基因组学

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水稻部分形态标记及标记基因
标记性状
紫色外稃 紫色果皮 褐色果皮 半矮秆 不透明胚乳 糯性胚乳 酚着色 甜性胚乳 舌状叶
标记基因
pr（4） prp-a（1） rc（1） sd1（1） du-1（10） wx（6） Ph（4） sug（8） lg（4）
标记性状
雄性不育 巨大胚 大粒 披叶 窄叶 脆秆 多柱头 抗稻瘟 抗白叶枯
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1953年，DNA双螺旋结构发现后，使基 因组的研究从染色体水平进入了分子水 平，有力地推动了基因组研究的发展; 1986年，美国的H. Roderick提出了基因 组学genomics一词，从此基因组学正式 成为一门科学。
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The Century of the Gene
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源自文库
1990年，启动人类基因组计划； 1995年，完成第一个原核生物（细菌）基因 组的测序； 1996年，完成第一个真核生物（酵母）基因 组的测序； 1998年，完成第一个多细胞生物（线虫）基 因组的序列；
3. 蛋白质基因通常以单拷贝的形式存在。 一般而言，为蛋白编码的核苷酸顺序是连续 的，中间不被非编码顺序所打断。 4. 编码tRNA和rRNA的基因通常是多拷贝 的。
：编码tRNA的基因
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5. 转座因子
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基因组结构的特征 二、真核生物基因组结构的特征 1. 真核生物具有复杂的染色体结 构，染色体在细胞间期为染色质，染色 质是DNA、组蛋白、非组蛋白以及RNA组 成的，基本结构物质是DNA和组蛋白。
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分子标记 限制酶的命名： 前3个字母代表首次发现该酶的生物属或 种，随后的字母和数字代表该生物的小种和该 酶的次序 EcoRⅡ是Escherichia coli de 的小种R245 中发现的第二个限制性酶。
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分子标记 由于DNA分子巨大，可供限制性酶识别的位 点是很多的，所以1个DNA分子可以被限制性 内切酶切成很多大小不一的片段，而且这些 片段是特异的（因为对1个个体来讲，DNA分 子上碱基顺序是特异的），它可以作为某一 DNA（或含这种DNA的生物）特有的“指 纹” 。
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基因组结构的特征
2. 真核生物DNA顺序可分为非重复序列（单 一序列）、轻度重复序列、中度重复序列和高度 重复序列。
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基因组结构的特征
●非重复序列：一个基因组中只有一个拷贝。 ●轻度重复序列：一个基因组中有2-10个拷贝， 组成串联重复基因。如组蛋白基因等。 ●中度重复序列：一个基因组中有10-几百个拷 贝。如tRNA和rRNA 基因。 ●高度重复序列：一个基因组中有几百到几万 个，如卫星DNA。
常识和问题： 1、DNA位于染色体上。 2、基因是一段DNA片段。 3、基因位于染色体上。
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4、基因有哪些？基因是怎么排列的（基因 组结构）？ 5、位于染色体上的DNA除组成基因外，是 否还有非基因成分？如何排列？
结构基因、调控基因、tRNA基因、 rRNA基因、合成组蛋白的基因、 转座基因、细胞器基因、假基因
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分子标记 由于生物的DNA含量很高，而它们长期处于这 样一种导致碱基改变的环境中，所以理论上 讲是没有2个个体DNA的碱基顺序是完全相同 的，这种不同我们也称为DNA的多态性。
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那么我们有无办法通过一些方法检测出 DNA的多态性（它们之间的不同）呢？答 案是有的。
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分子标记 其中方法之一是对DNA分子进行測序，检查它 们碱基的排列顺序，然后进行比较，如： A： AUAAGGTTCCUG B： AUAAGGATCCUG
标记基因
rf-3（1）rf-4（10） ge（7） bk dl（3） nal-1（4）nal-2 （11） bc-1（3） bc-3 (2) mp-1(1) mp-2(6) pi-I(6) pi-k (11) Xa-1(4) Xa-4(11)
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细胞学标记: 能明确显示遗传多态性的细 胞学特征。最常见的为染色体的结构特 征和数量特征。这类遗传标记通常在显 微镜下才能观察到。
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什么是基因组和基因组结构？
基因组（genome，1922）：即基数染色体组。 近年来，基因组（genome）更多定义为整套染 色体中所包含的全部基因。 基因组结构：特定单位DNA在染色体上的排列方 式。具体来讲，各种基因和一些特殊序列的DNA 片段在染色体上的排列方式。
