吉林大学遗传学18基因组与后基因组韩璐1119

1、18. 基因组学与后基因组学基因组学与后基因组学本章内容本章内容1 1、基因组学、基因组学2 2、人类基因组计划、人类基因组计划3 3、基因组图谱构建与应用、基因组图谱构建与应用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体数目，一个物种单倍体的染色体数目，物种全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（基因组学（genomicsgenomics）19861986年提出，至今年提出，至今2

2、020年，已年，已经发展成为遗传学中最重要经发展成为遗传学中最重要的分支学科。的分支学科。对物种的所有基因进行定位对物种的所有基因进行定位、作图、测序和功能分析、作图、测序和功能分析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经典遗传学经典遗传学 在在2020世纪初，遗传学家的工作主要是鉴别世纪初，遗传学家的工作主要是鉴别感兴趣的基因，确定基因在染色体上的位置感兴趣的基因，确定基因在染色体上的位置。 第一

3、个环节第一个环节：寻找自发突变体，或者利用：寻找自发突变体，或者利用物理、化学因素诱发突变。物理、化学因素诱发突变。 第二个环节第二个环节：通过连锁分析确定新基因与：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。已知基因的相互关系，绘制遗传连锁图。几个代表物种的基因组大小几个代表物种的基因组大小钓鱼钓鱼竭泽而渔竭泽而渔credit: joe sutliff science, vol 291: 1221.fishing in a more effective way!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

4、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（postgenomics)postgenomics)q 基因的识别、鉴定基因的识别、鉴定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控制果蝇眼睛的基因蛋白质组学（蛋白质组学（proteomics） 鉴定蛋白质的产生过程、结构、鉴定蛋白质的产生过程、结构、功能和相互作用方式功能和相互作用方式2 人类基因组计划

5、人类基因组计划19901990，nihnih和能源部投资和能源部投资3030亿，启动了亿，启动了人类基因组计划，预计人类基因组计划，预计1515年时间完成年时间完成. .1993,1993,中国启动人类基因相关研究项目中国启动人类基因相关研究项目1999.71999.7，中国加入，承担，中国加入，承担1%1%测序工作测序工作1999.12,1999.12,人类第人类第2222号染色体被破译号染色体被破译20002000，完成草图，完成草图2001.22001.2，公布人类基因组图谱的修订版，公布人类基因组图谱的修订版20022002，完成测序工作，完成测序工作这与“曼哈顿原子弹研制计划”“阿波

6、罗登月计划”并称人类科学史上“三大计划”。中、德、法、日、英、美6个国家的16个中心组成国际协作组，人类基因组计划所倡导的是“全球合作、免费共享”的原则。 中国科学家的参与中国科学家的参与深受国际同行的欢迎和发展中国家的称颂深受国际同行的欢迎和发展中国家的称颂1999年7月7日，中国科学院遗传研究所人类基因组中心注册参与国际人类基因组计划，北京华大基因研究中心作为实施单位业应运而生。同年9月，国际协作组接受了我国的申请，为我国划定了工作区域。我国承担的工作区域，位于人类3号染色体短臂上。由于该区域约占人类整个基因组的1 %，因此简称“1 % 项目”。人类基因组 人类基因组包括约30亿碱基对和

7、30,000-35,000 基因 相当于用a，t，g，c可以填满150,000 页电话薄 一个或多个碱基对变异都可能引起机能异常人类基因组计划约90%人类基因组已被测序. 真正有影响力的是当我们弄清这些序列是怎样组合在一起，以及它们的含义。人类基因组计划 历来最大的生物医学科研计划 一个在预期中提前完成的国际间合作计划 是历来在生物伦理领域上投入最多的一次 从一开始就为它的伦理，法律及社会效应预留了基金专家共识 1、用于治疗和预防疾病； 2、坚持贯彻知情同意和知情选择原则； 3、保护基因隐私，反对基因歧视 4、努力促进人与人之间平等、民族间和睦及国家间的和平。2000 年及以后: 通过提供个体

8、遗传缺陷的信息改变医学与健康的面貌。 实施人群筛检, 以及用一种遗传方法对少见常见病更加个体化的试验。 实施药物基因学研究及其它更个体化的治疗。 医学遗传学遗传标记遗传标记q有可以识别的标记，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 dnadna分子标记分子标记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

9、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结果！所有多态性都是基因突变的结果！dnadna分子标记分子标记以以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 不影响性状表达不影

10、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3 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现在的测序方法每次只能测现在的测序方法每次只能测8008001000bp1000bp 大量的测序片段要拼接大量的测序片段要拼接: :“链中止法链中止法”、 “鸟枪法鸟枪法”链中止法链中止法 dna测序测序鸟枪法鸟枪法拼接错误：repeat的存在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）基因组计

11、划的第一个环节：构建基因组图谱基因组计划的第一个环节：构建基因组图谱遗传图谱遗传图谱（genetic map）概念：确定基因或概念：确定基因或dnadna标记在染色体上的标记在染色体上的相相对位置对位置与遗传距离与遗传距离 采用采用遗传分析的方法遗传分析的方法将基因或将基因或dnadna序列标定序列标定在染色体上构建连锁图。在染色体上构建连锁图。（1）基因标记 基因控制性状，利用可鉴别的表型性状作标记 根据连锁交换原理分析基因间连锁关系和遗传距离 绘制连锁图谱。 缺点：基因数目有限、所构建遗传图谱不详细、标记间的遗传距离较大。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

12、控制果蝇果蝇眼睛的形状、颜色，躯体的颜色、翅眼睛的形状、颜色，躯体的颜色、翅膀的形状膀的形状等形态性状作为标记，分析它们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。连锁关系及遗传距离，绘制而成的。q 控制性状的其实是基因，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。果果蝇蝇连连锁锁图图 dna标记 每种生物dna具有稳定性。dna本身可作为构建遗传图谱的标记，主要有3种类型： . 限制性内切酶多态性（rflp） . 简单序列长度多态性（sslp） . 单核苷酸多态性（snp）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

13、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，综合性检测，综合测定结果，选择有一定量多态性的一对或测定结果，选择有一定量多态性的一对或几对材料作为遗传作图亲本。几对材料作为遗传作图亲本。构构建建作作图图群群体体 * 单交组合产生的f2；* 衍生的f3、f4家系；* 由连续多代自交或姐妹交产生的重组近交系(ril)；* 通

14、过单倍体加倍而成的双单倍体(dh)；* 利用回交或三交(复交)产生的后代群体。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

15、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 927927个位点，个位点， 13831383个标记个标记v 19981998年，年，11571157个位点，个位点，22752275个标记个标记v 20002000年，年，32673267个标记个标记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

16、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，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个成员个成员v 53645364个个ssrssr标记标记v 23352335个位点个位点v 标记间的平均距离标记间的平均距离599kb599kb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。

17、 11/14/202149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？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，人类只能研究少数减数分裂事件，不能获得大量子代个体不能获得大量子代个体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100kb100kb， 实际是实际是599kb599kb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倒位、重复等染色体结构变异会限制交换重组交换重组酵酵母母遗遗传传图图与与物物理理图图比比较较遗传图遗传图物理图物理图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，10mb10mbv 1994 1994年，年，58005800个标记，个标记，0.7mb0.7mbv 1996 1996年，年，1700017000多个标记，多个标记，100kb100kbv 完全适应全基因组测序的要求