遗传学第三章
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医学遗传学第三章第三节基因互作与环境
医学遗传学第三章第三节 基因互作与环境
本节将介绍基因互作与环境在医学遗传学中的重要性，并讨论其定义、类型、 机制以及对研究方法和应用带来的影响。
基因互作与环境的定义
基因互作是指不同基因之间相互影响和相互作用的现象，而环境则包括个体所处的生物、化学和物理环境。
基因互作的类型和机制
1 底物竞争
多个基因共享同一个底物，导致相互竞争和 相互影响。
基因互作与环境在医学遗传学中的应用
疾病风险评估
基因互作与环境分析有助于评估 个体患某种疾与环境对遗传 疾病的影响，提供更准确的遗传 咨询。
精准医学
基因互作与环境分析可为精准医 学研究提供重要线索和策略。
基因互作与环境的意义和挑战
基因互作和环境的相互作用是解读复杂遗传现象的关键，但其研究也面临着数据挖掘、统计分析等挑战。
2 遗传修饰
一个基因的变异可以影响其他基因的表达和 功能。
3 基因表达调控
某个基因的表达受其他基因的调控。
4 信号通路交叉
不同基因的信号通路之间发生相互交叉和调 节。
环境对基因互作的影响
1 环境因素
2 时间窗口
如营养、毒物等，可以影 响基因互作的程度和方向。
环境因素在不同发育阶段 对基因互作的影响不同。
3 遗传背景
不同个体的遗传背景可能 使环境对基因互作的影响 产生差异。
基因与环境相互作用的研究方法
关联研究
通过调查基因和环境因素与 特定表型之间的相关性来揭 示其相互作用。
实验室模型
使用实验室动物模型进行基 因和环境因素相互作用的研 究。
生物信息学分析
借助大规模数据分析和计算 方法，探索基因互作与环境 的复杂网络。
结论和未来展望
本节将介绍基因互作与环境在医学遗传学中的重要性，并讨论其定义、类型、 机制以及对研究方法和应用带来的影响。
基因互作与环境的定义
基因互作是指不同基因之间相互影响和相互作用的现象，而环境则包括个体所处的生物、化学和物理环境。
基因互作的类型和机制
1 底物竞争
多个基因共享同一个底物，导致相互竞争和 相互影响。
基因互作与环境在医学遗传学中的应用
疾病风险评估
基因互作与环境分析有助于评估 个体患某种疾与环境对遗传 疾病的影响，提供更准确的遗传 咨询。
精准医学
基因互作与环境分析可为精准医 学研究提供重要线索和策略。
基因互作与环境的意义和挑战
基因互作和环境的相互作用是解读复杂遗传现象的关键，但其研究也面临着数据挖掘、统计分析等挑战。
2 遗传修饰
一个基因的变异可以影响其他基因的表达和 功能。
3 基因表达调控
某个基因的表达受其他基因的调控。
4 信号通路交叉
不同基因的信号通路之间发生相互交叉和调 节。
环境对基因互作的影响
1 环境因素
2 时间窗口
如营养、毒物等，可以影 响基因互作的程度和方向。
环境因素在不同发育阶段 对基因互作的影响不同。
3 遗传背景
不同个体的遗传背景可能 使环境对基因互作的影响 产生差异。
基因与环境相互作用的研究方法
关联研究
通过调查基因和环境因素与 特定表型之间的相关性来揭 示其相互作用。
实验室模型
使用实验室动物模型进行基 因和环境因素相互作用的研 究。
生物信息学分析
借助大规模数据分析和计算 方法，探索基因互作与环境 的复杂网络。
结论和未来展望
遗传学第三章 基因的概念和结构
• 重叠基因:指在同一段DNA顺序上，由于阅读框架不同或终 止早晚不同，同时编码两个以上基因的现象。
基因重叠方式
• Mis-reading for stop codon
( Q RNA virus 1973. A. Weiner )
400Nt
800Nt
AUG----------------------UGA-----------------------UAA
设有两个独立起源的隐性突变，具有类似的表现型。判断是属于同一个基因 突变，还是属于两个基因突变？即判断是否属于等位基因？ ①建立双突变杂合二倍体； ②测定突变间有无互补作用。
• 顺反测验：顺式排列为对照（是两个突变座位位于同一条染色 体上）,其表现型野生型。实质上是进行反式测验（反式排列是 两个突变座位位于不同的染色体上）。
① 反式排列为野生型：突变分属于两个基因位点； ② 反式排列为突变型：突变分属于同一基因位点。
Complementary assay
rII47 0
rII106 0
rII 47
rII106
rII106 0 rII51 0
rII106 rII51
Why?
