真核生物的遗传分析
(整理)第7章真核生物的遗传分析
第七章真核生物的遗传分析重点：真核生物的基因组；真菌的遗传分析；真核生物重组的分子机制。
难点：顺序四分子分析。
第一节真核生物基因组一、C值悖论二、N值悖论三、真核生物基因组DNA的复杂度一、C值悖论基因组（genome）：一个物种单倍体的染色体数目及其所携带的全部基因称为该物种的基因组。
genome -- The complete set of sequences inthe genetic material of an organism. Itincludes the sequence of each chromosomeplus any DNA in organelles.C值（C-value）：是指生物体的单倍体基因组所含DNA总量。
每种生物各有其相对恒定的C值，不同物种的C值之间有很大差别。
最小的C值是支原体，小于106bp；最大的C值是某些显花植物和两栖动物，可达1011bp。
C值同生物的进化有什么关系? 生物的C值，即基因组的DNA总量是不是随着生物的进化而相应地增加?一方面，随着生物结构和功能复杂程度的增加，需要的基因数量和产物种类越多，因此C值也相应地增加。
另一方面，在结构与功能相似的同一类生物中，以及亲缘关系很近的物种之间，则看不到这种规律。
因此，物种的C值及其进化复杂性之间没有严格的对应关系，这种现象称为C值悖理(C —value paradox)。
C-value paradox:the lack of direct relationshipbetween the C value and phylogenetic complex.人们对C值悖理已经提出许多解释：包括基因组的部分或完全加倍、转座、返座已加工假基因、DNA 复制滑动、不等交换和DNA扩增等。
Petrov等又提出一个解释是：各种生物基因组的大小是由于基因组中长期积累起来的过量的非编码DNA被清除的速率不同所造成的结果，即DNA丢失的速率愈慢，那么基因组DNA含量愈高。
真核生物的基因组结构与功能分析
真核生物的基因组结构与功能分析真核生物是指在生命进化过程中逐渐形成的一类生物，其基本特征之一是存在真核细胞核。
真核生物的基因组结构较为复杂，包含多个线性染色体和一些质粒。
对基因组结构的分析与理解，对于揭示其生物功能和进化机制是至关重要的。
一、真核生物的基因组结构真核生物的基因组大小较大，同一物种不同个体之间的基因组大小存在较大的差异。
基因组大小与细胞大小和复杂度之间存在着类似关联性。
人类基因组大小约为3亿个碱基对，其中蛋白编码基因仅占大约2%。
真核生物的基因组在基本结构上与细菌大相径庭，主要包括以下几个方面。
1. 染色体染色体是真核生物中最重要、最基本的遗传物质，是基因在生物体内的物质传递介质，是遗传信息的载体。
在精细结构上，真核细胞中存在很多复杂的染色体结构，如核小体、类固醇激素受体、平衡染色体等。
2. 基因组复制真核生物的基因组复制主要包括原核生物和真核生物的不同模式，其中原核生物中存在着DNA单线复制机制，而真核生物则采用DNA复制机器进行自我复制。
与原核生物不同的是，真核生物的DNA复制机器必须满足染色体的线性特性和复杂的三维结构，包括多个酶和蛋白质。
3. 基因只读基因只读是指通过读取基因组中的基因序列，进而达到生物高效功能表达和调节的过程。
真核生物基因组的序列阅读具有高度异质性，不同物种、不同个体之间存在大量的序列差异，这在一定程度上阻碍了对真核生物的功能研究。
二、真核生物的基因组功能分析真核生物的基因组分析主要包括以下几个方面。
1. 蛋白编码基因预测蛋白编码基因是真核生物基因组的重要组成部分，对真核生物的基因组进行蛋白编码基因预测，可以揭示其生物功能和进化机制。
目前，已经建立了多种基于序列、结构、相对位置等的蛋白编码基因预测算法与工具，如Glimmer、InterProScan、Pfam等。
2. 生物信息分析真核生物的基因组分析需要大量的计算资源和分析工具，这就需要借助生物信息学的手段来实现。
DNA甲基化数据分析的基本方法与工具推荐
DNA甲基化数据分析的基本方法与工具推荐DNA甲基化是指DNA分子上的甲基基团（CH3）与DNA碱基（尤其是胞嘧啶）之间的化学键结合。
DNA甲基化是真核生物中一种重要的表观遗传修饰方式，对基因组稳定性和正常生理功能发挥至关重要的作用。
