基因结构与功能分析
微生物基因组的结构和功能分析
微生物基因组的结构和功能分析微生物是指自然界中的一类微小生物体，它们的存在和生长带来了各种生态效益，但同时也对生态环境和人类健康带来了威胁。
微生物的基因组是它们的生命和功能的基础，因此对微生物基因组的结构和功能进行深入的分析和研究对于深入认识微生物的生物学特征，以及开发针对微生物的防治策略具有重要的意义。
一、微生物基因组的结构和特征微生物基因组的结构与其他生物种类的基因组结构有所不同。
微生物基因组大小广泛分布，从几千个碱基对到数百万个碱基对不等，与其他生物基因组大小相比较小。
在基因结构上，微生物基因复杂性低于其他更高等级的生物种类，但是它们基因数量较多，存在大量的非编码DNA。
微生物基因组在组成成分上也很特殊，相较于其他生物种类基因组的蛋白编码基因，微生物的蛋白编码基因的平均长度更短，这与微生物的代谢途径和基因组大小有关，同时也可能与其适应不同环境的能力相关。
二、微生物基因组的功能分析基因组是细胞和生物体功能的基础，微生物的基因组研究也是生物学和生命科学中的重要研究方向之一。
微生物的基因组研究主要包括两个方面的内容：基因组注释和功能预测。
基因组注释是指对基因组进行解释和说明，并对其进行命名。
基因组注释需要从序列水平上对微生物基因组进行分析，包括：编码基因、RNA基因、反义基序列、转座因子和其他反复序列等。
同时还需要将微生物基因组的重要的生物学特征进行分析和评估，包括编码基因的数量和复杂度、基因组大小和损伤度、内含子和拼接位点分布的情况等等。
除了基因组注释，微生物基因组功能预测也是一个相当重要的方向。
功能预测可以通过生信技术和各种基因组学的研究手段进行。
常用的研究手段包括转录组学和蛋白质组学。
转录组学通过确定转录本的数量和位置，研究转录物在不同的时间和环境中的表达水平和功能差异。
蛋白质组学通过对基因组进行全面的分析，研究蛋白质的组成、结构和功能不仅能够更容易地了解微生物的生物学特征，也可通过蛋白结构探索利用蛋白结构优化基因工程，优化抗体工程等相关方向。
基因的结构和功能
基因歧视：基于基因信息的歧视行为，如就业、保险等方面
隐私保护：保护个人基因信息的隐私权，防止信息泄露和滥用
法律法规：各国对基因歧视和隐私保护的相关法律法规 社会影响：基因歧视和隐私保护对个人和社会的影响，如心理健康、社会公 平等
生物安全：基因技术 的滥用可能导致生物 安全问题，如基因污 染、生物恐怖主义等
相同基因的过程
基因克隆的应用：生产 转基因生物、治疗遗传
疾病等
DNA重组：通过切 割和拼接DNA片段， 改变生物的遗传特性
DNA重组的应用：生 产疫苗、开发新药等
基因编辑技术的原理：利用核酸 酶对基因进行精确切割和修改
基因编辑技术的应用：疾病治疗、 农业生产、环境保护等
基因编辑技术的优点：高效、精 确、成本低
翻译： mRNA中的 基因信息被 翻译成蛋白
质
起始密码子： 表示翻译开 始的信号
终止密码子： 表示翻译结 束的信号
tRNA：携带 氨基酸参与
翻译过程
核糖体：蛋 白质合成的
场所
转录因子：调控 基因转录的蛋白 质
转录起始位点的 选择：决定基因 转录的起始位置
转录后修饰：影 响基因转录的准 确性和效率
翻译后修饰：影 响蛋白质的活性 和功能
生物技术产业：包括基因工 程、细胞工程、酶工程、发 酵工程等，广泛应用于医药、 食品、环保等领域
生物制药：利用基因工程技术 生产药物，如抗生素、疫苗等
生物技术公司的发展：如 Amgen、Genentech等公司
的成功案例
生物技术产业的未来趋势：个 性化医疗、精准医疗、基因治
疗等
目的：测定人类基因组的DNA序列 启动时间：1990年 完成时间：2003年 意义：为个性化医疗提供基础数据，促进医学研究和疾病治疗
真核生物的基因组结构与功能分析
真核生物的基因组结构与功能分析真核生物是指在生命进化过程中逐渐形成的一类生物，其基本特征之一是存在真核细胞核。
真核生物的基因组结构较为复杂，包含多个线性染色体和一些质粒。
对基因组结构的分析与理解，对于揭示其生物功能和进化机制是至关重要的。
一、真核生物的基因组结构真核生物的基因组大小较大，同一物种不同个体之间的基因组大小存在较大的差异。
