原核生物基因组结构和基因
原核细胞的基因结构
单链DNA
1
2
3
6
5
4
DNA聚合酶反转录酶③基因组和部分基因组(cDNA)比较
怎样从基因中得到我们所需的目的基因呢?依据：目的基因的有关信息。 如：根据基因的核苷酸序列 基因的功能 基因在染色体上的位置 基因的转录产物mRNA 基因翻译产物蛋白质等特性从基因中得到目的基因的方法基因
基因组部分基因 （如:cDNA）（1）.基录成的信使RNA为模板，反转录成互补的单链DNA，然后在酶的作用下合成双链DNA，从而获得所需的基因。
终止子：位于基因的尾端的一段特殊的DNA片断，能终止mRNA的转录
标记基因的作用是为了鉴别受体细胞中是否含有目的基因，从而将有目的基因的细胞筛选出来
载体与表达载体的区别：二者都有标记基因和复制原点两部分DNA片段。表达载体在载体基础上增加了目的基因、启动子、终止子三部分结构
01
用到的工具酶：既用到限制酶切割载体，又用到DNA连接酶将目的基因和载体拼接，两种酶作用的化学键都是磷酸二酯键
练习1：(2008理综山东卷)为扩大可耕地面积，增加粮食产量，黄河三角洲等盐碱地的开发利用备受关注。我国科学家应用耐盐基因培育出了耐盐水稻新品系。 （2）将重组DNA分子导入水稻受体细胞的常用方法有农杆菌转化法和 法。 （3）由导入目的基因的水稻细胞培养成植株需要利用 技术，该技术的核心是 和 。 （4）为了确定耐盐转基因水稻是否培育成功，既要用放射性同位素标记的 作探针进行分子杂交检测，又要用 方法从个体水平鉴定水稻植株的耐盐性。
C
练习
2）不属于质粒被选为基因运载体的理由是 A、能复制 （ ） B、有多个限制酶切点 C、具有标记基因 D、它是环状DNA
D
练习
原核生物与真核生物的基因结构
①使目的基因在受体细胞中稳定存在并
遗传给子代。
②同时使目的基因能表达和发挥作用。
IMN
2. 一个表达载体组成：
复制原点+目的基因+启动子+终止子+标记基因
（1）启动子：是一段有特殊结构的______，位于基因的_____，是 ________识别和结合的部位，能驱动基因转录出____，最终获得所 需的______。 （2）终止子：也是一段有特殊结构的_____ ，位于基因的______。 （3）标记基因的作用：是为了鉴定受体细胞中________，从而将 含有_______的细胞筛选出来。常用的标记基因是___________。 （4）复制原点：复制的起点
相同 点
原则 条件
碱基互补配对 模板、原料（dCTP、dATP、dGTP、dTTP）、能量、酶、引物等
解旋方 式
氢键在高温下断 裂，双链全部解
开
解旋酶催化氢键逐步断裂
场所
体外
主要在细胞核中
不同 点
引物 酶
DNA
热稳定DNA聚合酶
（Taq酶）
RNA 解旋酶、DNA聚合酶、DNA连接酶等
结果
在短时间内形成 大量的DNA片段
一、原核生物与真核生物的基因结构
1、原核生物基因结构
非编码区
编码区
非编码区
…A‥………ATGTGCACGTAGTTA………‥G… …T‥启…动…子 …TACACGTGCATCAAT……终…止子‥C…
编码区上游
编码蛋白质
编码区下游
调控遗传信息的表达 （调控程序）
（1）编码区和非编码区
能编码蛋白质的区段叫做编码区； 不能编码蛋白质的区段叫做非编码区， 在非编码区上有调控遗传信息表达的核苷酸序列
基因组的结构特点
5. 具有编码同工酶的不同基因。
6. 基因组编码区占50﹪左右。 7. 存在多种功能的识别区，常以反向重复序列存在。 8. 存在可移动成分。
第三章 真核生物基因组
第一节
真核生物染色体基因组
一、真核生物染色体基因组的一般特征
二、单拷贝基因
三、重复序列
四、基因家族
五、端粒和端粒酶 六、基因移动 七、果蝇基因组概述
基因转移的方式
1.细菌的接合(conjugation) 又称“细菌杂交”，是遗传物质 通过细胞间的直接接触而进行的 转移和重组。 2.细菌的转化(transformation) 受体菌直接吸收来自供体菌的 DNA片段，通过交换将其整合到 自身的基因组中，从而获得供体 菌部分遗传性状的现象。
