基因组与基因组学.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 绪论,1,基因及基因组学的发展历史,1860至1870年,奥地利科学家 Gregor Mendel根据豌豆杂交实验,提出遗传因子概念，,并总结出孟德尔遗传定律。,2,一、遗传因子,孟德尔提出：,生物的遗传性状是通过,“遗传因子”,（,hereditary factor,）,进行传递的；,遗传因子是一些,独立的遗传单位,。,孟德尔把,可观察的性状,和,控制它的内在的遗传因子,区分开来。,遗传因子作为基因的雏形名词诞生了。,3,摩尔根在,基因论,中绘制了果蝇基因位置图，首次完成了当时,最新的基因概念,的,描述：,基因是在染色体上呈线性排列的遗传单位，它不仅是决定性状的功能单位，也是一个突变单位和交换单位。,至此，人们对基因概念的理解更加具体和丰富了。,6,Thoman Hunt Morgan,（18661945）,因发现染色体的遗传机制，创立染色体遗传理论而于,1933年获诺贝尔生理学医学奖,7,2、,基因的,化学本质,是什么？,基因的化学本质是,核酸,而不是蛋白质,3、,基因的,结构,是什么？,1953年沃森和克里克提出著名的,DNA双螺旋分子结构,模型,。,8,Avery实验：,DNA,是,转化要素,的,活性组分，确定,基因由DNA组成,9,赫尔歇(HersheyA.)等用同位素,32,P和,35,S验证,DNA是遗传物质,。,10,11,James Dewey Watson,（1928）,Francis Harry Compton Crick,（1916）,1953年，DNA双螺旋结构模型被提出来了，两位创立者是美国生物化学家,沃森,（James Dewey Watson，1928）和英国生物物理学家,克里克,（Francis Harry Compton Crick，19162004）。获,1962年的诺贝尔生理学医学奖,。,12,1986年美国约翰霍普金斯（Johns Hopkins）大学著名人类遗传学家和内科教授麦克库塞克（McKusick）造出了,“基因组学”（Genomics）,这个名词，意指从,基因组水平,研究遗传的学科。,13,在,人类基因组计划（HGP),的影响下，分子生物学的主要目标,已经从传统的,单个基因,的研究转向对生物,整个基因组,结构与功能的研究,。生命科学正从全新的视觉角度研究与探讨生长与发育、遗传与变异、结构与功能以及健康与疾病等生物学与医学基本问题的分子机理，并形成了一门新的学科分支-,基因组学,。,14,第二节,基因组学,(Genomics),15,基因组,(,genome,),泛指一个有生命体、病毒或细胞器的全部遗传物质；在真核生物，基因组是指,一套染色体（单倍体）,DNA,。,即,物种,全部遗传信息的总和,。,物种遗传信息的“总词典”,控制发育的“总程序”,生物进化历史的“总档案”,一、,基因组概念,16,人体细胞的核型（Spectral Karyotype),“基因组(genome)”一词是1920年Winkles从,GEN,es和chromos,OME,s组成的。,17,一些模式生物的基因组大小,18,基因组的大小（C值）,19,什么是,C,值？,-,通常是指一种生物,单倍体基因组,DNA,的总量,.,在真核生物中，C值一般随着生物的进化而增加，,高等生物C值一般大于低等生物,。,C,值悖理,(,Cvalue,paradox,),：,对原核生物和低等真核生物而言，单倍体基因组,DNA,的量和,形态复杂性相关,。,20,C,值矛盾,：,指一个有机体的,C,值和其编码能力缺乏相关性。,如：,-,爪蟾的基因组大,小和人类相似；,-,两栖类最小基因组,和最大的基因组之,间相差约,100,倍；,-C,值矛盾在进化中,的原因和机制尚不,清楚。,21,病毒基因组,1,结构简单，基因组小，所含基因少。,2基因组可由DNA组成，也可由RNA组成，但,不能共存,于同一病毒。,DNA病毒：多数为,双链,(ds)、环状或线性；,RNA病毒：多数为,单链,(ss)、线性；,22,3相关基因丛集。,DNA序列中功能相关的RNA和蛋白质基因，丛集在基因组的一个或几个特定部位，形成一个功能单位或转录单位，可被一起转录成为,多顺反子mRNA,。,4常见,重叠基因,现象。,5非编码区少，,重复顺序少,。