7比較基因組學(xué)課件

比較基因組學(xué)

Comparativegenomics

何光源中英聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室2023/7/22比較基因組學(xué)的基本概念比較基因組學(xué)的應(yīng)用比較基因組學(xué)的研究方法比較基因組學(xué)與進(jìn)化模式生物與比較基因組學(xué)研究比較基因組學(xué)的基本概念2023/7/22物種完成年份總長度Mb已完成總長的百分?jǐn)?shù)/%占常染色質(zhì)百分?jǐn)?shù)/Mb基因數(shù)/Mb酵母20191293100483線蟲20199699100197果蠅20001166497117擬南芥200011592100221人類第22染色體201934709716人類第21染色體200033751007人類全基因組(PublicSequence)20192693849012人類全基因組(CeleraSequence)201926548399-9315基本完成DNA序列分析的真核生物基因組比較2023/7/222019年12月1日，人體第22對染色體的遺傳密碼破譯，人類首次成功完成人體染色體基因完整序列的測定，英、美、日三國研究人員合作完成第二小的染色體，34Mb，發(fā)現(xiàn)679個(gè)基因，55％新發(fā)現(xiàn)；先天性心臟病、免疫功能低下、精神分裂癥、智力低下、出生缺陷以及許多惡性腫瘤(白血?。?79個(gè)基因中，545個(gè)是功能基因；134個(gè)是假基因，曾經(jīng)發(fā)生過作用，但現(xiàn)在已不再發(fā)揮功能；200～300個(gè)功能和結(jié)構(gòu)尚待確認(rèn)的基因；160個(gè)人體基因與小鼠基因遺傳密碼相似，找到人類和生物在進(jìn)化過程中更深層的秘密。2000年5月德國和日本科學(xué)家完成人體第21對染色體測序最小的一對：33Mb，人體全部的1％；127個(gè)基因，估計(jì)還存在98個(gè)基因；多種遺傳疾病相關(guān)基因白血病唐氏綜合癥阿爾茨海默癥躁郁癥：《躁狂抑郁多才俊》

肌肉萎縮性側(cè)索硬化癥Down綜合征DSDownSyndrome21三體綜合征、先天愚型染色體結(jié)構(gòu)畸變所致的疾病，患者核型為47，XX(XY)、+21★妊娠前后，孕婦有病毒感染史，如流感、風(fēng)疹等；★受孕時(shí)，夫妻一方染色體異常；★夫妻一方年齡較大；★妊娠前后，孕婦服用致畸藥物，如四環(huán)素等；★夫妻一方長期在放射性熒幕下工作或污染環(huán)境下工作；★習(xí)慣性流產(chǎn)史、早產(chǎn)或死胎的孕婦；★長期飼養(yǎng)寵物者。

第一章剖析天才第二章躁狂抑郁癥第三章牛頓第四章貝多芬第五章狄更斯第六章梵·高第七章減弱創(chuàng)造力第八章增強(qiáng)天才2019年05月1號染色體的基因測序完成，“生命之書”的最后一個(gè)章節(jié)150名英國和美國科學(xué)家、10年，塊頭最大；2.23億bp，基因數(shù)量最多，達(dá)3141個(gè)，是平均水平的兩倍，破譯難度最大；350余種疾病：癌癥、帕金森氏癥、老年癡呆癥、孤獨(dú)癥、智障；發(fā)掘出診斷和治療5000多種遺傳疾病以及惡性腫瘤、心血管疾病和其他嚴(yán)重疾患的方法，阻止甚至扭轉(zhuǎn)一些疾病的遺傳；神經(jīng)生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)相關(guān)學(xué)科發(fā)展。比較基因組學(xué)定義利用不同物種基因組之間功能區(qū)域序列上、組織結(jié)構(gòu)上的同源性；對系統(tǒng)發(fā)育中的代表性物種之間的基因和基因家族的比較分析；構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育的遺傳圖譜；克隆新基因；揭示基因與基因家族的起源、功能、進(jìn)化過程中復(fù)雜化和多樣化的機(jī)制。

back2023/7/22比較基因組學(xué)的應(yīng)用染色體片段的分析序列的比對分析，物種序列的優(yōu)化選擇對DNA序列的信息注釋發(fā)現(xiàn)新基因揭示非編碼功能序列發(fā)現(xiàn)功能性SNP確定基因組序列的進(jìn)化關(guān)系，闡述物種間的進(jìn)化史闡明人類疾病過程的分子機(jī)制。back2023/7/22比較基因組學(xué)的研究方法基因組比較作圖

