遺傳學(xué) 9. 基因與基因組

第18章基因與基因組

第一節(jié)基因的概念一經(jīng)典遺傳學(xué)關(guān)于基因的概念1856-1864孟德爾稱控制性狀的因子為遺傳因子1909年約翰生提出----基因（gene）

allele1911摩爾根等建立了以基因和染色體為主體的經(jīng)典遺傳學(xué)--基因理論基因是化學(xué)實(shí)體，以念珠狀直線排列在染色體上

獲1933年度諾貝爾獎(jiǎng)交換單位：

基因間能進(jìn)重組，而且是交換的最小單位。經(jīng)典遺傳學(xué)-----基因突變單位：一個(gè)基因能突變?yōu)榱硪粋€(gè)基因功能單位：控制有機(jī)體的性狀“三位一體”的基因：基因是決定性狀的最小單位、突變的最小單位、重組的最小單位。三位一體遺傳物質(zhì)的使命?穩(wěn)定遺傳控制性狀J.D.WatsonF.CrickDNA是遺傳物質(zhì)（基因）

二分子遺傳學(xué)雙螺旋結(jié)構(gòu)半保留復(fù)制PCR

結(jié)構(gòu)基因(structuralgene)：

指可編碼RNA或蛋白質(zhì)的一段DNA序列,順反子多順反子半乳糖苷酶滲透酶乙酰轉(zhuǎn)移酶調(diào)控基因

(regulatorgene)：指其表達(dá)產(chǎn)物參與調(diào)控其它基因表達(dá)的基因。阻遏蛋白基因（DNA）結(jié)構(gòu)\基因表達(dá)\性狀轉(zhuǎn)錄終止mRNAmRNA轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄終止基因：是合成一條有功能的多肽或RNA分子所必須的完整的DNA序列。結(jié)構(gòu)基因(structuralgene)---啟動(dòng)子、RNA編碼區(qū)和終止區(qū)現(xiàn)代基因概念：基因結(jié)構(gòu)與基因功能聯(lián)系起來。

隔裂基因(splitgeneinterruptedgene)：指基因內(nèi)部被一個(gè)或更多不翻譯的編碼順序即內(nèi)含子所隔裂的現(xiàn)象。

內(nèi)含子(intron)：不編碼蛋白質(zhì)的非編碼序列

外顯子(extron)：編碼蛋白質(zhì)的序列

重疊基因(overlappinggene)：

指在同一段DNA順序上，由于閱讀框架(ORF)不同或終止早晚不同，同時(shí)編碼兩個(gè)以上基因(多肽鏈)的現(xiàn)象。ADCBEF兩個(gè)基因共有一段重疊的核苷酸序列Nestedgene跳躍基因(jumpinggene)：

即轉(zhuǎn)座因子，指染色體組上可以轉(zhuǎn)移的基因。可作為插入因子和轉(zhuǎn)座因子移動(dòng)的DNA序列。

實(shí)質(zhì)：能夠轉(zhuǎn)移位置的DNA片斷。

功能：在同一染色體內(nèi)或不同染色體之間移動(dòng)引起插入突變、DNA結(jié)構(gòu)變異（如重復(fù)、缺失、畸變）通過表現(xiàn)型變異得到鑒別。

遺傳工程：轉(zhuǎn)座子標(biāo)簽法。一、基因的概念及其發(fā)展

1、經(jīng)典遺傳學(xué)→孟德爾稱控制性狀的因子為遺傳因子

→1909年約翰生提出了基因這個(gè)名詞，取代孟德爾的遺傳因子→摩爾根等人對(duì)果蠅、玉米等的大量遺傳研究，建立了以基因和染色體為主體的經(jīng)典遺傳學(xué)

結(jié)構(gòu)單位重組單位基因突變單位功能單位2、分子遺傳學(xué)基因是DNA分子上的一定區(qū)段,攜帶有特殊的遺傳信息，可轉(zhuǎn)錄、翻譯，可對(duì)其他基因起調(diào)節(jié)作用

突變子：突變的最小單位基因重組子：交換的最小單位順反子（作用子）：功能單位（基因）基因可進(jìn)一步分為不同類型：(1)結(jié)構(gòu)基因：可編碼RNA或蛋白質(zhì)的一段DNA序列

