毒理基因组学-3

第10章毒理基因组学

西安交通大学医学院公共卫生系于燕毒理基因组学概述毒理学是研究毒物与机体交互作用的一门学科。代谢研究：毒物的体内过程(吸收、分布、代谢转化、排泄)及机体防御体系对毒作用的影响；机制探讨：毒物对机体各种组织细胞、分子、特别是生物大分子作用及损害的机制,阐明毒物分子结构与其毒作用之间的关系。基因组学（genomics）基因组（genome），又称染色体组一个物种单倍体的染色体数目，物种全部遗传信息的总和。泛指一个有生命体、病毒或细胞器的全部遗传物质；在真核生物，基因组是指一套染色体（单倍体）DNA。1.病毒基因组

DNA病毒

RNA病毒

多数为双链(ds)、环状或线性多数为单链(ss)、线性噬菌体phiX1741977，Sanger单链环状DNA病毒5386nt5386nt2500氨基酸乙型肝炎病毒（HBV）聚合酶HBsAgHBcAg部分开环双链DNA病毒乙型肝炎病毒基因组乙型肝炎病毒基因组

--部分开环双链DNA聚合酶HBsAgHBcAg.

禽流感病毒(H5N1)

avianinfluenzaAvirus单链RNA病毒8节段-ssRNA血凝素（HA）神经氨酸酶（N)人类免疫缺陷病毒(HIV)（humanImmunodeficiencyvirus）逆转录病毒（单链RNA病毒）RNA2.原核生物基因组细菌染色体DNA质粒DNA以大肠杆菌（Escherichiacoli）为例类核（nucleoid）：细菌染色体在细胞内形成的一个致密区域。大肠杆菌细胞结构Nucleoid类核质粒plasmid核糖体鞭毛由一条环状双链DNA分子组成，

通常只有一个DNA复制起点。大肠杆菌染色体DNA大肠杆菌4000K3000K2000K1000K0OriCTerC4639221bp质粒DNA质粒是存在于细菌染色体外的，具有自主复制能力的环状双链DNA分子；大小为几kb。四环素抵抗3.真核生物基因组染色体DNA线粒体DNA12345678910111213141516171819202122XY人类染色体基因组人类线粒体基因组2个rRNA基因和22个tRNA基因，13个编码蛋白质基因，编码序列占93%。CREDIT:JOESUTLIFFScience,Vol291:1221.FishinginaMoreEffective

Way!钓鱼？竭泽而渔？遗传学、生物化学基因组学、蛋白组学基因组学一、产生背景及概念二、基因组学分类三、结构基因组学四、功能基因组学五、比较基因组学一、产生背景及概念

1.背景：1985年提出人类基因组计划（HGP），随着HGP的提出和实施，产生的基因组学。基因组学（genomics）对物种的所有基因进行定位、作图、测序和功能分析。2.基因组学（genomics）概念以分子生物学技术、计算机技术和信息网络技术为研究手段，以生物体内全部基因为研究对象，在全基因背景下和整体水平上探索生命活动的内在规律及其内外环境影响机制的科学。3.基因组学研究内容***

获得生物体全部基因组序列鉴定所有基因的功能明确基因之间的相互作用关系阐明基因组的进化规律

4.基因组学的发展历程流感嗜血杆菌(haemophilusinfluenzae)1995年7月第一个细菌基因组全序列发表(Science)：大小为1.8Mb。含1703个基因或开放阅读。这是微生物乃至整个生物学领域的一个里程碑。大肠杆菌1997年9月,大肠杆菌的完整基因图谱已绘制成功,基因组全序列完成,全长为5Mb,共有4288个基因,同时也搞清了所有基因产物的氨基酸序列。啤酒酵母1997年，第一个真核生物基因组图谱公布。秀丽线虫(caenorhabditiselegans)

1998年12月完成了基因组测序。基因组大小100Mb,分布于6条染色体,预测有19，099个基因。果蝇Celera公司2000年3月宣布了基因组全序列为180Mb。有13601个基因,其中一半的基因功能还没有搞清楚,有1600个碱基跨度区仍未能完全测序。拟南芥：2000年12月,第一个植物基因组——拟南芥基因组被全部测序,遗传图谱、物理图谱建立,序列大小为125Mb。基因组测序区段覆盖了全基因组的115.4Mb,分析共含有25498个基因,编码蛋白来自11000个家族。人类基因组2001年2月中旬，《Nature》与《Science》分别发表了人类基因组工作框架图,报告人类基因组共有30亿个碱基对,预测编码基因31000个,比最初预测的10万个编码基因数大大减少。2002年4月，水稻基因组图谱公布。2002年

