第二章人类基因组计划

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遗传图谱
转录图谱
0.7 cM 或 kb
人类基因组 计划的核心 内容： 四张图： 物理图 转录图
物理图谱
序列图谱
遗传图 序列图
100 kb STS map
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四、HGP核心内容

1、遗传图谱 （连锁图谱）
（1）概念：遗传图谱（genetic map）又称连锁图 谱(linkage map)，它是以具有遗传多态性的遗传 标记为“路标”，以遗传学距离为图距的基因组 图基因组计划启动时人类学研究已将1.6万个基因 确定了相对位置。 （ 2 ）图距单位： cM ，在减数分裂事件中两个位点 之间进行交换重组的百分率， 1% 的重组率称为 1cM。 （ 3 ）图谱意义：育种的字典、基因组测序的路标。
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（5）意义 可以了解基因的精确位置和功能；了解不 同时间不同基因的表达情况；了解不同组 织中基因的表达情况；了解正常情况与不 正常情况下基因的表达情况； 与遗传图谱、物理图谱、序列图谱一起成为 破译基因这部天书，了解生命的真谛的基 石。
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4、序列图谱（人类基因组计划的核心） 人类基因组的核苷酸序列图是分子水 平上最高层次，最详尽的物理图。测定总 长1m，由30亿个核苷酸组成的全序列。现 在的人类基因组来自一个“代表性人类个 体”（其所有权在法律上不属于任何供 体）。
>90%
20~30% 中度至高度重复序列
Coding DNA
Non-coding DNA
约60% 约40% 分散重复序列
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假基因
基因片段
内含子
串联重复序列/ 成簇重复序列
五、中国参与HGP研究的情况


中国是人类基因资源的“首富”，人口占世界的 22%。在HGP的参与国家中，中国是唯一的发展 中国家。 中国开展基因组研究的情况： 1987年，开展模式生物水稻基因组计划研 究（“863”项目），2002年4月完成； 1993年，中华民族基因中若干位点基因结 构研究（国家自然科学基金委）； 1996年，人类重大疾病相关基因的定位、 克隆、结构与功能研究（国家自然科学基金委）；
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3、转录图谱（表达图谱、基因图谱）
（1）转录图谱是在人类基因组中占据2-5%长度 的全部基因的位置、结构与功能。 （2）方法：通过基因表达产物的 mRNA反追到 染色体的位置。 （ 3 ）已获成绩：已获得 160 多万个 EST 的库， 每天 EST的增加速度为1000个。3.5万个基因已 经定位。24条染色体先后被破译。如被破译19染 色体体上有1500个基因为含基因最多的染色体， 占基因组的2%，13号染色体含1004个基因。
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经典的遗传标记：可被电泳或免疫学技术检出的 蛋白质标记，如ABO血型位点、白细胞HLA位点 标记等。但是，已知道多态的蛋白质很少，等位 基因的数目少，在2米长的 “路上”路标太少， 不易找到人们要找的目标，随着DNA技术的建立， 人类的遗传标记也发生了变化。 第一代DNA遗传标记是RFLP( 限制性片段长度多 态性 ) ，限制性片段长度多态性： RFLP 遍布在人 类基因组中，数目可达 10 5 以上。工作原理是用 限制性内切酶特异性切割 DNA 链， DNA 上一个 点的变异造成“能切”，“不能切”，因而产生 不同长度的等位片段在凝胶电泳上显示，从片段 多态性的信息与疾病表型间的关系进行连锁分析， 找到致病基因。
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（5）限制性酶切图谱是一种高分辨率的物 理图谱，其显示的是各种限制性酶切点的 相对位置，限制性酶切点是物理图谱中最 主要的界标。 （6）取得的成绩： 1995 年以STS为物理 标记，约 16000 个 STS 位点已经定位，把 基因组分成了 16000 个小区。平均间距： 200kb。以后达到了 20104 个STS 位点， 基本达到了100kb一个标记的密度。 物理图谱=里程碑=生命周期表 （7）物理图谱与遗传图谱的关系
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（ 4 ）图谱的遗传标记：遗传标记指可以识别的等 位基因或一些等位性的片段。随着分子遗传学 的发展和基因概念的发展遗传标记也在不断从 形态、细胞水平发展到生化和分子水平。 原始遗传标记：为性状标记，人类的双眼皮、 单眼皮，男性、女性，色盲、正常，血友病、 正常，多指、五指等。由于人已了解的性状非 常少、（人类大约了解的性状有几百个）这些 性状的多态性又少，而且每一个性状都是由许 多基因控制的，因此，性状作为遗传标记来进 行人类的基因组计划显然是不行的。 经典的遗传标记
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人类基因组的组成
人类基因组
细胞核基因组(3200Mb) 约10% 基因和基因有关序列 约90% 基因外序列 线粒体基因组(16.6kb)
rRNA 基因
tRNA 基因
蛋白编码 基因
专一或中等重复序列
70~80%
专一的或低 拷贝数序列
<10%
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HGP的最初目标通过国际合作，用15 年时 间 (1990 ～2005)至少投入 30 亿美元，构 建详细的人类基因组遗传图和物理图 ，确 定人类DNA的全部核苷酸序列，定位约10 万基因，并对其它生物进行类似研究。 在 HGP 研究中，除了研究人类外，还要研 究模式生物的基因组，人类基因组计划包 括了对5种模式生物的研究，分别是：大肠 杆菌、酵母、线虫、果蝇和小鼠。
3月底，中国科学家完 成了第3号染色体上的3千万个碱基对的测 序和初步安装工作，并于2003年完成全部 组装及分析工作。
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“遗传图”的建立为人类疾病相关基因的 分离克隆奠定了基础，以5000多个遗传学 位点把整个人类基因组划分为 5000多个小 区，并分别设置“标牌”，方便以后的研 究。
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2、物理图谱
（1）概念：是指以已知核苷酸序列的 DNA片段 （序列标签位点 STS ）为“路标”，以碱基对作 为基本测量单位的基因组图。 （2）图距单位： bp、kbp、Mb （3）图谱意义：是生命的元素周期表，与遗传 图谱结合进行精细基因定位，是基因组测序的必 经步骤。 （4）STS：（sequence tagged site,STS)一 段长100—500bp 、易于识别的、仅在于待研究 的基因组中的DNA序列。一个STS必须是序列已 知、在染色体上有唯一位置。
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RFLP 标记的优点： 无表型效应，检测不受环境和发育阶段影响； 共显性杂交组合时不受杂交方式影响； 互相之间不存在上位效应，忽不干扰； 源于基因组自身的变异，在数量上几乎不受限制； 1987年，建立了人类第一张RFLP图谱，有393个RFLP 标记，10多个其他标记，密度10Mb。




