基因组水平上的遗传
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已知大肠杆菌的基因组为4.2x106bp, C0t1/2 = 9M.Sec C0t1/2 （任何基因组DNA）/9M.sec = 任何基因组大小/4.2X106bp
(5)原核生物基因组大小不同，复性曲线也不同 (6) 可用以区分真核生物和原核生物基因组
单一顺序和重复顺序复性动力学曲线的区别
真核生物的DNA有重复顺序，而原核生物多
人总DNA的复性： 20% 30% 50%
真核DNA根据在基因组中拷贝数的多寡可分为：
单一序列：约占基因组的40~70%。
轻度重复序列：10拷贝以下，约占10%，主要是一些
重复基因。 中度重复序列：在10~105拷贝，约占基因组的 10%~40%。可分为正向重复序列（directed sequence DR)和反向重复序列（inverted sequence IR)。 高度重复序列：在105~106拷贝，约占基因组的 10%~20%，主要是所谓的卫星DNA。
第五节 核外基因组
细菌质粒
真核生物线粒体
植物叶绿体
第六节 基因组印记
基因组印记（genomic imprinting）或遗传印记
（ genetic imprinting） 概念：来自父母双方的同源染色体或等位基因存在 着功能上的差异，子代中来自不同性别亲体的同一 染色体或基因，当发生改变时可以引起不同表型的 现象。 事例：小鼠实验 人类PWS综合症、angelman综合症 原因： 印记失活：指印记基因的失活
C值与生物进化的关系
一般地，若以不同进化地位、不同结 构复杂性的的同类生物中的最小基因组 进行比较，符合进化程度越高，生物基 因组（C值）越大的规律。
C值悖理
高等生物具有比低等生物更复杂的生 命活动，所以，理论上应该是它们的C 值也应该更高。但是事实上C值没有体 现出与物种进化程度相关的趋势。高等 生物的C值不一定就意味着它的C值高 于比它低等的生物。这种生物学上的 DNA总量的比较和矛盾，称为C值悖论
物理图谱
序列图谱 基因图谱
人类基因组计划1993-1998年的目标和截止到1998年 10月全球定量完成的情况以及1998-2003年的新目标
基因和 基因相 关顺序 编码顺序 (20－30％) (< 10%) 人类基因组 9 (3×10 bp) 基因以 外非编 码顺序 (70-80%)
图例：
复杂的基因家族——不同场合表达的家族
δ ψ δ ψα ψα α 2 α 1 θ
ε
Gγ Aγ
ψβ
δ
β
图 7-3 人 类 血 红 蛋 白 的 α 和 β 基 因 簇
晚期胚 ψ 小鼠
早期胚 β ho β
h1
成体 ψ h2 ψ h3 β 4 β
maj 1
β ψβ ρ β H
min 2
β 3
β 1 β ε
显花植物 鸟类 哺乳类 爬行类 两栖类 骨鱼类 软骨鱼类 棘皮类 甲壳类 昆虫类 软体动物 蠕虫类 酶菌 藻类 真菌 革兰氏阳性菌 革兰氏阴性菌 枝原体 106 图 10-37
10 7
10 8
10 9
10 10
1011
不同门类生物的 C 值分布(仿 B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997,Fig 21.1)
第六章 基因组水平上的遗传
问题：
1.什么是基因组和基因组学？ 2.不同生物在基因组水平上有关联吗？ 3.为什么要研究生物的基因组，其理论
和实践意义怎样？ 4.怎样开展基因组学的研究？ ……
第六章 基因组水平上的遗传
第一节 基因组及基因组学 第二节 基因组的序列组织 第三节 人类基因组计划 第四节 DNA分子标记 第五节 核外基因组 第六节 基因组印记 本章要点
图 7－1（b）人类基因组的序列
第四节 DNA分子标记
一、遗传标记及其在遗传学研究中的作用和地位 二、常用的遗传标记 同工酶标记（Isozyme） RFLP标记（restriction fragment length polymorphism) AFLP标记(amplified fragment length polymorphism) RAPD标记(random amplified polymorphism DNA) VNTR标记(variable number of tandem repeat locus) SNP标记（single nucleotide polymorphism)
C 1 复性进行一半时 = = C0 2
1 1+kC0t1/2
（C为单链DNA浓度，C0为起始浓度，k为重组速率常数）
因此： C0t1/2=1/k
根据复性动力学公式我们可以知道些什么？
(1) 单链浓度随着时间的增大而减小 (2) 反应速率取决于初始的单链浓度C0 (3) 以反应浓度和C0t1/2为座标可绘复性曲线 (4) 通过C0t1/2值可测原核生物基因组的大小
非编码顺序 ( > 90%)
