基因组学第一章
基因组学杨金水电子版 基因工程 电子版
基因组学杨金水电子版基因工程电子版导读：就爱阅读网友为您分享以下“基因工程电子版”的资讯，希望对您有所帮助，感谢您对的支持! 作者：吴乃虎出版社：高等教育出版社第一章基因工程概述第一节基因操作与基因工程一、基因操作与基因工程的关系二、基因工程的诞生与发展第二节基因工程是生物科学发展的必然产物一、基因是基因重组的物质基础二、DNA的结构和功能三、基因操作技术的发展促进基因工程的诞生和发展四、基因工程的内容第三节基因的结构——基因操作的理论基础一、基因的结构组成对基因操作的影响二、基因克隆的通用策略第一篇基因操作原理第二章分子克隆工具酶第一节限制性内切酶一、限制与修饰二、限制酶识别的序列三、限制酶产生的末端四、DNA末端长度对限制酶切割的影响五、位点偏爱六、酶切反应条件七、星星活性八、单链DNA的切割九、酶切位点的引入十、影响酶活性的因素十一、酶切位点在基因组中分布的不均一性第二节甲基化酶一、甲基化酶的种类二、依赖于甲基化的限制系统三、甲基化对限制酶切的影响第三节DNA聚合酶一、大肠杆菌DNA聚合酶二、KIenow DNA聚合酶三、T4噬菌体DNA聚合酶四、T7噬菌体DNA聚合酶五、耐热DNA聚合酶六、反转录酶七、末端转移酶第四节其他分子克隆工具酶一、依赖于DNA的RNA聚合酶二、连接酶三、T4多核苷酸激酶四、碱性磷酸酶五、核酸酶六、核酸酶抑制剂七、琼脂糖酶八、DNA结合蛋白九、其他酶第三章分子克隆载体第一节质粒载体一、质粒的基本特性二、标记基因三、质粒载体的种类第二节λ噬菌体载体一、λ噬菌体的分子生物学二、λ噬菌体载体的选择标记……第四章人工染色体载体第五章表达载体第六章基因操作中大分子的分离和分析第七章基因芯片技术第八章PCR技术及其应用第九章DNA序列分析第十章DNA诱变第十一章DNA文库的构建和目的基因的筛选第十二章基因组研究技术第二篇基因工程应用第十三章植物基因工程第十四章动物基因工程第十五章酵母基因工程第十六章细菌基因工程第十七章病毒基因工程第十八章医药基因工程第十九章基因工程产品的安全及其管理第一章基因工程概述第一节基因操作与基因工程一、基因操作与基因工程的关系基因操作（gene manipulation）：指对基因进行分离、分析、改造、检测、表达、重组和转移等操作的总称。
基因组学第一章思考题
基因组学第一章思考题我们有理由相信，后基因组计划将比人类基因组计划更宏伟，将给人类社会和人们的生活带来更加深刻的影响。
（九）生物信息学(Bioinformatics)(十)脑研究(BrainResearch；脑计划,Brain Project)（神经、认知、记忆、智力等等）……（八）免疫组学(Immnuomins)所需要的生物学技术1.重组DNA技术；2.PCR 技术；3.DNA测序技术；4.转基因技术；5.基因敲出与基因敲入；6.RNAi技术；7.生物信息学技术；8.蛋白质研究技术；9.组合化学技术；10.生物芯片（DNA 芯片、蛋白芯片）技术；……思考题1.基因组与基因组学的概念.2.基因组学包括哪些研究内容?3.基因组学的历史变革与发展趋势?4.凡是疾病都与基因有关?5.基因组学的发展与人类的生存、生活及健康的关系？由于他们的杰出贡献，Watson、Crick以及Wilkins于1962年获得了诺贝尔生理及医学奖。
*由于他们的杰出贡献，Watson、Crick以及Wilkins于1962年获得了诺贝尔生理及医学奖。
*这就提示我们，在自然界中可能还存在着一种全新的微小生命体—一种无核酸的微小生物体。
从而改变人类对整个生物界的认识。
即蛋白质不仅可体现生物学功能，而且可储存遗传信息。
而核酸成分可能在prion复制过程中完全缺如，这将有力地挑战目前的“生物中心法则”。
PrP蛋白高级结构的改变不仅可造成蛋白质功能的变化，在某种意义上还是遗传信息传递的方式。
