分子生物学本4-基因组及基因组学概论

1、基基 因因 组组 及及 基基 因因 组组 学学Genome and Genomics 3 基因组（ Genome）n一、基因组与基因组学概论一、基因组与基因组学概论n二、病毒基因组特点二、病毒基因组特点n三、原核生物基因组特点三、原核生物基因组特点n四、真核生物基因组特点四、真核生物基因组特点n五、人类基因组特点五、人类基因组特点一、基因组与基因组学概论一、基因组与基因组学概论n1. 基因组的概念基因组的概念n一种生物或一种遗传系统的所有基因 （遗传物质）的组合染色体组（chromosome set）基因组（genome）2. 基因组的种类与结构特点基因组的种类与结构特点（1）种类）种类n类核

2、基因组（nucleoid genome） 即原核基因组（prokaryotic genome）n核基因组（nuclear genome） 即真核基因组（eukaryotic genome）n细胞器基因组（organelle genome） 线粒体基因组（mitochondrial genome） 叶绿体基因组（chloroplast genome）2. 基因组的种类与结构特点基因组的种类与结构特点n其他 病毒基因组（virus genome） 质粒DNA（plasmid DNA），又称染色体 外DNA（extrachromosomal DNA）2. 基因组的种类与结构特点基因组的种类与结构特点

3、（2）大小）大小n基因组大小（genome size）一般以单倍体基因组的核酸量来衡量，单位有pg（10-12 g）、Dalton（道尔顿）、bp 或 kb 、Mb等n1 pg = 6.02 x 1011 Daltons = 9.8 x 108 bp生物的复杂程度与基因组大小的关系生物的复杂程度与基因组大小的关系生物的基因组大小及其变化生物的基因组大小及其变化n原核生物的genome size一般都比较小，且变化范围也不大（最大/最小约为20）。细菌基因组一般可含500 8000个基因。由于原核生物基因组中的非基因DNA（non-genic DNA）的含量较少，因此它们的基因组大小与其所含的基

4、因数目是相对应的n真核生物的genome size一般要比原核生物的大很多，且变化范围也很大（最大/最小可达8万）真核生物真核生物C值佯谬（值佯谬（C值反常现象）值反常现象）（C-value paradox）nC值：基因组的大小通常以一个基因组中的DNA含量来表示，称为生物体的C值。nC值矛盾：C值和它进化复杂性之间并没有严格的对应关系 各类生物中基因组大小的变化范围 生物种类 基因组大小范围（kb） 最大 / 最小 真细菌 革兰氏阴性菌 革兰氏阳性菌 蓝细菌 枝原体 古细菌 原生生物 眼虫（裸藻） 纤毛虫 变形虫 真菌 650 13,200 650 7,800 1,600 11,600 3,

5、100 13,200 650 1,800 1,600 4,100 23,500 686,000,000 98,000 2,350,000 23,500 8,620,000 35,300 686,000,000 8,800 1,470,000 20 12 7 4 3 3 29,191 24 367 19,433 167 各 类 生 物 中 基 因 组 大 小 的 变 化 范 围 生 物 种 类 基 因 组 大 小 范 围 （ k b ） 最 大 / 最 小 动 物 海 绵 动 物 环 节 动 物 软 体 动 物 甲 壳 动 物 昆 虫 棘 皮 动 物 鱼 类 两 栖 动 物 爬 行 动 物 鸟

6、类 哺 乳 动 物 植 物 藻 类 蕨 类 植 物 裸 子 植 物 被 子 植 物 49,000 139,000,000 49,000 53,900 882,000 5,190,000 421,000 5,290,000 686,000 22,100,000 98,000 7,350,000 529,000 3,230,000 382,000 139,000,000 931,000 84,300,000 1,230,000 5,340,000 1,670,000 2,250,000 1,420,000 5,680,000 50,000 307,000,000 80,000 30,000,000

7、 98,000 307,000,000 4,120,000 76,900,000 50,000 125,000,000 2,837 1 6 13 32 75 6 364 91 4 1 4 6,140 375 3,133 17 2, 500 2. 基因组的种类与结构特点基因组的种类与结构特点（3）类核基因组和核基因组的结构特点）类核基因组和核基因组的结构特点n类核基因组 环状，较小；通常由单拷贝或低拷贝（low-copy）的DNA序列组成；基因排列紧密，较少非编码序列n核基因组 多线状；大小一般要比类核基因组大好几个数量级，且变化范围很大；有大量的非编码序列（重复序列、内含子等）2. 基因组的种

8、类与结构特点基因组的种类与结构特点（4）细胞器基因组）细胞器基因组n线粒体基因组 在不同类型的生物（多细胞动物、高等植物、原生动物、藻类、真菌）中变化很大n多细胞动物：细小、致密，没有或很少非编码序列n高等植物：复杂、不均一，比动物的大得多n原生动物、藻类、真菌：或偏向于动物型，或偏向于植物型，但又有其各自的独特之处2. 基因组的种类与结构特点基因组的种类与结构特点（5）细胞器基因组）细胞器基因组n叶绿体基因组n比较均一，85 292 kb（大部分都在120 160 kb之内）；n特例：伞藻属（Acetabularia），2000 kbAcetabulariaIR: Inverted Repe