中度/高度 重复顺序 (20～30％) 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 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)如 L1 卫星 DNA(长 100～5000kb) 成簇的重复顺序 小卫星 DNA(长 100bp～20kb,VNTRs) (60%) 微卫星 DNA(4bp,CA 重复)
为单一顺序 (1) 单一顺序的复性曲线常只有一个拐点，而重 复顺序常有多个拐点 (2) C0t 比值变化范围 原核生物的C0t比值为100 真核生物的C0t比值大于100
不同生物基因组的C0t1/2的位置除了决定于基
因组的大小外，还取决于每个基因的核苷酸 序列的重复次数 重复次数越少则复性越慢， C0t1/2的位置越后； 重复次数越多， C0t1/2的位置越前
DNA的变性与复性
变性（denaturation）或解链（melting） 复性（renaturation）或退火（annealing） DNA的复性对片段有两个要求： (1) 互补顺序的碰撞和排列； (2) 碱基的正确配对和氢键的形成。
复性动力学公式
复性是一个双分子二级反应，符合 -dC/dt=kC2
Sphinx gene
果蝇中发现的第一个年轻的RNA基因 产生时间< 2 Mya 逆转座
外显子改组（招募5’端的外元和内元，形成嵌合）
正选择
Alu家族
Alu顺序，也称Alu家族，长约300bp；两侧有7~ 10bp的DR，可以转座。 由RNA多聚酶III转录 在基因组中30 万个拷贝 在170bp处有一AluI 的酶切位点 由两个130bp的串联重复顺序组成 在二聚体的右半部有31bp插入序列 Alu顺序有何应用价值？ 可从Alu的功能（转录调节、hnRNA加工、DNA复制 起始和蛋白质分泌）和其起源与进化方面加以分析
简单的基因家族
如一些生物的5SrRNA基因家族，它们由结
构相同的一个或数个基因以串联方式在染色 体上重复排列，基因之间由中度重复序列隔 开
5SrDNA
复杂的基因家族
H1 海胆(R) 海胆(S) 海胆(L) H1 果蝇 H1 蝾螈 图 7-6 组蛋白基因家族的重复单位 基因； 间隔区； 转录方向 H3 H2B H2A H4 9000bp H3 H4 H2A H2B 4800bp H4 H2B H3 H2A 6000bp 6540bp 7240bp
基因组学（Genomics）
Baidu Nhomakorabea定义：
研究生物基因组的结构和功能的新兴学科 （H. Roderick 1986提出） 分类： 结构基因组学 功能基因组学 药物基因组学 蛋白质组学
第二节 基因组的序列组织
（一）基因组的复杂性
通过复性动力学即通过DNA的变性和复性反应的动
力学过程分析DNA序列的复杂性 DNA复性速率与基因组中碱基顺序的复杂情况和重 复程度有关 复性速率也受到反应液中DNA初始浓度的影响：浓 度越高，互补链的碰撞机会越多，复性速度越快
遗传标记的用途
连锁分析 基因定位 遗传作图 基因转移鉴定 基因组计划
第一代分子标记：RFLP等 第二代分子标记： RAPD、 AFLP 、VNTR 等
第三代分子标记：SNP
染色体步查（C Walking）
染色体步查：是指从一已知序列出发，逐
步测定染色体上未知DNA序列的技术。 方法：建立基因组文库 找出与已知 序列重叠的克隆 测序 找出该 序列的重叠克隆 往复进行下去 用途：克隆未知基因、基因组测序、探针 制备
（二）基因家族
多基因家族（multigene family），也称基因家族
（gene family）：指真核生物中来源相同、结构相 似、功能相关的一组基因。家族成员可以排列在一 起构成所谓的基因簇（gene cluster)，也可以分散排 列。 基因家族可分为四种类型： 简单的多基因家族 复杂的多基因家族 不同场合表达的复杂的多基因家族 散在分布的多基因家族，如癌基因
卫星DNA
卫星DNA：长度仅在几个到十几个核苷酸，
重复次数达106~108。 由于这类序列的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） 卫星 小卫星 微卫星
第三节 人类基因组计划
HGP主要构建以下4张图谱：
遗传图谱
兔 鸡
kb 60
50
40
30
20
10
0
图 7-4 脊椎动物中的β -珠蛋白基因簇和假基因
假基因（pseudogene）
假基因是指在多基因家族中，那些在结构上
和DNA序列上与有功能的基因具有相似性， 但并不产生具功能的基因产物的成员（ψ） 由缺失、倒位或突变等原因而失去活性 分为两类： 未加工的假基因——常规假基因 加工的假基因——反转录假基因
第一节 基因组及基因组学
基因组( genome )是指一个物种单倍体的染色
体数目及其所携带的全部遗传物质 C值（C value）一个基因组中DNA的含量 C值悖理（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，也就是说，C值和它进化复杂性之间 并没有严格对应的现象
本章要点
