基因组学课件遗传作图物理图
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中英联合实验室
什么是基因组？
一个物种中所有基因的整体组成。 人类基因组的两层意义：遗传信息和 遗传物质。 揭开生命的奥秘，需要从整体水平研 究基因的存在、基因的结构与功能、 基因之间的相互关系。
中英联合实验室
基因组研究内容
•基因表达研究，即比较不同组 织和不同发育阶段、正常状态与 疾病状态，以及体外培养的细胞 中基因表达模式的差异。 •基因产物-蛋白质功能研究，包 括单个基因的蛋白质体外表达方 法。
中英联合实验室
基本概念
比较基因组学：
在基因组图谱和测序基础之上，对已知的基因和基 因组结构进行比较，了解基因的功能、表达机理和 物种的进化的学科。
比较分析7种生物的基因组，结果表明：在进化上，古细 菌、真菌和真核生物有一个共同的具有自养能力来自百度文库最近 祖先。
中英联合实验室
基本概念
功能基因组学
遗传图谱(genetic map)又称连锁图谱(linkage map)或遗传 连锁图谱(genetic linkage map)：指基因组内基因和专一的 多态性DNA标记(marker)相对位置的图谱
遗传作图(genetic mapping)：采用遗传学分析方法将基因 或其它DNA顺序标定在染色体上构建成连锁图
中英联合实验室
基本概念
结构基因组学：
通过基因作图、核苷酸序列分析确定基因组成、基 因定位的科学。
将基因组分解成小的易操作的结构区域，构建高分 辨率的遗传图、物理图、转录本图，一个生物体基 因组的最终图就是它的全部DNA序列 。
人类基因组计划 果蝇基因组 拟南芥菜基因组
中英联合实验室
基本概念
以基因组DNA序列信息分析作为源头，破译隐藏在DNA序 列中的遗传语言发现新的基因和新的功能 ，进行蛋白质空 间结构模拟和预测。
认识生命的起源、进化、遗传和发育的本质。 揭示人体生理和病理过程的分子基础，为人类疾病的预测、
诊断、预防和治疗提供合理有效的方法。 依据特定蛋白质的功能进行必要的药物设计 ……
遗传连锁图：通过遗传重组所得到的基因线性排列 图称为遗传连锁图。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。
物理图谱：是利用限制性内切酶将染色体切成数个 片段，根据重叠序列把片段连接成染色体，确定遗 传标志之间物理距离[碱基对(bp)或千碱基(kb)或兆 碱基(Mb)]的图谱。
转录本图谱：由基因转录本mRNA反转录建立 cDNA文库，通过cDNA克隆测序得到基因组的表 达序列图谱。
物理作图（ phisical mapping ）：采用分 子生物学技术，直接将DNA分子标记、基因 或克隆标定在基因组实际位置。限制性片段 作图与克隆作图的图距单位为碱基对。
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第二章 遗传作图
1.基因组作图的方法 2.遗传作图中使用的标记 3.遗传作图的方法
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2.1 基因组作图的方法
中英联合实验室
中英联合实验室
基因组作图的方法
遗传作图 物理作图 序列作图 基因作图
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基因组学（genomes）
基因组图
遗传作图（genetic mapping）：采用遗传 学分析方法（杂交实验和家系分析），将基 因或其他DNA顺序标定在染色体上，构建连 锁图。遗传图距单位为厘摩（cM），每单位 厘摩定义为1%交换率。
•蛋白质-蛋白质功能研究。
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基因组学的分类
分类：
结构基因组学(Structural Genomics) 比较基因组学(Comparative Genomics) 功能基因组学(Functional Genomics) 药物基因组学(Medical Genomics) 营养基因组学(Nutritional Genomics) 生物信息学(Bioinformatics) 蛋白质组学(Proteomics)
基本概念
基因组（Genome）：一个生物体、细胞器或病毒 的整套基因和染色体组成，即全部基因的总称（包 括所有的编码区和非编码区）
