环境基因组学ppt课件

1、环境基因组学环境基因组学基因组学（基因组学（genomics）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，物种全部遗传物种全部遗传信息的总和。信息的总和。泛指一个有生命体、病毒或细胞器的泛指一个有生命体、病毒或细胞器的全部遗传全部遗传物质物质；在真核生物，基因组是指一套染色体；在真核生物，基因组是指一套染色体（单倍体）（单倍体）DNADNA。1. 1. 病毒基因组病毒基因组 DNADNA病毒病毒 RNA RNA病毒病毒 多数为双链多数为双链( (ds)ds)、环状或线性环状或线性多数为单链多数为单链( (ss)

2、ss)、线性线性噬菌体噬菌体phiX174phiX1741977，Sanger 单链环状单链环状DNADNA病毒病毒5386nt5386nt25002500氨基酸氨基酸乙型肝炎病毒（乙型肝炎病毒（HBVHBV） 聚合酶聚合酶HBsAgHBcAg部分开环双链部分开环双链DNADNA病毒病毒乙型肝炎病毒基因组乙型肝炎病毒基因组乙型肝炎病毒基因组乙型肝炎病毒基因组-部分开环双链部分开环双链DNADNA聚合酶聚合酶HBsAgHBcAg.禽流感病毒禽流感病毒(H5N1) avian influenza A virus 单链单链RNARNA病毒病毒8 8节段节段-ssRNA-ssRNA血凝素（血凝素（HA

3、HA）神经氨酸酶（神经氨酸酶（N)N)人类免疫缺陷病毒人类免疫缺陷病毒( (HIV)HIV)（human Immunodeficiency virus ） 逆转录病毒（单链逆转录病毒（单链RNARNA病毒）病毒）RNARNA2. 2. 原核生物基因组原核生物基因组细菌染色体细菌染色体DNADNA质粒质粒DNADNA大肠杆菌大肠杆菌（Escherichia coli）大肠杆菌细胞结构大肠杆菌细胞结构NucleoidNucleoid类核类核质粒质粒plasmid核糖体鞭毛包涵体荚膜浆膜浆膜外间隙间体类核（类核（nucleoidnucleoid）：）：细菌细菌染色体在细胞内形成的一染色体在细胞内形成

4、的一个致密区域。个致密区域。由一条环状双链由一条环状双链DNADNA分子组成，分子组成， 通常只有一个通常只有一个DNADNA复制起点。复制起点。 大肠杆菌染色体大肠杆菌染色体DNA DNA 大肠杆菌大肠杆菌40004000K K30003000K K20002000K K10001000K K0 0OriCOriCTerCTerC46392214639221bpbp 质粒质粒DNADNA 质粒质粒是是存在于细菌染色体外的存在于细菌染色体外的，具有自主，具有自主复制能力的环状双链复制能力的环状双链DNADNA分子；大小为几分子；大小为几kbkb。四环素抵抗3. 3. 真核生物基因组真核生物基因

5、组染色体染色体DNADNA线粒体线粒体DNADNA1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1213 14 15 16 17 18 19 20 21 22 X Y人类染色体基因组人类染色体基因组人类线粒体基因组人类线粒体基因组2 2个个rRNArRNA基因和基因和2222个个tRNAtRNA基因，基因，1313个个编码蛋白质基因，编码序列占编码蛋白质基因，编码序列占93%93%。CREDIT: JOE SUTLIFF Science, Vol 291: 1221.Fishing in a More Effective Way!遗传学、生物化学遗传学、生物化学基因组学、基因组学、蛋白组学蛋

6、白组学n一、产生背景及概念一、产生背景及概念n二、基因组学分类二、基因组学分类n三、结构基因组学三、结构基因组学n四、功能基因组学四、功能基因组学n五、比较基因组学五、比较基因组学 基因组学（基因组学（genomicsgenomics） 对物种的所有基因进行对物种的所有基因进行定位、作图、测序定位、作图、测序和功能分析。和功能分析。基因组学（基因组学（genomicsgenomics）n以分子生物学技术、计算机技术和信息以分子生物学技术、计算机技术和信息网络技术为网络技术为研究手段研究手段，n以生物体内全部基因为以生物体内全部基因为研究对象研究对象，n在全基因背景下和整体水平上探索生命在全基因

7、背景下和整体水平上探索生命活动的内在活动的内在规律规律及其内外环境影响及其内外环境影响机制机制的科学。的科学。3. 基因组学研究内容基因组学研究内容*获得生物体全部基因组获得生物体全部基因组序列序列u 鉴定所有基因的鉴定所有基因的功能功能u 明确基因之间的相互作用明确基因之间的相互作用关系关系u 阐明基因组的进化阐明基因组的进化规律规律n流感嗜血杆菌流感嗜血杆菌( (haemophilus haemophilus influenzaeinfluenzae) )n19951995年年7 7月月第一个细菌基因组第一个细菌基因组全序列全序列发表发表( (Science)Science)：大小：大小为

8、为1.81.8MbMb。含含17031703个基因或开个基因或开放阅读放阅读。这是微生物乃至整这是微生物乃至整个生物学领域的一个里程碑。个生物学领域的一个里程碑。n大肠杆菌大肠杆菌n19971997年年9 9月月, ,大肠杆菌的大肠杆菌的完整基因图谱已绘制成完整基因图谱已绘制成功功, , 基因组全序列完成基因组全序列完成, , 全长为全长为5 5Mb,Mb,共有共有42884288个个基因基因, ,同时也搞清了所有同时也搞清了所有基因产物的氨基酸序列。基因产物的氨基酸序列。n啤酒酵母啤酒酵母n19971997年，第一个年，第一个真真核生物基因组核生物基因组图谱图谱公布。公布。n秀丽线虫秀丽线虫