真核生物基因组的结构特点及与原核基因组
的差异
真核生物基因组DNA复杂度测定的原理与
方法
基因家族的类别 遗传标记的种类及其在基因组研究中的作用
(5)原核生物基因组大小不同，复性曲线也不同 (6) 可用以区分真核生物和原核生物基因组
单一顺序和重复顺序复性动力学曲线的区别
真核生物的DNA有重复顺序，而原核生物多
人总DNA的复性： 20% 30% 50%
真核DNA根据在基因组中拷贝数的多寡可分为：
单一序列：约占基因组的40~70%。
轻度重复序列：10拷贝以下，约占10%，主要是一些
重复基因。 中度重复序列：在10~105拷贝，约占基因组的 10%~40%。可分为正向重复序列（directed sequence DR)和反向重复序列（inverted sequence IR)。 高度重复序列：在105~106拷贝，约占基因组的 10%~20%，主要是所谓的卫星DNA。
第五节 核外基因组
细菌质粒
真核生物线粒体
植物叶绿体
第六节 基因组印记
基因组印记（genomic imprinting）或遗传印记
（ genetic imprinting） 概念：来自父母双方的同源染色体或等位基因存在 着功能上的差异，子代中来自不同性别亲体的同一 染色体或基因，当发生改变时可以引起不同表型的 现象。 事例：小鼠实验 人类PWS综合症、angelman综合症 原因： 印记失活：指印记基因的失活
C值与生物进化的关系
一般地，若以不同进化地位、不同结 构复杂性的的同类生物中的最小基因组 进行比较，符合进化程度越高，生物基 因组（C值）越大的规律。
C值悖理
高等生物具有比低等生物更复杂的生 命活动，所以，理论上应该是它们的C 值也应该更高。但是事实上C值没有体 现出与物种进化程度相关的趋势。高等 生物的C值不一定就意味着它的C值高 于比它低等的生物。这种生物学上的 DNA总量的比较和矛盾，称为C值悖论
物理图谱
序列图谱 基因图谱
人类基因组计划1993-1998年的目标和截止到1998年 10月全球定量完成的情况以及1998-2003年的新目标
基因和 基因相 关顺序 编码顺序 (20－30％) (< 10%) 人类基因组 9 (3×10 bp) 基因以 外非编 码顺序 (70-80%)
图例：
复杂的基因家族——不同场合表达的家族
δ ψ δ ψα ψα α 2 α 1 θ
ε
Gγ Aγ
ψβ
δ
β
图 7-3 人 类 血 红 蛋 白 的 α 和 β 基 因 簇
晚期胚 ψ 小鼠
早期胚 β ho β
h1
成体 ψ h2 ψ h3 β 4 β
maj 1
β ψβ ρ β H
min 2
β 3
β 1 β ε
显花植物 鸟类 哺乳类 爬行类 两栖类 骨鱼类 软骨鱼类 棘皮类 甲壳类 昆虫类 软体动物 蠕虫类 酶菌 藻类 真菌 革兰氏阳性菌 革兰氏阴性菌 枝原体 106 图 10-37
10 7
10 8
10 9
10 10
1011
不同门类生物的 C 值分布(仿 B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997,Fig 21.1)
第六章 基因组水平上的遗传
问题：
1.什么是基因组和基因组学？ 2.不同生物在基因组水平上有关联吗？ 3.为什么要研究生物的基因组，其理论
和实践意义怎样？ 4.怎样开展基因组学的研究？ ……
第六章 基因组水平上的遗传
第一节 基因组及基因组学 第二节 基因组的序列组织 第三节 人类基因组计划 第四节 DNA分子标记 第五节 核外基因组 第六节 基因组印记 本章要点
图 7－1（b）人类基因组的序列
第四节 DNA分子标记
一、遗传标记及其在遗传学研究中的作用和地位 二、常用的遗传标记 同工酶标记（Isozyme） RFLP标记（restriction fragment length polymorphism) AFLP标记(amplified fragment length polymorphism) RAPD标记(random amplified polymorphism DNA) VNTR标记(variable number of tandem repeat locus) SNP标记（single nucleotide polymorphism)
C 1 复性进行一半时 = = C0 2
1 1+kC0t1/2
（C为单链DNA浓度，C0为起始浓度，k为重组速率常数）
因此： C0t1/2=1/k
根据复性动力学公式我们可以知道些什么？
(1) 单链浓度随着时间的增大而减小 (2) 反应速率取决于初始的单链浓度C0 (3) 以反应浓度和C0t1/2为座标可绘复性曲线 (4) 通过C0t1/2值可测原核生物基因组的大小
非编码顺序 ( > 90%)
中度/高度 重复顺序 (20～30％) 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 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)如 L1 卫星 DNA(长 100～5000kb) 成簇的重复顺序 小卫星 DNA(长 100bp～20kb,VNTRs) (60%) 微卫星 DNA(4bp,CA 重复)
