第四章 基因的功能分析.pptVIP

第四章 基因的功能分析 主要内容 第一节 遗传图谱与连锁分析 第二节 基于作图的基因克隆 第三节 基因的突变分析 第四节 基因的表达分析 基因的功能至少可以分为三个层次 基因水平的功能(如转录因子、RNA代谢、信号转导等)； 生物化学水平的功能(甲基转移酶、ATP酶、蛋白质降解等)； 生理学与生物学水平的功能(参与抗逆、控制花期、控制株高等) 基因功能的表现 基因的功能可能会在所有三个层次都有表现，比如控制花氰苷合成途径的转录因子，在基因水平它的功能是与启动子结合，激活参与这个途径的基因的转录；在生物化学水平，这些基因的转录造成了花氰苷的生物合成；在生理学水平，这些代谢反应会影响到植物的抗病性、抗逆性和花色等。 也有些基因，其功能主要反应在某个层次，如普通转录因子的某些亚基，它们的主要功能就是与特殊DNA序列识别，参与许多不同基因的转录。在这种情况下，它的功能层次应该定位在基因水平，它的突变所造成的生物学效应是次生的、间接的。 分子遗传学分为 “正向遗传学”和“逆向遗传学”，前者是通过表现型研究基因型，后者是通过基因型研究表现型。 正向遗传学 开始于一个突变株的表现型，然后通过遗传学方法(杂交)分析这性状的分离组合比例，最后把控制这个性状的基因克隆。 在这一系统中，突变造成了基因功能的丧失(在少数情况下是突变造成功能的获得)，所以野生型性状被认为是这个基因的正常功能的表现，即基因的功能在研究正式开始以前就是已知的。 逆向遗传学 通过某种方法(如差异显示试验，酵母双杂交试验等)，研究者通过某种方法先得到了一个基因的克隆或一种蛋白质，但对它的具体功能尚不知晓，研究的目的就是要搞清楚这个基因的生物功能(即它所控制的生物学性状)。 正向遗传学的优点 突变表现型已知，只要这个性状是由单基因或主效寡基因控制的，按部就班地往前走就应该能够找到控制这个性状的基因。 但是对多基因控制的性状，正向遗传学就颇有束手无策的感觉。 进入21世纪以来，通过正向遗传学手段已经克隆了部分控制数量性状的基因。 正向遗传学的主要缺点 工作量大、耗费时间长。据估计，要走完正向遗传学的全过程，一个研究人员要连续工作3～5年，如果是数量性状，这个时间长度可能还要加倍。 逆向遗传学的优缺点 快速准确：从基因到基因的突变到突变表现型，可谓单刀直入、立竿见影。 但是，由于很多基因控制的性状并不非常明确，或者一个基因控制许多性状，或者这个基因是必需的，突变株不能够成活，这些都将使逆向遗传学研究陷入困境 本章将沿着正向遗传学的研究方向介绍基因功能研究的方法与实例，并介绍功能基因组学的基本内容。 第一节 遗传图谱与连锁分析 一、遗传图谱与物理图谱 遗传图谱(genetic map) 又称为连锁图谱(linkage map)，是指遗传标记(genetic markers)在染色体上的相对位置，或称“遗传距离”。 遗传距离用遗传标记在染色体交换过程中分离的频率来表示，单位是cM (centimorgan，厘摩)。相距1cM的两个遗传标记在单染色体交叉(即姐妹染色单体发生重组)中，具有1％相互分离的机会。 遗传图谱对于分析基因组结构、遗传育种，以及与其他生物的进化关系的研究都十分重要。 构建遗传图谱的主要基础是拥有足够多的遗传标记。 遗传标记类型 主要分为4种，即形态学标记、细胞学标记、生物化学标记和DNA分子标记。 前三种标记都是以表现型为基础的，而DNA分子标记则是在DNA水平遗传变异的直接反映，属于基因型标记。 分子标记是指染色体上可以识别的、可以监测其遗传情况的物理位置(如限制性内切核酸酶酶切位点、多态性片段、特异序列等)。 与表型标记相比，DNA分子标记具有 以下优点： ①该标记可以在各发育时期的个体、组织、器官甚至细胞水平作检测，既不受环境的影响，也不受基因表达与否的限制； ②数量丰富； ③遗传稳定； ④对生物的影响表现“中性”； ⑤操作简便。 衡量遗传图谱质量高低的主要指标 有两个：一是广度，二是密度。广度是指标记覆盖整个基因组的程度，密度是指标记物间的平均距离。 一般来说，好的遗传图谱要覆盖广而且分辨率高。 物理图谱 遗传图谱表示的是标记之间的相对距离，而DNA序列上两点之间的绝对距离用物理图谱来表示。 物理图谱是进行基因组DNA序列分析的基础，它的标记都是分子标记，称为“序列标记位点”(sequencing tagged site，STS)。物理图谱的距离以碱基为单位。 物理图谱包括限制酶切图谱(restriction map)、连续片段图谱(contig map)和DNA序列图谱，其中DNA序列图谱是物理图谱中最精细的图谱。 一般来说，遗传距离与物理距离大致呈正相关，也就是说，遗传距离越远的标记，其物理距离也越远。但遗传距离并不能与物理距离完全等