基因组学（Genomics）：以基因组分析为手段， 对所有基因进行基因组作图、核苷酸序列分析、基 因定位、时序表达模式和基因功能分析的一门科学。
分子遗传学的分支学科 提供有关生物物种及其细胞功能的进化信息 生命科学的前沿和热点领域
polymorphisms,RFLP）
简单序列长度多态性（simple sequenece length
polymorphisrns,SSLPs) 小卫星序列：（Minisatellite DNA） 微卫星序列：（Microsatellite DNA, MS）
单核苷酸多态性标记（single nucleotide polymorphisms,SNP）
中英联合实验室
2.2.3 遗传作图中标记的发展
遗传标记的发展：
第一代标记 经典的遗传标记（蛋白质和免疫学的标记） 70年代中后期，限制酶片段长度多态性（RFLP）
第二代标记 85年，“小卫星序列"（minisatellite） 89年，“微卫星序列"（microsatellite）
第三代标记 单核苷酸多态性标记（single nucleotide polymorphism ， SNP）
等位基因（allele）：每种表型是由不同的等位基因控制 肉眼分辨的表型：颜色、形状等。如用于果蝇遗传图的
构建 生化表型：微生物遗传学研究
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2.2.1 基因标记
人类的生化性状
ABO血型 HLA（人类白细胞抗原）
复等位基因（multiple alleles）：人类白细胞
抗原（HLA）是最复杂最具多态性的体系，位 于6 号染色体
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2.2遗传作图中使用的标记
遗传标记（Genetic Markers）：遗传图有特征性 的位置标记，用于表示基因组中特定顺序所在 的位置。这些标记按孟德尔方式遗传，标记位 点应是多态的 基因标记
DNA标记
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2.2.1 基因标记
表型（phenotype) ：一个遗传性状必须以两种替换形式 或表型存在才能用于遗传学分析
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基因组计划
模式微生物基因组计划 模式植物基因组计划 模式动物基因组计划 人类基因组计划
中英联合实验室
基因组计划 ？
获得全基因组序列：为基因组的全面测序提
供工作框架 构建基因组图：在长链DNA分子上寻找特征
性标记，根据分子标记将包括这些序列的克 隆进行连锁定位，绘制基因组图。 根据基因组图，基因组区段分解、逐个测序， 最后进行组装
体化治疗”。
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基本概念
营养基因组学：
研究对人类营养有重要作用的植物次级代谢途径的 相关基因。
与铁吸收转运有关的基因 与生物素、维生素B1和维生素E合成有关酶的基因
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基本概念
生物信息学：
以计算机为工具，用数学和信息科学的观点、理论和方法去 研究生命现象，对生物信息进行储存、检索和分析的科学。
通过遗传图谱，我们可以大致了解各个基因或DNA片断 之间的相对距离与方向，如哪个基因更靠近着丝粒，那个 更靠近端粒等
遗传距离是通过遗传连锁分析获得的，使用的DNA厘摩 标志越多，越密集，所得到的遗传连锁图的分辨率就越高
遗传图谱不仅是现阶段定位基因的重要手段，即使在人类 基因组全物理图谱建立起来之后，它依然是研究人类基因 组遗传与变异的重要手段
现代遗传图谱的概念由Botstein D等(1980)首先提出，在此基础
上，限制性片段长度多态性（RFLP）作为遗传图谱的第一代崭新 标记得以问世 。 限制性位点能够用作基因标记。广泛应用到基因组研究中。基因或 基因组可以用重叠的限制性片段来作图。最终扩展到整个序列，构 建连锁图谱
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基本概念
蛋白质组学：
蛋白质组(Proteome)：在一种细胞内存在的全部 蛋白质。