9、( ( caenorhabditis caenorhabditis eleganselegans) ) n19981998年年1212月完成了基因月完成了基因组测序。基因组大小组测序。基因组大小100100Mb ,Mb ,分布于分布于6 6条染色条染色体体, ,预测有预测有1919，099099个基个基因。因。n果蝇果蝇nCeleraCelera公司公司20002000年年3 3月宣布了基因组全序月宣布了基因组全序列为列为180180MbMb。有有1360113601个基因个基因, ,其中其中一半的基因功能还没一半的基因功能还没有搞清楚有搞清楚, ,有有16001600个个碱基跨度区仍未能完碱

10、基跨度区仍未能完全测序。全测序。n拟南芥：拟南芥：n20002000年年1212月月, ,第一个植物第一个植物基因组基因组拟南芥基因拟南芥基因组被全部测序组被全部测序, ,遗传图谱、遗传图谱、物理图谱建立物理图谱建立, ,序列大小序列大小为为125125MbMb。n基因组测序区段覆盖了基因组测序区段覆盖了全基因组的全基因组的115.4115.4Mb,Mb,分分析共含有析共含有2549825498个基因个基因, , 编码蛋白来自编码蛋白来自1100011000个家个家族。族。n人类基因组人类基因组n20012001年年2 2月中旬，月中旬，NatureNature与与ScienceScience

11、分别发表了分别发表了人类基人类基因组工作框架图因组工作框架图, ,报告人类基因报告人类基因组共有组共有3030亿个碱基对亿个碱基对, , 预测编码预测编码基因基因3100031000个个, ,比最初预测的比最初预测的1010万万个编码基因数大大减少。个编码基因数大大减少。n20022002年年4 4月，水稻基因组图月，水稻基因组图谱公布。谱公布。n20022002年年小鼠、疟原虫和按蚊基因组测序完成小鼠、疟原虫和按蚊基因组测序完成 鼠基因组共有约鼠基因组共有约2727亿个碱亿个碱基对，比人类少基对，比人类少1515，但其，但其包含的基因数目约在包含的基因数目约在3 3万个万个左右，与对人类基因

12、数的最左右，与对人类基因数的最新估计非常接近。新估计非常接近。疟原虫的疟原虫的裂殖孢子裂殖孢子疟原虫破坏疟原虫破坏两个红细胞两个红细胞* * 人被蚊子咬之后人被蚊子咬之后5 5-10-10分钟分钟，疟原虫孢子到达肝，疟原虫孢子到达肝脏，脏，入侵肝细胞入侵肝细胞内内就可就可逃逸逃逸人体免疫系统的攻击。人体免疫系统的攻击。* * 孢子侵吞肝细胞的营养，大量地分裂繁殖，孢子侵吞肝细胞的营养，大量地分裂繁殖，一一周后周后，肝细胞胀破，数以百万计的新孢子释放进，肝细胞胀破，数以百万计的新孢子释放进入血液。入血液。* * 新的孢子新的孢子立刻立刻重新重新入侵红细胞入侵红细胞，再次逃过再次逃过免疫免疫系统的

13、攻击。且以血红蛋白为食，继续繁殖；系统的攻击。且以血红蛋白为食，继续繁殖；* * 两天后两天后又可又可再次再次破坏红细胞，产生更多的孢子破坏红细胞，产生更多的孢子入侵其它红细胞入侵其它红细胞不久，不久，2/32/3的红细胞都会被的红细胞都会被疟原虫侵袭。疟原虫侵袭。* * 疟原虫在血液里这种疟原虫在血液里这种周期性周期性的繁殖过程，而导的繁殖过程，而导致病人三天两头地发高烧、打寒战。致病人三天两头地发高烧、打寒战。 人肝细胞内间日疟原虫人肝细胞内间日疟原虫（Plasmodium vivaxPlasmodium vivax） 细胞前期成熟裂殖体疟原细胞前期成熟裂殖体疟原虫是疟疾的病原体，分布区虫

14、是疟疾的病原体，分布区几乎遍及全球。几乎遍及全球。 间日疟原虫是四种寄生于间日疟原虫是四种寄生于人体的疟原虫之一。人体的疟原虫之一。n20032003年年人类基因组计划宣布，人类基因组计划宣布，人类基因组序列图人类基因组序列图绘制成功绘制成功，人类基因组计划的所有目标全，人类基因组计划的所有目标全部实现；部实现；n人类遗传变异图谱研究以及黑猩猩基因组人类遗传变异图谱研究以及黑猩猩基因组测序计划开始。测序计划开始。n20032003年年1111月，世界上首个复杂生物体的月，世界上首个复杂生物体的蛋白图谱蛋白图谱果蝇蛋白图谱果蝇蛋白图谱公布，实现了由仅显示遗传密码公布，实现了由仅显示遗传密码信息信