plane E.coli K12
依据； One gene
2、假基因(pseudo gene)
• 假基因:同已知的基因相似，处于不同的位点，因缺失或突变而 不能转录或翻译，是没有功能的基因。
第五节、外显子和内含子
• 内含子(intron)：DNA序列中不出现在成熟mRNA的片段； • 外显子(extron)：DNA序列中出现在成熟mRNA中的片段。
Ovalbumin DNA X cDNA
5387 bp 11 genes 3 mRNA 9 peptides
基因重叠方式
• Mis-reading for stop codon
( Q RNA virus 1973. A. Weiner )
400Nt
800Nt
AUG----------------------UGA-----------------------UAA
设有两个独立起源的隐性突变，具有类似的表现型。判断是属于同一个基因 突变，还是属于两个基因突变？即判断是否属于等位基因？ ①建立双突变杂合二倍体； ②测定突变间有无互补作用。
• 顺反测验：顺式排列为对照（是两个突变座位位于同一条染色 体上）,其表现型野生型。实质上是进行反式测验（反式排列是 两个突变座位位于不同的染色体上）。
① 反式排列为野生型：突变分属于两个基因位点； ② 反式排列为突变型：突变分属于同一基因位点。
Complementary assay
rII47 0
rII106 0
rII 47
rII106
rII106 0 rII51 0
rII106 rII51
Why?
plane E.coli K12
依据； One gene
2、假基因(pseudo gene)
• 假基因:同已知的基因相似，处于不同的位点，因缺失或突变而 不能转录或翻译，是没有功能的基因。
第五节、外显子和内含子
• 内含子(intron)：DNA序列中不出现在成熟mRNA的片段； • 外显子(extron)：DNA序列中出现在成熟mRNA中的片段。
Ovalbumin DNA X cDNA
5387 bp 11 genes 3 mRNA 9 peptides
遗传学(第3版)第3章 孟德尔式遗传分析
以上的测交中，一对基因的杂种，总是与其隐性亲本（rr）
进行杂交，这种杂交方式也叫做回交（backcross）。 4－15
2、自交验证（selfed/selfing） 通过自交后代的类型和数目来推论亲本的情况。
基本方法：以F2分别自交产生F3，然后根据F3的表型类型及 比例，验证所设想的F2基因型，从而推知F1在形成配子时，等位 基因是否分离。
黄416粒＝315粒 黄圆＋101粒 黄皱
绿140粒＝108粒 绿圆＋32粒 绿皱 所以 从颜色上看 黄色：绿色＝416：140＝2.97：1=3:1 再考察种子的形状： 圆：423粒＝315粒黄圆＋108粒绿圆 皱：133粒＝101粒黄皱＋32绿皱 所以 圆形：皱形＝423：133＝3.18:1≈3：1
经历了100多年的发展，当今的遗传学已成为生命科学的 核心。谈家桢先生曾生动而形象地将遗传学比喻为一棵根深叶 茂的大树，孟德尔定律便是具有顽强生命的种子，由摩尔根等 人建立起来的细胞遗传学则是这棵巨树的主干。 本章的主要内容:孟德尔遗传的基本规律及其扩展。
要点:孟德尔遗传分析的基本原理与方法，基因在动物、 植物乃至人类的繁衍过程中的表现及其传递规律。
↓
皱豌豆
↓
圆豌豆（吸水性强）4－10
3.1.2 分离定律 （ principle of segregation）
Mendel’s First law The two members of a gene pair (alleles) segregate (separate) from each other in the formation of gametes; half the gametes carry one allele, and the other half carry the o两对相对性状的豌豆杂交实验
遗传学 第三章孟德尔遗传和独立分配定律
YR F2 Yr yR yr 图4－6
yyRr 绿圆 yyrr 绿皱
豌豆黄色、圆粒×绿色、皱粒的F2分离图解
两对同源染色体及其载荷基因的独立分配示意图
三、独立分配规律的验证
1、测交法 用F1与双隐性纯合体测交。当 F1形成配子时，不论雌配子或 雄配子，都有四种类型，即YR 、Yr、yR、yr，而且出现的比 例相等，即1：1：1：1
第四节 孟德尔规律的补充和发展 一、显性性状的表现
• ● 完全显性（complete dominance） • F1所表现的性状和亲本之一完全一样，而非中间型或同时表现双 亲的性状。例如：豌豆的花色遗传。豌豆开红花的植株和开白花的植 株杂交，F1植株开红花
●不完全显性(incomplete dominance or semidominance) • F1表现双亲性状的中间型。
