基因組學(xué)基本知識(shí)

1、 基因組學(xué)基本知識(shí)基因組學(xué)基本知識(shí) 一、基因組學(xué)概述一、基因組學(xué)概述二、人類基因組計(jì)劃二、人類基因組計(jì)劃三、基因組學(xué)的研究?jī)?nèi)容三、基因組學(xué)的研究?jī)?nèi)容四、基因組學(xué)的應(yīng)用四、基因組學(xué)的應(yīng)用五、基因組學(xué)的研究方法五、基因組學(xué)的研究方法一、基因組學(xué)概述一、基因組學(xué)概述n基因組學(xué)（基因組學(xué)（Genomics）：）：1986年提出，指對(duì)生物體年提出，指對(duì)生物體所有基因進(jìn)行所有基因進(jìn)行基因組作圖基因組作圖、核苷酸序列分析核苷酸序列分析、基因基因定位定位和和基因功能分析基因功能分析的一門科學(xué)。的一門科學(xué)。 n基因組（基因組（Genome）：生物體配子中所包含的全部）：生物體配子中所包含的全部染色體及其基因，包

2、括細(xì)胞質(zhì)基因組，為物種全部染色體及其基因，包括細(xì)胞質(zhì)基因組，為物種全部遺傳信息的總和。也指某一生物的所有遺傳信息的總和。也指某一生物的所有DNA。物種遺傳信息的物種遺傳信息的“總詞典總詞典”、控制發(fā)育的、控制發(fā)育的“總程序總程序”、生物進(jìn)化歷史的生物進(jìn)化歷史的“總檔案總檔案”基因組學(xué)研究的最終目標(biāo)基因組學(xué)研究的最終目標(biāo)n 獲得生物體全部基因組序列獲得生物體全部基因組序列n 鑒定所有基因的功能鑒定所有基因的功能n 明確基因之間的相互作用關(guān)系明確基因之間的相互作用關(guān)系n 闡明基因組的進(jìn)化規(guī)律闡明基因組的進(jìn)化規(guī)律CREDIT: JOE SUTLIFF Science, Vol 291: 1221.F

3、ishing in a More Effective Way!釣魚(yú)釣魚(yú)竭澤而漁竭澤而漁幾個(gè)代表物種的基因組大小幾個(gè)代表物種的基因組大小300 Mbp300 Mbp1990年，國(guó)際人類基因組計(jì)劃啟動(dòng)年，國(guó)際人類基因組計(jì)劃啟動(dòng)（1）提出背景）提出背景q族群間的通婚增多，人類基因資源需要保護(hù)。族群間的通婚增多，人類基因資源需要保護(hù)。q“基因相關(guān)論基因相關(guān)論”：所有的疾病都是人類基因組：所有的疾病都是人類基因組與病原基因組中的直接或間接作用的結(jié)果。與病原基因組中的直接或間接作用的結(jié)果。q“全基因組全基因組”信息記錄著一個(gè)人有關(guān)生、老、信息記錄著一個(gè)人有關(guān)生、老、病、死的重要信息，如能否禿頂、發(fā)胖等。病

4、、死的重要信息，如能否禿頂、發(fā)胖等。二、人類基因組計(jì)劃二、人類基因組計(jì)劃（2）主要內(nèi)容：）主要內(nèi)容：q構(gòu)建基因組的遺傳圖譜；構(gòu)建基因組的遺傳圖譜；q構(gòu)建基因組的物理圖譜；構(gòu)建基因組的物理圖譜；q測(cè)定基因組測(cè)定基因組DNA的全部序列；的全部序列；q繪制基因組的轉(zhuǎn)錄本圖譜；繪制基因組的轉(zhuǎn)錄本圖譜；q分析基因組的功能。分析基因組的功能。（3）研究目的）研究目的q找出所有人類基因，破譯出人類全部遺傳信息，找出所有人類基因，破譯出人類全部遺傳信息，使得人類在分子水平上全面認(rèn)識(shí)自我使得人類在分子水平上全面認(rèn)識(shí)自我q將基因用于改善人類的生活質(zhì)量將基因用于改善人類的生活質(zhì)量q解決人類疾病、健康的問(wèn)題解決人類疾

