac家族高等植物基因分布结构功能根据GTP结合蛋白作用方式的异同以及分子量大小的差别,可将其分为异源三聚体和低分子量两大类.Rac家族属于低分子量GTP结合蛋白家族中一个亚族,其分子质量大小在20～30ku之间.作为一种信号蛋白,Rac蛋白以单体方式直接或间接地参与细胞形态建成,细胞极性的生成,细胞凋亡,活性氧产生,细胞分化和激素反应等多种生命活动的调节作用,因此人们又将Rac蛋白称为”分子开关”.Rac蛋白的反应活性取决于它与GDP和GTP之间结合状态:当Rac蛋白与GTP结合时具有功能活性,而与GDP结合时则无功能活性】.根据氨基酸序列以及功能结构域分析,Rac蛋白可分为3个主要组成部分:(1)基本氨基酸序列区:该序列为小分子量GTP结合蛋白所共有,主要负责与GDP,GTP特异性结合以及GTP的水解作用;(2)下游因子作用区域;(3)由CAAL或CAAX等氨基酸基序组成的羧基末端:Rac蛋白通过此羧基末端的转录后酯化修饰作用定位于特定膜位置或胞质中(其中C代表半胱氨酸,A代表脂肪族氨基酸, L代表亮氨酸,x代表任意一种氨基酸)].1植物Rac家族的组成与分布自从1993年第1次发现植物Rac蛋白以来[3l,人们利用Rac基因高度保守特征设计兼并引物以及其他克隆方式,先后在17种植物中发现了52种Rac基因(表1).在命名过程中有人将Rac基因称为Rop(1ant的缩写),实际两者含义相同.为避免不同命名带来的误解,表2中列出了11种拟南芥Rac基因分别对应的Rop名称】.由表1可知,从低等的苔藓植物到高等的单子叶,双子叶植物中都存在着Rac基因;并且许多植物所含Rac基因的种类数目,均明显地多于动物和酵母的水平.如拟南芥(Arabidopsisthalian口)含有11种Rac基因.6J,水稻(Oryzasativa)有7种Rac基因[7--10],而在美丽线虫(Caeorhabditiselegans)中只发现4种Rac基因,人类只有3种Rac基因.这说明在植物中Rac基因分布较为广泛,并且种类繁多,此现象引起了众多植物科学家的关注.众所周知,动物GTP结合蛋白家族中,只有异源三聚体GTP结合蛋白,Rac/Rho蛋白和Ras蛋白是真正的信号蛋白,其余GTP结合蛋白则直接参与囊泡或核运输的调节.而在植物体内,异源三聚体G蛋白种类极少,直到2000年研究者们利用计算机软件,才从拟南芥全基因组序列数据中推算出两个与动物G蛋白y亚基高度同源的蛋白,并据此认为植物体可能存在由a,B,73个亚基组成的异源三聚体G蛋白[¨].同时,迄今为止人们只在低等植物中找到少数几种与动物Ras蛋白有较2003.03.10收稿,2003.04.23收修改稿*国家科技部转基因植物研究与产业化专项资助项目(批准号:JO0.A-005)**联系人.E.mail:****************.cn自.显科荸越展第13卷第9期2003年9月高同源性的Ras样蛋白.针对3种信号GTP结合蛋白在动植物中分布的悬殊差别,人们推测植物体的信号传导途径可能与动物的信号传导途径有较大的不同,并且Rac家族成员有可能在其中扮演着独特的角色.这也正是从首次发现植物Rnc基因到现在短短10年中,越来越多的植物学家投身植物Rac家族研究的重要原因之一.表1高等植物Rac家族现有成员一览表表2拟南芥l1种Rac基因的两种命名2植物Rac基因结构特点2.1拟南芥Rac基因随着拟南芥全基因组序列测序工作的完成,人们利用多种分子生物学手段,克隆出拟南芥的全部11种Rac基因,并对其染色体上毗邻基因进行了大量分析.因此分析拟南芥Rac基因的结构特点,可帮助我们系统地了解植物Rac基因家族. Winge等对拟南芥11种Rac基因(简称为AtRaCs基因)氨基酸序列进行比较(图1),结果显示这些基因具有以下4个特点:(1)AtRACs基因编码区大小在585～645bp之间;(2)AtRACs基因具有GTP酶活性结构域,Mg离子结合效应区,GTP结合位点,丝氨酸/苏氨酸磷酸化位点,说明植物Rac基因具有依赖于Mg的GTP结合活性和GTP水解活性;(3)AtRACs基因彼此之间高度同源,其差别主要集中于蛋白羧基末端,暗示AtRACs蛋白之间细胞定位有较大差别;(4)Rac蛋白羧基末端半胱氨酸上游具有一多聚碱性氨基酸区域,使得Rac蛋白C末端形成一富集正电荷的游离尾部[61.根据蛋白羧基的不同,拟南芥Rac基因可分为两类:第1类包括AtRAC1～AtRAC6.AtRAC9和AtRAC118种基因,其蛋白羧基末端具有CAAL 基序,此序列中的半胱氨酸可被香叶基香叶基转移酶II(GGTaseII)香叶基香叶基化(geranylger—anylation).这种转录后酯化修饰,对Rac蛋白与膜结合以及与下游因子相互作用都是必需的,也意味着此类AtRACs很可能定位于植物细胞的膜部自.显科荸越屋第13卷第9期2003年9月位【2,.第2类包括AtRAC7,8,103种基因,三者在效应因子以及插入序列中的关键氨基酸与第一类成员存在差异,同时其编码蛋白均不具有羧基末端香叶基香叶基化基序,而是另一保守的半胱氨酸基序aaCG(a为脂肪族氨基酸),其与Ras蛋白中的十六烷酰化(palmitoyla同源性分析图框中颜色深浅代表氨基酸同源性高低,颜色愈浅同源性愈低2.2水稻Rac基因分析了双子叶模式植物拟南芥AtRAC基因以后,我们再来看看单子叶模式植物水稻osRac基因的结构特点.