基因組比較基因組學(xué)

1、第十章第十章 基因組與比較基因組學(xué)研究基因組與比較基因組學(xué)研究第一節(jié) 人類基因組計劃第二節(jié) 人工染色體構(gòu)建第三節(jié) 全基因組鳥槍法測序 第四節(jié) 比較基因組學(xué)第一節(jié) 人類基因組計劃 該計劃是美國科學(xué)家1985年率先提出，1990年正式啟動。美、英、德、法、日先后參加了此項工作，1999年我國成為 HGP的第六個成員國。 HGP旨在闡明人類基因組DNA所具有的310109 9核苷酸的序列，發(fā)現(xiàn)所有的人類基因并闡明其在染色體上的位置，破譯人類的全部遺傳信息，使得人類第一次在分子水平上全面地認(rèn)識自我。其研究內(nèi)容還包括創(chuàng)建計算機分析管理系統(tǒng)，檢驗相關(guān)的倫理、法律及社會問題。 20002000年完成了人類基

2、因組“工作框架圖”。20012001年公布了人類基因組圖譜及初步分析結(jié)果。 HGP的實施，揭開了生命科學(xué)新的一頁，它可以造福于人類，但也面臨的倫理的挑戰(zhàn)。1985年：5月，R.Sinsheimer在加州 大學(xué)Santa Cruz分校主 持會議，討論將人類基因組全部測序的可行性；12月，西特斯公司（Cetus Corp.）的 K.Mulli s和他的同事們發(fā)明了PCR技術(shù)，利用這項技術(shù)，科學(xué)家們能夠在短時間內(nèi)精確復(fù)制 成百萬的DNA片段，從而不再為遺傳物質(zhì)的用量而擔(dān)憂. 1986年：3月，美國能源部（Department of Energy , DO E）在新墨西哥州召開會議，討論人類基因組測序

3、計劃；6月，科學(xué)家們齊聚紐約州冷泉港實 驗室，以“人類的分子生物學(xué)”為題討論人類基因組計劃可能帶來的利益和前景；同月，加 州理工學(xué)院的L.Hood和L.Smith共同發(fā)明了第一臺DNA自動測序儀；9月，DOE 從1987年的財政預(yù)算中撥款530萬美元，資助C.DeLisi開始基因組研究. 1987年：2月，W.Gibert從美國國家 研究委員會（Nation al Research Council, NRC）辭職，組建Genome公司，同時宣稱該公司將參與人類基因組測 序工作，并將為測序結(jié)果申請專利；4月，一個專家小組建議DOE在未來7年內(nèi)撥款10億美元 ，用以進(jìn)行人類基因圖譜測定和基因組測序

4、，DOE主持的人類基因組計劃開始實施；5月，華 盛頓大學(xué)的D.Burke, M.Olson和G.Carle發(fā)明酵母人工染色體 （YAC）克隆技術(shù)，使插入片段 的長度擴大了10倍；10月，H.Donis-Keller發(fā)表了第一張帶有403個遺傳標(biāo) 記的遺傳圖譜， 由此在全世界范圍內(nèi)引發(fā)了測序競爭；同月，杜邦公司將熒光鏈終止雙脫氧技術(shù)引入到DNA 快速測序中；這一年，Applied Biosystems公司將第一臺自動測序儀推上市場. 1988年：2月，在一份至關(guān)重要的報告中，NRC批準(zhǔn) 了人 類基因組計劃，并提出分階段實施和每年2億美元的撥款申請；3月，在許多專家的提議下， J.Wyngaard

5、en在弗吉尼亞州Reston召開的會議上宣布，美國國立衛(wèi)生研究院 （National Ins titutes of Health, NIH）應(yīng)代替DOE成為人類基因組計劃中的主要負(fù)責(zé)機構(gòu).在這之后， W yngaarden被任命為NIH主席；6月，第一屆基因組年會在冷泉港召開；9月，NIH宣布成立人 類基因組研究辦公室，并任命發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的J.Watson為主任；10月， NIH與DOE達(dá)成諒解備忘錄，雙方同意在人類基因組計劃中團結(jié)協(xié)作. 1989年：1月，洛克菲勒大學(xué)的N.Zinder 主持了第一次H GP顧問委員會會議；9月，Olson, Hood, Botstein和Cantor

