第九章基因组和比较基因组学案例.ppt

第九章基因组学和比较基因组学,了解基因组计划实施及意义；掌握基因组计划中的关键技术，四张图（物理图、遗传图、转录图、序列图）的绘制及鸟枪法测序的原理；理解比较基因组学研究。,20世纪人类科技发展史上的三大创举,90年代人类基因组计划,40年代第一颗原子弹爆炸,60年代人类首次登上月球,DNA双螺旋结构的发现者之一、美国国家卫生研究院（NIH）人类基因组研究所第一任所长J.D.Watson1990年在Science上撰文指出，与人类登月计划相比，HGP的资金投入少，但它对人类生活的影响却可能更深远。,第一节基因组学概述,基因组（Genome）1920年Winkles从GENe和chromosOME铸成的，用于描述生物的全部基因和染色体组成的概念。,1986年美国科学家ThomasRoderick提出了基因组学（Genomics）概念，随之一个新的科学杂志Genomics同时诞生。Genomics着眼于研究并解析生物体整个基因组的所有遗传信息。,基因组（Genome）是生物体内遗传信息的集合，是某个特定物种细胞内全部DNA分子的总和。基因组应该指单倍体细胞中包括编码序列和非编码序列在内的全部DNA分子。,概念,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”,核基因组是单倍体细胞核内的全部DNA分子；线粒体基因组则是一个线粒体所包含的全部DNA分子；叶绿体基因组则是一个叶绿体所包含的全部DNA分子。,基因组包括,基因组学（genomics）是指研究并解析生物体整个基因组的所有遗传信息的学科。,基因组学的概念,基因组计划（GenomeProject）是指对人类以及其它生物体全基因组的测序工作(sequencing)。,人类基因组计划（HumanGenomeProject，HGP）：90年代提出并已基本完成，是对人类全基因组的测序工作。,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,基因组学研究的最终目标,FishinginaMoreEffectiveWay!,CREDIT:JOESUTLIFF,Science,Vol291:1221.,基因组学包括3个不同的亚领域结构基因组学（structuralgenomics）功能基因组学（functionalgenomics）比较基因组学（comparativegenomics）,结构基因组学,结构基因组学是通过HGP的实施来完成的。,HGP的内容就是制作高分辨率的人类遗传图和物理图，最终完成人类和其它重要模式生物全部基因组DNA序列测定，因此HGP属于结构基因组学范畴。,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,包括以下研究内容,通过HGP获得的广泛基因组信息组成了结构基因组学的基本内容，是开展功能基因组学的研究的基础；同时为详尽研究每一个单基因遗传病提供“平台”，并将成为复杂的多基因遗传病研究的发端。,完成一个生物体全部基因组测序后即进入后基因组测序阶段-详尽分析序列，描述基因组所有基因的功能，包括研究基因的表达及其调控模式，这就是功能基因组学。,功能基因组学,鉴定DNA序列中的基因同源搜索设计基因功能实验性设计基因功能描述基因表达模式,主要具体内容包括以下方面,主要研究策略,比较基因组学(comparativegenomics)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。,比较基因组学,1860至1870年奥地利科学家孟德尔根据豌豆杂交实验提出遗传因子概念，并总结出孟德尔遗传定律。1909年丹麦植物学家和遗传学家约翰逊首次提出“基因”这一名词，用以表达孟德尔的遗传因子概念。,基因及基因组研究大事记,1944年3位美国科学家分离出细菌的DNA（脱氧核糖核酸），并发现DNA是携带生命遗传物质的分子。1953年美国人沃森（Watson）和英国人克里克（Crick）通过实验提出了DNA分子的双螺旋模型。,1969年科学家成功分离了第一个基因。1990年10月被誉为生命科学“阿波罗登月计划”的国际人类基因组计划启动（OfficialstartofHGPwith3billion$anda15yearhorizon）。,1998年一批科学家在美国罗克威尔（Rockville）组建塞莱拉遗传公司，与国际人类基因组计划展开竞争。1998年12月一种小线虫完整基因组序列的测定工作宣告完成，这是科学家第一次绘出多细胞动物的基因组图谱。,1999年9月中国获准加入人类基因组计划，负责测定人类基因组全部序列的1%。中国是继美、英、日、德、法之后第6个国际人类基因组计划参与过，也是参与这一计划的唯一发展中国家。,1999年12月1日国际人类基因组计划联合研究小组宣告，完整破译出人体第22对染色体的遗传密码，这是人类首次成功地完成人体染色体完整基因序列的测定。