人们现已在水稻中发现了7种Rac基因,其中3种为日本KoShimamoto实验室分离的,分别被命名为OsRacl,OsRac2,OsRac3,现仅获得cDNA全长序列;美国V ejlupkova实验室分离了两个推测为Rac基因的cDNA片段,分别命名为osRop4,osRop5;另外两个基因由本实验室分离得到,分别命名为osRACB和osRACD,两者都已获得其转录区全长核苷酸序列以及启动区部分.101.我们利用Genetyx3.2软件对水稻7种Rac基因氨基酸序列进行比较(图2),结果显示水稻Rac基因也具有AtRAC基因的各种特点.如osRACB,osRACD,osRop5的编码区大小都为597bp;OsRac1,OsRac2,OsRac3,osRop4编码区均为645bp;osRACB,osRACD,osRop5蛋白与OsRacl, OsRac2,OsRac3,osRop4的差别主要集中在羧基末端,前3者具有CAAL基序,后4者无此基序;同时7种水稻Rac蛋白都具有Rac蛋白基本结构域.904自.釜科乎.i毽,展第13卷第9期2003年9月osRAC161osP~C258OSRAC3590sP&CB57OSP&CD57OSR0P459osROP557osRAC1121osRAC2118OSRAC3119osRACB117osRACD117osR0P4119osROP5117CFA—CW—CFKS图2水稻Rac蛋白序列同源性分析我们以人Racl蛋白三级结构为模型[,利用InsightII软件包下的Homology和Discover等模块对osRACB和osRACD蛋白三级结构进行了预测. 结果显示两者三级结构均由6个a螺旋结构域,6 个折叠结构域,7个8转角结构域组成[加].并且osRACB,osRACD与Racl差异较大的部分离与Mg2和GDP结合的活性功能区域较远,其对蛋白的活性影响也不大.综合比较osRACB与osRACD, Racl,Cdc42以及其他PDB数据库中Rac类蛋白的三级结构,结果均显示上述蛋白与M和GDP结合的活性功能区域保守性极高,甚至很多蛋白与Mg,GDP结合的氨基酸完全保守;它们的差异主要集中在富含正电荷的游离羧基尾部,而此羧基尾部主要影响Rac蛋白的生物定位.根据拟南芥和水稻Rac基因的结构特征,我们推测植物Rac家族成员主要通过细胞定位以及结合上游,下游作用因子的不同行使各自的生物功能,但其基本作用方式都根据相似机理进行【加J.osRACB,osRACD基因与A￡RA基因转录区全序列比较显示,在基因组水平上,单子叶植物和双子叶植物的Rac基因之间也存在着较大的相似性:(1)两者Rac基因的内含子数目都为5～7个,其中osRACB,osRACD基因均含6个内含子;(2)这些基因的内含子中一般第1个内含子最大,但AtRacl,AtRac6,osRACD基因第4个内含子最大;(3)AtRAC1基因第6个内含子,AtRAC3基因第2个内含子以及osRACB,osRACD基因的第3 个内含子都具有”GC3”剪辑供体,而此剪辑供体在生物体中含量极少,如在拟南芥中只发现1%内含子具有此剪辑供体[;(4)两者的Rac基因除AtRacl1基因外,起始的6个剪辑位点100%保守,说明这些基因在进化上为亲缘关系非常密切的旁系遗传[10I.在研究低等植物展叶剑叶藓(Physcomitrella patens)Rac基因时发现,它与AtRACs基因也具有几乎完全相同的内含子I#b显子结构.在进化距离较远的不同植物物种之间,Rac基因组存在如此高水平的相似性,说明Rac家族在进化上是属于高度保守的蛋白类型.现在普遍认为,植物原始R口c基因早在出现陆生植物的4亿年前就已基本进化完善J.在此后漫长的历史长河中,植物Rac家族成员除了发生一次分化成两个亚类的迅速进化之外. 078668607866864447757印卯舶舶地nnnnnn埔”“““““n nn坞n坞￡;∞∞∞¨巧的∞∞∞∞∞∞∞∞自.鞋科荸遗屋第13卷第9期2003年9月905其他方面的变化是极小的.两个Rac亚类蛋白羧基末端不同的转录后修饰,说明了两者在生物功能以及细胞定位方面进行了分化.有趣的是,AtRACs基因的进化特征以及多样性与拟南芥肌动蛋白基因家族之间具有许多相似性.它们都是多样化的多基因家族.并在大约相同的进化时期分化成两个明显的亚类,其编码蛋白在分生与营养器官中均有明显的时空表达特异性;4个肌动蛋白ACT3,ACT4,ACT12以及T6D20.1染色体位置与AtRACs基因毗邻;因此人们猜想Rac基因和肌动蛋白基因家族之间可能存在着共进化的关系引.对于为何高等植物在进化之初便将Rac蛋白进化成两个差异较大的亚类,以及进化过程中的选择压力来源于何处,现在人们普遍认为高等植物中Rac蛋白出现不同类型可能是Ras蛋白缺失后的一种进化适应.在许多低等植物如睡眠病藻类(Try—pa?‟losomaGruby)等均含有Ras类蛋白,而在高等植物中则无真正的Ras蛋白[引.现有植物Rac蛋白所具有的双元功能可能正是为何在高等植物中具有进化Rac多基因家族选择压力的原因.如果正如上述观点所说.高等植物中Rac蛋白具有Rac和Ras两类蛋白功能,那么我们便可以认为Rac蛋白在植物中可能起着控制性调控因子的作用.3植物Rac家族的生物学功能在动物中,Rac蛋白具有构建肌动蛋白细胞骨架,调节细胞程序性死亡,传导逆境诱导信号以及调节细胞生长分化等功能[25,26].而在植物中由于Rac蛋白一直到2O世纪9O年代才被发现,因此有关其功能的研究相对滞后,现在普遍认为植物的Rac基因主要具有以下5个方面功能:3.1调控植物细胞的形态建成和极性已知在动物和酵母细胞中,Rac蛋白通过改变细胞骨架肌动蛋白的聚合比率,特征及定位等方式实现对细胞的形态建成和极性发生的调控作用.