人類基因組學(xué)

人類基因組學(xué)第1頁(yè)/共46頁(yè)

第一節(jié)人類基因組和基因組學(xué)

基因組（genome）生殖細(xì)胞含1套基因組

1套來(lái)自父本生殖細(xì)胞體細(xì)胞含2套基因組

1套來(lái)自母本生殖細(xì)胞第2頁(yè)/共46頁(yè)

完整的人類基因組包含：

1-22號(hào)常染色體核基因組

X和Y染色體

線粒體基因組第3頁(yè)/共46頁(yè)

基因組學(xué)（genomics）

是從基因組整體層次上系統(tǒng)地研究各生物種群基因組的結(jié)構(gòu)和功能及相互關(guān)系的學(xué)科?；蚪M學(xué)研究?jī)?nèi)容的三個(gè)基本方面：

結(jié)構(gòu)基因組學(xué)（structuralgenomics）

功能基因組學(xué)（functionalgenomics）

比較基因組學(xué)（comparativegenomics）由此又派生出其他研究分支。第4頁(yè)/共46頁(yè)第二節(jié)人類基因組計(jì)劃

人類基因組計(jì)劃（humangenomeproject,HGP）

是20世紀(jì)90年代開始的，由世界多個(gè)國(guó)家參與合作的系統(tǒng)地研究人類基因組的重大科研項(xiàng)目。第5頁(yè)/共46頁(yè)

HGP的科學(xué)目標(biāo)：

是測(cè)定組成人類基因組的全部DNA序列，從而為闡明人類所有基因的結(jié)構(gòu)與功能，解碼人類生命奧秘奠基。HGP的基本任務(wù)：

構(gòu)建人類基因組遺傳圖，物理圖，序列圖，為最終完成基因圖打下基礎(chǔ)。第6頁(yè)/共46頁(yè)HGP的技術(shù)成果:

主要體現(xiàn)在對(duì)人類基因組整體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，即人類基因組遺傳圖、物理圖、序列圖的完成，從而奠定了人類結(jié)構(gòu)基因組學(xué)基礎(chǔ)。而人類基因圖的完成，仍有大量工作要做。

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人類基因組計(jì)劃的三個(gè)主要目標(biāo)圖示第8頁(yè)/共46頁(yè)

遺傳圖（geneticmap）

又稱連鎖圖（linkagemap）

是將每條染色體上的基因或遺傳標(biāo)記的相對(duì)位置經(jīng)連鎖分析確定下來(lái)，構(gòu)成圖譜。遺傳距離：連鎖圖中兩個(gè)基因間圖距以1厘摩（cM）

1厘摩（cM）=減數(shù)分裂時(shí)兩個(gè)基因間重組值為1%。第9頁(yè)/共46頁(yè)遺傳標(biāo)記（geneticmarker）

可以是任何一種呈孟德爾遺傳的性狀或物質(zhì)形式，如：基因、血型、血清蛋白、DNA多態(tài)標(biāo)記等。確定其在基因組中的位置后，可作為參照標(biāo)記用于遺傳重組分析。

第10頁(yè)/共46頁(yè)第一代（1975）限制片斷長(zhǎng)度多態(tài)（RFLP）分布數(shù)量105

多態(tài)程度較低,利用價(jià)值受限第二代（1989）短串連復(fù)制序列長(zhǎng)度多態(tài)(STR)分布數(shù)量＞104

高度多態(tài)第三代（1996）單核苷酸多態(tài)（SNP）分布數(shù)量3×106

一般為二態(tài)單體型分析DNA遺傳標(biāo)記第11頁(yè)/共46頁(yè)l

物理圖（physicalmap）是要將隨機(jī)長(zhǎng)度的DNA片斷在染色體上的排列順序確定下來(lái)。這些克隆DNA片斷連接起來(lái)，形成重疊克隆群（Conting），再將一個(gè)個(gè)（Conting)相連成線狀，覆蓋整個(gè)染色體。這主要靠單拷貝DNA序列標(biāo)定部位（STS）作路標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)。第12頁(yè)/共46頁(yè)DNA序列標(biāo)定部位（seguonestaggedsite,STS)重疊克隆群（conting）YAC(yeastartificialchromosome)BAC(bacterialartificialchromosome)

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序列圖（seguencemap）

是通過(guò)對(duì)基因組DNA進(jìn)行堿基排列順序分析而建立的。兩種技術(shù)路線：

1.公共序列路線：即在物理圖基礎(chǔ)上，將各個(gè)BAC克隆片段切成更短的片段，形成亞克隆分別進(jìn)行測(cè)序，再將相互重疊的讀出序列組裝成連續(xù)重疊線。第14頁(yè)/共46頁(yè)2.“鳥槍法”測(cè)序路線：即直接將基因組DNA分割成20kb左右的小片段進(jìn)行隨機(jī)測(cè)序，再用超級(jí)計(jì)算機(jī)組裝成重疊線。所形成的序列圖稱celera序列。

