解讀基因組序列

解讀基因組序列解讀基因組序列第1頁基因測序后續(xù)工作搞清楚：1.基因組次序中所包含全部遺傳信息是什么(查找基因)2.基因組作為一個整體怎樣行使其功效解讀基因組序列第2頁基因定位兩種常見方法：

其一，依據(jù)已知序列人工判讀或計算機分析尋找與基因相關(guān)序列（如：序列篩查定位基因）其二，試驗研究，看其能否表示基因產(chǎn)物及其對表型影響，既試驗分析解讀基因組序列第3頁5.1.1經(jīng)過序列篩查定位基因細菌DNA簡單ORF掃描高等真核生物DNAORF掃描功效性RNA定位基因同源性搜索和比較基因組學(xué)自動標(biāo)注基因組序列解讀基因組序列第4頁基因可讀框ORF全部編碼蛋白質(zhì)基因含有可讀框(openreadingframesORF)：是由可編碼氨基酸密碼子組成ORF起始于起始密碼子（普通是ATG）終止于終止密碼子（TAA,TAG,TGA）每個DNA序列有6種可讀框

解讀基因組序列第5頁蛋白質(zhì)編碼基因是三聯(lián)密碼子可讀框解讀基因組序列第6頁雙鏈DNA分子含有6個可讀框解讀基因組序列第7頁尋找ORF(ORFscanning)假如DNA序列CG堿基含量占50%則TAA，TAG，TGA每一個將平均每64bp出現(xiàn)一次假如GC含量大于50%那么含A和T堿基終止密碼子出現(xiàn)頻率會相對比較少，不過預(yù)期每100—200bp還會出現(xiàn)一次尋找ORF方式是將100個密碼子作為一個基因長度下限解讀基因組序列第8頁簡單ORF掃描細菌DNA簡單ORF應(yīng)用于細菌DNA序列掃描能夠成功定位大多數(shù)基因，因為細菌基因間距非常小重合基因較少，而且細菌基因內(nèi)無內(nèi)含子，ORF連續(xù)。解讀基因組序列第9頁單核李氏桿菌溶血素gln基因基因無內(nèi)含子ORF連續(xù)解讀基因組序列第10頁高等真核生物DNAORF掃描高等真核生物基因之間間隔太大發(fā)覺家ORF概率增加高等真核生物基因內(nèi)有內(nèi)含子造成ORF不連續(xù)，外顯子小于100個密碼子

所以高等真核生物基因不會以長ORF形式出現(xiàn)在基因組序列中,ORF無法掃描解讀基因組序列第11頁內(nèi)含子使ORF掃描復(fù)雜化解讀基因組序列第12頁河豚魚AF164138序列某段基因分析內(nèi)含子基因圖解讀基因組序列第13頁ORF掃描三項改良密碼子偏倚：特定生物體基因中并不是全部密碼子使用頻率都相等，真正外顯子有所偏倚。外顯子——內(nèi)含子邊界

：因為有特定序列特征而區(qū)分開上游調(diào)控序列：調(diào)控序列有顯著特點，可用來定位基因起始區(qū)解讀基因組序列第14頁外顯子——內(nèi)含子邊界解讀基因組序列第15頁

依據(jù)某種生物體DNA特征進行詳細分析：如脊椎動物基因組包含著許多基因上游都有CpG（CpGisland）島解讀基因組序列第16頁功效性RNA定位基因搜尋編碼RNA二級結(jié)構(gòu)特征堿基序列搜尋DNA編碼莖環(huán)或發(fā)夾結(jié)構(gòu)程序搜索與功效RNA基因相關(guān)調(diào)控序列搜尋緊湊較小基因組中蛋白質(zhì)編碼基因間空位置解讀基因組序列第17頁