*人们回顾过去的20世纪一百年中所取得的辉煌成就时，认为最激动人心的伟大创举之一就是和“曼哈顿原子弹计划”、“阿波罗人类登月计划”一起被誉为20世纪科学史上三个里程碑的“人类基因组计划”(humangenomeproject,HGP)。
*血友病是一组遗传性凝血因子缺乏引起的出血性疾病。
凝血因子是人体内一组具有引起血液凝固、具有止血功能的生物活性蛋白，主要的凝血因子有十三种，常用罗马数字表示为：I、II….XIII（即凝血因子一、二…至十三）。
Chapter 1基因组学
1.1.1 The content of the human nuclear genome 1) Genes and related sequences 2) The functions of human genes 3) Pseudogenes and other evolutionary relics 4) Genome-wide repeats and microsatellites Approximately 62% of human genome comprises intergenic regions. One thing that is clear is that the bulk of the intergenic DNA is made up of repeated sequences of one type or another. Repetitive DNA can be divided into two catagories: genome-wide or interspersed repeats and tandemly repeated DNA.
Chapter 1 Genomes
1.1 The Human Genome 1.1.1 The content of the human nuclear genome 1) Genes and related sequences 2) The functions of human genes 3) Pseudogenes and other evolutionary relics 4) Genome-wide repeats and microsatellites 1.2 The human mitochondrial genome 1.3 Why is The Human Genome Project Important?
基因组学概论PPT课件
3. 比较基因组学
研究不同物种之间在基因组结构和功能 方面的亲源关系及其内在联系的学科。
比较基因组学的研究内容:
(1)绘制系统进化树，显示进化过程中最主要的 变化所发生的时间及特点。据此可以追踪物种的 起源和分支路径。 (2)了解同源基因的功能。
(3)对序列差异性的研究有助于认识产生大自然生 物多样性的基础。
1. 基因(Gene)
基因(gene)是1909年丹麦植物学家W.Johannsen 根 据希腊文单词genos(birth,给予生命）创造的。
现代分子生物学的基因概念：
基因是储存和表达某一多肽链信息或RNA分析 信息所必需的全部核苷酸序列，即一个基因不仅 包括编码蛋白质或RNA的核酸序列，还应包括为 保证转录所必ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的调控序列。
（三）基因组学的意义
生物学研究 医学 生物技术 制药工业 社会经济 生物进化 伦理，法律及社会
尤其是人类疾病基因的研究
(1)单基因病疾病基因研究,如血友病等
人类基因组计划使我们了解基因组序列。 现在采用定位候选克隆方法极大地提高了 发现疾病基因的效率。
（2）多基因病疾病基因研究， 例如心脏病，糖尿病，癌症等。
经典遗传学时代
1879年 染色体的发现，并认为染色体最可能是DNA 、 RNA和蛋白质的一种；
1902年 染色体学说的产生,合理解释了Mendel的实验结果;
