基因组学与比较基因组学.ppt

第九章 基因组学与后基因组学 基因组：生物体配子中所包含的全部染 色体及其基因，还包括细胞质基因组。 基因组学:研究生物体内基因组的分子 特征。 以整个基因组为研究对象，而不是以单 个基因为 单位作为研究对象。 主要目标： 认识基因组的结构、功能和进化； 阐明整个基因组所包含的遗传信息和相 互关系； 充分利用有效资源， 预防和治疗人类疾病。 人类基因组计划 鸟枪法序列分析技术 后基因组学研究 Contents 一、人类基因组计划的启动 1986 年诺贝尔奖获得者R.Dulbecco（ 杜尔贝科）提出人类基因组计划 测出人类全套基因组的 DNA 碱基序列 （ 3 X 109 bp ） 第一节 人类基因组计划 1975年，获诺贝尔生理医学奖 美国政府决定于 1990年正式启动 HGP，预计用 15 年时间，投入 30 亿 美元，完成 HGP。 由国立卫生研究院和能源部共同 组成“人类基因组研究所” 逐渐地，HGP 扩展为多国协作计 划。参与者包括：英、日、法、德和 中国（1993年） 二、人类基因组计划的进展状况 （1）截至 1998 年 10 月，完成 1.8 X 108bp，占计划的 6。 （2）完成一系列模式生物全基因组测定 。 这些模式生物全基因组测定的完成 有重大理论与现实意义。 （3）DNA 测序技术飞速提高 1998.5.9 J.C. Venter 等宣布，组建商 业公司，投入 3 亿美元，3 年内完成。 接着又有若干家公司成立，总共投入资金 约几十亿美元，形成 公”“私”并进 格局 2000.6 完成并公布 人类基因组工作框 架图( 90%)。 二000年六月二十六日克林顿宣布 人类基因组草图绘制完成 美国国家人类基因组研究所所长弗朗西斯柯 林斯在介绍情况。 人类基因组草图基本信息 由31.65亿bp组成 含33.5万基因 与蛋白质合成有关 的基因占2% 人类基因组人类蛋白质 61%与果蝇同源 43%与线虫同源 46%与酵母同源 2000年6月公共领域测序计划工作框架图 2000 年 12 月美、英等国科学家宣布绘出拟 南芥基因组的完整图谱，这是人类首次全部破译 出一种植物的基因序列。 2001 年2月16日 人类基因组“精细图”完成， (99%), 同时发表论文 美国 Science, Vol. 291, No. 5507 英国Nature , Vol.409, p.860 DAN测序胶图 年月日，人类基因组序列图 亦称“完成图”（99.99%），提前绘制成 功。 三、人类基因组计划的科学意义 （1）确定人类基因组中约5万个编码基因的序 列及其在基因组中的物理位置，研究基因的 产物及其功能。 （2）了解转录和剪接调控元件的结构与位置， 从整个基因组结构的宏观水平上理解基因转 录与转录后调节。 （3）从整体上了解染色体结构，包括各种重复序列 以及非转录“框架序列”的大小和组织，了解各 种不同序列在形成染色体结构、DNA复制、基因转 录及表达调控中的影响与作用。 （4）研究空间结构对基因调节的作用。有些基因 的表达调控序列与被调节基因从直线距离上看， 似乎相距甚远，但若从整个染色体的空间结构上 看则恰恰处于最佳的调节位置，因此，有必要从 三维空间的角度来研究真核基因的表达调控规律 。 （5）发现与DNA复制、重组等有关的序列。DNA的 忠实复制保障了遗传的稳定性，正常的重组提 供了变异与进化的分子基础。局部DNA的推迟复 制、异常重组等现象则导致疾病或者胚胎不能 正常发育，因此，了解与人类DNA正常复制和重 组有关的序列及其变化，将对研究人类基因组 的遗传与进化提供重要的结构上的依据。 （6）研究DNA突变、重排和染色体断裂等，了解疾病 的分子机制，包括遗传性疾病、易感性疾病、放射 性疾病甚至感染性疾病引发的分子病理学改变及其 进程，为这些疾病的诊断、预防和治疗提供理论依 据。 （7）确定人类基因组中转座子、逆转座子和病毒残余 序列，研究其周围序列的性质。了解有关病毒基因 组侵染人类基因组后的影响，可能指导人类有效地 利用病毒载体进行基因治疗。 （8）研究染色体和个体之间的多态性。这些知 识可被广泛用于基因诊断、个体识别、亲子 鉴定、组织配型、发育进化等许多医疗、司 法和人类学的研究。此外，这些遗传信息还 有助于研究人类历史进程、人类在地球上的 分布与迁移以及人类与其他物种之间的比较 。 以人类基因组和拟南芥基因组为例说明你对生 物基因组全序测定工作的科学意义与社会意义 的认识（8分） 中国科学院2002年 硕士学位研究生入学分子遗传学试题 遗传图谱转录图谱 0.7 cM 或 kb 序列图谱物理图谱 100 kb100 kb STS mapSTS map 四张图： 物理图、 转录图 遗传图 、序列图 四、HGP的主要任务 、 遗传图（连锁图） 指基因或DNA标记在染色体上的相对位置与遗传距离 。