遺傳學(xué)ppt課件

1、第十三章 基因組學(xué) 1第一節(jié)第一節(jié) 基因組學(xué)概述基因組學(xué)概述 基因組學(xué)基因組學(xué)(genomics):(genomics):主要研究主要研究生物體全基因組生物體全基因組(genome)(genome)的分子的分子特征。特征?；蚪M學(xué)強(qiáng)調(diào)的是以基因組為單基因組學(xué)強(qiáng)調(diào)的是以基因組為單位，而不是以單個基因為單位作位，而不是以單個基因為單位作為研究對象為研究對象2基因組學(xué)的研究目標(biāo)基因組學(xué)的研究目標(biāo): :1. 1. 獲得生物體全部基因組序列獲得生物體全部基因組序列2. 2. 注解基因組所含的全部基因注解基因組所含的全部基因3. 3. 鑒定所有基因的功能及基因間鑒定所有基因的功能及基因間 相互作用關(guān)系相互

2、作用關(guān)系4. 4. 闡明基因組的復(fù)制及進(jìn)化規(guī)律闡明基因組的復(fù)制及進(jìn)化規(guī)律 3酵母酵母 1.5 107 bp擬南芥擬南芥 1.0 108水稻水稻 4.3 108人類人類 3.3 109玉米玉米 5.4 109 小麥小麥 1.6 1010 419861986年首次提出基因組學(xué)的概念年首次提出基因組學(xué)的概念19901990年開始基因組計劃年開始基因組計劃, ,美國國立衛(wèi)生研美國國立衛(wèi)生研究院究院( (NIH)NIH)和能源部和能源部( (DOE)DOE)聯(lián)合啟動了被譽(yù)聯(lián)合啟動了被譽(yù)為為“人體阿波羅計劃人體阿波羅計劃”的的“人類基因組計人類基因組計劃劃”( (human genome projecth

3、uman genome project，HGP)HGP) 美國提出人類基因組計劃后，英、法、日美國提出人類基因組計劃后，英、法、日、前蘇聯(lián)、中等，也相繼啟動了類似項目、前蘇聯(lián)、中等，也相繼啟動了類似項目20002000年年6 6月月2626日，各國科學(xué)家公布了人類日，各國科學(xué)家公布了人類基因組工作草圖基因組工作草圖20012001年年8 8月月2626日，人類基因組計劃中國部日，人類基因組計劃中國部分測序項目匯報及聯(lián)合驗收會在京召開，分測序項目匯報及聯(lián)合驗收會在京召開，標(biāo)志人類基因組標(biāo)志人類基因組“中國卷中國卷”通過驗收通過驗收 5 19921992年年8 8月，中國根據(jù)國情正式宣月，中國根據(jù)

4、國情正式宣布實施自己的布實施自己的“水稻基因組研究計劃水稻基因組研究計劃” 20022002年年4 4月月5 5日，日，ScienceScience以以1414頁的篇幅刊登和宣布中國科學(xué)家獨立頁的篇幅刊登和宣布中國科學(xué)家獨立繪制完成的水稻基因組草圖序列繪制完成的水稻基因組草圖序列水稻全基因組物理圖水稻全基因組物理圖6C值：值：一個單倍體基因組一個單倍體基因組中中DNA的總量。一個特的總量。一個特定的種屬具有特定的定的種屬具有特定的C值值C值悖理：值悖理：物種的物種的C值和值和它的進(jìn)化復(fù)雜性之間無它的進(jìn)化復(fù)雜性之間無嚴(yán)格對應(yīng)關(guān)系的現(xiàn)象嚴(yán)格對應(yīng)關(guān)系的現(xiàn)象N值：值：生物體所含有的基因數(shù)目生物體所含有

5、的基因數(shù)目 N值悖理：值悖理：復(fù)雜性不同的生物種屬所具有復(fù)雜性不同的生物種屬所具有的基因數(shù)目與其生物結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性不成比的基因數(shù)目與其生物結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性不成比例的現(xiàn)象。例的現(xiàn)象。水稻基因數(shù)約水稻基因數(shù)約4萬個萬個, 人類基因總數(shù)約人類基因總數(shù)約3萬個萬個 7基因組學(xué)的研究內(nèi)容基因組學(xué)的研究內(nèi)容結(jié)構(gòu)基因組學(xué)：結(jié)構(gòu)基因組學(xué)：通過基因作圖、核苷酸通過基因作圖、核苷酸序列分析確定基因組成、進(jìn)行基因定位序列分析確定基因組成、進(jìn)行基因定位的科學(xué)的科學(xué)功能基因組學(xué)功能基因組學(xué)( (后基因組學(xué)后基因組學(xué)) )：利用結(jié)構(gòu)利用結(jié)構(gòu)基因組所提供的信息和產(chǎn)物，研究基因基因組所提供的信息和產(chǎn)物，研究基因組功能表達(dá)的科學(xué)。組

