《基因組學(xué)》課程總結(jié)學(xué)習(xí)資料

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善?；蚪M學(xué)課程總結(jié)-基因組學(xué)這門課程主要包含基因組和基因組研究兩大部分?；蚪M部分主要介紹基因組的基礎(chǔ)知識，基因組研究重點(diǎn)介紹基因組研究的方法和進(jìn)展，重點(diǎn)介紹結(jié)構(gòu)基因組、功能基因組和比較基因組的內(nèi)容。1基因組基因組指一種生物所擁有的整套遺傳物質(zhì)，它包含該生物的全部遺傳信息。絕大多數(shù)生物都以脫氧核糖核酸（DNA）為遺傳物質(zhì)，僅有一些病毒以核糖核酸（RNA）為遺傳物質(zhì)。DNA是由4種脫氧核苷酸殘基按一定順序彼此用3,5-磷酸二酯鍵相連構(gòu)成的長鏈。大多數(shù)DNA是由兩條多聚脫氧核苷酸鏈以極性相反，反向平行的方式，

2、由氫鍵連接而成的雙螺旋結(jié)構(gòu)。也有的DNA為單鏈，如大腸桿菌噬菌體X174等。有的DNA為環(huán)形，有的DNA為線形。RNA一般是單鏈線形分子，構(gòu)成RNA的核苷中的核糖為2位非脫氧的OH基，其堿基中沒有胸腺嘧啶，只有尿嘧啶。生物進(jìn)化從低等到高等，從簡單到復(fù)雜，遺傳信息量不斷增加，因而基因組也相應(yīng)不斷增大。然而在高等生物進(jìn)化階段上述規(guī)律不成立，這表明高等生物基因組中存在大量的無用序列。原核生物基因組通常為一個環(huán)狀DNA分子，原核生物基因組很小，因而其組織結(jié)構(gòu)十分經(jīng)濟(jì)有效，很少含有無用的多余序列。真核生物基因組由多個DNA分子組成，每個皆為雙鏈線形分子。真核生物的每個DNA分子皆與蛋白質(zhì)結(jié)合，構(gòu)成染色體

3、，染色體上有著絲粒結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)行有絲分裂。真核生物基因組通常比較大，含有內(nèi)含子序列，有大量重復(fù)序列，其表達(dá)調(diào)控機(jī)制較復(fù)雜。真核生物的一個基因在基因組上通常由編碼序列外顯子和非編碼序列內(nèi)含子組成。DNA轉(zhuǎn)錄為RNA后，內(nèi)含子序列必須切除。外顯子通常都較短，內(nèi)含子的長度可以從很短到非常長。內(nèi)含子的插入和缺失可造成基因的進(jìn)化。隨著物種進(jìn)化程度的提高，不僅間斷基因的比例增加，而且每個間斷基因所包含的外顯子（或內(nèi)含子）數(shù)目也增加。真核生物基因組中存在基因家族與基因簇。我們把來源相同、結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的一組基因稱為基因家族。基因家族的多個成員成串排列，但各基因獨(dú)立轉(zhuǎn)錄表達(dá)，不形成多順反子的mRNA?；?/p>

4、家族和基因簇是通過一系列的重復(fù)、易位和突變事件，從一個遠(yuǎn)古祖先基因進(jìn)化而來的。真核生物基因組中存在串聯(lián)重復(fù)基因（基因冗余），即一組功能相關(guān)的基因串聯(lián)排列，構(gòu)成一個重復(fù)單位，并在基因組中以多拷貝存在。重復(fù)單位可進(jìn)一步串聯(lián)在一起構(gòu)成一個大的基因簇。真核生物基因組中的重復(fù)序列包含串聯(lián)重復(fù)序列和散布重復(fù)序列。串聯(lián)重復(fù)序列如衛(wèi)星DNA小衛(wèi)星DNA和微衛(wèi)星DNA。散布重復(fù)序列如反轉(zhuǎn)錄專座元件和轉(zhuǎn)座元件。反轉(zhuǎn)錄專座元件分為LTR型反轉(zhuǎn)錄專座元件和非LTR型反轉(zhuǎn)錄專座元件。真核生物的核基因組一般與組蛋白結(jié)合組裝成染色體。染色體的著絲粒DNA序列保證染色在有絲分裂時被平均分配到2個子細(xì)胞中去，端粒DNA序列保證