15、息的的基因图谱基因图谱到揭示遗传密码到揭示遗传密码功能功能的的蛋白图谱蛋白图谱的飞跃。的飞跃。n果蝇（果蝇（Drosophila melanogasterDrosophila melanogaster）蛋白图谱发表在蛋白图谱发表在科学杂志的网络版上；科学杂志的网络版上；n研究发布的这个含有研究发布的这个含有7,0007,000多个果蝇蛋白的图谱含盖多个果蝇蛋白的图谱含盖了这些蛋白之间超过了这些蛋白之间超过20,00020,000种不同的互相作用。种不同的互相作用。n果蝇蛋白有许多与人类蛋白类似，果蝇蛋白有许多与人类蛋白类似，适于作为研制小分适于作为研制小分子药物子药物如用于治疗癌症、心脏病和糖

16、尿病的口服药片如用于治疗癌症、心脏病和糖尿病的口服药片等的等的靶点研究。靶点研究。n20042004年月日年月日n多国科学家组成的两个研究小组多国科学家组成的两个研究小组宣布绘制出宣布绘制出鸡的基因序列草图和鸡的基因序列草图和遗传差异图谱。遗传差异图谱。n科学家选取了家鸡的远祖科学家选取了家鸡的远祖红红原鸡原鸡为测绘对象，绘制出了草图为测绘对象，绘制出了草图中约中约1010亿个碱基对，相当于人类亿个碱基对，相当于人类的三分之一。的三分之一。n科学家在日出版的科学家在日出版的NatureNature杂志上载文说，分析发现，红原杂志上载文说，分析发现，红原鸡约有万到鸡约有万到2.32.3万个遗传基

17、因，万个遗传基因，与人类数量基本持平，与人类数量基本持平，其中有其中有6060与人类相同与人类相同。n（同源性？）（同源性？）n鸡基因组的分析已经得出了出人意料的结果。鸡基因组的分析已经得出了出人意料的结果。n科学家们发现，控制鸡生成科学家们发现，控制鸡生成角蛋白的基因角蛋白的基因与预想与预想的不同。的不同。n角蛋白构成人类的头发、指甲，以及鸟类的喙和角蛋白构成人类的头发、指甲，以及鸟类的喙和羽毛，科学家一直认为羽毛，科学家一直认为哺乳动物哺乳动物和和鸟类鸟类的的角蛋白角蛋白来源相同来源相同。但图谱显示，。但图谱显示，鸡的角蛋白基因鸡的角蛋白基因与哺乳与哺乳动物的区别很大。动物的区别很大。n科

18、学家由此推测，科学家由此推测，角蛋白可能独立了角蛋白可能独立了二次进化二次进化。n另外，此前科学界一致认为另外，此前科学界一致认为鸡没有嗅觉鸡没有嗅觉，但是，但是分析结果表明鸡具有大量的嗅觉基因，而缺乏分析结果表明鸡具有大量的嗅觉基因，而缺乏味觉基因味觉基因。n分析还发现，鸡缺乏人类所具有的产生分析还发现，鸡缺乏人类所具有的产生乳汁、乳汁、唾液和牙齿的基因。唾液和牙齿的基因。n鸡是研究低等脊椎动物和人类等高等哺乳动物的一种鸡是研究低等脊椎动物和人类等高等哺乳动物的一种比较理想的比较理想的中介体中介体。n将人类基因组与鸡等其他生物的基因组进行比较，有将人类基因组与鸡等其他生物的基因组进行比较，有

19、助于更深入理解助于更深入理解人类基因的结构和功能人类基因的结构和功能，进而开发，进而开发疾疾病治疗病治疗的新手段。的新手段。n同时对于同时对于培育优质鸡种培育优质鸡种、改善食品安全、改善食品安全、控制禽流感控制禽流感病毒的蔓延病毒的蔓延也有重要意义。也有重要意义。n鸡是种常见的家禽，长期受到进化生物学家的青睐。鸡是种常见的家禽，长期受到进化生物学家的青睐。它的基因序列也有助于科学家了解农业和进化学上重它的基因序列也有助于科学家了解农业和进化学上重要特性的遗传学基础。要特性的遗传学基础。转基因小鸡转基因小鸡n对鸡和人类的基因组进行比对鸡和人类的基因组进行比较后发现约较后发现约七千万个碱基对七千万

20、个碱基对是共有是共有的。的。n这暗示着在大约三亿一千万这暗示着在大约三亿一千万年前二个物种的确是从共同年前二个物种的确是从共同祖先分化出来的祖先分化出来的遗传物遗传物质的守恒性质的守恒性。鸡和所有的哺乳动物多起源于恐龙鸡和所有的哺乳动物多起源于恐龙鸟类的祖先鸟类的祖先始祖鸟始祖鸟 在鸟类和哺乳动物分离的时候，在鸟类和哺乳动物分离的时候，鸡获得了鸡获得了生成羽毛和喙的蛋白质的生成羽毛和喙的蛋白质的基因基因， 而哺乳动物获得了而哺乳动物获得了毛皮蛋白质的毛皮蛋白质的基因基因，丧失了，丧失了与蛋清和蛋黄有关的与蛋清和蛋黄有关的基因。基因。 鸡的基因组比哺乳动物的紧凑，它拥有鸡的基因组比哺乳动物的紧凑

21、，它拥有2020万到万到2323万个万个基因，但仅有十亿个基因，但仅有十亿个DNADNA碱基，而同样多的基因人类需要碱基，而同样多的基因人类需要三十亿个碱基。三十亿个碱基。 鸡的鸡的基因数量基因数量与哺乳动物的相当，但它的基因组含有与哺乳动物的相当，但它的基因组含有重复的重复的“垃圾垃圾DNADNA”的数量很少。的数量很少。* * 中国科学院北京基中国科学院北京基因组研究所在国际合因组研究所在国际合作的框架下参与和主作的框架下参与和主持完成的持完成的红原鸡基因红原鸡基因组和家鸡基因组多态组和家鸡基因组多态性研究性研究。* * 于于20042004年年1212月月9 9日发日发表在表在natur

