(12)-5.10 基因組遺傳學(xué)概念

知識(shí)回顧基因定位連鎖遺傳、重組率、三點(diǎn)測(cè)驗(yàn)遺傳圖譜遺傳標(biāo)記、作圖方法第十節(jié)

基因組本節(jié)重點(diǎn)一、基因組概念及內(nèi)容二、基因組計(jì)劃三、基因組研究方法四、后基因組1.基因組指構(gòu)成和維持生物生命形式和生命活動(dòng)所需的最低一套完整的遺傳信息。C值:單倍體基因組的DNA總量。C值悖論：生物的C值與生物復(fù)雜程度無(wú)關(guān)?；蚪M分類(lèi)：病毒、原核生物、線(xiàn)粒體、葉綠體、真核生物核基因組一、基因組概念及研究?jī)?nèi)容2.基因組學(xué)（Genomics）

遺傳學(xué)研究進(jìn)入分子水平后發(fā)展起來(lái)的一個(gè)分支，主要研究生物體內(nèi)基因組的分子特征，即基因組結(jié)構(gòu)和功能的科學(xué)。包括結(jié)構(gòu)基因組學(xué)、功能基因組學(xué)、比較基因組學(xué)

研究對(duì)象：

以整個(gè)基因組為研究單位，而不以單個(gè)基因?yàn)閱挝蛔鳛檠芯繉?duì)象。

研究目標(biāo)：

認(rèn)識(shí)基因組的結(jié)構(gòu)、功能和進(jìn)化；

闡明整個(gè)基因組所包含的遺傳信息和相互關(guān)系；充分利用有效資源，預(yù)防和治療人類(lèi)疾病。重要組成部分：

基因組計(jì)劃（genomeproject）大體上可分為：

⒈

構(gòu)建基因組的遺傳圖譜；

⒉

構(gòu)建基因組的物理圖譜；

⒊

測(cè)定基因組DNA的全部序列；

⒋

繪制基因組的轉(zhuǎn)錄本圖譜；

⒌

分析基因組的功能?；蚪M計(jì)劃研究開(kāi)始于1990年。

美國(guó)啟動(dòng)被譽(yù)為“人體阿波羅計(jì)劃”的“人類(lèi)基因組計(jì)劃”

，投資30億美元，計(jì)劃歷時(shí)15年測(cè)定人類(lèi)基因組的30億個(gè)核苷酸對(duì)的排列次序構(gòu)建高分辨率的人類(lèi)基因組遺傳圖譜和物理圖譜發(fā)展生物信息學(xué)。二、基因組計(jì)劃

2001年12月14日，美、英等國(guó)科學(xué)家宣布繪制出擬南芥基因組的完整圖譜。在美國(guó)提出人類(lèi)基因組計(jì)劃后，日本等國(guó)和中國(guó)分別啟動(dòng)了“水稻基因組計(jì)劃”

。

2002年4月5日《Science》刊登中國(guó)獨(dú)立完成的水稻基因組草圖序列（總數(shù)：4.6億），是繼人類(lèi)基因組工作草圖之后完成測(cè)定的最大基因組

2005年完成全基因組精細(xì)圖。材料：秈稻“9311”，2001年7月啟動(dòng)。完成單位：華大基因研究中心、中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所等12個(gè)單位。水平：水稻基因組的總基因數(shù)約為3.8~4.0萬(wàn)個(gè)。方法：“鳥(niǎo)槍射擊法”，利用國(guó)產(chǎn)曙光2000、曙光3000超級(jí)計(jì)算機(jī)（1000億次/秒）對(duì)隨機(jī)DNA碎片進(jìn)行排序和組裝，確定其在基因組的正確位置。計(jì)劃：功能基因分析和蛋白質(zhì)研究。

2002年12月21日《Nature》發(fā)表中國(guó)獨(dú)立繪制完成粳稻基因組第四號(hào)染色體精確測(cè)序圖。材料：粳稻“日本晴”。完成單位：中科院國(guó)家基因研究中心等4家單位。水平：第四號(hào)染色體中的總堿基數(shù)目為0.35億堿基對(duì)，覆蓋了該染色體全長(zhǎng)序列98％的區(qū)域，只剩下7個(gè)小空洞，堿基序列的精確度達(dá)到99.99%。完整測(cè)定著絲粒序列在高等生物中屬于首次。計(jì)劃：對(duì)預(yù)測(cè)鑒定的4658個(gè)基因作進(jìn)一步分析，并對(duì)著絲粒功能等作研究。國(guó)際水稻（粳稻）基因組計(jì)劃始于1998年，日、美、中、法等國(guó)家和地區(qū)參加，我國(guó)對(duì)測(cè)序計(jì)劃的貢獻(xiàn)率為20%