tRNA三葉草結(jié)構(gòu)解讀基因組序列第18頁一個大腸桿菌tRNA基因序列解讀基因組序列第19頁莖環(huán)結(jié)構(gòu)解讀基因組序列第20頁解讀基因組序列第21頁同源性搜索和比較基因組學(xué)同源性搜索：查詢DNA數(shù)據(jù)庫來判斷所檢測序列是否與已知基因序列相同或者是相同比較基因組學(xué)：當(dāng)相關(guān)基因組進行比較時，同源基因因為它們序列相同性很高就輕易被判別出來，而在第二個基因組中沒有明確同源物任何ORF都能夠很必定認為不是基因解讀基因組序列第22頁相關(guān)物種相同基因組解讀基因組序列第23頁用同線性比較檢測短ORF真實性解讀基因組序列第24頁自動標(biāo)注基因組序列

計算機方法從序列分析開始，利用能掃描ORF、外顯子-內(nèi)含子邊界及上游調(diào)控區(qū)并能在數(shù)據(jù)庫中檢測同源基因ORF程序進行序列分析。這些程序同時也用于尋找重復(fù)序列及功效RNA基因特意性特征，而后信息整合分析。解讀基因組序列第25頁5.1.2.基因定位試驗技術(shù)

大多數(shù)基因定位試驗方法依賴于檢測由基因轉(zhuǎn)錄成RNA分子。雜交試驗?zāi)軌蚺袛嗄骋黄问欠窈修D(zhuǎn)錄序列cDNA測序有利于在DNA片段中進行基因作圖準(zhǔn)確定位轉(zhuǎn)錄物末端能夠準(zhǔn)確定位外顯子——內(nèi)含子邊界解讀基因組序列第26頁雜交試驗判斷轉(zhuǎn)錄序列

假如用標(biāo)識基因組片段與細胞RNA進行northern雜交，就能夠檢測到那個片段上基因所轉(zhuǎn)錄出RNA。缺點：一些單個基因有兩個或更多長度不等轉(zhuǎn)錄物mRNA表示時期和部位特異性解讀基因組序列第27頁

northern印跡雜交解讀基因組序列第28頁種屬間印跡解讀基因組序列第29頁cDNA測序有助DNA片段基因作圖將cDNA序列與基因組DNA序列相比較，就能夠描述對應(yīng)基因位置找到外顯子——內(nèi)含子邊界，兩個決定此方法成功原因：所研究基因DNA片段表示水平高低cDNA分子完整性解讀基因組序列第30頁解讀基因組序列第31頁cDNA合成解讀基因組序列第32頁準(zhǔn)確定位轉(zhuǎn)錄物末端將RNA做起始材料進行特殊類型PCR

逆轉(zhuǎn)錄PCR（reversetranscriptasePCR,RT-PCR）快速擴增cDNA末端其它轉(zhuǎn)錄物準(zhǔn)確作圖方法包含異源雙鏈分析（heteroduplexanalysis）解讀基因組序列第33頁準(zhǔn)確定位外顯子——內(nèi)含子邊界外顯子捕捉（exontrapping）：將一特殊類型載體導(dǎo)入適當(dāng)真核細胞系中。依據(jù)已知小基因序列確定出插入外顯子其實和終止核苷酸位置，從而準(zhǔn)確描述外顯子解讀基因組序列第34頁外顯子捕捉解讀基因組序列第35頁5.2確定單個基因功效一旦一個新基因在基因組序列中取得定位，就要探索它功效問題。大腸桿菌基因組序列中4288個蛋白質(zhì)編碼基因中，以前已經(jīng)判定出基因只有1853個（占總數(shù)43%）。對于釀酒酵母，此數(shù)值只有30%。像基因定位一樣，也嘗試著用計算機分析和試驗研究來確定未知基因功效。解讀基因組序列第36頁5.2.1基因功效計算機分析同源性搜索是經(jīng)過把被研究DNA序列與數(shù)據(jù)庫中其它全部DNA序列進行比較來定位基因。同源性搜索基礎(chǔ)是相關(guān)基因含有相同序列，所以能夠經(jīng)過與不一樣物種中已測序同源基因含有相同性來發(fā)覺新基因。解讀基因組序列第37頁▲同源性反應(yīng)出進化關(guān)系

