分子生物學第九章基因組學與比較基因組學4課件

1、第九章基因組學與后基因組學.基因組：生物體配子中所包含的全部染色體及其基因，還包括細胞質(zhì)基因組。 基因組學:研究生物體內(nèi)基因組的分子特征。以整個基因組為研究對象，而不是以單個基因為單位作為研究對象。.主要目標： 認識基因組的結(jié)構(gòu)、功能和進化； 闡明整個基因組所包含的遺傳信息和相互關(guān)系； 充分利用有效資源， 預防和治療人類疾病。.人類基因組計劃鳥槍法序列分析技術(shù)后基因組學研究Contents.一、人類基因組計劃的啟動 1986 年諾貝爾獎獲得者R.Dulbecco（杜爾貝科）提出人類基因組計劃測出人類全套基因組的 DNA 堿基序列（ 3 X 109 bp ）第一節(jié)人類基因組計劃.1975年，獲諾

2、貝爾生理醫(yī)學獎. 美國政府決定于 1990年正式啟動HGP，預計用 15 年時間，投入 30 億美元，完成 HGP。 由國立衛(wèi)生研究院和能源部共同組成“人類基因組研究所” 逐漸地，HGP 擴展為多國協(xié)作計劃。參與者包括：英、日、法、德和中國（1993年）.二、人類基因組計劃的進展狀況（1）截至 1998 年 10 月，完成 1.8 X 108bp，占計劃的 6。（2）完成一系列模式生物全基因組測定。 這些模式生物全基因組測定的完成有重大理論與現(xiàn)實意義。.（3）DNA 測序技術(shù)飛速提高 1998.5.9 J.C. Venter 等宣布，組建商業(yè)公司，投入 3 億美元，3 年內(nèi)完成。 接著又有若干

3、家公司成立，總共投入資金約幾十億美元，形成 公”“私”并進 格局2000.6 完成并公布 人類基因組工作框架圖( 90%)。.二000年六月二十六日克林頓宣布人類基因組草圖繪制完成.美國國家人類基因組研究所所長弗朗西斯柯林斯在介紹情況。 .人類基因組草圖基本信息由31.65億bp組成含33.5萬基因與蛋白質(zhì)合成有關(guān) 的基因占2%人類基因組人類蛋白質(zhì)61%與果蠅同源43%與線蟲同源46%與酵母同源.2000年6月公共領(lǐng)域測序計劃工作框架圖. 2000 年 12 月美、英等國科學家宣布繪出擬南芥基因組的完整圖譜，這是人類首次全部破譯出一種植物的基因序列。.2001 年2月16日 人類基因組“精細圖

4、”完成，(99%),同時發(fā)表論文 美國 Science, Vol. 291, No. 5507 英國Nature , Vol.409, p.860.DAN測序膠圖.年月日，人類基因組序列圖亦稱“完成圖”（99.99%），提前繪制成功。 .三、人類基因組計劃的科學意義（1）確定人類基因組中約5萬個編碼基因的序列及其在基因組中的物理位置，研究基因的產(chǎn)物及其功能。（2）了解轉(zhuǎn)錄和剪接調(diào)控元件的結(jié)構(gòu)與位置，從整個基因組結(jié)構(gòu)的宏觀水平上理解基因轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)。.（3）從整體上了解染色體結(jié)構(gòu)，包括各種重復序列以及非轉(zhuǎn)錄“框架序列”的大小和組織，了解各種不同序列在形成染色體結(jié)構(gòu)、DNA復制、基因轉(zhuǎn)錄及表達

5、調(diào)控中的影響與作用。（4）研究空間結(jié)構(gòu)對基因調(diào)節(jié)的作用。有些基因的表達調(diào)控序列與被調(diào)節(jié)基因從直線距離上看，似乎相距甚遠，但若從整個染色體的空間結(jié)構(gòu)上看則恰恰處于最佳的調(diào)節(jié)位置，因此，有必要從三維空間的角度來研究真核基因的表達調(diào)控規(guī)律。.（5）發(fā)現(xiàn)與DNA復制、重組等有關(guān)的序列。DNA的忠實復制保障了遺傳的穩(wěn)定性，正常的重組提供了變異與進化的分子基礎(chǔ)。局部DNA的推遲復制、異常重組等現(xiàn)象則導致疾病或者胚胎不能正常發(fā)育，因此，了解與人類DNA正常復制和重組有關(guān)的序列及其變化，將對研究人類基因組的遺傳與進化提供重要的結(jié)構(gòu)上的依據(jù)。.（6）研究DNA突變、重排和染色體斷裂等，了解疾病的分子機制，包括遺

