第九章基因組和比較基因組學(xué)

1、第九章第九章 基因組學(xué)和比較基因組學(xué)基因組學(xué)和比較基因組學(xué) 了解基因組計(jì)劃實(shí)施及意義； 掌握基因組計(jì)劃中的關(guān)鍵技術(shù)，四張圖（物理圖、遺傳圖、轉(zhuǎn)錄圖、序列圖）的繪制及鳥槍法測(cè)序的原理； 理解比較基因組學(xué)研究。2020世紀(jì)人類科技發(fā)展史上的三大創(chuàng)舉世紀(jì)人類科技發(fā)展史上的三大創(chuàng)舉 9090年代人類基因組計(jì)劃年代人類基因組計(jì)劃4040年代第一顆原子彈爆炸年代第一顆原子彈爆炸6060年代人類首次登上月球年代人類首次登上月球DNA DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)者之一、美國(guó)國(guó)雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)者之一、美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究院（家衛(wèi)生研究院（NIHNIH）人類基因組研究）人類基因組研究所第一任所長(zhǎng)所第一任所長(zhǎng)J.D.Wa

2、tson 1990J.D.Watson 1990年在年在ScienceScience上撰文指出，與人類登月上撰文指出，與人類登月計(jì)劃相比，計(jì)劃相比，HGPHGP的資金投入少，但它對(duì)的資金投入少，但它對(duì)人類生活的影響卻可能更深遠(yuǎn)。人類生活的影響卻可能更深遠(yuǎn)。第一節(jié)第一節(jié) 基因組學(xué)概述基因組學(xué)概述 基因組（基因組（GenomeGenome） 19201920年年WinklesWinkles從從GENeGENe和和chromosOMEchromosOME鑄鑄成的，用于描述生物的全部基因和染色成的，用于描述生物的全部基因和染色體組成的概念。體組成的概念。 1986 1986年美國(guó)科學(xué)家年美國(guó)科學(xué)家Th

3、omas RoderickThomas Roderick提出提出了基因組學(xué)（了基因組學(xué)（GenomicsGenomics）概念，）概念， 隨之一隨之一個(gè)新的科學(xué)雜志個(gè)新的科學(xué)雜志GenomicsGenomics同時(shí)誕生。同時(shí)誕生。GenomicsGenomics著眼于研究并解析生物體整個(gè)著眼于研究并解析生物體整個(gè)基因組的所有遺傳信息?；蚪M的所有遺傳信息?；蚪M（基因組（GenomeGenome）是生物體內(nèi)遺傳信）是生物體內(nèi)遺傳信息的集合，是某個(gè)特定物種細(xì)胞內(nèi)全部息的集合，是某個(gè)特定物種細(xì)胞內(nèi)全部DNADNA分子的總和?；蚪M應(yīng)該指單倍體分子的總和?；蚪M應(yīng)該指單倍體細(xì)胞中包括編碼序列和非編碼

4、序列在內(nèi)細(xì)胞中包括編碼序列和非編碼序列在內(nèi)的全部的全部DNADNA分子。分子。 概念概念物種遺傳信息的物種遺傳信息的“總詞典總詞典”控制發(fā)育的控制發(fā)育的“總程序總程序”生物進(jìn)化歷史的生物進(jìn)化歷史的“總檔案總檔案”核基因組是單倍體細(xì)胞核內(nèi)的全部核基因組是單倍體細(xì)胞核內(nèi)的全部 DNADNA分子；分子；線粒體基因組則是一個(gè)線粒體所包含線粒體基因組則是一個(gè)線粒體所包含的全部的全部DNADNA分子；分子；葉綠體基因組則是一個(gè)葉綠體所包含葉綠體基因組則是一個(gè)葉綠體所包含的全部的全部DNADNA分子。分子。 基因組包括基因組包括 基因組學(xué)（基因組學(xué)（genomicsgenomics）是指研究并）是指研究并解

5、析生物體整個(gè)基因組的所有遺傳解析生物體整個(gè)基因組的所有遺傳信息的學(xué)科。信息的學(xué)科。 基因組學(xué)的概念基因組學(xué)的概念 基因組計(jì)劃（基因組計(jì)劃（Genome ProjectGenome Project）是）是指對(duì)人類以及其它生物體全基因組指對(duì)人類以及其它生物體全基因組的測(cè)序工作的測(cè)序工作(sequencing)(sequencing)。 人類基因組計(jì)劃（人類基因組計(jì)劃（Human Genome Human Genome ProjectProject，HGPHGP）：）：9090年代提出并已年代提出并已基本完成，是對(duì)人類全基因組的測(cè)基本完成，是對(duì)人類全基因組的測(cè)序工作。序工作。獲得生物體全部基因組序列

6、獲得生物體全部基因組序列鑒定所有基因的功能鑒定所有基因的功能明確基因之間的相互作用關(guān)系明確基因之間的相互作用關(guān)系闡明基因組的進(jìn)化規(guī)律闡明基因組的進(jìn)化規(guī)律 基因組學(xué)研究的最終目標(biāo)基因組學(xué)研究的最終目標(biāo)Fishing in a More Effective Way!CREDIT: JOE SUTLIFF Science, Vol 291: 1221. 基因組學(xué)包括基因組學(xué)包括3 3個(gè)不同的亞領(lǐng)域個(gè)不同的亞領(lǐng)域 結(jié)構(gòu)基因組學(xué)（結(jié)構(gòu)基因組學(xué)（structural genomicsstructural genomics） 功能基因組學(xué)（功能基因組學(xué)（functional genomicsfunction

