第五章真核生物基因组结构
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00:28 20
外显子：具有编码意义
结
转录单位
内含子：无编码意义（ 5′GT、
构
基 因
非编码区
3′AG；GT -AG法则） TATA框 前导区 启动子 CAAT框 尾部区 增强子 GC框：调节转录活动。 调控 区 mRNA裂解信号 终止子 回文结构
00:28
21
Interrupted gene
00:28
43
核小体的结构组成
每个核小体含有约200bp的DNA，核心
组蛋白H2A、H2B、H3和H4各2份拷贝， 1份拷贝的H1组蛋白位于核小体外侧。
微球菌核酸酶(micrococcal nuclease) 处理染色体可得到单个核小体。
00:28 44
八聚体 染色质小体 (～166bp) 核小体 (～200bp) DNA 连接区 (常为 32～34bp) 图 10-10 核小体的组成 DNA H1
28
内含子(Intron)
选择性剪接：同一基因的转录产物
由于不同的剪接方式形成不同mRNA。
00:28
29
PS DNA
外显子 S
PL外显子 L来自外显子 2外显子 3
50b
2800bp
161bp
4500bp
205bp 327bp
初始转录本： 在唾腺中转录 成熟 mRNA： 1663nt 初始转录本： 在肝中转录 成熟 mRNA： 1773nt 图 18-57 小鼠淀粉酶(amy) 基因利用不同启动子产生两个不同的 mRNA
00:28
染色体（ 1400nm，2个染色单体， 每个染 色体单体含10个螺旋圈）
51
染色质和染色体的概念
染色质(chromatin)：是指细胞周期间期细胞核内由 因其易被碱性染料染色而得名。
DNA、组蛋白、非组蛋白和少量RNA组成的复合结构， 染色体(chromosome)：是指在细胞分裂期出现的 一种能被碱性染料强烈染色，并具有一定形态、结构特 征的物体。 携带很多基因的分离单位。只有在细胞分
所携带的一整套基因称为该物种的基因组。
00:28
10
基因组是指遗传物质的总量，可以用C值表
示。
C值（C value）：一个单倍体基因组的全
部DNA含量。
对于 特定物种，C值是恒定的。
11
00:28
C值矛盾(C-value paradox)
具体表现：
与预期的编码蛋白质的基因数量相比，基因组ＤＮ Ａ的含量过多，为什么？ 一些物种之间的复杂性变化范围并不大，但Ｃ值却 有很大的变化范围。对于不同物种，C值差异较大。 C值的大小与物种的结构组成和功能的复杂性没有严 格的对应关系，这种现象称为C值矛盾。
含大量非编码 DNA
大量重复序列
00:28
2
存在 方式 真核 生物
原核 生物
00:28
组成
序列 特点
基因 特点
遗传物 质的组 成
细胞核 DNA
重复序 基因家 核染色 列多， 族、假 体和细 胞器基 单一序 基因 因组 列少。
类核
DNA和 重复序 重叠基 主染色 列少， 因、操 体和质 RNA 粒 单一序 纵子 列多。
用以描述DNA的浓缩程度，即DNA的原始长 度除以包装后的长度。 如人类最小的染色体（Y）：DNA拉直约为1.4 cm ，在有丝分裂最致密状态下，这条染色体 长度约为2μm，因此包装比可以大到7000。
00:28
37
真核生物基因组的包装
DNA 核小体 染色质 染色体
00:28 38
一、染色质的结构单位
其中大部分有功能的家族成员之间相似程度高，个别成员间 的差异程度大； 基因家族各成员在染色体上的分布是不同的，一些成簇分布 （clustered gene family）；一些广泛分布，分散在不同的染 色体上
33
00:28
基因家族
经过重复和变异所产生的一组基因。
如血红蛋白基因家族。
00:28
34
00:28
25
内含子(Intron)
相位
类型
GT-AC
00:28
26
内含子(Intron)
外显子与内含子的连接区序列很短，高度保守，
是RNA剪接的信号序列 5'GT——AG 3'
00:28
27
内含子(Intron)
特点
1.不具有序列特异性 2.保守性 3.决定基因的长度 4.相对性
00:28
00:28
12
四 基因的数量
差别很大
00:28
13
真核生物序列特征
（一）单一顺序 (nonrepetitive )：又称非重复序列，
在一个基因组中只有一个拷贝，原核生物基因多数是
单拷贝基因。
（二）重复顺序 (repetitive )：基因组中有多个拷贝，
重复程度不同，真核生物的一些基因中，常含有大量 的重复序列。
00:28
30