DNA甲基化水平的异常变化与许多疾病的发生发展密切相关，包括癌症、心血管疾病、精神疾病等。
因此，对DNA甲基化数据进行分析是理解这些疾病的发生机制和探索潜在治疗策略的关键步骤。
本文将介绍DNA甲基化数据分析的基本方法与一些常用的工具推荐。
首先，DNA甲基化数据分析的基本方法涵盖了数据预处理、甲基化位点鉴定和差异分析三个方面。
数据预处理是DNA甲基化数据分析的必要步骤之一，它的主要目的是将原始数据进行质量控制和归一化处理，去除实验误差和技术偏差。
常见的数据预处理方法包括：首先，质量控制，即将低质量的碱基读数过滤掉，以提高数据的准确性；其次，归一化处理，即将不同样本之间的技术偏差进行校正，以便后续的统计分析。
甲基化位点鉴定是DNA甲基化数据分析的关键步骤，它的主要目的是确定每一个DNA碱基上甲基化的程度。
常见的甲基化位点鉴定方法包括：首先，基于BS-seq（全基因组甲基化测序）的方法，通过测定甲基化位点与非甲基化位点的比值来鉴定甲基化位点；其次，基于甲基化特定酶切及高通量测序的方法，利用甲基化特定酶切割非甲基化DNA，然后通过高通量测序鉴定甲基化位点。
差异分析是DNA甲基化数据分析的核心步骤，它的主要目的是比较不同样本之间的甲基化差异。
常见的差异分析方法包括：首先，基于碱基的比对方法，通过比较不同样本的DNA序列，确定不同样本之间的甲基化差异；其次，基于甲基化位点的比较方法，通过比较甲基化位点的甲基化水平，确定不同样本之间的甲基化差异。
除了基本方法之外，还有一些常用的DNA甲基化数据分析工具推荐，这些工具可以帮助研究人员更高效地完成DNA甲基化数据分析工作。
首先，Bismark是一个常用的DNA甲基化分析工具，它可以识别全基因组的甲基化位点，并提供可视化和统计性的差异分析结果。
真核生物的遗传分析
a +
+ n
a +
NPD
若两连锁基因在异臂上，则PD与NPD都由双交 换形成且机会相等，所以PD=NPD。但事实上 PD≠NPD故此情况不可能 ∴ nic和ade在同臂上 已知RF（0-nic)+ RF（nic-ade)=5.05%+ 5.2% RF（0-ade)=9.3% 即RF（0-nic)+ RF（nic-ade) ≠ RF（0-ade) 原因：着丝粒和ade间发生过双交换，但在计算 RF （0-ade)时却没有计算在内，而在计算RF（0-nic)和 RF（nic-ade)时都各计算一次。
(3-6)四种排列方式：第一分裂产物中野生
型与突变型未发生分离，野生型和突变型
M2发生分离，称第二次分裂分离(second
division segregation)。
着丝粒与基因位点间发生非姊妹染色单
体交换，因此这四种子囊均为交换型子
囊。
非交换型、交换型子囊的形成
着丝点距离与着丝点作图
0 0 10 180 2 10 202
4 180 10 0 4 10 208
0 180 0 180 2 10 372
由上表可以看出202+208 ≠372，
低估的重组值= （202+208-372）/4000 ×100%=0.95%
RF（0-nic)+ RF（nic-ade) = RF（0-ade)+0.95%=9.3% +0.95%=10.25%
六种子囊孢子排列方式
六种子囊孢子排列方式
第一次分裂分离与第二次分裂分离
(1-2)两种排列方式：野生型lys+和突变型lys-在 M1彼 此分离，称第一次分裂分离(first division
遗传分析中“正反交结果”的几点探究
遗传分析中“正反交结果”的几点探究在细胞质遗传的教学中，我发现在一些辅导材料上经常出现“正反交结果相同的是细胞核遗传，正反交结果不同的是细胞质遗传”，实际上，对这种简单化的表述如不能真正深入理解，就会出现错误或误解。
作者经过一番探究归纳，总结了若干理解要点和分析问题的注意事项，在此发表，以与大家共享。
1．正反交结果相同正反交结果相同，F1表现显性性状的是细胞核遗传的特点，特别强调的是它包含了性染色体上的同源部分的遗传。
2．正反交结果不相同2．1 与母本不一样，有明显的性别差异，是伴性遗传，它是指性染色体非同源部分的遗传。
伴性遗传是一种特殊的核遗传。
因为Y染色体上一般没有X染色体的等位基因，雄性个体不论是显性性状，还是隐性性状，只要有一个基因就表现出性状来。
而雌性个体，必须要有两个隐性基因才表现出隐性性状。
所以，基因位于X染色体上的伴性遗传，正反交时，后代的表现型也会不相同。