6、傳性疾病、易感性疾病、放射性疾病甚至感染性疾病引發(fā)的分子病理學改變及其進程，為這些疾病的診斷、預防和治療提供理論依據(jù)。（7）確定人類基因組中轉(zhuǎn)座子、逆轉(zhuǎn)座子和病毒殘余序列，研究其周圍序列的性質(zhì)。了解有關(guān)病毒基因組侵染人類基因組后的影響，可能指導人類有效地利用病毒載體進行基因治療。.（8）研究染色體和個體之間的多態(tài)性。這些知識可被廣泛用于基因診斷、個體識別、親子鑒定、組織配型、發(fā)育進化等許多醫(yī)療、司法和人類學的研究。此外，這些遺傳信息還有助于研究人類歷史進程、人類在地球上的分布與遷移以及人類與其他物種之間的比較。.以人類基因組和擬南芥基因組為例說明你對生物基因組全序測定工作的科學意義與社會意義的

7、認識（8分） 中國科學院2002年 碩士學位研究生入學分子遺傳學試題.遺傳圖譜轉(zhuǎn)錄圖譜0.7 cM 或 kb 序列圖譜物理圖譜100 kbSTS map四張圖：物理圖、 轉(zhuǎn)錄圖遺傳圖 、序列圖 四、HGP的主要任務.、 遺傳圖（連鎖圖）指基因或DNA標記在染色體上的相對位置與遺傳距離。cM（基因或DAN片段在染色體交換過程中分離的頻率）.多態(tài)性：人的DNA序列上平均每幾百個堿基會出現(xiàn)一些變異（variation），并按照孟德爾遺傳規(guī)律由親代傳給子代，從而在不同個體間表現(xiàn)出不同，因而被稱為多態(tài)性（Polymorphism）。 .第一代多態(tài)性標記是RFLP（restriction fragment

8、 length polymorphism，限制性片段長度多態(tài)性）. 第二代多態(tài)性標記是短的串聯(lián)重復序列 包括小衛(wèi)星DNA和微衛(wèi)星DNA，其多態(tài)性主要來自重復序列拷貝數(shù)的變化.小衛(wèi)星DNA由15-65bp的基本單位串聯(lián)重復而成，長度一般不超過20kb。重復次數(shù)（小衛(wèi)星DNA區(qū)的長度）在人群中是高度變異的；按照孟德爾的規(guī)律遺傳微衛(wèi)星DNA/簡短串聯(lián)重復（STR、STRP或SSLP）重復單元2-8bp，通常重復10-60次CTAGCTTATATATATATATATATATATATAAGCTTGC.真核生物基因組中的DNA重復序列主要有哪些類型？簡要說明基因組重復序列可能的生物學意義以及基因組重復序列

9、在分子標記研究中的應用 （12分）中國科學院2002年 碩士學位研究生入學分子遺傳學試題.第三代多態(tài)性標記是單核苷酸的多態(tài)性（single nucleotide polymorphism，SNP）SNP：是由于單個核苷酸改變而導致的核酸序列多態(tài)。第一軍醫(yī)大學2003年分子生物學 .人類999的基因密碼是相同的，而差異不到01，不同人群僅有140萬個核苷酸差異。這些差異是由“單一核苷酸多樣性”（SNP）產(chǎn)生的，它構(gòu)成了不同個體的遺傳基礎(chǔ)。在整個基因組序列中，人與人之間的變異僅為萬分之一，從而說明人類不同“種屬”之間并沒有本質(zhì)上的區(qū)別。 .SNP與RFLP和STR標記的主要不同之處在于，它不再以D