,23,蛋白D,蛋白E,24,单链环状,DNA,病毒,噬菌体phiX174,1977，Sanger,25,乙型肝炎病毒（HBV）,聚合酶,HBsAg,HBcAg,开环部分双链,DNA,病毒,26,乙型肝炎病毒基因组-开环部分双链DNA,聚合酶,HBsAg,HBcAg,27,.,禽流感病毒,(H5N1),avian influenza A virus,单链,RNA,病毒,8节段-ssRNA,血凝素（HA）,神经氨酸酶（N),28,人类免疫缺陷病毒(HIV),（,human Immunodeficiency virus,）,逆转录病毒（单链,RNA,病毒）,RNA,29,原核生物基因组,细菌染色体DNA,质粒DNA,以大肠杆菌（,Escherichia coli,）为例,30,1.基因组通常仅由,一条环状双链DNA分子组成。,其DNA是与蛋白质结合，不形成染色体结构，只是,习惯上将之称为染色体,。细菌染色体DNA在胞内形成一个致密区域，即,类核,（nucleoid），类核无核膜将之与胞浆分开。,2.功能相关的几个结构基因往往串联排列在一起组成,操纵子结构，,受上游共同的调控区控制。,3.原核生物基因组中基因密度非常高,结构,基因是连续的多为单一拷贝。,原核生物基因组结构与功能的特点,31,4.,结构基因无重叠现象，,基因组中任何一段DNA不会用于编码2种蛋白质。,5.在原核生物基因组中含有,编码同工酶的基因,。,6.在不同原核生物基因组中,GC含量,变化很大。,7.原核生物基因组的,非编码区,内主要是,调控序列,。,8.细菌基因组中的可,移动成分,能产生,转座,现象。,9.除细菌染色体外，还有能,自主复制,的,双链环状DNA,分子，称为,质粒,。,32,33,类核（nucleoid）,：细菌染色体在 细胞内形成的一个致密区域,大肠杆菌细胞结构,nucleoid,质粒plasmid,34,大肠杆菌染色体,DNA,由一条环状双链DNA分子组成，通常只有一个DNA复制起点,。,35,质粒,DNA,质粒,是存在于细菌,染色体外,的，具有,自主复制,能力的环状双链DNA分子；大小为几kb。,36,真核生物基因组,染色体DNA,线粒体DNA,37,真核生物和原核生物基因表达的对比,38,真核生物基因组结构与功能特点,1、真核生物基因组的化学本质为DNA，多与蛋白质结合形成染色质，基本结构单位为,核小体,。每一种真核生物都有一定的染色体数目，除,配子为单倍体外，体细胞一般为双倍体,，即含两份同源基因组，而原核生物的基因组则是单拷贝的。,39,2、基因组远大于原核生物，结构复杂，基因数庞大，具有许,多复制起始点,，每个复制子大小不一。,3、基因,不存在操纵子,结构，功能相关基因分散在不同的染色体上。基因都由一个结构基因与相关的调控区组成，转录产物为,单顺反子,，即一分子mRNA只能翻译成一种蛋白质。,真核生物基因组结构与功能特点,40,4、基因组中有大量低度（重复频率10,3,）、中度（重复频率10,5,，,通常这些序列的长度为6-200bp，如卫星DNA；,2.中度重复序列：,重复频率 10,1,-10,5,重复单位平均长度约300bp占基因总量的35%。（rRNA gene,tRNA gene,组蛋白gene)；,3.单拷贝基因：,单拷贝序列（unique sequence）亦称非重复序列（nonrepetitive sequence）在一个基因组中只有一个拷贝或2-3个拷贝。,多数编码蛋白质的基因,。,49,50,人类基因组中的DNA多态性,每个人之间基因组并不完全相同，称基因组的多态性，表现在,DNA的序列,上。统计表明，任意两个人之间的DNA核苷酸差异约占基因组的001，就是这,基因组中001的差异,，决定了人类的,遗传多样性,，如有人易生病，而有人却对疾病的免疫能力特别高；有些药物，有人用了就灵验，有人就不灵验。,从,不同个体DNA序列差异上阐明人类基因组的多态性,，才能真正了解与疾病特别是多基因疾病有关的遗传机制，同时深入准确地了解人类起源、进化和迁徙过程中的DNA序列变化。,51,基因组学,(genomics),发展和应用,DNA,制图、测序新技术以及计算机程序，分析生命体（包括人类）全部基因组结构及功能。,以,整个基因组,为研究对象，而不是以单个基因为单位作为研究对象。,二、基因组学概念及范畴,52,基因组学,（Genomics）,简单地定义,为研究基因组结构和功能的科学。