真核生物的遗传分析

二、DNA序列的类别
不同生物基因组的C0t1/2是不相同的，C0t1/2的位置 除了决定于基因组的大小以外，还取决于每个基 因的核苷酸序列的重复次数，重复次数愈少则复 性愈慢，C0t1/2的位置愈后，重复次数愈多，C0t1/2 位置愈前。
真核生物基因组序列分类
➢单拷贝序列（unique sequence）亦称非重
3. 参与转位作用
几乎所有转位因子的末端都包括反向重复 顺序，长度由几个bp 到1400bp，形成回文 结构，在转位作用中既能连接非同源的基 因，又可以被参与转位的特异酶所识别。
4. 与进化有关
不同种属的高度重复顺序，具有种属特异性， 但相近种属又有相似性。如：人与非洲绿猴的α 卫星 DNA长度仅差1个碱基（前者为171 bp， 后者为172bp），而且碱基序列有65％是相同的， 表明它们来自共同的祖先
根据基因家族的复杂程度，可以把它们区别为几 种类型：
①简单的多基因家族； ②复杂的多基因家族； ③不同场合表达的复杂多基因家族（图7-7）。
真核生物基因结构示意图
第四节 真核生物基因组的包装
一、DNA与染色体
• 染色体的单线性（mononemy）：在真核细胞中
每条染色由一个DNA分子组成，即一个DNA分子 从染色体一端连续地走向另一端。
第七章 真核生物的遗传分析
1.教学目的和要求 （1）掌握真核生物基因组的结构特点。 （2）了解基因家族的概念与类型。
2.教学重点 （3）熟悉真核生物基因组的包装形式。 （4）学习常见遗传标记的类型、特征和应用。
第一节 真核生物基因组
一、基因组与C值
• 基因组：一个物种单倍体的染色体的数wenku.baidu.com及其所携
带的全部基因称为该物种的基因组（genome） DNA 。
在植物遗传育种研究中可被利用的遗传标记 应具备以下几个条件：（1）多态性高；（2） 表现共显性；（3）经济方便，容易观察记载。
一、形态标记
即植物的外部形态特征。主要包括肉眼可见的 外部特征，如：矮秆、紫鞘、卷叶等；也包括 色素、生理特性、生殖特性、抗病虫性等有关 的一些特性。形态标记简单直观、经济方便； 但其数量在多数植物中是很有限的，且多态性 较差，表现易受环境影响，并且有一些标记与 不良性状连锁。此外形态标记的获得需要通过 诱变、分离纯合的过程，周期较长。因此形态 标记在作物遗传育种中的作用是有限的。
在遗传学研究中广泛应用的DNA分子标记已经 发展了很多种，一般依其所用的分子生物学技 术大致可以分为两大类：
（1）是以Southern杂交技术为核心的分子标记， （如RFLP），这类分子标记被称为第一代分 子标记。
二、细胞学标记
即植物细胞染色体的变异：包括染色体核型 （染色体数目、结构、随体有无、着丝粒位置 等）和带型（C带、N带、G带等）的变化。与 形态标记相比，细胞学标记的优点是能进行一 些重要基因的染色体或染色体区域定位。但细 胞学标记材料需要花费较大的人力和较长时间 来培育，难度很大；同时某些物种对染色体变 异反应敏感；还有些变异难以用细胞学方法进 行检测。因此到目前为止，真正应用于作物遗 传育种研究中的细胞学标记还很少。
• （2）野生型黑腹果蝇的细胞用去垢剂溶解
并用蛋白酶消化，可得到近乎完整的染色 体DNA分子。发现染色体大小与DNA分子 相对分子质量密切相关，染色体愈大，所 含DNA分子的相对分子质量愈大
二、核小体结构与包装模型
（一）核小体模型 核小体是构成染色质的基本结构单位，使染色质 中DNA、RNA和蛋白质组成一种致密的结构。
般说来，凡单套染色体中DNA的含量（C 值）高的动物，灯刷染色体大，侧环长， 而且灯刷染色体持续时间也比较长。两栖 类的具有最高的C值，灯刷染色体也最大， 是研究灯刷染色体的常用材料，其中研究 得最为详尽的是某些有尾两栖类。
• （1）灯刷染色体是两栖类卵母细胞在进行减
