第二章 原核生物基因组
医学分子生物学
第二章基因组的结构和功能一、名词解释基因组（genome）：细胞或生物体中，一套完整单倍体的遗传物质的总和。
如真核细胞基因组包含细胞核染色质DNA及线粒体DNA，原核细胞基因组包含染色体DNA和质粒DNA。
质粒(plasmid)：细菌细胞内的、染色体外的DNA分子，是共价闭合的环状DNA分子，能够独立于细胞的染色质DNA进行复制。
假基因(pesudogene)：与有功能的基因同源，但不能产生有功能的基因产物的基因。
卫星DNA(satellite DNA)：是基因组中的一种高度重复序列，其重复单位一般由2~10bp 组成，成串排列，具有调节基因的复制和转录等功能。
单拷贝序列(singe copy sequence)：在整个基因组只出现一次或很少的几次，绝大多数真核生物蛋白质的编码及因的单拷贝序列。
二、简答题1 原核生物染色体中结构基因的特点是什么？（1）编码的连续性（2）编码序列的不重叠性（3）重复序列很少（4）多为单拷贝基因在基因组中所占比例较大2 简述质粒的基本特征。
（1）原核细胞中染色体外的共价闭合的环状DNA分子（2）能够独立于细胞的染色体而进行复制，并依赖于宿主细胞（3）其所带的遗传信息能赋予宿主细胞特定的遗传性状（4）在宿主菌中具有不相容性是DNA重组技术中所使用的主要载体3 真核生物染色体中结构基因的特点是什么？（1）通常为断裂基因（2）转录产物多为单顺反子RNA（3）在基因组中所占比例较小4 真核生物染色质中含有几种蛋白质？各自功能是什么？（1）真核细胞染色质中含有组蛋白和非组蛋白两类蛋白质，参与DNA的折叠和组装。
（2）组蛋白包括核心组蛋白和连接组蛋白两种。
组蛋白借助静电作用使DNA分子缠绕在其周围，形成核小体。
并具有调控基因的复制和转录的功能。
（3）非组蛋白是染色体上结合特异DNA序列的蛋白质，其功能包括：①帮助DNA分子折叠。
②协助启动DNA复制。
③控制基因转录，调节基因表达。
分子生物学 第二章 有机体、基因和染色体
②蛋白质基因通常以单拷贝的形式存在。多拷贝 基因或多拷贝序列存在于染色体上常引起非均 等交换 , 结果导致了相同序列之间的基因的缺 失或倒位。 基因序列的倍增虽是经常发生的 (10-4), 可是绝大 多数的倍增并没有给细菌带来选择上的优势 , 因而很快又被淘汰。这样 , 使绝大多数的蛋白 质基因保持单拷贝形式。
类核的结构
E.coli: 4.2×106bp （ 1300 微米）， 闭合环状，约 编 码 3000~4000 个 基因。
生物在进化中选择了经济而又有效的结构形式：
①功能上相关的几个结构基因前后相连，再加上一 个共同的调节基因和一组共同的控制位点，即启 动子和操作子在基因转录时协同动作。细菌基因 表达调控的这样一个完整的单元，称为操纵元。 例：大肠杆菌中半乳糖代谢的 β- 半乳糖苷酶，半乳 糖苷透性酶，半乳糖苷乙酰化酶三个酶的基因z、 y 、 a 与控制位点 o 、 p 以及它们的调不需要转录后加工；而真 核生物基因转录后的绝大部分前提RNA必须经过剪接 过程才能形成成熟的RNA。 原核生物细胞内缺少分隔的功能区域，所有生理生化 反应都在同一细胞质中进行，因而原核生物的基因转 录和翻译是偶联的，边转录边翻译；真核生物细胞的 转录和翻译在时间和空间上都是分离的。
推理过程：
φ×174的DNA数量有限,其基因在排列上更加 体现了经济原则：
(1) φ×174 有11蛋白质基因,但是只转录成3个 mRNA,其中一个从A基因开始,一个从B基因开始, 另一个从D基因开始. (2) φ×174的DNA分子绝大部分用来编码蛋白质, 不翻译出来的部分只占4%(217/5386),其中包括 基因之间的间隔区和一些控制基因表达的序列. (3) φ×174 的基因排列上最显著的特点是有重叠 基因和基因内基因.