5、病、健康的問(wèn)題（4）研究意義）研究意義確定人類基因的序列、物理位置、產(chǎn)物及功能確定人類基因的序列、物理位置、產(chǎn)物及功能理解基因轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)理解基因轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)研究空間結(jié)構(gòu)對(duì)基因調(diào)節(jié)的作用研究空間結(jié)構(gòu)對(duì)基因調(diào)節(jié)的作用發(fā)現(xiàn)與發(fā)現(xiàn)與DNA復(fù)制、重組等有關(guān)的序列復(fù)制、重組等有關(guān)的序列研究研究DNA突變、重排和染色體斷裂等，了解疾病的分突變、重排和染色體斷裂等，了解疾病的分子機(jī)制子機(jī)制確定人類基因組中轉(zhuǎn)座子、逆轉(zhuǎn)座子和病毒殘余序列確定人類基因組中轉(zhuǎn)座子、逆轉(zhuǎn)座子和病毒殘余序列研究染色體和個(gè)體之間的多態(tài)性研究染色體和個(gè)體之間的多態(tài)性（5）研究進(jìn)展）研究進(jìn)展1996年，完成標(biāo)記密度為年，完成標(biāo)記密度

6、為0.6cM的人類基因組遺的人類基因組遺傳圖譜，傳圖譜，100kb的物理圖譜的物理圖譜2000年，人類基因組框架草圖繪制完成年，人類基因組框架草圖繪制完成2001年年2月，人類基因組精細(xì)圖譜的完成月，人類基因組精細(xì)圖譜的完成 2002年，完成測(cè)序工作年，完成測(cè)序工作三、基因組學(xué)的研究?jī)?nèi)容三、基因組學(xué)的研究?jī)?nèi)容基因組學(xué)基因組學(xué)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)基因組學(xué)基因組學(xué)功能功能基因組學(xué)基因組學(xué)(后基因組學(xué)后基因組學(xué))基因組作圖基因組作圖基因定位基因定位基因組測(cè)序基因組測(cè)序物理圖譜物理圖譜遺傳圖譜遺傳圖譜轉(zhuǎn)錄本圖譜轉(zhuǎn)錄本圖譜基因結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)/功能及其相互關(guān)系功能及其相互關(guān)系基因識(shí)別基因識(shí)別/鑒定鑒定/克隆克隆基因表達(dá)

7、調(diào)控基因表達(dá)調(diào)控利用利用EST作為作為標(biāo)記所構(gòu)建的標(biāo)記所構(gòu)建的分子遺傳圖譜分子遺傳圖譜n功能基因組學(xué)：利用結(jié)構(gòu)基因組學(xué)提供的信息系統(tǒng)功能基因組學(xué)：利用結(jié)構(gòu)基因組學(xué)提供的信息系統(tǒng)地研究基因功能，從對(duì)單一基因或蛋白質(zhì)的研究轉(zhuǎn)地研究基因功能，從對(duì)單一基因或蛋白質(zhì)的研究轉(zhuǎn)向?qū)Χ鄠€(gè)基因或蛋白質(zhì)同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的研究。向?qū)Χ鄠€(gè)基因或蛋白質(zhì)同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的研究。n功能基因組學(xué)就是對(duì)基因組序列進(jìn)行詮釋功能基因組學(xué)就是對(duì)基因組序列進(jìn)行詮釋。n功能基因組學(xué)的衍生學(xué)科功能基因組學(xué)的衍生學(xué)科q轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)q比較基因組學(xué)比較基因組學(xué)n糖組學(xué)、藥物基因組學(xué)、疾病基因組學(xué)、環(huán)境基因

