10基因组与比较基因组学中文

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10.1.2 遗传图的绘制
遗传图也称连锁图，是指基因或DNA标志在染色体上的相对位置与遗传距离， 后者通常以基因或DNA片段在染色体交换过程中的分离频率厘摩（cM）来表示。遗 传图的绘制是人类基因组研究的第一步，即以染色体上某一点为遗传标记，以与之相 伴遗传的特征为对象，经连锁分析，将编码该特征的基因定位于染色体特定位置。 cM值越大，两者之间距离越远。通过遗传图分析，我们可以大致了解各个基因或 DNA片段之间的相对距离与方向，了解哪个基因更靠近着丝粒，哪个更靠近端粒等。 遗传距离是通过遗传连锁分析获得的，研究中所使用的DNA标志越多，越密集，所 得到的遗传连锁图的分辨率就越高。 经典的遗传标记是可被电泳或免疫技术检出的蛋白质标记，如红细胞ABO血型 位点标记，白细胞HLA位点标记等。例如，在ABO血型基因中，位于9号染色体长臂3 区4带（9q34）的基因IA，决定抗原A的存在，表现A型血性状。由于ABO血型的广泛存 在，所以可用它作遗传标记。当在某一家庭中，观察到了指甲髌骨综合征与A型血相 伴遗传时，科学家就认为，这种病的致病基因NP与IA基因相连锁，也位于9q34区段。 进一步的观察发现，这个家庭的后代中，有1/10为A型血而无指甲髌骨综合征，这表 明基因IA和NP发生了交换，交换率（重组率）为1/10。这时就可说，基因IA和NP相距 较近，连锁图上的距离为10厘摩（重组率1％即为1厘摩）。
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10.1.3 物理图（Physical Map） 物理图（ ）
遗传图所表现的，是通过连锁分析确定的各基因 间的相对位置 相对位置；物理图则表现染色体上每个DNA片段 相对位置 的实际顺序 实际顺序。物理图是指以已知核苷酸序列的DNA 实际顺序 片段（序列标签位点，sequence-tagged site，STS） 为“路标”，以碱基对（bp，kb，Mb）作为基本测 量单位（图距）的基因组图。 现在的测序技术还不能对整个DNA分子进行序列 测定，因此须先将它切成一个个大小不同的片段，然 后将这些片段连起来，构成连续的序列。切割的工具， 是一类限制性内切核酸酶，它能识别DNA中的特定序 列，并在该位点对DNA链进行切割。有一类稀有的限 制性内切核酸酶，由于DNA中这样的序列比较少，所 以用它可将DNA分子切割成约100万碱基大小的大片断。 这样的片段有利于排序，不过必须用脉冲场凝胶电泳 法，才能将它们分开。

3 HGP对生命科学的现实意义 • 确定人类基因组中约三万个编码基因的序 列及其在基因组中的物理位置,研究基因产 物及功能. • 了解转录和剪切调控元件的结构和位置,从 整个基因组结构的宏观水平上理解基因转 录与转录调控. • 从整体上了解染色体结构,包括各种重复序 列及非转录框架序列的大小和组织,了解不 同序列在形成染色体结构,DNA复制,基因转 录及表达调控中的影响与作用.
序列图
人类基因组核苷酸序列图即是分子水平的最高 层次的、最详尽的物理图，由总长度为1ｍ左右、 约由 31 亿核苷酸组成。当前，人类基因组全序列 图实际上是一个“代表性人类个体”的序列图， 因为所有人类基因个体的基因位点都是相同的 ,不 同族种、不同个体的基因差异,以及“正常”与“ 致病”基因的差异 ,只是同一位点上的等位基因的 差异。
1 HGP大事记(续)
1993年： 位于英国剑桥的Sanger中心加入人类基因 组计划，并成为一个重要的测序中心。 1994年：美国与法国完成了人类基因组中的第一个完 整遗传连接图谱 1996年： 各国科学家聚集在百慕大群岛，讨论并通 过了充分体现HGP精神（全球共有，国际合作，即时 公布，免费共享）的百慕大原则。 1997年：大肠杆菌基因组（5Mb）全部测序完成，毛 细管测序仪上市。 1998年： Venter宣布成立Celera公司，并宣称将采 用“全基因组鸟枪法”完成人类基因组的全部测序。 从此，人类基因组测序在“公” “私”之间展开了 激烈竞争； 同年,线虫基因组测序完成。
第九章 基因组与比较基因组学
一. 人类基因组计划简介
（Human Genome Project, HGP）
1 HGP大事记
2 HGP的科学目标 3 HGP的导向性意义 4 HGP面临的挑战

