分子生物学基因组的结构与功能

分子生物学基因组的结构与功能基因与基因组基因基因是DNA分子中含有特定遗传信息的一段核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位基因的分类（按照是否具有转录以及翻译的功能）1、编码蛋白质的基因：它具有转录和翻译功能，包括编码酶和结构蛋白的结构基因以及编码阻遏蛋白的调节基因。

2、只有转录功能而没有翻译功能的基因：包括tRNA基因和rRNA基因3、不转录的基因：对基因表达起调节控制作用，包括启动基因和操纵基因。

启动基因和操纵基因有时被统称为控制基因。

有些区域的功能还不清楚。

基因组文库（genomic library）是将某种生物的全部基因（DNA）切成适当长度的片段，连接在载体上，转化到宿主细胞中而构建的克隆总体。

cDNA文库是以生物的总mRNA为模板，用逆转录酶合成互补的双链cDNA，然后连接到载体上，转化宿主细胞后构建的基因文库。

基因组（genome）基因组是指含有一个生物体生存、发育、活动和繁殖所需要的全部遗传信息的整套核酸。

基因组中不同的区域具有不同的功能，有些是编码蛋白质的结构基因，有些是复制及转录的调控信号，有些区域的功能尚不清楚。

功能基因组是指由表达基因构成的基因组；基因组结构是指不同功能区域在整个DNA分子中的分布情况1、基因组大小不同的生物体，其基因组的大小和复杂程度各不相同。

进化程度越高的生物体一般其基因组越大也越复杂。

却又不尽然，万物万物之灵的人类的单倍基因组DNA含量（haploid DNA content，C值）只有3×10 9 bp，而肺鱼的C值居然比人高10多倍。

人和肺鱼亲缘关系相去甚远，很难相互比较。

在亲缘关系相近的物种间，C值仍然相差很大，两栖类的不同物种间C值可相差100倍，被子植物不同物种间C值相差达1000倍，藻类5000倍，鱼类350倍，节肢动物250倍。

在原生动物不同物种间C值相差竟高达5800倍。

表明C值的大小并不说明遗传复杂性的高低，而只说明基因组中自私DNA(selfish DNA)的多少。

2、基因组结构基因的功能取决于DNA的一级结构，一个基因组的核酸可分为编码区和非编码区两类序列（编码区为mRNA、rRNA、tRNA以及其他各种RNA编码；非编码区又可分为信号序列和非信号序列两类）。

信号序列包括：复制起点、增强子、启动子、终止子及一切由调节蛋白识别和结合的序列；非信号序列是指间隔区（间隔区并非不含有信息，信息不表现为核苷酸的顺序，而表现为序列的长度）。

真核基因的内含子并非编码序列，但其中含有重要信息，如5’剪接位点、3’剪接位点、3’剪接位点上游20~40nt及套索中间体分枝点附近的序列，都有严格要求；其余部分含有的信息较少，不易划出明确的界线。

原核细胞由于DNA分子较小，必须充分利用有限的核苷酸序列，因此非编码序列比例很小，这也是真核基因组与原核基因组的最大区别。

DNA非编码区大都是一些大量的重复序列，这些重复序列或集中成簇，或分散在基因之间，可能在DNA复制、调控中具有重要意义，并与生物进化、种族特异性有关。

病毒基因组病毒简介病毒是最小的生命体，直径只有20~300nm。

其基本构造为一层外壳蛋白(capsid)包围着核酸和数种酶；有些病毒在外壳蛋白外还有一层由宿主细胞构成的被膜(envelope)，被膜内有病毒基因编码的糖蛋白。

病毒必需进入宿主细胞中借助细胞内的一些酶类和细胞器才能使病毒得以复制。

外壳蛋白（或被膜）有保护病毒基因组和识别、侵袭特定宿主细胞的功能。

1、病毒分类（7类）病毒的遗传物质是单链或双链的DNA或RNA。

双链DNA、单链DNA、双链RNA、正单链RNA、负单链RNA、反转录RNA及反转录DNA病毒2、病毒的结构病毒的外壳结构主要有两种：螺旋形和二十面体（烟草花叶病毒(tobacco mosaic virus，TMV)是典型的螺旋形病毒，其他大部分病毒的外壳是二十面体）3、病毒的生命周期（life cycle）1）附着(attachment)：病毒必需附着於宿主细胞的表面。

