第2章基因组学

1、遗传作图基本概念1. 1. 遗传作图定义遗传作图定义 采用遗传学分析方法将基因或其他采用遗传学分析方法将基因或其他DNADNA顺序标定在染色体上构建连锁图。顺序标定在染色体上构建连锁图。2. 2. 遗传作图的基本原理遗传作图的基本原理 随机的染色体上两个任意基因座越远，随机的染色体上两个任意基因座越远，它们越容易被染色体断裂所分离。它们越容易被染色体断裂所分离。3.3.遗传图距的单位遗传图距的单位 厘摩（厘摩（cMcM）: :每单位厘摩为每单位厘摩为1 1交换率交换率。 交换率（交换值、重组频率）交换率（交换值、重组频率）= = 减数分裂的重组产物减数分裂的重组产物/ /减数分裂的总产物减数分

2、裂的总产物4.4.遗传作图的主要方法遗传作图的主要方法 杂交实验、杂交实验、 家系分析家系分析2、物理作图、物理作图: 应用分子生物学技术直接将应用分子生物学技术直接将DNA分子标记、基因分子标记、基因或克隆标定在基因组的实际位置或克隆标定在基因组的实际位置物理图的距离物理图的距离:依作图方法而异依作图方法而异,辐射杂种作图的计算单位为厘镭辐射杂种作图的计算单位为厘镭(cR);限制性片段作图与克隆作图的图距单位为碱基对限制性片段作图与克隆作图的图距单位为碱基对(bp) 分辨率低100kb理想的标记密度，但是当时的结果是只能到2-5Mb 覆盖面较低 重组时间发生少的区域，高密度的连锁图难以完成

3、分子标记的排列有时会出错：环境因素或者取样误差，导致的非随机的群体组成。 共同之处：共同之处：确定基因或分子标记在染色体上的排列位置。确定基因或分子标记在染色体上的排列位置。基因组测序策略基因组测序策略v有了高密度的基因组图谱，就可以开始全有了高密度的基因组图谱，就可以开始全基因组测序了基因组测序了v测序的技术飞速发展，全自动化测序的技术飞速发展，全自动化v测序的策略有两个：测序的策略有两个： 鸟枪法鸟枪法 克隆重叠群法克隆重叠群法鸟枪法（鸟枪法（shotgun sequencing）鸟枪法的优缺点鸟枪法的优缺点v优点：优点： 不需要高密度的图谱不需要高密度的图谱 速度快、简单、成本低速度快、

4、简单、成本低v缺点：缺点： 拼接组装困难，尤其在重复序列多的区域拼接组装困难，尤其在重复序列多的区域v主要用于重复序列少、相对简单的原核生物基主要用于重复序列少、相对简单的原核生物基因组因组克隆重叠群法（克隆重叠群法（clone contig）v 将基因组将基因组DNADNA切割长度为切割长度为0.1Mb0.1Mb1Mb1Mb的的大片段，克隆到大片段，克隆到YACYAC或或BACBAC载体上载体上v 然后再进行亚克隆，分别测定单个亚克然后再进行亚克隆，分别测定单个亚克隆的序列隆的序列v 再装配、连接成连续的再装配、连接成连续的DNADNA分子。分子。v 这是一种自上而下（这是一种自上而下（up

5、 to downup to down）的测）的测序策略序策略 v clone-by-clone methodclone-by-clone method两种基因组测序策略两种基因组测序策略The E.coli genome基因标记 孟德尔 肉眼 豌豆植株高矮、豌豆颜色等 摩尔根 显微镜、肉眼 果蝇躯体颜色、翅膀形状等 生化表型细菌、酵母遗传学研究；人类中如血型系列（ABO）分析、血清蛋白和免疫蛋白遗传作图标记基因标记的缺点基因标记的缺点高等生物，如脊椎动物和显花植物等，可用作标记的基因十分有限，许多性状都涉及多基因；高等生物基因组中存在大量的基因间隔区，纯粹用基因作为标记将在遗传图谱中留下大片的

6、无标记区段；只有部分基因其等位基因成员可以通过常规试验予以区分，因而产生的遗传图是不完整的，必需寻找其他有效的标记；2. DNA分子标记2.1 DNA 分子标记作图的优点: 不以表型为参照 直接检测个体基因型组成 具有共显性的特点2.2 分子标记用于基因定位的发展史 基因定位最早采用的方法就是基因定位最早采用的方法就是连锁分析连锁分析。通过基因与通过基因与DNADNA标记之间的重组率来估计基因标记之间的重组率来估计基因的位置。的位置。 可用于连锁分析的可用于连锁分析的DNADNA标志是基因定位的标志是基因定位的基础，基础，DNADNA标记越多，杂合性越强，基因定位标记越多，杂合性越强，基因定位

