环境基因组学-2012-10-31

1、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)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HBsAgHBcA

2、g.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（HAHA）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NucleoidNucleo

3、id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

4、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

5、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、蛋白组学蛋白组学 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

6、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

7、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。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个碱基对是共有

8、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。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，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

9、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naturenature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

10、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18741874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

11、；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

12、。 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。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

13、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。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、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

14、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

15、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，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

16、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了捷径。了捷径。EST (Expressed Sequence T

17、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。（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

18、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。 * * 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

19、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):transcriptome): 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

20、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芯片技术芯片技术基因组图谱的构建：基因组图谱的构建：秀丽新小杆线虫秀丽新小杆线虫（C. elegansC. elegans）蛋白质组蛋白质组( (proteom)proteom)* * *： 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

21、 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生物信息学生物信息学是在未来生

22、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。进化树（系统发生树）进化树（系统发生树） “微型人微型

23、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 mappingphysical 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 m

24、appingphysical 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

25、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

26、， 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。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

27、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（一）检测人类基因变异或突变（一）

28、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)RFLP)，变性梯度电泳变性梯度电泳( (DGGE)DGGE)，单核苷酸多态性（单核苷酸多态性（SNPsSNPs）等位型等位型1 1等位型等位型2 2单核苷酸多态性单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism, SNP） 在人类两个个体之间大约每在人类两个个体之间大约每500500-1000bp-1000bp就就有一个碱基差异，如果一个碱基位置发生的变有一个碱基差异，如果一个碱基位置发生的变异在上以上的人群存在，这个位点就被定义异

29、在上以上的人群存在，这个位点就被定义为为SNPSNP位点。位点。* * 寡核苷酸杂交分寡核苷酸杂交分析析SNPSNP* * 等位基因特异寡等位基因特异寡核苷酸杂交核苷酸杂交 （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 某一疾病或综合征基因组与正常某一疾病或综合征基因组与正常基因组表达差异的比较。基因组表达差异的比较。DNADNA芯片检测的差异表达谱芯片检测的差异表达谱（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* * 疾病基因定位：疾病基因定位： 染色体原位杂交、染色体畸形分析、染色体原位杂交、染色体畸形分析、 连锁分析。连锁分析。* * 疾病

30、相关基因的克隆：疾病相关基因的克隆： 已掌握疾病相关基因或及其产物的确已掌握疾病相关基因或及其产物的确切信息；已掌握与疾病可能相关的基因预切信息；已掌握与疾病可能相关的基因预测资料；对疾病相关基因毫无所知。测资料；对疾病相关基因毫无所知。疾病相关基因克隆策略：疾病相关基因克隆策略： 功能基因克隆功能基因克隆 候选基因克隆候选基因克隆 定位基因克隆定位基因克隆 定位定位- -候选基因克隆。候选基因克隆。 致癌因子引起致癌因子引起DNADNA损伤，可引起突变，损伤，可引起突变，如果关键基因功能改变，导致细胞异常如果关键基因功能改变，导致细胞异常增殖而发生肿瘤。增殖而发生肿瘤。 * * 鉴定鉴定隐性

31、癌基因隐性癌基因（肿瘤抑制基因）（肿瘤抑制基因）和和显性癌基因显性癌基因。* * 制图策略，制图策略，* * 鉴定标志物。鉴定标志物。 肿瘤基因组解剖工程，基因重排肿瘤基因组解剖工程，基因重排常导致癌基因失活。常导致癌基因失活。/ 是在完成基因组图谱构建以及全部序列测定的基础是在完成基因组图谱构建以及全部序列测定的基础上上进一步研究全基因组的进一步研究全基因组的基因功能基因功能、基因之间、基因之间相互关相互关系和调控机制系和调控机制为主要内容的学科。为主要内容的学科。 目前人类基因组计划已测定了人类基因组序列中目前人类基因组计划已测定了人类基因组序列中85%85%以上的核苷酸序列，将计划完成以上的核苷酸序列，将计划完成全序列测定全序列测定的时间从的时间从20052005年提前到年提前到20032003年。年。20012001年年4 4月月2626日，公布了人类基因序列日，公布了人类基因序列框架草图。框架草图。后基因组学后基