病毒的表面蛋白质能与特定的受体结合。

若宿主细胞膜具有这种特定的受体，病毒就能附着在上面。

由于病毒的表面蛋白质随种类而异，不同种类的病毒会感染不同的宿主细胞。

2）渗入(penetration)：附着于细胞似的病毒能够借助胞饮作用(endocytosis)、病毒包膜与宿主细胞膜融合(fusion)或其他机制渗入宿主细胞。

3）脱壳(uncoating)：许多病毒进入宿主细胞后即受到宿主细胞的酶或经本身的酶作用脱去外壳。

有些病毒（例如疱疹病毒）则沿细胞骨架运行至细胞核，在细胞核孔处去掉外壳。

4）复制(replication)：在宿主细胞内，病毒能复制本身的核酸和合成构成病毒的各种蛋白质，然后再组合成完整的病毒。

5）释放(release)：溶解性病毒（大多无包膜）在宿主细胞内大量复制，所产生的蛋白质会破坏宿主细胞膜，病毒就可出来感染其他细胞。

具有包膜的病毒大多利用出芽(budding)方式脱离宿主。

出芽过程中病毒可从宿主细胞膜获得所需的双脂层。

感染细菌的病毒特称为噬菌体(bacteriophage，phage)，它的生命周期有两种：溶菌性(lytic)及溶原性(lysogenic)。

溶菌性和其他溶解性病毒一样会破坏宿主细胞膜而脱离。

病毒基因组的结构特点1、不同病毒基因组大小差异较大2、病毒基因组是DNA或是RNA：每种病毒颗粒中只含有一种核酸，病毒基因组的DNA和RNA可以是单链或双链、环状或线性分子。

大多数DNA病毒的基因组是双链DNA分子；大多数RNA病毒的基因组是单链RNA分子。

3、多数RNA病毒的基因组是由连续的核糖核酸链组成，但有些病毒的基因组RNA由不连续的几条核酸链组成。

4、基因重叠：病毒基因组有基因重叠现象，即同一段DNA片段能够编码2种甚至3种蛋白质分子。

重叠基因的编码区往往与16SrRNA有短序列互补且互补区靠近起始密码子AUG处。

基因重叠使较小的基因组能够携带较多的遗传信息。

（线粒体和质粒DNA也有基因重叠现象）重叠基因的类型：一个基因包含在另一个基因里、部分重叠、两个基因只有一个碱基重叠、两个基因共用一段相同的碱基顺序，但解读框不同。

5、病毒基因组的大部分是编码蛋白质的，只有非常小的部份不被翻译6、病毒基因组DNA序列中功能相关的基因往往丛集存在，形成一个转录单元（可被一起转录成为含有多个mRNA的分子，称为多顺反子mRNA（poly cistronie mRNA），然后再加工成各种蛋白质的模板mRNA。

）7、除了反转录病毒外，病毒基因组都是单倍体，每个基因在病毒颗粒中只出现一次。

反转录病毒基因组有两个拷贝。

8、噬菌体的基因是连续的，而真核病毒的基因具有内含子。

除正链RNA病毒外，真核细胞病毒的基因都是先转录成mRNA前体，再经加工才能切除内含子成为成熟的mRNA。

（有些真核病毒的内含子或其中的一部分，对某一个基因来说是内含子，而对另一个基因却是外显子）HBV基因组的结构和功能B型肝炎病毒（hepatitis B virus, HBV）属于DNA病毒。

