1、第二章 基因组与基因组学生物化学与分子生物学教研室生物化学与分子生物学教研室张向阳张向阳学习目标学习目标掌握：掌握：1原核生物基因组和真核生物基因组的特点原核生物基因组和真核生物基因组的特点。2基因组学的研究内容基因组学的研究内容。熟悉：熟悉：1病毒基因组的特点病毒基因组的特点。2人类基因组的结构特点，人类基因组计人类基因组的结构特点，人类基因组计划的研究内容划的研究内容。3基因组学的基因组学的分类。分类。了解：了解：1基因组学在现代医药学上的应用基因组学在现代医药学上的应用。第一节第一节 基因组基因组基因组（基因组（genome），又称染色体组，是物种遗），又称染色体组，是物种遗传信息的传信
2、息的“总词典总词典”、控制发育的、控制发育的“总程序总程序”、生物进化历史的生物进化历史的“总档案总档案”。一般一般的定义是单倍体细胞中的全套染色体为一个的定义是单倍体细胞中的全套染色体为一个基因组，或是单倍体细胞中的全部基因为一个基基因组，或是单倍体细胞中的全部基因为一个基因组因组。 基因组基因组DNA测序的结果研究发现，基因编码序列只占整个基因测序的结果研究发现，基因编码序列只占整个基因组序列的很小一部分。因此，基因组应定义为单倍体细组序列的很小一部分。因此，基因组应定义为单倍体细胞中全部的核苷酸序列（包括编码序列和非编码序列）胞中全部的核苷酸序列（包括编码序列和非编码序列）。RNA病毒不
3、含有病毒不含有DNA，其遗传信息的携带者为，其遗传信息的携带者为RNA，因，因此，基因组也可指此，基因组也可指RNA病毒颗粒中的全部病毒颗粒中的全部RNA分子。分子。一、病毒基因组的特点一、病毒基因组的特点病毒是最简单的生物，完整的病毒颗粒包括病毒是最简单的生物，完整的病毒颗粒包括外壳蛋白和内部的基因组外壳蛋白和内部的基因组DNA或或RNA。病毒病毒不能独立地复制，必需进入宿主细胞中不能独立地复制，必需进入宿主细胞中借助细胞内的一些酶类和细胞器才能使病毒借助细胞内的一些酶类和细胞器才能使病毒得以复制得以复制。病毒基因组的特点病毒基因组的特点1病毒基因组病毒基因组较小。较小。 与与细菌或真核细胞
4、基因组细菌或真核细胞基因组相比，病毒基因组很小相比，病毒基因组很小。且不同病毒的基因组相。且不同病毒的基因组相差很大差很大，如乙肝病毒，如乙肝病毒DNA只有只有3kb，只能，只能编码编码4种种蛋白质，而痘病毒的基因组有蛋白质，而痘病毒的基因组有300kb，可编码，可编码几几百种蛋白质，主要为病毒复制百种蛋白质，主要为病毒复制酶类基因酶类基因病毒基因组的特点病毒基因组的特点2病毒基因组为病毒基因组为DNA或或RNA。每每种病毒颗粒中只种病毒颗粒中只含有一种含有一种 核酸，或为核酸，或为DNA或为或为RNA，两者一般不，两者一般不共共存。病毒基因组存。病毒基因组DNA或或RNA可以是单可以是单链也
5、链也可以是双可以是双链，链，可以是可以是闭环，闭环，也可以是线性分子也可以是线性分子。大多数。大多数DNA病毒的基因组是双链病毒的基因组是双链DNA分子，而大多数分子，而大多数RNA病毒病毒的基因组是单链的基因组是单链RNA分子。分子。病毒基因组的特病毒基因组的特点点病毒基因组的特点病毒基因组的特点3RNA病毒基因组为一条或多条病毒基因组为一条或多条RNA。多数多数RNA病病毒的基因组只有一条核糖核酸链，但也有些病毒的毒的基因组只有一条核糖核酸链，但也有些病毒的基因组基因组RNA含有多条核酸链。如禽流感病毒的基因含有多条核酸链。如禽流感病毒的基因组组RNA分子是节段性的，由分子是节段性的，由8
6、条条RNA分子构成，每条分子构成，每条RNA分子都含有编码蛋白质分子的分子都含有编码蛋白质分子的信息信息禽流感病毒的基因组禽流感病毒的基因组RNA病毒基因组的特点病毒基因组的特点4病毒基因组含有基因重叠病毒基因组含有基因重叠 。基因基因重叠是指同一重叠是指同一段段DNA片段含有片段含有2种以上编码蛋白质的核苷酸序列。种以上编码蛋白质的核苷酸序列。这种现象在其它的生物细胞中仅见于线粒体和质粒这种现象在其它的生物细胞中仅见于线粒体和质粒DNA。这种这种结构使较小的基因组能够携带较多的遗结构使较小的基因组能够携带较多的遗传信息。传信息。 基因重叠基因重叠基因重叠是基因重叠是1977年年Sanger在
