基因组学的定义和作用

1、 第第13章章 基因组学基因组学 基因组学的定义和作用 基因组学基因组学 1 1 基因组学概述基因组学概述 2 2 基因组图谱的构建基因组图谱的构建 3 3 基因组测序基因组测序 4 4 功能基因组学功能基因组学 基因组学的定义和作用 本章教学时数：本章教学时数：4 4学时。学时。 本章重点：基因组计划的基本流程。本章重点：基因组计划的基本流程。 本章难点：分子标记和基因图谱；本章难点：分子标记和基因图谱； 研究基因功能的方法研究基因功能的方法 基因组学的定义和作用 1 1 基因组学概述基因组学概述 基因组（基因组（genomegenome），），又称染色体组又称染色体组 一个物种单倍体的染色

2、体数目，物种全一个物种单倍体的染色体数目，物种全 部遗传信息的总和部遗传信息的总和 物种遗传信息的物种遗传信息的“总词典总词典” 控制发育的控制发育的“总程序总程序” 生物进化历史的生物进化历史的“总档案总档案” 基因组学的定义和作用 基因组学（基因组学（genomicsgenomics） 19861986年提出，至今年提出，至今2020年，已经发展成为年，已经发展成为 遗传学中最重要的分支学科。遗传学中最重要的分支学科。 对物种的所有基因进行定位、作图、测对物种的所有基因进行定位、作图、测 序和功能分析序和功能分析 基因组学的定义和作用 基因组学研究的最终目标基因组学研究的最终目标 u 获得

3、生物体全部基因组序列获得生物体全部基因组序列 u 鉴定所有基因的功能鉴定所有基因的功能 u 明确基因之间的相互作用关系明确基因之间的相互作用关系 u 阐明基因组的进化规律阐明基因组的进化规律 基因组学的定义和作用 经典遗传学经典遗传学 在在2020世纪初，遗传学刚刚诞生的时候，遗传世纪初，遗传学刚刚诞生的时候，遗传 学家的工作主要是鉴别感兴趣的基因，确定这学家的工作主要是鉴别感兴趣的基因，确定这 些基因在染色体上的位置。些基因在染色体上的位置。 第一个环节：寻找自发突变体，或者利用物第一个环节：寻找自发突变体，或者利用物 理、化学因素诱发突变。理、化学因素诱发突变。 第二个环节：通过连锁分析确

4、定新基因与已第二个环节：通过连锁分析确定新基因与已 知基因的相互关系，绘制遗传连锁图。知基因的相互关系，绘制遗传连锁图。 基因组学的定义和作用 几个代表物种的基因组大小几个代表物种的基因组大小 物种物种基因组大小/bp基因组大小/bp T4噬菌体T4噬菌体2.0102.010 5 5 大肠杆菌(大肠杆菌(Escherichia coli) )4.2104.2106 6 酵母(酵母(Sccharomyces cerevisiae) )1.5101.5107 7 拟南芥(拟南芥(Arabidopsis thaliana) )1.0101.0108 8 秀丽小杆线虫(秀丽小杆线虫(Caenorhbd

5、itis elagans) )1.0101.0108 8 果蝇(果蝇(Drosophila melanogaster) )1.65101.65108 8 水稻(水稻(Oryza sativa) )3.89103.89108 8 小白鼠(小白鼠(Mus musculus) )3.0103.0109 9 人类(人类(Homo sapiens) )3.3103.3109 9 玉米玉米(Zea mays) )5.4105.4109 9 普通小麦(普通小麦(Triticum aestivum) )1.6101.61010 10 基因组学的定义和作用 钓鱼钓鱼 竭泽而渔竭泽而渔 基因组学的定义和作用 CR

6、EDIT: JOE SUTLIFF Science, Vol 291: 1221. Fishing in a More Effective Way! 基因组学的定义和作用 基因组学的研究内容基因组学的研究内容 q 结构基因组学结构基因组学 q 功能基因组学功能基因组学 q 蛋白质组学蛋白质组学 基因组学的定义和作用 结构基因组学（结构基因组学（structural genomics） 基因定位基因定位 基因组作图基因组作图 测定核苷酸序列测定核苷酸序列 基因组学的定义和作用 功能基因组学（功能基因组学（functional genomics） 又称后基因组学（又称后基因组学（postgenom