小鼠、疟原虫和按蚊基因组测序完成鼠基因组共有约27亿个碱基对，比人类少15％，但其包含的基因数目约在3万个左右，与对人类基因数的最新估计非常接近。疟原虫的裂殖孢子疟原虫破坏两个红细胞*人被蚊子咬之后5-10分钟，疟原虫孢子到达肝脏，入侵肝细胞内就可逃逸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，一周后，肝细胞胀破，数以百万计的新孢子释放进入血液。*新的孢子立刻重新入侵红细胞，再次逃过免疫系统的攻击。且以血红蛋白为食，继续繁殖；*两天后又可再次破坏红细胞，产生更多的孢子入侵其它红细胞……不久，2/3的红细胞都会被疟原虫侵袭。*疟原虫在血液里这种周期性的繁殖过程，而导致病人三天两头地发高烧、打寒战。人肝细胞内间日疟原虫（Plasmodiumvivax）细胞前期成熟裂殖体疟原虫是疟疾的病原体，分布区几乎遍及全球。间日疟原虫是四种寄生于人体的疟原虫之一。2003年

人类基因组计划宣布，人类基因组序列图绘制成功，人类基因组计划的所有目标全部实现；人类遗传变异图谱研究以及黑猩猩基因组测序计划开始。2003年11月，世界上首个复杂生物体的蛋白图谱——果蝇蛋白图谱公布，实现了由仅显示遗传密码信息的基因图谱到揭示遗传密码功能的蛋白图谱的飞跃。果蝇（Drosophilamelanogaster）蛋白图谱发表在《科学》杂志的网络版上；研究发布的这个含有7,000多个果蝇蛋白的图谱含盖了这些蛋白之间超过20,000种不同的互相作用。果蝇蛋白有许多与人类蛋白类似，适于作为研制小分子药物如用于治疗癌症、心脏病和糖尿病的口服药片等的靶点研究。2004年３月１日多国科学家组成的两个研究小组宣布绘制出鸡的基因序列草图和遗传差异图谱。科学家选取了家鸡的远祖——红原鸡为测绘对象，绘制出了草图中约10亿个碱基对，相当于人类的三分之一。科学家在９日出版的《Nature》杂志上载文说，分析发现，红原鸡约有２万到2.3万个遗传基因，与人类数量基本持平，其中有60％与人类相同。（同源性？）鸡基因组的分析已经得出了出人意料的结果。科学家们发现，控制鸡生成角蛋白的基因与预想的不同。角蛋白构成人类的头发、指甲，以及鸟类的喙和羽毛，科学家一直认为哺乳动物和鸟类的角蛋白来源相同。但图谱显示，鸡的角蛋白基因与哺乳动物的区别很大。科学家由此推测，角蛋白可能独立了二次进化。意外的发现另外，此前科学界一致认为鸡没有嗅觉，但是分析结果表明鸡具有大量的嗅觉基因，而味觉基因却很缺乏。分析还发现，鸡缺乏人类所具有的产生乳汁、唾液和牙齿的基因。意外的发现鸡基因组研究的意义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中介体。将人类基因组与鸡等其他生物的基因组进行比较，有助于更深入理解人类基因的结构和功能，进而开发疾病治疗的新手段，对于培育优质鸡种、改善食品安全、控制禽流感病毒的蔓延也有重要意义。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要特性的遗传学基础。鸡的进化研究转基因小鸡对鸡和人类的基因组进行比较后发现约七千万个碱基对是共有的。这暗示着在大约三亿一千万年前二个物种的确是从共同祖先分化出来的——遗传物质的守恒性。鸡和所有的哺乳动物多起源于恐龙鸟类的祖先——始祖鸟“分道扬镳”在鸟类和哺乳动物分离的时候，鸡获得了生成羽毛和喙的蛋白质的基因，而哺乳动物获得了毛皮蛋白质的基因，丧失了与蛋清和蛋黄有关的基因。鸡的基因组比哺乳动物的紧凑，它拥有20万到23万个基因，但仅有十亿个DNA碱基，而同样多的基因人类需要三十亿个碱基。鸡的基因数量与哺乳动物的相当，但它的基因组含有重复的“垃圾DNA”的数量很少。我国科学家在鸡基因组学研究上的重大突破*中国科学院北京基因组研究所在国际合作的框架下参与和主持完成的红原鸡基因组和家鸡基因组多态性研究。*于2004年12月9日发表在《nature》杂志上以主题科学论文的形式发表。2004年12月10日*西南农业大学家蚕基因组研究群体的研究论文《家蚕基因组框架图》，于12月10日《Science》上以主题科学论文的形式发表，*标志我国家蚕基因组研究获国际认可。丝腺是合成茧丝蛋白质的生物器官，是蚕丝产业的生物学基础。科学家通过分析家蚕基因组和基因表达谱，发现了1874个家蚕丝腺特异基因，其中97％为新发现；发现了丝腺中激素活动的证据；科学家甚至比较了家蚕与蜘蛛丝的生产者——蜘蛛的基因构成，发现了它们的107个共同功能基因。通过对功能基因的获得和功能分析的开展，突破茧丝蛋白质合成相关基因克隆和研究的瓶颈。而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，克服丝绸天然加工弱点等重要产业技术的研发方面取得突破。二、基因组学分类***1.根据研究对象：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。2.根据研究的重点：