22、enature杂志杂志上以主题科学论文的上以主题科学论文的形式发表。形式发表。* * 西南农业大学家蚕基因组研究群体的研究论西南农业大学家蚕基因组研究群体的研究论文文家蚕基因组框架图家蚕基因组框架图，于，于1212月月1010日日ScienceScience上以主题科学论文的形式发表，上以主题科学论文的形式发表，* * 标志我国家标志我国家蚕基因组蚕基因组研究获国际认可。研究获国际认可。 丝腺是合成丝腺是合成茧丝蛋白质茧丝蛋白质的生物器官，是蚕丝产业的生物的生物器官，是蚕丝产业的生物学基础。学基础。 科学家通过分析家蚕基因组和基因表达谱，发现了科学家通过分析家蚕基因组和基因表达谱，发现了187

23、41874个家蚕个家蚕丝腺特异基因丝腺特异基因，其中，其中9797为新发现；发现了丝腺中为新发现；发现了丝腺中激素活动激素活动的证据；的证据； 科学家甚至比较了科学家甚至比较了家蚕与蜘蛛家蚕与蜘蛛的基因构成，发现了它们的基因构成，发现了它们的的107107个个共同功能基因共同功能基因。 通过对通过对功能基因功能基因的获得和的获得和功能分析功能分析的开展，突的开展，突破破茧丝蛋白质合成茧丝蛋白质合成相关基因克隆和研究的瓶颈。相关基因克隆和研究的瓶颈。 随着家蚕丝腺特异基因研究的深入，中国将在随着家蚕丝腺特异基因研究的深入，中国将在改造丝蛋白质结构改造丝蛋白质结构，克服丝绸天然加工弱点克服丝绸天然

24、加工弱点等重等重要产业技术的研发方面取得突破。要产业技术的研发方面取得突破。n1 1. .根据研究对象：根据研究对象：动物基因组学、植物基因组学、肿瘤基因组动物基因组学、植物基因组学、肿瘤基因组学、药物基因组学、环境基因组学等。学、药物基因组学、环境基因组学等。n2 2. .根据研究的重点：根据研究的重点：结构基因组学、结构基因组学、功能基因组学、功能基因组学、比较基因组学比较基因组学n（一）（一） 概念和目的概念和目的n（二）（二） 基因图谱基因图谱n（三）（三） 结构基因组学研究常用方法结构基因组学研究常用方法（一）结构基因组学（一）结构基因组学*n以以全基因组测序全基因组测序为目标的基因

25、结构研究弄清基为目标的基因结构研究弄清基因组中全部基因的位置和结构，为基因功能的因组中全部基因的位置和结构，为基因功能的研究奠定基础。研究奠定基础。 基因定位基因定位基因组图谱绘制基因组图谱绘制测定核苷酸序列测定核苷酸序列结构基因组学结构基因组学（structural genomics）目的：建立高分辨的目的：建立高分辨的遗传图谱、物理图谱、转遗传图谱、物理图谱、转录图谱和序列图谱录图谱和序列图谱。n1. 1. 遗传图谱（连锁图谱）遗传图谱（连锁图谱）n2. 2. 物理图谱（位置图谱）物理图谱（位置图谱）n3. 3. 转录图谱（表达图谱）转录图谱（表达图谱）n4. 4. 序列图谱（分子水平的物

26、理图谱）序列图谱（分子水平的物理图谱）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基因组计划的主要任务是获得全基因组序列，全基因组序列，但是，利用现有但是，利用现有DNADNA测序方法，每个测序反应通常只能测序方法，每个测序反应通常只能得到得到800-1000800-1000个核苷酸的序列（个核苷酸的序列（80080010001000bpbp）。）。只有掌握序列片段在染色体上的只有掌握序列片段在染色体上的准确位置准确位置才能进行大量才能进行大量的正确的测序片段拼接。的正确的测序片段拼接。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图谱的构建基因组

27、图谱的构建 遗传图谱（遗传图谱（genetic mapgenetic map）* * * *：采用：采用遗传分析遗传分析的方法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序列标定在染色体上构建构建连锁图。连锁图。 遗传图谱（遗传图谱（连锁图谱连锁图谱） ：根据遗传性状：根据遗传性状( (如已如已知基因位点、功能未知的知基因位点、功能未知的DNADNA标记、可鉴别的表型标记、可鉴别的表型性状性状) )的分离比例的分离比例将其在基因组中的将其在基因组中的定位定位，构建，构建相应的连锁图谱。相应的连锁图谱。n通过遗传图谱可分清各基因或分子标记之间通过遗传图谱可分清各基因或分子标记之间

28、的相对的相对距离与方向距离与方向，如靠近着丝粒或端粒。，如靠近着丝粒或端粒。n遗传图谱的构建是以位于遗传图谱的构建是以位于同一染色体相邻的同一染色体相邻的2 2个基因个基因或或遗传标记的重组率为基因遗传标记的重组率为基因，因而必，因而必需要参考需要参考家系家系和和分子遗传标记或基因分子遗传标记或基因作为研作为研究基础。究基础。遗传标记遗传标记q特点特点* * * *q有可以识别的标记，才能确定目标的方位及彼此之间有可以识别的标记，才能确定目标的方位及彼此之间的相对位置。的相对位置。q构建遗传图谱的关键是寻找基因组不同位置上的构建遗传图谱的关键是寻找基因组不同位置上的特征特征标记标记。q包括：包

