第19章 遗传信息传递的整体性(段秋红)

第十九章遗传信息传递的整体性

Integrationofexpressionandtransmissionofgeneticinformation第一节基因组学Genomics

一、基因组就是一种生物拥有的所有遗传信息的总合是一个细胞（或病毒）所载的全部遗传信息，它代表了一种生物所具有的全部遗传信息。真核生物基因组是指一套完整单倍体DNA（染色体DNA）及线粒体或叶绿体DNA的全部序列，既有编码序列，也有大量存在的非编码序列。细菌基因组包含了拟核和质粒中的DNA序列。病毒基因组有的为DNA（DNA病毒），有的则为RNA（RNA病毒）。*基因组（genome）二、基因组学包括结构基因组学、功能基因组学和比较基因组学1.基因组学（genomics）是阐明整个基因组的结构、结构与功能的关系以及基因之间相互作用的科学。2.研究内容结构基因组学（structuralgenomics）:

遗传图谱、物理图谱、序列图谱以及转录图谱和大规模DNA测序。功能基因组学（functionalgenomics）:分析鉴定基因组功能。比较基因组学（comparativegenomics）：基因组之间比较鉴定，研究生物进化，预测新基因。三、结构基因组学的主要任务是基因组作图和大规模测序

通过基因作图、构建连续克隆系及大规模测序等方法，结合主要模式生物已知基因组DNA序列，辅以生物信息学和计算生物学技术，解密人类基因组DNA序列和结构。人类基因组计划（HumanGenomeProject，HGP）：1．遗传作图2．物理作图（一）遗传作图和物理作图是绘制人类基因组草图的重要策略染色体DNA很长，不能直接进行测序，必须先将基因组DNA进行分解、标记，使之成为可操作的较小结构区域，这一过程称为作图。

遗传作图（geneticmapping）:就是确定连锁的遗传标志位点在一条染色体上的排列顺序及它们之间的相对遗传距离，用厘摩尔根（centi-Morgan，cM）表示，当两个遗传标记之间的重组值为1%时，图距即为1cM。1．遗传作图就是绘制连锁图遗传图(geneticmap)又称连锁图(linkagemap)。*DNA标记①限制性片段长度多态性（restrictionfragmentlengthpolymorphism，RFLP）②可变数目串联重复序列（variablenumberoftandemrepeat，VNTR）③单核苷酸多态性（singlenucleotidepolymorphism,SNP）①限制性片段长度多态性（RFLP）：利用特定的限制性内切酶识别并切割基因组DNA，得到大小不等的DNA片段，所产生的DNA数目和各个片段的长度反映了DNA分子上不同酶切位点的分布情况。②可变数目串联重复序列（VNTR）：又称微卫星DNA（minisatelliteDNA），是一种重复DNA短序列。VNTR基本原理与RFLP大致相同，通过限制性内切酶的酶切和DNA探针杂交，可一次性检测到众多微卫星位点，得到个体特异性的DNA指纹图谱。③单核苷酸多态性（SNP）：

SNP不以“长度”的差异作为检测手段，而是直接以序列的变异作为标记。SNP是指在基因组水平上由单个核苷酸变异所造成的DNA序列多态性。SNP是人类可遗传的变异中最常见的一种，也是基因组中最为稳定的变异。SNP最大限度地代表了不同个体之间的遗传差异，因而成为研究多基因疾病、药物遗传学及人类进化的重要遗传标记。

物理作图（physicalmapping）是在遗传作图基础上制作的更详细的人类基因组图谱。包括：

荧光原位杂交图（FISHmap）限制性酶切图（restrictionmap）连续克隆系图（clonecontigmap）2．物理作图就是描绘杂交图、限制性酶切图及克隆系图①荧光原位杂交图（fluorescentinsituhybridizationmap，FISHmap）：将荧光标记的探针与染色体杂交确定分子标记所在的位置。②限制性酶切图（restrictionmap）：将限制性酶切位点标定在DNA分子的相对位置。③连续克隆系图（clonecontigmap）：采用酶切位点稀有的限制性内切酶或高频超声破碎技术将DNA分解成大片段后，再通过构建酵母人工染色体（yeastartificialchromosome，YAC）或细菌人工染色体（bacterialartificialchromosome，BAC）获取含已知基因组序列标签位点（sequencetaggedsite，STS）的DNA大片段。*STS（sequencetaggedsite，基因组序列标签位点）：是指染色体定位明确，并且可用PCR扩增的单拷贝序列，每隔100kb距离就有一个标志。在STS基础上构建能够覆盖每条染色体的大片段DNA连续克隆系就可绘制精细物理图谱，为大规模DNA测序做好了准备。（二）通过BAC克隆系、鸟枪法等完成大规模DNA测序1．BAC克隆系的构建是大规模DNA测序的基础