结构基因组学、功能基因组学、比较基因组学三、结构基因组学（一）概念和目的（二）基因图谱（三）结构基因组学研究常用方法（一）结构基因组学***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的位置和结构，为基因功能的研究奠定基础。基因定位

基因组图谱绘制

测定核苷酸序列结构基因组学

（structuralgenomics）目的：建立高分辨的遗传图谱、物理图谱、转录图谱和序列图谱。1.遗传图谱（连锁图谱）2.物理图谱（位置图谱）3.转录图谱（表达图谱）4.序列图谱（分子水平的物理图谱）

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，但是，利用现有DNA测序方法，每个测序反应通常只能得到800-1000个核苷酸的序列（800～1000bp）。只有掌握序列片段在染色体上的准确位置才能进行大量的正确的测序片段拼接。∴基因组计划的第一个环节——构建基因组图谱基因组图谱的构建

遗传图谱（geneticmap）***：采用遗传分析的方法将基因或其它DNA序列标定在染色体上构建连锁图。遗传图谱（连锁图谱）

：根据遗传性状(如已知基因位点、功能未知的DNA标记、可鉴别的表型性状)的分离比例

将其在基因组中的定位，构建相应的连锁图谱。遗传图谱（连锁图谱）通过遗传图谱可分清各基因或分子标记之间的相对距离与方向，如靠近着丝粒或端粒。遗传图谱的构建是以位于同一染色体相邻的2个基因或遗传标记的重组率为基因，因而必需要参考家系和分子遗传标记或基因作为研究基础。遗传标记特点***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。构建遗传图谱的关键是寻找基因组不同位置上的特征标记。包括：

形态标记

细胞学标记

生化标记

DNA分子标记1.形态标记形态性状：株高、颜色、白化症等又称表型标记所有的标记都必须具有多态性！

花色：白色、红色株高：高、矮血型：A、B、O型淀粉：糯、非糯多态性（polymophism）所有多态性都是基因突变的结果！数量少很多突变是致死的受环境、生育期等因素的影响最早建立的果蝇连锁图，就是利用控制果蝇眼睛的形状、颜色；躯体的颜色、翅膀的形状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。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。果蝇连锁图○摩尔根的果蝇试验摩尔根实验假说“眼睛的颜色基因（R）与性别决定的基因是结在一起的，即在X染色体上。”——链锁？也就是说：得到一条既带有白眼基因的X染色体，又有一条Y染色体的话，即发育为白眼雄果蝇。○摩尔根的果蝇试验最终成就染色体可以自由组合，但排在一条染色体上的基因是不能自由组合的——基因的“连锁”。摩尔根在长期的试验中发现，由于同源染色体的断离与结合，而产生了基因的互相交换——基因的

“互换”。（仅占１％）。连锁和交换定律——摩尔根遗传第三定律。揭示了基因是组成染色体的遗传单位，它能控制遗传性状的发育，也是突变、重组、交换的基本单位。○摩尔根的果蝇试验

亲本组合中的两个性状连在一起传给后代的现象称为连锁遗传。

果蝇的灰身（B）对黑身（b）为显性，长翅（V）对残翅（v）为显性。灰长（BBVV）×黑残（bbvv）F1灰长（BbVv）将雄蝇和雌蝇分别与双隐性黑残（bbvv）交配（测交）结果看下图。

果蝇的完全连锁和不完全连锁果蝇完全连锁解释（同源染色体未发生片段交换)果蝇不完全连锁解释（同源染色体发生片段交换）

○摩尔根提出的连锁遗传的主要内容：

·

若干个基因线性排列在染色体上，一条染色体上的基因组成一个连锁群；

·

一对同源染色体有两条染色体，一条染色体有两条染色单体，这两条染色单体称为姊妹染色体，一条染色体与另一条染色体的染色单体互称为非姊妹染色体；

·

减数分裂时同源染色体联会，非姊妹染色体发生片段交换，基因发生重新组合；

·

一对同源染色体的4条染色单体中只有2条发生了交换，产生2种重组型配子；另2条染色单体未发生交换，产生2种亲本型配子。果蝇连锁图眼睛的形状（棒、非棒）眼睛的颜色（红、紫）躯体的颜色（灰、黑）翅膀的形状（长、短）2.细胞学标记明确显示遗传多态性的染色体结构特征和数量特征染色体的核型染色体的带型染色体的结构变异染色体的数目变异优点：不受环境影响缺点：数量少、费力、费时、对生物体的生长发育不利3.生化标记

