遗传学 9. 基因与基因组

第18章基因与基因组

第一节基因的概念一经典遗传学关于基因的概念1856-1864孟德尔称控制性状的因子为遗传因子1909年约翰生提出----基因（gene）

allele1911摩尔根等建立了以基因和染色体为主体的经典遗传学--基因理论基因是化学实体，以念珠状直线排列在染色体上

获1933年度诺贝尔奖交换单位：

基因间能进重组，而且是交换的最小单位。经典遗传学-----基因突变单位：一个基因能突变为另一个基因功能单位：控制有机体的性状“三位一体”的基因：基因是决定性状的最小单位、突变的最小单位、重组的最小单位。三位一体遗传物质的使命?稳定遗传控制性状J.D.WatsonF.CrickDNA是遗传物质（基因）

二分子遗传学双螺旋结构半保留复制PCR

结构基因(structuralgene)：

指可编码RNA或蛋白质的一段DNA序列,顺反子多顺反子半乳糖苷酶渗透酶乙酰转移酶调控基因

(regulatorgene)：指其表达产物参与调控其它基因表达的基因。阻遏蛋白基因（DNA）结构\基因表达\性状转录终止mRNAmRNA转录起始转录起始转录终止基因：是合成一条有功能的多肽或RNA分子所必须的完整的DNA序列。结构基因(structuralgene)---启动子、RNA编码区和终止区现代基因概念：基因结构与基因功能联系起来。

隔裂基因(splitgeneinterruptedgene)：指基因内部被一个或更多不翻译的编码顺序即内含子所隔裂的现象。

内含子(intron)：不编码蛋白质的非编码序列

外显子(extron)：编码蛋白质的序列

重叠基因(overlappinggene)：

指在同一段DNA顺序上，由于阅读框架(ORF)不同或终止早晚不同，同时编码两个以上基因(多肽链)的现象。ADCBEF两个基因共有一段重叠的核苷酸序列Nestedgene跳跃基因(jumpinggene)：

即转座因子，指染色体组上可以转移的基因。可作为插入因子和转座因子移动的DNA序列。

实质：能够转移位置的DNA片断。

功能：在同一染色体内或不同染色体之间移动引起插入突变、DNA结构变异（如重复、缺失、畸变）通过表现型变异得到鉴别。

遗传工程：转座子标签法。一、基因的概念及其发展

1、经典遗传学→孟德尔称控制性状的因子为遗传因子

→1909年约翰生提出了基因这个名词，取代孟德尔的遗传因子→摩尔根等人对果蝇、玉米等的大量遗传研究，建立了以基因和染色体为主体的经典遗传学

结构单位重组单位基因突变单位功能单位2、分子遗传学基因是DNA分子上的一定区段,携带有特殊的遗传信息，可转录、翻译，可对其他基因起调节作用

突变子：突变的最小单位基因重组子：交换的最小单位顺反子（作用子）：功能单位（基因）基因可进一步分为不同类型：(1)结构基因：可编码RNA或蛋白质的一段DNA序列

(2)调控基因：其产物参与调控其他结构基因表达的基因

(3)重叠基因：指同一段DNA的编码顺序，由于阅读框架(ORF)的不同或终止早晚的不同，同时编码两个或两个以上多肽链的现象(4)隔裂基因：指一个结构基因内部为一个或更多的不翻译的编码顺序，如内含子所隔裂的现象(5)跳跃基因：可作为插入因子和转座因子移动的DNA序列，有人将它作为转座因子的同义词(6)假基因：同已知的基因相似，但位于不同位点，因缺失或突变而不能转录或翻译，是没有功能的基因酶蛋白：gene---enzyme---express例如：豌豆圆粒(RR)×皱粒(rr)F1圆粒(Rr)F21/4皱粒

R基因--淀粉分枝酶(starch-branchingenzymeSBE)

