人类dna分析第一章.ppt

第一章 DNA分型的科学基础,DNA的分子生物学基础 遗传学基础 基因组的结构与功能 DNA多态性及其产生机理 遗传标记分类 DNA分析中的酶类,一、DNA的分子生物学基础 1、DNA的结构 一级结构 二级结构 三级结构,第一章 DNA分型的科学基础,第一章 DNA分型的科学基础,组成DNA碱基的特点： Chargaff规则 （1）所有DNA中腺嘌呤与胸腺嘧啶的克分子含量 相等，即A=T，鸟嘌呤与胞嘧啶的克分子含 量相等，即G=C。因此，嘌呤的总数等于嘧 啶的总数，即A+G=T+C；,第一章 DNA分型的科学基础,（2）DNA碱基组成只有种的特异性，即不同生物 种的DNA具有自己独特的碱基组成； （3）DNA碱基组成没有组织器官的特异性，任何 组织器官的DNA碱基序列均相同； （4）DNA的碱基序列不随年龄、营养状态、环境 条件的不同而改变。,第一章 DNA分型的科学基础,第一章 DNA分型的科学基础,第一章 DNA分型的科学基础,2、DNA的理化性质 （1）DNA的变性与复性 变性（denaturation）或叫熔化（melting） 热变性 酸碱变性 有机溶剂变性 增色效应,第一章 DNA分型的科学基础,第一章 DNA分型的科学基础,第一章 DNA分型的科学基础,复性的速度受诸多因素的影响： DNA的浓度：DNA浓度直接影响到DNA单链之间的碰撞几率，DNA浓度越大，复性速度越快； DNA的分子大小：DNA分子越大，扩散越慢，也难形成正确配对，复性速度慢； 温度：温度过高，有利于DNA变性而不利于复性；温度过低，少数碱基配对形成的局部双链不易解离，难以杂交； 离子强度：离子强度过低，不利于杂交，常采用0.151.0 mol/L溶液进行复性； 分子的复杂性：DNA分子越复杂，复性速度越慢。,第一章 DNA分型的科学基础,（2）粘度 高分子溶液 普通溶液 线形分子 不规则线团分子 球形分子 当DNA溶液因受热或在其他因素作用下发生螺旋 线团转变时，粘度降低。所以可用粘度作为DNA变性的指标。,第一章 DNA分型的科学基础,（3）DNA紫外吸收 核酸其最大吸收峰在260 nm处，而蛋白质在280 nm处 260 nm与280 nm处吸收峰值比可以判断DNA样品是否纯净,第一章 DNA分型的科学基础,（4）酸碱性质 磷酸分子连接二核苷酸 当溶液的pH值高于4时，DNA呈多阴离子状态，在电场作用下带负电,第一章 DNA分型的科学基础,3、DNA的半保留复制,第一章 DNA分型的科学基础,第一章 DNA分型的科学基础,4、中心法则,二、遗传学基础 1、孟德尔遗传学 基因座 等位基因 纯合子 杂合子 显性基因 隐性基因 表现型 性状 性状分离 不完全显性 共显性 遗传连锁 随机分配 连锁平衡 连锁不平衡,第一章 DNA分型的科学基础,第一章 DNA分型的科学基础,分离定律 自由组合定律,这意味着各种不同组织，如血、毛发、皮肤、唾液等细胞含有相同的DNA信息，个体不同组织具有同一性，可以提供相同的遗传信息。,第一章 DNA分型的科学基础,基因频率 指群体中某个基因数目与该座位等位基因总数目的百分比。 基因型频率 指不同基因型在全部个体中所占的比率。 全部基因型频率的总和为1或100%。,第一章 DNA分型的科学基础,基因频率的计算 基因频率 = 群体中某个座位的特定等位基因的拷贝数 / 群体中该座位所有等位基因数 两种计算方法： 通过获得的不同基因型的数目 通过基因频率,第一章 DNA分型的科学基础,第一章 DNA分型的科学基础,p + q = 1,例：假设有个群体有1000个二倍体个体，其中353个为AA，494个为Aa，153个为aa，则在此群体中A与a的基因频率分别为多少？,第一章 DNA分型的科学基础,解： （1）当一个座位上存在两个等位基因时： p = f（A）= （2AA）+ Aa / 2个体总数 q = f（a）= （2aa）+ Aa / 2个体总数 （2）当一个座位上存在两个以上等位基因时：,第一章 DNA分型的科学基础,第一章 DNA分型的科学基础,基因型频率的计算： 纯合子的基因型频率为基因频率的平方 杂合子的基因型频率为一对等位基因频率的乘积，再乘以2,第一章 DNA分型的科学基础,例：设MN血型的基因频率为m及n，m=0.486，n=0.514，计算各基因型的频率。