在植物细胞中,有关Rac蛋白参与细胞骨架肌动蛋白调控的证据很有限,其中最明显一例是Catherine等1999年进行的AtRAC1,AtRAC2转基因试验[26J. 在此试验中,他们观察到,烟草花粉管中AtRAC2基因组成型过表达可导致膨胀的花粉管顶端形成畸型肌动蛋白.在正常花粉管中,肌动蛋白束平行于花粉管的延伸方向;而在转化了组成型表达活性的AtRAC2基因的烟草花粉管中.形成了过多的围绕成螺旋状的粗肌动蛋白束(图3).有趣的是,胞外Ca浓度的增加.可局部地抑制因AtRAC2功能缺失对花粉管生长的影响,而Ca浓度的减少则可局部地增强影响效果[27,28].另外,将Rac抑制剂C3外毒素微注射入蚕豆花粉管中,可观察到细胞质流动受干扰的现象,而后者的流动已被证明是基于肌动蛋白的行为[29J.本实验室利用反义RNA技术获得的转水稻osRACD反义基因的拟南芥植株,经花粉离体萌发生长实验显示,转基因植株花粉萌发后的生长延伸过程受到抑制,形成短而粗壮的花粉管;而对照植株花粉萌发后的生长状况正常,形成长漏斗形的花粉管.此结果说明osRACD基因的功能之一是参与控制花粉管的延伸过程...图3AtRAC2突变体瞬问表达对烟草花粉管肌动蛋白组装的影响】粒子轰击法将AtRAC2注入烟草花粉管后,通过连续性聚焦光学设备观测轰击后6～10h时的瞬时表达.其中利用老鼠踝蛋白(一种膜下细胞骨架蛋白)的卜肌动蛋白结合域与GFP融合共表达,用以观察目标花粉管中细胞骨架的肌动蛋白.(a)GUS, (b)G”V—At-Rat2,(c)T20N—At-Rae2.标尺25/am现在人们普遍认为,在调控花粉管的顶端生长过程中,Rac蛋白与一磷酸肌醇磷脂激酶(PtdlnsP—K)相互协调控制,其产物磷脂酰肌醇4,5二磷酸(Ptdlns4,5一P2)可通过调控Ca2梯度以及肌动蛋白结合蛋白如凝溶胶蛋白,绒毛蛋白抑制蛋白来调节肌动蛋白,引起细胞骨架调整,从而调控顶端生长[30--33].同时对AtRACA,AtRAC5,AtRAC1的研究表明,上述3种基因参与根毛的发生[34,35].根毛的发生包括表皮根毛形成细胞复杂的形态发生.首先每个根毛形成细胞的靠近基部末端的一点通过分散生长发生膨胀,随后在膨胀处的顶部发生类似花粉管延伸的顶端生长从而形成一根毛.利用抗AtRAC5抗体和绿色荧光蛋白标记AtRACA定位发自显科乎j焦,展第13卷第9期2003年9月现Racs位于拟南芥根毛延伸点,类似于其在花粉管中的位置.AtRACA,AtRAC5,AtRAC1组成型活性突变体的表达可导致拟南芥根毛各向同性生长以及长度增加.而AtRACA显性负突变体的表达可抑制根毛顶端生长.与花粉管中的Racs一样,控制根毛顶端生长的Racs也是通过调控顶部肌动蛋白和聚焦于顶端的Ca梯度两个下游途径来作用的.除参与顶端生长的调控,Racs还控制根发生过程中膨胀点的形成以及顶端生长点的确定.过表达AtRAC4会出现膨胀处错误定位,从单个根毛形成细胞发生出多个膨胀和从一个膨胀生成多根根毛以及根毛不断分枝的表型.由于膨胀的形成包括不依赖F一肌动蛋白的分散生长,而顶端生长点的确定是由微管调控的.因此,人们认为Racs调控根毛早期发生的机理不同于其控制根毛延伸期的顶端生长.AtRACA可控制根毛中细胞极性发生的不同阶段的现象与酵母的细胞极性控制不同,后者需3种不同的G蛋白即Ras蛋白或异源三聚体G蛋白, Cdc42,Rho1分别控制极性位点的选择,极性确定和极性生长.此观察现象与Rac是植物中惟一广泛存在的信号G蛋白的假设相一致,即Rac具有动物和酵母中由不同G蛋白控制的多种功能[38J.这也与上述分析得到的高等植物Rac多基因家族进化选择压力来源相符.3.2诱导活性氧产生.引起细胞程序性死亡以及纤维素合成在嗜中性粒细胞中,人们发现NADPH氧化酶复合物的组装及其活性的表达,都要求Rac蛋白移位到质膜上[.Racl和Rac2蛋白通过调节NADPH氧化酶的表达水平来控制活性氧的产生. 已证实在烟草细胞中,植物Rac蛋白可与NADPH 氧化酶复合物的一个成分发生免疫反应.同时,在Kawasaki等.9J1999年进行的水稻OsRaf1转基因试验中,转OsRacl组成型活性基因的水稻可产生大量活性氧,对稻瘟病,枯萎病的抗病能力有所增强,同时植保素的生成以及抗性相关基因的表达也有很大的变化;并且用蛋白磷酸酶抑制剂花萼海绵诱瘤素A处理后无细胞程序死亡.同时.组成型活性OsRacl诱导的活性氧生成可被NADPH氧化酶抑制剂DPI(diphenyleneiodonium)所抑制.相似的结果在过表达棉花GhRac13或人Racl的拟南芥或蚕豆悬浮培养体系也存在.DPI可抑制依赖Rac的H2O2的生成,说明Rac蛋白具有类似于人Racl激活NADPH氧化酶的活性.另外,将苜蓿MsRacl基因的反义载体转入烟草后,烟草在激化子的诱导下并不产生相应的抗病反应n.因此人们普遍认为Rac基因是植物抗病途径中的一员,结合在膜上的Rac蛋白首先活化磷酸酯酶,其后在胞内蛋白激酶被活化以及胞外Ca进入胞内的条件下,增加NAD(P)H氧化酶活性(可产生一),使质膜释放出H2O2等活性氧.活性氧一方面能直接攻击病原物,高浓度的H202可使细胞死亡,引发植物过敏反应;另一方面H2O2作为植物抗逆反应的二级信使将引起植物产生一系列抗逆反应.在棉花中,Rac13基因在初生细胞壁合成向次生细胞壁形成转变过程中高度表达,而此时正是细胞骨架发生再次重组过程【15].