01第1章 基因组2011.08.22
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基因组文档
1“基因组学”精要第1 章基因组学概论1)基因组学：研究基因组结构和功能的科学，其内容包括基因的结构、组成、存在方式、表达调控模式、基因功能和相互作用等2)结构基因组学：以全基因组测序为目的的基因结构研究，通过基因组作图、核酸序列分析来确定基因组成、基因定位的科学。
其目的是建立高分辨率的遗传图谱、物理图谱、转录图谱和序列图谱。
3)功能基因组学：利用结构基因组学提供的信息，以高通量，大规模的实验方法及统计与计算机分析为特征，全面系统地分析全部基因功能学科。
2) 简述基因组学研究的意义？基因组学已经成为现代生命科学的核心领域，催生了许多新兴的生命科学的分支学科与交叉学科，如功能基因组学、进化基因组学等；基因组结构域功能的解读可为医学、健康、农业、林业、畜牧业与医药工业的发展和技术创新提供理论依据•基因组学的研究涉及众多领域，尤其是在人类疾病基因的研究，发挥了十分重要的作用。
•疾病的遗传学基础；•对于致病基因及相关基因的克隆在基因组学研究中占据着核心的位置；•对疾病的预防、诊断、治疗都有重要意义。
第2 章遗传图绘制4)遗传作图：采用遗传学分析方法（杂交实验和家系分析），将基因或其他DNA顺序标定在连锁群上，构建连锁图。
遗传图距单位为厘摩（cM），每厘摩定义为1%交换率。
5)物理作图：采用分子生物学技术，直接将DNA分子标记、基因或克隆标定在基因组实际位置。
4) 简述构建遗传图谱的基本原理？基因连锁、重组交换值5) 为何要绘制遗传图与物理图？●基因组太大,必需分散测序,然后将分散的顺序按原来位置组装,需要图谱进行指导。
●基因组存在大量重复顺序,会干扰排序,因此要高密度基因组图。
●遗传图和物理图各有优缺点,必须相互整合校正。
6)简述DNA 标记的类型及其特点？1、限制性片段长度多态性（restriction fragment length polymorphisms, RFLP）特点：1) 处于染色体上的位置相对固定;2) 同一亲本及其子代相同位点上的多态性片段特征不变，即能遗传;3) 同一凝胶电泳可显示不同多态性片段, 表现为共显性，即能区分纯合和杂合型。
生物学基因组学
值 蠕虫类 分 霉菌类 布 藻类
C
真菌类
革兰氏阳性菌
革兰氏阴性菌
枝原体
碱基对数 106
107
108
109
1010
1011
C值悖论
概念: 生物的C值（或基因组大小）并不与生物 复杂程度相关的现象，又称C值矛盾。
如： – 爪蟾的基因组大小和人类相似; – 两栖类最小的基因组和最大的基因组之间相差约 100倍 – 植物与原生动物，可能具有比人类更大的基因组 C值矛盾在进化中的原因和机制尚不清楚
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
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。
蛋白质组学（proteomics）
• 鉴定蛋白质的产生过程、结构、功能和相 互作用方式
基因组学研究的最终目标
获得生物体全部基因组序列 鉴定所有基因的功能 明确基因之间的相互作用关系 阐明基因组的进化规律
Байду номын сангаас
C
真菌类
革兰氏阳性菌
革兰氏阴性菌
枝原体
碱基对数 106
107
108
109
1010
1011
C值悖论
概念: 生物的C值（或基因组大小）并不与生物 复杂程度相关的现象，又称C值矛盾。
如： – 爪蟾的基因组大小和人类相似; – 两栖类最小的基因组和最大的基因组之间相差约 100倍 – 植物与原生动物，可能具有比人类更大的基因组 C值矛盾在进化中的原因和机制尚不清楚
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
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。
蛋白质组学（proteomics）
• 鉴定蛋白质的产生过程、结构、功能和相 互作用方式
基因组学研究的最终目标
获得生物体全部基因组序列 鉴定所有基因的功能 明确基因之间的相互作用关系 阐明基因组的进化规律
Байду номын сангаас
基因和基因组PPT课件
• 某些原核生物、病毒或噬菌体 • 1977年，Sanger 在研究ΦX174时发现
1166
基因重叠的方式
（1）一个基因完全在另一个基因里面。 （2）几个基因部分重叠。 （3）两个基因之间只有一个碱基重叠。
噬菌体ΦX174的重叠基因 1177
断裂基因（splite gene）
• 指基因的编码序列在DNA分子上是不连续排列的，而是 被不编码的序列所隔开；
77
（2）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。
（3）除以上两类基因外，还有一类不被转录的 DNA序列，通常不称为基因，但对基因的表达 起调控作用。
88
二、 基因的结构与功能
（一）基因的结构
• 原核生物基因结构：
i gene region 5’
Inhibitor gene
66
（二） 基因的分类
（1）具有转录和翻译功能，编码蛋白质的基因。 包括结构基因和调节基因；
• 结构基因可被转录形成 mRNA，并转译成多 肽链，构成各种结构蛋白质，催化各种生化 反应的酶和激素等。
• 调节基因某些可调节控制结构基因表达的基因。其
突变可影响一个或多个结构基因的功能，或导致一个 或多个蛋白质（或酶）量的改变。