7、al genomics） 比較基因組學(xué)（比較基因組學(xué)（comparative genomicscomparative genomics） 結(jié)構(gòu)基因組學(xué)結(jié)構(gòu)基因組學(xué)結(jié)構(gòu)基因組學(xué)是通過結(jié)構(gòu)基因組學(xué)是通過HGPHGP的實(shí)施來(lái)的實(shí)施來(lái)完成的。完成的。HGPHGP的內(nèi)容就是制作高分辨率的人的內(nèi)容就是制作高分辨率的人類遺傳圖和物理圖，最終完成人類類遺傳圖和物理圖，最終完成人類和其它重要模式生物全部基因組和其它重要模式生物全部基因組DNADNA序列測(cè)定，因此序列測(cè)定，因此HGPHGP屬于結(jié)構(gòu)基屬于結(jié)構(gòu)基因組學(xué)范疇。因組學(xué)范疇。 物理制圖物理制圖 遺傳制圖遺傳制圖 基因組基因組DNADNA序列測(cè)定序列測(cè)定 創(chuàng)

8、建計(jì)算機(jī)分析管理系統(tǒng)創(chuàng)建計(jì)算機(jī)分析管理系統(tǒng) 包括以下研究?jī)?nèi)容包括以下研究?jī)?nèi)容通過通過HGPHGP獲得的廣泛基因組信息組成了結(jié)獲得的廣泛基因組信息組成了結(jié)構(gòu)基因組學(xué)的基本內(nèi)容，是開展功能基構(gòu)基因組學(xué)的基本內(nèi)容，是開展功能基因組學(xué)的研究的基礎(chǔ)；同時(shí)為詳盡研究因組學(xué)的研究的基礎(chǔ)；同時(shí)為詳盡研究每一個(gè)單基因遺傳病提供每一個(gè)單基因遺傳病提供“平臺(tái)平臺(tái)”，并，并將成為復(fù)雜的多基因遺傳病研究的發(fā)端。將成為復(fù)雜的多基因遺傳病研究的發(fā)端。完成一個(gè)生物體全部基因組測(cè)序后即進(jìn)完成一個(gè)生物體全部基因組測(cè)序后即進(jìn)入后基因組測(cè)序階段入后基因組測(cè)序階段- -詳盡分析序列，描詳盡分析序列，描述基因組所有基因的功能，包括研究基

9、述基因組所有基因的功能，包括研究基因的表達(dá)及其調(diào)控模式，這就是功能基因的表達(dá)及其調(diào)控模式，這就是功能基因組學(xué)。因組學(xué)。 功能基因組學(xué)功能基因組學(xué) 鑒定鑒定DNADNA序列中的基因序列中的基因 同源搜索設(shè)計(jì)基因功能同源搜索設(shè)計(jì)基因功能 實(shí)驗(yàn)性設(shè)計(jì)基因功能實(shí)驗(yàn)性設(shè)計(jì)基因功能 描述基因表達(dá)模式描述基因表達(dá)模式 主要具體內(nèi)容包括以下方面主要具體內(nèi)容包括以下方面 主要研究策略主要研究策略 比較基因組學(xué)比較基因組學(xué)(comparative genomics)(comparative genomics)涉及比較不同物種的整個(gè)基因組，以涉及比較不同物種的整個(gè)基因組，以便深入理解每個(gè)基因組的功能和進(jìn)化便深入理解

10、每個(gè)基因組的功能和進(jìn)化關(guān)系。關(guān)系。 比較基因組學(xué)比較基因組學(xué) 18601860至至18701870年年 奧地利科學(xué)家孟德爾根據(jù)奧地利科學(xué)家孟德爾根據(jù)豌豆雜交實(shí)驗(yàn)提出遺傳因子概念，并總豌豆雜交實(shí)驗(yàn)提出遺傳因子概念，并總結(jié)出孟德爾遺傳定律。結(jié)出孟德爾遺傳定律。 19091909年年 丹麥植物學(xué)家和遺傳學(xué)家約翰遜丹麥植物學(xué)家和遺傳學(xué)家約翰遜首次提出首次提出“基因基因”這一名詞，用以表達(dá)這一名詞，用以表達(dá)孟德爾的遺傳因子概念。孟德爾的遺傳因子概念。 基因及基因組研究大事記基因及基因組研究大事記 19441944年年 3 3位美國(guó)科學(xué)家分離出細(xì)菌的位美國(guó)科學(xué)家分離出細(xì)菌的DNADNA（脫氧核糖核酸），并

