基因与基因组学时

基因与基因组学时第一页，共七十页，2022年，8月28日人类基因组和基因组学

基因组（genome）生殖细胞含1套基因组

1套来自父本生殖细胞体细胞含2套基因组

1套来自母本生殖细胞第二页，共七十页，2022年，8月28日

完整的人类基因组包含：

1-22号常染色体核基因组

X和Y染色体

线粒体基因组第三页，共七十页，2022年，8月28日EcoRⅠ属名种名菌株名酶的序号限制性内切核酸酶限制酶：能够识别DNA链的特定部位并能进行切割。第四页，共七十页，2022年，8月28日HaeⅢ5’3’3’5’GGCCCCGG5’3’3’5’GGCCCCGGMboⅠ5’3’3’5’GATCCTAG5’3’3’5’GATCCTAGBamHⅠ5’3’3’5’GGATCCCCTAGG5’3’3’5’GCCTAGGATCCGPstⅠ5’3’3’5’CTGCAGGACGTC5’3’3’5’CTGCAGGACGTC限制性内切核酸酶第五页，共七十页，2022年，8月28日EcoRⅠ属名种名菌株名酶的序号限制性内切核酸酶限制酶：能够识别DNA链的特定部位并能进行切割。第六页，共七十页，2022年，8月28日HaeⅢ5’3’3’5’GGCCCCGG5’3’3’5’GGCCCCGGMboⅠ5’3’3’5’GATCCTAG5’3’3’5’GATCCTAGBamHⅠ5’3’3’5’GGATCCCCTAGG5’3’3’5’GCCTAGGATCCGPstⅠ5’3’3’5’CTGCAGGACGTC5’3’3’5’CTGCAGGACGTC限制性内切核酸酶第七页，共七十页，2022年，8月28日重组DNA技术（recombinationDNAtechnique）指将目的DNA片段或人工合成的基因，通过载体在体外重组、转移并插入到另一种生物的基因组中，使其表达为新的性状或用于进一步的研究，是基因操作的核心技术。包括DNA克隆（DNAcloning）和分子杂交（molecularhybridization）。重组DNA第八页，共七十页，2022年，8月28日构建转化扩增（克隆）分离和检测重组DNA第九页，共七十页，2022年，8月28日重组DNA技术流程简图ligasevectorrestrictionendonucleaseforeignDNAbacterialcellhost第十页，共七十页，2022年，8月28日限制性内切核酸酶限制酶：能够识别DNA链的特定部位并能进行切割。TypeⅠTypeⅡTypeⅢ第十一页，共七十页，2022年，8月28日20世纪人类科技发展史上的三大创举

90年代人类基因组计划40年代第一颗原子弹爆炸60年代人类首次登上月球第十二页，共七十页，2022年，8月28日人类基因组计划ＤＮＡ的鸟枪法序列分析技术比较基因组学及功能基因组研究Contents第十三页，共七十页，2022年，8月28日一、人类基因组计划的启动

1986年，诺贝尔奖获得者R.Dulbecco（杜尔贝科）提出人类基因组计划——测出人类全套基因组的DNA碱基序列（3×109bp）。第一节人类基因组计划第十四页，共七十页，2022年，8月28日美国政府决定于1990年正式启动HGP，预计用15年时间，投入30亿美元，完成HGP。

由国立卫生研究院和能源部共同组成“人类基因组研究所”

逐渐地，HGP扩展为多国协作计划，参与者包括：英、日、法、德和中国（1993年）。第十五页，共七十页，2022年，8月28日人类基因组计划研究的主要成果和进展表现在这副图上