10、NA片段的長度變化作為檢測手段，而直接以序列變異作為標記。.2、物理圖 以已知核苷酸序列的DNA片段（序列標簽位點，sequence-tagged site,STS）為“路標”，以堿基對作為基本測量單位（圖距）的基因組圖。.3、轉(zhuǎn)錄圖 以EST（expressed sequence tag ，表達序列標簽）為標記，根據(jù)轉(zhuǎn)錄順序的位置和距離繪制的圖譜。EST：通過從cDNA文庫中隨機挑選的克隆進行測序所獲得的部分cDNA的5或3端序列稱為表達序列標簽（EST），一般長300-500bp左右。 .4、序列圖（分子水平的物理圖） 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。1m 既包

11、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。.人類基因組的序列圖是指測出30億個堿基對的序列，并在基因圖譜上表示出來。 這是人類基因組計劃最繁重、耗時最多的工作。.2000年6月公共領(lǐng)域測序計劃工作框架圖.第二節(jié)的鳥槍法序列分析技術(shù)一、基因組DNA大片段文庫的構(gòu)建人工染色體含有三種必需成分：著絲粒、端粒和復制起點。YAC（酵母人工染色體）載體BAC（細菌人工染色體）載體.用染色體建造法用F質(zhì)粒及其調(diào)控基因構(gòu)建細菌載體，克隆大片段DNA。該質(zhì)粒主要包括oriS， repE（控制F質(zhì)粒復制）和parA、 parB（控制拷貝數(shù)）等成分。.第二節(jié)的鳥槍法序列分析技術(shù) 二、

12、的鳥槍法測序原理. 1999 年 12 月用“逐個克隆法”獲得第一條人類染色體 22號染色體完成序列. 2000 年3 月用“全基因組鳥槍法”獲得果蠅全基因組序列。.三、DNA的鳥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?？寺?shù)要達到一定數(shù)量，即經(jīng)末端測序的克隆片段的堿基總數(shù)應達到基因組5倍以上。第二，高效、大規(guī)模的末端測序。對文庫中每一個克隆，進行兩端測序，TIGR在完成流感嗜血桿菌的基因組時，使用了14臺測序儀，用三個月時間完成了必需的28,463個測序反應，測序總長度達6倍基因組。第三，序列集合。TIGR發(fā)展了新的軟件，修改了序列集合規(guī)則以最大限度地排

13、除錯誤的連鎖匹配。第四，填補缺口。有兩種待填補的缺口，一是沒有相應模板DNA的物理缺口，二是有模板DNA但未測序的序列缺口。他們建立了插入片段為15-20kb的文庫以備缺口填補。 .Shotgun法序列拼接Sequence Gap .四、的鳥槍法測序的優(yōu)缺點優(yōu)點：速度快 缺點：隨著所測基因組總量增大，所需測序的片段大量增加高等真核生物（如人類）基因組中有大量重復序列，導致判斷失誤. 2003年4月14日，人類基因組序列圖繪制成功，但對于90%以上的人類基因尚不了解其功能。后基因組學研究基因組的基因功能，基因之間的相互關(guān)系和調(diào)控機制的學科。 目前已衍生出了許多新興學科：1）比較基因組學； 2）功

14、能基因組學；3）蛋白質(zhì)組學； 4）疾病基因組學；5）藥物基因組學； 6）生物信息學第三節(jié) 后基因組學.一、比較基因組學(Comparative Genomics) 對同一物種不同個體以及不同物種的基因組進行比較,分析基因的大小、數(shù)量,基因排列順序,編碼序列與非編碼序列的特征以及物種進化關(guān)系等的學科。不僅可以揭示生命的起源、進化等重大生物學問題，還具有潛在的實用價值。如通過細菌和人類的基因組比較研究，有可能篩選出只在細菌中存在的基因，成為新的抗菌素的藥靶。.物種完成年份總長度/Mp已完成總長的百分數(shù)/%占常染色質(zhì)百分數(shù)/Mb基因數(shù)/Mb酵母19961293100483線蟲199896991001