同时蚕豆悬浮细胞转入组成型人Racl基因后,活性氧生成被刺激,而转化了人Racl基因的显性失活体或反义载体后的悬浮细胞活性氧水平将降低u.本实验室进行的转水稻osRACB基因烟草试验显示,在不同盐处理条件下(0.9%NaC1浓度内)转osRACB正义载体的烟草植株生长基本不受影响,其差别只是在高盐条件下根的生长稍弱些;而转空载体的对照植株受盐影响较大.在不同的盐处理下植株生长有明显的减弱趋势,0.9%NaC1环境下的对照植株生长基本停止,根生长很弱,枯萎现象明显.与此同时,在不同盐浓度下转osRACB反义载体的烟草植株在前3 周生长状态明显较对照植株与正义植株差,但第4周后其生长恢复,并且状态明显较对照植株强.据此推测,osRACB基因并非植物抗盐途径中的关键基因,但此基因过表达后可能通过促使植株生成活性氧以及加快生长从而达到抗盐效果.因此反义植株在最初处理时期对盐反应明显,但在处理后期盐反应迟钝,甚至表现出抗盐性;而正义植株则一直呈现高抗盐性,特别在高盐浓度下抗盐表型明显(此部分数据尚未发表).这些充分证明,植物R口c 基因可诱导活性氧的生成,然后以活性氧作为信号分子参与纤维素的合成,从而引起次生壁的生成以及细胞骨架运动,其中次生壁的形成也是植物抗逆反应的一部分.也就是说植物Rac基因各功能之间存在某些联系的交点,彼此并非是完全孤立的. 3.3参与育性调节转基因研究发现,AtRAC11可通过调控花粉管延伸位点的选择和生长速率控制花粉管延伸,从而影响植物育性[.如AtRAC11基因的表达被反自.婪科荸j毽,展第13卷第9期2003年9月义阻断后,花粉管的萌发将受到抑制,最终导致拟南芥败育或不育.有趣的是,位于AtRAC11基因上游的MS5类基因所编码的TPR蛋白(tetratri—copeptiderepeat),与雄性不育基因MS5/pollenless3高度同源.MS5基因的突变可导致多四分体的形成(…polyads‟tetrads),即在小孢子细胞减速分裂后染色体数目多于四聚体H...T—DNA插入的Pollenless3 基因突变体,将无法生成有功能的小孢子,此突变导致细胞在花药室(antherlocules)中退化.同时人们还发现TPR蛋白可与GTP结合形式的人Racl蛋白以及phox67发生蛋白结合作用[41J.本实验室分离得到的osRACD基因,也是一个调控花粉育性的因子.转osRACD反义基因的拟南芥和水稻植株均表现出明显的不育或败育现象.而转osRACD正义基因的光敏核不育水稻,育性可得到一定的恢复¨.同时我们发现osRACD基因对育性的控制与水稻58S长日照不育和短日照可育的光周期育性转换过程相关.在短日照处理的农垦58S育性材料的幼穗中,具有与osRACD基因启动子光应答元件结合的蛋白因子,而在长日照不育材料的幼穗中则不存在此因子,表明osRACD基因对育性的控制受光的调控L4.3.4参与脱落酸(ABA)反应的负调控表达AtRACA的显性负突变体和组成型活性突变体可加强或减弱由ABA诱导的种子发芽【4.在拟南芥中组成型活性AtRAC1的表达可抑制在野生型植株由ABA诱导的气孔关闭;而AtRAC1显性负突变体表达可导致野生植株和abi一1突变体在缺乏外源ABA状态下的气孔关闭.此研究表明ABA可使一个或多个Racs失活,后者明显作用于ABI1蛋白磷酸化酶的下游,从而破坏保卫细胞肌动蛋白的组装导致气孔关闭.由于AtRAC1和A—tRACA均具有C一末端法呢基化基序,可能其中一个或两个作用于蛋白法呢基转移酶8亚基ERA1,后者参与保卫细胞运动和种子休眠中ABA反应的负调控[45,461.3.5参与光,激素信号调控下的细胞生长分化以及植物形态建成等发育过程众所周知,通过光和植物激素之间的相互协调作用,可以调控植物的生长发育.在拟南芥中,免疫共沉淀方法显示,Rac蛋白可以和与AtRAC5基因毗邻的CL V1和CL V3蛋白以及一附着激酶的磷酸酶形成信号复合体[...而CL V1蛋白已被证明是调控芽及花分生组织大小的受体激酶,它通过WUSCHEL转录因子调节茎细胞分化与茎细胞发生之间的动态平衡.人们推测,Rac基因可能通过立即作用于细胞表皮受体下游以及MAPK级联循环的上游,然后再利用MAPK途径调控分生组织的生长H.同时通过转基因手段,在豆科植物以及拟南芥中还观察到了Rac基因影响植物生长发育的各种现象[48,49],如AtRAC4组成型活性植株表现出许多类似于生长素或油菜素内酯过量的表型,而AtRACA显性负突变体则具有类似油菜素内酯缺乏或不敏感表型.AtRACA组成型活性植株光环境下种子下胚轴的延伸得到加强,而AtRACA显性负突变体则表现出下胚轴延伸受到抑制.同时, AtRACA组成型活性植株后期根的形成对外源吲哚乙酸(I从)诱导的敏感度增加.另外osRACB基因转基因烟草的研究显示,正义转基因烟草侧芽的生长较对照有明显的加强,甚至超过自身顶芽的生长(此部分数据尚未发表).综合上述现象,推测不同的Rac基因参与不同的生长素或油菜素内酯反应或积累调控,从而调控植物的形态建成【4.另外人们通过图位克隆以及测序发现,AtRAC基因周边序列编码的众多蛋白与RAC蛋白功能紧密相关.这些蛋白包括参与囊泡运输,调节肌动蛋白细胞骨架的成员,细胞信号蛋白(如组氨酸激酶, 类似激酶的受体),可能参与极性细胞生长以及茎延伸的蛋白,以及参与调控植物体内H2O2水平的蛋白(如抗坏血酸过氧化物酶和过氧化物酶).例如与AtRAC9共用一启动子的酪蛋白激酶II(CKII)8亚基,可与昼夜节律时钟相关蛋白CCA1(circadian clockassociated1)相互作用.