,第一章 DNA分型的科学基础,解： mm = m2 = 0.4862 = 0.2362 mn = 2mn= 20.4860.514 = 0.4996 nn = n2 = 0.5142 = 0.2642 MN血型基因频率之和 = mm + 2mn + nn = 0.2362 + 0.4996 + 0.2642 = 1,第一章 DNA分型的科学基础,2、群体遗传学 主要是研究人群中基因及基因型的结构、分布、变化以及在逐代传递中能够对其产生影响的各种因素。,第一章 DNA分型的科学基础,遗传多态性 指在同一个群体中，同一个基因座上存在有两个或两个以上的、由遗传决定的不同等位基因的现象。 多态平衡现象（balanced polymorphism） 基因突变杂合优势遗传多态,第一章 DNA分型的科学基础,Hardy-Weinberg定律 亦称哈德-温勃格平衡、HW定律 三个条件： 群体无限大 群体中个体之间的交配必须是随机的 没有进化压力,第一章 DNA分型的科学基础,三个基本点： 等位基因的频率世代相传不会改变 二项式展开式得到平衡的基因型频率，而且也不改变 只需通过一个世代的随机交配就能达到基因型频率的平衡,第一章 DNA分型的科学基础,第一章 DNA分型的科学基础,基因频率与基因型频率的关系,重要特性： 当等位基因A和a的频率均为0.5时，杂合子达到其最大值为0.5 当等位基因A和a的频率逐渐偏离p=q=0.5时，杂合子的频率逐渐减小 当等位基因A或a的频率极低时，它主要以杂合子的状态存在 当一个等位基因的频率降低时，另一个等位基因的纯合子频率升高,第一章 DNA分型的科学基础,第一章 DNA分型的科学基础,X-连锁等位基因的平衡,影响因素： 突变（mutation）等位基因改变的潜在力量 突变率 突变是所有新遗传变异的来源 突变是通过改变等位基因的频率来破坏平衡，促进进化的 正向突变（forward mutation） 回复突变（reverse mutation）,第一章 DNA分型的科学基础,自然选择 适合度（fitness） 选择系数（selection coefficient） S 选择压力（selection pressure） 突变压力（mutation pressure）,第一章 DNA分型的科学基础,对显性基因的作用 对隐性基因的作用 对X-连锁隐性基因的作用 对X-连锁显性基因的作用,第一章 DNA分型的科学基础,遗传漂变（genetic drift） 1930年 群体遗传学家 S. Wright 由于样本的机误（chance errors）而导致群体基因的随机改变 产生原因：取样的误差,第一章 DNA分型的科学基础,产生取样误差的途径： （1）当群体在每一代中均保持很小的情况下，对群体产生较大影响 （2）通过“建立者效应”也产生遗传漂变 （3）“瓶颈效应”,第一章 DNA分型的科学基础,迁移（migration） 可以使同一物种的不同群体之间交换基因，从而使群体的基因库中导入新的基因 基因流（gene flow） 通过迁入并婚配而改变两个群体的等位基因频率的过程,第一章 DNA分型的科学基础,基因流的作用： （1）它可以向群体中导入新的等位基因，使群体的基因库中拥有新的等位基因，起到了突变的作用，从而成为这个群体的遗传变异新的来源 （2）通过相互交换群体的等位基因，使得群体之间保持相似性，形成一种均化力量，有利于阻止群体发生变异,第一章 DNA分型的科学基础,迁移压力（migration pressure） 两个决定因素： （1）迁出和接受群体之间基因频率的差异 （2）每一代中迁入的基因的数量多少,第一章 DNA分型的科学基础,第一章 DNA分型的科学基础,非随机交配 正选型交配（positive assortative mating） 指带有相似表型的个体优先交配 负选型交配（negative assortative mating ） 指不同表型的个体交配的频率高于随机交配,第一章 DNA分型的科学基础,近交（inbreeding） 涉及到亲属之间的优先交配 远交（outbreeding） 非亲缘关系个体优先交配 自交,第一章 DNA分型的科学基础,超显性（overdominance） 亦称杂合优势（heterozygote advantage） 当杂合子的适应性比纯合子更高时，也可使基因频率达到平衡的现象,第一章 DNA分型的科学基础,三、基因组的结构与功能 1、染色体 女性性染色体为XX，男性为XY 生殖细胞均为23条染色体，其中卵细胞为 22 + X，而精细胞为 22 + X 或 22 + Y 人染色体根据他们的大小进行编号，1号染色体最大，22号染色体最小,第一章 DNA分型的科学基础,第一章 DNA分型的科学基础,短臂用“p”表示，长臂以“q”表示。 