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第三章 基因组的结构与功能

第三章 基因组的结构与功能. 孙 健. 概念. 基因 （ gene ）：核酸分子中储存遗传信息的遗传单位。即储存有功能的蛋白质多肽链或 RNA 序列信息及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列 。 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。. Genome data for plant and animal species. 概念. 基因组学 （ genomics ）：发展和应用 DNA 制图、测序技术，及计算机程序分析生命体全部基因组结构及功能的科学。包括：结构基因组学、功能基因组学、比较基因组学三个亚领域. 第一节 病毒基因组.

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第三章 基因组的结构与功能

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  1. 第三章基因组的结构与功能 孙 健

  2. 概念 • 基因（gene）：核酸分子中储存遗传信息的遗传单位。即储存有功能的蛋白质多肽链或RNA序列信息及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列。 • 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。

  3. Genome data for plant and animal species

  4. 概念 • 基因组学（genomics）：发展和应用DNA制图、测序技术，及计算机程序分析生命体全部基因组结构及功能的科学。包括：结构基因组学、功能基因组学、比较基因组学三个亚领域

  5. 第一节 病毒基因组 • 病毒基因组核酸的主要类型 • 病毒基因组结构与功能的特点 • 典型病毒基因组介绍

  6. 一 病毒基因组核酸的主要类型

  7. 二 病毒基因组结构与功能的特点 1.不同病毒基因组大小相差较大 2.不同病毒基因组可以是不同种类、结构的核酸 3.病毒基因组有连续的也有不连续的 有些RNA病毒为不连续的片段 4.编码序列大于90%

  8. 二 病毒基因组结构与功能的特点 5.单倍体基因组 除逆转录病毒外 6.基因有连续的和间断的 7.相关基因丛集 转录出多顺反子mRNA 8.基因重叠 9.病毒基因组含有不规则结构基因

  9. 三 典型病毒基因组介绍 • SV40病毒基因组 • 乙型肝炎病毒基因组 • 脊髓灰质炎病毒基因组 • 逆转录病毒

  10. 1.SV40病毒基因组 • 核酸类型： 5243bp双链环状DNA，以DNA复制完成基因组的复制 • 结构特点：含早期转录基因和晚期转录基因，转录区之间是调控区（约400bp） • 转录基因：早期转录基因和晚期转录基因大约等长，转录方向相反，以不同的DNA链为模板

  11. T7 SV40 phage structure and assembly DNA metabolism Early Early Late VP1, 2, 3 T, t DNA synthesis virions Regulate transcription DNA Viruses Temporally Regulate their Gene Expressio • Early genes: expressed prior to the onset of viral DNA replication • Late genes: expressed following the onset of viral DNA replication Early and Late genes are usually clustered, which facilitates their coordinate regulation

  12. [Immediate Early] Early DNA Synthesis Late Regulatory Viral structural proteins Mobilize host replication machinery • Induce cells to enter S phase Other functions • Repress viral Early gene expression • Inhibit Apoptosis and (some) Host Functions • Thwart Immune System DNA Virus Transcriptional Cascad Initiate vDNA synthesis Activate viral gene expression

  13. Early genes DNA replication Late genes Early: Regulatory proteins (T, t) Transcription, Replication initiation Multifunctional Intergenic Control Region Location of replication origin (ORI) Replication is bidirectional (Danna & Nathans expt.) SV40 Genome: Circular dsDNA Temporal Expression Cascade Late: Structural proteins (VP1, VP2, VP3) • ORI = unique • Termination 180o from ori - opposite side of circle where replication forks meet From Flint et al. Principles of Virology (2000), ASM Press

  14. Only 2 promoters: E(arly) & L(ate) E & L mRNAs divergently transcribed from ORI mRNAs: alternative splicing by host enzymes T represses its own synthesis Activates Late gene expression Regulates switch from Early to Late transcription SV40 Transcription E & L proteins encoded on opposite DNA strands From Flint et al. Principles of Virology (2000), ASM Press

  15. F A E Digest with HindIII tsB Run on agarose gel C F ori A D B B C E Restriction enzymes provide physical map of genome A D E F tsC C ori D tsA B SV40 Physical and Genetic Maps are Co-linear (Based on Lai & Nathans (1975) Virology 66:70) tsA, tsB, tsC = temperature sensitive mutants that genetically complement each other

