医学分子生物学-基因组
医学分子生物学
第二章基因组的结构和功能一、名词解释基因组（genome）：细胞或生物体中，一套完整单倍体的遗传物质的总和。
如真核细胞基因组包含细胞核染色质DNA及线粒体DNA，原核细胞基因组包含染色体DNA和质粒DNA。
质粒(plasmid)：细菌细胞内的、染色体外的DNA分子，是共价闭合的环状DNA分子，能够独立于细胞的染色质DNA进行复制。
假基因(pesudogene)：与有功能的基因同源，但不能产生有功能的基因产物的基因。
卫星DNA(satellite DNA)：是基因组中的一种高度重复序列，其重复单位一般由2~10bp 组成，成串排列，具有调节基因的复制和转录等功能。
单拷贝序列(singe copy sequence)：在整个基因组只出现一次或很少的几次，绝大多数真核生物蛋白质的编码及因的单拷贝序列。
二、简答题1 原核生物染色体中结构基因的特点是什么？（1）编码的连续性（2）编码序列的不重叠性（3）重复序列很少（4）多为单拷贝基因在基因组中所占比例较大2 简述质粒的基本特征。
（1）原核细胞中染色体外的共价闭合的环状DNA分子（2）能够独立于细胞的染色体而进行复制，并依赖于宿主细胞（3）其所带的遗传信息能赋予宿主细胞特定的遗传性状（4）在宿主菌中具有不相容性是DNA重组技术中所使用的主要载体3 真核生物染色体中结构基因的特点是什么？（1）通常为断裂基因（2）转录产物多为单顺反子RNA（3）在基因组中所占比例较小4 真核生物染色质中含有几种蛋白质？各自功能是什么？（1）真核细胞染色质中含有组蛋白和非组蛋白两类蛋白质，参与DNA的折叠和组装。
（2）组蛋白包括核心组蛋白和连接组蛋白两种。
组蛋白借助静电作用使DNA分子缠绕在其周围，形成核小体。
并具有调控基因的复制和转录的功能。
（3）非组蛋白是染色体上结合特异DNA序列的蛋白质，其功能包括：①帮助DNA分子折叠。
②协助启动DNA复制。
③控制基因转录，调节基因表达。
分子生物学与基因组学
分子生物学与基因组学在现代生物学领域，分子生物学与基因组学已经成为了热门的研究方向。
分子生物学是研究细胞、基因、蛋白质等分子结构、功能及相互作用的学科，它促进了人们对生命起源、演化和生物进化规律的深入了解，也为疾病的治疗提供了新思路。
基因组学是研究基因组的结构、功能并全面了解基因在生命过程中的调控和表达的学科，可以帮助人们了解生物的遗传信息和功能。
本文将探讨分子生物学和基因组学的发展现状和研究方法。
一、分子生物学分子生物学是研究生命机理的一门基础科学，通过研究生物分子的结构、功能和调控机制，来深入了解生命现象。
分子生物学的发展离不开对基本生物分子的了解，如核酸和蛋白质这两种生物分子是人们了解生物基本结构和功能的突破口。
1.核酸：DNA和RNADNA和RNA是细胞核酸的两种类型，它们是细胞中最为重要的分子。
DNA是包含物种遗传信息的分子，其分子结构具有双螺旋的形态，由磷酸二酯键和四种碱基组成，其作用是将遗传信息传递给下一代。
RNA则作为 DNA 模板的副本起到信息传递与表达的作用。
核酸的研究对于生物学的发展和分子生物学的进一步研究都有至关重要的作用。
2.蛋白质的结构和功能蛋白质是构成生物体的主要成分之一，是细胞代谢反应的基本催化剂。
蛋白质分子的三维结构决定了它在生物分子间相互作用的特性及各种生物过程中的协同作用。
分子生物学对蛋白质结构和功能的研究，使我们能够更好地了解生命的功能和生命产生的机制。
3.重大科学突破随着分子生物学的发展，不断有新的突破出现。