一个完整的染色体至少包括着丝粒、染色体臂和端粒。,端粒是真核生物线型染色体的末端，由DNA和蛋白质组成的复合体 端粒的复制需要一个特殊的逆转录酶即端粒酶 “程序化死亡”,第一章 DNA分型的科学基础,端粒的功能是防止非活性的DNA末端降解和保证染色体的稳定性，同时使染色体末端之间不发生相互作用或融合（不加长或缩短） 随着年龄的增长或细胞分裂数目的增加，端粒的长度渐趋缩短,第一章 DNA分型的科学基础,端粒酶在绝大多数机体组织、良性肿瘤和非永生细胞系中是无活性的，只在正常的生殖细胞、造血干细胞和恶性肿瘤细胞中有活性，因而认为端粒可能在恶性肿瘤的发生和维持中起重要作用。,第一章 DNA分型的科学基础,染色体核型与物理定位 染色体带 中期染色体经过一定程序处理与不同染料染色，在显微镜下观察，染色体由不同宽窄和亮度的带连续交替组成,第一章 DNA分型的科学基础,染色体带型染色常用Giemsa染色（简称G染色方法），因而称此带为G - 带（G - bands） 核型（karotype） 染色体大小和带型不同，可使24个染色体（22个常染色体、X和Y性染色体）彼此区分开,第一章 DNA分型的科学基础,第一章 DNA分型的科学基础,以着丝点为起点，根据特定染色体的短臂或长臂的相对位置横向分为若干区带和亚带 如3P14.l代表 3号染色体短臂的1区4带的第l亚带 如染色体定位12P1表示12号染色体短臂上的1号带 带的数字按染色体的着丝粒向端粒部分递增，如带32比带20接近端粒,第一章 DNA分型的科学基础,位于染色体末端的DNA标记，命名时经常在染色体臂的命名后标上后缀 “ter”，如DNA定位15pter，表示位于15号染色体短臂的末端 有时DNA标记定位不是十分明确，在这种情况下，染色体定位表达为一个特定范围，如 2p23-pter，意思是位于2号染色体短臂的23带与末端之间,第一章 DNA分型的科学基础,2、基因组（genome） 两部分： 核基因组 + 线粒体基因组 操纵子学说 1961年，法国遗传学家 Jacob和 Monod,第一章 DNA分型的科学基础,第一章 DNA分型的科学基础,基因 基因的结构 基因的分类 基因的表达与调控 原核生物基因的表达与调控 真核生物的基因表达与调控,第一章 DNA分型的科学基础,真核生物基因组 基因组的大小 C值 最小的支原体只有 106 bp 最大的两栖动物可达 1011 bp 基因组的基因数目,第一章 DNA分型的科学基础,第一章 DNA分型的科学基础,可读框 （open reading frame，ORF） 必需基因和基因总数 通过突变分析确定必需基因的数量 果蝇的致死基因数量为5000个 预测人有10000个以上致死基因,第一章 DNA分型的科学基础,线粒体（mitochondrion）基因组 人类基因组计划 结构基因组学 （structural genomics） 功能基因组学出（functional genomics） 比较基因组学（comparative genomics） 人类后基因组计划 基因插断 cDNA的测序与杂交 蛋白质分析,第一章 DNA分型的科学基础,重复序列 根据重复序列的重复次数可将其分为3类 高度重复序列 复性极快长度从几个bp到几百bp或更长，重复次数 106，占总含量150 中等重复序列 长度一般为 200012000 bp ，其拷贝数一般在 10105之间，占整个基因组的2540，复性速度要慢一些，一般是非编码序列 低重复系列 拷贝数为2100，复性速度很慢,第一章 DNA分型的科学基础,第一章 DNA分型的科学基础,Alu序列 Alu序列为短的散在重复序列，该序列中有一个核酸内切酶Alu（识别序列为ACCT）的识别位置 