基因组学概论

基因组学 (Genomics) 马珊珊 郑州大学生命科学学院 1 32 学时： 16周， 2学时 /周 考试方式： 闭卷考试 考试成绩： 30%平时成绩（出勤率 + 课堂表现） +70%卷面成绩 课程安排课程安排 2 目 录 n 第 1章 基因组学概论 n 第 2章 基因组多态性 n 第 3章 基因组作图 n 第 4章 基因组序列的诠释 n 第 5章 基因组的进化与分子系统学 n 第 6章 重组 DNA技术及其应用 n 第 7章 分子杂交与印迹技术 n 第 8章 PCR技术及其应用 n 第 9章 转基因动物技术的应用与发展 n 第 10章 生物芯片的应用与发展 n 第 11章 新基因功能研究的策略与方法 n 第 12章 RNAi技术的应用与发展 3 第 1章 基因组学概论 4 DNA RNA 基因组学 转录组学 蛋白质组学 ？ ？蛋白质 课程的依据和支撑： 生命科学的重大基石 中心法则 5 基因组学 概念 技术 内容 发展 6 一、基因组学概况 （一）基因组学基本概念 （二）基因组学分支 （三）基因组学的意义 7 （一）基因组学基本概念 1. 基因（ gene） 2. 基因组（ genome） 3. 基因组学（ genomics） 8 1. 基因 (Gene) 基因 (gene)是 1909年丹麦植物学家 W.Johannsen 根据希 腊文单词 genos(birth,给予生命）创造的。 现代分子生物学的基因概念： 基因是储存和表达某一多肽链信息或 RNA分析 信息所必需的全部核苷酸序列，即一个基因不仅 包括编码蛋白质或 RNA的核酸序列，还应包括为保 证转录所必需的调控序列。 基因是生命体传递和表达遗传信息的基本单位 。 9 2. 基因组（ genome） 基因组 (genome)一词系由德国汉堡大学 H. Winkles 教授于 1920年首创，从 GENe和 chromosOME组成。用 于表示 生物的全部基因和染色体组成的概念 。 基因组（ genome）： 生物所具有的携带遗传 信息的遗传物质的总和 ,是指生物细胞中所有 的 DNA，包括所有的基因和基因间区域。 人的核基因组： 30亿 bp（最新资料说 28.5亿） 22.5万个蛋白编码基因 10 真核生物基因组： 核基因组 线粒体基因组 叶绿体基因组 原核生物基因组： 染色体 质粒 病毒基因组： 病毒颗粒携带的遗传物质 11 3. 基因组学（ genomics） 由美国科学家 Thomas Roderick于 1986年首创。 基因组学（ genomics）： 就是对所有基因进行基因 作图、核苷酸序列分析、 基因定位和基因功能分析 的一门学科。 12 简言之， 基因组学 就是在 基因组水平 上研究 基 因组结构和功能 的科学，其内容包括基因的 结 构、组成、存在方式、表达调控模式、基因的 功能和相互作用 等，是研究与解读生物基因组 所蕴藏的所有遗传信息的一门新的前沿学科。 13 （二）基因组学分支 结构基因组学 功能基因组学 比较基因组学 14 1. 结构基因组学 通过基因组作图、核苷酸 序列分析，研究基因组结 构，确定基因组成、基因 定位的科学。 15 （ 1）基因组测序 DNA测序 :1000bp。 细菌基因组 :58万 bp 人类基因组 :30亿 bp。 因此，首先将整个基因组的 DNA分解为一 些小片 段，然后将这些分散的小片段逐个测序，最后将测 序的小片段按序列组装。 16 （ 2）基因组作图 在长链 DNA分子的不同 位置寻找特征性的分子标 记，绘制基因组图。 根据分子标记可以准确无 误地将已测序的 DNA小片段 锚定到染色体的位置上。 17 2. 功能基因组学 利用结构基因组学 提供的信息和产物， 在基因组系统水平 上全面分析基因功 能的科学 。 18 功能基因组学的研究内容 : (1)进一步 识别基因以及基因转录调控信息 。 (2)弄清 所有基因产物的功能 ，这是目前基因组 功能分析的主要层次。 (3)研究基因的表达调控机制 ，分析基因产物之 间的 相互作用关系 ，绘制基因调控网络图。 19 3. 比较基因组学 研究不同物种之间在基因组结构和功能 方面的亲源关系及其内在联系的学科。 20 比较基因组学的研究内容 : (1)绘制系统进化树 ，显示进化过程中最主要的 变化所发生的时间及特点。据此可以追踪物种的 起源和分支路径。 (2)了解 同源基因的功能 。 (3)对 序列差异性的研究 有助于认识产生大自然生 物多样性的基础。 21 （三）基因组学的意义 生物学研究 医学 生物技术 制药工业 社会经济 生物进化 伦理，法律及社会 尤其是人类疾病基因的研究 22 (1)单基因病疾病基因研究 ,如血友病等 人类基因组计划使我们了解基因组序列。 现在采用定位候选克隆方法极大地提高了 发现疾病基因的效率。 23 （ 2）多基因病疾病基因研究， 例如心脏病，糖尿病，癌症等。 用比较基因表达谱的方法来识别疾病状态下基 因的激活或抑制。 24 （ 3）癌症基因组解剖学计划 （ Cancer Genome Anatomy Project， CGAP） 1996年癌症基因组解剖学计划开始。主要由美国 癌症研究所（ National cancer institute）开展 。 25 二、基因组学的历史沿革 26 （一） 1900年代以前 :前遗传学时代 （ 1） 1859 年 C.Darwin 在 On the Origin of Species 这一名著中，提出了物种进化的 自然选 择学说 达尔文进化论 。 生物的来源 进化 生物的性状 遗传 进化的动力 选择 前遗传学时代 27 （ 2） 1865年 G.Mendel发表豌豆杂交实验结果，提出了遗 传学的两大遗传规律 分离规律 和 独立分配规律 ，并认 为是 生物体内的 遗传因子 或 遗传颗粒 控制生物性状 。 前遗传学时代 28 （二） 19001950 年代 :经典遗传学时代 （标志： 1900年 ,孟德尔遗传规律再发现标志着遗传学的诞生） 人们开始把控制生物遗传性状的遗传单 位称为 基因 (gene)。 生命科学的研究基本 上都是围绕着 基因 来进行。 经典遗传学时代 29 1839年 细胞学说的提出； 1869年 发现 DNA；随后， RNA也被发现； 1879年 染色体的发现，并认为染色体最可能是 DNA 、 RNA和蛋白质的一种； 1902年 染色体学说 的产生 ,合理解释了 Mendel的实验结果 ; 1910年 发现了遗传学的第三大遗传规律 连锁遗传规律 （决定两对性状的两对基因位于同一对染色体上，就会发生连锁遗传现象） 证明基因的确存在于染色体上，并呈线状排列。 1944年 证实了 DNA是携带遗传信息、构成染色体的生物大 分子； 经典遗传学时代 30 肺炎双球菌的转化实验 (Griffith, 1928;Avery,1944) 遗 传 物 质 是 D N A 经典遗传学时代 31 遗 传 物 质 是 R N A 噬菌体侵染细菌实验 遗 传 物 质 是 D N A 烟草花叶病毒侵染实验 经典遗传学时代 32 总之 ，自从人们认识到 “ 基因决定生物性 状 ” ， “ 基因的本质就是 核酸 主要是 DNA” 之后，就 从来没有停止对基因的研究 。 经典遗传学时代 33 （三） 19501990 年代 :分子生物学时代 （前基因组学时代） （标志： Watson & Crick 的 DNA双螺旋结 构的发现 Nature 1953.4.25，标志 着分子生物学时代的开始） 分子生物学时代 34 1953年 ， J.Watson， F.Crick根据 DNA的 X射线衍射图 谱，提出了 DNA双螺旋结构模型 ，解释 基因复制的机制 ，从而真正开始从分子水平上研究生命活动。 生物学研究也从此进入了分子生物学时代。 