遗传图谱

又称为连锁图谱（linkagemap），指基因或DNA标志在染色体上的相对位置与遗传距离（1厘摩（cM）=减数分裂时两个基因间重组值为1%。）物理图谱

以定位的DNA标记序列如STS作为路标，以DNA实际长度即bp、kb、Mb为图距的基因组图谱。序列图谱

通过基因组测序得到的，以A、T、G、C为标记单位的基因组DNA序列

第十六页，共七十页，2022年，8月28日

遗传图（geneticmap）

又称连锁图（linkagemap）

是将每条染色体上的基因或遗传标记的相对位置经连锁分析确定下来，构成图谱。遗传距离：连锁图中两个基因间图距单位

厘摩（cM）

1厘摩（cM）=减数分裂时两个基因间重组值为1%。第十七页，共七十页，2022年，8月28日第一代（1975）限制片断长度多态（RFLP）分布数量105

多态程度较低,利用价值受限第二代（1989）短串连复制序列长度多态(STR)分布数量＞104

高度多态第三代（1996）单核苷酸多态（SNP）分布数量3×106

一般为二态单体型分析DNA遗传标记第十八页，共七十页，2022年，8月28日多态性：人的DNA序列上平均每几百个碱基会出现一些变异（variation），并按照孟德尔遗传规律由亲代传给子代，从而在不同个体间表现出不同，因而被称为多态性（Polymorphism）。第十九页，共七十页，2022年，8月28日第一代多态性标记是RFLP（restrictionfragmentlengthpolymorphism，限制性片段长度多态性）第二十页，共七十页，2022年，8月28日第二十一页，共七十页，2022年，8月28日第二代多态性标记是短的串联重复序列包括小卫星DNA和微卫星DNA，其多态性主要来自重复序列拷贝数的变化第二十二页，共七十页，2022年，8月28日小卫星DNA—由15-65bp的基本单位串联重复而成，长度一般不超过20kb。重复次数（小卫星DNA区的长度）在人群中是高度变异的；按照孟德尔的规律遗传微卫星DNA/简短串联重复（STR、STRP或SSLP）重复单元2-8bp，通常重复10-60次CTAGCTTATATATATATATATATATATATAAGCTTGC第二十三页，共七十页，2022年，8月28日真核生物基因组中的DNA重复序列主要有哪些类型？简要说明基因组重复序列可能的生物学意义以及基因组重复序列在分子标记研究中的应用（12分）

中国科学院2002年

硕士学位研究生入学分子遗传学试题第二十四页，共七十页，2022年，8月28日第三代多态性标记是单核苷酸的多态性（singlenucleotidepolymorphism，SNP）SNP：是由于单个核苷酸改变而导致的核酸序列多态。第二十五页，共七十页，2022年，8月28日人类99．9％的基因密码是相同的，而差异不到0．1％，不同人群仅有140万个核苷酸差异。这些差异是由“单一核苷酸多样性”（SNP）产生的，它构成了不同个体的遗传基础。在整个基因组序列中，人与人之间的变异仅为万分之一，从而说明人类不同“种属”之间并没有本质上的区别。第二十六页，共七十页，2022年，8月28日SNP与RFLP和STR标记的主要不同之处在于，它不再以DNA片段的长度变化作为检测手段，而直接以序列变异作为标记。第二十七页，共七十页，2022年，8月28日第二十八页，共七十页，2022年，8月28日l

物理图（physicalmap）是要将随机长度的DNA片断在染色体上的排列顺序确定下来。这些克隆DNA片断连接起来，形成重叠克隆群（Conting），再将一个个（Conting)相连成线状，覆盖整个染色体。这主要靠单拷贝DNA序列标定部位（STS）作路标来实现。第二十九页，共七十页，2022年，8月28日第三十页，共七十页，2022年，8月28日

序列图（sequencemap）

是通过对基因组DNA进行碱基排列顺序分析而建立的。两种技术路线：

1.公共序列路线：即在物理图基础上，将各个BAC克隆片段切成更短的片段，形成亚克隆分别进行测序，再将相互重叠的读出序列组装成连续重叠线。第三十一页，共七十页，2022年，8月28日2.“鸟枪法”测序路线：即直接将基因组DNA分割成20kb左右的小片段进行随机测序，再用超级计算机组装成重叠线。所形成的序列图称celera序列。

……………ACGTCCGATCGGTTCATGCC

TCGGTTCATGCCAATGCCGTCC…………第三十二页，共七十页，2022年，8月28日第二节DNA的鸟枪法序列分析技术一、DNA的鸟枪法测序原理第三十三页，共七十页，2022年，8月28日

1999年12月用“逐个克隆法”获得第一条人类染色体—22号染色体完成序列第三十四页，共七十页，2022年，8月28日

2000年3月用“全基因组鸟枪法”获得果蝇全基因组序列。第三十五页，共七十页，2022年，8月28日2000年6月公共领域测序计划工作框架图第三十六页，共七十页，2022年，8月28日二、DNA的鸟枪法测序的主要步骤第一，建立高度随机、插入片段大小为2kb左右的基因组文库。第二，高效、大规模的末端测序。第三，序列集合。第四，填补缺口。第三十七页，共七十页，2022年，8月28日Shotgun法序列拼接SequenceGap

第三十八页，共七十页，2022年，8月28日三、ＤＮＡ的鸟枪法测序的优缺点优点：速度快缺点：●随着所测基因组总量增大，所需测序的片段大量增加●高等真核生物（如人类）基因组中有大量重复序列，导致判断失误第三十九页，共七十页，2022年，8月28日第四十页，共七十页，2022年，8月28日基因图（genemap）

即在序列图基础上，用不同的方法测定各个基因所在区域位置。基因图测定方法：

1.CpG岛的应用：大多数持家基因和40%组织特异性基因5’端均存在CpG岛序列。制备

探针，染色体涂染指示基因位置分布。

第四十一页，共七十页，2022年，8月28日

2.计算机识别：研发计算机GRAIL系统，可识别每个基因区的外显子-内含子接头区保守序列。

3.cDNA策略：由组织细胞中表达mRNA，逆转录合成cDNA片段，称为表达序列标签（EST），将收获EST定位后，构建的图称为转录图，是人类基因图雏形。第四十二页，共七十页，2022年，8月28日

二、人类基因组计划的进展状况

（1）截至1998年10月，完成1.8×108bp，占计划的6％。

（2）完成一系列模式生物全基因组测定。

这些模式生物全基因组测定的完成有重大理论与现实意义。第四十三页，共七十页，2022年，8月28日（3）DNA测序技术飞速提高

1998.5.9.

