第二章 染色质染色体基因和基因组

第二章染色质染色体基因和基因组第1页，共42页，2023年，2月20日，星期三第一节染色质和染色体同一种物质不同细胞周期表现的不同形态间期：染色质(伸展的染色质形态有利于在它上面的DNA储存的信息的表达)；

分裂期：染色体(高度螺旋化了的棒状染色体则有利于细胞分裂中遗传物质的平分)第2页，共42页，2023年，2月20日，星期三3

左图为人类染色体，在光镜下即可观察其形态，右图为电镜图片，可见不规则的染色质。第3页，共42页，2023年，2月20日，星期三第4页，共42页，2023年，2月20日，星期三DNA的分布主要在染色体上细胞质内细胞核遗传细胞质遗传生物的遗传（所以说，染色体是DNA的主要载体）例：紫茉莉叶色的遗传第5页，共42页，2023年，2月20日，星期三第二节基因

一、基因的概念1、顺反子：Benzer通过互补试验发现的遗传功能单位；顺反子是编码一条多肽链的单位。有关基因就是一个顺反子；第6页，共42页，2023年，2月20日，星期三2、基因的分子生物学定义：基因是指DNA分子中能编码一条多肽链，并具有一定长度的片段。基因包括编码蛋白质肽链或RNA的核酸序列以及保证其转录所必需的调控序列。P43第7页，共42页，2023年，2月20日，星期三3、基因的结构：

完整的基因结构包括：前导区、尾部区、内含子和外显子；

前导区:位于编码区之前，相当于mRNA起始密码5’端序列；

尾部区:位于编码区之后，指mRNA3’端终止密码子后面的非翻译序列；

内含子（intron）：位于编码序列之间，通常指基因中能被转录成前体转录物，但却不能成为mRNA组成部分的区域；

外显子（exon）：即编码序列，也就是DNA分子中编码mRNA某一部分序列的区域。转录时，外显子和内含子均被转录在hnRNA中，然后经转录后的剪接加工过程去除内含子结构部分，外显子转录物再连接成一个完整的成熟的mRNA分子。第8页，共42页，2023年，2月20日，星期三二、原核生物基因特征1、基因组较小，1分子环状双链DNA

其DNA是与蛋白质结合，但并不形成染色体结构，只是习惯上将之称为染色体。细菌染色体DNA在胞内形成一个致密区域，即类核（nucleoid），类核无核膜将之与胞浆分开。第9页，共42页，2023年，2月20日，星期三2、功能相关的基因高度集中，构成操纵子，多顺反子；

操纵子（operon）是指数个功能相关的结构基因串联在一起，构成信息区，连同其上游的调控区（包括启动和操纵区）及其下游的转录终止信号构成的基因表达单位。

调控区CAP结合位点启动序列操纵序列

结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNA第10页，共42页，2023年，2月20日，星期三3、大多数的蛋白质基因保持单拷贝形式；RNA基因常是多拷贝的；4、没有内含子，基因是连续的；5、重复序列少；6、绝大部分DNA都是用于编码蛋白质的，只有很少不编码的序列；

第11页，共42页，2023年，2月20日，星期三原核基因的结构特点

第12页，共42页，2023年，2月20日，星期三三、真核生物基因特征

1、核基因组由染色体DNA组成：分子量较大；结构复杂；与蛋白质结合；2、多数都是断裂基因：即编码序列（外显子）被非编码序列（内含子）间隔开；3、大量重复序列（20～60％）：单一序列、轻度重复序列、中度重复序列、高度重复序列；4、多基因家族：起源相同、结构相似、功能相关的一组基因。5、单顺反子；第13页，共42页，2023年，2月20日，星期三真核基因的结构特点

第14页，共42页，2023年，2月20日，星期三四、亚细胞结构基因特征

只有一种核酸，大部分是一条单链或双链分子；核酸大小差别大，通常DNA病毒的核酸分子较大，而RNA病毒则较小；具有启动子和操纵子结构；噬菌体基因组中没有内含子，感染真核细胞的病毒基因组中有内含子；存在重叠基因,同一段DNA含有两种不同蛋白质的信息。第15页，共42页，2023年，2月20日，星期三

●有重叠基因（Sanger发现）基因内基因部分重叠基因一个碱基重叠第16页，共42页，2023年，2月20日，星期三第三节基因组

一、基因组定义基因组是细胞中一套完整单体的遗传物质的总和。基因组结构主要指不同的DNA功能区在DNA分子中的分布和排列情况。第17页，共42页，2023年，2月20日，星期三二、基因组大小与C值矛盾