第二章 基因的组织与结构
哺乳动物的主要TEs－反转录病毒：哺乳动物和其他脊椎动物 的主要TEs是一组感染的反转录病毒，其插入在宿主时称原病 毒（provirus），两端正向重复可作为转录的增强子，启动子 和终止信号，内部顺序约5－10kb可编码几种蛋白包括反转录 酶和整合酶(integrase)及病毒外壳蛋白等。 反转录病毒含两个拷贝RNA分子可以是相同的或含等位基因， 感染后在宿主细胞内可以任一条RNA链为模板合成cDNA由整 合酶将其插入宿主基因组。人体内有约1－100或更多的整合的 反转录病毒拷贝，有无害的或是致病性的，如艾滋病毒HIV。 一些插入的反转录病毒可诱发癌症因其使细胞进入失去控制生 长状态，正常细胞基因由反转录转座子或其他机制转化为癌症 相关形式称为致癌基因。
可变剪接（alternative splicing）：许多基因可进行可变剪接
将不同的内含子切除，外显子和内含子均可选择地被切除或 保留而产生不同mRNA分子并具有特殊功能。
假基因(pseudogene)
假基因就是指核苷酸序列与其相应的功能基因基本相同，但却 不能合成出相应的功能蛋白的失活基因。 非加工假基因是突变（编码区及5‘区的碱基替换，缺失和重排） 产生的，5’区突变使得基因无法转录，而编码区突变可形成异常 或无功能蛋白质，其位置与正常功能基因相同。 加工的假基因与mRNA匹配而无5‘端和3’端及内含子因而通常是 不转录的，可能是mRNA由反转录酶形成互补DNA(cDNA)后插 入基因组中。 rRNA, tRNA和sn/scRNA基因假基因的重复亦出现且有时比正常 基因还多。 tRNA来源的假基因具有完好的内部启动子故可正常 转录可通过反转录后cDNA的插入而增加其数量。
剪接反应：将内含子两端糖-磷酸键断开并连接游离端产生连 续的mRNA分子，断口精确发生在内含子-外显子接口处而不 会产生移码。内含子剪切有5种U小核RNAs（U snRNAs）即 U1，U2，U4，U5，U6及其关联蛋白组成复合物剪接体 （spliceosome）的参与，snRNA-蛋白复合物与内含子结合折 叠成易于切除的构象（分支RNA结构-套索，lariat），需ATP 的参与。 低等真核及线粒体和叶绿体内前体-mRNA的剪接为RNA自我 剪接（self-splicing），其剪接的RNA前体中的内含子属II类内 含子（group II introns），其形成的套索与二级结构有关（与 snRNA和前体-mRNA内含子配对构型相似），有些象核酶自 催化的反应。
第二章基因组的结构与功能演示文稿
④与进化有关 不同种属的高度重复序列的核苷酸序列不同，具有
种属特异性，但相近种属又有相似性。
⑤与个体特征有关
同一种属中不同个体的高度重复序列的重复次数不 一样，这可以作为每个个体的特征，即DNA指纹。 ⑥与染色体减数分裂时染色体配对有关。
第20页，共53页。
高度重复序列类型 （1）反向（倒位）重复序列
第二章基因组的结构与功能演 示文稿
第1页，共53页。
优选第二章基因组的结构与功 能
第2页，共53页。
Genome：
a set of integrated monoploid genetic material sum total in cellule or organism.
Structure of genome：
人基因组中，大约占60%-65％。
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三、多基因家族与假基因
multigene family：
from ancestral gene to group genes by repetition and mutation long time.
histone family: clustering in same chromosome.
第12页，共53页。
原核生物基因组的结构特点
原核生物基因组的结构特点原核生物基因组是指原核生物（包括细菌和古菌）中的遗传物质的总和，是细胞内遗传信息的载体。
与真核生物相比，原核生物基因组具有一些独特的结构特点。
本文将从基因组大小、基因密度、基因组重复、基因组结构和基因组稳定性等方面进行探讨。
原核生物基因组的大小相对较小。
细菌的基因组大小一般在几百万到几千万碱基对之间，最小的细菌基因组仅有几十万碱基对。
古菌的基因组大小相对较大，一般在几百万到几千万碱基对之间。
与之相比，真核生物的基因组通常在几百万到几十亿碱基对之间。
原核生物基因组较小的特点主要是由于其相对简单的细胞结构和功能的限制所致。
原核生物基因组的基因密度较高。
基因密度指的是在基因组中基因的数量与基因组大小的比值。
由于原核生物基因组较小，相对较多的基因被编码在有限的基因组中，因此基因密度较高。
细菌的基因密度通常在80%以上，古菌的基因密度也较高。
而真核生物的基因密度往往较低，通常在2-3%左右。
第三，原核生物基因组存在较多的基因组重复。
基因组重复指的是基因组中出现了相同或类似序列的现象。
在原核生物基因组中，常见的重复序列包括转座子、重复序列和基因家族等。
转座子是一类能够在基因组中移动的遗传元件，其存在可以导致基因组结构的变化。
重复序列是指在基因组中存在多个重复的DNA序列，可以影响基因的表达和调控。