Comparativemapping基于基因組全序列的比較基因組學(xué)研究基于DNA芯片技術(shù)的比較基因組學(xué)研究2023/7/22基因組比較作圖Comparativemapping利用共同的遺傳標(biāo)記(分子標(biāo)記、cDNA克隆、基因克隆)對相關(guān)物種進(jìn)行遺傳/物理作圖；比較遺傳標(biāo)記在相關(guān)物種基因組中的分布情況，揭示物種間DNA或DNA片段上的同線性synteny、共線性collinearity、微共線性microsynteny；對相關(guān)物種的基因組結(jié)構(gòu)、基因組進(jìn)化歷程進(jìn)行精確分析。2023/7/22同線性synteny

：相關(guān)物種間同源染色體或染色體片段上存在共同的遺傳標(biāo)記，但這些標(biāo)記間的相對順序可能存在差異;共線性collinearity

：高度同線性，共同的遺傳標(biāo)記且標(biāo)記排列順序保守；微共線性：一個(gè)小的基因組區(qū)域內(nèi)(一段特定的DNA序列)存在共線性的情形。YAC或BAC克隆的限制性圖譜、DNA測序，比較分析發(fā)現(xiàn)基因組的微共線性。2023/7/22理想分子標(biāo)記特點(diǎn)：直接來自于基因表達(dá)序列、不同遺傳背景(如雜交組合)下可進(jìn)行信息傳輸、共顯性。

RFLP、SSR、ESTRFLP標(biāo)記--初期使用共顯性遺傳標(biāo)記；由于標(biāo)記數(shù)目和群體大小的限制，分辨率不高，共線性區(qū)段往往在5～10cM之內(nèi)，錯(cuò)過分析缺失、重復(fù)和倒位的情況。2023/7/22SSR--SimpleSequenceRepeats，STMS

sequencetaggedmicrosatellitesite數(shù)量豐富、覆蓋整個(gè)基因組；重復(fù)單位數(shù)目的高度變異性，揭示高度多態(tài)性；具有復(fù)等位基因的特性，信息量豐富；以孟德爾方式遺傳，呈共顯性；側(cè)翼序列保守，設(shè)計(jì)特異引物PCR，便于不同的實(shí)驗(yàn)室相互交流合作開發(fā)引物；引物設(shè)計(jì)、PCR擴(kuò)增、PAGE電泳分析、QuantityOne（BIO-RAD）軟件統(tǒng)計(jì)、NTSYS軟件計(jì)算出遺傳相似性系數(shù)、UPGMA聚類分析構(gòu)建聚類圖。2023/7/22ESTExpressedSequenceTag

高度保守且結(jié)構(gòu)特殊性：來自于基因表達(dá)序列或直接來自候選基因candidategenes；跨越家系與種的限制，親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的物種間比較作圖；分子標(biāo)記：構(gòu)建基因組遺傳圖譜與物理圖譜、探針、用于定位克隆、尋找新基因、基因功能研究、生物群體多態(tài)性研究、藥物開發(fā)、品種改良、基因芯片?；诨蚪M全序列的比較基因組學(xué)研究完成全基因組測序，

針對全基因組序列進(jìn)行比較分析，可精確到單堿基差異；比較已有的全基因組序列，

如擬南芥、水稻、楊樹等，進(jìn)行系列研究，進(jìn)展迅速；全基因組測序工程浩大，耗費(fèi)巨大，不可能對所有研究的物種采用這種方式進(jìn)行比較基因組研究。2023/7/22基于芯片技術(shù)的比較基因組學(xué)研究