同源基因含有共同進化祖先，是經(jīng)過基因之間序列相同性而發(fā)覺。（如圖5.16)同源基因分兩類：

①定向進化同源基因orthologousgene是那些不一樣生物體間存在同源物，它們共同祖先早于物種之間分裂。同源基因通常含有相同或很類似功效。Eg：人類和黑猩猩肌紅蛋白基因是同源基因。解讀基因組序列第38頁圖5.16定向進化同源基因和平行進化同源基因解讀基因組序列第39頁

②平行進化同源基因paralogousgene存在于相同生物體中，常是可識別多基因家族組員，它們共同祖先可能早于或晚于當(dāng)前發(fā)覺新基因物種分裂。eg：人類肌紅蛋白和β–球蛋白基因是平行基因：它們起源于5.5億年前祖先基因復(fù)制。通常一對同源基因不含有相同核苷酸序列，但含有相同序列。同源性搜索就是利用這些序列相同性。同源性≠相同性(如圖5.17)解讀基因組序列第40頁

假如一對相關(guān)基因序列有80%核苷酸是相同生物，就描述它們是“80%同源”是不正確。一對基因在進化上要么相關(guān)要么無關(guān)，沒有介于二者之間情況，所以把同源性描述為百分數(shù)是沒意義。圖5.17兩個DNA序列含有80%序列一致性解讀基因組序列第41頁同源分析能夠提供整個基因或基因片段功效信息

能夠用DNA序列進行同源性搜索，但通常在搜索之前先將假定基因序列轉(zhuǎn)換為氨基酸序列。這么做一個原因是蛋白質(zhì)中有20種不一樣氨基酸，但DNA中只要4種核苷酸，所以當(dāng)比較氨基酸序列時，無關(guān)基因序列通常會表現(xiàn)出更大差異（如圖5.18）。所以假如使用氨基酸序列進行同源性搜索，就不太可能得到假結(jié)果。解讀基因組序列第42頁

同源性搜索程序時經(jīng)過在查找序列和數(shù)據(jù)庫序列之間進行比較而開始。對于每個比較來講，都計算出一個得分，操作人員經(jīng)過這個得分能夠估量查詢序列與試驗序列同源可能性。有兩種方法能夠產(chǎn)生這個得分。圖5.18當(dāng)在氨基酸水平進行比較，更顯著。兩條核苷酸序列中，綠色表示相同，紅色表示不一樣。有76%一致，如星號所表示。把序列翻譯成氨基酸，一致性就降低到28%。黃色表示相同，棕色表示不一樣。AA序列之間進行比較就表明基因不是同源，核苷酸水平相同性是偶然。解讀基因組序列第43頁

最簡單方法是計算相同氨基酸在兩條序列中都存在位點數(shù)。這個數(shù)值被轉(zhuǎn)換成平均數(shù)后就能夠給出兩條序列之間相同程度。

最先進方法是利用不相同氨基酸之間化學(xué)相關(guān)性為比對中每個位點進行評分，相同或很近氨基酸（eg:leu和ile）分數(shù)就高，不相關(guān)氨基酸（eg:phe和ser）分數(shù)就低。這種分析就確定了一對序列之間相同程度。解讀基因組序列第44頁

