2013基因組學(xué)試題

1、2013基因組學(xué)試題2013基因組學(xué)試題1.什么是基因組 （5分）？真核生物基因組有什么特點(diǎn)（15分）？基因組是指一種微生物（包括細(xì)菌和病毒）或其它生物體細(xì)胞中的總DNA或RNA（是指逆轉(zhuǎn)錄病毒）,包括核DNA,細(xì)胞器DNA（動(dòng)植物線粒體DNA和植物葉綠體 DNA）和染色體外遺傳成分（如細(xì)菌的質(zhì)粒DNA）。結(jié)構(gòu)：真核生物基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：真核基因組遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原核生物的基因組。真核基因具有許多復(fù)制起點(diǎn)，每個(gè)復(fù)制子大小不一。每一種真核生物都有一定的染色體 數(shù)目，除了配子為單倍體外，體細(xì)胞一般為雙倍體，即含兩份同源的基因組。真核基因都出一個(gè)結(jié)構(gòu)基因與相關(guān)的調(diào)控區(qū)組成，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的單順?lè)醋樱匆环肿?mRN

2、A只能翻譯成一種蛋白質(zhì)。真核生物基因組中含有大量重復(fù)順序。真核生物基因組內(nèi)非編碼的順序（NCS）占90%以上。編碼序列占5%。真核基因產(chǎn)斷列基因，即編碼序列被非編碼序列分隔開(kāi)來(lái)， 基因與基因內(nèi)非編碼序列為 間隔DNA,基因內(nèi)非編碼序列為內(nèi)含子，被內(nèi)含子隔開(kāi)的編碼序列則為外顯子。真核生物基因組功能相關(guān)的基因構(gòu)成各種基因家族，它們可串聯(lián)在一起，亦可相距很遠(yuǎn)，但即使串聯(lián)在一起成族的基因也是分別轉(zhuǎn)錄的。真核生物基因組中也存在一些可移動(dòng)的遺傳因素，這些DNA順序并無(wú)明顯生物學(xué)功能，似科為自己的目的而級(jí)織，故有自私 DNA之稱，其移動(dòng)多被RNA介導(dǎo)，也有被DNA介 導(dǎo)的。功能：（一）真核基因表達(dá)調(diào)控的環(huán)節(jié)

3、更多基因表達(dá)是基因經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄、翻譯、產(chǎn)生有生物活性的蛋白質(zhì)的整個(gè)過(guò)程。同原核生物一 樣，轉(zhuǎn)錄依然是真核生物基因表達(dá)調(diào)控的主要環(huán)節(jié)。但真核基因轉(zhuǎn)錄發(fā)生在細(xì)胞核（線粒體基因的轉(zhuǎn)錄在線粒體內(nèi)），翻譯則多在胞漿，兩個(gè)過(guò)程是分開(kāi)的，因此其調(diào)控增加 了更多的環(huán)節(jié)和復(fù)雜性，轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控占有了更多的分量。此外，真核細(xì)胞中還會(huì)發(fā)生 基因擴(kuò)增（gene amplification）,基因的擴(kuò)增無(wú)疑能夠大幅度提高基因表達(dá)產(chǎn)物的量，但 這種調(diào)控機(jī)理至今還不清楚。（二）真核基因的轉(zhuǎn)錄與染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化相關(guān)真核基因組DNA絕大部分都在細(xì)胞核內(nèi)與組蛋白等結(jié)合成染色質(zhì)，染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)、染色質(zhì)中NA和組蛋白的結(jié)構(gòu)狀態(tài)都影響轉(zhuǎn)錄，至