内含子(Intron)
起源
存在的意义与进化的关系
00:28
31
第三节基因家族和基因簇
假基因
是基因组中因突变而失活的基因，无蛋白质产 物。一般是启动子出现问题。
00:28
32
基因家族和基因簇
基因家族（gene family）：是真核生物基因 组中来源相同，结构相似，功能相关的一组基 因。
00:28
螺线管
染色体
四级结构
49
00:28
50
DNA （2nm）
真核生物染色体DNA组 装不同层次的结构
核小体链（ 10nm，每个核小体200bp）
纤丝（ 30nm，每圈6个核小体）
突环（ 150nm，每个突环大约75000bp）
玫瑰花结（ 300nm ，6个突环）
螺旋圈（ 700nm，每圈30个玫瑰花结）
染色体
基本组成单位：核小体（基本结构单位） 基本形态：条状、纺锤状、哑铃状等 主要结构：染色体臂、着丝粒、染色粒端粒 等 基本功能：携带遗传信息，控制遗传性状
00:28
39
真核生物染色体的组成
染色体
{蛋白质
DNA
组蛋白： H1 H2A H2B H3H4 {非组蛋白
}核小体
00:28
40
染色体的化学组成
裂中才可见的形态单位。
00:28 52
三、染色质的分类
常染色质(euchromatin)
（间期纤丝的包装密度度比分裂期染色体的要小很多）
异染色质(heterochromatin)
裂期染色体相比）
（间期纤丝染色质区的包装密度十分致密，可与有丝分
组成型异染色质 兼性异染色质
00:28
(constitutive
分真核细胞的基因中间还存在不被翻译的内含子。
④ 真核生物能够有序地根据生长发育阶段的需要进
行DNA片段重排，还能在需要时增加细胞内某些基因
的拷贝数。
00:28
7
⑤ 在真核生物中，基因转录的调节区相对较大，它
们可能远离启动子达几百个甚至上千个碱基对，这些
调节区一般通过改变整个所控制基因5’上游区DNA 构型来影响它与RNA聚合酶的结合能力。 在原核生物中，转录的调节区都很小，大都位于启 动子上游不远处，调控蛋白结合到调节位点上可直接
原核基因多数是单一顺序（unique-sequences），仅有少量 的重复顺序。 真核基因组含少量单一顺序和大量重复顺序
00:28
14
短片段的重复序列按重复方式不同可分为三 种类型：
（1）正向重复(direct repeats) ：同一阅读方向上的 重复； （ 2 ）反向重复 (inverted repeats) ：反方向上的重 复； （3）回文顺序 (Palindromic sequence) ：倒转重 复，反转对称。 5‘ GTGAGCTCAC 3’ 3’ CACTCGAGTG 5’
促进或抑制RNA聚合酶与它的结合。
00:28
8
⑥ 真核生物的RNA在细胞核中合成，只有经转运穿过核
膜，到达细胞质后，才能被翻译成蛋白质，原核生物
中不存在这样严格的空间间隔。
⑦ 许多真核生物的基因只有经过复杂的成熟和剪接过 程，才能顺利地翻译成蛋白质。
00:28
9
三 基因组与C值
基因组( genome )：一个物种单倍体的染色体
二、真核细胞与原核细胞在基因转录、翻译及
DNA的空间结构方面存在以下几个方面的差异
00:28
5
① 在真核细胞中，一条成熟的mRNA链只能翻译 出一条多肽链，很少存在原核生物中常见的多 基因操纵子形式。
② 真核细胞DNA与组蛋白和大量非组蛋白相结
合，只有一小部分DNA是裸露的。
00:28
6
③ 高等真核细胞DNA中很大部分是不转录的，大部
H32-H42 2×H2A-H2B 146bp 166bp 20bp 核心颗粒
00:28
45
00:28
46
00:28
47
二、染色质的高级结构模型
DNA链（缩短7倍）→核小体（缩短6倍）→螺
线管（缩短40倍）→超级螺线管（缩短5倍） →染色体
00:28
48
从染色质到染色体
染色体的四级结构
二级结构 超螺线管 串珠模型 三级结构 一级结构
00:28 17
利用复性动力学鉴定基因组序列
零时复性序列
快速复性序列
中速复性序列
慢速复性序列
00:28
18
细胞器基因组
线粒体
叶绿体
00:28
19
第二节 断裂基因
在真核生物基因组中，一个基因的编
码序列在DNA分子上是不连续的，被非 编码序列所隔开，称为断裂基因
或不连续基因。
第五章
真核生物的基因组结构
00:28
1
原核生物基因组
小, 环状 裸露DNA
真核生物基因组
大，线状 与组蛋白结合 线粒体 / 叶绿体
质粒 plasmid
操纵子 operon，多顺反子 基因是连续的
单顺反子
断裂基因 split gene 无重叠基因
有重叠基因