YAC载体装载量偏大（1

2Mb），自身稳定性不够。

BAC具有插入片段较大（几kb

350kb）、嵌合率低、遗传稳定性好、易于操作等优点。2．鸟枪法是大规模DNA测序的重要方法全基因组鸟枪法测序（shotgunsequencing）

直接将整个基因组打成不同大小的DNA片段，构建BAC文库，然后对文库进行随机测序，最后运用生物信息学方法将测序片段拼接成全基因组序列。鸟枪法DNA测序的主要步骤：①建立高度随机、插入片段大小为1.6kb到4kb左右的基因组文库。②高效、大规模的克隆双向测序。③序列组装（sequenceassembly）产生一定数量的重叠群（contig）。④缺口填补。

鸟枪法（shotgun）测序的的原理与策略3．高通量测序技术大大加快了基因组DNA

测序的进行高通量测序（high-throughputsequencing）技术：不仅具备毛细管电泳测序不具备的优点，还能进行“平行/多点”、“单分子”和“混合”序列分析。这种高通量测序一次实验可以读取几十万到几百万DNA片段的序列，极大加速了基因组测序。（三）生物信息学是预测基因组结构和功能的重要手段数据库的建设：汇集了大量DNA序列、蛋白质信息预测基因、基因产物的结构、功能；分析基因-基因、基因-产物、产物-产物之间的相互作用或联系；描述细胞或整体水平的基因表达谱；推测系统发生关系。主要的生物信息中心美国国家生物技术信息中心（NCBI，）欧洲生物信息研究所（EBI，http://ebi.ac.uk）日本DNA数据库（DDBJ，http://www.ddbj.nig.ac.jp）GenBank（/Genbank）四、功能基因组学系统探讨基因的

活动规律功能基因组学：从整体水平上研究一种组织或细胞在同一时间或同一条件下所表达基因的种类、数量、功能及在基因组中的定位，或同一细胞在不同状态下基因表达的差异。主要研究内容包括基因组的表达基因组功能注释基因组表达调控网络及机制（一）通过全基因组扫描鉴定DNA序列中的基因

对测得的基因组序列进行“注释”，包括鉴定和描述推测的编码序列、非编码序列及其功能。技术支持：人类基因组DNA序列数据库；高性能计算机。改进的十进制计算机进行全基因组扫描，鉴定内含子与外显子之间的衔接，寻找全长ORFs，确定多肽链编码序列。同源基因：在进化过程来自共同的祖先的基因，通过核苷酸或氨基酸序列的同源性比较，可以推测基因组内相似基因的功能。有效工具：NCBI的序列局部相似性查询（BasicLocalAlignmentSearch，BLAST）程序。操作流程：GenBank中查找基因序列访问号码（accessionnumber），在BLAST界面上输入2条或多条访问号码，就可实现两两或多对序列的比对。（二）通过BLAST等程序搜索同源基因

（三）通过实验设计验证基因功能

转基因（transgene）基因过表达（overexpression）基因敲除（knock-out）基因敲减（knock-down）或基因沉默（genesilencing）合适的模式生物替代人体进行实验（四）通过转录组和蛋白质组描述基因表达模式基因表达：RNA的转录和蛋白质的翻译基因的表达模式及调控描述：借助转录组学和蛋白质组学相关技术与方法第二节

