真核生物基因組結(jié)構(gòu)

C值（C-value）：一個物種單倍體基因組的DNA含量，通常稱為該物種的C值。每個物種的C值是相對恒定的，不同物種的C值差異極大。一般隨著生物結(jié)構(gòu)和功能復(fù)雜程度的增加而C值增大，即：生物細(xì)胞中的C值具有從低等生物到高等生物逐漸增加的趨勢。一、真核生物基因組的大小第1頁/共67頁第一頁，共68頁。支原體細(xì)菌酵母霉菌蠕蟲昆蟲鳥類兩棲類哺乳類1010109108107106第2頁/共67頁第二頁，共68頁。低等動物的C值大于高等動物如：兩棲類的C值大于哺乳類肺魚的C值比哺乳動物大10－15倍同一門中的動物C值變化很大如：兩棲類中的C值變化很大，可相差100倍家蠅的比果蠅的大6倍指C值與生物進(jìn)化復(fù)雜性之間不相對應(yīng)的現(xiàn)象，也叫C值反常理論。說明真核生物基因組中許多的DNA序列不編碼蛋白質(zhì)。表現(xiàn)：☆C值悖理理論（C-valueparadox)第3頁/共67頁第三頁，共68頁。植物鳥類哺乳動物爬行動物兩棲動物硬骨魚軟骨魚棘皮動物甲殼動物昆蟲軟體動物蠕蟲霉菌藻類真菌格蘭氏陽性菌格蘭氏陰性菌支原體陰影部分為一個門內(nèi)C-值的范圍第4頁/共67頁第四頁，共68頁。二、真核生物基因組的基因數(shù)量

不同物種編碼基因差別很大，從500個到50000個，有100倍的差距。真核生物的基因數(shù)量通常在6000到50000之間。人的基因組的全長為大約3X109對堿基，編碼3-4萬個基因；但某些寄生的真核生物，如腦微孢子蟲，基因數(shù)量可能不超過3000個，比很多細(xì)菌的基因數(shù)量還少。第5頁/共67頁第五頁，共68頁。其中，C是單鏈DNA在t時刻的濃度。k＝復(fù)性速度常數(shù)三、真核生物基因組的非重復(fù)序列和重復(fù)序列DNA復(fù)性動力學(xué)DNA的復(fù)性過程遵循二級反應(yīng)動力學(xué)。DNA復(fù)性過程中復(fù)性的速度用公式表示：

dC/dt=-kC02

第6頁/共67頁第六頁，共68頁。

對上式積分后重排，得出復(fù)性動力學(xué)方程：

C／C0＝1／（1＋kC0t）

C0為單鏈DNA的起始濃度，C為單鏈DNA在t時刻的濃度，單位mol/L。

t為復(fù)性時間,單位為s（秒）。重組速率常數(shù)k的單位為L/mol，取決于陽離子的濃度、溫度、片段大小和DNA序列的復(fù)雜性。當(dāng)C/C0=1/2時的C0t值定義為C0t1/2C

/C0=1/2=1/(1+kC0t(1/2))Cot(1/2)

=1/k(mol.Sec/L)即復(fù)性反應(yīng)完成一半時第7頁/共67頁第七頁，共68頁。在控制反應(yīng)條件（初始濃度、溫度、離子強度、片段大?。┫嗤那疤嵯?，DNA分子的C0t(1/2)值，取決于核苷酸的排列復(fù)雜性。DNA序列的復(fù)雜度(complexity)X：最長的沒有重復(fù)序列的核苷酸對的數(shù)值。AAAAAAAAX=1ATCGATCGATCGX=4N=105X=105DNA序列的復(fù)雜性、初始濃度、片段大小、溫度、離子強度DNA復(fù)性的影響因素：X=kCot1/2第8頁/共67頁第八頁，共68頁。相同核苷酸數(shù)量的DNA，復(fù)雜性小的DNA分子復(fù)性快，Cot(1/2)值??；復(fù)雜性大的DNA分子復(fù)性慢，Cot(1/2)大。Cot曲線：表示復(fù)性速度與DNA順序復(fù)雜性的關(guān)系。Cot(1/2)

=1/k(mol.Sec/L)第9頁/共67頁第九頁，共68頁。

Cot曲線第10頁/共67頁第十頁，共68頁。2.利用復(fù)性動力學(xué)鑒定基因組序列第11頁/共67頁第十一頁，共68頁。原核生物Cot曲線的特點：形狀相似（跨越2-3個數(shù)量級），Cot（1／2）不相同－－單一序列，只是復(fù)雜性不同。第12頁/共67頁第十二頁，共68頁。復(fù)雜性X