(2)調(diào)控基因：其產(chǎn)物參與調(diào)控其他結(jié)構(gòu)基因表達(dá)的基因

(3)重疊基因：指同一段DNA的編碼順序，由于閱讀框架(ORF)的不同或終止早晚的不同，同時(shí)編碼兩個(gè)或兩個(gè)以上多肽鏈的現(xiàn)象(4)隔裂基因：指一個(gè)結(jié)構(gòu)基因內(nèi)部為一個(gè)或更多的不翻譯的編碼順序，如內(nèi)含子所隔裂的現(xiàn)象(5)跳躍基因：可作為插入因子和轉(zhuǎn)座因子移動(dòng)的DNA序列，有人將它作為轉(zhuǎn)座因子的同義詞(6)假基因：同已知的基因相似，但位于不同位點(diǎn)，因缺失或突變而不能轉(zhuǎn)錄或翻譯，是沒有功能的基因酶蛋白：gene---enzyme---express例如：豌豆圓粒(RR)×皺粒(rr)F1圓粒(Rr)F21/4皺粒

R基因--淀粉分枝酶(starch-branchingenzymeSBE)

正常合成淀粉-----圓粒

r基因--不能合成SBE酶,累蔗糖和大量的水分—皺粒一個(gè)基因一個(gè)酶一個(gè)基因—一個(gè)mRNA—一個(gè)多肽二、基因的微細(xì)結(jié)構(gòu)

1、互補(bǔ)作用與互補(bǔ)測(cè)驗(yàn)(順反測(cè)驗(yàn))假定有兩個(gè)獨(dú)立起源的隱性突變?nèi)鏰1與a2，它們具有類似的表型，如何判斷它們是屬于同一個(gè)基因的突變，還是分別屬于兩個(gè)基因的突變？即如何測(cè)知它們是等位基因？需要建立一個(gè)雙突變雜合二倍體，測(cè)定這兩個(gè)突變間有無互補(bǔ)作用

順反測(cè)驗(yàn)

第二節(jié)基因組學(xué)基因組學(xué)(genomics)：主要研究生物體全基因組(genome)的分子特征。研究目標(biāo)：（1）基因組的結(jié)構(gòu)、功能（2）基因組包含的遺傳物質(zhì)的全部信息及相互關(guān)系（3）合理地利用各種有效資源基因組學(xué)-----基因組計(jì)劃，如人類、水稻基因組計(jì)劃1、構(gòu)建基因組的遺傳圖譜2、構(gòu)建基因組的物理圖譜3、測(cè)定基因組DNA的全部序列4、構(gòu)建基因組的轉(zhuǎn)錄本圖譜5、分析基因組的功能人類基因組計(jì)劃1990---2001《Nature》《Science》人類基因組框架圖數(shù)據(jù)中國(guó)---3號(hào)2003------99%“人體阿波羅計(jì)劃”www.sanger.ac.uk/HGP/draft2000/Autosomes:22pairsHeterosomoes:1pair(XandY)

1992年8月，中國(guó)根據(jù)國(guó)情正式宣布實(shí)施自己的“水稻基因組研究計(jì)劃”，已完成水稻基因組物理圖譜的構(gòu)建。

2002年4月5日，《Science》以14頁的篇幅刊登和宣布中國(guó)科學(xué)家獨(dú)立繪制完成的水稻基因組草圖序列（4.6億）

二遺傳標(biāo)記GeneticMarkers

1

遺傳標(biāo)記GeneticMarker概念：是遺傳物質(zhì)特殊的易于識(shí)別的表現(xiàn)形式，是指可追蹤染色體、染色體某一節(jié)段或某個(gè)基因座在家系中傳遞的任何一種遺傳特征。是遺傳學(xué)和育種學(xué)的重要工具。

特征：

可遺傳性和可識(shí)別性標(biāo)準(zhǔn)：

※多態(tài)性強(qiáng)

※共顯性

※對(duì)主要農(nóng)藝性狀無影響

※容易觀察記載

遺傳標(biāo)記的種類：

形態(tài)標(biāo)記(MorphologicalMarker)

細(xì)胞標(biāo)記(CytologicalMarker)

生化標(biāo)記(BiochemicalMarker)

分子標(biāo)記(MolecularMarker)1.MorphologicalMarker指形態(tài)特征

2.

Cytologicalmarkers

ChromosomeNumbersChromosomeStructure

DeletionDuplicationInversionTranslocation

3Biochemicalmarker----生化標(biāo)記基因表達(dá)產(chǎn)物蛋白質(zhì)為主的一類標(biāo)記。

?非酶蛋白

?

