01第1章 基因组2011.08.22.ppt

基因组学 (Genomics) 前 言 在人类基因组计划的影响下，分子生物学的主要目标已经从传统的单个基因的研究转向对生物整个基因组结构与功能的研究。生命科学正从全新的视角研究与探讨生长与发育、遗传与变异、结构与功能以及健康与疾病等生物学与医学基本问题的分子机理，并形成了一门新的学科分支——基因组学。基因组学研究的对象涉及原核生物和真核生物不同的种属，其所研究的内容触及到生命学科的各个领域，对生命科学的未来发展将产生重大影响。 第1章 基因组 基因组(Genome)一词是1920 年Winkles 用GENes和chromosOMEs组合而成的，用于描述生物的全部基因和染色体组成的概念。 所有生命都具有指令其生长与发育、维持其结构与功能所必需的遗传信息，生物所具有的携带遗传信息的遗传物质总和称为基因组。 1986 年美国科学家Thomas Roderick 提出了基因组学(Genomics)，指对所有基因进行基因组作图(包括遗传图谱、物理图谱、转录图谱)，核苷酸序列分析，基因定位和基因功能分析的一门科学。 1.1 遗传的分子基础 1.1.1 DNA的化学与生物学 1.1.2 RNA的化学与生物学 1.1.3 蛋白质的结构与生物学 1.2 基因组序列复杂性 1.2.1 C值与C值悖理 1.2.2 序列复杂性 1.2.3 基因组的序列组成 1.3 基因与基因家族 1.3.1 编码RNA基因 1.3.2 编码蛋白质基因 1.3.3 基因家族 1.3.4 异常结构基因 1.3.5 假基因 1.4 染色体 1.4.1 真核生物染色体 1.4.2 原核生物染色体 1.5 基因组 1.5.1 人类基因组 1.5.2 其他生物基因组 1.1 遗传的分子基础 绝大多数生物的基因组都由DNA组成； 少数病毒基因组则为RNA。 基因组的遗传信息由DNA或RNA分子中核苷酸顺序决定，它们组成独立的结构单位——基因。 基因包含的信息由特定功能的蛋白质解读，这类蛋白质附着在DNA或RNA分子的一定位置，起始一系列的生化反应合成基因的编码产物，这一过程称之为基因表达。基因表达由两个步骤组成，第一步以DNA分子为模板合成RNA拷坝，称为转录。第二步由RNA拷贝指令蛋白质的合成，称为翻译。DNA、RNA和蛋白质这三种生物有机大分子的关系如图1.1。 遗传信息在世代之间的传递是由DNA的复制完成的。复制使亲代DNA加倍，通过细胞分裂将两份相同的DNA拷贝分配到两个子代细胞中。DNA在复制时偶尔会发生突变与重组，使遗传信息发生改变，这是生命进化与生物多样性的源泉。 生命的所有现象都与DNA、RNA和蛋白质的结构与功能有关。 1.1.1 DNA的化学与生物学 核苷酸与多聚核苷酸 DNA是一种长链多聚分子，由四种核苷酸组成，这四种核苷酸可以任何次序排列连接成达数百万个核苷酸的长链分子。每个核苷酸分子都含有三个组分(图1.2)。 2-脱氧核糖(2-deoxyribose) 一种五碳糖。2-脱氧核糖系指核糖的2碳原子上连接的羟基(-OH)基团由氢原子取代。 含氮碱基(nitrogenous base) 共4种，胞嘧啶(cytosinc)和胸腺嘧啶(thymine)；腺嘌呤(adenine)和鸟嘌呤(guanine)。碱基通过β-N-糖基键(β-N-glycosidic bond) 与嘧啶环的1位氮原子和嘌呤环的9位氮原子共价连接。 磷酸基团(Phosphate groups) 磷酸基团与核糖分子的5碳原子相连。由糖分子与碱基组成的分子称为核苷(nucleoside)；加上磷酸后成为核甘酸(nucleotide)。核苷酸含有的磷酸基团可分为三类，即单磷酸、双磷酸、三磷酸。 多聚核苷酸链化学反应方向 多聚核苷酸链的化学反应只能是5→3方向，所有天然的DNA多聚酶都只执行5→3的合成(图1.3)，同样的极性也表现在以DNA为模板合成RNA拷贝的反应中。核苷酸聚合反应的方向性使双链DNA的复制复杂化。因为DNA的两条互补单链化学极性正好相反，在复制时必须采取不同的策略，即3链采取连续复制，而5链采取间断复制。 碱基配对(base-pairing) 位于2条DNA单链中的碱基可相互配对。配对只发生在腺嘌呤(A)与胸腺嘧啶(T)或鸟嘌呤(G)与胞嘧啶(C)之间，因为只有A与T和G与C配对才是最稳定的方式(图1.4)，A与T或G与C称为互补碱基对。 DNA的双螺旋结构 两条反向平行的DNA单链彼此相互缠绕组成双螺旋分子，有两种化学作用稳定双螺旋结构。 碱基堆积(base-stacking) 邻碱基对杂环之间的互作。可增加双螺旋的稳定性。 碱基配对的生物学意义是可以极