微生物研究進(jìn)展chapter-微生物基因組學(xué)研究進(jìn)展

第二章微生物基因組學(xué)研究進(jìn)展第一節(jié)微生物基因組與生物信息學(xué)第二節(jié)微生物基因信息的分析第三節(jié)芯片技術(shù)在微生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用農(nóng)學(xué)系生物技術(shù)專業(yè)課程《微生物學(xué)研究進(jìn)展》曼哈頓原子彈計(jì)劃（1942-46）阿波羅登月計(jì)劃(1961-69)人類基因組計(jì)劃(1990-2003)20世紀(jì)三大科學(xué)計(jì)劃1961年，美國總統(tǒng)Kennedy提出兩個(gè)科學(xué)計(jì)劃：登月計(jì)劃攻克腫瘤計(jì)劃

人類遺傳信息的復(fù)雜性人類基因組計(jì)劃(HGP，HumanGenomeProject)目標(biāo)：整體上破解人類遺傳信息的奧秘1、“曼哈頓原子彈計(jì)劃”歷史遺留問題之產(chǎn)物2、對(duì)生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)的科學(xué)影響“我們選擇登月”(1962年Kennedy在Rice大學(xué)演講)為什么提出HGP？

基因組(Genome)：包含細(xì)胞或生物體的全套遺傳信息的全部遺傳物質(zhì)

原核生物(細(xì)菌、病毒等)

真核生物(真菌、植物、動(dòng)物等)人類基因組：

3.2×109bp，含有約3萬個(gè)基因1984.12猶他州阿爾塔組織會(huì)議，初步研討測定人類整個(gè)基因組DNA序列的意義1986.3Dulbecco在《Science》撰文“腫瘤研究的轉(zhuǎn)折點(diǎn):

人類基因組的測序”美國能源部(DOE)提出“人類基因組計(jì)劃”草案1987

美國能源部和國家衛(wèi)生研究院（NIH）聯(lián)合為“人類基因組計(jì)劃”下?lián)軉?dòng)經(jīng)費(fèi)約550萬美元1989

美國成立“國家人類基因組研究中心”，Watson擔(dān)任第一任主任1990.10

經(jīng)美國國會(huì)批準(zhǔn)，人類基因組計(jì)劃正式啟動(dòng)JamesWatsonWalterGilbertHGP歷史回顧盡管比之于人類登月，HGP的投入資金要少得多，但HGP對(duì)人類生活的影響要更為深遠(yuǎn)。因?yàn)殡S著這個(gè)計(jì)劃的完成，DNA分子中編碼的遺傳信息將對(duì)人類存在的化學(xué)基礎(chǔ)作出最終的回答。這將不僅幫助我們理解我們是如何作為健康的人發(fā)揮正常功能的，而且也將在化學(xué)水平上解釋遺傳因子在各種疾病，如癌癥、早老癡呆癥、精神分裂癥等一些嚴(yán)重危害人類健康的疾病中的作用。畢竟對(duì)人類自身更深入的了解是人類活動(dòng)中最重要的一個(gè)部分?！猈atson,1990,《Science》HGP的最初目標(biāo)通過國際合作，用15年時(shí)間(1990～2005)至少投入30億美元，構(gòu)建詳細(xì)的人類基因組遺傳圖和物理圖，確定人類DNA的全部核苷酸序列，定位約10萬基因，并對(duì)其它生物進(jìn)行類似研究。4張圖：遺傳圖

物理圖

序列圖

基因圖HGP的終極目標(biāo)闡明人類基因組全部DNA序列；識(shí)別基因；建立儲(chǔ)存這些信息的數(shù)據(jù)庫；開發(fā)數(shù)據(jù)分析工具；研究HGP實(shí)施所帶來的倫理、法律和社會(huì)問題。人類單倍體基因組含30億堿基對(duì)(bp)的DNA序列，包括約3-4萬個(gè)基因，分布于22條常染色體和X、Y性染色體。遺傳圖譜轉(zhuǎn)錄圖譜1cM=1Mb