11、發(fā)現(xiàn)（脫氧核糖核酸），并發(fā)現(xiàn)DNADNA是攜帶生是攜帶生命遺傳物質(zhì)的分子。命遺傳物質(zhì)的分子。 19531953年年 美國(guó)人沃森（美國(guó)人沃森（WatsonWatson）和英國(guó)人）和英國(guó)人克里克（克里克（CrickCrick）通過實(shí)驗(yàn)提出了）通過實(shí)驗(yàn)提出了DNADNA分分子的雙螺旋模型。子的雙螺旋模型。 19691969年科學(xué)家成功分離了第一個(gè)基因。年科學(xué)家成功分離了第一個(gè)基因。 19901990年年1010月月 被譽(yù)為生命科學(xué)被譽(yù)為生命科學(xué)“阿波羅登阿波羅登月計(jì)劃月計(jì)劃”的國(guó)際人類基因組計(jì)劃啟動(dòng)的國(guó)際人類基因組計(jì)劃啟動(dòng)（Official start of HGP with 3 Official

12、start of HGP with 3 billion $ and a 15 year horizonbillion $ and a 15 year horizon）。）。 19981998年年 一批科學(xué)家在美國(guó)羅克威爾一批科學(xué)家在美國(guó)羅克威爾（RockvilleRockville）組建塞萊拉遺傳公司，）組建塞萊拉遺傳公司，與國(guó)際人類基因組計(jì)劃展開競(jìng)爭(zhēng)。與國(guó)際人類基因組計(jì)劃展開競(jìng)爭(zhēng)。 19981998年年1212月月 一種小線蟲完整基因組序一種小線蟲完整基因組序列的測(cè)定工作宣告完成，這是科學(xué)家第列的測(cè)定工作宣告完成，這是科學(xué)家第一次繪出多細(xì)胞動(dòng)物的基因組圖譜。一次繪出多細(xì)胞動(dòng)物的基因組圖譜。

13、19991999年年9 9月月 中國(guó)獲準(zhǔn)加入人類基因組計(jì)中國(guó)獲準(zhǔn)加入人類基因組計(jì)劃，負(fù)責(zé)測(cè)定人類基因組全部序列的劃，負(fù)責(zé)測(cè)定人類基因組全部序列的1%1%。中國(guó)是繼美、英、日、德、法之后第中國(guó)是繼美、英、日、德、法之后第6 6個(gè)個(gè)國(guó)際人類基因組計(jì)劃參與過，也是參與國(guó)際人類基因組計(jì)劃參與過，也是參與這一計(jì)劃的唯一發(fā)展中國(guó)家。這一計(jì)劃的唯一發(fā)展中國(guó)家。 19991999年年1212月月1 1日日 國(guó)際人類基因組計(jì)劃聯(lián)合國(guó)際人類基因組計(jì)劃聯(lián)合研究小組宣告，完整破譯出人體第研究小組宣告，完整破譯出人體第2222對(duì)染對(duì)染色體的遺傳密碼，這是人類首次成功地完色體的遺傳密碼，這是人類首次成功地完成人體染色體完

14、整基因序列的測(cè)定。成人體染色體完整基因序列的測(cè)定。20002000年年4 4月月6 6日日 美國(guó)塞萊拉公司宣布破譯出美國(guó)塞萊拉公司宣布破譯出一名實(shí)驗(yàn)者的完整密碼，但遭到不少科學(xué)一名實(shí)驗(yàn)者的完整密碼，但遭到不少科學(xué)家的質(zhì)疑。家的質(zhì)疑。20002000年年4 4月底月底 中國(guó)科學(xué)家按照國(guó)際人類中國(guó)科學(xué)家按照國(guó)際人類基因組計(jì)劃的部署，完成了基因組計(jì)劃的部署，完成了1%1%人類基因人類基因組的工作框架圖。組的工作框架圖。20002000年年5 5月月8 8日日 德、日等國(guó)科學(xué)家宣布，德、日等國(guó)科學(xué)家宣布，已基本完成了人體第已基本完成了人體第2121對(duì)染色體的測(cè)序?qū)θ旧w的測(cè)序工作。工作。2000200

15、0年年6 6月月2626日日 科學(xué)家公布人類基因組科學(xué)家公布人類基因組工作草圖，標(biāo)志著人類在解讀自身工作草圖，標(biāo)志著人類在解讀自身“生生命之書命之書”的路上邁出了重要一步。的路上邁出了重要一步。20002000年年1212月月1414日日 美英等國(guó)科學(xué)家宣布繪美英等國(guó)科學(xué)家宣布繪出擬南芥基因組的完整圖譜。這是人類出擬南芥基因組的完整圖譜。這是人類首次全部破譯出一種植物的基因序列。首次全部破譯出一種植物的基因序列。20012001年年2 2月月1212日日 中、美、日、德、法、中、美、日、德、法、英英6 6國(guó)科學(xué)家和美國(guó)塞萊拉公司聯(lián)合公國(guó)科學(xué)家和美國(guó)塞萊拉公司聯(lián)合公布人類基因組圖譜及初步分析結(jié)果

16、。布人類基因組圖譜及初步分析結(jié)果。 科學(xué)家首次公布人類基因組草圖科學(xué)家首次公布人類基因組草圖“基本基本信息信息”。20022002年人類基因組測(cè)序工作完成。年人類基因組測(cè)序工作完成。人類基因組包括人類基因組包括2323對(duì)染對(duì)染色體，單倍體細(xì)胞中約色體，單倍體細(xì)胞中約有有3030億對(duì)核苷酸，編碼億對(duì)核苷酸，編碼了了56萬(wàn)萬(wàn)個(gè)基因，人類個(gè)基因，人類基因組中攜帶了有關(guān)人基因組中攜帶了有關(guān)人類個(gè)體生長(zhǎng)發(fā)育、生老類個(gè)體生長(zhǎng)發(fā)育、生老病死的全部遺傳信息。病死的全部遺傳信息。第二節(jié)人類基因組計(jì)劃第二節(jié)人類基因組計(jì)劃從整體上看，不同人類個(gè)體的基因是相同的，從整體上看，不同人類個(gè)體的基因是相同的，因此，人類只有

