第13章基因组学名师编辑PPT课件.ppt

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1、 第第13章章 基因组学基因组学 基因组学基因组学 1 1 基因组学概述基因组学概述 2 2 基因组图谱的构建基因组图谱的构建3 3 基因组测序基因组测序4 4 功能基因组学功能基因组学本章教学时数：本章教学时数：4 4学时。学时。本章重点：基因组计划的基本流程。本章重点：基因组计划的基本流程。本章难点：分子标记和基因图谱；本章难点：分子标记和基因图谱；研究基因功能的方法研究基因功能的方法 1 1 基因组学概述基因组学概述基因组（基因组（genomegenome），又称染色体组），又称染色体组一个物种单倍体的染色体数目，一个物种单倍体的染色体数目，物种全物种全部遗传信息的总和部遗传信息的总和物

2、种遗传信息的物种遗传信息的“总词典总词典”控制发育的控制发育的“总程序总程序”生物进化历史的生物进化历史的“总档案总档案”基因组学（基因组学（genomicsgenomics）19861986年提出，至今年提出，至今2020年，已经发展成为年，已经发展成为遗传学中最重要的分支学科。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、测对物种的所有基因进行定位、作图、测序和功能分析序和功能分析基因组学研究的最终目标基因组学研究的最终目标u 获得生物体全部基因组序列获得生物体全部基因组序列u 鉴定所有基因的功能鉴定所有基因的功能u 明确基因之间的相互作用关系明确基因之间的相互作用关系u 阐明

3、基因组的进化规律阐明基因组的进化规律经典遗传学经典遗传学 在在2020世纪初，遗传学刚刚诞生的时候，遗传世纪初，遗传学刚刚诞生的时候，遗传学家的工作主要是鉴别感兴趣的基因，确定这学家的工作主要是鉴别感兴趣的基因，确定这些基因在染色体上的位置。些基因在染色体上的位置。第一个环节：寻找自发突变体，或者利用物第一个环节：寻找自发突变体，或者利用物理、化学因素诱发突变。理、化学因素诱发突变。第二个环节：通过连锁分析确定新基因与已第二个环节：通过连锁分析确定新基因与已知基因的相互关系，绘制遗传连锁图。知基因的相互关系，绘制遗传连锁图。几个代表物种的基因组大小几个代表物种的基因组大小物种物种基因组大小/b

4、p基因组大小/bpT4噬菌体T4噬菌体2.0102.0105 5大肠杆菌(大肠杆菌(Escherichia coli)4.2104.2106 6酵母(酵母(Sccharomyces cerevisiae)1.5101.5107 7拟南芥(拟南芥(Arabidopsis thaliana)1.0101.0108 8秀丽小杆线虫(秀丽小杆线虫(Caenorhbditis elagans)1.0101.0108 8果蝇(果蝇(Drosophila melanogaster)1.65101.65108 8水稻(水稻(Oryza sativa)3.89103.89108 8小白鼠(小白鼠(Mus mus

5、culus)3.0103.0109 9人类(人类(Homo sapiens)3.3103.3109 9玉米玉米(Zea mays)5.4105.4109 9普通小麦(普通小麦(Triticum aestivum)1.6101.6101010钓鱼钓鱼竭泽而渔竭泽而渔CREDIT:JOE SUTLIFF Science,Vol 291:1221.Fishing in a More Effective Way!基因组学的研究内容基因组学的研究内容q 结构基因组学结构基因组学q 功能基因组学功能基因组学q 蛋白质组学蛋白质组学结构基因组学（结构基因组学（structural genomics）基因定位

6、基因定位 基因组作图基因组作图 测定核苷酸序列测定核苷酸序列功能基因组学（功能基因组学（functional genomics）又称后基因组学（又称后基因组学（postgenomics)postgenomics)q 基因的识别、鉴定、克隆基因的识别、鉴定、克隆q 基因结构、功能及其相互关系基因结构、功能及其相互关系q 基因表达调控的研究基因表达调控的研究蛋白质组学（蛋白质组学（proteomics）鉴定蛋白质的产生过程、结构、功能和鉴定蛋白质的产生过程、结构、功能和相互作用方式相互作用方式人类基因组计划人类基因组计划19901990，美国国立卫生研究所和能源部投资，美国国立卫生研究所和能源部投