正常人的红血球是碟 形 SS
镰形红血球贫血病患者的 红血球细胞呈是镰刀形 ss
镰形红血球贫血病患者和 正常人结婚所生的子女Ss ，他们的红血球细胞，即 有碟形又有镰刀形 这种人平时不表现病症， 在缺氧时才发病。
二、显性性状与环境的关系
( 一) ss 隐性患者贫血严重，发育不良，关节 、腹部和肌肉疼痛，多在幼年死亡； Ss 杂合者在氧气充分的条件下正常，缺 氧时发病； 在有氧时S对s为显性，缺氧时s对S为 显性。 ss为全部镰刀型； Ss同时具有镰刀形和碟形。
基因型：个体的基因组合 CC、Cc、cc 表现型：生物体所表现的性状 红花、白花 纯合基因型 ：等位基因一样 CC、cc – 纯合体 杂合基因型 ：等位基因不同 Cc、- 杂合体
三、分离规律的验证
实质：成对的基因 ( 等位基因 ) 在配子形成过程中彼此分离， 互不干扰，因而配子中只具有 成对基因的一个
第三章 孟德尔规律---遗传学课件
四、分离规律的验证
遗传因子仅是一个理论的、抽象的概念。当时孟
德尔不知道遗传因子的物质实体是什么，如何实现 分离。 遗传因子分离行为仅仅是孟德尔基于豌豆7对相 对性状杂交试验中所观察到的F1 、F2个体表现型及 F2性状分离现象作出的一种假设。 正因为如此，从孟德尔杂交试验到遗传因子假说 是一个高度理论抽象过程。所以当时几乎没有人能 够理解。如何对这一假说进行验证呢？
(1/4)表现隐性性状F2个体基 因型为隐性纯合，如白花F2 为cc； 2) (3/4)表现显性性状F2个体中： 1/3是纯合体(CC)、2/3是杂合 体(Cc)； 推测：在显性(红花)F2中： 1/3自交后代不发生性状分 离，其F3均开红花； 2/3自交后代将发生性状
F2 基因型及其自交后代表现推测
淀粉粒性状的花粉鉴定法
Wx基因的花粉粒具有直链淀粉，
而含wx基因的花粉粒具有支链淀粉： Wx直链淀粉(稀碘液) 蓝黑色 wx支链淀粉(稀碘液) 红棕色 用稀碘液处理玉米(糯性×非糯 性)F1(Wxwx)植株花粉，在显微镜下 观察，结果表明： 花粉粒呈两种不同颜色的反应； 蓝黑色:红棕色≈1:1。 结论：分离规律对F1基因型及基因 分离行为的推测是正确的
两对相对性状的自由组合
如果两相对性状独立遗传，而两独立事件同时发生的概率
等于各个事件单独发生概率的乘积(概率定律)； 因此在F2代中，黄圆、黄皱、绿圆、绿皱四种类型的理
论比例 (概率)应该如下图所示；
实际试验结果与理论比例的比较。
3 1 黄色 : 绿色 4 4 3 1 圆粒 : 皱粒 4 4 9 3 3 1 黄圆 : 黄皱 : 绿圆 : 绿皱 16 16 16 16
豌豆花色分离现象解释
豌豆花色分离现象解释
医学遗传学第三章第四节遗传学数据
医学遗传学第三章第四节 遗传学数据
深入了解遗传学数据，掌握遗传学的精华和要点。
遗传学数据概述
数据种类丰富
遗传学数据包括基因型、 表型、分子标记等多个方 面。
采集要严谨
高质量的采集对数据分析 是至关重要的。
数据处理不容易
虽然数据丰富，但处理遗 传学数据需要掌握数据分 析基础。
基因互作网络
蛋白质相互作用
了解蛋白质相互作用网络可以 深入了解基因互作网络。
细胞周期
了解细胞周期的基因互作网络 可以帮助我们深入了解生物的 发育。
分子相互作用
了解分子相互作用可以深入了 解疾病的发病机制。
遗传遗传相
同源性
同源性越高，遗传距离越近， 基因型越 Nhomakorabea似。同系性
指相同的亲缘关系，如兄弟、 父母等。
遗传连锁性
指两个基因在染色体上距离 越远，则连锁性越弱。
遗传咨询和治疗
1 遗传疾病
了解个体遗传信息有助于诊断、预防、治疗和优化代谢。
2 遗传测试
包括化验和影像学等多种方法，可以帮助确定疾病类型以及开展针对性治疗。
3 个性化治疗
根据疾病类型和程度，制定定制的治疗方案，提高治疗效果，减轻病人的痛苦。
未来发展趋势
1
计算机技术
随着计算机技术的迅速发展，数码医疗也越来越普及，遗传学数据分析也会更快、 更智能。
2
人工智能
人工智能在医疗领域应用广泛，可以帮助医生制定更精准、更高效的诊断和治疗 方案。
3
生物技术
生物技术也是遗传学数据分析的重要手段，基因编辑、基因测序等技术将逐渐成 为医学的重要工具。
遗传环境互作
遗传因素
人类重要的遗传性状包括眼色、血型、乳糖耐 受等。
深入了解遗传学数据，掌握遗传学的精华和要点。
遗传学数据概述
数据种类丰富
遗传学数据包括基因型、 表型、分子标记等多个方 面。
采集要严谨
高质量的采集对数据分析 是至关重要的。
数据处理不容易
虽然数据丰富，但处理遗 传学数据需要掌握数据分 析基础。
基因互作网络
蛋白质相互作用
了解蛋白质相互作用网络可以 深入了解基因互作网络。
细胞周期
了解细胞周期的基因互作网络 可以帮助我们深入了解生物的 发育。
分子相互作用
