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1、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（structural genomics）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
2、。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（functional genomics) 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
3、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。,A comprehensive rice transcript map containing 6591 expressed sequence tag sites,C. 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
4、.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-coding genes）假基因（pseudogenes）RNA基因（functional RNA genes）-tRNAtransfer RNA-rRNAribosomal RNA-snoRNAsmall nucleolar RNA-snRNAsmall nuclear RNA-miRNAmicroRNA,编码基因预测,几类外显子（ exons）:- 非翻译
5、区（noncoding）- 启始外显子（initial coding exons）- 中间外显子（internal exons）- 终止外显子（terminal exons）- 单一外显子基因（some single-exon genes）,基因预测方法,同源序列法 Homology-based searches依靠以前鉴定的基因序列比较基因组学comparative genomics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
6、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,1 DNA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,1 DNA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（g
7、enetic map）物理图谱（physical map）,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
8、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5
9、99kb,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（restriction mapping）,限制酶作图（restriction mapping）,荧光原位杂交（fluorescent in situ hybridization，FISH）,荧光原位杂交（fluorescent in situ hybridization，FISH）,荧光原位杂交（fluoresc
10、ent in situ hybridization，FISH）,荧光原位杂交（fluorescent in situ hybridization，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（shotgun sequencing）,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
11、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（clone contig）,将基因组DNA切割长度为0.1Mb1Mb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（up to down）的测序策略 clone-by-clone method,两种基因组测序策略,The E.coli genome,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： 基因组序列中所包含的全部遗传信息是什么； 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
12、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（open reading frame, 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（antisense RNA）技术,