1910年 发现了遗传学的第三大遗传规律——连锁遗传规律
（决定两对性状的两对基因位于同一对染色体上，就会发生连锁遗传现象）
郑州大学生命科学学院
基因组学
(Genomics)
马珊珊
课程安排
32 学时：16周，2学时/周 考试方式：闭卷考试 考试成绩：30%平时成绩（出勤率 +课堂表现）+70%卷面成绩
基因组学
名词解释：第一章基因组遗传图（连锁图）：指基因或DNA标记在染色体上的相对位置与遗传距离。
单位是厘摩cM （基因或DNA片段在染色体交换过程中分离的频率）。
物理图：以已知核苷酸序列的DNA片段（序列标签位点，sequence-tagged site, STS）为“路标”，以碱基对作为基本测量单位（图距）的基因组图。
转录图：以EST（expressed sequence tag ，表达序列标签）为标记，根据转录顺序的位置和距离绘制的图谱。
EST：通过从cDNA文库中随机挑选的克隆进行测序所获得的部分cDNA的5'或3'端序列称为表达序列标签（EST），一般长300-500 bp左右。
序列图（分子水平的物理图）：序列图是指整个人类基因组的核苷酸序列图，也是最详尽的物理图。
既包括可转录序列，也包括非转录序列，是转录序列、调节序列和功能未知序列的总和。
基因：合成有功能的蛋白质或RNA所必需的全部DNA序列，即一个基因不仅包括编码蛋白质或RNA的核酸序列，还应包括为保证转录所必需的调控序列。
基因组（genome）：生物所具有的携带遗传信息的遗传物质的总和。
基因组学（genomics）：涉及基因组作图、测序和整个基因组功能分析的一门学科。
C值：单倍体基因组的DNA总量，一个特定种属具有特征C值C值矛盾（C value paradox）：指一个有机体的C值和其编码能力缺乏相关性。
单一序列：基因组中单拷贝的DNA序列。
重复序列：基因组中多拷贝的DNA序列。
复杂性（complexity）：基因组中不同序列的DNA总长。
高度重复序列（highly repetitive sequence）：重复片段的长度单位在几个到几百个碱基对（base pair，bp）之间（一般不超过200 bp），串联重复频率很高（可达106以上），高度重复后形成的这类重复顺序称为高度重复顺序。
中度重复序列（intermediate repetitive sequence ）：重复长度300～7000 bp不等，重复次数在102～105左右。
02医学遗传学：第一章 人类基因和基因组
表观遗传学（epigenetics） • 表观遗传：基因的核苷酸序列不发生突
变，由基因的修饰导致基因的活性改变， 使基因决定的表型出现变化，且可传递 少数世代的遗传现象。
• 原因：DNA甲基化、组蛋白的乙酰化
第二节 基因的化学本质
基因的化学本质：
大部分生物：DNA（脱氧核酸） 少数病毒：RNA（核糖核酸）
侧翼序列
侧翼序列
侧翼序列（flanking sequence） 作用：调控序列、保持基因完整性必需。
侧翼序列
侧翼序列
二、基因组的组成
（一）单拷贝序列
定义：又称非重复序列；在基因组中仅有 单一拷贝或少数拷贝。
长度：800bp～1000bp之间
编码：各种蛋白质和酶——结构基因 在基因组中的比例：45%
第三节 人类基因和基因组的 结构特点
基因组（genome）：一个物种的单倍体染 色体数目及所有包含的全部遗传物质 人类基因组：人体的所有遗传信息的总和； 人类基因组=核基因组（nuclear genome）
+
线粒体基因组(mitochondrial genome)
注：如无特别注明，人类基因组通常指核基因组
例如：烟草花叶病毒（TMV）
一、DNA分子组成
• 基本单位：脱氧核苷酸
腺嘌呤（A） P
5’
O 4’
碱基
1’ 2’
鸟嘌呤（G）
胞嘧啶（C）
胸腺嘧啶（T）
脱氧核糖
3’
图：脱氧核苷酸
• 单链连接方式：3’, 5’-磷酸二酯键
P