,2000年4月6日美国塞莱拉公司宣布破译出一名实验者的完整密码，但遭到不少科学家的质疑。,2000年4月底中国科学家按照国际人类基因组计划的部署，完成了1%人类基因组的工作框架图。,2000年5月8日德、日等国科学家宣布，已基本完成了人体第21对染色体的测序工作。,2000年6月26日科学家公布人类基因组工作草图，标志着人类在解读自身“生命之书”的路上迈出了重要一步。,2000年12月14日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12日中、美、日、德、法、英6国科学家和美国塞莱拉公司联合公布人类基因组图谱及初步分析结果。科学家首次公布人类基因组草图“基本信息”。2002年人类基因组测序工作完成。,人类基因组包括23对染色体，单倍体细胞中约有30亿对核苷酸，编码了56万个基因，人类基因组中携带了有关人类个体生长发育、生老病死的全部遗传信息。,第二节人类基因组计划,从整体上看，不同人类个体的基因是相同的，因此，人类只有一个基因组，人生来说平等的。当然，不同的人可能拥有不同的等位基因，这一点决定了人与人之间个体上的差异。,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,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,人类基因组草图基本信息,2000年6月公共领域测序计划工作框架图,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.8602003年4月14日，人类基因组序列图亦称“完成图”（99.99%），提前绘制成功.,人类基因组计划的科学意义,确定人类基因组中约3-4万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。,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。,从整体上了解染色体结构，了解各种不同序列中形成染色体结构、DNA复制、基因转录及表达调控中的影响与作用。,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，为疾病诊断、预防和治疗提供理论依据。,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。,研究人类个体之间的多态性（SNP）情况，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。,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,测序手段-基因组DNA大片段文库的构建,YAC（yeastartificialchromosome，酵母人工染色体）：含有三种必需成分：着丝粒、端粒和复制起点。是迄今容量最大的克隆载体，插入片段平均长度为200-1000Kbp，最大的可以达到2Mbp。,存在高比例的嵌合体，即一个YAC克隆含有两个本来不相连的独立片段；部分克隆子不稳定，在转代培养中可能会发生缺失或重排；难与酵母染色体区分开，因为YAC与酵母染色体具有相似的结构。操作时容易发生染色体机械切割。,YAC的主要缺点：,BAC（Bacterialartificialchromosome），用细菌的F质粒及其调控基因构建了细菌染色体克隆载体，其克隆能力在125150Kbp左右。以BAC为基础的克隆载体形成嵌合体的频率较低，转化效率高，而且以环状结构存在于细菌体内，易于分辨和分离纯化，已被科学界广泛接受。,BAC的构建：pBAC108L来自细菌的一个小型F质粒，其中oriS和repE控制了质粒的复制起始，parB和parA控制了拷贝数。,易于用电击法转化E.coli（转化效率比转化酵母高10-100倍）；超螺旋环状载体，易于操作；F质粒本身所带的基因控制了质粒的复制；很少发生体内重排。,BAC的优点：,人类基因组计划的成果是多方面的，主要体现在鉴定基因的四张图上。,遗传图（GeneticMap）,又称连锁图（LinkageMap），是指基因或DNA标记在染色体上的相对位置与遗传距离，通常以基因或DNA片段中染色体交换过程中的分离频率厘摩（cM）来表示，cM值越大，两者之间距离越远。,产生配子的减数分裂过程中，亲代同“号”的父源或母源染色体既能相互配对也可能发生片段互换，而父母源染色体等位基因互换导致子代出现DNA“重组”的频率与这两个位点之间的距离呈正相关，所以，用两个位点之间的交换或重组频率来表示其“遗传学距离”。,由于不能对人类进行“选择性”婚配，而且人类子代个体数量有限、世代寿命较长，呈共显多态性的蛋白质数量不多，等位基因的数量不多。如果只用已知定位的少数几个基因作遗传标记，由于遗传标记的数目太少，很难绘制完整的连锁图。