第二章 基因与基因组

第三节 原核生物基因组
以大肠杆菌（Escherichia coli）为例 细菌染色体DNA
质粒DNA
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类核（nucleoid）：细菌染色体在 细胞内形成的一个致密区域
nucleoid
质粒plasmid
大肠杆菌细胞结构
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大肠杆菌染色体结构
蛋白质 核心
超螺旋 DNA环
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原核生物的mRNA是多顺反子mRNA
DNA Promoter
Gene 1 Gene 2 Gene 3 Terminator
Transcription 多顺反子mRNA (polycistronic mRNA): 5′ 3′ mRNA 2 3 1 原核生物的一个mRNA分子带有几个 Translation
结构基因的遗传信息，利用共同的启动 子及终止信号，组成操纵子的基因表达 Proteins 调控单元。
第二章
基因与基因组
Gene and Genome
1
第一节
基因的概念
一、 基因概念的发展
• • • • 孟德尔：一个因子决定一种性状。 摩尔根：性状单位，突变单位和交换单位。 顺反子：功能单位，决定一条多肽链的表达 操纵子：基因表达调控单元（原核） • 结构基因 可表达 • 调节基因 • 控制基因（启动基因和操纵基因）
9. 转座现象：插入序列和转座子等
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转座，或称移位（transposition）：
•转座因子在基因组不同位置间的移动。
转位因子（transposable element）
Barbara McClintock •可移动的基因成分/DNA片段（可移动基因） 1902-1992
•能够在DNA分子内部或两上DNA分子之间移动 •细菌：质粒和染色体之间或质粒之间移动的 •跳跃基因 •是DNA重组的一种形式
双链cDNA
2、单股负链RNA病毒基因组：滤泡性口腔炎病毒、流感病毒、 副流感病毒等 负链RNA 正链RNA 复制负链RNA
3、双链RNA病毒基因组：轮状病毒、呼肠孤病毒
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DNA病毒基因组分为以下几种类型
DNA病毒基因组也有单、双链和正、负股之分。由于单链
DNA在转录之前都要合成互补DNA，因此正股、负股DNA区
单股正链RNA、不分节段， 5′端有甲基化帽， 3′端有poly(A)结构。
脊髓灰质炎病毒、鼻病毒、 多数RNA噬菌体、冠状病毒
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2.单股负链RNA病毒
血凝素（HA） 8节段-ssRNA
.
神经氨酸酶（N)
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禽流感病毒(H5N1) avian influenza A virus
单股负链RNA、8节段，均编码蛋白质， 5′端由相同的13个核苷酸组成， 3′端有12个保守的核苷酸序列。 流感病毒、滤泡性口腔炎病毒、 狂犬病毒
– 双链DNA病毒
• 线性双链DNA病毒 • 双链环状DNA病毒
– 单链环状DNA病毒 – 开环部分双链DNA病毒
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Βιβλιοθήκη Baidu
RNA病毒基因组分为以下几种类型
1、单股正链RNA病毒基因组：SARS冠状病毒；HIV病毒、 白血病病毒、肉瘤病毒 正链RNA 正链RNA 复制负链RNA
逆转录酶
复制正链RNA
插入宿主细胞基 因组成为前病毒 转录出正链RNA
TAC ATGCA ATG TAC ATGCA ATG TACGT
transposon
CAG TACGTGTC ATGCA CAG TACGT GTC
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transposon
Direct Repeats
促使染色体畸变
转座子
可形成共合体
融合
复制子1
复制子2
共合体
重组 解离
转座子可以使供体 和受体复制子融合， 形成共合体， 解离后释放出两个 复制子，每一个都 带有一个转座子。
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引起插入突变
转座子
A B C D E F
复制 插入
A B C D
转座子新拷贝
E F
基因F被隔断而失去功能
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携带标志基因使受体增添新基因
转座酶 氨苄青霉素抗性
Tn3
四环素抗性 Tn10 转座酶
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一、原核生物基因组特点
1. 由一条环状双链DNA分子组成， 2. 通常只有一个DNA复制起点 3. 结构基因大多组成操纵子
非编码区主要是调控序列：
复制起始区（OriC）
复制终止区（TerC）
转录起动区
转录终止区
51
复制起始区（OriC）
2

1
