基因组学
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（restriction fragment length polymorphism，RFLP）
如有两个 DNA 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，酶切后形成的DNA片段长 度就有差异，即多态性。
• 利用限制性内切酶消化基因组DNA，形成大小 不等、数量不同的分子片段， • 经电泳分离， • 通过Southern印迹将DNA片段转移至支持膜 (尼 龙膜或硝酸纤维素膜)上， • 然后用放射性同位素(32P)或非同位素 (如地高 辛，荧光素)标记的探针与支持膜上的DNA片 段进行杂交。 • 不同基因组DNA酶切位点的改变，会使得 RFLP谱带表现出不同程度的多态性.
基本方法: 两点测验法和三点测验法
• 遗传连锁图是通过计算连锁的遗传标志 之间的重组频率，确定它们的相对距离 ，一般用厘摩（cM，即每次减数分裂的 重组频率为1%）表示。
植物遗传图谱的构建 选择研究材料（亲本） 构建分离群体 筛选多态性标记 标记间的连锁分析
选择亲本
要求亲缘关系远，遗传差异大
• 随着分子生物学的发展，相继建立了 RFLP、RAPD、AFLP、SNP等多种分子 遗传标记检测技术，开创了遗传标记研 究的新阶段。
理想的分子遗传标记应具 备的特点
• • • • • 遗传多态性高; 检测手段简单快捷，易于实现自动化; 标记遍布整个基因组； 准确性 实验重复性好；
• 开发成本和使用成本尽量低廉；
Paul Berg
1/2 of the prize Stanford University Stanford, CA, USA
Walter Gilbert
1/4 of the prize Harvard University, Biological Laboratories Cambridge, MA, USA
如：同工酶
优点：数量较多，受环境影响小 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
DNA分子标记
简称分子标记 以蛋白质、核酸分子的突变为基础， 检测生物遗传结构及其变异。 以DNA序列的多态性作为遗传标记
DNA分子标记
优点： 不受环境的限制 不受组织类别、发育阶段的影响 遍布整个基因组，数量多 自然存在的变异丰富，多态性高 共显性，能鉴别纯合体和杂合体 简单快速，易于自动化 提取的DNA样品，在适宜条件下可以长 期保存
RFLP示意图
限制性片段的制备
电
泳
Southern 印 迹
与放射性探针杂交
放射性自显影
RFLP分析
微卫星（microsatellite）标记
微 卫 星 又 称 为 简 单 重 复 序 列 （ simple sequence repeat，SSR）。
这种重复序列的重复单位很短，常常只 有2个、3个或4个核苷酸
鉴定所有基因的功能 明确基因之间的相互作用关系 阐明基因组的进化规律
基因组学的研究内容
结构基因组学
功能基因组学 蛋白质组学
结构基因组学（structural genomics） 基因定位 基因组作图 测定核苷酸序列
功能基因组学（functional genomics）
将三种必须元件从染色体上分离出来，按照顺序 利用重组技术重组而成人造微小染色体，将这种
线状小染色体转化进入酵母细胞后，可正常的复
制、配对、分离。再组装上多克隆位点和选择标
记等即为酵母人工染色体载体。
YAC 载体的选择标记主要采用营养缺陷型基因，
如色氨酸合成缺陷型基因trp
细菌人工染色体
细菌人工染色体（BAC）：以细菌F因子为 基础，人工构建的环状的DNA分子。可以 携带大于100-350Kb的外源DNA片段。 选择标记：氯霉素抗性基因等。
有遗传图谱为什么还要构建物理图谱？
遗传图谱的缺陷
• 1）遗传图谱有限的分辨率 • 对于人类或其他高等生物不可能得到大量 的子代群体，减数分裂的后代有限，限制了连 锁分析。 • 2）遗传图谱的精确性不高 • 染色体上存在重组热点，影响邻近区段的遗 传图谱的准确性。
物理作图的方法
1、限制酶作图 2、依靠克隆的基因组作图
大规模基因组测序
DNA测序的方法 • DNA测序技术主要有两种方法，都是在 20世纪70年代中期发明的。 • A. 双脱氧链终止法（the chain termination method），是通过合成与单 链DNA互补的多核苷酸链来读取待测 DNA分子的顺序。 • B. 化学降解法（chemical degradation method），是将双链DNA分子用化学试 剂处理，产生切口，用同位素标记进行 测序。
水稻遗传图