。2005年8月10日，《Nature》宣布?xì)v時(shí)6年半的水稻全基因組測(cè)序完成

水稻12條染色體上37544個(gè)基因的精確位置（遺傳圖譜），誤差率<0.01%

是高等動(dòng)植物中第一個(gè)完成著絲點(diǎn)測(cè)序。

2008年2月28日，美國(guó)科學(xué)家宣布繪制完成玉米基因組序列草圖（第二種農(nóng)作物基因組）

全基因序列圖。材料：B73高產(chǎn)玉米品種。

完成單位：美國(guó)，始于2005年，2950萬(wàn)美元。

水平：總堿基數(shù)目約為20億bp，基因數(shù)量約5~6萬(wàn)個(gè)（明顯多于水稻4.3億bp）。

2010年1月，美國(guó)科學(xué)家繪制出世界首張大豆基因組序列圖譜?；驍?shù)量約為4.6萬(wàn)個(gè)，其中1110個(gè)基因與脂質(zhì)物質(zhì)合成相關(guān)（Nature463,178~183）。

大豆是食物和動(dòng)物飼料蛋白的主要來(lái)源，也是土壤固氮的重要作物。大豆基因組序列有助于更好地研究一些遺傳學(xué)問(wèn)題——如何使大豆具備更多的多功能基因家族。其中新鑒定出的一個(gè)單堿基突變體，能減少大豆中的植酸含量。

2009年10月，深圳華大基因研究院宣布，大熊貓“晶晶”基因組框架圖繪制完成，基因組約為30億bp（2~3萬(wàn)個(gè)基因）。

大熊貓是熊科的一個(gè)亞種。該成果將從基因組學(xué)層面、分子水平上為大熊貓這種瀕危物種的保護(hù)、疾病的監(jiān)控及其人工繁殖提供了科學(xué)依據(jù)，為保護(hù)其它保護(hù)動(dòng)物提供了范例。大熊貓“晶晶”三、基因組研究方法基因組計(jì)劃最終目標(biāo)1.獲取所研究的生物的完整DNA順序。2.整合物理圖譜和遺傳圖譜，確定基因及其它重要序列在DNA序列中的位置。主要內(nèi)容：1.作圖2.DNA測(cè)序3.DNA序列組裝遺傳圖譜：

根據(jù)遺傳性狀（如已知基因位點(diǎn)、功能未知的DNA標(biāo)記、可鑒別的表型性狀）的分離比例將其定位在基因組中，構(gòu)建相應(yīng)的連鎖圖譜。物理圖譜：

將各種標(biāo)記直接定位在基因庫(kù)中的某一點(diǎn)上。作圖方法物理圖譜的構(gòu)建：

⑴.

限制性酶圖譜：

利用限制性?xún)?nèi)切酶繪制圖譜，對(duì)于DNA分子長(zhǎng)度小于50kb的片段，一般沒(méi)有困難。而對(duì)于>50kb的DNA分子，可選用稀有切點(diǎn)內(nèi)切酶酶切DNA。

用識(shí)別位點(diǎn)較多核苷酸的內(nèi)切酶：

如Not

I，為8個(gè)核苷酸出現(xiàn)的頻率為1/48=1/65536bp；而識(shí)別位點(diǎn)為6個(gè)核苷酸的出現(xiàn)頻率為1/46=1/4094bp。

選用其酶切位點(diǎn)在基因組中出現(xiàn)頻率低的內(nèi)切酶

：

人類(lèi)基因組中，5’-CG-3’出現(xiàn)的頻率很低：

Sma

I

（5’-CCCGGG-3’）酶切DNA，每78kb有一個(gè)切點(diǎn)；

BssH

II（5’-GCGCGC-3’）酶切DNA，每390kb有一個(gè)切點(diǎn)；

Not

I（5’-GCGGCCGC-3’）酶切DNA，每10Mb只有一個(gè)酶切點(diǎn)。⑵.

熒光原位雜交（fluorescentinsituhybridization，F(xiàn)ISH）

：

物理圖譜構(gòu)建方法：熒光標(biāo)記的探針與DNA分子雜交

染色體上雜交信號(hào)（即探針DNA在染色體上的圖譜位點(diǎn)）在顯微鏡下可直接觀察。

步驟：取有絲分裂中期的細(xì)胞制片

將染色體變性成單鏈

將標(biāo)記DNA探針變性后雜交到染色體上觀察分析。pSc119.2探針均可與小麥B組染色體雜交，產(chǎn)生黃色的雜交信號(hào)⑶.