3.转导(transduction)是以 噬菌体为媒介把细菌的基因 从一个细菌细胞转移到另一 个细菌细胞的过程。
原核生物的多顺反子
5 PPP 3
蛋白质 真核生物的单顺反子
5 mG - PPP
3
蛋白质
非编码序列 核蛋白体结合位点 编码序列 起始密码子 终止密码子
目录
三、真核生物基因组的重复序列
(一) 高度重复序列(重复次数：>1O5) (二) 中度重复序列(重复次数： 1O －1O5)
一、真核生物染色体基因组的一般特征
1. 基因组庞大
2. 线状双链DNA和二倍体
3. 非编码区远多于编码区 4. 断裂基因（split gene） 5. 存在大量重复序列
二、单拷贝基因
单拷贝基因：基因组中仅出现一次的基因
特点：
（一）单顺反子
（二）断裂基因：内含子（intron），外显子（e构成一个基
基因和基因组
Protein
Replication Replication
15
(一) 原核生物的mRNA是多顺反子mRNA
DNA Promoter Gene 1 Gene 2 Gene 3 Terminator
Transcription
mR多NA顺原反核子5生′mR物NA的1 一(p个olym2cRiNsAtr分on子3ic带m有RN几A3′)个: 结构基因T的ra遗ns传lat信ion息，利用共同的启动 子 调Pr及控ote终单in止元s 信。号，组成操纵子的基因表达
47
复制起始区（OriC）
48
大肠杆菌强启动子
TTGAC
TATAAT 转录起始
49
终止子： GC丰富区、AT丰富区
DNA 5’…GCCGCCAGTTCGGCTGGCGGCATTTT…
3’
RNA 5’…GCCGCCAGUUCGGCUGGCGGCAUUUU…
3’
U CG
U G 强终止子：有反向重复顺
OriC
0
4000K
大肠杆菌 1000K
C-Value: 4.6×106bp
3000K
2000K
TerC
大肠杆菌染色体DNA
41
(二) 结构基因大多组成操纵子
po z
y
at
promoter operator structural gene terminator
ß-galactosidase半乳糖苷酶 z ß-galactoside permease透酶 y ß-galactoside transacetylase 半乳糖苷乙酰转移酶 a
-30
-25
+1
9
➢ CAAT盒（CAAT Box）
原核生物基因组的结构特点
原核生物基因组的结构特点原核生物基因组是指原核生物（包括细菌和古菌）中的遗传物质的总和，是细胞内遗传信息的载体。
与真核生物相比，原核生物基因组具有一些独特的结构特点。
本文将从基因组大小、基因密度、基因组重复、基因组结构和基因组稳定性等方面进行探讨。
原核生物基因组的大小相对较小。
细菌的基因组大小一般在几百万到几千万碱基对之间，最小的细菌基因组仅有几十万碱基对。
古菌的基因组大小相对较大，一般在几百万到几千万碱基对之间。
与之相比，真核生物的基因组通常在几百万到几十亿碱基对之间。
原核生物基因组较小的特点主要是由于其相对简单的细胞结构和功能的限制所致。
原核生物基因组的基因密度较高。
基因密度指的是在基因组中基因的数量与基因组大小的比值。
由于原核生物基因组较小，相对较多的基因被编码在有限的基因组中，因此基因密度较高。
细菌的基因密度通常在80%以上，古菌的基因密度也较高。
而真核生物的基因密度往往较低，通常在2-3%左右。
第三，原核生物基因组存在较多的基因组重复。
基因组重复指的是基因组中出现了相同或类似序列的现象。
在原核生物基因组中，常见的重复序列包括转座子、重复序列和基因家族等。
转座子是一类能够在基因组中移动的遗传元件，其存在可以导致基因组结构的变化。
重复序列是指在基因组中存在多个重复的DNA序列，可以影响基因的表达和调控。
基因家族是指在基因组中存在多个相似的基因，这些基因通常具有相似的结构和功能。
原核生物基因组的结构较为简单。
原核生物基因组通常由一个圆形染色体组成，也可以存在线性染色体或多个染色体。
与真核生物不同，原核生物的基因组没有明显的核小体和染色体螺旋结构。