6、共同描繪了基因圖譜測定的新戰(zhàn) 略；同月，DOE與NIH共同組建了一個委員會，以解決基因組計劃可能帶來的倫理、法律和 社會問題；10月，NIH的人類基因組研究辦公室升級為人類基因組研究國家中心（National Center of Human Genome Research, NCHGR），并被授予撥款權(quán). 1990年：L.Smith, B.Karger和N.Dovichi 分別領(lǐng)導(dǎo)的3個 小組各自獨立地發(fā)展了毛細(xì)管電泳技術(shù)，這項技術(shù)后來被廣泛應(yīng)用于大規(guī)模測序中；4月，N IH和DOE一起發(fā)表了一個五年計劃，內(nèi)容包括測定完整的遺傳圖譜和物理圖譜（每100 k b含一個標(biāo)記），并在2005年之前完

7、成模式生物的基因組測序；8月，NIH決定對四種模 式生物開 始大規(guī)模測序嘗試.這四種模式生物是：支原體（Mycoplasma capricolum）、大腸桿菌 （Escheriachia coli）、線蟲（Caenorhabditis elegans）和釀酒酵母（Sacch aromyces cerevisiae）；10月，NIH和DOE宣布這一年的10月1日為人類基因組計劃 的正式 啟動時間.同月，生物技術(shù)信息中心（National Center of Biotechnology Information, N CBI）的D.Lipman與E.Myers發(fā)表了用于進(jìn)行同源序列比較的BLAST算

8、法. 1991年：6月，NIH的生物學(xué)家J.C.Venter 發(fā)表了一種發(fā) 現(xiàn)表達(dá)基因的新戰(zhàn)略，即使用表達(dá)序列標(biāo)簽（Expressed Sequence Tag, EST）；一個月之 后，Venter在國會聽證會上披露，NIH堆積了上千份表達(dá)基因的專利申請，由此引發(fā)了一場 關(guān)于基因能否獲得專利的大爭論；10月，日本開始對水稻基因組測序；12月，用于基因查找 的第一個程序GRAIL開發(fā)成功. 1992年：4月，就基因申請專利的問題，Watson在與 B.Healy爭論之后辭去了NCHGR主任的職位，后者隨后被任命為NIH主席；6月 ，Venter離開NIH組 建了基因組研究所（The Insti

9、tute of Genome Research, TIGR），這是一個位于馬里蘭州 Rockville的非盈利機構(gòu)；7月，英國慈善機構(gòu)Wellcome Trust投資9 500萬美元，加入人類 基 因組計劃；9月，加州理工學(xué)院的M.Simon和他的同事們發(fā)明細(xì)菌人工染色體 （BAC）克隆的 新技術(shù)，使大規(guī)?？寺〕蔀榭赡埽珺AC后來成為基因組研究中的“硬通貨”；10月，美國和 法國的兩支研究隊伍分別完成了人類Y染色體和第21條染色體的第一張物理圖譜；12月，經(jīng) 過長時間討論，NIH和DOE為鼓勵資源共享放寬了對數(shù)據(jù)資源的限制，規(guī)定研究人員必須在6 個月之內(nèi)將新的數(shù)據(jù)傳送到公共數(shù)據(jù)庫中；同月，美國

10、和法國的上述兩個研究機構(gòu)又分別完 成了鼠和人的遺傳圖譜. 1993年：4月，密歇根大學(xué)的F.Collins 被任命為NCHGR的 領(lǐng)導(dǎo)人；10月，NIH和DOE發(fā)布了新的五年計劃，按照這個計劃，到1998年底，將有80 Mb的D NA被測序，而人類基因組將在2005年被全部測序.與此同時，位于英國劍橋的Sanger中心在 J.Sulston的領(lǐng)導(dǎo)下加入人類基因組計劃，并成為一個重要的測序中心. 1994年：9月，愛荷華大學(xué)的J.Murray 與 法國Gnthon的Cohen及他們的同事們完成了人類基因組中的第一個完整遺傳連接圖譜. 1995年：58月，測序染色新技術(shù)和熱穩(wěn)定聚合酶 開發(fā) 成功；

