10基因组与比较基因组学

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10.1.2 遗传图的绘制
遗传图也称连锁图，是指基因或DNA标志在染色体上的相对位置与遗传距离， 后者通常以基因或DNA片段在染色体交换过程中的分离频率厘摩（cM）来表示。遗 传图的绘制是人类基因组研究的第一步，即以染色体上某一点为遗传标记，以与之相 伴遗传的特征为对象，经连锁分析，将编码该特征的基因定位于染色体特定位置。 cM值越大，两者之间距离越远。通过遗传图分析，我们可以大致了解各个基因或 DNA片段之间的相对距离与方向，了解哪个基因更靠近着丝粒，哪个更靠近端粒等。 遗传距离是通过遗传连锁分析获得的，研究中所使用的DNA标志越多，越密集，所 得到的遗传连锁图的分辨率就越高。 经典的遗传标记是可被电泳或免疫技术检出的蛋白质标记，如红细胞ABO血型 位点标记，白细胞HLA位点标记等。例如，在ABO血型基因中，位于9号染色体长臂3 区4带（9q34）的基因IA，决定抗原A的存在，表现A型血性状。由于ABO血型的广泛存 在，所以可用它作遗传标记。当在某一家庭中，观察到了指甲髌骨综合征与A型血相 伴遗传时，科学家就认为，这种病的致病基因NP与IA基因相连锁，也位于9q34区段。 进一步的观察发现，这个家庭的后代中，有1/10为A型血而无指甲髌骨综合征，这表 明基因IA和NP发生了交换，交换率（重组率）为1/10。这时就可说，基因IA和NP相距 较近，连锁图上的距离为10厘摩（重组率1％即为1厘摩）。
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10.1.3 物理图（Physical Map） 物理图（ ）
遗传图所表现的，是通过连锁分析确定的各基因 间的相对位置 相对位置；物理图则表现染色体上每个DNA片段 相对位置 的实际顺序 实际顺序。物理图是指以已知核苷酸序列的DNA 实际顺序 片段（序列标签位点，sequence-tagged site，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。 现在的测序技术还不能对整个DNA分子进行序列 测定，因此须先将它切成一个个大小不同的片段，然 后将这些片段连起来，构成连续的序列。切割的工具， 是一类限制性内切核酸酶，它能识别DNA中的特定序 列，并在该位点对DNA链进行切割。有一类稀有的限 制性内切核酸酶，由于DNA中这样的序列比较少，所 以用它可将DNA分子切割成约100万碱基大小的大片断。 这样的片段有利于排序，不过必须用脉冲场凝胶电泳 法，才能将它们分开。
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如果只用已知定位的少数几个基因作遗传标记，由于遗传标记 的数目太少，很难绘制完整的连锁图。DNA技术的建立为人类提供 了大量新的遗传标记。 第一代DNA遗传标记是RFLP（Restriction Fragment Length Polymorphism，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。由于核苷酸序列的改变遍及整个基因组， 特别是进化中选择压力不是很大的非编码序列之中，RFLP的出现频 率远远超过了经典的蛋白质多态性。而且，只要选择得当，生物体 内出现共显性RFLP及RAPD分子标记的频率较高。
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1999年12月1日 国际人类基因组计划联合研究小组宣告，完整破译出人体第22对染色 体的遗传密码，这是人类首次成功地完成人体染色体完整基因序列的测定。 2000年4月6日 美国塞莱拉公司宣布破译出一名实验者的完整密码，但遭到不少科学 家的质疑。 2000年4月底 中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。 2000年5月8日 德、日等国科学家宣布，已基本完成了人体第21对染色体的测序工作。 2000年6月26日 科学家公布人类基因组工作草图，标志着人类在解读自身“生命之书” 的路上迈出了重要一步。 2000年12月14日 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。 2001年2月12日 中、美、日、德、法、英6国科学家和美国塞莱拉公司联合公布人类 基因组图谱及初步分析结果。 科学家首次公布人类基因组草图“基本信息”。
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人类基因组研究包括遗传图（Genetic Map）绘制、物理图 （ ） （Physical Map）构建、测序、转录图（Expression Profiling） ） （ ） 绘制和人类基因组的序列图及 人类基因组的序列图及基因鉴定等方面的工作。 人类基因组的序列图及 通过多年来的发展，基因组学（genomics）作为一门专门学科，已 应运而生。它涵盖以下几个方面： 结构基因组学，着重遗传图、物理图、测序等研究； 功能基因组学，包括以转录图为基础的功能制图（基因组表达图）； 比较基因组学，包括对不同进化阶段生物基因组的比较研究，也包括不 同人种、族群和群体基因组的比较研究。 此外，工业基因组学、环境基因组学、药物基因组学、疾病基因组 学等分支学科也在不断发展。
Chapter10 基因组与比较基因组学
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20世纪人类科技发展史上的三大创举 世纪人类科技发展史上的三大创举 1. 1940年代第一颗原子弹爆炸； 2. 1960年代人类首次登上月球； 3. 1990年代提出并基本完成的人类基因组计划（Human Genome Project，HGP） DNA 双螺旋结构的发现者之一、美国国家卫生研究院（NIH）人类 基因组研究所第一任所长J.D.Watson 1990年在《Science》上撰文指出， 与人类登月计划相比，HGP的资金投入少，但它对人类生活的影响却可 能更深远。