DNA技术的建立为人类提供了大量新的遗传标记。,DNA分子标记,简称分子标记，以DNA序列的多态性作为遗传标记。,不受时间和环境的限制遍布整个基因组，数量无限不影响性状表达自然存在的变异丰富，多态性好共显性，能鉴别纯合体和杂合体,优点,多态性：人的DNA序列上平均每几百个碱基会出现一些变异，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）。,RFLP（RestrictionFragmentLengthPolymorphism）DNA序列上的微小变化，甚至1个核苷酸对变化，也能引起选择性内切酶切点的丢失或产生，导致酶切片段长度的变化。,第一代DNA遗传标记,由于核苷酸序列的改变遍及整个基因组，特别是进化中选择压力不是很大的非编码序列之中，RFLP的出现频率远远超过了经典的蛋白质多态性。而且，只要选择得当，生物体内出现共显性RFLP及RAPD分子标记的频率较高。,第二代DNA遗传标记利用率存在于人类基因组中的大量重复序列,重复单位长度在15-65个核苷酸左右的小卫星DNA，重复单位长度在2-6个核苷酸之间的微卫星DNA，又称简短串联重复（STR、STRP或SSLP，shorttandemrepeatpolymorphism或者simplesequencelengthpolymorphism）。,SSLPmarkers分子标记中的显性和共显多态性分子机制。图中第一种类型是最常见的显性多态性标记，第2，3，4类都是共显性标记。：引物W：野生型M：突变型,STRP的优点是“多态性”与“高频率”。由于（A）n，（CA）n，（CGG）n等短重复序列在进化上不受选择，在同一位点上可重复单位数量变化很大，配对时又容易产生“错配”，使这样的位点遍布于整个基因组。,已有5264个STRP为主体的遗传标记“连锁图”，平均分辨率已达600kb，其中第17号染色体上平均每495kb有一个标记，第9号染色体上平均每767kb有一个标记，整个基因组中只有三处标记间距大于4Mb。,人类基因组微卫星遗传标记图,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：单核苷酸的多态性（singlenucleotidepolymorphism，SNP）,SNP：是由于单个核苷酸改变而导致的核酸序列多态。,人类99.9的基因密码是相同的，而差异不到0.1，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。,物理图,以已知核苷酸序列的DNA片段（序列标签位点，sequence-taggedsite，STS）为“路标”，以碱基对作为基本测量单位（图距）的基因组图。,酵母第三号染色体物理图（左）与遗传图（右）比较,转录图,以EST（expressedsequencetag，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。,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。,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。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。,人类基因组的核苷酸序列图是分子水平上最高层次、最详尽的物理图。测定总长约1米、由30亿个核苷酸组成的全序列是人类基因组计划的最终目标。,不同种族、不同个体的基因差异（基因组的多样性）以及“正常”与“疾病”基因的差异，只是同一位点上等位基因的差异，所以，人类基因组全系列来自一个“代表性人类个体”，不属于任何供体。,研究发现，人类基因组与其它动物基因组中染色体水平上有“共线”（即同源）现象。人类第21号染色体HSA21位点与小鼠第16号染色体MMU16，MMU17和MMU10连锁图中存在着广泛的同源性。,第三节DNA的鸟枪法序列分析技术,DNA的鸟枪法测序原理,1999年12月用“逐个克隆法”获得第一条人类染色体-22号染色体完成序列。,2000年3月用“全基因组鸟枪法”获得果蝇全基因组序列。,DNA的鸟枪法测序的优缺点,优点：速度快缺点：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。,对鸟枪法的改进,Clonecontig法：首先用稀有内切酶把待测基因组降解为数百kb以上的片段，再分别测序。,靶标鸟枪法（directedshotgun）：首先根据染色体上已知基因和标记的位置来确定部分DNA片段的相对位置，再逐步缩小各片段之间的缺口。,第四节比较基因组学及功能基因组学研究,比较基因组学(ComparativeGenomics),概念：是基于基因组图谱和测序基础上，对已知的基因和基因组结构进行比较，来了解基因的功能、表达机理和物种进化的学科。,基因组的序列可被分为三类：