比較基因組學(xué)與分子進(jìn)化VIP

.,比較基因組學(xué)與分子進(jìn)化Comparativegenomicsandmolecularevolution,左元梅博士,教授2010.10.13,.,必要性可行性應(yīng)用性,課程特色,.,本課程開(kāi)設(shè)的必要性,大量模式生物測(cè)序工作的完成2.公共資源數(shù)據(jù)體系的大規(guī)模建立(NCBI,USA;EMBL,European;DDBJ,Japan)3.面對(duì)海量數(shù)據(jù)，如何從這些數(shù)據(jù)中獲得自己想要的知識(shí)，搜集、管理、處理、分析、釋讀能力的要求迅速提升，4.比較基因組學(xué)和分子進(jìn)化已經(jīng)成為生命科學(xué)研究的核心和不可分割的學(xué)科。5.人類基因組計(jì)劃的巨大潛力去改善人類的健康狀況并使人類更好地生存,.,模式生物(modelorganism),生物學(xué)家通過(guò)對(duì)選定的生物物種進(jìn)行科學(xué)研究，用于揭示某種具有普遍規(guī)律的生命現(xiàn)象，此時(shí)，這種被選定的生物物種就是模式生物。比如，孟德?tīng)栐诮沂旧锝邕z傳規(guī)律時(shí)選用豌豆作為實(shí)驗(yàn)材料，而摩根選用果蠅作為實(shí)驗(yàn)材料，在他們的研究中，豌豆和果蠅就是研究生物體遺傳規(guī)律的模式生物。由于進(jìn)化的原因，許多生命活動(dòng)的基本方式在地球上的各種生物物種中是保守的，這是模式生物研究策略能夠成功的基本基礎(chǔ)。,.,模式生物,基本共同點(diǎn)：,1.有利于回答研究者關(guān)注的問(wèn)題，能夠代表生物界的某一大類群；2.對(duì)人體和環(huán)境無(wú)害，容易獲得并易于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)飼養(yǎng)和繁殖；3.世代短、子代多、遺傳背景清楚；4.容易進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，特別是具有遺傳操作的手段和表型分析的方法,.,.,Genomeproject,Resoursenumberstatusmodel,Microbialgenomes347completeE.coliFungalgenome83inprogress,completeS.cerevisiae,mushroomsViralgenome1044inprogress,completeAIDS,SARSParasiticgenome38inprogress,completeBrugiamalayi,HeteroderaglycinesInsectgenome44inprogress,completeDrosophilamelanogaster,beetle,beePlants34inprogress,completeArabidopsisthaliana,rice,soybean,maizeMammals43inprogress,completeHuman,mouse,rat,cow,dog,chimpanzeeOtheranimals84inprogress,completeC.elegans,zebrafish,chicken,DatafromNCBIandTIGRdatabase,.,NumberofGenesin,.,.,4.首張貓基因組草圖完成,GenomeRes.17:1675-1689,2007狗、小鼠、大鼠以及黑猩猩等在內(nèi)的基因組“俱樂(lè)部”,全球第一張白種人基因組圖譜,7月由美國(guó)科學(xué)家公布.中國(guó)人基因組圖譜(又稱“炎黃一號(hào)”)，第一個(gè)亞洲人全基因序列圖譜,2007.11月公布,ReleasedGenomeProjects,2007,3.恒河猴（rhesusmacaque，Macacamulatta）的基因組圖譜.Science,316:240-243.April2007.,.,5.衣藻（一種單細(xì)胞土生藻類）的基因組測(cè)定完成.Science,318:245-250.12October2007:,6.?？蚪M海葵基因組(Nematostellavectensis)Science.317:8694.6July2007:,ReleasedGenomeProjects,2007,.,ReleasedGenomeProjects,2008,1.首個(gè)甲蟲(chóng)基因組問(wèn)世(Nature，doi:10.1038/nature06784，TriboliumGenomeSequencingConsortium,3/26/2008）2.中美聯(lián)合繪就番木瓜基因組草圖Nature，452,991-996，RayMing,MaqsudulAlam,4/24/2008)3.科學(xué)家繪出鴨嘴獸基因組草圖.(Nature,453,175-183，WesleyC.Warren，RichardK.Wilson,5/8/2008)4.