第二章-人类基因组的结构与功能.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第二章,人类基因组的结构与功能,1,本章重点讲解,1 人类基因组的组成,2 人类基因的组成,3 人类多基因家族和重复DNA,人类基因组:,是指单倍体细胞所代表的遗传信息.,从,细胞遗传学水平,来说:是指人体细胞的24条不同的染色体.,从,分子学水平,来说:是指组成这些染色体的24个DNA分子.,2,第一节 人类基因组的组成,人类基因组,核基因组,28.5亿个碱基,22.5万个基因,线粒体基因组,16.6kb,37个基因,2,rRNA,22 tRNA,13个多肽编码基因,基因外序列,75%,基因和相关序列,25%,单拷贝或中等重复,编码DNA,10%,非编码DNA,90%,假基因,基因片段,内含子、非翻译序列等,单或低拷贝,60%,中高度重复,40%,分散重复,串联重复或簇集重复,3,人类基因组常染色质序列,2001年人基因组序列草图的缺点,（1）丢失10%的常染色质基因组,（2）约有150,000个间隙,（3）许多节段的次序和方向未定,现在的序列图,（1）基因组序列：2,851,330,913核苷酸（2.85Gb）,（2）含有编码蛋白质基因：20,00025,000个,（3）覆盖基因组99%,（4）还有341个间隙，仍有1%序列未定,是现今最精确和几乎完整的人基因组序列,4,人类基因组的组成(按功能划分）,5,线 粒 体 基 因 组,环型封闭的双链DNA分子,含有37个基因（2个rRNA基因、22tRNA基因和13个多肽基因）,基因密度大，无内含子,6,7,mtDNA的遗传学特征:,mtDNA,是半自主性，能独立复制、转录和翻译；,Mi,基因组的遗传密码与普通密码不同；,mtDNA,为母系遗传；,mtDNA,突变率高；,mtDNA,具有阈值效应的特性；,mtDNA,的进化率极高。,8,染色体命名系统Denver体制（1960）,染色体的大小和带型不同,11,基因在染色体不同区域分布的密度不同,平均每条染色体约含有130 Mb DNA，变异在50250Mb之间。平均一条带约有6MbDNA（550条带中期染色体）。,基因在染色体不同区域分布和密度不同，在着丝粒区、Y染色体的大部分则无基因，异染色质区主要由重复的非编码DNA构成。G-显带深染带GC含量较浅染带低。,12,常规,G,显带核型,13,常规G显带分析,14,第二节 人类基因的组成,一、人基因的功能具有多样性，它们簇集或分散于不同的染,色体区域-,分布,1 大多数基因都编码特异的多肽（蛋白）执行不同的功能。,2 许多基因为单拷贝,簇集于特殊染色体位置或分散于基因组,某些基因为基因家族,3 编码RNA基因家族有许多成员：,rRNA基因,tRNA基因,snRNA基因,其它RNA基因,15,有些基因构成基因家族，,簇集,于特殊染色体位置或,分散,于基因组。,如:,珠蛋白基因簇由5个相关基因组成，集群排列在16号染色体短臂上。,珠蛋白基因簇由6个相关基因组成，集群排列在11号染色体短臂上。,16,珠蛋白基因簇,（16p13）,珠蛋白基因簇,（11p15）,17,某些多基因家族中的不同成员分布于不同染色体上。,如，组蛋白基因家族分散于不同染色体,H3,H3,H4,H3,H4,H2A,H2A,H2A,H3,H1,H2A,H2B,18,编码RNA基因家族成员：,rRNA基因 tRNA基因 snRNA基因 其它RNA基因,19,编码RNA基因家族,20,21,二.人类基因在大小和内部组成上的不同,1,大小多样,几个kb几个Mb,平均长约27kb，最大的为dystrophin基因2.5Mb。