Chapter3 Structures &functions of
genome
? Virus genome
? Prokaryote Genome
? Eukaryote Genome
Virus genome
病毒基因组核酸的主要类型
1、双链 DNA 多数动物病毒，如腺病毒、
疱疹病毒、痘病毒，环形、线形。
2、单链 DNA 动物病毒中仅微小病毒为单
链病毒；噬菌体中仅含单链 DNA。
RNA病毒基因组所携带的遗传信息一般
在同一条链上，序列与 mRNA相同的为 正
股 （ +），与 mRNA互补的为 负股（ — ）
3、双链 RNA 以负链 RNA为模板转录出
mRNA如呼肠孤病毒及噬真菌体。
4、单链负股 RNA
5、单链正股 RNA,如逆转录病毒
病毒基因组结构与功能
1、不同病毒基因组大小相差较大
2、不同病毒的基因组可以是不同结构的核
酸
3、病毒基因组有连续的也有不连续的
4、病毒基因组的编码序列大于 90%
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 病毒基因组核酸序列中
功能相关的蛋白质基因往往丛集在基因
组的一个或几个特定的部位，形成 一个
功能单位或转录单元。
8,基因重叠 同一段核酸序列能够编码 2
种或 2种以上蛋白质。重叠基因虽然共用
一段核酸序列，但转录成的 mRNA链的
读框不同，产生的蛋白质分子大不相同。
SV40病毒基因组
? 动物病毒中以 SV40研究较多，由 sweet 和
Hilleman从恒河猴细胞分离。无包膜，直
径 45nm，双链环状 DNA,DNA长 5243bp。
在自然界不引起疾病和肿瘤，当大量接
种于免疫缺损动物或新生动物时，引起
肿瘤 发生。 SV40基因编码两种抗原。
? VP2和 VP3是一个基因通过 mRNA剪接形成的
不同编码产物。其序列相同，只是 N 端的长度
不同,VP3的 N端比 VP2的 N端短 1/3，它们有相
同的 C端，只是 N端编码区剪切掉的序列长短
不同。
? VP1是另外一个基因，晚期基因是一个重叠基
因。 VP1的起始密码子位于 VP2和 VP3的编码区
的内部，阅读框不同。
? VP1需要通过转录后剪接获得 5′端非编码区即
翻译起始所需的 5 ′帽子结构，因此又是一个结
构不规则的基因。
乙型肝炎病毒 （ HBV）
基因组
? 不同毒株的 HBV以负股 DNA为模板转录的
RNA均有 4 个开放阅读框架（ open reading
frame,ORF):S,C,P,X。 P与其它三个 ORF重
叠。
? S区段编码病毒的外膜蛋白，由 S基因、前 S1区
段、前 S2区段三部分组成。主要蛋白即 S蛋白
（ HBsAg) 由 S基因编码；中蛋白由 pre-S2和 S
基因编码；大蛋白由 pre-S1, pre-S2和 S基因
编码。
? C区段编码 HBV核心抗原（ HBcAg),长约
183~214个氨基酸残基。前 C（ pre-C)富含疏水
性氨基酸的密码子，其编码产物可促进 C抗原
从细胞内排到细胞外，进入血液转变成 e抗原。
若 pre-C缺失，将不会产生 e抗原，而 C抗原就
积聚于肝细胞内。
? P区段编码 DNA聚合酶，富含组氨酸为碱性蛋
白，是依赖于 RNA的 DNA聚合酶（逆转录酶）。
? X区段位于 C区段上游。
逆转录病毒（ retroviruses)
基因组的一般特征
▲ 编码区,3 个基本的结构基因
gap编码病毒衣壳蛋白； pol编码肽链内切
酶、一个逆转录酶和一个与前病毒整合
有关的酶； env编码包膜蛋白。有的含癌
基因。
5′帽 -R-U5-PB--DLS-Ψ-gap-pol-env-(onc)-C-
PB+-U3-R-poly(A)n
▲ 非编码区
（ 1） R区,两端都有,20~80个核苷酸。
（ 2）引物结合区（ primer binding site,PB):位于 5
端的 PB区引导起始负链 cDNA的合成，用 PB-表
示。