了解分子相互作用可以深入了 解疾病的发病机制。
遗传遗传相
同源性
同源性越高，遗传距离越近， 基因型越 Nhomakorabea似。同系性
指相同的亲缘关系，如兄弟、 父母等。
遗传连锁性
指两个基因在染色体上距离 越远，则连锁性越弱。
遗传咨询和治疗
1 遗传疾病
了解个体遗传信息有助于诊断、预防、治疗和优化代谢。
2 遗传测试
包括化验和影像学等多种方法，可以帮助确定疾病类型以及开展针对性治疗。
3 个性化治疗
根据疾病类型和程度，制定定制的治疗方案，提高治疗效果，减轻病人的痛苦。
未来发展趋势
1
计算机技术
随着计算机技术的迅速发展，数码医疗也越来越普及，遗传学数据分析也会更快、 更智能。
2
人工智能
人工智能在医疗领域应用广泛，可以帮助医生制定更精准、更高效的诊断和治疗 方案。
3
生物技术
生物技术也是遗传学数据分析的重要手段，基因编辑、基因测序等技术将逐渐成 为医学的重要工具。
遗传环境互作
遗传因素
人类重要的遗传性状包括眼色、血型、乳糖耐 受等。
遗传学-第三章 孟德尔遗传
1 F2各类表现型、基因型及其自交结果推测 • 4种表现型：只有1种的基因型唯一，所有后代 无不发生性状分离； • 9种基因型： – 4种不会发生性状分离，两对基因均纯合； – 4种会发生3:1的性状分离，一对基因杂合； – 1种会发生9:3:3:1的性状分离，双杂合基因 型。
孟德尔所作的试验结果，完全符合预定的推论，现摘列如下： F2 F3 38株(1/16)YYRR→ 全部为黄、圆，没有分离 35株(1/16)yyRR→ 全部为绿、圆，没有分离 28株(1/16)YYrr→ 全部为黄、皱，没有分离 30株(1/16)yyrr→ 全部为绿、皱，没有分离 65株(2/16)YyRR→ 全部为圆粒，子叶颜色分离3黄：1绿 68株(2/16)Yyrr→ 全部为皱粒，子叶颜色分离3黄：1绿 60株(2/16)YYRr→ 全部为黄色，籽粒形状分离3圆：1皱 67株(2/16)yyRr→ 全部为绿色，籽粒形状分离3圆：1皱 138株(4/16)YyRr→ 分离9黄、圆：3黄、皱：3绿、圆：1绿、 皱 从F2群体基因型的鉴定，也证明了独立分配规律的正确性。
以红花×白花为例: P 红花（♀）× 白花(♂) 白花 (♀) × 红花(♂) ↓ ↓ F1 红花 红花 ↓ ↓ F2 红花 白花 红花 白花 株数 705 224 比例 3 : 1 约3 : 1 （正交、反交结果一致） F1 的红花(♀)×白花 (♂) ↓ 测交后代：红花 白花 1 : 1 F1 的红花 （♀）×白花 （♂） ↓ 红花 白花 1 : 1
示例： 玉米籽粒：糯性、非糯性；受一对等位基因控制的，分 别控制着籽粒及其花粉粒中的淀粉性质 非糯性：直链淀粉，Wx，遇碘呈蓝黑色 糯性：支链淀粉，wx，遇碘呈红棕色 在显微镜下观察，若称蓝黑色的花粉粒的数目=呈红棕 色的花粉粒的数目，则说明F1的杂合体在减数分裂形成 配子时，控制相对性状的非糯性与糯性这一对基因Wx与 wx发生了分离，比例为1:1，从而验证了分离规律的正 确性。
医学遗传学第三章第四节遗传学数据
பைடு நூலகம்
*
(二)概率基本定理(乘法定理与加法定理)
1.乘法定理： 两个独立事件同时发生的概率等于各个事件发生的概率的乘积。 例：双杂合体(YyRr)中，Yy的分离与Rr的分离是相互独立的，在F1的配子中: 具有Y的概率是1/2，y的概率也1/2； 具有R的概率是1/2，r的概率是1/2。 而同时具有Y和R的概率是两个独立事件(具有Y和R)概率的乘积：1/2×1/2=1/4。
*
X2检验应用实例
k=4，df=k-1=3；Χ20.05,3=7.815； Χ2=0.47，P(Χ2)~(0.90-0.95)
结论：YyRr个体自交后代四种表现型的比例与9:3:3:1的理论比例间差异不显著。
*
(三)、Χ2测验的两个问题
次数资料作适合性测验且df=1时，需要对Χ2值进行连续性校正。 原因：Χ2分布是连续性分布，而次数资料是间断性分布资料，由次数资料估计到的Χ2值有偏大的趋势，尤其当自由度为1时。 方法：请复习生物统计相关内容。
概率(probability):
一、概率原理与应用
概率(机率/几率/或然率)：指一定事件总体中某一事件发生的可能性(几率)。
例：杂种F1产生的配子中，带有显性基因和隐性基因的概率均为50％。
在遗传研究时，可以采用概率及概率原理对各个世代尤其是分离世代(如F2)的表现型或基因型种类和比率(各种类型出现的概率)进行算，从而分析、判断该比率的真实性与可靠性；并进而研究其遗传规律。
代入二项公式，得到Ft中，表现：
*
(四)、杂种自交后代群体表现型结构
A事件：F2表现为显性(黄子叶或圆粒)，P(A)=p=3/4； B事件：F2表现为隐性(绿子叶或皱粒)，P(B)=q=1/4。 n=2为相对性状(杂合基因)对数，有p+q=1.