基因组中的基因通常以串联的方式排列，没有明确的染色体区域和染色体间的组织结构。
原核生物基因组的稳定性相对较低。
原核生物的基因组存在较高的突变率和重组率，容易发生基因重组、水平基因转移和基因组重排等现象。
这些变异和重组事件可以导致基因组结构的变化和基因的丢失或获得，从而影响细菌的适应性和进化。
原核生物基因
原核生物基因一、引言基因是生物体的基本遗传单位，负责编码生命活动所需的蛋白质。
原核生物是指没有核膜的一类生物，主要包括细菌、支原体、衣原体和蓝藻等。
原核生物基因的研究对于理解生命本质、探索生物进化、开发新的生物技术等方面都具有重要意义。
本文将重点介绍原核生物基因的结构、表达调控、多样性以及其他生物基因的对比等方面的内容。
二、原核生物基因结构原核生物基因通常由编码区和非编码区组成。
编码区负责编码蛋白质，由一系列连续的核苷酸组成，按照三联体密码子的方式编码氨基酸。
非编码区则是一些调控序列，如启动子、终止子等，它们参与基因的表达调控。
原核生物基因的结构相对简单，但它们却具有一些特殊的结构特征，如重叠基因、多顺反子等，这些特征与真核生物基因存在显著差异。
三、原核生物基因表达调控原核生物基因的表达调控主要涉及转录和翻译两个过程。
转录是指将DNA 中的信息转录为RNA的过程，而翻译则是将RNA中的信息翻译成蛋白质的过程。
原核生物基因的转录调控主要包括对转录起始、延伸和终止等过程的调控，而翻译调控则主要涉及对翻译起始、延伸和终止等过程的调控。
此外，原核生物基因的表达还受到环境因素的调节，如温度、pH值、营养物质等。
这些调控机制使得原核生物能够快速适应环境变化，维持生命活动。
四、原核生物基因的多样性原核生物基因具有丰富的多样性，这与其独特的进化历程和适应环境变化的能力密切相关。
原核生物基因的多样性主要体现在以下几个方面：1.物种多样性：原核生物包括许多不同的物种，如细菌、支原体、衣原体和蓝藻等，它们具有各自独特的基因组和遗传特征。
2.基因重组与变异：原核生物基因组中的基因可以通过重组和变异等方式产生遗传变异，这有助于它们适应不断变化的环境条件。
3.适应性进化：某些原核生物在特定的环境条件下能够发生适应性进化，产生新的基因和蛋白质，从而更好地适应环境变化。
4.共生与互作：某些原核生物之间存在共生或互作关系，这种关系有助于它们在特定环境下的生存和繁衍。
原核生物与真核生物的遗传物质与基因组织结构的差异
原核生物与真核生物的遗传物质与基因组织结构的差异按照细胞的结构和遗传物质在细胞内的分布可将生命有机体划分为原核生物和真核生物两大类。
噬菌体和病毒既不是原核生物也不是真核生物它们是一种超分子的亚细胞生命形式它们的遗传物质是DNA或RNA。
特征原核生物真核生物核膜无有不同染色体数目11核小体结构无有核仁无有遗传交换质粒介导单向配子融合DNA是原核生物染色体的主要组成成分含量占染色体的80以上其余为RNA和蛋白质。
原核生物的遗传物质一般为环状DNADNA存在于细胞内相对集中的区域一般称为拟核nucleoid但并无核膜包裹。
拟核当中的DNA只以裸露的核酸分子存在虽与少量蛋白质结合但不形成染色体结构。
当然它还有一些位于拟核之外的遗传物质——质粒和转座因子。
真核生物中也含有转座因子原核生物一般只有一条染色体即一个核酸分子DNA或RNA而且染色体DNA大多数以双链、共价闭和、环状的形式存在。
多少年来一直以为原核生物的单一环状染色体是区别于真核生物中的多条线状染色体的最好标志。
然而越来越多的研究证明除单一环状的染色体外有些细菌具有多条环状染色体还有些细菌具有线状染色体。
如根癌土壤杆菌含有2条染色体其中一条是长度为3.0Mb的环状染色体另一条是长度为2.1Mb的线状染色体原核细胞中含有一些DNA结合蛋白它们与DNA结合后帮助DNA进行高度折叠。
这些参与DNA折叠的蛋白质称为类组蛋白histone-like protein。
除类蛋白外DNA还与其他蛋白质相结合如与复制、转录和加工有关的蛋白质结合在一起这样其环状染色体DNA以紧密缠绕的、致密的、不规则小体形式存在该小体即是拟核。