占人类基因组总DNA量5左右，高达9105 拷贝 人类Alu序列长度约300bp，本身又由120bp和150bp的重复序列组成，两者之间由富含A的区域分开，两端又有一段710bp的正向重复序列,第一章 DNA分型的科学基础,Alu序列在体细胞中几乎完全甲基化而在精子中处于低甲基化状态 人类基因组内至少存在4种不同类型的Alu序列，属于两个不同的亚家族 在 Y染色体中有一人类特异的 Alu序列，称为 YAP（Y Alu polymorphism），在不同人群中表现出显著的差异性,第一章 DNA分型的科学基础,长散在重复成分 约有105拷贝，占总DNA的23，长度为67kb，其中95的序列 5 端是截断的，但大多数含有相同的3 端及长短不等的 PolyA 多数人认为重复序列是有功能的,第一章 DNA分型的科学基础,四、遗传标记分类 两种差异性 两大类遗传标记 长度多态性标记 限制性内切酶片段长度多态性 扩增片段长度多态性 序列多态性标记 小卫星可变重复单位多态性,第一章 DNA分型的科学基础,第一章 DNA分型的科学基础,第一章 DNA分型的科学基础,1、长度多态性（length polymorphism） 目前常用的长度多态性标记 小卫星（minisatellite ） 670 bp 1980年 微卫星（microsatellite） 26 bp 1989年 出现的数目和频率不同而表现出多态性,第一章 DNA分型的科学基础,第一章 DNA分型的科学基础,小卫星和微卫星DNA的多态性产生机制不同： 小卫星的多态性是有丝分裂、减数分裂期姐妹染色单体不等交换或染色体内部不等交换的结果 微卫星的多态性主要是DNA复制过程中滑动，或DNA复制和修复时滑动链与互补链碱基错配，导致一个或几个重复单位的缺失或插入的结果,第一章 DNA分型的科学基础,2、序列多态性标记 指某基因座碱基排列顺序的差异 法医物证学常见的有： 人类mtDNA HLA 多标记系统（PM系统） 其他，如ABO基因型、 MN基因型、酶型、血清型的基因型,第一章 DNA分型的科学基础,五、DNA多态性及其产生机理 1、多态性（polymorphism） 碱基在生物进化过程中，由于碱基突变、缺失、插入或置换，DNA分子中单一基因座的遗传标记有多个等位基因存在 高度变异性（hypervariable）,第一章 DNA分型的科学基础,2、多态性的分类 序列多态性：表现在碱基序列上 如： analyze 与 analyse AGCTCAATCG 与 AGATCAATCG TCGAGTTAGC 与 TCTAGTTAGC,第一章 DNA分型的科学基础,片段长度多态性：表现在二个固定端点间DNA片段的长度上 如： AGCTCAATCG-AGCTCAATCG-AGCTCAATCG-R TCGAGTTAGC-TCGAGTTAGC-TCGAGTTAGC-R,第一章 DNA分型的科学基础,可变数目串联重复（Variable Number Tandem Repeat，VNTR）基因座 等位基因含有的串联重复数目，可以作为该等位基因的命名 如串联重复数为35，就命名为“等位基因35”,第一章 DNA分型的科学基础,第一章 DNA分型的科学基础,3、多态性产生的机理 DNA多态性产生的生物学过程 （1）细胞分裂间期，DNA复制过程 （2）减数分裂前期，同源染色体联会后，非姐妹染色单体 间的交叉，重组与互换过程 （3）减数分裂中期非同源染色体的自由组合 （4）受精过程中配子间的随机结合,第一章 DNA分型的科学基础,多态性形成原因 不等位交换 （unequal crossing over ） 碱基缺失（deletion）和插入（insertion）是一种较为常见的突变形式 ，机制之一是不等位交换,第一章 DNA分型的科学基础,第一章 DNA分型的科学基础,第一章 DNA分型的科学基础,复制滑脱（replication slippage） 链滑脱误配（slippedstrand mispairing） 究竟是缺失还是重复则要着滑脱发生在53方向还是与之相反的方向,第一章 DNA分型的科学基础,第一章 DNA分型的科学基础,一般认为： 微卫星串联重复主要由复制滑脱产生的 较长片段的串联重复，如小卫星DNA则主要由染色体不等价交换造成,第一章 