4、少有以下現(xiàn)象： 1.染色質(zhì)結(jié)構(gòu)影響基 因轉(zhuǎn)錄2.組蛋白的作用 3.轉(zhuǎn)錄活躍區(qū)域?qū)怂崦缸饔妹舾卸仍黾?4.DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變 化 5.DNA堿基修飾變化（三）真核基因表達(dá)以正性調(diào)控為主真核RNA聚合酶對(duì)啟動(dòng)子的親和力很低，要依賴多種激活蛋白的協(xié)同作用。真核 基因調(diào)控中有負(fù)性調(diào)控元件，但并不普遍；真核基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)的調(diào)控蛋白是以激活蛋白 的作用為主。真核基因組蛋白質(zhì)編碼的基因絕大多數(shù)是不連續(xù)的，采取逐個(gè)基因調(diào)控表達(dá)的形式。真核基因表達(dá)調(diào)控的環(huán)節(jié)多，錄后調(diào)控的方式也很多1 .真核生物基因組DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體，儲(chǔ)存于細(xì)胞核內(nèi)，除配子細(xì)胞外，體細(xì)胞內(nèi)的基因的基因組是雙份的（即雙倍 體,diplo

5、id ）,即有兩份同源的基因組。mRNA分子和一條多肽鏈。2 .真核細(xì)胞基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順?lè)醋?。一個(gè)結(jié)構(gòu)基因經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄和翻譯生成一個(gè)3 .存在重復(fù)序列，重復(fù)次數(shù)可達(dá)百萬(wàn)次以上4 .基因組中不編碼的區(qū)域多于編碼區(qū)域5 .大部分基因含有內(nèi)含子，因此，基因是不連續(xù)的6 .基因組遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原核生物的基因組，具有許多復(fù)制起點(diǎn)，而每個(gè)復(fù)制子的長(zhǎng)度較 小。2.轉(zhuǎn)錄組和白質(zhì)組有件異同之處（10分）？轉(zhuǎn)錄組和基因組水平不同，轉(zhuǎn)錄組是高度動(dòng)態(tài)的，當(dāng)細(xì)胞受到侵犯時(shí)，甚至當(dāng)細(xì) 胞處于正常的生理活動(dòng)如復(fù)制，分裂時(shí)，基因的轉(zhuǎn)錄情況也會(huì)變化很大，產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn) 錄組。mRNA是信使RNA,攜帶著從基因組轉(zhuǎn)錄下來(lái)的遺傳信息，但并不

6、是所有的基 因都同時(shí)轉(zhuǎn)錄，是受轉(zhuǎn)錄因子控制的， 而且并非所有基因組序列都能轉(zhuǎn)錄。原核生物中 非轉(zhuǎn)錄成分較少，基因組序列利用效率較高，真核生物染色體存在大量非轉(zhuǎn)錄成分，一 個(gè)基因轉(zhuǎn)錄形成的mRNA穩(wěn)定性較差，轉(zhuǎn)錄的RNA原始產(chǎn)物要經(jīng)過(guò)切割、修剪、添加、 修飾和異構(gòu)化形成成熟mRNA, tRNA和rRNA ,其中內(nèi)含子在mRNA拼接時(shí)被切除掉。 通過(guò)選擇性拼接，一個(gè)基因可以編碼多條多肽鏈。正常的 mRNA拼接發(fā)生mRNA內(nèi)部， 而在一些低等生物中還存在著奇怪的反轉(zhuǎn)錄（trans-splicng）現(xiàn)象，拼接發(fā)生在兩條mRNA之間，即兩條mRNA在剪接因子作用下，第一條剪接下來(lái)的外顯子與另外一條剪 接