7、ics)postgenomics) q 基因的识别、鉴定、克隆基因的识别、鉴定、克隆 q 基因结构、功能及其相互关系基因结构、功能及其相互关系 q 基因表达调控的研究基因表达调控的研究 基因组学的定义和作用 蛋白质组学（蛋白质组学（proteomics） 鉴定蛋白质的产生过程、结构、功能和鉴定蛋白质的产生过程、结构、功能和 相互作用方式相互作用方式 基因组学的定义和作用 人类基因组计划人类基因组计划 19901990，美国国立卫生研究所和能源部投资，美国国立卫生研究所和能源部投资 3030亿，启动了人类基因组计划，预计亿，启动了人类基因组计划，预计1515 年时间完成人类基因组全部序列的测定年

8、时间完成人类基因组全部序列的测定 19961996，完成标记密度为，完成标记密度为0.60.6cMcM的人类基因组的人类基因组 遗传图谱，遗传图谱，100100kbkb的物理图谱的物理图谱 20002000，完成草图，完成草图 20012001年年2 2月，公布人类基因组图谱的修订版月，公布人类基因组图谱的修订版 20022002，完成测序工作，完成测序工作 基因组学的定义和作用 2 基因组图谱的构建基因组图谱的构建 基因组计划的主要任务是获得全基因组序列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但是，现在的测序方法每次只能测800800 10001000bpbp

9、大量的测序片段要拼接大量的测序片段要拼接 要知道序列在要知道序列在ChrChr上的位置才能正确拼接上的位置才能正确拼接 基因组计划的第一个环节：基因组计划的第一个环节： 构建基因组图谱构建基因组图谱 基因组学的定义和作用 基因组图谱基因组图谱 遗传图谱（遗传图谱（genetic map） 物理图谱（物理图谱（physical map） 基因组学的定义和作用 遗传图谱遗传图谱（genetic map） 采用采用遗传分析的方法遗传分析的方法将基因或其它将基因或其它 DNADNA序列标定在染色体上构建连锁图。序列标定在染色体上构建连锁图。 基因组学的定义和作用 遗传标记遗传标记 q有可以识别的标记，

10、才能确定目标的方位有可以识别的标记，才能确定目标的方位 及彼此之间的相对位置。及彼此之间的相对位置。 q构建遗传图谱就是寻找基因组不同位置上构建遗传图谱就是寻找基因组不同位置上 的特征标记。的特征标记。 q包括：包括： 形态标记形态标记 细胞学标记细胞学标记 生化标记生化标记 DNA DNA分子标记分子标记 基因组学的定义和作用 多态性（多态性（polymophism） 所有的标记都必须具有多态性所有的标记都必须具有多态性！ v 花色：白色、红色花色：白色、红色 v 株高：高、矮株高：高、矮 v 血型：血型：A A、B B、O O型型 v 淀粉：糯、非糯淀粉：糯、非糯 所有多态性都是基因突变的

11、结果！所有多态性都是基因突变的结果！ 基因组学的定义和作用 形态标记形态标记 形态性状：株高、颜色、白化症等形态性状：株高、颜色、白化症等 又称表型标记又称表型标记 数量少数量少 很多突变是致死的很多突变是致死的 受环境、生育期等因素的影响受环境、生育期等因素的影响 基因组学的定义和作用 q 最早建立的果蝇连锁图，就是利用控制最早建立的果蝇连锁图，就是利用控制 果蝇眼睛的形状、颜色，躯体的颜色、果蝇眼睛的形状、颜色，躯体的颜色、 翅膀的形状等形态性状作为标记，分析翅膀的形状等形态性状作为标记，分析 它们连锁关系及遗传距离，绘制而成的。它们连锁关系及遗传距离，绘制而成的。 q 控制性状的其实是基