,具体：,指以分子生物学技术、计算机技术和信息网络技术为研究手段，以,生物体内全部基因,为研究对象，在全基因背景下和整体水平上探索生命活动的内在规律及其内外环境影响机制的科学。,包括,对所有基因进行基因组作图(包括遗传图谱、物理图谱、转录图谱)，核苷酸序列分析，基因定位和基因功能分析。,53,基因组学,（genomics）,1986,年提出，至今,20,年，已经发展成为遗传学中最重要的分支学科。,对物种的所有基因进行定位、作图、测序和功能分析。,54,基因组学研究的最终目标,获得生物体全部基因组序列,鉴定所有基因的功能,明确基因之间的相互作用关系,阐明基因组的进化规律,55,基因组学包括3个不同的亚领域,结构基因组学(structural genomics),功能基因组学(functional genomics),比较基因组学(comparative genomics),基因组学概念,基因组学概念,56,结构基因组学,(structural genomics),人类基因 组计划,结构基因组学,(structural genomics),是通过,HGP,的实施来完成的。,57,人类基因组计划,58,人类基因组计划的由来,59,对生命的激情,对,生命的探索,当我们陶醉于以前的科学成就时，却突然发现了人类对自身的认识太少了。,人的生老病死究竟是由什么决定的？我们基本上没办法解答这个问题。更重要的是，人类面对一些疾病，有时显得束手无策，这迫切需要人类去认识了解自身。,60,61,62,20世纪初期,人类发现了生命的基本规律之一遗传规律。,50年代初，英国和美国的科学家提出遗传物质,的双螺旋模型,。,70年代开始的克隆技术,与此同时，我们还发现，几乎人类所有的疾病和基因有关系。,背 景,63,生命的奥秘蕴藏于“四字天书”之中,G,C,TT,C,TT,CC,T,C,A,TTTT,C,T,C,TT,G,CC,G,CC,A,CC,A,T,G,CC,G,CC,A,CC,A,T,C,A,TTTT,C,T,C,TT,G,CC,G,CC,A,CC,A,T,G,C,TT,C,TT,CC,T,C,A,TTTT,C,T,C,T,CC,A,CC,A,T,G,CC,G,CC,A,CC,A,C,G,CC,A,CC,A,T,G,C,TT,C,TT,CC,T,C,A,T,C,T,C,G,C,TTT,C,TT,G,CC,G,CC,A,CC,A,T,G,CC,G,CC,A,CC,G,C,TT,C,TT,CCt,T,C,T,C,T,64,人类基因组计划,解读与生、老、病、死有关的遗传信息（基因）的,“四字天书”,；,总“字”数：30 多亿个；,“字 母”：4个。,65,人类基因组计划(human genome project,HGP)是由,美国,科学家,Renato Dulbecco,于,1985,年率先提出，于,1990,年正式启动的。,美国、英国、法兰西共和国、德意志联邦共和国、日本,和,我国,科学家共同参与了这一价值达,30亿美元,的人类基因组计划。,这一计划旨在为30多亿个碱基对构成的人类基因组精确测序，发现所有人类基因并搞清其在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息。,简 介,66,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。,67,1975年，获诺贝尔生理医学奖,研究肿瘤病毒和细胞遗传物质之间相互作用,68,“,人类基因组计划,”与“,曼哈顿原子弹计划,”、“,阿波罗登月计划,”一起，并称为人类自然科学史上的“,三大计划,”，是人类文明史上最伟大的科学创举之一,。,69,20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,70,人类基因组计划是一个合作计划,6,个国家的,16,个中心上千名科学家参加。其中美国占,54,的份额,英国占,33,日本占,7,法国约占,3,，德国约占，,中国占,。每个国家所占的份额同该国的生物产业水平成正比。,为什么选择人类的基因组进行研究？,因为人类是在“,进化”,历程上最高级的,生物,，对它的研究有助于认识自身、掌握生老病死规律、,疾病的,诊断和治疗、了解生命的起源。,71,在,HGP,中，还包括对,五种生物基因组的研究,：,大肠杆菌,、,酵母,、,线虫,、,果蝇,和,小鼠,，称之为人类的五种“,模式生物,”。