7、研究在研究X174时发现的。时发现的。X174是一种单链是一种单链DNA病毒，宿主为大肠杆菌，因病毒，宿主为大肠杆菌，因此，又称为噬菌体。它感染大肠杆菌后共合成此，又称为噬菌体。它感染大肠杆菌后共合成11个个蛋白质分子，相当于蛋白质分子，相当于6078个核苷酸所编码的个核苷酸所编码的2381个个氨基酸的蛋白质信息量。而该病毒氨基酸的蛋白质信息量。而该病毒DNA本身只有本身只有5386个核苷酸，最多能编码个核苷酸，最多能编码1795个氨基酸个氨基酸。X174基因重叠基因重叠基因重叠基因重叠基因重叠基因重叠有有3种情况种情况： 完全重叠，一个基因完全被包含在另一个基因完全重叠，一个基因完全被包含在
8、另一个基因里面。里面。 部分重叠，两个基因只有部分核苷酸序列共部分重叠，两个基因只有部分核苷酸序列共用。用。两个基因只有一个核苷酸的两个基因只有一个核苷酸的重叠。重叠。基因重叠基因重叠重叠基因重叠基因尽管它们的尽管它们的DNA大部分相同，大部分相同，但由但由于于将将mRNA翻译成蛋白质时的读码框翻译成蛋白质时的读码框不同，不同，产生不同的产生不同的蛋白质蛋白质分子。分子。病毒基因组的特点病毒基因组的特点5病毒基因组几乎全部为编码序列病毒基因组几乎全部为编码序列 。病毒基因病毒基因组组的大部分是用来编码蛋白质的，只有非常小的一部的大部分是用来编码蛋白质的，只有非常小的一部分不被分不被翻译。翻译。
9、如如在在X174中不翻译的部份只占中不翻译的部份只占217/5375。不翻译的不翻译的DNA序列序列不翻译的不翻译的DNA序列通常是序列通常是 基因表达的控制序列。基因表达的控制序列。如如X174的的H基因和基因和A基因之间的序列（基因之间的序列（39063973），共），共67个碱基，包括个碱基，包括RNA聚合酶结合位点，聚合酶结合位点，转录的终止信号及核糖体结合位点等基因表达的转录的终止信号及核糖体结合位点等基因表达的控制区。控制区。病毒基因组的特点病毒基因组的特点6病毒基因组常为多顺反子转录病毒基因组常为多顺反子转录 。病毒基因病毒基因组组DNA序列序列中，功能中，功能相关的编码蛋白质的
10、相关的编码蛋白质的基因常丛基因常丛集集在基因组的一个或几个特定的部位，形成一个在基因组的一个或几个特定的部位，形成一个功能单位或转录单元。该转录单元被转录功能单位或转录单元。该转录单元被转录成一条成一条含含多个蛋白质编码序列的多个蛋白质编码序列的mRNA，称为多顺反子，称为多顺反子mRNA。病毒基因组的特点病毒基因组的特点7病毒基因组多为单倍体病毒基因组多为单倍体 。除除逆转录病毒外，其逆转录病毒外，其他病毒基因组都是单倍体。他病毒基因组都是单倍体。 逆转录病毒基因组有逆转录病毒基因组有两个拷贝，如人类免疫缺陷病毒（两个拷贝，如人类免疫缺陷病毒（HIV），其基因），其基因组为二倍体的单链组为二
11、倍体的单链RNA。病毒基因组的特点病毒基因组的特点8真核细胞病毒基因组含有内含子真核细胞病毒基因组含有内含子 。噬菌体噬菌体（细（细胞病毒）的基因是连续的；而真核细胞病毒的基胞病毒）的基因是连续的；而真核细胞病毒的基因是不连续的，含有因是不连续的，含有内含子。内含子。二、原核生物基因组的特点二、原核生物基因组的特点原核生物基因组的结构基因数量和原核生物基因组的结构基因数量和功能类型功能类型远大于病毒基因组，但与真核生物基因组相远大于病毒基因组，但与真核生物基因组相比，其基因组较小。大多数原核生物基因组比，其基因组较小。大多数原核生物基因组小于小于5Mb（兆碱基对），所能容纳的基因数（兆碱基对）