正常合成淀粉-----圆粒

r基因--不能合成SBE酶,累蔗糖和大量的水分—皱粒一个基因一个酶一个基因—一个mRNA—一个多肽二、基因的微细结构

1、互补作用与互补测验(顺反测验)假定有两个独立起源的隐性突变如a1与a2，它们具有类似的表型，如何判断它们是属于同一个基因的突变，还是分别属于两个基因的突变？即如何测知它们是等位基因？需要建立一个双突变杂合二倍体，测定这两个突变间有无互补作用

顺反测验

第二节基因组学基因组学(genomics)：主要研究生物体全基因组(genome)的分子特征。研究目标：（1）基因组的结构、功能（2）基因组包含的遗传物质的全部信息及相互关系（3）合理地利用各种有效资源基因组学-----基因组计划，如人类、水稻基因组计划1、构建基因组的遗传图谱2、构建基因组的物理图谱3、测定基因组DNA的全部序列4、构建基因组的转录本图谱5、分析基因组的功能人类基因组计划1990---2001《Nature》《Science》人类基因组框架图数据中国---3号2003------99%“人体阿波罗计划”www.sanger.ac.uk/HGP/draft2000/Autosomes:22pairsHeterosomoes:1pair(XandY)

1992年8月，中国根据国情正式宣布实施自己的“水稻基因组研究计划”，已完成水稻基因组物理图谱的构建。

2002年4月5日，《Science》以14页的篇幅刊登和宣布中国科学家独立绘制完成的水稻基因组草图序列（4.6亿）

二遗传标记GeneticMarkers

1

遗传标记GeneticMarker概念：是遗传物质特殊的易于识别的表现形式，是指可追踪染色体、染色体某一节段或某个基因座在家系中传递的任何一种遗传特征。是遗传学和育种学的重要工具。

特征：

可遗传性和可识别性标准：

※多态性强

※共显性

※对主要农艺性状无影响

※容易观察记载

遗传标记的种类：

形态标记(MorphologicalMarker)

细胞标记(CytologicalMarker)

生化标记(BiochemicalMarker)

分子标记(MolecularMarker)1.MorphologicalMarker指形态特征

2.

Cytologicalmarkers

ChromosomeNumbersChromosomeStructure

DeletionDuplicationInversionTranslocation

3Biochemicalmarker----生化标记基因表达产物蛋白质为主的一类标记。

•非酶蛋白

•

同工酶（来源相同、催化相同，分子结构和理化不同）

Per、Est、SOD、-Amylase、

ADH等57种。经济方便、易于操作、应用广泛位点有限、具有组织、发育及物种的特异性（同功酶）材料的采集研磨和酶的提取酶的保存凝胶制备电泳酶的组织化学染色酶谱的记录与分析数据分析4

MolecularMarker---分子标记以DNA多态性为基础的遗传标记多态性几乎遍及整个基因组。共显性遗传（既利用分子标记可鉴别二倍体中杂合和纯合型。能明确辨别等位基因。选择中性（无基因多效性）。不影响目标性状的表达、与不良性状无必然连锁。可微量分析、检测手段快速。4.1MolecularmarkerDefination:

是指能反映生物个体或种群基因组中某种差异特征的DNA片段，能够直接反映基因组DNA间的差异。

第一类：电泳、分子杂交为基础代表：RFLP、原位杂交第二类：电泳、PCR为基础代表：RAPD、AFLP、SSR、EST

STS、SCAR第三类：单核苷酸多态性为基础：SNP优点：丰富性（数量多）高效性（不受环境发育时期限制）

多态性高（存在许多变异）中性（不影响目的基因表达）共显性（纯和及杂合）第一类：电泳、分子杂交为基础代表：RFLP、原位杂交

第一代的多态性标记

遗传图谱有助于将所需性状与容易鉴定的性状特征相结合，使间接选择更简单易行。1974年Grozdicker在鉴定温度敏感表型的腺病毒突变体时，利用限制性内切酶酶解后DNA片段产生差异的原理，首创第一代DNA分子标记--RFLPRFLP(RestrictionFragmentLengthPolymorphism)

