基因组与比较基因组学PPT课件

.,1,第八章基因组与比较基因组学一.人类基因组计划,基因组（genome）：生物有机体的单倍体细胞中所有DNA。包括核内的染色体DNA和线粒体、叶绿体等亚细胞器中的DNA。,.,2,第八章基因组与比较基因组学一.人类基因组计划,人类基因组计划由美国能源部(DOE)和国立健康研究院(NIH)资助并于1990年启动。人类基因组计划的科学意义：（1）确定人类基因组中约2万1千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,第八章基因组与比较基因组学一.人类基因组计划,（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。,.,4,第八章基因组与比较基因组学一.人类基因组计划,（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。,.,5,第八章基因组与比较基因组学一.人类基因组计划,（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。,.,6,第八章基因组与比较基因组学一.人类基因组计划,（8）研究染色体在个体之间的多态性。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。,.,7,第八章基因组与比较基因组学一.人类基因组计划,.,8,第八章基因组与比较基因组学三.人类基因组计划,1遗传图谱的构建定义：遗传图（geneticmap）又称连锁图（linkagemap），指基因或DNA标记在染色体上的相对位置与遗传距离，而不是它们在染色体上特殊的物理位置。科学上用两个位点之间的交换或重组频率厘摩（cM）来表示遗传距离。,.,9,第八章基因组与比较基因组学一.人类基因组计划,经典的遗传标记是可被电泳或免疫技术检出的蛋白质标记，如血型标记等。DNA多态性遗传标记的建立，为人类遗传研究提供了大量的遗传标记。*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）。,.,10,第八章基因组与比较基因组学一.人类基因组计划,第一代DNA多态性标记是RFLP（restrictionfragmentlengthpolymorphism，限制性片段长度多态性）标记。,.,11,第八章基因组与比较基因组学一.人类基因组计划,第二代DNA多态性标记利用了人类基因组大量的重复序列，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。,.,12,第八章基因组与比较基因组学一.人类基因组计划,第三代DNA多态性标记是单核苷酸多态性（singlenucleotidepolymorphism,SNP）标记。,图11-4(a)SNP的产生,.,13,第八章基因组与比较基因组学一.人类基因组计划,图11-4(b)SNP的检测,.,14,第八章基因组与比较基因组学一.人类基因组计划,2物理图谱的构建定义：利用限制性内切酶将染色体切成片段，再根据重叠序列确定片段间连接顺序以及遗传标志之间的物理距离的图谱。,.,15,第八章基因组与比较基因组学一.人类基因组计划,3.转录图即表达序列标签（expressedsequencetag,EST）图，是人类基因组图的重要组成部分。,*EST：通过从cDNA文库中随机挑选的克隆进行测序所获得的部分cDNA的5或3端序列称为表达序列标签（EST），一般长300-500bp左右。,4.全序列图即分子水平上最高层次的、最详尽的物理图。,.,16,第八章基因组与比较基因组学一.人类基因组计划,2005年，人类基因组测序计划基本完成，测定了单倍体细胞中约30亿个碱基对，预测基因数为20,00025,000。破译人类遗传信息，将对生物学、医学，乃至整个生命科学产生无法估量的深远影响。,.,17,第八章基因组与比较基因组学二.高通量DNA序列分析技术,（一）SangerDNA序列测定的基本原理,.,18,第八章基因组与比较基因组学二.高通量DNA序列分析技术,基本原理,在DNA聚合酶的作用下，双脱氧核苷酸分子可以象正常核苷酸一样参与DNA合成；,但是，由于它自身3位置-OH的缺失，至使下位核苷酸的5磷酸基无法与之结合，从而导致反应终止，并产生长度不一的DNA片段。,通过凝胶电泳分离，放射自显影确定DNA片段末端的碱基，进而推断DNA的核苷酸序列。,.,19,第八章基因组与比较基因组学二.