1、第一章第一章 核酸与分子标志物核酸与分子标志物 分子标志物（分子标志物（molecular biomarkersmolecular biomarkers）是是指可以反映机体生理、病理状态的核酸、蛋白指可以反映机体生理、病理状态的核酸、蛋白质（多肽）、质（多肽）、代谢产物（代谢产物（metabolitesmetabolites）等生等生物分子，是生物标志物的一种类型。物分子，是生物标志物的一种类型。核核 酸酸q脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）q核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）DNA高级结构的形成高级结构的形成分子生物学检验中，主要内容就是对分
2、子生物学检验中，主要内容就是对DNA一级结构的分析，即一级结构的分析，即DNA序列的分析序列的分析DNA sequencing第一代：双脱氧核苷酸末端终止法第一代：双脱氧核苷酸末端终止法DNA sequencing第二代：焦磷酸测序（第二代：焦磷酸测序（Pyrosequencing）DNA sequencing第三代：单分子实时测序（第三代：单分子实时测序（Single Molecule Real Time Sequencing,SMRT)The DNA sequencing is done on a chip that contains many ZMWs(Zero-mode wavegui
3、de)Inside each ZMW,a single active DNA polymerase with a single molecule of single stranded DNA template is immobilized to the bottom The signal from a phospho-linked nucleotide incorporated by the DNA polymerase is detected as the DNA synthesis proceeds which results in the DNA sequencing in real t
4、ime Developed by Pacific Biosciences 15-minute,$100 human genome sequencing 2022-10-89DNA sequencing 开展个体化诊断与治疗依赖于基因开展个体化诊断与治疗依赖于基因/基因组序列基因组序列 第一代测序技术：双脱氧核苷酸末端终止测序法第一代测序技术：双脱氧核苷酸末端终止测序法 一个测序反应可读有效长度：一个测序反应可读有效长度：500bp 1000bp（1Kb）完成一个人基因组测序：完成一个人基因组测序：3000000Kb（3000Mb）费用：费用：20元元3000000 6000万元万元 第二代测序
5、技术：焦磷酸测序技术（高通量）第二代测序技术：焦磷酸测序技术（高通量）Roche 454，运行，运行1次可测次可测 1000000Kb/1万美元（万美元（3万美元）万美元）Illmina，运行，运行1次可测次可测 2个人的基因组（个人的基因组（3万美元），万美元），8 day 第三代测序技术（纳米、单分子、实时）第三代测序技术（纳米、单分子、实时）费用：费用：30亿美元亿美元 3010万美元万美元？1000美元美元100美元美元 测序时间：测序时间：15年年 6周周 1周周？60分分 15分分 RNACoding RNAmRNANon-Coding RNASmall RNAsTranscrip
6、tion RNAsrRNAtRNAmiRNASnoRNASnRNApiRNARNA分类分类16s rRNA基因是进化遗传研基因是进化遗传研究的重要对象，究的重要对象，相对于细菌的相对于细菌的表型鉴定，表型鉴定，16s rRNA基因检基因检测技术已成为细菌检测和鉴定测技术已成为细菌检测和鉴定的使用广泛和快速的工具；的使用广泛和快速的工具；16S rRNA基因是存在于原核基因是存在于原核生物基因组上编码生物基因组上编码rRNA相对相对应的应的DNA序列；序列；16S rRNA基因长度是基因长度是1.5kb，具有高度保守性区域和高度特具有高度保守性区域和高度特异性区域，特异性区域成为物异性区域，特异