9、atSSC: Small Single Copy regionLSC: Large Single Copy region3. 基因组学基因组学（Genomics）n把基因组作为研究对象的学科（1）结构基因组学（structural genomics）（2）功能基因组学（functional genomics）（3）进化基因组学（evolution genomics） 基因组学的三个有代表性“时代”3. 基因组基因组学学（1）结构基因组学（structural genomics）n以全基因组测序为目标的基因结构研究，弄清基因组中全部基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。n其目的

10、是建立高分辨率的遗传图谱、物理图谱、转录图谱（表达图谱）和序列图谱（分子水平的物理图谱）基因组全序列的测定基因组全序列的测定 1995 流感嗜血菌（Haemophilus influenzae） 1,830 kb 枝原体 Mycoplasma genitalium 580,070 bp，预计有500个基因 1996 古细菌 Methanococcus jannaschii 1,660 kb 酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae） 12,068 kb，近6,000个潜在 的蛋白质编码基因，近150个rRNA基因，近300个tRNA基因，还有几十个 核小分子RNA（snRNA

11、）基因和一大批核仁小分子RNA （snoRNA）基因 1997 大肠杆菌（Escherichia coli） 4,639 kb （目前已测定一百多种微生物的全序列） 多细胞生物多细胞生物 1998 秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans） 97,000 kb 2000 黑腹果蝇（Drosophila melanogaster） 180,000 kb 2000 拟南芥（Arabidopsis thaliana） 120,000 kb 2000（6月） 人类（Homo sapiens） 3,120,000 kb3. 基因组学基因组学（1）结构基因组学（structural ge

12、nomics）n常用的研究方法n全基因组随机测序（全基因组鸟枪战略）：先打断DNA测序，然后作图（1）用机械方法打断DNA，建立插入片段约2Kb的高度随机基因组文库（2）高效、大规模的两末端测序（3）用有关软件对测序克隆片段进行序列集合（4）用适当的方法填补缺口3. 基因组学基因组学（2）功能基因组学（functional genomics）n概念：利用结构基因组学提供的信息，以高通量、大规模实验方法及统计与计算机分析为特征，全面系统地分析全部基因的功能。研究的角度包括：生物学功能、细胞学功能、发育学功能等3. 基因组学基因组学（2）功能基因组学（functional genomics）n对基

13、因组中基因本身的认识（基因的概念） 编码蛋白质的基因 编码功能RNA的基因 非编码的DNA也可以是基因 ？3. 基因组学基因组学（2）功能基因组学（functional genomics）n研究技术和方法n转基因技术转基因技术n反义核酸技术反义核酸技术nSNP技术技术 P159n基因敲除技术和基基因敲除技术和基因敲入技术因敲入技术P159-161n基因表达系列分析基因表达系列分析技术技术 (SAGE) P171nRNA选择性剪接机选择性剪接机制制P173n原位杂交技术原位杂交技术 P175n定点突变技术定点突变技术P175n RNA干扰技术干扰技术 P178-179ncDNA微阵列技术微阵列技

14、术（基因芯片技术）（基因芯片技术）P180n生物信息学技术生物信息学技术3. 基因组学基因组学（3）进化基因组学（evolution genomics）n在整体水平上研究基因和基因组的结构、功能的起源与进化n比较基因组学（comparative genomics） 进化基因组学的初始阶段3. 基因组学基因组学（3）进化基因组学（evolutionary genomics）n通过比较，发现基因组中蛋白质和功能RNA基因的密度与生物的复杂程度有一定的负相关n基因和基因组如何通过并非很多的基本结构单位（构件）的重组而进化成新的基因和基因组（构件在进化中被反复使用）n最原始的基因和基因组的起源，其后的

15、进化模式与过程不同生物基因组中基因的平均密度不同生物基因组中基因的平均密度生物生物 基因组中基因的平均密度基因组中基因的平均密度 细菌 1个基因/ 1 kb酵母 1个基因/ 2 kb线虫 1个基因/ 5 kb拟南芥 1个基因/ 5 kb果蝇 1个基因/ 13 kb人类 1个基因/ 40 kb 密度的变化与基因组进化中调控元件和“非基因DNA” 的扩增有关药物基因组学n药物的疗效和毒副作用的个体差异大多源于基因差异（基因多态性）n药物基因组学是主要以阐明药物代谢、药物转运和药物靶分子的基因多态性与药物作用包括疗效和毒副作用之间的关系的一门科学，是新兴的研究领域。n应用n开辟全新的药物开发领域n合

16、理用药与个性化治疗n基因检测n用于药物的临床和临床前研究4. 蛋白质组学蛋白质组学（proteomics） P196（1）蛋白质组（proteome）n“一个基因组所表达的蛋白质”n“一种（或一个）细胞内存在的全部蛋白质 （包括修饰后的各种蛋白质）”n“一个生物在其生活期间所产生的全部蛋白质的结构 与活性” （2）蛋白质组学n研究蛋白质组的科学n目前的研究主要是分析蛋白质组中蛋白质的组成、结构及功能（3）蛋白质组学的研究技术n二维凝胶电泳（双向电泳技术）蛋白质的分离技术n等电聚焦及SDS-PAGEn质谱蛋白质的分析技术n蛋白质免疫印迹实验（ Western blotting）蛋白质检测 技术 n凝胶阻滞实验（EMSA）研究蛋白质与DNA相互关系 的技术n噬菌体展示技术研究蛋白质之间关系的技术n免疫共沉淀技术n蛋白质磷酸化分析（4）后基因组学（post-genomics）n功能基因组学、蛋白质组学等5. RNA组学组学（RNomics）nRNA组与RNA组学（RNomics）n转录组（transcriptome