G
A
Alu
珠蛋白基因簇中的假基因
10 kb
4
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 （interrupted gene）
exon
DNA mRNA前体 RNA 剪接
intron
成熟mRNA
5
二、基因的定义
是编码多肽链或RNA的DNA片段，包括：
24
2.双链环状DNA病毒
上游调节区 转录 与复制
URR
中断细胞生长周期
•早期区（E） •晚期区（L） •上游调节区（URR） 调节转录与复制
衣壳 蛋白
膜信号蛋白
DNA 复制 组装与释放
乳头瘤病毒 papillomavirus
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基因组：双链环状DNA， 可分为早期区（E）、晚期区（L）、 上游调节区（upstream regulatory region, URR） 调节转录与复制
乙酰乳酸合酶
ilvBN acetolactate synthase I ilvIH acetolactate synthase III
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一、原核生物基因组特点
1. 由一条环状双链DNA分子组成， 2. 通常只有一个DNA复制起点 3. 结构基因大多组成操纵子 4. 编码序列不重叠 5. 没有内含子 6. 编码序列（结构基因）在基因组中所占比例较大， 基因密度非常高 7. 结构基因多为单拷贝，rRNA基因为多拷贝； 8. 有编码同工酶的同基因（isogene）
2
现代基因概念的发展
• 重叠基因：一个基因包含或部分包含另一 基因 • 断裂基因：内部含间隔区，即由外显子和 内含子互相间隔而组成的嵌合体 • 跳跃基因：转座元件，可移动遗传元件 • 假基因：拟基因，没有功能，序列与功能 基因相似。
3
假基因（pseudogene,Ψ）
与有功能的基因相似，不表达 基因产物的基因。
转座酶
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2.转座因子的遗传效应
供体DNA 受体DNA 复制和转座 切除和连接
转座子
新的DNA
转座是转座因子复 制出一个新拷贝转移 到基因组新的位置
切离是转座因子从原 来位置上切除并转移 到基因组新的位置45
转座的结果使靶点序列倍增
transposon
Host DNA Target site
TACATGCACAG ATGTACGTGTC
乳糖操纵子 lac operon
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操纵子operon: 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 成的基因表达单位。
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一、原核生物基因组特点
1. 由一条环状双链DNA分子组成， 2. 通常只有一个DNA复制起点 3. 结构基因大多组成操纵子
4. 编码序列不重叠 5. 没有内含子
别 没有真正的显示出来。 DNA病毒基因组可以有环状（乳头瘤病毒）和线性（腺病
毒）之分
（二）、病毒与细菌或真核生物相比，基因组小、基因数 少，所含遗传信息也相应少。同时病毒基因组之间差别大。
13
1.单股正链RNA病毒
病毒RNA聚合酶
包膜蛋白 膜蛋白
刺突 蛋白
核衣壳 蛋白
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SARS冠状病毒 SARS coronavirus
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3.双链RNA病毒
外衣壳 蛋白
内衣 壳蛋 白
11节段dsRNA
呼肠孤病毒 reovirus
18
正负双链RNA，10－12节段、 每段编码一个蛋白质 呼肠孤病毒、轮状病毒、 噬菌体Φ6
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4.逆转录病毒(retrovirus)
Cap
核心蛋白
逆转录酶
膜蛋白 poly(A)
人类免疫缺陷病毒（HIV）
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单股正链RNA，有三个基本的结构 基因：gag、pol（逆转录酶）、env， 5′端有甲基化帽，3′端有poly(A)， 另有多个基因表达调控位点。
白血病病毒、肉瘤病毒、 人类免疫缺陷病毒
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DNA病毒基因组 类型
特点 代表种类
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1.线性双链DNA病毒
E1A E1B L1 L2 L3 L4 E3 L5
ITR
0 10 20 30 40 50 60 70 80
ITR
90 100%
E2B
E2A
E4
早期蛋白（E） 晚期蛋白（L）
ITR: 反向末端重复序列
腺病毒 adenovirus
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基因组：线性双链DNA，编码两大类 蛋白 早期蛋白（E）、晚期蛋白（L） 反向末端重复序列 （inverted terminal repeat，ITR） AT丰富区保守序列：ATAATATACC GC丰富区保守序列：GGGCGG,TGACGT 在病毒复制过程有重要作用