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• 这种鸟枪法是小的原核生物测序的标准方法，但是对 于较大的真核生物基因组来说是相当困难的，特别是 当分析基因组的重复区域时会发生错误。
几十个碱基
鸟枪法组装序列
丢失 鸟枪法中遇到的问题－串联重复DNA
错误拼接 鸟枪法中遇到的问题－基因组范围内的重复
1. 概述
• 因此，必须首先建立一个基因组的图谱，通过标明基 因或其他显著特征的位置，为测序提供指导。
• 形态标记 • 细胞学标记 • 生化标记 • DNA分子标记
所有的标记都必须具有多态性！
DNA分子标记
简称分子标记 指在DNA水平，具有相对差异的等位基因的DNA多
态性标记，是DNA水平上遗传变异的直接反映。
优点： ❖ 不受时间和环境的限制 ❖ 遍布整个基因组，数量无限 ❖ 不影响性状表达 ❖ 变异丰富，多态性好 ❖ 大部分为共显性，能鉴别纯合体和杂合体
Mapmaker Version 3.0
Joinmap Version 3.0
3. 遗传作图
3.3 遗传连锁是遗传作图的基础 C. 用于关联分析的软件
TASSEL
Structure
4. 物理作图
遗传图谱的局限性： 1. 遗传图谱的分辨率依赖
于所得到的交换数目； 2. 遗传图谱的准确率有限
酿酒酵母第3号染色体遗 传图谱与物理图谱的比较
• 在过去，探针必须是相当长的DNA的分子，通常至 少是40kb的克隆片段；随着荧光信号放大技术的应 用，现在最小可以检测500bp的DNA片段。
荧光原位杂交
（fluorescent in situ hybridization，FISH）
荧光原位杂交 （fluorescent in situ hybridization，FISH）
一种封闭探针重复序列的方法
4.2 荧光原位杂交（FISH）
B. FISH应用的局限性
• 中期染色体是高度凝聚的，每条染色体都具有可识 别的形态。
• 使用中期染色体的缺点在于，由于它的高度浓缩的 性质，只能进行低分辨率作图，两个标记间至少相 隔1 Mb才能分辨出来。
• 因此，中期染色体FISH主要用于确定新标记在染色 体上的大概位置，为更精细的作图做准备。
人的基因组中大约 有4x106个SNP; 绝大多数SNP是双 等位基因； 有的能形成RFLP ，绝大多数不能。
a. 通过寡核苷酸杂交分析检测SNP
寡核苷酸是在试管中合成的长度小于50 bp的DNA分子 ，在高严谨杂交条件下，寡核苷酸只有与待测DNA分子 形成完全的碱基配对时，二者才能杂交；如果有一个碱 基错配，杂交体会非常不稳定，不能形成杂交信号。
基因组测序的两种方法
2. 遗传图谱和物理图谱
遗传图谱：指应用遗传学技术（遗传重组）构建的能在 基因组上显示基因和其它序列特征位置的线性排列 图，反映了基因或标记间的相对距离和顺序。cM
物理图谱：指应用分子生物学技术直接分析DNA分子 ，从而构建的能显示包括基因在内的序列特征位置 的图谱，它反映了基因或标记间的实际距离。 bp，kb，Mb
• 操作较繁琐，数据积累速度太慢。
4.2 荧光原位杂交（FISH）
B. FISH应用的局限性 更精细作图的两种途径：
当淬灭复合物与荧光染料相 邻时，无荧光发出；如果寡 核苷酸与待测DNA能够杂交 ，则会破坏环形结构，此时 淬灭复合物远离荧光染料， 有荧光发出。
b. 通过耐扩增突变系统检测SNP （Amplification Refractory Mutation System, ARMS）
将SNP位点引入PCR引物3’端的 最后一个碱基，直接进行PCR扩 增。 在严谨的PCR条件下，存在SNP 的引物对不能扩增出目的条带。
4.2 荧光原位杂交（FISH） A. 用荧光探针进行原位杂交
• 用于原位杂交的探针的标记要同时满足高灵敏度和 高分辨率两个条件，非放射性的DNA荧光标记技术 能满足这一要求。
• 现已设计出具有不同发光特性的荧光标记物，可以 将一组不同的探针与单个染色体杂交，并分辨出每 种杂交信号，从而检测出各探针的相对位置。
• 一旦得到了基因组图谱，基因组计划中的测序阶段可 以采用下面两种方法之一进行：
(1) 全基因组鸟枪法（whole-genome shotgun）：使用 基因组图谱上的显著特征为界标，指引着将用鸟枪 法获得的大量短序列拼接成主序列。
(2) 克隆重叠群法（clone contig）：将基因组打断成长 度为数百kb或数个Mb的大片段，将这些大片段定位 到基因组图谱上并拼接成重叠群，利用鸟枪法对大 片段分别测序后再进行拼接。