8、組糖組學(xué)、藥物基因組學(xué)、疾病基因組學(xué)、環(huán)境基因組學(xué)、營(yíng)養(yǎng)基因組學(xué)、表基因組學(xué)學(xué)、營(yíng)養(yǎng)基因組學(xué)、表基因組學(xué)轉(zhuǎn)錄組學(xué)轉(zhuǎn)錄組學(xué)n比較不同組織和不同發(fā)育階段、正常狀態(tài)與疾病比較不同組織和不同發(fā)育階段、正常狀態(tài)與疾病狀態(tài)，以及體外培養(yǎng)的細(xì)胞中等基因表達(dá)模式的狀態(tài)，以及體外培養(yǎng)的細(xì)胞中等基因表達(dá)模式的差異差異, 通過(guò)如通過(guò)如RT-PCR、EST、SAGE、DNA芯片芯片等分析方法，描繪特定細(xì)胞或組織在特定狀態(tài)下等分析方法，描繪特定細(xì)胞或組織在特定狀態(tài)下的基因表達(dá)的種類和豐度的信息，編制成基因表的基因表達(dá)的種類和豐度的信息，編制成基因表達(dá)的數(shù)據(jù)。達(dá)的數(shù)據(jù)。 蛋白組學(xué)蛋白組學(xué)q一個(gè)細(xì)胞或一個(gè)組織基因組所表達(dá)的

9、全部蛋白質(zhì)（在空間一個(gè)細(xì)胞或一個(gè)組織基因組所表達(dá)的全部蛋白質(zhì)（在空間和時(shí)間上動(dòng)態(tài)變化著的整體）。和時(shí)間上動(dòng)態(tài)變化著的整體）。q提供各種活性蛋白質(zhì)的翻譯時(shí)間、基因產(chǎn)物相對(duì)濃度、修提供各種活性蛋白質(zhì)的翻譯時(shí)間、基因產(chǎn)物相對(duì)濃度、修飾作用、細(xì)胞定位等信息。飾作用、細(xì)胞定位等信息。q功能蛋白質(zhì)組學(xué)功能蛋白質(zhì)組學(xué)以在特定時(shí)間、特定環(huán)境條件下的蛋白質(zhì)以在特定時(shí)間、特定環(huán)境條件下的蛋白質(zhì)為研究對(duì)象（與某一生理現(xiàn)象有關(guān)），是個(gè)別蛋白的傳統(tǒng)為研究對(duì)象（與某一生理現(xiàn)象有關(guān)），是個(gè)別蛋白的傳統(tǒng)研究和全體蛋白質(zhì)的蛋白質(zhì)組研究的中間層次。研究和全體蛋白質(zhì)的蛋白質(zhì)組研究的中間層次。q研究各活性蛋白之間的相互作用，蛋白質(zhì)與

10、研究各活性蛋白之間的相互作用，蛋白質(zhì)與DNA、RNA之間的相互作用等，揭示蛋白質(zhì)表面相互作用特征的能力，之間的相互作用等，揭示蛋白質(zhì)表面相互作用特征的能力，構(gòu)建全細(xì)胞的蛋白網(wǎng)絡(luò)。構(gòu)建全細(xì)胞的蛋白網(wǎng)絡(luò)。代謝組學(xué)代謝組學(xué)n代謝組指的是代謝組指的是“一個(gè)細(xì)胞、組織或器官中，所有代謝組分一個(gè)細(xì)胞、組織或器官中，所有代謝組分的集合，尤其指小分子物質(zhì)的集合，尤其指小分子物質(zhì)”n代謝組學(xué)是代謝組學(xué)是 “在新陳代謝的動(dòng)態(tài)進(jìn)程中，系統(tǒng)研究代謝在新陳代謝的動(dòng)態(tài)進(jìn)程中，系統(tǒng)研究代謝產(chǎn)物的變化規(guī)律，揭示機(jī)體生命活動(dòng)代謝本質(zhì)產(chǎn)物的變化規(guī)律，揭示機(jī)體生命活動(dòng)代謝本質(zhì)”的科學(xué)。的科學(xué)。n代謝組學(xué)關(guān)注的是各種代謝路徑底物和產(chǎn)

