基因组学重点分类修订版教学内容

基因组学重点分类修

订版

基因组学(Genomics):指以分子生物学技术、计算机技术和信息网络技术为研究手段，以生物体内全部基因为研究对象，在全基因背景下和整体水平上探索生命活动的内在规律及其内外环境影响机制的科学。

C 值悖理（矛盾）（C-value paradox)：在结构、功能很相似的同一类生物中，甚至在亲缘关系十分接近的物种之间，它们的C值可以相差数10倍乃至上百倍。

隔裂基因（split gene）：指基因内部被一个或更多不翻译的编码顺序即内含子所隔裂。

重叠基因：编码序列彼此重叠的基因。

基因内基因：在核基因组中较普遍，常在内含子包含其他基因。

反义基因：与已知基因编码序列互补的的负链编码基因，参与基因的表达调控，可以干扰靶基因mRNA转录与翻译。

克隆重叠群法（clone contig method，作图法测序）：以大片段定位的克隆为基础的定向测序战略主要采用克隆步移法或称重叠群法。这种逐步测序的方法花时间多，但精确。

全基因组鸟枪法（whole-genome shotgun method）：是随机先将整个基因组打碎成小片段进行测序，最终利用计算机根据序列之间的重叠关系进行排序和组装，并确定它们在基因组中的正确位置。全基因组鸟枪法是一种快速获得真核基因组的方法。

遗传作图（Genetic mapping）：采用遗传学分析方法将基因或其它DNA序列标定在染色体上构建连锁图。这一方法包括杂交实验，家系分析。遗传图距单位为厘摩(cM), 每单位厘摩定义为1%交换率。（相对位置）

物理作图（Physical 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。物理图的距离依作图方法而异，如辐射杂种作图的计算单位为厘镭(cR), 限制性片段作图与克隆作图的图距为DNA的分子长度，即碱基对(bp, kb)。（绝对位置）

微卫星序列（SSR）：或称简单串联重复（STR），重复单位较短。重复序列只有1-6个核苷酸，分布在整个基因组，10-50个重复单位。

LOD值：是指基因连锁可能性的对数，用于初步判断所研究的2个基因是否位于同一染色体上。

限制性作图：将限制性酶切位点标定在DNA分子的相对位置。

重叠群(contig)：可以通过末端的重叠序列相互连接形成连续的DNA长片段的一组克隆称为重叠群。

指纹：指确定DNA样品所具有的特定DNA片段组成，一个克隆的指纹表示了该克隆所具有的指定序列的特征，可以同其他克隆产生的同类指纹比较。

STS作图（指纹作图序列标签）：根据STS序列设计引物，扩增文库当中的克隆，能扩出条带的克隆都含有序列重叠的插入子。

作图试剂（mapping reagent)：STS作图过程中将已知的STS定位在染色体或基因组中的DNA区段，这些STS标记和作图用的染色体区段以及DNA克隆。

辐射杂种群（radiation hybrid panel)：通过放射杂交产生的融合细胞群称为辐射杂种群。

双脱氧链终止法（the chain termination method）：是通过合成与单链DNA 互补的多核苷酸链来读取待测DNA分子的顺序。

化学降解法（chemical degradation method）：是将双链DNA分子用化学试剂处理，产生切口，用同位素标记进行测序。

覆盖面（或深度）：每个核苷酸在完成顺序中平均出现的次数，或者说完成顺序的长度与组装顺序长度之比。

BAC 末端序列(BAC-end sequenced)：一个BAC克隆插入片段两端的已测序的序列,不包括内部顺序. 可用于确定BAC的排列方向以及重叠群(contig)在支架(scaffold)中的排列方向。

重叠群(contig)：一群相互重叠的克隆或DNA顺序,可以是草图顺序或精确顺序(finished), 包括连续的(内部无间隙)或不连续的(内部含间隙)DNA顺序,未锚定到染色体上。