在动物中,CKII在调控细胞分裂中起着中心作用.在裂殖酵母中,CKII参与顶端细胞生长的调控.当酵母细胞暴露于诱导DNA损伤的介质中时,CKII~亚基是细胞周期关卡机制的必需成分[川.图4概括了植物Rnf基因已知的功能及其调控途径,但对于Rac基因如何与其毗邻基因相互作用,以及它们怎样感受外界信号的变化并与其下游调控网络各因子间发生作用都还需大量研究.1)叶建荣,等.osRACD基因表达与光敏核不育水稻光周期育性转换的相关性.待发表908自.美科荸旭展第13卷第9期2003年9月油菜光受体图4Rae基因参与调控的途径图经过几十年的研究,人们已充分证明Rac蛋白在动物,酵母中扮演着重要的信号分子角色【2].在植物中,由于Rac蛋白发现较晚整体研究水平相对滞后.但Rac蛋白作为植物中目前发现的惟一一类。
高等植物的变化趋势
高等植物的变化趋势
高等植物的变化趋势主要涉及形态、生态、生理和遗传等方面。
1. 形态方面：高等植物在形态上逐渐演化出复杂多样的结构，如根、茎和叶等。
根系统不断发展，以适应土壤环境。
茎逐渐分枝、增长和木化，使植物能够抵抗外部压力，并支撑叶和花果。
叶片的形态也在进化过程中发生变化，逐渐出现多样化的形态和结构，以适应光照和气候条件。
2. 生态方面：高等植物逐渐演化出了适应不同生境的能力。
一些植物发展出了特殊的适应策略，如耐旱、耐寒、耐湿等。
它们通过改变根系结构、生理和代谢适应各种环境，提高其适应力和生存能力。
3. 生理方面：高等植物在生理上表现出更加复杂和多样化的反应机制。
它们具有更高的光合效率、水分利用效率和营养吸收率。
植物对于化学物质的感受性和反应能力也相应提高，能够与其他生物进行更复杂的互动，如与昆虫的共生和物理性防御。
4. 遗传方面：高等植物在遗传上表现出更高的多样性和变异能力。
通过基因的重组、突变和选择等机制，植物能够适应环境变化，增加生存的机会。
随着遗传研究的深入，人们逐渐了解到高等植物的基因组结构和功能，为植物育种和基因改良提供了基础。
综上所述，高等植物的变化趋势包括形态逐渐复杂多样化、生态适应能力提高、生理机制更加复杂和多样化、遗传多样性和变异能力增加等。
这些变化使高等植物能够适应不同的生态环境，增强生存和繁殖的能力。
基因组 序列 类型
基因组序列类型基因组，即一个生物体的全部遗传信息的总和，通常包含在其DNA中。
DNA序列中的每一个碱基对（A、T、C、G）都承载着特定的遗传信息，这些信息对于生物体的生长、发育、代谢以及其它所有生命活动都是至关重要的。
基因组序列的类型和特征对于理解生物的遗传特性、进化关系以及疾病的发生机制都具有非常重要的意义。
一、基因组序列的主要类型1. 单倍体基因组序列：这是指一个生物体单条染色体上的DNA序列。
单倍体基因组序列提供了最直接、最完整的遗传信息，是研究基因功能、基因表达和调控机制的基础。
2. 双倍体基因组序列：对于大多数的生物体，特别是高等动植物，它们拥有成对的染色体，即双倍体。
双倍体基因组序列包括了两条同源染色体上的DNA序列，这为我们理解基因组的结构、功能和进化提供了丰富的信息。
3. 全基因组序列：全基因组序列是指一个生物体所有染色体的DNA序列的总和。
通过全基因组测序，我们可以获得生物体的全部遗传信息，从而对其遗传特性、进化历程以及疾病的发生机制进行深入研究。
4. 单基因序列：这是指基因组中某一个特定基因的DNA序列。
单基因序列的研究有助于我们了解特定基因的功能、表达和调控机制，对于基因疾病的研究和治疗也具有重要意义。
二、基因组序列的重要性1. 理解生物遗传特性：基因组序列是生物遗传信息的载体，通过研究基因组序列，我们可以了解一个生物体的遗传特性，包括其生长发育、代谢途径、对环境的适应性等。
2. 揭示生物进化关系：不同物种的基因组序列具有一定的差异性和相似性，通过比较基因组学的研究，我们可以揭示生物之间的进化关系，了解物种的起源和演化历程。
3. 疾病诊断与治疗：许多疾病的发生与基因组的变异密切相关，通过基因组测序，我们可以发现与疾病相关的基因变异，为疾病的早期诊断和治疗提供依据。
同时，基因组序列的研究也为基因疗法和精准医疗提供了可能。
4. 生物技术与农业应用：基因组序列的研究为生物技术和农业应用提供了丰富的资源。
生物学基因组学
二、基因组的大小
C值:一个物种单倍体基因组 的DNA含量。 一个物种DNA的C值是相 对恒定的。从原核生物到真 核生物，其基因组大小和 DNA含量是随生物进化复杂 程度的增加而稳步上升。
物种
C值范围
显花植物
鸟类
哺乳类
爬行类
不 两栖类 同 骨鱼类 类 软骨鱼类 生 棘皮类 物 甲壳类 的 昆虫类
软体类
三、基因组中基因的归类
1、从进化的角度： 人类基因组中
原核生物和真核生物共有的基因约为 21％，与生 Nhomakorabea基本功能相关
真核生物特有的基因约为32％，编码 的蛋白质参与真核细胞中原核细 胞不存在的功能，如和细胞器或 细胞骨架相关
动物特有的基因为24％，这些基因对 多细胞分化和不同组织类型发育 是必需的
脊椎动物特有的基因占22％，通常编 码免疫系统和神经系统的蛋白质
第一节 基因组概述
一、定义
基因组（genome），又称染色体组 一个物种单倍体的染色体数目，物种全部 遗传信息的总和
物种遗传信息的“总词典” 控制发育的“总程序” 生物进化历史的“总档案”
– 原核生物基因组：原核生物DNA分布在整个细 胞之中，有时相对集中在类核体上。类核体上 的DNA是一条共价、闭合双链分子，类核体通 常也称为染色体。这条染色体的DNA就是原核 细胞的基因组。