基因家族是指在基因组中存在多个相似的基因，这些基因通常具有相似的结构和功能。
原核生物基因组的结构较为简单。
原核生物基因组通常由一个圆形染色体组成，也可以存在线性染色体或多个染色体。
与真核生物不同，原核生物的基因组没有明显的核小体和染色体螺旋结构。
基因组中的基因通常以串联的方式排列，没有明确的染色体区域和染色体间的组织结构。
原核生物基因组的稳定性相对较低。
原核生物的基因组存在较高的突变率和重组率，容易发生基因重组、水平基因转移和基因组重排等现象。
这些变异和重组事件可以导致基因组结构的变化和基因的丢失或获得，从而影响细菌的适应性和进化。
第二章 DNA结构、复制、 修复
4）DNA序列的异质性及主要序列类型（真核DNA）
■
高度重复序列：重复频率高达几十万到几百万次。
1）卫星DNA：重复单位多由2-10bp组成，成串排列，其碱基 可以用等密度梯度离心法将其与主体DNA分开。根据重复频 率和重复序列长短不同分为小卫星DNA和微卫星DNA（常作 为一种分子遗传标记）
2）分散高度重复序列：短、长散置序列
■影响复性速度：
DNA的大小（小的较大的容易）；离子浓度（高浓度）； DNA浓度（越大越快）
2) C值反常现象（C-value paradox)
C值矛盾
C值是一种生物的单倍体基因组DNA的总量。
真核细胞基因组的最大特点是它含有大量的重复
序列，而且功能DNA序列大多被不编码蛋白质的非
功能DNA所隔开，这就是著名的“C值反常现象”。
第二章 染色体与DNA
染色体
DNA的结构 DNA的复制 DNA的修复 DNA的转座
三、DNA的复制
RNA 复制 复制
DNA
转录 逆转录
RNA
翻译
蛋白质
内容提要： ● DNA的半保留复制 ●与DNA复制有关的物质 ● DNA的复制过程（大肠杆菌为例） ● DNA复制的其它方式 ●真核生物中DNA的复制特点
染色质是一种纤维状结构，叫做染色质丝，它是由 最基本的单位—核小体(nucleosome)成串排列而成 的。
真核生物染色体的组成
染色体
{蛋白质
DNA
{
组蛋白： H1 H2A H2B H3 H4 非组蛋白
}核小体
（三）染色体的结构和组成
1、组蛋白的一般特性：
■ 进化上的保守性 保守程度：H1 ■无组织特异性 ■肽链氨基酸分布的不对称性 ■H5组蛋白的特殊性：富含赖氨酸（24%） ■组蛋白的可修饰性 H2A、H2B H3 、H4
第二章基因组结构与功能练习题(附答案)
第二章基因与基因组结构与功能（一）选择题A型题1．原核生物染色体基因组是A．线性双链DNA分子B．环状双链DNA分子C．线性单链DNA分子D．线性单链RNA分子E．环状单链DNA分子2．真核生物染色体基因组是A．线性双链DNA分子B．环状双链DNA分子C．线性单链DNA分子D．线性单链RNA分子E．环状单链DNA分子3．有关原核生物结构基因的转录，叙述正确的是A．产物多为多顺反子RNAB．产物多为单顺反子RNAC．不连续转录D．对称转录E．逆转录4．原核生物的基因组主要存在于A．质粒B．线粒体C．类核D．核糖体E．高尔基体5．下列有关原核生物的说法正确的是A．原核生物基因组DNA虽然与蛋白结合，但不形成真正的染色体结构B．结构基因中存在大量的内含子C．结构基因在基因组中所占比例较小D．原核生物有真正的细胞核E．基因组中有大量的重复序列6．下列有关原核生物的说法不正确的是A．原核生物的结构基因与调控序列以操纵子的形式存在B．在操纵子中，功能上关联的结构基因串联在一起C．在一个操纵子内，几个结构基因共用一个启动子D．操纵元件也是结构基因E．基因组中只存在一个复制起点7．真核生物染色质中的非组蛋白是A．碱性蛋白质B．序列特异性DNA结合蛋白C．识别特异DNA序列的信息存在于蛋白上D．不能控制基因转录及表达E．不参与DNA分子的折叠和组装8．真核生物染色质的基本结构单位是A．α-螺旋B．核小体C．质粒D．ß-片层E．结构域9．关于真核生物结构基因的转录，正确的说法是A．产物多为多顺反子RNAB．产物多为单顺反子RNAC．不连续转录D．对称转录E．新生链延伸方向为3'→5'10．外显子的特点通常是A．不编码蛋白质B．编码蛋白质C．只被转录但不翻译D．不被转录也不被翻译E．调节基因表达11．下列有关卫星DNA说法错误的是A．是一种高度重复序列B．重复单位一般为2~10 bpC．重复频率可达106D．能作为遗传标记E．在人细胞基因组中占5%~6%以上12．下列有关真核生物结构基因的说法不正确的是A．结构基因大都为断裂基因B．结构基因的转录是不连续的C．含有大量的重复序列D．结构基因在基因组中所占比例较小E．产物多为单顺反子RNA13．染色体中遗传物质的主要化学成分是A．组蛋白B．非组蛋白C．DNAD．RNAE．mRNA14．真核生物染色质中的组蛋白是A．酸性蛋白质B．碱性蛋白质C．一种转录因子D．带负电荷E．不带电荷15．指导合成真核生物蛋白质的序列主要是A．高度重复序列B．中度重复序列C．单拷贝序列D．卫星DNAE．反向重复序列16．真核生物基因组一般比较庞大，但所含基因总数却很少，究其原因下列说法不正确的是A．产物多为单顺反子RNAB．存在大量的重复序列C．非编码区所占比例较大D．存在大量的内含子E．编码区所占比例很小17．在DNA重组技术中，最常用到的并存在于原核生物中的载体是A．