,HGP,的,最初目标,：,15,年内,（,1990-2005,）投入,30,亿美元,，完成人类,24,条染色体的,30,亿个核苷酸序列分析,HGP,的,终极目标,是解码生命、了解生命、认识种属之间和个体之间存在差异的起因、认识疾病产生的机制以及,长寿,与,衰老,等生命现象、为疾病的诊治提供科学依据。,72,73,竞争与合作,人类,基因组,计划的进展并不是一帆风顺的。以全球合作、数据共享为主旨的,国际人类,基因组,计划,面临着来自,私营公司,Celera,强有力的挑战,。,74,Celera公司简介,Celera公司建立于1998年5月，位于美国马里兰州的Rockville，由PE公司和J.Craig Venter博士共同创建。,Craig Venter博士,曾是基因组研究所（The Institute for Genomic Research，TIGR）的创建者和领导人.,Celera的本意来自拉丁语的“快速”，因此Celera公司一直致力于开发基因组信息并使之商业化，以加速生物技术的发展和应用。目前Celera公司已针对已有的,功能基因组和蛋白质组,信息开发出一套新的数据库及服务系统，为相关研究工作提供有力的工具和服务。,75,*,Craig Venter,博士采用散弹法于Science上发表结果。,76,人类基因组计划大事记,1990,年,10,月 被誉为生命科学“阿波罗登月计划”的国际人类基因组计划启动。,1998,年,5,月 组建,Celera,遗传公司，国际人类基因组计划展开竞争。,9,月,中国,获准加入人类基因组计划，负责测定人类基因组,全部序列的,1%,12,月,1,日 国际人类基因组计划联合研究小组宣布，他们完整地译出人体第,22,对染色体的遗传密码。,77,2000,年,4,月末 我国科学家按照国际人类基因组计划的部署，完成了,1%,人类基因组的工作框架图。,5,月,8,日 由德国和日本等国科学家组成的国际科研小组宣布，他们已经基本完成了人体第,21,对染色体的测序工作。,6,月,26,日 各国科学家公布了人类基因组工作草图。,78,2000年6月26日,值得载入人类自然科学史册的一个日子,国际“人类基因组计划”协作组 6 国 16 中心于当日 18：00（北京时间）同时宣布：,人类基因组计划“工作框架图”胜利完成,79,二000年六月二十六日,克林顿宣布,人类基因组草图绘制完成,80,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。,81,人类基因组草图基本信息,由31.65亿bp组成,含33.5万基因,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,82,83,2000年6月公共领域测序计划工作框架图,84,2000 年 12 月美、英等国科学家宣布绘出拟南芥基因组的完整图谱，这是人类首次全部破译出一种植物的基因序列。,85,Initial sequencing and analysis ofthe human genome,International Human Genome Sequencing Consortium,NATURE,VOL 409 15,FEBRUARY 2001,860-921,86,The Sequence of the Human Genome,16,FEBRUARY 2001 SCIENCE,VOL 291 1304-1351,Celera Genomics,87,人类染色体DNA大小,Chr.Mb,88,人类基因组计划,*,耗时10载，耗费20余亿美元；,*基因组大小30亿碱基；,*1%为外显子，99%为内含子和重复序列；,*,表达蛋白质的基因组数量约为3万；,*约含100万个单核苷酸,多态性（SNP）标记,。,89,HGP的科学目标：,是测定组成人类,基因组的全部,DNA,序列,，从而为阐明人类所有基因的结构与功能，解码人类生命奥秘奠基。,HGP的基本任务：,构建人类基因组,遗传图，物理图，转录图，序列图,，为最终完成基因图打下基础。,90,HGP的技术成果,:,主要体现在对人类基因组整体结构的认识，即人类基因组,遗传图、物理图、转录图、序列图,的完成，从而奠定了人类结构基因组学基础。而人类基因图的完成，仍有大量工作要做。