五、基因家族
基因家族(gene family): 真核生物基因组中有许多 来源相同、结构相似、功能相关的基因，这样 的一组基因称为基因家族。
例如：组蛋白基因家族、珠蛋白基因家族、免疫 球蛋白基因家族等
(一)、Alu家族
1. Alu序列特征
Alu家族是哺乳动物基因组中含量最丰富的一种中度重复序 列家族，在人基因组中重复达30万-50万次，约3-6％； Alu家族每个成员的长度约300bp，由于每个单位长度中有一 个限制性内切酶AluI的切点（AG↓CT），从而将其切成长 130和170bp的两段，因而定名为Alu家族； Alu序列分散在整个基因组中； 少数成簇分布Alu序列具有种属的特异性
第四章基因与基因组的结构
研究表明:基因可被分为更小得单位,串珠理论必须修正。 Benzer提出了突变子(muton),重组子(recon)和顺反子(cistron)来 分别定义突变、重组和功能作为不可分割验
突变位点 位于同一 顺反子中
A
B+ –A
B
突变位点 于不同顺 反子中
A
B + +A B
(2)不能互补得突变必然影响得就是同一功能单位,能够互补得突变必定影响不 同得功能单位,通过顺反试验发现得遗传功能单位称为顺反子。 (3)基因就是一个顺反子,她就是一个功能单位。一个顺反子内存在许多突变位 点,即存在许多突变子;一个顺反子内可以发生交换出现重组,因此也可以有许 多重组子。
蛋白质Gal4,Cdc2。
线虫:用三个小写字母表示突变表型,如存在不只一个基因座,用连
字符后接数字表示。例如:基因 unc-86,ced-9;蛋白质UNC-86,CED-9
。
果蝇:来自突变表型得描述可以用1-4个字母代表。例如基因
white(w),tailless(tll);蛋白质White,Tailless。
2
1、顺反子(Cistron)
一个顺反子就是一段遗传区域,在这一遗传区域中得突变位点 之间没有互补作用。
(1)顺反子得概念来自顺反测验(cis-trans test):她就是用于说明 在同一染色体上(顺式)或相对染色体上(反式)排列得突变位点 之间得互补试验。
顺式试验实际就是对照,如果两个突变均在同一个基因组中, 那么另一个基因组得两个基因座均为野生型,其产物为正常得基 因产物,细胞表现出野生表型;反式试验才就是真正得互补试验, 可以确定功能单位得边界,如果反式排列时有互补作用,说明两 个突变位点处于不同得顺反子中,如不能互补,说明她们属于同 一顺反子。如果两个突变在同一个基因中,那么她们以反式构型 出现在细胞中时,每一基因组都携带有这一基因得突变体拷贝, 因而在细胞中不能产生具有功能得产物,即不出现互补。如果突 变位于不同基因中,当她们以反式构型出现时,那么每个基因组 均可补偿另一个基因组缺少得正常产物。当细胞具有所有基因 产物时,表现为野生型。
基因组的结构与功能
人体的生长、发育、衰老、死亡等生命现象， 人体各种疾病的发生，都是与一种或多种基因的结 构与功能相关。
本章主要介绍真核基因、基因组的概念、基因 组的结构与功能，为进一步学习有关基因活动的各 种知识奠定基础。
主要内容
第一节 真核基因的结构与功能
1.真核基因的基本结构是什么？什么是断裂基因？ 2.断裂基因编码产物有哪些？ 3.顺式作用因子是什么？启动子、增强子、沉默子 的概念及功能是什么？
复序列
（一）高度重复序列
重复频率可达106以上，不编码蛋白质或RNA。 分类： 反向重复序列（inverted repeat sequence）
5’
GCGC CAAT TATA
3’ 增强子
GC盒
转录起始点 CAAT盒 TATA盒
7mpppG
7mpppG
多肽链 N
内含子
3’ 5’
转录
AAAA
剪接
AAAA
翻译 C
真核基因与原核基因的区别
真核生物基因组
原核生物基因组
基因组数目 存在形式 基因连续性
多（约含2万以上基因）
二倍体，染色体结构，线状 DNA为主
• DNA序列
…GTCGTACGTGACACACACACACACA CACACACACACACACACACACACACA CAGTACGATACGT… • “CA”是此重复序列的基本序列，称为重复 单位或重复单元。1～2bp、3～5bp、6～ 100bp、300～500bp、 3500～5000bp等。
二、真核基因组中存在大量重复序列
• 重复序列
• DNA序列 …GTCGTACGTGACACACACACACACA CACACACACACACACACACACACACA CAGTACGATACGT… • 某一序列在基因组中出现了三次以上，这
基因及基因组结构
Genome sizes in nucleotide pairs (base-pairs)
plasmids viruses bacteria fungi plants algae insects mollusks bony fish
The size of the human genome is ~ 3 X 109 bp; almost all of its complexity is in single-copy DNA.
（三）基因分类
第一类是编码蛋白质的基因，它具有转录和翻 译功能，包括编码酶和结构蛋白的结构基因以 及编码阻遏蛋白的调节基因
第二类是只有转录功能而没有翻译功能的基因， 包括tRNA基因和rRNA基因 第三类是不转录的基因，它对基因表达起调节 控制作用，包括启动基因和操纵基因
二、基因组（genome）