12、因，所以形态标记控制性状的其实是基因，所以形态标记 实质上就是基因标记。实质上就是基因标记。 基因组学的定义和作用 果果 蝇蝇 连连 锁锁 图图 基因组学的定义和作用 细胞学标记细胞学标记 v明确显示遗传多态性的染色体结构特征明确显示遗传多态性的染色体结构特征 和数量特征和数量特征 染色体的核型染色体的核型 染色体的带型染色体的带型 染色体的结构变异染色体的结构变异 染色体的数目变异染色体的数目变异 v优点：不受环境影响优点：不受环境影响 v缺点：数量少、费力、费时、对生物体缺点：数量少、费力、费时、对生物体 的生长发育不利的生长发育不利 基因组学的定义和作用 生化标记生化标记 v 又称蛋白质

13、标记又称蛋白质标记 v 就是利用蛋白质的多态性作为遗传标记。就是利用蛋白质的多态性作为遗传标记。 如：同工酶、贮藏蛋白如：同工酶、贮藏蛋白 v 优点：数量较多，受环境影响小优点：数量较多，受环境影响小 v 缺点：受发育时间的影响、有组织特异缺点：受发育时间的影响、有组织特异 性、只反映基因编码区的信息性、只反映基因编码区的信息 基因组学的定义和作用 DNADNA分子标记分子标记 简称分子标记简称分子标记 以以DNADNA序列的多态性作为遗传标记序列的多态性作为遗传标记 优点：优点： v 不受时间和环境的限制不受时间和环境的限制 v 遍布整个基因组，数量无限遍布整个基因组，数量无限 v 不影响性

14、状表达不影响性状表达 v 自然存在的变异丰富，多态性好自然存在的变异丰富，多态性好 v 共显性，能鉴别纯合体和杂合体共显性，能鉴别纯合体和杂合体 基因组学的定义和作用 限制性片段长度多态性限制性片段长度多态性 （restriction fragment length polymorphism，RFLP） v DNA DNA序列能或不能被某一酶酶切，相当于一对序列能或不能被某一酶酶切，相当于一对 等位基因的差异。等位基因的差异。 v 如有两个如有两个DNADNA分子（一对染色体），一个具有分子（一对染色体），一个具有 某一种酶的酶切位点，而另一个没有这个位点，某一种酶的酶切位点，而另一个没有这个

15、位点， 酶切后形成的酶切后形成的DNADNA片段长度就有差异，即多态片段长度就有差异，即多态 性。性。 v 可将可将RFLPRFLP作为标记，定位在基因组中某一位作为标记，定位在基因组中某一位 置上。置上。 v人类基因组中有人类基因组中有10105 5个个RFLPRFLP位点，每一位点只位点，每一位点只 有两个等位基因。有两个等位基因。 基因组学的定义和作用 RFLPRFLP分析分析 基因组学的定义和作用 RFLP标记位共显性标记标记位共显性标记 基因组学的定义和作用 微卫星微卫星（microsatellite）标记标记 v微 卫 星 又 称 为 简 单 重 复 序 列 （微 卫 星 又 称

16、为 简 单 重 复 序 列 （ s i m p l e s i m p l e sequence repeatsequence repeat，SSRSSR）。）。 v这种重复序列的重复单位很短，常常只有这种重复序列的重复单位很短，常常只有2 2个、个、 3 3个或个或4 4个核苷酸个核苷酸 v如一条染色体如一条染色体TCTGAGAGAGACGCTCTGAGAGAGACGC 另一染色体另一染色体TCTGAGAGAGAGAGAGAGACGCTCTGAGAGAGAGAGAGAGACGC，就构成就构成 了多态性。了多态性。 基因组学的定义和作用 遗传图谱的构建方法遗传图谱的构建方法 v 理论基础理论基

17、础: 连锁与交换连锁与交换 v 基本方法基本方法: 两点测验法和三点测验法两点测验法和三点测验法 基因组学的定义和作用 植物遗传图谱的构建植物遗传图谱的构建 v 选择研究材料（亲本）选择研究材料（亲本） v 构建分离群体构建分离群体 v 遗传标记检测遗传标记检测 v 标记间的连锁分析标记间的连锁分析 基因组学的定义和作用 选择亲本选择亲本 要求亲缘关系远，遗传差异大要求亲缘关系远，遗传差异大 但又不能相差太大以导致引起子代不育。但又不能相差太大以导致引起子代不育。 对备选材料进行多态对备选材料进行多态( (差异差异) )性检测，综性检测，综 合测定结果，选择有一定量多态性的一对合测定结果，选择