6、功能表達(dá)的科學(xué)?；虻淖R別、鑒定和克隆，基基因的識別、鑒定和克隆，基因結(jié)構(gòu)與功能及其相互關(guān)系，基因表達(dá)調(diào)控因結(jié)構(gòu)與功能及其相互關(guān)系，基因表達(dá)調(diào)控蛋白質(zhì)組學(xué)：蛋白質(zhì)組學(xué)：研究細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)組成及研究細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)組成及其活動規(guī)律的科學(xué)。其活動規(guī)律的科學(xué)。鑒定蛋白質(zhì)表達(dá)、存在方式、鑒定蛋白質(zhì)表達(dá)、存在方式、結(jié)構(gòu)、功能和相互作用方式等結(jié)構(gòu)、功能和相互作用方式等 8基因組學(xué)的重要組成部分是基因組學(xué)的重要組成部分是基因基因組計劃組計劃，如人類、水稻基因組計如人類、水稻基因組計劃，劃，大體可分為大體可分為：1 1、構(gòu)建基因組的遺傳圖譜構(gòu)建基因組的遺傳圖譜2 2、構(gòu)建基因組的物理圖譜、構(gòu)建基因組的物理圖譜3 3

7、、測定基因組、測定基因組DNADNA的全部序列的全部序列4 4、構(gòu)建基因組的轉(zhuǎn)錄本圖譜、構(gòu)建基因組的轉(zhuǎn)錄本圖譜5 5、分析基因組的功能、分析基因組的功能9第二節(jié)第二節(jié) 基因組圖譜的構(gòu)建基因組圖譜的構(gòu)建 在進(jìn)行大規(guī)模序列測定之前，構(gòu)建在進(jìn)行大規(guī)模序列測定之前，構(gòu)建基因組圖譜基因組圖譜, , 錨定測知的核酸序列錨定測知的核酸序列在染色體上的位置在染色體上的位置人類基因組計劃：首先用人類基因組計劃：首先用6 6年年時間時間構(gòu)建高密度的基因組圖譜，然后才構(gòu)建高密度的基因組圖譜，然后才進(jìn)入測序工作進(jìn)入測序工作 10一、遺傳圖譜構(gòu)建遺傳圖譜構(gòu)建 遺傳作遺傳作圖：圖：采用遺傳學(xué)分析方法將基因或其他采用遺傳學(xué)

8、分析方法將基因或其他DNA順序標(biāo)定在染色體上構(gòu)建連鎖圖順序標(biāo)定在染色體上構(gòu)建連鎖圖 1、圖譜標(biāo)記、圖譜標(biāo)記 形態(tài)標(biāo)記：形態(tài)標(biāo)記：可以觀察到的一些性狀可以觀察到的一些性狀,如種皮顏色如種皮顏色、眼色、株高等、眼色、株高等 細(xì)胞學(xué)標(biāo)記：細(xì)胞學(xué)標(biāo)記：能明確顯示遺傳多態(tài)性的細(xì)胞學(xué)能明確顯示遺傳多態(tài)性的細(xì)胞學(xué)特征。染色體的結(jié)構(gòu)特征和數(shù)量特征是常見的特征。染色體的結(jié)構(gòu)特征和數(shù)量特征是常見的細(xì)胞學(xué)標(biāo)記細(xì)胞學(xué)標(biāo)記 生化標(biāo)記：生化標(biāo)記：同工酶及種子貯藏蛋白同工酶及種子貯藏蛋白,有時又稱蛋有時又稱蛋白質(zhì)標(biāo)記白質(zhì)標(biāo)記分子標(biāo)記：分子標(biāo)記：DNA水平上的標(biāo)記。水平上的標(biāo)記。RFLP, RAPD, SSR, STS, A

9、FLP, CAPS, SNP 112 2、遺傳圖譜的構(gòu)建、遺傳圖譜的構(gòu)建 人類基因組遺傳圖譜的構(gòu)建人類基因組遺傳圖譜的構(gòu)建 人類的遺傳圖譜是利用家系分析法，人類的遺傳圖譜是利用家系分析法，在對在對8 8個家系的個家系的134134個成員的分析中，主要個成員的分析中，主要根據(jù)根據(jù)52645264個個STRSTR標(biāo)記繪制而成。利用這些標(biāo)記繪制而成。利用這些家系的資料繪制第家系的資料繪制第1 1至至2222號染色體圖譜。號染色體圖譜。對于對于X X染色體圖譜，還利用了來自另外染色體圖譜，還利用了來自另外1212個家系，個家系，170170個成員的資料繪制而成。個成員的資料繪制而成。 將將526452