又称蛋白质标记就是利用蛋白质的多态性作为遗传标记。如：同工酶、贮藏蛋白优点：数量较多，受环境影响小缺点：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4.DNA分子标记——简称分子标记以DNA序列的多态性作为遗传标记优点：不受时间和环境的限制遍布整个基因组，数量无限不影响性状表达自然存在的变异丰富，多态性好共显性，能鉴别纯合体和杂合体DNA分子标记每种生物DNA具有稳定性，∴DNA标记本身可作为构建遗传图谱的标记，主要有以下3种类型：①限制性内切酶多态性（RFLP）②简单序列长度多态性（SSLP）③单核苷酸多态性（SSR）——微卫星标记限制性片段长度多态性

（restrictionfragmentlengthpolymorphism，RFLP）

DNA序列能否被某一酶酶切，仅相当于一对等位基因的差异。如有两个DNA分子（一对染色体），一个具有某一种酶的酶切位点，而另一个没有这个位点，酶切后形成的DNA片段长度就有差异，即多态性。可将RFLP作为标记，定位在基因组中某一位置上。人类基因组中有105个RFLP位点，每一位点只有两个等位基因。RFLP分析微卫星（micro-satellite）标记微卫星标记又称为简单重复序列标记（simplesequencerepeat，SSR）。这种重复序列的重复单位很短，常常只有2个、3个或4个核苷酸，如一条染色体TCTGAGAGAGACGC，另一条染色体TCTGAGAGAGAGAGAGAGACGC，就构成了多态性。遗传图谱的构建方法

理论基础:连锁与交换基本方法:两点测验法和三点测验法——根据重组率进行基因定位。

基因定位法：·基因定位是指确定基因在哪一条染色体的哪一个座位上。·遗传图谱是根据重组率进行基因定位的方法。·交换率可反映出基因的距离。·基因距离大，交换率大；·

基因距离小，交换率小。·

以1%的交换率作为两基因间的图距单位，用摩（Morgan）、分摩来表示。·

根据重组率进行基因定位有两点测验法和三点测验法。73

交换率测定及基因定位

交换率的概念·交换发生在减数分裂过程中，无法直接测定，只有通过基因之间的重组来估计交换发生的频率。·有时虽然发生了交换（如双交换，但没有导致重组，因此，重组率不全等于交换率，而是重组率≤交换率。·重组率是指重组型配子数占总配子数的百分率。重组型配子数难以测定，常用重组型个体数代表。□两点测验法：通过一次杂交和一次测交就可得出两个基因的距离。

AABB×aabb↓AaBb×aabb↓

亲本型

AaBbaabb重组型AabbaaBb*重组型个体数占总个体数的百分率就是交换率，*交换率×100就是这两基因间的距离。但不能定出它们的顺序。

要求出Aa、Bb、Cc三对基因的顺序和距离，就要做3次杂交和3次测交

AABB×aabb→AaBb×aabb→AaBbaabbAabbaaBbAACC×aacc→AaCc×aacc→AaCcaaccAaccaaCcBBCC×bbcc→BbCc×bbcc→BbCcbbccBbccbbCc

分别求出之间的距离，这三个基因就能定位。假如，Aa与Bb距离2.5Aa与Cc距离3.6Bb与Cc距离6.1.则Aa,Bb,Cc三对基因的顺序为Bb—Aa—Cc或Cc—Aa—Bb

□三点测验法：

通过一次杂交和一次测交就可得出三个基因的距离和顺序。P:♀黄体白眼短翅×♂灰体红眼长翅（ywm/ywm）（＋＋＋/＋＋＋）

F1：♀灰体红眼长翅×♂黄体白眼短翅（＋＋＋/ywm）（ywm/ywm）

表型基因型交换类型观察数所占%灰体红眼长翅＋＋＋/ywm亲本组合

157463.96黄体白眼短翅ywm/ywm1382灰体白眼短翅＋wm/ywm单交换1271.26黄体红眼长翅y＋＋/ywm39灰体红眼短翅＋＋m/ywm单交换276834.39黄体白眼长翅yw＋/ywm826灰体白眼长翅＋w＋/ywm双交换

100.39黄体红眼短翅y＋m/ywm8测交后代的表型和数目说明测交后代的8种表型：2种亲本型4种单交换（两种类型）亲本型数量最多，双交换最少2种双交换

距离：*双交换率＝双交换类型在后代中占的比例＝0.39%*y与w的交换率＝单交换1占的比例＋双交换率＝1.26%＋0.39%＝1.65%*w与m的交换率＝单交换2占的比例＋双交换率＝34.39%＋0.39%＝34.78%位置：※y与w的距离为1.65,w与m的距离为34.78※

以双交换类型与亲本类型相比，改变了连锁关系的基因，该基因则处在中间.ywm1.6534.78

□干涉与并发系数

·

如果两个单交换是独立的，则双交换的概率等于两个单交换概率的乘积。上例中，1.65%×34.78%＝0.57%（理论双交换率），大于双交换率0.39%，即发生了干涉。