1不同原核生物的Cot曲線復(fù)性分?jǐn)?shù)（1-c/c0）Cot第13頁/共67頁第十三頁，共68頁。P74圖－16真核生物DNA復(fù)性曲線的模式圖復(fù)性反應(yīng)分為三相，每相代表不同復(fù)雜長度的序列類型第14頁/共67頁第十四頁，共68頁。根據(jù)復(fù)性動力學(xué)特征的不同，將真核生物DNA序列分為4類：

零時復(fù)性序列快速復(fù)性序列中速復(fù)性序列慢速復(fù)性序列第15頁/共67頁第十五頁，共68頁。1）零時復(fù)性序列：具有反向重復(fù)結(jié)構(gòu)（也稱回文結(jié)構(gòu)），可在同一條鏈內(nèi)形成雙鏈區(qū)，變性后再復(fù)性時，在鏈間復(fù)性之前就已發(fā)生鏈內(nèi)復(fù)性，因此不遵循二級反應(yīng)動力學(xué)方程。由于這種序列的復(fù)性速度非?？欤趧恿W(xué)上稱為零時（或瞬時）復(fù)性序列。

DNA復(fù)性后可出現(xiàn)發(fā)卡形結(jié)構(gòu)。這種序列常常是DNA復(fù)制酶、轉(zhuǎn)錄酶以及特異蛋白質(zhì)的結(jié)合部位。第16頁/共67頁第十六頁，共68頁。2）快速復(fù)性序列：

也叫高度重復(fù)序列（Highlyrepetitivesequence）

大部分集中于異染色質(zhì)區(qū)，特別是在著絲粒和端粒區(qū)，往往沒有轉(zhuǎn)錄功能

。

占基因組的10-60%,長度6～200bp，重復(fù)次數(shù)在105以上。第17頁/共67頁第十七頁，共68頁。P74圖－16真核生物DNA復(fù)性曲線的模式圖復(fù)性反應(yīng)分為三相，每相代表不同復(fù)雜長度的序列類型第18頁/共67頁第十八頁，共68頁。3）中速復(fù)性序列：基因組中重復(fù)次數(shù)<105的重復(fù)順序,重復(fù)單位平均長度約300bp;復(fù)性速度快于單拷貝順序，慢于高度重復(fù)順序。多與單拷貝基因間隔排列。多為非編碼序列，如Alu序列也有編碼基因產(chǎn)物的，如rDNA、tDNA、組蛋白基因家族,一般往往以基因家族的形式存在。也叫中度重復(fù)序列(moderaterepetitivesequences)第19頁/共67頁第十九頁，共68頁。Alufamily（Alu家族）：長約300bp的片段，大多數(shù)片段含有一個限制性內(nèi)切酶AluⅠ的酶切位點（AGCT）;

均勻分散在整個基因組中的非重復(fù)序列間;

在人類基因組中占1％～3％;第20頁/共67頁第二十頁，共68頁。4）慢速復(fù)性序列：

C0t1/2一般在103mol.s/L以上，復(fù)性速度極慢，在一個基因組中只有一個拷貝或2~3個拷貝，也稱非重復(fù)序列（單一序列、單拷貝序列）。結(jié)構(gòu)基因

(蛋白質(zhì)基因)大多是單拷貝序列。第21頁/共67頁第二十一頁，共68頁。P74圖－16真核生物DNA復(fù)性曲線的模式圖復(fù)性反應(yīng)分為三相，每相代表不同復(fù)雜長度的序列類型第22頁/共67頁第二十二頁，共68頁。大部分結(jié)構(gòu)基因位于非重復(fù)的DNA序列內(nèi)第23頁/共67頁第二十三頁，共68頁。第二節(jié)斷裂基因（splitgene）不連續(xù)基因（interruptedgene）編碼某一RNA的基因中有些序列并不出現(xiàn)在成熟的RNA序列中，成熟RNA的序列在基因中被其他的序列隔開。一、斷裂基因由外顯子和內(nèi)含子組成1、斷裂基因的發(fā)現(xiàn)?通過成熟mRNA（或cDNA）與編碼基因的DNA雜交試驗而發(fā)現(xiàn)。第24頁/共67頁第二十四頁，共68頁。雞卵清蛋白成熟mRNA與DNA雜交電鏡圖DNAmRNA第25頁/共67頁第二十五頁，共68頁。斷裂基因由外顯子和內(nèi)含子組成。1978Gilbert首創(chuàng)這兩個概念

