【生信】基因组学相关基础知识2

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【生信】基因组学相关基础知识2

9、细胞增殖与分化的定义和区别

10、有丝分裂与减数分裂

11、变异

12、生物演化

13、表观遗传

14、生物多样性

9、细胞增殖与分化的定义和区别

细胞增殖：是生物体的重要生命特征，细胞以分裂的方式进行增殖。单细胞生物，以细胞分裂的方式产生新的个体。多细胞生物，以细胞分裂的方式产生新的细胞，用来补充体内衰老或死亡的细胞。

细胞分化：是指同一来源的细胞逐渐产生出形态结构、功能特征各不相同的细胞类群的过程，其结果是在空间上细胞产生差异，在时间上同一细胞与其从前的状态有所不同。

两者联系：细胞增殖是数量增加，细胞分化是形态不同概念变化。

10、有丝分裂与减数分裂

细胞周期：是指细胞从一次分裂完成开始到下一次分裂结束所经历的全过程，分为间期与分裂期两个阶段。细胞周期=G1期+S期+G2期+M期，G1期（DNA合成前期），S期（DNA合成期），G2（DNA合成后期），M期（有丝分裂期）。

分裂间期：

1、DNA合成前期（G1）: 从有丝分裂到DNA复制前的一段时期，又称合成前期，此期主要合成RNA和核糖体。该期特点是物质代谢活跃，迅速合成RNA和蛋白质，细胞体积显著增大。这一期的主要意义在于为下阶段S期的DNA复制作好物质和能量的准备。

2、DNA合成期（S）: 即DNA合成期，在此期，除了合成DNA外，同时还要合成组蛋白。DNA复制所需要的酶都在这一时期合成。

3、DNA合成后期（G2）：为DNA合成后期，是有丝分裂的准备期。在这一时期，DNA合成终止，大量合成RNA及蛋白质，包括微管蛋白和促成熟因子等。

细胞分裂期：

1、前期: 染色质丝高度螺旋化，逐渐形成染色体（chromosome）。染色体短而粗，强嗜碱性。两个中心体向相反方向移动，在细胞中形成两极；而后以中心粒随体为起始点开始合成微管，形成纺锤体。随着核仁相随染色质的螺旋化，核仁逐渐消失。核被膜开始瓦解为离散的囊泡状内质网。

2、前中期：前中期是指自核膜破裂起到染色体排列在赤道面上为止。核膜的断片残留于细胞质中，与内质网不易区别，但在纺锤体的周围有时可以看到它们。

3、中期：细胞变为球形，核仁与核被膜已完全消失。染色体均移到细胞的赤道平面，从纺锤体两极发出的微管附着于每一个染色体的着丝点上。从中期细胞可分离得到完整的染色体群，共46个，其中44个为常染色体，2个为性染色体。男性的染色体组型为44+XY，女性为44+XX。分离的染色体呈短粗棒状或发夹状，均由两个染色单体借狭窄的着丝点连接构成。

4、后期：由于纺锤体微管的活动，着丝点纵裂，每一染色体的两个染色单体分开，并向相反方向移动，接近各自的中心体，染色单体遂分为两组。与此同时，细胞被拉长，并由于赤道部细胞膜下方环行微丝束的活动，该部缩窄，细胞遂呈哑铃形。

5、末期：染色单体逐渐解螺旋，重新出现染色质丝与核仁；内质网囊泡组合为核被膜；组胞赤道部缩窄加深，最后完全分裂为两个2倍体的子细胞。

有丝分裂（mitosis）：又称为间接分裂，是指一种真核细胞分裂产生体细胞的过程。

口诀：前期：膜仁失，两体现（两消两现）；中期：体列中，数清晰；后期：点裂增，体均分；末期：前期反，中现板（植物）（两消两现）

与有丝分裂有关的细胞器：
中心体——与纺锤体的形成有关；
线粒体——与提供能量有关；
高尔基体——与植物新形成的细胞壁有关；
核糖体——与全过程需要的蛋白质合成有关，主要与间期进行的DNA复制需要的蛋白质有关；
纺锤体——纺锤体是产生于细胞分裂前初期到末期的一个特殊细胞器。