基因组大小与细胞大小和复杂度之间存在着类似关联性。
人类基因组大小约为3亿个碱基对，其中蛋白编码基因仅占大约2%。
真核生物的基因组在基本结构上与细菌大相径庭，主要包括以下几个方面。
1. 染色体染色体是真核生物中最重要、最基本的遗传物质，是基因在生物体内的物质传递介质，是遗传信息的载体。
在精细结构上，真核细胞中存在很多复杂的染色体结构，如核小体、类固醇激素受体、平衡染色体等。
2. 基因组复制真核生物的基因组复制主要包括原核生物和真核生物的不同模式，其中原核生物中存在着DNA单线复制机制，而真核生物则采用DNA复制机器进行自我复制。
与原核生物不同的是，真核生物的DNA复制机器必须满足染色体的线性特性和复杂的三维结构，包括多个酶和蛋白质。
3. 基因只读基因只读是指通过读取基因组中的基因序列，进而达到生物高效功能表达和调节的过程。
真核生物基因组的序列阅读具有高度异质性，不同物种、不同个体之间存在大量的序列差异，这在一定程度上阻碍了对真核生物的功能研究。
二、真核生物的基因组功能分析真核生物的基因组分析主要包括以下几个方面。
1. 蛋白编码基因预测蛋白编码基因是真核生物基因组的重要组成部分，对真核生物的基因组进行蛋白编码基因预测，可以揭示其生物功能和进化机制。
目前，已经建立了多种基于序列、结构、相对位置等的蛋白编码基因预测算法与工具，如Glimmer、InterProScan、Pfam等。
2. 生物信息分析真核生物的基因组分析需要大量的计算资源和分析工具，这就需要借助生物信息学的手段来实现。
基因网络的结构与功能分析
基因网络的结构与功能分析基因网络是指由多个基因及其相互作用所构成的复杂系统，是研究基因调控和生物进化的重要手段之一。
随着生物信息学技术的迅速发展，对基因网络的研究已经成为了生命科学研究的热点之一。
本文将介绍基因网络的结构与功能分析方法。
一、基因网络结构分析基因网络结构分析是研究基因网络的建模、构建和分析方法，通常包括以下步骤：1. 数据收集：基因网络的结构分析需要收集大量的基因表达数据和生物信息数据，可以使用DNA芯片、RNA测序、质谱等技术。
2. 基因网络构建：基因网络构建是基于基因表达数据和生物信息数据建立基因网络的过程。
目前常用的方法有互作蛋白质网络、共表达网络、调控网络等。
3. 基因网络可视化：基因网络的可视化能够使人们更加直观地理解基因网络的结构和特点，目前较常用的可视化软件有Cytoscape等。
4. 基因网络富集分析：基因网络富集分析可以对基因网络中某一特定功能模块的特征进行分析，例如对基因调控的功能模块分析可以揭示基因调控的关键基因和调控因子。
5. 基因网络结构分析：基因网络结构分析可以对网络的连通性、度分布、聚集系数等结构特征进行研究，分析网络中存在的小世界效应、无标度网络等特征。
二、基因网络功能分析基因网络的功能分析是根据基因网络结构研究其生物功能和生物学过程的过程。
目前较常用的基因网络功能分析方法有以下几种：1. 基因调控路径分析：基于基因网络分析调控途径，可以识别出调控因子和调控基因的关联关系，进而研究基因调控的生物过程。
2. 基因共表达网络分析：根据基因表达谱构建基因共表达网络，可以分析基因之间的相互关系，推断基因的相互作用和生物过程。
3. 基因集富集分析：基于基因网络对基因上下家路径、生物通路等进行分析和富集分析，可以揭示基因网络中存在的生物过程和功能模块。
4. 生物网络拓扑分析：分析不同生物网络的拓扑学特征，例如小世界、无标度、随机网络等，可以揭示生物网络的特殊性质和生物过程的特性。
大豆基因组结构和功能分析
大豆基因组结构和功能分析在当今科技飞速发展的时代，基因组学已成为生物科学研究的一项关键技术。
在这个领域里，大豆基因组被广泛地研究，旨在深入了解其结构与功能。
本文将以大豆基因组为例，探讨其结构和功能的分析。
一、基因组结构分析大豆基因组的大小约为1.1 Gb，在染色体中具有20个编号，其中16个种类61个染色体来自同源染色体重组后的基因组主体，另外4个染色体采用单倍型大豆用于组装所有剩余染色体序列。
大豆基因组的大小比人类和小鼠基因组都小，但其拥有的基因数是两者的两倍。