序列圖譜物理圖譜100kbSTSmap四張圖：物理圖轉(zhuǎn)錄圖遺傳圖序列圖

遺傳圖（連鎖圖）指基因或DNA標(biāo)記在染色體上的相對(duì)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）

第一代多態(tài)性標(biāo)記：RFLP

第二代多態(tài)性標(biāo)記：STR

包括小衛(wèi)星DNA和微衛(wèi)星DNA，其多態(tài)性主要來自重復(fù)序

列拷貝數(shù)的變化(短的串聯(lián)重復(fù)序列)第三代多態(tài)性標(biāo)記：SNPSNP與RFLP和STR標(biāo)記的主要不同之處在于，它不再以DNA片段的長度變化作為檢測手段，而直接以序列變異作為標(biāo)記。物理圖以已知核苷酸序列的DNA片段（序列標(biāo)簽位點(diǎn)，sequence-taggedsite,STS）為“路標(biāo)”，以堿基對(duì)作為基本測量單位（圖距）的基因組圖。轉(zhuǎn)錄圖以EST（expressedsequencetag，表達(dá)序列標(biāo)簽）為標(biāo)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(jī)挑選的克隆進(jìn)行測序所獲得的部分cDNA的5'或3'端序列稱為表達(dá)序列標(biāo)簽（EST），一般長300-500bp左右。

序列圖（分子水平的物理圖）序列圖是指整個(gè)人類基因組的核苷酸序列圖，也是最詳盡的物理圖。

既包括可轉(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。1995

第一個(gè)自由生物體流感嗜血菌(H.inf)的全基因組測序完成1996

完成人類基因組計(jì)劃的遺傳作圖啟動(dòng)模式生物基因組計(jì)劃H.Inf全基因組Saccharomycescerevisiae釀酒酵母Caenorhabditiselegans秀麗線蟲1997大腸桿菌(E.coli)全基因組測序完成1998

完成人類基因組計(jì)劃的物理作圖

開始人類基因組的大規(guī)模測序

Celera公司加入，與公共領(lǐng)域競爭啟動(dòng)水稻基因組計(jì)劃1999.7

第5屆國際公共領(lǐng)域人類基因組測序會(huì)議，加快測序速度大腸桿菌及其全基因組水稻基因組計(jì)劃2000Celera公司宣布完成果蠅基因組測序國際公共領(lǐng)域宣布完成第一個(gè)植物基因組——擬南芥全基因組的測序工作Drosophilamelanogaster果蠅Arabidopsisthaliana擬南芥二000年六月二十六日克林頓宣布人類基因組草圖繪制完成公共領(lǐng)域和Celera公司同時(shí)宣布完成人類基因組工作草圖2000年6月公共領(lǐng)域測序計(jì)劃工作框架圖2001年2月15日《Nature》封面2001年2月16日《Science》封面《Nature》刊文發(fā)表國際公共領(lǐng)域結(jié)果《Science》刊文發(fā)表Celera公司及其合作者結(jié)果2003.5.28—2003.6.2冷泉港人類基因組完成圖發(fā)布會(huì)1、大協(xié)作研究：

以學(xué)科為中心以問題為中心，多學(xué)科合作3、政府與國家的作用：

美：領(lǐng)導(dǎo)與推動(dòng)英：始于1989年2月，貢獻(xiàn)為1/3左右法：始于1990年6月，貢獻(xiàn)為3％左右日：始于1990年，貢獻(xiàn)為7％左右德：始于1995年，貢獻(xiàn)為7％左右中：始于1999年9月，貢獻(xiàn)為1％左右2、商業(yè)競爭促進(jìn)基礎(chǔ)研究：

1998年Celera公司的加入HGP的研究特色基因組工業(yè)的前景：1、以功能基因開發(fā)為基礎(chǔ)的“基因產(chǎn)業(yè)”正在形成

2、基因組研究帶動(dòng)了生物信息和生物芯片等新型學(xué)科和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

