遗传学 第六章 真核生物遗传分析

1、单一序列（unique sequence）
➢ 真核生物的大多数基因在单倍体基因 组中都是单拷贝的。
➢ 单一序列所占的比例在不同生物基因 组中变化较大：
原核生物中一般只含有非重复序列；
较低等的真核生物中大部分DNA也 是单拷贝的；
动物中将近50％DNA是中度或高度 重复的；
植物和两栖类生物中单拷贝DNA序 列降低，而中度和高度重复序列增加， 如玉米的重复序列在80%以上。
（2）卫星DNA （satellite DNA）
➢ 其碱基组成不同于其他部份，可用 等密度梯度离心法将其与主体 DNA 分开，因而称为卫星DNA 或 随体DNA。
➢ 各类卫星DNA都由不同的重复序 列家族构成。
➢ 重复单位串联排列。 ➢ 卫星 DNA约占人基因组 5~6％。
卫星DNA 根据长度可将其分为3类：
➢ 基因组（genome）：一个物种单倍体的染色体数 目及其所携带的全部遗传信息。
基因组DNA测序结果表明基因组中不仅包含着整 套基因的编码序列，同时还包含着大量非编码序列， 这些序列同样包含着遗传指令(genetic instruction)。 因此，基因组（应该）是整套染色体所包含的 DNA分子以及DNA分子所携带的全部遗传指令。
➢ 可用遗传学方法区分每个染色单 体。
顺序四分子分析（ ordered tetrad analysis）
顺序四分子遗传分析的特殊意义在于： (1) 能从四分子不同类型出现的相对频率分析基因间的连
锁关系； (2) 能计算标记基因与着丝点之间的重组值，进行着丝粒
作图； (3) 子囊中子囊孢子严格的对称性质，表明减数分裂是一
Co = DNA concentration t1/2 = time for half reaction
反应一半所需时间
不同生物基因组的C0t ½是不同的。 1）C0t ½与基因组的大小成正比。 2）C0t ½的位置还取决于基因组的复杂性。不同复杂性的DNA序列的k2
不同, C0t ½ 也不同(= 1 / k2 )。
二、N值悖论（N value paradox）
N值悖论：生物的基因数目（number of genes） 与 生物进化树上的位置不存在正相关的事实。
生物
基因数
线虫
20 000
果蝇
13 500
人类
25 000
拟南芥
25 500
水稻
37 500
生物的复杂性不仅仅是基因数目的函数，还与下列 因素有关：
➢ 随着生物的复杂性增加，内含子的数目增加。酿酒酵母 （S. cerevisiae）基因组仅含220个内含子，而果蝇有41000 个内含子。
三、真核生物基因组的复杂性
利用Cot曲线可以测定基因组的复杂性 复性动力学公式(二级反应)
复性进行一半时
Cot1/2 = 1 / k2
k2 = second-order rate constant 二级反应速率常数
➢ 卫星DNA（satellite）：重复单位一般是100-200 bp ，有 的达几百bp；呈串联重复排列（首尾相接），重复阵列 可达几个Mb；一般存在于着丝粒等异染色质区。如人类 的α –卫星DNA的重复单位是172 bp, 是着丝粒异染色质的 主要组分。
➢ 小卫星DNA（minisatellite DNA）：重复单位是6-70 bp, 常含GC， 重复几次到几百次。重复阵列长度0.5-30 kb。 也集中在异染色质区域或周围，包括染色体的端粒和着 丝粒区。
➢ 总体上看，从原核生物到真核 生物，其基因组大小（DNA含 量）是随着生物进化复杂程度 的增加而稳步上升的。随着生 物结构和功能复杂程度的增加， 需要的基因数目和基因产物种 类越多，因而C值也越大。
基因组大小比较
种类 大肠杆菌 啤酒酵母 线虫 果蝇 蝗虫 小鼠 拟南 芥 豌豆 玉米 小麦 人类
Mb 4.64 12.1 100 140 5000 3300 120 4800 5000 17000 3000
个交互过程； (4) 每次交换仅涉及四个染色单体中的两个，而多次交换
则可能涉及二价体的两个、三个以至所有四个染色单体。
1、链孢霉的着丝粒作图
着丝粒作图（centromere mapping） ：把着丝粒作一个座位， 通过计算基因与着丝粒之间的距离而绘制遗传学图。
例：红色面包霉赖氨酸缺陷型lys-的遗传： 野生型（lys+ 或 + ）：基本培养基上正常生长，其子囊 孢子成熟后呈黑色； 赖氨酸缺陷型（lys- 或 -）：由于基因突变不能合成赖氨 酸，只能在完全培养基或补充培养基中生长，其子囊孢 子成熟后呈灰色。
真核生物基因组的序列组成
真核生物基因组序列大致可分为三种类型： ➢ 单一序列（unique sequence）或非重复序列