5’…GCTGGTGGAAAATGAGGAAATTCAAT…3’ DNA序列 Leu Val Glu Asn Glu Glu Ile Gln K蛋白 Ala Gly Gly Lys Ter A蛋白 FMetArg Lys Phe Asn C蛋白
噬菌体G4一段DNA序列内A、C、K基因三重重叠
基因读框相同，只是起始部位不同
第一节 病毒基因组的结构
（一）病毒的基本结构
外壳蛋白： 识别、侵袭特定的宿主细 胞，并保护基因组不被 核酸酶破坏； DNA（RNA）：编码结构蛋白和少量 调控蛋白。 不能独立复制，必需进入宿主细胞，借助 细胞内一些酶类和细胞器才能得以复制。
（二）病毒基因组的结构特点：
1.基因组较小，大小差异较大； CAV DNA 2.3kb，编码3种蛋白质 乙肝病毒RNA 3kb，编码4种蛋白质 痘病毒DNA 300kb，编码几百种蛋白
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１８ ９１年 Ｃ ｌ ｕｉ ｌ 、报道的亚麻的 情 况 证 明 了 这 一 点〔。 亚麻是一个基因组很小的被子植物，１ ‘ ’ Ｃ植为 ０３ｐ， 中单拷贝部分 占 ４％， ． ｇ其 ８ ４ 它的基 因组是果蝇
高于必需的信息量是较普遍的。因此我们只能把高等 植物（ 当然其他真核生物也一样） 单拷贝顺序的复杂性 看作是编码结构信息的 “ 潜在” 能力。 也可能单拷 贝 Ｄ Ａ 除了编码结构信息外， Ｎ 还执行某些 目 前我们还不 知道 的功能。 在标准复性条件下分析得出的单拷 贝顺序部分其 实也包括部分古老的重复顺序家族成员， 化石重复 即“
Ｐｌ ｓ ａｎｔ
５－ ０６，环 状 单 链 长 度 为 ３０ １０Ｎ Ｐ 大豆 （９０ｐ １ ０－ ５０ Ｔ 。 Ｄ Ａ 的基一 Ｎ 环结构双链基部 平均长约为 １００ｐ ，５ｂ。这 些工作都是以有限 长度的 Ｄ Ａ 进行 的 （ Ｎ 如大豆， 所用 ； Ａ 平均长 ５ｂ） 如果能应用更长的 Ｄ Ａ 进行工 Ｄ Ｎ ｋｐ， Ｎ
作， 可能会发现更大的基一 环复合 结构。
回折顺序和 “ 可转移的遗传元件，（ ｒ ｓ ｓｌ ， ｀ ａｐ ａｅ Ｔ ｎ ｏｂ
ｇｎｔ ｅ ｍ ｎ ＇ ｅｅｃ ｅ ｓ ｉ ｌ ｔ）可能有关。近 ２－３ ｅ ０ ０年来，在质 粒、 、 病毒 细菌 、 果蝇中都已发现“ 转移元件” 。它可以 插人基因组的非同源部位， 并能切出再移位， 从而实现 在染色体上 的移动 ，它的插入和切除可以影响它所在 或 邻近基因的表 达， 也可以携带基因移位。这种“ 转移 元件” 的共同结构特点是它们的末端都有直接或反向 重复的顺序存在。 五十年 代，Ｍ Ｃｉ ｃｌ ｋ用经典遗传学方法首先发 ｎ ｔ ｏ ｃ 现玉米胚乳 花青素基因的表达是受可移动的 “ 控制元
在 。 小 麦和 棉 花 〔 １ ２ 的基 一 结 构 中双 链 基 部 一般 长约 ６ 环
４ 中度重复顺 序 ． 在每一单倍基因组中重 复十多次至几千次 的重 复 顺序， 我们称之为中度 重复顺序。在 六等植物 中， 这部 分顺序构成了重复顺序的主要部分。
Ｓ ｅ Ｊａ ｈ ａ Ｇｅ ｏ ｈｎ ｉｎ ｕ ： ｎ ｍｅ ｇ ｎｚｔ ｎ ｆ ｇ ｅ Ｏｒａ ｉａｉ ｏ Ｈｉｈ ｒ ｏ
“ 功能”只是它本身在基 因组中的生存， 因此把它们称
模式— 爪蟾型，即所谓的短周期相嵌 （ｈｒｐｒｄ Ｓｏ ｅｏ ｔ ｉ
ｉｅｐｒｏ ） Ｉ ｎ ｒ ｅｉ ［ ＂以及果蝇型， ｔｓ ｓ ｎ ＇ 即所谓 的 长 周期 相 嵌 （ｏｇ ｉ ｉ ｅｐｒｏ） ０ Ｌｎ ｐｒｄ ｒ ｅｉ ＂ ０ ｅｏ ｎ ｓ ｓｎ ｔ 非洲爪蟾 Ｄ Ａ大多数 （ ７ ％） Ｎ ＞ ５ 单拷 贝顺序和重 复顺序构成相嵌单位 ， 每个单位中单拷 贝部分长 １ ０ ，０ ０ ｂ 左右， ｙ 重复顺序部分约长 ３０ｐ 此外还有部分单 ０ｂ。 拷贝基因以长达数千碱基对的长单位存在，重复顺序 中有 ２％ 左右以至少为 ２００ｐ ５ ，０ｂ 的单位存在Ｃｏ ７ ｌ 另一种相对立的情况就是果蝇， 它的 Ｄ Ａ重复顺 Ｎ 序和单拷 贝顺序都以很长的区段存在并相连接 ，其中 单拷贝部分长度为 １，０－ ３，０ｂ， ３００ ０００ｐ 重复顺序部分 平均长度为 ５６０ｐ 还有 １％ 左右的中度重复顺序 ，０６， ０ 以 ５０１ ０６ 或不到 ５０ｐ ， ０ｂ 的单位长度存在ＬＪ ｚ０ Ｏ 根据 已有的资料， 在动物中， 除了很少几种昆虫的 基因组属于果蝇型结构外，绝大多数已研究过 的动物 都属于爪蟾型。值得注意的是具有果蝇型结构的昆虫
组 大小 有 关 。
顺序， ＂ｏｉｒ ｅｔｅ ｕｎｅ ） ，（Ｆｓ ｅ ｔｖ ｓ ｅ ｓ ，也即古老重复 ｓ ｐ ， ｅ ｃ＂ ｌ ｉ ｑ
顺序家族成员间 由于积累了足够多的变异，各成员间 的顺序差异已经很大了，因此在标准 复性条件下 已无 法表现 典型的重复顺序复性动力学 行为而归为单拷 贝
Ｉ〔 Ｂ 有几点是可以肯定的，单拷贝顺序中除了最终可 Ｍ一 序。
能在蛋白质一级结构或其他结构单位 中得到表达的信 息外 ， 还包括大量不转录部分， 或虽经转录而后又在转 录后加工及翻译后加工中肌除的部分。 我们还知道，
有 些 结 构基 因 虽 然 在生 物 正 常生 命 史 中 一 次 也 不 表
达， 但它是客观存在的， 即所谓的“ 沉寂基因”（Ｓｅ ＂ｉｎ ｌｔ ｇｎｓ ， ｅｅ ）在某些特殊的情况下， ＂ 它还会被“ 唤醒” 看来 。 这 些似乎多余的单拷 贝顺序也为生物 的 变 异 和 进 化 （ 首先应在 Ｄ Ａ水平上发生 变化） Ｎ 保留了足够多的“ 加
