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基因组学基本知识 一 基因组学概述二 人类基因组计划三 基因组学的研究内容四 基因组学的应用五 基因组学的研究方法 一 基因组学概述 基因组学 Genomics 1986年提出 指对生物体所有基因进行基因组作图 核苷酸序列分析 基因定位和基因功能分析的一门科学 基因组 Genome 生物体配子中所包含的全部染色体及其基因 包括细胞质基因组 为物种全部遗传信息的总和 也指某一生物的所有DNA 物种遗传信息的 总词典 控制发育的 总程序 生物进化历史的 总档案 基因组学研究的最终目标 获得生物体全部基因组序列鉴定所有基因的功能明确基因之间的相互作用关系阐明基因组的进化规律 CREDIT JOESUTLIFF Science Vol291 1221 FishinginaMoreEffectiveWay 钓鱼 竭泽而渔 几个代表物种的基因组大小 300Mbp 1990年 国际人类基因组计划启动 1 提出背景族群间的通婚增多 人类基因资源需要保护 基因相关论 所有的疾病都是人类基因组与病原基因组中的直接或间接作用的结果 全基因组 信息记录着一个人有关生 老 病 死的重要信息 如能否秃顶 发胖等 二 人类基因组计划 2 主要内容 构建基因组的遗传图谱 构建基因组的物理图谱 测定基因组DNA的全部序列 绘制基因组的转录本图谱 分析基因组的功能 3 研究目的找出所有人类基因 破译出人类全部遗传信息 使得人类在分子水平上全面认识自我将基因用于改善人类的生活质量解决人类疾病 健康的问题 4 研究意义确定人类基因的序列 物理位置 产物及功能理解基因转录与转录后调节研究空间结构对基因调节的作用发现与DNA复制 重组等有关的序列研究DNA突变 重排和染色体断裂等 了解疾病的分子机制确定人类基因组中转座子 逆转座子和病毒残余序列研究染色体和个体之间的多态性 5 研究进展1996年 完成标记密度为0 6cM的人类基因组遗传图谱 100kb的物理图谱2000年 人类基因组框架草图绘制完成2001年2月 人类基因组精细图谱的完成2002年 完成测序工作 三 基因组学的研究内容 利用EST作为标记所构建的分子遗传图谱 功能基因组学 利用结构基因组学提供的信息系统地研究基因功能 从对单一基因或蛋白质的研究转向对多个基因或蛋白质同时进行系统的研究 功能基因组学就是对基因组序列进行诠释 功能基因组学的衍生学科转录组学 蛋白质组学 代谢组学比较基因组学糖组学 药物基因组学 疾病基因组学 环境基因组学 营养基因组学 表基因组学 转录组学比较不同组织和不同发育阶段 正常状态与疾病状态 以及体外培养的细胞中等基因表达模式的差异 通过如RT PCR EST SAGE DNA芯片等分析方法 描绘特定细胞或组织在特定状态下的基因表达的种类和丰度的信息 编制成基因表达的数据 蛋白组学一个细胞或一个组织基因组所表达的全部蛋白质 在空间和时间上动态变化着的整体 提供各种活性蛋白质的翻译时间 基因产物相对浓度 修饰作用 细胞定位等信息 功能蛋白质组学以在特定时间 特定环境条件下的蛋白质为研究对象 与某一生理现象有关 是个别蛋白的传统研究和全体蛋白质的蛋白质组研究的中间层次 研究各活性蛋白之间的相互作用 蛋白质与DNA RNA之间的相互作用等 揭示蛋白质表面相互作用特征的能力 构建全细胞的蛋白网络 代谢组学代谢组指的是 一个细胞 组织或器官中 所有代谢组分的集合 尤其指小分子物质 代谢组学是 在新陈代谢的动态进程中 系统研究代谢产物的变化规律 揭示机体生命活动代谢本质 的科学 代谢组学关注的是各种代谢路径底物和产物的小分子代谢物 反映细胞或组织在外界刺激或是遗传修饰下代谢应答的变化 包括糖 脂质 氨基酸 维生素等 比较基因组学1988年 发现番茄和马铃薯的遗传图谱很相似 