11、物的小分子代謝代謝組學(xué)關(guān)注的是各種代謝路徑底物和產(chǎn)物的小分子代謝物，反映細(xì)胞或組織在外界刺激或是遺傳修飾下代謝應(yīng)答物，反映細(xì)胞或組織在外界刺激或是遺傳修飾下代謝應(yīng)答的變化，包括糖、脂質(zhì)、氨基酸、維生素等。的變化，包括糖、脂質(zhì)、氨基酸、維生素等。比較基因組學(xué)比較基因組學(xué)n1988年，發(fā)現(xiàn)番茄和馬鈴薯的遺傳圖譜很相似。年，發(fā)現(xiàn)番茄和馬鈴薯的遺傳圖譜很相似。 n基于結(jié)構(gòu)基因組學(xué)，對(duì)基因和基因組進(jìn)行比較，以了解基基于結(jié)構(gòu)基因組學(xué)，對(duì)基因和基因組進(jìn)行比較，以了解基因的表達(dá)、功能和進(jìn)化。因的表達(dá)、功能和進(jìn)化。n對(duì)同一物種不同個(gè)體以及不同物種的基因組進(jìn)行比較，分對(duì)同一物種不同個(gè)體以及不同物種的基因組進(jìn)行比較

12、，分析基因的大小、數(shù)量，基因排列順序，編碼序列與非編碼析基因的大小、數(shù)量，基因排列順序，編碼序列與非編碼序列的特征等，以揭示物種進(jìn)化關(guān)系，克隆重要性狀基因序列的特征等，以揭示物種進(jìn)化關(guān)系，克隆重要性狀基因和進(jìn)行遺傳研究和性狀改良。和進(jìn)行遺傳研究和性狀改良。四、基因組學(xué)的應(yīng)用四、基因組學(xué)的應(yīng)用n確定物種特有的序列確定物種特有的序列n研究物種的遺傳多樣性研究物種的遺傳多樣性n研究物種的起源及系統(tǒng)進(jìn)化研究物種的起源及系統(tǒng)進(jìn)化n進(jìn)行新基因的克?。ㄈ旧w步移）進(jìn)行新基因的克隆（染色體步移）n進(jìn)行基因功能的預(yù)測(cè)進(jìn)行基因功能的預(yù)測(cè)n獲得功能分子標(biāo)記獲得功能分子標(biāo)記五、基因組學(xué)的研究方法五、基因組學(xué)的研究方法

13、（一）遺傳圖譜的構(gòu)建（一）遺傳圖譜的構(gòu)建（二）物理圖譜的構(gòu)建（二）物理圖譜的構(gòu)建（三）基因組測(cè)序（三）基因組測(cè)序（四）基因鑒定（四）基因鑒定（五）基因功能研究（五）基因功能研究（二）物理圖譜的構(gòu)建（二）物理圖譜的構(gòu)建為什么要構(gòu)建基因組圖譜？為什么要構(gòu)建基因組圖譜？基因組計(jì)劃的主要任務(wù)是獲得基因組計(jì)劃的主要任務(wù)是獲得全基因組序列全基因組序列但是，現(xiàn)在的測(cè)序方法每次只能測(cè)但是，現(xiàn)在的測(cè)序方法每次只能測(cè)8001000bp大量的測(cè)序片段要拼接大量的測(cè)序片段要拼接要知道序列在染色體上的位置才能正確拼接要知道序列在染色體上的位置才能正確拼接基因組計(jì)劃的第一個(gè)環(huán)節(jié)：構(gòu)建基因組圖譜基因組計(jì)劃的第一個(gè)環(huán)節(jié)：構(gòu)建

