第五章-基因组学与分子育种

第五章基因组学与分子育种第一节基本概念第二节植物细胞基因组结构特点第三节基因组图谱构建第四节基因组测序第五节功能基因组学第一节基本概念•1基因组genome：一个物种单倍体细胞所含有的整套染色体，物种全部遗传信息的总和，包括核基因组和细胞器基因组。•植物基因组包括三部分：核基因组、线粒体基因组、叶绿体基因组2基因组学genomics•1986年提出，至今20年，已经发展成为遗传学中最重要的分支学科。•定义：研究基因组结构、功能和进化的科学。以全基因组测序为目标的结构基因组学（structuralgenomics）弄清基因组中全部基因的位置和结构，为基因功能的研究奠定基础。其目的是建立高分辨的遗传图谱、物理图谱、转录图谱和序列图谱。以基因功能鉴定为目标的功能基因组学（functionalgenomics)利用结构基因组学提供的信息，以高通量，大规模实验方法及统计与计算机分析为特征，全面系统地分析全部基因的功能。研究角度包括：生物学功能、细胞学功能、发育学功能等。基因组学研究内容基因组学研究应该包括两方面的内容：A.遗传图谱B.物理图谱C.转录图谱D.序列图谱结构基因组学A.遗传图谱：指基因或DNA标记在染色体上的相对位置与遗传距离。通常用cM表示（基因或DNA片段在染色体交换过程中分离的频率）。通过该图谱可分清各基因或DNA片段之间的相对距离与方向，如靠近着丝粒或端粒.水稻1号染色体B.物理图谱：指DNA序列上两点间的实际距离。用于确定各遗传标志间的物理距离有两种物理图谱：（1）以已定位的DNA序列标记位点（STS）为位标，以DNA实际长度为图谱距离的基因组图谱。（2）由YAC和/或细菌人工染色体（BAC）连续克隆重叠群组成的物理图谱。Acomprehensivericetranscriptmapcontaining6591expressedsequencetagsitesC.转录图谱：以EST为位标，根据转录顺序的位置和距离绘制的图谱，它是染色体DNA某一区域内所有可转录序列的分布图，是基因图的雏形.反映在正常或受控条件下能够表达的cDNA片段数目、种类、结构与功能的信息。D.序列图谱：以某一染色体上所含的全部碱基顺序绘制的图谱。人基因组1号染色体局部功能基因组学：基因功能预测所要预测的基因类型编码基因（protein-codinggenes）假基因（pseudogenes）RNA基因（functionalRNAgenes）--tRNAtransferRNA--rRNAribosomalRNA--snoRNAsmallnucleolarRNA--snRNAsmallnuclearRNA--miRNAmicroRNA编码基因预测几类外显子（exons）:--非翻译区（noncoding）--启始外显子（initialcodingexons）--中间外显子（internalexons）--终止外显子（terminalexons）--单一外显子基因（somesingle-exongenes）基因预测方法同源序列法Homology-basedsearches依靠以前鉴定的基因序列比较基因组学comparativegenomics不同物种染色体同源区段进行比较,分析和预测基因功能第二节植物细胞基因组结构特点•一核基因组结构特点•1由多条染色体组成，以染色质形态存于核内•2遗传物质含量差异最大。1000多倍•3无操纵子结构，基因以基因家族形式出现。•4非编码区多于编码区•5基因不连续，为断裂基因•6转录物为单顺反子•7多个复制起点•8符合孟德尔规律二线粒体基因组的结构特点•1DNA裸露，环状或线状•2分子长度差异大，同一细胞内也有差异•3非均一性•4操纵子结构，为多顺反子•5易发生变异•6表达调控类似原核生物•7只有一个复制起点•8核外遗传，属母系遗传三叶绿体基因组结构特点•1DNA裸露，环状•2遗传物质含量小，变化大•3不含有5’-甲基胞嘧啶•4操纵子结构，为多顺反子•5几乎所有核糖体操纵子基因顺序都一样•6表达调控类似原核生物•7只有一个复制起点•8核外遗传，属母系遗传第三节基因组图谱构建遗传图谱（geneticmap）物理图谱（physicalmap）遗传图谱的构建方法理论基础:连锁与交换基本方法:两点测验法和三点测验法植物遗传图谱的构建选择研究材料（亲本）构建分离群体遗传标记检测标记间的连锁分析选择亲本要求亲缘关系远，遗传差异大但又不能相差太大以导致引起子代不育。