可進行同源性搜索分析軟件最常見是BLAST，只需登陸到該網(wǎng)站一個DNA數(shù)據(jù)庫中，將序列輸入到在線搜索工具就能夠進行分析。標(biāo)準(zhǔn)BLAST程序能有效判別出序列相同性大于30%~40%同源基因。PSI-BLAST（位點特異重復(fù)BLAST），經(jīng)過將標(biāo)準(zhǔn)BLAST搜索同源序列組合成一個序列譜能判別出相關(guān)性差異更大序列，利用該序列譜特征能判別出在起始搜索中沒有檢測到另外同源序列。解讀基因組序列第45頁ⅰ同源基因含有非常不一樣生物功效，一個例子是眼晶狀體晶體蛋白，其中一些與代謝酶同源。所以，待查找序列與晶體蛋白之間含有同源性并不代表待查找序列是一個晶體蛋白，而且待查找序列與代謝酶之間含有相同性或顯著同源性也不能表明待查找序列是一個代謝酶。ⅱ基因是不相關(guān)，但它們蛋白質(zhì)含有相同功效，并同時含有每種蛋白質(zhì)上一個結(jié)構(gòu)域編碼序列，而此結(jié)構(gòu)域?qū)ζ涔餐π痍P(guān)鍵作用。即使基因本身沒有共同祖先，結(jié)構(gòu)域卻有共同祖先。tudor結(jié)構(gòu)就是一個經(jīng)典例子（如圖5.19）解讀基因組序列第46頁圖5.19tudor結(jié)構(gòu)域圖上部顯示果蠅tudor蛋白結(jié)構(gòu)，它含有10個拷貝tudor結(jié)構(gòu)域。另一個果蠅蛋白homeless及人類A-激酶錨定蛋白（AKAP149）中發(fā)覺了此結(jié)構(gòu)域，它在RNA代謝中發(fā)揮一定作用。除了含有tudor結(jié)構(gòu)域外，這些蛋白質(zhì)并不相同。每種蛋白質(zhì)活性都在一個方向或其它方向中與RNA相關(guān)解讀基因組序列第47頁利用同源性搜索為人類疾病基因確定功效人類基因組測序主要原因之一是能取得人類疾病相關(guān)基因。同源性搜索在疾病基因研究中發(fā)揮很主要作用，因為在另一個生物體中發(fā)覺人類疾病基因同源基因經(jīng)常是了解人類基因生物化學(xué)功效關(guān)鍵。解讀基因組序列第48頁

5.2.2用試驗分析說明基因功效常規(guī)路線：表型→基因型新方法：基因型→表型⒈經(jīng)過基因失活進行功效分析與表型相關(guān)基因能夠經(jīng)過確定含有突變表型生物體中哪個基因是失活而被判別出來。假如起點是基因而不是表型，那么對應(yīng)策略就是進行基因突變并確定所引發(fā)表型改變，這是大多數(shù)用于確定未知基因功效技術(shù)基礎(chǔ)。解讀基因組序列第49頁⒉同源重組能夠使單個基因失活使特定基因失活最簡單方法是用一段無關(guān)DNA片段將其破壞（如圖5.20）。這能夠經(jīng)過在基因染色體拷貝和另一段與靶基因有一些相同序列DNA之間進行同源重組來到達?，F(xiàn)在目標(biāo)只要知道兩個DNA分子含有相同序列，重組能引發(fā)分子片段進行交換就足夠了。怎樣進行基因失活呢？①釀酒酵母（如圖5.21）②模式生物：人→小鼠解讀基因組序列第50頁圖5.20同源重組引發(fā)基因失活靶基因染色體拷貝與克隆載體攜帶斷裂基因結(jié)合起來。結(jié)果是，靶基因被失活了。解讀基因組序列第51頁圖5.21酵母缺失盒應(yīng)用

