第十八章基因组学课件.ppt

1、第十八章第十八章 基因组学和后基因组学基因组学和后基因组学基因组学：基因组学：是研究基因组的组成、结构和功能的是研究基因组的组成、结构和功能的学科。学科。结构基因组学：结构基因组学：着重研究基因组的结构并构建着重研究基因组的结构并构建高分辨率的遗传图、物理图、序列图和转录图以高分辨率的遗传图、物理图、序列图和转录图以及研究蛋白质组成的学科。及研究蛋白质组成的学科。功能基因组学：功能基因组学：主要是利用结构基因组学研究主要是利用结构基因组学研究所得到的各种信息在基因组水平上研究编码序列所得到的各种信息在基因组水平上研究编码序列及非编码序列生物学功能的学科。及非编码序列生物学功能的学科。v人类基因

2、组计划人类基因组计划1990年年正式启动；正式启动；2000年年6月月26日日完成工作草图；完成工作草图；2001年年2月月12日日中、美、日、德、法、英等中、美、日、德、法、英等6国科学家和美国的国科学家和美国的Celera公司联合公布了人类基因组图谱及初步分析结果；公司联合公布了人类基因组图谱及初步分析结果；2003年年4月月15日日，上述，上述6国又共同宣布了人类基因组序列图完成；国又共同宣布了人类基因组序列图完成；2004年年10月月，国际人类基因组测序联合体在，国际人类基因组测序联合体在nature周刊上发表了周刊上发表了人类基因组常染色质全序列测定的论文。人类基因组常染色质全序列测

3、定的论文。第一节第一节 人类基因组计划与基因组学人类基因组计划与基因组学v人类基因组的结构特点人类基因组的结构特点1.大小大小全长全长3.2 109bp（3200Mb）基因序列基因序列1.2 109bp（1200Mb）基因间序列基因间序列2.0 109bp（2000Mb）基因平均长基因平均长27kb，平均，平均9个外显子基因，编码序列平均个外显子基因，编码序列平均1340bp 基因基因2.编码序列小编码序列小仅占仅占1%3.非编码序列大非编码序列大占占98%以上以上4.重复序列多重复序列多v遗传标记遗传标记形态标记形态标记 细胞学标记细胞学标记 蛋白质标记蛋白质标记 DNA标记标记DNA标记的

4、优点：标记的优点：不受环境的影响，不受发育阶段的限制，不受个体和生物器官不受环境的影响，不受发育阶段的限制，不受个体和生物器官的限制；基因组的限制；基因组DNA变异丰富，可供选择的分子标记数量大变异丰富，可供选择的分子标记数量大大超过形态标记、细胞学标记和蛋白质标记的数量；大多数大超过形态标记、细胞学标记和蛋白质标记的数量；大多数DNA分子标记是共显性的，符合孟德尔遗传规律可供遗传标分子标记是共显性的，符合孟德尔遗传规律可供遗传标记作图。记作图。RFLP标记（标记（restriction fragment length polymorphism）称为限制性片段长度多态性，是指一种限制性内切酶切

5、称为限制性片段长度多态性，是指一种限制性内切酶切割来自不同个体基因组的割来自不同个体基因组的DNA或某一个基因，会得到不或某一个基因，会得到不同长度的同长度的DNA片段，表明在这种被切割的不同个体的片段，表明在这种被切割的不同个体的DNA分子上，内切酶的识别序列有差异，这种差异反映分子上，内切酶的识别序列有差异，这种差异反映在酶切片段的长度和数目上。在酶切片段的长度和数目上。AFLP标记标记 AFLP是扩增片段长度多态性（是扩增片段长度多态性（amplified fragments length polymorphism）,在在AFLP分析分析 中显示多态性的中显示多态性的DNA片段不是由于限

6、制性内切酶酶切基因组片段不是由于限制性内切酶酶切基因组DNA产生的，产生的，而是通过而是通过PCR扩增基因组扩增基因组DNA的模板产生的。的模板产生的。VNTRs标记：标记：又称可变数目串联重复又称可变数目串联重复（variable number of tandem repeats）标记，呈共显性遗）标记，呈共显性遗传，符合孟德尔传递规律。传，符合孟德尔传递规律。STS标记：标记：序列标签位点（序列标签位点（sequence-tagged site）是在染色体上定位的、序列已知的单拷贝是在染色体上定位的、序列已知的单拷贝DNA短片短片段。段。SNP标记：标记：单核苷酸多态性标记（单核苷酸多态性