转录组学

Transcriptomics一、转录组学研究全部RNA的表达及功能转录组（transcriptome）指生命单元（通常是一种细胞）所能转录出来的所有RNA——包括指导蛋白质翻译的mRNA和非编码RNA(non-codingRNA,ncRNA)的总和。RNA功能基因组学，又称RNA组学（RNomics）：是分析、鉴定非信使小RNA（smallnon-messengerRNA,snmRNA）在特定状态下表达差异、功能及其与蛋白质的相互作用。转录组学（transcriptomics）：是在整体水平上研究细胞编码基因转录情况及转录调控规律的科学。转录组的特点：受到内外多种因素的调节，因而是动态可变的。能够揭示不同物种、不同个体、不同细胞、不同发育阶段及不同生理病理状态下的基因差异表达信息。二、转录组学的核心工作是分析基因表达谱大规模表达谱或全景式表达谱（globalexpressionprofile）：是生物体（组织、细胞）在某一状态下基因表达的整体状况。基因功能的研究方法：基因的差异表达方法；基因表达谱芯片（cDNA芯片、EST芯片等）。（一）采用cDNA芯片可实现大规模已知（序列）基因表达谱分析（二）SAGE和MPSS分析可鉴定未知/新基因表达信息基因表达系列分析（serialanalysisofgeneexpression，SAGE）和大规模平行信号测序系统（massivelyparallelsignaturesequencing，MPSS）可实现基因表达谱芯片很难检测某些特定时段表达或表达水平较低的基因或未知基因的表达。（三）推断未知基因功能，探索生命机制转录组分析可以提供特定条件下（生理、病理、诱导刺激等）基因表达的信息，通过使用基因碱基序列数据和比较已知及未知功能的基因，推断相应未知基因的功能，揭示特定调节基因的作用机制。三、芯片、SAGE和MPSS是转录组学研究主要技术转录组学研究重点：基因转录的区域转录因子结合位点染色质修饰点DNA甲基化位点等研究技术：微阵列（microarray）SAGEMPSS（一）微阵列是大规模基因组表达谱研究的

主要技术微阵列或基因芯片（DNAchip）原理利用光导化学合成、照相平板印刷以及固相表面化学合成等技术，在固相表面合成成千上万个寡核苷酸探针，并与放射性同位素或荧光物标记的来自不同细胞、组织或整个器官的DNA或mRNA反转录生成的第一链cDNA进行杂交，然后用特殊的检测系统对每个杂交点进行定量分析。优点：可同时对大量基因，甚至整个基因组的基因表达进行对比分析。微阵列技术的基本步骤（二）SAGE在转录物水平研究细胞或

组织基因表达模式SAGE的基本原理：用来自cDNA3‘端特定位置9～10bp长度的序列所含有的足够信息鉴定基因组中的所有基因利用锚定酶（anchoringenzyme，AE）和位标酶（taggingenzyme，TE）切割DNA分子的特定位置（靠近3’端），分离SAGE标签，并将这些标签串联起来，然后对其进行测序特点：可全面提供生物体基因表达谱信息可用来定量比较不同状态下组织或细胞的所有差异表达基因（三）MPSS是以基因测序为基础的

基因表达谱分析新技术MPSS的原理：一个含有能够特异识别转录子的信息标签序列（10～20bp）与长的连续分子连接在一起，测出mRNA的一端包含一个10至20个碱基的标签序列。每一标签序列在样品中的频率（拷贝数）代表了与该标签序列相应的基因表达水平。基因表达水平是以计算mRNA拷贝数为基础，是一个数字表达系统。只要将病理和对照样品分别进行测定，即可进行严格的统计检验，能测定表达水平较低、差异较小的基因，而且不必预先知道基因的序列。四、RNA组学研究全部非mRNA小RNA的集合人类基因组序列特点：2万

2.5万个基因，与蛋白质合成有关的序列占整个基因组的2%左右，其余98%的基因组序列没有得到注释。RNA组学研究范畴：小分子RNA，包括

snRNA、snoRNA、scRNA、催化性小RNA（smallcatalyticRNA）、小片段干涉RNA（smallinterferingRNA，siRNA）、微小RNA（microRNA，miRNA）第三节蛋白质组学Proteomics

以细胞、组织或机体在特定时间和空间上表达的所有蛋白质即蛋白质组（proteome）为研究对象，分析细胞内动态变化的蛋白质组成、表达水平与修饰状态，了解蛋白质之间的相互作用与联系，并在整体水平上研究蛋白质调控的活动规律，故又称为全景式蛋白质表达谱（globalproteinexpressionprofile）分析。蛋白质组学（proteomics）与蛋白质组研究相关的数据库蛋白序列数据库（SWISS-PROT/TrEMBL；http://www.expasy.ch）基因序列数据库（Genbank，/EMBL；http://www.ebi.ac.uk/）蛋白模式数据库（Prosite；http://www.expasy.ch/sprot/prosite.html）蛋白质二维凝胶电泳数据库、蛋白三维结构数据库（PDB，/；FSSP，http://www.embl-ebi.ac.uk）蛋白翻译后修饰数据库（O-GLYCBASE，http://www.cbs.dtu.dk/databases/OGLYCBASE）一、研究细胞内所有蛋白质组成及其

活动规律是蛋白质组学的中心任务蛋白质组学的研究内容：一是蛋白质组表达模式的研究，即结构蛋白质组学（structuralproteomics）二是蛋白质组功能模式的研究，即功能蛋白质组学（functionalproteomics）蛋白质组学的主要任务