3、人類基因組研究成為生物醫(yī)藥技術(shù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的重要源頭

人類基因組中存在“熱點(diǎn)”和大片“荒漠”。人類基因組序列中所謂的“荒漠”就是包含極少或根本不包含基因的部分，基因組上大約1／4的區(qū)域是長長的、沒有基因的片段。基因密度在第17、第19和第22號(hào)染色體上最高，在X染色體、第4、第18號(hào)和Y染色體上相對(duì)貧瘠。

35.3%的基因組包含重復(fù)的序列。這意味著所有這些重復(fù)序列，即原來被認(rèn)為的“垃圾DNA”應(yīng)該被進(jìn)一步研究。事實(shí)上，第19號(hào)染色體57%是重復(fù)的。除了重復(fù)片段，科學(xué)家還鑒定了210萬個(gè)人與人之間不同的基因序列，這些序列被稱為“單核苷酸多態(tài)性”，它們通常是無害的。

根據(jù)實(shí)際情況，我國HGP的初期目標(biāo)主要是充分利用我國豐富的人類遺傳資源，進(jìn)行基因組多樣性和疾病基因識(shí)別的研究。

在眾多的組織相容性抗原系統(tǒng)中，能引起強(qiáng)烈而迅速排斥反應(yīng)的抗原系統(tǒng)，也叫主要組織相容性系統(tǒng)(MHS)。

概述：

代表個(gè)體特異性的引起排斥反應(yīng)的同種異型抗原，也稱移植抗原。

在不同個(gè)體之間進(jìn)行組織器官移植時(shí)，受體和供體雙方相互接受的程度。2、組織相容性抗原（histocompatibilityantigen)3、主要組織相容性抗原（majorhistocompatibilityantigen)1、組織相容性（histocompatibility)

編碼MHS的基因是一組緊密連鎖的基因群，稱為MHC。5、MHC抗原/MHC分子4、主要組織相容性抗原復(fù)合體（majorhistocompatibilitycomplex，MHC)

表達(dá)于不同細(xì)胞表面，不僅決定著移植物的排斥反應(yīng)，還與免疫應(yīng)答的誘導(dǎo)和調(diào)節(jié)有關(guān)。MHC的編碼產(chǎn)物。

人類白細(xì)胞抗原（HLA，humanleucocyteantigen）：

人類的MHC首先發(fā)現(xiàn)于白細(xì)胞表面。H－2與HLA的基因結(jié)構(gòu)、抗原分布和功能等都很相似。各種動(dòng)物的MHC動(dòng)物種人猩猩恒河猴狗豬兔豚鼠小白鼠大白鼠雞符號(hào)HLAChLARhLADLASLARLAGpLAH-2AgBH-1BMHCⅠ類分子參與內(nèi)源性抗原的提呈MHCⅡ類分子參與外源性抗原的提呈HLA復(fù)合體的遺傳特征1、多態(tài)性⑴復(fù)等位基因（multipleallele）⑵共顯性（co-dominant）造成器官移植的困難！按各個(gè)位點(diǎn)上的復(fù)等位基因計(jì)算，組成的基因型＞1億。2、單倍(元)型遺傳HLA基因緊密連鎖，組成一個(gè)完整的遺傳單位。

這些遺傳特征使其在親子鑒定，和器官移植時(shí)供者的選擇中得到應(yīng)用。遺傳可能性：⑴親代與子代有一個(gè)單元型相同⑵同胞間兩個(gè)單元型完全相同或不同的概率25%⑶同胞間一個(gè)單元型相同的概率50%同一基因座上HLA等位基因的差別可導(dǎo)致個(gè)體對(duì)某些疾病具有易感性或抗性。HLA與疾病的相關(guān)性強(qiáng)直性脊柱炎（ＡＳ）的病因未明，已證實(shí)，ＡＳ的發(fā)病和人類白細(xì)胞抗原ＨＬＡ－Ｂ２７密切相關(guān)，并有明顯家族發(fā)病傾向。

