第八章基因组与比较基因组学

1、第八章,基因组与比较基因组学,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,60,年代人类首次登上月球,40,年代第一颗原子弹爆炸,第八章,基因组与比较基因组学,基因组,（,genome,）,：,一,.,人类基因组计划,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,。,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

2、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。,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

3、表达调控规律。,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。,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

4、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。,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。,第八章,基因组与比较基因组学,一,.,人类基因组计划,第八章,基因组与比较

5、基因组学,1,遗传图谱的构建,?,定义：,遗传图（,genetic,map,）又,称连锁图（,linkage,map,），指基,三,.,人类基因组计划,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。,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

6、,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,（,restriction,fragment,length,polymorphism,，限制性片段长度多态性）标记。,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。,第八章,

7、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,（,single,nucleotide,polymorphism,SNP,）标记。,图,11-4(a) SNP,的产生,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,第八章,基因组与比较基因组学,2,物理图谱的构建,一,.,人类基因组计划,?,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。,第八章,基因组与比较基因组学,3.,转录图,一,.,人类基因组计划,即表达序列标签（,expressed,s

8、equence,tag,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。,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,20,000,25,000,。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。,第八章,基因组与比较基

9、因组学,二,.,高通量,DNA,序列分析技术,（一）,Sanger DNA,序列测定的基本原理,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。,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,

10、(dATP,、,dCTP,、,dGTP,和,dTTP),外，加入了一种双脱氧核苷酸,(,ddATP,或,ddCTP,或,ddGTP,或,ddTTP,),。,第八章,基因组与比较基因组学,二,.,高通量,DNA,序列分析技术,*,放射性标记,(,测序酶,),双脱氧链终止,法测序的基本,原理和过程,凝,胶,电,泳,方,向,3,A,G,T,T,G,C,T,A,5,测序胶的判读,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,

11、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,）。,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,。,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

12、物理缺口，二,是有模板,DNA,但未测序的序列缺口。,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。,第八章,基因组与比较基因组学,二,.,高通量,DNA,序列分析技术,克隆重叠群法,酶切,物理图谱,（克隆重叠群）,克隆,鸟枪法测序,序列组装,序列拼接,基因组图,定向鸟枪法,全基因组鸟枪法测序,根据标记装配序列,第八章,基因组与比较基因组学,引言,第五章,分子生物学研究法,二,.,高通量,DNA,序列分析技术,（四）,Sanger,测序法的改进及新一代测序技术,1. DN

13、A,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,。,第五章,分子生物学研究法,第五章,分子生物学研究法,链终止反应,电泳,ddT,ddG,ddC,ddA,ddC,ddC,dd

14、G,ddT,ddG,ddA,荧光信号,激光激发,A,G,T,G,C,C,A,C,G,T,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：,?,Roche 454,焦磷酸测序,?,Illumina,基因组分析仪,?,ABI SOLiD,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,5,

15、Mb,，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。,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（,Saccharomyces cerevisiae,）,1997,年，第一个真核生物基因组,图,谱,公,布,。,该,基,因,组,全,长,13.04,Mbp,，是最小的真核基因组。含,5885,个蛋白质编码基因。,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,(,caenorhabditis,elegans,),1998,年,12,月完成了基因组测序。基因组大小,100,Mb,，,分布于,6,条染色体，预测有,19,099,个

16、基因。,第八章,基因组与比较基因组学,三,.,其他代表性基因组,?,果蝇（,Drosophila melanogaster,）,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。,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。,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

17、稻是重要的粮食作物，,分籼、粳两个亚种。,第八章,基因组与比较基因组学,?,水稻基因组全长,389,Megabase,，,含有,37,544,蛋白质编码基因。其,中,29%,的基因以基因家族形式存,在。,?,水稻,2,个亚种的全基因组测序完,成，一方面开启了植物比较基因,组学的大门，另一方面为人们在,基因组水平上鉴定出所有水稻基,三,.,其他基因组,因并分析其功能奠定了基础。,第八章,基因组与比较基因组学,四,.,比较基因组学研究,比较基因组学（,Comparative genomics,）,?,比较基因组学的意义在于能够根据对一种生物相关基因的认,识来理解、诠释甚至克隆分离另一种生物的基因。,第八章,基因组与比较基因组学,四,.,比较基因组学研究,表,11-10,不同生物基因组的蛋白质编码能力比较,物,种,基因组大,小,580 Kb,816 Kb,1.8 Mb,估计基因数,467,677,1709,尿殖道支原体,Mycoplasma genitalium,肺炎支原体,Mycoplasma pneumoniae,流感嗜血杆菌,Haemophilus influenzae,枯草芽孢杆菌,Bacillus subtilis,大肠杆菌,Escherichia coli,酿酒酵母,Saccharomyces