以已知序列基因組為參考，通過芯片技術(shù)，進(jìn)行未測序基因組與參考基因組間的比較基因組雜交分析；檢測待比較基因組中對應(yīng)DNA區(qū)域的存在、缺失、變異；成本較低，研究結(jié)果可靠性較高，應(yīng)用前景廣闊。2023/7/22基因組成的相似性基因共線性：基因排列順序的一致性；宏觀共線性：遺傳連鎖圖上錨定標(biāo)記排列次序的一致性；微觀共線性：物理圖上基因序列的一致排列；進(jìn)化距離非常近的物種間保持很好的微觀共線性；在進(jìn)化過程中，基因共線性被各種因素所破壞，進(jìn)化距離越遠(yuǎn)的物種之間基因共線性越差；物種間共線性程度可作為衡量它們之間進(jìn)化距離的尺度。2023/7/22高度保守和高度變異X染色體極為保守，人類和貓的X染色體具有縱貫全條的共線性；在保守性較低的區(qū)段，基因進(jìn)化速率快于整個(gè)基因組的平均進(jìn)化速率；種間基因組中很少表現(xiàn)共線性；甚至在同一物種的不同生態(tài)型之間這些區(qū)段也會發(fā)生較大變異；當(dāng)用基因共線性程度估算物種分化年代時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意避免高度保守和高度變異的區(qū)段。2023/7/222023/7/22破壞基因組共線性的因素轉(zhuǎn)座插入染色體重排區(qū)段加倍和缺失。2023/7/22基因島和基因協(xié)同進(jìn)化基因島：區(qū)段基因密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全基因組的平均密度?？赡芡ㄟ^基因水平轉(zhuǎn)移（horizontalgenetransfer,HGT）進(jìn)入基因組；

基因島中的基因群通常具有功能上的相關(guān)性；協(xié)同丟失和協(xié)同進(jìn)化；多種生物功能：病原性基因島、抗性基因島。

2023/7/22圖位克隆--跨物種基因克隆有效的基因克隆技術(shù)，隨著植物分子標(biāo)記遺傳圖譜的建立和基因分子定位而發(fā)展起來；根據(jù)基因組研究提供的高密度遺傳圖譜、大尺寸物理圖譜、大片段基因組文庫和基因組全序列，利用分子標(biāo)記輔助，直接克隆基因；無需事先知道基因的DNA序列，無需了解基因的表達(dá)產(chǎn)物；首先在擬南芥中取得成功，后來在番茄、大麥、小麥、甜菜、水稻，理論上適用于一切基因在水稻中運(yùn)用該技術(shù)分離出抗白葉枯病基因Xa-21、Xa-1，抗稻瘟病基因Pi-b和矮生突變基因D1。在基因組較小的模式植物中，分離被精確定位在大基因組中的基因；避免大量重復(fù)序列的干擾，減少染色體步移的次數(shù)。2023/7/22直系同源集簇由祖先基因衍生的一組基因種間同源物：不同基因組中執(zhí)行同一生物學(xué)功能；種內(nèi)同源物（平行基因）：同一基因組中因基因加倍產(chǎn)生；預(yù)測新基因功能。back2023/7/222023/7/22比較基因組學(xué)與進(jìn)化

古細(xì)菌產(chǎn)甲烷球菌與原核生物比較共同的染色體組織與結(jié)構(gòu)：環(huán)狀基因組、基因的操縱子結(jié)構(gòu)；能量產(chǎn)生和固氮基因：與原核生物有很高同源性；蛋白質(zhì)編碼基因：與細(xì)胞分裂相關(guān)蛋白質(zhì)、20多個(gè)無機(jī)離子運(yùn)輸?shù)鞍椎腛RF，與原核生物同源；調(diào)控模式：類似于原核生物。2023/7/22與真核生物比較細(xì)胞遺傳信息傳遞：轉(zhuǎn)錄和翻譯系統(tǒng)；分泌系統(tǒng)；比較基因組學(xué)研究在進(jìn)化系統(tǒng)樹上，古細(xì)菌與真核生物親緣關(guān)系比原核生物更近。在自養(yǎng)生物的三個(gè)分支，細(xì)菌、古細(xì)菌和真核生物中，細(xì)菌的分化發(fā)生較早。back模式生物與比較基因組學(xué)研究模式生物原核生物酵母線蟲果蠅小鼠、人類擬南芥、水稻、玉米、小麥2023/7/22模式生物