数分裂的第一次分裂时停留在双线期的染色体， 它是一个二价体，包含4条染色单体，此时同 源染色体尚未完全解除联会，因此可出现几处 交叉，当用RNA酶和胰蛋白酶去掉染色体中的 RNA和蛋白质后，每条染色单体是一条连续的 纤丝，其直径为2-3nm，相当于一条DNA双 螺旋的直径，进一步用DNase处理后，该纤丝 断裂，由此证明染色单体中每条染色单体的主 体是一条连续的DNA双螺旋分子。
它具有两个基本特征，即可遗传性和可识别性，因 此生物的任何有差异表型的基因突变型均可作为遗 传标记。
类型：
✓形态标记（morphological marker） ✓细胞学标记(cytological marker) ✓生化标记(biochemical marker) ✓和分子标记(molecular marker)
• 灯刷染色体首次由W．弗勒明在1882年报
道，但未肯定这是一种染色体。1892年 J．吕克特对在鲨鱼卵母细胞中的这种巨大 染色体的结构进行了研究，并因其形状酷 似欧洲当时擦洗煤油灯罩的灯刷，取名为 灯刷染色体。50年代在H．G．卡伦等人改 进了研究技术后，灯刷染色体的研究才蓬 勃发展起来。
• 不同物种灯刷染色体的大小十分悬殊。一
（4）超螺旋管再螺旋，折叠压缩5倍而形成染色单 体，即染色体包装的四级结构。
第五节 真核生物基因的丢失、扩增与重排
一、基因丢失 基因丢失（gene elimination）：通过丢 失染色体，丢失某些基因而去除这些基因 的活性的现象。
二、基因扩增(gene amplification)：是指 基因组内某些基因的拷贝数专一地大量增 加的现象。是细胞在短期内为满足生长发 育或生理适应的需要而产生足够多的基因 产物的一种调控手段。
• 单线性的证据：蝾螈卵母细胞在双线期的灯刷染
色体和在黑腹果蝇细胞中抽取的DNA 分子的相对 分子质量测量。
• 灯刷染色体（lampbrush chromosome）
形如灯刷状，是一类处于伸展状态具有正在转 录的环状突起的巨大染色体。常见于进行减数 分裂的细胞中。因此它常是同源染色体配对形 成的含有4条染色单体的二价体。
• 与形态标记、细胞学标记相比，生化标
记具两个方面的优点：一是表现近中性， 对植物经济性状一般没有大的不良影响； 二是直接反映了基因产物差异，受环境 影响较小。但目前可使用的生化标记数 量还相当有限，且有些酶的染色方法和 电泳技术有一定难度，因此其实际应用 受到一定限制。
四、分子标记（DNA标记）
➢ 每条染色体的DNA分子具有多个复制起点，基因
内存在着不表达的插入序列，即内含子。功能上 密切相关的基因集中程度不如原核生物，在真核 生物中尚未见到有关操纵子的报道。
➢ 存在大量不编码蛋白质的DNA序列，果蝇的基因数
约为5000个，占基因组DNA序列的10％左右，人的 基因数推测为50000个，约占基因组DNA序列的1％。
子浓度、温度、片段大小和DNA序列的复杂性。
➢复性的分数C／C0是起始浓度和经过时间的乘积
C0t的函数，这样的函数绘成图称为C0t曲线（图 7-3）。
➢当t=0时，C＝C0，表明所有DNA都是单链。
如果基因组中每一种基因只有一个，即都是单拷贝序列， 那么基因组愈大则基因组的复杂性愈大，复性速率愈小， k也愈小，所以C0t1/2与非重复序列的基因组大小呈正比。
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，物种的C值和它 进化复杂性之间没有严格的对应关系。
二、真核生物基因组的结构特点
➢ 真核生物基因组大部分位于细胞核中，一般由多
条染色体组成，每条染色体又是由DNA分子与蛋 白质稳定地结合成染色质的多级结构。
三、基因重排（gene rearrangement） 基因重排：指DNA分子核苷酸序列的重新 排列，这些序列的重排不仅可形成新的基 因，还可调节基因的表达。
四、基因突变：指染色体上某一基因位点内 部发生了化学性质的变化，又称点突变。
第六节 遗传标记
遗传标记（Genetic marker）指可识别的等位基因。
5. 同一种属中不同个体的高度重复顺序的 重复次数不一样，这可以作为每一个体的 特征，即DNA指纹
