原核生物基因组2010
《分子生物学》复习题解答【2010级生物科学(师范)版】
质粒，如酵母和植物。 ④ 原核生物的DNA位于细胞的中央，称为类核。
真核生物有细胞核，DNA序列压缩为染色体存在于细胞核中。 ⑤ 真核基因组都是由DNA序列组成，原核基因组还有可能由RNA组成，
如RNA病毒。
5、转位因子的特点。 （1）结构特点：在转位因子的两端，存在末端重复序列（TIR），在转 位过程中至关重要。 （2）结构特点：绝大多数转位因子含有开放阅读框架（ORF），它可能 编码转座酶，促进转位因子的转位。 （3）结构特点：受体DNA上很短的一段靶序列，由于转位因子的插入，靶序
靶位点连接。最后，填补插入位点两侧的单链区。 （4）分析比较细菌转座子的结构与特点？ 答：1974年，随着发现与抗生素抗性有关的基因可以在质粒与细菌的染色
5、简述拓扑异构酶的概念、分类、特点及作用机理。 （1）概念：在真核、原核生物中发现有催化双螺旋DNA的超螺旋化或者回
到松弛态的酶类，即负责DNA拓扑异构体的超螺旋与松弛态相互 间的转化，反应都与链的切断——缝合机制相关。 （2）分类：I型拓扑异构酶，II型拓扑异构酶。 （3）特点：既能水解，又能连接磷酸二酯键。 （4）作用机理： ① Ⅰ型拓扑异构酶不需要ATP的能量而催化异构体化，作为反应的中间 产物，在原核生物来说是游离型的5′-OH末端扣3′-磷酸末端与酶形成 共价键，而真核生物是3′-OH末端5′-磷酸末端与酶形成共价键。此酯 键中所贮存的能量，可能在切断端的再结合上起着作用。 ② 在Ⅱ型拓扑异构酶中，DNA促旋酶可单独催化闭环状DNA产生超螺 旋，这是独特的。其它二个型的酶，除可使超螺旋松弛也需要ATP的 能量外，还可催化促旋酶的催化反应。
7、熔解温度（Tm）
Tm是指DNA的热变性过程中，260nm处的紫外吸收值的增加量达到 最大增量的一半时的温度。 8、拓扑异构酶 拓扑异构酶是指在真核、原核生物中发现有催化双螺旋DNA的超螺旋 化或者回到松弛态的酶类，即负责DNA拓扑异构体的超螺旋与松弛态 相互间的转化，反应都与链的切断——缝合机制相关。 9、双螺旋呼吸作用 双链DNA中配对碱基的氢键不断处于断裂和再生状态之中，特别是稳 定性相对较低的富含A-T的区段，在微观上，常会发生瞬间的单链泡 状结构，这种现象称双螺旋的呼吸作用。 10、镜像重复 镜像重复由反方向完全相同的两个序列组成的重复序列。
原核生物基因组
又称“细菌杂交”，是遗传物质通过细胞间
的直接接触而进行的转移和重组。当细胞与细 胞、或细菌通过菌毛相互接触时，质粒DNA从 一个细胞（细菌）转移至另一细胞（细菌）的 DNA转移称为接合作用(conjugation)。
• 2. 转化(transformation)
受体菌直接吸收来自供体菌的DNA片段，通 过交换将其整合到自身的基因组中，从而获得供体 菌部分遗传性状的现象。
• 5.具有编码同工酶的不同基因 如E.coli 含有两个乙酰 乳酸合成酶基因
6.不同原核生物间，GC含量差异较大。
不同细菌基因组GC含量比较
细菌名 Bacillus anthracis Escherichia coli Mycobacterium tuberculosis Neisseria meningitides Pseudomonas aeruginosa, Salmonella typhi GC% 35% 50% 66% 52% 58% 52% 细菌名 Salmonella typhimurium Staphylococcus aureus Streptococcus pyogenes Vibrio cholerae Yersinia pestis GC% 52% 33% 38% 47% 48%
•质粒有DNA和RNA质粒之分，本书主要介绍DNA质粒。
一、质粒的结构与理化性质
• 1. 质粒的结构
通常有三种构型:
共价闭环DNA分子
半开环DNA分子
线性DNA分子
• ２．质粒的理化性质 具有核酸分子的一般理化特性，如可嵌入某些染 料(溴化乙锭, EB ）,具有较强的抗切割和抗变性的 能力。
二、质粒的命名与分类
• 7.非编码区内主要是一些调控序列
原核及病毒基因组
复制程度
严密型质粒： 1-2个拷贝 松弛型质粒：10-60拷贝
功
能
F质粒/致育质粒 R质粒/耐药性质粒 ：带有耐药基因 Col质粒:大肠埃希菌素生长因子生产，典型EolE1
