基因组学与医学

基因组学与医学基因组学与医学 GENOMICS AND MEDICINE 第一节 基因组学概念及研究范畴 （ The Concept and Research Categories of Genomics） 基因组 基因组学 人类基因组计划 一、基因组学概念 1基因组 (genome)： 泛指一个细胞或一个生物体 的全部遗传信息。在真核生物，基因组是指一套（ 单倍体）染色体 DNA。 1基因组学 (genomics)：从基因组水平（分子整 体水平）研究遗传的学科。主要是发展和应用 DNA制图、测序新技术及计算机程序，分析生命 体全部基因组的结构及功能。 1人类基因组计划（ human genome project, HGP）：一项多国合作的国际研究计划，旨在 阐明人类基因组 DNA 3109bp的序列，发掘所 有人类基因，确定其在染色体上的位置，从而 破译人类的全部遗传信息。 HGP还对包括大肠 杆菌、酵母、线虫、果蝇、拟南芥和小鼠等在 内的一系列模式生物体基因组的测序。 结构基因组学 （ structural genomics） ：通 过基因作图、核苷酸序列分析确定基因组成、基 因定位的科学。 功能基因组学 （ functional genomics）： 利 用结构基因组学提供的信息，进行基因和非基因 序列功能的研究。 比较基因组学（ comparative genomics）： 比较不同生物间基因和基因组结构的差异，以增 进对基因功能的了解、阐明物种进化关系。 二、基因组学的主要研究内容 三、基因组学主要研究技术 生物信息学 （ bioinformatics） 生物芯片（ DNA芯片、蛋白质或肽芯片等 二维蛋白质凝胶电泳（ 2-DGE） 飞行质谱 用数理和信息科学的观点、理论和方法研究生命现 象，组织和分析现今呈指数增长的生物学数据的一 门科学。该技术主要由数据库、计算机网络和应用 软件组成。 第二节 结构基因组学 （ Structural Genomics） 物理制图 遗传制图 基因组 DNA序列测定 创建计算机分析管理系统 一、人类基因组作图 1、遗传图 (genetic mapping)/连锁图 (linkage map) 距离单位：厘摩 (cM)， 1cM表示每次减数分裂的 重组频率为 1 通过计算连锁的遗传标志之间的重组频率，确 定连锁标志在染色体上的线性排列顺序及其相 对遗传距离 第一代 DNA多态性标志： 限制性片段长度多态性 （ RFLPs） 、 随机引物扩增多态性 (RAPD) 、扩增片段长度多态性 (AFLP) 第二代 DNA标志： 可变数目串联重复序列（ VNTRs；又称小卫星）、短串联 重复序列（ STRs；又称微卫星 , MS） 第三代 DNA标志： 单核苷酸多态性 (SNP) 2、物理作图（ physical mapping）： 确定遗传标志间的物理距离，一般用 bp/kb/Mb表示。 1cM的遗传距离大致上相当于 1Mb的物理距离。 （ 1） 荧光原位杂交图（ FISH map） （ 2） 限制性酶切图 （ restriction map） ： 选用合适的限制性核酸内切酶对基因组 DNA或部分基因组 DNA进 行酶切，获得以酶切位点为标记的物理图。 （ 3）辐射杂交细胞图（ RH map） （ 4）连续克隆系（ clone contig）图：是 最重要 的一种。 序列标签位点 (sequence tagged sites, STSs): 在染色体上定位 明确，而且可用 PCR扩增的单拷贝序列，通常为 200-500bp。 1. 基于 BAC连续克隆系的测序 2. 