15、97果蠅20001166497117擬南芥200011592100221人類第21染色體200034751007人類第22染色體199934709716人類全基因組(Public Sequence)20012693849012人類全基因組(Celera Sequence)200126548399-9315基本完成DNA序列分析的真核生物基因組比較.二、功能基因組學研究概念：利用結(jié)構(gòu)基因組學提供的信息，以高通量，大規(guī)模實驗方法及統(tǒng)計與計算機分析為特征，全面系統(tǒng)地分析全部基因的功能。范疇：高通量基因的識別與基因功能的鑒定；蛋白質(zhì)組學（包括細胞器蛋白質(zhì)組學和誘導條件下的蛋白質(zhì)組學）；合成性染色體；微

16、基因工程小鼠（遺傳分辨）；生殖基因組學，等等.（1）DNA芯片技術(shù)：面積不大的基片（氧化硅、玻璃或尼龍等材料制成）表面分成不同小格有序的點陣排列核苷酸分子（不同基因、cDNA的DNA片段或寡核苷酸）將待分析的核苷酸分子標記變性成單鏈，與芯片上的核苷酸分子雜交洗掉芯片上序列不同的核苷酸分子利用高精度的激光掃描儀記錄已雜交分子的熒光信號計算機分析。3. 基因功能的研究方法.（2）基因轉(zhuǎn)導技術(shù)：導入細胞，觀察功能。該方法用的最多，技術(shù)最成熟。（3）基因敲除技術(shù)（gene knockout) 又稱基因打靶（gene targeting）。這種技術(shù)是通過基因工程的方法將一個結(jié)構(gòu)已知但功能未知的基因去除，

17、或用其他序列相近的基因取代（又稱基因敲入），然后從整體觀察實驗動物，從而推測相應基因的功能。這種人為地把實驗動物某一種有功能的基因完全缺失的技術(shù)稱為基因敲除技術(shù)。.功能基因組學延伸核心問題基因組多樣性遺傳疾病產(chǎn)生的起因基因的表達調(diào)控的協(xié)調(diào)作用以及蛋白質(zhì)產(chǎn)物的功能.功能基因組學延伸模式生物體：在研究功能基因組學中將起到重要的工具作用HGP及其延伸內(nèi)容決定性的成功取決于：生物信息學計算機生物學的發(fā)展和應用主要體現(xiàn)在：數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)的儲存能力分析工具的開發(fā).三、蛋白質(zhì)組學 蛋白質(zhì)組：一個基因組所表達的全部蛋白質(zhì)。 蛋白質(zhì)組學：在蛋白質(zhì)水平研究基因組的基因表達，分析基因組的蛋白質(zhì)類型、空間結(jié)構(gòu)變異以及相

18、互作用的機制。是功能基因組學的一個重要方面。雙相電泳技術(shù)：第一相是以蛋白質(zhì)的電荷差異為基礎(chǔ)進行分離的等電聚焦，第二相是以蛋白質(zhì)分子量差異為基礎(chǔ)的SDS。. 人角化細胞的2D電泳蛋白質(zhì)圖譜，經(jīng)S35放射自顯影顯示，可以分辨出100種以上的蛋白質(zhì)。.四、基因組信息學基因組數(shù)據(jù)庫（包括蛋白質(zhì)組和代謝物組數(shù)據(jù)庫）基因組中全部基因的鑒定，功能預測人與模式生物基因組序列比較用生物信息學方法確定宿主與致病因子的相互作用（病理基因組學）.五、環(huán)境基因組學Enviromental Genomics專門鑒定機體暴露在特定環(huán)境下的那些顯示易感或抵抗性基因的DNA多態(tài)性對環(huán)境比較敏感的基因有：DNA修復基因、細胞周期相關(guān)基因、激素代謝基因、受體基因、參與免疫和感染反應的基因、信號轉(zhuǎn)導基因、等等.六、藥物基因組學 Phamarco genomics是不同個體的藥物反應（主要指藥效與毒性）差異與DNA多態(tài)性的關(guān)系。即通過DNA序列差異的分析，從基因水平上深入認識疾病及藥物作用的個體差異的機理，指導和優(yōu)化臨床用藥。并有可能在此基礎(chǔ)上發(fā)展個體化醫(yī)療.七、基因組進化研究1、基因組大