分子生物學(xué)基因組與比較基因組學(xué)(1)

1、編輯ppt1 一、基因組與基因組學(xué)一、基因組與基因組學(xué) Genome and Genomics 編輯ppt2 1. 基因組的概念基因組的概念 n一種生物或一種遺傳系統(tǒng)的所有基因 （遺傳物質(zhì)）的組合 染色體組（chromosome set） 基因組（genome） 編輯ppt3 2. 基因組的種類與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基因組的種類與結(jié)構(gòu)特點(diǎn) （1）種類）種類 n類核基因組（nucleoid genome） 即原核基因組（prokaryotic genome） n核基因組（nuclear genome） 即真核基因組（eukaryotic genome） n細(xì)胞器基因組（organelle genome） 線

2、粒體基因組（mitochondrial genome） 葉綠體基因組（chloroplast genome） 編輯ppt4 2. 基因組的種類與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基因組的種類與結(jié)構(gòu)特點(diǎn) n其他 病毒基因組（virus genome） 質(zhì)粒DNA（plasmid DNA） 又稱染色體外DNA（extrachromosomal DNA） 編輯ppt5 （2）大?。┐笮?n基因組大?。╣enome size）一般以單倍體基因 組的核酸量來衡量，單位有pg（10-12 g）、 Dalton（道爾頓）、bp 或 kb 、Mb等 n1 pg = 6.02 x 1011 Daltons = 9.8 x 108 bp

3、編輯ppt6 生物的復(fù)雜程度與基因組大小的關(guān)系 編輯ppt7 編輯ppt8 各 類 生 物 中 基 因 組 大 小 的 變 化 范 圍 生 物 種 類 基 因 組 大 小 范 圍 （ k b ） 最 大 / 最 小 動(dòng) 物 海 綿 動(dòng) 物 環(huán) 節(jié) 動(dòng) 物 軟 體 動(dòng) 物 甲 殼 動(dòng) 物 昆 蟲 棘 皮 動(dòng) 物 魚 類 兩 棲 動(dòng) 物 爬 行 動(dòng) 物 鳥 類 哺 乳 動(dòng) 物 植 物 藻 類 蕨 類 植 物 裸 子 植 物 被 子 植 物 49,000 139,000,000 49,000 53,900 882,000 5,190,000 421,000 5,290,000 686,000 22,

4、100,000 98,000 7,350,000 529,000 3,230,000 382,000 139,000,000 931,000 84,300,000 1,230,000 5,340,000 1,670,000 2,250,000 1,420,000 5,680,000 50,000 307,000,000 80,000 30,000,000 98,000 307,000,000 4,120,000 76,900,000 50,000 125,000,000 2,837 1 6 13 32 75 6 364 91 4 1 4 6,140 375 3,133 17 2, 500 編輯

5、ppt9 C值佯謬（C-Value Paradox） n基因組中基因數(shù)目與基因組大小無關(guān) n生物體單倍體基因組所含DNA總量稱為 C值 Eukaryotes Genome size: 80,000 folds Gene content: 40 50 folds 編輯ppt10 （3）類核基因組和核基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)）類核基因組和核基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) n類核基因組 環(huán)狀；基因排列緊密，較少非編碼序列： “streamlined” n核基因組 多線狀；大小變化范圍很大；有大量的非編 碼序列（重復(fù)序列、內(nèi)含子等） 編輯ppt11 （4）非編碼序列（）非編碼序列（non-coding sequences）

6、 n非編碼的重復(fù)序列（核基因組） (a) 局部分布的重復(fù)序列（localized repeated sequences） 串聯(lián)式（tandem）的高度重復(fù)序列（highly repeated sequences） (b) 散布的重復(fù)序列（dispersed repeated sequences） 短的散布式重復(fù)序列（short interspersed elements, SINEs） 長的散布式重復(fù)序列（long interspersed elements, LINEs） 編輯ppt12 n內(nèi)含子（intron） I 類（group I intron） II 類（group II intro

7、n） III 類（group III intron） 核mRNA內(nèi)含子（nuclear mRNA intron），即剪接體 內(nèi)含子（spliceosomal intron） 核tRNA內(nèi)含子（nuclear tRNA intron） 古細(xì)菌內(nèi)含子（archaebacterial intron） 編輯ppt13 （5）細(xì)胞器基因組）細(xì)胞器基因組 n線粒體基因組 在不同類型的生物（多細(xì)胞動(dòng)物、高等植物、原生動(dòng) 物、藻類、真菌）中變化很大 多細(xì)胞動(dòng)物：細(xì)小、致密 高等植物：復(fù)雜、不均一 原生動(dòng)物、藻類、真菌：或偏向于動(dòng)物型， 或偏向于植物型，但又有其各自的獨(dú)特之處 編輯ppt14 編輯ppt15 編