7、标记（single nucleotide polymorphism）标记是同一物种不同）标记是同一物种不同个体基因组的个体基因组的DNA的等位序列上单个核苷酸存在差的等位序列上单个核苷酸存在差别的现象。别的现象。v遗传图谱（遗传图谱（genetic map）：）：又称连锁图又称连锁图（linkage map），是指确定基因或），是指确定基因或DNA 标记在染标记在染色体上的相对位置与遗传距离色体上的相对位置与遗传距离v物理图谱（物理图谱（physical map）：）：指各遗传标记之指各遗传标记之间或间或DNA 序列两点之间，以物理距离来表示其在序列两点之间，以物理距离来表示其在DNA分子上的

8、位置而构成的位置图，以实际的碱基分子上的位置而构成的位置图，以实际的碱基对或百万碱基对长度来度量其物理距离。对或百万碱基对长度来度量其物理距离。v模式生物基因组研究模式生物基因组研究第二节第二节 基因组测序与序列组装基因组测序与序列组装v基因组测序策略基因组测序策略1.自上而下（自上而下（top-down mapping）2.全基因组鸟枪法（全基因组鸟枪法（whole-genome shotgun method）自下而上（）自下而上（Bottom-up approach mapping）v基因组测序方法与组装基因组测序方法与组装末端终止法末端终止法化学修饰法化学修饰法荧光标记毛细管电泳测序荧光

9、标记毛细管电泳测序DNA芯片芯片 杂交测序杂交测序第三节第三节 基因组图谱构建与应用基因组图谱构建与应用v人类基因组遗传图谱的构建人类基因组遗传图谱的构建1.经典遗传图谱的构建经典遗传图谱的构建首先判断用来做图的基因是否连锁，然后估计基因座位的图距，并首先判断用来做图的基因是否连锁，然后估计基因座位的图距，并排列出这些基因的相互远近关系，从而构建出一张基因的连锁图。排列出这些基因的相互远近关系，从而构建出一张基因的连锁图。2.现代遗传学图谱的构建现代遗传学图谱的构建建立精细的人类遗传图谱的关键是获得足够多的高度多态性的标记建立精细的人类遗传图谱的关键是获得足够多的高度多态性的标记第一代：第一代

10、：RFLP（restriction fragment length polymorphism）第二代：第二代：STR（short tandem repeat）第三代：第三代：SNP（single nucleotide polymorphism）v物理图谱的构建物理图谱的构建细胞遗传学图谱（细胞遗传学图谱（cytogenetic map）：）：是将基因或是将基因或DNA片段片段直观定位于染色体上的物理图图谱，也称染色体图谱直观定位于染色体上的物理图图谱，也称染色体图谱（chromosome map），它是把基因或其他被分离出的），它是把基因或其他被分离出的DNA片段定位在它所在的染色体区域，并且

11、粗略地测出他们片段定位在它所在的染色体区域，并且粗略地测出他们之间相聚的碱基长度。之间相聚的碱基长度。限制酶切图谱限制酶切图谱是由一系列位置确定的多种限制性内切酶酶切位是由一系列位置确定的多种限制性内切酶酶切位点组成，以直线或环状图式表示。点组成，以直线或环状图式表示。叠连群图谱是分辨在基因文库克隆中叠连群插入片段的顺序关叠连群图谱是分辨在基因文库克隆中叠连群插入片段的顺序关系，通过相互邻接的两个片段间存在的重叠部分，推断出各系，通过相互邻接的两个片段间存在的重叠部分，推断出各叠连群覆盖整个染色体的克隆片段在染色体上的顺序叠连群覆盖整个染色体的克隆片段在染色体上的顺序。v基因组图谱的应用基因组