同工酶（來源相同、催化相同，分子結(jié)構(gòu)和理化不同）

Per、Est、SOD、-Amylase、

ADH等57種。經(jīng)濟(jì)方便、易于操作、應(yīng)用廣泛位點(diǎn)有限、具有組織、發(fā)育及物種的特異性（同功酶）材料的采集研磨和酶的提取酶的保存凝膠制備電泳酶的組織化學(xué)染色酶譜的記錄與分析數(shù)據(jù)分析4

MolecularMarker---分子標(biāo)記以DNA多態(tài)性為基礎(chǔ)的遺傳標(biāo)記多態(tài)性幾乎遍及整個(gè)基因組。共顯性遺傳（既利用分子標(biāo)記可鑒別二倍體中雜合和純合型。能明確辨別等位基因。選擇中性（無基因多效性）。不影響目標(biāo)性狀的表達(dá)、與不良性狀無必然連鎖。可微量分析、檢測(cè)手段快速。4.1MolecularmarkerDefination:

是指能反映生物個(gè)體或種群基因組中某種差異特征的DNA片段，能夠直接反映基因組DNA間的差異。

第一類：電泳、分子雜交為基礎(chǔ)代表：RFLP、原位雜交第二類：電泳、PCR為基礎(chǔ)代表：RAPD、AFLP、SSR、EST

STS、SCAR第三類：?jiǎn)魏塑账岫鄳B(tài)性為基礎(chǔ)：SNP優(yōu)點(diǎn)：豐富性（數(shù)量多）高效性（不受環(huán)境發(fā)育時(shí)期限制）

多態(tài)性高（存在許多變異）中性（不影響目的基因表達(dá)）共顯性（純和及雜合）第一類：電泳、分子雜交為基礎(chǔ)代表：RFLP、原位雜交

第一代的多態(tài)性標(biāo)記

遺傳圖譜有助于將所需性狀與容易鑒定的性狀特征相結(jié)合，使間接選擇更簡(jiǎn)單易行。1974年Grozdicker在鑒定溫度敏感表型的腺病毒突變體時(shí)，利用限制性內(nèi)切酶酶解后DNA片段產(chǎn)生差異的原理，首創(chuàng)第一代DNA分子標(biāo)記--RFLPRFLP(RestrictionFragmentLengthPolymorphism)

限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性（1980年）：

基于DNA雜交技術(shù)（Southern）1.RFLPDiscoveryRFLP標(biāo)記技術(shù)的原理

RFLP技術(shù)是用限制性內(nèi)切酶酶解DNA樣品，產(chǎn)生大量限制性片段，通過凝膠電泳將DNA片段按照各自的長(zhǎng)度分開，當(dāng)酶解片段比較多時(shí)（如植物基因組DNA）,實(shí)際上仍然是形成連續(xù)一片的帶。為了把多態(tài)片段檢測(cè)出來，需要將凝膠中的DNA變性，通過Southernblotting轉(zhuǎn)移至硝酸纖維素濾膜或尼龍膜等支持膜上，使DNA單鏈與支持膜牢固結(jié)合，再用經(jīng)同位素或地高辛標(biāo)記的探針與膜上的酶切片段分子雜交，通過放射自顯影顯示出雜交帶，即檢出限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性。2.RFLP–PrincipleRestrictionFragmentLengthPolymorphism限制性酶切片段長(zhǎng)度多態(tài)性1980BotsteinDNARFLPDNA變異類型（1）堿基置換（AG,CA）（2）單個(gè)堿基缺失或插入（3）一段DNA片段缺失或插入（4）一段DNA片段產(chǎn)生倒置（5）一段DNA片段產(chǎn)生相連性重復(fù)片段RFLP

共顯性（純合及雜合）SouthernBlotRestrictionenzymeDNAof

varioussizesElectrophoreseonagarosegelgelDenature-transferto

filterpaper.blotHybridizetoprobeVisualizeDenature-transferto

filterpaper.blotSouthernBlotting4.優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：共顯性數(shù)量大可用探針多

缺點(diǎn)：技術(shù)復(fù)雜成本高

DNA量大

第二類：電泳、PCR為基礎(chǔ)代表：RAPD、SSR、AFLP、

EST、STS、SCAR、

第二代的多態(tài)性標(biāo)記

（重復(fù)序列的多態(tài)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

隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA其原理是采用人工合成的較短的單個(gè)隨機(jī)排列堿基順序的核苷酸單鏈為引物，進(jìn)行PCR擴(kuò)增基因組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標(biāo)記的特點(diǎn)有：

(1)不需DNA探針，設(shè)計(jì)引物也無須知道序列信息；

(2)顯性遺傳（極少數(shù)共顯性）不能鑒別雜合子和純合子；（3）技術(shù)簡(jiǎn)便，不涉及分子雜交和放射性自顯影等技術(shù)；（4）DNA樣品需要量少，引物價(jià)格便宜，成本較低；（5）實(shí)驗(yàn)重復(fù)性較差，結(jié)果可靠性較低。