1994年，水稻第一张高密度遗传图谱 927个位点， 1383个标记 1998年，1157个位点，2275个标记 2000年，3267个标记 高密度的遗传图谱为基因组测序和遗传 研究奠定了坚实的基础。
物理图谱的构建
用分子生物学方法直接检测DNA标记 在染色体上的实际位臵绘制成的图谱称为 物理图谱。
Frederick Sanger
1/4 of the prize MRC Laboratory of Molecular Biology Cambridge, United Kingdom
1926-
1932-
1918-
ABI PRISM 310型 DNA测序仪
中英联合实验室
双脱氧终止法测序反应体系包括：
DNA polymerase
Template:(单链DNA模板)
Primer:（带有3-OH末端的单链寡核苷酸引物)
Mg2+ dNTP(dATP,dGTP,dCTP和dTTP) ddNTP(ddATP,ddGTP,ddCTP和ddTTP)
DNA自动测序
采用遗传分析的方法将基因或其它 DNA序列标定在染色体上构建连锁图。
遗传标记
有可以识别的标记，才能确定目标的方位 及彼此之间的相对位臵。 构建遗传图谱就是寻找基因组不同位臵上 的特征标记。 遗传标记指可追踪染色体、染色体某一节 段或者某一个基因座在家系中传递的任何 一种遗传特性。
遗传标记
包括： 形态标记 细胞学标记 生化标记 DNA分子标记
3、荧光原位杂交
4、序列标签位点作图
基因组测序策略
有了高密度的基因组图谱，就可以开始全 基因组测序了 测序的技术飞速发展，现在可以全自动化 测序的策略有两个： 鸟枪法 克隆重叠群法
鸟枪法（shotgun sequencing）
鸟枪法的优缺点
优点： 不需要高密度的图谱 速度快、简单、成本低 缺点： 拼接组装困难，尤其在重复序列多的区域
果 蝇 连 锁 图
细胞学标记
明确显示遗传多态性的染色体结构特征 和数量特征
染色体的核型（染色体数目、大小、随体、 着丝粒位置、核仁组织区等）、 染色体的带型 染色体的结构变异 染色体的数目变异
优点：不受环境影响 缺点：数量少、费力、费时、对生物体 的生长发育不利
生化标记
又称蛋白质标记 就是利用蛋白质的多态性作为遗传标记。
形态标记
能够用肉眼识别和观察、明确显示遗传多样性 的外观性状。 形态性状：株高、颜色、白化症等 又称表型标记 简单直观 数量少 很多突变是致死的 受环境、生育期等因素的影响
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、 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。 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。
用荧光替代放射性核素标记是实现DNA序列分 析自动化的基础。 用 不 同 荧 光 分 子 标 记 4 种 ddNTP ， 然 后 进 行 Sanger测序反应，产物经电泳 通过 4 种激光激发不同大小 DNA 片段上的荧光 分子使之发射出 4种不同波长荧光，检测器采集荧 光信号，并依此确定DNA碱基的排列顺序。
主要用于重复序列少、相对简单的原核生物基 因组
克隆重叠群法（clone contig）
将基因组DNA切割长度为0.1Mb－1Mb的 大片段，克隆到YAC或BAC载体上 然后再进行亚克隆，分别测定单个亚克 隆的序列 再装配、连接成连续的DNA分子。
酵母人工染色体（YACபைடு நூலகம்文库
• YAC 含有以下必须元件： • 端粒DNA序列 • 着丝粒（centromere ， CEN）：有丝分裂过 程中纺锤丝的结合位点， 使染色体在分裂过程 中能正确分配到子细胞中 • 自主复制序列（autonomously replication sequences，ARS） 一段特殊的序列，含有酵 母菌中 DNA 进行双向复制所必须的信号。
但又不能相差太大以导致子代不育。
重组近交系
双单倍体
构建作图群体
标记间的连锁分析
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 在事先未知各基因座位于哪条染色体的情况下， 可先进行两点测验，根据两点测验的结果，将 那些基因座分成不同的连锁群。 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
微卫星遗传标记示意图
A
B
PCR扩增
1 2 3
凝胶电泳
AA AB BB
微卫星遗传标记示意图的特点
• • • • • • • 分布广泛均匀 多态信息含量丰富 呈共显性遗传 稳定性好，可比性强 分析技术易于实现自动化 开发成本高 需要知道重复序列两端的序列信息
遗传图谱的构建方法 理论基础: 连锁与交换
微卫星遗传标记的原理
• 尽管微卫星DNA分布于整个基因组的不同位置，但其
两端序列多是保守的单拷贝序列。