它的基因组DNA两股链一长一短。

因此一部分（2/3）是双链结构，另一部分只有单链。

HBV为了能在细胞内独立复制，病毒在很小的基因组中尽量容纳大量的遗传信息。

因而HBV的基因组结构显得特别精密浓缩，充分利用其遗传物质。

有基因重叠现象。

HBV只有4个基因，其中X基因是造成肝癌的主要因素。

编码的X蛋白质负责调控；S基因（surface）编码镶嵌于包膜上的蛋白质；C基因（capsid）编码构成核壳的蛋白质；P基因（polymerase）编码聚合酶。

S基因完全重叠于P基因中，X基因与P基因以及C基因与P也有重叠。

所有这些ORF都在“－”链DNA（长链）上。

1、HBV DNA的复制过程HBV DNA进入宿主细胞，“+”链DNA延伸到全长，成为完整的双螺旋DNA，以负链为模板转录出“+”链RNA，这些RNA可作为mRNA，也可作为前基因组（pregenome）和DNA pol及引物蛋白一起组装成为未成熟的病毒核心。

未成熟病毒核心以RNA反转录出全长的“-”链DNA，RNA被降解。

再以“-”链为模板合成“+”链DNA，将“-”链DNA的缺口桥联起来，这时病毒外壳已成熟。

HIV基因组的结构与功能HIV属于RNA病毒，含有双份的基因组RNA以及逆转录合成DNA的细胞tRNA引物。

在它的复制过程中，需先将RNA反转录成DNA。

所以这类的RNA病毒又称为反转录病毒(retrovirus)。

gag编码核心蛋白，pol编码逆转录酶和整合酶，env编码外壳蛋白病毒的RNA在末端有同向重复序列(Direct repeat)，紧挨5’端的是80~100nt的U5区。

在3’端前是170~1350nt的U3区。

DR 片段在将RNA逆转录为DNA时被用来产生大量的同向重复序列，这些重复序列能在线形DNA找到逆转录对于逆转录病毒的遗传具有重要作用①由于逆转录酶无DNA聚合酶那样具有校正功能，所以它是一种高度的易错过程。

逆转录病毒的基因组中可产生许多突变，并导致快速的遗传分化。

②逆转录可对促进遗传重组。

由于在每个病毒粒子中包装的两条RNA都被用作逆转录模板，所以在这两条链间便可发生重组。

由于突变可产生两条不同的RNA，重组后将产生一种在遗传学上不同于任一亲代的病毒。

原核生物基因组原核染色体基因组结构特点1、原核染色体基因组通常由一条环状双链DNA分子组成。

整个染色体DNA几乎全部由功能基因与调控序列所组成，有密码子重叠和基因重叠现象。

染色体相对聚集成一个类核（nucleoid）区域。

2、功能相关的基因构成操纵子，或高度集中。

并常转录成为多顺反子的mRNA。

几乎每个基因序列都与它所编码的蛋白质序列呈线性对应状态。

3、结构基因一般是单拷贝，但rRNA的基因往往是多拷贝（多拷贝的rRNA的基因可能有利于核糖体的快速组装，便于在急需蛋白质合成时在短时间内生成的大量核糖体）真核生物基因组真核生物基因组的特点1、基因组远大于原核生物的基因组，具有多个复制起点，而每个复制子的长度较小。

2、真核生物基因组DNA与组蛋白等构成染色质，被包裹在核膜内，核外还存在遗传成分(如线粒体DNA等)。

体细胞一般是二倍体（diploid），即有两份同源的基因组。

3、真核生物基本上不存在操纵子结构，一个结构基因转录生成一条mRNA，即mRNA是单顺反子，许多蛋白是由相同或不同的亚基构成，因此涉及多个基因的协调表达。

4、非编码区存在大量重复序列，重复序列或集中成簇，或散在分布于基因间5、基因组中不编码的区域多于编码区域。

并且，编码蛋白质的基因一般是不连续的，即有外显子和内含子，在转录后经剪接成成熟mRNA后，才能翻译成蛋白质。