（ 3） U区：位于 R区与 PB 区之间。 U5与转录终
止和加 polyA有关,U3含强启动子，起始转录
RNA。
（ 4） DLS,Ψ和 C区。 DLS是两条病毒（ +）
RNA链以氢键相结合的位点。 Ψ为包装信号。
可使 RNA包入病毒颗粒； C区不编码蛋白质，
为调控区。
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，这种 DNA中间体称为
前病毒（ provirus) 。
? 长末端重复序列（ long termial
repeated,LTR):
U3-R-U5-PB--DLS- Ψ-gap-pol-env-(onc)-C-
PB+-U3-R-U5
人类免疫缺陷病毒（ HIV）
Genome
? HIV(human immunodeficiency virus)俗称艾滋病
毒 (AIDS)是逆转录病毒的一类，引起人类获得
性免疫缺损综合症，长约 9.3kb，除了逆转录病
毒一般的特征外，另外至少含有 6 个调控基因
如 tat,rev,nef,vif,vpu及 vpr。
? 已发现的 HIV有两种,HIVⅠ 和 HIVⅡ, HIVⅠ
从欧洲和美洲分离的毒株,致病力强,是引起全
球艾滋病流行的主要病原 ;HIV Ⅱ 毒力较弱主要
局限于西部非洲。
? nef(negative regulation factor,nef) 兼有正
负调节效应。
? vif编码病毒感染因子 (viral infectivity
factor,vif)
? vpr编码病毒蛋白 R(viral protein R)激活基
因的表达。
? vpu:HIV-1
? vpx:HIV-2
Prokaryote Genome
1、常仅由一条环状双链 DNA分子组成
2、只有一个复制起始点。
3、具有 操纵子 （ operon)结构。
4、编码顺序一般不会重叠。
5、基因是连续的，无内含子，转录后不需
剪接。
? 6、编码区在基因组中所占比例远远大于
真核基因组，小于病毒基因组。
? 7、基因组中重复序列少。一般为单拷贝，
但编码 rRNA的基因往往是多拷贝。
? 8、具有编码同工酶的基因（ isogene).
? 9、细菌基因组中存在可移动的 DNA序列，
包括插入序列和转座子。
? 10、在 DNA分子中具有多种功能的识别
区域。
质粒（ plasmid)
? 质粒是细菌细胞内携带的染色体外的 DNA分子，
是共价闭合的环状 DNA分子（ covalent closed
circular DNA cccDNA),大小在 1~200 kb,能独立
进行复制。
? 质粒“友好”地借居于宿主细胞内。靠宿主细
胞才能完成自己的复制，而质粒对宿主细胞的
生存不是必需的。
? 质粒不是单纯的寄生，所携带的遗传信息能赋
予细菌特定的遗传性状。
质粒的分类
? 按功能：
R质粒：抗药性质粒
F质粒 (fertility factor):性质粒（ sex plasmid)
可决定细菌的性别
Col质粒：大肠杆菌素质粒,合成大肠杆菌
素，杀死不含大肠杆菌素质粒的亲缘细
菌。
? 根据质粒能否在细胞间进行传递：
接合型质粒（ conjugative plasmid)：如 F质粒，雌
雄细胞通过性纤毛相互接触而结合，质粒便从
一个细胞传递给另一个细胞。
非接合型质粒：
? 按复制机理：
严紧型质粒（ stringent plasmid):即低拷贝数质粒
松弛型质粒（ relaxed plasmid):高拷贝数质粒。
质粒的特性
? 1、能自主复制。
? 2、质粒的不相容性（ incompatibility)两
种亲缘关系密切的不同质粒不能共存于
一个宿主菌。
? 3、质粒可以转移。
质粒 DNApBR322
EcoRⅠ, PstⅠ,
HindⅢ,
BamHⅠ, SalⅠ
只有一个酶切
位点，便于外
源基因的插入。
质粒 DNA的提取
? 1、细菌的培养：可加少量抗生素（如氯
霉素）抑制宿主蛋白质的合成，质粒大
量扩增。
? 2、细菌的收集和裂解：离心弃上清
