基因组学遗传作图物理图
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中英联合实验室
2.2.2 DNA（分子）标记
? 限制性片段长度多态性（restriction fragment length
polymorphisms,RF）LP
? 简单序列长度多态性（simple sequenece length
polymorphisrns,SSLPs) ? 小卫星序列：（Minisatellite DN）A ? 微卫星序列：（Microsatellite DNA, ）MS
? 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。
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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
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
2.2.2 DNA（分子）标记
? 基因标记：有用、有效，并非理想。
? 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
? 遗传作图(genetic mapp：in采g)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
? 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 Morg，ancM)， 1cM相当于1%的重组率，约为1 000 00个0碱基对(base pairs，bp)
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。
—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
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
? 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。
? 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。
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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。
? 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。
抗原（ HLA ）是最复杂最具多态性的体系，位 于6 号染色体
? HLA-DRBI（human leukocyte antigens-）D基RB因I 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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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
? 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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卵清蛋白基因 β-珠蛋白基因 胰岛素基因 实验方法
细胞总 DNA
细胞总 RNA
输卵管细胞 成红细胞胰 岛细胞输 卵管细胞 成红细胞
+
+
+
+
-
+
+
+
-
+
+
+
+
-
-
S outhern 杂交
N orthern 杂交
胰岛细胞 +
? 单核苷酸多态性标记（single nucleotide polymorphism）s,SNP
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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 （minisatelli）te ? 89年，“微卫星序列 （microsatell）ite
?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)
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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
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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 。
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
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2.2遗传作图中使用的标记
? 遗传标记（ Genetic Mark）er：s 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（phenotyp：e)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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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
? 遗传图谱(genetic m又ap称) 连锁图谱(linkage m或ap遗) 传 连锁图谱(genetic linkage m：a指p)基因组内基因和专一的 多态性DNA标记(marker相) 对位置的图谱
? 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
? ……
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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。
基本概念
? 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。
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
体化治疗”。
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基本概念
?营养基因组学：
? 转录本图谱：由基因 达序列图谱。
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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的最近 祖先。
? 第三代标记 ? 单核苷酸多态性标记（single nucleotipdoelymorphis，m SNP）
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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
? 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（பைடு நூலகம்类白细胞抗原）
? 复等位基因（multiple alle）les：人类白细胞
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
? 现代遗传图谱的概念由Botstein D等(1980首) 先提出，在此基础
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基本概念
?功能基因组学
? 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。
? 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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2.1 基因组作图的方法
? 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
2.2.2 DNA（分子）标记
? 限制性片段长度多态性（restriction fragment length
polymorphisms,RF）LP
? 简单序列长度多态性（simple sequenece length
polymorphisrns,SSLPs) ? 小卫星序列：（Minisatellite DN）A ? 微卫星序列：（Microsatellite DNA, ）MS
? 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。
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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
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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
2.2.2 DNA（分子）标记
? 基因标记：有用、有效，并非理想。
? 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
? 遗传作图(genetic mapp：in采g)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
? 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 Morg，ancM)， 1cM相当于1%的重组率，约为1 000 00个0碱基对(base pairs，bp)
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。
—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
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
? 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。
? 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。
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。
? 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。
抗原（ HLA ）是最复杂最具多态性的体系，位 于6 号染色体
? HLA-DRBI（human leukocyte antigens-）D基RB因I 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
中英联合实验室
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
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
? 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
卵清蛋白基因 β-珠蛋白基因 胰岛素基因 实验方法
细胞总 DNA
细胞总 RNA
输卵管细胞 成红细胞胰 岛细胞输 卵管细胞 成红细胞
+
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+
-
+
+
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+
+
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-
-
S outhern 杂交
N orthern 杂交
胰岛细胞 +
? 单核苷酸多态性标记（single nucleotide polymorphism）s,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 （minisatelli）te ? 89年，“微卫星序列 （microsatell）ite
?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)
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
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 。
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
中英联合实验室
2.2遗传作图中使用的标记
? 遗传标记（ Genetic Mark）er：s 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（phenotyp：e)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
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
? 遗传图谱(genetic m又ap称) 连锁图谱(linkage m或ap遗) 传 连锁图谱(genetic linkage m：a指p)基因组内基因和专一的 多态性DNA标记(marker相) 对位置的图谱
? 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
? ……
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。
基本概念
? 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。
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
体化治疗”。
中英联合实验室
基本概念
?营养基因组学：
? 转录本图谱：由基因 达序列图谱。
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的最近 祖先。
? 第三代标记 ? 单核苷酸多态性标记（single nucleotipdoelymorphis，m SNP）
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
? 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（பைடு நூலகம்类白细胞抗原）
? 复等位基因（multiple alle）les：人类白细胞
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
? 现代遗传图谱的概念由Botstein D等(1980首) 先提出，在此基础
中英联合实验室
基本概念
?功能基因组学
? 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。
? 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
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
2.1 基因组作图的方法
? 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