这些基因都编码着生物体的生命活动所必需的不同蛋白质。
为了更好地了解这些基因，需要对它们的结构有一定的了解。
1. 基因分布大豆基因组具有高密度的基因分布，大部分基因（约75％）集中在染色体上，其中七号染色体上的基因数密度最高。
其余基因主要分布在长串连的基因或大量的单独基因中。
因此，大豆的基因分布相当分散，而且基因间的距离差异很大。
这种基因分布结构有助于增加大豆种群的遗传多样性和对环境的适应性。
2. 基因结构大豆基因的结构主要由起始密码子、终止密码子、内含子和外显子组成。
它们的顺序和位置是确定基因间距、编码区域和非编码区域的关键因素。
基因的内含子和外显子之间存在许多不同长度的序列，以调节基因表达和注意其特定的功能。
这些序列涉及不同的转录调控元件，包括启动子、增强子、转录抑制子和小核RNA 等。
3. 基因家族大豆还拥有众多的基因家族，如转录因子家族、结构蛋白质家族、激酶和磷酸酯酶家族等。
它们分别在不同的代谢途径和生物学特征中具有不同的作用，因此这些基因家族对于大豆生长和发育具有重要的意义。
二、基因组功能分析大豆基因组在基因结构分析的基础上，进一步通过功能分析来揭示基因的生物学作用和功能机制，探索它们在代谢途径、信号传导和反应等各方面的作用。
1. 代谢途径大豆基因组分析揭示了大豆的代谢途径，如脂肪酸代谢、碳水化合物代谢、氮代谢、植酸代谢等。
这些途径涉及转录因子、代谢基因和氧化还原酶等。
(完整版)基因组的结构和功能
Alec J.Jeffreys和历史上第一张DNA指纹图谱
1802年的一副杰斐逊和莎莉的讽刺画像
（二）中度重复序列： ➢ 中度重复序列是指在基因组中重复数十次 至数万次的部分，其复性速度快于单拷贝 序列，但慢于高度重复序列。
➢中 度 重 复 序 列 中 有 一 部 分 是 编 码 rRNA 、 tRNA、组蛋白及免疫球蛋白的结构基因，另 一部分可能与基因调控有关。
➢ 是由两个相同顺序的互补拷贝在同一DNA 双链上反向排列而成。
反向重复序列的两种形式 发卡结构
回文结构
画上荷花和尚画 书临汉字翰林书
2. 卫星DNA（satellite DNA） ： ➢ 卫星DNA的重复单位一般由2～70 bp组成， 成串排列。 ➢ 卫星DNA占基因组的比例随种属而异，在 0.5～31% 范围内。
➢ 同一种属中不同个体的高度重复顺序的重复 次数不一样，这可以作为每一个体的特征， 即DNA指纹 。
➢ STR分析法已经成为法医学领域个体识别和 亲权鉴定的重要分析方法，可应用于司法案 件调查，也就是遗传指纹分析。
15-year old Lynda Mann
15-year old Dawn Ashworth
进行转录，如组蛋白基因家族；
chromosome 7源自2. 基因家族成簇地分布于不同的染色体上并分 别进行转录，且不同基因编码的蛋白质在功 能上相关，如珠蛋白基因家族。
珠蛋白多基因家族的组织结构
-类珠蛋白基因家族
chromosome 11
-类珠蛋白基因家族
chromosome 16
假基因（pseudogene）——又称为加工基因或 非功能基因。这类基因的核苷酸顺序虽然与正 常的结构基因很相似，但基本上不能表达。
基因调控元件的结构与功能分析
基因调控元件的结构与功能分析在生物界中，基因表达调控是维持生命活动过程不可缺少的一部分。
在基因表达调控中，基因调控元件（regulatory elements）起着关键的作用。
基因调控元件是一类对基因表达水平有影响的DNA序列区域，能够与特定的调控因子结合并介导基因转录或转录后调控。
基因调控元件的种类和作用非常复杂多样，了解其结构和功能对于理解生命过程中的许多现象具有重要意义。
1. 基因调控元件的结构基因调控元件包括启动子、增强子、终止子、辅助序列和转录因子结合位点等多种序列类型。
其中，启动子（Promoter）是控制基因转录启动的主要调控区域。
同一基因的启动子通常位于转录起始点的上游区域，长度通常在几百个碱基对左右，是基因表达调控中最常见和最重要的调控元件之一。
增强子（Enhancer）是一类远离启动子的远距离调控元件，通常定位在几千碱基对的范围内。