·

干涉——一个单交换发生后，使其邻近发生单交换的机会减少。

·

并发系数——实际双交换率与理论双交换率的比值。

上例的并发系数＝0.39%/（1.65%*34.78%）＝0.68

·

干涉率＝1－并发系数＝1－0.68＝0.32

植物遗传图谱的构建

选择研究材料（亲本）构建分离群体遗传标记检测标记间的连锁分析1.选择亲本

要求亲缘关系远，遗传差异性大，但又不能相差太大以免导致引起子代不育。亲本间分子标记具有多态性。对备选材料进行多态(差异)性检测，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。2.产生构图群体：配制杂交组合，建立分离群体：单交组合产生的F2；由连续多代自交或姊妹交产生的重组近交系(recombinantinbredLines，RIL)；通过单倍体加倍而成的双倍体(doubledhaploids，DH)；利用回交或三交(复交)产生的后代群体。遗传群体构建图3.遗传标记的染色体定位：有单体、三体、代换系与附加系分析等方法，依据染色体剂量的差异

将遗传标记定位在特定染色体上。即当供体材料总DNA等量时，DNA杂交带的信号强弱与该标记位于的染色体剂量成正比。4.

标记间的连锁分析：通过分析分离群体内双亲间有多态性的遗传标记间的连锁交换情况和趋于协同分离的程度

即可确定标记间的连锁关系和遗传距离。人类遗传图谱的构建

不可能根据需要选择亲本，设计杂交组合，构建分离群体！只能检测现存家庭连续几代成员的基因型

家系分析法资料有限、必须借助于统计学方法人类基因组遗传图谱的构建：家系分析法：

22对常染色体：分析8个家系134个成员(186个减数分裂)

根据5264个STR(简单重复序列)标记绘制而成。

X染色体：另外利用12个家系170个成员，5364个SSR标记，2335个位点，标记间的平均距离599kb。物理图谱的构建用分子生物学方法直接检测DNA标记在染色体上的实际位置绘制成的图谱称为物理图谱。将各种标记直接定位于基因库中的某一点上，即DNA序列上两点间的实际距离。物理图谱的构建用于确定各遗传标记间的物理距离有两种物理图谱：（1）以已定位的DNA序列标记位点（STS）为位标，以DNA实际长度为图谱距离的基因组图谱。（2）由酵母人工染色体（YAC）和/或细菌人工染色体（BAC）连续克隆重叠群组成的物理图谱。问题：有遗传图谱为什么还要构建物理图谱？物理图谱的构建：1.遗传图谱的缺陷：⑴遗传图谱的分辩率有限：

*人类只能研究少数减数分裂事件，不能获得大量子代个体*测序要求每个标记的间隔小于100kb，实际是599kb⑵遗传图谱的精确性不高：*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*倒位、重复等染色体结构变异会限制交换重组酵母遗传图与物理图比较A:遗传图B:物理图物理作图的方法1.限制酶作图2.依靠克隆的基因组作图3.荧光原位杂交4.序列标签位点作图⑴限制性酶图谱：限制酶作图（restrictionmapping）：利用限制性内切酶绘制图谱，对于DNA分子长度<50Kb的片段，一般没有什么困难。而对于>50Kb的DNA分子，可选用稀有切点内切酶酶切DNA。限制酶作图⑵荧光原位杂交荧光原位杂交（fluorescentinsituhybridization，FISH）：是另一物理图谱构建方法，通过荧光标记的探针与DNA分子杂交，使染色体上的杂交信号（位置就是探针DNA在染色体上的图谱位点）在显微镜下可直接观察。荧光原位杂交荧光原位杂交

（fluorescentinsituhybridization，FISH）⑶序列标签位点：利用某一已知序列为标签的位点(sequencetaggedsites，STS)作探针，与基因组DNA杂交，绘制物理图谱。遗传图与物理图的整合有些标记既是遗传标记限制性片段长度多态性（RFLP）标记、简单序列长度多态性（SSR）标记，又是物理标记；某些基因序列借助这些标记可以将遗传图和物理图整合起来。基因组测序策略有了高密度的基因组图谱，就可以开始全基因组测序，测序的技术可以全自动化。测序的策略有两个：鸟枪法克隆连续序列法(clonecontig)测序方法：定向鸟枪射击法(directedshotgun)：以基因组图谱中标记为依据

测序装配和构建不同DNA片段的序列。鸟枪法（shotgunsequencing）鸟枪法的优缺点优点：不需要高密度的图谱速度快、简单、成本低缺点：拼接组装困难，尤其在重复序列多的区域主要用于重复序列少、相对简单的原核生物基因组克隆重叠群法（clonecontig）

将基因组DNA切割长度为0.1Mb－1Mb的大片段，克隆到酵母人工染色体(YAC)或细菌人工染色体(BAC)载体上然后再进行亚克隆，分别测定单个亚克隆的序列

再装配、连接成连续的DNA分子。这是一种自上而下（uptodown）的测序策略

clone-by-clonemethod两种基因组测序策略TheE.coligenomeAportionoftheE.colichromosomeshowinggenesandoperons：

Adotindicates：thepromoterforeachgeneoroperon.