减数分裂（meiosis）：是有性生殖生物在生殖细胞成熟过程中发生的特殊分裂方式。在这一过程中，DNA复制一次，细胞连续分裂两次，结果形成4个子细胞的染色体数目只有母细胞的一半，故称为减数分裂，又称成熟分裂（maturation division）。减数分裂的结果是形成单倍体（n）配子。减数分裂的全过程划分为4个阶段：间期Ⅰ、减数分裂Ⅰ、间期Ⅱ和减数分裂Ⅱ。

染色体重组：通过真核染色体减数分裂时的DNA交换、独立分配和自由组合，重组的概念有广义和狭义之分，广义的重组包括由于独立分配和染色体交换等，在后代中出现重组合的过程，而狭义的重组仅是指DNA的交换和重排而产生的重组。

减数第一次分裂前期四分体上非姐妹染色单体之间的交叉互换，减数第一次分裂后期非同源染色体之间的自由组合。

交叉互换

自由组合

11、变异

变异：主要是指基因突变、基因重组与染色体变异。其中基因突变是产生新生物基因的根本来源，也就是产生生物多样性的根本来源。人类可以通过人工诱变的方法创造利用更多的生物资源，比如说辐射、激光、病毒、一些化学物质（常用的是秋水仙素）都可以产生变异。

经典遗传学中的：

（1）染色体变异：

a）染色体结构变异：缺失，染色体上某一区段及其带有的基因一起丢失,从而引起变异；重复，染色体上增加了相同的某个区段而引起变异；倒位，某染色体的内部区段发生180°的倒转,而使该区段的原来基因顺序发生颠倒；易位，一条染色体的某一片段移接到另一条非同源染色体上。

b）染色体数量变异：整倍性变异，以一定染色体数为一套的染色体组呈整倍增减的变异 (三倍体西瓜)；非整倍性变异，生物体的2n染色体数增或减一个以至几个染色体或染色体臂的现象（唐氏综合症）。

（2）基因突变：基因内所发生的可遗传的结构变化，使一个等位基因变为另一个新的等位基因（例如豌豆实验中的D和d就是一对等位基因），通常会产生一定的表型效应。经典遗传学认为：基因就是一个“点“，在染色体上具有一定的位置和相互排列关系，因此，基因突变又称为”点突变”（狭义突变）（镰刀细胞贫血症）；基因突变具有普遍性，随机性，不定向性，低频性，大多有害，少数有利等特点。

基因组学中的变异：

（1）单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism，SNP）：指在基因组水平上由单个核苷酸的变异所引起的DNA序列多态性。它是人类可遗传的变异中最常见的一种，占所有已知多态性的90%以上。SNP在人类基因组中广泛存在，平均每300个碱基对中就有1个，估计其总数可达300万个甚至更多。SNP是一种二态的标记，由单个碱基的转换或颠换所引起，也可由碱基的插入或缺失所致。SNP既可能在基因序列内，也可能在基因以外的非编码序列上。

（2）拷贝数变异(Copy number variation, CNV)：由基因组发生重排而导致的, 一般指长度为1 kb 以上的基因。CNV位点的突变率远高于SNP，是人类疾病的重要致病因素之一。

12、生物演化

演化：不等于进化，演化是没有方向的变化，可以是由简单到复杂的进化，也可以是由复杂到简单的退化。演化的主要机制是生物的可遗传变异，以及生物对环境的适应和物种间的竞争。自然选择的过程，会使物种的特征被保留或是淘汰，甚至使新物种诞生或原有物种灭绝。现今生物学家认为，地球上的所有生命，是来自30多亿年前形成的共同祖先，之后生物持续不断的演化。直到今天，世界上现存估计大约有13,500,000个物种。生物学中：种群里的遗传性状在世代之间的变化，定义是种群内基因频率的改变（现代生物进化理论）

进化树：用来表示物种之间的进化关系。生物分类学家和进化论者根据各类生物间的亲缘关系的远近，把各类生物安置在有分枝的树状的图表上，简明地表示生物的进化历程和亲缘关系。在进化树上每个叶子结点代表一个物种，如果每一条边都被赋予一个适当的权值，那么两个叶子结点之间的最短距离就可以表示相应的两个物种之间的差异程度。