序列標(biāo)簽位點(diǎn)：

已知序列為標(biāo)簽的位點(diǎn)（sequencetaggedsites，

STS）作探針，與基因組DNA雜交繪制物理圖譜。

STS的要求：

為已知序列，便于PCR檢測(cè)；

基因組中僅此一個(gè)位點(diǎn)，無(wú)重復(fù)。

基因組圖譜中除了構(gòu)建遺傳圖譜和物理圖譜外，還可進(jìn)一步根據(jù)標(biāo)記類(lèi)型細(xì)分為不同的稱(chēng)謂。如RFLP圖譜、RAPD圖譜、AFLP圖譜等，目前已在擬南芥、番茄、水稻等30多種植物中構(gòu)建了基因圖譜?；驁D譜的構(gòu)建除了進(jìn)行測(cè)序之外，還有許多用途?；蚪M圖譜應(yīng)用1.基因定位：

借助基因組圖譜，可使基因定位在精度、深度、廣度等方面有極大的提高。已陸續(xù)在一些農(nóng)作物上定位了許多重要農(nóng)藝性狀和經(jīng)濟(jì)性狀的基因，在復(fù)雜數(shù)量性狀位點(diǎn)（quantitativetraitloci，

QTL）

定位分析方面，也取得了很大進(jìn)展。

2.基因組比較分析：

已經(jīng)在禾本科玉米、水稻、高粱、大麥、小麥和黑麥，茄科番茄、胡椒、馬鈴薯，十字花科擬南芥、甘藍(lán)、花椰菜、油菜等進(jìn)行遺傳圖譜比較分析，并從分子水平上了解物種間同源性，研究基因組的進(jìn)化和染色體的演變。3.標(biāo)記輔助選擇（marker-assistedselectionMAS）：

飽和基因組圖譜可用來(lái)確定與任何一個(gè)目的基因緊密連鎖的分子標(biāo)記根據(jù)圖譜間接選擇目的基因，可降低連鎖累贅，加速目的基因的轉(zhuǎn)移與利用，提高回交育種的效率。

4.

基因的克隆與分離：

根據(jù)飽和基因組圖譜，可找到一個(gè)與目的基因緊密連鎖的分子標(biāo)記，作為染色體步行（chromosomewalking）起始點(diǎn)進(jìn)行基因的克隆和分離，此法亦稱(chēng)圖位克隆法（map-basedcloning），為基因產(chǎn)物未知的基因克隆提供了捷徑。染色體步行法70年代兩種主要的測(cè)序方法：1.雙脫氧鏈終止法（thechainterminationmethod),是通過(guò)合成與單鏈DNA互補(bǔ)的多核苷酸鏈來(lái)讀取待測(cè)DNA分子的順序。DNA測(cè)序的方法2.化學(xué)降解法（chemicaldegradationmethod)是將雙鏈DNA分子用化學(xué)試劑處理，產(chǎn)生切口，用同位素標(biāo)記進(jìn)行測(cè)序。二代測(cè)序:包括多個(gè)平臺(tái)，如：Roche454焦磷酸測(cè)序；IlluminaSolexa、ABISOLiD、單分子測(cè)序（HeliScope、Life測(cè)序）3.高通量測(cè)序在測(cè)序反應(yīng)中釋放熒光信號(hào)，通過(guò)熒光信號(hào)差異的檢測(cè)，確定未知序列的堿基組成。DNA隨機(jī)片段化后，直接在體外連接共同的接頭序列。然后通過(guò)乳膠PCR擴(kuò)增或橋梁PCR擴(kuò)增，產(chǎn)生富集的擴(kuò)增子，分別被定位在基底的不同位置上。

小基因組物種：直接鳥(niǎo)槍射擊法。DNA序列的組裝方法序列組裝方法：從已測(cè)序的小片段中尋找彼此重疊的測(cè)序克隆，依次向兩側(cè)鄰接的序列延伸，組裝成一個(gè)完整的基因組。直接鳥(niǎo)槍法：“全基因組鳥(niǎo)槍法測(cè)序”也稱(chēng)“霰彈法”是將基因組DNA打成小片段進(jìn)行隨機(jī)測(cè)序。大基因組物種：先根據(jù)基因組圖譜，錨定測(cè)知的核酸序列或遺傳標(biāo)簽在染色體上的位置，采用層次鳥(niǎo)槍法。

將大基因組DNA切割成長(zhǎng)度為0.1~1Mb的大片段克隆到Y(jié)AC或BAC載體上分別測(cè)定單個(gè)克隆的序列再裝配連接成連續(xù)的DNA分子

在完成基因組圖譜構(gòu)建以及全部序列測(cè)定的基礎(chǔ)上研究全基因組的基因功能、基因之間相互關(guān)系和調(diào)控機(jī)制為主要內(nèi)容的學(xué)科。即包括功能基因組學(xué)和比較基因組學(xué)等。具體內(nèi)容主要包括1.基因功能發(fā)現(xiàn)2.基因組的多樣性和進(jìn)化規(guī)律3.基因組的表達(dá)與調(diào)控4.模式生物體基因組研究四、后基因組學(xué)（Postgenomics）

自從1996年酵母菌基因組全序列測(cè)定以來(lái)，全世界已有1000多個(gè)實(shí)驗(yàn)室、5000多名