《原核基因與基因組》課件

原核基因與基因組課程概述課程目標(biāo)掌握原核基因組結(jié)構(gòu)與功能特點主要內(nèi)容基因組結(jié)構(gòu)、復(fù)制、表達(dá)與應(yīng)用學(xué)習(xí)方法第一部分：原核生物基因組概述3.5億年前出現(xiàn)原核生物是地球最早出現(xiàn)的生命形式1000+基因數(shù)量典型原核生物基因組含有的基因數(shù)5000+已測序原核生物基因組的定義遺傳物質(zhì)總和包含生物體全部遺傳信息的DNA分子集合DNA為主要成分由脫氧核糖核酸分子組成的遺傳物質(zhì)載體基因信息庫原核生物基因組的特點環(huán)狀雙鏈DNA形成閉合環(huán)狀結(jié)構(gòu)，沒有明顯的起點和終點單一染色體通常只有一條主要染色體，無核膜包被基因密度高基因間隔小，編碼密度大，無內(nèi)含子高效表達(dá)原核生物基因組的組成編碼區(qū)編碼蛋白質(zhì)的基因序列調(diào)控序列控制基因表達(dá)的調(diào)控元件非編碼區(qū)第二部分：原核生物基因的結(jié)構(gòu)1啟動子RNA聚合酶結(jié)合位點2編碼區(qū)包含遺傳密碼的DNA序列3終止子原核基因的基本結(jié)構(gòu)啟動子區(qū)域RNA聚合酶識別并結(jié)合的位點編碼區(qū)含有遺傳密碼的開放閱讀框終止子原核基因的啟動子-35區(qū)位于轉(zhuǎn)錄起始點上游35bp處序列通常為TTGACA與RNA聚合酶結(jié)合的第一個識別位點-10區(qū)（Pribnow盒）位于轉(zhuǎn)錄起始點上游10bp處序列通常為TATAAT原核基因的編碼區(qū)起始密碼子通常為AUG，少數(shù)為GUG或UUG開放閱讀框（ORF）不含終止密碼子的連續(xù)三聯(lián)體核苷酸序列終止密碼子原核基因的終止子Rho依賴型終止子需要Rho蛋白因子參與Rho蛋白結(jié)合新生RNA鏈通過ATP水解提供能量使聚合酶解離Rho非依賴型終止子不需要Rho蛋白參與含GC堿基對富集區(qū)和AT富集區(qū)形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致聚合酶脫落原核基因的操縱子結(jié)構(gòu)定義一組功能相關(guān)基因及其調(diào)控序列的集合1啟動子RNA聚合酶結(jié)合位點2操縱基因阻遏蛋白結(jié)合位點3結(jié)構(gòu)基因編碼蛋白質(zhì)的基因序列4經(jīng)典操縱子模型：乳糖操縱子調(diào)節(jié)基因(lacI)編碼阻遏蛋白，控制操縱子表達(dá)操縱基因(lacO)阻遏蛋白結(jié)合位點，阻斷轉(zhuǎn)錄啟動子(lacP)RNA聚合酶結(jié)合啟動轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)基因(lacZ,lacY,lacA)編碼β-半乳糖苷酶等蛋白質(zhì)第三部分：原核生物基因組的復(fù)制起始復(fù)制起點蛋白結(jié)合，DNA解鏈延伸DNA聚合酶合成新鏈終止復(fù)制終止位點，復(fù)制完成原核生物DNA復(fù)制的特點雙向復(fù)制從起點開始向兩個方向同時進(jìn)行半保留復(fù)制每條子鏈保留一條親代鏈和一條新合成鏈高度準(zhǔn)確性聚合酶具有校對功能，錯誤率低高效率復(fù)制速度快，每秒千余個核苷酸原核生物DNA復(fù)制的起始識別OriCDnaA蛋白識別復(fù)制起點蛋白質(zhì)集結(jié)引發(fā)蛋白復(fù)合物形成DNA解鏈解旋酶解開雙鏈DNA單鏈結(jié)合SSB蛋白穩(wěn)定單鏈結(jié)構(gòu)原核生物DNA復(fù)制的延伸DNA聚合酶III主要復(fù)制酶，合成新DNA鏈引物酶合成RNA引物，提供3'羥基解旋酶打開雙鏈DNA，暴露模板DNA聚合酶I去除RNA引物，填補(bǔ)缺口原核生物DNA復(fù)制的終止