7、资3030亿，启动了人类基因组计划，预计亿，启动了人类基因组计划，预计1515年时间完成人类基因组全部序列的测定年时间完成人类基因组全部序列的测定19961996，完成标记密度为，完成标记密度为0.6cM0.6cM的人类基因组的人类基因组遗传图谱，遗传图谱，100kb100kb的物理图谱的物理图谱20002000，完成草图，完成草图20012001年年2 2月，公布人类基因组图谱的修订版月，公布人类基因组图谱的修订版20022002，完成测序工作，完成测序工作2 基因组图谱的构建基因组图谱的构建基因组计划的主要任务是获得全基因组序列基因组计划的主要任务是获得全基因组序列但是，现在的测序方法每次

8、只能测但是，现在的测序方法每次只能测8008001000bp1000bp大量的测序片段要拼接大量的测序片段要拼接要知道序列在要知道序列在ChrChr上的位置才能正确拼接上的位置才能正确拼接基因组计划的第一个环节：基因组计划的第一个环节：构建基因组图谱构建基因组图谱基因组图谱基因组图谱遗传图谱遗传图谱（genetic map）物理图谱物理图谱（physical map）遗传图谱遗传图谱（genetic map）采用采用遗传分析的方法遗传分析的方法将基因或其它将基因或其它DNADNA序列标定在染色体上构建连锁图。序列标定在染色体上构建连锁图。遗传标记遗传标记q有可以识别的标记，才能确定目标的方位有

9、可以识别的标记，才能确定目标的方位及彼此之间的相对位置。及彼此之间的相对位置。q构建遗传图谱就是寻找基因组不同位置上构建遗传图谱就是寻找基因组不同位置上的特征标记。的特征标记。q包括：包括：形态标记形态标记 细胞学标记细胞学标记 生化标记生化标记 DNADNA分子标记分子标记多态性（多态性（polymophism）所有的标记都必须具有多态性所有的标记都必须具有多态性！v 花色：白色、红色花色：白色、红色v 株高：高、矮株高：高、矮v 血型：血型：A A、B B、O O型型v 淀粉：糯、非糯淀粉：糯、非糯所有多态性都是基因突变的结果！所有多态性都是基因突变的结果！形态标记形态标记形态性状：株高、

10、颜色、白化症等形态性状：株高、颜色、白化症等又称表型标记又称表型标记数量少数量少很多突变是致死的很多突变是致死的受环境、生育期等因素的影响受环境、生育期等因素的影响q 最早建立的果蝇连锁图，就是利用控制最早建立的果蝇连锁图，就是利用控制果蝇眼睛的形状、颜色，躯体的颜色、果蝇眼睛的形状、颜色，躯体的颜色、翅膀的形状等形态性状作为标记，分析翅膀的形状等形态性状作为标记，分析它们连锁关系及遗传距离，绘制而成的。它们连锁关系及遗传距离，绘制而成的。q 控制性状的其实是基因，所以形态标记控制性状的其实是基因，所以形态标记实质上就是基因标记。实质上就是基因标记。果果蝇蝇连连锁锁图图细胞学标记细胞学标记v明

11、确显示遗传多态性的染色体结构特征明确显示遗传多态性的染色体结构特征和数量特征和数量特征 染色体的核型染色体的核型 染色体的带型染色体的带型 染色体的结构变异染色体的结构变异 染色体的数目变异染色体的数目变异v优点：不受环境影响优点：不受环境影响v缺点：数量少、费力、费时、对生物体缺点：数量少、费力、费时、对生物体的生长发育不利的生长发育不利生化标记生化标记v 又称蛋白质标记又称蛋白质标记v 就是利用蛋白质的多态性作为遗传标记。就是利用蛋白质的多态性作为遗传标记。如：同工酶、贮藏蛋白如：同工酶、贮藏蛋白v 优点：数量较多，受环境影响小优点：数量较多，受环境影响小v 缺点：受发育时间的影响、有组织