8、輯ppt16 2. 基因組的種類與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基因組的種類與結(jié)構(gòu)特點(diǎn) （5）細(xì)胞器基因組）細(xì)胞器基因組 n葉綠體基因組 比較均一，85 292 kb 特例：傘藻屬（Acetabularia），2000 kb 編輯ppt17 編輯ppt18 編輯ppt19 編輯ppt20 3. 基因組學(xué)基因組學(xué)（Genomics） （1）結(jié)構(gòu)基因組學(xué)（structural genomics） （2）功能基因組學(xué)（functional genomics） （3）進(jìn)化基因組學(xué)（evolutionary genomics） 基因組學(xué)的三個(gè)“時(shí)代” 編輯ppt21 3. 基因組學(xué)基因組學(xué) （1）結(jié)構(gòu)基因組學(xué)（structu

9、ral genomics） n基因組結(jié)構(gòu)（genome structure） 種類、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、種屬特異性 n定位基因（gene mapping） 遺傳圖譜（genetic map）與物理圖譜（physical map） n測(cè)定基因組全序列（whole-genome sequencing） 結(jié)構(gòu)基因組學(xué)研究的主要目標(biāo) 人類基因組計(jì)劃（the Human Genome Project）之前，只測(cè)定過 一些病毒（X174、T4等）的基因組全序列 編輯ppt22 Phage X174: 5375 nt 編輯ppt23 編輯ppt24 基因組全序列的測(cè)定基因組全序列的測(cè)定 1995 嗜血流感菌（Haem

10、ophilus influenzae） 1,830 kb 枝原體 Mycoplasma genitalium 580,070 bp，預(yù)計(jì)有500個(gè)基因 1996 古細(xì)菌 Methanococcus jannaschii 1,660 kb 釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae） 12,068 kb，近6,000個(gè)潛在 的蛋白質(zhì)編碼基因，近150個(gè)rRNA基因，近300個(gè)tRNA基因，還有幾十個(gè) 核小分子RNA（snRNA）基因和一大批核仁小分子RNA （snoRNA）基因 1997 大腸桿菌（Escherichia coli） 4,639 kb （目前已測(cè)定幾十種微生物的全

11、序列） 多細(xì)胞生物多細(xì)胞生物 1998 秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans） 97,000 kb 2000 黑腹果蠅（Drosophila melanogaster） 180,000 kb 2000 擬南芥（Arabidopsis thaliana） 120,000 kb 2000（6月） 人類（Homo sapiens） 3,120,000 kb 編輯ppt25 人類基因組計(jì)劃 n1.遺傳圖 n2.物理圖 n3.序列圖(*) n4.轉(zhuǎn)錄圖 意義 ( p369) 編輯ppt26 遺傳圖 n(1) 又稱為連鎖圖, 基因(或DNA標(biāo)志)在 染色體上的相對(duì)位置(遺傳距離).

12、n(2)基因的重組頻率與兩個(gè)位點(diǎn)的距離成 正相關(guān) ,重組頻率表示遺傳距離.連鎖- 不重組,重組率為0. n(3)有專門的計(jì)算公式,對(duì)復(fù)雜重組計(jì)算可 能不準(zhǔn)確. 編輯ppt27 n(4) 遺傳標(biāo)記 形態(tài)學(xué)標(biāo)記 蛋白標(biāo)記 生物化學(xué)標(biāo)記 DNA標(biāo)記 第一代 RFLP (限制性片段長度多態(tài)性) 第二代短串聯(lián)重復(fù)序列（short tandom repeat, STR, 重復(fù)次數(shù)多態(tài)性,小衛(wèi)星DNA, 微衛(wèi)星DNA) 第三代SNP (單核苷酸多態(tài)性) 編輯ppt28 物理圖 n以已知DNA序列片段(序列標(biāo)簽位點(diǎn), STS)為路 標(biāo), 以堿基對(duì)(bp)為基本測(cè)量單位的基因組圖. nSTS只是基因組中單拷貝的