增强子的存在能够增强基因表达，使得基因在特定时间和空间范围内表达。
终止子（Terminator）是控制转录终止的序列，能够识别在转录结束时核糖体的释放。
辅助序列是一些调节基因表达的小序列，如局部的DNA甲基化、核小体结构和染色体DNA顺式让其构象的竞争等。
转录因子结合位点是能够与特定转录因子结合的DNA序列，通常位于启动子或增强子上游区域或内部。
2. 基因调控元件的功能基因调控元件是影响基因表达水平的主要因素之一，其中启动子和增强子起着至关重要的作用。
在基因表达过程中，启动子的反应时间往往比增强子要短。
启动子能够细致地调控基因表达的程度，通过其内部的特定序列结构吸引转录因子，促进基因转录的启动和进程的稳定性。
增强子相对于启动子位置较远，通过一系列转录因子介导，与启动子形成稳定的染色体环境，增强基因表达水平。
终止子的作用是控制基因表达终止，防止对形成无效蛋白表达或通过反向转录影响其他基因表达，是除了启动子和增强子以外的必要部分。
辅助序列对基因表达的调控能力相对较低，往往调节基因表达的稳定性和抵抗外部环境变化。
基因结构与功能分析的原理
1、通过序列比对预测基因功能
2、分析蛋白质结构域预测蛋白质功能
（二）生物网络研究基因的生物学功能
1、生物网络研究基因调控 2、生物网络研究信号转导 3、生物网络研究代谢途径 4、生物网络研究蛋白质相互作用
第二节 基因启动子及调控序列 结构的分析方法
基因结构与功能分析的原 理
第一节 基因结构与功能的生物 信息学分析原理
一、进行基因序列同源性比对
程序 BLASTn BLASTp查询序列 DNA 蛋白质 DNA
蛋白质
DNA
数据库类型
DNA
蛋白质
蛋白质
将核酸翻译成蛋白质，在数据库中进行蛋 白质序列比对
DNA
一、生物信息学预测启动子和转录 起始点
二、研究启动子结构的实验方法
1、启动子克隆法 2、足迹法
3、电泳迁移率变动法 4、染色质免疫沉淀法 5、利用报告基因研究启动子活性或捕获
染色质免疫沉淀法 ChIP
三、基因转录起始点的序列分析方法
1、cDNA克隆直接测序法 2、cDNA末端快速扩增技术 3、连续分析基因转录起始点
将数据库中核酸序列翻译成蛋白质序列，
然后与待搜索的蛋白质序列比对
DNA
将待搜索的和数据库的核酸翻译成蛋白质，
然后比对
二、查找和定位基因序列
1、检索/比对已知基因序列
2、检索/检索未知基因序列 3、基因序列的染色体定位
三、生物信息学预测基因功能
（一）基因功能注释
基因功能注释（Gene anotation）: 在对基因功能进行实验验证
第三节 基因拷贝数分析
第四节 基因功能分析方法
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DBTSS），并在此基础上，通过将寡核苷酸帽
法和大量平行测序技术相结合开发了一种TSS 测序法，从而实现了一次测试可产生1×107 个 TSS的数据。
三、基因启动子结构分析技术
（一）用PCR结合测序技术分析启动子结构
该方法最为简单和直接，即根据基因的启动
子序列，设计一对引物，然后以PCR法扩增启动
子，经测序分析启动子序列结构。
（二）用核酸-蛋白质相互作用技术分析启动 子结构
1. 用足迹法分析启动子中潜在的调节蛋白结合位点 足迹法（footprinting）是利用DNA电泳条带 连续性中断的图谱特点判断与蛋白质结合的DNA 区域，它是研究核酸-蛋白质相互作用的方法，而 不是专门用于研究启动子结构的方法。 分类：酶足迹法 化学足迹法
（三单， 结果准确可靠，可应用于单核 苷酸多态性位点（SNP）分析、 等位基因频率测定、细菌和病 毒等微生物的分型鉴定、CpG 甲基化分析、扫描与疾病相关 基因序列中的突变点等领域。 该方法 的 测 序 长 度一般短于 Sanger法。
（五）单分子测序技术被称为第三代测序技术
主要策略：
① 通过掺入并检测荧光标记的核苷酸，来实现单分 子测序，如单分子实时技术（single molecule real time technology，SMRT）； ② 利用DNA聚合酶在DNA合成时的天然化学方式 来实现单分子测序； ③ 直接读取单分子DNA序列信息。
