基因組與比較基因組學(xué)

基因組與比較基因組學(xué)第八章基因組與比較基因組學(xué)

一.人類基因組計(jì)劃

人類基因組計(jì)劃由美國(guó)能源部(DOE)和國(guó)立健康研究院(NIH)資助并于1990人類基因組計(jì)劃的科學(xué)意義：（1）確定人類基因組中約2萬1千個(gè)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(gè)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)。第八章基因組與比較基因組學(xué)

一.人類基因組計(jì)劃（3）從整體上了解染色體結(jié)構(gòu)，包括各種重復(fù)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(fù)制、基因轉(zhuǎn)錄及表達(dá)調(diào)控中的影響與作用。（4）研究空間結(jié)構(gòu)對(duì)基因調(diào)節(jié)的作用。有些基因的表達(dá)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(yuǎn)，但若從整個(gè)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(dá)調(diào)控規(guī)律。第八章基因組與比較基因組學(xué)

一.人類基因組計(jì)劃（5）發(fā)現(xiàn)與DNA復(fù)制、重組等有關(guān)的序列。DNA的忠實(shí)復(fù)制保障了遺傳的穩(wěn)定性，正常的重組提供了變異與進(jìn)化的分子基礎(chǔ)。局部DNA的推遲復(fù)制、異常重組等現(xiàn)象則導(dǎo)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(fù)制和重組有關(guān)的序列及其變化，將對(duì)研究人類基因組的遺傳與進(jìn)化提供重要的結(jié)構(gòu)上的依據(jù)。第八章基因組與比較基因組學(xué)

一.人類基因組計(jì)劃（6）研究DNA突變、重排和染色體斷裂等，了解疾病的分子機(jī)制，包括遺傳性疾病、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(xué)改變及其進(jìn)程，為這些疾病的診斷、預(yù)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(dǎo)人類有效地利用病毒載體進(jìn)行基因治療。第八章基因組與比較基因組學(xué)

一.人類基因組計(jì)劃（8）研究染色體在個(gè)體之間的多態(tài)性。這些知識(shí)可被廣泛用于基因診斷、個(gè)體識(shí)別、親子鑒定、組織配型、發(fā)育進(jìn)化等許多醫(yī)療、司法和人類學(xué)的研究。此外，這些遺傳信息還有助于研究人類歷史進(jìn)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。第八章基因組與比較基因組學(xué)

一.人類基因組計(jì)劃第八章基因組與比較基因組學(xué)

三.人類基因組計(jì)劃1遺傳圖譜的構(gòu)建定義：遺傳圖（geneticmap）又稱連鎖圖（linkagemap），指基因或DNA標(biāo)記在染色體上的相對(duì)位置與遺傳距離，而不是它們?cè)谌旧w上特殊的物理位置?？茖W(xué)上用兩個(gè)位點(diǎn)之間的交換或重組頻率厘摩（cM）來表示遺傳距離。第八章基因組與比較基因組學(xué)

一.人類基因組計(jì)劃經(jīng)典的遺傳標(biāo)記是可被電泳或免疫技術(shù)檢出的蛋白質(zhì)標(biāo)記，如血型標(biāo)記等。DNA多態(tài)性遺傳標(biāo)記的建立，為人類遺傳研究提供了大量的遺傳標(biāo)記。*多態(tài)性：人的DNA序列上平均每幾百個(gè)堿基會(huì)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(gè)體間表現(xiàn)出不同，因而被稱為多態(tài)性（Polymorphism）。

第八章基因組與比較基因組學(xué)

一.人類基因組計(jì)劃第一代DNA多態(tài)性標(biāo)記是RFLP（restrictionfragmentlengthpolymorphism，限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性）標(biāo)記。第八章基因組與比較基因組學(xué)

一.人類基因組計(jì)劃第二代DNA多態(tài)性標(biāo)記利用了人類基因組大量的重復(fù)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(fù)序列拷貝數(shù)的變化。第八章基因組與比較基因組學(xué)