12、图谱的应用1.寻找新的基因寻找新的基因2.基因的克隆与分离基因的克隆与分离3.基因功能的预测基因功能的预测4.比较基因组学研究比较基因组学研究5.基因定位基因定位第五节第五节 比较基因组学和功能基因组学研究比较基因组学和功能基因组学研究v比较基因组学比较基因组学(comparative genomics)是一门通过运用数理理论和相应计算机程序，对不同物种的基是一门通过运用数理理论和相应计算机程序，对不同物种的基因组进行比较分析来研究基因组大小和基因数量、基因排列因组进行比较分析来研究基因组大小和基因数量、基因排列顺序、编码序列与非编码序列的长度、数量及特征以及物种顺序、编码序列与非编码序列的长

13、度、数量及特征以及物种进化关系等生物学问题的学科。进化关系等生物学问题的学科。v功能基因组学功能基因组学运用高通量技术来系统分析基因功能及基因间相互作用、基因运用高通量技术来系统分析基因功能及基因间相互作用、基因组的时空表达以及发现和寻找新基因。组的时空表达以及发现和寻找新基因。基因打靶：基因打靶：指通过转染的指通过转染的DNA序列与细胞内同源的基因组序序列与细胞内同源的基因组序列（靶序列）之间进行同源重组，以改变靶序列来研究其结列（靶序列）之间进行同源重组，以改变靶序列来研究其结构和功能或进行基因治疗的技术。构和功能或进行基因治疗的技术。反义反义mRNA技术：技术：通过向细胞导入一段与特定编

14、码通过向细胞导入一段与特定编码mRNA互补的非编码互补的非编码RNA链，使其与该段链，使其与该段mRNA特异性结合而定特异性结合而定向阻抑靶基因表达的技术。向阻抑靶基因表达的技术。RNA干扰：干扰：双链双链RNA特异性地作用于与其序列配对的基因而特异性地作用于与其序列配对的基因而抑制其表达的现象。抑制其表达的现象。v蛋白质组学蛋白质组学(proteomics)蛋白质组学蛋白质组学是研究细胞内全部蛋白质组成、结构与功能及其是研究细胞内全部蛋白质组成、结构与功能及其活动规律的学科。活动规律的学科。蛋白质组（蛋白质组（proteome）是指由一个基因组所表达的全部相是指由一个基因组所表达的全部相应蛋

15、白质。应蛋白质。蛋白质组与基因组的根本区别：蛋白质组与基因组的根本区别：研究手段：高通量、大规模研究手段：高通量、大规模HLPP(Human Liver Proteome Project)的科学目标的科学目标是：是：构建蛋白质表达全谱和蛋白质修饰谱，绘制蛋白质相构建蛋白质表达全谱和蛋白质修饰谱，绘制蛋白质相互作用连锁图和细胞定位图，建立符合国际标准的肝脏标本互作用连锁图和细胞定位图，建立符合国际标准的肝脏标本库，发展规模化抗体制备技术并建立肝脏蛋白质抗体库，建库，发展规模化抗体制备技术并建立肝脏蛋白质抗体库，建立完整的肝脏蛋白质组数据库，寻找药物作用靶点和探索肝立完整的肝脏蛋白质组数据库，寻找

16、药物作用靶点和探索肝脏疾病防治诊治的新思路和新方案。脏疾病防治诊治的新思路和新方案。v生物信息学与后基因组学生物信息学与后基因组学生物信息学（生物信息学（bioinformatics）：）：是运用计算机技是运用计算机技术和信息技术开发新的算法和统计方法，对生物实验数据进术和信息技术开发新的算法和统计方法，对生物实验数据进行分析，确定数据所含有的生物学意义，并开发新的数据分行分析，确定数据所含有的生物学意义，并开发新的数据分析工具以实现对各种信息的获取和管理的学科。析工具以实现对各种信息的获取和管理的学科。后基因组学：后基因组学：旨在群基因组水平研究基因功能、相互关系旨在群基因组水平研究基因功能、相互关系及调控机制为主要内容的学科，统称为后基因组学。及调控机制为主要内容的学科，统称为后基因组学。第六节第六节 基因组的进化基因组的进化v基因组进化的分子基础基因组进化的分子基础基因突变、遗传重组、染色体畸变基因突变、遗传重组、染色体畸变v基因组的起源基因组的起源1.RNA起源假说起源假说2.原基因组的形成原基因组的形成v基因组的进化基因组的进化1.基因组大小的进化基因组大小的进化2.基因组的分子进化基因组的分子进化