原核生物基因组的特点

一、原核生物基因组结构的特征:
1、原核生物的染色体是由一个核酸分子（DNA或RNA）组成的，DNA（RNA）呈环状或线性，而且它的染色体分子量较小。

2、功能相关的基因大多以操纵子形式出现。

如大肠杆菌的乳糖操纵子等。

操纵子是细菌的基因表达和调控的一个完整单位，包括结构基因、调控基因和被调控基因产物所识别的DNA 调控原件（启动子等）。

3、蛋白质基因通常以单拷贝的形式存在。

一般而言，为蛋白编码的核苷酸顺序是连续的，中间不被非编码顺序所打断。

4、基因组较小，只含有一个染色体，呈环状，只有一个复制起点，一个基因组就是一个复制子。

6、重复序列和不编码序列很少。

越简单的生物，其基因数目越接近用DNA 分子量所估计的基因数。

如MS 2 和λ噬菌体，它们每一个基因的平均碱基对数目大约是1300 。

如果扣除基因中的不编码功能区，如附着点attP ，复制起点、黏着末端、启动区、操纵基因等，几乎就没有不编码的序列了。

这点与真核生物明显不同，据估算，真核生物不编码序列可占基因组的90 ％以上。

这些不编码序列，其中大部分是重复序列。

在原核生物中只有嗜盐细菌、甲烷细菌和一些嗜热细菌、有柄细菌的基因组中有较多的重复序列，在一般细菌中只有rRNA 基因等少数基因有较大的重复。

9、功能密切相关的基因常高度集中，越简单的生物，集中程度越高。

例如，除已知的操纵子外，λ噬菌体7 个头部基因和11 个尾部基因都各自相互邻接。

头部和尾部基因又相邻接，又如，有关DNA 复制基因O 、P ；整合和切离基因int ，xis ；重组基因red α、red β；调控基因N 、c Ⅰ、c Ⅱ、c Ⅲ、cro 也集中在一个区域，而且和有关的结构基因又相邻近。

10 DNA绝大部分用于编码蛋白质，结构基因多为单拷贝
11、结构基因中无重叠现象（一段DNA序列编码几种蛋白质多肽链）
12、基因组中存在可移动的DNA序列，如转座子和质粒等
二、原核生物基因组功能的特点：
1、染色体不与组蛋白结合。

2、不同生活习性下原核生物基因组大小与GC含量的关系
基因组GC含量( G与C 所占的百分比) 是基因组组成的标志性指标。

有两种观点来解释不同生物之间GC含量的差异: 中性说和选择说。

中性说主要强调不同生物之间GC含量的差异是由碱基的随机突变和漂移造成, 而选择说则认为GC 含量的差异是环境及生物的生活习性等因素综合作用的结果。

原核生物基因组大小与GC含量的总体相关性
实验证明，当所分析的原核生物基因组大小大部分都在1~6Mb范围内, 而GC 含量则一般在20%~ 75%之间，回归分析显示, 基因组大小与GC 含量总体上存在着具统计学意义的正相关.寄生生活习性对维持或增强基因组大小与基因组GC 含量的相关性有较大的作用。

3、原核生物中有些基因不是从第一个ATG 起始的（如大肠杆菌和枯草杆菌基因）原因：
首先，原核生物( 包括病毒) 的mRNA 可以是多顺反子, 即可以有几个基因同时被转录成一个mRNA, 共同使用一个启动调控区; 真核生物的mRNA 都是单顺反子, 一个mRNA 只携带一个基因. 真核生物的核糖体从mRNA 的5’末端向3’端滑动时, 把所碰到的第一个AUG 作为蛋白质合成的起始. 而原核生物的核糖体从mRNA 的5’末端向3’端滑动时, 碰到第一个AU G 能
够起始蛋白质的合成, 遇到第二个A UG 时也能顺利完成蛋白质的合成. 这是造成这两种细菌中有一些基因从第二个或更靠后的AUG起始的原因之一.
其次，根据真核生物蛋白质合成起始的机制, 我们认为: 无论原核还是真核生物, 其mRN A 5’末端的第一个基因的起始遵从第一ATG 规则; 原核生物多顺反子的mRNA 中, 除了第一个基
因外, 后面的基因可以不遵守这一规则. 这就解释了为什么这两种细菌中有部分基因不遵从第一ATG 规则.
原核生物基因组DNA链组成的非对称性
1碱基组成的非对称性
（1）GC分布不对称
（2）AT分布不对称
2 密码子使用偏好
3 基因方向性偏好
4 基因密度和密码子使用的差别
5 突变与修复偏差和信号序列的分布不同
（1）转录伴随修复相关的突变偏差( bias) 和脱氨基事件
（2）信号序列等寡核苷酸序列的分布不同
质粒
1.质粒：独立于细菌细胞染色体以外，能自主复制的共价闭合环状DNA分子。