全基因组的 “鸟枪法 ”（ shotgun）测序 3. cDNA测序 二、大规模测定基因组 DNA序列 (Large Scale DNA Sequencing) 三、 DNA序列的生物信息学分析 （ Bioinformatics Analysis of DNA Sequences） 第二节 功能基因组学（ Functional Genomics） 鉴定（注释）基因 分析基因功能 鉴定基因变异 描述基因表达模式 生物信息学 1. 概念： 利用结构基因组学提供的信息，以高通量 ，大规模实验方法及统计与计算机分析为特征，全 面系统地分析全部基因及其编码蛋白的功能。包括 ：生物学功能、细胞学功能、发育学功能等。 一、概念及特点 二、研究内容 1、鉴定 DNA序列中的基因。 2、确定基因功能。 （ 1）利用同源搜索分析基因功能。 （ 2）实验分析基因功能。 转录组 (transcriptome)：指一个细胞内的一套 mRNA转录物，包含了在某一环境条件、某一生命阶 段、某一生理或病理（功能）状态下，生命体的细胞 或组织所表达的基因种类和水平。 蛋白质组 (proteome):指一个细胞内的全套蛋白质， 反映了特殊阶段、环境、状态下细胞或组织在翻译水 平的蛋白质表达谱。 3、描述基因表达模式：基因表达的时空性 4、基因产物的结构与功能预测 5、人类基因组序列变异性 6、生物信息学 第三节 比较基因组学 (Comparative Genomics) 比较基因组学涉及比较不同物种的整个基 因组，以便深入理解每个基因组的功能和进化 关系。 第四节 基因组学与医学 (Genomics and Medicine) 筛选疾病相关基因 基因检测 药物设计 基因治疗 一、 “基因病 ” ( Gene Disease)的概念 1、单基因病：是指某种疾病的发生主要由一对等位 基因的一个或两个基因位点存在缺陷而引起，其 遗传方式遵循孟德尔遗传规律。 2、多基因病：这类疾病发病的基因机制理十分复杂 ，涉及一个以上的等位基因以及基因与环境因素 的相互作用，又称为多因子疾病。 3、获得性基因病：这类疾病由病原微生物感染引起 ，不符合孟德尔遗传规律。 二、疾病相关基因的鉴定 1、 SNPs筛选 2、染色体制图定位及疾病相关基因克隆 3、疾病相关基因表达谱筛选及疾病相关基 因网络的确定 三、基因检测 (Gene Testing) 基因检测：适应分子医学发展需要产生的一种新 型的个体基因异常检测手段，直接检测 DNA。 1、法医鉴定 2、遗传病诊断：携带者；疾病风险预测； 产前诊断和新生儿筛查 3、感染病诊断 4、基因治疗 四、药物靶标和药物设计 五、环境与疾病 常见的药物靶标是细胞特定信号传导通路中的功 能生物分子，如 G蛋白偶联受体家族分子、蛋白 酶、蛋白激酶、磷酸酶等。 分泌型激素、生长因子、化学激酶、可溶性受体 和诱饵既可作为药物，又可作为药物靶标。 根据基因的特性为某个群体或个人设计药物。 第一节 概 述 人体细胞的核型（ Spectral Karyotype) 一、基因组及其组织结构 1“基因组 (genome)”一词是 1920年 Winkles从 GENes和 chromosOMEs组成的。 泛指一个细胞或 一个生物体的全部遗传信息。在真核生物，基因组是 指一套（单倍体）染色体 DNA。 人 类 基 因 组 1人类基因组是指人的 24条染色体 (22条常染色体 2条性染色体 )内的全部 DNA和线粒体 DNA，其中蕴 藏的信息决定了人类个体发育、生殖、生长、疾病、 衰老、死亡等所有生命现象。 真核生物基因组的特点 1. 基因组含有更大的 DNA分子，以 染色体 形式储存 于细胞核内，体细胞内的基因是双份的。 2. 基因组 结构复杂 ，有 多个复制原点 ，但每个复制 子的长度较小。 3. 基因是 不连续 的。 4. 转录单位一般是 单顺反子 。即一个基因一种 mRNA一种蛋白质，但蛋白质的最终产物可因剪接 方式的不同而有差异（如 Bcl-x： Bcl-x1； Bcl-xs ） 5. 