基于结构基因组学 对基因和基因组进行比较 以了解基因的表达 功能和进化 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等 以揭示物种进化关系 克隆重要性状基因和进行遗传研究和性状改良 四 基因组学的应用 确定物种特有的序列研究物种的遗传多样性研究物种的起源及系统进化进行新基因的克隆 染色体步移 进行基因功能的预测获得功能分子标记 五 基因组学的研究方法 一 遗传图谱的构建 二 物理图谱的构建 三 基因组测序 四 基因鉴定 五 基因功能研究 二 物理图谱的构建 为什么要构建基因组图谱 基因组计划的主要任务是获得全基因组序列但是 现在的测序方法每次只能测800 1000bp大量的测序片段要拼接要知道序列在染色体上的位置才能正确拼接基因组计划的第一个环节 构建基因组图谱 物理图谱 DNA标记在染色体上的实际位置 有遗传图谱为什么还要构建物理图谱 遗传图谱分别率有限 测序要求标记间隔小于100kb 遗传图谱的标记间隔远大于100kb精确性不够 经典遗传学认为 交换是随机发生的 但基因组中有些区域是重组热点 而且倒位 重复等染色体结构变异会限制交换重组 酵母遗传图与物理图比较 A遗传图B物理图 人类基因组物理图 1987年 RFLP图谱 403个标记 10Mb1994年 5800个标记 0 7Mb1996年 17000多个标记 100kb完全适应全基因组测序的要求 1 限制性酶切图谱 使用酶切位点在基因组中出现频率低的内切酶SmaI 每78kb只有1个切点BssH 每390kb只有1个切点NotI 每10Mb只有一个切点 构建物理图谱的3条途径 限制酶作图 限制酶作图 2 荧光原位杂交 通过荧光标记的探针与DNA分子杂交 杂交信号即探针DNA在染色体上的图谱位点 取处于有丝分裂中期的细胞制片 将染色体变性成单链 染色体拉丝 在将标记的DNA探针变性后杂交到染色体上 保温处理后 显微镜下直接观察 荧光原位杂交原理 3 序列标签位点利用某一已知序列为标签的位点 sequencetaggedsites STS 作探针 与DNA杂交 绘制物理图谱 STS的要求 已知序列 便于PCR检测基因组中仅一个位点 无重复 有些标记既是遗传标记 又是物理标记的分子标记如RFLP标记 SSR标记等借助这些标记利用比较作图可以将遗传图和物理图整合起来 遗传图与物理图的整合 三 基因组测序 利用现有DNA测序方法 每个测序反应通常只能得到800个核苷酸的序列 小基因组物种常用鸟枪法 鸟枪射击法 大基因组测序存在两个问题 片段数庞大 片段间连接和装配非常复杂基因组中相同或相似的重复序列在连接和装配时容易出错大基因组测序方法克隆连续序列法定向鸟枪射击法 克隆连续序列法 DNA切割成长度为0 1 1Mb的大片段 克隆到YAC或BAC载体上 分别测定单个克隆序列 再装配连接成连续的DNA分子 定向鸟枪射击法 以基因组图谱中标记为依据 测序装配和构建不同DNA片段的序列 四 基因鉴定 根据序列分析搜寻基因查找开放阅读框 openreadingframe ORF 同源查询利用数据库的基因序列与待查基因组序列比对 同源查询可以部分弥补ORF扫描的不足 根据序列分析搜寻基因 查找开放阅读框 openreadingframe ORF 开放阅读框都有一个起始密码子 ATG 还要有终止密码子 从ATG开始 然后向下游寻找终止密码子 起始密码子和终止密码子之间的碱基数目要能够被3整除每一条链都有3种可能的阅读框 2条连共计有6种可能的阅读框 计算机可以很快给出结果 同源查询的依据 有亲缘关系的物种 基因组可能存在某种程度的相似性 存在某些完全相同的序列 ORF的排列相似 如等长的外显子 ORF指令的氨基酸序列相似 模拟的多肽链的高级结构相似 等 五 基因功能研究 1 计算机预测依据仍然是