复旦基因组学课件01基因组

第1章基因组1)遗传的分子基础2)基因组顺序复杂性3)基因与基因家族4)基因组遗传的分子基础1)DNA的化学与生物学2)RNA的化学与生物学3)蛋白质的结构与生物学遗传信息流—中心法则四种核苷酸DNA的结构特点1）DNA由两条具有极性的互补单链组成.2)两条互补单链走向相反.3)DNA双螺旋大小沟槽交替排列.4）碱基配对原则：A-T，C-G，A-T配对形成2对氢键，C-G配对形成3对氢键.5）每旋转一圈为10.5bp(碱基对).核苷酸的化学极性与生物学1)DNA的合成具有方向性,造成先行链与延滞链复制方式的差异;2)DNA的降解具有方向性,3’→5’和5’→3’的降解由不同的酶执行;3)遗传密码的编排具有方向性,只有正链才具有编码功能;4)导致转录的方向性.DNA双螺旋的生物学1)DNA的双螺旋使DNA的复制复杂化,必需一套解旋机制;2)DNA双螺旋的大小沟具有结构信息,许多蛋白质都与大沟结合;3)DNA双螺旋产生了环状DNA分子的拓扑学结构的变化.4)DNA双螺旋的螺距约10bp,转录因子的结合与此有关.DNA双螺旋DNA大小沟的结构信息DNA双螺旋拓扑学结构碱基配对的生物学1)遗传信息的忠实传递.2)每一种核苷酸都有二种互变异构体（tautomer），它们处在动态平衡中。例如胸腺嘧啶有二种异构体，即酮式（keto）和烯醇式（enol）胸腺嘧啶。就每个分子而言偶然会从一种异构体转为另一种异构体，胸腺嘧啶的情况是趋向于酮式异构体。如果复制叉经过某一胸腺嘧啶碱基，而后者又恰恰处在烯醇式异构体时，就会发生一次错配。因为烯醇式胸腺嘧啶更趋向于与G而不是与A配对。稀有的亚氨基腺嘌呤异构体优先与C而非与T配对，烯醇鸟嘌呤异构体优先与胸腺嘧啶配对。3)A-T键能小于G-C键能,A/T顺序更易解链,因此在需要快速解链的区域A/T碱基对比例较高,如启动子区.碱基错配的原因螺距长为10碱基对每一轮双螺旋由10碱基对组成,这一结构具有多种生物学意义:1)启动子与转录起始点位置;2)转录因子与DNA结合的位置;3)引起DNA弯曲---A/T碱基对的平面有点倾斜,G/C较平整.在周期性重复的(A/T)5-6与(G/C)4-6序列,DNA分子会发生弯曲.弯曲DNA在基因表达调控中具有重要意义.4)缠绕在核小体上的DNA碱基对的朝向.RNA的结构与生物学1)2’—OH赋予了RNA许多不同与DNA的特性,极易断裂与分解,不能形成稳定的双螺旋;2)单链RNA分子的链内配对可形成高级结构,赋予RNA分子在生命活动中担负许多重要的结构和催化功能;3)RNA的核苷酸组成中由尿嘧啶取代了DNA中的胞嘧啶,使其不能成为遗传信息的载体.RNA核苷酸单体都有2’—OHBACKRNA分子核苷酸的2’-OH1)2’-OH非常靠近连接两个核苷酸的磷酸二脂键位置，使RNA的磷酸二脂键对碱性环境变得十分敏感，即使在正常细胞内略微徧碱的pH条件下也很容易降解。2)2’-OH的化学作用使RNA构型的选择范围受到很大限制，通常RNA双螺旋区段均在数十碱基对以下。3)长链RNA增加了2’-OH与磷酸脂键互作引起分子断裂的可能,限制了RNA长度的增加，这是RNA远比DNA分子量小得多的主要原因。由于不能形成很长的多聚分子，RNA只能储存有限的遗传信息。4)2’-OH可参于同磷酸或碱基的互作从而稳定RNA分子的折叠构型，所以RNA分子比DNA分子更易形成稳定而紧凑的三级结构使RNA分子获得了某些重要的催化功能。RNA分子的不稳定性RNA分子的高极结构RNA的高级结构具有重要的生物学功能mRNA前体的剪接体中UsnRNA是催化前体Mrna断裂的主要成分.前体mRNA剪接中,需借助2’-OH进行脂键转移.7SLRNA的生物学功能-SRP结合骨架RNA分子尿苷酸的生物学RNA分子不足以担当遗传物质的大任,因为RNA分子的四种碱基分别为A,U,C和G:1)胞嘧啶脱氨基后转变为尿嘧啶.2)细胞内化学环境容易使胞嘧啶脱氨基.3)胞嘧啶脱氨基转变为尿嘧啶,尿嘧啶的氢键配对方式选择腺瞟呤而非鸟嘌呤,从而使RNA的顺序组成发生改变,影响遗传信息的传递.4)细胞中缺少修复RNA碱基突变的酶,一旦胞嘧啶脱氨基转变为尿嘧啶后,即无法更正,容易积累大量突变.