但是上述两个类型的划分并不是绝对的，在所谓 的爪蟾型动物基因组 中也有小部分重复顺序单位的长 度范围散布很广。几个已知的果蝇型基因组结构的昆 虫中， 除了果蝇本身是较严格的长周期相嵌型式外 ， 其 他几种的 Ｄ Ａ都杂有小部分短周期相嵌结构存在。 Ｎ 除此之外还发现介于两者之间的中间类型。Ｅ ｅ ｄｎ 等报道的鸡丛因组结构就是达么一个 中 间 类 型 的例 子〔ｎ ｉｃ ｏ 植物中的情况Ｈ动物的情况基本一致。１８年底 ９０ 前报道 的高等植物都属于爪蟾型。 只有一种真菌绵霉 （ｃｌ ｂ ｅｕ ） Ａｈ ａ ｘａ 属于果蝇型结构〔 。 ｙ ｉ ｌ ｓ ‘ ” 这 里自然会产生一个问题，是否爪蟾型是高等植 物 的特征， 而朱蝇型是真菌的特征了 在植物界中这两 种结构型式的区别是否还有进化上和分类上的意义？ 绵霉的基因组极小，１ Ｃ值 。０６ｇ 重复顺序仅 ．４ｐ， 占 １％， ８ 而且其中 只有一个动力学组份， 这和果蝇为 情 况有某些相似之处。 因此动物和植物基因组结构型 式的差别与其说和分类及进化有关，还不如说和基因
遗传
Ｈ Ｒ ＤＴ Ｓ（ｅｉ ） （） Ｅ Ｅ ＩＡ Ｂｉ ｇ ４６ ； ｊ ｎ
３ － ４０ ９ ８ １ ８２
综 述
高 等 植 物 基 因 组 结 构”
沈 建 华
（ 中国科学院上海生物化学研究所）
高 等植 物基因组结构的研究是当前植 物分子生物 ！ 学研究的一个重要领域。 １７ 年 Ｗａ ｏ和 Ｄ ｒ ９６ ｌｔ ｂ ｕｅ报 道了棉花 Ｄ Ａ 复性动力学研究结果〔７ Ｎ ３， ６ 同年 Ｆａｅ ｌ ｌ ｖｌ 和 Ｓｉ ｍｔ ｈ发表了小麦方面的工 作““ 迄今为止 已报 ２ ０ 道的经 Ｄ Ａ 复性动 力学方法系统研究过的高等植物 Ｎ 还有： 烟草［１ ｚ ７豌豆〔ｌ ９ ｚ７大豆［，７ 豆〔３ 黑 ｚ ｔ１７蚕 ２ ３５ ７ 麦，ｌ ａ 欧芹ｔ飞 绿豆 〔７ 玉米〔３ 花生ｔ， ２， ‘， ， ２， ３ “， ａ 粟〔１亚 ｌ ９ 麻〔等。 从已发表 的情况来看 ， “ ’ 高等植物基因组结构 在 主要方面都和 已知的动物方面的情况相仿，下面我 们分几个方面 逐项加以讨论。 １重复顺序的量 ， 真核生物基因组区别于原核基因组的一个最主要 的特征就是重 复顺序的存在 ，在单倍基因组 中相同或 相 似的顺序可以出现几十次到几百万次［Ｏ ４ １ 高等植物 Ｄ Ａ中重 复顺序的比例大大超过动物 ， Ｎ 例 如在小麦中有 ８％ 的 Ｄ Ａ是重复顺序〔ｌ 洋葱 ３ Ｎ ｔ， ｚ在 中则高 达 ９％． ａｅ 等发现重 复顺序的比例与其 ５ Ｆ ｖｌ ｌ ｌ 基囚组大小有一定关系。他们首先统计了 巧 种“ 大基 因组” 植物 （ 双倍基因组大小 ２ 值为 ７ ９ｐ） Ｃ － ８ｇ，其重 复顺序比例为 ７－９％， ２ ２ 平均 ８ 士２ 另外统计了 ０ ％； ８ 小基 因组， 种“ ， （Ｃ 植物 ２ 值为１５ｇ ３５ｇ， ．ｐ 到 ．９）其重复 顺序比例为 ４－７ ，平均 ６ １２９ ２。 又 如绿 ６ ４ ２ ．％［７ ＇ 豆， Ｃ值才 ０４ｐ， １ ．８ｇ 其重复顺序仅 占 ３％， ５ 这是迄今 ． 所知的高等植物 中的最低值〔 ７ 为止 ２Ｏ ３ ２ 回折顺序 （ｏ ｂｃ） ． Ｆｌ ａｋ ｄ 无论动物还是植物基 因组中，都有这一动 力学组 份， 复性反应中， 在 即使 Ｃ： ｃ值小到还不足以产生最低 限度的链间复性所要求的值，就有少量 Ｄ Ａ 已复性 Ｎ
３８
１ ）本文在 周光宇教授指导下写成， 谨致谢意。
这 类 顺序 已 知有 部 分是 负 责 编码 结 构 信 息的 。 如
我 们 已 知 真核 基 因组 中 既 有单 拷 贝 顺序 ，又 有 重
ｒ Ａ ｔ Ａ和组蛋白 基因， 于这几个 在 Ｒ ， Ｎ Ｒ Ｎ 等的 关 基因
不同材料上已作了大量的工作。 除了上述几 个 基 因 外，其他大部分中度重复顺序的结构特虑和功能我们 目前了解的还很少。 近年来有人认 为绝大部分真核中度重复顺序并没
件，｀ ｎｏｉ ｅｍ ｎ＇ ＇Ｃ ｔ ｌ ｇ ｅｔ） （ ｏ ｒｌ ｌ ｓ调控的〔」 ｎ ｅ ”。用经典遗传学
方法得到 的结论和分子生物学的结果十分相似。 ３高度重复顺序 ． 高度重 复顺序（０ １￥ １｀ ０ 拷贝／ － 单倍基因组）在所 ， 有的真核生物中都已发现。 现在已知高度重复顺序是由一些复杂性很小（－ ２ ｌｂ） ｏｐ 的相 同顺序串联 形成一个较长的结合。 很可能 它的主要组织形式是以 ２ １ｂ － ０ｐ的基本元件重 复 １＇ ０ 次， 形成一个初 级集合 ； 每个初级 集合间可能杂以一些 顺序不同、 复杂性也很小的其他顺序， 个初级集合又 这 重复 １， ， ０ 次 形成又一层次的集合……， 以这种多层次 的集合形成高度重复顺序〔。 ， 飞 这部分 Ｄ Ａ往往 由于 Ｇ 十Ｃ 含量上的特 点， Ｎ 在 ＣＣ 梯度离心时能形成不 同的带而与 主带 Ｄ Ａ分开， ＳＩ Ｎ 即所谓的卫星 Ｄ Ａ Ｓ ｅｉ Ｄ Ａ 。由于这 部分 Ｄ Ａ Ｎ （ａｌｔ Ｎ ） ｔｌｅ Ｎ 可用密度梯度离心或部分复性的方法 提纯，给研究工 作提供了方便。 用 Ｄ Ａ 原位 杂交技术证明老献的卫星 Ｄ Ａ 主 Ｎ Ｎ 要位于 着丝粒异染色质，在黑麦染色 体 中 情 况 也 如
此〔Ｏ ｚ ７
了。一般认为这是链内 （ 即同一条 Ｄ Ａ链上）复性 Ｎ
的结果。 目 已研究过的几种高等植物基 因组中都有 前 ５ １％的 Ｄ Ａ 属于上 述回折顺序。 － ０ Ｎ