12、特异缺点：受发育时间的影响、有组织特异性、只反映基因编码区的信息性、只反映基因编码区的信息DNADNA分子标记分子标记简称分子标记简称分子标记以以DNADNA序列的多态性作为遗传标记序列的多态性作为遗传标记优点：优点：v 不受时间和环境的限制不受时间和环境的限制v 遍布整个基因组，数量无限遍布整个基因组，数量无限v 不影响性状表达不影响性状表达v 自然存在的变异丰富，多态性好自然存在的变异丰富，多态性好v 共显性，能鉴别纯合体和杂合体共显性，能鉴别纯合体和杂合体限制性片段长度多态性限制性片段长度多态性（restriction fragment length polymorphism，RFLP）

13、v DNADNA序列能或不能被某一酶酶切，相当于一对序列能或不能被某一酶酶切，相当于一对等位基因的差异。等位基因的差异。v 如有两个如有两个DNADNA分子（一对染色体），一个具有分子（一对染色体），一个具有某一种酶的酶切位点，而另一个没有这个位点，某一种酶的酶切位点，而另一个没有这个位点，酶切后形成的酶切后形成的DNADNA片段长度就有差异，即多态片段长度就有差异，即多态性。性。v 可将可将RFLPRFLP作为标记，定位在基因组中某一位作为标记，定位在基因组中某一位置上。置上。v人类基因组中有人类基因组中有10105 5个个RFLPRFLP位点，每一位点只位点，每一位点只有两个等位基因。有两

14、个等位基因。RFLPRFLP分析分析RFLP标记位共显性标记标记位共显性标记微卫星微卫星（microsatellite）标记标记v微 卫 星 又 称 为微 卫 星 又 称 为 简 单 重 复 序 列（简 单 重 复 序 列（s i m p l e s i m p l e sequence repeatsequence repeat，SSRSSR）。）。v这种重复序列的重复单位很短，常常只有这种重复序列的重复单位很短，常常只有2 2个、个、3 3个或个或4 4个核苷酸个核苷酸v如一条染色体如一条染色体TCTGAGAGAGACGCTCTGAGAGAGACGC 另一染色体另一染色体TCTGAGAGA

15、GAGAGAGAGACGCTCTGAGAGAGAGAGAGAGACGC，就构成，就构成了多态性。了多态性。遗传图谱的构建方法遗传图谱的构建方法 v 理论基础理论基础:连锁与交换连锁与交换v 基本方法基本方法:两点测验法和三点测验法两点测验法和三点测验法植物遗传图谱的构建植物遗传图谱的构建v 选择研究材料（亲本）选择研究材料（亲本）v 构建分离群体构建分离群体v 遗传标记检测遗传标记检测v 标记间的连锁分析标记间的连锁分析选择亲本选择亲本 要求亲缘关系远，遗传差异大要求亲缘关系远，遗传差异大 但又不能相差太大以导致引起子代不育。但又不能相差太大以导致引起子代不育。对备选材料进行多态对备选材料进行

16、多态(差异差异)性检测，综性检测，综合测定结果，选择有一定量多态性的一对合测定结果，选择有一定量多态性的一对或几对材料作为遗传作图亲本。或几对材料作为遗传作图亲本。构建作图群体构建作图群体 遗传标记的染色体定位遗传标记的染色体定位v 利用遗传学方法或其它方法将少数标记利用遗传学方法或其它方法将少数标记锚定在染色体上，作为确定连锁群的参锚定在染色体上，作为确定连锁群的参照系。照系。v 常用的方法：常用的方法：单体分析单体分析 三体分析三体分析 代换系分析代换系分析 附加系分析附加系分析标记间的连锁分析标记间的连锁分析v利用在两个亲本间有多态性的标记分析利用在两个亲本间有多态性的标记分析分离群体中所有个体的基因型分离群体中所有个体的基因型v根据连锁交换的情况，确定标记之间的根据连锁交换的情况，确定标记之间的连锁关系和遗传距离连锁关系和遗传距离v有计算机软件可以应用有计算机软件可以应用水稻遗传图水稻遗传图v 1994 1994年，水稻第一张高密度遗传图谱年，水稻第一张高密度遗传图谱 927927个位点，个位点，13831383个标记个标记v 19981998年，年，11571157个位点，个