存在 重复序列 高度重复序列 （ 105次） （ 1）卫星 DNA(satellite)： +小卫星 DNA(可变数目串联重复序列， VNTRs) ： 重复 长度 5-50bp，重复次数可变，有高度特异性。 +微卫星 DNA(MS；又称简单串联重复序列， STRs)： 重 复长度 1-4bp，主要为二核苷酸重复序列如（ CA） n，存 在个体间的高度变化，是 DNA指纹的形成基础。 （ 2）倒位（反向）重复序列 （ 3）较复杂的重复单位组成的重复顺序 +rRNA基因： 重复数百次，可用作遗传标志。 +tRNA基因 +组蛋白基因 +Alu家族： 有 3万个成员，平均每 6kb就有一个，长度约 300bp，因在 170bp处有一 Alu 位点 （ AG/CT）而得名。 具 有种的特异性。 +Kpn 家族： 人和灵长类 DNA经 Kpn 酶解后，产生 4个片 段 (1.2, 1.5, 1.8, 1.9kb)，被命名为 Kpn 家族。人类基因组中 Kpn 序列约在 3-6% ，散在分布。 中度重复序列 （ 105次） 重复片段长 100-几千 bp，编码细胞需要量大的分子 单一序列 单 拷 贝 ，在基因 组 中占 50-80，人基因 组 中 约 有 60-65的 单 一序列。 G 多基因家族（ multigene family）： 亦称基因家族，是 指一组具有 类似功能 ，核苷酸序列又有同源性的基因。 G 超基因家族（ supergene family）： 由多基因家族及单 基因组成的更大的基因家族。成员间有不同程度的同源 ，但 功能并不相似 。如 Ig超家族。 （ 3）基因家族 6. 基因类型多样 （ 1）断裂基因 /不连续基因 （ 2）非剪接基因 /连续基因 （ 4）假基因： 在多基因家族中，不产生有功能 产物的基因。即序列与有功能的基因相似，但或 者不能转录，或者转录后生 成无功能的基因产物 。用 表示。 假基因往往缺少正常基因的内含子 ，两 侧 有 顺 向重复序列。 （ 5）基因重叠 8. DNA序列组织的可变性（基因组不稳定性） (1) 基因重排 (2) 跳动（跃）基因（转座子）： 可在 DNA分子间进行 转移的 DNA片段。通常只是把一个新合成的复本插入到 另外的位置上，转移后仍保留原来位置上的 DNA序列。 7、自私 DNA(selfish DNA)： 指非编码序列，包括分 散的高度、中度重复序列，内含子和间隔序列等。有些自 私 DNA通过转录 mRNA，生成 cDNA，再转位插入到基因 组，有人称之为 寄生 DNA(parasite DNA)。 B但自私 DNA并非毫无功能，可参与基因表达调控等。 4人类基因组计划是由美国科学家于 1985年率先提出 、 于 1990年正式启动 的。旨在为 30多亿个碱基对构成的 人类基因组精确测序，发现所有人类基因并搞清其在 染色体上的位置，破译人类全部遗传信息 。 4美国、英国、法国、德国、日本和中国 科学家共同参 与了这一价值达 30亿美元的研究计划。 1、人类基因组计划 (HGP) 及基因组学概念的提出 二、基因组学 20世纪科学史上三 个里程碑 :曼哈顿原 子弹计划、人类登月 计划、人类基因组计 划 (HGP) 2、 HGP的主要任务 1990年 NIH和能源部 (DOE) 制定 了第一个五年计划 (19911995) 1993年修改制定了 19941998年 的目标策略 . 1998年底，出台了 1998 2003 年第二个五年计划。 基因组学： 以分子生物学技术、计算机技术和信息 网络技术为研究手段，以生物体内全部基因为研究 对象，在全基因背景下和整体水平上探索生命活动 的内在规律及其内外环境影响机制的科学。 1.根据研究的重点分类：结构基因组学、功能基因 组学、比较基因组学。 2.根据研究对象分类：肿瘤基因组学、植物基因组 学、药物基因组学、环境基因组学等。 