4’ 5’
O
1’
T
5’
3’
3’
2’
3’, 5’-磷酸二酯键
2第一章基因组
• 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。
第1章 基因组学概论
（三）基因组学的意义
生物学研究 医学 生物技术 制药工业 社会经济 生物进化 伦理，法律及社会
尤其是人类疾病基因的研究
(1)单基因病疾病基因研究,如血友病等
人类基因组计划使我们了解基因组序列。 现在采用定位候选克隆方法极大地提高了 发现疾病基因的效率。
（2）多基因病疾病基因研究， 例如心脏病，糖尿病，癌症等。
（一）1900年代以前:前遗传学时代
（1）1859 年C.Darwin 在《On the Origin of Species》这一名著中，提出了物种进化的自然选 择学说——达尔文进化论。
生物的来源——进化 生物的性状——遗传 进化的动力——选择
前遗传学时代
（2）1865年G.Mendel发表豌豆杂交实验结果，提出 了遗传学的两大遗传规律—分离规律和独立分配规律， 并认为是生物体内的遗传因子或遗传颗粒控制生物性状。
人的核基因组：30亿bp（最新资料说28.5亿） 2∼2.5万个蛋白编码基因
真核生物基因组： 核基因组 线粒体基因组 叶绿体基因组
原核生物基因组： 染色体 质粒
病毒基因组：病毒颗粒携带的遗传物质
3. 基因组学（genomics）
由美国科学家Thomas Roderick于1986年首创。
基因组学（genomics）： 就是对所有基因进行基因 作图、核苷酸序列分析、 基因定位和基因功能分析 的一门学科。
基因是生命体传递和表达遗传信息的基本单位。
2. 基因组（genome）
基因组(genome)一词系由德国汉堡大学H. Winkles 教授于1920年首创，从GENe和chromosOME组成。 于表示生物的全部基因和染色体组成的概念。
基因组（genome）：生物所具有的携带遗 传信息的遗传物质的总和,是指生物细胞中所 有的DNA，包括所有的基因和基因间区域。
基因组学杨金水电子版 基因工程 电子版
基因组学杨金水电子版基因工程电子版导读：就爱阅读网友为您分享以下“基因工程电子版”的资讯，希望对您有所帮助，感谢您对的支持! 作者：吴乃虎出版社：高等教育出版社第一章基因工程概述第一节基因操作与基因工程一、基因操作与基因工程的关系二、基因工程的诞生与发展第二节基因工程是生物科学发展的必然产物一、基因是基因重组的物质基础二、DNA的结构和功能三、基因操作技术的发展促进基因工程的诞生和发展四、基因工程的内容第三节基因的结构——基因操作的理论基础一、基因的结构组成对基因操作的影响二、基因克隆的通用策略第一篇基因操作原理第二章分子克隆工具酶第一节限制性内切酶一、限制与修饰二、限制酶识别的序列三、限制酶产生的末端四、DNA末端长度对限制酶切割的影响五、位点偏爱六、酶切反应条件七、星星活性八、单链DNA的切割九、酶切位点的引入十、影响酶活性的因素十一、酶切位点在基因组中分布的不均一性第二节甲基化酶一、甲基化酶的种类二、依赖于甲基化的限制系统三、甲基化对限制酶切的影响第三节DNA聚合酶一、大肠杆菌DNA聚合酶二、KIenow DNA聚合酶三、T4噬菌体DNA聚合酶四、T7噬菌体DNA聚合酶五、耐热DNA聚合酶六、反转录酶七、末端转移酶第四节其他分子克隆工具酶一、依赖于DNA的RNA聚合酶二、连接酶三、T4多核苷酸激酶四、碱性磷酸酶五、核酸酶六、核酸酶抑制剂七、琼脂糖酶八、DNA结合蛋白九、其他酶第三章分子克隆载体第一节质粒载体一、质粒的基本特性二、标记基因三、质粒载体的种类第二节λ噬菌体载体一、λ噬菌体的分子生物学二、λ噬菌体载体的选择标记……第四章人工染色体载体第五章表达载体第六章基因操作中大分子的分离和分析第七章基因芯片技术第八章PCR技术及其应用第九章DNA序列分析第十章DNA诱变第十一章DNA文库的构建和目的基因的筛选第十二章基因组研究技术第二篇基因工程应用第十三章植物基因工程第十四章动物基因工程第十五章酵母基因工程第十六章细菌基因工程第十七章病毒基因工程第十八章医药基因工程第十九章基因工程产品的安全及其管理第一章基因工程概述第一节基因操作与基因工程一、基因操作与基因工程的关系基因操作（gene manipulation）：指对基因进行分离、分析、改造、检测、表达、重组和转移等操作的总称。
