基因組研究鳥獸學(xué)會(huì)華大基因樊偉

基因組研究Outline基因組研究與測(cè)序技術(shù)發(fā)展回顧華大基因(BGI)介紹Denovo測(cè)序與物種研究Re-sequencing與群體研究性狀基因定位與分子育種轉(zhuǎn)錄組、甲基化測(cè)序與基因調(diào)控研究Meta測(cè)序于共生微生物研究2二十世紀(jì)孕育了“基因世紀(jì)”GenomicEra人類基因組計(jì)劃奠定了

—“基因組時(shí)代”的基石“基因組時(shí)代”“人類基因組計(jì)劃”基因組學(xué)發(fā)展的源動(dòng)力：測(cè)序技術(shù)

三代測(cè)序技術(shù)比較測(cè)序技術(shù)測(cè)序原理代表測(cè)序儀器上市時(shí)間Read讀長(zhǎng)(bp)測(cè)序速度及成本（人基因組）第一代Sanger測(cè)序法：PCR+電泳AB37301981年500花30億美元，用10年時(shí)間第二代邊合成邊測(cè)序，clone擴(kuò)增illuminaGA2007年100花1萬美元，用1個(gè)星期第三代單分子(DNA聚合、鉆納米孔)PacBio2011年初(預(yù)計(jì))1000預(yù)計(jì)大規(guī)模應(yīng)用還需三年時(shí)間Sangersequencingtechnology

自動(dòng)熒光垂直板凝膠電泳測(cè)序儀

代表：ABI公司377型垂直板自動(dòng)測(cè)序儀

96個(gè)泳道讀長(zhǎng)高達(dá)700-800bp

日分析能力達(dá)300個(gè)樣品

熒光檢測(cè)探頭Dr.FredSanger

illuminaGenomeAnalyzer當(dāng)前最受矚目的單分子測(cè)序技術(shù)，將于2011年初上市。DNAlevelNetworkRNAlevelImprovehealthanddesignbettercropsgenome/genesequencewholegenomesequencingBAC/fosmid/plasmidPCRcandidateregionsequencinggenome/genevariationwholegenomeresequencingCNVs,SNPsidentifying,genotypingcandidateregionresequencingGenestoNetworkProtein-DNAChIPonSequencingLinknetworkinabackgroundoforganismMetagenomicssequencingsequencing&sequencingDNA

methylation,StudygeneregulationmRNA,ncRNA,smallRNA,microRNA,regulatoryRNAGeneexpressionFindgeneswholetranscriptomshotgunApplicationsthroughSequencing+BioinformaticsOutline基因組研究與測(cè)序技術(shù)發(fā)展回顧華大基因(BGI)介紹Denovo測(cè)序與物種研究Re-sequencing與群體研究性狀基因定位與分子育種轉(zhuǎn)錄組、甲基化測(cè)序與基因調(diào)控研究Meta測(cè)序于共生微生物研究10華大基因

(BeijingGenomicsInstitute)華夏生驕子共奠科學(xué)千秋基業(yè)大國(guó)有精英同解生命萬世因原--名字闡釋華大基因，創(chuàng)建于1999年，是人類基因組計(jì)劃1%中國(guó)卷的主要承擔(dān)者?，F(xiàn)已發(fā)展成為世界最大的DNA測(cè)序和基因組學(xué)研究機(jī)構(gòu),并且初步建成了高通量的蛋白質(zhì)測(cè)序和轉(zhuǎn)基因技術(shù)平臺(tái)。1999,BGI-Beijing2001,BGI-Hangzhou2007,BGI-Shenzhen2009,BGI-Hongkong2010,BGI-Wuhan2010,BGI-Boston2010,BGI-Copenhagen2228Illumina/GAIIx137IlluminaHi-Seq200(2010)2LifeTech/SOLiD4+25 LifeTech/SOLiD4(2010)16AB/3730xl+110MegeBACEs2 IlluminaiScan(2010)BGIcurrentsequencingcapacity（硬件資源）Dataproduction:100Gb/day(2009)~5Tb/day(endof2010)BGIsupercomputing

