17.2: 绘制基因组图
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培养技能
- 定义基因组学
- 描述遗传和物理图谱
- 描述基因组映射方法
基因组学是对整个基因组的研究，包括全套基因、其核苷酸序列和组织以及它们在一个物种内部以及与其他物种的相互作用。 基因组映射是寻找每条染色体上基因位置的过程。 通过基因组映射创建的地图与我们用来在街道上航行的地图相当。 遗传图谱是列出基因及其在染色体上的位置的插图。 遗传图谱提供了大局（类似于州际公路地图），并使用遗传标记（类似于地标）。 遗传标记是染色体上与特定特征共分离（显示遗传联系）的基因或序列。 早期的遗传学家称之为这种关联分析。 物理图显示了染色体较小区域的私密细节（类似于详细的路线图）。 物理图谱以核苷酸表示基因或遗传标记之间的物理距离。 建立完整的基因组图谱需要遗传连锁图谱和物理图谱。 拥有完整的基因组图谱使研究人员更容易研究单个基因。 人类基因组图谱帮助研究人员努力识别与癌症、心脏病和囊性纤维化等疾病有关的人类致病基因。 基因组映射可用于其他各种应用，例如使用活微生物清理污染物，甚至防止污染。 涉及植物基因组图谱的研究可能会提高作物产量或开发出更能适应气候变化的植物。
遗传图谱
遗传图谱的研究从连锁分析开始，该程序分析基因之间的重组频率，以确定它们是否相互关联或显示独立分类。 连锁一词是在发现DNA之前使用的。 早期遗传学家依靠对表型变化的观察来了解生物体的基因型。 在现代遗传学之父格雷戈尔·孟德尔（Gregor Mendel）提出性状由现在所谓的基因决定后不久，其他研究人员观察到不同的特征通常是一起遗传的，因此推断出这些基因位于同一条染色体上而在物理上相互关联。 在连锁分析的基础上绘制了相互关联的基因图谱，从而形成了第一批遗传图谱。
研究了具有不同特征的父母之间杂交的后代，发现某些特征总是相互关联的，而其他一些特征却没有关联。 例如，在对花园豌豆进行的实验中，发现花的颜色和植物花粉的形状是相互关联的特征，因此编码这些特征的基因在同一条染色体上非常接近。 同源染色体对之间的 DNA 交换称为遗传重组，它是通过同源 DNA 链（例如非姐妹染色体）之间的 DNA 交叉而发生的。 连锁分析涉及研究任意两个基因之间的重组频率。 两个基因之间的距离越大，它们之间发生重组事件的几率就越高，它们之间的重组频率也越高。 图中显示了减数分裂期间两个非姐妹染色体之间重组的两种可能性\(\PageIndex{1}\)。 如果两个基因之间的重组频率低于50％，则说它们是相互关联的。
遗传图谱的生成需要标记，就像路线图需要地标（例如河流和山脉）一样。 早期的遗传图谱基于使用已知基因作为标记。 现在使用更复杂的标记，包括基于非编码DNA的标记，来比较人群中个体的基因组。 尽管特定物种的个体在基因上是相似的，但它们并不相同；每个人都有一组独特的特征。 群体中个体之间基因组的这些微小差异对于遗传图谱的目的很有用。 一般而言，良好的遗传标志物是染色体上显示群体变异性或多态性（多种形式）的区域。
用于生成遗传图谱的一些遗传标记是限制性片段长度多态性 (RFLP)、可变数量的串联重复 (vNTR)、微卫星多态性和单核苷酸多态性 (SNP)。 RFLP（有时发音为 “rif-lips”）是在使用限制性核酸内切酶切割个体的DNA时检测到的，该限制性核酸内切酶可识别DNA中的特定序列以生成一系列DNA片段，然后通过凝胶电泳对其进行分析。 当用一组特定的限制性核酸内切酶切割时，每个人的DNA都会产生独特的带状图案；这有时被称为个体的 “指纹”。 染色体中受多态性影响的某些区域将导致独特的带状图案的产生。 vNTR 是存在于 DNA 非编码区域的重复核苷酸组。 非编码或 “垃圾” DNA没有已知的生物学功能；但是，研究表明，其中大部分DNA实际上是被转录的。 尽管它的功能尚不确定，但它肯定是活跃的，它可能参与编码基因的调节。 在种群的个体生物中，重复次数可能有所不同。 微卫星多态性与 vNTR 类似，但重复单位非常小。 单核苷酸是单核苷酸的变体。
由于遗传图谱完全依赖于重组的自然过程，因此映射会受到基因组任何给定区域重组水平的自然增加或降低的影响。 基因组的某些部分是重组热点，而其他部分则没有重组的倾向。 因此，重要的是要查看通过多种方法开发的地图信息。
物理地图