6. α卫星 DNA 成簇的分布在染色体着丝粒 附近，可能与减数分裂时染色体配对有关， 即同源染色体之间的联会可能依赖于具有 染色体专一性的特定卫星DNA顺序
第三节 基因家族
一、基因家族的类型和Alu家族 基因家族（gene family）:真核生物的基因 组中有许多来源相同、结构相似、功能相 关的基因，这样的一组基因称为一个基因 家族。 假基因（pseudogene）:同一个基因家族的 成员也不一定都是有功能的，没有功能的 成员称为假基因。
➢真核生物除了主要的核基因组外，还有细胞器基
因组，而且细胞器基因组对生命是必须的，不像 原核生物质粒DNA基因对细菌生存不是必须的。
第二节 真核生物基因组DNA序列的复杂度
一、重复序列的检测
➢ C为单链DNA的浓度（单位是每升的核苷酸摩尔数）； ➢ C0为DNA总浓度； ➢ t为时间（单位为s）； ➢ k为重组速率常数（单位是L／mol·s），k取决于阳离
三、生化标记
主要包括同工酶和等位酶标记。同工酶是：指 结构不同、功能相似的酶，也即具有同一底物 专一性的不同分子形式的酶。属于一个以上基 因座位编码的酶的不同形式；而等位酶是指由 一个基因座位的不同等位基因编码的酶的不同 分子形式。分析方法是从植物组织的蛋白粗提 物中通过电泳和组织化学染色法将酶的多种形 式转变成肉眼可辩的酶谱带型。
复序列（nonrepetitive sequence）:在一个基因组 中只有一个拷贝或2-3个拷贝;
➢中度重复序列（moderately repetitive sequence）
重复次数10-102
➢高度重复序列（highly repetitive sequence）重复
次数106以上
卫星DNA（satellite DNA）
– 蟹的卫星DNA为只有AT两个碱基的重复顺序组成。
高度重复顺序的功能
1. 调节反向序列常存在于DNA复制起点区的附近。 另外，许多反向重复序列是一些蛋白质（包括酶） 与DNA的结合位点
2. 参与基因表达的调控DNA的重复顺序可以转录 到核内不均一RNA（hnRNA）分子中，并形成 发夹结构，这对稳定RNA分子，免遭分解有重要 作用
• 重复顺序：由2-10bp组成重复单位，重复单位成串排列
而成
• 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）
– 在人细胞组中，卫星 DNA约占 5-6％ ，按其浮力密度不同，可 分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四种；
– 果蝇的卫星DNA顺序已经清楚，可分为三类，都是由7bp组成的 高度重复顺序： 卫星Ⅰ为：5’ ACAACTT 3’ 卫星Ⅱ为：5’ ACAAATT 3’
（二）染色体包装的四级结构
（1）串联排列直径11nm的核小体的形成是DNA压 缩的第一步
（2）在组蛋白H1存在下，核小体进一步螺旋化，每 一圈由六个核小体构成外径300nm，内径10nm， 螺距11nm的中空螺旋管。
（3）螺旋管再次螺旋化形成直径0.4nm的圆筒状超 螺旋管，DNA又压缩了将近40倍，直径加粗了10 余倍。
• C值：一个物种单倍体基因组的DNA含量是相对恒定
的，它通常称为该物种DNA的C值。
最小的C值:支原体(106bp),
最大的C值:某些显花植物和两栖动物(1011bp)
真核生物的基因组比较庞大
人：单倍体基因组3.16×109 bp 按1000个碱基编码一种蛋白质计：理论上，有300 万个基因，实际大概10万个基因 说明：有许多DNA序列并不转录成mRNA指导合成蛋 白质。
➢ 真核生物的编码蛋白质基因往往位于基因组DNA单
拷贝序列中，除单拷贝序列外还存在大量重复序列 （repeat sequence），重复序列的拷贝数可高达百万 份以上，在人的基因组中，至少具有20份拷贝的 DNA，占总DNA的30％左右。
➢真核生物基因组中，有许多来源相同、结构相似、
功能相关的基因组成所谓的基因家族（gene families）。