,基因大小与产物大小直接相关，但也有某些异常,2,内部组成的多样性,大多数基因有外显子和内含子，少数无内含子,有内含子的基因中，内含子大小不同，一般大基因有大内含,子，因此，外显子含量百分比小，但也有大基因小内含子,每个人类基因平均有9个外显子，外显子的平均大小约122bp,22,人类基因大小多样,23,三.基因组中有少量重叠基因和基因内基因,1,高度重叠基因,6p21.3在4Mb的HLA复合体有高度重叠基因,24,NF1基因的第26内含子中有3个小基因,2,在大内含子中有完整的小基因,25,第三节 人类多基因家族和重复DNA,一.重复DNA和多基因家族的分类和鉴定方法,依结合动力学，人类DNA分为三大类：,单拷贝DNA,中等重复DNA,高度重复DNA,DNA重复序列的鉴定方法：,DNA测序,DNA杂交检测,PCR检测,26,二.人类多基因家族,1.,序列的相关性,和,特殊保守序列,的相似性,（1）典型基因家族,高度的序列同源性和进化与功能上的相关性,（2）编码产物的基因家族,序列全长的同源性虽低，但有大而保守的功能域,（基序）,27,（3）编码产物的基因家族,具有很短的保守的氨基酸基序,如：DEAD box基因家族（天冬-谷-丙-天冬氨）,如：WD重复基因家族（色-天冬氨）,28,（4）,基因超家族,基因超家族的编码产物在功能上呈一般相关，在DNA大节段上，其同源性序列很少，但有重要的保守的氨基酸基序（Ig样）的共同结构特征。,如：免疫球蛋白超家族,29,人类基因家族分布与结构特点,（1）基因簇家族-,紧密簇集在一起,珠蛋白基因簇,（16p13）,珠蛋白基因簇,（11p15）,30,（2）分散基因家族,成员间无明显物理关系，一般分散于若干染色体上，有序列多样性和假基因,。,31,（3）编码RNA基因家族,属于高拷贝数多基因家族,最后表达产物为RNA分子,包括tRNA、snRNA、rRNA（28S，5.8S，18S）基因,rRNA基因簇分布于染色体13、14、15、21和22的,短臂上,32,(4)人基因簇中常有：假基因、截短基因、基因片段,如：型HLA位于6号染色体,，,全长2Mb,，,基因簇 17个成员，6个表达基因，4个全长假基因，7个非功能截断基因或片段,表达基因,假基因,截短基因,33,人类分散基因家族常有许多加工,假基因,（processing pseudogenes）：缺乏功能基因的内含子、启动子序列，不产生有功能活性的蛋白。,加工假基因产生机制,34,（5）基因簇中单个基因可由一共同,座位控制区协调表达,LCR位于基因簇上游，是活性染色质区域，具有转录增强子作用。,35,3、基因组DNA序列的类型,按其不同的结构和功能分类如：,基因序列和非基因序列,编码序列和非编码序列,单一序列和重复序列,36,基因外重复DNA序列,人类核基因组中具有大量高度重复序列家族。,主要功能可能为,转录失活,。,分为两大类：,卫星DNA,（1）串联重复DNA 小卫星DNA,微卫星DNA,（2）分散重复DNA,SINEs,LINEs,37,卫星DNA(satellite DNA)是一类高度重复序列，DNA在介质氯化铯中作密度梯度离心，DNA分子将按其大小分布在离心管内不同密度的氯化铯介质中，小的分子处于上层，大的分子处于下层；从离心管外看，不同层面的DNA形成了不同的条带。根据荧光强度的分析，可以看到在一条,主带,以外还有,一个或多个小,的卫星带。这些在卫星带中的DNA即被称为卫星DNA，这种DNA的,GC,含量一般,少于,主带中的DNA。,串联重复卫星DNA,38,按其浮力密度的大小：I、四类；,按其重复单元的核苷酸数：小卫星DNA(minisatellite DNA)和微卫星DNA(microsatellite DNA)两类；,其他分类：,卫星DNA是灵长类特有的单元为171 bp的高度重复序列,卫星DNA家族是单元为68bp的串联重复序列，富含GC,卫星DNA是220 bp的串联重复,第类卫星DNA称为隐藏的卫星DNA(cryptil satellite)，包含了多种串联重复序列的DNA分子，离心时并不像卫星DNA那样也分开，但它的属性却类似卫星DNA。