基因组学与蛋白质组学
《基因组学与蛋白质组学》课程教学大纲学时：40学分：2.5理论学时：40实验学时：0面向专业：生物科学、生物技术课程代码：B7700005先开课程：生物化学、分子生物学课程性质：必修/选修执笔人：朱新产审定人：第一部分：理论教学部分一、课程的性质、目的和任务《基因组学与蛋白质组学》是随着生物化学、分子生物学、结构生物学、晶体学和计算机技术等的迅猛发展而诞生的，是融合了生物信息学、计算机辅助设计等多学科而发展起来的新兴研究领域。
是当今生命科学研究的热点与前沿领域。
由于基因组学与蛋白质组学学科的边缘性，所以本课程在介绍基因组学与蛋白质组学基本基本技术和原理的同时，兼顾学科发展动向，讲授基因组与蛋白组学中的热点和最新进展，旨在使学生了解现代基因组学与蛋白质组学理论的新进展并为相关学科提供知识和技术。
二、课程的目的与教学要求通过本课程的学习，使学生掌握基因组学与蛋白质组学的基本理论、基础知识、主要研究方法和技术以及生物信息学和现代生物技术在基因组学与蛋白质组学上的应用及典型研究实例，熟悉从事基因组学与蛋白质组学的重要方法和途径。
努力培养学生具有科学思维方式、启发学生科学思维能力和勇于探索，善于思考、分析问题的能力，激发学生的学习热情，并通过学习提高自学能力、独立思考能力以及科研实践能力，为将来从事蛋白质的研究奠定坚实的理论和实践基础。
三、教学内容与课时分配第一篇基因组学第一章绪论（1学时）第一节基因组学的研究对象与任务；第二节基因组学发展的历程；第三节基因组学的分子基础；第四节基因组学的应用前景。
本章重点：1. 基因组学的概念及主要任务；2. 基因组学的研究对象。
本章难点：1.基因组学的应用及发展趋势；2.基因组学与生物的遗传改良、人类健康及生物进化。
建议教学方法：课堂讲授和讨论思考题：查阅有关资料，了解基因组学的应用发展。
第二章人类基因组计划（1学时）第一节人类基因组计划的诞生；第二节人类基因组研究的竞赛；第三节人类基因组测序存在的缺口；第四节人类基因组中的非编码成分；第五节人类基因组的概观；第六节人类基因组多样性计划。
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
基因组学.ppt1
James Watson
Francis Collins
• 1992年6月，Craig Venter离开国家卫生研 究院，建立了基因研究所（The Institute for GenomeResearch, TIGR），此后， TIGR从流感嗜血菌开始测了大量的细菌基 因组，流感嗜血菌也是第一个被测序的非 寄生物种
• Human genome project • Goal: characterize all human genetic material by • determining the complete sequence of the DNA in the • human genome. • HGP is accomplished by the joint effort between • U.S. Human Genome Project (HGP), composed of the • DOE (Department of Energy )and NIH (National • Institutes of Health), and Celera Genomics