草图顺序(draft sequence)：人类基因组测序计划定义为经Phred Q20软件认可覆盖测序克隆片段3-4倍的DNA顺序. 含间隙或无间隙, 排列方向和位置未定。

精确顺序(finished sequence)：顺序差错率(错误碱基数)低于0.01%的DNA序列, 排列方向确定,内部不含间隙, 一般测序覆盖率在8-10个单倍体基因组。支架(scaffold)：一组已锚定在染色体上的重叠群, 内部含间隙或不含间隙.。顺序间隙：因覆盖率的原因而留下的未能测序的顺序,仍存在于克隆文库中, 这类间隙称为顺序间隙。

物理间隙：因克隆载体自身的限制或DNA顺序特殊的组成等原因造成某些顺序丢失或未能克隆, 这类间隙称为物理间隙。

同源性(homology)基因系：指起源于同一祖先但序列已经发生变异的基因成员。

一致性(identity)：指同源DNA顺序的同一碱基位置的相同的碱基成员, 或者蛋白质的同一氨基酸位置的相同的氨基酸成员, 可用百分比表示。

相似性(similarity)：指同源蛋白质的氨基酸序列中一致性氨基酸和可取代氨基酸所占的比例。可取代氨基酸系指具有相同性质如极性氨基酸或非极性氨基酸的成员, 它们之间的代换不影响蛋白质(或酶)的生物学功能。

拟Northern 杂交：根据已知的DNA序列设计引物，从mRNA群体中扩增基因产物，再以DNA为探针与之杂交。

跳跃基因或转座子：一段DNA顺序可以从原位上单独复制或断裂下来，插入另一位点，并对其后的基因起调控作用，此过程称转座，这段序列称跳跃基因或转座子。

填空或选择：

1．基因组学包括3个不同的亚领域:：结构基因组学、功能基因组学、比较基因组学。

2．异常结构基因的分类：重叠基因、基因套基因、反义基因。

3．用于遗传学作图的DNA标记：限制性片段长度多态性（RFLP）、简单序列长度多态性（SSLP）、单核苷酸多态性（SNP）。

4．SSLP的类型：小卫星序列、微卫星序列（SSR）。

5．根据SNP在基因中的位置，SNP可分为：基因编码区SNP（cSNP）、基因周边SNP（pSNP）、基因间SNP（iSNP）。

6．遗传作图的方法：两点测验法、三点测验法。

7．不同模式生物的连锁分析（连锁分析分为3大范畴）：有性杂交实验、系谱分析、DNA转移。

8．非遗传学的作图技术统称物理作图，常用的方法有4类：限制性作图、基于克隆的基因组作图、荧光原位杂交（FISH）、序列标签位点（STS)。9．重叠群组建：染色体步移法、指纹法。

10. 指纹作图的分类：限制性带型指纹、重复顺序DNA指纹、重复顺序DNA PCR或分散重复顺序PCR、序列标签STS作图。

11.如何获得作图试剂：放射杂交、克隆文库。

12. DNA测序的方法：双脱氧链终止法、化学降解法。

13. 覆盖面相关公式： P

=e- m（m为覆盖面，即单倍体基因组数；e为自然对

数底数）

14. 间隙的类型：顺序间隙、物理间隙。

15. 基因组测序的其他路线：重要区域的优先测序、EST测序、浏览测序。

16. 内含子扫描时的注意事项：密码子偏好、外显子—内含子边界、上游调控序列。

17. 同源性基因的分类：直向同源基因、共生同源基因（水平基因）。18．基因功能的检测：基因失活、基因过表达。

19.突变库构建的方法：转座子路线、随机插入法。

20.突变库表达载体的类型：Ac- 载体、DsE-载体。

判断、简答或问答：

1. 克隆重叠群法的策略：

先构建遗传图，再利用几套高度覆盖的大片段基因组文库（BAC、PAC等）获得精细的物理图，选择合适的BAC或PAC克隆测序，利用计算机拼装。BAC内的空洞基本上都可以利用设计引物等手段填补，形成一条完整的BAC序列。然后由相互关联、部分重叠的BAC克隆连成一个大的重叠群（Contig）。