大部分序列都为编码序列 重复序列不多 （单拷贝）
3
第一节真核基因组的组成
一、真核基因组结构特点 • 真核基因组结构庞大 • 单顺反子 • 基因不连续性 断裂基因（interrupted gene）、 内含子(intron)、 外显子(exon) • 非编码区较多 多于编码序列(9:1)
4
3×109bp、染色质、核膜
• 00:28 含有大量重复序列
00:28
16
高度重复序列
卫星DNA (satellite DNA) ：有些高度重复DNA 序列的碱基组成和浮力密度同主体DNA有区别， 在浮力密度梯度离心时，可形成不同于主体DNA 的卫星带，称之为卫星DNA 。
卫星DNA：由长串联重复序列组成，一般对应于 染色体上的异染区域。 卫星DNA 小卫星DNA：由中等大小的串联重复序列组成， 位于靠近染色体末端的区域。 微卫星DNA：由更简单的重复单位组成的小序 列，分散于基因组中。
基因簇（gene cluster）：基因家族的各成员
紧密成簇排列成大段的串联重复单位，在同一
条染色体的特定区域，相对集中。基因簇内各 序列间的同源性大于基因簇间的序列同源性；
如组蛋白基因家族就成簇地集中在第7号染 色体长臂3区2带到3区6带区域内；
00:28 35
高度重复序列
卫星DNA (satellite DNA) ：有些高度重复DNA 序列的碱基组成和浮力密度同主体DNA有区别， 在浮力密度梯度离心时，可形成不同于主体DNA 的卫星带，称之为卫星DNA 。
22
外显子(Exon) ：真核细胞基因DNA中的编码序 列，这些序列被转录成RNA并进而翻译为蛋白 质。 内含子(Intron) ：真核细胞基因DNA中的间插 序列，这些序列被转录成RNA，但随即被剪除 而不翻译。
00:28
23
00:28
24
外显子(Exon)
具有保守序列
对应基因的功能性单位 不同基因存在相关的外显子
DNA（28%）
染色体
RNA （6%） 非组蛋白 Pr （66%） 组蛋白
00:28
41
核小体的概念
核小体(nucleosome)：染色 质的基本结构亚基，由约200
bp的DNA和约等量的组蛋白所 组成。
00:28
42
染色质是一串核小体
00:28
当分裂间期的细胞核悬浮于低离子强度的溶液中时， 它们膨胀破裂，释放出染色质纤维（电镜图）
卫星DNA：由长串联重复序列组成，一般对应于 染色体上的异染区域。 卫星DNA 小卫星DNA：由中等大小的串联重复序列组成， 位于靠近染色体末端的区域。 微卫星DNA：由更简单的重复单位组成的小序 列，分散于基因组中。
00:28 36
第四节 真核基因组的包装
包装比(packing ratio):
00:28 15
按重复程度不同可分为三种类型：
轻度重复序列（light repetitive）：在一个基因组中有 2～10个拷贝，如组蛋白基因和酵母tRNA基因； 中度重复序列（moderately repetitive ）：有10至几 百个拷贝，一般是不编码的序列，可能参与基因调控； 高度重复序列（highly repetitive）：有几百个到几百 万个拷贝，如rRNA基因和某些tRNA基因。
外显子：具有编码意义
结
转录单位
内含子：无编码意义（ 5′GT、
构
基 因
非编码区
3′AG；GT -AG法则） TATA框 前导区 启动子 CAAT框 尾部区 增强子 GC框：调节转录活动。 调控 区 mRNA裂解信号 终止子 回文结构
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21
Interrupted gene
00:28
43
核小体的结构组成
每个核小体含有约200bp的DNA，核心
组蛋白H2A、H2B、H3和H4各2份拷贝， 1份拷贝的H1组蛋白位于核小体外侧。
微球菌核酸酶(micrococcal nuclease) 处理染色体可得到单个核小体。
00:28 44
八聚体 染色质小体 (～166bp) 核小体 (～200bp) DNA 连接区 (常为 32～34bp) 图 10-10 核小体的组成 DNA H1
28
内含子(Intron)
选择性剪接：同一基因的转录产物
由于不同的剪接方式形成不同mRNA。
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PS DNA
外显子 S
PL外显子 L来自外显子 2外显子 3
50b
2800bp
161bp
4500bp
205bp 327bp