比如，由美国科学家发现的 RNA 干扰技术，是一种通过选择性地降解特定RNA 来抑制基因表达的技术。
RNA 干扰技术为人们进一步研究细胞、疾病的发生机制和治疗提供了有力的手段。
二、基因组学基因组学是一门研究整个生物基因组的学科，它包括整个基因组的组成、功能、表达、代谢和调控等方面的内容。
基因组学的研究，为深入了解与探索生物的遗传信息和功能及其规律提供了重要的研究方法和手段。
生物学中的分子生物学和基因组学
生物学中的分子生物学和基因组学生物学是一门涵盖广泛的科学学科，它研究生命体、生物和生物系统的结构、功能、演化和互动关系。
生物学的研究领域涵盖从分子到生态的各个层级。
其中，分子生物学和基因组学是研究生命体的分子组成和遗传信息的科学分支，是现代生物学研究中的核心。
一、分子生物学分子生物学是研究生命体分子水平的科学，主要关注的是生物大分子（如蛋白质、核酸、多糖等）的化学、结构和功能。
分子生物学是解析生物大分子这一复杂的生命现象的科学分支，它在分子水平上探讨生命现象，解析了细胞、生命体的构成和功能。
分子生物学的研究主要涉及三个方面：基因表达调控、蛋白质的结构和功能、和分子生物学在许多应用领域的应用。
分子生物学在人类基因组计划中起到了重要的作用，人类基因组计划旨在测序并分析人类基因组的遗传信息。
这一计划的开展，推动了分子生物学、生物信息学、基因工程等领域的发展。
通过计划，我们能够更好地了解人类自我、基因与环境的相互关系，为疾病的诊断和治疗提供了重要的依据。
分子生物学在许多生物、医学领域和实验室中发挥着重要的作用。
例如，分子生物学研究使得我们能够更好地了解疾病的病因、防治以及预防；分子生物学的应用也可以改善植物、动物和微生物的生长和发育；此外，分子生物学技术还可以应用于鉴定和检测基因、药物筛选、生物工程、遗传学等领域。
二、基因组学基因组学是研究整个基因组结构和功能的学科，主要关注在生命体中胞核所带的DNA分子。
基因组学可以指整个基因组研究领域、也可以指整个基因组的组成和功能。
基因组学是生物学研究中涉及范围最广、影响最大的一个学科。
基因组学的研究主要分为3个阶段。
首先，确定基因组的结构和组成，包括基因的数量、基因的序列、等；其次，确定基因组的功能以及基因与基因之间的相互作用，推导可以形成生物多样性的关键和机制等；最后，建立与之对应的数据库、算法等，方便学者和研究者可以有效地利用这些数据进行研究和理解。
基因组学在人类健康以及未来生物领域有非常深远的影响。
分子生物学-基因与基因组
杂交的双方是待定位的核酸和已知核酸序列，已知核酸序列称探针。
(1) 克隆基因定位法
用已克隆基因的cDNA探针与保留在杂种细胞内的人染色体DNA序列进行分子杂交,来确定克隆基因所在的染色体位置的方法。
核酸分子杂交技术
克隆基因定位法
HindⅢ酶切人基因组DNA
人白蛋白cDNA探针
人细胞
人-CHO杂种细胞
（二）基因作图的方法:
1、遗传图谱:
#2022
2、物理图谱:
作图的基本方法:
以特异DNA序列为界标所展示的染色体图,它能反映生物基因组中基因或标记间的实际距离,图上界标之间的距离是以物理长度即核苷酸对数如bp、kb、Mb等来表示的。这些特定的DNA序列可以是多态的,如RFLPs,但主要是非多态的如STS、STR、EST和特定的基因序列等。 自上而下作图(top-down mapping) 自下而上作图(bottom-up mapping)
单倍体基因组和单拷贝基因 除了retro-v外，所有的病毒基因组都是单倍体，每个基因在某个病毒颗粒中只出现一次，即只有1套基因。