B. 限制性作图的规模受限于限制性片段的大小
• 如果使用的限制酶在DNA上切点相对较少，构建限 制性图谱就比较容易。
• 限制性作图更适用于小分子。如果DNA分子小于50 kb，通常选用6碱基识别序列的限制性酶来构建限 制图谱。
• 对于大于50 kb的DNA分子，可以选用“稀有酶” 进行构建。
4.1 限制性作图
4. 物理作图
4.1 限制性作图 （Restriction mapping）
4.1 限制性作图
A. 限制性作图的基本方法
1) 双酶解（double digest） Key：分析重叠片段
2) 部分酶解+完全酶解：比较分析这两种情况下的片 段大小。
3) 末端标记+部分酶解 a) 利用放射性的同位素标记DNA的3’端或5’端 b) 部分酶解 c) 放射自显影
正交变电场凝胶电泳
两对电极间的电场可以改变，每对电极与凝胶长度方向成45度角； 电场的每次改变都迫使DNA分子重新排列，从而提高分辨率。
4. 物理作图
4.2 荧光原位杂交（FISH）
A. 用荧光探针进行原位杂交
原位杂交是以标记的DNA分子 为探针，检测完整染色体的一 甲酰胺 种杂交分析方法。
分裂中期染色体
1) 双酶解
2.9 kb的DNA片段 பைடு நூலகம்coR I+BamH I
EcoR I BamH I
1.0 0.5
1.2
1.5 KB 1.4 KB
1.2 KB 1.0 KB 0.7 KB
E
1.2 KB 1.0 KB 0.5 KB
BE E
0.5 0.2
B
EB
0.2 KB
0.2
BE
1
2
1.0 0.5 0.2 1.2 B EB 限制酶切图谱
Chapter 3 Mapping Genomes
内容
1. 概述 2. 遗传图谱和物理图谱 3. 遗传作图 4. 物理作图
1. 概述
• 测序工作中有一个局限性：在一个测序反应中一般只 能测出1 kb左右的准确序列。这就意味着长的DNA分 子必须由一系列短的序列拼接而成，即需将大分子分 解为片段，测出每一段的序列，再用计算机寻找重叠 的部分，从而拼接成长的序列－鸟枪法（shotgun）。
A. 限制性片段长度多态性 （restriction fragment length polymorphism，RFLP） 用限制性内切酶酶切基因组DNA时，在同一种生物的不 同个体间出现含同源序列的酶切片段长度的差异。
人的基因组中大 约有105个RFLP
确 定
R
F
L
P
的
酶切扩增多态性序列（C1eaved Amplified Polymorphic Sequences，CAPS）
通过荧光标记显示出DNA探针在染色体上的位置
如果探针中含有一 些重复序列，它可 能会和染色体上的 多个位点发生非特 异性杂交； 因此，探针在使用 前要和来自被研究 组织中的未标记 DNA混合； 用于混合的未标记 DNA可以是总的 核DNA，但最好 是富含重复序列的 DNA片段。
这时探针只与特异序列发生杂交
2) 部分酶解+完全酶解
完全酶解
1200bp 1000bp
部分酶解
3000bp 2200bp 1800bp 1200bp 1000bp
800bp
800bp
800bp 1000bp
* 1200bp
R
R
部分酶解
3000bp 2200bp
3)末端标记+部分酶解
1200bp
3) 末端标记+部分酶解
4.1 限制性作图
两
种
方
法
B. 简单重复序列
Simple sequence repeat, SSR, Microsatellite (微卫星) 指重复单位相对较小（2-6bp的基序），由于重复单位 数目的变化而形成的多态性。
SSR
人的基因组中大 约有5x105个SSR
PCR+平板PAGE 电泳
PCR+毛细管电泳
引物需要荧光标记 可获得片段的准确长度
交变脉冲场凝胶电泳（PFGE）：1984年，Schwartz和
Centor发明；这项技术采用定时改变电场方向的交变电源， 每次电流方向改变后持续1s到5min左右，然后再改变电流方 向，反复循环，所以称之为脉冲式交变电场。
• 正交变电场凝胶电泳（OFAGE） • 电场转换凝胶电泳（FIGE） • 等高加压均匀电场（CHEF）
3. 遗传作图
3.3 遗传连锁是遗传作图的基础
A. 遗传群体的构建
• 分离群体
P1 P2
P3
连续回交 F1
回交群体（NIL）
• 收集的品种群体
组织培养
三交群体 F2
单倍体
连续自交 染色体加倍
RIL
DH
3. 遗传作图
f2 backcross ri self
3.3 遗传连锁是遗传作图的基础
B. 用于绘制遗传图谱的软件