10、64個標(biāo)記定位在個標(biāo)記定位在23352335個位點，據(jù)個位點，據(jù)此構(gòu)建的人類基因組遺傳圖譜的密度為每此構(gòu)建的人類基因組遺傳圖譜的密度為每個標(biāo)記個標(biāo)記599 kb599 kb。12植物基因組遺傳圖譜的構(gòu)建植物基因組遺傳圖譜的構(gòu)建選選擇親本擇親本 產(chǎn)生作圖群體產(chǎn)生作圖群體 遺傳標(biāo)記的染色體定位遺傳標(biāo)記的染色體定位標(biāo)記間的連鎖分析標(biāo)記間的連鎖分析 P1 P2P3 F1回交群體回交群體單倍體單倍體DH三交群體三交群體F2RIL連續(xù)回交連續(xù)回交連續(xù)自交連續(xù)自交染色體加倍染色體加倍組織培養(yǎng)組織培養(yǎng)1319941994年繪制的第一張水稻高密度年繪制的第一張水稻高密度遺傳圖譜，僅有遺傳圖譜，僅有927927個

11、位點，含有個位點，含有13831383個標(biāo)記個標(biāo)記19981998年將年將22752275標(biāo)記定位到標(biāo)記定位到11571157個個位點上位點上20002000年最終的水稻高密度遺傳圖年最終的水稻高密度遺傳圖標(biāo)記為標(biāo)記為32673267個，用于指導(dǎo)水稻基個，用于指導(dǎo)水稻基因組測序因組測序 14二、物理圖譜二、物理圖譜 由于遺傳圖譜的分辨率有限、精確性由于遺傳圖譜的分辨率有限、精確性不高，所以要構(gòu)建物理圖譜不高，所以要構(gòu)建物理圖譜 基因組物理圖譜的構(gòu)建基因組物理圖譜的構(gòu)建主要有主要有4 4種途徑：種途徑： 限制酶作圖：限制酶作圖：比較不同比較不同限制酶產(chǎn)生的限制酶產(chǎn)生的DNA片段的大小片段的大小酵

12、母第酵母第3染色體遺傳圖（染色體遺傳圖（A）與物理圖（）與物理圖（B） 15 基于克隆的基因組作圖：基于克隆的基因組作圖：根據(jù)克隆的根據(jù)克隆的 DNA片段之間的重疊順序構(gòu)建重疊群片段之間的重疊順序構(gòu)建重疊群 (contig), 繪制物理連鎖圖繪制物理連鎖圖重疊群：重疊群：相互重疊相互重疊的的DNA片段組成的片段組成的物理圖?？寺≈丿B物理圖?？寺≈丿B群的組建采用染色群的組建采用染色體步移法體步移法16 熒光標(biāo)記原位雜交熒光標(biāo)記原位雜交(FISH)(FISH)：將熒光標(biāo)記的探針與染色體雜將熒光標(biāo)記的探針與染色體雜交確定分交確定分子標(biāo)記所子標(biāo)記所在位置的在位置的方法方法 17 順序標(biāo)簽位點順序標(biāo)簽位

13、點(STS)(STS)：STS是長度在是長度在100500 bp的的DNA順序，每個順序，每個基因組僅基因組僅1份拷貝，很易分辨份拷貝，很易分辨當(dāng)兩個片段含有同一當(dāng)兩個片段含有同一STS時，可以確認(rèn)這兩時，可以確認(rèn)這兩個片段彼此重疊個片段彼此重疊兩個不同的兩個不同的STS出現(xiàn)在同一片段的機(jī)會取決出現(xiàn)在同一片段的機(jī)會取決于其在基因組中的位置。如果彼此鄰接，于其在基因組中的位置。如果彼此鄰接，這兩個這兩個STS總會同時出現(xiàn)在相同片段上?？倳瑫r出現(xiàn)在相同片段上。如果相距甚遠(yuǎn)，有時會在同一片段，有時如果相距甚遠(yuǎn)，有時會在同一片段，有時則在不同片段則在不同片段 18三、基因組測序策略三、基因組測序策略

14、 鳥槍法鳥槍法測序測序用限制酶用限制酶或超聲波或超聲波處理待測處理待測序基因組序基因組19克隆重疊群法克隆重疊群法 1.1.將基因組切割成長度為將基因組切割成長度為0.1-1Mb0.1-1Mb的大片的大片段，構(gòu)建段，構(gòu)建BACBAC文庫文庫2.2.用用STS-PCRSTS-PCR反應(yīng)池方案篩選種子克隆反應(yīng)池方案篩選種子克隆3.3.用指紋圖譜法或末端序列步行法對種子用指紋圖譜法或末端序列步行法對種子克隆進(jìn)行延伸克隆進(jìn)行延伸4.4.根據(jù)相互位置關(guān)系及根據(jù)相互位置關(guān)系及STSSTS路標(biāo)順序關(guān)系路標(biāo)順序關(guān)系有序地將種子克隆及延伸克隆繪制到基有序地將種子克隆及延伸克隆繪制到基因組的相應(yīng)區(qū)域上，形成重疊克