Arrowsandcolorindicate:thedirectionoftranscribtion：

lightpurplegenesaretranscribedfromlefttoright.

lightred

aretranscribedfromrighttoleft.

Overlappinggeneareshowningreen.人类基因组物理图谱:遗传图谱及物理图谱构建；遗传图谱及物理图谱整合；构成更加完整的人类基因组图谱（基因在染色体上的排列不均匀）；基因组序列框架测定和分析。1）基因定位：*借助基因组图谱，可使基因定位在精度、深度、广度等方面有极大的提高。*已陆续在各种农作物上定位了许多重要农艺性状和经济性状的基因，在复杂数量性状位点(quantitativetraitloci，QTL)定位分析方面，也取得了很大进展。2）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，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，从分子水平了解物种间同源性，研究基因组的进化和染色体的演变。3）标记辅助选择(marker-assistedselectionMAS)：

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

根据图谱间接选择目的基因，可降低连锁累赘，加速目的基因的转移与利用，提高回交育种的效率。4）基因的克隆与分离：

根据基因组图谱，可以找到一个与目的基因紧密连锁的分子标记，作为染色体步行(chromosomewalking)起始点

进行基因的克隆和分离，此法亦称图位克隆法(map-basedcloning)，为基因产物未知的基因克隆提供了捷径。3.转录图谱（表达图谱）以表达序列标签（EST）为位标，根据转录顺序的位置和距离绘制的图谱，它是染色体DNA某一区域内所有可转录序列的分布图，是基因图的雏形。方法：用已在染色体定位的YACDNA或BACDNA为探针，与所有可能相关的各组织cDNA文库杂交，寻找其同源克隆并做进一步分析。EST(ExpressedSequenceTag)是从一个随机选择的cDNA克隆，进行5’端和3’端单一次测序挑选出来获得的短的cDNA部分序列,代表一个完整基因的一小部分。4.序列图谱（分子水平的物理图谱）以某一染色体上所含的全部碱基顺序绘制的图谱。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。三、结构基因组学研究常用方法1.脉冲场凝胶电泳（PFGE）2.毛细管电泳3.基因芯片技术4.全基因组随机测序四、功能基因组学（Functuionalgenomics）——后基因组学（Postgenomics）1.概念***：完成一个生物体全部基因组测序后即进入后基因组测序阶段——描述基因组所有基因的功能，包括研究基因的表达及其调控模式，这就是功能基因组学。研究角度包括：生物学功能、细胞学功能、发育学功能等。功能基因组学利用结构基因组所提供的信息和产物，全面分析基因的功能——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。由基因组静态的碱基序列研究转入对基因组动态的生物学功能研究。研究内容包括基因功能发现、基因表达分析及突变检测。“基因的功能”研究内容生物学功能：如作为蛋白质激酶对特异蛋白质进行磷酸化修饰；细胞学功能：如参与细胞间和细胞内信号传递途径；发育上功能：如参与形态建成等。“基因的功能”研究手段减法杂交差示筛选经典方法cDNA代表差异分析mRNA差异显示基因表达的系统分析（serialanalysisofgeneexpression,SAGE）cDNA微阵列（cDNAmicroarray）

新兴技术DNA芯片（DNAchip）序列标志片段显示（sequencetaggedfragmentsdisplay）（一）鉴定DNA序列中的基因（二）同源搜索设计基因功能（三）实验性设计基因功能（四）描述基因表达模式

主要具体内容包括以下方面

（一）鉴定DNA序列中的基因

对基因组序列进行注释，包括鉴定和描述推测的基因、非基因序列及其功能。根据序列分析搜寻基因的步骤

查找开放阅读框（openreadingframe,ORF）开放阅读框必须有一个起始密码子——ATG，还要有终止密码子(UAG,UAA,UGA)

。

从ATG开始，然后向下游寻找终止密码子。

起始密码子和终止密码子之间的碱基数目要能够被3整除。每一条链都有3种可能的阅读框，2条连共计有6种可能的阅读框。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，通过核苷酸序列或氨基酸序列的同源性比较推测基因组内相似功能的基因。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（三）实验性设计基因功能