? 3、质粒 DNA的分离纯化
genome
? Virus genome
? Prokaryote Genome
? Eukaryote Genome
Virus genome
病毒基因组核酸的主要类型
1、双链 DNA 多数动物病毒，如腺病毒、
疱疹病毒、痘病毒，环形、线形。
2、单链 DNA 动物病毒中仅微小病毒为单
链病毒；噬菌体中仅含单链 DNA。
RNA病毒基因组所携带的遗传信息一般
在同一条链上，序列与 mRNA相同的为 正
股 （ +），与 mRNA互补的为 负股（ — ）
3、双链 RNA 以负链 RNA为模板转录出
mRNA如呼肠孤病毒及噬真菌体。
4、单链负股 RNA
5、单链正股 RNA,如逆转录病毒
病毒基因组结构与功能
1、不同病毒基因组大小相差较大
2、不同病毒的基因组可以是不同结构的核
酸
3、病毒基因组有连续的也有不连续的
4、病毒基因组的编码序列大于 90%
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 病毒基因组核酸序列中
功能相关的蛋白质基因往往丛集在基因
组的一个或几个特定的部位，形成 一个
功能单位或转录单元。
8,基因重叠 同一段核酸序列能够编码 2
种或 2种以上蛋白质。重叠基因虽然共用
一段核酸序列，但转录成的 mRNA链的
读框不同，产生的蛋白质分子大不相同。
SV40病毒基因组
? 动物病毒中以 SV40研究较多，由 sweet 和
Hilleman从恒河猴细胞分离。无包膜，直
径 45nm，双链环状 DNA,DNA长 5243bp。
在自然界不引起疾病和肿瘤，当大量接
种于免疫缺损动物或新生动物时，引起
肿瘤 发生。 SV40基因编码两种抗原。
? VP2和 VP3是一个基因通过 mRNA剪接形成的
不同编码产物。其序列相同，只是 N 端的长度
不同,VP3的 N端比 VP2的 N端短 1/3，它们有相
同的 C端，只是 N端编码区剪切掉的序列长短
不同。
? VP1是另外一个基因，晚期基因是一个重叠基
因。 VP1的起始密码子位于 VP2和 VP3的编码区
的内部，阅读框不同。
? VP1需要通过转录后剪接获得 5′端非编码区即
翻译起始所需的 5 ′帽子结构，因此又是一个结
构不规则的基因。
乙型肝炎病毒 （ HBV）
基因组
? 不同毒株的 HBV以负股 DNA为模板转录的
RNA均有 4 个开放阅读框架（ open reading
frame,ORF):S,C,P,X。 P与其它三个 ORF重
叠。
? S区段编码病毒的外膜蛋白，由 S基因、前 S1区
段、前 S2区段三部分组成。主要蛋白即 S蛋白
（ HBsAg) 由 S基因编码；中蛋白由 pre-S2和 S
基因编码；大蛋白由 pre-S1, pre-S2和 S基因
编码。
? C区段编码 HBV核心抗原（ HBcAg),长约
183~214个氨基酸残基。前 C（ pre-C)富含疏水
性氨基酸的密码子，其编码产物可促进 C抗原
从细胞内排到细胞外，进入血液转变成 e抗原。
若 pre-C缺失，将不会产生 e抗原，而 C抗原就
积聚于肝细胞内。
? P区段编码 DNA聚合酶，富含组氨酸为碱性蛋
白，是依赖于 RNA的 DNA聚合酶（逆转录酶）。
? X区段位于 C区段上游。
逆转录病毒（ retroviruses)
基因组的一般特征
▲ 编码区,3 个基本的结构基因
gap编码病毒衣壳蛋白； pol编码肽链内切
酶、一个逆转录酶和一个与前病毒整合
有关的酶； env编码包膜蛋白。有的含癌
基因。
5′帽 -R-U5-PB--DLS-Ψ-gap-pol-env-(onc)-C-
PB+-U3-R-poly(A)n
▲ 非编码区
（ 1） R区,两端都有,20~80个核苷酸。
（ 2）引物结合区（ primer binding site,PB):位于 5
端的 PB区引导起始负链 cDNA的合成，用 PB-表
示。
（ 3） U区：位于 R区与 PB 区之间。 U5与转录终