BACB．人工染色体C．噬菌体D．质粒E．YAC18．与原核细胞基因组相比，真核细胞基因组的编码方式与其不同，主要体现在A．以单顺反子的形式进行转录B．以多顺反子的形式转录C．存在大量的重复序列D．基因组较大E．结构基因所占比例较小19．用非特异性核酸酶酶切真核细胞的染色质DNA时，大多数情况下可得到约200 bp的片段，其主要原因是A．DNA片段较短B．每个核小体单位包含约200 bp的DNAC．核酸酶没有特异性D．基因组结构简单E．DNA是线性的B型题A．不连续的B．连续的C．瞬时的D．无规律的E．不需要启动子20．原核生物结构基因中编码信息是21．真核生物结构基因中编码信息是A．质粒B．线粒体DNAC．核糖体中的核酸D．核小体E．重复序列22．原核生物的基因组除染色体DNA外还包括23．真核生物的基因组除染色体DNA外还包括A．线性分子B．环状分子C．单链分子D．RNAE．cDNA24．线粒体基因组是25．质粒基因组是X型题26．原核生物基因组位于哪种结构中A．质粒B．线粒体C．类核D．内质网E．核糖体27．真核生物基因组位于哪种结构中A．核糖体B．线粒体C．染色体D．质粒E．高尔基复合体28．真核生物染色体中的核心组蛋白包括A．H1B．H2AC．H2BD．H3E．H429．线粒体DNAA．能独立编码线粒体中的一些蛋白质B．是核外遗传物质C．是环状分子D．是线性分子E．编码的蛋白质不能进入细胞核30．病毒基因组可以是A．DNAB．RNAC．线性分子D．环状分子E．可以形成多顺反子mRNA（二）名词解释1.基因组（genome）2.质粒（plasmid）3.内含子（intron）4.外显子（exon）5.断裂基因（split gene）6.假基因（pseudogene）7.单顺反子RNA（monocistronic RNA）8.多顺反子RNA（polycistronic RNA）9.卫星DNA（satellite DNA）10.单拷贝序列（single copy sequence）（三）简答题1．原核生物染色体中结构基因的特点是什么？2．简述质粒的基本特征。
2第二章 基因、基因组与基因组学
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8
1、结构基因
① 原核生物的结构基因是连续的，RNA合成后不需 要剪接加工。
z
y
非结构基因 a
非结构基因
结构基因
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② 真核生物结构基因 由外显子（编码序列)和内
含子（非编码序列)两部分组成，编码序列不连续， 称为断裂基因（split gene / interrupted gene）。
医学分子生物学
第二章 基因、基因组与基因组学
南华大学生物化学与分子生物学教研室
目录 CONTENT
• 基因的结构与功能 • 基因组的结构和功能 • 基因组学 • 基因组复制 • 本章小结
PPAARRTT1 1
第一节
基因的结构与功能
基因的生物学概念 基因的现代概念
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3
一、基因的生物学概念
1909， W. L. Johannsen 将遗传因子改称为基因（gene），提出 基因型和表型的概念
1910，T. H. Morgan 证实基因在染色体上
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4
1944， M. McCarty & O. Avery 肺炎球菌转化实验
1952，A. Hershey & . Chase T4噬菌体感染细菌实验
25
3. 结构基因没有内含子，多为单拷贝，结构基 因无重叠现象；
4. 基因密度非常高，基因组中编码区大于非编 码区；
5. 重复序列很少，重复片段为转座子； 6. 有编码同工酶的等基因（isogene）；
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7、存在可移动的DNA序列
转 座 因 子 （ transposable element ） ： 能 够 在 一 个 DNA分子内部或两个DNA分子之间移动的DNA片段。
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。
第2章 原核生物基因组与病毒基因
3. Col质粒(也称大肠杆菌素生长因子)：是可以产生大 肠杆菌素(colicin)的大肠秆杆菌质粒。大肠杆菌素能 阻止不含这种质粒的大肠杆菌生长。
三、质粒的一般性质
1、质粒的主要成分：
ΦX174噬菌体的基因结构
Ala Glu Gly Val Met 终止
- GCGˊG AAˊG GAˊG TGˊATGˊTAAˊTG TˊCT-
Arg Lys Glu 终止
起始 Ser
二、大肠杆菌基因组特征
〈一〉大肠杆菌基因组： 1、分子量：2.64 x109Da，4 639 221 bp。 2、染色体DNA总长度：1100-1400um。 3、基因组：约有3500个基因。
是指携带有效接触基因的质粒，只能使细菌接合， 本身不能被传递。