真核生物基因组与原核生物基因组有很大的差异真核生物基因的结构、基因表达的过程、表达调控等方面都远比原核生物复杂。
真核生物和原核生物的最大差异之一是遗传物质的分布和存在状态。
原核细胞的遗传物质是以裸露DNA或RNA的形式位于拟核之中而真核细胞的遗传物质是以与组蛋白和非组蛋白相结合缠绕成多条染色体的形式集中于细胞核中。
1基因与基因组学
mRNA 前体
5′--------AAUAAA ---------- GU------- 3′
含有II类启特动异子因的子基因，基因末端保
守5′的----A--A--TAAAAUAA顺AA序-及----下---游-- GGUT或----T--富- 含3′ 区,
被mR多N聚A 3腺′端苷加酸约化2特0P0个o异lyA因(A。子)聚识合别酶，在
mRNA 5′--------AAUAAA ------AAAAAAAA 3′
多聚腺苷酸化
25
真核生物基因的结构
调控序列
结构基因
调控序列
Enhancer
promoter
CAAT box TATA box UTRexon
exon
Poly(A) 加尾信号
UTR exon
5′
response
element
20
(1)．启动子和上游启动子元件（II类）
➢ TATA盒（TATA Box）:
位于-25～-30bp，TATAAAA/TATATAT 与TFII（RNA聚合酶复合物）结合，启动 基因转录。
-30
-25
+1
21
➢ CAAT盒（CAAT Box）
位于-70～-80bp，GG C/ T CAATCT, 与CTF结合，决定启动子转录效率。
随着遗传学的发展，人类对于基因的认识逐步深入，基因 概念也随之发展。基因概念发展经过几个时期。
(1)遗传“因子” 基因的最初概念是来自孟德尔的遗传“因子”，认为生物
性状的遗传是由遗传因子所控制的，性状本身是不能遗传 的，控制性状的遗传因子才是遗传的。 1909年，丹麦学者W．L．Johannsen提出了“基因”(gene) 一词，代替了孟德尔的遗传因子，并由此形成了“颗粒遗 传”学说，认为在杂种中等位基因不融合，各自保持其独 立性，这也是孟德尔遗传规律的核心。
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• 复制后染色体的精确分配
• 目前机制不清楚 • 质粒的精确分配由Par A 和 Par B 蛋白完 成。
染色体复制与细胞分裂协同
细胞周期与染色体复制协同
• DnaA 蛋白合成的调节 • DnaA结合到oriC区启动复制 • 复制的起始可能与DnaA的最低浓度有关
• 但是细胞生长快慢不一致时， DnaA浓度确 一致，因此可能还有其他因子的辅助功能。
• 拓扑异构酶可以将复制后交联的DNA环分 开，有助于细胞分裂时DNA的平均分配。 • 如用抗生素阻止拓扑异构酶编码基因gyrA 和gyrB表达，将可能引起细胞死亡。
四 其他结合DNA的蛋白质
• • • • Hu蛋白 Hi蛋白 P蛋白 …
五、抗生素抑制细胞生长
1.抗生素阻碍前体合成
• 抑制二氢叶酸还原酶： 阻止嘌呤和嘧啶合 成 • 抑制核糖核苷酸还原酶 • 与dUMP竞争作用
• • • • • •
原核 真核 多顺反子 操纵子 单顺反子 内含子
第一节 细菌基因组结构和基因
• 细菌染色体
• 质粒 • 真核染色体
质粒(plasmids)
细菌染色体外的共价闭合环状双链DNA分子．分 6 子量约为２—100 × 10 D.携带1—100个基因, 一 个菌细胞可有一至数十个质粒。
• 细菌中的环状DNA分子通常呈负超螺旋， 负超螺旋含有自由能，可以为打开双链提 供能量。
• 唯一含有正超螺旋DNA生物是某些极端高 温（温泉）环境中的微生物，这种结构可 以防止DNA在高温中变性。
三、拓扑异构酶
• 通过切断DNA的一条或两条链中的磷酸二 酯键，然后重新缠绕和封口来更正DNA连 环数的酶。
细菌DNA： 长度：一般为：1—3mm 例 ： 大 肠 杆 菌 的 DNA 长 约 1 mm。 生长迅速的细菌在核分裂之后 细胞往往来不及分裂 , 所以细 胞中常有 2 — 4 个核，而生长 缓慢的细菌细胞中一般只有 1 — 2 个核，不在染色体复制 时期一般是单倍体。 功能：负载遗传信息。