DNA分型的科学基础,转座和反转录 转座（transposition） 反转录转座（retroposition） 有丝分裂前期，每条染色体含有两条姐妹染色单体，同源染色体配对后，非姐妹染色单体发生互换，结果等位基因间组合形式发生改变,第一章 DNA分型的科学基础,第一章 DNA分型的科学基础,4、人类基因组DNA多态性 （1）串联重复序列多态性 重复DNA约占人类基因的2030，是形成DNA多态性的主要结构 重复DNA按序列结构特点可分为散在重复序列和串联重复序列,第一章 DNA分型的科学基础,散在重复序列 单拷贝DNA序列以其单体出现在不同染色体或相同染色体的不同位置，称为散在重复序列 DNA（interspersed repetitive segment）,第一章 DNA分型的科学基础,SINEs（short interspersed segment ，短片段间隔型） 包含小于500 bp长的DNA序列 灵长类中最显著的SINEs是Alu家族 人类基因组中Alu家族占39 Alu家族重复子主要定位在染色体上富含GC结构区，在性别鉴定中最常用Alu序列作对照序列,第一章 DNA分型的科学基础,LINEs（long interspersed segment ，长片段间隔型） 在研究过的种属中，仅有一个LINEs家族 人类的LINEs家族就是LIHs（或Kpn）家族 长约67kb，有些大于7kb，最短的片段为0.5 kb ，这些短片段家族成员多数失去5端片段,第一章 DNA分型的科学基础,人类基因组中 LINEs的拷贝数目高达107 000 有证据证明， LINEs主要存在于染色体 GQ带，与 Alu家族序列最初定位于 R带不民GQ带富含AT，是迟复制DNA的代表，能被Giemsaquinacrine染料着色。,第一章 DNA分型的科学基础,大卫星DNA多态性 小卫星DNA多态性 微卫星DNA多态性STR,第一章 DNA分型的科学基础,第一章 DNA分型的科学基础,第一章 DNA分型的科学基础,（2）序列多态性 检测序列多态性的技术方法 DNA测序 限制性酶切片段长度多态性（RFLP） 单链构象多态性（SSCP） 等位基因特异性寡聚核着酸杂交（ASO） DNA芯片 飞行时间质谱,第一章 DNA分型的科学基础,HLA系统DNA多态性 人类白细胞抗原（HLA ，human lenkocyte antigen），其基因群定位于人类第6号染色体短臂上，DNA片段长30004000 kb，占人体整个基因组的13000,第一章 DNA分型的科学基础,第一章 DNA分型的科学基础,迄今为止所知的人类最复杂的基因族，也是目前发现的血型系统中最具有高度多态性的共显性复合遗传系统。HLA系统是具有代表性的序列多态性遗传标记位点。 至2001年10月已发现的等位基因有1468个，主要有 HLA，HLA类基因位点,第一章 DNA分型的科学基础,类基因产物为HLAA、B、C、D、E、F、G抗原，由重链和轻链两条肽链构成，重链由HLA基因控制，有多态性。轻链不由HLA基因控制，无多态性。 HLA类基因中基因座包括DRA、DRB、DQA1、 DQB1、DPA1、DPB1、DMA、DMB、DOA、DOB。,第一章 DNA分型的科学基础,第一章 DNA分型的科学基础,有关等位基因的序列信息可通过数据库查询获得，其中一个网址是： http : / www. anthonynolan. com / HIG / data. html,第一章 DNA分型的科学基础,HLA的遗传特性 HLA为复等位基因，在同一染色体上紧密连锁构成一单信型。HLA每个位点均存在众多的复等位基因，各个位点基因随机组合，形成HLA系统高度多态性。 在HLA遗传过程中，HIA单倍型作为一个完整的遗传单位由亲代传给子代，形成HLA表型。,第一章 DNA分型的科学基础,单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphisms， SNPs或 SNP） 指人类基因组内特定核苷酸位置上存在两种不同的碱基，其中最少的一种在群体中的频率不少于1 双等位基因（biallelic）或二态遗传型 替换与颠换的比例大约是2：1 ；25的SNP发生于CG位点,第一章 DNA分型的科学