復(fù)制終止位點(Ter)特定的DNA序列，位于復(fù)制起點對側(cè)通常有多個終止位點組成終止區(qū)形成復(fù)制叉陷阱，阻止復(fù)制叉繼續(xù)前進(jìn)Tus蛋白的作用特異性結(jié)合Ter位點的蛋白質(zhì)單向阻斷復(fù)制叉移動確保兩個復(fù)制叉在終止區(qū)相遇第四部分：原核生物基因的表達(dá)DNA遺傳信息載體轉(zhuǎn)錄DNA→RNAmRNA信使RNA翻譯RNA→蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)功能執(zhí)行者原核生物基因表達(dá)概述中心法則DNA→RNA→蛋白質(zhì)的信息流動1表達(dá)效率轉(zhuǎn)錄與翻譯偶聯(lián)，高效表達(dá)2調(diào)控機(jī)制多層次調(diào)控確保適時適量表達(dá)3能量經(jīng)濟(jì)按需表達(dá)，避免資源浪費(fèi)4原核生物轉(zhuǎn)錄過程轉(zhuǎn)錄起始RNA聚合酶結(jié)合啟動子，形成開放復(fù)合物轉(zhuǎn)錄延伸RNA聚合酶沿模板鏈移動，合成RNA轉(zhuǎn)錄終止RNA聚合酶遇到終止信號，釋放新生RNA原核生物翻譯過程起始起始因子、起始tRNA與小核糖體亞基結(jié)合mRNA延伸氨酰tRNA帶來氨基酸，肽鍵形成，肽鏈延長終止遇終止密碼子，釋放因子結(jié)合，肽鏈釋放循環(huán)核糖體解離，各組分循環(huán)利用原核生物基因表達(dá)的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后調(diào)控mRNA穩(wěn)定性和降解調(diào)控翻譯水平調(diào)控控制蛋白質(zhì)的合成效率轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控最主要調(diào)控方式，決定基因表達(dá)開關(guān)負(fù)調(diào)控模型無誘導(dǎo)物狀態(tài)阻遏蛋白活性形式結(jié)合操縱子區(qū)域阻止RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄基因表達(dá)被抑制有誘導(dǎo)物狀態(tài)誘導(dǎo)物（如乳糖）存在與阻遏蛋白結(jié)合改變阻遏蛋白構(gòu)象無法結(jié)合操縱子RNA聚合酶可以轉(zhuǎn)錄正調(diào)控模型葡萄糖缺乏細(xì)胞內(nèi)cAMP水平升高1CAP-cAMP復(fù)合物cAMP與CAP蛋白結(jié)合形成活性復(fù)合物2結(jié)合DNA復(fù)合物結(jié)合啟動子上游特定序列3轉(zhuǎn)錄激活促進(jìn)RNA聚合酶結(jié)合，激活轉(zhuǎn)錄4衰減調(diào)控前導(dǎo)序列操縱子上游含調(diào)控密碼子的短序列阻遏肽前導(dǎo)序列編碼小肽，含多個調(diào)控氨基酸二級結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換tRNA可用性影響mRNA折疊方式轉(zhuǎn)錄終止決定不同結(jié)構(gòu)決定轉(zhuǎn)錄是終止還是繼續(xù)第五部分：原核生物基因組的可塑性原核生物基因組的可塑性概述定義基因組結(jié)構(gòu)和內(nèi)容發(fā)生變化的能力重要性促進(jìn)物種適應(yīng)環(huán)境變化與進(jìn)化機(jī)制多樣性包括突變、重組、水平轉(zhuǎn)移等多種方式基因突變點突變單個堿基對的改變替換：一個堿基被另一個取代轉(zhuǎn)換：嘌呤互換或嘧啶互換顛換：嘌呤與嘧啶互換框移突變堿基的插入或缺失插入：額外堿基添加到序列中缺失：序列中堿基的丟失影響：改變閱讀框，影響大范圍氨基酸基因重組1同源重組相似序列間DNA片段交換2位點特異性重組特定序列位點介導(dǎo)的DNA重排3非同