3、基因组学 (genomics)概念及分类 4、基因组学研究的常用方法 (1) 脉冲场凝胶电泳（ PFGE） (2) 毛细管电泳 (3) 基因芯片技术 (4) 全基因组测序 (5) 生物信息学 (6) 双向电泳 (7) 质谱 一、概念和目的 以全基因组测序为目标的基因结构研究， 弄清基因组中全部基因的位置和结构，为基因 功能的研究奠定基础。其目的是建立高分辨的 遗传图谱、物理图谱和序列图谱 。 第二节 结构基因组学 （ structural genomics） 遗传信息在染色体上，但染色体不能直接用 来测序，必须将基因组这一巨大的研究对象 进行分解，使之成为较易操作的小的结构区 域，这个过程就是 基因作图 。 根据使用的标志和手段不同，有 4种作图类 型：遗传图谱、物理图谱、序列图谱、基因 图谱。 二、基因组作图 敲碎基因组，敲碎基因组， 分析目的片段分析目的片段 所处的染色体所处的染色体 位置位置 1、遗传图谱 (genetic map) /连锁图谱 (linkage map) 指基因或 DNA标志在染色体上的相对位置与遗传距离 。它以具有多态性的遗传标记为 “路标 ”，以重组频率为 图距的基因组图。 遗传图谱的建立为基因识别和完成基 因定位创造了条件。 遗传多态性：在一个遗传位点上具有一个以上的等 位基因，在群体中的出现频率皆高于 1% 遗传标记：等位基因、 RFLP、 MS、 SNP等 遗传距离：在减数分裂事件中两个位点之间进行交 换、重组的百分率， 1%的重组率称为 1“厘摩 (centi- Morgan， cM) ” 限制性片段长度多态 性 （ restriction fragment length polymorphisms, RFLPs） ：用一种或 几种限制性内切酶切 割基因组 DNA，用探针 杂交并放射自显影。 由于 DNA酶切位点的变 异所造成的 “能切 ”与 “ 不能切 ”两种状况，可 产生不同长度的片段 ( 等位片段 ),可用凝胶 电泳显示多态性。 数量可变串 联重复 (VNTR) /小卫 星 短串联重复 (STR)/微卫星 (MS):使遗传 图的精度提高 ; 可作为物理图 谱的标志，促 进了遗传图谱 与物理图谱的 整合。 单核苷酸多态性 (Single Nucleotide Polymorphisms， SNPs) 不同个体间在基因水平上的单核苷酸变异。平均 每 500 1000bp出现一个碱基差异 ,如果一个碱基 位置发生的变异在 1%以上的人群中存在，这个位 点就被定义为 SNP位点。位于编码区的 SNP称为 cSNP。 2个无关个体间有 300万 SNPs. 单核苷酸多态标记（ SNP） 2、物理图谱 指 DNA序列上各遗传标志间的实际距离，是把遗传 图谱中克隆群上的 DNA片段按实际的物理位置进行排序 所构建的图谱。距离单位为 bp/kb/Mb。 物理图谱 反映的是 DNA序列上两点之间的实际距离， 而 遗传图谱 则反映这两点之间的连锁关系。 在 DNA交换频繁的区域，两个 物理位置 相距很近的基 因或 DNA片段可能具有较大的 遗传距离 ，反之亦然。 染色体显带技术： 通过各种染色法，以染色体上显示的深浅不同的带型确定 DNA序列分布和位置，可区分 107bp范围。 细胞遗传学图 :用于对以 104kb为长度量级的区域制图 FISH（荧光原位杂交 )技术 荧光原位杂交图（ fluorescent in situ hybridization map， FISH map） ：用不同波长荧 光标记的各种 DNA序列（探针 ），与染色体上的互补序列杂 交而不破坏染色体的整体形态 ，显微镜下观察、辨认荧光标 记在染色体上的定位并绘制图 谱。 限制性图谱 (restriction map): 用于对小区域 ,如 kb量级做精细结构制图 2 限制性酶切图：选用合适的限制性核酸内切酶对基因 组 DNA或部分基因组 DNA进行酶切，获得以酶切位 点为标记的物理图。 