……………ACGTCCGATCGGTTCATGCC

TCGGTTCATGCCAATGCCGTCC…………第15頁(yè)/共46頁(yè)基因圖（genemap）

即在序列圖基礎(chǔ)上，用不同的方法測(cè)定各個(gè)基因所在區(qū)域位置。基因圖測(cè)定方法：

1.CpG島的應(yīng)用：大多數(shù)持家基因和40%組織特異性基因5’端均存在CpG島序列。制備

探針，染色體涂染指示基因位置分布。

第16頁(yè)/共46頁(yè)

2.計(jì)算機(jī)識(shí)別：研發(fā)計(jì)算機(jī)GRAIL系統(tǒng)，可識(shí)別每個(gè)基因區(qū)的外顯子-內(nèi)含子接頭區(qū)保守序列。

3.cDNA策略：由組織細(xì)胞中表達(dá)mRNA，逆轉(zhuǎn)錄合成cDNA片段，稱為表達(dá)序列標(biāo)簽（EST），將收獲EST定位后，構(gòu)建的圖稱為轉(zhuǎn)錄圖，是人類基因圖雛形。第17頁(yè)/共46頁(yè)

人類基因組結(jié)構(gòu)的分析

1.

人類基因組DNA全長(zhǎng)約3×109bp，相當(dāng)3600厘摩（cM）。其中僅有約5%的序列為編碼序列（編碼蛋白或tRNA、rRNA等）。

2.

人類基因組中可能有30000-40000個(gè)基因，其中編碼蛋白質(zhì)的外顯子只占基因組DNA的1%，內(nèi)含子則占24%。每個(gè)基因平均長(zhǎng)27kb，平均含有9個(gè)外顯子。不同個(gè)體間，基因編碼僅有0.01%的差異。第18頁(yè)/共46頁(yè)3.

基因在各個(gè)染色體上的分布是不均勻的，17、19、22號(hào)染色體基因密度最高，而4、13、18、X、Y染色體基因密度最低。人類基因組中約20%的區(qū)段是沒有基因的“沙漠”。第19頁(yè)/共46頁(yè)后基因組計(jì)劃（past-genomeproject，PGP）

PGP的研究領(lǐng)域

人類基因組多樣性計(jì)劃環(huán)境基因組學(xué)

功能基因組學(xué)（蛋白組學(xué)）疾病基因組學(xué)

比較基因組學(xué)藥物基因組學(xué)

生物信息學(xué)

第三節(jié)后基因組計(jì)劃第20頁(yè)/共46頁(yè)一、人類基因組多樣性計(jì)劃（humangenomediversityproject，HGDP）人類基因數(shù)量一致3-4萬(wàn)個(gè)人類基因組DNA總量均為3×109bp不同個(gè)體基因編碼僅有0.01%差異種族多樣性族群多樣性個(gè)體特異性人類基因組的多樣性與同一性第21頁(yè)/共46頁(yè)二、功能基因組學(xué)

功能基因組學(xué)（functionalgenomics）轉(zhuǎn)錄圖基因表達(dá)圖：三維轉(zhuǎn)錄圖。

不同時(shí)間不同基因不同表達(dá)水平不同發(fā)育期不同組織不同表達(dá)水平同一組織同一基因第22頁(yè)/共46頁(yè)三、比較基因組學(xué)（comparativegenomics）各種模式生物基因組序列的比較生物種類基因組大小預(yù)測(cè)基因組數(shù)目基因平均長(zhǎng)度大腸桿菌4.6Mb1800約1kb

酵母12Mb5800約2kb

秀麗線蟲97Mb18500約5.3kb

果蠅116Mb13600約10kb

小鼠3000Mb40000約30kb

人3164Mb30000-4000027kb

第23頁(yè)/共46頁(yè)生物基因組進(jìn)化的連續(xù)性分析

21%的基因原核生物和真核生物共有

32%的基因真核生物共有而原核生物沒有

24%的基因動(dòng)物所共有

22%的基因脊椎動(dòng)物特有第24頁(yè)/共46頁(yè)四、環(huán)境基因組學(xué)（enviromentalgenomics）是研究與環(huán)境因素相關(guān)的疾病易感性基因的。

環(huán)境相關(guān)的疾病易感基因基因多態(tài)性分類環(huán)境成份相關(guān)疾病CYP1A1

激活吸煙肺癌GST解毒吸煙肺癌NAT2

解毒吸煙膀胱癌、乳腺癌

TCF2轉(zhuǎn)錄因子母親吸煙唇裂、腭裂ALAD生物合成鉛鉛中毒

第25頁(yè)/共46頁(yè)五、疾病基因組學(xué)（morbidgenomics）

主要任務(wù)是分離重要疾病的致病基因與相關(guān)基因，并確定其致病機(jī)制。

1.腫瘤癌基因和抑癌基因的定位與克??；

2.單基因病致病基因的定位與克??；

3.多基因病數(shù)量性狀基因座（QTL）的定位與克隆。第26頁(yè)/共46頁(yè)六、藥物基因組學(xué)（pharmacogenomics）

是研究藥物及化學(xué)物質(zhì)引起機(jī)體反應(yīng)上的遺傳差異，即藥物多態(tài)性的學(xué)科，以便能更安全有效的使用藥物，和發(fā)現(xiàn)新的藥物。