分子生物学时代 35 James Dewey Watson （ 1928） Francis Harry Compton Crick （ 1916 2004） 分子生物学时代 36 19531970 年 ， 分子生物学的迅猛发展 : mRNA、 DNA聚合酶、 RNA聚合酶的发现； DNA半保留复制机理、操纵子学说等的提出； 遗传密码的发现，其通用性的证明； 64个密码子破译； 中心法则： “ DNARNA 蛋白质 ” 的建立 ,标志着 分子生物学学科理论体系形成； 重组 DNA技术的建立 ，使得分子生物学的 技术体系 初 步形成 ，或者说，生命科学进入了 前基因组学时代 。 分子生物学时代 37 1.逆转录酶的发现，修正和完善了 中心法则 ： DNA DNA RNA RNA 蛋白质 蛋白质 DNA RNA ？ 蛋白质 转录 转录 逆转录 转录 逆转录 翻译 ？ 翻译 翻译 分子生物学时代 38 20世纪 80年代， 人们从疯牛病等疾病中发现其感染 因子 是一种与正常细胞膜蛋白（ PrPC）一级结构完 全相同，但高级结构、理化特性不同的 PrPSc或 prion蛋白 （阮蛋白？）。 目前的研究提示，这种不含有核酸的 prion蛋白 似乎具有自身复制的能力， 也就是说这种蛋白本身 就储备了生命活动必需的遗传信息。 2.Prion蛋白的发现进一步推动中心法则的演变 分子生物学时代 39 ？ ？ 蛋白质DNA RNA 比较完善的中心法则 个人观点 转录 逆转录 翻译 分子生物学时代 40 3.工具酶的发现、重组 DNA技术的建立 4.“断裂基因 ”的发现 5.DNA测序 方法建立，读取遗传信息成为可能； 6.PCR技术 建立， 7.基因 表达与调控 研究的不断拓宽和深入； 8.转基因 技术的建立与转基因动植物的成功； 9.人类疾病的 基因诊断 和 基因治疗 分子生物学时代 尽管人类很早就开始了对 基因 的 研究 ，但真 正有系统地 研究基因组、解码生命 还是于 1990年 人类基因组计划启动后才开始的。 41 （四） 19902000 年代：基因组学时代 （标志：人类基因组计划的实施标志着基因 组学时代的开始） 基因组学时代 42 1.人类基因组计划 人们回顾过去的 20世纪一百年中所取得的辉煌 成就时，认为最激动人心的伟大创举之一就是 和 “曼哈顿原子弹计划 ”、 “阿波罗人类登月计划 ” 一起被誉为 20世纪科学史上 三个里程碑 的 “人类 基因组计划 ”(human genome project,HGP)。 基因组学时代 43 1985年 5月，美国能源部 提出 “ 人类基因组计划草案 ； 1986年 3月 7日， Dulbecco R在 Science上发表了 一篇有关开展人类基因组计划的短文 ,推动了全世界的人 类基因组计划的发展； 1990年 10月 1日 美国国会 正式批准 的 “ 人类基因组计 划 ” 。计划在 15年内投入 30亿美元以上的资金进行人类 基因组的分析，即对人类 310 9个核苷酸进行测序。 基因组学时代 44 （ 1） HGP(human genome project,HGP)的内容 ： 人类基因组作图及序列分析，基因的鉴定、 基因组研究技术的建立与创新、模式生物基因 组作图和测序、信息系统的建立、储存及相应 软件的开发、相关产业的开发等。 2.HGP的内容、任务与进展 基因组学时代 45 （ 2） HGP的任务 HGP的基本任务可用 4张图谱来概括，即 遗传 图、物理图、转录图（基因图）、序列图 。 基因组学时代 46 A. 遗传图 (genetic map)： 又称连锁图 (linkagemap), 是以具有遗传多态性的遗传标记作为 “ 位标 ” ，遗传 学距离为 “ 图距 ” 的基因组图。 需要应用多态性标志 RFLP、 VNTR（串联重复顺序 多态性）、 SNP。 B.物理图谱（ physical map）： 是以一段已知核苷 酸的 DNA片段为 “ 位标 ” ,以 DNA实际长度 (Mb或 Kb)作 为图距的基因组图。 