分子数，增加启动子发动转录的能力；
增强子的作用与其与转录序列的距离无关，作用也可以累加。
5’
enhancer
7e2nbhpance7r2bp
3’ gene
TGTGGAATTAG
core sequence
TGTGGAATTAG
core sequence
14
基因的几种特殊形式
： 跳跃基因(jumping gene) 指可在DNA分子间 进行转移的DNA片段。也称为转座遗传因子， 转座元件或转座基因。
1166
基因重叠的方式
（1）一个基因完全在另一个基因里面。 （2）几个基因部分重叠。 （3）两个基因之间只有一个碱基重叠。
噬菌体ΦX174的重叠基因 1177
断裂基因（splite gene）
• 指基因的编码序列在DNA分子上是不连续排列的，而是 被不编码的序列所隔开；
77
（2）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。
（3）除以上两类基因外，还有一类不被转录的 DNA序列，通常不称为基因，但对基因的表达 起调控作用。
88
二、 基因的结构与功能
（一）基因的结构
• 原核生物基因结构：
i gene region 5’
Inhibitor gene
66
（二） 基因的分类
（1）具有转录和翻译功能，编码蛋白质的基因。 包括结构基因和调节基因；
• 结构基因可被转录形成 mRNA，并转译成多 肽链，构成各种结构蛋白质，催化各种生化 反应的酶和激素等。
• 调节基因某些可调节控制结构基因表达的基因。其
突变可影响一个或多个结构基因的功能，或导致一个 或多个蛋白质（或酶）量的改变。
分子数，增加启动子发动转录的能力；
增强子的作用与其与转录序列的距离无关，作用也可以累加。
5’
enhancer
7e2nbhpance7r2bp
3’ gene
TGTGGAATTAG
core sequence
TGTGGAATTAG
core sequence
14
基因的几种特殊形式
： 跳跃基因(jumping gene) 指可在DNA分子间 进行转移的DNA片段。也称为转座遗传因子， 转座元件或转座基因。
基因组学,第1章
TC218232 TC218232-1 TC218232-2
1 1 2 2 3 ORF 3 3’ UTR 4 4 5 5 6 6
TC204932 TC204932-1 TC204932-2
1 1 2 2
ORF
3’ UTR
3 3
4
4
TC225246 TC225246-1 TC225246-2
5’ UTR 1 2 2 2
2) DNA双螺旋的大小沟具有结构信息, 许多蛋白质都与大沟结合, 是基因调控的 核心;
1.1.2 RNA的化学与生物学
一、RNA的功能和种类
1)RNA的主要功能是传递遗传信息，参与基因的 表达与调控; 2)细胞中RNA种类很多，包括核糖体RNA （ribosomal RNA,rRNA)，转运RNA(transfer RNA,tRNA),信使RNA(messenger RNA,mRNA),胞 质内小RNA(small cytoplasmic RNA,scRNA)， 核内小RNA(small nuclear RNA,snRNA)，微小 RNA (microRNA, miRNA)和小干扰RNA (small interfering RNA,siRNA）。
Transmembrane domain, 与细胞膜 嵌合的功能域。 Extracellular domain, 面向细胞 外侧，与信息分子 结合的功能域。 Catalytic domain, 催化功能域。
1.2 基因组序列复杂性
1.2.1 C值与C值悖理
1.2.2 基因组的序列子中包含其 他基因。
基因内基因---线虫内含子中独立的基因
基因内基因-人类
人类神经成纤维细胞瘤(neurofubromatosis1)1型基因长 350 kp,有60个内含子。27号内含子编码3个独立表达 的基因.
1 1 2 2 3 ORF 3 3’ UTR 4 4 5 5 6 6
TC204932 TC204932-1 TC204932-2
1 1 2 2
ORF
3’ UTR
3 3
4
4
TC225246 TC225246-1 TC225246-2
5’ UTR 1 2 2 2
2) DNA双螺旋的大小沟具有结构信息, 许多蛋白质都与大沟结合, 是基因调控的 核心;
1.1.2 RNA的化学与生物学
一、RNA的功能和种类
1)RNA的主要功能是传递遗传信息，参与基因的 表达与调控; 2)细胞中RNA种类很多，包括核糖体RNA （ribosomal RNA,rRNA)，转运RNA(transfer RNA,tRNA),信使RNA(messenger RNA,mRNA),胞 质内小RNA(small cytoplasmic RNA,scRNA)， 核内小RNA(small nuclear RNA,snRNA)，微小 RNA (microRNA, miRNA)和小干扰RNA (small interfering RNA,siRNA）。
Transmembrane domain, 与细胞膜 嵌合的功能域。 Extracellular domain, 面向细胞 外侧，与信息分子 结合的功能域。 Catalytic domain, 催化功能域。
1.2 基因组序列复杂性
1.2.1 C值与C值悖理
1.2.2 基因组的序列子中包含其 他基因。
基因内基因---线虫内含子中独立的基因
基因内基因-人类
人类神经成纤维细胞瘤(neurofubromatosis1)1型基因长 350 kp,有60个内含子。27号内含子编码3个独立表达 的基因.