• 以微卫星DNA标记两侧特异性序列设计专一引物，通 过PCR技术扩增微卫星片段，扩增产物经变性聚丙烯 酰胺凝胶电泳分离，不同个体间因核心序列的重复次 数不同而产生DNA多态性。
如一条染色体TCTGAGAGAGACGC 另一染色体 TCTGAGAGAGAGAGAGAGACGC，就构成了多态 性。
2 基因组图谱的构建
大量的测序片段要拼接 要知道序列在Chr上的位臵才能正确拼接 基因组中相同或相似的重复序列在连接 和装配时容易出错。 基因组计划的第一个环节： 构建基因组图谱
基因组图谱（根据构建的途径） 遗传图谱（genetic map） 物理图谱（physical map）
遗传图谱（genetic map）
The Nobel Prize in Chemistry 1980
"for his fundamental studies of the biochemistry of nucleic acids, with particular regard to recombinant-DNA"
"for their contributions concerning the determination of base sequences in nucleic acids"
基因组学
基因组学
1 基因组学概述 2 基因组图谱的构建
3 基因组测序
4 功能基因组学 5 比较基因组学
基因组学（genomics）
1986年提出，至今20年，已经发展成为 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 序和功能分析
基因组学研究的最终目标
获得生物体全部基因组序列
又称后基因组学（postgenomics) 基因的识别、鉴定、克隆 基因结构、功能及其相互关系
基因表达调控的研究
蛋白质组学（proteomics） • 鉴定蛋白质的产生过程、结构、功能和 相互作用方式
2 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 但是，现在的测 序方法每次只能 测800～1000bp 小基因组物种常 用鸟枪射击法
RFLP（限制性内切酶多态性）：最早应用于动植物
遗传学研究的分子标记技术
限制性内切酶能识别和切割特异核苷酸序列。由
于DNA某一位点上的变异有可能引起该位点特异性 的酶切位点的改变，当用限制性内切酶处理不同 生物个体的DNA时，致使酶切片段长度发生变化， 个体间出现限制性片段长度的差异。
限制性片段长度多态性
如有两个 DNA 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，酶切后形成的DNA片段长 度就有差异，即多态性。
• 利用限制性内切酶消化基因组DNA，形成大小 不等、数量不同的分子片段， • 经电泳分离， • 通过Southern印迹将DNA片段转移至支持膜 (尼 龙膜或硝酸纤维素膜)上， • 然后用放射性同位素(32P)或非同位素 (如地高 辛，荧光素)标记的探针与支持膜上的DNA片 段进行杂交。 • 不同基因组DNA酶切位点的改变，会使得 RFLP谱带表现出不同程度的多态性.
基本方法: 两点测验法和三点测验法
• 遗传连锁图是通过计算连锁的遗传标志 之间的重组频率，确定它们的相对距离 ，一般用厘摩（cM，即每次减数分裂的 重组频率为1%）表示。
植物遗传图谱的构建 选择研究材料（亲本） 构建分离群体 筛选多态性标记 标记间的连锁分析
选择亲本
要求亲缘关系远，遗传差异大
• 随着分子生物学的发展，相继建立了 RFLP、RAPD、AFLP、SNP等多种分子 遗传标记检测技术，开创了遗传标记研 究的新阶段。
理想的分子遗传标记应具 备的特点
• • • • • 遗传多态性高; 检测手段简单快捷，易于实现自动化; 标记遍布整个基因组； 准确性 实验重复性好；
• 开发成本和使用成本尽量低廉；
Paul Berg
1/2 of the prize Stanford University Stanford, CA, USA
Walter Gilbert
1/4 of the prize Harvard University, Biological Laboratories Cambridge, MA, USA
如：同工酶
优点：数量较多，受环境影响小 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
DNA分子标记
简称分子标记 以蛋白质、核酸分子的突变为基础， 检测生物遗传结构及其变异。 以DNA序列的多态性作为遗传标记
DNA分子标记
优点： 不受环境的限制 不受组织类别、发育阶段的影响 遍布整个基因组，数量多 自然存在的变异丰富，多态性高 共显性，能鉴别纯合体和杂合体 简单快速，易于自动化 提取的DNA样品，在适宜条件下可以长 期保存