C值（Cvalue）：单倍体基因组中DNA的含量。C值大小与生物进化程度基本成正比，但这种相关性并不很精确。C值矛盾（Cvalueparadox）也称C值悖论，指生物体的进化程度与基因组大小之间不完全成比例的现象。C值矛盾主要是由于各种生物基因组的结构特征的差异所造成的。第18页，共42页，2023年，2月20日，星期三三、遗传图谱、物理图谱、基因图谱

1、遗传图谱（geneticmap）

（1）定义：也称连锁图谱，以具有遗传多态性的遗传标记为“路标”，以遗传学距离为图距的基因组图。（2）原理：真核生物遗传过程中发生减数分裂时，染色体的重组和交换的概率会随着染色体上任意两点间相对距离的远近而发生相应的变化。（1％＝1cM）第19页，共42页，2023年，2月20日，星期三（3）遗传标记

第一代DNA遗传标记——限制性片段长度多态性（restrictionfragmentlengthpolymorphism，RFLP）；第二代DNA遗传标记——微卫星（microsatellite）；第三代DNA遗传标记——单个核苷酸多态性（singlenucleotidepolymorphism，SNP）；第20页，共42页，2023年，2月20日，星期三2、物理图谱

物理图谱是指以一段已知核苷酸序列的DNA片段（sequencetaggedsite，STS，序列标记位点）为路标，以Mb或kb为图距的基因组图。人类基因组计划的目标之一就是完成人类基因组中平均相隔100kb的以30000个STS为基础的物理图谱。

第21页，共42页，2023年，2月20日，星期三3、基因图谱：鉴别全部基因，包括RNA基因，以及基因组中其它序列的结构和功能。转录图又称cDNA图谱或表达序列标签图谱。即把mRNA（或据mRNA人工合成的cDNA）分离、定位，绘制出的图谱称之。所有的生物性状，包括疾病，都是由结构或功能蛋白质决定的，而已知的所有蛋白质都是RNA聚合酶II指导的mRNA依据“遗传密码”编码的。抓住了（RNA）转录图，抓住了基因的主要特点与主要部分（可转录的部分）。序列图：测定总长度约由30亿核苷酸组成的序列图是人类基因组计划最为艰巨的任务。

第22页，共42页，2023年，2月20日，星期三四、人类基因组

1、人类基因组定义：是对人类自身认识生物体一个细胞所包含DNA结构的一整套基因，携带着决定生物特性的全部遗传信息——即记录基因组全部DNA序列。

第23页，共42页，2023年，2月20日，星期三2、人类基因组计划研究的意义人类基因组计划（humangenomeproject，HGP）人类基因组计划研究主要分为两个部分，一是人类基因组DNA的完全测序；二是基因DNA序列的识别和正常功能，基因变异与人类疾病的研究；目标是全面而透彻地认识人类基因组的正常结构、功能及基因的异常结构（变异）与人类疾病。对生命进行系统地和科学地解码，以达到了解和认识生命的起源、种间和个体间存在的差异的起因、疾病产生的机制以及长寿与衰老等生命现象的目的。第24页，共42页，2023年，2月20日，星期三3、人类基因组计划策略建立基因组DNA的重叠细胞克隆群；次级克隆群；测序；分析一般说来，“基因组学”主要解决的问题是基因组的“结构”，即上述4张结构图，当HGP完成后，下一步该做什么？下步是将重心逐步由“结构”向“功能”转移，人们提出1个新的名词，称“后基因组学”

(post-genomics)。第25页，共42页，2023年，2月20日，星期三4、人类基因组计划下一步的方向功能基因组学蛋白质组学比较基因组学细胞计划生物信息学与生物芯片

