《基因组学与医学》PPT课件.ppt

基因组学与医学GenomicsandMedicine,吴坤陆wukunlu分子生物学研究中心,第一节,基因组学(Genomics),一、基因组学概念及范畴,二、结构基因组学,三、功能基因组学,四、比较基因组学,一、基因组学概念及范畴,（一）基因组学的提出,基因组(genome)泛指一个有生命体、病毒或细胞器的全部遗传物质；在真核生物，基因组是指一套染色体（单倍体）DNA。,1.病毒基因组,多数为双链(ds)、环状或线性,多数为单链(ss)、线性,噬菌体phiX174,1977，Sanger,单链环状DNA病毒,2500氨基酸,乙型肝炎病毒（HBV）,开环部分双链DNA病毒,乙型肝炎病毒基因组-开环部分双链DNA,.,禽流感病毒(H5N1)avianinfluenzaAvirus,单链RNA病毒,人类免疫缺陷病毒(HIV)（humanImmunodeficiencyvirus）,逆转录病毒（单链RNA病毒）,2.原核生物基因组,以大肠杆菌（Escherichiacoli）为例,类核（nucleoid）：细菌染色体在细胞内形成的一个致密区域,大肠杆菌细胞结构,由一条环状双链DNA分子组成，通常只有一个DNA复制起点。,大肠杆菌染色体DNA,4639221bp,质粒DNA,质粒是存在于细菌染色体外的，具有自主复制能力的环状双链DNA分子；大小为几kb。,3.真核生物基因组,人类染色体基因组,人类线粒体基因组,2个rRNA基因和22个tRNA基因，13个编码蛋白质基因，编码序列占93%。,基因组学(genomics)就是发展和应用DNA制图、测序新技术以及计算机程序，分析生命体（包括人类）全部基因组结构及功能。,（二）基因组学的概念,基因组学包括3个不同的亚领域,亚领域内容结构基因组学整个基因组的遗传制图、物理制图、DNA测序功能基因组学认识、分析整个基因组所包含的基因、非基因序列及其功能比较基因组学比较不同物种的整个基因组，增强对各个基因组功能及发育相关性的认识,二、结构基因组学,人类基因组计划,结构基因组学(structuralgenomics)是通过HGP的实施来完成的。,人类基因组计划：,（Humangenomeproject,HGP）,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。,Initialsequencingandanalysisofthehumangenome,InternationalHumanGenomeSequencingConsortium,NATUREVOL40915FEBRUARY2001860-921,TheSequenceoftheHumanGenome,16FEBRUARY2001SCIENCEVOL2911304-1351,CeleraGenomics,人类染色体DNA大小,Chr.Mb,（一）物理制图（二）遗传制图（三）基因组DNA序列测定（四）创建计算机分析管理系统,HGP包括以下研究内容,绘制物理图谱（physicalmap）：利用已知序列的DNA片段为基因组分区，位点距离用bp表示。作图标志称为序列标志位点（sequencetaggedsites,STSs）。,（一）物理制图（physicalmapping）,克隆载体：Cosmid（粘粒）YAC（酵母人工染色体）BAC（细菌人工染色体）,Y号,绘制遗传图谱（geneticmap）：利用人类基因组中自然存在的一些特殊位点作为遗传标志，确定标志位点在一条染色体DNA上的线性排列顺序，标志位点间的距离用cM表示。,（二）遗传制图（geneticmapping）,遗传标志：RFLP（限制性片段长度多态性）VNTR（可变数目串联重复序列）STR（短串联重复序列）SNP（单核苷酸多态性）,两对等位基因之间重组互换的频率即遗传距离,10cM,10%,1.遗传图谱（geneticmap）,Chromosome,Male,Female,1.121.760.781.400.861.300.671.40,物理图距离（Mb）与遗传学距离(cM)的对应关系,cM/Mb,（三）基因组DNA序列测定,人类基因组的全部核苷酸(3X109)排列顺序,DNA测序基本步骤,限制性内切酶将大片段DNA切成小的片段小片段插入（连接）到测序载体中用测序仪对小片段DNA测序超级计算机分析测序结果，进行拼接得到一致序列,DNA,切下的片段插入（连接）到载体中,叠连群测序后得出一致序列,大量的重叠片段,gtatgtacatttttaaaatctcattttaaaaggccagttaaaatgg,gtatgtacatttttaa,ttttaaaatctcattttaa,tttaaaaggccagtta,agttaaaatgg,大肠杆菌(Escherichiacoli)酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)拟南芥(Arabidopsisthaliana)秀丽小杆线虫(Caenorhabditiselegans)果蝇(Drosophilamelanogaster)小鼠(Musmusculus),模式生物,（四）创建计算机分析管理系统主要的人类基因组数据库,欧洲生物信息学研究所EMBL:/,美国国家生物技术信息中心NCBI:/,日本国立遗传学研究所DDBJ:http:/www.ddbj.nig.ac.jp/,HGP主要任务及内容,主要任务内容物理制图确定染色体上诸如限制性内切（physicalmapping）核酸酶识别位点，或序列标志位点（STSs）等的位置图。