节段性基因 如flu-v由6-7个片段构成，各段在天然状态下不连接，而且可以转录成6-7个片段相应的 mRNA。单独的片段没有感染性，感染要一起感染才发挥作用。
基因常常成簇排列，没有间隔序列或间隔序列很小。功能相关蛋白质基因在基因组的1个或几个特定部位，丛集成簇被转录成多顺反子，然后加工成各种蛋白质的mRNA模板。如腺病毒晚期基因。 不规则的结构基因 几个结构基因的编码区无间隔，编码区是连续的,翻译后切割成几个蛋白质.例如脊髓灰质炎病毒基因组. 有的mRNA（=gene）没有5′帽子，但有翻译增强子。如脊髓灰质炎病毒RNA 5′端没有帽子结构,但5′端有741个碱基可形成特殊的空间结构,称翻译增强子,核糖体通过结合翻译增强子而开始翻译。
医学分子生物学-2.基因与基因组-coco
非编码序列 ＞95％
59
5. 功能相关基因构成各种基因家族
核苷酸序列或编码产物的结构上具有一定程
度同源性的一组基因。家族内成员由同一个祖先 基因进化而来。
人生长激素（hGH）与绒毛膜生长催乳素（hCS）序列
真核生物基因组的结构特点
• 每一种真核生物都有一定的染色体数目 • 基因组庞大，结构复杂，多个复制起点 • 转录产物为单顺反子 • 存在大量重复序列 • 非编码序列多于编码序列 • 功能相关基因构成各种基因家族
二、原核生物基因组
以大肠杆菌（Escherichia coli）为例
染色体DNA
质粒DNA
36
（一）原核生物基因组特点
1.由一条环状双链DNA分子组成，
2.通常只有一个DNA复制起点。
OriC
4.6×106 bp
TerC 大肠杆菌染色体DNA
37
3.结构基因大多组成操纵子
掌握概念
操纵子(operon):多个功能相关的结构基因成簇 串联排列，与上游共同的调控区和下游转录终止 信号组成的基因表达单位。
单链线性RNA
双链线性DNA
双链线性RNA 单链环状DNA
2.不同病毒基因组大小相差较大
例如：痘病毒：130-375kb；HBV：3.2kb
26
3. 除逆转录病毒外，通常为单倍体基因组。
二倍体基因组
逆转录病毒基因组的复制与基因表达
逆转录病毒的复制与表达
单链线性RNA，二倍体；
有三个基本的结构基因：gag、pol、env；
2. 顺式作用元件有哪些？ 主要有启动子和上游启动子元件、增强子、 沉默子、反应元件、Poly(A)加尾信号。
第二节 基因组(genome)
分子生物学课件第01章细胞核基因组
修复机制
浓缩、交叉链接和小实验等方式依据缺陷类型进行修复源自 以保证细胞的代谢机能和生理活动。
基因组的遗传和变异
1 遗传特征
家族成员、近亲和异源性是基因组遗传和变异的核心基础。
2 遗传效应
基因型、表型和环境是遗传效应的主要因素，广泛涉及到遗传病、性状等多个领域。
3 遗传规律
孟德尔的法则是遗传学研究的重要法则，充分体现了基因组遗传和变异的规律性。
有丝分裂和减数分裂两种分裂方 式，分别构成有丝分裂和生殖细 胞生成的生殖细胞分裂。
特殊结构
染色体由线粒体DNA和一些质粒 组成，是基因组中最复杂的、最 不稳定的结构。
表现形式
不同时期、不同组织和不同物种 包括原核线性染色体、线粒体 DNA等多种类型。
突变和DNA修复
突变原因
外部因素、内部因素和生活习惯等均为DNA突变提供基 础和条件。
是细胞遗传信息的基础。
够保证DNA的遗传稳定性和持续性。
DNA的编码和表达
1 编码过程
转录是基因表达中最重要的过程，大约20%的基因编码成RNA分子。
2 表达过程
基因表达通过翻译过程将RNA分子转化为蛋白质分子，并在细胞代谢中发挥作用。
3 干扰物质