初始转录本： 在唾腺中转录 成熟 mRNA： 1663nt 初始转录本： 在肝中转录 成熟 mRNA： 1773nt 图 18-57 小鼠淀粉酶(amy) 基因利用不同启动子产生两个不同的 mRNA
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染色体（ 1400nm，2个染色单体， 每个染 色体单体含10个螺旋圈）
51
染色质和染色体的概念
染色质(chromatin)：是指细胞周期间期细胞核内由 因其易被碱性染料染色而得名。
DNA、组蛋白、非组蛋白和少量RNA组成的复合结构， 染色体(chromosome)：是指在细胞分裂期出现的 一种能被碱性染料强烈染色，并具有一定形态、结构特 征的物体。 携带很多基因的分离单位。只有在细胞分
所携带的一整套基因称为该物种的基因组。
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10
基因组是指遗传物质的总量，可以用C值表
示。
C值（C value）：一个单倍体基因组的全
部DNA含量。
对于 特定物种，C值是恒定的。
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C值矛盾(C-value paradox)
具体表现：
与预期的编码蛋白质的基因数量相比，基因组ＤＮ Ａ的含量过多，为什么？ 一些物种之间的复杂性变化范围并不大，但Ｃ值却 有很大的变化范围。对于不同物种，C值差异较大。 C值的大小与物种的结构组成和功能的复杂性没有严 格的对应关系，这种现象称为C值矛盾。
含大量非编码 DNA
大量重复序列
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存在 方式 真核 生物
原核 生物
00:28
组成
序列 特点
基因 特点
遗传物 质的组 成
细胞核 DNA
重复序 基因家 核染色 列多， 族、假 体和细 胞器基 单一序 基因 因组 列少。
类核
DNA和 重复序 重叠基 主染色 列少， 因、操 体和质 RNA 粒 单一序 纵子 列多。
用以描述DNA的浓缩程度，即DNA的原始长 度除以包装后的长度。 如人类最小的染色体（Y）：DNA拉直约为1.4 cm ，在有丝分裂最致密状态下，这条染色体 长度约为2μm，因此包装比可以大到7000。
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真核生物基因组的包装
DNA 核小体 染色质 染色体
00:28 38
一、染色质的结构单位
其中大部分有功能的家族成员之间相似程度高，个别成员间 的差异程度大； 基因家族各成员在染色体上的分布是不同的，一些成簇分布 （clustered gene family）；一些广泛分布，分散在不同的染 色体上
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基因家族
经过重复和变异所产生的一组基因。
如血红蛋白基因家族。
00:28
34
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25
内含子(Intron)
相位
类型
GT-AC
00:28
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内含子(Intron)
外显子与内含子的连接区序列很短，高度保守，
是RNA剪接的信号序列 5'GT——AG 3'
00:28
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内含子(Intron)
特点
1.不具有序列特异性 2.保守性 3.决定基因的长度 4.相对性
00:28
00:28
12
四 基因的数量
差别很大
00:28
13
真核生物序列特征
（一）单一顺序 (nonrepetitive )：又称非重复序列，
在一个基因组中只有一个拷贝，原核生物基因多数是
单拷贝基因。
（二）重复顺序 (repetitive )：基因组中有多个拷贝，
重复程度不同，真核生物的一些基因中，常含有大量 的重复序列。
00:28
30
内含子(Intron)
起源
存在的意义与进化的关系
00:28
31
第三节基因家族和基因簇
假基因
是基因组中因突变而失活的基因，无蛋白质产 物。一般是启动子出现问题。
00:28
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基因家族和基因簇
基因家族（gene family）：是真核生物基因 组中来源相同，结构相似，功能相关的一组基 因。