29、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1. 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、白化症等又称又称表型标记表型标记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！n 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、非糯多态性（多态性（polymophism）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！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2.2.细胞

30、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：优点：不受环境影响不受环境影响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3.3.生化标记生化标记又称蛋白质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

31、：受发育时间的影响、有组织特异性、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只反映基因编码区的信息4.DNA4.DNA分子标记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DNADNA分子标记分子标记n每种生物每种生物DNADNA具有稳定性，具有稳定性，nDNADNA标记本身可

32、作为构建遗传图谱的标记，标记本身可作为构建遗传图谱的标记，主要有以下主要有以下3 3种类型：种类型： 限制性内切酶多态性限制性内切酶多态性（RFLPRFLP） 简单序列长度多态性简单序列长度多态性（SSLPSSLP） 单核苷酸多态性单核苷酸多态性（SSRSSR）微卫星标记微卫星标记人类遗传图谱的构建人类遗传图谱的构建人类基因组遗传图谱的构建：人类基因组遗传图谱的构建：家系分析法：家系分析法： 2222对常染色体：对常染色体：分析分析8 8个家系个家系134134个成员个成员(186(186个减数分裂个减数分裂) ) 根据根据52645264个个STR(STR(简单重复序列简单重复序列) )标记

33、绘制而成。标记绘制而成。 X X染色体：染色体：另外利用另外利用1212个家系个家系170170个成员，个成员，53645364个个SSRSSR标记，标记，23352335个位个位点，标记间的平均距离点，标记间的平均距离599599kbkb。人类基因组物理图谱人类基因组物理图谱:n遗传图谱及遗传图谱及物理图谱物理图谱整合；整合；n构成更加完整的人类基因组图谱（基因构成更加完整的人类基因组图谱（基因在染色体上的在染色体上的排列不均匀排列不均匀）；）；n基因组序列框架测定和分析基因组序列框架测定和分析。1 1）基因定位：）基因定位：* * 借助基因组图谱，可使基因借助基因组图谱，可使基因定位在精度

34、、深度、广度等方定位在精度、深度、广度等方面有极大的提高。面有极大的提高。* * 已陆续在各种农作物上定位已陆续在各种农作物上定位了许多重要了许多重要农艺性状农艺性状和和经济性经济性状状的基因，在复杂的基因，在复杂数量性状数量性状位位点点(quantitative trait loci(quantitative trait loci，QTL)QTL)定位分析方面，也取得了定位分析方面，也取得了很大进展。很大进展。2 2）基因组比较分析：）基因组比较分析： 已经在禾本科玉米、水稻、高梁、大麦、小麦和黑麦，已经在禾本科玉米、水稻、高梁、大麦、小麦和黑麦，茄科的蕃茄、胡椒、马铃薯，十字花科拟南芥、甘

35、蓝、花茄科的蕃茄、胡椒、马铃薯，十字花科拟南芥、甘蓝、花椰菜、油菜等做了遗传图谱比较分析，从分子水平了解物椰菜、油菜等做了遗传图谱比较分析，从分子水平了解物种间同源性，研究种间同源性，研究基因组的进化基因组的进化和和染色体的演变。染色体的演变。3 3）标记辅助选择）标记辅助选择(marker-assisted selection MAS)(marker-assisted selection MAS)： 饱和基因组图谱可用来确定与任何一个目的基因紧密饱和基因组图谱可用来确定与任何一个目的基因紧密连锁的分子标记连锁的分子标记根据图谱间接选择目的基因，根据图谱间接选择目的基因，可降低连可降低连锁累赘

36、，加速目的基因的转移与利用，提高回交育种的效锁累赘，加速目的基因的转移与利用，提高回交育种的效率。率。4 4）基因的克隆与分离：基因的克隆与分离： 根据基因组图谱，可以找到根据基因组图谱，可以找到一个与目的基因紧密连一个与目的基因紧密连锁的分子标记，锁的分子标记，作为染色体步行作为染色体步行(chromosome walking)(chromosome walking)起始点起始点进行基因的克隆和分离，此法亦称进行基因的克隆和分离，此法亦称图位克隆法图位克隆法(map-based cloning)(map-based cloning)，为基因产物未知的基因克隆提供，为基因产物未知的基因克隆提供

37、了捷径。了捷径。n以以表达序列标签表达序列标签（ESTEST）为位标，根据）为位标，根据转录转录顺顺序的位置和距离绘制的图谱，它是染色体序的位置和距离绘制的图谱，它是染色体DNADNA某一区域内所有可转录序列的分布图，是基某一区域内所有可转录序列的分布图，是基因图的雏形。因图的雏形。n方法：用已在染色体定位的方法：用已在染色体定位的YAC DNAYAC DNA或或BAC BAC DNADNA为探针，与所有可能相关的各组织为探针，与所有可能相关的各组织cDNAcDNA文文库杂交，库杂交，寻找其同源克隆寻找其同源克隆并做进一步分析。并做进一步分析。EST (Expressed Sequence T

38、ag)EST (Expressed Sequence Tag) 是从一个随机选择的是从一个随机选择的cDNAcDNA克隆，进克隆，进行行5 5端和端和3 3端单一次测序挑选出来端单一次测序挑选出来获得的短的获得的短的cDNAcDNA部分序列部分序列, ,代表一代表一个完整基因的一小部分。个完整基因的一小部分。n以以某一染色体上所含的全部碱基顺序某一染色体上所含的全部碱基顺序绘制的绘制的图谱。图谱。n既包括可转录序列，也包括非转录序列，是既包括可转录序列，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。转录序列、调节序列和功能未知序列的总和。三、结构基因组学研究常用方法三、结构基因组