结合型质粒: 携带有效接触基因，促进细菌结合。 可移动型质粒: 被动传递。 自传递质粒: 兼具以上两种功能。如F质粒 窄譜型质粒 广谱型质粒 小型质粒 大型质粒 降解质粒：编码一种特殊蛋白，可使宿主菌代谢特殊的分子，如甲苯或水杨酸。 侵入性质粒： 如根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)中发现的Ti质粒
基因组长3.2kb ，是带有部 分单链区的环状双链DNA 分子，两条链长度不等：
长链为负链： L(-)，长度固 定， 携带有病毒全部的编 码信息； 短链为正链： S(+)，长度 不 等，约1.6kb ～2.8kb
S: 外膜蛋白 P: 聚合酶
C: 核壳蛋白
典型的DNA病毒，同时也是DNA逆转录病毒
30
重叠基因（Overlapping Gene）:两个或两个以上的基因共用一段DNA序列
噬菌体
噬菌体Φ 174：单链DNA病毒，5386bp，3个转录单位（含有11 基因），3个启动 子（pA、pB、pD）
将全部DNA顺序和蛋白质氨基酸顺序进行比较，发现重叠基因
31
乙肝病毒基因组（the Hepatitis B virus，HBV）
18
4、除主基因组外，原核生物往往还具有质粒基因组 质粒（Plasmid）：－独立于核基因组外的环状或线性的共 价闭合环状DNA/RNA分子。 生物学特征
可嵌入某些染 料 （ 溴化乙锭 ） 有较强的抗切割和抗变性能力 几乎所有已知质粒都为环状超 螺旋DNA分子（酵母杀伤质粒为RNA分子） 自主复制：有复制调控[ori+rep+cop]、分裂分配、分裂控制和位点特异重组四大系统 基因转移：常用作基因工程载体，用来转移目的基因（最大10Kb）。
原核生物的基因组复制机制
原核生物的基因组复制机制原核生物是指由原核细胞组成的生物，其特点是没有细胞核和其他细胞器。
原核生物的基因组复制过程相对于真核生物而言要简单得多，但也有其独特性和需要注意的问题。
一、原核生物的基因组复制基础原核生物的基因组是以环状DNA分子的形式存在的，每个环状DNA分子上大约有2000-4000个核苷酸，比真核生物的基因组大小要小得多。
原核生物往往只有单一的起始点和终止点，从起始点出发的两个复制叉合成了不同的方向，形成了复制眼。
这些复制叉继续向两个方向扩展，最终导致两个复制眼合并在一起，从而完成基因组复制过程。
二、原核生物的DNA复制机制原核生物的DNA复制机制被认为是半保留复制，即每个DNA分子的一个链是新合成的，另一个链是原有的。
在基因组复制开始之前，原核生物细胞必须准备好以下要素：复制起始点、单链结合蛋白、DNA聚合酶等。
细胞首先在复制起始点上作用一种特殊的酶，将DNA的双链分离得到两个单链DNA分子。
然后，单链结合蛋白结合在DNA链上，防止两个单链DNA重缠在一起。
接着，DNA聚合酶将新核苷酸等分子添加到原有DNA链的3'端，形成一个新的DNA链。
这个过程称为细胞DNA的扩展。
在原核生物的基因组复制中，还有一个重要的概念是"原" 与 "后代" 之间的关系。
原意味着来自于过去世代的DNA，而后代是新DNA复制的结果。
原直接与复制起始点相连，是新DNA复制之前的模板。
后代被复制成一个双链分子，并接受各种修改以适应当前环境和退化环境的需要。
三、其他复制相关机制原核生物的DNA复制过程中，还有许多与DNA复制相关的机制。
例如，阻止来自非向心的DNA复制，因为这些复制是电气化的。
一些细胞也有非标准的复制模式，例如可能利用反转录酶进行逆转录，生成组成类似于DNA的反转录产物。
此外，还有复制质量修正机制的存在，这些机制能够在基因组复制过程中修正错误的碱基序列或将自然变异和突变的DNA复制下来。
原核生物基因组的主要特点
原核生物基因组的主要特点
1. 原核生物基因组小得很嘞！就像一个精简的小世界。
看看细菌，它们的基因组就是小小的一块，但里面却有着维持它们生命的关键信息呢！
2. 原核生物基因组可没那么多弯弯绕绕，基因是连续的呀！不像咱人类基因组那么复杂。
就好比走路直接走直线，简单直接不绕路。
比如说大肠杆菌，基因排列得多整齐呀！
3. 嘿，原核生物基因组的重复序列那叫一个少哇！多清爽呀，不像有些基因组那么“啰嗦”。
想想那些精简高效的原核生物，它们可没有那么多冗余呢！比如蓝细菌。
4. 哇塞，原核生物基因组单个拷贝就能搞定很多事呀！这能力多强呀。
就像一个超级英雄，一个人就能解决大问题。
像双歧杆菌就是这样厉害呢！
5. 原核生物基因组的结构多稳定呀，可不像有些东倒西歪的。
好比一个坚固的堡垒，牢牢守护着里面的重要东西。
瞧瞧那些一直稳定存在的原核生物们呀！
6. 哎呀呀，原核生物基因组的功能多紧凑呀！一点也不浪费空间。
就像一个紧密排列的工具箱，每一样工具都有它的用处。
比如说沙门氏菌的基因组就是这样高效利用的哟！