胞嘧啶脱氨基变为尿嘧啶胞苷尿苷蛋白质的结构基础1)二级结构是建筑蛋白质的基石.2)蛋白质基序或模体(motif)是蛋白质功能的基础结构.3)由单个或多个基序或模体组合而成的结构域是蛋白质的相对独立的功能结构成分,是蛋白质洗牌的单元.4)蛋白质域赋予了蛋白质家族的特征.蛋白质的二级结构1)α-螺旋2)β-折叠3)转角(turn)蛋白质基序或模体在许多蛋白质中都可发现由2个或3个二级结构如α-螺旋，β-折叠和转环构成的组合，它们有特征性的序列，具有特定的功能，称为基序或模体（motif）。锌指结构（zincfinger）即是一种十分常见的蛋白质基序。锌指基序含３个二级结构：一个α-螺旋，一对反向平行的β链。在锌指基部２个位于α-螺旋的组氨酸和２个位于β链的半胱氨酸与锌指中的金属离子（锌）螯合，形成“指状”结构。指状结构可与DNA螺旋的大沟结合，与大约５个核苷酸相互作用，起到识别顺序的功能。螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix)也是一种蛋白质基序，是许多钙结合蛋白质(calcium-bindingprotein）的固有结构。基序或模体图解蛋白质创新-基序重复蛋白质域的定义蛋白质的三级结构中有一些在结构上和功能上相对独立的组成区域，如球形或纤维状结构，称为域（domain），它们介于二级结构与三级结构之间。蛋白质域可根据某些特别的结构特征来定义，如含有一些特定的氨基酸（富脯氨酸域，富甘氨酸域，酸性域）。有时亦可根据所在位置定义，如RNA多聚酶大亚基羧基端具有特别的功能，称为羧基端域（Ｃ-terminaldomain,CTD）。蛋白质域有时还可根据观测到的蛋白质某一局部结构具有的活性进行定义。例如，具有催化活性的激酶区可称为激酶域（kinasedomain），具有结合活性的区域如DNA结合域（DNA-bindingdomain）和RNA结合域，膜结合域（membrane-bindingdomain）等。功能域常由实验进行鉴定，可采用突变来分辩功能域的边界。在后续章节中将祥细讨论蛋白质模块的生物学功能。蛋白质域(domain)蛋白质结构域是蛋白质洗牌的基本单元.转录因子DNA结合域离子通道蛋白的结构及其功能域DomainstructuresofNALPsanovelproteinfamilyinvolvedininflammationJürgTschopp,FabioMartinonandKimberlyBurnsNatureReviewsMolecularCellBiology4,95-104,February2003蛋白质结构域与外显子蛋白质的构像可塑性自然状态的蛋白质常常有多种构像，蛋白质在不同构像之间的转变称为蛋白质构像变换，即蛋白质构像可塑性（proteinconformationflexibility），与蛋白质活性密切相关。当一个氧分子与血红蛋白四个亚基中的一个结合后可使珠蛋白结构发生改变，并促使整个血红蛋白构型变化，使第二个氧分子相比于第一个氧分子更容易和血红蛋白的另一个亚基结合，而它的结合会进一步促进第三个和第四个氧分子的结合。放氧的过程也具有类似的现象，一个氧分子的离去会加速另一个氧分子的离去，直到释放所有血红蛋白结合的氧分子。跨膜信号受体蛋白具有胞外信号分子结合域和胞内激酶域。在无信号分子结合时，胞内激酶域处于非活性状态。当信号分子与跨膜信号受体蛋白的胞外区结合时，可引起胞内激酶域构型的改变使之活化，并催化靶蛋白的磷酸化，使胞外信号得以向胞内转导，逐级放大。当信号分子离去，胞内激酶域的构型又回复到非活性状态。这种因构像改变促使蛋白质活性的增强或减弱，抑制或活化的现象非常普遍，是许多生化反应的结构基础。