cM（基因或DAN片段在染色体交换过程中分离的频 率） 多态性：人的DNA序列上平均每几百个碱基会出 现一些变异（variation），并按照孟德尔遗传 规律由亲代传给子代，从而在不同个体间表现出 不同，因而被称为多态性（Polymorphism）。 第一代多态性标记是RFLP（restriction fragment length polymorphism，限制性片段长度多态性 ） 第二代多态性标记是短的串联重复序列 包括小卫星DNA和微卫星DNA，其多态性主要来自 重复序列拷贝数的变化 小卫星DNA由15-65bp的基本单位串联重复而成， 长度一般不超过20kb。 重复次数（小卫星DNA区的长度）在人群中是高度变 异的；按照孟德尔的规律遗传 微卫星DNA/简短串联重复（STR、STRP或SSLP） 重复单元2-8bp，通常重复10-60次 CTAGCTTATATATATATATATATATATATAAGCTTGC 真核生物基因组中的DNA重复序列主要有哪些 类型？简要说明基因组重复序列可能的生物学 意义以及基因组重复序列在分子标记研究中的 应用 （12分） 中国科学院2002年 硕士学位研究生入学分子遗传学试题 第三代多态性标记是单核苷酸的多态性 （single nucleotide polymorphism，SNP） SNP：是由于单个核苷酸改变而导致的核酸序列多态。 第一军医大学2003年分子生物学 人类999的基因密码是相同的， 而差异不到01，不同人群仅有 140万个核苷酸差异。这些差异是由 “单一核苷酸多样性”（SNP）产生 的，它构成了不同个体的遗传基础 。在整个基因组序列中，人与人之 间的变异仅为万分之一，从而说明 人类不同“种属”之间并没有本质 上的区别。 SNP与RFLP和STR标记的主要不同之处在于，它 不再以DNA片段的长度变化作为检测手段，而直接 以序列变异作为标记。 2、物理图 以已知核苷酸序列的DNA片段（序列标签位点 ，sequence-tagged site,STS）为“路标”， 以碱基对作为基本测量单位（图距）的基因组 图。 3、转录图 以EST（expressed sequence tag ，表达序 列标签）为标记，根据转录顺序的位置和距 离绘制的图谱。 ESTEST：通过从：通过从cDNAcDNA文库中随机挑选的克隆进行测序文库中随机挑选的克隆进行测序 所获得的部分所获得的部分cDNAcDNA的的55或或33端序列称为表达序列端序列称为表达序列 标签（标签（ESTEST），一般长），一般长300-500bp300-500bp左右。左右。 4、序列图（分子水平的物理图） 序列图是指整个人类基因组的核苷酸序列图，也 是最详尽的物理图。1m 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。 人类基因组的序列图 是指测出30亿 个碱基对的序 列，并在基因 图谱上表示出 来。 这是人类基因 组计划最繁重 、耗时最多的 工作。 2000年6月公共领域测序计划工作框架图 第二节 的鸟枪法序列分析技术 一、基因组DNA大片段文库的构建 人工染色体含有三种必需成分：着丝粒、端粒 和复制起点。 YAC（酵母人工染色体）载体 BAC（细菌人工染色体）载体 用“染色体建造“法用F质粒及其调控基因构建细菌载体， 克隆大片段DNA。该质粒主要包括oriS， repE（控制F质 粒复制）和parA、 parB（控制拷贝数）等成分。 第二节 的鸟枪法序列分析技术 二、二、 的鸟枪法测序原理 1999 1999 年年 12 12 月用月用“ “逐个克隆法逐个克隆法 ” ”获得第一条人类获得第一条人类 染色体染色体 2222号染号染 色体完成序列色体完成序列 2000 2000 年年3 3 月月 用用“ “全基因组鸟全基因组鸟 枪法枪法” ”获得果蝇获得果蝇 全基因组序列全基因组序列 。 三、DNA的鸟枪法测序的主要步骤 第一，建立高度随机、插入片段大小为2kb左右的基因组 文库。克隆数要达到一定数量，即经末端测序的克隆片段 的碱基总数应达到基因组5倍以上。 第二，高效、大规模的末端测序。对文库中每一个克隆， 进行两端测序，TIGR在完成流感嗜血杆菌的基因组时，使 用了14台测序仪，用三个月时间完成了必需的28,463个测 序反应，测序总长度达6倍基因组。 第三，序列集合。