1992
4. 物理作图
物理作图的常用方法：
1) 限制性作图：在DNA分子上定位限制性内切酶酶 切位点的相对位置；
几十个碱基
鸟枪法组装序列
丢失 鸟枪法中遇到的问题－串联重复DNA
错误拼接 鸟枪法中遇到的问题－基因组范围内的重复
1. 概述
• 因此，必须首先建立一个基因组的图谱，通过标明基 因或其他显著特征的位置，为测序提供指导。
• 形态标记 • 细胞学标记 • 生化标记 • DNA分子标记
所有的标记都必须具有多态性！
DNA分子标记
简称分子标记 指在DNA水平，具有相对差异的等位基因的DNA多
态性标记，是DNA水平上遗传变异的直接反映。
优点： ❖ 不受时间和环境的限制 ❖ 遍布整个基因组，数量无限 ❖ 不影响性状表达 ❖ 变异丰富，多态性好 ❖ 大部分为共显性，能鉴别纯合体和杂合体
Mapmaker Version 3.0
Joinmap Version 3.0
3. 遗传作图
3.3 遗传连锁是遗传作图的基础 C. 用于关联分析的软件
TASSEL
Structure
4. 物理作图
遗传图谱的局限性： 1. 遗传图谱的分辨率依赖
于所得到的交换数目； 2. 遗传图谱的准确率有限
酿酒酵母第3号染色体遗 传图谱与物理图谱的比较
• 在过去，探针必须是相当长的DNA的分子，通常至 少是40kb的克隆片段；随着荧光信号放大技术的应 用，现在最小可以检测500bp的DNA片段。
荧光原位杂交
（fluorescent in situ hybridization，FISH）
荧光原位杂交 （fluorescent in situ hybridization，FISH）
一种封闭探针重复序列的方法
4.2 荧光原位杂交（FISH）
B. FISH应用的局限性
• 中期染色体是高度凝聚的，每条染色体都具有可识 别的形态。
• 使用中期染色体的缺点在于，由于它的高度浓缩的 性质，只能进行低分辨率作图，两个标记间至少相 隔1 Mb才能分辨出来。
• 因此，中期染色体FISH主要用于确定新标记在染色 体上的大概位置，为更精细的作图做准备。
人的基因组中大约 有4x106个SNP; 绝大多数SNP是双 等位基因； 有的能形成RFLP ，绝大多数不能。
a. 通过寡核苷酸杂交分析检测SNP
寡核苷酸是在试管中合成的长度小于50 bp的DNA分子 ，在高严谨杂交条件下，寡核苷酸只有与待测DNA分子 形成完全的碱基配对时，二者才能杂交；如果有一个碱 基错配，杂交体会非常不稳定，不能形成杂交信号。
基因组测序的两种方法
2. 遗传图谱和物理图谱
遗传图谱：指应用遗传学技术（遗传重组）构建的能在 基因组上显示基因和其它序列特征位置的线性排列 图，反映了基因或标记间的相对距离和顺序。cM
物理图谱：指应用分子生物学技术直接分析DNA分子 ，从而构建的能显示包括基因在内的序列特征位置 的图谱，它反映了基因或标记间的实际距离。 bp，kb，Mb
• 操作较繁琐，数据积累速度太慢。
4.2 荧光原位杂交（FISH）
B. FISH应用的局限性 更精细作图的两种途径：
当淬灭复合物与荧光染料相 邻时，无荧光发出；如果寡 核苷酸与待测DNA能够杂交 ，则会破坏环形结构，此时 淬灭复合物远离荧光染料， 有荧光发出。
b. 通过耐扩增突变系统检测SNP （Amplification Refractory Mutation System, ARMS）
将SNP位点引入PCR引物3’端的 最后一个碱基，直接进行PCR扩 增。 在严谨的PCR条件下，存在SNP 的引物对不能扩增出目的条带。
4.2 荧光原位杂交（FISH） A. 用荧光探针进行原位杂交
• 用于原位杂交的探针的标记要同时满足高灵敏度和 高分辨率两个条件，非放射性的DNA荧光标记技术 能满足这一要求。
• 现已设计出具有不同发光特性的荧光标记物，可以 将一组不同的探针与单个染色体杂交，并分辨出每 种杂交信号，从而检测出各探针的相对位置。
• 一旦得到了基因组图谱，基因组计划中的测序阶段可 以采用下面两种方法之一进行：
(1) 全基因组鸟枪法（whole-genome shotgun）：使用 基因组图谱上的显著特征为界标，指引着将用鸟枪 法获得的大量短序列拼接成主序列。
(2) 克隆重叠群法（clone contig）：将基因组打断成长 度为数百kb或数个Mb的大片段，将这些大片段定位 到基因组图谱上并拼接成重叠群，利用鸟枪法对大 片段分别测序后再进行拼接。
B. 限制性作图的规模受限于限制性片段的大小
• 如果使用的限制酶在DNA上切点相对较少，构建限 制性图谱就比较容易。