39、学研究常用方法n1. 1. 脉冲场凝胶电泳（脉冲场凝胶电泳（PFGEPFGE）n2. 2. 毛细管电泳毛细管电泳n3. 3. 基因芯片技术基因芯片技术n4. 4. 全基因组随机测序全基因组随机测序四、四、功能基因组学功能基因组学（Functuional Functuional genomicsgenomics）后基因组学后基因组学（PostgenomicsPostgenomics）n1. 1. 概念概念* * * *：n完成一个生物体全部基因组测序后即进入完成一个生物体全部基因组测序后即进入后基后基因组测序因组测序阶段阶段描述基因组所有基因的功能，描述基因组所有基因的功能，包括研究基因的包括研

40、究基因的表达表达及其及其调控模式调控模式，这就是功，这就是功能基因组学。能基因组学。n研究角度包括：生物学功能、细胞学功能、发研究角度包括：生物学功能、细胞学功能、发育学功能等。育学功能等。功能基因组学功能基因组学n利用结构基因组所提供的信息和产物，全面分析利用结构基因组所提供的信息和产物，全面分析基基因的功能因的功能从对单一基因或蛋白质得研究转向多个从对单一基因或蛋白质得研究转向多个基因或蛋白质同时进行系统的研究。基因或蛋白质同时进行系统的研究。n由基因组静态的由基因组静态的碱基序列研究碱基序列研究转入对基因组动态的转入对基因组动态的生物学功能生物学功能研究。研究。n研究内容包括研究内容包括

41、基因功能发现基因功能发现、基因表达分析基因表达分析及及突变突变检测检测。“基因的功能基因的功能”研究内容研究内容n生物学功能：生物学功能：如作为蛋白质激酶对特异蛋白质进行磷酸如作为蛋白质激酶对特异蛋白质进行磷酸化修饰；化修饰；n细胞学功能：细胞学功能：如参与细胞间和细胞内信号传递途径；如参与细胞间和细胞内信号传递途径；n发育上功能：发育上功能：如参与形态建成等。如参与形态建成等。“基因的功能基因的功能”研究手段研究手段n减法杂交减法杂交n差示筛选差示筛选 经典方法经典方法ncDNAcDNA代表差异分析代表差异分析nmRNAmRNA差异显示差异显示n基因表达的系统分析（基因表达的系统分析（ser

42、ial analysis of gene expression,SAGEserial analysis of gene expression,SAGE）ncDNAcDNA微阵列（微阵列（cDNA microarraycDNA microarray） 新兴技术新兴技术nDNA DNA 芯片（芯片（DNA chipDNA chip）n序列标志片段显示（序列标志片段显示（sequence tagged fragments displaysequence tagged fragments display）（一）鉴定（一）鉴定DNADNA序列中的基因序列中的基因（二）同源搜索设计基因功能（二）同源搜索设

43、计基因功能 （三）实验性设计基因功能（三）实验性设计基因功能 （四）描述基因表达模式（四）描述基因表达模式 主要具体内容包括以下方面主要具体内容包括以下方面 （一）鉴定（一）鉴定DNADNA序列中的基因序列中的基因 对基因组序列进行注释，包括对基因组序列进行注释，包括鉴定鉴定和和描述描述推测的推测的基因、非基因基因、非基因序序列列及其及其功能功能。 根据序列分析搜寻基因的步骤根据序列分析搜寻基因的步骤查找开放阅读框（查找开放阅读框（open reading frame, ORFopen reading frame, ORF）v 开放阅读框必须有一个起始密码子开放阅读框必须有一个起始密码子ATG

44、ATG，还要有终止密码子还要有终止密码子(UAG,UAA,UGA)(UAG,UAA,UGA) 。v 从从ATGATG开始，然后向下游寻找终止密码子开始，然后向下游寻找终止密码子。 v 起始密码子和终止密码子之间的碱基数目要能够被起始密码子和终止密码子之间的碱基数目要能够被3 3整除。整除。v 每一条链都有每一条链都有3 3种可能的阅读框，种可能的阅读框，2 2条连共计有条连共计有6 6种可能的阅种可能的阅读框。读框。v 计算机可迅速给出结果。计算机可迅速给出结果。* * 同源基因在进化中来自共同的祖先，通过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核苷酸序列或氨基酸序列的同源

45、性比较同源性比较推测推测基因组内相似功能的基因。基因组内相似功能的基因。v利用已经存入数据库的基因序列与待查的利用已经存入数据库的基因序列与待查的基因组序列比对，从中查找可以与之匹配的基因组序列比对，从中查找可以与之匹配的碱基序列及其比例，用于界定基因碱基序列及其比例，用于界定基因。（二）同源搜索设计基因功能（二）同源搜索设计基因功能（三）实验性设计基因功能（三）实验性设计基因功能 对基因进行缺失查询或剔除，观察对基因进行缺失查询或剔除，观察表型变化表型变化推测基因功能推测基因功能。（四）描述基因表达模式（四）描述基因表达模式转录组转录组( (transcriptome):transcript