基本完成DNA序列分析的真核生物基因组比较
物种 酵母
完成 年份
1996
线虫
1998
果蝇
2000
拟南芥
2000
人类第21染色体 2000
人类第22染色体 1999
人类全基因组
2001
(Public Sequence)
人类全基因组
2001
(Celera Sequence)
总长度 /Mp 12 96 116 115 34 34 2693
第二节 人工染色体构建
细菌人工染色体的构建
•riS和repE控制F质粒的复制 •parA和parB控制质粒拷贝数
第二节 人工染色体构建
BAC的优点 1． 易于用电击法转化E.coli（转化效率比转化酵母高 10-100倍）； 2． 超螺旋环状载体，易于操作； 3． F质粒本身所带的基因控制了质粒的复制； 4． 很少发生体内重排。
第二节 人工染色体构建
第二节 人工染色体构建
➢ 复制起点： DNA复制通常由起始蛋白与特定的 DNA序列相互作用开始。DNA合成的起始位点 和DNA复制起点(遗传位点)所需的Cis靶区常位 于同一段长约100bp的DNA上。
第二节 人工染色体构建
第二节 人工染色体构建
第二节 人工染色体构建
第四节 比较基因组学
1.通过基因组数据进行全局性分析
➢数据存放。 ➢碱基百分含量分析。无论是GC富含区还是AT富含区， 都可能是一些特殊功能的区域。 ➢ORF分析。首先要用多个不同的软件来要找到并估 测基因组中的每一个ORF。
开放阅读框（ORF，Open reading frame ）是基因序 列的一部分，包含一段可以编码蛋白的碱基序列，一个起始 和终止密码子之间的序列。

PE Applied Biosystems
DNA模板 ATTGCAGTCGAC 生成的新链 TAACGTCAGCTG
T管： TAACGTCAGCT TAACGT T
C管： TAACGTCAGC TAACGTC TAAC
G管： TAACGTCAGCTG TAACGTCAG TAACG
A管： TAACGTCA TAA TA
遗传图谱的标记是什么呢？
标记1 标记2
标记3
染色体上的基因和DNA序列均 可作为路标, 他们由特定的DNA 顺序组成.
路标位于染色体上的位置是固 定的，不会更改的，从而而提 供了作图的依据。
遗传标记
最早的遗传标记——基因 第一代遗传标记——限制性片段长度多态性 第二代遗传标记——简单序列长度多态性 第三代遗传标记——单核苷酸多态性
根据染色体上已知基因或遗传标签的位置来确定 部分DNA片段的排列顺序，再逐步确定各片段在 染色体上的相对位置，是建立在基因组图谱基础 上的”鸟枪法” 。
教学内容
一、高通量DNA序列分析技术 二、人类基因组计划 三、比较基因组学
二、人类基因组计划
人类基因组计划 （ Human genome project ） 于 1990 年 启 动 ， 我 国 于 1999 年 加 入 该 计 划，承担其中1%的任务， 即人类3号染色体短臂上 约30Mb的测序任务。
（4）研究空间结构对基因调节的作用。 （5）发现与DNA复制、重组等有关的序列。 （6）研究DNA突变、重排和染色体断裂等，了解
疾病的分子机制，为疾病的诊断、预防和治疗提供 理论依据。 （7）确定人类基因组中转座子、逆转座子和病毒 残余序列，研究其周围序列的性质。
遗传图谱
（二）人类基因组计