古老蛋白塑造細(xì)菌緊湊基因組(Science，Vol.320.no.5878,pp.935938，ChristopherJ.Cardinale，EvgenyNudler,5/16/2008)5.科學(xué)家破解根結(jié)線蟲(chóng)基因組,自然生物技術(shù)（NatureBiotechnology），doi:10.1038/nbt.1482，PierreAbad，PatrickWincker,7/29/2008）,.,ReleasedGenomeProjects,2008,6.絲盤蟲(chóng)完整基因組測(cè)序完成絲盤蟲(chóng)是擁有最小核基因組的多細(xì)胞動(dòng)物之一，但其包含的用于基因調(diào)控的特征序列可在更復(fù)雜的動(dòng)物和人類身上發(fā)現(xiàn)。該項(xiàng)研究將絲盤蟲(chóng)定義為動(dòng)物進(jìn)化的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。與包含30億個(gè)堿基對(duì)的人類核基因組相比，絲盤蟲(chóng)只有9800萬(wàn)個(gè)堿基對(duì).絲盤蟲(chóng)的線粒體基因組的大小比那些可在絕大多數(shù)動(dòng)物身上發(fā)現(xiàn)的要大2倍以上，這些動(dòng)物具有大多數(shù)原始生物一樣的基因、內(nèi)含子（染色體DNA鏈上有許多段不表達(dá)的堿基序列，被稱為內(nèi)含子）及間隔序列。絲盤蟲(chóng)與人類共享了超過(guò)80%的基因，這種動(dòng)物保留了與刺胞動(dòng)物和兩側(cè)對(duì)稱動(dòng)物最后共同祖先的很多特征，它們存在于距今6億多年前.Nature，Nature454,955-960，MansiSrivastava，DanielS.Rokhsar,9/10/20087.繪制出首幅小麥基因組物理圖譜小麥的基因組不但數(shù)量多，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此對(duì)其進(jìn)行測(cè)序被視為“不可能完成的任務(wù)”。小麥的染色體共含有170億對(duì)堿基，是水稻的約40倍，是人體的約5倍，因此測(cè)序工作進(jìn)展相對(duì)緩慢。Science，Vol.322.no.5898,pp.101-104，EtiennePaux，CatherineFeuillet,10/4/2008）,.,8.一種超級(jí)細(xì)菌的基因組測(cè)序完成。Steno是一類最新發(fā)現(xiàn)的名單不斷增加的醫(yī)院超級(jí)細(xì)菌，它們顯示出的抗藥性程度令人擔(dān)憂。新出現(xiàn)的菌株可以抵抗所有的抗生素，而當(dāng)前尚沒(méi)有開(kāi)發(fā)出真對(duì)抗這種全耐菌株的新藥。GenomeBiology2008,9:R74。9.完成大豆基因組測(cè)序。2008-12-11,ReleasedGenomeProjects,2008,.,ReleasedGenomeProjects,2009,1.高粱基因組測(cè)序。高粱基因組大約有3萬(wàn)個(gè)基因，有7.3億個(gè)核苷酸，比水稻約多75%。這項(xiàng)成果將對(duì)生物燃料和可再生能源產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生重要影響。Nature，457,551-556。2.完成牛基因組測(cè)序。牛至少有2.2萬(wàn)個(gè)基因，其中80與人類共享。牛在遺傳上與人類的相似性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)老鼠。?？梢蕴娲鷮?shí)驗(yàn)鼠作為研究人類疾病的動(dòng)物模型。Science.5926，522-528。3.馬鈴薯基因組序列框架圖.馬鈴薯基因組有12條染色體，8.4億個(gè)堿基對(duì)。2009-9。4.首次繪制出豬基因組草圖。豬的生理結(jié)構(gòu)與人類相似，是研究人類疾病的理想動(dòng)物模型，目前科學(xué)家研究糖尿病、心臟病和皮膚病等都要依賴豬。2009-11,.,1.擬南芥,20002.水稻（粳稻,日本晴）,1998,國(guó)際水稻基因組計(jì)劃啟動(dòng)2001，美國(guó)的孟山都和瑞士的辛津塔公司2005,完成.中國(guó)20%,Nature,2007.8.183.黑三葉楊,美國(guó),Science,20064.葡萄基因組計(jì)劃的完成法國(guó)，意大利,Nature,2007.8.265.大豆基因組測(cè)序。2008.6.高粱、馬鈴薯基因組測(cè)序。2009,PlantGenomeProject,.,GenomeSequencingProject,PlantgenomesizegeneNo.Publishedpaper,Arabidopsisthaliana,0.14Gbp,25,498,Nature408(2000),Rice,37,544,Nature436(2005),2859werenotfoundinArabidopsis,SoybeanLotusjaponicusMedicagotruncatula,0.40Gbp,5.6Gbpasadauntingtask,500Mbp,500Mbp,1,100Mbp,.,GenomeProjectinChina,2.