11、7月，第一個基因組流感嗜血桿菌（Haemophilus influenzae）的全序列發(fā) 表，大小為1.8 Mb；9月，日本政府撥款1 590萬美元，用以資助3個研究機構(gòu)從事基因組測 序工作；10月，斯坦福大學(xué)的P.Brown和他的同事們發(fā)表了第一篇關(guān)于完整cD NA探針芯片的論文. 1996年：2月，各國科學(xué)家聚集在百慕大群島召開會 議， 討論并通過了數(shù)據(jù)資源共享的問題，規(guī)定此后的測序結(jié)果必須在24小時內(nèi)傳送到公共數(shù)據(jù)庫 中，這就是著名的百慕大原則；4月，NIH資助6個研究小組嘗試人類基因組的大規(guī)模測序； 同月，Affymetrix將DNA芯片商品化；10月，釀酒酵母（Saccharomyc

12、es cerevisiae） 的基因組全部測序完成；11月，RIKEN的Y.Hayashizaki小組完成了第一套小 鼠全長cDNA的測序. 1997年：1月，NCHGR升級為美國國家基因組研究所 （Na tional Human Genome Research Institute，NHGRI），DOE也成立了相應(yīng)的聯(lián)合基因組研究 所（Joint Genome Institute）；9月，大腸桿菌（Escherichia coli）基因組全部測 序完成，全長5 Mb；同月，毛細(xì)管測序儀出現(xiàn). 1998年：1月，NIH公布了一項新計劃，其目的是在 浩如 煙海的DNA堿基序列中尋找單核苷酸多態(tài)性（

13、single nucleotide polymorphisms, SNPs）； 5月，PE Biosystems公司開發(fā)成功PE Prism 3700毛細(xì)管測序儀；同月，Venter宣布成立一 個新公司，取名Celera，并宣稱將在3年內(nèi)，投資3億美元，采用“全基因組鳥槍法”（who le genome shotgun）完成人類基因組的全部測序,同時Ventor宣布Celera公司的數(shù)據(jù)將不遵 從百慕大原則.與此同時，Wellcome Trust將它對人類基因組計劃的投資加倍，達(dá)到了3億3 千萬美元，以此作為對Celera公司的回應(yīng).從此，人類基因組測序在“公”（HGP）與“私” （Celer

14、a）之間展開了激烈競爭；10月，NIH和DOE宣布將在2001年完成人類基因組工作框架 圖，并將全部測序的最后期限從2005年提前到2003年；12月，線蟲（Caenorhabditis ele gans）基因組測序完成. 1999年：3月，作為對Celera公司的應(yīng)戰(zhàn)，NIH再次 宣布 將人類基因組工作框架圖的完成時間提前到2000年春季，大規(guī)模的測序工作主要集中在以下 五個測序中心：.麻薩諸塞州的Whitehead生物醫(yī)學(xué)研究所、位于圣路易斯的華盛頓大學(xué)、位 于休斯敦的Baylor醫(yī)學(xué)院、英國劍橋的Sanger中心和位于加利福尼亞州DOE下屬的聯(lián)合基因 組研 究所；4月，10家公司與Wel

15、lcome Trust簽署協(xié)議，合作開展SNP研究，并計劃將公共數(shù)據(jù)庫 中的SNP數(shù)據(jù)每季度更新一次；9月，NIH宣布將在3年內(nèi)投資1億3千萬美元，完成小鼠基因組 的測序；12月，英國、日本和美國的科學(xué)家們共同完成了第一條人染色體第22條染色體 的全部測序工作. 2000年：3月，Celera公司完成果蠅（Drosophila me lanogaster）基因組（180 Mb）的全部測序工作，在當(dāng)時所有已測序的基因組中是最大的 ，同時這也證明了“全基因組鳥槍法”的可行性；3月，由于對數(shù)據(jù)資源共享的政策持不同 觀點，HGP與Celera公司的合作計劃破產(chǎn)；5月，德國和日本的科學(xué)家公布了人類第21