15、隆群因組的相應(yīng)區(qū)域上，形成重疊克隆群5.5.用鳥槍法分別將每個克隆測序，組裝到用鳥槍法分別將每個克隆測序，組裝到染色體上染色體上 20四、基因組圖譜的應(yīng)用四、基因組圖譜的應(yīng)用1 1、基因組序列測定、基因組序列測定2 2、基因定位、基因定位 3 3、基因的克隆與分離、基因的克隆與分離4 4、分子標(biāo)記輔助選擇、分子標(biāo)記輔助選擇5 5、比較基因組研究、比較基因組研究21第三節(jié)第三節(jié) 生物信息學(xué)生物信息學(xué) 1 1、生物信息學(xué)、生物信息學(xué)(Bioinformatics)采用計算機(jī)技術(shù)和信息論方法對蛋采用計算機(jī)技術(shù)和信息論方法對蛋白質(zhì)及其白質(zhì)及其核酸序列等多種生物信息核酸序列等多種生物信息采集、加工、儲存

16、、傳遞、檢索、采集、加工、儲存、傳遞、檢索、分析和解讀，旨在掌握復(fù)雜生命現(xiàn)分析和解讀，旨在掌握復(fù)雜生命現(xiàn)象的形成模式和演化規(guī)律的科學(xué)象的形成模式和演化規(guī)律的科學(xué)222、基因芯片、基因芯片(gene chip), 又稱又稱DNA微陣列微陣列(microarray)是由大量是由大量DNA或寡核苷酸探針密集排或寡核苷酸探針密集排列所形成的探針列所形成的探針陣列陣列, 其基本原理其基本原理是通過雜交檢測是通過雜交檢測信息。利用基因信息。利用基因芯片芯片, 可以可以實現(xiàn)基實現(xiàn)基因信息的大規(guī)模因信息的大規(guī)模檢測檢測 233 3、生物信息學(xué)的應(yīng)用、生物信息學(xué)的應(yīng)用1 1、發(fā)現(xiàn)新基因和新的單核苷酸、發(fā)現(xiàn)新基因

17、和新的單核苷酸 多態(tài)性多態(tài)性 2 2、分析基因組中非編碼蛋白質(zhì)、分析基因組中非編碼蛋白質(zhì) 區(qū)域功能區(qū)域功能 3 3、在基因組水平上研究生物進(jìn)化、在基因組水平上研究生物進(jìn)化 4 4、完整基因組比較研究、完整基因組比較研究 24第四節(jié)第四節(jié) 蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué) 1 1、概念及研究內(nèi)容、概念及研究內(nèi)容 蛋白質(zhì)組蛋白質(zhì)組: : 細(xì)胞、器官或組織的蛋細(xì)胞、器官或組織的蛋白質(zhì)成分的總稱白質(zhì)成分的總稱蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué): : 研究這些成分在指定研究這些成分在指定的時間或特定的環(huán)境條件下的表達(dá)的時間或特定的環(huán)境條件下的表達(dá)研究內(nèi)容：研究內(nèi)容：蛋白質(zhì)表達(dá)模式，蛋白蛋白質(zhì)表達(dá)模式，蛋白質(zhì)組功能模式質(zhì)組功能模式

18、 252 2、蛋白質(zhì)的分離、蛋白質(zhì)的分離蛋白質(zhì)組學(xué)研蛋白質(zhì)組學(xué)研究的第一步是究的第一步是蛋白質(zhì)的分離蛋白質(zhì)的分離雙相凝膠電泳雙相凝膠電泳是蛋白質(zhì)組研是蛋白質(zhì)組研究中的首選分究中的首選分離技術(shù)離技術(shù) 263 3、蛋白質(zhì)的鑒定、蛋白質(zhì)的鑒定鑒定蛋白質(zhì)組份的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能及鑒定蛋白質(zhì)組份的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能及其各蛋白質(zhì)間的相互作用關(guān)系其各蛋白質(zhì)間的相互作用關(guān)系, , 從而研從而研究蛋白質(zhì)組表達(dá)模式和功能模式究蛋白質(zhì)組表達(dá)模式和功能模式蛋白質(zhì)表達(dá)模式的鑒定技術(shù)蛋白質(zhì)表達(dá)模式的鑒定技術(shù): : 以質(zhì)譜為核心的技術(shù)以質(zhì)譜為核心的技術(shù)蛋白質(zhì)微測序蛋白質(zhì)微測序氨基酸組成分析氨基酸組成分析蛋白質(zhì)芯片分析蛋白質(zhì)芯片分析 274 4、蛋白質(zhì)間的相互作用、蛋白質(zhì)間的相互作用 研究方法：研究方法：酵母雙雜交