2．2 与母本一样，可能是细胞质遗传，也可能是母性影响，还可能是果皮或种皮的遗传。
2．2．1 细胞质遗传与果皮、种皮遗传的比较无论正交还是反交，子代性状总与母本相同，这是质遗传的一个显著特点。
这个特点很容易与被子植物的果皮、种皮遗传相混淆。
我们知道，果皮和种皮的基因型总是与母本相同的。
但要特别注意的是母本上结出的果实，其果皮和种皮并不是子代的，而是母本的一部分，它们分别是由母本的子房壁和珠被发育而成的。
种子的胚以及由胚发育而成的植株才是子代。
2．2．2 细胞质遗传与母性影响有些性状的遗传，看起来似乎是细胞质遗传，实际上仍然是细胞核遗传控制的。
比如锥实螺螺壳的螺旋方向有左旋和右旋两种类型，让右旋雌螺和左旋雄螺杂交，F1全部是右旋的，让左旋雌螺和右旋雄螺杂交，F1都是左旋的，从表面上看，锥实螺的螺旋方向的遗传属于细胞质遗传，但如果是细胞质遗传，那么F1自交，得到的F2自交得到的F3，乃至Fn，都应该与F1性状相同，但事实上，F3就开始出现了性状分离。
原核生物基因组和真核生物基因组比较区别 (1)
原核生物基因组和真核生物基因组的区别：1、真核生物基因组指一个物种的单倍体染色体组(1n)所含有的一整套基因。
还包括叶绿体、线粒体的基因组。
原核生物一般只有一个环状的DNA分子，其上所含有的基因为一个基因组。
2、原核生物的染色体分子量较小，基因组含有大量单一顺序（unique-sequences），DNA仅有少量的重复顺序和基因。
真核生物基因组存在大量的非编码序列。
包括：.内含子和外显子、.基因家族和假基因、重复DNA序列。
真核生物的基因组的重复顺序不但大量，而且存在复杂谱系。
3、原核生物的细胞中除了主染色体以外，还含有各种质粒和转座因子。
质粒常为双链环状DNA，可独立复制，有的既可以游离于细胞质中，也可以整合到染色体上。
转座因子一般都是整合在基因组中。
真核生物除了核染色体以外，还存在细胞器DNA，如线粒体和叶绿体的DNA，为双链环状，可自主复制。
有的真核细胞中也存在质粒，如酵母和植物。
4、原核生物的DNA位于细胞的中央，称为类核（nucleoid）。
真核生物有细胞核，DNA序列压缩为染色体存在于细胞核中。
5、真核基因组都是由DNA序列组成，原核基因组还有可能由RNA组成，如RNA病毒。
原核生物和真核生物区别（从细胞结构、基因组结构和遗传过程分析）主要差别由真核细胞构成的生物。
包括原生生物界、真菌界、植物界和动物界。
真核细胞与原核细胞的主要区别是：【从细胞结构】1.真核细胞具有由染色体、核仁、核液、双层核膜等构成的细胞核；原核细胞无核膜、核仁，故无真正的细胞核，仅有由核酸集中组成的拟核2.真核细胞有内质网、高尔基体、溶酶体、液泡等细胞器，原核细胞没有。
真核细胞有发达的微管系统，其鞭毛（纤毛）、中心粒、纺锤体等都与微管有关，原核生物则否。
3.真核细胞有由肌动、肌球蛋白等构成的微纤维系统，后者与胞质环流、吞噬作用等密切相关；而原核生物却没有这种系统，因而也没有胞质环流和吞噬作用。
真核细胞的核糖体为80S型，原核生物的为70S型，两者在化学组成和形态结构上都有明显的区别。
遗传学细胞质遗传
㈡、草履虫放毒型的遗传:
1. 结构： 草履虫（Paramecium aurelia）是一种常见
的原生动物，种类很多。 大核（1个），是多倍体，主要负责营养； 小核（1~2个），是二倍体、主要负责遗传。
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④.半自主性的细胞器： 线粒体内100多种蛋白质中，约有10种是线粒体本身
合成的，包括细胞色素氧化酶亚基、4种ATP酶亚基和1种 细胞色素b亚基。
∴线粒体的蛋白是由线粒体本身和核基因共同编码的， 是一种半自主性的细胞器。
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第五节 共生体和质粒决定的染色体 外遗传
一、共生体的遗传：
㈠、共生体（symbionts）： 不是细胞生存所必需的组成部分，仅以某种共生的
（二）持久的母性影响
例： 椎实螺外壳 的旋转方向受母亲基 因型控制，终生不变。 它受一对等位基因控 制，右旋(D)对左旋(d) 为显性。
椎实螺正反交，F1旋转方向都与各自母本相似，即右 旋或左旋，F2却都为右旋，F3才出现右旋和左旋的分 离。
P ♀DD × dd♂
右旋 左旋
♀dd × DD♂
左旋 右旋