家蠶基因組框架圖,2003,12,Science,1.中國(guó)水稻(秈稻)基因組，秈稻9311，2001年11月啟動(dòng),2002年4月，Science發(fā)表,.,GenomeProjectinChina,1.繪制出黃瓜基因組精細(xì)圖。黃瓜基因組共有約3.5億個(gè)堿基對(duì)，在黃瓜基因組中共發(fā)現(xiàn)了26,682個(gè)基因。NatureGenetics41,1275-1281(2009)2.白菜全基因組的精細(xì)圖，甘藍(lán)和油菜全基因組的框架圖。,.,GenomeProjectinChina,2.木薯基因組測(cè)序完成.2010.1,1.大熊貓基因組測(cè)序和組裝研究。2010.1,.,GenomeProjectinChina,1.世界第一個(gè)茶樹(shù)基因組測(cè)序計(jì)劃在昆啟動(dòng)。2010.22.啟動(dòng)“1000種動(dòng)植物基因組計(jì)劃”，計(jì)劃未來(lái)兩年內(nèi)為一千種重要?jiǎng)又参镞M(jìn)行測(cè)序，并從科學(xué)界征集測(cè)序物種的提案,.,人類基因組測(cè)序十年記,1.2000年，測(cè)序草圖完成。公共財(cái)政資助的國(guó)際人類基因組計(jì)劃，美國(guó)馬里蘭州的私人公司CeleraGenomics?？茖W(xué)家應(yīng)該努力將測(cè)序結(jié)果應(yīng)用于人類健康方面,.,Personalgenomics,20世紀(jì)50年代，Watson和Crick提出DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。,2007年5月31日DNA之父”的吉姆沃森得到了一份特殊獎(jiǎng)品-生命天書(shū),.,Nature449,773-776(2007),.,人類基因組測(cè)序十年記,1.2000年，測(cè)序草圖完成。公共財(cái)政資助的國(guó)際人類基因組計(jì)劃，美國(guó)馬里蘭州的私人公司CeleraGenomics。,2.Humangenomeatten:ScienceafterthesequenceNature465,1000-1001(2010),.,.,.,人類基因組測(cè)序十年記,20多個(gè)已發(fā)表的人類基因組數(shù)據(jù)以及近200個(gè)還未發(fā)表的基因組數(shù)據(jù)，“基因”，“基因調(diào)控”這樣的基本概念比他們想象的要復(fù)雜得多。2.不太多的進(jìn)步包括一些癌癥和罕見(jiàn)遺傳病的遺傳缺陷特異性藥物靶標(biāo)。找到常見(jiàn)的遺傳變異與疾病之間關(guān)系的研究所取得的成功相當(dāng)有限,.,Therevolutioninbiologicalinformation,Dataexplosions1.TheEMBL(EuropeanMolecularBiologyLaboratory)databaseismaintainedattheEuropeanBioinformaticsInstituteinCambridge,UK(Stoesseretal.,2003)2.GenBankismaintainedattheNationalCenterforBiotechnologyInformationinMaryland,USA(Bensonetal.,2003)3.TheDDBJ(DNADatabankofJapan)ismaintainedattheNationalinstituteofGeneticsinMishima,Japan(Miyazakietal.,2003).4.WhenscientistswillcreateandsetupdatabaseinChina?,.,課程主要內(nèi)容,1.比較基因組學(xué)與分子進(jìn)化在生命科學(xué)研究中的意義及前景2.不同模式生物的基因特征3.基因組序列的獲取和分析4.基因組序列解答有趣的生物學(xué)問(wèn)題5.基因組表達(dá)及分子進(jìn)化6.分子進(jìn)化的模型及其應(yīng)用7.從遺傳學(xué)到基因組學(xué):生物學(xué)案例的研究及分析8.比較基因組及分子進(jìn)化的新觀點(diǎn),.,課程特色和預(yù)期目的講授大家對(duì)生命科學(xué)感興趣的問(wèn)題并在求知欲的基礎(chǔ)上引出新的知識(shí)。從文獻(xiàn)中提取出研究的例子，在解答這些研究案例所遇到問(wèn)題時(shí)，探索科學(xué)的內(nèi)容。該課程希望設(shè)計(jì)成探索基因組學(xué)和分子進(jìn)化問(wèn)題的互動(dòng)平臺(tái).“在線數(shù)據(jù)庫(kù)”鼓勵(lì)學(xué)生像真正做研究一樣使用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行實(shí)時(shí)探索。