2. 全基因组鸟枪法的策略：

是随机先将整个基因组打碎成小片段进行测序，最终利用计算机根据序列之间的重叠关系进行排序和组装，并确定它们在基因组中的正确位置。

3. SSLP的类型及SSR的优缺点：

小卫星序列: 有时又称可变串联重复（VNTR），重复单位较长。由15~65bp的基本单位串联而成主要分布在染色体末端。

微卫星序列（SSR）：或称简单串联重复（STR），重复单位较短。重复序列只有1-6个核苷酸，分布在整个基因组，10-50个重复单位。

SSR技术的优点是：

（1）在基因组中随机分布，检测的多态性频率高。

（2）PCR特异引物，重复性好。

（3）共显性，操作相对简单。

SSR技术的缺点是：

（1）SSR需要测序和设计引物，因而需要大量的人力、物力和时间。

（2）另外其种属特异性强，开发所需的费用高昂，因此一些实验室进行了合作，共同开发微卫星引物。

4. 遗传作图的方法：

理论基础：采用一组分子标记构建遗传图的方法主要依赖于连锁分析。

基本方法：两点测验法和三点测验法

5. 细菌的遗传作图：

细菌遗传作图的主要困难在于这类生物是单倍体，不发生减数分裂，因此要设计一些方法使细菌DNA同源区段发生交换，主要采用部分二倍体作图技术。6. 为什么需要物理作图技术？为什么不能直接从遗传作图进入测序阶段？主要有以下原因：

（1）遗传图谱分辨率有限：由于人类及其大多数高等真核生物来说，不可能获得巨大数量的后代，因此可用于研究的减数分裂体就少很多，连锁分析就受限制，导致标记密度的减小，从而影响遗传作图。

（2）遗传图覆盖面低：由于染色体交换区域的不平衡，有些区段很少发生交换，难以获得高密度连锁图。

（3）遗传图分子标记的排列有时会出现差错：遗传作图依赖子代的重组及分离比，由于环境及取样误差，有时结果会出现差异，相同的标记在连锁图上位置不一样。

7. 限制性作图的基本原理：

方法是通过比较不同限制性内切酶切割所产生DNA片段大小：

（1）首先用一种酶处理样品后，电泳确定DNA片段的大小。

（2）然后用第二种酶处理，获得第二组片段。

（3）最后用两种酶混合处理，获得第三组片段。

收集上述资料进行对比组装：

（1）两种酶切位点交替出现的区段用加减法确定其的相对位置。

（2）连续出现2个或多个相同酶切位点的区段，采用部分酶解法。

（3）切点过多时可以采用末端同位素标记结合部分酶解进行绘图。

8. 大于50kb的基因组能否用限制性作图？

答案是肯定的。通过选择靶DNA分子中的稀有酶切位点酶可以克服限制性酶切作图的局限性。

9. 染色体细胞图：通过原位杂交可以将基因或DNA分子标记定位在染色体的某一区域，由此绘制的基因或DNA分子标记所在的染色体位置图成为细胞图。最常用的技术为荧光原位杂交(FISH)。

10. STS作图（序列标记位点作图）的原理：

（1）基因组中单一序列标签位点都有独一无二组成，有固定的位置。

（2）两个STS出现在同一片段的机会取决于他们在基因组中的距离，彼此靠的越近，分离的几率越小，彼此相隔越远，分离的几率越大。

（3）两个STS之间相对距离的估算与连锁分析的原理一样，它们之间的图距根据它们的分离频率来算。

（4）两个片段含有同一STS序列时，可断定两个片段彼此重叠。

11. 双脱氧链终止法基本原理:

通过合成与单链DNA互补的多核苷酸链，由于合成的互补链可在不同位置随机终止反应，产生只差一个核苷酸的DNA分子，从而来读取待测DNA分子的顺序。

12. 双脱氧链终止法主要步骤:

（1）制备单链模板：模板、DNA聚合酶、引物、4种dNTP。

（2）ddNTP的加入：在反应系统中加入双脱氧（碱基）核苷三磷酸（ddNTP），DNA聚合酶并不能区分dNTP和ddNTP;由于ddNTP在3’ 端碳原子连接的是氢原子而不是羟基，不能与下一个核苷酸的磷酸集团发生脱水聚合反应只要双脱氧核苷酸掺入3’ 端，该链就停止延伸，链端掺入单脱氧核苷酸的片段可继续延伸。如此得到3’端终止于ddNTP的一系列长度不等的核酸片段。

（3）读取序列：典型的链终止法分为4组，每一组分别加入ddATP、ddCTP、ddGTP和ddTTP，浓度低于dNTP，反应终止后，每一组链终止样品反应液在聚丙烯酰胺凝胶中各占1个泳道，分离长短不一的核酸片段(长度相邻者仅差一个碱基)，DNA序列根据凝胶中新链显示的位置信号读取；根据片段3’端的双脱氧碱基，可依次阅读合成片段的碱基排列顺序。

13.基因组测序策略：

（1）按照大分子DNA克隆绘制的物理图分别在单个大分子DNA内部进行测序和序列组装，然后将彼此相连的的大分子克隆按排列次序搭建支架，最后以分子标记为向导将搭建的支架分别锚定到基因组整合图上（作图测序）；

（2）个基因组DNA打断成小片段后克隆到质粒载体上，然后随机挑选克隆对插入片段进行测序，并以测序的序列构建重叠群，在此基础上搭建支架，以分子标记为向导将搭建的支架分别锚定到基因组整合图上（全基因组随机测序或鸟枪法测序）。

14. 鸟枪法序列组装与作图法序列组装的原理及优缺点：

1.鸟枪法序列组装：

原理：鸟枪法的序列组装是直接从已测序的小片段中寻找彼此重叠的测序克隆，然后依次向两侧邻接的序列延伸。这一方法不需要预先了解任何基因组的情况，即使缺少遗传图谱和物理图谱，也可以完成整个基因组的组装。

优点：

测序速度快，并且无须提供相关的遗传图谱和物理图谱。

缺点：

（1）对于结构复杂的大基因组而言，鸟枪法的序列组装的起始阶段工作量非常大。

（2）首先需要对小片段进行序列分析，找出重叠群，需要分析的小片段的数量太大，达到现有计算机能力的极限。

（3）基因组中普遍存在的重复序列是十分棘手的问题，在序列组装时可能出现错误连接，使某些片段从原位置跳到另一无关位置。

（4）因此，对于缺少重复顺序的小基因组（<5Mb）而言，鸟枪法仍为最佳的选择，但对于大基因组而言，还需要更加有效的策略。

15.作图法序列组装：

原理：实践证明，在5Mb的范围内，用鸟枪法进行测序组装可以获得较好的效果。因此，对于大基因组而言，可以先将基因组DNA分解为若干个较大的DNA 片段，构建基因组文库。每个大片段克隆可以独立进行鸟枪法测序，亦可以组建重叠群后进行鸟枪法测序。因此称为克隆重叠群测序法。

优点：适合于大基因组的测序。

缺点：测序速度慢，并且须提供相关的遗传图谱和物理图谱。

16．基因同源性只有“是”和“非”的区别, 无所谓百分。

17.两种RNAi现象：

（1）siRNA: 小分子干扰RNA, 主要产生于双链RNA分子, 在细胞内它们被切成短链RNA,然后与靶mRNA序列结合,导致mRNA的进一步降解。

（2）miRNA: 微小干扰RNA(一类内源性的具有调控功能的非编码RNA), 主要来自mRNA链内配对产生的双链RNA，在细胞内它们被切成短链RNA，然后与靶mRNA序列结合,使mRNA的翻译受阻或使mRNA降解。