2. 可移动型质粒(mobilizable plasmid)：
可以被传递，但不能使细菌Байду номын сангаас合。
3.自传递型质粒(self transmissible plasmid)：
是兼具上述两种功能的质粒，如F质粒兼有接合和 可移动的双重性质。
二、质粒的类型 （3）
DNA或RNA；单链或双链；闭合环状或是线性分子。 3．基因组中有重叠基因现象。
使较小的基因组能携带较多的遗传信息。 4．基因组中具有操纵子结构。 5．病毒基因可连续（噬菌体）也可间断（真核细胞病毒）。 6. 重复序列少，不像真核生物基因组。 7．非编码区少，编码序列大于90％。 8．基因组是单倍体（逆转录病毒有两个拷贝）。 9．相关基因丛集 形成一个功能单位或转录单元。
二、DNA病毒：基因组的一般特点
分子生物学考纲
第二章 DNA的结构第一节 DNA的一级结构互补双链：绝大多数生物的DNA线状单链：噬菌体、病毒DNA单链环状：M13、ΦX174环状双链闭合环状：细菌染色体DNA、mitDNA、chlDNA、病毒DNA质粒两条相互平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成脱氧核苷酸和磷酸交替连接，排在外侧，碱基排在内侧；两条链上的碱基通过氢键相结合，形成碱基对。
A＝T，G≡CDNA在碱性条件下稳定性强，不断裂。
pH=11.5时仍稳定，而RNA易被碱水解。
DNA一级结构对高级结构的影响1、B-DNA中多聚（G-C）区易出现左手螺旋DNA——Z-DNA。
2、反向重复DNA易出现发夹结构或茎环结构。
DNA编码两类遗传信息●基因编码信息●基因选择性表达信息●DNA作为遗传物质的优点 (自然选择的优势)第三章基因组和基因第一节基因组与C值矛盾一、基因组一个生物物种所有染色体的总和（细胞遗传学）所有核酸分子的总和（分子遗传学）所有基因的总和（经典遗传学）指导一个物种的结构与功能的所有遗传信息的总和（现代分子生物学理论）二、C值一个单倍体基因组的DNA含量。
单位为dolton或uug或bp1 uug = 1 pg = 6.1×1011dolton对每一个物种，C值是恒定的。
三、C值矛盾一般而言，随着生物的进化，生物体的结构与功能越复杂，其C值也越大。
但真核生物中DNA含量并不与生物的复杂性相一致，这种反常现象称为C值矛盾。
C值矛盾表现在：1、结构、功能相似的同一类生物中，甚至亲缘关系十分接近的物种之间，它们的C值可相差10倍乃至上千倍。
如：豌豆的C值为14pg，而蚕豆只有2pg。
两栖类C值的变动范围很大，为109-1011bp。
2、较低等生物的C值大于较高等生物的C值如：两栖动物（1011bp）＞哺乳动物（109bp）3、真核生物的C值之大，远远超过其基因编码所需将内含子算上，哺乳动物的一个基因长约5-8Kb，少数10Kb，则哺乳动物应有40-60万个基因。
第二章 基因组DNA和染色体
倍。
最简单的多细胞生物线虫其基因组有8×107bp，大 约是酵母的4倍，而进化到昆虫，基因组必须大于 8×108 bp，进化到哺乳动物更要具有大于2×109bp 的基因组。DNA的含量与有机体之间存在这样的关 系并不难理解，随着有机体变的复杂，他们需要更多 的核DNA。
a a a a a cut a a a a a
aa
a
denaturation
aa
a renaturation
a
aa a
a
DNA with unique sequence. Its complexity is high.
b c d e cut
f
Note that the size of the
g
genome by itself does not h
简单序列DNA又叫卫星DNA（satellite DNA），当用密度梯 度离心法分离基因组DNA时，含有简单序列DNA的片断就会 形成卫星带（satellite band)。例如，将人的基因组DNA截断 成50～100 Kb的片段，就会形成一个主带（浮力密度为1.701 gcm-3）和三个卫星带（1.687, 1.693以及1.697 gcm-3）
Main Components in Eukaryotic Genomes
1、快速复性组分
在复性动力学实验中，大约10－15％的哺乳动物DNA快速 复性组分，其Cot½ 值小于0.01。快速复性组分代表着简单序 列DNA。简单序列DNA是由重复序列（repetitive sequence）构成的，所谓重复DNA是指在DNA分子或整个 基因组中出现两次以上的一段DNA序列。构成简单序列DNA 的重复序列一般由一些完全相同或相似的短寡聚核苷酸序列 串连在一起形成的，长度可能有几百Kb，因此又称串连重复 DNA(tandem repeats)。一个基因组可能含有几种不同类 型的简单序列DNA，各含有一个不同的重复单位。
现代分子生物学第二章重点
基因组：一个细胞中遗传物质的总量（原核）；一套染色体遗传物质的总量（真核）；（遗传物质所携带的信息）C值：在每一种生物中其单倍体基因组的DNA总量。
（遗传物质的化学含量）基因组含有大量的单一序列，仅有少量的重复序列；真核基因组含有少量的单一序列和大量的重复序列。