第26页，共42页，2023年，2月20日，星期三功能基因组学

—21世纪生物学的新方向尽管基因图谱非常重要,但他并没有告诉我们所有基因的“身份”以及他们所编码的在人体内真正发挥作用的蛋白质等基因功能的有用信息如何了解这些基因的功能和特性就成为各研究机构下一步的主要目标。功能基因组学研究的内容包括鉴定基因,分析基因的功能和描述基因表达模式。第27页，共42页，2023年，2月20日，星期三蛋白质组学—后基因组时代的主角蛋白质组是指全部基因表达的全部蛋白质及其存在方式,是一个基因、一个细胞或组织所表达的全部蛋白质成分蛋白质组学是对不同时间和空间发挥功能的特定蛋白质群体的研究,它旨在阐明生物体全部蛋白质的表达模式及功能模式内容包括鉴定蛋白质的表达、存在方式、结构功能和相互作用方式等研究的技术体系包括:样品制备,双向聚丙烯酰胺凝胶电泳,蛋白质的染色,凝胶图象分析,蛋白质分析,蛋白质数据库第28页，共42页，2023年，2月20日，星期三比较基因组—对更多的基因组进行测定比较基因组学是基于基因组图谱和测序的基础上,对已知的基因和基因组结构进行比较,来了解基因的功能、表达机制和物种进化的学科。因为直接用人进行实验是不符合伦理和法律的,所以比较基因组就为研究非人类生命个体中基因的功能来确定人类基因的功能提供了有价值的手段。模式生物基因组的研究为揭示人类疾病的功能,克隆人类疾病基因,分析人类基因组的复杂性状及加深对基因组结构的认识发挥了重要的作用。第29页，共42页，2023年，2月20日，星期三细胞是自然界中生命活动的基本结构与功能单位。在阐明了以基因为核心的生命物质的本质后,以讯号传导为主线,阐明发生在细胞中一切生命现象的奥秘,是“细胞计划”的设想。细胞计划—从分子水平的研究上升到细胞水平的研究第30页，共42页，2023年，2月20日，星期三基因组研究的发展使得海量信息的产生,对这些信息的分析、加工和利用,从而诞生了生物信息学。生物信息学的发展也推动了生物芯片技术的研究与开发,它是继大规模集成电路之后的又一次具有深远意义的科学技术革命。生物芯片主要是指通过微加工技术和微电子技术在固相介质表面构建的微型生物化学分析系统,能实现对细胞、蛋白质、DNA及其他生物组分的准确、快速、大信息的检测。生物信息学与生物芯片—新型学科和产业的发展第31页，共42页，2023年，2月20日，星期三五、药物基因组学主要以阐明药物代谢,药物转运和药物靶分子的基因多态性与药物作用包括疗效和毒副作用之间关系的一门科学。药物基因组学的基础是基因的多态性主要研究基因序列变异及其对药物的不同反应,是研究高效、特效药物的重要途径,通过它为患者或特定人群寻找合适的药物。1、概念第32页，共42页，2023年，2月20日，星期三2、药物基因组学研究的内容研究影响药物吸收、转运、代谢、消除等个体差异的基因特性研究由于个体基因差异所致的对药物的不同反应

研究与药物起效、活化、排泄等过程相关的候选基因鉴定基因序列差异,揭示这些差异的遗传特征根据病人基因组特征优化药疗方案

第33页，共42页，2023年，2月20日，星期三3、药物基因组学与基因多态性基因多态性是药物基因组学的基础和重要研究内容,主要包括:药物代谢酶的多态性:由同一基因位点上具有多个等位基因引起,决定表型多态性和药物代谢酶的活性催化第Ⅰ相反应的药物代谢酶主要是细胞色素P450(CYP)酶系催化第Ⅱ相反应的酶主要是硫嘌呤甲基转移酶(TPMT)、N－乙酰基转移酶(NAT)、谷胱甘肽S-转移酶(GST)等第34页，共42页，2023年，2月20日，星期三药物转运蛋白的多态性:在药物的吸收、排泄、分布、转运等方面起重要作用,其变异对药物的吸收和消除具有重要意义许多药物是通过细胞膜上的载体主动转运而进入体内的药物转运基因与药效之间也有非常密切的关系系P2糖蛋白是一种重要的膜载体,它是由MDR21基因编码的ATP依赖性跨膜外流泵,可从细胞内向外泵出某些药物或其代谢物,这些药物包括抗肿瘤药、地高辛、环孢素A等第35页，共42页，2023年，2月20日，星期三药物受体基因多态性：最重要的药物受体是G蛋白偶联受体,它的种类很多。β2－肾上腺素受体是其中研究较多的一类。它的3种多态性(Arg16Gly,Gln27Glu,Thr164Ile)可改变受体功能Ward等发现具有16Gly多态性的哮喘病人,比具有16Arg的病人对支气管扩张药沙丁胺醇介导的受体下调脱敏感增加。与纯合的16Gly相比,纯合的16Arg和杂合的16Arg对沙丁胺醇的反应分别高5倍和2倍。第36页，共42页，2023年，2月20日，星期三药物作用靶点的多态性:

使靶蛋白对特定药物有不同亲和力第37页，共42页，2023年，2月20日，星期三4、药物基因组学的应用

在基因组层次上揭示药物效应的遗传学基础,实现根据不同病人的基因差异选择更加科学优化的治疗方案与剂量,达到药物治疗的个性化、安全化、经济化。第38页，共42页，2023年，2月20日，星期三应用前景:开辟全新的药物开发领域①药物基因组学