7、下來(lái)的外顯子拼接在一起，編碼一個(gè)新的多肽。轉(zhuǎn)錄組只研究mRNA】情呆到H小因定.由II可以理過(guò)世受 個(gè)制聞#的奇底速率面再建.2裝址用并八爪頭合宜.一個(gè)都更逢迎 分裂建生時(shí)就播收了區(qū)上一代的修 分對(duì)設(shè)由，小將乾生*招錄組< transcriptome）：郡共在.持定時(shí)間所'> 需生物信息,編嗎蛋白質(zhì)的基因衍生而來(lái)的R3 K 分產(chǎn)的集合（蟆錄組足由mRNA梅成的），.轉(zhuǎn)求組學(xué)（iranscriptoEicw）：以轉(zhuǎn)錄堀紀(jì)析 ' 為研究?jī)?nèi)容的研究領(lǐng)域稱為同泉組學(xué)，即研究細(xì) 胞在某一功能狀態(tài)F所含mRNA的類型與巖沙琳,函白質(zhì)組（ProgQEeh 細(xì)胞 內(nèi)那些決定細(xì)胞所能

8、迸行生化及也 性血的所有蛋白施包或成分.（這 些蛋白庖是通過(guò)翻譯那嶼州成軸承 組的eRNA分子向合成的*）蛋白統(tǒng)組學(xué)口rotBOE lew】土 是在寶白廟水平 匕定最.動(dòng)志、修 體性地班先生物體， 轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究的是某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的 mRNA、和，可以用芯片，也可以用 測(cè)序。芯片是用已知的 基因探針，測(cè)序則有可能發(fā)現(xiàn)新的mRNA,蛋白組學(xué)針對(duì)的是全體蛋白，組要以 2D-Gel和巫f為主，分為top-down和bottom-up % 方法。理念和基因組類似，將蛋白用特定的物料化學(xué)手段分解成小肽段，在通過(guò)質(zhì)量反 推蛋白序列，最后進(jìn)行搜索，標(biāo)識(shí)已知未知的蛋白序列。蛋白質(zhì)組（Proteome）的概念最先由M

9、arc Wilkins提出，指由一個(gè)基因組（genOME）,或一個(gè)細(xì)胞、組織表達(dá)的所有蛋白質(zhì) （PROTein）,蛋白質(zhì)組的概念與基因組的概念有許多差別,它隨著組織、甚至環(huán)境狀態(tài)的不同而改變.在轉(zhuǎn)錄時(shí)，一個(gè)基因可以多種mRNA形式剪接，一個(gè)蛋白質(zhì)組不是一個(gè)基因組的直接產(chǎn)物，蛋白質(zhì)組中蛋白質(zhì)的數(shù)目有時(shí)可以超過(guò)基因組的數(shù)目,蛋白質(zhì)組學(xué)（Proteomics）處于早期 發(fā)育”狀態(tài)，這個(gè)領(lǐng)域的專家否認(rèn)它是單純的 方法學(xué)，就像基因組學(xué)一樣，不是一個(gè)封閉的、概念化的 穩(wěn)定的知識(shí)體系，而是一個(gè)領(lǐng)域.轉(zhuǎn)錄組是RNA轉(zhuǎn)錄后的全部產(chǎn)物，而轉(zhuǎn)錄后的產(chǎn)物經(jīng)過(guò)加工修飾（例如甲基化、拼接、加尾等）后才變成蛋白質(zhì)。 相同之

10、處就是他們的大部分結(jié)構(gòu)相同。 不同之處就是一個(gè)有加工過(guò)程，一個(gè)沒(méi)有。3 .簡(jiǎn)述遺傳圖譜的構(gòu)建方法（5分），說(shuō)明遺傳圖譜在基因組研究中的意義（10分）。答：遺傳圖譜：某一物種的染色體圖譜（也就是我們所知的連鎖圖譜），顯示所知的基因和/或遺傳標(biāo)記的相對(duì)位置，而不是在每條染色體上特殊的物理位置。采用遺傳 學(xué)分析方法將基因或其它DNA標(biāo)記按一定的順序排列在染色體上，這一方法包括雜交 實(shí)驗(yàn)，家系分析。標(biāo)記間的距離（遺傳圖距）用減數(shù)分裂中的交換頻率來(lái)表示，單位為 厘摩（Centi-Morgan, cM）,每單位厘摩定義為1%交換率。遺傳學(xué)圖譜的解像度（分辨率） 低，大約只能達(dá)到100萬(wàn)堿基對(duì)（1Mb）的水