对基因进行缺失查询或剔除，观察表型变化推测基因功能。（四）描述基因表达模式转录组(transcriptome):一个细胞内的一套mRNA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(功能)状态下，生命体的细胞或组织所表达的基因种类和水平。该研究领域叫转录组学(transcriptomics)。转录组学的研究方法－DNA芯片技术功能基因组学（functionalgenomics）又称后基因组学（postgenomics)基因的识别、鉴定、克隆基因结构、功能及其相互关系基因表达调控的研究大基因组测序存在两个问题：片段数(n)庞大，片段间连接和装配非常复杂，重叠数为2n2–2n；基因组中相同或相似的重复序列在连接和装配时容易出错。基因组图谱的构建：2.功能基因组学常用方法和技术⑴RNA干扰技术（RNAi）⑵蛋白质组学研究⑶生物信息学研究RNA干扰技术（RNAi）将一段dsRNA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。dsRNA依赖的转录后基因沉默。1998，Fire，线虫作用机制：A.Dicer和Slicer依赖模式:果蝇胚胎细胞和培养细胞S2B.随机降解“PCR”模型:果蝇、线虫、真菌秀丽新小杆线虫（C.elegans）蛋白质组学(proteomics)蛋白质组(proteome):是由澳大利亚学者Wasinger等于1995年提出的,是指由基因组编码的全部蛋白质。蛋白质组学(proteomics)就是指研究细胞内所有蛋白质及其动态变化规律的科学。鉴定蛋白质的产生过程、结构、功能和相互作用方式。蛋白质组(proteom)**：

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平的蛋白质的表达谱。这一研究领域叫蛋白质组学(proteomics)。双向电泳（twodimensionlectrophoresis,2-DE）：蛋白质具有等电点和分子量的特异性，将蛋白质混合物通过变性聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS），使其在电荷（等电聚焦，IEF）和分子量，两个水平上进行分离。蛋白质组学的研究方法生物信息学生物信息学是以计算机为工具,用数理及信息科学的理论和方法研究生命现象,对生物信息进行储存、检索和分析的一门学科。是一种用计算机贮存原始资料，分析生物信息，将DNA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。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。生物信息学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。∴利用生物信息学能够分析从微生物、植物以及人类基因组序列测定产生的大量资料

阐明遗传信息。五、比较基因组学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，发现和克隆人类和其他物种的基因，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。比较基因组学(comparativegenomics)涉及比较不同物种的整个基因组，以便深入理解每个基因组的功能和进化关系。进化树（系统发生树）

“微型人”生理系统与人非常相似90%的基因与人类同源小鼠

(Musmusculus)

基因共线性人类基因组计划——挖掘策略1990，美国国立卫生研究所和能源部投资＄30亿，启动了人类基因组计划，预计15年时间完成人类基因组全部序列的测定1996，完成标记密度为0.6cM的人类基因组遗传图谱，100kb的物理图谱2000，完成草图2001年2月，公布人类基因组图谱的修订版2002，完成测序工作HGP主要任务及内容

主要任务内容

物理制图确定染色体上诸如限制性内切（physicalmapping）核酸酶识别位点，或序列标志

位点（STSs）等的位置图。

遗传制图确定标志位点在一条染色体（physicalmapping）上的线性排列顺序。标志位点

间的图距以遗传学距离表示，

单位为分摩尔根（cM）

基因组DNA序列测定人类24条染色体的、由

3X109个核苷酸组成的全部DNA

序列，绘制人类基因组图谱。

通过HGP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病提供“平台”，并将成为复杂的多基因遗传病研究的发端。HGP的意义“人类基因组计划”“全基因组”信息记录着一个人有关生、老、病、死的重要信息，它是一个人全部隐私中最重要的隐私。孩子的基因组图记录一个生命的全部奥秘和隐私。是不是一个色盲，大概会长多高，能否秃顶、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。这张图要交给谁保管呢？父母？保险公司？老板？政府？

毒理基因组学研究的技术平台基因组学与转录组学技术平台蛋白组学技术平台代谢组学技术平台生物信息学平台毒理基因组学的技术平台利用微阵列技术进行基因组规模的转录表达谱分析外，还整合了其他研究领域的信息，包括细胞或组织水平的全面蛋白表达谱分析、基因多态性分析、代谢中间产物的整体分析及计算机模型的建立等。目前把对细胞内ＲＮＡ、ＤＮＡ、蛋白质、代谢中间产物的整体分析手段，称为组学技术。毒理基因组学研究的内容及应用毒作用机制研究：观察基因表达改变（DNA微列阵技术——多基因、高通量筛选基因表达水平、表达方式的改变）。化学物毒性预测：通过基因微列阵分析基因组在mRNA水平的改变，参照已知标准物基因表达谱，预测待测物毒性（基因毒物指纹分析技术）。比较毒理学研究：微列阵技术可根据毒性反应的空间定位和时间特征，确定不同种属的基因毒性反应。混合物联合毒性作用：通过比较单个或多个基因的表达改变，阐述不同化合物的联合毒作用；还可作混合物指纹DNA搜索，评价混合物的毒作用类型，确定潜在的有害效应。毒理基因组学研究的内容及应用危险度评定：基因芯片技术对有害因素的反应活性定量测定，动态描述近期、远期、潜在毒性效应，并对细胞凋亡、DNA复制和修复、细胞周期调控、信号传导等基因毒性作用瞬时记录。表型锚定：将特定基因图谱的改变与特定剂量及时间条件下毒物的损害效应相联系——细胞毒性测定。信息整合：将暴露个体的基因组学、转基因组学、蛋白组学、代谢组学的检测结果分析比对；对不同个体实验结果进行比对分析，寻找相同或差异点；对不同实验室的研究结果比对分析，获得可重复、可共用信息。系统毒理学