缺失盒包含抗生素抗性基因和該基因前面在酵母中表示所需開啟子序列以及兩側(cè)限制性位點。解讀基因組序列第52頁

“缺失盒”是含有抗生素抗性基因，不是酵母基因組中正常個別，但假如轉(zhuǎn)入酵母染色體中就會起作用，就產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)化反抗生素遺傳霉素有抗性酵母細胞。利用缺失盒之前，新DNA片段作為尾端連接到每個末端。這些片段與要被失活酵母基因個別序列相同。當(dāng)改良盒導(dǎo)入酵母細胞后，同源重組就在DNA末端和酵母基因染色體拷貝之間出現(xiàn)，用抗生素抗性基因代替后者。所以，經(jīng)過將培養(yǎng)物接種到含有遺傳霉素瓊脂培養(yǎng)基中來篩選攜帶替換基因細胞。所產(chǎn)生克隆缺乏靶基因活性，能夠經(jīng)過檢驗它們表型取得此基因功效一些提醒。解讀基因組序列第53頁3.不用同源重組進行基因失活轉(zhuǎn)座子標(biāo)識技術(shù)（transposontagging)經(jīng)過向基因中插入轉(zhuǎn)座元件或轉(zhuǎn)座子使其失活。（更適適用于整體研究基因組功效）RNA干擾或RNAi是一個完全不一樣基因失活方法，它并不打斷基因本身，而是破壞其mRNA。這是經(jīng)過將與目標(biāo)mRNA序列匹配小雙鏈RNA分子導(dǎo)入細胞中完成。雙鏈RNA被打斷成小分子來誘導(dǎo)mRNA降解（如圖5.22）解讀基因組序列第54頁圖5.22RNA干擾

雙鏈RNA分子被Dicer核酸酶切割成21~25bp“小干擾RNA”（siRNA）。每個siRNA一條鏈與靶mRNA堿基配對，后被RDE-1核酸酶降解解讀基因組序列第55頁4.基因過表示也能夠用來探索功效

需要區(qū)分兩種情況：①表型改變是因為過表示特異功效造成；②特異性比較小表現(xiàn)改變反應(yīng)了異常情況。過表示一個基因，必須利用一個特殊類型克隆載體，設(shè)計這類載體以確保被克隆基因能合成盡可能多蛋白質(zhì)。所以，這種載體是多拷貝，意思是在宿主細胞內(nèi)它能夠復(fù)制到每個細胞40~200個拷貝，所以也就出現(xiàn)了待測基因許多拷貝。載體必須含有高活性開啟子，方便每個拷貝待測基因能被轉(zhuǎn)變成大量mRNA，再次確保合成盡可能多大蛋白質(zhì)（如圖5.23）解讀基因組序列第56頁圖5.23經(jīng)過基因過表示進行功效分析

目標(biāo)是確定被研究基因過表示是否影響轉(zhuǎn)基因小鼠表型。所以將目標(biāo)基因cDNA插入到帶有高性開啟子序列克隆載體中，此開啟子序列指導(dǎo)克隆基因在小鼠肝臟中表示。應(yīng)用cDNA而不用基因基因組拷貝是因為前者不含有內(nèi)含子，因而比較短而且更易于在試管中操作。解讀基因組序列第57頁圖5.24兩步基因替換5.2.3未知基因編碼Pr活性詳細研究1.定點誘變能夠用來詳細探索基因功效使用定向誘變或體外誘變方法來對基因序列相關(guān)部位進行缺失或改變。誘變后怎樣尋找突變基因→標(biāo)識基因（可能改變環(huán)境）→為了確保被研究基因活性改變是由引入基因特異突變改造，而不是因為基因組中插入與目標(biāo)基因緊靠標(biāo)識基因后造成環(huán)境間接效果，利用兩步基因替換法（如圖5.24）解讀基因組序列第58頁2.報道基因和免疫細胞化學(xué)能夠用來定位基因時空表示報道基因（reportergene）就可能確定生物體內(nèi)基因表示模式。比較可靠地指示出待測基因表示時間和空間，就必須使報道使報道基因與待測基因一樣受一樣信號調(diào)整。這能夠經(jīng)過用報道基因ORF替換待測基因ORF來實現(xiàn)（如圖5.25）。大多數(shù)控制基因表示調(diào)整信號位于ORF上游DNA區(qū)域內(nèi)，現(xiàn)在報道基因就應(yīng)該表現(xiàn)出與待測基因相同表示模式了。所以，就能夠經(jīng)過檢測生物體內(nèi)報道基因信號來確定表示模式。解讀基因組序列第59頁圖5.25報道基因

報道基因可讀框取代待研究基因讀框。結(jié)果是匯報基因受到通常能表明待測基因表示模式調(diào)控序列調(diào)控序列調(diào)整。解讀基因組序列第60頁免疫細胞化學(xué)