17、一個(gè)基因組，人生來(lái)說平等的。因此，人類只有一個(gè)基因組，人生來(lái)說平等的。當(dāng)然，不同的人可能擁有不同的等位基因，這當(dāng)然，不同的人可能擁有不同的等位基因，這一點(diǎn)決定了人與人之間個(gè)體上的差異。一點(diǎn)決定了人與人之間個(gè)體上的差異。二二000000年六月二十六日克林頓宣布人類基因組年六月二十六日克林頓宣布人類基因組草圖繪制完成草圖繪制完成 由由31.6531.65億億bpbp組成組成 含含3 33.53.5萬(wàn)基因萬(wàn)基因 與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的基與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的基因占因占2%2%人類基因組人類基因組人類蛋白質(zhì)人類蛋白質(zhì) 61%61%與果蠅同源與果蠅同源 43%43%與線蟲同源與線蟲同源 46%46%與酵母同源與

18、酵母同源 人類基因組草圖基本信息人類基因組草圖基本信息2000年年6月公共領(lǐng)域測(cè)序計(jì)劃工作框架圖月公共領(lǐng)域測(cè)序計(jì)劃工作框架圖2001 2001 年年2 2月月1616日日 人類基因組人類基因組“精細(xì)圖精細(xì)圖”完成，完成，(99%),(99%),同時(shí)發(fā)表論文同時(shí)發(fā)表論文 美國(guó)美國(guó) Science, Vol. 291, No. 5507 Science, Vol. 291, No. 5507 英國(guó)英國(guó) Nature , Vol.409, p.860Nature , Vol.409, p.86020032003年年4 4月月1414日，人類基因組序列圖亦稱日，人類基因組序列圖亦稱“完完成圖成圖”（9

19、9.99%99.99%），提前繪制成功），提前繪制成功. . 人類基因組計(jì)劃的科學(xué)意義人類基因組計(jì)劃的科學(xué)意義 確定人類基因組中約確定人類基因組中約3-43-4萬(wàn)個(gè)編碼基因萬(wàn)個(gè)編碼基因的序列及其在基因組中的物理位置，研的序列及其在基因組中的物理位置，研究基因的產(chǎn)物及其功能。究基因的產(chǎn)物及其功能。 了解轉(zhuǎn)錄和剪接調(diào)控元件的結(jié)構(gòu)與位置，了解轉(zhuǎn)錄和剪接調(diào)控元件的結(jié)構(gòu)與位置，從整個(gè)基因組結(jié)構(gòu)的宏觀水平上理解基因從整個(gè)基因組結(jié)構(gòu)的宏觀水平上理解基因轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)。 從整體上了解染色體結(jié)從整體上了解染色體結(jié)構(gòu)，了解各種不同序列構(gòu)，了解各種不同序列中形成染色體結(jié)構(gòu)、中形成染色體結(jié)構(gòu)、DN

20、ADNA復(fù)制、基因轉(zhuǎn)錄及表達(dá)復(fù)制、基因轉(zhuǎn)錄及表達(dá)調(diào)控中的影響與作用。調(diào)控中的影響與作用。 研究空間結(jié)構(gòu)對(duì)基因調(diào)節(jié)的作用。研究空間結(jié)構(gòu)對(duì)基因調(diào)節(jié)的作用。 發(fā)現(xiàn)與發(fā)現(xiàn)與DNADNA復(fù)制、重組等有關(guān)的序列。復(fù)制、重組等有關(guān)的序列。 研究研究DNADNA突變、重排和染色體斷裂突變、重排和染色體斷裂等，了解疾病的分子機(jī)制，為疾病等，了解疾病的分子機(jī)制，為疾病診斷、預(yù)防和治療提供理論依據(jù)。診斷、預(yù)防和治療提供理論依據(jù)。 確定人類基因組中轉(zhuǎn)座子、逆轉(zhuǎn)座確定人類基因組中轉(zhuǎn)座子、逆轉(zhuǎn)座子和病毒殘余序列，研究其周圍序子和病毒殘余序列，研究其周圍序列的性質(zhì)。列的性質(zhì)。 研究人類個(gè)體之間的多態(tài)性（研究人類個(gè)體之間的多