基因组学与比较基因组学研究随着科技日新月异的发展，我们的知识世界也变得越来越广泛而深入。

其中，基因组学和比较基因组学是当前科学领域中备受瞩目的领域。

它们不仅仅是关注人类的生命起源和进化方面的研究，而且还涉及到解决人类不同种类的疾病及其他遗传问题。

本文将介绍和探讨基因组学和比较基因组学的研究，以及研究它们所需的技术和工具。

一、基因组学的研究1.1 基因组学的概念基因组学是对一个组织、一个生物或一个群体中所有基因，以及它们的组成和功能进行研究的学科。

换句话说，基因组学是一种研究基因组及其相互关系的综合科学。

它是生物学、生化学、细胞学及遗传学等领域多学科的交叉发展，旨在揭示生物体内基因的编码组成和相互作用机制。

1.2 基因组学的研究方法基因组学通常使用分子生物学、生物信息学和计算机科学等方法进行研究。

其中，分子生物学主要是通过分离、克隆和研究DNA以及表达dNA时参与到的基因。

生物信息学则是将大量的基因数据对比、分类和注释，以便更好地理解基因组的功能和作用。

计算机科学是利用计算机技术帮助对基因组数据进行处理和解析。

1.3 基因组学的应用基因组学的应用十分广泛。

它被广泛用于生物信息学、遗传学、生物工程学、疾病诊断和治疗等领域。

例如，在基因组学的研究中，可以判断人类遗传性疾病是由哪些基因突变所引起，进而研究开发一些治疗方案和药物等。

二、比较基因组学的研究2.1 比较基因组学的概念比较基因组学是对不同基因组在结构、序列和功能上进行对比和研究的学科。

在比较基因组学中，通过比较不同物种基因组之间的差异，更好地理解每个物种的遗传性特征，以及它们之间的进化关系。

2.2 比较基因组学的意义比较基因组学在生物学上具有重要意义。

它可以更好地理解基因组的演化，尤其是生命起源和进化过程的研究。

根据不同物种基因组内的共同点和差异，可以对其进行分类和固定物种的地位。

同时，还可以通过比较不同物种基因组序列之间的差异，寻找新药物或其他生物产品。

第二章基因1.反向重复序列：两个顺序相同的互补拷贝在同一 DNA链上呈反向排列构成。

2.基因：是编码RNA或一条多肽链所必需的全部核酸序列(通常指DNA序列)。

包括编码序列、两侧的侧翼序列及插入序列。

3.割裂基因(断裂基因)：基因的编码序列在DNA上不是连续的，而是被不编码的序列隔开。

4.多基因家族(multigene famly)由一个祖先基因经过重复和变异所形成的一组基因。

5.假基因(pseudogene)在多基因家族中，某些成员在进化过程中获得一个或多个突变而丧失了产生蛋白产物的能力，这类基因称为假基因。

如：wZ、Wa、w06.突变(mutation):包括基因突变和染色体畸变7.基因突变(gene mutation):是指DNA分子中的核昔酸顺序发生改变，使遗传密码编码产生相应的改变，导致组成蛋白质的氨基酸发生变化，以致引起表型的改变。

8.自发突变或自然突变(spontaneous mutation):在没有人工特设的诱变条件下，由外界环境的自然作用或生物体内的生理和生化变化而发生的突变。

突变频率很低。

9.诱发突变(induced mutation):人工运用物理、化学或生物的方法所诱导的突变。

突变频率大大提高。

10.生殖细胞突变(germinal mutation)和体细胞突变(somatic mutation) 突变体(mutant)：携带突变Gene的细胞或个体。

野生型(Wild type):未突变Gene的细胞或个体。

11.突变的分子基础碱基替换(base substitution)移码突变(frameshift mutation)动态突变(dynamic mutation)12.碱基替换(base substitution) 一种碱基被另一种碱基替换，又叫点突变(pointmutation)。

有两种形式：转换(transition)： DNA分子中一个嘌吟被另一个嘌吟替代或一个嘧啶被另一个嘧啶所替代。

10. 1. 1 人类基因组计划的科学意义 到目前为止，已经完成了酵母、线 虫、果蝇、拟南芥、人类、小鼠和 水稻等7个真核生物基因组以及大肠 杆菌等上百个原核生物基因组。
图10-1主要基因组计划到2001年2月为止的进展情况总结
人类基因组计划的科学意义在于： （1）确定人类基因组中约3-4万个编 码基因的序列及其在基因组中的物理 位置，研究基因的产物及其功能。 （2）了解转录和剪接调控元件的结 构与位置，从整个基因组结构的宏观 水平上理解基因转录与转录后调节。
产生配子的减数分裂过程中，亲 代同“号”的父源或母源染色体既能 相互配对也可能发生片段互换，而 父母源染色体等位基因互换导致子 代出现DNA“重组”的频率与这两个 位点之间的距离呈正相关，所以， 用两个位点之间的交换或重组频率 来表示其“遗传学距离”。
图10-2 遗传距离图的基本数据来自基因的重组。 注：上述4个基因都位于果蝇的X染色体上。
STRP的优点是 “多态性”与“高频 率”。由于(A)n，(CA)n，(CGG)n等 短重复序列在进化上不受选择，在 同一位点上可重复单位数量变化很 大，配对时又容易产生“错配”，使 这样的位点遍布于整个基因组。
表10-2 人类基因组中的各种主要卫星DNA比较
卫星DNA分 类 特 征
卫星DNA： 串联重复的基本单位首尾相接，在基因组中呈不均匀 分布，但主要集中于着丝粒、端粒等特定部位，高度 或中等重复，分属三个大家族。 α卫星DNA 中等重复，基本单位长171bp。 小卫星DNA 微卫星DNA 中等重复，基本单位长15~65bp。 中等重复，基本单位长2~8bp
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基因组与比较基因组学中文
11、用道德的示范来造就一个人，显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
12、法律是无私的，对谁都一视同仁。在每件事上，她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的法律限制不了好的自由，因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德法律都是相互依存的。——伯克
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿

真核生物基因组的主要成分被核膜所包 裹，与细胞质分开。
人类基因组计划
2003年4月14日，国际人类基因组宣布：人 类基因组序列图--“完成图”提前绘制成功。
人类基因组包括24条染色体，约30亿对核苷 酸，编码5万～6万个基因，人类基因组中携 带了有关人类个体生长发育、生老病死的全 部遗传信息。
通过流感嗜血杆菌能量代谢类群 的ORF分析，了解到它缺乏三竣 酸循环(TCA)中必需的3个酶， 即柠檬酸合成酶基因、异柠檬酸
脱氢酶基因和顺乌头酸酶基因。 由此推断流感嗜血杆菌TCA缺失， 不能合成谷氨酸，因为谷氨酸的 供体是TCA的中间产生物α-酮 戊二酸。
3 功能基因组学研究
功能基因组学→在基因组水平上阐明DNA 序列的功能。许多基因和基因组的功能元 件只有整个DNA序列已知才能得以发现。 可用序列分析和比较的方式来判断不同基 因的功能，也可通过各种定点破坏结构基 因(gene knock-out)或在基因组内定位表达 目的基因(geneknock-in)的方法来研究新基 因的功能。
1、原核生物基因组：原核生物DNA 分布在整个细胞之中，有时相对集 中在类核体上。类核体上的DNA是 一条共价、闭合双链分子，类核体 通常也称为染色体。
原核生物中一般只有一条染色体。 原核细胞都是单倍的。 这条染色体 的DNA就是原核细胞的基因组。
2、真核生物基因组
一个物种的单倍体的各条染色体中的全 部DNA为该物种的基因组(genome)。例 如，人有23对染色体，配子－－单倍体 是23条染色体，这23条染色体中的全部 DNA就是人体基因组。
比较基因组学(comparative genomics)的 威力－－根据对一种生物相关基因的认 识来理解、诠释和克隆分离另一种生物 的基因。

《分子生物学精要》基因组与比较基因组学教学目的掌握基因组学与比较基因组学的相关知识，了解人类基因组计划。

学习指导本章首先介绍了基因组学的概念和分类，分为功能基因组学和结构基因组学。

后介绍了比较基因组学的相关研究。

最后介绍了人类基因组计划的内容。

重点掌握基因组学与比较基因组学的概念，人类基因组计划的过程进展，基因测序的主要方法。

基本概念基因组（genome）指导一个生物物种的结构和功能的所有遗传信息的总和，包括全部的基因和调控元件等核酸分子。

基因组学（genomics）从整体水平上来研究一个物种的基因组的结构、功能及调控的一门科学。

基因组学可分为结构基因组学和功能基因组学两大部分。

结构基因组学（structural genomics）通过基因作图、核苷酸序列分析确定基因组成、基因定位的科学。

功能基因组学（functional genomics）利用结构基因组学所提供的生物信息和材料，全基因组或全系统地理解某种生物的遗传体系，即阐明DNA序列的功能。

基因打靶（gene targeting），这种技术是通过基因工程的方法将一个结构已知但功能未知的基因去除，或用其他序列相近的基因取代（又称基因敲入），然后从整体观察实验动物，从而推测相应基因的功能。

比较基因组学(Comparative Genomics)是基于基因组图谱和测序基础上，对已知的基因和基因组结构进行比较，来了解基因的功能、表达机理和物种进化的学科。

人类基因组计划（human genome project ，HGP）于20世纪80年代提出的，由国际合作组织包括有美、英、日、中、德、法等国参加进行了人体基因作图，测定人体23对染色体由3×109核苷酸组成的全部DNA序列，于2000年完成了人类基因组“工作框架图”。

2001年公布了人类基因组图谱及初步分析结果。

其研究内容还包括创建计算机分析管理系统，检验相关的伦理、法律及社会问题，进而通过转录物组学和蛋白质组学等相关技术对基因表达谱、基因突变进行分析，可获得与疾病相关基因的信息。