14、基因組圖譜v物理圖譜物理圖譜：DNA標(biāo)記在染色體上的實(shí)際位置。標(biāo)記在染色體上的實(shí)際位置。v有遺傳圖譜為什么還要構(gòu)建物理圖譜？有遺傳圖譜為什么還要構(gòu)建物理圖譜？v遺傳圖譜分別率有限，測(cè)序要求標(biāo)記間隔小于遺傳圖譜分別率有限，測(cè)序要求標(biāo)記間隔小于100kb，遺傳圖譜的標(biāo)記間隔遠(yuǎn)大于，遺傳圖譜的標(biāo)記間隔遠(yuǎn)大于100kbv精確性不夠，經(jīng)典遺傳學(xué)認(rèn)為，交換是隨機(jī)發(fā)生精確性不夠，經(jīng)典遺傳學(xué)認(rèn)為，交換是隨機(jī)發(fā)生的，但基因組中有些區(qū)域是重組熱點(diǎn)，而且倒位、的，但基因組中有些區(qū)域是重組熱點(diǎn)，而且倒位、重復(fù)等染色體結(jié)構(gòu)變異會(huì)限制交換重組重復(fù)等染色體結(jié)構(gòu)變異會(huì)限制交換重組酵酵母母遺遺傳傳圖圖與與物物理理圖圖比比較較A

15、 A 遺傳圖遺傳圖B B 物理圖物理圖人類基因組物理圖人類基因組物理圖v 1987年，年，RFLP圖譜，圖譜，403個(gè)標(biāo)記，個(gè)標(biāo)記，10Mbv 1994年，年，5800個(gè)標(biāo)記，個(gè)標(biāo)記，0.7Mbv 1996年，年，17000多個(gè)標(biāo)記，多個(gè)標(biāo)記，100kbv 完全適應(yīng)全基因組測(cè)序的要求完全適應(yīng)全基因組測(cè)序的要求（1）限制性酶切圖譜：使用酶切位點(diǎn)在基因組中出）限制性酶切圖譜：使用酶切位點(diǎn)在基因組中出現(xiàn)頻率低的內(nèi)切酶現(xiàn)頻率低的內(nèi)切酶qSma I，每，每78kb只有只有1個(gè)切點(diǎn)個(gè)切點(diǎn)qBssH ，每，每390kb只有只有1個(gè)切點(diǎn)個(gè)切點(diǎn)qNot I，每，每10Mb 只有一個(gè)切點(diǎn)只有一個(gè)切點(diǎn)構(gòu)建物理圖譜的

16、構(gòu)建物理圖譜的3條途徑條途徑限制酶作圖限制酶作圖限制酶作圖限制酶作圖（2）熒光原位雜交：通過(guò)熒光標(biāo)記的探針與）熒光原位雜交：通過(guò)熒光標(biāo)記的探針與DNA分子雜交，雜交信號(hào)即探針?lè)肿与s交，雜交信號(hào)即探針DNA在染色體在染色體上的圖譜位點(diǎn)。上的圖譜位點(diǎn)。q取處于有絲分裂中期的細(xì)胞制片，將染色體變?nèi)√幱谟薪z分裂中期的細(xì)胞制片，將染色體變性成單鏈（性成單鏈（染色體拉絲染色體拉絲），在將標(biāo)記的），在將標(biāo)記的DNA探探針變性后雜交到染色體上，保溫處理后，顯微針變性后雜交到染色體上，保溫處理后，顯微鏡下直接觀察。鏡下直接觀察。熒光原位雜交原理熒光原位雜交原理（3）序列標(biāo)簽位點(diǎn)）序列標(biāo)簽位點(diǎn)q利用某一已知序列為