21、態(tài)性（SNPSNP）情況，用于基因診斷、個(gè)體識(shí)別、情況，用于基因診斷、個(gè)體識(shí)別、親子鑒定、組織配型、發(fā)育進(jìn)化等親子鑒定、組織配型、發(fā)育進(jìn)化等許多醫(yī)療、司法和人類學(xué)的研究。許多醫(yī)療、司法和人類學(xué)的研究。以人類基因組和擬南芥基因組為例說明你對(duì)生物以人類基因組和擬南芥基因組為例說明你對(duì)生物基因組全序測(cè)定工作的科學(xué)意義與社會(huì)意義的認(rèn)基因組全序測(cè)定工作的科學(xué)意義與社會(huì)意義的認(rèn)識(shí)（識(shí)（8 8分）分）中國(guó)科學(xué)院中國(guó)科學(xué)院20022002年碩士學(xué)位研究生入學(xué)分子遺傳年碩士學(xué)位研究生入學(xué)分子遺傳學(xué)試題學(xué)試題 測(cè)序手段測(cè)序手段- -基因組基因組DNADNA大片段文庫(kù)的構(gòu)建大片段文庫(kù)的構(gòu)建 YACYAC（yeast

22、 artificial chromosomeyeast artificial chromosome，酵母人工染色體）：含有三種必需成分：酵母人工染色體）：含有三種必需成分：著絲粒、端粒和復(fù)制起點(diǎn)。是迄今容量著絲粒、端粒和復(fù)制起點(diǎn)。是迄今容量最大的克隆載體，插入片段平均長(zhǎng)度為最大的克隆載體，插入片段平均長(zhǎng)度為200-1000 Kbp200-1000 Kbp，最大的可以達(dá)到，最大的可以達(dá)到2 Mbp2 Mbp。存在高比例的嵌合體，即一個(gè)存在高比例的嵌合體，即一個(gè)YACYAC克隆含克隆含有兩個(gè)本來(lái)不相連的獨(dú)立片段；有兩個(gè)本來(lái)不相連的獨(dú)立片段；部分克隆子不穩(wěn)定，在轉(zhuǎn)代培養(yǎng)中可能會(huì)部分克隆子不穩(wěn)定，在轉(zhuǎn)

23、代培養(yǎng)中可能會(huì)發(fā)生缺失或重排；發(fā)生缺失或重排；難與酵母染色體區(qū)分開，因?yàn)殡y與酵母染色體區(qū)分開，因?yàn)閅ACYAC與酵母與酵母染色體具有相似的結(jié)構(gòu)。染色體具有相似的結(jié)構(gòu)。操作時(shí)容易發(fā)生染色體機(jī)械切割。操作時(shí)容易發(fā)生染色體機(jī)械切割。YACYAC的主要缺點(diǎn)：的主要缺點(diǎn)： BAC（Bacterial artificial chromosome），用細(xì)菌的F質(zhì)粒及其調(diào)控基因構(gòu)建了細(xì)菌染色體克隆載體，其克隆能力在125150 Kbp左右。以BAC為基礎(chǔ)的克隆載體形成嵌合體的頻率較低，轉(zhuǎn)化效率高，而且以環(huán)狀結(jié)構(gòu)存在于細(xì)菌體內(nèi)，易于分辨和分離純化，已被科學(xué)界廣泛接受。 BAC的構(gòu)建：的構(gòu)建：pBAC108L來(lái)自

24、細(xì)菌來(lái)自細(xì)菌的一個(gè)小型的一個(gè)小型F質(zhì)粒，質(zhì)粒，其中其中oriS和和repE控制控制了質(zhì)粒的復(fù)制起始，了質(zhì)粒的復(fù)制起始，parB和和parA控制了拷控制了拷貝數(shù)。貝數(shù)。易于用電擊法轉(zhuǎn)化易于用電擊法轉(zhuǎn)化E.coliE.coli（轉(zhuǎn)化效率比轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)化效率比轉(zhuǎn)化酵母高化酵母高10-10010-100倍）；倍）；超螺旋環(huán)狀載體，易于操作；超螺旋環(huán)狀載體，易于操作；FF質(zhì)粒本身所帶的基因控制了質(zhì)粒的復(fù)制；質(zhì)粒本身所帶的基因控制了質(zhì)粒的復(fù)制；很少發(fā)生體內(nèi)重排。很少發(fā)生體內(nèi)重排。BACBAC的優(yōu)點(diǎn)：的優(yōu)點(diǎn)： 人類基因組計(jì)劃的成果是多方面的，人類基因組計(jì)劃的成果是多方面的，主要體現(xiàn)在鑒定基因的四張圖上。主要體現(xiàn)在

25、鑒定基因的四張圖上。 遺傳圖（遺傳圖（Genetic MapGenetic Map）又稱連鎖圖（又稱連鎖圖（Linkage MapLinkage Map），），是指基因或是指基因或DNADNA標(biāo)記在染色體標(biāo)記在染色體上的相對(duì)位置與遺傳距離，通上的相對(duì)位置與遺傳距離，通常以基因或常以基因或DNADNA片段中染色體片段中染色體交換過程中的分離頻率厘摩交換過程中的分離頻率厘摩（cMcM）來(lái)表示，）來(lái)表示，cMcM值越大，兩值越大，兩者之間距離越遠(yuǎn)。者之間距離越遠(yuǎn)。遺傳圖譜遺傳圖譜 轉(zhuǎn)錄圖譜轉(zhuǎn)錄圖譜0.7 cM 或或 kb 序列圖譜序列圖譜物理圖譜物理圖譜產(chǎn)生配子的減數(shù)分裂過程中，親代同產(chǎn)生配子的減數(shù)