16、條染色 體的測序結(jié)果；6月26日，這是一個值得紀(jì)念的日子，HGP與Celera公司的領(lǐng)導(dǎo)人在白宮的慶 祝儀式上共同宣布了人類基因組工作框架圖的完成，并約定將雙方的研究成果同時發(fā)表； 12 月，第一個植物基因組擬南芥（Arabidopsis thaliana）基因組被全部測序 ，大小為125 Mb. 2001年：2月，HGP將自己測定的人類基因組工作框 架圖 發(fā)表在Nature（2001,409(6822)）上；Celera公司則 將它們的成果發(fā) 表在Science（2001,291(5507)）上.發(fā)表的“工作框 架圖”已能覆蓋人類基因組的97%，其中至少92%的序列 已組裝得準(zhǔn)確無誤，并顯示

17、其中只有3萬到4萬個編碼蛋白質(zhì)的基因，這是人類基因組研究的 一個重要里程碑.HGP取得的成就 完成了人類基因組工作草圖繪制,揭示了人類基因組若干細(xì)節(jié) 基本上測定了人類基因組上的堿基序列 一些模式生物(果蠅、擬南介等)和作物（如水稻）基因草圖繪制成功，測序基本完成 促進(jìn)了生物信息學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、糖組學(xué)的迅猛發(fā)展 人類基因組草圖繪就，中國科學(xué)家功不可沒 華大基因測序?qū)嶒炇襈ational Center for Human Genome Research (NCHGR)楊煥明，基因組學(xué)家。中國科學(xué)院北京基因組研究所研究員。1952年10月生于浙江溫州樂清市，籍貫浙江樂清。1978年畢業(yè)于原杭州大學(xué)(

18、現(xiàn)浙江大學(xué))，1982年于原南京鐵道醫(yī)學(xué)院(現(xiàn)東南大學(xué))獲碩士學(xué)位，1988年獲丹麥哥本哈根大學(xué)博士學(xué)位，2007年12月27日，當(dāng)選為中國科學(xué)院院士。曾任中國科學(xué)院北京基因組研究所所長。 第一節(jié) 人類基因組計劃 人類基因組計劃主要內(nèi)容包括繪制人類基因組的4張圖，即遺傳(連鎖)圖、物理圖、 DNA序列圖和轉(zhuǎn)錄圖。1.遺傳圖(genetic map) 遺傳圖又稱連鎖圖(linkage map)是指基因或DNA標(biāo)記(如多態(tài)性遺傳標(biāo)記)在染色體上以遺傳距離表示相對位置的圖。遺傳距離通常以基因或DNA片段在染色體交換過程中分離的頻率-厘摩(cM)來表示。 分子生物學(xué)技術(shù)在遺傳標(biāo)記上的應(yīng)用：RFLP：限

19、制性片段長度多態(tài)性。DNA序列上的微小變化，甚至1個核苷酸的變化，也能引起限制性內(nèi)切酶切位點的丟失或產(chǎn)生，導(dǎo)致酶切片段長度的變化。 多態(tài)性限制性位點DNA(等位基因1)DNA(等位基因2)加入限制性內(nèi)切酶4個片段3個片段*小衛(wèi)星標(biāo)記和微衛(wèi)星標(biāo): 有大量的重復(fù)序列存在于人類基因組中，包括重復(fù)單位長度在15-65個核苷酸的小衛(wèi)星DNA (minisatellite DNA label)，重復(fù)單位長度在2-6個核苷酸的微衛(wèi)星DNA (microsatellite DNA label)，后者又稱為簡短串連重復(fù)(shot tandem repeat polymorphism, STR)。 SNP：單核苷