  16. 2.乙型肝炎病毒基因组 • 带有部分单链区的环状双链DNA分子， 长链为负股，长3.2kb；短链为正股，在不同的分子中长度不同 • 两链5′端250b互补成粘末端 • 以负股DNA为模板转录的RNA有4个ORF，分别称为S、C、P、 X，其中P区域与其它三个ORF重叠

  17. 乙型肝炎病毒基因组结构和功能 • S区：编码病毒的外膜蛋白，由S基因、前S1区（pre-S1）、前S2区段（pre-S2）构成 • 主要蛋白:即S蛋白（HBsAg） ，226个a.a. ，由S基因编码， • 中蛋白:由pre-S2 和S基因编码，281个a.a. • 大蛋白:由pre-S1 、pre-S2 和S基因编码

  18. 乙型肝炎病毒基因组结构和功能 • C区段：编码核心抗原（HBcAg），羧基端富Arg水解后转变为分泌性e抗原（HBeAg） • P区段：编码DNA聚合酶，是依赖RNA的DNA聚合酶（逆转录酶） • X区段：X蛋白功能尚不十分清楚，可能是反式激活因子

  19. HBV基因组的结构和转录图谱

  20. Hepatitis B Virus (HBV) Cauliflower Mosaic Virus (CaMV) • Relaxed dsDNA circle: • HBV: 1 complete (–) and 1 incomplete (+) strand • CaMV: 2 complete strands with discontinuities • (2 in + strand, 1 in – strand) Circle maintained by overlapping (redundant) 5’ ends • Polymerase (RT/RNase H) in virus particle • HBV: Covalently attached to 5’ end of –DNA strand RNA sequence(s) at 5’-end(s) of + strand Structural anomalies are ‘hallmarks’ of replication strategy dsDNA mRNA dsDNA Hepadnaviruses and Caulimoviruses: DNA Genomes Reverse Transcribed from a +RNA Template From Flint et al. Principles of Virology (2000), ASM Press

  21. Viral DNA normally not integrated No IN Covalently closed episomal form persists Host pol II transcribes (+)mRNA 3.5 kb pregenomic cytoplasm Subviral (SVP) particle forms RT synthesis of vDNA in SVP Core particles recycle to nucleus (early)or bud into ER (late, high viral gp) • vDNA only made by RT reaction! Hepadnavirus Replication From Flint et al. Principles of Virology (2000), ASM Press

  22. 3.脊髓灰质炎病毒基因组 • 单链正股RNA病毒， RNA病毒含由3′端polyA尾，没有5′帽子 • 实际是一条mRNA链，编码7种蛋白质，各基因的编码区之间无间隔序列，使正股RNA编码一条多肽链，称多蛋白质（polyprotein）

  23. 3.脊髓灰质炎病毒基因组 • 多蛋白质 P1 P2 P3 VP1、VP2、VP3和VP4 VPg、蛋白酶和RNA复制酶 （壳蛋白） 小片段

  24. 4.逆转录病毒（retroviruses） （1）逆转录病毒基因组的一般特征 • 二倍体基因组的正股RNA类似真核生物mRNA，病毒颗粒中还含两条来自宿主细胞的tRNA。 5′帽-R-U5-PB--DLS-ψ- gag-pol-env-(onc)-C-PB+-U3-R-poly(A)n • 编码区：含三个结构基因gag、pol、env

  25. 病毒核心 结构蛋白 反转录酶 外壳糖蛋白 癌基因 RSV

  26. 非编码区 • R区：重复序列，在逆转录合成cDNA过程中起作用 • 引物结合区（primer binding, PB）：与宿主的某种 tRNA互补 • U区：U3含强启动子，起始转录RNA，U5与转录终止和加 polyA有关 • DLS：两条病毒RNA链以氢键结合的位点；Ψ：包装信号；C区：调控区

  27. （2）前病毒基因组的转录和翻译 • 逆转录病毒基因组的复制和转录都需要经过DNA中间体才能完成，这种DNA中间体称为前病毒（provirus） • 逆转录后产生的cDNA末端形成U3-R-U5，称为LTR U3-R-U5-PB--DLS-ψ- gag-pol-env-(onc)-C-PB+-U3-R-U5