人类基因组：是指人类的遗传物质，包含 所有的基因序列及非基因序列。 人类 基因 组 计划 （ H um an Genome Projet）简称：HGP。测定人类基因组核 苷酸的排列顺序、基因排列顺序、揭示基 因的功能以及基因间的相互关系、解码生 命的计划。 工作草图：人类基因组计划最终目标的中 间阶段。 完成图：高水平、高质量、精细的人类基 因组框架。
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在人类基因组大规模测序中，主要采用逐个克隆 法和全基因组鸟枪法。 逐个克隆法：对连续克隆系中排定的BAC克隆逐 个进行亚克隆测序并进行组装（公共领域测序计 划）。 BAC：细菌的F质粒及其调控基因所组建的细菌 染色体克隆载体。 全基因组鸟枪法：在一定作图信息基础上，绕过 大片段连续克隆系的构建而直接将基因组分解成 小片段随机测序，利用超级计算机进行组装（美 国Celera公司）。 拼接软件：Biolign、Sequencher 5.1 Demo

RFLP 标记的缺点： 一种酶切割一个位点时只能产生 2—3个多态性片段，因 此，提供的信息量有限；真核生物基因组大，酶切后产生 数百万片段，不易分析；需要放射性同位素标记DNA探针 来检测RFLP ，存在安全性和费用问题。
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第二代标记为多态性标记 利用了存在于人类基因组中的大量重复序列， 包括长度在15-65bp的小卫星DNA，重复单位长 度在2-6bp的微卫星DNA（STR、STRP、SSLP） 第三代标记为单个碱基上的差异 这种差异可能是目前最好的遗传标记，以分 散于基因组中的单个碱基的差异为研究对象。单 个碱基上的差异包括缺失和插入两种。但更常见 的是碱基的替换。 第三代标记与RFLP和STRP不同之处在于， 它直接以DNA序列变异作为标记。
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中国HGP研究机构： 以强 伯勤为 主任的 中国人 类基因 组北方 中 心 （北京协和医科大学）；以陈竺为主任的中国人 类基因组南方中心（上海瑞金医院）；1999年7 月，以杨焕明为主任的中科院遗传所人类基因组 研究中心（北京）在国际人类基因组组织注册。 承担任务：作为“1%任务”的主要承担者，中 国科学院基因组信息学中心暨北京华大基因研究 中心现有 81 台测序仪，曙光 2000 、曙光 3000 大 型 计 算 机 和 高 容 量 P C 机 群 ，具 有 每 天 完 成 3000 万对碱基的测序和分析能力，已成长为世 界第 6 大测序中心，形成了 300 多人的学科、产 业队伍。