20、酸的多態(tài)性。DNA遺傳標(biāo)記，可能也是最好的遺傳標(biāo)記，是分散于基因組中的單個堿基的差異。這種差異包括單個堿基的缺失和插入，但更常見到是單個核苷酸的替換，即單核苷酸的多態(tài)性(single nucleotide polymorphism，SNP)。 2.物理圖(physical map) 物理圖指表示DNA序列上DNA標(biāo)記之間實際距離的圖。通常由DNA的限制酶片段或克隆的DNA片段有序排列而成。標(biāo)記之間的物理距離以DNA上核苷酸數(shù)目的多少(kb，表示千堿基對，或Mb， 1 Mb=1 000 kb)來表示。 遺傳圖所表現(xiàn)的，是通過連鎖分析確定的各基因間的相對位置；物理圖則表現(xiàn)染色體上每個DNA片段的實

21、際順序。物理圖是指以已知核苷酸序列的DNA片段（序列標(biāo)簽位點，sequence-tagged site，STS）為“路標(biāo)”，以堿基對（bp，kb，Mb）作為基本測量單位（圖距）的基因組圖。PCR 現(xiàn)在的測序技術(shù)還不能對整個DNA分子進(jìn)行序列測定，因此須先將它切成一個個大小不同的片段，然后將這些片段連起來，構(gòu)成連續(xù)的序列。切割的工具，是一類限制性內(nèi)切核酸酶，它能識別DNA中的特定序列，并在該位點對DNA鏈進(jìn)行切割。有一類稀有的限制性內(nèi)切核酸酶，由于DNA中這樣的序列比較少，所以用它可將DNA分子切割成約100萬堿基大小的大片斷。這樣的片段有利于排序，不過必須用脈沖場凝膠電泳法，才能將它們分開。2

22、.物理圖（Physical Map）基 因 組 測 序 一次測序一般只能測定1000堿基對，然后用已知序列的下游部分合成引物，進(jìn)行另一次測序，如此一步步地“步行”，逐步完成較大片段的測序。因此，需先用質(zhì)粒建立許多克隆，構(gòu)成質(zhì)粒文庫，再對這些質(zhì)粒克隆進(jìn)行測序，然后用電腦搭配成鄰接克隆群。由于自動化和電腦的應(yīng)用，現(xiàn)在一天已可進(jìn)行10萬個測序反應(yīng)。華盛頓大學(xué)、貝勒醫(yī)學(xué)院等機構(gòu)，均已完成幾百萬到幾千萬堿基對的測序，錯誤率僅萬分之一，測序速度和準(zhǔn)確性已大大提高。2.物理圖（Physical Map）3.轉(zhuǎn)錄圖(expression profiling) 在整個人類基因組中，只有1%5%的DNA序列為編碼

23、序列。在人體某一特定組織的細(xì)胞中，一般只有10%的基因是表達(dá)的。如果能把某段DNA序列相應(yīng)的mRNA確定下來，就抓住了基因的主要部分，即可轉(zhuǎn)錄部分。所以，一張人類基因組的轉(zhuǎn)錄圖，即cDNA圖或表達(dá)序列圖，EST)才是人類基因圖的雛形。 用已在染色體定位的YAC DNA或BAC DNA為探針，與所有可能相關(guān)的各組織cDNA文庫雜交，尋找其同源克隆并做進(jìn)一步分析。 4.序列圖(human genome sequence) 序列圖是指整個人類基因組的核苷酸序列圖，也是最詳盡的物理圖。測定的總長度約為1 m。由30億個核苷酸對組成的序列圖就是人類基因組計劃。因此，這一“代表性人類個體”的基因與序列，在

24、理論上可以代表全人類的基因組信息，在實際意義上可用于任何個體的基因診斷、基因分析。既包括可轉(zhuǎn)錄序列，也包括非轉(zhuǎn)錄序列，是轉(zhuǎn)錄序列、調(diào)節(jié)序列和功能未知序列的總和。 第二節(jié) 人工染色體構(gòu)建 酵母人工染色體(Yeast Artificial Chromosome, YAC)為創(chuàng)制基因組物理圖譜提供了極大的方便。YAC是迄今容量最大的克隆載體，插入片段平均長度為500-1000kb，最大可以達(dá)到2Mb。自主復(fù)制序列： ARS序列(autonomous replication sequence) 著絲粒序列:CEN序列(centromeric sequences)端粒序列：TEL序列(telomere