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基因组大小
生物 人 拟南芥 水稻 小麦 基因组大小/Mb 3000 100 565 17000
SINE
小卫星 DNA
LINE
DNA 转座子
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第二节
DNA分子标记及其应用
一、遗传标记 二、DNA分子标记
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分子标记 一、遗传标记 1. 定义 遗传标记（genetic marker），即基因标 记，常指突变型。包括： ●形态学标记 ●细胞学标记 ●分子标记 同工酶标记和DNA分子标记
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分子标记 2. 类型 ●形态学标记：即用某种基因表达所 形成的某种特定稳定外形作为该基因的 标记。如wx是控制糯性性状的基因，那 么可以用糯性来作为wx基因的标记。
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A
….G A A T T C ….G A A T T C G G A A T T ….G C T T A A G… C T T A A G C C T T A A GC
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染色体的结构特征
果蝇唾腺细胞多线染色体带纹
染色体分带显示的带纹
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●分子标记：分同工酶标记和DNA分子标 记 〇同工酶标记：用某个基因表达所产生某 种特定稳定的同工酶酶带作为该基因的标记。 〇DNA分子标记：以特定的DNA片段 作为某基因的遗传标记，
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这种标记可能包含基因 本身，也可能是与该基 因紧密连锁的附近DNA片段。
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分子标记 不同DNA分子（来自不同生物种甚至个 体）经过限制酶酶切产生DNA片段大小 是不同的，这就是所谓限制性片段长度 的多态性RFLP（restriction fragment length polymorphism）。
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分子标记 RFLP：
即限制性片段长度多态性，不同样品DNA经 限制性酶酶解所产生片段大小的差异。
16 16 17 19 26 75 160 367 570 2500 120 136 156 195
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6. 转座因子
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操纵子
原核生物基因组 结构基因
真核生 物基因 组 ：内含子 ：轻度重复序列 ：基因家族
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：高度重复序列
人类基因组（3000 Mb）
基因及基因相关序列 （900 Mb）
基因外DNA （2100 Mb）
编码DNA （90 Mb）
非编码DNA （810 Mb）
重复DNA （420 Mb）
单一和低拷贝DNA （1680 Mb）
假基因
基因断片
内含子 前导序列 随尾序列
串联重复 DNA
分散重复 DNA
人类基因组的序列组成 （资料来源：Brown T.A., 1999）
微卫星 DNA
卫星 DNA
LTR 因子
第九章
基因组学
第一节 基因组结构特征 第二节 DNA分子标记及其应用
第三节 基因组图谱的构建及应用 第四节 后基因组学
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由来 1900年孟德尔遗传学被重新发现; 1905年，Bateson定名 “遗传学”（genectics）; 1909年，Johannsen提出了“基因”（gene）一词; 1920年，H. Winkler提出了“基因组”（genome）一 词，用以代表一个生物的一组染色体所包含的全部基 因;
启动子 结构基因
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操纵子
大肠杆菌基因组中，绝大多数基因都以 操纵子（operon）方式组合成表达单 位。操纵子含有一组彼此相邻的结构基 因，基因间隔可以只有1-2bp。大肠杆菌 总共有600个操纵子，每个含2个或更多 的基因。
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乳糖
半乳糖
葡萄糖
乳糖操纵子（lactose operon）
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基因组结构的特征
如果DNA上存在这种碱基顺序，它们就 会在识别位点切开DNA，把DNA切断。
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如
EcoRⅠ
….G A A T T C C G… T T A A
…G C TTAA + AATT G… C
分子标记
粘性未端
HindⅢ
….A A G C T T T T C G A A….
AGCT +
T A….