（硬件資源）

#CPUSFlopsRAMStorage2009.011,50018T4TB2PB2009.083,00050T10TB5PB2009.125,000100T20TB10PB2010.0950,0001,000T(1P)200TB1,000PB(1EB)2008-2010華大近年來主要科學(xué)成果

BGI-PremierScientificPartner高通量測(cè)序平臺(tái)基因分型平臺(tái)生物信息分析中心云計(jì)算平臺(tái)（基因組數(shù)據(jù)庫）經(jīng)驗(yàn)豐富的基因組研究團(tuán)隊(duì)Outline基因組研究與測(cè)序技術(shù)發(fā)展回顧華大基因(BGI)介紹Denovo測(cè)序與物種研究Re-sequencing與群體研究性狀基因定位與分子育種轉(zhuǎn)錄組、甲基化測(cè)序與基因調(diào)控研究Meta測(cè)序于共生微生物研究17Cucumbergenome.NatureGenetics2009Shortreadassembly:debruijngraphalgorithmSequencingdepth60X,pureSolexa.ContigN5040kb,ScaffoldN501.3Mb.Sequencingdepth:4XSanger,50Xsolexa.ContigN5019.8kb,ScaffoldN501.14Mb.千種動(dòng)植物基因組計(jì)劃兩年之內(nèi)，計(jì)劃完成上千種重要?jiǎng)又参锏幕蚪Mdenovo測(cè)序和核心種質(zhì)資源的重測(cè)序。詳情請(qǐng)?jiān)L問：

物種類型與研究意義：模式物種：基礎(chǔ)生物學(xué)經(jīng)濟(jì)物種：分子育種珍惜物種：資源保護(hù)Denovo測(cè)序與組裝策略測(cè)序策略：各種插入片段長(zhǎng)度組合(pair-end測(cè)序)組裝算法：基于Kmer的debruijngraph算法 當(dāng)前illuminareads長(zhǎng)度已達(dá)100bp,采用大Kmer技術(shù)(63bp)提高組裝效果。InsertSize(bp)Readlength(bp)Sequencecoveragedepth(X)200100225001002020005010500050510000503Total50~10060物種譜系進(jìn)化關(guān)系與自然選擇壓力研究基因家族進(jìn)化與基因拷貝數(shù)研究生物學(xué)問題的基因組學(xué)解釋大熊貓為什么吃竹子？螞蟻為什么具有社會(huì)行為？同科或者同屬內(nèi)多個(gè)物種測(cè)序?qū)H物種進(jìn)行集體研究，可以發(fā)現(xiàn)大量有意義的進(jìn)化規(guī)律。測(cè)序成本的降低，使大規(guī)模進(jìn)行物種denovo測(cè)序成為現(xiàn)實(shí)。當(dāng)前做一個(gè)哺乳動(dòng)物基因組(3Gb)的成本約為350萬人民幣，做一個(gè)鳥類基因組(1.2Gb)的成本約為200萬人民幣。華大提供打包測(cè)序優(yōu)惠服務(wù)：測(cè)得越多，單個(gè)物種成本越低。Outline基因組研究與測(cè)序技術(shù)發(fā)展回顧華大基因(BGI)介紹Denovo測(cè)序與物種研究Re-sequencing與群體研究性狀基因定位與分子育種轉(zhuǎn)錄組、甲基化測(cè)序與基因調(diào)控研究Meta測(cè)序于共生微生物研究25Re-sequencing,identifySNP,indel,SVRe-sequencing.40domesticatedandwildsilkwormgenomes,eachsequenced3XbyilluminaGA.2008年炎黃一號(hào)：第一個(gè)中國(guó)人 基因組圖譜飛躍：1%→10%→100%家蠶重測(cè)序項(xiàng)目