modelorganism生物的一個(gè)物種species，在研究生命現(xiàn)象的過程中長期、反復(fù)地被作為研究材料；其許多生命活動規(guī)律往往代表了許多物種共同的規(guī)律；對其形態(tài)、解剖、生理、生化、細(xì)胞及遺傳進(jìn)行全面分析和歸納；將對其研究中得出的規(guī)律，推演到相關(guān)的生物物種中，以加快其他各種生物研究的步伐。模式生物具備的基本條件容易培養(yǎng)，成本低廉，隨時(shí)獲取以供實(shí)驗(yàn)研究，繁殖周期短；能在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的后代，滿足研究分析的需求；十分方便地取得種內(nèi)的遺傳變異體；已經(jīng)過長期研究取得該物種的豐富背景信息。模式生物基因組研究特點(diǎn)1“壓縮”的基因組：基因組通常比較小，編碼基因比例較高，重復(fù)序列和非編碼序列較少；2模式生物基因組中G+C%含量高，同時(shí)CpG島的比例也比較高；3在模式生物特別在人的基因組中發(fā)現(xiàn)了重復(fù)duplication；2023/7/22模式生物比較基因組研究特點(diǎn)4在各種不同的物種中大多數(shù)的重要生物學(xué)功能是由相當(dāng)數(shù)量的同源序列基因(Orthologous)蛋白承擔(dān)；5同線(synteny)連鎖的同源基因在不同物種基因組中有相同連鎖關(guān)系；6生物體的復(fù)雜性一般表現(xiàn)在“生物學(xué)”的復(fù)雜性,與基因組的C值大小及基因數(shù)量未必一定呈線性關(guān)系--C值悖論。back2023/7/22原核模式生物比較基因組學(xué)尿殖道支原體--已知最小的基因組0.58Mb，由此確定能自我復(fù)制的細(xì)胞必需的一套最少的核心基因；流感嗜血桿菌的基因組為1.83Mb；？基因組大小影響了基因數(shù)目還是基因尺度。2023/7/22原核模式生物比較基因組學(xué)基因大?。毫鞲惺妊獥U菌基因平均900bp，尿殖道支原體的基因?yàn)?040bp，差不多；基因密度：流感嗜血桿菌中平均1042bp有1個(gè)基因，尿殖道支原體中平均1235bp有1個(gè)基因；基因數(shù)量的差異：流感嗜血桿菌基因組有1743個(gè)ORF，而尿殖道支原體只有470個(gè)ORF。

2023/7/22原核模式生物比較基因組學(xué)比較尿殖道支原體與流感嗜血桿菌這兩個(gè)親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的生物基因組；

選取其共同的基因（共240個(gè)）；再加上一些其他基因；組成一套含256個(gè)基因的最小基因組。back2023/7/22釀酒酵母基因組

—最簡單的真核生物基因組：12,068kb，比單細(xì)胞的原核生物和古細(xì)菌大一個(gè)數(shù)量級；基因數(shù)：ORF

5887，比原核生物和古細(xì)菌要多很多；基因密度：1個(gè)基因/2kb，密度小于流感嗜血桿菌和尿殖道支原體。釀酒酵母--最小的真核基因組裂殖酵母其次：密度是1/2.3kb，13.8Mb線蟲：簡單多細(xì)胞生物，基因密度為1/30kb。內(nèi)含子：釀酒酵母4%的編碼基因有內(nèi)含子，裂殖酵母有40%編碼基因有內(nèi)含子。2023/7/22酵母良好的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

單細(xì)胞，可在特定的培養(yǎng)基上生長，能夠完全控制其化學(xué)和物理環(huán)境。酵母的生命周期也很適合被用來作遺傳分析，可以構(gòu)建一套16條染色體單倍型的詳盡的圖譜。可將其6000個(gè)基因中的任何一個(gè)用突變的等位基因替代或準(zhǔn)確地從基因組中缺失。back2023/7/22線蟲簡單多細(xì)胞生物減數(shù)分裂細(xì)胞核外形細(xì)胞分裂胚胎形態(tài)的發(fā)育

back果蠅基因組果蠅基因組全長120mb，2/3是euchromatin，1/3是heterochromatin；BlastSearch確定有14113個(gè)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物（功能基因）。

Science,287:2185-2195(2000)

2023/7/22人類基因組的一個(gè)片段2023/7/222023/7/22人類染色體組型姬母薩染色的G帶模式圖2023/7/222023/7/22

人類基因組基因的三條推測依據(jù)

根據(jù)已測定大片段DNA中ORF的比例；

CpGisland的個(gè)數(shù)（56%的已知基因5’都與CpG相連，而人基因組中有45000個(gè)Islands）ESTs2023/7/22

模式生物基因組研究對人類基因組研究的促進(jìn)作用1利用基因序列上的同源性克隆人類疾病基因

人類cDNA與已知功能的模式生物基因高度相關(guān)，該表型的候選基因定位于與cDNA相同的位置上，就有助于識別該基因。人類基因組與酵母30%基因?qū)?yīng)，小鼠99%對應(yīng)2023/7/22模式生物基因組研究對人類基因組研究的促進(jìn)作用2模式生物基因組研究揭示了人類疾病基因的功能某些模式生物基因的功能已知,對人類疾病基因的功能研究有很大的促進(jìn)作用。