源末端連接非相似DNA片段直接連接修復(fù)水平基因轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化裸露DNA直接被細(xì)胞攝取并整合到基因組接合細(xì)胞間形成物理連接，直接傳遞DNA轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體作為載體攜帶細(xì)菌DNA傳遞轉(zhuǎn)座子IS元件簡單插入序列僅含轉(zhuǎn)座酶基因兩端有反向重復(fù)序列可自主轉(zhuǎn)座Tn元件復(fù)合轉(zhuǎn)座子含轉(zhuǎn)座酶和其他功能基因如抗生素抗性基因可攜帶基因在基因組間移動第六部分：原核生物基因組學(xué)研究方法測序技術(shù)快速解讀基因組DNA序列數(shù)據(jù)分析組裝、注釋和比較基因組功能驗證實驗確認(rèn)基因功能與表達(dá)基因組測序技術(shù)第一代：Sanger測序雙脫氧鏈終止法，讀長長但通量低第二代：高通量測序如Illumina，短讀長但通量高，成本低3第三代：單分子測序如PacBio和OxfordNanopore，超長讀長基因組組裝讀段獲取測序獲得大量短DNA片段重疊識別尋找片段間重疊區(qū)域拼接延伸將重疊片段拼接成長序列閉合完成形成完整環(huán)狀染色體基因注釋結(jié)構(gòu)注釋確定基因組中的基因位置識別編碼區(qū)（CDS）鑒定非編碼RNA基因確定基因起始和終止位點功能注釋預(yù)測基因產(chǎn)物的功能通過同源性分析推斷功能鑒定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域確定代謝通路和功能類別比較基因組學(xué)1234定義比較不同物種基因組結(jié)構(gòu)與功能的學(xué)科核心基因組所有菌株共有的基因集合泛基因組所有菌株基因的總和可變基因組部分菌株特有的基因集合基因組進(jìn)化分析系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建基于保守基因序列推斷進(jìn)化關(guān)系分子鐘分析根據(jù)序列變異速率估算分歧時間全基因組比對分析基因組重排與結(jié)構(gòu)變異選擇壓力分析確定基因進(jìn)化方向與速率第七部分：原核生物基因組的應(yīng)用基礎(chǔ)研究揭示生命本質(zhì)與進(jìn)化規(guī)律工業(yè)生產(chǎn)改造微生物合成有用物質(zhì)醫(yī)學(xué)應(yīng)用疾病診斷、疫苗與藥物研發(fā)環(huán)境保護(hù)污染治理與生態(tài)修復(fù)基因工程基因分離提取目標(biāo)基因載體構(gòu)建目標(biāo)基因與載體連接轉(zhuǎn)化宿主重組DNA導(dǎo)入宿主細(xì)胞篩選表達(dá)鑒定陽性克隆并表達(dá)目標(biāo)蛋白合成生物學(xué)最小基因組確定生命所需最少基因集Mycoplasma實驗：創(chuàng)建僅含473個基因的人造細(xì)胞簡化基因組設(shè)計，提高工程改造效率人工細(xì)胞從頭合成基因組并植入細(xì)胞克雷格·文特爾團(tuán)隊成功創(chuàng)建首個合成基因組細(xì)胞為設(shè)計定制化合成生物體奠定基礎(chǔ)代謝工程通路分析確定目標(biāo)產(chǎn)物合成途徑基因改造修飾關(guān)鍵酶基因通路優(yōu)化增強(qiáng)目標(biāo)產(chǎn)物合成副反應(yīng)抑制降低副產(chǎn)物形成環(huán)境微生物學(xué)生物修復(fù)利用微生物降解環(huán)境污染物環(huán)境監(jiān)測微生物指示環(huán)境健康狀況群落分析研究微生物群落結(jié)構(gòu)與功能資源開發(fā)發(fā)掘環(huán)境微生物新功能與產(chǎn)品病原微生物學(xué)病原體鑒定基于基因組快速準(zhǔn)確識別病原微生物疫