（nonrepetitive sequence）：在单倍体基因组中只有一份 拷贝 。 ➢ 中度重复序列（moderately repetitive sequence）：由相 对较短的序列组成。在基因组的重复次数为10-105次。这 些序列遍布整个基因组。 ➢ 高度重复序列（highly repetitive sequence）：由基因组 中非常短的序列组成（一般小于100 bp），重复次数达 106次以上，一般组成长的串联重复序列阵列。
➢ 单一序列的含量和生物的相对复杂程度是一致的。
➢ 不是所有的单一序列都是编码多肽链的结构基因， 因为真核生物基因组中编码的序列不过只有百分 之几（人类为﹤10%）。
➢ 在真核基因组中，还存在一些只有2-10拷贝的序 列，称为低拷贝序列（low copy sequence），或 轻度重复序列。当拷贝数只有2-3个时，常常视为 非重复序列。
3、高度重复DNA序列
➢ 重复次数大于105 。 ➢ 由很短的重复序列组成，没有编码功能。 ➢ 存在于几乎所有真核生物基因组，占基因组的比例变化很大，
在哺乳类其比例一般小于10％，在果蝇可达50%。 ➢ 高度重复顺序按结构特点分为:
反向重复序列 卫星DNA
(1)反向（倒位）重复序列（reverse repeated sequence ）
C值悖论（C value paradox ）
➢ 在结构与功能相似的同一类生物中，以致亲缘关系很近的物 种之间，它们的C值差异仍可达十倍乃至上百倍。
如两栖类、被子植物不同物种之间，其C值小的低于109 bp， 大的达到1011bp。
特别是人的C值只有109bp，而肺鱼的C值则为1011 bp，居然 比人高出100倍。
lys+ × lys子囊孢子 黑色↓ 灰色
8个子囊孢子 按黑色、灰色排列顺序，可有6 种排列方式。 非交换型(1)+ + + + - - - -
(2)- - - - + + + + 交换型(3)+ + - - + + - -
➢ C值悖论（C value paradox）：C值的大小并不能完全说明 生物进化的程度和遗传复杂性的高低，即物种的C值和它的 进化复杂性之间没有严格的对应关系。
➢ C值悖论现象使人们认识到真核生物基因组中必然存在大量 的不编码基因产物的DNA序列。
对C值悖理有许多解释：包括基因组的部分或完全加倍、转座、反转录 已加工假基因、DNA 复制滑动、不等交换和DNA扩增等。Petrov等又 提出一个解释是：各种生物基因组的大小是由于基因组中长期积累起来 的过量的非编码DNA被清除的速率不同所造成的结果，即DNA丢失的 速率愈慢，那么基因组DNA含量愈高。
真核生物基因组DNA复性动力学模式
➢原核生物基因组的C0t曲线是单一的S形曲线。 ➢加真合核成生的物曲基线因。组的C0t曲线是多S形曲线，由若干个（一般2－3个）S形
➢复性反应最快 的组分是一些高 度重复序列； ➢复性反应次之 的是中度重复序 列； ➢复性反应最慢 的组成则是单一 序列以及在基因 组中出现2－3份 拷贝的一些序列。
基因以 重复顺序
外非编 (20～30％)
码顺序
(70-80%) 单一/低度
重复顺序
(70～80％)
5'前导顺序，3'拖尾顺序
因突变而失去功能
假基因
加工假基因ຫໍສະໝຸດ 基因片断(丢失了 5'和 3'端顺序，不能表达的基因)
短分散顺序(SINEs)―如 Alu 顺序
分散的重复顺序
(40%)
长分散顺序(LINEs)
➢ 每个子囊是一次减数分裂的产物， 而每对孢子则是有丝分裂的产物， 因此每对孢子的两个成员具有相 同的基因型。
➢ 顺序四分子(ordered tetrad)：减 数分裂的四个产物(代表减数分 裂四个染色单体) ，不仅保留在 一起，而且在子囊中呈直线排列 (排列的顺序跟减数分裂中期I赤 道板上染色单体的定向相同)
第六章 真核生物遗传分析
第一节 真核生物基因组 第二节 真菌的四分子分析与作图 第三节 真核生物重组的分子机制 第四节 基因转变及其分子机制 第五节 真核生物基因的删除、扩增与重排
第一节 真核生物基因组
一、C值悖论（悖理） 二、N值悖论 三、真核生物基因组的复杂性
一、C值悖论（ C value paradox ）
2、中度重复DNA序列
➢ 中度重复序列，重复次数为10～105。 ➢ 包括一些基因和非编码序列：
重复基因： ★ rRNA基因：可重复数百上千次。 ★ tRNA基因 ★ 组蛋白基因 其它中度重复序列(103～105) ：有相当大一部分中度重复 序列是由转座因子组成的，它的序列比较短(约1 kb )，有 的可转座。在一些高等真核生物基因组中它们甚至占了基 因组的一半以上。
➢ 由两个序列的互补拷贝在同一DNA链上反 向排列而成。复性时，同一条链内的互补 的拷贝可以形成链内碱基配对，形成发夹 式或“+”字形结构