RFLP示意图
限制性片段的制备
电
泳
Southern 印 迹
与放射性探针杂交
放射性自显影
RFLP分析
微卫星（microsatellite）标记
微 卫 星 又 称 为 简 单 重 复 序 列 （ simple sequence repeat，SSR）。
这种重复序列的重复单位很短，常常只 有2个、3个或4个核苷酸
鉴定所有基因的功能 明确基因之间的相互作用关系 阐明基因组的进化规律
基因组学的研究内容
结构基因组学
功能基因组学 蛋白质组学
结构基因组学（structural genomics） 基因定位 基因组作图 测定核苷酸序列
功能基因组学（functional genomics）
将三种必须元件从染色体上分离出来，按照顺序 利用重组技术重组而成人造微小染色体，将这种
线状小染色体转化进入酵母细胞后，可正常的复
制、配对、分离。再组装上多克隆位点和选择标
记等即为酵母人工染色体载体。
YAC 载体的选择标记主要采用营养缺陷型基因，
如色氨酸合成缺陷型基因trp
细菌人工染色体
细菌人工染色体（BAC）：以细菌F因子为 基础，人工构建的环状的DNA分子。可以 携带大于100-350Kb的外源DNA片段。 选择标记：氯霉素抗性基因等。
有遗传图谱为什么还要构建物理图谱？
遗传图谱的缺陷
• 1）遗传图谱有限的分辨率 • 对于人类或其他高等生物不可能得到大量 的子代群体，减数分裂的后代有限，限制了连 锁分析。 • 2）遗传图谱的精确性不高 • 染色体上存在重组热点，影响邻近区段的遗 传图谱的准确性。
物理作图的方法
1、限制酶作图 2、依靠克隆的基因组作图
大规模基因组测序
DNA测序的方法 • DNA测序技术主要有两种方法，都是在 20世纪70年代中期发明的。 • A. 双脱氧链终止法（the chain termination method），是通过合成与单 链DNA互补的多核苷酸链来读取待测 DNA分子的顺序。 • B. 化学降解法（chemical degradation method），是将双链DNA分子用化学试 剂处理，产生切口，用同位素标记进行 测序。
水稻遗传图
1994年，水稻第一张高密度遗传图谱 927个位点， 1383个标记 1998年，1157个位点，2275个标记 2000年，3267个标记 高密度的遗传图谱为基因组测序和遗传 研究奠定了坚实的基础。
物理图谱的构建
用分子生物学方法直接检测DNA标记 在染色体上的实际位臵绘制成的图谱称为 物理图谱。
Frederick Sanger
1/4 of the prize MRC Laboratory of Molecular Biology Cambridge, United Kingdom
1926-
1932-
1918-
ABI PRISM 310型 DNA测序仪
中英联合实验室
双脱氧终止法测序反应体系包括：
DNA polymerase
Template:(单链DNA模板)
Primer:（带有3-OH末端的单链寡核苷酸引物)
Mg2+ dNTP(dATP,dGTP,dCTP和dTTP) ddNTP(ddATP,ddGTP,ddCTP和ddTTP)
DNA自动测序
采用遗传分析的方法将基因或其它 DNA序列标定在染色体上构建连锁图。
遗传标记
有可以识别的标记，才能确定目标的方位 及彼此之间的相对位臵。 构建遗传图谱就是寻找基因组不同位臵上 的特征标记。 遗传标记指可追踪染色体、染色体某一节 段或者某一个基因座在家系中传递的任何 一种遗传特性。
遗传标记
包括： 形态标记 细胞学标记 生化标记 DNA分子标记
3、荧光原位杂交
4、序列标签位点作图
基因组测序策略
有了高密度的基因组图谱，就可以开始全 基因组测序了 测序的技术飞速发展，现在可以全自动化 测序的策略有两个： 鸟枪法 克隆重叠群法
鸟枪法（shotgun sequencing）
鸟枪法的优缺点
优点： 不需要高密度的图谱 速度快、简单、成本低 缺点： 拼接组装困难，尤其在重复序列多的区域
果 蝇 连 锁 图
细胞学标记
明确显示遗传多态性的染色体结构特征 和数量特征
染色体的核型（染色体数目、大小、随体、 着丝粒位置、核仁组织区等）、 染色体的带型 染色体的结构变异 染色体的数目变异
优点：不受环境影响 缺点：数量少、费力、费时、对生物体 的生长发育不利
生化标记
又称蛋白质标记 就是利用蛋白质的多态性作为遗传标记。
形态标记
能够用肉眼识别和观察、明确显示遗传多样性 的外观性状。 形态性状：株高、颜色、白化症等 又称表型标记 简单直观 数量少 很多突变是致死的 受环境、生育期等因素的影响
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、 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。 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。
