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第六章 DNA 序列分析

第六章 DNA 序列分析. 人类基因组计划 (human genome project, HGP). 人类基因组计划 (human genome project, HGP) 是由美国科学家于 1985 年率先提出，于 1990 年正式启动的。总体计划在 15 年内投入至少 30 亿美元进行人类全基因组的分析。. 美国、英国、法兰西共和国、德意志联邦共和国、日本和我国科学家共同参与。. 我国承担其中 1% 的任务，即人类 3 号染色体短臂上约 30 亿个碱基 的测序任务。. 人类基因组. 线粒体基因组. 核基因组 ( 约 30 亿个碱基 ). 约 10%. 约 90%.

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第六章 DNA 序列分析

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Presentation Transcript

  1. 第六章 DNA序列分析

  2. 人类基因组计划(human genome project, HGP)

  3. 人类基因组计划(human genome project, HGP)是由美国科学家于1985年率先提出，于1990年正式启动的。总体计划在15年内投入至少30亿美元进行人类全基因组的分析。 美国、英国、法兰西共和国、德意志联邦共和国、日本和我国科学家共同参与。 我国承担其中1%的任务，即人类3号染色体短臂上约30亿个碱基的测序任务。

  4. 人类基因组 线粒体基因组 核基因组(约30亿个碱基) 约10% 约90% 基因和基因有关序列 基因外序列 rRNA 基因 tRNA 基因 蛋白编码 基因 专一或中等重复序列 70~80% 20~30% 专一的或低 拷贝数序列 中度至高度重复序列 <10% >90% Coding DNA Non-coding DNA 约60% 约40% 串联重复序列/ 成簇重复序列 分散重复序列 内含子 假基因 基因片段

  5. 序列测定的技术 经典方法: Sanger双脱氧链终止法(Sanger,1977) Maxam-Gilbert DNA化学降解法(Maxam &Gilbert,1977) 新技术方法: • 杂交测序法 • 质谱法 • 单分子测序法 • 原子探针显微镜测序法 • DNA 芯片法

  6. Sanger双脱氧终止法 • 与 PCR反应类似。 • 反应体系中包含：模板 DNA, Taq酶, dNTPs, ddNTPs和测序引物； • 反应过程： 变性－复性－延伸－终止

  7. Dideoxynucleotides（双脱氧核苷酸） • ddNTPs 是反应终止剂 可以当作正常碱基参与复制，一旦链入DNA中，其后就不能再继续连接。 • 反应体系中dNTPs的浓度远高于ddNTPs(一般3~4 ：1)。

  8. 脱氧核甘酸 与 双脱氧核甘酸 结构比较 * 少一个－OH H

  9. Sanger第一步：加入复制终止剂 电泳，看谁跑得快 荧光检测探头

  10. ddNTPs参与下的DNA复制 Sanger法测序产物的平均链长取决于ddNTP与dNTP的比例，比例高时，得到较短的产物；

  11. Gel ElectrophoresisDNA Fragment Size Determination Sanger第二步：荧光检测 • DNA 带负电 • DNA在电泳胶中的迁移率与其片段大小有关

  12. 除核苷酸序列文本文件外，全自动测序仪还提供曲线图。除核苷酸序列文本文件外，全自动测序仪还提供曲线图。

  13. Maxam-Gilbert化学裂解法 一个末端标记的DNA片段在几组互相独立的的化学反应分别得到部分降解，其中每一组反应特异地针对某一种或某一类碱基。因此生成一系列放射性标记的分子，从共同起点（放射性标记末端）延续到发生化学降解的位点。每组混合物中均含有长短不一的DNA分子，其长度取决于该组反应所针对的碱基在原DNA全片段上的位置。此后，各组均通过聚丙烯酰胺凝胶电泳进行分离，再通过放射自显影来检测末端标记的分子。