(systemstoxicology)基因组学改变了传统毒理学研究的方法，真正实现了从整体和器官水平向细胞和分子水平的飞跃，从组织细胞中个别或少数内容物的检测到全面审视机体所有基因、蛋白质和代谢物水平的各种“组学”技术的发展，与生物信息学及传统毒理学渗透整合，形成了全新的系统毒理学。系统毒理学

(systemstoxicology)系统毒理学：阐明毒物了对机体损伤作用和致癌过程的分子机制；建立和发展了许多新的分子生物标志物，成为沟通毒理学实验研究与人群流行病学调查的“共同语言”，将宏观与微观研究有机地结合起来，改变了化学物质危险度评价的模式,大大促进了环境医学和其他生物科学的发展。毒理基因组学在医学的应用1.所有疾病都是环境因素和遗传因素作用的结果，只是两类因素在疾病发生发展中的贡献率不同2.已知肿瘤、动脉粥样硬化等与化学物的基因突变关系密切,疾病的易感性与某些基因的突变有关3.由环境化学物和药物毒副作用引起的化学性疾病的比例越来越大，需要研究其诊断、治疗方法在重大疾病的病因和防治上发挥重要作用由各种化学物引起的中毒已成为第4－5位的死因，化学因素引起的过敏反应、哮喘病发病人数每年超过2500万

在揭示疾病发病机制上发挥重要作用为预防和发现药物毒副作用提供科学依据

毒理基因组学学方法和手段在疾病研究中具有特有的优势运用突变检测方法识别与鉴定人类疾病相关基因利用动物模型识别与鉴定致病基因通过人类和动物基因突变体、突变谱研究疾病分子机制

据WHO估计，住院病人中药物不良作用反应占10％左右。我国因药物所致耳聋约100余万人。以毒理基因组学为先导整体性地迈向分子毒理学基因组学毒理基因组学和环境基因组学

(toxicogenomicsorenvironmentalgenomics)

蛋白质组学→毒理蛋白质组学(toxicoproteomics)代谢组学→毒理代谢组学(toxicometabonomics)生物信息学或硅上生物学→硅上毒理学(insilicotoxicology)毒理学的发展趋势

由被动毒理学向主动毒理学发展毒理学评价将贯穿于新产品发现和开发的全过程，包括按GLP规范和不受GLP规范的研究早期－及时发现和淘汰因毒性不适用于进一步研究开发的化学物或化学结构，或有针对性地设计一些试验研究，解决某些重要化学物的特异性毒性问题，指导化学物合成，帮助选择先导化学物。微型化自动化样品量少不受GLP约束发现毒理学(discoverytoxicology)预测毒理学(predictivetoxicology)硅上毒理学(InSilicotoxicology)定量构效分析(QSAR)中期－根据候选产品的性质、按GLP和Guidline要求，通过一系列的毒理学试验对候选产品进行安全性评价，决定候选产品是否可以继续开发即安全地进入临床研究或现场试验。后期－实施某些毒理学试验和人体毒性研究，建立毒性标志物和临床毒性终点(clinicalendpoint)，以决定临床研究或现场试验是否可以继续进行，直至作为可否上市销售的重要依据。由低通量测试高通量测试发展

(highthroughputtesting)目前的研究一方面采用体外实验建立了急性毒性、致畸性的胚胎毒性、遗传毒性等高通量筛选系统；另一方面采用生物芯片技术建立了高通量的毒性评价和研究芯片。

如英国研制的Toxiblot芯片中专门设计了机制性毒理学、安全性评价等专用芯片。一些研究致力于发展主要器官毒性评价基因芯片和检测肝脏毒性、肾脏毒性、心脏毒性、致癌性的蛋白质组技术平台。实验动物由单一性模型特征性模型致癌试验评价模型rasH2transgenicmousemodelTgACtransgenicmousemodelp53+/-knockoutmousemodelXPA+/-knockoutmousemodelXPA+/-/p53+/-knockoutmousemodelNeonatalmouseassay(CD-1orB6C3F1mice)遵循“4R”原则，更多地采用替代动物和替代试验

替代(replacement)减少(reduction)优化(refinement)责任心(responsibility)替代法(alterativemethods)

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