为单一顺序 (1) 单一顺序的复性曲线常只有一个拐点，而重 复顺序常有多个拐点 (2) C0t 比值变化范围 原核生物的C0t比值为100 真核生物的C0t比值大于100
不同生物基因组的C0t1/2的位置除了决定于基
因组的大小外，还取决于每个基因的核苷酸 序列的重复次数 重复次数越少则复性越慢， C0t1/2的位置越后； 重复次数越多， C0t1/2的位置越前
DNA的变性与复性
变性（denaturation）或解链（melting） 复性（renaturation）或退火（annealing） DNA的复性对片段有两个要求： (1) 互补顺序的碰撞和排列； (2) 碱基的正确配对和氢键的形成。
复性动力学公式
复性是一个双分子二级反应，符合 -dC/dt=kC2
Sphinx gene
果蝇中发现的第一个年轻的RNA基因 产生时间< 2 Mya 逆转座
外显子改组（招募5’端的外元和内元，形成嵌合）
正选择
Alu家族
Alu顺序，也称Alu家族，长约300bp；两侧有7~ 10bp的DR，可以转座。 由RNA多聚酶III转录 在基因组中30 万个拷贝 在170bp处有一AluI 的酶切位点 由两个130bp的串联重复顺序组成 在二聚体的右半部有31bp插入序列 Alu顺序有何应用价值？ 可从Alu的功能（转录调节、hnRNA加工、DNA复制 起始和蛋白质分泌）和其起源与进化方面加以分析
简单的基因家族
如一些生物的5SrRNA基因家族，它们由结
构相同的一个或数个基因以串联方式在染色 体上重复排列，基因之间由中度重复序列隔 开
5SrDNA
复杂的基因家族
H1 海胆(R) 海胆(S) 海胆(L) H1 果蝇 H1 蝾螈 图 7-6 组蛋白基因家族的重复单位 基因； 间隔区； 转录方向 H3 H2B H2A H4 9000bp H3 H4 H2A H2B 4800bp H4 H2B H3 H2A 6000bp 6540bp 7240bp
基因组学（Genomics）
Baidu Nhomakorabea定义：
研究生物基因组的结构和功能的新兴学科 （H. Roderick 1986提出） 分类： 结构基因组学 功能基因组学 药物基因组学 蛋白质组学
第二节 基因组的序列组织
（一）基因组的复杂性
通过复性动力学即通过DNA的变性和复性反应的动
力学过程分析DNA序列的复杂性 DNA复性速率与基因组中碱基顺序的复杂情况和重 复程度有关 复性速率也受到反应液中DNA初始浓度的影响：浓 度越高，互补链的碰撞机会越多，复性速度越快
遗传标记的用途
连锁分析 基因定位 遗传作图 基因转移鉴定 基因组计划
第一代分子标记：RFLP等 第二代分子标记： RAPD、 AFLP 、VNTR 等
第三代分子标记：SNP
染色体步查（C Walking）
染色体步查：是指从一已知序列出发，逐
步测定染色体上未知DNA序列的技术。 方法：建立基因组文库 找出与已知 序列重叠的克隆 测序 找出该 序列的重叠克隆 往复进行下去 用途：克隆未知基因、基因组测序、探针 制备
（二）基因家族
多基因家族（multigene family），也称基因家族
（gene family）：指真核生物中来源相同、结构相 似、功能相关的一组基因。家族成员可以排列在一 起构成所谓的基因簇（gene cluster)，也可以分散排 列。 基因家族可分为四种类型： 简单的多基因家族 复杂的多基因家族 不同场合表达的复杂的多基因家族 散在分布的多基因家族，如癌基因
卫星DNA
卫星DNA：长度仅在几个到十几个核苷酸，
重复次数达106~108。 由于这类序列的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） 卫星 小卫星 微卫星
第三节 人类基因组计划
HGP主要构建以下4张图谱：
遗传图谱
兔 鸡
kb 60
50
40
30
20
10
0
图 7-4 脊椎动物中的β -珠蛋白基因簇和假基因
假基因（pseudogene）
假基因是指在多基因家族中，那些在结构上
和DNA序列上与有功能的基因具有相似性， 但并不产生具功能的基因产物的成员（ψ） 由缺失、倒位或突变等原因而失去活性 分为两类： 未加工的假基因——常规假基因 加工的假基因——反转录假基因
第一节 基因组及基因组学
基因组( genome )是指一个物种单倍体的染色
体数目及其所携带的全部遗传物质 C值（C value）一个基因组中DNA的含量 C值悖理（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，也就是说，C值和它进化复杂性之间 并没有严格对应的现象
本章要点
真核生物基因组的结构特点及与原核基因组
的差异
真核生物基因组DNA复杂度测定的原理与
方法
基因家族的类别 遗传标记的种类及其在基因组研究中的作用