(家養(yǎng)蠶29種，野生蠶11種，各測(cè)3X)蠶品種進(jìn)化譜系關(guān)系蠶基因組受人工選擇壓力區(qū)域(GROSS)Populationstructure(PCA)PCA:基于線性代數(shù)中的矩陣變換理論。蠶品系和SNP位點(diǎn)構(gòu)成二維矩陣數(shù)據(jù)，經(jīng)過PCA分析，計(jì)算出幾個(gè)主要的特征向量，并且將每一個(gè)蠶品系在各特征向量上進(jìn)行定位。隨意選出兩個(gè)特征向量及所有蠶品系在其上的坐標(biāo)值，就可畫出如上圖。大熊貓重測(cè)序選取全國(guó)各區(qū)系的代表大熊貓以及博物館中大熊貓樣品約50種，每個(gè)進(jìn)行6X以上全基因組測(cè)序。探查大熊貓種群的多態(tài)性，群體結(jié)構(gòu)，推斷種群進(jìn)化歷史，為大熊貓保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。Outline基因組研究與測(cè)序技術(shù)發(fā)展回顧華大基因(BGI)介紹Denovo測(cè)序與物種研究Re-sequencing與群體研究性狀基因定位與分子育種轉(zhuǎn)錄組、甲基化測(cè)序與基因調(diào)控研究Meta測(cè)序于共生微生物研究30Integrategenomicstechnologyinto

breedingGenomicbreeding:

Ahighstageofmolecularbreeding

Muchhigherspeedandaccuracy,lowcost Towardsmoleculardesignbreeding.Threemethodsofgenelocation:

基于遺傳圖譜和作圖群體(QTL)

全基因組范圍關(guān)聯(lián)分析(case組和control組)

突變體或者單片段替換系測(cè)序（與原型做比較）31分子育種研究中的問題Discovery&Typing Discovery,必須靠sequencing;而discovery工作完成之后，多數(shù)工作就屬于Typing，既可以采用測(cè)序，也可以采用genotyping芯片。Capture+sequencing==Genotyping

前者capture量的多少，相當(dāng)于后者marker密度的高低。 具體采用哪種方案，取決于實(shí)驗(yàn)需要以及所需成本。新型分子標(biāo)記圖譜Denovo測(cè)序+核心種質(zhì)資源重測(cè)序,得到基因組參考序列，以及種群內(nèi)全部的SNP，Indel和SV多態(tài)性信息。利用多態(tài)性標(biāo)記分析連鎖模式，構(gòu)建Haplotype圖譜，挑選一套tag-site構(gòu)建geneticmap。如果選用SNP,可用genotyping技術(shù)來分型；如果選擇長(zhǎng)度多態(tài)性(類似于SSR標(biāo)記),則可仍然使用傳統(tǒng)的PCR+電泳技術(shù)分型。利用測(cè)序技術(shù)對(duì)作圖群體進(jìn)行分型父本：測(cè)10X母本：測(cè)10X雜交，產(chǎn)生分離群體(作圖群體)，如BC1,DH,RIL等。子代：取200個(gè)，各測(cè)0.1X，總共20XTwosteps:比較父本和母本，得到全部SNP位點(diǎn)。根據(jù)map上的reads確定SNP型,對(duì)每一個(gè)子代進(jìn)行染體片段分型。Genome-wideAssociationstudy35突變體或者單片段替換系測(cè)序用物理或者化學(xué)誘變劑得到的突變體材料 突變位點(diǎn)彌散分布在整個(gè)基因組中，但是突變位點(diǎn)數(shù)很少。這時(shí)，可采用全基因組高深度測(cè)序(30X),來得到全部的突變位點(diǎn)，然后通過過濾篩除，得到起作用的突變位點(diǎn)。用多代回交方法得到的單片段替換系材料 突變型與原型只有一個(gè)很小的染色體片段是不同的，而其他基因組部分都相同。在原型基因組序列已知的條件下，可通過低深度測(cè)序(0.1X)，來找到不同的那個(gè)染色體片段。Advantagesbygenomictechnology

37Wholegenomesequence(fineorfinishedmap)Completesetofpolymorphismmarkers(