辐射杂交图： 对片段 DNA的断点作图。 辐射杂交细胞图（ radiation hybrid map， RH）：利用 X射 线照射人细胞，使染色体随机 断裂，然后与啮齿动物细胞杂 交克隆，人的染色体片段便被 整合到啮齿动物染色体上。两 个相邻基因或 DNA标志的距离 越近，越可能出现在同一片段 ，进入同一杂交细胞。通过识 别、定位技术和统计学分析， 可计算人 DNA标志的连锁关系 及其在染色体上的排列。 Huds on TJ等构建的相隔 199kb含有 15086个 STS图谱 标志着人类基因组计划的物理图谱已初步完成。 2序列标签位点 (sequence tagged sites, STSs): 在染 色体上定位明确，而且可用 PCR扩增的单拷贝序列， 通常为 200-500bp。 3、序列图谱 以某一染色体上所含的全部碱基顺序绘制的图谱。既 包括可转录序列，也包括非转录序列，是转录序列、调节 序列和功能未知序列的总和。 连续克隆系逐个克隆法 （ 公共领域测序计划） （ 1）建立插入人类基因组片段的酵母人工染色体（ YAC） 克隆群 。 （ 2）利用高频分布、易于检索的 DNA标志或者 DNA指 纹图谱建立克隆之间的联系，组成有序排列的 连续克隆 系 ，最常使用的 DNA标志有 STS和表达的序列标签（ expressed sequence tag， EST）。 （ 3）将克隆群 定位 于染色体的不同区域，构成完全基 因组 物理图谱 。 （ 4）进行 次级克隆 ， 序列分析 。 用机械方法打断 DNA，建立插入片段约 2kb 的高度 随机基因组文库 。 高效、大规模的两 末端测序 。 用有关软件对测序克隆片段进行 序列集合 。 用适当方法 填补缺口 。 全基因组鸟枪法（美国 Celera公司） 直接将基因组分解成小片段随机测序，利用超级计 算机进行组装 Genes： Annotation of the genome sequence has identified over 30,000 genes, plus many other features such as repeat sequences and CpG islands. 4、基因图谱 基因图谱是在识别基因组所包含的蛋白质编码序 列的基础上绘制的结合有关基因序列、位置及表达 模式等信息的图谱。最主要的方法是通过基因的表 达产物 mRNA反追到染色体的位置。 mRNA 3 ESTs5 ESTs EST lengths vary due to varying polymerase activity Expressed Sequence Tags (EST) 对基因转录表达产物 mRNA互补的 cDNA（其片段称为表 达序列标签， EST）进行大规模测序是序列标签位点的主 要来源，并以此构建人类基因组转录图（基因图）。 2000年是基因组之年。 2000年 6月 26日由美国 总统克林顿与英国首相布莱尔联合宣布提前完 成了人类基因组的工作框架图，这一天也因此 成为人类历史上 “值得载入史册的一天 ”。 人类基因组草图初步结论 全部人类基因组约有 2.91Gbp 基因 数量约 3-4万 (26383- 39114)。目前已定位了 2.6万 多个基因，但其中尚有 42%的功能不明。 人类基因组中存在 “热点 ”和大片 “荒漠 ”。编码序列约 占 3%， 非编码序列约占 97%。 35.3%的基因组包含 重复 的序列。 人与人之间 99.99%的基因密码 是 相同 的。 仅 1%-1.5%的人类基因带有 制造蛋白质 的指令 大约有 223个基因可能是人类的脊椎动物祖先生存时由 细菌插入的顺序。 男性的基因突变率是女性的两倍，而且大部分人类遗传 疾病是在 Y染色体上进行的。 一 . 