一.人類基因組計(jì)劃第三代DNA多態(tài)性標(biāo)記是單核苷酸多態(tài)性（singlenucleotidepolymorphism,SNP）標(biāo)記。圖11-4(a)SNP的產(chǎn)生第八章基因組與比較基因組學(xué)

一.人類基因組計(jì)劃圖11-4(b)SNP的檢測(cè)第八章基因組與比較基因組學(xué)

一.人類基因組計(jì)劃2物理圖譜的構(gòu)建定義：利用限制性內(nèi)切酶將染色體切成片段，再根據(jù)重疊序列確定片段間連接順序以及遺傳標(biāo)志之間的物理距離的圖譜。第八章基因組與比較基因組學(xué)

一.人類基因組計(jì)劃3.轉(zhuǎn)錄圖即表達(dá)序列標(biāo)簽（expressedsequencetag,EST）圖，是人類基因組圖的重要組成部分。*EST：通過從cDNA文庫(kù)中隨機(jī)挑選的克隆進(jìn)行測(cè)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(zhǎng)300-500bp左右。4.全序列圖

即分子水平上最高層次的、最詳盡的物理圖。第八章基因組與比較基因組學(xué)

一.人類基因組計(jì)劃2005年，人類基因組測(cè)序計(jì)劃基本完成，測(cè)定了單倍體細(xì)胞中約30億個(gè)堿基對(duì)，預(yù)測(cè)基因數(shù)為20,000–25,000。破譯人類遺傳信息，將對(duì)生物學(xué)、醫(yī)學(xué)，乃至整個(gè)生命科學(xué)產(chǎn)生無法估量的深遠(yuǎn)影響。第八章基因組與比較基因組學(xué)

二.高通量DNA序列分析技術(shù)（一）SangerDNA序列測(cè)定的基本原理第八章基因組與比較基因組學(xué)

二.高通量DNA序列分析技術(shù)基本原理在DNA聚合酶的作用下，雙脫氧核苷酸分子可以象正常核苷酸一樣參與DNA合成；但是，由于它自身3′位置-OH的缺失，至使下位核苷酸的5′磷酸基無法與之結(jié)合，從而導(dǎo)致反應(yīng)終止，并產(chǎn)生長(zhǎng)度不一的DNA片段。通過凝膠電泳分離，放射自顯影確定DNA片段末端的堿基，進(jìn)而推斷DNA的核苷酸序列。第八章基因組與比較基因組學(xué)

二.高通量DNA序列分析技術(shù)反應(yīng)體系中除含有四種脫氧核苷酸(dATP、dCTP、dGTP和dTTP)外，加入了一種雙脫氧核苷酸(ddATP或ddCTP或ddGTP或ddTTP)。

雙脫氧鏈終止法測(cè)序的基本原理和過程

凝膠電泳方向3’AGTTGCTA5’測(cè)序膠的判讀*放射性標(biāo)記(測(cè)序酶)第八章基因組與比較基因組學(xué)

二.高通量DNA序列分析技術(shù)第八章基因組與比較基因組學(xué)

二.高通量DNA序列分析技術(shù)（二）基因組DNA大片段文庫(kù)的構(gòu)建基因組文庫(kù)：將特定生物個(gè)體的全部DNA片段連接入載體DNA分子上，并導(dǎo)入受體細(xì)菌或細(xì)胞中，經(jīng)擴(kuò)增產(chǎn)生的包含該生物全部基因組序列的克隆群體。用于基因組文庫(kù)構(gòu)建的載體主要有酵母人工染色體（YAC）和細(xì)菌人工染色體（BAC）。第八章基因組與比較基因組學(xué)

二.高通量DNA序列分析技術(shù)（三）鳥槍法測(cè)序技術(shù)及其改良1.建立高度隨機(jī)、插入片段大小為1~2kb的基因組文庫(kù)。*受DNA序列分析技術(shù)的限制，一次測(cè)序反應(yīng)的長(zhǎng)度不能超過1kb。第八章基因組與比較基因組學(xué)