7、性区域成为物种特异的标志序列。种特异的标志序列。Tumor-derived miRNAs are detectable in plasma.Mitchell P S et al.PNAS 2008;105:10513-105182008 by National Academy of SciencesDetection of human prostate cancer by serum levels of tumor-associated miRNA miR-141.Mitchell P S et al.PNAS 2008;105:10513-105182008 by National Acad
8、emy of Sciences基因的结构与功能基因的结构与功能基因基因的现代分子生物学概念是指编码有功能的蛋白质多肽链或合成RNA必需的全部核酸序列，是核酸分子的功能单位。原核生物的基因结构示意图原核生物的基因结构示意图终止子终止子真核生物基因结构示意图真核生物基因结构示意图表观遗传（表观遗传（epigenetics）是指在是指在DNA序序列不发生改变的情况下，基因功能出现可列不发生改变的情况下，基因功能出现可逆的、可遗传的变化。表观遗传现象包括逆的、可遗传的变化。表观遗传现象包括组蛋白修饰、组蛋白修饰、DNA甲基化、甲基化、RNA干扰等。干扰等。表观遗传与基因功能表观遗传与基因功能DNA甲基
9、化甲基化（DNA methylation）是指生物体在是指生物体在DNA甲甲基转移酶基转移酶（DNA methyltransferase，DNMT）的催化的催化下，以下，以S-腺苷甲硫氨酸（腺苷甲硫氨酸（S-adenosyl methionine，SAM）为甲基供体，将为甲基供体，将甲基甲基转移到特定的碱基上的过程转移到特定的碱基上的过程 CpG island and CpG site 突变（突变（mutation）是指是指DNA序列的改变或重排。序列的改变或重排。从突变的尺度和性质上可以将其分为从突变的尺度和性质上可以将其分为3类：染类：染色体数目的改变（基因组突变）；染色体结构色体数目的改
10、变（基因组突变）；染色体结构的改变（染色体突变）；涉及单个基因的突变，的改变（染色体突变）；涉及单个基因的突变，也就是我们通常所讲的基因突变。也就是我们通常所讲的基因突变。点突变RNA加工突变插入/缺失突变动态突变3000Full mutationPre-mutationNormalCAG repeat350520基因组（基因组（genome）是一个细胞或一种生物体的是一个细胞或一种生物体的整套遗传物质，包括基因和非编码整套遗传物质，包括基因和非编码DNA。更准确。更准确地讲，一个生物体的基因组是指一套染色体中的地讲，一个生物体的基因组是指一套染色体中的完整的完整的DNA序列。序列。原核生物（
11、prokaryote）是细菌、支原体、衣原体、立克次体、螺旋体、放线菌和蓝绿藻等原始生物的总称，是最简单的细胞生物体，也是引起人类感染性疾病的重要病原体。（一）原核生物基因组特征（一）原核生物基因组特征1原核生物基因组较小原核生物基因组较小2原核生物的原核生物的类核（类核（nucleoid）结构结构 3原核生物的原核生物的操纵子（操纵子（operon）结构结构4原核生物的结构基因原核生物的结构基因5具有编码同工酶的基因具有编码同工酶的基因 6含有可移动含有可移动DNA序列序列质粒（质粒（plasmid）是指细菌细胞染色体以外，能独是指细菌细胞染色体以外，能独立复制并稳定遗传的共价闭合环状分子。
12、立复制并稳定遗传的共价闭合环状分子。质粒是自行复制单位，有多个拷贝者，称为质粒是自行复制单位，有多个拷贝者，称为松弛型松弛型质粒（质粒（relaxed plasmid）；仅 含 一 个 或 几 个 拷 贝 者，称 为仅 含 一 个 或 几 个 拷 贝 者，称 为 严 紧 型 质 粒严 紧 型 质 粒（stringent replication）。利用同一复制系统的不同质粒通常不能在同一菌株利用同一复制系统的不同质粒通常不能在同一菌株内稳定共存，当细胞分裂时就会分别进入不同的子内稳定共存，当细胞分裂时就会分别进入不同的子代 细 胞，这 种 现 象 叫 做 质 粒 的代 细 胞，这 种 现 象 叫