真核生物DNA序列大致被分为3类：不重复序列、中度重复序列、高度重复序列原核生物的细胞中除了主染色体DNA以外，还含有质粒DNA和转座因子；真核生物除了染色体DNA以外，还存在细胞器DNA(线粒体基因组)。
单一序列：亦称非重复序列，是指在基因组中只有1个拷贝或2-3个拷贝的序列。
真核基因组中大多数基因是单拷贝的。
但单拷贝序列在真核生物中大部分不编码，编码的序列仅占百分之几正向重复：这种重复序列的方向是相同的。
如转座子的两端的宿主序列以及端粒结构等；反向重复：呈两侧对称（镜像关系），常存在于插入序列和转座子两端的结构元件中；回文序列：是一种旋转对称，回文序列常存在于各种蛋白质结合位点。
（特点是在该段的碱基序列的互补链之间正读反读都相同，注意：并非在同一条链上正读反读）卫星DNA：高度重复序列，是一种简单的重复序列;富含A-T，G-C含量远比基因组中其它部分要低得多；当将DNA切成片段进行氯化铯密度梯度超离心时，由于富含A-T片段的浮力密度小，在离心管中常常单独形成一条较窄的带，在主体DNA带的上面，故称为卫星DNA（satellite DNA）。
小卫星DNA：重复序列单位在10-100 bp 之间的序列。
微卫星DNA：重复序列单位长度小于10 bp的序列。
卫星DNA在不同个体和基因组的不同位点上数目都不同。
核小体是由H2A、H2B、H3及H4各两个分子生成的八聚体和由大约200 bp DNA组成的。
八聚体在中间，DNA分子盘绕在外，HI在核小体的外面，每个核小体只有一个HI。
核小体可分为核心颗粒和接头区两部分。
核心颗粒包括八聚体、H1及结合的146 bp DNA，形成1.75圈，每圈80 bp。
医学分子生物学复习重点
第二章基因【目的要求】掌握:基因的概念及结构特点;结构基因;基因转录调控相关序列;顺式作用元件;多顺反子,单顺反子。
一、基因:是负责编码RNA或一条多肽链的DNA片段，包括编码序列、编码序列外的侧翼序列及插入序列。
二、结构基因:基因中编码RNA或蛋白质的DNA序列成为结构基因。
三、基因转录调控相关序列:1原核生物基因的调控序列中最基本的是启动子和终止子，有些基因中还有不同的调节蛋白结合位点或操纵元件。
操纵元件:是一段能够被不同基因表达调控蛋白识别和结合的DNA序列，是决定基因表达效率的关键元件。
2真核生物基因中的调控序列一般被称为顺式作用原件，包括启动子和上游启动子元件、增强子、反应元件和poly(A)加尾信号。
启动子和上游启动元件:TATA盒-TFIID-RNA聚合酶复合物(启动转录);CAA盒-CTF(决定转录的效率);GC盒-Sp1(促进转录)。
增强子:可特异性的与转录因子结合，增强转录因子的活性。
四、顺式作用元件:真核生物基因中的调控序列一般被称为顺式作用原件。
包括启动子和上游启动子元件、增强子、反应元件和poly(A)加尾信号。
五、多顺反子:原核生物的结构基因多转录为多顺反子mRNA，即每一个mRNA分子带有几种蛋白质的遗传信息(来自几个结构基因)，利用共同的启动子及终止信号，组成“操纵子”的基因表达调控单元。
转录出来的mRNA分子可以编码几种不同的、但是多为功能相关蛋白质。
六、单顺反子:真核生物结构基因转录为单顺反子mRNA，即一个编码基因转录生成一个mRNA分子、经翻译生成一条多肽链，基本上没有操纵子的结构。
转录生成的mRNA前体中既有编码序列(外显子)，又有间隔序列(内含子)，需要进行转录后的剪切加工以及各种修饰，形成成熟的mRNA。
1熟悉:基因型;表现型;基因突变;;外显子;内含子;选择性剪接。
一、基因型:指逐代传递下去的成对因子的集合，因子中一个来源于父本，另一个来源于母本。
分子生物学 基因组结构与功能
●卫星DNA：这类DNA在真核生物中发现，占基因组的6%， 在DNA链上串联重复几百万次。常含有一些A· T，A· T浮 力密度小；
将DNA切断成数百 个碱基对的片段进 行等密度超离心时， 常会在主要的DNA 带的上面有一个次 要的DNA带相伴随， 这就是所谓的卫星 DNA（satellite DNA）。
●长分散重复片段
平均长度为3500 bp-5000 bp ●短分散重复片段 平均长度约为300 bp-500 bp，拷贝数 可达10万左右，如Alu，Hinf家族。
●
Alu家族
人基因组平均每5 kb
DNA就有一个Alu序列，长
度约300 bp ，每个单位长
度中有一个限制性内切酶
Alu的切点（AG↓CT），
1.真核基因组结构庞大，DNA是双链线状，与蛋白 质结合形成多条染色体。 2.大多数基因为断裂基因，基因不连续，受顺式作 用元件调控； 3.真核基因组转录产物为单顺反子 4.非编码区较多，多于编码序列(9:1) 5.含有大量重复序列，约35% 6.具有端粒结构 7.含有细胞器基因组：线粒体、叶绿体基因组 8.含有基因家族
乳糖操纵子 lac operon
二、原核生物中的质粒DNA
1.质粒的基本特性
●
质粒的定义
质粒（plasmid）是细菌细胞内的、染色体外的共价闭合的环
状DNA分子（covalent closed circularDNA，cccDNA）
质粒克隆载体
质粒的结构与功能特点
● 能够独立于细胞的染色质DNA而进行复制
在单倍体基因组中只出现一次或数次，单拷贝
序列在人基因组中占60-65％，储存了编码各种不 同功能的蛋白质的遗传信息