高通量DNA序列分析技术,反应体系中除含有四种脱氧核苷酸(dATP、dCTP、dGTP和dTTP)外，加入了一种双脱氧核苷酸(ddATP或ddCTP或ddGTP或ddTTP)。,.,20,双脱氧链终止法测序的基本原理和过程,凝胶电泳方向,3AGTTGCTA5,测序胶的判读,*,放射性标记,(测序酶),第八章基因组与比较基因组学二.高通量DNA序列分析技术,.,21,第八章基因组与比较基因组学二.高通量DNA序列分析技术,（二）基因组DNA大片段文库的构建,基因组文库：将特定生物个体的全部DNA片段连接入载体DNA分子上，并导入受体细菌或细胞中，经扩增产生的包含该生物全部基因组序列的克隆群体。用于基因组文库构建的载体主要有酵母人工染色体（YAC）和细菌人工染色体（BAC）。,.,22,第八章基因组与比较基因组学二.高通量DNA序列分析技术,（三）鸟枪法测序技术及其改良,1.建立高度随机、插入片段大小为12kb的基因组文库。,*受DNA序列分析技术的限制，一次测序反应的长度不能超过1kb。,.,23,第八章基因组与比较基因组学二.高通量DNA序列分析技术,（2）高效、大规模的末端测序保证经末端测序的碱基总数达到基因组5倍以上。（3）序列拼接（4）填补缺口有两种缺口：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。,.,24,第八章基因组与比较基因组学二.高通量DNA序列分析技术,鸟枪法测序的缺点：基因组越大，拼接越困难。高等生物基因组中的大量重复序列也会导致拼装困难。,.,25,第八章基因组与比较基因组学二.高通量DNA序列分析技术,基因组图,物理图谱（克隆重叠群）,鸟枪法测序,序列拼接,全基因组鸟枪法测序,序列组装,根据标记装配序列,酶切,克隆,克隆重叠群法,定向鸟枪法,.,26,第八章基因组与比较基因组学引言,.,27,第五章分子生物学研究法二.高通量DNA序列分析技术,1.DNA序列自动分析法原理:-基于Sanger双脱氧链终止法的原理，使用四种不同的荧光染料分别标记ddATP、ddTTP、ddCTP、ddGTP。-这四种荧光染料在激光激发下发出不同波长的荧光，因而每一种荧光代表一种碱基。-延伸中的DNA互补链分别终止于不同荧光标记的ddATP、ddTTP、ddCTP、ddGTP。-荧光检测系统将荧光信号转换为电信号,经过数据处理系统处理,最后把所测得的序列直接打印出来。,（四）Sanger测序法的改进及新一代测序技术,.,28,第五章分子生物学研究法,.,29,第五章分子生物学研究法,激光激发,荧光信号,A,G,T,G,C,C,A,C,G,T,电泳,链终止反应,.,30,.,31,第八章基因组与比较基因组学二.高通量DNA序列分析技术,2.第二代测序法第二代测序法采用体外构建测序文库、体外扩增测序模板以及更高密度的阵列化测序更大地提高了测序的自动化和平行化，从而极大地降低了测序成本。,主要方法有：Roche454焦磷酸测序Illumina基因组分析仪ABISOLiD,.,32,第八章基因组与比较基因组学三.其他代表性基因组,1997年9月，大肠杆菌（E.coli）的完整基因图谱已绘制成功,基因组全序列完成，全长为约5Mb，共有4,288个基因，同时也搞清了所有基因产物的氨基酸序列。,.,33,第八章基因组与比较基因组学三.其他代表性基因组,啤酒酵母（Saccharomycescerevisiae）,1997年，第一个真核生物基因组图谱公布。该基因组全长13.04Mbp，是最小的真核基因组。含5885个蛋白质编码基因。,.,34,第八章基因组与比较基因组学三.其他代表性基因组,秀丽线虫(caenorhabditiselegans)1998年12月完成了基因组测序。基因组大小100Mb，分布于6条染色体，预测有19,099个基因。,.,35,第八章基因组与比较基因组学三.其他代表性基因组,果蝇（Drosophilamelanogaster）Celera公司2000年3月宣布果蝇基因组全序列为180Mb，有13,601个基因。,.,36,第八章基因组与比较基因组学三.其他代表性基因组,2000年12月，第一个植物基因组拟南芥基因组被全部测序，遗传图谱、物理图谱建立，序列大小为115.4Mb。预测含有30,000个基因,编码蛋白来自11,000个家族。,.,37,第八章基因组与比较基因组学三.其他代表性基因组,2002年4月，水稻基因组图谱公布。,水稻是重要的粮食作物，分籼、粳两个亚种。,.,38,第八章基因组与比较基因组学三.其他基因组,水稻基因组