2第一章基因组
– 由重复产生的基因 – 加工的假基因 – 残缺的假基因
• 科学家研究，在22号染色体上测得的679个 基因中有545个是功能基因，而另外134个 是假基因。这种假基因曾经在人类进化过 程中起过作用，发挥过功能，现在是世易 时移，它已经不起作用了。
假基因的功能
• 加州大学旧金山分校医学院的Shinji Hirotsune和 他的同事在对小鼠进行遗传改良时偶然破坏一个 假基因时，他们发现突变小鼠的后代产生严重的 出生缺陷，寿命大大缩短。这提示，这个破碎的 基因片段可能也是健康生命所必需的。 • 对应Makorin1的假基因，长度不及一半，只转录 一段RNA，无对应蛋白质。如删除，则Makorin1 功能消失。一种可能就是由于这个假基因的RNA 看上去与Makorin1合成的前一半RNA如此相似， 以致于它能够引诱破坏性酶远离真正的破坏目标。 “这可能是发现的基因调节的一个新途径。”
重叠基因 Overlapping Genes
Genes-within-genes
反义基因
• 是指与细胞内DNA或RNA序列相互补形成 杂交体而阻断或减弱其转录和翻译过程的 DNA或RNA片段.反义基因通常包括反义寡 核苷酸(ASON)、反义RNA及核酶
假基因
• 与有功能的基因在核苷酸顺序的组成上非常相似， 却不具正常功能的基因。假基因是相应的正常基 因在染色体的不同位置上的复制品，由于突变积 累的结果而丧失活性。假基因都是在真核生物的 基因组中发现的，在原核生物中未见报道。主要 有三类：
顺序复杂性
• 不同顺序的DNA总长称为复杂性。复杂性 代表了一个物种基因组的基本特征，可通 过DNA复性动力学来表示。
DNA复性动力学
• 变性的外界条件撤除后，互补的单链DNA 又可恢双螺旋结构，此过程为复性。 • dC/dt=-kC2, • c0t1/2=1/k表示特定DNA顺序复杂性，值越 大，复性速率越慢 • 其中也有特殊性，与基因组的重复顺序有 关。
• 科学家研究，在22号染色体上测得的679个 基因中有545个是功能基因，而另外134个 是假基因。这种假基因曾经在人类进化过 程中起过作用，发挥过功能，现在是世易 时移，它已经不起作用了。
假基因的功能
• 加州大学旧金山分校医学院的Shinji Hirotsune和 他的同事在对小鼠进行遗传改良时偶然破坏一个 假基因时，他们发现突变小鼠的后代产生严重的 出生缺陷，寿命大大缩短。这提示，这个破碎的 基因片段可能也是健康生命所必需的。 • 对应Makorin1的假基因，长度不及一半，只转录 一段RNA，无对应蛋白质。如删除，则Makorin1 功能消失。一种可能就是由于这个假基因的RNA 看上去与Makorin1合成的前一半RNA如此相似， 以致于它能够引诱破坏性酶远离真正的破坏目标。 “这可能是发现的基因调节的一个新途径。”
重叠基因 Overlapping Genes
Genes-within-genes
反义基因
• 是指与细胞内DNA或RNA序列相互补形成 杂交体而阻断或减弱其转录和翻译过程的 DNA或RNA片段.反义基因通常包括反义寡 核苷酸(ASON)、反义RNA及核酶
假基因
• 与有功能的基因在核苷酸顺序的组成上非常相似， 却不具正常功能的基因。假基因是相应的正常基 因在染色体的不同位置上的复制品，由于突变积 累的结果而丧失活性。假基因都是在真核生物的 基因组中发现的，在原核生物中未见报道。主要 有三类：
顺序复杂性
• 不同顺序的DNA总长称为复杂性。复杂性 代表了一个物种基因组的基本特征，可通 过DNA复性动力学来表示。
DNA复性动力学
• 变性的外界条件撤除后，互补的单链DNA 又可恢双螺旋结构，此过程为复性。 • dC/dt=-kC2, • c0t1/2=1/k表示特定DNA顺序复杂性，值越 大，复性速率越慢 • 其中也有特殊性，与基因组的重复顺序有 关。
1 基因组
不同物种假基因分布也存在明显差异
线虫：占总数53%的假基因集中在染色体短臂末端,而 这个区域只有30%的基因。 果蝇：靠近染色体中心的着丝点附近假基因分布密度 明显增加,预示在染色体上可能存在假基因的热点 ( hotspot) 。
人类：加工假基因在GC含量为41% ～46%的染色体区 域密度最高；未加工假基因则聚集在基因组富含基因 的区域。
不 同 类 生 物 的 值 分 布
物种 显花植物 鸟类 哺乳类 爬行类 两栖类 骨鱼类 软骨鱼类 棘皮类 甲壳类 昆虫类 软体类 蠕虫类 霉菌类 藻类 真菌类 革兰氏阳性 106 菌
C值范围
C
107
108
109
1010
1011
C值和进化程度之间并没有严格的对应
关系，这种现象称C值悖论，又称C值 矛盾。