蛋白质组学：研究细胞内所有蛋白质及其动态变化 规律的科学。
功能蛋白质组(Functional Proteome)：在特定时 间、特定环境和实验条件下基因组活跃表达的蛋白 质。功能蛋白质组是总蛋白质组的一部分。蛋白质 组和功能蛋白质组是生命科学的新的研究内容。
后基因组学(Post genomics)，利用结构基因组 学提供的信息和产物，通过在基因组系统水平上 全面分析基因的功能。
基因功能发现、基因表达分析、突变检测、基因 组的表达与调控研究。
单一基因--蛋白质 基因组--蛋白质组，系统研 究。
对成千上万的基因表达进行分析和比较，从基因 组整体水平上对基因的活动规律进行阐述。
遗传图谱表明基因之间连锁关系和相对距离,早期 绘制 的经典遗传图谱的单位是重组率，1%的重组率为1个遗 传单位。现代遗传图谱的单位为厘摩(centi Morgan，cM)， 1cM相当于1%的重组率，约为1 000 000个碱基对(base pairs，bp)
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2.1 基因组作图的方法
+
+
-
-
+
实 验 方 法
S outhern杂 交
N orthern杂 交
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基本概念
药物基因组学：
根据不同个体间的基因组差异与基因多态性，阐明 个体间在药物代谢和效应方面发生差别的遗传基础。
不同的个体间药物的疗效和副作用存在差异。 促使新药的发现。 根据个体的遗传背景来优化药物治疗方案，即“个
高等生物，可用作标记的基因十分有限 许多性状都涉及多基因。 高等生物基因组中存在大量的基因间隔区，用基因
标记将在遗传图中留下大片的无标记区段。 并非所有等位基因可以通过常规实验予以区分，因
而是
产生的遗传图不完整，必须寻找其他更有效的 标记
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2.2.2 DNA（分子）标记
限制性片段长度多态性（restriction fragment length
一个细胞的转录表达水平能够精确特异地反映类 型、发育阶段以及状态。
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细 胞 总 D N A
细 胞 总 R N A
输 卵 管 细 胞成 红 细 胞胰 岛 细 胞输 卵 管 细 胞成 红 细 胞胰 岛 细 胞
卵 清 蛋 白 基 因 +
+
+
+
-
-
β -珠 蛋 白 基 因 +
+
+
-
+
-
胰 岛 素 基 因 +
HLA-DRBI（human leukocyte antigens-DRBI）基因位 点至少有59个等位基因
HLA-B抗原编码位点有60多个等位基因
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ABO 血型基因座上具有编码不同半乳糖转移酶复等位基因 其特异性决定了血型的差别
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2.2.2 DNA（分子）标记
基因标记：有用、有效，并非理想。
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2.2.3 遗传标记中的第一代标记
经典的遗传标记（蛋白质和免疫学的标记） ABO血型位点标记 HLA位点标记
存在问题： 已知多态的蛋白质很少 等位基因的数目有限 无法获得足够的信息量 检测技术的繁琐等
—限制了人类基因组的遗传分析工作 —促使人们直接在DNA上寻找新的遗传标记
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重叠群法：contig，指相互间存在重叠顺序的 一组克隆。根据重叠顺序的相对位置将各个克 隆首尾连接，覆盖的物理长度可达百万级碱基 对。在单个的重叠群中，采用鸟枪法测序，然 后在重叠群内进行组装。由上至下。
直接鸟枪法：首先进行全基因组鸟枪法测序， 再以基因组图的分子标记为起点，将鸟枪法 DNA片段进行组装。根据高密度的基因组图分 子标记，检测组装片段是否处在正确的位置， 校正因重复顺序的干扰产生的序列误排。由下 至上
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基因组学