–DNA序列测定 –基因转录起点及其启动子的分析 –基因编码序列的分析 –基因拷贝数及其表达产物的分析 –基因功能获得和/或缺失策略 –随机突变筛选策略
第一节 基因结构分析技术
一、基因一级结构解析技术
基因的一级结构是指脱氧核苷酸的排列 顺序，解析一级结构最精确的技术就是DNA
测序（DNA sequencing）。
用能切断DNA 骨架的化学试剂处理 DNA-蛋白质 复合物，由于化学试剂无法接近结合了蛋白质的 DNA 区域，因此在电泳上形成空白区域的位置 就是 DNA 结合蛋白的结合位点。最常用的化学
足 迹 法 是 羟 自 由 基 足 迹 法 （ hydroxyl radical
footprinting）。
2. 用电泳迁移率变动分析和染色质免疫沉淀技术鉴定 启动子 电泳迁移率变动分析（ EMSA ）和染色质免 疫沉淀（ChIP）只能确定DNA序列中含有核蛋白 结合位点，故尚需结合DNA足迹实验和 DNA测序 等技术来确定具体结合序列。
（二）用5-cDNA末端快速扩增技术鉴定TSS
常用的技术包括5-末端基因表达系列分析（5-end serial analysis of gene expression，5-SAGE）和帽分析基因表达 （cap analysis gene expression，CAGE）技术。
（三）用数据库搜索TSS
（四）循环芯片测序被称为第二代测序技术
循环芯片测序（cyclic-array sequencing）
优势： ① 可实现大规模并行化分析 ② 不需电泳，设备易于微型化 ③ 样本和试剂的消耗量降低，降低了测序成本
技术平台：454测序、Solexa测序（Illumina测序）、 SOLiD测序等。
基本流程：
二、基因转录起点分析技术
转录起点（transcription start site，TSS）
（一）用cDNA克隆直接测序法鉴定TSS
以mRNA为模板，经逆转录合成cDNA第一链，同时 利用逆转录酶的末端转移酶活性，在cDNA第一链的末端 加上polyC尾，并以此引导合成cDNA第二链。将双链 cDNA克隆于适宜载体，通过对克隆cDNA的5-末端进行测 序分析即可确定基因的TSS序列。 该方法比较简单，尤其适于对特定基因TSS的分析。 但可导致5-末端部分缺失，从而影响对TSS的序列测定。
① 将基因组DNA随机切割成为小片段DNA； ② 在所获小片段DNA分定于固体 表面； ④ 对固定片段进行克隆扩增，从而制成polony 芯片。 ⑤ 针对芯片上的DNA，利用聚合酶或连接酶进 行一系列循环反应，通过读取碱基连接到 DNA链过程中释放出的光学信号而间接确定 碱基序列。
（一）双脱氧法和化学降解法是两种常规的 DNA测序方法
Sanger双脱氧测序（dideoxy sequencing）法
Maxam-Gilbert化学降解测序法
（二）全自动激光荧光DNA测序技术的原理 基于Sanger双脱氧法
1. 四色荧光法： 采用四种不同的荧光染料标记同一引物或4种不同的 终止底物 ddNTP，最终结果均相当于赋予 DNA片段 4种不 同的颜色。因此，一个样品的 4 个反应产物可在同一个泳 道内电泳。 2. 单色荧光法： 采用单一荧光染料标记引物 5′-端或dNTP，所有产物 的5′-末端均带上了同一种荧光标记，一个样品的四个反应 必须分别进行，相应产物也必须在四个不同的泳道内电泳
生物化学与分子生物学
第二十二章
基因结构与功能分析技术
The Analysis Technology for Gene Structure and Function
人类的多种疾病都与基因的结构或功能异常 有关，因此，要阐明疾病发生的分子机制和 进行有效的诊断与防治，均需首先揭示基因 的结构与功能。
（1）用核酸酶进行足迹分析
酶 足 迹 法 （ enzymatic footprinting ） 是利用 DNA 酶处理 DNA蛋白质复合物，然后通过 电泳分析蛋白质结合序列。 常用的酶有 DNA 酶 I （ DNase I ）和核酸外切 酶III。
（2）用化学试剂进行足迹分析
化学足迹法（ chemical footprinting ）是利