假基因 功能基因有缺陷的拷贝 假基因(pseudogene)具有与功能基因 相似的序列，但由于有许多突变以致失 去了原有的功能，所以假基因是没有功 能的基因 。假基因是那种貌似正常、却 没有功能的“死亡基因”。
假基因根据其来源可分为复制假基因和 已加工假基因。
加工假基因 起源于反转录转座作用,即 通过DNA转录为mRNA后,再由mRNA反 转录成cDNA,然后随机整合到基因组 DNA 中而产生。因此它们也称为返座 假基因或逆转座型假基因。
鸡的基因组中组蛋白基因有10个拷贝，在哺 乳动物中为20拷贝，非洲爪蟾为40拷贝，而 海胆的每种组蛋白的基因达300-600拷贝。不 同生物中组蛋白基因在基因组中的排列不一 样，组蛋白基因没有一定的排列方式，而在 拷贝数高的基因组中（>100拷贝），大部份 组蛋白基因串联重复形成基因簇。 DNA复制 时，组蛋白也要成倍增加，而且往往在DNA 合成一小段后，组蛋白马上就要与其相结合， 这要求在较短的时间内合成大量的组蛋白， 因而需要有大量的组蛋白基因存在。
第一章 基因组概论
全国高等学校医学规划教材 ——分子诊断学
既然一切生物性状都是由基因决定的，那么 生物体的DNA含量（C值）和质量（N值） 就应该与生物进化阶梯及复杂性成正相关。
生物体结构与功能的复杂程度不仅取决于一 定的基因数量，更重要的是在于基因功能及 其相互作用网络的复杂性和精确性。
全国高等学校医学规划教材 ——分子诊断学
全国高等学校医学规划教材 ——分子诊断学
HGP主要任务及内容
主要任务
物理图 遗传图
一、修正后的HGP主要内容 内容
序列图
确定染色体DNA上诸如限制性内切酶识别 位点，或序列标志点（STSs）等的位置图 确定标志位点在染色体DNA上的线性排列 顺序。标志位点间的图距以遗传学（重组 ）距离表示、单位为厘摩尔根（cM） 测定人类24条染色体的、由3×109个核苷 酸组成的全部DNA序列，绘制人类基因组序 列图谱
基因是一段携带功能产物（多肽，蛋白质， tRNA和rRNA和某些小分子RNA）信息的 DNA片段，是控制某种性状的的遗传单位。
全国高等学校医学规划教材 ——分子诊断学
基因的特点和鉴别方法
编码tRNA和rRNA和某些小分子RNA的基因:
我们较易通过核酸序列加以判断。
蛋白质编码基因:
目前可根据其特点使用五项标准来鉴别
第二节 基因组
基因组（genome）是指一个细胞或生物体的一套完 整的单倍体遗传物质。
对二倍体高等生物来说，维持配子正常功能最低 数目的一套染色体遗传物质，构成一套基因组。 原核生物和真核生物基因组又分染色体基因组与 染色体外基因组，后者如原核生物的质粒DNA，真 核生物的线粒体DNA及叶绿体DNA。 人类基因组24个染色体（22+X+Y）约3.0×109bp
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基因组学
(Genomics)
辽宁师范大学生命科学学院 张剑锋
前
言
在人类基因组计划的影响下， 在人类基因组计划的影响下，分子生物学的主要 目标已经从传统的单个基因的研究转向对生物整 单个基因的研究转向对 目标已经从传统的单个基因的研究转向对生物整 个基因组结构与功能的研究。 个基因组结构与功能的研究。生命科学正从全新 的视角研究与探讨生长 发育、遗传与变异、 生长与 的视角研究与探讨生长与发育、遗传与变异、结 功能以及健康与疾病等生物学与医学基本问 以及健康 构与功能以及健康与疾病等生物学与医学基本问 题的分子机理 并形成了一门新的学科分支—— 分子机理， 题的分子机理，并形成了一门新的学科分支—— 基因组学。 基因组学。基因组学研究的对象涉及原核生物和 真核生物不同的种属， 真核生物不同的种属，其所研究的内容触及到生 命学科的各个领域， 命学科的各个领域，对生命科学的未来发展将产 生重大影响。 生重大影响。
遗传信息在世代之间的传递是由DNA的 遗传信息在世代之间的传递是由DNA的 复制完成的。复制使亲代DNA加倍 加倍， 复制完成的。复制使亲代DNA加倍，通 过细胞分裂将两份相同的DNA拷贝分配 过细胞分裂将两份相同的DNA拷贝分配 到两个子代细胞中。DNA在复制时偶尔 到两个子代细胞中。DNA在复制时偶尔 会发生突变 重组， 突变与 会发生突变与重组，使遗传信息发生改 这是生命进化与生物多样性 源泉。 进化与生物多样性的 变，这是生命进化与生物多样性的源泉。 生命的所有现象都与DNA、RNA和蛋白 生命的所有现象都与DNA、RNA和蛋白 质的结构与功能有关。 质的结构与功能有关。
1.1.1 DNA的化学与生物学 DNA的化学与生物学
核苷酸与多聚核苷酸