止和加 polyA有关,U3含强启动子，起始转录
RNA。
（ 4） DLS,Ψ和 C区。 DLS是两条病毒（ +）
RNA链以氢键相结合的位点。 Ψ为包装信号。
可使 RNA包入病毒颗粒； C区不编码蛋白质，
为调控区。
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，这种 DNA中间体称为
前病毒（ provirus) 。
? 长末端重复序列（ long termial
repeated,LTR):
U3-R-U5-PB--DLS- Ψ-gap-pol-env-(onc)-C-
PB+-U3-R-U5
人类免疫缺陷病毒（ HIV）
Genome
? HIV(human immunodeficiency virus)俗称艾滋病
毒 (AIDS)是逆转录病毒的一类，引起人类获得
性免疫缺损综合症，长约 9.3kb，除了逆转录病
毒一般的特征外，另外至少含有 6 个调控基因
如 tat,rev,nef,vif,vpu及 vpr。
? 已发现的 HIV有两种,HIVⅠ 和 HIVⅡ, HIVⅠ
从欧洲和美洲分离的毒株,致病力强,是引起全
球艾滋病流行的主要病原 ;HIV Ⅱ 毒力较弱主要
局限于西部非洲。
? nef(negative regulation factor,nef) 兼有正
负调节效应。
? vif编码病毒感染因子 (viral infectivity
factor,vif)
? vpr编码病毒蛋白 R(viral protein R)激活基
因的表达。
? vpu:HIV-1
? vpx:HIV-2
Prokaryote Genome
1、常仅由一条环状双链 DNA分子组成
2、只有一个复制起始点。
3、具有 操纵子 （ operon)结构。
4、编码顺序一般不会重叠。
5、基因是连续的，无内含子，转录后不需
剪接。
? 6、编码区在基因组中所占比例远远大于
真核基因组，小于病毒基因组。
? 7、基因组中重复序列少。一般为单拷贝，
但编码 rRNA的基因往往是多拷贝。
? 8、具有编码同工酶的基因（ isogene).
? 9、细菌基因组中存在可移动的 DNA序列，
包括插入序列和转座子。
? 10、在 DNA分子中具有多种功能的识别
区域。
质粒（ plasmid)
? 质粒是细菌细胞内携带的染色体外的 DNA分子，
是共价闭合的环状 DNA分子（ covalent closed
circular DNA cccDNA),大小在 1~200 kb,能独立
进行复制。
? 质粒“友好”地借居于宿主细胞内。靠宿主细
胞才能完成自己的复制，而质粒对宿主细胞的
生存不是必需的。
? 质粒不是单纯的寄生，所携带的遗传信息能赋
予细菌特定的遗传性状。
质粒的分类
? 按功能：
R质粒：抗药性质粒
F质粒 (fertility factor):性质粒（ sex plasmid)
可决定细菌的性别
Col质粒：大肠杆菌素质粒,合成大肠杆菌
素，杀死不含大肠杆菌素质粒的亲缘细
菌。
? 根据质粒能否在细胞间进行传递：
接合型质粒（ conjugative plasmid)：如 F质粒，雌
雄细胞通过性纤毛相互接触而结合，质粒便从
一个细胞传递给另一个细胞。
非接合型质粒：
? 按复制机理：
严紧型质粒（ stringent plasmid):即低拷贝数质粒
松弛型质粒（ relaxed plasmid):高拷贝数质粒。
质粒的特性
? 1、能自主复制。
? 2、质粒的不相容性（ incompatibility)两
种亲缘关系密切的不同质粒不能共存于
一个宿主菌。
? 3、质粒可以转移。
质粒 DNApBR322
EcoRⅠ, PstⅠ,
HindⅢ,
BamHⅠ, SalⅠ
只有一个酶切
位点，便于外
源基因的插入。
质粒 DNA的提取
? 1、细菌的培养：可加少量抗生素（如氯
霉素）抑制宿主蛋白质的合成，质粒大
量扩增。
? 2、细菌的收集和裂解：离心弃上清
? 3、质粒 DNA的分离纯化