TIGR发展了新的软件，修改了序列集合 规则以最大限度地排除错误的连锁匹配。 第四，填补缺口。有两种待填补的缺口，一是没有相应模 板DNA的物理缺口，二是有模板DNA但未测序的序列缺口。 他们建立了插入片段为15-20kb的文库以备缺口填补。 Shotgun法序列拼接 Sequence GapSequence Gap 四、四、的鸟枪法测序的优缺点 优点：速度快优点：速度快 缺点：缺点： 随着所测基因组总量增大，所需测序的片段大量 增加 高等真核生物（如人类）基因组中有大量重复序列 ，导致判断失误 2003年4月14日，人类基因组序列图绘制成功 ，但对于90%以上的人类基因尚不了解其功能。 后基因组学研究基因组的基因功能，基因之间 的相互关系和调控机制的学科。 目前已衍生出了许多新兴学科： 1）比较基因组学； 2）功能基因组学； 3）蛋白质组学； 4）疾病基因组学； 5）药物基因组学； 6）生物信息学 第三节 后基因组学 一、比较基因组学(Comparative Genomics) 对同一物种不同个体以及不同物种的基因组 进行比较,分析基因的大小、数量,基因排列 顺序,编码序列与非编码序列的特征以及物种 进化关系等的学科。不仅可以揭示生命的起 源、进化等重大生物学问题，还具有潜在的 实用价值。如通过细菌和人类的基因组比较 研究，有可能筛选出只在细菌中存在的基因 ，成为新的抗菌素的药靶。 物种完成 年份 总长度 /Mp 已完成总长 的百分数/% 占常染色质 百分数/Mb 基因数 /Mb 酵母19961293100483 线虫19989699100197 果蝇20001166497117 拟南芥200011592100221 人类第21染色体200034751007 人类第22染色体199934709716 人类全基因组 (Public Sequence) 20012693849012 人类全基因组 (Celera Sequence) 200126548399-9315 基本完成基本完成DNADNA序列分析的真核生物基因组比较序列分析的真核生物基因组比较 二、功能基因组学研究 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的功能。 范畴：高通量基因的识别与基因功能的鉴 定；蛋白质组学（包括细胞器蛋白质组学 和诱导条件下的蛋白质组学）；合成性染 色体；微基因工程小鼠（遗传分辨）； 生殖基因组学，等等 （1）DNA芯片技术： 面积不大的基片（氧化硅、玻璃或尼龙等材料制 成）表面分成不同小格有序的点阵排列核苷酸 分子（不同基因、cDNA的DNA片段或寡核苷酸） 将待分析的核苷酸分子标记变性成单链，与芯 片上的核苷酸分子杂交洗掉芯片上序列不同的 核苷酸分子利用高精度的激光扫描仪记录已杂 交分子的荧光信号计算机分析。 3. 基因功能的研究方法 （2）基因转导技术：导入细胞，观察功能。该方 法用的最多，技术最成熟。 （3）基因敲除技术（gene knockout) 又称基因打靶（gene targeting）。这种技 术是通过基因工程的方法将一个结构已知但功能 未知的基因去除，或用其他序列相近的基因取代 （又称基因敲入），然后从整体观察实验动物， 从而推测相应基因的功能。这种人为地把实验动 物某一种有功能的基因完全缺失的技术称为基因 敲除技术。 功能基因组学延伸 核心问题核心问题 基因组多样性基因组多样性 遗传疾病产生的起因遗传疾病产生的起因 基因的表达调控的协调作用以及蛋白基因的表达调控的协调作用以及蛋白 质产物的功能质产物的功能 功能基因组学延伸 模式生物体：在研究功能基因组学模式生物体：在研究功能基因组学 中将起到重要的工具作用中将起到重要的工具作用 HGPHGP及其延伸内容决定性的成功取及其延伸内容决定性的成功取 决于：决于： 生物信息学生物信息学 计算机生物学的发展和应用计算机生物学的发展和应用 主要体现在：主要体现在： 数据库对数据的储存能力数据库对数据的储存能力 分析工具的开发分析工具的开发 三、蛋白质组学 蛋白质组：一个基因组所表达的全部蛋白质 。 蛋白质组学：在蛋白质水平研究基因组的基 因表达，分析基因组的蛋白质类型、空间结构变 异以及相互作用的机制。是功能基因组学的一个 重要方面。 双相电泳技术：第一相是以蛋白质的电荷差异为 基础进行分离的等电聚焦，第二相是以蛋白质分 子量差异为基础的SDS-PAGE。 人角化细胞的2D电泳蛋白质图谱，经S35放 射自显影显示，可以分辨出100种以上的蛋白 质。 四、基因组信息学 基因组数据库（包括蛋白质组和代谢物 组数据库） 基因组中