限制性片段长度多态性（1980年）：

基于DNA杂交技术（Southern）1.RFLPDiscoveryRFLP标记技术的原理

RFLP技术是用限制性内切酶酶解DNA样品，产生大量限制性片段，通过凝胶电泳将DNA片段按照各自的长度分开，当酶解片段比较多时（如植物基因组DNA）,实际上仍然是形成连续一片的带。为了把多态片段检测出来，需要将凝胶中的DNA变性，通过Southernblotting转移至硝酸纤维素滤膜或尼龙膜等支持膜上，使DNA单链与支持膜牢固结合，再用经同位素或地高辛标记的探针与膜上的酶切片段分子杂交，通过放射自显影显示出杂交带，即检出限制性片段长度多态性。2.RFLP–PrincipleRestrictionFragmentLengthPolymorphism限制性酶切片段长度多态性1980BotsteinDNARFLPDNA变异类型（1）碱基置换（AG,CA）（2）单个碱基缺失或插入（3）一段DNA片段缺失或插入（4）一段DNA片段产生倒置（5）一段DNA片段产生相连性重复片段RFLP

共显性（纯合及杂合）SouthernBlotRestrictionenzymeDNAof

varioussizesElectrophoreseonagarosegelgelDenature-transferto

filterpaper.blotHybridizetoprobeVisualizeDenature-transferto

filterpaper.blotSouthernBlotting4.优缺点：优点：共显性数量大可用探针多

缺点：技术复杂成本高

DNA量大

第二类：电泳、PCR为基础代表：RAPD、SSR、AFLP、

EST、STS、SCAR、

第二代的多态性标记

（重复序列的多态性）PCR(PolymeraseChainReaction)

KaryMullis(1985)Threesteps:denaturationprimerannealingpolymerization.PCRBuffer(containingMg++)TemplateDNA2PrimersthatflankthefragmentofDNAtobeamplifieddNTPsTaqDNAPolymerase(oranotherthermallystableDNApolymerase)PCRMelting94oCTemperature100050Time5’3’3’5’PCRMelting94oCTemperature100050Time3’5’5’3’HeatPCRMelting94oCAnnealingPrimers50oCExtension72oCTemperature100050Time3’5’5’3’5’5’Melting94oCPCRMelting94oCMelting94oCAnnealingPrimers50oCExtension72oCTemperature100050Time30x3’5’5’3’HeatHeat5’5’5’PCRMelting94oCMelting94oCAnnealingPrimers50oCExtension72oCTemperature100050Time30x3’5’5’3’5’5’5’5’5’5’PCRMelting94oCMelting94oCAnnealingPrimers50oCExtension72oCTemperature100050Time30x5’3’3’5’3’5’5’5’3’5’3’5’5’5’5’5’3’3’5’3’5’5’3’5’3’5’DNABetweenThePrimersDoublesWithEachThermalCycle0CyclesNumber1382412416532664RAPD----RandomAmplifiedPolymorphicDNA

随机扩增多态性DNA其原理是采用人工合成的较短的单个随机排列碱基顺序的核苷酸单链为引物，进行PCR扩增基因组DNA。ComponentsofRAPDReactionsBuffer(containingMg++)-usuallyhighMg++concentrationsareusedloweringannealingstringencyTemplateDNA1shortprimer(10bases)notknowntoannealtoanyspecificpartofthetemplateDNAdNTPsTaqDNAPolymerase(oranotherthermallystableDNApolymerase)RAPDTemplateDNAPrimerbindstomanylocationsonthetemplateDNAOnlywhenprimerbindingsitesarecloseandorientedinoppositedirectionsotheprimerspointtowardeachotherwillamplificationtakeplaceRAPDTemplateDNAPrimerspointawayfromeachother,soamplificationwon’thappenRAPDTemplateDNAPrimerspointinthesamedirection,soamplificationwon’thappenRAPDTemplateDNAPrimerstoofarapart,soamplificationwon’thappen>2,000basesTemplateDNAPrimersarejusttherightdistanceapart,sofragmentisamplified100-1,500basesRAPDMM2345678910RAPD4mMMgCl21.2UTaq5pMOPA-164mMMgCl20.6UTaq10pMOPA-162mMMgCl21.2UTaq10pMOPA-16LoweringMagnesiumionconcentrationthesametemplateandprimerRAPD标记的特点有：