CRISPR-Cas9系统是基因编辑的新一代工具，它能够高精度、高效地通过DNA修复、切、 插入等改变细胞生物学过程。
细胞核基因组
分子生物学是研究生命现象的分子机理和过程的学科，而此课件将带您进入 细胞的“遗传基础”—细胞核基因组。在这里，我们将探讨DNA的复制、编码和 表达，以及基因组的生态学、进化学和人类学研究。
什么是细胞核基因组？
定义
一种复杂分子系统，包括DNA、 蛋白质和其他分子。
分子生物学基础第三章遗传与变异 第三节基因、基因组与基因突变
第三节 基因、基因组与基因突变
2．基因的命名 （1）用三个小写英文斜体字母表示基因的名称 （2）在三个小写英文斜体字母后面加上一个大写英文 斜体字母表示其不同的基因座，全部用正体时表示其相应 的蛋白产物和表型。 （3）对于质粒和其他染色体外成分，如果是自然产生 的质粒，用三个英文正体字母表示，第一个字母大写；但 如果是重组质粒，则在两个大写字母之前加一个p，大写 字母表示构建该质粒的研究者或单位。 （4）对果蝇基因命名的例子最繁多，特别是在发育生 物学中。对突变表型的表示用1－4个字母代表。
第三节 基因、基因组与基因突变
图3-23 化学修饰剂改变碱基的配对性质
第三节 基因、基因组与基因突变
3．诱变剂和致癌剂的检测 许多化合物需在体内经过代谢活化才有诱变作用，在 测试时可将待测物与肝提取物一起保温，使其转化，这样 可使潜在的诱变剂也能被检测出来。大肠杆菌的SOS反应 可以使处于溶源状态的λ噬菌体激活，从而裂解宿主细胞 产生噬菌斑。通常引起细菌SOS反应的化合物对高等动物 都是致癌的。Devoret根据此原理，利用溶源菌被诱导产
第三节 基因、基因组与基因突变
三、基因突变
1．基因突变的类型
基因突变有以下多种类型：碱基对置换指DNA错配碱 基在复制后被固定下来，由原来的一个碱基对被另一个碱 基对所取代，又称为点突变。碱基对置换有两种类型：即 转换是在两种嘧啶或两种嘌呤之间的互换；颠换发生在嘧 啶与嘌呤或嘌呤与嘧啶之间的互换。碱基替换通常仅发生 在一个碱基上，偶尔也有几个碱基同时被替换。转换发生 的频率一般比颠换高1倍左右。插入突变指在基因的序列 中插入了一个碱基或一段外来DNA导致的突变。例如，大 肠杆菌的噬菌体Mu-1、插入序列（IS）或转座子都可能诱 发插入突变。插入突变有两种方式：①拷贝或复制移动， 指一个位点上的序列被复制后插入到另一位点。②非拷贝 移换，DNA序列从一个位点直接移动到另一位点。
分子生物学-基因组和基因组学(二)_真题(含答案与解析)-交互
分子生物学-基因组和基因组学(二)(总分39.5, 做题时间90分钟)一、判断题1.基因组大小的增加主要是由基因的数目增加所引起的。
SSS_JUDGEMENT正确错误分值: 1答案:错误真核生物基因组大小与基因的数目不直接相关。
2.多数细胞器的基因组DNA都是环形。
SSS_JUDGEMENT正确错误分值: 1答案:正确3.双链RNA是左手螺旋。
SSS_JUDGEMENT正确错误分值: 1答案:错误与双链DNA一样，都是右手螺旋。
4.富含GC碱基对的DNA比富含AT碱基对的DNA熔点高，主要原因是GC碱基对间有三对氢键而AT碱基对间只有两对氢键。
SSS_JUDGEMENT正确错误分值: 1答案:错误主要原因是富含GC碱基A的DNA双螺旋中的碱基堆积力更高。
5.人类基因组中DNA的甲基化最主要发生在碱基G。
SSS_JUDGEMENT正确错误分值: 1答案:错误6.人类基因组DNA中编码序列所占的比例大概是50%。
SSS_JUDGEMENT正确错误分值: 1答案:错误人类基因组DNA中的非编码序列超过50%。