Prokaryotic Cell
一 细菌核质体
• 细菌基因组必须经过压缩才能适应细胞容 量 • 通过DNA重复序列rep附着在核质体蛋白上 • 类似真核组蛋白
细菌拟核（nucleoid ）的突环结构
平均一个突环含 有约40 kbDNA
RNA-蛋白质核心
突环由双链DNA结 合碱性蛋白质组成
由大型环状双链DNA纤丝不规则地折叠或缠 绕而构成的无核膜、核仁的区域
(Bacillus megaterium)
二 核质体超螺旋化
• 正超螺旋 • 负超螺旋 • 通过EB结合实验可以判断螺旋情况
• 每一个结构域由一个DNA环组成，环的两 端固定在蛋白上，一旦DNA出现缺口，解 旋只能是局部的，不能传递到下一个结构 域，保证了细菌核质体的稳定。
• 每一个细菌基因组约100个左右的结构域， 每个约40Kb DNA
• Dam甲基化酶对复制起始的锁定。
• 全甲基化的oriC区能启动复制，半甲基化的 oriC区易于细胞膜结合 • 可能使复制过程等待细胞分裂进程 • 同时甲基化也能调控DnaA蛋白的合成
第三节 噬菌体
• 噬菌体（phage,bacteriophage）即原核生 物的病毒，包括噬细菌体 （bacteriophage）,噬放线菌体 （actinophage)噬蓝细菌体(cyanophage)等。 在自然界中分布广泛，有原核有原核生物 的地方就有相应的噬菌体。
ф×174噬菌体的基因结构
第二节 细菌染色体复制
• 复制起始
• 复制终止 • 终止区（ter) 复制叉双向碰头停止复制 Tus蛋白结合ter区，抑制解旋酶活性，阻止DNA B 蛋白移动，阻止复制叉移动，等待另外一个复制 叉到来。
细胞分裂与染色体复制协同
• 复制后两个子代DNA的分离
利用拓扑异构酶Ⅱ或者重组酶完成。 一条分子发生断裂，利用断口跨过另外一条 DNA分子，从而分开两条分子。
• 拓扑异构酶I催化DNA链的断裂和重新连接，每次只作用 于一条链，即催化瞬时的单链的断裂和连接，它们不需要 能量辅因子如ATP或NAD。 • 拓扑异构酶II能同时断裂并连接双股DNA链．它们通常需 要能量辅因子ATP。在拓扑异构酶II中又可以分为两个亚 类： • 一个亚类是DNA旋转酶(DNA gyrase )，其主要功能为引 入负超螺旋，在DNA复制中起十分重要的作用。迄今为止， 只有在原核生物中才发现DNA旋转酶． • 另一个亚类是转变超螺旋DNA(包括正超螺旋和负超螺旋) 成为没有超螺旋的松弛形式(relaxed form )。这一反应虽 然是热力学上有利的方向，但不知道为什么它们仍然像 DNA旋转酶一样需要ATP，这可能与恢复酶的构象有关。 这一类酶在原核生物和真核生物中都有发现。
2.抗生素阻碍核苷酸的聚合
• 类脱氧核甘酸 缺少羟基
• DNA交联 丝裂霉素C能够交联两个G
• 作用对象无原核真核区分，一般用于肿瘤 治疗
3.抗生素作用于DNA结构
• 吖啶类染料 吖啶黄、吖啶橙等
• 类胸腺嘧啶 错误插入引起错配
4.抗生素作用于旋转酶
• GyrA抑制
• GyrB抑制
六、原核生物的基因
• 基因组结构
• 重叠基因
• 重叠基因在表达时利用不同阅读框。 • 重叠基因及基因内基因的现象反映了原核 生物利用有限的遗传资源表达更多生物功 能的能力。
H G A
F
C J E D
蛋白D
丙
谷
甘
缬
蛋 终止
……GCGGAAGGAGTGATG白J
Structure of a bacterium highlighting the bacterial plasmid.
1、可以在细胞质中独立于染色体之外（即以 游离状态）存在，也可以插入到染色体上以 附加体的形式存在； 2、在细胞分裂时，可以不依赖于细菌染色体 而独立进行自我复制，也可以插入到细菌染 色体中与染色体一道进行复制； 3、质粒可以通过转化、转导、或接合作用而 由一个细胞转移到另一个细胞，使两个细胞 都成为带有质粒的细胞； 4、质粒对于细胞生存并不是必要的。