二、外顯子(外元、Exon)DNA與成熟RNA間的對應(yīng)區(qū)域氨基酸的編碼區(qū)（aminoacidcodingregion）非間隔區(qū)（unspacer）

原初轉(zhuǎn)錄物中通過RNA拼接反應(yīng)而保留于成熟RNA中的序列或基因中與成熟RNA序列相對應(yīng)的DNA序列。2.斷裂基因的結(jié)構(gòu)第26頁/共67頁第二十六頁，共68頁。1.外顯子具有保守的序列不同物種中的同源基因的外顯子序列通常是保守的。尤其是編碼區(qū)內(nèi)的外顯子具有很強的保守性，但處于5’和3’非編碼區(qū)的外顯子有時會發(fā)生變化。2.外顯子對應(yīng)基因的功能性單位外顯子與蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)域相對應(yīng)。3.不同基因可能存在相關(guān)的外顯子不同基因中的某個或某幾個外顯子可能具有相關(guān)性。第27頁/共67頁第二十七頁，共68頁。三、內(nèi)含子(內(nèi)元、Intron)DNA與成熟RNA間的非對應(yīng)區(qū)域氨基酸的非編碼區(qū)（uncodingregion）間隔區(qū)（spacer）但被轉(zhuǎn)錄原初轉(zhuǎn)錄物中通過RNA拼接反應(yīng)而被去除的RNA序列或基因中與這種RNA序列相對應(yīng)的DNA序列。R－環(huán)（R-loop）：mRNA與編碼單鏈DNA雜交時，不互補的內(nèi)含子部分形成的環(huán)。第28頁/共67頁第二十八頁，共68頁。雞卵清蛋白成熟mRNA與DNA雜交電鏡圖DNAmRNA第29頁/共67頁第二十九頁，共68頁。斷裂基因前體mRNAIntrons去除Exons連接第30頁/共67頁第三十頁，共68頁。1.內(nèi)含子的相位和類型（1）內(nèi)含子相位內(nèi)含子可以出現(xiàn)在轉(zhuǎn)錄本的任何位置，甚至在以后成為密碼子的三核苷酸之間。若內(nèi)含子位于一密碼子的第三位核苷酸和另一密碼子的第一位核苷酸(即兩密碼子之間)，則被稱為0位內(nèi)含子；相應(yīng)地，位于一密碼子的第一位和第二位核苷酸之間的內(nèi)含子被稱為1位內(nèi)含子；位于第二和第三位之間時，則被稱為2位內(nèi)含子。這在外顯子復(fù)制中很重要，處于兩同相位內(nèi)含子之間的外顯子被稱為對稱外顯子，其核苷酸數(shù)為3的整數(shù)倍，它可以被成功復(fù)制，不會造成閱讀框的推移。相反，非對稱外顯子是不可復(fù)制的。第31頁/共67頁第三十一頁，共68頁。2.內(nèi)含子的特點1）不具有序列特異性2）同源基因中內(nèi)含子的位置通常是保守的：同源基因的斷裂發(fā)生在相同的位置，但相應(yīng)內(nèi)含子的長度變化很大。3）基因的總長度主要由內(nèi)含子決定4）內(nèi)含子的相對性：一個基因的內(nèi)含子可能是另一個基因的外顯子，所以一些DNA序列可以編碼一種以上的蛋白質(zhì)。同一初始轉(zhuǎn)錄本產(chǎn)生不同mRNA的剪接方式稱為可變剪接。第32頁/共67頁第三十二頁，共68頁。肌鈣蛋白基因內(nèi)含子的可變剪接，產(chǎn)生α和β兩種類型的蛋白第33頁/共67頁第三十三頁，共68頁。3.內(nèi)含子存在的意義及與進(jìn)化的關(guān)系有利于儲存更多的遺傳信息，增加信息量。由于可變剪接的存在……..增加了重組概率：基因總長度增加……..