12、，所能容纳的基因数量量有限。有限。原核生物基因组特点1原核生物基因组原核生物基因组较小。较小。 原核生物原核生物基因组通常只有一个环形或基因组通常只有一个环形或线形线形DNA分子分子。基因组基因组DNA虽与蛋白结合，虽与蛋白结合，但不但不形成染色体结构形成染色体结构。基因组基因组中只含有一个复制起始点中只含有一个复制起始点。原核生物基因组特点2原核生物基因组有操纵子结构原核生物基因组有操纵子结构 。操纵子操纵子是指几个是指几个功能相关功能相关的结构基因串连的结构基因串连在一起，由共同的调控元在一起，由共同的调控元件调控件调控，转录生成一条，转录生成一条mRNA分子，可分子，可指导指导合成合成多
13、种多种蛋白质。蛋白质。原核生物基因组特点3原核生物基因组重复序列原核生物基因组重复序列较少。较少。 大多数原核生物大多数原核生物基因组没有高拷贝数的全基因组范围的重复序列。基因组没有高拷贝数的全基因组范围的重复序列。然而，可能在基因组的某处含有一些重复序列，且然而，可能在基因组的某处含有一些重复序列，且大多为转座子序列。大多为转座子序列。原核生物基因组特点4原核生物基因组结构基因多为单拷贝原核生物基因组结构基因多为单拷贝基因。基因。 原核原核生物基因组中的结构基因多为单拷贝，但编码生物基因组中的结构基因多为单拷贝，但编码rRNA的基因往往是多拷贝的，这有利于核糖体的快速组的基因往往是多拷贝的，
14、这有利于核糖体的快速组装，便于急需蛋白质的快速合成。装，便于急需蛋白质的快速合成。原核生物基因组特点5原核生物基因组多为编码基因原核生物基因组多为编码基因 。原核生物基因组原核生物基因组编码区编码区在基因组中所占的比例约为在基因组中所占的比例约为50%，非编码区主，非编码区主要是一些调控序列。原核生物基因组基本是连续的，要是一些调控序列。原核生物基因组基本是连续的，结构基因中无结构基因中无内含子内含子。原核生物基因组特点6原核生物基因组无基因原核生物基因组无基因重叠。重叠。 原核生物结构基因原核生物结构基因一般无重叠现象，这与病毒基因组是不同的。基因一般无重叠现象，这与病毒基因组是不同的。基因
15、重叠现象可见于原核生物的质粒重叠现象可见于原核生物的质粒DNA中。中。原核生物基因组特点7原核生物基因组存在可移动的原核生物基因组存在可移动的DNA序列序列 。与与真核真核生物基因组类似，原核生物基因组中存在可移动的生物基因组类似，原核生物基因组中存在可移动的DNA序列，如转座子和质粒等。序列，如转座子和质粒等。三、真核生物基因组的特点三、真核生物基因组的特点真核生物基因组包含两部分，染色体基因组和染色体真核生物基因组包含两部分，染色体基因组和染色体外基因组（线粒体或叶绿体基因组）外基因组（线粒体或叶绿体基因组）。真核生物真核生物的染色体基因组的基本结构尽管相似，但不的染色体基因组的基本结构尽
16、管相似，但不同生物的基因组大小有很大差异。最小的真核生物基同生物的基因组大小有很大差异。最小的真核生物基因组长度不到因组长度不到10Mb，最大的超过了，最大的超过了100000Mb。真核生物基因组特点1真核生物基因组较大真核生物基因组较大真核生物的基因组由多条真核生物的基因组由多条线形的染色体构成，每条染色体有一个线形的线形的染色体构成，每条染色体有一个线形的DNA分子，每个分子，每个DNA分子有多个复制起点分子有多个复制起点。真核生物真核生物中，配子（精子和卵子）基因组为单倍体，中，配子（精子和卵子）基因组为单倍体，体细胞基因组为双倍体。体细胞基因组为双倍体。真核生物基因组特点2真核生物基因为单真核生物基因为单顺反子。顺反子。真核生物的基因真核生物的基因与原核生物不同，不以操纵子结构形式存在，其结与原核生物不同，不以操纵子结构形式存在，其结构基因的转录产物为单顺反子（构基因的转录产物为单顺反子（monocistron），），即一个基因转录成一条即一个基因转录成一条mRNA，翻译成一条蛋白质，翻译成一条蛋白质多肽链。多肽链。真核生物基因组特点3真核生物基因存在大量的真核生物基因存在大量