• 限制性作图更适用于小分子。如果DNA分子小于50 kb，通常选用6碱基识别序列的限制性酶来构建限 制图谱。
• 对于大于50 kb的DNA分子，可以选用“稀有酶” 进行构建。
4.1 限制性作图
4. 物理作图
4.1 限制性作图 （Restriction mapping）
4.1 限制性作图
A. 限制性作图的基本方法
1) 双酶解（double digest） Key：分析重叠片段
2) 部分酶解+完全酶解：比较分析这两种情况下的片 段大小。
3) 末端标记+部分酶解 a) 利用放射性的同位素标记DNA的3’端或5’端 b) 部分酶解 c) 放射自显影
正交变电场凝胶电泳
两对电极间的电场可以改变，每对电极与凝胶长度方向成45度角； 电场的每次改变都迫使DNA分子重新排列，从而提高分辨率。
4. 物理作图
4.2 荧光原位杂交（FISH）
A. 用荧光探针进行原位杂交
原位杂交是以标记的DNA分子 为探针，检测完整染色体的一 甲酰胺 种杂交分析方法。
分裂中期染色体
1) 双酶解
2.9 kb的DNA片段 பைடு நூலகம்coR I+BamH I
EcoR I BamH I
1.0 0.5
1.2
1.5 KB 1.4 KB
1.2 KB 1.0 KB 0.7 KB
E
1.2 KB 1.0 KB 0.5 KB
BE E
0.5 0.2
B
EB
0.2 KB
0.2
BE
1
2
1.0 0.5 0.2 1.2 B EB 限制酶切图谱
Chapter 3 Mapping Genomes
内容
1. 概述 2. 遗传图谱和物理图谱 3. 遗传作图 4. 物理作图
1. 概述
• 测序工作中有一个局限性：在一个测序反应中一般只 能测出1 kb左右的准确序列。这就意味着长的DNA分 子必须由一系列短的序列拼接而成，即需将大分子分 解为片段，测出每一段的序列，再用计算机寻找重叠 的部分，从而拼接成长的序列－鸟枪法（shotgun）。
A. 限制性片段长度多态性 （restriction fragment length polymorphism，RFLP） 用限制性内切酶酶切基因组DNA时，在同一种生物的不 同个体间出现含同源序列的酶切片段长度的差异。
人的基因组中大 约有105个RFLP
确 定
R
F
L
P
的
酶切扩增多态性序列（C1eaved Amplified Polymorphic Sequences，CAPS）
通过荧光标记显示出DNA探针在染色体上的位置
如果探针中含有一 些重复序列，它可 能会和染色体上的 多个位点发生非特 异性杂交； 因此，探针在使用 前要和来自被研究 组织中的未标记 DNA混合； 用于混合的未标记 DNA可以是总的 核DNA，但最好 是富含重复序列的 DNA片段。
这时探针只与特异序列发生杂交
2) 部分酶解+完全酶解
完全酶解
1200bp 1000bp
部分酶解
3000bp 2200bp 1800bp 1200bp 1000bp
800bp
800bp
800bp 1000bp
* 1200bp
R
R
部分酶解
3000bp 2200bp
3)末端标记+部分酶解
1200bp
3) 末端标记+部分酶解
4.1 限制性作图
两
种
方
法
B. 简单重复序列
Simple sequence repeat, SSR, Microsatellite (微卫星) 指重复单位相对较小（2-6bp的基序），由于重复单位 数目的变化而形成的多态性。
SSR
人的基因组中大 约有5x105个SSR
PCR+平板PAGE 电泳
PCR+毛细管电泳
引物需要荧光标记 可获得片段的准确长度
交变脉冲场凝胶电泳（PFGE）：1984年，Schwartz和
Centor发明；这项技术采用定时改变电场方向的交变电源， 每次电流方向改变后持续1s到5min左右，然后再改变电流方 向，反复循环，所以称之为脉冲式交变电场。
• 正交变电场凝胶电泳（OFAGE） • 电场转换凝胶电泳（FIGE） • 等高加压均匀电场（CHEF）
3. 遗传作图
3.3 遗传连锁是遗传作图的基础
A. 遗传群体的构建
• 分离群体
P1 P2
P3
连续回交 F1
回交群体（NIL）
• 收集的品种群体
组织培养
三交群体 F2
单倍体
连续自交 染色体加倍
RIL
DH
3. 遗传作图
f2 backcross ri self
3.3 遗传连锁是遗传作图的基础
B. 用于绘制遗传图谱的软件
1992
4. 物理作图
物理作图的常用方法：
1) 限制性作图：在DNA分子上定位限制性内切酶酶 切位点的相对位置；