18、有一定量多态性的一对 或几对材料作为遗传作图亲本。或几对材料作为遗传作图亲本。 基因组学的定义和作用 构建作图群体构建作图群体 基因组学的定义和作用 遗传标记的染色体定位遗传标记的染色体定位 v 利用遗传学方法或其它方法将少数标记利用遗传学方法或其它方法将少数标记 锚定在染色体上，作为确定连锁群的参锚定在染色体上，作为确定连锁群的参 照系。照系。 v 常用的方法：常用的方法： 单体分析单体分析 三体分析三体分析 代换系分析代换系分析 附加系分析附加系分析 基因组学的定义和作用 标记间的连锁分析标记间的连锁分析 v利用在两个亲本间有多态性的标记分析利用在两个亲本间有多态性的标记分析 分离群体中所

19、有个体的基因型分离群体中所有个体的基因型 v根据连锁交换的情况，确定标记之间的根据连锁交换的情况，确定标记之间的 连锁关系和遗传距离连锁关系和遗传距离 v有计算机软件可以应用有计算机软件可以应用 基因组学的定义和作用 水稻遗传图水稻遗传图 v 1994 1994年，水稻第一张高密度遗传图谱年，水稻第一张高密度遗传图谱 927 927个位点，个位点， 1383 1383个标记个标记 v 1998 1998年，年，11571157个位点，个位点，22752275个标记个标记 v 2000 2000年，年，32673267个标记个标记 v 高密度的遗传图谱为基因组测序和遗传高密度的遗传图谱为基因组测

20、序和遗传 研究奠定了坚实的基础。研究奠定了坚实的基础。 基因组学的定义和作用 人类遗传图谱的构建人类遗传图谱的构建 v 不可能根据需要选择亲本，设计杂交组合，不可能根据需要选择亲本，设计杂交组合， 构建分离群体！构建分离群体！ v 只能检测现存家庭连续几代成员的基因型只能检测现存家庭连续几代成员的基因型 v 家系分析法家系分析法 v 资料有限、必须借助于统计学方法资料有限、必须借助于统计学方法 基因组学的定义和作用 现有的人类遗传图谱现有的人类遗传图谱 v 1 12222号染色体号染色体 v 8 8个家系个家系134134个成员个成员 v X X染色体，染色体，1212个家系个家系170170

21、个成员个成员 v 5364 5364个个SSRSSR标记标记 v 2335 2335个位点个位点 v 标记间的平均距离标记间的平均距离599599kbkb 基因组学的定义和作用 物理图谱的构建物理图谱的构建 v 用用分子生物学方法分子生物学方法直接检测直接检测DNADNA标标 记在染色体上的实际位置绘制成的图谱记在染色体上的实际位置绘制成的图谱 称为物理图谱。称为物理图谱。 v 有遗传图谱为什么还要构建物理图谱？有遗传图谱为什么还要构建物理图谱？ 基因组学的定义和作用 遗传图谱的缺陷遗传图谱的缺陷 v 分别率有限分别率有限 v 人类只能研究少数减数分裂事件，不能人类只能研究少数减数分裂事件，不

22、能 获得大量子代个体获得大量子代个体 v 测序要求每个标记的间隔小于测序要求每个标记的间隔小于100100kbkb v 实际是实际是599599kbkb 基因组学的定义和作用 遗传图谱的缺陷遗传图谱的缺陷 精确性不够精确性不够 经典遗传学认为，交换是随机发生的经典遗传学认为，交换是随机发生的 基因组中有些区域是重组热点基因组中有些区域是重组热点 倒位、重复等染色体结构变异会限制交倒位、重复等染色体结构变异会限制交 换重组换重组 基因组学的定义和作用 酵酵 母母 遗遗 传传 图图 与与 物物 理理 图图 比比 较较 A A 遗传图遗传图 B B 物理图物理图 基因组学的定义和作用 物理作图的方法