7、就越方便。就越方便。DNADNA标记的选择经历了从标记的选择经历了从RFLPRFLP- -STRSTRSNPSNP等发展过程。等发展过程。PIC(polymorphic formation content)PIC(polymorphic formation content)多态性信息量多态性信息量: :某一标记在群体中出现多态性的频率。某一标记在群体中出现多态性的频率。RFLPRFLP- -限制性片段长度多态性限制性片段长度多态性STRSTR- -简单串联重复简单串联重复 1-61-6个核苷酸个核苷酸SNP-SNP-单核苷酸多态性单核苷酸多态性RFLP,多态性不够高，杂合性（多态性不够高，杂合

8、性（PIC）平均达到）平均达到 0 .3，而且在染色体上分布不均匀，难以将一些罕见的基而且在染色体上分布不均匀，难以将一些罕见的基因进行定位；对多基因病的定位也难以奏效。因进行定位；对多基因病的定位也难以奏效。STR位点已经达到位点已经达到8000个，平均个，平均 100kb200kb有有一个一个 STR位点，杂合性（位点，杂合性（PIC）平均达到）平均达到 0 .7,这已经使得连锁分析的功能发挥到了极限。这已经使得连锁分析的功能发挥到了极限。SNP位点已经达到数十万个，平均位点已经达到数十万个，平均 1000bp有有一个一个 ，估计，估计1700万个万个(40个人筛选结果）。个人筛选结果）。

9、(简单串联重复序列简单串联重复序列,STRs ,simple tendem repeats)2.3 分子标记pRFLP(restriction fragment length polymorphisms,限制性片段长度多态性)RFLP的特征: 处于染色体上的位置相对固定; 同一亲本及其子代相同位点上的多态性片段特征不变; 同一凝胶电泳可显示不同多态性片段,具有共显性特点;人类基因组中有人类基因组中有105 个个RFLP位点，每一位点只有位点，每一位点只有两两个等位基因。个等位基因。vDNADNA序列能或不能被某一酶酶切，相当于一对等序列能或不能被某一酶酶切，相当于一对等位基因的差异。位基因的差

10、异。 v 如有两个如有两个DNADNA分子（一对染色体），一个具有某分子（一对染色体），一个具有某一种酶的酶切位点，而另一个没有这个位点，酶一种酶的酶切位点，而另一个没有这个位点，酶切后形成的切后形成的DNADNA片段长度就有差异，即多态性。片段长度就有差异，即多态性。v 可将可将RFLPRFLP作为标记，定位在基因组中某一位置作为标记，定位在基因组中某一位置上。上。v人类基因组中有人类基因组中有10105 5个个RFLPRFLP位点，每一位点只有位点，每一位点只有两个等位基因。两个等位基因。RFLPRFLP分析分析pSSLPs(Simple sequence length polymorph

11、isms, 简单序列长度多态性) SSLP 产生重复序列的可变排列,同一位点重复次数不同,表现DNA序列长度变化; 与RFLP 不同,具有多等位性; 小卫星(minisatellite)和微卫星(microsatellite)序列都可用于遗传作图,但微卫星更普遍。v这种重复序列的重复单位很短，常常只有这种重复序列的重复单位很短，常常只有2 2个、个、3 3个或个或4 4个核苷酸个核苷酸v如一条染色体如一条染色体TCTTCTGAGAGAGAGAGAGAGACGCCGC 另一染色体另一染色体TCTTCTGAGAGAGAGAGAGAGAGAGAGAGAGAGAGAGACGCCGC，就构成了就构成了多

12、态性。多态性。SSR ，任何两个人的微卫星组合都不同，可以用来编制遗传档案pSNP(single nucleotide polymorphisms,单核苷酸多态性) 1996年，年，Lander报道了报道了SNP，制备第三代遗传，制备第三代遗传连锁图的遗传标记。连锁图的遗传标记。 基因组中单个核苷酸的突变称为点突变; 理论上每个单核苷酸位置最多只有4种形式,但某些群体特定的单核苷酸位置只有2个或3个SNP,这些位点称为双等位或三等位;不同人群仅有140万个核苷酸差异 ； 人基因组人基因组SNP与与疾病的关系，及药物遗传学。疾病的关系，及药物遗传学。 人基因组人基因组SNP有有1000万个，在基