基因组学时代 47 C.转录图（ transcription map)： 是以表达 序列标记 (expressed sequence tags,EST) 作为位标，实际上就是人类 “ 基因图 ” 的 雏 形 ，又称 cDNA图或 “ 表达序列图 ” 。 D.序列图 (sequence map)： 也就是人类基因组 核苷酸序列图，是分子水平上最高层次、最详 尽的物理图。 基因组学时代 48 物理图谱 序列图谱 遗传图谱 转录图谱 这四张图被誉为人类 “ 分子水平上的的解剖图 ” 或 “ 生命元素周期表 ” ，可见其重要性。 基因组学时代 49 3. HGP的几个阶段性工作 （ 1）在 2000年 6月 完成 “ 工作框架图 ” 。 （ 2）在 2001年 2月 15日、 16日 Nature、 Science几乎同时 发表人类基因组的草图 ,人类基因组计划的测序基本完成 。（ 3） 2001年 完成的序列图谱 。 基因组学时代 （ 4） 2003年 4月） HGP正式宣告全部完成 ,各项指标均如 期完成。 （ 5） 2005年 2月 18日首次公布人类 基因差异图谱 ，从而 向真正 个人化医疗 迈进了一大步。 （ 6） 2004年 10月 21日 ,认为人类只有 2万 2.5万个基因 , 比原先预计的 10万个基因数要少得多。 50 最新研究显示人类基因数量比原先估计少得多，这是人 类与其他种类基因数量的比较 (2004.10.21 Nature ) 30,000 Mouse 基因组学时代 51 （五） 2001 后基因组学时代 （ 标志： 功能基因组学、蛋白质组学的 兴起标志着后基因组学时代的开始 ） 后基因组学时代 52 三、后基因组学产生的背景 53 遗传信息并不直接参与生命活动 。一个基因所 含的遗传信息，通过一系列复杂的反应，最终 导致了相应的蛋白质形成， 蛋白质再参与到生 命的各种活动中去。 54 不管怎么说，人类基因组计划（ HGP）经过各 国科学家十几年的的努力，人类基因组计划已取 得了巨大成绩 ,整个计划已提前完成 .所取得的划 时代研究成果 人类基因草图的完成宣告了一个 新的纪元 “ 后基因组学（ post-genomics）时 代 ” 的到来。 55 后基因组学时代要做的工作，就是 如何将人 类基因组计划所获知的人类基因序列转变为 对人类自身奥秘的认识？如何对这些基因加 以利用？ 功能基因组学将成为新世纪最大战略资源 人类基因资源夺战的重要 “ 战场 ” 。 56 功能基因组学主要是采用一系列新技术，对 成千上万的基因表达进行分析比较，并 从基 因整体水平上 对基因的活动规律进行阐述。 它抛弃了经典分子生物学 零敲碎打地 研究各 别基因的习惯，力求从细胞水平上解决基因 组问题 ，以建立对生命现象的 整体认识 。 57 在过去的 50多年内，实验生命科学的 主 要目标 是寻找 特定的 基因 或 蛋白质 ，从 而在分子水平上根据 个别的 基因 或 蛋白 质 行为来 解释生命活动 。 58 随着科学的发展，人们逐渐认识到，过去得 到的图景过于 简单 。生命实际上是一个由 成 千上万种 基因、蛋白质和其他化学分子 相互 作用构成的 复杂系统 ；对于高等生物而言， 除了 分子层面 的复杂行为外，还有着 细胞、 组织和器官等不同层面 的复杂活动；生命现 象是这样一种复杂系统的整体行为。 59 四、后基因组学的主要 研究内容与发展趋势 60 20世纪是以 核酸的研究 为中心，带动了生命 科学不断向纵深发展： 50年代的 DNA双螺旋结构， 60年代的操纵子学说， 70年代的 DNA重组 , 80年代的 PCR技术， 90年代的 DNA测序 , 21世纪的蛋白质组技术、基因（生物）芯片技 术、 RNAi技术、干细胞研究等都具有里程碑的意义。 61 将生命科学带向一个： 由宏观到微观再到宏 观、由分析到综合的时代 。那么， 21世纪生命 科学发展趋势怎样呢？随着 “ 人类基因组