概念： 利用结构基因组学提供的信息，以 高通 量，大规模 实验方法及统计与 计算机分析 为特征， 全面系统地分析全部基因及其编码蛋白的功能。包 括：生物学功能、细胞学功能、发育学功能等。 第三节 功能基因组学 （ functional genomics） 前基因组时代 的 “钓鱼 ”和后 基因组时代的 “捞鱼 ” 研究内容： 基因组表达及其调控 基因组序列变异性 模式生物研究 生物信息学 人类功能基因组人类功能基因组 计算机科学家计算机科学家 生物化学家生物化学家 细胞生物学家细胞生物学家 结构生物学家结构生物学家 生理学家生理学家 遗传学家遗传学家 临床和病理学家临床和病理学家 从基因组信息与外界环境相互作用的高度，阐明基因组的功能。 人类 基因信息 的识别和鉴定。 基因功能 的识别和鉴定。 在全细胞的水平，识别所有 基因组表达产物 ： mRNA： cDNA 阵列 蛋白质：二维电泳质谱 研究 生物大分子相互作用 ： 阐明基因组表达的时、空的整体调控网络。 功能蛋白质组学： 高通量解析蛋白质的高级结构，是连接基因组功能研 究和新药开发的桥梁。 （一）基因的表达及其调控 二、研究内容： 计算机全基因组扫描，寻找 ORF，确定多肽链序列。 1、鉴定 DNA序列中的基因 2可译框（开放阅读框 open reading frames, ORF）：人类基因组序列中所有可能编码蛋白 质的基因。含有翻译的 起始密码 子、外显子及 内含子 剪接信号 、翻译 终止信号 和 3poly(A)加 尾信号 。 2孤儿基因 ： ORF中尚不完全了解的基因框架 . 2、基因功能的识别与鉴定 同源搜索： 将 ORFs预测的 基因序列 与数据库中基因序 列资料进行 比较 ，鉴定预测基因与已知（其他生物）基 因序列的匹配程度，推测预测基因的某些功能。 根据该基因预测编码蛋白质的 氨基酸序列 ，分析其功 能结构域及可能的空间结构，再结合染色体定位，研究 与同样定位在该染色体区带上的遗传性状或疾病的联系 ，确定其功能。 在 实验动物 中寻找它的同源基因，进行基因 “敲除 ”， 观察实验动物的生物学改变，以了解该基因的功能。 设计实验阻断基因表达，观察 细胞和整体 所发生的表 型变化。 （ 3） RNA干扰技术（ RNAi）： 将一段 dsRNA导入机体或细胞后，与它有同源序 列的基因的表达被干扰或抑制。 （ 4）转基因动物技术 （ 5）基因敲出和基因敲入技术 （ 2）反义核酸技术 （ 1）基因转导技术 （ 6）反向遗传学： 在已知基因序列的基础上研究基因的 生物学规律。通过 功能丧失突变体 研究其表型效应。 +传统遗传学（正向遗传学）主要研究自发或诱发突变 体中某一性状的遗传行为，如控制突变性状的基因数 目及其在染色体上的位置、突变性状在后代中的传递 规律等。 +反向遗传学筛选到的突变体有时无突变表型效应：突 变表型效应需在特定环境中才表现；基因家族中其他 基因功能的代偿。 （ 1）转录组 (transcriptome)与转录图谱 转录图谱：细胞在某一环境条件、生命阶段、生理或 病理（功能）状态下的所有 mRNA转录物，代表了特定 时空生命体细胞或组织所表达的基因种类和水平。 技术：用已定位的 YAC或 BAC DNA为探针，与所有 可能相关的各组织 cDNA文库 杂交 ，寻找其同源克隆并 做进一步分析。 3、描述基因表达模式 基因表达模式 (gene expression patterns)/基因表达 谱 (gene expression profiles)： 在细胞水平上全面评 价基因的表达情况。 基因芯片示意 蛋白质组学 （ Proteomics）： 研究细胞或组织基因表达的全部蛋白质（表达蛋 白质组学， Expression proteomics） 通过细胞内蛋白质复合物研究蛋白质与蛋白质的 相互作用（细胞作图蛋白质组学， Cell-map proteomics） （ 2）蛋白质组 (proteome)与蛋白质图谱 主要蛋白质分离和鉴定技术： 双向聚丙烯酰胺凝胶电泳（ 2D-PAGE）。 