13、短DNA序列. n建立物理圖,需要得到5套該基因組的DNA片 段.(建立相互重疊的相連DNA片段群) n比較準(zhǔn)確 編輯ppt29 序列圖 n序列圖是指整個(gè)人類基因組的核苷酸序 列圖，也是最詳盡的物理圖。 n代表性人類個(gè)體 n24條染色體, 約30億對(duì)核苷酸 編輯ppt30 轉(zhuǎn)錄圖 n在整個(gè)人類基因組中，只有1%5%的DNA序 列為編碼序列。在人體某一特定組織的細(xì)胞中， 一般只有10%的基因是表達(dá)的。 n如果能把某段DNA序列相應(yīng)的mRNA確定下來， 就抓住了基因的主要部分，即可轉(zhuǎn)錄部分。所 以，一張人類基因組的轉(zhuǎn)錄圖（也稱cDNA圖 或表達(dá)序列圖）才是人類基因圖的雛形。 ncDNA片段-表達(dá)序

14、列標(biāo)簽 EST 編輯ppt31 DNA的鳥槍法序列分析技術(shù) n1. 基因組DNA大片段文庫的構(gòu)建: (1) YAC-酵母人工染色體 (2) BAC-細(xì)菌人工染色體 2.靶標(biāo)鳥槍法(direted shotgun) / Clone contig法 靶標(biāo)鳥槍法: 根據(jù)染色體上已知基因或遺傳標(biāo)簽的 位置來確定部分DNA片段的排列順序,再逐步確定各 片段在染色體上的相對(duì)位置. Clone contig法: 用稀有酶將待測(cè)基因組降解為數(shù) 百kb 的片段再測(cè)序. 編輯ppt32 n結(jié)構(gòu)基因組學(xué)的成就大大促進(jìn)了生物信息學(xué) （bioinformatics）的發(fā)展 編輯ppt33 （2）功能基因組學(xué)（funct

15、ional genomics） n大規(guī)模、高通量分析基因組中基因表達(dá)的技術(shù) DNA芯片（DNA chip），即DNA微陣列（DNA microarray） n基因功能的分析 基因剔除（gene knockout） n對(duì)基因組中基因本身的認(rèn)識(shí)（基因的概念） 編碼蛋白質(zhì)的基因 編碼功能RNA的基因 非編碼的DNA也可以是基因 ？ 編輯ppt34 DNA microarray 編輯ppt35 （3）進(jìn)化基因組學(xué)（evolutionary genomics） n在整體水平上研究基因和基因組的結(jié)構(gòu)、功能 的起源與進(jìn)化 n比較基因組學(xué)（comparative genomics） 進(jìn)化基因組學(xué)的初始階段 n

16、通過比較，發(fā)現(xiàn)基因組中蛋白質(zhì)和功能RNA基 因的密度與生物的復(fù)雜程度有一定的負(fù)相關(guān) 編輯ppt36 不同生物基因組中基因的平均密度不同生物基因組中基因的平均密度 生物生物 基因組中基因的平均密度基因組中基因的平均密度 細(xì)菌 1個(gè)基因/ 1 kb 酵母 1個(gè)基因/ 2 kb 線蟲 1個(gè)基因/ 5 kb 擬南芥 1個(gè)基因/ 5 kb 果蠅 1個(gè)基因/ 13 kb 人類 1個(gè)基因/ 40 kb 密度的變化與基因組進(jìn)化中調(diào)控元件和“非基因DNA” 的擴(kuò)增有關(guān) 編輯ppt37 n基因和基因組如何通過并非很多的基本結(jié)構(gòu)單 位（構(gòu)件）的重組而進(jìn)化成新的基因和基因組 （構(gòu)件在進(jìn)化中被反復(fù)使用） n最原始的基因和基因組的起源，其后的進(jìn)化模 式與過程 編輯ppt38 4. 蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)（proteomics） （1）蛋白質(zhì)組（proteome） n“一個(gè)基因組所表達(dá)的蛋白質(zhì)” n“一種（或一個(gè)）細(xì)胞內(nèi)存在的全部蛋白質(zhì) （包括修飾后的各種蛋白質(zhì)）” n“一個(gè)生物在其生活期間所產(chǎn)生的全部蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu) 與活性” （2）蛋白質(zhì)組學(xué) n研究蛋白質(zhì)組的科學(xué) n目前的研究主要是分析蛋白質(zhì)組中蛋白質(zhì)的組成、結(jié) 構(gòu)及功能 編輯ppt39 （3）蛋白質(zhì)組學(xué)的研究技術(shù) n二維凝膠電泳（蛋白質(zhì)的分離） n質(zhì)譜（蛋白質(zhì)的分析） （4）后基因組學(xué)（post-g