癥狀:早期主訴為下腰背發(fā)僵和疼痛，但背痛是普通人群中極為常見的一種癥狀，大多數(shù)為機(jī)械性（非炎性）背痛。故有必要將炎性背痛和機(jī)械性背痛加以區(qū)別。炎性背痛的特點(diǎn)是：（１）背部不適發(fā)生在４０歲以前；（２）緩慢發(fā)?。唬ǎ常┌Y狀持續(xù)至少３個(gè)月；（４）背痛伴發(fā)晨僵；（５）背部不適在活動(dòng)后減輕或消失。以上５項(xiàng)中有４項(xiàng)符合則支持炎性背痛。B27的檢測方法！各學(xué)科參與、協(xié)作：生命科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、材料科學(xué)以及倫理、法律等社會(huì)科學(xué)……HGP帶來的科學(xué)挑戰(zhàn)HGP:Pandora'sBox首要科學(xué)問題

如何找到記載在基因組DNA一維結(jié)構(gòu)上控制生命時(shí)間、空間的調(diào)控信息的編碼方式和調(diào)節(jié)規(guī)律。應(yīng)用數(shù)學(xué)、復(fù)雜系統(tǒng)理論、信息論、非線性科學(xué)……

催生生物信息學(xué)、計(jì)算生物學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)DNA芯片技術(shù)

交叉性技術(shù)領(lǐng)域：物理學(xué)、微電子信息技術(shù)、生化技術(shù)、信息技術(shù)……結(jié)構(gòu)生物學(xué)

前沿領(lǐng)域之一：生物物理學(xué)、生物化學(xué)、晶體學(xué)、波譜學(xué)、光譜學(xué)以及X射線晶體衍射技術(shù)、核磁共振技術(shù)……計(jì)算生物學(xué)和生物信息學(xué)——后基因組時(shí)代的呼喚物理科學(xué)發(fā)展對(duì)生命科學(xué)的啟示面對(duì)堆積如山的生物學(xué)數(shù)據(jù)…………新的生物學(xué)研究模式的出發(fā)點(diǎn)應(yīng)該是理論的。科學(xué)家將從理論推測出發(fā)，然后再返回到實(shí)驗(yàn)中去，追蹤或驗(yàn)證這些理論假設(shè)?！飳W(xué)家不僅必須成為計(jì)算機(jī)學(xué)者，而且也要改變他們研究生命現(xiàn)象的途徑。——W.Gilbert,TowardsAParadigmShiftinBiology,Nature,349(1991)99傳統(tǒng)生物學(xué)：實(shí)驗(yàn)科學(xué)現(xiàn)代生物學(xué)的發(fā)展：1、高通量數(shù)據(jù)獲取日益實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、半工業(yè)化

從數(shù)據(jù)庫中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘、知識(shí)發(fā)現(xiàn)2、海量數(shù)據(jù)

難以完全依賴實(shí)驗(yàn)手段對(duì)新數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，必須借助計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)分析和篩選3、更復(fù)雜層次的生物學(xué)問題

復(fù)雜的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、代謝網(wǎng)絡(luò)；細(xì)胞間信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程；生物個(gè)體全部基因表達(dá)變化……分析、篩選大量新數(shù)據(jù)生物中的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜過程、復(fù)雜現(xiàn)象理論生物學(xué)計(jì)算生物學(xué)21世紀(jì)生命科學(xué)理論計(jì)算實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)與物理科學(xué)計(jì)算生物學(xué)/理論生物學(xué)與傳統(tǒng)生物學(xué)的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)永遠(yuǎn)起著決定作用計(jì)算/理論生物學(xué)的發(fā)展離不開實(shí)驗(yàn)生物學(xué)的貢獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)生物學(xué)日益依賴計(jì)算/理論生物學(xué)的指導(dǎo)美國國家衛(wèi)生研究院（NIH）的定義：Bioinformatics(Research,development,orapplicationofcomputationaltoolsandapproachesforexpandingtheuseofbiological,medical,behavioralorhealthdata,includingthosetoacquire,store,organize,archive,analyze,orvisualizesuchdata.)