46、ome): 一个细胞内的一套一个细胞内的一套mRNAmRNA转录物，包含了某一转录物，包含了某一环境条件、某一生命阶段、某一生理或病理环境条件、某一生命阶段、某一生理或病理( (功能功能) )状态下，状态下，生命体的细胞或组织所表达的基因种类生命体的细胞或组织所表达的基因种类和水平和水平。 该研究领域叫该研究领域叫转录组学转录组学( (transcriptomics)transcriptomics)。转录组学转录组学的研究方法的研究方法DNADNA芯片技术芯片技术功能基因组学功能基因组学（functional genomics）基因组图谱的构建：基因组图谱的构建：n RNARNA干扰技术（干扰

47、技术（RNAiRNAi）n 蛋白质组学研究蛋白质组学研究n 生物信息学研究生物信息学研究RNARNA干扰技术（干扰技术（RNAiRNAi）n将一段将一段dsRNAdsRNA导入机体或细胞后，与它有同源序列的基导入机体或细胞后，与它有同源序列的基因的表达被干扰或抑制的现象。因的表达被干扰或抑制的现象。dsRNAdsRNA依赖的依赖的转录后基转录后基因沉默因沉默。19981998，FireFire，线虫线虫n作用机制：作用机制：nA.DicerA.Dicer和和SlicerSlicer依赖模式依赖模式: :果蝇胚胎细胞和培养细胞果蝇胚胎细胞和培养细胞S2S2nB.B.随机降解随机降解“PCRPCR

48、”模型模型: : 果蝇、线虫、真菌果蝇、线虫、真菌秀丽新小杆线虫秀丽新小杆线虫（C. elegansC. elegans）n蛋白质组蛋白质组( ( proteome ) : proteome ) : 是由澳大利亚学者是由澳大利亚学者Wasinger Wasinger 等于等于19951995年提出的年提出的, ,是指由基因组编码的是指由基因组编码的全部蛋白质全部蛋白质。n蛋白质组学蛋白质组学( (proteomics) proteomics) 就是指研究细胞内所有蛋就是指研究细胞内所有蛋白质及其动态变化规律的科学。白质及其动态变化规律的科学。蛋白质组蛋白质组( (proteom)proteom

49、)* * *： 一个细胞内的全套蛋白质，反映了特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殊阶段、环境、状态下细胞或组织在翻译水平的平的蛋白质的表达谱蛋白质的表达谱。 这 一 研 究 领 域 叫 蛋 白 质 组 学这 一 研 究 领 域 叫 蛋 白 质 组 学( (proteomics)proteomics)。双向电泳（双向电泳（two dimensiontwo dimension lectrophoresis,2-DE lectrophoresis,2-DE）：）： 蛋白质具有蛋白质具有等电点等电点和和分子量分子量的特异性，将蛋白的特异性，将蛋白质混合物通过变性聚

50、丙烯酰胺凝胶电泳（质混合物通过变性聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGESDS-PAGE），使其在，使其在电荷电荷（等电聚焦，（等电聚焦，IEFIEF）和和分子量分子量，两，两个水平上进行分离。个水平上进行分离。蛋白质组学的研究方法蛋白质组学的研究方法n生物信息学是以计算机为工具生物信息学是以计算机为工具, ,用数理及信息用数理及信息科学的理论和方法研究生命现象科学的理论和方法研究生命现象, ,对生物信息对生物信息进行储存、检索和分析的一门学科。进行储存、检索和分析的一门学科。n是一种用计算机贮存原始资料，分析生物信是一种用计算机贮存原始资料，分析生物信息，将息，将DNADNA芯片以及蛋白质双向

51、电泳结果转变芯片以及蛋白质双向电泳结果转变成为可读的遗传学信息的学科。成为可读的遗传学信息的学科。n生物信息学是现代生物技术与计算机科学的生物信息学是现代生物技术与计算机科学的结合，收集、加工和分析生物资料和信息。结合，收集、加工和分析生物资料和信息。生物信息学生物信息学是在未来生命科学中起关键作用的学科之一。是在未来生命科学中起关键作用的学科之一。应用生物信息学应用生物信息学可以将来不同的基因组理论和应用综合可以将来不同的基因组理论和应用综合并标准化，利用大量的生物信息资料来了解遗传网络系并标准化，利用大量的生物信息资料来了解遗传网络系统、信号传递及相互关系，计算机还可进行一些生物模统、信号

52、传递及相互关系，计算机还可进行一些生物模拟研究。拟研究。利用生物信息学能够利用生物信息学能够分析分析从微生物、植物以及人类基从微生物、植物以及人类基因组序列测定产生的大量资料因组序列测定产生的大量资料阐明阐明遗传信息。遗传信息。n利用人类基因组与模式生物基因组之间编码利用人类基因组与模式生物基因组之间编码顺序上组织结构上的同源性，发现和克隆人顺序上组织结构上的同源性，发现和克隆人类和其他物种的基因，类和其他物种的基因，n提示基因功能，从而阐明物种的进化关系及提示基因功能，从而阐明物种的进化关系及基因组的内在结构。基因组的内在结构。n比较基因组学比较基因组学(comparative genomi

53、cs)涉涉及及比较不同物种比较不同物种的整个基因组，以便深入理的整个基因组，以便深入理解每个解每个基因组的功能和进化关系基因组的功能和进化关系。进化树（系统发生树）进化树（系统发生树） “微型人微型人” 生理系统与人非常相似生理系统与人非常相似 90% 90%的基因与人类同源的基因与人类同源小鼠小鼠(Mus musculus) 基因共线性基因共线性人类基因组计划人类基因组计划挖掘策略挖掘策略HGPHGP主要任务及内容主要任务及内容 主要任务主要任务 工作内容工作内容物理制图物理制图 确定染色体上诸如限制性内切核酸酶识别位点，确定染色体上诸如限制性内切核酸酶识别位点，（physical mapp