用荧光替代放射性核素标记是实现DNA序列分 析自动化的基础。 用 不 同 荧 光 分 子 标 记 4 种 ddNTP ， 然 后 进 行 Sanger测序反应，产物经电泳 通过 4 种激光激发不同大小 DNA 片段上的荧光 分子使之发射出 4种不同波长荧光，检测器采集荧 光信号，并依此确定DNA碱基的排列顺序。
主要用于重复序列少、相对简单的原核生物基 因组
克隆重叠群法（clone contig）
将基因组DNA切割长度为0.1Mb－1Mb的 大片段，克隆到YAC或BAC载体上 然后再进行亚克隆，分别测定单个亚克 隆的序列 再装配、连接成连续的DNA分子。
酵母人工染色体（YACபைடு நூலகம்文库
• YAC 含有以下必须元件： • 端粒DNA序列 • 着丝粒（centromere ， CEN）：有丝分裂过 程中纺锤丝的结合位点， 使染色体在分裂过程 中能正确分配到子细胞中 • 自主复制序列（autonomously replication sequences，ARS） 一段特殊的序列，含有酵 母菌中 DNA 进行双向复制所必须的信号。
但又不能相差太大以导致子代不育。
重组近交系
双单倍体
构建作图群体
标记间的连锁分析
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 在事先未知各基因座位于哪条染色体的情况下， 可先进行两点测验，根据两点测验的结果，将 那些基因座分成不同的连锁群。 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
微卫星遗传标记示意图
A
B
PCR扩增
1 2 3
凝胶电泳
AA AB BB
微卫星遗传标记示意图的特点
• • • • • • • 分布广泛均匀 多态信息含量丰富 呈共显性遗传 稳定性好，可比性强 分析技术易于实现自动化 开发成本高 需要知道重复序列两端的序列信息
遗传图谱的构建方法 理论基础: 连锁与交换
微卫星遗传标记的原理
• 尽管微卫星DNA分布于整个基因组的不同位置，但其
两端序列多是保守的单拷贝序列。
• 以微卫星DNA标记两侧特异性序列设计专一引物，通 过PCR技术扩增微卫星片段，扩增产物经变性聚丙烯 酰胺凝胶电泳分离，不同个体间因核心序列的重复次 数不同而产生DNA多态性。
如一条染色体TCTGAGAGAGACGC 另一染色体 TCTGAGAGAGAGAGAGAGACGC，就构成了多态 性。
2 基因组图谱的构建
大量的测序片段要拼接 要知道序列在Chr上的位臵才能正确拼接 基因组中相同或相似的重复序列在连接 和装配时容易出错。 基因组计划的第一个环节： 构建基因组图谱
基因组图谱（根据构建的途径） 遗传图谱（genetic map） 物理图谱（physical map）
遗传图谱（genetic map）
The Nobel Prize in Chemistry 1980
"for his fundamental studies of the biochemistry of nucleic acids, with particular regard to recombinant-DNA"
"for their contributions concerning the determination of base sequences in nucleic acids"
基因组学
基因组学
1 基因组学概述 2 基因组图谱的构建
3 基因组测序
4 功能基因组学 5 比较基因组学
基因组学（genomics）
1986年提出，至今20年，已经发展成为 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 序和功能分析
基因组学研究的最终目标
获得生物体全部基因组序列
又称后基因组学（postgenomics) 基因的识别、鉴定、克隆 基因结构、功能及其相互关系
基因表达调控的研究
蛋白质组学（proteomics） • 鉴定蛋白质的产生过程、结构、功能和 相互作用方式
2 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 但是，现在的测 序方法每次只能 测800～1000bp 小基因组物种常 用鸟枪射击法
RFLP（限制性内切酶多态性）：最早应用于动植物
遗传学研究的分子标记技术
限制性内切酶能识别和切割特异核苷酸序列。由
于DNA某一位点上的变异有可能引起该位点特异性 的酶切位点的改变，当用限制性内切酶处理不同 生物个体的DNA时，致使酶切片段长度发生变化， 个体间出现限制性片段长度的差异。
限制性片段长度多态性