第27頁(yè)/共46頁(yè)七、生物信息學(xué)（bioinformatics）

是生物學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)和應(yīng)用數(shù)學(xué)交叉的一門新興學(xué)科，對(duì)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取、加工、存儲(chǔ)、檢索與分析，進(jìn)而達(dá)到揭示數(shù)據(jù)所含的生物學(xué)意義有重要作用。第28頁(yè)/共46頁(yè)國(guó)際上三大公共基因數(shù)據(jù)庫(kù)：

GeneBank：美國(guó)國(guó)家生物技術(shù)信息中心（NCBI）

EMBL：美國(guó)歐洲生物學(xué)信息研究所（EBI）

DDBL：日本信息生物學(xué)中心（CIB）生物信息學(xué)已改變了基礎(chǔ)生命科學(xué)研究的運(yùn)作方式，極大地提高了工作效率。第29頁(yè)/共46頁(yè)第四節(jié)基因定位與克隆基因定位（genemapping）

就是用一定方法，將各個(gè)基因確定到染色體的實(shí)際位置。基因克?。╣enecloning）

是從基因組中把某一基因用一定方法分離出來(lái)，以便進(jìn)行單一基因精細(xì)結(jié)構(gòu)和功能的研究。第30頁(yè)/共46頁(yè)一、基因定位工作歷史主要方法

連鎖分析（linkageanalysis）

體細(xì)胞雜交（somaticcellhybridization）

原位雜交（hybridizationinsitu）

放射雜種（radiationhybrid）

計(jì)算機(jī)識(shí)別（computeridentify）第31頁(yè)/共46頁(yè)1．連鎖分析同一條染色體上的不同基因呈線性連鎖關(guān)系，在減數(shù)分裂后，結(jié)合家系分析，可鑒定子代中的重組體，通過(guò)重組值計(jì)算，可推斷待定位基因與已定位基因間的連鎖關(guān)系和遺傳距離，而實(shí)現(xiàn)基因定位。

第32頁(yè)/共46頁(yè)兩個(gè)基因如非連鎖，則重組值=50%，即隨機(jī)組合。減數(shù)分裂產(chǎn)生配子發(fā)生交換AbaBAbaBABABabababaBABAb兩個(gè)基因如連鎖，則重組值＜50%，且重組值與遺傳距離成正比。第33頁(yè)/共46頁(yè)體細(xì)胞雜交人/鼠融合細(xì)胞的特點(diǎn)：融合細(xì)胞兼有有雙親細(xì)胞染色體，但鼠一方染色體一般全部保留，而人一方染色體在細(xì)胞增殖過(guò)程中優(yōu)先丟失，以至最后僅剩少數(shù)幾條，乃至1條人染色體是基因定位的好材料。結(jié)合染色體顯帶和生化分析技術(shù)，可把某些生化性狀決定基因定位在保留的一條染色體上。第34頁(yè)/共46頁(yè)雜種細(xì)胞克隆嵌板雜種克隆保留的人類染色體12345678A++++－－－－B++－－++－－C+－+－+－+－第35頁(yè)/共46頁(yè)

3.原位雜交是核酸分子雜交技術(shù)在基因定位中的應(yīng)用。用經(jīng)放射性同位素標(biāo)記的探針，同染色體標(biāo)本載玻片上原位變性的染色體DNA進(jìn)行分子雜交，通過(guò)放射自顯影來(lái)檢測(cè)與探針雜交結(jié)合的染色體同源序列，依據(jù)放射性探針在染色體上的顯影位置進(jìn)行基因定位。熒光原位雜交（FISH）第36頁(yè)/共46頁(yè)4.放射雜種

是用射線輻射人體細(xì)胞染色體，使其隨機(jī)片段化，再與鼠細(xì)胞融合，形成人/鼠細(xì)胞放射雜種，人的隨機(jī)染色體片段，整合入鼠細(xì)胞染色體中。構(gòu)建放射雜種細(xì)胞系克隆嵌板，可用于基因定位。第37頁(yè)/共46頁(yè)二、基因克隆基因克隆的三種策略：

功能克隆（functionalclonins）

定位克?。╬ositionalclonins）

候選克?。╟ardidateclonins）

第38頁(yè)/共46頁(yè)1.功能克?、鸥鶕?jù)目的遺傳性狀的特征，分析決定基因的功能，推測(cè)有關(guān)蛋白質(zhì)。⑵分析純化這一蛋白質(zhì)，并測(cè)出部分氨基酸順序。⑶根據(jù)遺傳密碼推測(cè)可能的mRNA序列。⑷設(shè)計(jì)相應(yīng)的寡核苷酸探針，雜交篩選cDNA或基因組DNA文庫(kù)，最終獲得決定基因的基因克隆。第39頁(yè)/共46頁(yè)2.定位克?、攀占康倪z傳病的家系，選擇遺傳標(biāo)記進(jìn)行連鎖分析，建立目的遺傳病與基因組中某染色體區(qū)域中遺傳標(biāo)記的連鎖關(guān)