00:28
螺线管
染色体
四级结构
49
00:28
50
DNA （2nm）
真核生物染色体DNA组 装不同层次的结构
核小体链（ 10nm，每个核小体200bp）
纤丝（ 30nm，每圈6个核小体）
突环（ 150nm，每个突环大约75000bp）
玫瑰花结（ 300nm ，6个突环）
螺旋圈（ 700nm，每圈30个玫瑰花结）
染色体
基本组成单位：核小体（基本结构单位） 基本形态：条状、纺锤状、哑铃状等 主要结构：染色体臂、着丝粒、染色粒端粒 等 基本功能：携带遗传信息，控制遗传性状
00:28
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真核生物染色体的组成
染色体
{蛋白质
DNA
组蛋白： H1 H2A H2B H3H4 {非组蛋白
}核小体
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40
染色体的化学组成
裂中才可见的形态单位。
00:28 52
三、染色质的分类
常染色质(euchromatin)
（间期纤丝的包装密度度比分裂期染色体的要小很多）
异染色质(heterochromatin)
裂期染色体相比）
（间期纤丝染色质区的包装密度十分致密，可与有丝分
组成型异染色质 兼性异染色质
00:28
(constitutive
分真核细胞的基因中间还存在不被翻译的内含子。
④ 真核生物能够有序地根据生长发育阶段的需要进
行DNA片段重排，还能在需要时增加细胞内某些基因
的拷贝数。
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⑤ 在真核生物中，基因转录的调节区相对较大，它
们可能远离启动子达几百个甚至上千个碱基对，这些
调节区一般通过改变整个所控制基因5’上游区DNA 构型来影响它与RNA聚合酶的结合能力。 在原核生物中，转录的调节区都很小，大都位于启 动子上游不远处，调控蛋白结合到调节位点上可直接
原核基因多数是单一顺序（unique-sequences），仅有少量 的重复顺序。 真核基因组含少量单一顺序和大量重复顺序
00:28
14
短片段的重复序列按重复方式不同可分为三 种类型：
（1）正向重复(direct repeats) ：同一阅读方向上的 重复； （ 2 ）反向重复 (inverted repeats) ：反方向上的重 复； （3）回文顺序 (Palindromic sequence) ：倒转重 复，反转对称。 5‘ GTGAGCTCAC 3’ 3’ CACTCGAGTG 5’
促进或抑制RNA聚合酶与它的结合。
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8
⑥ 真核生物的RNA在细胞核中合成，只有经转运穿过核
膜，到达细胞质后，才能被翻译成蛋白质，原核生物
中不存在这样严格的空间间隔。
⑦ 许多真核生物的基因只有经过复杂的成熟和剪接过 程，才能顺利地翻译成蛋白质。
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三 基因组与C值
基因组( genome )：一个物种单倍体的染色体
二、真核细胞与原核细胞在基因转录、翻译及
DNA的空间结构方面存在以下几个方面的差异
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① 在真核细胞中，一条成熟的mRNA链只能翻译 出一条多肽链，很少存在原核生物中常见的多 基因操纵子形式。
② 真核细胞DNA与组蛋白和大量非组蛋白相结
合，只有一小部分DNA是裸露的。
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③ 高等真核细胞DNA中很大部分是不转录的，大部
H32-H42 2×H2A-H2B 146bp 166bp 20bp 核心颗粒
00:28
45
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46
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47
二、染色质的高级结构模型
DNA链（缩短7倍）→核小体（缩短6倍）→螺
线管（缩短40倍）→超级螺线管（缩短5倍） →染色体
00:28
48
从染色质到染色体
染色体的四级结构
二级结构 超螺线管 串珠模型 三级结构 一级结构
00:28 17