7. 瞧瞧，原核生物基因组的进化速度还挺快嘞！适应能力超强。
就好像它们随时都能变身似的。
像流感嗜血杆菌不就经常在变化嘛！
8. 原核生物基因组里居然可以有质粒这种特别的存在哦！这多奇妙呀。
就像一个隐藏的小惊喜。
比如有些细菌里的质粒就能让它们有特殊的能力呢！我的观点结论就是：原核生物基因组有着自己超级独特且有趣的特点呀，让人不得不佩服大自然的神奇呢！。
原核生物基因组和真核生物基因组比较区别
、真核生物基因组指一个物种地单倍体染色体组()所含有地一整套基因.还包括叶绿体、线粒体地基因组.原核生物一般只有一个环状地分子，其上所含有地基因为一个基因组.、原核生物地染色体分子量较小，基因组含有大量单一顺序（），仅有少量地重复顺序和基因.个人收集整理勿做商业用途真核生物基因组存在大量地非编码序列.包括：.内含子和外显子、.基因家族和假基因、重复序列.真核生物地基因组地重复顺序不但大量，而且存在复杂谱系.个人收集整理勿做商业用途、原核生物地细胞中除了主染色体以外，还含有各种质粒和转座因子.质粒常为双链环状，可独立复制，有地既可以游离于细胞质中，也可以整合到染色体上.转座因子一般都是整合在基因组中.个人收集整理勿做商业用途真核生物除了核染色体以外，还存在细胞器，如线粒体和叶绿体地，为双链环状，可自主复制.有地真核细胞中也存在质粒，如酵母和植物.个人收集整理勿做商业用途、原核生物地位于细胞地中央，称为类核（）.真核生物有细胞核，序列压缩为染色体存在于细胞核中.、真核基因组都是由序列组成，原核基因组还有可能由组成，如病毒.原核生物和真核生物区别（从细胞结构、基因组结构和遗传过程分析）主要差别由真核细胞构成地生物.包括原生生物界、真菌界、植物界和动物界.真核细胞与原核细胞地主要区别是：【从细胞结构】.真核细胞具有由染色体、核仁、核液、双层核膜等构成地细胞核；原核细胞无核膜、核仁，故无真正地细胞核，仅有由核酸集中组成地拟核个人收集整理勿做商业用途.真核细胞有内质网、高尔基体、溶酶体、液泡等细胞器，原核细胞没有.真核细胞有发达地微管系统，其鞭毛（纤毛）、中心粒、纺锤体等都与微管有关，原核生物则否..真核细胞有由肌动、肌球蛋白等构成地微纤维系统，后者与胞质环流、吞噬作用等密切相关；而原核生物却没有这种系统，因而也没有胞质环流和吞噬作用.个人收集整理勿做商业用途真核细胞地核糖体为型，原核生物地为型，两者在化学组成和形态结构上都有明显地区别. .原核细胞功能上与线粒体相当地结构是质膜和由质膜内褶形成地结构，但后者既没有自己特有地基因组，也没有自己特有地合成系统真核生物地植物含有叶绿体，它们亦为双层膜所包裹，也有自己特有地基因组和合成系统.与光合磷酸化相关地电子传递系统位于由叶绿体地内膜内褶形成地片层上.原核生物中地蓝细菌和光合细菌，虽然也具有进行光合作用地膜结构，称之为类囊体，散布于细胞质中，未被双层膜包裹，不形成叶绿体.个人收集整理勿做商业用途【从基因组结构】.真核生物中除某些低等类群（如甲藻等）地细胞以外，染色体上都有种或种组蛋白与结合，形成核小体；而在原核生物则无.个人收集整理勿做商业用途.真核生物中除某些低等类群（如甲藻等）地细胞以外，染色体上都有种或种组蛋白与结合，形成核小体；而在原核生物则无.个人收集整理勿做商业用途.真核细胞含有地线粒体，为双层被膜所包裹，有自己特有地基因组、核酸合成系统与蛋白质合成系统，其内膜上有与氧化磷酸化相关地电子传递链个人收集整理勿做商业用途【从遗传过程】.真核细胞地转录在细胞核中进行，蛋白质地合成在细胞质中进行，而原核细胞地转录与蛋白质地合成交联在一起进行.个人收集整理勿做商业用途.真核细胞地有丝分裂是原核细胞所没有地..真核细胞在细胞周期中有专门地复制期（期）；原核细胞则没有，其复制常是连续进行地. 最原始地真核生物地直接祖先很可能是一种异常巨大地原核生物，体内具有由质膜内褶而成地象内质网那样地内膜系统和原始地微纤维系统，能够作变形运动和吞噬.以后内膜系统地一部分包围了染色质，于是就形成了最原始地细胞核.内膜系统地其他部分则分别发展为高尔基体、溶酶体等细胞器.按照美国学者.马古利斯等重新提出地“内共生说”（见细胞起源），线粒体起源于胞内共生地能进行氧化磷酸化地真细菌，而叶绿体则起源于胞内共生地能进行光合作用地蓝细菌.个人收集整理勿做商业用途原核生物和真核生物区别原核生物和真核生物:由原核细胞构成原核生物,如:蓝藻,细菌和放线菌;由真核细胞构成真核生物,如:真菌,植物和动物. 原核细胞与真核细胞地主要区别是有无成形地细胞核,也可以说是有无核膜,因为有核膜就有成形地细胞核. 个人收集整理勿做商业用途显微镜下能观测到有无核膜.