…..A T TCGA
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前体
成熟mRNA
基因组结构的特征
DNA 转录 mRNA 片段 mRNA 转录
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基因组结构的特征
4.有许多来源相同、结构相似、功能相关 的基因组成为单一基因簇或基因家簇，如血红 蛋白基因家簇。
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基因组结构的特征 5. 细胞器基因 真核生物除具有核基因外，还有细 胞器基因，细胞器基因主要存在于线粒 体和叶绿体中。动物没有叶绿体，所以 动物细胞器基因只存在于线粒体中。
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基因组结构的特征
一、原核生物基因组结构的特征 1. 染色体是由一个核酸分子（DNA或 RNA）组成的，DNA（RNA）呈环状或线
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基因组结构的特征 2. 功能相关的基因大多以操纵子形式出 现。如大肠杆菌的乳糖操纵子等。操纵 子是细菌的基因表达和调控的一个完整 单位，包括结构基因、调控基因和被调 控基因产物所识别的DNA调控原件（启 动子等）。
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（资料来源：Brown T.A., 1999） 不同生物线粒体和叶绿体基因组的大小
物种 生物类型 基因组大小（kb）
A. 线粒体基因组 Chlamydomonas reinhardtii 绿藻 Mus musculus 脊椎动物（鼠） Homo sapiens 脊椎动物（人类） Drosophila melanogaater 脊椎动物（果蝇） Chondrus crispus 红藻 Saccharomyces cerevisiae 酵母 Brassica oleracea 显花植物 （甘蓝） Arabidopsis thaliana 显花植物（拟南芥） Zea mays 显花植物（玉米） Cucumis melo 显花植物（甜瓜） B. 叶绿体基因组 Pisum sativum 显花植物（豌豆） Oryza sativa 显花植物（水稻） Nicotiana tabacum 显花植物（烟草） Chlamydomonas reinhartii 绿藻
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基因组结构的特征
外显子 内含子 外显子 内含子 3. 真核基因具有不连续性。绝大多数真核生 外显子 基因
物的基因都是不连续基因。
mRNA 不连续基因是指基因的编码序列在DNA分子
×
×
上是连续的，为不编码的序列所隔开。不连续基 因是通过mRNA与DNA杂交试验而发现的。 就为蛋白质编码的DNA序列而言，那些在成 熟mRNA中不存在的序列称为内含子（intron）， 而指导在成熟mRNA中存在的序列外显子。
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但是由于生物体DNA十分巨大，所以这项 工作的工作量十分大，要花很长时间才 能完成，如果对所有研究对象进行测 序，实施起来不大可能。
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分子标记 方法之二是用一类特殊的酶，即限制性 内切酶，它们是微生物产生的核酸酶。 这些酶能识别DNA上的由特定碱基顺序组 成的识别位点（限制性位点）。
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分子标记 1个基因由几百个~数千个核苷酸组成，所以1 个基因实际上包含核苷酸对数/3个密码子， 由这些密码子编码的氨基酸共同组成（合 成）某种蛋白质，从而实现基因功能的表达.
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如果碱基发生改变，那么密码子的功能 就会发生改变，导致基因的功能也随之 发生变化。
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分子标记 在基因突变那一章节中，我们已讲了许多因 素都会导致碱基的改变，从而使基因发生突 变。这些因素有自然因素（温度、射线，自然 串粉杂交等）。
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2000年，完成果蝇和拟南芥的基因组测 序以及人类的基因组草图 ； 2002年完成水稻的基因组草图； 2003年完成人类全基因组测序； 2005年完成了水稻基因组全序列测定。
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第一节
原核和真核生物基因组结构的特征
一、原核生物基因组结构的特征 二、真核生物基因组结构的特征
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第一节
原核和真核生物基因组结构的特征
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遗传图谱构建—克隆基因
DNA分子标记 结构基因
怎么获得特定基因的DNA分子标记？
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二、DNA分子标记 （一）RFLP分子标记 1. 什么是RFLP？
分子标记
组成染色体的成分30-40%是DNA，DNA是 一个很大的分子，它是数以万计的脱氧核苷酸 对组成的，每个核苷酸上都有特定的碱基，3个 碱基组成一个密码子，每个密码子编码一种氨 基酸。