第十 二 章 基因组分析与基因组印记

1. 第十二章 基因组分析与基因组印记 第一节 基因组分析 一、基因组概念及其衡量指标 二、基因组的特点 三、人类基因组计划 四、基因组分析热潮 第二节 基因组印记 一、概念及实验证据 二、人类遗传的印记现象 三、可能机理 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

2. 第一节 基因组分析(geneome analysis) • 一、基因组概念及衡量指标 • 1、概念：基因组(genome)也称染色体组，是指能够维持配子或配子体正常功能的最低数目的一套染色体及其所含的全部基因。 • 基因组分析：就是分析基因组的序列、结构、功能等。 • 2、基因组大小的衡量指标：基因数和C值。 • 基因数：基因数在一定程度上反映了某物种的复杂程度，如病毒、大肠杆菌、真菌、高等植物、海胆、人等的结构基因数目依次为数十、约3 000、约7 000、约15 000、约14 000、约35 000。 • 病毒，细菌的基因组比较简单，而真核生物，特别是人的基因组比较复杂。 • C值(C Value):一个物种的单倍体基因组的DNA总量是相对恒定的，通常称之为该物种的C值(C Value)。※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

3. 图13-10是不同种类生物基因组DNA的C值分布范围 参考姚世鸿等(2001) Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

4. 从图13-10中可以看出，C值最小的是原核生物的支原体，小于106bp，最大的是真核生物中的某些显花植物和两栖动物，它们的C值可达1011 bp。 • 从原核生物到真核生物， C值愈大，基因组大小、DNA含量、进化复杂程度、生物结构和功能的复杂程度愈高，需要的基因数目和基因产物种类愈多。 • 但是，万物之灵的人，其C值只有109bp，而肺鱼的C值则为1011bp，比人的高出100倍。 • C值的大小并不能完全说明生物进化的程度和遗传复杂性的高低，这种生物进化复杂性与C值大小的不一致现象，就是C值悖理(C value paradox)。 • 解释：生物复杂性及进化程度依赖于遗传物质的数量和质量。高度进化及遗传复杂性必需要一定数量的遗传物质作为基础。在遗传物质较少时，遗传物质数量是进化的主要限制因素，数量的增加，可大大增加生物的复杂性及进化层次。但是当达到一定数量后，遗传物质的质量将成为主要限制因素，基因质量的提高，才能使其进化层次得到提高。有些生物尽管C值很大，但是由于基因质量的提高不大，进化程度仍不高。 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

5. 二、基因组特点 • 1. 病毒(Virus)的基因组 • 病毒(Virus)不是原核生物，也不是真核生物，而是一类没有细胞结构，但有遗传、变异和寄生等生命现象的非细胞生物，由蛋白质外壳和核酸两部分组成，结构十分简单。 • 按寄主分类:细菌病毒(噬菌体)，植物病毒和动物病毒等类型。 • 病毒的核酸组成：一条线状或环状的单链或双链DNA或RNA分子。 • 病毒是最早进行基因组分析的生物。自20世纪70年代初，Fiers等对RNA细菌病毒MS2基因组分析以来，到现在为止，已完成了数百种病毒的基因组分析，其基因组结构特点，自学。 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

6. 2. 原核生物基因组-以大肠杆菌(E.coli)为例。 • 遗传物质：染色体DNA，质粒DNA。 • 基因组的特点： • 1、大小为4.6×106bp，长1 333μm，含有1 400个以上的基因，而且大都已定位(图13-9)。 • 2、多数功能相关的结构基因连接成操纵子或高度集中，受一个共同的调节基因、操作子和启动子调控，转录成一条多基因的mRNA。少数是分散的。 • 3、各种基因的启动子和操作子的DNA序列是多种多样的，以便与DNA聚合酶和调节蛋白发生不同程度的结合，以对各种基因的表达加以精确的调节。 • 4、蛋白质基因通常以单拷贝的形式存在。但RNA基因通常是多拷贝的。 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

7. 3. 真核生物基因组 • 1. 主要是核基因组，由多条染色体组成，每条染色体又是由DNA分子和蛋白质等稳定地结合成染色质的多级结构。此外还有基因数目不小的细胞器基因组，它们对生命也是必不可少的。 • 2. 每条染色体上有很多个基因，基因间有间隔序列，基因内存在不表达的内含子，功能相关基因不排列成操纵子。但形成基因家族，其表达被发育调控。 • 3. 有大量不编码序列。果蝇基因组不编码DNA占90%左右，人的占98%。 • 4、DNA序列中有单拷贝序列、中度重复序列、高度重复序列三类。 • 5. 多数基因是单拷贝，但有些基因有大量拷贝。拷贝数可以上万。如人的基因组中至少具有20个拷贝的DNA序列，可占总DNA的30%左右。 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