原核生物：原核生物是由原核细胞组成地生物，包括蓝细菌、细菌、古细菌、放线菌、立克次氏体、螺旋体、支原体和衣原体等.原核生物具有以下地特点：①核质与细胞质之间无核膜因而无成形地细胞核；②遗传物质是一条不与组蛋白结合地环状双螺旋脱氧核糖核酸（）丝，不构成染色体（有地原核生物在其主基因组外还有更小地能进出细胞地质粒）；③以简单二分裂方式繁殖，无有丝分裂或减数分裂;④没有性行为，有地种类有时有通过接合、转化或转导，将部分基因组从一个细胞传递到另一个细胞地准性行为（见细菌接合）；⑤没有由肌球、肌动蛋白构成地微纤维系统，故细胞质不能流动，也没有形成伪足、吞噬作用等现象；⑥鞭毛并非由微管构成，更无“”地结构，仅由几条螺旋或平行地蛋白质丝构成；⑦细胞质内仅有核糖体而没有线粒体、高尔基器、内质网、溶酶体、液泡和质体（植物）、中心粒(低等植物和动物)等细胞器；⑧细胞内地单位膜系统除蓝细菌另有类囊体外一般都由细胞膜内褶而成，其中有氧化磷酸化地电子传递链（蓝细菌在类囊体内进行光合作用，其他光合细菌在细胞膜内褶地膜系统上进行光合作用；化能营养细菌则在细胞膜系统上进行能量代谢）；⑨在蛋白质合成过程中起重要作用地核糖体散在于细胞质内，核糖体地沉降系数为;⑩大部分原核生物有成分和结构独特地细胞壁等等.总之原核生物地细胞结构要比真核生物地细胞结构简单得多.个人收集整理勿做商业用途原核生物地基因组一般都是由单拷贝序列组成地.相对于原核生物，真核生物基因组显得比较复杂，除了单拷贝序列外，还包括其他简单重复序列、中度和高度重复序列等等，这些不同地序列在真核生物中起着不同地作用，各自担当不同地角色. 个人收集整理勿做商业用途真核细胞与原核细胞地主要区别是：①真核细胞具有由染色体、核仁、核液、双层核膜等构成地细胞核；原核细胞无核膜、核仁，故无真正地细胞核，仅有由核酸集中组成地拟核.个人收集整理勿做商业用途②真核细胞地转录在细胞核中进行，蛋白质地合成在细胞质中进行，而原核细胞地转录与蛋白质地合成交联在一起进行.个人收集整理勿做商业用途③真核细胞有内质网、高尔基体、溶酶体、液泡等细胞器，原核细胞没有.④真核生物中除某些低等类群（如甲藻等）地细胞以外，染色体上都有种或种组蛋白与结合，形成核小体；而在原核生物则无.个人收集整理勿做商业用途⑤真核细胞在细胞周期中有专门地复制期（期）；原核细胞则没有，其复制常是连续进行地.⑥真核细胞地有丝分裂是原核细胞所没有地.⑦真核细胞有发达地微管系统，其鞭毛（纤毛）、中心粒、纺锤体等都与微管有关，原核生物则否.⑧真核细胞有由肌动、肌球蛋白等构成地微纤维系统，后者与胞质环流、吞噬作用等密切相关；而原核生物却没有这种系统，因而也没有胞质环流和吞噬作用.个人收集整理勿做商业用途⑨真核细胞地核糖体为型，原核生物地为型，两者在化学组成和形态结构上都有明显地区别.⑩真核细胞含有地线粒体，为双层被膜所包裹，有自己特有地基因组、核酸合成系统与蛋白质合成系统，其内膜上有与氧化磷酸化相关地电子传递链.个人收集整理勿做商业用途。
原核生物基因组-2013
乳糖操纵子(lac operon)的结构
调控区 DNA 结构基因
P
O
操纵序列
Z
Y
A
Z： β-半乳糖苷酶
启动序列
Y： 透酶
A：乙酰基转移酶
CAP结合位点
原核生物基因组结构与功能的特点
3.除rRNA与tRNA外，原核生 物的结构基因均为单拷贝基因。
原核生物基因组结构与功能的特点
4.编码蛋白质的基因是连续的， 无内含子结构，这是与真核生 物基因组的主要区别。
（一）原核生物转座因子的种类及结 构功能特征
转座因子的分类： 1. 插入序列（insertion sequence, IS） 2. 转座子（transposons）
3.可转移性噬菌体（transposable phages）
插入序列（insertion sequence, IS）
AACA GGAT DR IR TTGT CCTA ATCC AACA
*IR（反向重复序列）： GGAAGGT、、、ACCTTCC
CCTTCCA、、、TGGAAGG
质粒（plasmid） 是一类染色体 外能进行自主 复制的核酸分 子，属染色体 外基因组。
（一）质粒的结构
除酵母的杀伤质粒（killer plasmid） 是RNA外，其余质粒均为共价闭合环 状的双链DNA分子（covalently closed circular，cccDNA）分子。
IS可从插入位点准确切割下来，使失活的基因 功能恢复，此过程称为切离。 有的IS是Tn的组成成分。 两个基因组DNA可通过共同的IS序列介导同源 重组。
转座子（transposons）