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线粒体数目及mt DNA大小：
生物种类 酵母
几种生物的 mt DNA
每细胞中 线粒体数
mt DNA 大小 (kb)
22
84
鼠（L 细胞）
500
16.2
人（Hela 细胞） 800
16.6
mt DNA 与 核 DNA 比值
0.18
0.002 0.01
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㈡、线粒体基因组的构成：
1981年Kanderson最早测出人的mt DNA全序列为16569 bp。 人、鼠、牛的mtDAN全序列中测出：
遗传学 第六章 真核生物遗传分析
1、单一序列（unique sequence）
➢ 真核生物的大多数基因在单倍体基因 组中都是单拷贝的。
➢ 单一序列所占的比例在不同生物基因 组中变化较大：
原核生物中一般只含有非重复序列；
较低等的真核生物中大部分DNA也 是单拷贝的；
动物中将近50％DNA是中度或高度 重复的；
植物和两栖类生物中单拷贝DNA序 列降低，而中度和高度重复序列增加， 如玉米的重复序列在80%以上。
（2）卫星DNA （satellite DNA）
➢ 其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。
➢ 各类卫星DNA都由不同的重复序 列家族构成。
➢ 重复单位串联排列。 ➢ 卫星 DNA约占人基因组 5~6％。
卫星DNA 根据长度可将其分为3类：
➢ 基因组（genome）：一个物种单倍体的染色体数 目及其所携带的全部遗传信息。
基因组DNA测序结果表明基因组中不仅包含着整 套基因的编码序列，同时还包含着大量非编码序列， 这些序列同样包含着遗传指令(genetic instruction)。 因此，基因组（应该）是整套染色体所包含的 DNA分子以及DNA分子所携带的全部遗传指令。
➢ 可用遗传学方法区分每个染色单 体。
顺序四分子分析（ ordered tetrad analysis）
顺序四分子遗传分析的特殊意义在于： (1) 能从四分子不同类型出现的相对频率分析基因间的连
锁关系； (2) 能计算标记基因与着丝点之间的重组值，进行着丝粒
作图； (3) 子囊中子囊孢子严格的对称性质，表明减数分裂是一
Co = DNA concentration t1/2 = time for half reaction
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6.2.2 非顺序四分子遗传分析 子囊： PD AB AB ab ab NPD aB aB Ab Ab T ab aB Ab AB
RF=1/2T+NPD/总子囊数×100%
由于RF无法校正双交换，重组值可能被低估。
根据PD、NPD、T三种子囊的频率，可以推导出两基 因间平均每次减数分裂的交换数(m)，m×0.5即两基
着丝粒与某一基因间RF=
第二次分裂分离子囊数 (或交换型子囊数) ×1/2×100% 子囊总数
或者：1 M RF（着丝粒— Nhomakorabea因）= 2 ×100% M M
表6-3 粗糙脉孢菌Lys+×Lys-杂交子代子囊类型 (1) 子 囊 类 型 子囊型 分裂类型 + + 105 M1 (2) + + 129 M1 (3) + + 9 M2 (4) + + 5 M2 (5) + + 10 M2 (6) + + 16 M2
而: T（总）=SCO（单交换）+ DCO（3线双交换）
所以:
因此:
SCO=T（总）-DCO（3线双交换）
=T（总）－
2NPD
m=SCO+2DCO(所有双交换) =T（总）-2NPD+2（4NPD） =T（总）+6NPD
6.3 真核生物重组的分子机制
6.3.1 重组的类型
① 同源(Homologous recombination)
型子囊。
第二次分裂分离（M2）及交换型子囊的形成
C 如果一对等位基因的分离发生在第一次减数分 裂，则基因与着丝粒之间未发生重组；如果，两
个基因的分离发生在第二次减数分裂，则说明基
因与着丝粒之间发生了重组。
D
鉴别第一次或第二次减数分裂的分离,可根据8
个子囊孢子基因型的排列顺序。
③ 着丝粒距离的计算
② 原理：
A 如果着丝粒与某一对杂合基因之间未发生交换,