AFLP(AmplifiedFragmentLengthPolymorphism)擴(kuò)增片段長(zhǎng)度的多態(tài)性

荷蘭科學(xué)家Zabeauand

Vos

1993SRFA(SelectiveRestrictionFragmentAmplification

選擇性限制片段擴(kuò)增基本原理：AFLP標(biāo)記是選擇性擴(kuò)增基因組DNA酶切片段所產(chǎn)生的擴(kuò)增產(chǎn)物的多態(tài)性，其實(shí)質(zhì)也是顯示限制性內(nèi)切酶酶切片段的長(zhǎng)度多態(tài)性，只不過這種多態(tài)性是以擴(kuò)增片段的長(zhǎng)度不同被檢測(cè)出來。特點(diǎn)：（1）限制酶及引物有較多選擇---產(chǎn)生標(biāo)記數(shù)目無限（2）擴(kuò)增片段數(shù)目與引物有關(guān)與酶切無關(guān)。

ATCTGACGCATGGTTAAGNNNNNNAATGAGTCCTGAGTAGCAGCTCGTAGACTGCGTACCAATTCNNNNNNTTACTCAGGACTCATAATTCNNN

GNNNNNNTNNNAATMMEEEMCTCGTAGACTGCGTACC

CATCTGACGCATGGTTAATACTCAGGACTCAT

GAGTCCTGAGTAGCAGGACTGCGTACCAATTCACAATGAGTCCTGAGTAG

CATCTGACGCATGGTTAAGNNNNNNTTACTCAGGACTCATNNNAATGAGTCCTGAGTAGCAGCTCGTAGACTGCGTACCAATTCNNNGACTGCGTACCAATTCACTTGCAATGAGTCCTGAGTAGAFLPEcoRⅠ

50-100AFLP/time遺傳材料相近

Mse

ⅠPre-amplification1:20AdaptersEcoRI接頭（adaptor）5’CTCGTAGACTGCGTACCCTGACGCATGGTTAA5’MseI接頭5’GACGATGAGTCCTGAGTACTCAGGACTCAT5’核苷酸增加減少所擴(kuò)增片段數(shù)目AFLP標(biāo)記的特點(diǎn)有：（1）標(biāo)記數(shù)目多；（2）多態(tài)性極高；（3）表現(xiàn)共顯性，呈典型孟德爾式遺傳；（4）分辯率高，結(jié)果可靠；（5）目前該技術(shù)受專利保護(hù)，用于分析的試劑盒昂貴，實(shí)驗(yàn)條件要求較高。chromosomecellnucleusTargetRegionforPCR有有無長(zhǎng)度多態(tài)性~200bp0.5-30kb<100Mb片斷長(zhǎng)度2-6bp10-60bp100-300bp

核心重復(fù)序列長(zhǎng)度微衛(wèi)星DNAMicrosatellite小衛(wèi)星DNAMinisatellite衛(wèi)星DNASatelliteRepeats-----dispersionandtandem

TandemRepeats中衛(wèi)星1989Litt

和Lutty

等發(fā)現(xiàn)可變數(shù)目串聯(lián)重復(fù)（variablenumberoftandemrepeatsVNTRs）SSR

(SimpleSequenceRepeats)--MSSTR

簡(jiǎn)單重復(fù)序列“junkDNA”

又稱微衛(wèi)星DNA(Microsatellite，MS)

短串聯(lián)重復(fù)（ShortTandemRepeats,STR）

1-6個(gè)堿基對(duì)構(gòu)成的基本重復(fù)單位（基序motif）串聯(lián)構(gòu)成的一段DNA，一般在100-200bp以內(nèi)，約10Kb的DNA序列有一個(gè)微衛(wèi)星。SSR存在部位:基因組非編碼區(qū)及染色體近端粒區(qū)。多態(tài)性:SSR由不同的個(gè)體間不同的重復(fù)單位以及重復(fù)次數(shù)的不同構(gòu)成。重復(fù)：DNA復(fù)制---DNA滑動(dòng)或錯(cuò)配、不等交換在人類基因組中，大約有20-40萬個(gè)SSR，平均每隔6kb-10kb就有一個(gè)SSR位點(diǎn)。SSR技術(shù)特點(diǎn)：

DNA提取

引物設(shè)計(jì)（相關(guān)文獻(xiàn)，近緣種引物，基因組文庫(kù)，SSR兩端有一段保守的DNA序列，據(jù)此設(shè)計(jì)一段互補(bǔ)引物。數(shù)據(jù)庫(kù)搜尋---GENBanKEMBLDDBJ的

DNA序列或EST序列獲SSR序列）

PCR反應(yīng)

擴(kuò)增產(chǎn)物檢測(cè)（變性聚丙烯酰胺序列膠，5-8%），

1-2個(gè)核苷酸變化都能分辨出來統(tǒng)計(jì)分析讀帶----1，2和統(tǒng)計(jì)分析----共顯性