25、sequence) 第二節(jié) 人工染色體構(gòu)建 人工染色體含有三種必需成分：著絲粒(CEN)：位于染色體中央，呈紐扣狀結(jié)構(gòu)，在有絲分裂時結(jié)合微管并調(diào)控染色體的運動，也是姐妹染色單體配對時的最后位點，接收細(xì)胞信號而使姐妹染色體分開。 端粒（TEL）：主要功能是防止染色體融合、降解、確保其完整復(fù)制。端粒酶以其自身RNA為模板，在染色體端部添加上端粒重復(fù)序列，并參與端粒長度和細(xì)胞增殖的調(diào)控。第二節(jié) 人工染色體構(gòu)建 復(fù)制起點： DNA復(fù)制通常由起始蛋白與特定的DNA序列相互作用開始。DNA合成的起始位點和DNA復(fù)制起點(遺傳位點)所需的Cis靶區(qū)常位于同一段長約100bp的DNA上。 第二節(jié) 人工染色體構(gòu)

26、建第二節(jié) 人工染色體構(gòu)建第二節(jié) 人工染色體構(gòu)建YAC的主要缺點1存在高比例的嵌合體，即一個YAC克隆含有兩個本來不相連的獨立片段；2部分克隆子不穩(wěn)定，在轉(zhuǎn)代培養(yǎng)中可能會發(fā)生缺失或重排；3難與酵母染色體區(qū)分開，因為YAC與酵母染色體具有相似的結(jié)構(gòu)。4操作時容易發(fā)生染色體機械切割。第二節(jié) 人工染色體構(gòu)建 以細(xì)菌寄主系統(tǒng)(BAC)為基礎(chǔ)的克隆載體形成嵌合體的頻率較低，轉(zhuǎn)化效率高，又易于分離。科學(xué)家用染色體建造法用F質(zhì)粒及其調(diào)控基因構(gòu)建細(xì)菌載體，克隆大片段DNA。該質(zhì)粒主要包括oriS， repE（控制F質(zhì)粒復(fù)制）和parA、 parB（控制拷貝數(shù)）等成分。第二節(jié) 人工染色體構(gòu)建第二節(jié) 人工染色體構(gòu)建

27、細(xì)菌人工染色體的構(gòu)建riS和repE控制F質(zhì)粒的復(fù)制parA和parB控制質(zhì)?？截悢?shù)BAC的優(yōu)點1 易于用電擊法轉(zhuǎn)化E.coli（轉(zhuǎn)化效率比轉(zhuǎn)化酵母高10-100倍）；2 超螺旋環(huán)狀載體，易于操作；3 F質(zhì)粒本身所帶的基因控制了質(zhì)粒的復(fù)制；4 很少發(fā)生體內(nèi)重排。第二節(jié) 人工染色體構(gòu)建 此外，有人把人類染色體端粒DNA上單個-衛(wèi)星DNA單元多聚化形成1Mb左右的大片段并與人類基因組DNA混合，產(chǎn)生了能被復(fù)制、能正常分裂并得到長期穩(wěn)定保存的人工合成的染色體，長度約為6-10Mb，稱為MAC（哺乳類人工染色體）。第二節(jié) 人工染色體構(gòu)建第三節(jié) 全基因組鳥槍法測序 第三節(jié) 全基因組鳥槍法測序 全基因組鳥

28、槍法測序的主要步驟： 第一、建立高度隨機、插入片段大小為2kb左右的基因組文庫。 第二、高效、大規(guī)模的末端測序。對文庫中每一個克隆，進(jìn)行兩端測序。 第三、序列集合。開發(fā)軟件，盡量排除錯誤的連鎖匹配。 第四、填補缺口。有兩種待填補的缺口，一是沒有相應(yīng)模板DNA的物理缺口，二是有模板DNA但未測序的序列缺口。第三節(jié) 全基因組鳥槍法測序 鳥槍法測序的缺點 隨著所測基因組總量增大，所需測序的片段大量增加，各個片段重疊或一個連續(xù)體的概率是2n2-2n；高等真核生物（如人類）基因組中有大量重復(fù)序列，導(dǎo)致判斷失誤。第三節(jié) 全基因組鳥槍法測序 鳥槍法測序不能鑒別高等真核生物基因組中的重復(fù)序列第三節(jié) 全基因組鳥