,91,人类基因组计划的意义,92,1990年，国际人类基因组计划启动；,基因组计划具体分为：,构建基因组的遗传图谱；,构建基因组的物理图谱；,绘制基因组的转录本图谱；,测定基因组,DNA,的全部序列；,分析基因组的功能。,93,最后一个五年计划的主要目标是：,得到标记间距为,1厘摩（1厘摩=重组频率为1%的两个基因间的遗传距离）,的,遗传图谱,；,得到至少有30万个序列,标记位点（STS）,的,物理图谱,，1998年10月实际已经有5.2万个STS被作图；,94,2001年得到人类基因组序列的“草稿”，2003年得到最后“定稿”；,测序能力要达到每年500Mb(1Mb=1000kb),每个碱基对的分析费用要少于25美分，支持毛细管阵列电泳、DNA芯片等的测序技术的发展；,增加测定人类基因组变异的内容，得到10万个作图定位了的单核苷酸多态性（SNP）；,95,得到,所有基因的全长cDNA,；,发展在基因组尺度上分析生物功能的技术；,在,模式生物基因组,研究方面，大肠杆菌、酵母菌、短小丽杆线虫的全基因组序列已经全部完成并发表公布，到2002年完成果蝇的全基因组序列，2005年完成小鼠的全基因组序列。,96,除了具体的测序目标外，HGP的另一个重要内容是研究人类基因组计划的,论理学、法学和社会学,影响与后果，发展生物信息学和计算生物学也是HGP的重要内容。,97,我国的人类基因组计划,(CHGP),是于,1993,年启动，,由国家自然科学基金委员会、国家高技术计划（,863,）和国家重点基础研究计划（,973,）所共同资助的。,根据实际情况，我国,HGP,的初期目标主要是充分利用我国丰富的人类遗传资源，进行,基因组多样性和疾病基因识别,的研究。,98,格雷(HGray)绘制了第一张人体解剖图，解开了许多人体奥秘，为近代医学的发展奠定了基础。,人类基因组计划将最终绘制出人体的第二张解剖图,，从基因水平上揭示出人体的奥秘，奠定21世纪医学和生物学飞跃发展的基础。,99,这张解剖图将包括,4,张小图，包括了人类基因组计划的全部主要内容；,它们分别是,遗传图（连锁图）、物理图、转录图和序列图。,100,人类基因组计划的主要目标图示,转录图,101,遗传图谱,转录图谱,0.7 cM 或 kb,序列图谱,物理图谱,100 kb,STS map,四张图：,遗传图、物理图,转录图、序列图,HGP的主要任务,102,遗传图谱（,genetic map,）或连锁图谱（,linkage map,）,:,是以在某个遗传位点上具有多个,等位基因的遗传标记作为,“,路标,”,，以遗传学上的距离即两个遗传位点之间进行交换、重组的百分率,cM,作为,“,图距,”,，反映基因遗传效应的基因组图。,1,）根据,重组频率,来确定,突变点,之间的距离。,2,）通过测量基因组,DNA,位点间的重组来绘制。,(一)遗传图谱,（genetic map）,103,遗传图谱是应用遗传学技术构建能显示基因以及其它序列特征在基因组上位置的图。,方法是以,多态的遗传标记作为界标,，计算细胞减数分裂过程中遗传标记之间发生重组的频率，来确定两个遗传标记在染色体上的相对位置。,遗传学技术对人类是,检查家族史,。,遗传标记之间的相对距离即图距以,厘摩,（,cM,，厘摩尔根，,centi,-Morgan,）为单位。,当两个遗传标记之间的重组值为,1%,时，图距即为,1cM,。,104,A,E,D,b,A,E,d,B,A,E,d,b,D,B,A,E,两对等位基因之间重组互换的频率即遗传距离,10cM,10%,遗传图谱,（,genetic map）,105,遗传图的局限性：,分辨率有限,高等真核生物子代数量有限，只有少数的减数分裂事件可供研究，连锁分析的分辨率受很大限制,人类基因组测序要求每,100kb,有一个标记，,1996,年发表的人类遗传图达到每,0.6Mb,一个标记,（,1Mb=1000kb,）,精确度较低,假设交换是随机发生的，但由于交换热点的存在,使某一区段的交换频率远高于其它区段，无法绘制,精确的遗传图。,106,遗传图谱,（连锁图）,的构建,图谱标记,图谱构建中需要可以鉴别的标记,(marker),，,在构建遗传图谱中，可用基因和,DNA,作为标记。,(1),基因标记,(2)DNA,标记,107,基因标记：,基因控制性状的表现，利用可鉴别的形态、生化等表型性状作标记根据连锁交换原理来分析基因之间的连锁关系和遗传距离绘制连锁图谱。