遗传制图确定标志位点在一条染色体（physicalmapping）上的线性排列顺序。标志位点间的图距以遗传学距离表示，单位为分摩尔根（cM）基因组DNA序列测定人类24条染色体的、由3X109个核苷酸组成的全部DNA序列，绘制人类基因组图谱。,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。,HGP的意义,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。,三、功能基因组学（functionalgenomics）,（一）鉴定DNA序列中的基因（二）同源搜索设计基因功能（三）实验性设计基因功能（四）描述基因表达模式,主要具体内容包括以下方面,（一）鉴定DNA序列中的基因,对基因组序列进行注释，包括鉴定和描述推测的基因、非基因序列及其功能。,同源基因在进化中来自共同的祖先，通过核苷酸序列或氨基酸序列的同源性比较推测基因组内相似功能的基因。,（二）同源搜索设计基因功能,（三）实验性设计基因功能,对基因进行缺失或剔除，观察表型变化推测基因功能。,（四）描述基因表达模式,转录组(transcriptome):一个细胞内的一套mRNA转录物，包含了某一环境条件、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。这一研究领域叫转录组学(transcriptomics)。,转录组学的研究方法DNA芯片技术,蛋白质组(proteom)：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的表达谱。这一研究领域叫蛋白质组学(proteomics)。,双向电泳（twodimensionelectrophoresis,2-DE）：蛋白质具有等电点和分子量的特异性，将蛋白质混合物在电荷（等电聚焦，IEF）和分子量（变性聚丙烯酰胺凝胶电泳，SDS-PAGE）两个水平上进行分离。,蛋白质组学的研究方法,生物质谱技术MassSpectrometry：,通过测定样品离子的质荷比（m/z）来进行成分和结构分析。,功能基因组学研究策略及主要内容,鉴定(注释)基因:通过“ORF搜索”，发现理论性蛋白质编码序列分析基因功能:利用计算机进行同源搜索，根据已知序列、进化相关性，发现重要的蛋白质功能域。也可对DNA序列进行突变或剔除后，结合功能、表型变化的实验鉴定基因功能描述基因表达模式:采用DNA微点阵进行整体基因表达谱-转录组分析；采用蛋白质或多肽微点阵、改进的双向电泳结合飞行质谱技术分析蛋白质表达谱-蛋白质组分析。,四、比较基因组学,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。,进化树（系统发生树）,“微型人”生理系统与人非常相似90%的基因与人类同源,小鼠,(Musmusculus),基因共线性,TheRelationbetweenGenomicsandMedicine,第二节基因组学与医学关系,基因组计划的应用,疾病的分子机制：病原,病理和预后，疾病的易感性，遗传与环境的影响。,分子诊断：疾病的预测,药物耐受性，疾病的分型。,分子治疗：药物靶,基因治疗,一、基因病的概念,人类疾病大致分为三类：（一）单基因病（二）多基因病（三）获得性基因病,基因病：以基因组学为基础，从疾病和健康的角度考虑，人类疾病大多直接或间接地与基因相关。,二、疾病相关基因的鉴定,（一）检测人类基因变异或突变（二）疾病时基因组差异表达分析（三）染色体制图定位及疾病相关基因克隆,（一）检测人类基因变异或突变,单链构象多态性(SSCP)、限制性片段长度多态性(RFLP)，变性梯度电泳(DGGE)，单核苷酸多态性（SNPs）,单核苷酸多态性（singlenucleotidepolymorphism,SNP）,在人类两个个体之间大约每5001000bp就有一个碱基差异，如果一个碱基位置发生的变异在上以上的人群存在，这个位点就被定义为SNP位点。,寡核苷酸杂交分析SNP和等位基因特异寡核苷酸杂交,（二）疾病时基因组差异表达分析,某一疾病或综合征基因组与正常基因组表达差异的比较。,DNA芯片检测的差异表达谱,（三）染色体制图定位及疾病相关基因克隆,疾病基因定位：染色体原位杂交、染色体畸形分析、连锁分析。疾病相关基因的克隆：已掌握疾病