29、槍法測序 對鳥槍法的改進(jìn)(1) Clone contig法。首先用稀有內(nèi)切酶把待測基因組降解為數(shù)百kb以上的片段，再分別測序。(2) 靶標(biāo)鳥槍法(direted shotgun)。首先根據(jù)染色體上已知基因和標(biāo)記的位置來確定部分DNA片段的相對位置，再逐步縮小各片段之間的缺口。 改進(jìn)后的鳥槍法測序原理圖基因組的序列主要分為基因組的序列主要分為3類類 通過比較確知其生理功能的；通過比較確知其生理功能的； 在數(shù)據(jù)庫中有匹配的蛋白質(zhì)序列，但不知道功能的；在數(shù)據(jù)庫中有匹配的蛋白質(zhì)序列，但不知道功能的； 在現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫中沒有匹配的蛋白質(zhì)序列的新基因。在現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫中沒有匹配的蛋白質(zhì)序列的新基因。第四節(jié) 比較基

30、因組學(xué) 比較基因組學(xué)（comparative genomics）是通過對一種生物相關(guān)基因的認(rèn)識來理解、詮釋甚至克隆分離另一種生物的基因第四節(jié) 比較基因組學(xué)1.通過基因組數(shù)據(jù)進(jìn)行全局性分析數(shù)據(jù)存放。堿基百分含量分析。無論是GC富含區(qū)還是AT富含區(qū)，都可能是一些特殊功能的區(qū)域。ORF分析。首先要用多個不同的軟件來要找到并估測基因組中的每一個ORF。 開放閱讀框（ORF，Open reading frame ）是基因序列的一部分，包含一段可以編碼蛋白的堿基序列，一個起始和終止密碼子之間的序列。部分典型真核和原核生物基因組成成分分析人基因組片段分析人基因組數(shù)據(jù)庫中蛋白質(zhì)編碼基因的部分重要參數(shù)比較性性

31、質(zhì)質(zhì)平均值平均值外顯子（內(nèi)源性）長度外顯子（內(nèi)源性）長度/bp外顯子（內(nèi)源性）個數(shù)外顯子（內(nèi)源性）個數(shù)內(nèi)含子長度內(nèi)含子長度/bp3非翻譯區(qū)（非翻譯區(qū)（UTR）5非翻譯區(qū)（非翻譯區(qū)（UTR）開放閱讀框（開放閱讀框（ORF）長度）長度/bp核基因長度核基因長度/kb1458.83365770300134027物種物種完成完成年份年份總長度總長度/Mp/Mp已完成總長已完成總長的百分?jǐn)?shù)的百分?jǐn)?shù)/%/%占常染色質(zhì)占常染色質(zhì)百分?jǐn)?shù)百分?jǐn)?shù)/Mb/Mb基因數(shù)基因數(shù)/Mb/Mb酵母酵母1996199612129393100100483483線蟲線蟲1998199896969999100100197197果蠅果

32、蠅2000200011611664649797117117擬南芥擬南芥200020001151159292100100221221人類第人類第2121染色體染色體20002000343475751001007 7人類第人類第2222染色體染色體199919993434707097971616人類全基因組人類全基因組(Public Sequence)(Public Sequence)2001200126932693848490901212人類全基因組人類全基因組(Celera Sequence)(Celera Sequence)2001200126542654838399-9399-931515