,缺点：,基因数目有限，所构建的遗传图谱不详细，标记间的,遗传距离较大,。,108,DNA标记,简称分子标记,以,DNA,序列的多态性,作为遗传标记；,优点：,不受时间和环境的限制,遍布整个基因组，数量无限,不影响性状表达,自然存在的变异丰富，,多态性好,共显性，能鉴别纯合体和杂合体,109,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,）。,由于不能对人类进行“选择性”婚配，而且人类子代个体数量有限、世代寿命较长，呈共显多态性的蛋白质数量不多，等位基因的数量不多。,DNA,技术的建立为人类提供了大量新的遗传标记。,遗传标记有三代：,110,第一代（1975）,限制片断长度多态（RFLP）,分布数量10,5,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10,4,高度多态,第三代（1996）,单核苷酸多态（SNP）,分布数量310,6,一般为二态,单体型分析,DNA遗传标记,111,第一代,DNA,遗传标记：,RFLP,（限制性片段长度多态性）,DNA,序列上的微小变化，甚至,1,个核苷酸的变化，也能引起,限制性内切酶切点,的丢失或产生，导致酶切片段长度的变化。,112,RFLP产生的原因,是DNA顺序上,某个碱基发生突变,，如单个碱基置换，或少数碱基缺失、重复、插入，使突变部位的DNA序列产生或丢失某种限制性内切酶位点，当用该限制性内切酶消化此DNA时，使,DNA限制性片段长度发生变化,，产生与正常不同的限制性片段。,113,一对同源染色体的两个,DNA,分子,一个具有某种酶切位点,另一个无此位点,酶切后形成的,DNA,片段长度就有差异,即,RFLP,，根据该等位基因的遗传,将,RFLP,作为标记定位在基因组的某一位置上。,RFLP,表现为共显性遗传。,3,114,RFLP分析,115,RFLP,片断可被某些,限制性内切酶,特异识别并切割。,DNA,序列的改变甚至是一个碱基的改变，将会改变限制性内切酶酶切片段的长度变化，并可通过一种称为,凝胶电泳,的方法来方便地显示这种,长度的,“,多态性,”,。,RFLP,在,整个基因组中都存在,，根据对,RFLP,片段的多态性分析，可对某些疾病进行诊断并将与,疾病有关的基因进行定位,。,但,RFLP,提供的信息量有限，在检测,RFLP,片段时需用到,放射性同位素,，不太安全。,116,第二代,DNA,遗传标记：,利用了存在于人类基因组中的,大量重复序列,：,-,重复单位长度在,15-65,个核苷酸左右的小卫星,DNA,；,-,重复单位长度在,2-6,个核苷酸之间的微卫星,DNA,，又称为简短串联重复（,STR,、,STRP,或,SSLP,）。,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。,卫星DNA,中等重复，基本单位长171bp。,小卫星DNA,中等重复，基本单位长15,65bp。,微卫星DNA,中等重复，基本单位长2,8bp,117,小卫星,DNA,由,15,65,b,p,的基本单位串联重复而成，长度一般不超过,20kb,。,主要分布在染色体末端（端粒区域）。,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,2-8,bp,，,通常重复,10-60,次，,分布在整个基因组。,CTAGCT,TATATATATATATATATATATATA,AGCTTGC,118,STR,具有,高度多态性,，同一遗传位点数目变化很大，在群体中也可形成多达几十种的等位基因，这是其他遗传标记所不能比拟的；,利用,PCR,的,DNA,体外扩增技术，实现机器自动化。,1996,年初，所建立的遗传图已含有,6000,多个以,STR,为主体的遗传标记,，平均分辨率即两个遗传标记间的平均距离为,0.7,分摩，这个距离大致对应于,0.7Mb,的物理距离。,119,第三代,DNA,遗传,标记：,单核苷酸的多态性,（,single nucleotide polymorphism,，,SNP,）,SNP,：,是由于,单个核苷酸改变,而导致的核酸序列多态。,120,可能是最好的遗传标记，是,分散于基因组中的单个碱基的差异，即单核苷酸的多态性（,SNP,）,，包括单个碱基的缺失、插入和替换。