可變剪接的存在……..有利于生物體的變異和進(jìn)化：增加了重組概率,還會造成基因突變。第34頁/共67頁第三十四頁，共68頁。

第三節(jié)基因家族和基因簇（Genefamily、Genecluster）

基因家族（Genefamily）:真核生物的基因組中許多來源相同，結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的一組基因。第35頁/共67頁第三十五頁，共68頁。一、基因家族1.基因家族的成因基因家族的各個成員都是由某一祖先基因經(jīng)重復(fù)（復(fù)制）和突變產(chǎn)生的。2.基因家族的特點基因家族的各個成員之間來源相同，結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)。第36頁/共67頁第三十六頁，共68頁。人類珠蛋白基因家族－－－典型的基因家族血紅蛋白珠蛋白血紅素α2β2不同的亞基由各自的基因編碼第37頁/共67頁第三十七頁，共68頁。血紅蛋白（Hb

）第38頁/共67頁第三十八頁，共68頁。發(fā)育過程中的珠蛋白的亞基組成兩種亞基的編碼基因分別形成兩個不同的基因簇,并存在于不同的染色體上。每個基因簇中的基因按其在發(fā)育過程中的表達(dá)次序從5’→3’排列在編碼鏈上(其中包括有功能的基因和假基因)α2γ22%97%1%類α鏈類β鏈第39頁/共67頁第三十九頁，共68頁。第40頁/共67頁第四十頁，共68頁。

3.假基因（Pseudogenes）：概念：基因組中存在的一段與正?；蚍浅Ｏ嗨频荒鼙磉_(dá)的DNA序列。分為兩大類：一類保留了相應(yīng)功能基因的間隔序列；另一類缺少間隔序列，稱為加工過的假基因或返座假基因。

假基因(pseudogene)具有與功能基因相似的序列，但由于有許多突變以致失去了原有的功能，所以假基因是沒有功能的基因，常用ψ表示。第41頁/共67頁第四十一頁，共68頁。大部分假基因在染色體上都位于正?；虻母浇?，但也有位置在不同的染色體上的。假基因和正?；虻慕Y(jié)構(gòu)上的差異包括在不同部位上的程度不等的缺失或插入、在內(nèi)含子和外顯子鄰接區(qū)中的順序變化、在5’端啟動區(qū)域的缺陷等。這些變化往往使假基因不能轉(zhuǎn)錄形成正常的(mRNA)，從而不能表達(dá)。第42頁/共67頁第四十二頁，共68頁。產(chǎn)生方式：復(fù)制（duplication）即復(fù)制后基因發(fā)生序列變化而失去功能，這樣產(chǎn)生的假基因帶有內(nèi)含子，稱為未加工假基因或復(fù)制假基因。返座（retrotransposition）即mRNA轉(zhuǎn)錄本經(jīng)過反轉(zhuǎn)錄為cDNA,再插入基因組，由于插入位點不合適或序列發(fā)生變化而導(dǎo)致失去功能。這種類型的假基因不含內(nèi)含子，被稱為已加工假基因或返座假基因。第43頁/共67頁第四十三頁，共68頁。二、基因簇（genecluster

）概念：基因家族中來源相同、結(jié)構(gòu)相似和功能相關(guān)的在染色體上彼此緊密連鎖的一組基因。它們屬于同一個祖先的基因擴(kuò)增產(chǎn)物，也常常包括一些沒有生物功能的假基因。

如：編碼催化同一新陳代謝途徑的不同步驟的酶的結(jié)構(gòu)基因

。這些基因各自編碼的酶常能組成多酶復(fù)合物。細(xì)菌同一操縱子中的幾個結(jié)構(gòu)基因也可稱為基因簇。第44頁/共67頁第四十四頁，共68頁。串聯(lián)重復(fù)基因簇的特點：各成員之間有高度的序列一致性拷貝數(shù)高:幾十～幾百非轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū)短而一致

組蛋白基因、rRNA基因和tRNA基因往往以串聯(lián)重復(fù)基因簇的形式出現(xiàn)。正好滿足細(xì)胞對組蛋白、rRNA和tRNA的的大量需求。

由完全相同的基因簇成員所構(gòu)成。1.串聯(lián)重復(fù)序列第45頁/共67頁第四十五頁，共68頁。

a.rRNA基因家族（rDNAgenefamily）海膽450copies煙草750copies果蠅100copiesT18sT5.8sT28s

NT

18sT5.8sT45s41s20s32s28s5.8s18s重復(fù)單位的組織情況：一個重復(fù)單位內(nèi)的轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū)（內(nèi)元）重復(fù)單位之間的不轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)第46頁/共67頁第四十六頁，共68頁。

b.組蛋白基因家族（Histonegenefamily）H1H4H2BH3H2A一個重復(fù)單位(基因簇genecluster)的組織情況：組織方式因不同生物而異：基因次序、間隔區(qū)的長短、重復(fù)頻率不轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)海膽：組蛋白基因表達(dá)特點：①沒有內(nèi)元②沒有多聚A尾巴第47頁/共67頁第四十七頁，共68頁。

c.tRNA基因

tRNA約長70～80bp，其基因約長140bp(內(nèi)元)串聯(lián)重復(fù)排列，但各重復(fù)單位內(nèi)的各tRNA基因可以不同d.5SrRNA基因