Tn是一类较大的可移动成分，除编码有关 转座的基因外，尚含有其它基因，如抗药 基因等。Tn是在研究抗药基因中发现的， 由此得知抗药基因可在质粒之间，质粒与 染色体之间或质粒与可转座的噬菌体之间 来回移动。
原核生物基因组
第26页，幻灯片共43页
第27页，幻灯片共43页
➢
Col质粒（Col plasmid）
又称大肠杆菌素因子
▪ 大肠杆菌中发现，含编码大肠杆菌素的基因
▪ 大肠杆菌素是由E.coli的某些菌株所分泌的细菌素
，能通过抑制复制、转录、转译或能量代谢等而专一 地杀死其它肠道细菌。
▪ 凡带Col因子的菌株，由于质粒本身编码一种免 疫蛋白，从而对大肠杆菌素有免疫作用，不受其 伤害。
复制所必需的。 ▪如果质粒DNA的大部分区域被去掉，而只保留质粒的ori序列，而
且质粒是环状的，则质粒仍然能进行复制。分子克隆中利用质 粒载体的结构基础。
第38页，幻灯片共43页
质粒的复制型
▪ θ型复制（主） ¡单向复制
¡双向复制
▪ 滚环复制
第39页，幻灯片共43页
（四）质粒的标记
▪选择标记：用于鉴别目标 DNA(载体)的存在
▪复制的方向性 ▪复制的终止
▪复制起始 ▪复制型
第37页，幻灯片共43页
▪复制起点（ori）是一段特定的DNA序列，长约几百碱基对
，在其相关的调控元件中含有由质粒或宿主染色体编码的、参与DNA
合成起始调控因子的结合位点。
▪在大多数质粒中，与复制有关的蛋白质基因位于它们的作用
位点——ori序列附近，因此ori位点周围的小范围DNA是质粒
关于原核生物基因组
第1页，幻灯片共43页
原核生物的概念
什么是原核生物（prokaryote）？
细菌、支原体、衣原体、立克次体、螺旋体、
放线菌和蓝绿藻等原始生物的总称，是最简单的细
胞生物体。
第2页，幻灯片共43页
§（一）原核生物基因组的特征
原核生物基因组的进化与功能分析
原核生物基因组的进化与功能分析原核生物指的是没有细胞核的微生物，它们的基因组相对简单，通常只有数万个碱基对。
然而，这些微小的基因组却运用了各种复杂的机制，发挥着非常重要的功能。
本文将从原核生物基因组的进化和功能两个方面探讨其特点和意义。
一、原核生物基因组的进化原核生物基因组的进化可以从多个角度进行分析。
最基本的是基因组大小和复杂性的比较。
在各种微生物中，基因组大小和复杂性相差很大，甚至同一种微生物的不同亚种基因组也存在巨大差异。
基因组大小的变化主要由基因散失、基因重组、基因转移等因素引起。
在不同的微生物之间，基因转移和重组在多次发生过，具有非常重要的生态和进化意义。
基因转移是指不同微生物之间通过各种机制实现基因提取、传输和接收的过程，例如：共生体、质粒传递、嗜热峰等。
基因重组则是指两段互相转换的DNA片段通过交换修复成不同的排列，产生了新的遗传信息组合。
相对于单一的细胞，互相转换及光合作用等方式极大地促进了基因组的变化。
二、原核生物基因组的功能分析原核生物对环境的快速适应能力是基因功能研究的焦点。
它们的基因组虽然相对简单，但仍包含了许多重要的基因。
例如，邻硫氧化菌可以利用无机氧化物来产生能量，反硫菌可以利用硫元素产生能量，这些都涉及到一系列特定的基因调控和基因表达的过程。
1.基因调控原核生物对物理、化学和生物学的外部信号有着强的感知与响应能力，并能有效地利用基因调控机制来适应环境。
光诱导响应、通过化学物质诱导响应等等是跨度较大指示其具体的机制，其中多种信号与修饰蛋白肽之间的相互作用发挥了重要作用。
2.基因表达原核生物的基因表达机制相对简单，表观基因调节相对较少，但相对于人类基因组中表观基因调节在菌群内受到更强的重视。
此外基因的编码序列也对线粒体和叶绿体的蛋白质产生质量有重要的影响。
结语从原核生物基因组的进化和功能两个方面来看，这些微小的生物依然充满了神秘与未知。
以此为契机，我们需要加大对其研究的力度，深入探索其中的奥秘并发掘其在各种领域中可能产生的巨大价值。
原核生物基因组特点
原核生物基因组特点
原核生物基因组特点
【—初二生物上册之原核生物基因组特点】，原核生物是由原核细胞组成的生物，包括蓝细菌、细菌、古细菌、放线菌、立克次氏体、螺旋体、支原体和衣原体等。
原核生物基因组特点
1.基因组较小，通常只有一个环形或线形的`DNA分子；
2.通常只有一个DNA复制起点；
3.非编码区主要是调控序列；
4.存在可移动的DNA序列；
5.基因密度非常高，基因组中编码区大于非编码区；
6.结构基因没有内含子，多为单拷贝，结构基因无重叠现象；
7.重复序列很少，重复片段为转座子；
8.有编码同工酶的等基因；
9.基因组的大部分序列是用来编码蛋白质的，基因之间的间隔序列很短；