33、基本完成DNA序列分析的真核生物基因組比較不同物種中單拷貝基因的數(shù)量及占基因總數(shù)比較物種物種單拷貝基因個數(shù)單拷貝基因個數(shù)單拷貝基因占基因總量的單拷貝基因占基因總量的%流感嗜血桿菌流感嗜血桿菌酵母酵母果蠅果蠅線蟲線蟲擬南芥擬南芥1587510510736141771160188.871.472.555.235.0第四節(jié) 比較基因組學(xué)2.通過基因組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較基因組研究尿殖道支原體與流感嗜血桿菌的比較基因組學(xué)研究 基因組尺度減小并不引起基因密度的增加和基因本身尺寸的減小。 通過對這兩個親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的生物基因組的比較, 選取其共同的基因（共240個），再加上一些其他基因，最后組成一套含256個基因的

34、最小基因組。E.coli, Haemophilus influenzae和和Mycoplasma genitalium基因組中的基因分類基因組中的基因分類分分 類類基基 因因 數(shù)數(shù)E. coli H. influenzaeM. genitalium總總ORF數(shù)數(shù)42881727470氨基酸合成氨基酸合成131681輔基等的合成輔基等的合成103545核苷酸合成核苷酸合成585319細(xì)胞膜合成與裝配細(xì)胞膜合成與裝配2378417能量代謝能量代謝24311231中合物代謝中合物代謝188306脂肪代謝脂肪代謝48256DNA復(fù)制、重組和修復(fù)復(fù)制、重組和修復(fù) 1158732蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)967

35、調(diào)控蛋白調(diào)控蛋白178647轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄552712翻譯翻譯182141101吸收與轉(zhuǎn)運吸收與轉(zhuǎn)運42712334第四節(jié) 比較基因組學(xué)2.通過基因組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較基因組研究古細(xì)菌、細(xì)菌和真核生物的比較基因組學(xué)研究 結(jié)果表明，在進(jìn)化系統(tǒng)上，古細(xì)菌與真核生物親緣關(guān)系比原核生物更近。在自養(yǎng)生物的三個分支，細(xì)菌、古細(xì)菌和真核生物中，細(xì)菌的分化較早。第四節(jié) 比較基因組學(xué)2.通過基因組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較基因組研究釀酒酵母與原核生物的比較基因組研究 釀酒酵母是最小的真核基因組，裂殖酵母其次，其密度是1/2.3kb，簡單多細(xì)胞生物線蟲的基因密度為1/30kb。第二、釀酒酵母只有4%的編碼基因有內(nèi)含子，而裂殖酵母則有40%

36、編碼基因有內(nèi)含子。3.功能基因組學(xué)研究 基因敲除（knock out of gene）：利用基因打靶技術(shù)，用無功能的外源基因轉(zhuǎn)入細(xì)胞與基因組中同源序列進(jìn)行同源重組，把具有功能的同源序列置換出來，造成功能基因的缺失或失活，這一技術(shù)叫基因敲除。 基因敲入（knock in of gene）：利用基因同源重組，將外源有功能的基因轉(zhuǎn)入基因組中不存在或已失活的細(xì)胞中與其基因組中同源序列進(jìn)行同源重組，在細(xì)胞內(nèi)獲得表達(dá)，這一技術(shù)稱為基因敲入。 第四節(jié) 比較基因組學(xué) 研究意義： 研究基因功能 轉(zhuǎn)基因動物的制備 用于藥物篩選的動物模型 轉(zhuǎn)基因動物可作為“生物反應(yīng)器”生產(chǎn)藥物Enrichment of E.coli cells with CMNPs第一節(jié) 人類基因組計劃 該計劃是美國科學(xué)家1985年率先提出，1990年正式啟動。美、英、德、法、日先后參加了此項工作，1999年我國成為 HGP的第六個成員國。 HGP旨在闡明人類基因組DNA所具有的310109 9核苷酸的序列，發(fā)現(xiàn)所有的人類基因并闡明其在染色體上的位置，破譯人類的全部遺傳信息，使得人類第一次在分子水平上全面地認(rèn)識自我。其研究內(nèi)容還包括創(chuàng)建計算機分析管理系統(tǒng)，檢驗相關(guān)的倫理、法律及社會問題。 20002000年完成了人類基因組