蛋白质构像可塑性的生物学意义1）跨膜信号受体蛋白在接受信号分子后的活化。2）激酶蛋白在磷酸化和去磷酸化时的活性改变。3）反馈抑制时产物与催化酶结合抑制酶的活性。4）多肽链折叠成蛋白质及蛋白质去折叠线性化。5）骨架蛋白的组装与拆卸。DNA,RNA和蛋白质的进化关系RNA的起源及其自我复制RNA世界假说的主要依据有两点:1)RNA具有催化能力,可以合成肽键;2)RNA具有复制能力,可以复制拷贝.但RNA的单体即核苷酸如何生成是一个存在争议的问题.核苷酸的合成RNA的自我复制Schemeforcross-catalyticreplicationofRNAenzymes.TheenzymeE′(gray)catalyzesligationofsubstratesAandB(black)toformtheenzymeE,whileEcatalyzesligationofA′andB′toformE′.ThetwoenzymesdissociatetoprovidecopiesofbothEandE′thateachcancatalyzeanotherreaction复制系统实际上涉及两种酶，每种酶都由两个亚基组成，每种酶都作为催化剂来装配另外一种酶。复制过程是循环的，在此过程中第一种酶和组成第二种酶的两个亚基结合，将其连接形成第二种酶的一个新副本；同时，第二种酶也对第一种酶做着同样的工作。这样，两种酶相互装配对方，用术语来说叫做交叉复制。只需要刚开始时少量的两种酶及稳定供应的亚基，交叉复制即可无限进行下去。乔伊斯说，这是生物学之外分子信息可永存的唯一案例。.见:Science.2009February,27;323(5918):1229–1232.基因组的结构特征1)C值悖理2)基因组DNA的顺序组成3)顺序复杂性4)基因与基因家族5)真核基因组与原核基因组C值悖理基因组DNA的顺序组成1)单一顺序:基因组中只有单拷贝的顺序;2)中度重顺序:拷贝数在1—10万,长度50-1000bp在基因组中分散分布;3)高度重复顺序:串接排列,拷贝数达数百万,离心时形成卫星带.不同物种基因组顺序组成什么叫基因?1)“gene”一词的出现:1905年,Johson首次提出.2)“gene”一词的中文翻译最早出自谈家桢先生.3)基因的定义(GeneticsGlossary):经典遗传学:独立的遗传单位segregatingandheritabledeterminantofthephenotype.Thefundamentalphysicalandfunctionalunitofheredity,whichcarriesinformationfromonegenerationtothenext.分子遗传学:编码与调控区AsegmentofDNA,composedofatranscribedregionandregulatorysequencesthatmakepossibletranscription.:该定义依据“AnIntroductiontoGeneticAnalysis”一书,作者为DavidT.Suzuki等.N值悖理处于不同进化阶梯,复杂性不同的生物种属所具有的基因数目与其生物结构的复杂性不成比例的现象被称为N值悖理.如结构比较简单的线虫含有的基因数为19000,比线虫更复杂的果蝇基因数为18000,水稻的基因数约50000,最复杂的人类其基因总数约24000.特殊结构基因1)重叠基因2)基因套基因(geneingene)3)反义基因4)分裂基因(由两段非连续DNA组成的基因)φX174基因组中的重叠基因人类线粒体基因组重叠基因人类和老鼠核基因组重叠基因人类INK4a/ARF基因座含两个重叠基因:p14/ARF和p16/INK4a.这两个基因分别由两个独立的启动子调控,共享外显子2和3,p14/ARF含外显子1β,p16/INK4a含外显子α.人类VLCAD和DLG4基因的重叠人类基因组中两个反相重叠的基因:VLCAD和DLG4.水稻核基因组的重叠