10.功能相关的序列常串连在一起，由共同的调控元件调控，并转录成同一mRNA分子，可指导多种蛋白质的合成，这种结构称操纵子。
总结：由原核细胞构成的生物。
细胞中无膜围的核和其他细胞器。
包括古核生物和细菌。
染色体分散在细胞质中，不具有完全的细胞器官并主要通过二分分裂繁殖。
与古核生物、真核生物并列构成现今生物三大进化谱系。
药品生物技术《1.原核生物的基因组2》
➢遗传变异的物质根底 ➢基因突变和微生物育种 ➢基因重组和杂交育种 ➢基因工程 ➢菌种的衰退、复壮和保藏
第一页，共八页。
第一节 微生物遗传变异的物质根底
一、证明核酸是遗传变异物质根底的经典实验
〔一〕肺炎双球菌的转化实验
〔二〕噬菌体的感染实验 〔三〕烟草花叶病毒的拆开与重组实验
第二页，共八页。
遗传物质类型
核基因组 真核生物
核外染色体
原核生物
第三页，共八页。细胞质基因 共生生物线粒体叶绿体等
2µm质粒等
F因子〔F质粒〕
R因子〔R质粒〕 Col质粒
Ti质粒
巨大质粒
降解性质粒等
〔一〕 核基因组和基因
核基因组：又称染色体基因组或基因组，是一 个物种的单倍体细胞核内的全部 DNA分子。
基因：编码蛋白质或RNA等具有特定功能 产物的遗传信息的根本单位，是染色体或 基因组的一段DNA序列 。
第五页，共八页。
细菌染色体DNA的大小和结构
第六页，共八页。
乳糖操纵子
β-半乳糖苷乙酰转移酶 β一半乳糖苷透性酶 β-半乳糖苷酶
第七页，共八页。
内容总结
遗传变异的物质根底。核基因组：又称染色体基因组或基因组，是一个物种的单倍体细胞核内的全部 DNA分子。基 因：编码蛋白质或RNA等具有特定功能产物的遗传信息的根本单位，是染色体或基因组的一段DNA序列。1小，为双链 的DNA分子，一般具有单一的复制起点。3功能相关的基因构成操纵子或形成重叠基因，且常转录为多顺反子mRNA一 个顺反子决定一条多肽链。β-半乳糖苷酶
第八页，共八页。
第四页，共八页。
1、 原核生物的基因组
• 1小，为双链的DNA分子，一般具有单一的复制起点；
原核生物基因组2010
• 以1.83Mb流感嗜血杆菌为例，假设一次 测序的有效长度为480bp则
m 1 5 10 P0 36.7% 0.67% 0.0045% Ngap ~1400 ~120 ~2 Lave 480bp 96bp 48
基本情况
• 基因组共有4639221bp，基因组呈环状存 在，在全序列中，87.8%编码蛋白质， 0.8％编码稳定性RNA，0.7%是没有编码 功能的重复序列，其余11％属于调节序 列或具有其他功能。87.8%编码蛋白质的 序列总共编码4288种蛋白质，在这其 中，38％的功能不明。
大肠杆菌基因组序列测定所提 出的一些问题
Head to head
Tail to Tail
真核生物也存在重叠基因现象
பைடு நூலகம்
线粒体的重叠基因现象
• ATPase 8：8366~8569 • ATPase 6 ：8527~9204
原核生物基因组学
• 人类基因组计划与原核生物基因组（微生物基因组）学 • 原核生物基因组学的意义：
– 为人类基因组计划的实现提供一些新的方法和策略。 – 序列信息为解决一些重大生物学问题如生命起源和生物进化 提供了帮助 – 对生态学而言，大量构成生物圈食物链最底层的微生物序列 的测定，对于从分子水平研究生态平衡和保护生物圈有着重 要意义。 – 对于病理学和药物学而言，致病菌的基因组资料可以为研究 和鉴定相关毒力基因，进而阐明微生物的致病机理提供了新 的思路和材料，最终为发现和设计新的抗微生物药物奠定基 础。 – 为原核生物遗传学的研究提供了新的思路。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Enzyme
Beta galactosidase （LacZ） Lactose Permease （LacY） Thiogalactosidase transacetylase （LacA）
Function
水解糖键产生半乳糖 与 葡萄糖
协助乳糖进入细胞内
lacZ
未知
乳糖操作子的表达机制
lac 启动子的强启动需要乳糖的诱 导和低浓度的葡萄糖
基因分析
• 缺乏三羧酸循环中的三种酶，柠檬酸合 成酶、异柠檬酸脱氢酶和乌头酸酶 • 致病性分析
– 血清型b菌株，在pepN和purE基因之间有8个 与侵染相关的伞毛基因；非致病菌株则是 172bp的间隔区。
水平基因转移
• 水平基因转移（Horizontal Gene Transfer，HGT）定义
基因功能的确定
• 生物信息学分析方法 • 实验生物学方法
– DNA芯片技术 – 蛋白质二维电泳 – 大规模基因转导技术 – ….