7.真核生物中指导蛋白质合成的结构基因大多数为非重复序列。
SSS_JUDGEMENT正确错误分值: 1答案:正确8.真核生物的所有基因都含有内含子。
SSS_JUDGEMENT正确错误分值: 1答案:错误少数真核生物的基因没有内含子。
9.A型、B型和Z型双链DNA都是右手螺旋。
SSS_JUDGEMENT正确错误分值: 1答案:错误Z型双链DNA是左手螺旋。
10.双链DNA有紫外吸收，但双链DNA变性成为单链DNA后，不再有紫外吸收。
SSS_JUDGEMENT正确错误分值: 1答案:错误单链DNA如果单链内部的配A，形成二级结构后，仍然有紫外吸收。
11.多细胞真核生物的基因组通常比单细胞真核生物的大。
SSS_JUDGEMENT正确错误分值: 1答案:正确12.线粒体的基因组DNA多数没有rRNA基因。
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基因和基因组
基因是遗传的基本单位
基因：能够表达和产生蛋白质或RNA的DNA序列，是决定 遗传性状的功能单位。
Gene: The basic unit of heredity. Contains the information for making one RNA and, in most cases, one polypeptide
多顺反子，即数个结构基因联在一起，受同一调节区调节，即具 有操纵子结构（包括功能上相关的几个蛋白质基因和一个共同的 基因调控区组成的一段DNA）
4.基因组中非编码区远多于编码区。 5.真核基因多是不连续的（断裂基因），由外显子和内含子镶嵌排
列而成。1977, Broker&Sharp RNA剪接：1993年Noble Prize 外显子(exon)不仅包括基因中编码蛋白质氨基酸的DNA顺序，而
5’
3’
结构基因没有翻译起始序列
Splicing
DNA病毒 RNA过程
HBV 基因结构
原核生物基因组
模式生物: 大肠杆菌 (E.coli)
细菌的遗传物质
Genome DNA
plasmid
Transposable element
原核生物基因组结构与功能特点*
1、为一条环状双链DNA(无典型染色体结构,拟核) 2、只有一个复制起点（Ori） 3、具有操纵子结构 4、重复序列少:绝大部分基因为单拷贝（99.7%） 5、可表达基因约50%，真核生物，病毒 6、基因一般是连续的，无内含子（古细菌除外） 7 、编码顺序一般不重叠
真核生物基因组
模式生物：酵母、线虫、果蝇、小鼠、大 鼠
真核生物基因组结构与功能特点*
1.真核生物基因组远大于原核生物基因组，结构复杂， 基因数庞大，具有多个复制起点。
2.基因组DNA与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞核内 3.真核基因为单顺反子，而细菌和病毒的结构基因为多
顺反子。
单顺反子，一个结构基因经转录和翻译生成一个mRNA分子或一条 多肽链。
且包括mRNA中的5`前导顺序和3`端非翻译顺序。 内含子(intron)则是指插入到编码序列之中的非编码序列 断裂基因的表达必须要以代表基因组顺序的RNA前体中精确地除
去内含子，产生一系列外显子组成的成熟RNA，此过程称为RNA剪 接。
hnRNA
Splicing
mRNA
6.存在大量重复序列 轻度重复：2-10 copies, 组蛋白及酵母tRNA基因 中度重复：10-105 copies,一般为非编码序列，起调控作用
结构基因:基因中编码RNA或蛋白质的DNA序列