物理图谱详细说明了遗传标记之间的实际物理距离以及核苷酸的数量。 创建物理图谱有三种方法：细胞遗传学映射、辐射混合映射和序列映射。 细胞遗传学图谱使用通过对染色体染色部分的显微分析获得的信息。 可以使用细胞遗传学图谱确定遗传标记之间的近似距离，但不能确定确切的距离（碱基对的数量）。 辐射混合映射使用辐射（例如X射线）将DNA分解成片段。 可以调整辐射量以产生更小或更大的碎片。 这种技术克服了遗传图谱的局限性，不受重组频率增加或减少的影响。 序列映射源于DNA测序技术，该技术允许创建详细的物理图谱，其距离以碱基对的数量来测量。 基因组文库和互补DNA（cDNA）文库（克隆序列的集合或来自基因组的所有 DNA）的创建加快了物理映射过程。 用于使用测序技术生成物理图谱的遗传位点（序列标记位点或 STS）是基因组中具有已知确切染色体位置的独特序列。 表达式序列标签 (EST) 和单序列长度多态性 (SSLP) 是常见的 STS。 EST 是使用 cDNA 文库进行鉴定的简短的 STS，而 SSLP 则从已知的遗传标记中获得，提供了遗传图谱和物理图谱之间的链接。
遗传和物理图谱的整合
遗传图谱提供轮廓，物理图谱提供细节。 不难理解为什么这两种类型的基因组映射技术对于显示大局都很重要。 从每种技术中获得的信息组合用于研究基因组。 基因组图谱用于用于研究的不同模型生物。 基因组映射仍在进行中，随着更先进技术的开发，预计会有更多的进步。 基因组映射类似于使用每条可用数据完成一个复杂的难题。 世界各地实验室生成的测绘信息被输入中央数据库，例如国家生物技术信息中心（NCBI）的GenBank。 正在努力使研究人员和公众更容易获得信息。 正如我们使用全球定位系统而不是纸质地图在道路上导航一样，NCBI 创建了一个基因组查看器工具来简化数据挖掘过程。
科学方法连接：如何使用基因组图查看器
问题陈述：人类、猕猴和小鼠基因组是否包含常见的 DNA 序列？
提出一个假设。
要检验假设，请单击此处。
在左侧面板的搜索框中，键入任何基因名称或表型特征，例如虹膜色素沉着（眼睛颜色）。 选择要研究的物种，然后按 Enter。 基因组图谱查看器将在您的搜索中显示哪个染色体编码该基因。 在基因组查看器中单击每个命中以获取更多详细信息。 这种类型的搜索是基因组查看器的最基本用途；它也可以用于比较物种之间的序列以及许多其他复杂的任务。
这个假设是否正确？ 为什么或者为什么不呢？
链接到学习
在线孟德尔人类遗产（OMIM）是一个可搜索的人类基因和遗传疾病的在线目录。 该网站显示基因组图谱信息，还详细介绍了每种特征和疾病的历史和研究。 点击此链接搜索特征（例如惯用手法）和遗传疾病（例如糖尿病）。
摘要
基因组映射类似于用来自世界各地实验室的信息来解决一个庞大而复杂的难题。 遗传图谱概述了基因在基因组中的位置，它们根据减数分裂期间的重组频率估计基因和遗传标记之间的距离。 物理图谱提供有关基因之间物理距离的详细信息。 最详细的信息可通过序列映射获得。 将来自所有测绘和测序来源的信息结合起来，研究整个基因组。
词汇表
- 细胞遗传学图谱
- 使用显微镜根据染色体绘制地图的技术
- 表达式序列标记 (EST)
- 用 cDNA 鉴定的短 STS
- 遗传图谱
- 基因概述及其在染色体上的位置
- 遗传标记
- 染色体上具有与特定特征相关的已知位置的基因或序列
- 遗传重组
- 同源染色体对之间的 DNA 交换
- 基因组映射
- 在每条染色体上寻找基因位置的过程
- cDNA 文库
- 克隆的 cDNA 序列的集合
- 基因组库
- 克隆的 DNA 集合，代表基因组中的所有序列和片段
- 基因组学
- 研究整个基因组，包括全套基因、其核苷酸序列和组织以及它们在一个物种内部以及与其他物种的相互作用
- 链接分析
- 分析基因重组以确定它们是否相互关联的程序
- 微卫星多态性
- 微卫星 DNA 序列和重复次数中个体之间的差异
- 物理地图
- 表示基因或遗传标记之间的物理距离
- 辐射混合映射
- 通过用 X 射线对染色体进行碎片化获得的信息
- 限制片段长度多态性 (RFLP)
- 个体之间限制性内切核酸酶产生的 DNA 片段长度的差异
- 序列映射
- DNA 测序后获得的映射信息
- 单核苷酸多态性 (SNP)
- 单个核苷酸中个体之间的变异
- 可变数量的串联重复 (vNTR)
- 人群中个体之间串联重复次数的变化