11、平。 構(gòu)建： 采用遺傳學(xué)分析方法將基因或其它 DNA標(biāo)記按一定的順序排列在染色體上，這一方法 包括雜交實(shí)驗(yàn)，家系分析。標(biāo)記間的距離（遺傳圖距）用減數(shù)分裂中的交換頻率來(lái)表示， 單位為厘摩（Centi-Morgan, cM）,每單位厘摩定義為1%交換率。作圖群體的建立、分子標(biāo)記的選擇、結(jié)果統(tǒng)計(jì)與數(shù)據(jù)處理、繪制圖譜通過(guò)遺傳圖譜，我們可以大致了解各個(gè)基因或 DNA片斷之間的相對(duì)距離與方向，如哪 個(gè)基因更靠近著絲粒，那個(gè)更靠近端粒等。遺傳圖譜不僅是現(xiàn)階段定位基因的重要手段， 即使在人類基因組全物理圖譜建立起來(lái)之后，它依然是研究人類基因組遺傳與變異的重要手段。初步的連鎖圖譜是任何物種深入開(kāi)展遺傳學(xué)研究的基

12、礎(chǔ)，高密度連鎖圖譜可用于數(shù)量性狀位點(diǎn)（quantitative trait loci, QTL）的定位，分子標(biāo)記輔助選擇（markerassisted selection, MAS）和比較基因組作圖。分子生物學(xué)方法幫助我們尋找DNA編碼信息，但我們首先要知道，在哪里才能找到與 目的性狀相關(guān)的那段DNA.基因具有多效性，有些表型可能很難直接尋找其相關(guān)的DNA序列，遺傳分析給我們提供了一個(gè)獨(dú)立的、確定與遺傳性狀相關(guān)聯(lián)基因的位置的方法。當(dāng)關(guān)于一個(gè)基因的功能還處于假設(shè)階段時(shí)，或者當(dāng)某一特定表型與DNA的關(guān)聯(lián)還處于推 斷狀態(tài)時(shí)，遺傳分析是唯一的手段4 .什么是物理圖譜（5分）？簡(jiǎn)述大片段文庫(kù)的物理圖譜如

13、何構(gòu)建（15分）？物理圖譜（physical map）物理圖譜是指有關(guān)構(gòu)成基因組的全部基因的排列和間距的 信息.它是通過(guò)對(duì)構(gòu)成基因組的 DNA分子進(jìn)行測(cè)定而繪制的,繪制物理圖譜的目的是把 有關(guān)基因的遺傳信息及其在每條染色體上的相對(duì)位置線性而系統(tǒng)地排列出來(lái).DNA物理圖譜是指DNA鏈的限制性酶切片段的排列順序,即酶切片段在DNA鏈上的定位.DNA 是很大的分子,由限制酶產(chǎn)生的用于測(cè)序反應(yīng)的DNA片段只是其中的極小部分.這些片段在DNA鏈中所處的位置關(guān)系是應(yīng)該首先解決的問(wèn)題,故DNA物理圖譜是順序測(cè)定的基礎(chǔ),也可理解為指導(dǎo)DNA測(cè)序的藍(lán)圖廣義地說(shuō),DNA測(cè)序從物理圖譜制作開(kāi)始.它是 測(cè)序工作的第一