17、標(biāo)簽的位點(diǎn)（利用某一已知序列為標(biāo)簽的位點(diǎn)（sequence tagged sites，STS）作探針，與）作探針，與DNA雜交，繪雜交，繪制物理圖譜。制物理圖譜。qSTS的要求：的要求：n已知序列，便于已知序列，便于PCR檢測(cè)檢測(cè)n基因組中僅一個(gè)位點(diǎn)，無(wú)重復(fù)基因組中僅一個(gè)位點(diǎn)，無(wú)重復(fù)v有些標(biāo)記既是遺傳標(biāo)記，又是物理標(biāo)記的分子有些標(biāo)記既是遺傳標(biāo)記，又是物理標(biāo)記的分子標(biāo)記如標(biāo)記如RFLP標(biāo)記、標(biāo)記、SSR標(biāo)記等標(biāo)記等v借助這些標(biāo)記利用比較作圖可以將遺傳圖和物借助這些標(biāo)記利用比較作圖可以將遺傳圖和物理圖整合起來(lái)理圖整合起來(lái)遺傳圖與物理圖的整合遺傳圖與物理圖的整合（三）基因組測(cè)序（三）基因組測(cè)序n利用

18、現(xiàn)有利用現(xiàn)有DNA測(cè)序方法，每個(gè)測(cè)序反應(yīng)通常測(cè)序方法，每個(gè)測(cè)序反應(yīng)通常只能得到只能得到800個(gè)核苷酸的序列。個(gè)核苷酸的序列。n小基因組物種常用鳥(niǎo)槍法。小基因組物種常用鳥(niǎo)槍法。鳥(niǎo)槍射擊法鳥(niǎo)槍射擊法n大基因組測(cè)序存在兩個(gè)問(wèn)題：大基因組測(cè)序存在兩個(gè)問(wèn)題：q片段數(shù)龐大，片段間連接和裝配非常復(fù)雜片段數(shù)龐大，片段間連接和裝配非常復(fù)雜q基因組中相同或相似的重復(fù)序列在連接和裝基因組中相同或相似的重復(fù)序列在連接和裝配時(shí)容易出錯(cuò)配時(shí)容易出錯(cuò)n大基因組測(cè)序方法大基因組測(cè)序方法q克隆連續(xù)序列法克隆連續(xù)序列法q定向鳥(niǎo)槍射擊法定向鳥(niǎo)槍射擊法n克隆連續(xù)序列法克隆連續(xù)序列法：DNA切割成長(zhǎng)度為切割成長(zhǎng)度為0.1-1Mb的的大

19、片段大片段克隆到克隆到Y(jié)AC或或BAC載體上載體上分別測(cè)定單分別測(cè)定單個(gè)克隆序列個(gè)克隆序列再裝配連接成連續(xù)的再裝配連接成連續(xù)的DNA分子。分子。n定向鳥(niǎo)槍射擊法定向鳥(niǎo)槍射擊法：以基因組圖譜中標(biāo)記為依據(jù)：以基因組圖譜中標(biāo)記為依據(jù)測(cè)序裝配和構(gòu)建不同測(cè)序裝配和構(gòu)建不同DNA片段的序列。片段的序列。（四）基因鑒定（四）基因鑒定n根據(jù)序列分析搜尋基因根據(jù)序列分析搜尋基因q查找開(kāi)放閱讀框（查找開(kāi)放閱讀框（open reading frame, ORF）n同源查詢同源查詢q利用數(shù)據(jù)庫(kù)的基因序列與待查基因組序列比對(duì)。利用數(shù)據(jù)庫(kù)的基因序列與待查基因組序列比對(duì)。q同源查詢可以部分彌補(bǔ)同源查詢可以部分彌補(bǔ)ORF掃描的不足。掃描的不足。根據(jù)序列分析搜尋基因根據(jù)序列分析搜尋基因 v 查找開(kāi)放閱讀框（查找開(kāi)放閱讀框（open reading frame, ORFopen reading frame, ORF）v 開(kāi)放閱讀框都有一個(gè)起始密碼子，開(kāi)放閱讀框都有一個(gè)起始密碼子，ATGATG，還要有，還要有終止密碼子終止密碼子。v 從從ATGATG開(kāi)始，然后向下游尋找終止密碼子。開(kāi)始，然后向下游尋找終止密碼子。v 起始密碼子和終止密碼子之間的堿基數(shù)目要能夠起始密碼子和終止密碼子之間的堿基數(shù)目要能夠被被3 3整除