,串联重复卫星DNA,卫星DNA分类,39,串联重复卫星DNA,由很长排列的串联重复组成，重复单位为一简单或中等序列。,此类DNA不转录，位于有重要功能的真核染色体的着丝粒和端粒上。,40,串联重复小卫星DNA,由中等大小排列的串联重复构成。,常位于或近端粒，不转录。,包括：,A：,超可变小卫星DNA,重复单位变化大，但共有核心序列（GGGCAGGXG），可,能与人类细胞的同源重组有关。,B：,端粒DNA,在染色体末端的端粒内，主要为1015kb的六核苷酸的串联重复（TTAGGG），与端粒的功能有关，防止染色体末端的降解、丢失.,41,超可变小卫星DNA和端粒DNA,42,43,串联重复微卫星DNA,由简单串联重复单位构成，重复单位为14bp。,分散于全基因组。,包括：,单核苷酸,双核苷酸,A和T重复很普遍，共10Mb，为基因组0.3%,G和C重复少见,CA重复多见，有很高的多态性，占基因组0.5%,CT/AG重复也普遍，占基因组0.2%,CG/GC重复很少,三、四核苷酸重复较少，但常有高度多态。编码DNA的串联重复三核苷酸与某些疾病的病理机制有关。,44,微卫星DNA,45,分散重复DNA,SINE（短分散元件）：,如人的,Alu家族,：全长280300bp.,是人基因组中最丰富的序列,每3kb重复一次，拷贝数约为1 000 000，,主要分散于常染色质区（染色体亮带）,170bp,130bp,Alu,46,分散重复DNA,LINE（长分散元件）：,如人的,Kpn重复,：,全长6.1kb，大约每50kb重复一次，大约有100,10000个，编码逆转录酶，有两个ORFs.,大多数重复为截短5末端.,主要分散于异染色质区（染色体暗带）.,缺少编码序列，但可见于基因内的非编码序列.,47,Alu,家,族,和,Kpn,元,件,48,分散重复家族的许多成员是“可位移元件”（一种不稳定的DNA元件），可移动到基因组的不同区域,-,转座因子,（transposable element or transposon）,转座因子与转座,:,转座因子：,细胞中能改变自身位置的一段脱氧核糖核酸（DNA）序列或存在于染色体DNA 可自主复制和移位的基本单位。,转座：,转座因子改变位置（例如从染色体上的一个位置转移到另一个位置，或者从质粒转移到染色体上）的行为。,49,复制转座,(replicative transposition):转座因子在转座期间先复制一份拷贝，复制的拷贝转座到新的位置，在原先的位置上仍然保留原来的转座因子。复制转座有转座酶(transposase)和解离酶(resolvase)的参与。转座酶作用于原来的转座因子的末端，解离酶则作用于复制的拷贝。,非复制转座(non-replicative transposition):转座因子直接从原来位置上转座插入新的位置，并留在插入位置上，这种转座只需转座酶的作用。非复制转座的结果是在原来的位置上丢失了转座因子，而在插入位置上增加了转座因子。,转座子（transposable element）,-,转座因子的转座途径,50,转座子的作用,由于转座因子既能给基因组带来新的遗传物质，在某些情况中又能像一个开关那样启动或关闭某些基因，并常使基因组发生缺失、重复或倒位等DNA重排，与生物演化有密切的关系，并可能与个体发育、细胞分化有关。,此外，带有不同抗药性基因的转座因子在细菌质粒间的转座会导致多价抗药性质粒的形成，将使多种药物药效降低，对人类的健康是一个威胁。另一方面具有独特功能的转座因子已经成为遗传学研究中一种有用的工具。,51,The,END,52,