跨種關(guān)系使模式生物基因的有效功能數(shù)據(jù)立刻用于研究它的高等生物的同源體。2023/7/22模式生物基因組研究對人類基因組研究的促進(jìn)作用3充分利用模式生物實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上的優(yōu)越性模式生物實(shí)驗(yàn)上的優(yōu)越性成為人類疾病狀態(tài)下分子機(jī)制的闡明和基因功能分析的有效手段。酵母一個(gè)很好的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。2023/7/22與定位克隆的人類疾病基因高度同源的釀酒酵母基因人類疾病人類基因人類cDNA

GenBank登記號酵母基因酵母cDNA

GenBank登記號酵母基因功能遺傳性非息肉性小腸癌MSH2U03911MSH2M84170DNA修復(fù)蛋白遺傳性非息肉性小腸癌MLH1U07418MLH1U07187DNA修復(fù)蛋白囊性纖維變性CFTRN28668YCF1L35237金屬抗性蛋白威爾遜氏病WNDU11700CCC2L36317銅轉(zhuǎn)運(yùn)器甘油激酶缺乏癥GKL13943GUT1X69049甘油激酶布盧姆氏綜合癥BLMU39817SGS1U22341蝸牛酶X-連鎖的腎上腺腦白質(zhì)營養(yǎng)不良ALDZ21876PAL1L38491過氧化物酶轉(zhuǎn)運(yùn)器共濟(jì)失調(diào)性毛細(xì)血管擴(kuò)張癥ATMU26455TEL1U31331P13激酶肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化SOD1K00065SOD1J03279過氧化物歧化酶營養(yǎng)不良性肌萎縮DML19268YPK1M21307絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶勒韋氏綜合癥OCRLM88162YIL002CX47047IPP-5-磷酸酶I-型神經(jīng)纖維瘤NF1M89914IRA2M33779抑制性的調(diào)節(jié)蛋白模式生物基因組研究對人類基因組研究的促進(jìn)作用4比較基因組作圖在人類基因組研究中的應(yīng)用。應(yīng)用一：使連鎖信息和基因組資源從作圖較為詳盡的物種轉(zhuǎn)移到作圖不完善的物種例如：通過定位一套在哺乳動物中進(jìn)化上保守的位點(diǎn)，把這些保守位點(diǎn)作為出發(fā)點(diǎn)，使連鎖信息從人、鼠等物種擴(kuò)展到牛、豬、羊等物種，以促進(jìn)基因組研究。2023/7/22模式生物基因組研究對人類基因組研究的促進(jìn)作用

應(yīng)用二：通過比較基因組作圖，進(jìn)行復(fù)雜性狀的分析。許多遺傳性狀由多基因控制，這些基因的識別在小鼠中比人容易。一個(gè)候選疾病基因或疾病區(qū)域在小鼠中確認(rèn)，就可以篩選同源基因或同源區(qū)域，看看是否與人類遺傳病相對應(yīng)。2023/7/22小鼠—十分重要的模式生物繁殖率高、近交系；對多種毒素和病原體易感；對致癌物敏感，自發(fā)性腫瘤多；藥物篩選、藥效、毒性試驗(yàn)、腫瘤模型

模式生物基因組研究加深了對基因組結(jié)構(gòu)的認(rèn)識人類的基因很大，在人類基因組全部測序完成之前，已有一些cDNA上測序。所以其基因組結(jié)構(gòu)可能尚屬未知。利用低等模式生物基因組較小、呈壓縮狀態(tài)，就可能用節(jié)約的方法在基因組水平上測序。展示基因組的結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)含子和外顯子的邊界和周圍序列，還可能包括調(diào)節(jié)因子，如啟動子和增強(qiáng)子。不但為基因結(jié)構(gòu)的研究，也為相關(guān)基因的進(jìn)化提供了信息。2023/7/22

利用模式生物基因組研究信息研究人類疾病基因的可行性定位克隆是一項(xiàng)有效的疾病基因