5、染色體的獨(dú)立性和遺傳穩(wěn)定性。2基因組研究基因在生命過程中不是孤立地發(fā)揮作用的。如果只是獨(dú)立地對單個基因進(jìn)行研究，即使將一個細(xì)胞中所有基因的功能都了解清楚，也還是不能闡明生命的復(fù)雜現(xiàn)象的。只有對基因組進(jìn)行研究，才能完整地理解生命的本質(zhì)。高等生物基因組中，基因只占很小的比重，而大量的是非編碼序列和重復(fù)序列。雖然目前認(rèn)為這些序列中大多數(shù)是沒有功能的，但這種認(rèn)識可能是不正確的，也許它們其實存在功能。只有對基因組進(jìn)行研究，才能最終了解它們的生物學(xué)意義?；蚪M研究的目的是從全局上闡明一種生物中所有遺傳信息的組織和功能?；蚪M研究的內(nèi)容包括所有水平上遺傳信息的加工及基因和基因產(chǎn)物之間的相互作用，以及基因組的

6、比較和進(jìn)化?；蚪M研究主要分為結(jié)構(gòu)基因組學(xué)，功能基因組學(xué)和比較基因組學(xué)?；蚪M學(xué)是以基因組為研究對象的高效的遺傳學(xué)。與傳統(tǒng)的遺傳學(xué)比較，具有全局性、高效性、綜合性和先進(jìn)性的特點(diǎn)。2.1.結(jié)構(gòu)基因組學(xué)結(jié)構(gòu)基因組學(xué)的主要研究內(nèi)容包括：基因組作圖、序列分析和基因組分析。2.1.1基因組作圖基因組作圖的目的在于確定界標(biāo)和基因在構(gòu)成基因組的每條染色體上的位置，以及同條染色體上各個界標(biāo)或基因之間的相對距離。作圖只能分層次進(jìn)行，如遺傳連鎖圖、物理圖和序列圖，按分辨率由低到高逐級作圖，而后組裝排列出來成整體。遺傳連鎖圖是用遺傳模式來描述DNA標(biāo)記（基因和其他確定的DNA序列）在染色體上的相對位置。物理圖標(biāo)明一

7、些如限制性內(nèi)切核酸酶切點(diǎn)，單一序列、基因等在DNA分子或染色體上所處位置的圖，圖距以物理長度為單位，即核苷酸對的數(shù)目為單位。2.1.2基因組測序與序列的注釋對某個物種基因組核酸序列的測定，最終要確定該物種全基因組核酸的序列，分為全基因組測序和cDNA測序。DNA測序分為鏈終止測序法和化學(xué)降解測序法。鏈終止測序法由Sanger等提出，以雙脫氧核苷三磷酸（ddNTP）鏈末端終止法測序為基礎(chǔ)，以四色熒光標(biāo)記的ddNTP為終止劑，被測單鏈DNA序列上任一核苷酸的位置通過其互補(bǔ)鏈的酶促合成在該位置的終止來檢測。全基因組測序的策略主要有基于物理圖測序、全基因組隨機(jī)測序和基于物理圖測序與全基因組隨機(jī)測序相結(jié)

8、合三種方法?；谖锢韴D測序是指在基因組物理圖的基礎(chǔ)上，從重疊中選出一套彼此重疊最少的有序排列的BAC（或YAC）克隆，然后對每個克隆進(jìn)行隨機(jī)測序，建立各克隆的亞克隆序列重疊群，即得到各克隆的序列。將各克隆序列串在一起，即得到全基因組序列。全基因組隨機(jī)測序是指先用物理方法將基因組DNA打斷成小的片段，構(gòu)建出必要容量的亞克隆文庫；然后隨機(jī)地測定亞克隆的序列，使所測序列的總長度達(dá)到基因組長度的6-8倍；最后通過計算機(jī)分析將各個序列片段組裝成完整的基因組序列。將基于物理圖測序的準(zhǔn)確性與全基因組隨機(jī)測序的快速性相結(jié)合就可以很好的完成全基因組測序工作。在得到基因組序列后，接下來的任務(wù)就是借助于計算機(jī)對序列

9、進(jìn)行分析，根據(jù)各種基因組成分的特征，搞清楚基因組序列中各個區(qū)段的含義，并將這些信息標(biāo)注到序列上。這就是基因組注釋。這里最重要的當(dāng)然是對基因的識別，不僅要識別那一段序列為基因，而且還要識別它屬于哪一類基因，可能具有什么功能。通常用ORF搜索方法來進(jìn)行基因識別。但是在真核生物中由于內(nèi)含子的存在使得識別效率較低，為此科學(xué)家通過檢查密碼的偏向、檢查外顯子-內(nèi)含子邊界以及檢查上游控制序列等對ORF搜索方法進(jìn)行改進(jìn)。此外還可用同源搜索來確定基因。2.1.3cDNA測序在高等生物中，編碼序列只占基因組的很小一部分，而這部分又是基因組中最重要的。因此，cDNA測序既可以節(jié)省開支，又可獲得基因組的主要信息。從c