• 1986年3月，1975年诺贝尔奖得主、Salk Institute的癌症研究员杜贝可（Renato Dulbecco）在“Science”期刊上发表文章，题 为“癌症研究的转折点：定出人类基因组序列”。 这片文章引起了美国社论。 • 杜贝可提出了两种基因搜寻路线，即以测序为核 心的“DNA”序列探测和以作图为中心的“基因 图位”克隆。
• 基因组学（Genomics）：研究基因组及其基因的 科学。 • 最初是Thomas Roderick于1986年提出，其主 • 要内容是指基因组作图（Mapping）和测序 • （Sequencing）。 • 21世纪从生物体整体上研究生命现象 • 研究整个物种基因组碱基的组成、基因的结构、 • 基因在染色体上的分布，基因的时空表达和调控 • 网络。
第1章-基因组学概论
/stats/current.html
人类基因注释——GTF格式文件
ftp:///pub/gencode/Gencode_human/
人类基因注释——GTF格式文件
编码蛋白质组的基因
可变剪接（alternative splicing）
人类基因组编码蛋白质的基因
人类基因组包含约20000个蛋白质编码基因 基因组的某些区域相对缺乏蛋白质编码基因
亚端粒区 18号染色体 X染色体
19号和22号染色体具有相对丰富的蛋白质编码基因 基因组双链中都存在基因，在许多情况下，非相关基因处 于良好的分离状态
真核生物蛋白质编码基因示意图
• 一直以来计算机存储和处 理数据能力的增长速度都 快于生物数据的增长速度， 但2003年后，由于测序技 术的发展使得测序成本大 幅度下降，产生了大量的 生物数据，计算机的存储 和计算能力逐渐无法满足 大数据的需求
国内外有哪些生物信息云计算平台？
Galaxy (https:///) Genedock (https:///) DNAnexus (https:///) Sevenbridge (https:///)
生物信息学 & 基因组学概论
徐卓菲，博士 xuzf@
华中农业大学动物医学院
2017年
课程安排
32学时：11周，3学时/周 开卷考试 成绩：平时成绩占70%（课后练习+课堂表 现+出勤率）+ 期末考试占30% 期末考试：课程论文（综合运用你所学的 生物信息学分析工具解决某个实际的生物 学问题）
表型 = 基因型 + 环境 + 生活史 + 表观遗传变异
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同相位重叠基因
异相位重叠基因
真核生物基因组
• 除非特别说明，真核生物基因组 一般是指其核基因组。 • 真核生物基因组由多个 DNA 分子 组成，每个皆为双链线形分子。 • 每个 DNA 分子皆与蛋白质结合， 构成染色体，染色体上有着丝粒 结构，可以进行有丝分裂。
中期染色体
人 类 基 因 组 核 型 图
• 重复单位（主体 rRNA）= 18S + 5.8S + 28S + 间隔区 • rDNA 基因簇区域称为核仁组织者，其中含有大量的
rRNA，在光学显微镜下呈特殊的区域。高等生物中主体
rRNA 基因拷贝数一般为 200 ~ 500。
例三：tRNA 基因（tDNA）
• tRNA 基因种类很多，也呈重复排列形式存在。 • 爪蟾单倍体基因组： 有 56 种 tRNA 约 8000 份 tRNA 基因 平均每种 tRNA 约有 140 份基因
• 原核生物基因组很小，因而其组织结构十分经济有效，
很少含有无用的多余序列。
大肠杆菌基因组示意图
• 一个典型的细菌染色体
长度约为数百万碱基对。
• 数千个不同的基因分散 在整条染色体上。 • 还可能分布着一些短的 重复序列
• 染色体上有一个复制原
点。
原核生物基因组的组织结构特征
• 基因簇（Gene cluster）
• 核糖 2 碳位脱氧，在水溶液中稳定性好
• 以 T 取代 U，没有 C 脱氨变 U 的危险
DNA超螺旋结构