  14. 碱基特异性化学切割反应： • 硫酸二甲酯（DMS ）：使DNA分子中鸟嘌呤（G）上的N7原子甲基化。 • 肼：使DNA分子中胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）的嘧啶环断裂；但高盐条件下，只C断裂，而不与T反应。 • 哌啶：从修饰甲基处断裂核苷酸链。 在不同的酸、碱、高盐和低盐条件下，三种化学试剂按不同组合可以特异地切割核苷酸序列中特定的碱基。

  15. G反应：DMS使G在中性和高温条件下脱落。 • G+A反应：酸性条件（如甲酸）可使A和G嘌呤环上的N原子质子化，利用哌啶使A、G脱落。 • T+C反应：肼（低盐） • C反应：肼（高盐） 测定DNA长度~250bp。

  16. 化学裂解法测定DNA的核苷酸序列

  17. DNA片断序列测定的策略 • 测定未知序列的DNA片断 • 一次测序结果有长度限制（﹤1000bp) 通用引物指导未知序列的测定 引物步移 随机克隆测序 缺失克隆测序

  18. 通用引物指导未知序列的测定 根据载体序列设计通用引物测定待测DNA片断

  19. 引物步移策略 将待测DNA片断克隆在质粒载体上，利用引物步移延伸，从DNA片断的一端开始逐步进行序列测定，直至另一端为止。 克服了鸟枪法的盲目性，并省去亚克隆制备步骤，也减轻了数据分析工作量。 但由于测定下一段序列前要预先知道上游序列的碱基顺序，才能合成适当的引物进行测序。 定向缺失克隆策略、染色体步查法等。

  20. 鸟枪测序法(shotgun sequencing)：随机克隆测序将待测的DNA片段随机打断并构建随机重叠克隆文库，然后通过通用引物测定每个克隆中的待测DNA序列。当这些已测序列的数量达到一定程度后，相当于待测DNA片断的每一部位的序列也就被测定出来了，通过这些所测序列之间的重叠部分，最终可将整个DNA片断的序列拼接出来，这样的测序策略称为随机克隆测序。

  21. 将DNA大片段切割成小片段的三种方法： 限制性内切酶酶切 超声波处理 DNA酶I降解(加Mn2+)

  22. 鸟枪法测序的缺点 • 随着所测基因组总量增大，所需测序的片段大量增加，造成重复测定，也易丢失某些序列，且数据处理分析工作量大。 • 高等真核生物（如人类）基因组中有大量重复序列，导致判断失误。

  23. 基因组测序 完整基因组的测序过程一般包括三个步骤： （1）建立克隆的物理图谱：如酵母人工染色体YAC（Yeast Artificial Chromosome）克隆、细菌人工染色体BAC（Bacterial Artificial Chromosome）克隆等； （2）利用鸟枪法（Shotgun Strategy）测定每个克隆的序列； （3）序列拼装和注释：当得到一段DNA序列之后，可以利用序列分析工具，进行序列的拼接；继而通过与数据库序列的比较，得到与该序列相关的信息，如基因、调控元件、重复区域等，进而对序列的生物学特性进行注释。

  24. DNA全序列 切成小段 小段和载体结合 结合后进行测序

  25. Map fragments Sequence all fragments and assemble Sequence overlappingfragments Assembledsequence 基因组DNA序列测定示意图 通过随机剪切得到的大分子DNA片段克隆到载体上。绘制出这些重叠片段的图谱，并对重叠片段进行测序，通过“拼装”得到基因组序列。另一种方法不是根据片段的染色体位置，而是根据其重叠部分进行“拼装”。

  26. 第四章作业： Southern 、Northern 、Western 杂交、生物芯片技术、RNAi技术原理分别是什么？ 第五章作业： PCR克隆与一般的DNA片段的克隆有何异同点？ 第六章作业： 1 Sanger双脱氧终止法化学降解法进行序列分析的原理是什么 ？ 第七章作业： 1 DNA诱变种类有哪些，各有何特点？

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