4. 编码序列不重叠 5. 没有内含子 6. 编码序列（结构基因）在基因组中所占比例较大，基因密 度非常高 7. 结构基因多为单拷贝，rRNA基因为多拷贝； 8. 有编码同工酶的同基因（isogene） 9. 转座现象：插入序列和转座子等
10. 具有多种功能识别区域（往往具有特殊的序列， 并且含有反向重复序列。） • 复制起始区、终止区、转录启动区和终止区等 50
6. 编码序列（结构基因）在基因组中所占比例 较大，基因密度非常高（非编码—调控序列） 7. 结构基因多为单拷贝，rRNA基因为多拷贝；
8. 有编码同工酶的同基因（isogene）
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有编码同工酶的同基因（isogene）
分支酸别构酶
entC entB isochorismate synthase isochorismatase
1 2 3
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一、原核生物基因组特点
1.由一条环状双链DNA分子组成，
2. 通常只有一个DNA复制起点
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由一条环状双链DNA分子组成， 通常只有一个DNA复制起点。
OriC
4000K 大肠杆菌 1000K
0
C-Value: 4.6×106bp
3000K 2000K
TerC
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大肠杆菌染色体DNA
一、原核生物基因组特点
1. 由一条环状双链DNA分子组成，
2. 通常只有一个DNA复制起点
3.结构基因大多组成操纵子
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结构基因大多组成操纵子
p o z y a t terminator structural gene
promoter operator
ß-galactosidase半乳糖苷酶 z ß-galactoside permease透酶 y ß-galactoside transacetylase 半乳糖苷乙酰转移酶 a
插入序列/转座子
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转座因子的类别
(1)插入序列（insertion sequence,Is） 小于2000bp，只有转座相关基因
转座酶 Is3 2kb
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(2) 转座子（transposon，Tn） 2-20kb，常带有抗性基因等其它基因
转座酶 Tn3 氨苄青霉素抗性
四环素抗性
Tn10 2kb
9
原核生物的重叠基因
• 噬菌体G4、MS2和SV40中都发现了重叠基因 10
一、病毒基因组 病毒基因组分类
• RNA病毒： 多数为单链(ss)、线性
– – – – 单股正链RNA病毒 单股负链RNA病毒 双链RNA病毒 逆转录病毒(retrovirus)
• DNA病毒： • 多数为双链(ds)、环状或线 性
编码序列： 外显子(exon) 插入序列： 内含子(intron) 侧翼序列： 含有调控序列
侧翼序列
前导序列 5′
intron1 exon1
编码区
侧翼序列
尾部序列 3′
intron2
exon2 exon3
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基因功能分类
• 结构基因
– 编码蛋白 – 转录翻译 – 包含编码阻遏蛋白的调节基因
• tRNA / rRNA基因，只有转录功能 • 控制基因：
– 含启动基因和操纵基因 – 对基因表达其调节控制作用，不转录，
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三
基因组
遗传信息；
基因组：一个细胞或病毒的全部
一套完整的单倍体的遗传 物质的总合；
含有一种生物的一整套遗 传信息的遗传物质； ……
8
第二节
• 类型：
– 单链或双链7种 – DNA/RNA – 7种
病毒基因组
病毒基因组的特点 • 一种核酸，DNA/RNA ， 线性或环形 • 小 • 单拷贝； • 间隔短 • 转录单元 • 重叠基因
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3.单链环状DNA病毒
基因重叠
5387nt
5387 nt 编码 2500 AA
1977，Sanger
噬菌体phiX174
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4. 开环部分双链DNA病毒
HBsAg
HBcAg
聚合酶
乙型肝炎病毒（HBV）
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开环部分双链DNA病毒
HBsAg
逆转录酶
HBcAg HBeAg
乙型肝炎病毒（HBV）
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