• DNA 双螺旋扭曲时会改变螺旋
数，为使螺旋数保持不变，则
必须形成超螺旋，故超螺旋的 方向总是与初级螺旋的扭曲方
向相反，以抵消初级螺旋扭曲
的作用力 • 正超螺旋：初级螺旋向紧缠方
向扭曲时产生的超螺旋
基因冗余
• 原核生物中，一般蛋白质基因都是单拷贝的，但细菌 中 rRNA 基因（rDNA）是多拷贝的。例如： 大肠杆菌 7 个拷贝
枯草杆菌
10 个拷贝
3 种 rRNA 基因组成一个操纵子，顺序为： 16S rDNA – 23S rDNA – 5S rDNA • 基因多拷贝，超过了实际需要，称为基因冗余，但有 备无患。
DNA超螺旋与基
因表达
生物体内一般维持 5%左 右的负超螺旋，这部分 DNA 双螺旋较松缠，有利于 DNA 转录和复制。
超螺旋的形成原因
• • • • 体内 DNA 超螺旋的产生依赖于 DNA 拓扑异构酶。 拓扑异构酶 I：每次作用于单链，无需 ATP，可解除负超螺旋。 拓扑异构酶 II（又称旋转酶）。 拓扑异构酶 I 和拓扑异构酶 II 相互竞争，调节细胞内 DNA 的超螺旋状态。
（T） 被换成脲嘧啶（U）。
DNA的二级结构
DNA在活细胞中为 双链结构，两个DNA单 链通过碱基配对（遵循
A=T、GC的原则），
靠氢键结合在一起，相
互缠绕，形成反向平行
的双螺旋结构。
DNA双螺旋
• 核糖和磷酸构成双螺旋骨架 ， 具亲水性，处于外侧；碱基具 疏水性，处于内侧。
• 螺旋直径20Å。 • 螺距34Å，含 10 个核苷酸对。
随机断裂和再生的动态平衡状态，产生瞬间的局部双
链解开（单链泡状结构）和恢复，形似嘴巴的开合，
故称之为“呼吸作用”。 • 呼吸作用发生的频率与双螺旋中氢键的强弱有关，富 含 A=T 的区段呼吸作用较明显。
基因组大小（C值）与遗传信息量
• 生物进化从低等到高等，从简单到复杂，遗传信息量不断增加， 因而基因组（C 值）也应该相应不断增大。 • 推论：C 值与遗传信息量应该是平行的，二者是成正比的。 • 从大的进化尺度看，这个规律是成立的；从小的进化尺度看， 在进化早期（低等生物进化阶段）也是成立的，但在高等生物 进化阶段显然不成立。
例一：组蛋白基因
• 重复单位 = H1 + H2A + H2B + H3 + H4 + 间隔区 • 各组蛋白基因都没有内含子，不同生物的重复单位内组蛋 白基因的排列方式不同，重复拷贝数也不同： 鸡 10 果蝇 100 哺乳动物 20 海胆 300 ~ 600 非洲爪蟾 40
例二： rRNA 基因（rDNA）
一个含105 个核苷酸对的非重
复DNA分子的 x = 105
DNA复性曲线
在一种生物（特别是
真核生物）的基因组中，
同时包含高度重复、中度 重复、低度重复和单拷贝 的序列，因而其复性曲线 是个混合曲线。根据曲线 的形状，可以推断基因组 中各种序列的比例。
人类基因组DNA复性曲线
DNA 的呼吸作用
• 在生理条件下，DNA 双螺旋中配对碱基间的氢键处于
C值悖理（C value paradox）
• 进化程度低的生物 C 值反而更高。 • 亲缘关系相近的物种
间 C 值差异很大。
• C 值远远超过了遗传 信息量的需要。 • 结论：C 值并不反映 遗传复杂性的高低。
C值悖理暗示基因组中存在大量的无用序列
基因家族和基因簇
• 负超螺旋：初级螺旋向松缠方 向扭曲时产生的超螺旋
细胞中形成DNA超螺旋的条件
• 在细胞内，DNA 双链分子必须呈闭合
环状，才能形成超螺旋。
• 绝大多数原核生物 DNA 为环形，称 为共价闭合环（CCC分子），可形成 超螺旋。 • 真核生物的线形 DNA 在两个蛋白质 结合点之间亦可形成环形结构，类似 于CCC 分子，故亦可形成超螺旋。 • 超螺旋可使 DNA 链得到压缩。
• DNA和RNA是由核苷酸 亚基连接成的不分支长 链大分子。 • 核苷酸亚基由一个核糖、 一个磷酸根和一个碱基 （嘌啉、嘧啶）组成。 • 核苷酸通过 3 与 5 位的 磷酸二酯键连接成高聚 物——多聚核苷酸。