DNA是一种长链多聚分子， DNA是一种长链多聚分子，由四种核苷酸 是一种长链多聚分子 组成， 组成，这四种核苷酸可以任何次序排列连 接成达数百万个核苷酸的长链分子。 接成达数百万个核苷酸的长链分子。每个 核苷酸分子都含有三个组分 1.2)。 三个组分( 核苷酸分子都含有三个组分(图1.2)。
第1章 基因组
基因组(Genome)一词是1920 基因组(Genome)一词是1920 年Winkles 用GENes和 GENes和 chromosOMEs组合而成的， chromosOMEs组合而成的，用于描述生物的全部基因 和染色体组成的概念。 和染色体组成的概念。 所有生命都具有指令其生长与发育、维持其结构与功 所有生命都具有指令其生长与发育、 能所必需的遗传信息 遗传信息， 能所必需的遗传信息，生物所具有的携带遗传信息的 遗传物质总和称为基因组 总和称为基因组 遗传物质总和称为基因组。 1986 年美国科学家Thomas Roderick 提出了基因组学 美国科学家Thomas 提出了基因组学 (Genomics)，指对所有基因进行基因组作图(包括遗传 Genomics) 指对所有基因进行基因组作图 基因组作图( 图谱、物理图谱、转录图谱) 核苷酸序列分析， 图谱、物理图谱、转录图谱)，核苷酸序列分析，基因 定位和基因功能分析的一门科学 的一门科学。 定位和基因功能分析的一门科学。
DNA双螺旋构象 DNA双螺旋构象
Watson和 Crick描述的 Watson 和 Crick 描述的 DNA双螺旋是天然构象 ， 即 B描述的DNA 双螺旋是天然构象 双螺旋是天然构象， DNA。 其他构象还包括B'DNA 。 其他构象还包括 B'- 、 C- 、 C'- 、 C''- 、 D- 、 E- 和 C'- C''T-DNA， 所有这些构豫都是右旋 ， 此外还有左旋构象 DNA ， 所有这些构豫都是右旋， DNA。 的Z-DNA。 不同构象影响到蛋白质接触双螺旋内部的程度， 不同构象影响到蛋白质接触双螺旋内部的程度，沟槽内 表面化学基团的组成与位置提供了DNA结合蛋白质可 表面化学基团的组成与位置提供了DNA结合蛋白质可 识别的空间信息，DNA结合蛋白自身所具有的结构能 识别的空间信息，DNA结合蛋白自身所具有的结构能 使其阅读B DNA中特定的核苷酸顺序 中特定的核苷酸顺序。 使其阅读B-DNA中特定的核苷酸顺序。一些特别的顺 序组成也能影响DNA构型 如果周期性即每隔10个碱 构型， 序组成也能影响DNA构型，如果周期性即每隔10个碱 基对重复出现连续的A/T碱基对 所在的DNA区段将发 碱基对， 基对重复出现连续的A/T碱基对，所在的DNA区段将发 生明显的弯曲。锥虫(trypanosome)动基体(kinetoplast) 生明显的弯曲。锥虫(trypanosome)动基体(kinetoplast) 的线性DNA片段电泳迁移率降低 因为DNA分子中出 片段电泳迁移率降低， 的线性DNA片段电泳迁移率降低，因为DNA分子中出 现周期性重复的(A/T) 序列， 现周期性重复的(A/T)5-6与(G/C)4-6序列，使其构型偏离 一般的线性DNA，从而影响电泳行为。 一般的线性DNA，从而影响电泳行为。现已证明弯曲 DNA在基因的表达调控中起重要作用 DNA在基因的表达调控中起重要作用。 在基因的表达调控中起重要作用。
多聚核苷酸链化学反应方向
多聚核苷酸链的化学反应只能是5 →3'方向， 多聚核苷酸链的化学反应只能是5'→3'方向， 所有天然的DNA多聚酶都只执行 →3' 多聚酶都只执行5 所有天然的DNA多聚酶都只执行5'→3'的合 1.3)，同样的极性也表现在以DNA为 成(图1.3)，同样的极性也表现在以DNA为 模板合成RNA拷贝的反应中 拷贝的反应中。 模板合成RNA拷贝的反应中。核苷酸聚合 反应的方向性使双链DNA的复制复杂化 的复制复杂化。 反应的方向性使双链DNA的复制复杂化。 因为DNA的两条互补单链化学极性正好相 因为DNA的两条互补单链化学极性正好相 在复制时必须采取不同的策略， 3'链 反，在复制时必须采取不同的策略，即3'链 采取连续复制， 5'链采取间断复制 链采取间断复制。 采取连续复制，而5'链采取间断复制。
1.1 遗传的分子基础 1.1.1 DNA的化学与生物学 DNA的化学与生物学 1.1.2 RNA的化学与生物学 RNA的化学与生物学 1.1.3 蛋白质的结构与生物学 1.2 基因组序列复杂性 1.2.1 C值与C值悖理 C值与 值与C 1.2.2 序列复杂性 1.2.3 基因组的序列组成 1.3 基因与基因家族 1.3.1 编码RNA基因 编码RNA基因 1.3.2 编码蛋白质基因 1.3.3 基因家族 1.3.4 异常结构基因 1.3.5 假基因 1.4 染色体 1.4.1 真核生物染色体 1.4.2 原核生物染色体 1.5 基因组 1.5.1 人类基因组 1.5.2 其他生物基因组