23、物理作图的方法 1 1、限制酶作图、限制酶作图 2 2、依靠克隆的基因组作图、依靠克隆的基因组作图 3 3、荧光原位杂交、荧光原位杂交 4 4、序列标签位点作图、序列标签位点作图 基因组学的定义和作用 限制酶作图（限制酶作图（restriction mapping） 基因组学的定义和作用 限制酶作图（限制酶作图（restriction mapping） 基因组学的定义和作用 荧光原位杂交荧光原位杂交 （fluorescent in situ hybridization，FISH） 基因组学的定义和作用 荧光原位杂交荧光原位杂交 （fluorescent in situ hybridizatio

24、n，FISH） 基因组学的定义和作用 荧光原位杂交荧光原位杂交 （fluorescent in situ hybridization，FISH） 基因组学的定义和作用 荧光原位杂交荧光原位杂交 （fluorescent in situ hybridization，FISH） 基因组学的定义和作用 人类基因组物理图人类基因组物理图 v 1987 1987年，年，RFLPRFLP图谱，图谱，403403个标记，个标记，1010MbMb v 1994 1994年，年，58005800个标记，个标记，0.70.7MbMb v 1996 1996年，年，1700017000多个标记，多个标记，10010

25、0kbkb v 完全适应全基因组测序的要求完全适应全基因组测序的要求 基因组学的定义和作用 遗传图与物理图的整合遗传图与物理图的整合 v有些标记既是遗传标记，又是物理标记有些标记既是遗传标记，又是物理标记 RFLPRFLP标记标记 SSRSSR标记标记 某些基因序列某些基因序列 v借助这些标记可以将遗传图和物理图整借助这些标记可以将遗传图和物理图整 合起来合起来 基因组学的定义和作用 基因组测序策略基因组测序策略 v有了高密度的基因组图谱，就可以开始全有了高密度的基因组图谱，就可以开始全 基因组测序了基因组测序了 v测序的技术飞速发展，现在可以全自动化测序的技术飞速发展，现在可以全自动化 v测

26、序的策略有两个：测序的策略有两个： 鸟枪法鸟枪法 克隆重叠群法克隆重叠群法 基因组学的定义和作用 鸟枪法（鸟枪法（shotgun sequencing） 基因组学的定义和作用 鸟枪法的优缺点鸟枪法的优缺点 v优点：优点： 不需要高密度的图谱不需要高密度的图谱 速度快、简单、成本低速度快、简单、成本低 v缺点：缺点： 拼接组装困难，尤其在重复序列多的区域拼接组装困难，尤其在重复序列多的区域 v主要用于重复序列少、相对简单的原核生物基主要用于重复序列少、相对简单的原核生物基 因组因组 基因组学的定义和作用 克隆重叠群法（克隆重叠群法（clone contig） v 将基因组将基因组DNADNA切割

27、长度为切割长度为0.10.1MbMb1Mb1Mb的的 大片段，克隆到大片段，克隆到YACYAC或或BACBAC载体上载体上 v 然后再进行亚克隆，分别测定单个亚克然后再进行亚克隆，分别测定单个亚克 隆的序列隆的序列 v 再装配、连接成连续的再装配、连接成连续的DNADNA分子。分子。 v 这是一种自上而下（这是一种自上而下（up to downup to down）的测的测 序策略序策略 v clone-by-clone methodclone-by-clone method 基因组学的定义和作用 两两 种种 基基 因因 组组 测测 序序 策策 略略 基因组学的定义和作用 The E.coli

28、 genome 基因组学的定义和作用 A portion of the E.coli chromosome showing genes and operons. A dot indicates the promoter for each gene or operon. Arrows and color indicate the direction of transcribtion: dark blue genes are transcribed left to right, light blue are transcribed right to left.Overlapping gene are shown in green. 基因组学的定义和作用 功能基因组学功能基因组学 v 完成基因组测序，仅仅是基因组计划的完成基因组测序，仅仅是基因组计划的 第一步，更重要的工作在于弄清楚：第一步，更重要的工作在于弄清楚： 基因组序列中所包含的全部遗传信息基因组序列中所包含的全部遗传信息 是什么；是什么； 基因组作为一个整体如何行使