13、因内部是万个，在基因内部是20万个，基万个，基因外部是其因外部是其10倍倍 在基因组编码顺序中，SNP大多位于密码子的摇摆位置，表现为基因沉默而被大量保留下来; 大多数SNP所在的位置不能被限制酶识别，必须采取测序或寡核苷酸杂交检测; SNP在基因组中的数量极大，二倍体细胞中每个SNP最多只有2种等位型。/SNP/index.html孟德尔遗传学简介 等位基因随机分离定律 独立遗传定律 完全连锁 不完全连锁 不完全显性 共显性遗传作图的方法 1865年 不完全显性 杂合子表现为2个纯合子的中间表型 共显性：杂合子同时出现2个等位基因的表型孟德

14、尔第一定律孟德尔第一定律 等位基因随机分离等位基因随机分离(The Law of Segregation) AAaaAaF1ParentsF2AAaaAa1:2:1A:a=1:1孟德尔第二定律孟德尔第二定律 独立分配定律独立分配定律(the law of independent assortment) F1ParentsF2AaBb AB Ab aB ab 25% 25% 25% 25%AB(25%) Ab(25%)aB(25%)Ab(25%)AABB AABb AaBB AaBbAABb AAbb AaBb AabbAaBB AaBb aaBB aaBbAaBb Aabb aaBb aabb

15、A:a=1:1 B:b=1:1AABBaabb连锁遗传定律连锁遗传定律 F1ParentsF2AaBb AB Ab* aB* ab50% 0% 0% 50%AB(50%) Ab(0%)aB(0%)ab(50%)AABB - - AaBb - - - - - - - -AaBb - - aabbAABBaabb* 完全连锁完全连锁 AB Ab aB ab(25) (25) (25) (25)(50) (0) (0) (50) (48) (2) (2) (48)配子类型配子类型(%)独立遗传独立遗传孟德尔第二定律孟德尔第二定律完全连锁完全连锁不完全连锁不完全连锁连锁遗传定律连锁遗传定律根据重组率计

16、算遗传距离根据重组率计算遗传距离2. 连锁分析连锁发生的时期 减数分裂期,同源染色体复制后不分离双价体重组 重组(recombination)或交换(crossing-over):在双价体中,并列的同源染色体臂发生机械断裂,彼此交换DNA区段,这一过程被称为交换或重组.连锁基因之间的交换连锁基因之间的交换重组率绘制遗传图 重组率为测量基因之间相对距离的尺度.果果蝇蝇连连锁锁图图 近端粒区和远着丝粒区有较高的重组率; 如老鼠主要组织兼容性复合座位 (major histocompatibility complex,MHC) 含有一组控制免疫反应的基因，其中一个区段的重组率高于平均数数百倍. 遗传

17、图的偏离重组热点(recombination hot spot)：染色体的某些位点之间比其他位点之间有更高的交换率.遗传图的偏离重组热点区域的特点： 均发生在基因E beta的第二个内含子上，长度4.3kb， 检测到9/11的核苷酸共有序列，5 TGGAAATCCCC- 3， 性别之间也会表现重组率的差异 同一染色体发生多起交换的现象 当多起交换发生在2个基因之间时，会产生距离减少的假象。 性别特异性的重组热点，女性的长于男性 最初的两个性别符号来自于天文符号。1751年，卡尔林奈最早使用它们来表示植物的性别。1 上上 来自火星符号，表示男性或其他雄性生物。 下下 来自金星符号，表示女性或其他

18、雌性生物。 3. 不同模式生物的连锁分析 连锁分析的三大范畴: 有性杂交实验 系谱分析 DNA转移 有性杂交实验 果蝇、老鼠、玉米、水稻 系谱分析 人类、单仔生殖的大生物，多年生木本 DNA转移 不发生减数分裂的生物，病毒、细菌3.1 杂交实验的连锁分析选择已知基因型的亲本获得交配的子代设计杂交方案分析其表型及基因型 两点杂交 RFLP连锁图 RFLP 作图的程序 与经典遗传作图类似,只是统计性状改为DNA 分子标记 程序：选择已知基因型的亲本 设计杂交方案 获得交配的子代 分析其DNA分子标记 共分离: 在有性繁殖的后代,假如基因附近有一紧密连锁的分子标记,在细胞减数分裂时分子标记与基因之间由于相距太近很少有机会发生交换，那么这种分子标记与连锁的基因有最大的可能同时出现在同一个个体中，这种现象被称为共分离 图位克隆:从分子标记连锁图中找到与靶基因位于同一连锁群的分子标记,然后再从同一连锁群的分子标记中检测与靶基因接近的分子标记,依次渐进,直至获得最接近基因座的标记为止.3.2 系谱分析作图 人类样品有限，借助统计学方