原核生物基因组的特征
原核生物基因组的特征原核生物基因组是一组构成特定微生物细胞核中的全部遗传信息的基因组组成部分。
它是由细菌、古细菌和变形虫基因组中所有细胞核内的DNA包含的数据组成的。
原核生物基因组的特征如下：一、基因数量。
原核生物基因组的基因数量较少，通常少于10,000个。
古细菌基因组的基因数最少，一般只有3000到4000个。
而某些复杂的原核生物细胞有7000到8000个基因。
二、基因冗余。
由于原核生物细胞是通过复制、基因突变和演化过程来形成的，因此，原核生物基因组可能包含冗余基因，即存在重复结构和功能的基因。
三、基因重组。
以DNA片段为基础的重组技术促进了原核生物基因组的进化。
原核生物基因组可以通过转移异源DNA片段来重组，从而增加细菌的适应性和调节其生理功能。
四、基因功能。
原核生物基因组的基因具有多功能，即同一基因参与多种生理功能的调控。
此外，由于原核生物基因组的大小较小，因此基因之间的关系较复杂，基因的表达模式也较复杂。
五、拨轮机制。
拨轮机制是原核生物基因组进化调控的主要机制，它不需要新增基因来完成基因重组，而是在已有基因之间随机调节进行调控。
六、基因转录。
原核生物基因组中基因表达的转录看似渐进的，但经常会有复杂的情况出现，也就是转录过程中会存在基因组的复杂和有趣的表达模式，如多个基因之间的相互关系，共同影响转录的过程，以及基因多样化的情况等。
总之，原核生物基因组的特征是基因数量少、存在冗余基因、重组机制和多功能、拨轮机制以及渐进的转录等。
这些方面要求研究人员对原核生物基因组有深入的了解，从而带来新的发现和认识，为促进生物组学研究和生命科学技术的发展奠定基础。
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如，在大肠杆菌基因组中有两个编码分支酸 变位酶的基因，两个编码乙酰乳酸合成酶的 基因。
8.具有可移动的DNA序列
转座因子：能在基因组中从一个位点移 至另一位点的DNA 序列称为转座因子,又 称可转座元件。
1. 插入序列 （insertion sequence）
Inducer
（半乳糖）
仅有乳糖存在时
阻遏蛋白的负性调节
5.除16S、23S、5SrRNA及tRNA外，
原核生物的结构基因均为单拷贝 基因。
结构基因中没有内含子，RNA合成 后不需剪切加工
6.结构基因无重叠现象
重叠基因:基因
组DNA中的某些序
列被两个或两个 以上的基因所共
有
7.具有编码同工酶的不同基因
R质粒（resistance factor）
又称抗药性质粒或耐药性质粒
具有使宿主菌对链霉素、四环素等抗生素产生抗
药性的基因群
由抗性转移因子（RTF）和抗性决定R因子组成。
RTF，11MD，控制质粒拷贝数及复制，可使耐药 性自一菌转移至另一菌；R因子大小不固定，几MD 到100MD，含抗性基因。
以特殊的功能，从而使宿主得到生长优势
质粒的命名规则
质粒的名称一般由三个英文字母及编号组成， 第一个字母一律用小写p表示，质粒，plasmid;
后两个字母应大写，可以采用发现者人名、实
验室名称、表型性状或其他特征的英文缩写。
编号为阿拉伯数字，用于区分属于同一类型的
不同质粒，如pUC18和pUC19等。
2. 转座子（transposons） 3. 可转移性噬菌体 （transposable phages）
美国冷泉港实验室的 女科学家B.MClintock
9.非编码区主要是一些调控序列
编码区所占比例约50%。
非编码区常有反向重复序列，可形成特殊
结构，具有一定的调控作用。
*IR（反向重复序列）： TGCGAT . . . . ACGCTA ACGCTA . . . . TGCGAT
质粒的生物学特性
（一）质粒的大小和拷贝数
1.质粒的大小：以分子质量MD或碱基
对数kb表示，1MD的双链DNA=1.65kb。
质粒的大小一般在1-200kb，最大的
可达1400kb(如苜蓿根瘤菌质粒 pRm141a)
2.质粒的拷贝数（copy number）：
指同一质粒在每个细胞中的数量，不同 的质粒在同一细胞中的拷贝数有差异。
粪肠球菌
大肠杆菌 志贺杆菌 阴沟杆菌 大肠杆菌 大肠杆菌 大肠杆菌 金黄色葡萄球菌 根癌农杆菌 假单胞菌 假单胞菌 恶臭假单胞菌 假单胞菌 根瘤菌
(二)质粒转移性
概念：指质粒能从供体细胞把它的一个复 本转移到受体细胞
质粒在细菌间的转移，需要供体和受体细
胞间的直接接触才能进行，即接合作用
可以在同种属也可以不同种属间转移
4.广泛存在操纵子结构 8.具有可移动的DNA序列 5.多为单拷贝 9.非编码区内主要是 一些调控序列
1.基因组分子质量较小
一般在106~107bp之间 基因数目较少，约3500个
2.环状双链DNA分子 3.具有类核结构
大肠杆菌的类核结构模型
+RNA
松弛DNA环
4.广泛的操纵子结构
操纵子结构是原核生物基因 组的功能单位，是原核生物基因
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。
乳糖操纵子的调节机制
阻遏蛋白的负性调节 CAP的正性调节
协调调节
阻遏蛋白的负性调节
★ 没有乳糖存在
★ 仅有乳糖存在
阻遏蛋白的负性调节
P I CAP RNA
Pol.