激光解吸质谱、电喷雾质谱：高效、精确地测 量生物大分子的质量并进行部分测序。 “肽质指纹图谱与肽序列标签 ” 技术：利用质谱 快速、准确、自动化、大规模地鉴定蛋白质。 蛋白质 2D电泳分析 蛋白质 2D电泳分析 高通量的蛋白质三维结构分析，为蛋白质 的功能研究和药物设计提供基础 4、 基因产物结构与功能预测 现代人群的不均一性 传统人群和民族的划分 体质学特征 语言 文化历史背景 其他特征 问题：现代人群的起源？人群间的相互关系？人 群间差别的生物医学意义和遗传学基础？ （二）人类基因组序列变异性及 人类基因组多样性计划 人类基因组多样性计划 人类基因组多样性计划主要研究人类 分子多态 性和表型多样性 的变化规律及不同群体和个体 之间疾病易感性和抗性的差异原因。从分子水 平探索生物起源、进化的规律性。 FRLP、微卫星、 SNP等分子多态是人类基因组 多样性的遗传基础并与人类进化有密切联系。 线粒体 DNA(mtDNA)在不同地区人群中具有一定 的差异，人类的进化和亲缘关系与 mtDNA密切 相关，其研究结果支持人类起源于非洲祖先的 结论。 DNA多态性 序列多态性 (SNPs 单碱基多态性 ) 同源染色体 5-GGTTTACACCTAA- 同源染色体 5-GTTTTAAACCGAA- 长度多态性 (VNTR - 可变的串联重复顺序 ) 同源染色体 5-AATCAATCAATC- 同源染色体 5-AATCAATCAATCAATCAATC- 1985年 Jeffreys 应用 RFLP进行亲 子鉴定 ,创建 DNA 指纹分析方法 人类遗传多态性的意义 与性状相关； 与疾病相关，可用于预测发病风险； 个体医学发展的基础； 可作为遗传标志，用于疾病连锁诊断； 作为个人身份识别标识用于法医学。 （三）生物信息学 （ Bioinformatics） 生物信息学 （ bioinformatics） ：用数理和信息科学的 观点、理论和方法研究生命现象，组织和分析现今呈指数 增长的生物学数据的一门科学。该技术主要由数据库、计 算机网络和应用软件组成。 摩尔定律 对人类基因组计划的生物信息量必须借助生物 信息学才能进行采集、管理、保存 、检索、 处理、利用、服务、应用、开发。 三大数据库： EMBL(欧洲分子生物学实验室 )、 GenBank(美国国家生物情报中心， NCBI)、 DDBJ(日 本核酸数据库 )。 大大提高了实验数据的处理速度并将改变传统 实验科学的运作方式，使人类基因组计划和后 基因组计划的进程大大加快。 通过对进化不同阶段的生物体基因组 序列的 比较 ，发现基因组结构组成和功 能调节的规律 利用酵母、线虫、果蝇、斑马鱼、 小鼠等模式生物体进行基因的剔除 或 转基因 的研究，从而在整体 水平认识基因的功能。 对 模式生物和病原生物 等进行全基因组 序列分析。迄今至少已有 5种真核生物， 38种微生物完成全基因组序列分析 第四节 比较基因组学 （ comparative genomics） 大肠杆菌 酵母 线虫 果蝇 小鼠 发现新的致病基因 发展一些复杂疾病的 早期基因诊断 方法 疾病易感基因的识别 及对风险人群进行生活方式 、环境因子的干预 人类基因组多样性与 个体化医学 遗传多态性在 身份识别 方面的应用 通过 基因治疗 解决传统方法无法解决的疑难杂症 第五节 基因组学对医学的影响 基因工程药物 诊断和研究试剂 产业：基因和抗体试剂盒、生 物芯片、疾病和筛药模型 筛选新药和药物的靶点 ，分析药理过程 进行 药物设计 ，对基因蛋白产物的高级结构分 析、预测、模拟药物作用 “口袋 ” 个体化药物治疗 ：药物基因组学 胚胎和成年期干细胞、克隆技术、 器官再造 囊性纤维病变 糖尿病 AIDS 遗传决定 环境决定 内在因素（主要是遗传因素） 外在因素（环境因素） 外在因素 +内在因素 人类的疾病原因人类的疾病原因 疾病疾病 基因基因 环境环境 这就是遗传！ 