,SNP,中大多数为转换，即由一种嘧啶碱基替换另一种嘧啶碱基，或由一种嘌呤碱基替换另一种嘌呤碱基，颠换与转换之比为,1,：,2,。,SNP,有可能在密度上达到人类基因组“多态”位点数目的极限。估计人类基因组中可能有,300,万个,SNP,位点！,SNP,与,RFLP,和,STRP,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,。,121,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。,显微镜下人的染色体组,122,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,。,123,124,“遗传图”的建立为人类疾病相关基因的分离克隆奠定了基础。拥有,5000,多个遗传学位点,，相当于把整个人类基因组划分为,5000,多个小区，并分别设置了“标牌”。如果在家系中证实该基因与某个标记不连锁（重组率为,50%,），表明该基因不在这一标记附近。,如果发现该基因与某个标记有一定程度的“连锁”（重组率小于,50%,但大于,0,），表明它可能位于这个标记附近。,如果该基因与某标记间不发生重组（重组率等于,0,），我们就推测该标记与所研究的疾病基因可能非常接近。,125,（二）物理图,（physical mapping）,人类基因组的物理图是指以,已知核苷酸序列的,DNA,片段（序列标签位点，,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。,STS,是基因组中任何单拷贝的长度在,100,500bp,之间的,DNA,序列，与核酸内切酶识别序列相关联。,物理图主要内容是建立相互,重叠,连接的“,相连,DNA,片段群”,。,物理图与遗传图相互参照就可以把遗传学的信息转化为物理学信息。,126,构建物理图谱的原因,1,）遗传图谱有限的分辨率,对于人类或其他高等生物不可能得到大量的子代群体，减数分裂的后代有限，限制了连锁分析。,2,）遗传图谱的精确性不高,染色体上存在,重组热点,，影响邻近区段的遗传图谱的准确性。,127,构建物理图谱的三条途径,1）限制性酶切图谱,识别位点较多的内切酶：如,Not,，其,8,个核苷酸出现的频率为,1/4,8,=1/65536bp,，而识别位点为,6,个核苷酸的出现频率为,1/4,6,=1/4094bp,。,其酶切位点在基因组中出现频率低的内切酶：,人类基因组中，,5-CG-3,出现的频率很低：,Sma,酶切,DNA,，每,78kb,只有,1,个切点。,BssH,酶切,DNA,，每,390kb,只有,1,个切点。,Not,酶切,DNA,，每,10Mb,只有一个切点。,128,2）荧光原位杂交,（Fluorescent in situ hybridization),FISH)：通过,荧光标记的探针与DNA分子杂交,，杂交信号即探针DNA在染色体上的图谱位点。,步骤：,取处于有丝分裂中期的细胞制片，将染色体变性成单链，在将标记的DNA探针变性后杂交到染色体上，保温处理后，显微镜下直接观察。,129,荧光原位杂交,（fluorescent in situ hybridization，FISH）,130,3）序列标签位点,利用某一,已知序列为标签的位点,（sequence tagged sites,STS)作探针，与DNA杂交，绘制物理图谱。,STS,的要求：,已知序列，便于,PCR,检测；,基因组中仅一个位点，无重复。,131,DNA序列标定部位（seguones tagged site,STS),重叠克隆群（conting）,YAC(yeast artificial chromosome),BAC(bacterial artificial chromosome),132,133,134,人类部分染色体物理图谱,135,物理作图是应用分子生物学技术来直接分析,DNA,分子，从而构建能显示包括基因在内的序列特征的位置图。,限制酶作图,是对小的基因组进行物理作图的有效方法。,FISH,技术,是通过荧光标记显示,DNA,标记在一条染色体中的位置。,用放射性杂交体组及克隆文库技术进行,STS,作图,，是最有效的物理作图方法。,136,如某一区域的大小为多少,cM,可以基本折算为某一区域大小为多少,Kb,。