  28. （3）人类免疫缺陷病毒基因组 • human immunodeficiency virus, HIV 逆转录病毒的一种，HIV-1长约9.3kb，HIV-2长约9.7kb。还含有至少6个调控基因，编码调控因子 • tat 反式激活蛋白 • rev 对tat、 rev、 nef 负调控，对其它正调控 • nef Nef 是多功能蛋白质 • vif 编码病毒感染因子 • vpu ( HIV-1 )/vpx( HIV-2 ) • vpr Vpr激活病毒基因和细胞基因的表达

  29. HIV

  30. 第二节 原核生物基因组 • 原核生物基因组结构和功能的特点 • 质粒 • 转位因子 • 原核生物基因组研究及意义

  31. 一 原核生物基因组结构和功能的特点 1. 通常仅有一条环状双链DNA分子组成 2.只有一个复制起点 3.具有操纵子结构 4.编码序列一般不重叠 5.基因是连续的

  32. 一 原核生物基因组结构和功能的特点 6.编码区在基因组中所占比例约为50% 7.基因组中重复序列很少 8.有编码同工酶的基因（isogene） 9.存在可移动的DNA序列，包括插入序列和转座子 10.具有多种功能的识别区

  33. 二质粒(plasmid) • 质粒是细菌细胞内携带的染色体外的共价闭合的环状DNA分子，能独立进行复制。 • 只有在宿主细胞内才能复制 • 可以赋予宿主细胞特定的遗传性状

  34. 质粒的遗传控制 • 复制调控系统：控制质粒的拷贝数。由复制起点、rep基因和cop基因构成 • 分配系统：使质粒在细菌分裂过程中精确分配到子细胞中 • 细胞分裂控制系统：能抑制细胞分裂，使细胞分裂与质粒复制协调

  35. 质粒的遗传控制 • 位点特异重组系统：控制高拷贝质粒在菌体中有形成多聚体，使其在分裂时拆开成单体，而向子代细胞平均分配 • 质粒的不相容性：具有相同复制起始位点和分配区的两种质粒不能共存与一个宿主菌

  36. 质粒的类型 • 接合型质粒、可移动型质粒和自传递型质粒 • 严谨型质粒（stringent plasmid）、松弛型质粒(relaxed plasmid) • 窄宿主谱及广宿主谱质粒

  37. 三 转位因子(transposable element) • 即可移动的基因成分，指能够在一个DNA分子内部或两个DNA分子之间移动的DNA片段 • 是DNA重组的一种形式 • 细菌中指在质粒和染色体间、质粒和质粒间移动的DNA片段

  38. （一）转位因子的类型及特征 • 插入序列（insertion sequence, IS）一类较小的没有表型效应的转位因子，长约700-2000bp，由一个转位酶基因及两侧的反向重复序列（IR）组成 • 可转座的噬菌体(transposable phage) 一类具有转座功能的溶源性噬菌体

  39. 转座子(Transposon, Tn) 一类较大的转座成分，至少带有一个与转座作用无关并决定宿主菌遗传性状的基因。含转座酶 • 复合型Tn：由一个基因序列及两侧臂（IS序列或类IS序列）构成 • TnA族Tn：两端有重复序列，中间有与Tn功能相关的基因及抗生素抗性基因 • 接合型Tn：G+菌中存在的一类可以在不同细菌间通过接合进行转移的Tn

  40. （二）转位作用的机制 1.简单转座(Cut & Paste Model)（单纯转座） • 转座酶错位切开靶位点和转座成分 • 没有复制过程，第二次错位切割供体DNA和转座子完全分离 • 在供体DNA上留下缺口

  41. 2.复制性转座(有内解离区或res位点) • 转座酶和内切酶分别在转座成分和靶点序列进行单链酶切 • 连接断端 • 复制 • 形成‘共整合体’，由解离酶作用于内解离区， 转座完成

  42. 转座作用机制

  43. 四 原核生物基因组研究及意义 • 更好的了解病原微生物的治病机理 • 加快致病微生物致病基因的发现 • 提高临床诊断的效率和准确性 • 筛选有效药物及发展疫苗

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