8. 三、人类基因组计划 • 人类基因组计划：其科学目标是绘制遗传图和物理图， 1990年10月启动，2001年初步完成，并将于2003年最终获得人类基因组DNA全序列。 • 参加国家：美、英、日、法、德和中国科学家等。我国完成其中约1%的基因序列。 • 人类基因组由3×109个碱基对组成，共有3万～3.5万个基因。其中，与蛋白质合成有关的基因只占整个基因组的2%。 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

9. 人类基因组计划的意义 • (1)有鲜明的前沿性、先进性和带动性，将使生命科学成为21世纪的主流科学，并将成为新技术、新产业的基础和生长点。 • (2)人类基因组蕴涵有人类生、老、病、死的绝大多数遗传信息。人类基因组计划达到了探索遗传信息的顶点，为新世纪人类全面了解这些信息的奥秘，奠定了基础。破译这些信息将对医学、生物学等产生不可估量的影响，将为疾病的诊断、新药物的研制和新疗法的探索带来一场革命。 • 人类只有一个基因组，人类基因组是全人类共同的财富和遗产。人类基因组计划是人类历史上第一次“共有、共为、共享”的计划，所有具备能力的国家共同合作进行研究，而其研究结果也由全世界人民平等自由地分享。 • 带来的问题：基因歧视。 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

10. 四、基因组分析热潮 • 1. 基因组测序计划 • 在人类基因组计划之前，一些基因组较小的物种，早已开始了基因组测序。在人类基因组计划的激励下，又启动了很多模式生物的基因组测序计划。见下表。 • 基因組計畫或大規模的测序工作相當耗時、費力且成本昂貴。不是所有已测序生物的结果被公布。 • 目前人類、线虫、果蝇、水稻、拟南芥、多种微生物。其基因組序列资讯均已经完成测序并被放置在公共资料库上可供所有人免费使用。 • 2002年我国绘制了第1张水稻籼稻基因组全序列图谱，并发表在Science杂志上。 • SARS病毒测序：2003年4月22日我国中国科学院北京基因组研究所与军事医学科学院微生物流行病研究所合作完成。 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

11. 已完成或正在进行的基因组测序计划 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

12. 2. 中国在基因组分析中的作用 • 中国通过参与人类基因组计划，平等地分享了这一计划所建立的所有技术、资源和数据，我国成为世界上少数几个能够独立完成大型基因组分析的国家，水稻(籼稻)基因组的全基因组分析充分显示了我国的实力。 • 对中国科学家的贡献，前美国总统克林顿给予特别评价。2000年6月26日，克林顿在为人类基因组“工作框架图”所举行的“白宫科学庆典”上说：“我还感谢他们国家(日、德、法)的科学家，不仅是他们国家的，还有中国的科学家，对广泛国际合作的人类基因组计划做出了杰出贡献”。 • DNA双螺旋结构发现者之一的詹姆斯·沃森认为，中国的基因组研究机构“可以和世界上任何一个国际同类机构媲美和竞争”。中国已经成为“DNA科学的重要角色”。 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

13. 基因组分析所需要的仪器，SARS病毒 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

14. 3.后基因组研究 • 随着人类基因图谱的完成，国际上一些主要的发达国家正掀起一个后基因组计划的研究热潮和蛋白质组研究热潮，这是本世纪生命科学领域和多学科交叉领域最活跃、最前沿、同时也将推动高技术产业大力向前发展的研究领域。 • 后基因组研究主要是功能基因组学。 • 功能基因组学：是以功能基因鉴定为中心的基因组学分支学科。由于它主要是在基因组测序基础上进行的，因此又被称为基因组后研究。 • 测序只是基因组研究的第1步，各序列有何作用和功能未知。所以功能基因组学富有比测序更大的意义，只有了解了其功能，才能很好利用它。 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

15. 第二节 基因组印记(genomic imprinting) • 自20世纪80年代以来，已有越来越多的研究资料表明，来自双亲的同源染色体或等位基因在功能上可存在差异。也就是说，当同一种染色体或基因由不同性别的亲本传给子代时，可引起不同的子代表型，这种亲本效应通常对下一代发生作用。 • 概念：同源染色体或等位基因在来源不同时表达不同的现象，被称之为基因组印记、遗传印记(genetic imprinting)、或亲代印记(parental imprinting)。 • 很难用孟德尔定律、细胞质遗传、性连锁遗传、多基因遗传来圆满解释。这种现象。 • 可能原因：亲代的生殖细胞在分化过程中受到不同的修饰有关。当一种基因产生不同于正常的表型时，就称该基因被打上了印记(imprinted)。 • 因此，基因组印记也被解释为同一基因或染色体的父源或母源效应。 • 至今已发现35种人类遗传性疾病与基因组印记有关。 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