物理图的绘制需要筛选大量的物理标记以及进行大量复杂和繁琐的分析。,1995,年，第一张以称为,序列标签位点,STS,为物理标记的物理图谱,问世，它包括了,94,的基因组和,1500,多个标记位点，平均间距为,200Kb,（这就是所谓的分辨率）。这样，物理图就把人类庞大基因组分成具有界标的,1500,个小区域。,人类基因组物理图的问世是基因组计划中的一个重要里程碑，被遗传学家誉为,20,世纪的,生命（生物学）周期表,。,137,利用一张遗传图，研究人员可将一种特定的遗传病的遗传模式同标记顺序的遗传模式进行比较，迅速确定引起该遗传病的基因的位置。,然后，计算机把数据固定在物理图框架内。遗传图与物理图结合在一起，就能迅速确定与疾病有联系的基因。,物理图的问世标志着离人类基因组全序列测定仅有一步之遥了。,138,STS作图,序列标记位点,（,sequence tagged site,STS,）作图是通过,PCR,或分子杂交将小段,DNA,顺序定位在基因组的,DNA,区段中。是目前用于构建最为详尽的大基因组物理图的主流技术。,原理：,STS,是一段短的,DNA,序列，,100-500,bp,，每个基因组只有一个拷贝。当两个片段含有同一,STS,时，可确认这两个片段重叠。,两个不同的,STS,出现在同一片段的机会取决于它们在基因组中的位置，彼此接近，同时出现在同一片段的机会就大，反之则小。,两个标记间的图距根据分离频率来计算。,139,Chromosome,Male,Female,1.12 1.76,0.78 1.40,0.86 1.30,0.67 1.40,物理图距离（Mb）与,遗传学距离(cM)的对应关系,cM/Mb,140,制备物理图谱的大容量载体,在制备基因组物理图谱中，需大容量载体。,主要的类型是黏粒：,cosmid,粘粒,-,YACs(yeast,artificial chromosomes),-,BACs(bacterial,artificial chromosomes),和,PACs(phage P1-based artificial chromosomes,）,141,克隆载体：,Cosmid,（,粘粒）,YAC,（,酵母人工染色体）,BAC,（,细菌人工染色体）,142,人类基因组物理图,1987,年，,RFLP,图谱，,403,个标记，,10Mb,1994,年，,5800,个标记，,0.7Mb,1996,年，,17000,多个标记，,100kb,完全适应全基因组测序的要求,143,遗传图与物理图的整合,有些标记既是遗传标记，又是物理标记,RFLP,标记,SSR,标记 某些基因序列,借助这些标记可以将遗传图和物理图整合起来。,144,人类的基因转录图（,cDNA,图），或者基因的,cDNA,片段图，即表达序列标签图（,EST,，,expressed sequence tag,）是人类基因组图的雏型。,在成年个体的每一特定组织中，一般只有,10%20%,的结构基因（约,1,2,万个不同类型的,mRNA,）表达。,整个人类基因组中，有,1%-5%,的序列编码了蛋白质，最多可能有（,5,7,）万个蛋白质编码基因。得到了一段,cDNA,或一个,EST,，就能被用于筛选全长的转录本，并将该基因准确地定位于基因组上。,cDNA,序列具有转录本的特异性，代表了不同基因的信息。可以将,DNA,序列和,cDNA,序列进行比对，找出对应于,cDNA,的基因。,（三）转录图,（,Transcription,Profiling）,145,收集各种细胞或组织的基因表达谱进行两两或多重比较，能较全面了解哪些基因是特异性表达的。在某一细胞或组织中,特异性表达的基因可能与该组织或细胞类型的生理功能有关,。,获得各类组织或细胞的基因表达谱，从而给出人体,200,余种基本组织或不同细胞组成的人体基因图（,bodymap,）。,转录图（基因表达谱）研究所提供的信息，使人们能系统地全面地从,mRNA,水平了解特定细胞、组织或器官的基因表达模式并解释其生理属性，深入认识细胞生长、发育、分化、衰老和疾病发生的机制。,146,有了一张总的转录图，我们就可以了解某基因在不同的时间、不同组织的表达情况；,可以了解不同组织中不同基因的表达；还可以了解正常条件下与异常状况下基因表达的差异。,147,人类基因组的核苷酸序列图是,分子水平上最高层次、最详尽的物理图,。测定,总长约,1,米、由,3