26、分裂過程中，親代同“號(hào)號(hào)”的父源或母源染色體既能相互配對(duì)也可能的父源或母源染色體既能相互配對(duì)也可能發(fā)生片段互換，而父母源染色體等位基因發(fā)生片段互換，而父母源染色體等位基因互換導(dǎo)致子代出現(xiàn)互換導(dǎo)致子代出現(xiàn)DNA“DNA“重組重組”的頻率與這的頻率與這兩個(gè)位點(diǎn)之間的距離呈正相關(guān)，所以，用兩個(gè)位點(diǎn)之間的距離呈正相關(guān)，所以，用兩個(gè)位點(diǎn)之間的交換或重組頻率來(lái)表示其兩個(gè)位點(diǎn)之間的交換或重組頻率來(lái)表示其“遺傳學(xué)距離遺傳學(xué)距離”。由于不能對(duì)人類進(jìn)行“選擇性”婚配，而且人類子代個(gè)體數(shù)量有限、世代壽命較長(zhǎng)，呈共顯多態(tài)性的蛋白質(zhì)數(shù)量不多，等位基因的數(shù)量不多。如果只用已知定位的少數(shù)幾個(gè)基因作遺傳標(biāo)記，由于遺傳標(biāo)記的數(shù)

27、目太少，很難繪制完整的連鎖圖。DNA技術(shù)的建立為人類提供了大量新的遺傳標(biāo)記。 DNADNA分子標(biāo)記分子標(biāo)記簡(jiǎn)稱分子標(biāo)記，以簡(jiǎn)稱分子標(biāo)記，以DNADNA序列的多態(tài)性序列的多態(tài)性作為遺傳標(biāo)記。作為遺傳標(biāo)記。不受時(shí)間和環(huán)境的限制不受時(shí)間和環(huán)境的限制遍布整個(gè)基因組，數(shù)量無(wú)限遍布整個(gè)基因組，數(shù)量無(wú)限不影響性狀表達(dá)不影響性狀表達(dá)自然存在的變異豐富，多態(tài)性好自然存在的變異豐富，多態(tài)性好共顯性，能鑒別純合體和雜合體共顯性，能鑒別純合體和雜合體 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 多態(tài)性：人的多態(tài)性：人的DNADNA序列上平均每幾百序列上平均每幾百個(gè)堿基會(huì)出現(xiàn)一些變異，并按照孟個(gè)堿基會(huì)出現(xiàn)一些變異，并按照孟德爾遺傳規(guī)律由親代傳給子代，從

28、德爾遺傳規(guī)律由親代傳給子代，從而在不同個(gè)體間表現(xiàn)出不同，因而而在不同個(gè)體間表現(xiàn)出不同，因而被稱為多態(tài)性（被稱為多態(tài)性（PolymorphismPolymorphism）。）。RFLP（Restriction Fragment Length Polymorphism）DNA序列上的微小變化，甚至序列上的微小變化，甚至1個(gè)核苷酸對(duì)變個(gè)核苷酸對(duì)變化，也能引起選擇性內(nèi)切酶切點(diǎn)的丟失或產(chǎn)生，化，也能引起選擇性內(nèi)切酶切點(diǎn)的丟失或產(chǎn)生，導(dǎo)致酶切片段長(zhǎng)度的變化。導(dǎo)致酶切片段長(zhǎng)度的變化。 第一代第一代DNADNA遺傳標(biāo)記遺傳標(biāo)記由于核苷酸序列的改變遍及整個(gè)基因組，由于核苷酸序列的改變遍及整個(gè)基因組，特別是進(jìn)化中

29、選擇壓力不是很大的非編碼特別是進(jìn)化中選擇壓力不是很大的非編碼序列之中，序列之中，RFLPRFLP的出現(xiàn)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了經(jīng)的出現(xiàn)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了經(jīng)典的蛋白質(zhì)多態(tài)性。而且，只要選擇得當(dāng)，典的蛋白質(zhì)多態(tài)性。而且，只要選擇得當(dāng)，生物體內(nèi)出現(xiàn)共顯性生物體內(nèi)出現(xiàn)共顯性RFLPRFLP及及RAPDRAPD分子標(biāo)記分子標(biāo)記的頻率較高。的頻率較高。 第二代第二代DNADNA遺傳標(biāo)記利用率存在于人類基遺傳標(biāo)記利用率存在于人類基因組中的大量重復(fù)序列因組中的大量重復(fù)序列重復(fù)單位長(zhǎng)度在重復(fù)單位長(zhǎng)度在15-6515-65個(gè)核苷酸左右的小個(gè)核苷酸左右的小衛(wèi)星衛(wèi)星DNADNA，重復(fù)單位長(zhǎng)度在，重復(fù)單位長(zhǎng)度在2-62-6個(gè)核苷酸之

30、個(gè)核苷酸之間的微衛(wèi)星間的微衛(wèi)星DNADNA，又稱簡(jiǎn)短串聯(lián)重復(fù)（，又稱簡(jiǎn)短串聯(lián)重復(fù)（STRSTR、STRPSTRP或或SSLPSSLP，short tandem repeat short tandem repeat polymorphismpolymorphism或者或者simple sequence simple sequence length polymorphismlength polymorphism）。）。SSLP markersSSLP markers分子標(biāo)記分子標(biāo)記中的顯性和共顯多態(tài)性中的顯性和共顯多態(tài)性分子機(jī)制。圖中第一種分子機(jī)制。圖中第一種類型是最常見的顯性多類型是最常見的顯性