作为一
个完整的复制子，在转化细胞后能自主复制，并对细菌的一些代谢活动和抗药性表型产生重要作用，即给细菌带来特殊标志。

2.质粒的特点
1）质粒中携带许多基因，影响生物学性状
2）质粒可从一个细菌转移至另一个细菌，其携带的遗传性状也随之转移。

3）质粒并非细菌生命活动所必需，其编码的性状对细菌有保护作用
4）环状DNA分子，含复制启动子，在其下游具复制起始点(ori)
5）选择标记（如药物筛选标记，Amp、Kpn等）
6）多克隆位点polylinker：（单一限制性酶切位点）
7）不相容性:携带相同复制子的质粒不能在同一细菌中共存。

8）质粒转移性：可以在同种属或异种属之间转移。

3.质粒的类型
按复制机制：
1）严紧型质粒：在“严紧”控制下复制的质粒。

它的复制受到细胞蛋白的影响。

一旦细胞复制停止，质粒拷贝数不能增加。

低拷贝数质粒，每一个细胞只有一个或几个拷贝。

2）松弛型质粒：高拷贝数质粒，每个细胞可含10-200个拷贝。

细胞停止复制后质粒仍可继续复制。

按质粒功能分型
1）F质粒：决定细菌的性别，能将宿主染色体基因和它本身转移到另外一个宿主中。

是一种游离的基因，可以整合到染色体基因组中。

F`质粒：F质粒整合到染色体基因组中，如果切割下来的时候切点不准确，可能导致质粒上带有宿主菌染色体DNA片段，称之为F`质粒。

质粒：抗药性基因
包括临近的两个DNA分子片段，一个为抗性转移因子（转移基因、DNA复制基
因等）和抗性决定因子（抗青霉素、抗氨苄青霉素等）单独的抗性决定因子只有在抗性转移因子作用下发生转移。

五、转位因子
1.概念：
转位因子（transposable element）可移动的基因成分，即能在一个DNA分子
内部或两个DNA分子之间移动的DNA片段。

2.转座子不依赖于供体和受体位点序列间的关系而定。

转座子相对于那些可以从一个基因组转移到另外一个基因组的载体而言，如逆转录病毒或质粒等，转座子只是基因组内部的载体类似物，是基因内部突变的主要来源。

3.转位因子的类型
可分为插入序列、转座子、可转座的噬菌体
1）插入序列（insert sequence,IS）：
插入序列是编码一种转座所需酶的一种转座子，它的两侧是短向重复序列。

插入序列的靶序列在插入的过程中被复制，形成两个短的正向重复序列。

IS：一个转座酶和两个反向重复序列
2）转座子（transposon）也是一种转位因子，比IS大（约4500-20000bp）。

转座子除了带有转座的必需的基因外，还可以有编码转座以外的其他基因。

转座子中存在转位酶，可以介导转座子从一个位点转移到另一个位点。

转座子具有一个中心区，其两侧各有一个IS元件。

两者顺序可以相同也可以相反。

转座子意义：基因重排、引入突变、产生新的基因
六、大肠杆菌
在基因工程中的应用：将目的片段重组于载体，并将此重组DNA转移到受体细胞内，后者便获得并表达重组DNA的遗传性状。

大肠杆菌由于繁殖快，易培养，故常将其作为受体细胞。

大肠杆菌的遗传物质：染色体DNA相对集中形成类核，全长1100~1400 m，含4288个开放读码框架。

质粒DNA：存在于细胞质中的小的环状DNA分
子，能自主复制。

大肠杆菌基因组的特点：
基因组：4 639 221个碱基对，约3500个基因。

已经鉴定的基因有1500多种，主要是与酶类有关的基因。

大多数基因分散排列在整个染色体的不同区域，即使相关的基因也可能分布在不同的部位。

操纵子结构：功能上相关的结构基因常串联在一起组成操纵子结构。