DNA和RNA的核苷酸
• DNA的核苷酸含2－脱氧核糖及腺嘌啉（A）、胞嘧啶（C）、鸟 嘌啉（G）、胸腺嘧啶（T） 4种碱基。 • RNA的核苷酸含核糖及与DNA相似的4种碱基，但其中胸腺嘧啶
人类基因组核型模 式图
真核生物基因组的组织结构特征
• 间断基因（Interrupted gene） • 基因家族与基因簇（Gene family & cluster） • 串联重复基因（Tandemly repeated genes）
• 重复序列（Repeated sequence）
间断基因
一个基因的编
果蝇 酵母
几种生物肌动蛋白基因内含子数的比较
串联重复基因（基因冗余）
• 概念：一组功能相关的基因串联排列，构成一个重复 单位，并在基因组中以多拷贝存在，与细菌中的相似。 重复单位可进一步串联在一起构成一个大的基因簇。
• 特点：
– 各重复单位间同种基因的序列高度一致或完全相同 – 拷贝数高，通常有几十个到几百个 – 非转录的间隔区短且一致 – 串联重复基因一般都是细胞中大量需要且进化上保守的基因
间断基因的多少与物种进化程度有关
随着物种进
化程度的提高，
不仅间断基因 的比例增加， 而且每个间断 基因所包含的
酵母
果蝇
外显子（或内
含子）数目也 增加。
哺乳动物
间断基因的大小也与 物种进化程度有关
由于随着物种进化程 度的提高，每个间断基因 所含的内含子数目增加， 因而每个间断基因的大小 也增大。
哺乳动物
遗传标记。
卫星DNA的等级结构
• 基因冗余（Gene redundancy） • 基因重叠（Gene overlap）
基因簇
• 指功能相关的一组基因按一定顺序成串排列的现象。典型的基因
簇即操纵子，转录时整个操纵子作为一个单位受调控，转录成一
条 mRNA。 • 例如大肠杆菌的乳糖操纵子由lacZ、lacY和lacA三个与乳糖代谢 有关基因串联排列而成。
• 大沟宽而深，扇形 > 180º ；小沟窄
而浅，扇形 < 180º 。
DNA 作为遗传物质的优点
• 信息容量大，集成度高 1个基因 1kb 碱基序列种类达41000 = 10602 比较：直径10亿光年的宇宙体积为10108Å3 人类基因组DNA长 2m；细胞平均直径 10m • 碱基互补配对，保证精确复制
码序列在 DNA 上
不连续，被一些插 入序列（一般无编
码功能）所隔开。
其中编码序列称为 外显子，插入序列 称为内含子。DNA
转录为 RNA 后，
内含子序列必须切 除。
外显子和内含子的大小
外显子通常都较短；内含子 的长度可以从很短到非常长。
Vertebrates
内含子的插入和缺失 可造成基因的进化
基因重叠
最初在噬菌体 x174 中发现。现在已知，基因重叠 现象不仅在病毒中有，而且在细菌、细胞器乃至高等真 核生物中也有。主要有 4 种情况：
– 重叠操纵子：前后两个操纵子部分重叠 – 同相位重叠基因：两基因阅读框重叠
– 异相位重叠基因：两基因序列重叠，但阅读框不同
– 反向重叠基因：两基因序列重叠，但位于不同链上
在 DNA 主带上方形成一条 卫星 带，故称为卫星 DNA。
卫星DNA的分布及 其概念的拓展
• 卫星DNA主要位于着丝粒区， 表现为异染色质。 • 现将所有的串联重复序列都 称为卫星 DNA。不形成卫星
带的称为隐蔽卫星 DNA。
• 有一类重复单位仅含 2 ~ 5 个 碱基的串联重复序列称为微
卫星 DNA，是一种很有用的
通常几种 tRNA 基因组成一个重复单位
重复序列
• 串联重复序列（Tandemly repeated DNA） – 卫星DNA（Satellite DNA） – 小卫星DNA（Mini-satellite DNA） – 微卫星DNA（Micro-satellite DNA） • 散布重复序列（Interspersed genome-wide repeats）