31、多態(tài)性標(biāo)記，第態(tài)性標(biāo)記，第2 2，3 3，4 4類都是共顯性標(biāo)記。類都是共顯性標(biāo)記。 ：引物：引物 W W：野生型：野生型 M M：突變型：突變型STRPSTRP的優(yōu)點(diǎn)是的優(yōu)點(diǎn)是“多態(tài)性多態(tài)性”與與“高頻率高頻率”。由于（由于（A A）n n，（，（CACA）n n，（，（CGGCGG）n n等短重復(fù)等短重復(fù)序列在進(jìn)化上不受選擇，在同一位點(diǎn)上可重序列在進(jìn)化上不受選擇，在同一位點(diǎn)上可重復(fù)單位數(shù)量變化很大，配對(duì)時(shí)又容易產(chǎn)生復(fù)單位數(shù)量變化很大，配對(duì)時(shí)又容易產(chǎn)生“錯(cuò)配錯(cuò)配”，使這樣的位點(diǎn)遍布于整個(gè)基因組。，使這樣的位點(diǎn)遍布于整個(gè)基因組。已有已有52645264個(gè)個(gè)STRPSTRP為主體的遺傳標(biāo)記為主體

32、的遺傳標(biāo)記“連鎖連鎖圖圖”，平均分辨率已達(dá)，平均分辨率已達(dá)600kb600kb，其中第，其中第1717號(hào)染色體上平均每號(hào)染色體上平均每495 kb495 kb有一個(gè)標(biāo)記，第有一個(gè)標(biāo)記，第9 9號(hào)染色體上平均每號(hào)染色體上平均每767 kb767 kb有一個(gè)標(biāo)記，有一個(gè)標(biāo)記，整個(gè)基因組中只有三處標(biāo)記間距大于整個(gè)基因組中只有三處標(biāo)記間距大于4Mb4Mb。人類基因組微衛(wèi)星遺傳標(biāo)記圖人類基因組微衛(wèi)星遺傳標(biāo)記圖真核生物基因組中的真核生物基因組中的DNADNA重復(fù)序列主要有哪些類重復(fù)序列主要有哪些類型？簡(jiǎn)要說明基因組重復(fù)序列可能的生物學(xué)意義型？簡(jiǎn)要說明基因組重復(fù)序列可能的生物學(xué)意義以及基因組重復(fù)序列在分子標(biāo)

33、記研究中的應(yīng)用。以及基因組重復(fù)序列在分子標(biāo)記研究中的應(yīng)用。 （1212分）分）中國(guó)科學(xué)院中國(guó)科學(xué)院20022002年碩士學(xué)位研究生入學(xué)分子遺傳年碩士學(xué)位研究生入學(xué)分子遺傳學(xué)試題學(xué)試題 第三代多態(tài)性標(biāo)記：第三代多態(tài)性標(biāo)記： 單核苷酸的多態(tài)性（單核苷酸的多態(tài)性（single nucleotide single nucleotide polymorphismpolymorphism，SNPSNP）SNPSNP：是由于單個(gè)核苷酸改變而導(dǎo)致：是由于單個(gè)核苷酸改變而導(dǎo)致的核酸序列多態(tài)。的核酸序列多態(tài)。人類人類99.999.9的基因密碼是相同的，而差異的基因密碼是相同的，而差異不到不到0.10.1，不同人群

34、僅有，不同人群僅有140140萬(wàn)個(gè)核苷酸萬(wàn)個(gè)核苷酸差異。這些差異是由差異。這些差異是由“單一核苷酸多樣性單一核苷酸多樣性”（SNPSNP）產(chǎn)生的，它構(gòu)成了不同個(gè)體的遺傳）產(chǎn)生的，它構(gòu)成了不同個(gè)體的遺傳基礎(chǔ)。在整個(gè)基因組序列中，人與人之間基礎(chǔ)。在整個(gè)基因組序列中，人與人之間的變異僅為萬(wàn)分之一，從而說明人類不同的變異僅為萬(wàn)分之一，從而說明人類不同“種屬種屬”之間并沒有本質(zhì)上的區(qū)別。之間并沒有本質(zhì)上的區(qū)別。SNPSNP與與RFLPRFLP和和STRSTR標(biāo)記的主要不同之處在標(biāo)記的主要不同之處在于，它不再以于，它不再以DNADNA片段的長(zhǎng)度變化作為檢片段的長(zhǎng)度變化作為檢測(cè)手段，而直接以序列變異作為標(biāo)記

35、。測(cè)手段，而直接以序列變異作為標(biāo)記。 物理圖物理圖以已知核苷酸序列的以已知核苷酸序列的DNADNA片段（序列片段（序列標(biāo)簽位點(diǎn)，標(biāo)簽位點(diǎn)，sequence-tagged sitesequence-tagged site，STSSTS）為）為“路標(biāo)路標(biāo)”，以堿基對(duì)作為基，以堿基對(duì)作為基本測(cè)量單位（圖距）的基因組圖。本測(cè)量單位（圖距）的基因組圖。酵母第三號(hào)染色體物酵母第三號(hào)染色體物理圖（左）與遺傳圖理圖（左）與遺傳圖（右）比較（右）比較 轉(zhuǎn)錄圖轉(zhuǎn)錄圖以以ESTEST（expressed sequence tag expressed sequence tag ，表達(dá)序列標(biāo)簽）為標(biāo)記，根據(jù)轉(zhuǎn)錄順表達(dá)序