最早1986年，由美国霍普金斯大学著名 人类遗传学家和内科教授McKusick （1921-2008）提出来的
随着人类基因组计划的实施，基因组学逐 渐成为一门以结构基因组学为主的高度综 合和跨学科的科学
功能基因组学、比较基因组学、环境基因 组学、药物基因组学等都纷纷出台。
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2.2.3 遗传标记中的第一代标记
70年代发展起来的DNA重组技术、DNA克隆技术和DNA探针技术
为拓展遗传图谱的构建途径创造了技术条件 使人类基因定位的方法从细胞及染色体水平过渡到分子水平 DNA水平的多态性标记位点作为绘制现代遗传图谱的主要界标，提高
图谱的 精确度、准确性。遗传图谱的绘制进入了一个崭新的时代
什么是基因组？
一个物种中所有基因的整体组成。 人类基因组的两层意义：遗传信息和 遗传物质。 揭开生命的奥秘，需要从整体水平研 究基因的存在、基因的结构与功能、 基因之间的相互关系。
中英联合实验室
基因组研究内容
•基因表达研究，即比较不同组 织和不同发育阶段、正常状态与 疾病状态，以及体外培养的细胞 中基因表达模式的差异。 •基因产物-蛋白质功能研究，包 括单个基因的蛋白质体外表达方 法。
中英联合实验室
基本概念
比较基因组学：
在基因组图谱和测序基础之上，对已知的基因和基 因组结构进行比较，了解基因的功能、表达机理和 物种的进化的学科。
比较分析7种生物的基因组，结果表明：在进化上，古细 菌、真菌和真核生物有一个共同的具有自养能力来自百度文库最近 祖先。
中英联合实验室
基本概念
功能基因组学
遗传图谱(genetic map)又称连锁图谱(linkage map)或遗传 连锁图谱(genetic linkage map)：指基因组内基因和专一的 多态性DNA标记(marker)相对位置的图谱
遗传作图(genetic mapping)：采用遗传学分析方法将基因 或其它DNA顺序标定在染色体上构建成连锁图
中英联合实验室
基本概念
结构基因组学：
通过基因作图、核苷酸序列分析确定基因组成、基 因定位的科学。
将基因组分解成小的易操作的结构区域，构建高分 辨率的遗传图、物理图、转录本图，一个生物体基 因组的最终图就是它的全部DNA序列 。
人类基因组计划 果蝇基因组 拟南芥菜基因组
中英联合实验室
基本概念
以基因组DNA序列信息分析作为源头，破译隐藏在DNA序 列中的遗传语言发现新的基因和新的功能 ，进行蛋白质空 间结构模拟和预测。
认识生命的起源、进化、遗传和发育的本质。 揭示人体生理和病理过程的分子基础，为人类疾病的预测、
诊断、预防和治疗提供合理有效的方法。 依据特定蛋白质的功能进行必要的药物设计 ……
遗传连锁图：通过遗传重组所得到的基因线性排列 图称为遗传连锁图。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。
物理图谱：是利用限制性内切酶将染色体切成数个 片段，根据重叠序列把片段连接成染色体，确定遗 传标志之间物理距离[碱基对(bp)或千碱基(kb)或兆 碱基(Mb)]的图谱。
转录本图谱：由基因转录本mRNA反转录建立 cDNA文库，通过cDNA克隆测序得到基因组的表 达序列图谱。
物理作图（ phisical mapping ）：采用分 子生物学技术，直接将DNA分子标记、基因 或克隆标定在基因组实际位置。限制性片段 作图与克隆作图的图距单位为碱基对。
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第二章 遗传作图
1.基因组作图的方法 2.遗传作图中使用的标记 3.遗传作图的方法
中英联合实验室
2.1 基因组作图的方法
中英联合实验室
中英联合实验室
基因组作图的方法
遗传作图 物理作图 序列作图 基因作图
中英联合实验室
基因组学（genomes）
基因组图
遗传作图（genetic mapping）：采用遗传 学分析方法（杂交实验和家系分析），将基 因或其他DNA顺序标定在染色体上，构建连 锁图。遗传图距单位为厘摩（cM），每单位 厘摩定义为1%交换率。
•蛋白质-蛋白质功能研究。
中英联合实验室
基因组学的分类
分类：