利用复性动力学鉴定基因组序列
零时复性序列
快速复性序列
中速复性序列
慢速复性序列
00:28
18
细胞器基因组
线粒体
叶绿体
00:28
19
第二节 断裂基因
在真核生物基因组中，一个基因的编
码序列在DNA分子上是不连续的，被非 编码序列所隔开，称为断裂基因
或不连续基因。
第五章
真核生物的基因组结构
00:28
1
原核生物基因组
小, 环状 裸露DNA
真核生物基因组
大，线状 与组蛋白结合 线粒体 / 叶绿体
质粒 plasmid
操纵子 operon，多顺反子 基因是连续的
单顺反子
断裂基因 split gene 无重叠基因
有重叠基因
大部分序列都为编码序列 重复序列不多 （单拷贝）
3
第一节真核基因组的组成
一、真核基因组结构特点 • 真核基因组结构庞大 • 单顺反子 • 基因不连续性 断裂基因（interrupted gene）、 内含子(intron)、 外显子(exon) • 非编码区较多 多于编码序列(9:1)
4
3×109bp、染色质、核膜
• 00:28 含有大量重复序列
00:28
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高度重复序列
卫星DNA (satellite DNA) ：有些高度重复DNA 序列的碱基组成和浮力密度同主体DNA有区别， 在浮力密度梯度离心时，可形成不同于主体DNA 的卫星带，称之为卫星DNA 。
卫星DNA：由长串联重复序列组成，一般对应于 染色体上的异染区域。 卫星DNA 小卫星DNA：由中等大小的串联重复序列组成， 位于靠近染色体末端的区域。 微卫星DNA：由更简单的重复单位组成的小序 列，分散于基因组中。
基因簇（gene cluster）：基因家族的各成员
紧密成簇排列成大段的串联重复单位，在同一
条染色体的特定区域，相对集中。基因簇内各 序列间的同源性大于基因簇间的序列同源性；
如组蛋白基因家族就成簇地集中在第7号染 色体长臂3区2带到3区6带区域内；
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高度重复序列
卫星DNA (satellite DNA) ：有些高度重复DNA 序列的碱基组成和浮力密度同主体DNA有区别， 在浮力密度梯度离心时，可形成不同于主体DNA 的卫星带，称之为卫星DNA 。
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外显子(Exon) ：真核细胞基因DNA中的编码序 列，这些序列被转录成RNA并进而翻译为蛋白 质。 内含子(Intron) ：真核细胞基因DNA中的间插 序列，这些序列被转录成RNA，但随即被剪除 而不翻译。
00:28
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外显子(Exon)
具有保守序列
对应基因的功能性单位 不同基因存在相关的外显子
DNA（28%）
染色体
RNA （6%） 非组蛋白 Pr （66%） 组蛋白
00:28
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核小体的概念
核小体(nucleosome)：染色 质的基本结构亚基，由约200
bp的DNA和约等量的组蛋白所 组成。
00:28
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染色质是一串核小体
00:28
当分裂间期的细胞核悬浮于低离子强度的溶液中时， 它们膨胀破裂，释放出染色质纤维（电镜图）
卫星DNA：由长串联重复序列组成，一般对应于 染色体上的异染区域。 卫星DNA 小卫星DNA：由中等大小的串联重复序列组成， 位于靠近染色体末端的区域。 微卫星DNA：由更简单的重复单位组成的小序 列，分散于基因组中。
00:28 36
第四节 真核基因组的包装
包装比(packing ratio):
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按重复程度不同可分为三种类型：
轻度重复序列（light repetitive）：在一个基因组中有 2～10个拷贝，如组蛋白基因和酵母tRNA基因； 中度重复序列（moderately repetitive ）：有10至几 百个拷贝，一般是不编码的序列，可能参与基因调控； 高度重复序列（highly repetitive）：有几百个到几百 万个拷贝，如rRNA基因和某些tRNA基因。