2'-脱氧核糖(2'-deoxyribose) 一种五碳糖。 2'-脱氧核糖(2'一种五碳糖。 2'-脱氧核糖系指核糖的2'碳原子上连接的羟 2'-脱氧核糖系指核糖的 碳原子上连接的羟 系指核糖的2' OH)基团由氢原子取代 基团由氢原子取代。 基(-OH)基团由氢原子取代。 含氮碱基(nitrogenous 含氮碱基(nitrogenous base) 共4种，胞嘧啶 (cytosinc)和胸腺嘧啶(thymine)； (cytosinc)和胸腺嘧啶(thymine)；腺嘌呤 (adenine)和鸟嘌呤(guanine)。碱基通过β (adenine)和鸟嘌呤(guanine)。碱基通过βN-糖基键(β-N-glycosidic bond) 与嘧啶环的 糖基键(β1位氮原子和嘌呤环的9位氮原子共价连接。 位氮原子和嘌呤环的9位氮原子共价连接。 磷酸基团( groups) 磷酸基团(Phosphate groups) 磷酸基团与核 糖分子的5'碳原子相连 碳原子相连。 糖分子的5'碳原子相连。由糖分子与碱基组 成的分子称为核苷 核苷(nucleoside)； 成的分子称为核苷(nucleoside)；加上磷酸 后成为核甘酸 核甘酸(nucleotide)。 后成为核甘酸(nucleotide)。核苷酸含有的 磷酸基团可分为三类，即单磷酸、双磷酸、 磷酸基团可分为三类，即单磷酸、双磷酸、 三磷酸。 三磷酸。
碱基配对(base碱基配对(base-pairing) 位于2条DNA单链 位于2 DNA单链 中的碱基可相互配对。 中的碱基可相互配对。配对只发生在腺嘌 (A)与胸腺嘧啶 或鸟嘌呤 与胞嘧啶 与胸腺嘧啶(T)或鸟嘌呤(G) 呤(A)与胸腺嘧啶(T)或鸟嘌呤(G)与胞嘧啶 (C)之间 因为只有A (C)之间，因为只有A与T和G与C配对才是 之间， 最稳定的方式( 1.4)， 最稳定的方式(图1.4)，A与T或G与C称为互 补碱基对。 补碱基对。 DNA的双螺旋结构 两条反向平行的DNA单 DNA的双螺旋结构 两条反向平行的DNA单 链彼此相互缠绕组成双螺旋分子， 链彼此相互缠绕组成双螺旋分子，有两种 化学作用稳定双螺旋结构。 化学作用稳定双螺旋结构。
1.1 遗传的分子基础 遗传的分子基础
绝大多数生物的基因组都由DNA组成； 绝大多数生物的基因组都由DNA组成； 组成 少数病毒基因组则为RNA。 少数病毒基因组则为RNA。 基因组的遗传信息由DNA或RNA分子中核苷酸顺序 基因组的遗传信息由DNA或RNA分子中核苷酸顺序 决定，它们组成独立的结构单位——基因 基因。 决定，它们组成独立的结构单位——基因。 基因包含的信息由特定功能的蛋白质解读， 基因包含的信息由特定功能的蛋白质解读，这类蛋 白质附着在DNA或RNA分子的一定位置 分子的一定位置， 白质附着在DNA或RNA分子的一定位置，起始一系 列的生化反应合成基因的编码产物， 列的生化反应合成基因的编码产物，这一过程称之 基因表达。基因表达由两个步骤组成， 为基因表达。基因表达由两个步骤组成，第一步以 转录。 DNA分子为模板合成 DNA分子为模板合成RNA拷坝，称为转录。第二步 分子为模板合成RNA拷坝 称为转录 拷坝， RNA拷贝指令蛋白质的合成 称为翻译 DNA、 拷贝指令蛋白质的合成， 翻译。 由RNA拷贝指令蛋白质的合成，称为翻译。DNA、 RNA和蛋白质这三种生物有机大分子的关系如图 。 RNA和蛋白质这三种生物有机大分子的关系如图1.1。 和蛋白质这三种生物有机大分子的关系如图1.1
(Genomics)
辽宁师范大学生命科学学院 张剑锋
前
言
在人类基因组计划的影响下， 在人类基因组计划的影响下，分子生物学的主要 目标已经从传统的单个基因的研究转向对生物整 单个基因的研究转向对 目标已经从传统的单个基因的研究转向对生物整 个基因组结构与功能的研究。 个基因组结构与功能的研究。生命科学正从全新 的视角研究与探讨生长 发育、遗传与变异、 生长与 的视角研究与探讨生长与发育、遗传与变异、结 功能以及健康与疾病等生物学与医学基本问 以及健康 构与功能以及健康与疾病等生物学与医学基本问 题的分子机理 并形成了一门新的学科分支—— 分子机理， 题的分子机理，并形成了一门新的学科分支—— 基因组学。 基因组学。基因组学研究的对象涉及原核生物和 真核生物不同的种属， 真核生物不同的种属，其所研究的内容触及到生 命学科的各个领域， 命学科的各个领域，对生命科学的未来发展将产 生重大影响。 生重大影响。