O
Z
Y
A
Gene : OFF
No mRNA products
没有乳糖存在时
I
RNA CAP P Pol.
O
Z
Y
A RNA
Pol.
是确定某种质粒特性的一个重要参数
复制子决定其拷贝数
复制子
复制起始点
+
调控元件
质粒大小和类型
类型 致育因子 R质粒 代表质粒 F因子 RP4 R1 R6 R100 pSH6 pAD2 Col质粒 ColE1 ColE2 ColDF13 毒性质粒 Ent（P307） K88质粒 ColV-K30 pZA10 Ti 代谢质粒 CAM SAL TOL pJP4 pSym 2 56 200 230 56 75 83 大小（kb） 95-100 54 80 98 90 21 25 9 10-30 10-15 拷贝数 1-3 1-3 1-3 1-3 1-3 宿主 大肠杆菌, 沙门氏菌, 柠檬酸杆菌 假单胞菌和其它G阴性菌 G阴性菌 大肠杆菌, 奇异变形杆菌 大肠杆菌, 志贺杆菌, 沙门氏菌 金黄色葡萄球菌 表型特征 性纤毛、接合转移 性纤毛、接合转移，抗 Ap 、Km、Nm、Tc 抗 Ap 、 Km 、 Su 、 Cm 、 Sm 抗 Km 、 Nm 、 Su 、 Cm 、 Sm Cm, Sm, Su, Tc, Hg Gm, Tm, Km Em, Sm, Km 产大肠杆菌素E1 产大肠杆菌素E2 产大肠杆菌素DF13 产肠毒素 粘附抗原 摄铁载体, 免疫机制抗性 肠毒素B 诱导肿瘤 樟脑降解 水杨酰降解 甲苯降解 2,4-二氯苯乙酰降解 共生固氮
※（二）质粒（plasmid）
是存在于细菌、真
菌等微生物的细胞中，
独立于染色体外，能 进行自我复制的遗传 因子。
质粒的分子结构
通常以共价闭合环状的超螺旋双链DNA分子存在于细胞中
也发现有线型双链DNA质粒和RNA质粒；
质粒与宿主的关系：
质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的
；
在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞
乳糖
透 性 酶
lac Y基因编码
乳糖
β-半乳糖苷酶 半乳糖 + 葡萄糖 乙酰辅酶A 辅酶A 乙酰基转移酶
lac Z基因编码 lac A基因编码
乙酰半乳糖
乳糖操纵子(lac operon)的结构
调控序列 结构基因
Z Y A
终止序列
I
RNA CAP P Pol.
O
Promoter Operator CAP结合位点 CAP : catabolite gene activation protein
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。
质粒的复制型
θ型复制（主） •单向复制 •双向复制 滚环复制
（四）质粒的标记
用于鉴别目标 选择标记： DNA(载体 ) 的存在，将成功转化了载体的宿主挑选 出来。 •抗生素抗性基因是目前使用最广泛 挑选出来 •α-互补、插入失活
用于将特殊表型的重组子 筛选标记：
（五）质粒的不相容性
两个质粒在同一宿主细胞中不 能共存的现象称为质粒的不相容性
组的一个突出的结构特点，其中
结构基因的转录产物为多顺反子
操纵子 (operon)
概念： 在原核生物中，多个功能相关的
结构基因成簇串联排列，与上游共同的调 控区和下游转录终止信号组成的基因转录
单位。Βιβλιοθήκη 乳糖操纵子(lac operon)的结构
结构基因
I
Z Y A
Z： β-半乳糖苷酶
I
Y： 透性酶 A： 乙酰基转移酶
第二章 原核生物基因组
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。
※（一）原核生物基因组的特征
1.基因组分子质量较小 6.结构基因无重叠现象
2.环状双链DNA分子 3.具有类核结构 7.具有编码同工酶的 不同基因
松弛型质粒
（relaxed plasmid）
复制机制
复制不受到宿主细胞的严格控制， 在整个细胞周期随时可以复制
严紧型质粒
（stringent plasmid）
复制受到宿主细胞的严格控制，只 在细胞周期的一定阶段进行
接合型质粒：只能使细菌接合， 本身不被传递，含自我复制基 因，接合基因
转移方式
可移动型质粒：可被动传递，不 能使细菌接合 传递性质粒：兼有接合和可移动 的双重性质
质粒的分类 F质粒
功能
R质粒
Col质粒
F质粒（fertility factor）
又称致育因子或性因子
存在于肠细菌属、假单胞菌属、嗜血杆菌、奈瑟
氏球菌、链球菌等细菌中，决定性别并有转移功能
一种最有代表性的单拷贝的接合型质粒
62×106D，94.5kb，相当于核染色体DNA2%的环状 双链DNA，其中1/3基因（tra区）与接合作用有关 。
（三）质粒的复制
复制所需的酶类和复制蛋白 DNA聚合酶的利用 复制的方向性 复制的终止 复制起始 复制型
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