J.C.Venter等宣布，组建商业公司，投入3亿美元，3年内完成。接着又有若干家公司成立，总共投入资金约几十亿美元，形成“公”“私”并进格局。第四十四页，共七十页，2022年，8月28日

2000.6.完成并公布人类基因组工作框架图(90%)。第四十五页，共七十页，2022年，8月28日二000年六月二十六日克林顿宣布人类基因组草图绘制完成第四十六页，共七十页，2022年，8月28日2000年6月公共领域测序计划工作框架图第四十七页，共七十页，2022年，8月28日美国国家人类基因组研究所所长弗朗西斯·柯林斯在介绍情况。第四十八页，共七十页，2022年，8月28日人类基因组草图基本信息由31.65亿bp组成含3~3.5万基因与蛋白质合成有关的基因占2%人类基因组人类蛋白质61%与果蝇同源43%与线虫同源46%与酵母同源第四十九页，共七十页，2022年，8月28日2001年2月16日

人类基因组“精细图”完成(99%)。第五十页，共七十页，2022年，8月28日2003年4月14日，人类基因组序列图亦称“完成图”（99.99%），提前绘制成功。第五十一页，共七十页，2022年，8月28日

人类基因组结构的分析

1.

人类基因组DNA全长约3×109bp，相当3600厘摩（cM）。其中仅有约5%的序列为编码序列（编码蛋白或tRNA、rRNA等）。

2.

人类基因组中可能有20000-25000个基因，其中编码蛋白质的外显子只占基因组DNA的1%，内含子则占24%。每个基因平均长27kb，平均含有9个外显子。不同个体间，基因编码仅有0.01%的差异。第五十二页，共七十页，2022年，8月28日3.

基因在各个染色体上的分布是不均匀的，17、19、22号染色体基因密度最高，而4、13、18、X、Y染色体基因密度最低。人类基因组中约20%的区段是没有基因的“沙漠”。第五十三页，共七十页，2022年，8月28日人类基因组的特征20000～25000个蛋白编码基因许多特征（基因、转座子、GC含量、CpG岛和重组率等）在基因组上分布不均大部分转座子活性明显下降染色体末端重组率较高，着丝粒附近较低，越短的染色体重组率越高，重组率在不同性别之间有差别含大量SNP第五十四页，共七十页，2022年，8月28日三、人类基因组计划的科学意义（1）确定人类基因组中约5万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。第五十五页，共七十页，2022年，8月28日（3）从整体上了解染色体结构，包括各种重复序列以及非转录“框架序列”的大小和组织，了解各种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。（4）研究空间结构对基因调节的作用。有些基因的表达调控序列与被调节基因从直线距离上看，似乎相距甚远，但若从整个染色体的空间结构上看则恰恰处于最佳的调节位置，因此，有必要从三维空间的角度来研究真核基因的表达调控规律。第五十六页，共七十页，2022年，8月28日（5）发现与DNA复制、重组等有关的序列。DNA的忠实复制保障了遗传的稳定性，正常的重组提供了变异与进化的分子基础。局部DNA的推迟复制、异常重组等现象则导致疾病或者胚胎不能正常发育，因此，了解与人类DNA正常复制和重组有关的序列及其变化，将对研究人类基因组的遗传与进化提供重要的结构上的依据。第五十七页，共七十页，2022年，8月28日（6）研究DNA突变、重排和染色体断裂等，了解疾病的分子机制，包括遗传性疾病、易感性疾病、放射性疾病甚至感染性疾病引发的分子病理学改变及其进程，为这些疾病的诊断、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。了解有关病毒基因组侵染人类基因组后的影响，可能指导人类有效地利用病毒载体进行基因治疗。

第五十八页，共七十页，2022年，8月28日（8）研究染色体和个体之间的多态性。这些知识可被广泛用于基因诊断、个体识别、亲子鉴定、组织配型、发育进化等许多医疗、司法和人类学的研究。此外，这些遗传信息还有助于研究人类历史进程、人类在地球上的分布与迁移以及人类与其他物种之间的比较。第五十九页，共七十页，2022年，8月28日人类基因组计划比较基因组学及功能基因组研究Contents第六十页，共七十页，2022年，8月28日一、比较基因组学(ComparativeGenomics)概念：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。第三节比较基因组学及功能基因组学研究第六十一页，共七十页，2022年，8月28日物种完成年份总长度/Mp已完成总长的百分数/%占常染色质百分数/Mb基因数/Mb酵母19961293100483线虫19989699100197果蝇20001166497117拟南芥200011592100221人类第21染色体200034751007人类第22染色体199934709716人类全基因组(PublicSequence)20012693849012