36、列標(biāo)簽）為標(biāo)記，根據(jù)轉(zhuǎn)錄順序的位置和距離繪制的圖譜。序的位置和距離繪制的圖譜。ESTEST：通過從：通過從cDNAcDNA文庫(kù)中隨機(jī)挑選文庫(kù)中隨機(jī)挑選的克隆進(jìn)行測(cè)序所獲得的部分的克隆進(jìn)行測(cè)序所獲得的部分cDNAcDNA的的55或或33端序列稱為表達(dá)序列標(biāo)簽端序列稱為表達(dá)序列標(biāo)簽（ESTEST），一般長(zhǎng)），一般長(zhǎng)300-500bp300-500bp左右。左右。 序列圖（分子水平的物理圖）序列圖（分子水平的物理圖）序列圖是指整個(gè)人類基因組的核苷酸序列圖，序列圖是指整個(gè)人類基因組的核苷酸序列圖，也是最詳盡的物理圖。既包括可轉(zhuǎn)錄序列，也是最詳盡的物理圖。既包括可轉(zhuǎn)錄序列，也包括非轉(zhuǎn)錄序列，是轉(zhuǎn)錄序列、

37、調(diào)節(jié)序列也包括非轉(zhuǎn)錄序列，是轉(zhuǎn)錄序列、調(diào)節(jié)序列和功能未知序列的總和。和功能未知序列的總和。人類基因組的核苷酸序列圖是分子水平上最人類基因組的核苷酸序列圖是分子水平上最高層次、最詳盡的物理圖。測(cè)定總長(zhǎng)約高層次、最詳盡的物理圖。測(cè)定總長(zhǎng)約1 1米、米、由由3030億個(gè)核苷酸組成的全序列是人類基因組億個(gè)核苷酸組成的全序列是人類基因組計(jì)劃的最終目標(biāo)。計(jì)劃的最終目標(biāo)。不同種族、不同個(gè)體的基因差異（基因組的不同種族、不同個(gè)體的基因差異（基因組的多樣性）以及多樣性）以及“正常正?！迸c與“疾病疾病”基因的差基因的差異，只是同一位點(diǎn)上等位基因的差異，所以，異，只是同一位點(diǎn)上等位基因的差異，所以，人類基因組全系列

38、來(lái)自一個(gè)人類基因組全系列來(lái)自一個(gè)“代表性人類個(gè)代表性人類個(gè)體體”，不屬于任何供體。，不屬于任何供體。研究發(fā)現(xiàn)，人類基因組與其它動(dòng)物基因組中研究發(fā)現(xiàn)，人類基因組與其它動(dòng)物基因組中染色體水平上有染色體水平上有“共線共線”（即同源）現(xiàn)象。（即同源）現(xiàn)象。人類第人類第2121號(hào)染色體號(hào)染色體HSA21HSA21位點(diǎn)與小鼠第位點(diǎn)與小鼠第1616號(hào)號(hào)染色體染色體MMU16MMU16，MMU17MMU17和和MMU10MMU10連鎖圖中存在連鎖圖中存在著廣泛的同源性。著廣泛的同源性。第三節(jié)第三節(jié) DNADNA的鳥槍法序列分析技術(shù)的鳥槍法序列分析技術(shù) DNADNA的鳥槍法測(cè)序原理的鳥槍法測(cè)序原理1999199

39、9年年1212月用月用“逐個(gè)逐個(gè)克隆法克隆法”獲得第一條獲得第一條人類染色體人類染色體-22-22號(hào)染號(hào)染色體完成序列。色體完成序列。20002000年年3 3月用月用“全全基因組鳥槍法基因組鳥槍法”獲得果蠅全基因獲得果蠅全基因組序列。組序列。 DNADNA的鳥槍法測(cè)序的優(yōu)缺點(diǎn)的鳥槍法測(cè)序的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：速度快優(yōu)點(diǎn)：速度快 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：隨著所測(cè)基因組總量增大，所需測(cè)序隨著所測(cè)基因組總量增大，所需測(cè)序的片段大量增加。的片段大量增加。高等真核生物（如人類）基因組中有高等真核生物（如人類）基因組中有大量重復(fù)序列，導(dǎo)致判斷失誤。大量重復(fù)序列，導(dǎo)致判斷失誤。 對(duì)鳥槍法的改進(jìn)對(duì)鳥槍法的改進(jìn) Clone contigClone contig法：首先用稀有內(nèi)切酶把法：首先用稀有內(nèi)切酶把待測(cè)基因組降解為數(shù)百待測(cè)基因組降解為數(shù)百kbkb以上的片段，以上的片段，再分別測(cè)序。再分別測(cè)序。 靶標(biāo)鳥槍法（靶標(biāo)鳥槍法（directed shotgundirected shotgun）：首）：首先根據(jù)染色體上已知基因和標(biāo)記的位置先根據(jù)染色體上已知基因和標(biāo)記的位置來(lái)確定部分來(lái)確定部分DNADN