我爸爸给你爸爸开过同样的药！ 除外伤外，所有的疾病， 都可以说是基因病 “基因病 ”概念： 基因相关论：所有疾病都与人类基因有关 基因修饰论：所有药物都是通过修饰基因本 身结构、改变基因的表达调控、影响基因产 物的功能而起作用的 基因的多态性 一、 “基因病 ” ( Gene Disease) 单基因遗传病和复杂疾病 1、单基因病：是指某种疾病的发生主要由一对等位 基因的一个或两个基因位点存在缺陷而引起，其遗 传方式遵循孟德尔遗传规律。 我国有丰富的疾病资源，特别是一些我国特有的单 基因遗传病家系，可提供良好的基础发现新的致病 基因 . 多基因疾病：主效基因微效基因环境 心血管疾病、肿瘤、糖尿病、神经精神类疾病（ 老年性痴呆、精神分裂症）、自身免疫性疾病， 是目前疾病基因研究的重点。 由于基因的变异，环境和生活习惯等因素的共同 影响，使得每个人对不同的疾病的易感性不同。 “肿瘤基因组解剖计划 “ “环境基因组学计划 “ 2、多基因病：这类疾病发病的基因机制理十分复杂 ，涉及一个以上的等位基因以及基因与环境因素的 相互作用，又称为多因子疾病。 3、获得性基因病：这类疾病由病原微生物 感 染 引起，不符合孟德尔遗传规律。 细菌病 . 病毒病 寄生虫病 螺旋体 支原体 衣原体 二、疾病相关基因的鉴定 4、分子表型克隆： SNPs等 筛选致病基因 1、 定位克隆：染色体制图克隆致病基因 2、候选克隆： 差异基因表达谱等筛选候选 致病基因，确定疾病相关基因网络 3、定位候选克隆：电脑分析定位中的候选 基因 S 功能克隆：分析功能蛋白 1. 定位克隆及定位候选克隆 “定位克隆 ”和 “定位候选克隆 “发现亨廷顿舞蹈 病、遗传性结肠癌和乳腺癌等一大批单基因遗 传病致病基因 通过定位克隆技术寻找疾病基因的过程 定位候选克隆 三、基因检测 (Gene Testing) 基因检测：适应分子医学发展需要产生的一种新 型的个体基因异常检测手段，直接检测 DNA。 1、法医鉴定 2、遗传病早期检测：携带者；风险预测 3、感染疾病检测 4、肿瘤的诊断和预测 5、产前诊断和新生儿筛查 细胞核 DNA 转录 翻译 mRNA 蛋白质 血清学诊断 基 因 诊 断 生化学诊断 临床学诊断临 床 表 现 在遗传性疾病和产前诊断中的应用 血红蛋白病 杜氏肌营养不良症 苯丙酮尿症 脆性 X综合症 Sequence variation and disease Substitution of a C by a T in this gene sequence (the SH2D1A gene on the X chromosome) causes uncontrolled proliferation of immune B and T cells in response to an Epstein-Barr virus infection. Variations in genes can also cause individuals to respond differently to the environment, medicines, allergens, chemicals and toxins. 序列测定检测基因病 在感染性疾病诊断中的应用 病毒 细菌 螺旋体 支原体 衣原体 寄生虫 在肿瘤学及肿瘤诊断中的应用 肿瘤染色体易位及融合基因的检测 癌基因与抗癌基因的检测 肿瘤相关病毒的检测 肿瘤细胞多药耐药基因的检测 微卫星不稳定性的检测 端粒酶活性的检测 基因芯片检测 脑肿瘤 乳癌 淋巴瘤 前列腺癌 白血病 肝癌 DNA指纹用于罪犯识别 DNA