人类基因组计划的科学意义在于： （1）确定人类基因组中约5万个编码基因的序列及其在基因组中 的物理位置，研究基因的产物及其功能。 （2）了解转录和剪接调控元件的结构与位置，从整个基因组结构 的宏观水平上理解基因转录与转录后调节。 （3）从整体上了解染色体结构，包括各种重复序列以及非转录 “框架序列”的大小和组织，了解各种不同序列在形成染色体结 构、DNA复制、基因转录及表达调控中的影响与作用。 （4）研究空间结构对基因调节的作用。有些基因的表达调控序列 与被调节基因从直线距离上看，似乎相距甚远，但若从整个染色 体的空间结构上看则恰恰处于最佳的调节位置，因此，有必要从 三维空间的角度来研究真核基因的表达调控规律。
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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， 包括重复单位长度在15-65个核苷酸左右的小卫星DNA （minisatellite DNA），重复单位长度在2-6个核苷酸之间的微卫星 DNA（microsatellite DNA），后者又称为简短串联重复（STR、 STRP或SSLP，short tandem repeat polymorphism或者simple sequence length polymorphism）。STRP有两个最突出的优点，即作 为遗传标记的“多态性”与“高频率”。STR的存在，为遗传图的 绘制提供了大量可用的遗传标记。采用聚合酶链反应（PCR）技术， 以STR两侧的基因作定点标记的完整连锁图，已于1996年绘成，相 邻标记间的平均距离仅0.7厘摩。 第三代DNA遗传标记，可能也是最好的遗传标记，是分散于基因 组中的单个碱基的差异。这种差异包括单个碱基的缺失和插入，但 更常见的是单个核苷酸的替换，即单核苷酸的多态性（SNP，single nucleotide polymorphism）。
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“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，相当于把整索功能基因 的过程中发挥独特的作用。把多态性的疾病基因位点（该位点至 少包括“正常”及“致病” 两个等位基因）与上述遗传标记进行 分析比较时，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。
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基因及基因组研究大事记： 基因及基因组研究大事记：
1860至1870年 奥地利科学家孟德尔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。 1909年 丹麦植物学家和遗传学家约翰逊首次提出“基因”这一名词，用以表达孟 德尔的遗传因子概念。 1944年 3位美国科学家分离出细菌的DNA（脱氧核糖核酸），并发现DNA是携带生 命遗传物质的分子。 1953年 美国人沃森（Watson）和英国人克里克（Crick）通过实验提出了DNA分子 的双螺旋模型。 1969年 科学家成功分离了第一个基因。 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 一批科学家在美国罗克威尔（Rockville）组建塞莱拉遗传公司，与国际人 类基因组计划展开竞争。 1998年12月 一种小线虫完整基因组序列的测定工作宣告完成，这是科学家第一次 绘出多细胞动物的基因组图谱。 1999年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%。 中国是继美、英、日、德、法之后第6个国际人类基因组计划参与过，也是参与这 一计划的唯一发展中国家。
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随着这个计划的完成，DNA分子中储藏的有关人类生存和繁衍 的全部遗传信息将被破译，它将不仅帮助我们理解人类如何作为健 康人发挥正常生理功能，还将最终揭开基因在癌症、早老性痴呆症、 精神分裂症等严重危害人类健康的疾病中的作用。 事实上，对人类自身更深入的了解是人类活动最重要的组成部 分，因为任何自然科学研究，都没有比人类尽快找出解决自身所面 临的人口膨胀、粮食短缺、环境污染、疾病危害、能源资源匮乏、 生态平衡破坏、生物物种消亡等一系列难题更为重要、更为迫切。
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（5）发现与DNA复制、重组等有关的序列。DNA的忠实复制保障了遗传的 稳定性，正常的重组提供了变异与进化的分子基础。局部DNA的推迟复制、 异常重组等现象则导致疾病或者胚胎不能正常发育，因此，了解与人类DNA 正常复制和重组有关的序列及其变化，将对研究人类基因组的遗传与进化提 供重要的结构上的依据。 （6）研究DNA突变、重排和染色体断裂等，了解疾病的分子机制，包括遗 传性疾病、易感性疾病、放射性疾病甚至感染性疾病引发的分子病理学改变 及其进程，为这些疾病的诊断、预防和治疗提供理论依据。 （7）确定人类基因组中转座子、逆转座子和病毒残余序列，研究其周围序 列的性质。了解有关病毒基因组侵染人类基因组后的影响，可能指导人类有 效地利用病毒载体进行基因治疗。 （8）研究染色体和个体之间的多态性。这些知识可被广泛用于基因诊断、 个体识别、亲子鉴定、组织配型、发育进化等许多医疗、司法和人类学的研 究。此外，这些遗传信息还有助于研究人类历史进程、人类在地球上的分布 与迁移以及人类与其他物种之间的比较。