遗传信息在世代之间的传递是由DNA的 遗传信息在世代之间的传递是由DNA的 复制完成的。复制使亲代DNA加倍 加倍， 复制完成的。复制使亲代DNA加倍，通 过细胞分裂将两份相同的DNA拷贝分配 过细胞分裂将两份相同的DNA拷贝分配 到两个子代细胞中。DNA在复制时偶尔 到两个子代细胞中。DNA在复制时偶尔 会发生突变 重组， 突变与 会发生突变与重组，使遗传信息发生改 这是生命进化与生物多样性 源泉。 进化与生物多样性的 变，这是生命进化与生物多样性的源泉。 生命的所有现象都与DNA、RNA和蛋白 生命的所有现象都与DNA、RNA和蛋白 质的结构与功能有关。 质的结构与功能有关。
1.1.1 DNA的化学与生物学 DNA的化学与生物学
核苷酸与多聚核苷酸
DNA是一种长链多聚分子， DNA是一种长链多聚分子，由四种核苷酸 是一种长链多聚分子 组成， 组成，这四种核苷酸可以任何次序排列连 接成达数百万个核苷酸的长链分子。 接成达数百万个核苷酸的长链分子。每个 核苷酸分子都含有三个组分 1.2)。 三个组分( 核苷酸分子都含有三个组分(图1.2)。
第1章 基因组
基因组(Genome)一词是1920 基因组(Genome)一词是1920 年Winkles 用GENes和 GENes和 chromosOMEs组合而成的， chromosOMEs组合而成的，用于描述生物的全部基因 和染色体组成的概念。 和染色体组成的概念。 所有生命都具有指令其生长与发育、维持其结构与功 所有生命都具有指令其生长与发育、 能所必需的遗传信息 遗传信息， 能所必需的遗传信息，生物所具有的携带遗传信息的 遗传物质总和称为基因组 总和称为基因组 遗传物质总和称为基因组。 1986 年美国科学家Thomas Roderick 提出了基因组学 美国科学家Thomas 提出了基因组学 (Genomics)，指对所有基因进行基因组作图(包括遗传 Genomics) 指对所有基因进行基因组作图 基因组作图( 图谱、物理图谱、转录图谱) 核苷酸序列分析， 图谱、物理图谱、转录图谱)，核苷酸序列分析，基因 定位和基因功能分析的一门科学 的一门科学。 定位和基因功能分析的一门科学。
DNA双螺旋构象 DNA双螺旋构象
Watson和 Crick描述的 Watson 和 Crick 描述的 DNA双螺旋是天然构象 ， 即 B描述的DNA 双螺旋是天然构象 双螺旋是天然构象， DNA。 其他构象还包括B'DNA 。 其他构象还包括 B'- 、 C- 、 C'- 、 C''- 、 D- 、 E- 和 C'- C''T-DNA， 所有这些构豫都是右旋 ， 此外还有左旋构象 DNA ， 所有这些构豫都是右旋， DNA。 的Z-DNA。 不同构象影响到蛋白质接触双螺旋内部的程度， 不同构象影响到蛋白质接触双螺旋内部的程度，沟槽内 表面化学基团的组成与位置提供了DNA结合蛋白质可 表面化学基团的组成与位置提供了DNA结合蛋白质可 识别的空间信息，DNA结合蛋白自身所具有的结构能 识别的空间信息，DNA结合蛋白自身所具有的结构能 使其阅读B DNA中特定的核苷酸顺序 中特定的核苷酸顺序。 使其阅读B-DNA中特定的核苷酸顺序。一些特别的顺 序组成也能影响DNA构型 如果周期性即每隔10个碱 构型， 序组成也能影响DNA构型，如果周期性即每隔10个碱 基对重复出现连续的A/T碱基对 所在的DNA区段将发 碱基对， 基对重复出现连续的A/T碱基对，所在的DNA区段将发 生明显的弯曲。锥虫(trypanosome)动基体(kinetoplast) 生明显的弯曲。锥虫(trypanosome)动基体(kinetoplast) 的线性DNA片段电泳迁移率降低 因为DNA分子中出 片段电泳迁移率降低， 的线性DNA片段电泳迁移率降低，因为DNA分子中出 现周期性重复的(A/T) 序列， 现周期性重复的(A/T)5-6与(G/C)4-6序列，使其构型偏离 一般的线性DNA，从而影响电泳行为。 一般的线性DNA，从而影响电泳行为。现已证明弯曲 DNA在基因的表达调控中起重要作用 DNA在基因的表达调控中起重要作用。 在基因的表达调控中起重要作用。
多聚核苷酸链化学反应方向