簡單多基因家族成簇排列、102～103個拷貝123

3不轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū)15SrRNA2假基因重復(fù)單位間由高度重復(fù)序列隔開第48頁/共67頁第四十八頁，共68頁。2.衛(wèi)星DNA（SatelliteDNA）：

將DNA切成數(shù)百個堿基對的片段進(jìn)行氯化銫密度梯度離心時，由于富含AT的簡單高度重復(fù)序列區(qū)段浮力密度較小，因而很容易和總體DNA分開，即常會在主要的DNA帶之外有一個次要的帶相伴隨。

根據(jù)重復(fù)頻率和大小可分為衛(wèi)星DNA小衛(wèi)星DNA微衛(wèi)星DNA衛(wèi)星DNA的重要特征是：序列長且復(fù)雜性低。第49頁/共67頁第四十九頁，共68頁。MousegenomeDNA30%GCinsatelliteDNACsCl離心主帶衛(wèi)星帶光的吸收率浮力密度第50頁/共67頁第五十頁，共68頁。衛(wèi)星DNA:一個重復(fù)單位長100~幾百bp，不能轉(zhuǎn)錄和翻譯，多分布于異染色質(zhì)的著絲粒區(qū)。小衛(wèi)星DNA:一個重復(fù)單位長10~100bp，具有高度的可變性，甚至同一群體中個體間重復(fù)次數(shù)變動很大，所以個體間長度變化很大（DNA長度多態(tài)性）但每個小衛(wèi)星DNA又都存在一段共有的核心序列，長10~15bp,富含GC。

第51頁/共67頁第五十一頁，共68頁。

存在于基因組的廣泛區(qū)域：基因的間隔區(qū)，內(nèi)含子，外顯子，調(diào)控區(qū)。不同物種，微衛(wèi)星含量不同：真核生物平均50－150kb一個微衛(wèi)星。不同微衛(wèi)星在不同物種中豐度不同：哺乳動物基因組中(AC)n最豐富；植物基因組中(AT)n最豐富。真核生物基因組中，二核苷酸微衛(wèi)星最豐富，三核苷酸微衛(wèi)星比二核苷酸微衛(wèi)星低10倍，四核苷酸微衛(wèi)星更少。微衛(wèi)星DNA:一個重復(fù)單位長10bp以下。第52頁/共67頁第五十二頁，共68頁?！詈髢煞N衛(wèi)星DNA又稱為數(shù)目可變的串聯(lián)重復(fù)序列(Variablenumbertandemrepeats.VNTR)或短串聯(lián)重復(fù)序列（shorttandemrepeats.STR）第53頁/共67頁第五十三頁，共68頁。第四節(jié)真核基因組的包裝第54頁/共67頁第五十四頁，共68頁。一、概述：*真核DNA＋組蛋白核小體*核小體折疊壓積染色質(zhì)（chromatin）（還包括非組蛋白和少量的RNA）*大部分細(xì)胞生活周期里以染色質(zhì)的形式存在（彌散狀）

M期－－染色體形式*染色質(zhì)有兩種類型

a、常染色質(zhì)：密度較低，一部分基因能被表達(dá)

b、異染色質(zhì)：密度較高，不被表達(dá)（著絲粒、端粒）第55頁/共67頁第五十五頁，共68頁。第56頁/共67頁第五十六頁，共68頁。*組蛋白八聚體（Histoneoctamer）

H2A與H2B，H3與H4的親和力強，通過C端的疏水氨基酸結(jié)合

兩個H3、H4先形成四聚體結(jié)合兩個H2A和H2B的異二聚體組蛋白八聚體第57頁/共67頁第五十七頁，共68頁。二、核小體（Nuclearsome）*構(gòu)成染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位

*用足量的微球菌核酸酶處理染色質(zhì)可得到146bpDNA＋組蛋白八聚體→核小體的核