該方法使用一個感興趣蛋白質(zhì)特異性抗體，這么就會結(jié)合到這種蛋白質(zhì)而不是其它蛋白質(zhì)上?？贵w進行了標(biāo)識，這么它在細胞中位置以及目標(biāo)蛋白質(zhì)在細胞中位置就能夠被觀察到。（如圖5.26）。解讀基因組序列第61頁圖5.26免疫細胞化學(xué)

用紅色熒光標(biāo)識物標(biāo)識抗體處理細胞。細胞檢測結(jié)果表明熒光信號與線粒體內(nèi)膜相結(jié)合。所以，一個假設(shè)認為目標(biāo)蛋白質(zhì)參加電子輸送和氧化磷酸化，因為這些是線粒體內(nèi)膜主要生化功效。解讀基因組序列第62頁5.3個例研究：標(biāo)注釀酒酵母基因組序列解讀基因組序列第63頁5.3.1標(biāo)注酵母基因組序列

酵母菌基因組測序在1996完成。最初分析將100個密碼子設(shè)為可能存在基因最小長度，判別出6274個ORF,其中大約30%ORF是已知真正基因。剩下70%利用同源性分析進行了研究，得到了一些結(jié)果：解讀基因組序列第64頁1.用同源性搜索序列數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫，能夠確定出基因組中大約30%基因功效。其中有二分之一很明確是功效基因同源基因，另二分之一沒有顯著相同性，包含許多相同性僅限于個別結(jié)構(gòu)域基因。2.酵母全部基因大約有10%在數(shù)據(jù)庫中有同源基因，但這些同源基因功效未知。所以同源性分析不能幫助確定這些酵母基因功效。這些酵母基因及其同源基因稱作孤兒家族。3.剩下總數(shù)大約30%，在數(shù)據(jù)庫中沒有同源基因。其中大約總數(shù)7%是有疑問ORF，其長度很短或有異常密碼子偏倚，可能不是真正基因。另外大約總數(shù)23%像基因不過唯一，被稱為單一孤兒。解讀基因組序列第65頁對酵母基因組序列進行初步標(biāo)注后，有兩個主要問題：1.單一孤兒中有多少為真正基因？2.是否有一些真正基因因為長度小于100個密碼子，所以不能經(jīng)過最初分析判定出來？酵母基因組中長度大于或等于100個密碼子ORF只有6274個，但長度大于或等于15個密碼子ORF有100000多個，它們中大多數(shù)表現(xiàn)出密碼子選擇模式與真正酵母基因無差異，所以發(fā)覺新小基因潛力是很大。解讀基因組序列第66頁能夠用前面介紹三種方法來篩選酵母基因：1.比較基因組學(xué)利用相關(guān)酵母物種一組基因組序列，來評價許多小ORF真實性。2.經(jīng)過對cDNA進行測序?qū)ふ肄D(zhuǎn)錄證據(jù)，包含表示序列標(biāo)簽文庫，基因表示系列分析，微陣列研究。3.轉(zhuǎn)座子標(biāo)識像用來經(jīng)過失活基因進行功效分析一樣，也用來判定真正基因ORF。解讀基因組序列第67頁在正常細胞中l(wèi)acZ基因是失活，用X-gal測試時，克隆顯白色。被激活后，克隆顯藍色。有疑問ORF就可依據(jù)克隆顏色判定出來。解讀基因組序列第68頁2確定酵母基因功效釀酒酵母有兩大特征可幫助確定其基因組中未知基因功效。1.含有高同源重組自然傾向，這就比較輕易利用該方法來失活單個基因。2.基因組中存在轉(zhuǎn)座子Ty家族，這就將轉(zhuǎn)座子標(biāo)識技術(shù)用作基因失活?，F(xiàn)在面臨挑戰(zhàn)是發(fā)展能篩選大量突變體方法，以找到能表明失活基因功效特異表性特征。若同時進行許多平行試驗，需要大規(guī)模篩選策略。解讀基因組序