调控序列:启动子/增强子/加尾信号
基因组(Genome)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
细胞或生物体 一套完整单倍体的遗传物质的总和。
人
（Homo Sapien）
常染色体：22 性染色体：X,Y 线粒体
基因组储存了生物体整套的遗传信息 不同生物基因组蕴含的遗传信息量有着巨大的
差别 不同生物基因组的结构与组织形似也明显不同
操纵子*
原核基因组特有的结构 数个功能上相关联的结构基因串联在一起,构
成信息区,连同其上游的调控区(包括启动子和 操纵基因)以及下游的转录终止信号所构成的 基因表达单位。 所转录的RNA为多顺反子。 操纵基因并非一个基因，而是一段能被特异阻 遏蛋白识别和结合的DNA序列。
质粒DNA*
细菌染色体外的遗传物质。共价、闭合、环状结构 的DNA分子（cccDNA），能独立复制。非细菌生 长所必须，但能赋予细菌特定的遗传性状。
C：Covalent C：Closed C: Circular Drug resistant(R), Fertility(F), Colicin(Col)
转位因子
可移动的基因成分，能够在一个DNA分子内部 或两个DNA分子之间移动的DNA片段。
在细菌中，指可在质粒和染色体之间或在质粒 和质粒之间移动的DNA片段。
¶具有不规则结构基因: 结构基因的编码区无间隔; 有些病毒的mRNA没有5’端帽结构—发卡结构的翻译增强子; 结构基因本身不具有翻译起始序列
病毒不规则结构基因 基因编码区无间隔：通过宿主及病毒本身蛋白酶酶切
Translation Protease Cleavage
5’端无帽状结构：翻译增强子
Hairpin
转位也是DNA重组的一种形式。 细菌的转位因子包括：插入序列（IS），转座
子及可转座的噬菌体
细菌转位因子
IS：转位酶+（双侧）反向重复序列 Transposon：转座酶+反向重复序列+特定编码基因
Ap Kan Tet Hg Transposable phage: 具备转座功能的溶源噬菌体
Mu噬菌体：温和致突变噬菌体
病毒基因组结构与功能的特点*
¶ 种类单一：DNA or RNA ¶ 形式多样：单链、双链、分节段、环状、线状 ¶单倍体基因组：每个基因在病毒中出现一次(特例:Retrovirus 双倍体) ¶ 大小不一：2x103----2x105bp ¶ 基因重叠：高效资源利用 ¶ 动物病毒与真核细胞基因组相似:有的含内含子—间断;细菌病毒(噬 菌体)与原核细胞基因组相似—连续 ¶ 编码基因>90%
基因组的大小
1. C值：单倍体基因组 的DNA总量
2. 对原核生物和低等 真核生物而言，单 倍体基因组DNA的 量和形态复杂性相 关
C值矛盾：指一个 有机体的C值和其 编码能力缺乏相 关性。
如：
爪蟾的基因组大小 和人类相似;
两栖类最小的基因 组和最大的基因组 之间相差约100倍
C值矛盾在进化中的原 因和机制尚不清楚
病 毒：动物病毒 原核生物：E. Coli 真核生物: 哺乳动物
病毒基因组
病毒基因组
病毒基因组核酸的主要类型
1、双链DNA 多数动物病毒，如腺病毒、疱疹病毒、痘病 毒，环形、线形。
2、单链DNA 动物病毒中仅微小病毒为单链病毒；噬菌体 中仅含单链DNA。
RNA病毒基因组所携带的遗传信息一般在同一条链上， 序列与mRNA相同的为正股（+），与mRNA互补的 为负股（－） 3、双链RNA 以负链RNA为模板转录出mRNA，如呼肠 孤病毒及噬真菌体。 4、单链负股RNA 5、单链正股RNA： 如逆转录病毒