大肠杆菌基因组
• 用于基因组全序列测定的大肠杆菌的菌 株为K-12MG1655，采用这个菌株的理由 是它的遗传操作很少，比较能代表K-12 的本来面目。它只经过紫外线和丫啶橙 处理，消除了λ噬菌体和F质粒。
细菌的水平基因转移
• 广泛存在，如药物抗性 • 三种主要水平基因转移的机制
– 转化 – 转导 – 结合
转导
结合过程
• 供体产生菌毛 （pilus) • 菌毛与受体细胞 相互作用 • 转移性质粒产生 缺口，单链DNA 进入受体细胞 • 转移性质粒二链 合成，两个细胞 都成为供体细胞
HGT的鉴定
• G-C倾斜问题。
– 通过序列分析，先导链中G的含量（26.22%） 明显高于C的含量（24.69%)，差异显著 （P<0.001）。GC倾斜问题遍及整个基因 组，不论复制的起始区、编码区、还是密码 子的各位碱基，只要处于先导链上，G-C倾 斜都很明显 – 先导链和后续链复制机制所导致？
• 从全序列分析的结果来看，发现了6个 前所未知的tRNA基因，其中四个是 lysT操纵子的一部分。在这四个基因 中，valZ是valT的重复，lysY、lysZ和 lysQ是lysW的重复；另两个基因独立 转录，其中asnW是asnT的重复, ileY和 已经知道的ileX只有一个碱基的差异。 • 这6个新发现的tRNA究竟有什么功能 呢？
重叠方式
• 重叠操纵子
– 如大肠杆菌中frdA B C D的frd D基因C端10个氨 基酸伸入ampC基因的启动区中。
• 同向重叠基因
• 反向重叠基因
同向异相位重叠基因
• 上游基因的终止密码子和下游基因起始密码子重叠 （UAAAUG），核糖体无需重新组装。如trpE, trpD • 上游基因的终止密码子位于下游基因核糖体结合区 域中。如galT, galK。 • 下游基因从上游基因中间起始
重叠基因（overlapping gene）
• 定义
– 是指两个或两个以上的基因共有一段 DNA序列，或是指一段DNA序列成为 两个或两个以上基因的共同组成部分。
• 发现
– 1978年Sanger分析了ΦX174DNA全序 列后，发现它由5386个核苷酸组成， 共9个基因，编码2000个氨基酸
Phi X174的基因重叠
• 系统发生分析
– 根据特定基因同源性建立的进化 树与经典进化树之间的差异。
• 核苷酸组成与密码子选择 • 基因组织分析
– 在远缘基因组中3个或更多的基因 以相同的次序存在的几率极低。
A B C
A’
B’
C’
HGT发生的范围
• 广泛存在 • 转移是多方向的 • 对微生物基因组进化 的贡献存在争议。
– 细菌基因组比较如大 肠杆菌O157:H7与大 肠杆菌K12发现基因 组序列的显著差异。
基本情况
• 基因组共有4639221bp，基因组呈环状存 在，在全序列中，87.8%编码蛋白质， 0.8％编码稳定性RNA，0.7%是没有编码 功能的重复序列，其余11％属于调节序 列或具有其他功能。87.8%编码蛋白质的 序列总共编码4288种蛋白质，在这其 中，38％的功能不明。
大肠杆菌基因组序列测定所提 出的一些问题
病毒的HGT
• 法国科学家Raoult, Koonin 发现变形虫病毒 及卫星病毒 Sputnik
Giant mamavirus particles (red) and satellite viruses of mamavirus called Sputnik (green).