13、 做 质 粒 的 不 兼 容 性不 兼 容 性（incompatibility）。而利用不同复制系统的质粒。而利用不同复制系统的质粒（如（如F和和Col EI）可以在同一菌株内稳定共存，所）可以在同一菌株内稳定共存，所以这些质粒具有以这些质粒具有兼容性（兼容性（compatibility）。质粒类型 F质粒质粒 (Fertility plasmids)编码细菌性菌毛 R质粒质粒(Resistance plasmids)编码细菌耐药性 Col质粒质粒(colciogenic plasmid)编码大肠杆菌素 代谢质粒(Metabolic plasmid)Vi质粒质粒(virulence plasm
14、ids)编码细菌毒力因子R质粒(R plasmid)接 合 型 抗 药 质 粒：由 抗 药 转 移 因 子（RTF）和抗药决定子或称抗药基因（RDF）组成 非接合型抗药质粒：没有抗药转移因子，只有抗药基因（RDF）致育性和抗药性导致它们成为传染性抗药因子FFFF-vF质粒的接合质粒的接合携带耐药基因的转座元件携带耐药基因的转座元件 巴尔的摩病毒分类及举例巴尔的摩病毒分类及举例病毒基因组的特点病毒基因组的特点1基因组大小相差很大：基因组大小相差很大：HBV：3.2kb 痘病毒：痘病毒：300 kb2核酸结构多样性：核酸结构多样性：DNA 或或RNA 单链或双链单链或双链 合环状分子或线性分子合环
15、状分子或线性分子3基因组有重叠基因基因组有重叠基因4基因组中基因操纵子结构基因组中基因操纵子结构噬菌体噬菌体X174基因组的重叠结构基因组的重叠结构 7.多为单倍体，即每个基因只出现一次多为单倍体，即每个基因只出现一次8.相关基因丛集相关基因丛集:功能上相关的基因排列在一起功能上相关的基因排列在一起9.含有不规则结构基因含有不规则结构基因基因之间无间隔区基因之间无间隔区.mRNA5端无帽子结构端无帽子结构.结构基因本身无翻译起始序列结构基因本身无翻译起始序列.5.基因有连续的和基因有连续的和间断的间断的(有内含子有内含子)6编码序列编码序列90%(基因组基因组)人类基因组人类基因组 1单一序列
16、 又称非重复序列，在基因组中仅有单一拷贝或少数几个拷贝，约占到人类基因组的50%，绝大多数的蛋白质编码基因为单一序列，但是单一序列大部分不编码，长度一般在几个kb以下，分布在各种重复序列之间。2重复序列 人类基因组中的重复序列可以根据其组织形式分为两种：串联重复序列（tandem repeats）和分散重复序列（interspersed repeats），前一种成簇的存在于染色体的特定区域，后一种分散存在于染色体的位点上。串联重复序列：人类基因组中10%15%是串联重复序列，以各自的核心序列（重复单元）首尾相连多次重复，长度可达105bp106bp，为高度重复序列，又称为简单序列DNA，或卫星
17、DNA（satellite DNA），小卫星DNA（minisatellite DNA）微卫星DNA（microsatellite DNA）可变数目串联重复（variable number of tandem repeats，VNTR）短串联重复（short tandem repeat，STR）简单序列重复（simple sequence repeats，SSR）散在重复序列：散在重复序列为中度重复序列，可分为三种类型：第一种为长散在核元件（long interspersed nuclear element，LINE）和短散在核元件（short interspersed nuclear ele
18、ment，SINE），也称为非LTR或polyA反转录转座子（non-LTR 或polyA retrotransposons）；第二种为LTR反转录转座子（LTR-retroposons），也称为反转录病毒样元件（retrovirus-like elements）；另外一种为DNA转座子（DNA transposons）。多基因家族和假基因多基因家族和假基因 限制性片段长度多态性 小卫星和微卫星多态性小卫星和微卫星多态性 可变数目串联多态性可变数目串联多态性 单核苷酸多态性单核苷酸多态性 拷贝数多态性拷贝数多态性 核酸分子标志物核酸分子标志物 核酸分子标志物存在多种不同的形式，包括基因突变位点、基因多态性位点、等位基因、mRNA、mircoRNAs、线粒体DNA、病原生物基因组DNA、DNA甲基化位点和循环核酸（circulating nucleic acids）等