苗開發(fā)篩選保護(hù)性抗原基因，設(shè)計新型疫苗耐藥性研究分析耐藥基因傳播機(jī)制，應(yīng)對抗生素危機(jī)流行病學(xué)溯源追蹤疾病傳播鏈，支持疫情防控第八部分：原核生物基因組研究前沿單細(xì)胞基因組學(xué)技術(shù)原理單細(xì)胞分離與捕獲全基因組擴(kuò)增高通量測序生物信息學(xué)分析應(yīng)用前景研究不可培養(yǎng)微生物揭示微生物群落異質(zhì)性追蹤病原體進(jìn)化發(fā)現(xiàn)新物種與新基因表觀基因組學(xué)DNA甲基化保護(hù)宿主DNA免受限制酶切割限制修飾系統(tǒng)防御外源DNA入侵的重要機(jī)制CRISPR-Cas系統(tǒng)細(xì)菌獲得性免疫系統(tǒng)蛋白質(zhì)修飾調(diào)控基因表達(dá)的附加層次功能基因組學(xué)代謝組學(xué)細(xì)胞代謝產(chǎn)物全景圖蛋白質(zhì)組學(xué)全細(xì)胞蛋白質(zhì)表達(dá)譜轉(zhuǎn)錄組學(xué)基因表達(dá)全局調(diào)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)生物學(xué)數(shù)據(jù)收集多組學(xué)數(shù)據(jù)整合1網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建代謝與調(diào)控網(wǎng)絡(luò)分析2模型開發(fā)計算模型預(yù)測細(xì)胞行為3實驗驗證驗證模型預(yù)測結(jié)果4合成基因組學(xué)1基因組設(shè)計計算機(jī)輔助設(shè)計人工基因組2DNA合成化學(xué)方法合成DNA片段3片段組裝將小片段組裝成染色體4基因組移植將合成基因組導(dǎo)入受體細(xì)胞第九部分：原核生物基因組研究的倫理問題生物安全防止危險微生物泄漏知識產(chǎn)權(quán)基因組數(shù)據(jù)的所有權(quán)與共享倫理考量人工生命創(chuàng)造的邊界與規(guī)范生物安全實驗室安全分級管理系統(tǒng)確保實驗安全進(jìn)行生物防護(hù)防止危險生物體泄漏與濫用環(huán)境風(fēng)險評估評估基因工程生物對生態(tài)系統(tǒng)潛在影響法規(guī)監(jiān)管建立完善的安全管理法規(guī)體系知識產(chǎn)權(quán)專利保護(hù)基因序列與應(yīng)用技術(shù)的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)數(shù)據(jù)共享促進(jìn)基因組數(shù)據(jù)公開與科學(xué)進(jìn)步生物資源獲取確保資源獲取的合法性與公平性惠益分享商業(yè)利用帶來的收益合理分配倫理考量生物安全風(fēng)險人工生命創(chuàng)造基因資源利用生態(tài)平衡影響社會倫理沖突第十部分：總結(jié)與展望過去成就原核基因結(jié)構(gòu)揭示與表達(dá)機(jī)制解析現(xiàn)在進(jìn)展全基因組分析與多組學(xué)研究蓬勃發(fā)展未來方向合成生物學(xué)與基因組編輯技術(shù)推動革命性變革原核基因與基因組研究的主要成就基礎(chǔ)認(rèn)知闡明基因表達(dá)調(diào)控機(jī)理與DNA復(fù)制機(jī)制技術(shù)突破基因組測序技術(shù)進(jìn)步與生物信息學(xué)發(fā)展應(yīng)用成果基因工程菌株創(chuàng)制與疫苗藥物研發(fā)理論創(chuàng)新生物進(jìn)化新理論與系統(tǒng)生物學(xué)模型建立原核基因與基因組研究面臨的挑戰(zhàn)30%不可培養(yǎng)環(huán)境微生物不可培養(yǎng)比例高100萬+未知基因基因組中功能未知基因數(shù)量12小時更新速度耐藥細(xì)菌可在短時