Giant mamavirus有近千个基因 Sputnik有21个基因，感染后会阻止该病毒工厂的病 毒生产，类似病毒噬菌体（virophage ） Sputnik 的13个基因与已知的基因没有同源性，3个 与Giant mamavirus有高度同源性
Head to head
Tail to Tail
真核生物也存在重叠基因现象
线粒体的重叠基因现象
• ATPase 8：8366~8569 • ATPase 6 ：8527~9204
原核生物基因组学
• 人类基因组计划与原核生物基因组（微生物基因组）学 • 原核生物基因组学的意义：
– 为人类基因组计划的实现提供一些新的方法和策略。 – 序列信息为解决一些重大生物学问题如生命起源和生物进化 提供了帮助 – 对生态学而言，大量构成生物圈食物链最底层的微生物序列 的测定，对于从分子水平研究生态平衡和保护生物圈有着重 要意义。 – 对于病理学和药物学而言，致病菌的基因组资料可以为研究 和鉴定相关毒力基因，进而阐明微生物的致病机理提供了新 的思路和材料，最终为发现和设计新的抗微生物药物奠定基 础。 – 为原核生物遗传学的研究提供了新的思路。
– 又称横向水平转移[Lateral gene transfer (LGT)], ，是指不同生物个体之间，或者是 单个细胞内部细胞器之间所进行的遗传物质 的交流。
水平基因转移的主要历史
• 1959日本科学家首次报道了不同细菌之间抗药 性基因的水平转移 • 80年代中期， Syvanen认为水平基因转移在地 球生命早期的进化过程中发挥重要作用 • 1999年Jain, Rivera and Lake根据基因和基因组 数据分析结果认为，水平基因转移在细菌中大 量存在 • 水平基因转移也存在于植物和哺乳动物中， 2007 Richardson和Palmer 认为，水平基因转移 在植物和哺乳动物中的重要性仍然不清楚。
5386Nt；11ORF；2327AA 功能 viral strand synthesis shut off host DNA synthesis capsid morphogenesis / DNA maturation capsid morphogenesis cell lysis protein core protein major coat protein major spike protein minor spike protein
编译读框的确定
• 开放阅读框架（ORF）的确定
– 可以采用1996年美国国家生物信息中心 （NCBI）提供的组合程序Squin发现阅读框 架，翻译后可以提供6种不同的阅读框架， 并能表明ORF所在的位置。
• 确定ORF是否为蛋白编码序列
– 查询数据库 – 检查用码倾向性 – 检查功能位点
• 生物信息学分析的ORF存在假阳性与假阴 性。
编码的基因
• 编码基因
– 1743种蛋白质，其中389种全新；347种有同 源序列，但功能未知。
• tRNA基因
– A合成酶
• rRNA基因
– 有多份，形成rRNA操作子。16S-23S-5S， 每份结构相似但又不完全相同，高GC含量 （50％）
真细菌 Aquifex aeolicus Bacillus subtilis Synechocytis Escherichia coli 古细菌基因 (含量%) 246（16.2％） 207（5%） 126（4％） 99（2.3%）
同向同相位重叠基因
• 所编码的蛋白质只是长短不同，氨 基酸排列顺序完全一样。
– 如RNA噬菌体MS2的基因C因终止密码 子读通得到A1蛋白质，在StrA宿主中 无A1。 – Tn5转座子的P2蛋白比P1蛋白N端少40 个氨基酸，P1是转座酶，P2是转座酶 的竞争性抑制物。
反向重叠基因
• 方向重叠基因是由于两股DNA都具 有编码功能
– GC，AT含量均匀；G(19%),C(19%),A(31%),T(31%) – 少数富含GC，AT区。富含GC区为6个rRNA操纵子和Mu 样噬菌体，GC含量在40~50%之间；富含AT区AT含量超 过64%.
• 复制起点
– 280bp，4个九聚体和3个十三聚体，类似于大肠杆菌。
• 复制终止子
– 位于复制起点对面，两个23bp的终止序列ter，10bp的核 心序列与大肠杆菌相同
微生物基因组的全序列采用荧光标记的双脱氧自动测序 法 • 一般来说，序列测定的总数为总染色体长度的 5－10倍。据泊松分布理论：
– – – – 未测序列的概率P0=e-m 总缺口长度Lgap=Le-m 平均缺口长度Lave=L/n 其中m为序列覆盖率，n为随机测序的片段数，L为 基因组长度。
• 以1.83Mb流感嗜血杆菌为例，假设一次 测序的有效长度为480bp则
m 1 5 10 P0 36.7% 0.67% 0.0045% Ngap ~1400 ~120 ~2 Lave 480bp 96bp 48
位置 3981~5386&1~136 4497~5386&1~136 5075~5386&1~51 51~221 133~393 390~848 568~843 848~964 1001~2284 2395~2922 2931~3917 氨基酸 513 341 120 56 86 152 91 38 427 175 328