对备选材料进行多态(差异)性检测，综合测定结果，选择有一定量多态性的一对或几对材料作为遗传作图亲本。构建作图群体遗传标记的染色体定位利用遗传学方法或其它方法将少数标记锚定在染色体上，作为确定连锁群的参照系。常用的方法：单体分析三体分析代换系分析附加系分析标记间的连锁分析利用在两个亲本间有多态性的标记分析分离群体中所有个体的基因型根据连锁交换的情况，确定标记之间的连锁关系和遗传距离有计算机软件可以应用水稻遗传图1994年，水稻第一张高密度遗传图谱927个位点，1383个标记1998年，1157个位点，2275个标记2000年，3267个标记高密度的遗传图谱为基因组测序和遗传研究奠定了坚实的基础。物理图谱的构建用分子生物学方法直接检测DNA标记在染色体上的实际位置绘制成的图谱称为物理图谱。有遗传图谱为什么还要构建物理图谱？遗传图谱的缺陷分辨率有限人类只能研究少数减数分裂事件，不能获得大量子代个体测序要求每个标记的间隔小于100kb实际是599kb遗传图谱的缺陷•精确性不够•经典遗传学认为，交换是随机发生的•基因组中有些区域是重组热点•倒位、重复等染色体结构变异会限制交换重组酵母遗传图与物理图比较A遗传图B物理图物理作图的方法1、限制酶作图2、依靠克隆的基因组作图3、荧光原位杂交4、序列标签位点作图限制酶作图（restrictionmapping）限制酶作图（restrictionmapping）荧光原位杂交（fluorescentinsituhybridization，FISH）荧光原位杂交（fluorescentinsituhybridization，FISH）荧光原位杂交（fluorescentinsituhybridization，FISH）荧光原位杂交（fluorescentinsituhybridization，FISH）遗传图与物理图的整合有些标记既是遗传标记，又是物理标记RFLP标记SSR标记某些基因序列借助这些标记可以将遗传图和物理图整合起来第四节基因组测序有了高密度的基因组图谱，就可以开始全基因组测序了测序的技术飞速发展，现在可以全自动化测序的策略有两个：鸟枪法克隆重叠群法鸟枪法（shotgunsequencing）鸟枪法的优缺点优点：不需要高密度的图谱速度快、简单、成本低缺点：拼接组装困难，尤其在重复序列多的区域主要用于重复序列少、相对简单的原核生物基因组克隆重叠群法（clonecontig）将基因组DNA切割长度为0.1Mb－1Mb的大片段，克隆到YAC或BAC载体上然后再进行亚克隆，分别测定单个亚克隆的序列再装配、连接成连续的DNA分子。这是一种自上而下（uptodown）的测序策略clone-by-clonemethod两种基因组测序策略TheE.coligenome第五节功能基因组学完成基因组测序，仅仅是基因组计划的第一步，更重要的工作在于弄清楚：①基因组序列中所包含的全部遗传信息是什么；②基因组作为一个整体如何行使功能。就是对基因组序列进行诠释的过程，也就是功能基因组学的研究内容。根据序列分析搜寻基因查找开放阅读框（openreadingframe,ORF）开放阅读框都有一个起始密码子，ATG，还要有终止密码子。从ATG开始，然后向下游寻找终止密码子。起始密码子和终止密码子之间的碱基数目要能够被3整除每一条链都有3种可能的阅读框，2条链共计有6种可能的阅读框.计算机可以很快给出结果。同源查询利用已经存入数据库的基因序列与待查的基因组序列比对，从中查找可以与之匹配的碱基序列及其比例，用于界定基因。同源查询可以部分弥补ORF扫描的不足。同源查询的依据有亲缘关系的物种，基因组可能存在某种程度的相似性：存在某些完全相同的序列；ORF的排列相似，如等长的外显子；ORF指令的氨基酸序列相似；模拟的多肽链的高级结构相似，等。基因功能研究1、计算机预测基因功能依据仍然是同源性比较。同源基因拥有一个共同的祖先基因，它们之间有许多相似的序列。种间同源基因种内同源基因基因功能研究2、实验确认基因功能基因克隆基因敲除（knock-out）基因的超表达反义RNA技术RNAi转座子插入突变反义RNA（antisenseRNA）技术