(1)不需DNA探针，设计引物也无须知道序列信息；

(2)显性遗传（极少数共显性）不能鉴别杂合子和纯合子；（3）技术简便，不涉及分子杂交和放射性自显影等技术；（4）DNA样品需要量少，引物价格便宜，成本较低；（5）实验重复性较差，结果可靠性较低。

AFLP(AmplifiedFragmentLengthPolymorphism)扩增片段长度的多态性

荷兰科学家Zabeauand

Vos

1993SRFA(SelectiveRestrictionFragmentAmplification

选择性限制片段扩增基本原理：AFLP标记是选择性扩增基因组DNA酶切片段所产生的扩增产物的多态性，其实质也是显示限制性内切酶酶切片段的长度多态性，只不过这种多态性是以扩增片段的长度不同被检测出来。特点：（1）限制酶及引物有较多选择---产生标记数目无限（2）扩增片段数目与引物有关与酶切无关。

ATCTGACGCATGGTTAAGNNNNNNAATGAGTCCTGAGTAGCAGCTCGTAGACTGCGTACCAATTCNNNNNNTTACTCAGGACTCATAATTCNNN

GNNNNNNTNNNAATMMEEEMCTCGTAGACTGCGTACC

CATCTGACGCATGGTTAATACTCAGGACTCAT

GAGTCCTGAGTAGCAGGACTGCGTACCAATTCACAATGAGTCCTGAGTAG

CATCTGACGCATGGTTAAGNNNNNNTTACTCAGGACTCATNNNAATGAGTCCTGAGTAGCAGCTCGTAGACTGCGTACCAATTCNNNGACTGCGTACCAATTCACTTGCAATGAGTCCTGAGTAGAFLPEcoRⅠ

50-100AFLP/time遗传材料相近

Mse

ⅠPre-amplification1:20AdaptersEcoRI接头（adaptor）5’CTCGTAGACTGCGTACCCTGACGCATGGTTAA5’MseI接头5’GACGATGAGTCCTGAGTACTCAGGACTCAT5’核苷酸增加减少所扩增片段数目AFLP标记的特点有：（1）标记数目多；（2）多态性极高；（3）表现共显性，呈典型孟德尔式遗传；（4）分辩率高，结果可靠；（5）目前该技术受专利保护，用于分析的试剂盒昂贵，实验条件要求较高。chromosomecellnucleusTargetRegionforPCR有有无长度多态性~200bp0.5-30kb<100Mb片断长度2-6bp10-60bp100-300bp

核心重复序列长度微卫星DNAMicrosatellite小卫星DNAMinisatellite卫星DNASatelliteRepeats-----dispersionandtandem

TandemRepeats中卫星1989Litt

和Lutty

等发现可变数目串联重复（variablenumberoftandemrepeatsVNTRs）SSR

(SimpleSequenceRepeats)--MSSTR

简单重复序列“junkDNA”

又称微卫星DNA(Microsatellite，MS)

短串联重复（ShortTandemRepeats,STR）

1-6个碱基对构成的基本重复单位（基序motif）串联构成的一段DNA，一般在100-200bp以内，约10Kb的DNA序列有一个微卫星。SSR存在部位:基因组非编码区及染色体近端粒区。多态性:SSR由不同的个体间不同的重复单位以及重复次数的不同构成。重复：DNA复制---DNA滑动或错配、不等交换在人类基因组中，大约有20-40万个SSR，平均每隔6kb-10kb就有一个SSR位点。SSR技术特点：

DNA提取

引物设计（相关文献，近缘种引物，基因组文库，SSR两端有一段保守的DNA序列，据此设计一段互补引物。数据库搜寻---GENBanKEMBLDDBJ的

DNA序列或EST序列获SSR序列）

PCR反应

扩增产物检测（变性聚丙烯酰胺序列胶，5-8%），

1-2个核苷酸变化都能分辨出来统计分析读带----1，2和统计分析----共显性