“問(wèn)題探討”使學(xué)生專注于關(guān)鍵信息，利用課堂講授的工具和信息去思考。激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并在此基礎(chǔ)上理解和掌握比較基因?qū)W及分子進(jìn)化的基本原理和知識(shí),.,本課程開(kāi)設(shè)的可行性,2.豐富的經(jīng)驗(yàn):生物信息學(xué)、功能和比較基因?qū)W、蛋白組學(xué)、分子生物學(xué)、分子進(jìn)化應(yīng)用對(duì)各種模式生物的基因組信息和數(shù)據(jù)庫(kù)能夠熟練的應(yīng)用.3.充足的教材資源:美國(guó)大學(xué)生物系課程資源.,Specialty1.MolecularbiologyofPlantnutrition2.CelldevelopmentinC.elegans3.bioinformaticsandmolecularevolution4.Comparativegenomics5.Plantecologyandphysiology.,.,.,.,.,1.TheevolutionoftheGenome,T.RyanGregory主編。2005。ElsevierAcademicPress.2.探索基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和生物信息學(xué)美A.馬爾科姆坎貝爾。勞里J.海爾著，孫之榮主譯.2004.北京：科學(xué)出版社。3.MolecularEvolution:AphylogeneticApproach.RodericDMPage&EdwardCHolmes主編。2003。Blackwellpublishingcompany.,主要教材,.,5.ComparativeGenomics:BasicandAppliedResearch.JamesR.Brown.20076.Sequence-Evolution-Function:ComputationalApproachesinComparativeGenomics.EugeneV.KooninandMichaelY.Galperin.2010,主要教材,7.最新發(fā)表的國(guó)際學(xué)術(shù)前沿文章,.,.,內(nèi)容特色,.,基因組是中心法則的信息源頭,充分和完全的揭示基因組信息是目前生物學(xué)研究的基礎(chǔ)內(nèi)容,基于基因組序列信息的特點(diǎn)和其產(chǎn)生的多學(xué)科交叉可能性,可以與其他生物學(xué)科或非生物類的學(xué)科有機(jī)結(jié)合.在學(xué)習(xí)過(guò)程中,要將已經(jīng)學(xué)過(guò)組織胚胎學(xué),動(dòng)物學(xué),植物學(xué),細(xì)胞生物學(xué),分子生物學(xué)和遺傳學(xué)等學(xué)科的知識(shí)融會(huì)貫通到其中,才能很好的理解和掌握本課程的主要內(nèi)容,將數(shù)學(xué),計(jì)算機(jī)等學(xué)科的知識(shí)融會(huì)到其中也是必要的.,.,本課講授基因組學(xué)的基本技術(shù)和原理,同時(shí)講授基因組學(xué)中的熱點(diǎn)和最新進(jìn)展,更好的了解和掌握基因組學(xué).,2.本課程主要講述生物基因組的基本結(jié)構(gòu)和組成,基因組內(nèi)基因的表達(dá)和調(diào)控,基因組測(cè)序,基因組序列解讀,基因組進(jìn)化的分子基礎(chǔ),基因組進(jìn)化的模式,分子系統(tǒng)發(fā)生學(xué)等內(nèi)容,并講述人類基因組計(jì)劃的一些過(guò)程以及由此引發(fā)的道德倫理和法律問(wèn)題,系統(tǒng)向?qū)W生講授基因組學(xué)研究的基本內(nèi)容及相關(guān)進(jìn)展.3.通過(guò)該課程學(xué)習(xí),使學(xué)生了解結(jié)構(gòu)基因組,功能基因組重要研究領(lǐng)域,熱點(diǎn)問(wèn)題與發(fā)展趨勢(shì),以及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與進(jìn)展.,.,基因組學(xué)是隨著人類等基因組計(jì)劃的完成,獨(dú)立形成的一門重要的生物學(xué)科,基因組學(xué)(Genomics)是生物技術(shù)專業(yè)的限選課程,是對(duì)所有基因進(jìn)行基因組作圖(包括遺傳圖譜,物理圖譜,轉(zhuǎn)錄本圖譜),核苷酸序列分析,基因定位和基因功能分析的一門科學(xué).,.,教學(xué)方式,課堂教學(xué)課堂討論現(xiàn)場(chǎng)演示,.,Teachingstyle,*Alwaysfeelfreetoaskquestions*,UsingcombinationofEnglishandChineseMorediscussionandcommunicationbetweenus.UsemorecasesfromprojectresearchImproveyourmotivationandcriticalthinking.answerquestionsrelatedtoacademicorevenpersonalissues,.,Theimpactofthiscoursewillbe:Tocapitalizeonthecurrentnationalandinternationalrecognitionofresearchproject.TobuildoursuccessfulresearchandtrainingprogramintoaninternationallyrecognizedresearchteamMoreimportantthancredits,toaccumulatemoreresearchexperienceandcriticalthinking.,.,Instructor:YuanmeiZuo2credits,FallWednesday,13:30-17:00pm,onceaweek,TalkwhichisrelatedtoyourprojectSubmittingamini-paperfromyourcourseThisexamisopenbook,opennotes.TheonlylimitationisthatyouNOTworkwithanotherindividual.YouCANNOTCANNOTcutandpasteanswersfromInternetsources(allanswersmustbeinyourownwords!)indicatethestudentsfinalgrade,COURSEOVERVIEW,.,ETHICALCONDUCTDuringclass,pleaseberespectfulofwhoeverisspeaking.CHEATINGWILLNOTBETOLERATED.Thestrengthoftheuniversitydependsonacademicandpersonalintegrity.Cheatinghurtsourcommunitybyunderminingacademicintegrity,creatingmistrust,andfosteringunfaircompetition.Inthiscourse,youmustbehonestandtruthful.Ethicalviolationsincludecheatingonexams,plagiarism,reuseofassignments,improperuseoftheInternetandelectronicdevices,unauthorizedcollaboration,alterationofgradedassignments,forgeryandfalsification,lying,facilitatingacademicdishonesty,andunfaircompetition.Ignoranceoftheserulesisnotanexcuse,.,參考書(shū)：遺傳學(xué)分子生物學(xué)細(xì)胞生物學(xué)分子遺傳學(xué)遺傳育種學(xué)細(xì)胞遺傳學(xué)細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)植物營(yíng)養(yǎng)遺傳學(xué)植物營(yíng)養(yǎng)分子生理學(xué)植物生物化學(xué)與分子生物學(xué),.,Ihavemanybooksonmolecularbiology,biochemistryandevolutionavailableforyoutoexploreandcheckout.(Feigninginterestwillinnowayincreaseyourgrade).,Englishbooks,.,ToplisttextbookinEnglish,Molecularbiologyofthecell.Thirdedition.BruceAlberts,DennisBray,JulianLewis,MartinRaff,KeithRoberts,JamesD.1994.Watson.GarlandPublishing,Inc.NewYork&London.2.GeneticAnalysis.Fifithedition.Anrhonyj.J.F.Griffiths,JeffreyH.Miller,DavidT.Suzuki,RichardC.Lewontin,WilliamM.Gelbart.1993.W.H.FreemanandCompany/NewYork3.Biochemistry.Secondedition.Garrett&Garisham.1995.HarcourtcollegePublishers4.Analysisofbiologicaldevelopment.SecondEdition.KlausKalthoff.2001.TheMcGraw-HillCompanies,Inc.,.,1.TheevolutionoftheGnome.T.RyanGregory。2005。ElsevierAcademicPress.2.Theevolutionarybiologyofplants.KarlJ.Niklas