為拓展生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、行為學(xué)和衛(wèi)生學(xué)數(shù)據(jù)的用途，而進(jìn)行有關(guān)計(jì)算機(jī)方法手段的研究、開發(fā)與應(yīng)用，包括此類數(shù)據(jù)的采集、存貯、整理、歸檔、分析與可視化。

ComputationalBiology(Thedevelopmentandapplicationofdata-analyticalandtheoreticalmethods,mathematicalmodelingandcomputationalsimulationtechniquestothestudyofbiological,behavioral,andsocialsystems.)

開發(fā)和應(yīng)用數(shù)據(jù)分析、理論方法、數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，用于生物學(xué)、行為學(xué)和社會(huì)群體系統(tǒng)的研究。BioinformaticsComputationalBiologyWhatisBioinformatics/ComputationalBiology?

生物信息學(xué)（Bioinformatics）的來源Dr.HwaA.Lim（林華安）1987年提出“Bio-informatique”→“Bioinformatics”1955年出生于馬來西亞。聯(lián)合國Bioinformatics專家，UniversityofTexasatDallas分子與細(xì)胞生物學(xué)AdjunctProfessor、中國科學(xué)院基因遺傳研究所客座教授。1981年英國倫敦大學(xué)帝國學(xué)院(ImperialCollege,LondonUniversity)畢業(yè)，1986年獲得美國RochesterUniversity生化物理學(xué)博士學(xué)位，30歲取得佛羅里達(dá)州立大學(xué)終生教授。1992年受聘擔(dān)任美國國家癌癥中心及美國國家科學(xué)基金會(huì)審核委員。1995年后，歷任多家生物科技公司生化信息執(zhí)行長、副總裁等高層管理職位。1997年，創(chuàng)立結(jié)合軟件與數(shù)據(jù)分析的專業(yè)顧問公司D’Trends，服務(wù)生物技術(shù)、制藥及衛(wèi)生保健等機(jī)構(gòu)。林華安最近又將Biothechnology、Information結(jié)合納米科技（Nano），提出Binformatics（生納信息學(xué)）。生物信息學(xué)之父——林華安1999年9月9日，隨著“國際人類基因組計(jì)劃1%項(xiàng)目”的正式啟動(dòng)，北京華大基因研究中心在北京正式成立。華大基因先后完成了國際人類基因組計(jì)劃“中國部分”（1%）、國際人類單體型圖計(jì)劃（10%）、水稻基因組計(jì)劃、家蠶基因組計(jì)劃、家雞基因組計(jì)劃、抗SARS研究、炎黃一號(hào)等多項(xiàng)具有國際先進(jìn)水平的科研工作，以基因組DNA序列信息為源頭，識(shí)別基因組序列中代表蛋白質(zhì)和RNA基因的編碼區(qū)，闡明非編碼區(qū)的信息特征，破譯隱藏在DNA序列中的遺傳語言規(guī)律。生物信息學(xué)/計(jì)算生物學(xué)揭示基因組蛋白質(zhì)組信息結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、遺傳語言的根本規(guī)律生物學(xué)信息的計(jì)算機(jī)處理計(jì)算生物學(xué)/理論生物學(xué)前基因組時(shí)代的“釣魚”和后基因組時(shí)代的“撈魚”生物學(xué)家(生物學(xué)問題)數(shù)學(xué)物理學(xué)家計(jì)算機(jī)科學(xué)家(基礎(chǔ)理論問題)工程師（技術(shù)應(yīng)用）計(jì)算生物學(xué)/生物信息學(xué)：三種科學(xué)文化的融合DNA序列RNA序列蛋白質(zhì)由重復(fù)的核苷酸或氨基酸單元組成的線性高分子，具有高度有序并能完成特定生物學(xué)功能的三維結(jié)構(gòu)目的揭示序列蘊(yùn)含的更高級(jí)的結(jié)構(gòu)和功能信息主要思想