则该基因与着丝粒同步分离。此时，一对等位基 因的分离为减数第一次分裂分离，即M1，形成非
交换型子囊。
第一次分裂分离（M1）及非交换型子囊的形成
B
如果基因与着丝粒之间发生了交换,则该基
因与着丝粒的分离不同步。此时，一对等位基因
的分离为减数第二次分裂分离，即M2，形成交换
因间的图距。
NCO
a A a PD
b B b T
a A a T
b B b
DCO 三线
SCO
A DCO 二线
a A
B
b B
DCO 三线
A
a A
T
B
b B
DCO 四线
PD
NPD
如果假设双交换在四条染色单体间随机发生： DCO(所有双交换) =4NPD
其中: DCO（3线双交换)=T（三线）=2NPD
6 真核生物的遗传分析
6.1 真核生物基因组
基因组：一个物种单倍体的染色体数目及其所
携带的全部基因。 6.1.1 C值悖理 C值：一个物种基因组的DNA含量是相对稳定的， 通常称为该物种DNA的C值，即单倍体所含DNA量。 C值悖理：物种的C值及其进化复杂性之间没有 严格的对应关系。
6.1.2 N值悖理
未交换型
交换型
⑵ 两个连锁基因的作图
P
nic +
× + ade n + + a (2n)
减数分裂 36种不同组合
可归纳为７种基本的子囊型
表6-4 粗糙脉孢菌 n + × + a 杂交结果
子囊型 四分子基 因型顺序 分离发 生时期 四分子 类 型 （1） （2） （3） （4） （5） （6） （7） + + n n a a + + + + n n + + a a + + n n + a + a + n + n a a + + + n + n a + a + + n + n + a + a + n + n + a a +
M1 M1 PD
M1 M1 NPD
M1 M2 T
M2 M1 T
M2 M2 PD
M2 M2 NPD
M2 M2 T
实 得 子囊数
808
1
90
5
90
1
5
说明及分析方法：
1、 7种基本子囊型中的四个基因型次序是各不一
样的，分别由7种不同的交换方式而来。
2、分离发生的时期：分别判断每一对基因分离发 生的时期（M1或M2），用于计算基因与着丝粒的 图距。
898/2
结论：nic 与 ade 连锁
5 重组值的计算
6 作图：
0 nic ade
5.05
5.25
9.3≠10.25
10.25－9.30=0.95，双交换的结果被遗漏了。
表6-6
子 囊 型 每一子囊被计算为重 子 在所有子囊中被计算为 组子的染色单体数 囊 重组子的染色单体数 .—n n— .—n n— 型 a . —a a . —a 2 0 4 1 0 4 0 3 90 0 0 2 0 180 4 5 2 5 90 180 2 2 10 10 6 1 0 0 7 5 2 0 180 0 2 180 202+208-372 = 38 38/ 4000=0.95% 9.3+0.95=10. 25 2 4 2 4
N值：一个物种基因组的基因数目。
N值悖理：生物的基因数目与生物在进化树上的 位置不完全相关。
6.1.3 真核生物基因组DNA序列的复杂度
⑴ 单拷贝序列（非重复序列）
⑵ 中度重复序列
⑶ 高度重复序列
6.2 真菌类的四分子分析与作图
6.2.1 脉孢菌的生活史与顺序四分子分析 无性世代:菌丝体→分生孢子→菌丝体 有性世代:
重组:DNA 同源序列间发生的重组,或称非特异性
重组。
②位点特异性重组(Site-specific
recombination)：特异性序列对之间进行重组，
在原核生物中最为典型，如将噬菌体基因组整合 到细菌染色体中。
四分子：脉孢菌二倍体合子减数分裂形成的4个单 倍体子囊孢子, 称为四分子。它们以直线方式排列 在子囊中,又称为顺序四分子(ordered tetred)。
1)减数分裂的4个产物,呈现有规律的排列.
2)8个子囊孢子中,两相邻者的基因型一致..
⑴ 着丝粒作图
① 概念:
以着丝粒作为一个座位，测定某一基因与 着丝粒之间的距离，并进行基因在染色体上的 位置作图。
3、子囊型分类：只考虑两对基因间是否发生了重
组，用于计算两对基因间的重组值。
⑴亲二型（PD）：两种基因型，与亲代相同。
⑵非亲二型（NPD）：两种基因型，与亲代不同。
⑶四型（T）：四种基因型，两种与亲代相同，两 种为重组型。
4 连锁关系的判断
连锁判断： 自由组合 连锁 实际结果
PD/NPD＝1
PD/NPD＞1