结构基因组学(Structural Genomics) 比较基因组学(Comparative Genomics) 功能基因组学(Functional Genomics) 药物基因组学(Medical Genomics) 营养基因组学(Nutritional Genomics) 生物信息学(Bioinformatics) 蛋白质组学(Proteomics)
基本概念
基因组（Genome）：一个生物体、细胞器或病毒 的整套基因和染色体组成，即全部基因的总称（包 括所有的编码区和非编码区）
基因组学（Genomics）：以基因组分析为手段， 对所有基因进行基因组作图、核苷酸序列分析、基 因定位、时序表达模式和基因功能分析的一门科学。
分子遗传学的分支学科 提供有关生物物种及其细胞功能的进化信息 生命科学的前沿和热点领域
polymorphisms,RFLP）
简单序列长度多态性（simple sequenece length
polymorphisrns,SSLPs) 小卫星序列：（Minisatellite DNA） 微卫星序列：（Microsatellite DNA, MS）
单核苷酸多态性标记（single nucleotide polymorphisms,SNP）
中英联合实验室
2.2.3 遗传作图中标记的发展
遗传标记的发展：
第一代标记 经典的遗传标记（蛋白质和免疫学的标记） 70年代中后期，限制酶片段长度多态性（RFLP）
第二代标记 85年，“小卫星序列"（minisatellite） 89年，“微卫星序列"（microsatellite）
第三代标记 单核苷酸多态性标记（single nucleotide polymorphism ， SNP）
等位基因（allele）：每种表型是由不同的等位基因控制 肉眼分辨的表型：颜色、形状等。如用于果蝇遗传图的
构建 生化表型：微生物遗传学研究
中英联合实验室
2.2.1 基因标记
人类的生化性状
ABO血型 HLA（人类白细胞抗原）
复等位基因（multiple alleles）：人类白细胞
抗原（HLA）是最复杂最具多态性的体系，位 于6 号染色体
中英联合实验室
2.2遗传作图中使用的标记
遗传标记（Genetic Markers）：遗传图有特征性 的位置标记，用于表示基因组中特定顺序所在 的位置。这些标记按孟德尔方式遗传，标记位 点应是多态的 基因标记
DNA标记
中英联合实验室
2.2.1 基因标记
表型（phenotype) ：一个遗传性状必须以两种替换形式 或表型存在才能用于遗传学分析
中英联合实验室
基因组计划
模式微生物基因组计划 模式植物基因组计划 模式动物基因组计划 人类基因组计划
中英联合实验室
基因组计划 ？
获得全基因组序列：为基因组的全面测序提
供工作框架 构建基因组图：在长链DNA分子上寻找特征
性标记，根据分子标记将包括这些序列的克 隆进行连锁定位，绘制基因组图。 根据基因组图，基因组区段分解、逐个测序， 最后进行组装
体化治疗”。
中英联合实验室
基本概念
营养基因组学：
研究对人类营养有重要作用的植物次级代谢途径的 相关基因。
与铁吸收转运有关的基因 与生物素、维生素B1和维生素E合成有关酶的基因
中英联合实验室
基本概念
生物信息学：
以计算机为工具，用数学和信息科学的观点、理论和方法去 研究生命现象，对生物信息进行储存、检索和分析的科学。
通过遗传图谱，我们可以大致了解各个基因或DNA片断 之间的相对距离与方向，如哪个基因更靠近着丝粒，那个 更靠近端粒等
遗传距离是通过遗传连锁分析获得的，使用的DNA厘摩 标志越多，越密集，所得到的遗传连锁图的分辨率就越高
遗传图谱不仅是现阶段定位基因的重要手段，即使在人类 基因组全物理图谱建立起来之后，它依然是研究人类基因 组遗传与变异的重要手段
现代遗传图谱的概念由Botstein D等(1980)首先提出，在此基础
上，限制性片段长度多态性（RFLP）作为遗传图谱的第一代崭新 标记得以问世 。 限制性位点能够用作基因标记。广泛应用到基因组研究中。基因或 基因组可以用重叠的限制性片段来作图。最终扩展到整个序列，构 建连锁图谱
中英联合实验室
基本概念
蛋白质组学：
蛋白质组(Proteome)：在一种细胞内存在的全部 蛋白质。
蛋白质组学：研究细胞内所有蛋白质及其动态变化 规律的科学。
功能蛋白质组(Functional Proteome)：在特定时 间、特定环境和实验条件下基因组活跃表达的蛋白 质。功能蛋白质组是总蛋白质组的一部分。蛋白质 组和功能蛋白质组是生命科学的新的研究内容。