（不同颜色的名称代表不同的作物。不同颜色的分支代表不同的Group）

演化学说：

（1）拉马克：生物经常使用的器官会逐渐发达，不使用的器官会逐渐退化，是为“用进废退说”。拉马克认为用进废退这种后天获得的性状是可以遗传的，因此生物可把后天锻炼的成果遗传给下一代。

（2）达尔文：过度繁殖->生存斗争->遗传变异->适者生存，生物进化的方向是定向的自然选择的结果。变异是随机的没有方向的，只有通过定向的选择，才能保存有利变异，以适应环境。

现代分子进化论＝经典遗传学＋达尔文进化理论

１.　性状的传递是通过基因来传递

２.　物种中变异是新的等位基因产生

３.　物种的形成，遗传变异的突变累积的过程。微观的变异累积导致宏观变异。

13、表观遗传

表观遗传学的概念基于遗传学而来，不是单纯的体外在环境导致的甲基化和乙酰基化改变，也不是简单转录因子和miRNA等等基因调控，它的指的是由非DNA变异而改变表型的‘可遗传的’现象。

表观遗传的方式有：

（可参考笔记2021年《表观遗传学》期末复习试题笔记_朝荣的博客-CSDN博客）

组蛋白修饰（histone modification）：是指组蛋白在相关酶作用下发生甲基化、乙酰化、磷酸化、腺苷酸化、泛素化、ADP核糖基化等修饰的过程。

DNA甲基化（DNA methylation）：为DNA化学修饰的一种形式，能够在不改变DNA序列的前提下，改变遗传表现。所谓DNA甲基化是指在DNA甲基化转移酶的作用下，在基因组CpG二核苷酸的胞嘧啶5号碳位共价键结合一个甲基基团。

14、生物多样性

生物多样性：是一个描述自然界多样性程度的一个内容广泛的概念。通常包括遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性三个组成部分。

（1）遗传多样性：

广义的遗传多样性：是指地球上生物所携带的各种遗传信息的总和。这些遗传信息储存在生物个体的基因之中。因此，遗传多样性也就是生物的遗传基因的多样性。任何一个物种或一个生物个体都保存着大量的遗传基因，因此，可被看作是一个基因库（Gene pool）。一个物种所包含的基因越丰富，它对环境的适应能力越强。基因的多样性是生命进化和物种分化的基础。
狭义的遗传多样性：主要是指生物种内基因的变化，包括种内显著不同的种群之间以及同一种群内的遗传变异（世界资源研究所，1992）。此外，遗传多样性可以表现在多个层次上，如分子、细胞、个体等。在自然界中，对于绝大多数有性生殖的物种而言，种群内的个体之间往往没有完全一致的基因型，而种群就是由这些具有不同遗传结构的多个个体组成的。

（2）物种多样性：

指地球上动物、植物、微生物等生物种类的丰富程度。物种多样性包括两个方面，其一是指一定区域内的物种丰富程度，可称为区域物种多样性；其二是指生态学方面的物种分布的均匀程度，可称为生态多样性或群落物种多样性（蒋志刚等，1997）。物种多样性是衡量一定地区生物资源丰富程度的一个客观指标。
在阐述一个国家或地区生物多样性丰富程度时，最常用的指标是区域物种多样性。区域物种多样性的测量有以下三个指标：①物种总数，即特定区域内所拥有的特定类群的物种数目；②物种密度，指单位面积内的特定类群的物种数目；③特有种比例，指在一定区域内某个特定类群特有种占该地区物种总数的比例。

（3）生态系统多样性：

指地球上生态系统组成、功能的多样性以及各种生态过程的多样性，包括生态环境的多样性、生物群落和生态过程的多样化等多个方面。

α多样性：主要关注局域均匀生境下的物种数目;（宏基因组学中经常用到）

Β多样性：为群落组成变化的程度，或群落分化的程度，与环境的复杂梯度或环境的模式有关。