多聚核苷酸链的化学反应只能是5 →3'方向， 多聚核苷酸链的化学反应只能是5'→3'方向， 所有天然的DNA多聚酶都只执行 →3' 多聚酶都只执行5 所有天然的DNA多聚酶都只执行5'→3'的合 1.3)，同样的极性也表现在以DNA为 成(图1.3)，同样的极性也表现在以DNA为 模板合成RNA拷贝的反应中 拷贝的反应中。 模板合成RNA拷贝的反应中。核苷酸聚合 反应的方向性使双链DNA的复制复杂化 的复制复杂化。 反应的方向性使双链DNA的复制复杂化。 因为DNA的两条互补单链化学极性正好相 因为DNA的两条互补单链化学极性正好相 在复制时必须采取不同的策略， 3'链 反，在复制时必须采取不同的策略，即3'链 采取连续复制， 5'链采取间断复制 链采取间断复制。 采取连续复制，而5'链采取间断复制。
1.1 遗传的分子基础 1.1.1 DNA的化学与生物学 DNA的化学与生物学 1.1.2 RNA的化学与生物学 RNA的化学与生物学 1.1.3 蛋白质的结构与生物学 1.2 基因组序列复杂性 1.2.1 C值与C值悖理 C值与 值与C 1.2.2 序列复杂性 1.2.3 基因组的序列组成 1.3 基因与基因家族 1.3.1 编码RNA基因 编码RNA基因 1.3.2 编码蛋白质基因 1.3.3 基因家族 1.3.4 异常结构基因 1.3.5 假基因 1.4 染色体 1.4.1 真核生物染色体 1.4.2 原核生物染色体 1.5 基因组 1.5.1 人类基因组 1.5.2 其他生物基因组
2'-脱氧核糖(2'-deoxyribose) 一种五碳糖。 2'-脱氧核糖(2'一种五碳糖。 2'-脱氧核糖系指核糖的2'碳原子上连接的羟 2'-脱氧核糖系指核糖的 碳原子上连接的羟 系指核糖的2' OH)基团由氢原子取代 基团由氢原子取代。 基(-OH)基团由氢原子取代。 含氮碱基(nitrogenous 含氮碱基(nitrogenous base) 共4种，胞嘧啶 (cytosinc)和胸腺嘧啶(thymine)； (cytosinc)和胸腺嘧啶(thymine)；腺嘌呤 (adenine)和鸟嘌呤(guanine)。碱基通过β (adenine)和鸟嘌呤(guanine)。碱基通过βN-糖基键(β-N-glycosidic bond) 与嘧啶环的 糖基键(β1位氮原子和嘌呤环的9位氮原子共价连接。 位氮原子和嘌呤环的9位氮原子共价连接。 磷酸基团( groups) 磷酸基团(Phosphate groups) 磷酸基团与核 糖分子的5'碳原子相连 碳原子相连。 糖分子的5'碳原子相连。由糖分子与碱基组 成的分子称为核苷 核苷(nucleoside)； 成的分子称为核苷(nucleoside)；加上磷酸 后成为核甘酸 核甘酸(nucleotide)。 后成为核甘酸(nucleotide)。核苷酸含有的 磷酸基团可分为三类，即单磷酸、双磷酸、 磷酸基团可分为三类，即单磷酸、双磷酸、 三磷酸。 三磷酸。
碱基配对(base碱基配对(base-pairing) 位于2条DNA单链 位于2 DNA单链 中的碱基可相互配对。 中的碱基可相互配对。配对只发生在腺嘌 (A)与胸腺嘧啶 或鸟嘌呤 与胞嘧啶 与胸腺嘧啶(T)或鸟嘌呤(G) 呤(A)与胸腺嘧啶(T)或鸟嘌呤(G)与胞嘧啶 (C)之间 因为只有A (C)之间，因为只有A与T和G与C配对才是 之间， 最稳定的方式( 1.4)， 最稳定的方式(图1.4)，A与T或G与C称为互 补碱基对。 补碱基对。 DNA的双螺旋结构 两条反向平行的DNA单 DNA的双螺旋结构 两条反向平行的DNA单 链彼此相互缠绕组成双螺旋分子， 链彼此相互缠绕组成双螺旋分子，有两种 化学作用稳定双螺旋结构。 化学作用稳定双螺旋结构。
1.1 遗传的分子基础 遗传的分子基础
绝大多数生物的基因组都由DNA组成； 绝大多数生物的基因组都由DNA组成； 组成 少数病毒基因组则为RNA。 少数病毒基因组则为RNA。 基因组的遗传信息由DNA或RNA分子中核苷酸顺序 基因组的遗传信息由DNA或RNA分子中核苷酸顺序 决定，它们组成独立的结构单位——基因 基因。 决定，它们组成独立的结构单位——基因。 基因包含的信息由特定功能的蛋白质解读， 基因包含的信息由特定功能的蛋白质解读，这类蛋 白质附着在DNA或RNA分子的一定位置 分子的一定位置， 白质附着在DNA或RNA分子的一定位置，起始一系 列的生化反应合成基因的编码产物， 列的生化反应合成基因的编码产物，这一过程称之 基因表达。基因表达由两个步骤组成， 为基因表达。基因表达由两个步骤组成，第一步以 转录。 DNA分子为模板合成 DNA分子为模板合成RNA拷坝，称为转录。第二步 分子为模板合成RNA拷坝 称为转录 拷坝， RNA拷贝指令蛋白质的合成 称为翻译 DNA、 拷贝指令蛋白质的合成， 翻译。 由RNA拷贝指令蛋白质的合成，称为翻译。DNA、 RNA和蛋白质这三种生物有机大分子的关系如图 。 RNA和蛋白质这三种生物有机大分子的关系如图1.1。 和蛋白质这三种生物有机大分子的关系如图1.1