后基因组学(Post genomics)，利用结构基因组 学提供的信息和产物，通过在基因组系统水平上 全面分析基因的功能。
基因功能发现、基因表达分析、突变检测、基因 组的表达与调控研究。
单一基因--蛋白质 基因组--蛋白质组，系统研 究。
对成千上万的基因表达进行分析和比较，从基因 组整体水平上对基因的活动规律进行阐述。
遗传图谱表明基因之间连锁关系和相对距离,早期 绘制 的经典遗传图谱的单位是重组率，1%的重组率为1个遗 传单位。现代遗传图谱的单位为厘摩(centi Morgan，cM)， 1cM相当于1%的重组率，约为1 000 000个碱基对(base pairs，bp)
中英联合实验室
2.1 基因组作图的方法
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实 验 方 法
S outhern杂 交
N orthern杂 交
中英联合实验室
基本概念
药物基因组学：
根据不同个体间的基因组差异与基因多态性，阐明 个体间在药物代谢和效应方面发生差别的遗传基础。
不同的个体间药物的疗效和副作用存在差异。 促使新药的发现。 根据个体的遗传背景来优化药物治疗方案，即“个
高等生物，可用作标记的基因十分有限 许多性状都涉及多基因。 高等生物基因组中存在大量的基因间隔区，用基因
标记将在遗传图中留下大片的无标记区段。 并非所有等位基因可以通过常规实验予以区分，因
而是
产生的遗传图不完整，必须寻找其他更有效的 标记
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2.2.2 DNA（分子）标记
限制性片段长度多态性（restriction fragment length
一个细胞的转录表达水平能够精确特异地反映类 型、发育阶段以及状态。
中英联合实验室
细 胞 总 D N A
细 胞 总 R N A
输 卵 管 细 胞成 红 细 胞胰 岛 细 胞输 卵 管 细 胞成 红 细 胞胰 岛 细 胞
卵 清 蛋 白 基 因 +
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β -珠 蛋 白 基 因 +
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胰 岛 素 基 因 +
HLA-DRBI（human leukocyte antigens-DRBI）基因位 点至少有59个等位基因
HLA-B抗原编码位点有60多个等位基因
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ABO 血型基因座上具有编码不同半乳糖转移酶复等位基因 其特异性决定了血型的差别
中英联合实验室
2.2.2 DNA（分子）标记
基因标记：有用、有效，并非理想。
中英联合实验室
2.2.3 遗传标记中的第一代标记
经典的遗传标记（蛋白质和免疫学的标记） ABO血型位点标记 HLA位点标记
存在问题： 已知多态的蛋白质很少 等位基因的数目有限 无法获得足够的信息量 检测技术的繁琐等
—限制了人类基因组的遗传分析工作 —促使人们直接在DNA上寻找新的遗传标记
中英联合实验室
重叠群法：contig，指相互间存在重叠顺序的 一组克隆。根据重叠顺序的相对位置将各个克 隆首尾连接，覆盖的物理长度可达百万级碱基 对。在单个的重叠群中，采用鸟枪法测序，然 后在重叠群内进行组装。由上至下。
直接鸟枪法：首先进行全基因组鸟枪法测序， 再以基因组图的分子标记为起点，将鸟枪法 DNA片段进行组装。根据高密度的基因组图分 子标记，检测组装片段是否处在正确的位置， 校正因重复顺序的干扰产生的序列误排。由下 至上
中英联合实验室
基因组学
最早1986年，由美国霍普金斯大学著名 人类遗传学家和内科教授McKusick （1921-2008）提出来的
随着人类基因组计划的实施，基因组学逐 渐成为一门以结构基因组学为主的高度综 合和跨学科的科学
功能基因组学、比较基因组学、环境基因 组学、药物基因组学等都纷纷出台。
中英联合实验室
2.2.3 遗传标记中的第一代标记
70年代发展起来的DNA重组技术、DNA克隆技术和DNA探针技术
为拓展遗传图谱的构建途径创造了技术条件 使人类基因定位的方法从细胞及染色体水平过渡到分子水平 DNA水平的多态性标记位点作为绘制现代遗传图谱的主要界标，提高
图谱的 精确度、准确性。遗传图谱的绘制进入了一个崭新的时代