二.高通量DNA序列分析技術(shù)（2）高效、大規(guī)模的末端測(cè)序保證經(jīng)末端測(cè)序的堿基總數(shù)達(dá)到基因組5倍以上。（3）序列拼接（4）填補(bǔ)缺口有兩種缺口：一是沒有相應(yīng)模板DNA的物理缺口，二是有模板DNA但未測(cè)序的序列缺口。

第八章基因組與比較基因組學(xué)

二.高通量DNA序列分析技術(shù)鳥槍法測(cè)序的缺點(diǎn)：基因組越大，拼接越困難。高等生物基因組中的大量重復(fù)序列也會(huì)導(dǎo)致拼裝困難。第八章基因組與比較基因組學(xué)二.

高通量DNA序列分析技術(shù)基因組圖物理圖譜（克隆重疊群）鳥槍法測(cè)序序列拼接全基因組鳥槍法測(cè)序序列組裝根據(jù)標(biāo)記裝配序列酶切克隆克隆重疊群法定向鳥槍法

第八章基因組與比較基因組學(xué)

引言第五章分子生物學(xué)研究法二.

高通量DNA序列分析技術(shù)

1.DNA序列自動(dòng)分析法原理:

-基于Sanger雙脫氧鏈終止法的原理，使用四種不同的

熒光染料分別標(biāo)記ddATP、ddTTP、ddCTP、ddGTP。

-這四種熒光染料在激光激發(fā)下發(fā)出不同波長(zhǎng)的熒光，因而每一種熒光代表一種堿基。

-延伸中的DNA互補(bǔ)鏈分別終止于不同熒光標(biāo)記的ddATP、

ddTTP、ddCTP、ddGTP。

-熒光檢測(cè)系統(tǒng)將熒光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),經(jīng)過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理,最后把所測(cè)得的序列直接打印出來。

（四）Sanger測(cè)序法的改進(jìn)及新一代測(cè)序技術(shù)第五章分子生物學(xué)研究法

第五章分子生物學(xué)研究法

ddAddGddTddGddCddCddAddCddGddT激光激發(fā)熒光信號(hào)AGTGCCACGT電泳鏈終止反應(yīng)第八章基因組與比較基因組學(xué)

二.高通量DNA序列分析技術(shù)2.第二代測(cè)序法

第二代測(cè)序法采用體外構(gòu)建測(cè)序文庫(kù)、體外擴(kuò)增測(cè)序模板以及更高密度的陣列化測(cè)序更大地提高了測(cè)序的自動(dòng)化和平行化，從而極大地降低了測(cè)序成本。主要方法有：

Roche454焦磷酸測(cè)序

Illumina基因組分析儀

ABISOLiD……第八章基因組與比較基因組學(xué)三.其他代表性基因組

1997年9月，大腸桿菌（E.coli）的完整基因圖譜已繪制成功,基因組全序列完成，全長(zhǎng)為約5Mb，共有4,288個(gè)基因，同時(shí)也搞清了所有基因產(chǎn)物的氨基酸序列。第八章基因組與比較基因組學(xué)三.其他代表性基因組

啤酒酵母（Saccharomycescerevisiae）1997年，第一個(gè)真核生物基因組圖譜公布。該基因組全長(zhǎng)13.04Mbp，是最小的真核基因組。含5885個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因。第八章基因組與比較基因組學(xué)三.其他代表性基因組

秀麗線蟲(caenorhabditiselegans)

1998年12月完成了基因組測(cè)序?；蚪M大小100Mb，分布于6條染色體，預(yù)測(cè)有19,099個(gè)基因。第八章基因組與比較基因組學(xué)三.其他代表性基因組

果蠅（Drosophilamelanogaster）

Celera公司2000年3