16. 一、基因组印记的实验证据 • Cattanach等(1980)发现：拥有2条雌性亲代第11号染色体的小鼠在胚胎期要比正常小鼠小，而拥有2条雄性亲代第11号染色体的小鼠在胚胎期要比正常小鼠大，但这两种小鼠胚胎都死于发育阶段。 • McCrath等(1984)利用人工孤雌或孤雄生殖的方法产生了两种特殊类型的小鼠胚胎：一种小鼠胚胎的全套染色体全部来自雄性亲本，另一种小鼠胚胎的全套染色体全部来自雌性亲本，但它们都在发育期死亡了。而雌雄双方各一套基因组的小鼠胚胎才能正常生长，证明了父源和母源染色体上的某些基因对胚胎发育具有不同的作用。 • 后来的研究表明，父源的遗传信息对维持胎盘和胎膜十分必要，而母源的遗传信息则对受精卵的早期发育是很关键的。 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

17. Swain等(1984)将癌基因C. myc转移到小鼠胚胎中，追踪分析转基因小鼠的家系发现，正常情况下C. myc在小鼠心肌细胞中表达，但当该基因由母方传给子代时，则在子代心肌细胞中不表达。 • 人类疾病：普拉德-威利综合征(Prade Willi syndrome，PWS)(智力低下，行为异常，性腺机能减退，生长失调)和安吉尔曼综合征(Angelman syndrome,AS)(面容特殊，大嘴、呆笑、红面颊、步态不稳、癫痫、严重智力低下)都与第15号染色体长臂1区1至3带的缺失有关。当患儿缺陷染色体来自父亲则患PWS，若来自母亲，则患AS。 • 到90年代中期，人们已发现在转基因小鼠中约有1/4的转基因在子代中表达依赖于传递该基因的亲本性别。当基因从雄性小鼠(第Ⅱ代)传给子代(第III代)时，在子代中表达，但在第III代中有基因表达的雌鼠，再将该基因传给她的子代(Ⅳ代)时则不表达，由不表达(第Ⅳ代)的雄性小鼠产生的子代(第Ⅴ代)中，该基因又表达。因而称之为母源基因组印记(图13-15)。 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

18. 母源基因组印记模式 参考姚世鸿等(2001) Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

19. 二、基因组印记的特点 • (1)影响因素：i. 被转移基因的拷贝数、基因大小及插入位置。ii. 来源。 • (2)可以只影响基因组的部分区域，如一些染色体或一些基因。实验证明：小鼠基因组分为被印记和非印记区域。 • (3)一般发生在哺乳动物配子形成期，并且是可以逆转的。 • (4)不是一种突变，也不是永久的变化，但持续在一个个体的一生中，在下一代配子形成时旧印记可以消除，并发生新的印记。 • (5)是一种修饰，有利于产生生物表型多样性，有利于维持杂种优势，有利于生物进化。如母方的某些基因在受精和胚胎发育中必须“沉默”(被印记了)，以此来调节不同亲本来源基因的差异表达，出现基因型相同但表型不一样的情况。 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

20. 三、基因组印记的可能机理 • 目前，对基因组印记的机理尚不十分清楚。可能机制是DNA的甲基化。 • 在小鼠中已发现精细胞中DNA甲基化要比卵细胞的多，这对早期胚胎发育阶段调节双亲等位基因的不同表达有重要作用。 • 对典型的组织特异基因在生殖细胞及其合子发育的早期阶段全部甲基化。当发生去甲基化时，这些基因即开始表达。 • DNA甲基化可能抑制转录，影响DNA和蛋白质之间的相互作用，是影响基因表达的众多因素之一。 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

21. 作业 • 1. 解释：基因组，基因组分析，C值。 • 2. 什么是C值勃理现象？如何解释？ • 3. 请列表比较病毒、原核生物、真核生物基因组特点的异同。 • 4. 人类基因组计划的主要内容是什么？它有何意义？ • 5. 什么是基因组印记？它有何特点？其可能机制是什么？ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

22. 主要参考文献： • 姚世鸿，王景佑，陈庆富，主编，2001：遗传学。贵州人民出版社 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University