54、ingphysical mapping） 或序列标志位点（或序列标志位点（STSsSTSs）等的位置图。等的位置图。 遗传制图遗传制图 确定标志位点在一条染色体上的线性排列顺序。确定标志位点在一条染色体上的线性排列顺序。（physical mappingphysical mapping） 标志位点间的图距以遗传学距离表示，标志位点间的图距以遗传学距离表示， 单位为分摩尔根（单位为分摩尔根（cMcM） 基因组基因组DNADNA序列序列 测定人类测定人类2424条染色体的、由条染色体的、由3 3X10X109 9个核苷酸组成个核苷酸组成 的全部的全部DNADNA序列，绘制人类基因组图谱。序列，绘制

55、人类基因组图谱。 通过通过HGPHGP获得的广泛基因组信息组成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；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同时为详尽研究每一个单基因遗传病提供病提供“平台平台”，并将成为复杂的多基，并将成为复杂的多基因遗传病研究的发端因遗传病研究的发端。HGPHGP的意义的意义“人类基因组计划人类基因组计划”n“全基因组全基因组”信息记录着一个人信息记录着一个人有关生、老、病、死的重要信息，有关生、老、病、死的重要信息，它是一个人全部隐私中它是一个人全部隐私中最重要的最重要的隐私隐私

56、。 n孩子的基因组图记录一个生命的孩子的基因组图记录一个生命的全部奥秘和隐私。是不是一个色全部奥秘和隐私。是不是一个色盲，大概会长多高，能否秃顶、盲，大概会长多高，能否秃顶、发胖等。还可准确地告诉其父母：发胖等。还可准确地告诉其父母：是什么病，可能会要孩子的命。是什么病，可能会要孩子的命。n这张图要交给谁保管呢？父母？这张图要交给谁保管呢？父母？保险公司？老板？政府？保险公司？老板？政府？ The Relation between Genomics and Medicine基因组学与医学关系基因组学与医学关系 医学相关问题医学相关问题结构基因组学结构基因组学功能基因组学功能基因组学蛋白质组学蛋

57、白质组学基因组计划的应用基因组计划的应用疾病的分子机制：病原疾病的分子机制：病原, ,病理和预后，病理和预后， 疾病的易感性，疾病的易感性， 遗传与环境的影响。遗传与环境的影响。分子诊断：疾病的预测分子诊断：疾病的预测, ,药物耐受性，药物耐受性， 疾病的分型。疾病的分型。分子治疗：药物靶分子治疗：药物靶, , 基因治疗基因治疗一、基因病的概念一、基因病的概念人类疾病大致分为三类：人类疾病大致分为三类：（一）单基因病（一）单基因病 （二）多基因病（二）多基因病 （三）获得性基因病（三）获得性基因病 基因病：基因病：以基因组学为基础，从疾病和健以基因组学为基础，从疾病和健 康的角度考虑，人类疾病

58、大多直康的角度考虑，人类疾病大多直 接或间接地与基因相关。接或间接地与基因相关。并指并指单基因控制的显性遗传病。单基因控制的显性遗传病。多指症多指症白化病人体内缺少酪氨酸酶，不能将白化病人体内缺少酪氨酸酶，不能将酪氨酸转化为黑色素，表现出白化异酪氨酸转化为黑色素，表现出白化异性状。性状。白化病白化病常染色体上隐性遗传病常染色体上隐性遗传病维多利亚女王维多利亚女王家族病家族病血友病血友病 血友病血友病携带携带者者X X染色体上隐性遗传病染色体上隐性遗传病先天性唇裂先天性唇裂* * 单侧或双侧发病，有些还伴有腭裂。单侧或双侧发病，有些还伴有腭裂。* * 从遗传角度，从遗传角度，唇裂伴有腭裂者唇裂伴

59、有腭裂者与与单纯腭裂单纯腭裂是不同的两种疾病。是不同的两种疾病。多基因遗传病多基因遗传病唇裂唇裂多基因遗传病多基因遗传病唇腭裂唇腭裂多基因遗传病多基因遗传病联联 胎胎先天性巨结肠先天性巨结肠多基因遗传病多基因遗传病脊柱裂脊柱裂脑膨出脑膨出无脑儿无脑儿多基因遗传病多基因遗传病多基因遗传病多基因遗传病染色体异常遗传病1.1.结构异常的染色体病结构异常的染色体病n第第5 5条染色体短臂缺失条染色体短臂缺失猫叫综合征猫叫综合征n第第1818条染色体长臂缺失条染色体长臂缺失鲤鱼嘴、细指、外耳异常鲤鱼嘴、细指、外耳异常2.2.数量异常的染色体病数量异常的染色体病n2121三体综合征（三体综合征（DownD

60、own征，先天愚型）征，先天愚型）n1818三体综合征（三体综合征（EdwardEdward征）征）n1313三体综合征（三体综合征（PatanPatan征）征）n性腺发育不良（性腺发育不良（TurnerTurner综合征）综合征）（一）检测人类基因变异或突变（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（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（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（一）检测人类基因变异或突变单链构象多态性单链构象多态性( (SSCP)SSCP)、限制性片段长度多态性限制性片段长度多态性( (RFLP)R