14、步,制作DNA物理圖譜的方法有多種,構(gòu)建物理圖譜有哪些方法？遺傳圖譜與物理 圖譜的異同點(diǎn)？ （ 20分）物理圖譜：確定染色體DNAk諸如限制性內(nèi)切酶切識(shí)別位點(diǎn)或序列標(biāo)志位點(diǎn)（STSS等 的位置圖，圖距是物理長(zhǎng)度單位，如染色體的帶區(qū)、核甘酸對(duì)的數(shù)據(jù)等。物理圖譜構(gòu)建：1）提供排好的染色體DN頌全基因組DN刖勺順序；2）提供一套密集的遺傳標(biāo)記和彼此間的精確距離。3）提供一套可以直接用于染色體 DNAE基因組DNAM序的NDA羊品。 方法：原位雜交技術(shù)一一細(xì)胞遺傳學(xué)圖譜直接將基因或遺傳標(biāo)記或文庫(kù)克隆通過(guò) FISH定位在染色體上 限制性酶切方法一一限制圖譜利用限制性內(nèi)切酶將染色體切成片段，再根據(jù)重疊序列

15、確定片段間連接順序，以及遺傳標(biāo)志之間物理距離堿基對(duì)（bp）或千堿基（kb）或兆堿基（Mb）的圖譜 STS容量法一一序列標(biāo)簽位點(diǎn)圖譜通過(guò)PCRE分子雜交將STS順序定位在基因組的DNAM段中 克隆的指紋連接法一一連續(xù)的文庫(kù)圖譜 1）構(gòu)建一個(gè)基因組庫(kù)。2）按照這些片段在完整的染色體中的順序和位置來(lái)排列文庫(kù)中的這些隨機(jī)片段?！爸讣y識(shí)別”：包括將原始的克隆切割成更小的片段，然后用電泳法對(duì)這些片段根據(jù)尺 寸進(jìn)行排列。尋找克隆間重疊的指紋片段，以判定克隆間是否能夠連接起來(lái)最通常的物理圖的構(gòu)建方法是把限制酶切的DNRt段，按其次序排列連接起來(lái)。作圖的技術(shù)路線基本上分兩類：一類是由長(zhǎng)到短作圖，另一類則是由短到

16、長(zhǎng)作圖。前者是將 基因組DNAffl切點(diǎn)很少白限制酶如 NotI等完全田切，得到長(zhǎng)約100 1000kb的DN小（大） 片段，估計(jì)每條染色體平均130個(gè)片段，按照片段上的標(biāo)記把片段按次序排列，然后再 把每一長(zhǎng)片段酶切成短片段，再把短片段排列成序。這是由長(zhǎng)到短的作圖，圖比較完整 但分辨力低。后一類方法則是先將基因組 DN/ffl限制酶作部份酶切，得到的短片段分別 用酵母人工染色體（YAC）或粘粒（Cosmid）等作載體加以克隆，然后根據(jù)克隆片段兩端共 有的序列即重迭序列兩兩連接，逐漸延伸成長(zhǎng)片段。這樣作圖的分辨力較高，但圖不完 整往往留有空缺。這是因?yàn)橛行┟盖挟a(chǎn)生的DN*段太短，不易被克隆，以致

17、在通過(guò)重迭序列把片段連接時(shí)出現(xiàn)中斷。一組相互鄰接的DN明段的克隆稱為鄰接DNAt段組。這兩個(gè)策略可以根據(jù)研究的需要選定。5 .第二代DNA測(cè)序的原理是什么（5分）？不同基因組需要不同的測(cè)序策略，簡(jiǎn)要說(shuō) 明兩種策略的特點(diǎn)（15分）。都需要費(fèi)用更低、通量更高、速度更快的測(cè)序技術(shù)，第二代測(cè)序技術(shù)（Next-generation sequencing）應(yīng)運(yùn)而生。第二代測(cè)序技術(shù)的核心思想是邊合成邊測(cè)序（ Sequencing by Synthesis）,即通過(guò)捕捉新合成的末端的標(biāo)記來(lái)確定DNA勺序列，現(xiàn)有的技術(shù)平臺(tái)主要包括 Roche/454 FLX Illumina/Solexa GenomeAnal

