物理图谱

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物理图谱

物理图谱(Physics Map):物理图谱描绘DNA上可以识别的标记的位置和相互之间的距离(以碱基对的数目为衡量单位),这些可以识别的标记包括限制性内切酶酶切位点基因等。物理图谱不考虑两个标记共同遗传的概率等信息。对于人类基因组来说,最粗的物理图谱是染色体的条带染色模式,最精细的图谱是测出DNA的完整碱基序列。

物理图谱是利用限制性内切酶将染色体切成片段,再根据重叠序列确定片段间连接顺序,以及遗传标志之间物理距离[碱基对(bp) 或千碱基(kb)或兆碱基(Mb)]的图谱。以人类基因组物理图谱为例,它包括两层含义,一是获得分布于整个基因组30 000个序列标志位点(STS,其定义是染色体定位明确且可用PCR扩增的单拷贝序列)。将获得的目的基因的cDNA克隆,进行测序,确定两端的cDNA序列,约200bp,设计合成引物,并分别利用cDNA和基因组DNA作模板扩增;比较并纯化特异带;利用STS制备放射性探针与基因组进行原位杂交,使每隔100kb就有一个标志;二是在此基础上构建覆盖每条染色体的大片段:首先是构建数百kb的YAC(酵母人工染色体),对YAC进行作图,得到重叠的YAC连续克隆系,被称为低精度物理作图,然后在几十个kb的DNA片段水平上进行,将YAC随机切割后装入粘粒的作图称为高精度物理作图.

因限制性内切酶在DNA链上的切口是以特异序列为基础的,核苷酸序列不同的DNA,经酶切后就会产生不同长度的DNA片段,由此而构成独特的酶切图谱。因此,DNA物理图谱是DNA分子结构的特征之一。DNA是很大的分子,由限制酶产生的用于测序反应的DNA片段只是其中的极小部分,这些片段在DNA链中所处的位置关系是应该首先解决的问题,故DNA物理图谱是顺序测定的基础,也可理解为指导DNA测序的蓝图。广义地说,DNA测序从物理图谱制作开始,它是测序工作的第一步。制作DNA物理图谱的方法有多种,这里选择一种常用的简便方法──标记片段的部分酶解法,来说明图谱制作原理。

用部分酶解法测定DNA物理图谱包括两个基本步骤:

(1)完全降解:选择合适的限制性内切酶将待测DNA链(已经标记放射性同位素)完全降解,降解产物凝胶电泳分离后进行自显影,获得的图谱即为组成该DNA链的酶切片段的数目和大小。

(2)部分降解:以末端标记使待测DNA的一条链带上示踪同位素,然后用上述相同酶部分降解该DNA链,即通过控制反应条件使DNA链上该酶的切口随机断裂,而避免所有切口断裂的完全降解发生。部分酶解产物同样进行电泳分离及自显影。比较上述二步的自显影图谱,根据片段大小及彼此间的差异即可排出酶切片段在DNA链上的位置。下面是测定某组蛋白基因DNA物理图谱的详细说明。

该基因全长5900bp,用限制酶HpaⅡ完全降解该DNA可产生五个大小不等的片段,电泳分离并参照已知分子量的标准DNA带,得知这些片段的大小分别为1930、1690、1020、950和310bp。不难推测该DNA上有四个HpaⅡ切口,但切口的位置和这五个片段在完整基因中的排列顺序此时尚无法知道。接着将末端标记的该DNA片段进行HpaⅡ的部分降解,由于各切口随机断裂,产生的片段数显然会多于完全降解产物。但电泳后的自显影图上只可能出现末端标记的DNA片段。若以待测DNA在左端为标记处,那么自显影图上将呈现4210、3260、2950和1020bp四条带。其中最小片段(1020bp)与完全降解产物为同一片段,它应定位于该基因的左端;而最大片段(4210bp)与完整基因(5900bp)之差的片段(1690bp)无疑应定位于该基因的右端;余下的三个片段(1930、930和310bp)的定位,根据部分酶解的相邻片段之差很易确定。据此推出的这五个片段在该基因上的排列顺序是(左→右):1020-1930-310-950-1690。物理图谱与DNA测序的原理颇为相似,二者是通过片段长度来推测位置,所不同的是测序确定核苷酸(碱基)的位置,而此处是确定某个片段的位置。DNA物理图谱测定后,便可对每一酶切片段进行核苷酸顺序分析。在测定了所有片段的DNA顺序后,根据物理图谱将各片段"拼凑"起来就得出了待测DNA链的全部核苷酸顺序。基因的全顺序测定才是我们要达到目的,一般人类基因的长度都在10Kb以上,巨大基因可长达200Kb,要完成基因的全顺序测定需进行大量的工作。完成这些工作可采取多种不同的方法,但其基本思路是一致的,即在确定物理图谱的基础上,再进行DNA顺序测定。

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