10、DNA序列有助于準(zhǔn)確地判斷外顯子和內(nèi)含子，從而能夠更準(zhǔn)確地了解基因組中的基因數(shù)量和種類，有利于基因組的注釋。高等生物中還存在選擇性剪接的現(xiàn)象，使得一個基因可以編碼多種mRNA和蛋白質(zhì)。這只能通過cDNA測序才能了解到。cDNA測序通常選用隨機(jī)cDNA文庫測序、正規(guī)化cDNA文庫測序和差異表達(dá)cDNA文庫測序3種策略來進(jìn)行。2.2功能基因組學(xué)2.2.1功能基因組學(xué)簡介及相關(guān)概念結(jié)構(gòu)基因組學(xué)可以揭示基因組中基因的數(shù)量和分布，并預(yù)測基因的種類和功能，但這僅僅是預(yù)測而已，并不能肯定其確切功能，而且有許多基因的功能還無法預(yù)測。結(jié)構(gòu)基因組學(xué)無法了解基因的確切功能、表達(dá)調(diào)控以及相互作用。功能基因組學(xué)是利用結(jié)

11、構(gòu)基因組所提供的信息和產(chǎn)物，發(fā)展和應(yīng)用新的實驗手段，通過在基因組或系統(tǒng)水平上全面分析基因的功能，使得生物學(xué)研究從對單一基因或蛋白質(zhì)的研究轉(zhuǎn)向多個基因或蛋白質(zhì)同時進(jìn)行系統(tǒng)的研究。2.2.2功能基因組的研究方法功能基因組學(xué)研究方法主要包括建立大規(guī)模突變體庫及高效篩選和分析基因表達(dá)譜。建立突變體庫主要利用T-DAN/轉(zhuǎn)座子插入建立大規(guī)模隨機(jī)插入突變體庫和利用EMS/輻射誘變建立大規(guī)模堿基轉(zhuǎn)換或InDel突變體庫。前者利用基因儀器篩選，后者利用基因組誘導(dǎo)局部損傷定點(diǎn)篩檢。基因機(jī)械篩選目前有三種方法即PCR檢測、分子雜交檢測和側(cè)鄰DNA測序。分析基因表達(dá)譜通常為轉(zhuǎn)錄組分析、蛋白組分析和代謝組分析三類。轉(zhuǎn)

12、錄組分析主要有基因表達(dá)序列分析（SAGE）、微陣列/DNA芯片和深度測序三種方法。SAGE技術(shù)是以轉(zhuǎn)錄子(cDNA)上特定區(qū)域911bp的寡核苷酸序列作為標(biāo)簽來特異性地確定mRNA轉(zhuǎn)錄物，然后通過連接酶將多個標(biāo)簽隨機(jī)串聯(lián)形成大量的多聯(lián)體并克隆到載體中，對每個克隆進(jìn)行測序。應(yīng)用SAGE軟件分析，可確定表達(dá)的基因種類，并可根據(jù)標(biāo)簽出現(xiàn)的頻率確定基因的表達(dá)豐度。微陣列/DNA芯片即利用類似于大規(guī)模集成電路的技術(shù)手段，借助光刻技術(shù)及化學(xué)固相合成法，將DNA探針陣列分布于玻璃或硅片上，與液相中待測組分進(jìn)行雜交，通過檢測熒光或其他標(biāo)記物而分析反應(yīng)結(jié)果。轉(zhuǎn)錄子深度測序主要是指對基因組轉(zhuǎn)錄的mRNA進(jìn)行測序，依據(jù)RNA測序讀數(shù)的多少來反映基因表達(dá)的水平。2.3.比較基因組學(xué)2.3.1比較基因組學(xué)簡介及相關(guān)概念比較基因組學(xué)是研究比較不同物種基因組的異同，目的在于尋找物種間共有的，也就是在進(jìn)化上保守的基因或DNA序列。這種稱為種間同源體的基因往往具有重要的生物學(xué)功能。也可以從這些模式生物中尋找可能具有的新基因，以及為預(yù)測新的基因功能提供依據(jù)。通過玉米和高粱，小麥、大麥和黑麥，小麥和水稻，玉米和小麥，栗與水稻等的比較基因組研究表明，盡管這些作物親緣相近、基因組大小、染色體數(shù)目各不相同，但比較作圖的結(jié)果卻顯示出它們的基因組存在高度的保守性，揭示了這些不同作物的染色體或染色體片段上的同線性或共