18、yzer 和 Applied Biosystems SOLID system。這三個(gè)技術(shù)平臺(tái)各有優(yōu)點(diǎn)，454 FLX的測(cè)序片段比較長(zhǎng)，高質(zhì)量的讀長(zhǎng)（read） 能達(dá)到400bp； Solexa測(cè)序性價(jià)比最高，不僅機(jī)器的售價(jià)比其他兩種低，而且運(yùn)行成本也低，在數(shù)據(jù)量相同的情況下，成本只有 454測(cè)序的1/10; SOLID測(cè)序的準(zhǔn)確度高，原 始?jí)A基數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度大于99.94%,而在15X覆蓋率時(shí)的準(zhǔn)確度可以達(dá)到99.999%,是目 前第二代測(cè)序技術(shù)中準(zhǔn)確度最高的。雖然第二代測(cè)序技術(shù)的工作一般都由專業(yè)的商業(yè)公 司來(lái)完成，但是了解測(cè)序原理、操作流程等會(huì)對(duì)后續(xù)的數(shù)據(jù)分析有很重要的作用，下文 將以Illu

19、mina/Solexa Genome Analyzer 測(cè)序?yàn)槔?，?jiǎn)述第二代測(cè)序技術(shù)的基本原理、 操作流程等方面。2 .基本原理Illumina/Solexa Genome Analyzer測(cè)序的基本原理是邊合成變測(cè)序。在 Sanger等測(cè)序方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，用不同顏色的熒光標(biāo)記四種不同的dNTP當(dāng)DNA聚合酶合成互補(bǔ)鏈時(shí)，每添加一種 dNT剛會(huì)釋放出不同的熒光，根據(jù)捕捉的熒光信號(hào) 并經(jīng)過(guò)特定的計(jì)算機(jī)軟件處理，從而獲得待測(cè)DNA勺序列信息。3 .操作流程1)測(cè)序文庫(kù)的構(gòu)建(Library Construction )首先準(zhǔn)備基因組DNA雖然測(cè)序公司要求樣品量要達(dá)到 200ng，但是G

20、nomeAnalyzer 系統(tǒng)所需的樣品量可低至100ng，能應(yīng)用在很多樣品有限的實(shí)驗(yàn)中)，然后將DNA!機(jī)片段化成幾百堿基或更短的小片段，并在兩頭加上特定的接頭( Adaptor) o如果是轉(zhuǎn) 錄組測(cè)序，則文庫(kù)的構(gòu)建要相對(duì)麻煩些，RNAt段化之后需反轉(zhuǎn)成cDNA然后加上接頭， 或者先將RN版轉(zhuǎn)成cDNA然后再片段化并加上接頭。片段的大小(Insert size )對(duì) 于后面的數(shù)據(jù)分析有影響，可根據(jù)需要來(lái)選擇。對(duì)于基因組測(cè)序來(lái)說(shuō)，通常會(huì)選擇幾種 不同的insert size ,以便在組裝(Assembly)的時(shí)候獲得更多的信息。2)苗定橋接 (Surface Attachment and Bridge Amplification )Solexa測(cè)序的反應(yīng)在叫做flow cell的玻璃管中進(jìn)行，flow cell又被細(xì)分成8個(gè)Lane,每個(gè)Lane的內(nèi)表面有無(wú)數(shù)的被固定的單鏈接頭。上述步驟得到的帶接頭的DNA 片段變性成單鏈后與測(cè)序通道上的接頭引物結(jié)合形成橋狀結(jié)構(gòu)，以供后續(xù)的預(yù)擴(kuò)增使 用。3) 預(yù)擴(kuò)增(Denaturation and Complete Amplification )添加未標(biāo)記的dNTP和普通Taq酶進(jìn)行固相橋式PCR擴(kuò)增，單鏈橋型待測(cè)片段被 擴(kuò)增成為雙鏈橋型片段。通過(guò)變性，釋放出互補(bǔ)的單鏈，錨定到附近的固相表面。通過(guò) 不斷循環(huán)，將會(huì)在Flow ce