基因組學緒論

1、 第一章 緒 論 基因組學(genomics)是遺傳學研究進入分子水平后發(fā)展起來的一個分支，主要研究生物體全基因組(genome)的分子特征。 基因組學強調的是以基因組為單位，而不是以單個基因為單位作為研究對象。 因此，基因組學的研究目標是認識基因組的結構、功能及進化， 弄清基因組包含的遺傳物質的全部信息及相互關系，為最終充分合理地利用各種有效生物資源，為預防和治療人類遺傳疾病提供科學依據。 （1986年，Renato Dulbecco 提出） “人類基因組計劃” 正式啟動于1990年。 基因組計劃研究開始于1990年，美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)和能源部(DOE)聯(lián)合啟動了被譽為“人體阿波羅

2、計劃”的“人類基因組計劃”(human genome project，HGP) 。 這是一個跨世紀、跨國界的最偉大的生命科學工程。這是一個跨世紀、跨國界的最偉大的生命科學工程。 美、英、法、德、日、中六國的合作和努力，已于美、英、法、德、日、中六國的合作和努力，已于20012001年完成年完成全部序列測定。全部序列測定。 2000年年6月月26日，各國科學家公布了人類基因組工作草圖。日，各國科學家公布了人類基因組工作草圖。 2001年8月26日人類，基因組計劃中國部分測序 項目 (人的第三號染色體短臂3p) 匯報及聯(lián)合驗收會在京召開，標志人類基因組“中國卷”通過驗收。 人類基因組計劃 中國科學

3、家:中國中科院遺傳所 楊煥明、于軍楊煥明、于軍等參加了此項計劃，占1%，第三號染色體。 人類基因組30億個堿基對測序，4萬基因（2.9-5萬）。 四張圖：遺傳圖、物理圖、轉錄圖、序列圖。 它將對生命科學和人類健康產生巨大的影響和深遠的意義。 這一成就可以與曼哈頓原子彈計劃、阿波羅人類登月計劃相媲美。 與人類登月計劃相比，HGP的資金投入少，但它對人類生活的影響都可能更深遠; 隨著這個計劃的完成，DNA分子中儲藏約有關人類生存和繁衍的全部遺傳信息將被破譯; 它將幫助我們理解人類如何作為健康人發(fā)揮正常生理功能，還將最終揭示嚴重危害人類健康疾病的機理。 “人類基因組計劃”已將其成果“醫(yī)學化”,已經鑒

4、定了4萬個基因,以克隆了近百個疾病基因,已經生產出40余種基因產品。 有人將人類基因圖比作“人類的第三張解剖圖” 第一張為人體解剖圖，第二張為染色體高分辨顯帶圖，第三張則是分子的基因圖。 而這第三張圖將揭示人類生、老、病、死的奧秘，其功能基因組學、疾病基因組學、藥物基因組學都將為各科遺傳病診斷、治療、探索疾病病因發(fā)揮作用。 第一張為人體解剖圖男性染色體46, XY女性染色體46，XX人類染色體 例如：1p31帶被分為三個亞帶，命名為1p31.1，1p31.2，1p31.3，即表示1號染色體短臂3區(qū)1帶第1亞帶、第2亞帶、第3亞帶。 1p31.3再分時，則寫為1p31.31，1p31.32，1p

5、31.33，稱為次亞帶。第二張為染色體高分辨顯帶圖 染色體高分辨顯帶能為染色體及其所發(fā)生的畸變的提供更多細節(jié)。 有助于發(fā)現(xiàn)更多、更細微的染色體結構異常，使染色體發(fā)生畸變的斷裂點定位更加準確。 因此這一技術無論在臨床細胞遺傳學、分子細胞遺傳學的檢查上，或者是在腫瘤染色體的研究和基因定位上都有廣泛的應用價值。第三張是分子的基因圖第三張是分子的基因圖測序技術質的飛躍速度提高100倍 2005年，測序技術又有了一個快速的飛躍，454生命科學公司在測序過程中采用了納米材料，使測序速度提高了100倍。 454生命科學公司也因為這項技術獲得華爾街雜志第二屆全球創(chuàng)新技術獎的金獎和醫(yī)藥生物技術類別的獎項。 該公

6、司目前已經和世界知名的羅氏宣布商業(yè)上的合作，2005年11月羅氏正式開始對中國地區(qū)提供基因組測序20系統(tǒng)。 2006年相信這項技術將不斷被完善、成熟，為廣大的科研工作者提供方便、快捷的服務！皮升級焦磷酸鹽測序法技術 基因組學的重要組成部分是基因組計劃，如人類、水稻基因組計劃，大體可分為： 1、構建基因組的遺傳圖譜 2、構建基因組的物理圖譜 3、測定基因組DNA的全部序列 4、構建基因組的轉錄本圖譜 5、分析基因組的功能 1992年8月，中國根據國情正式宣布實施自己的“水稻基因組研究計劃”，已完成水稻基因組物理圖譜的構建。 2002年4月5日，Science以14頁的篇幅刊登和宣布中國科學家獨立

7、繪制完成的水稻基因組草圖序列（4.6億）。第一節(jié) 基因基因 (gene)的定義 合成有功能的蛋白質多肽鏈或RNA所必需的全部核苷酸序列。 一般是DNA序列（或RNA病毒中的RNA）。 具有編碼一定生物功能分子的核苷酸序列。第二節(jié) 基因組(genome)(genome) 基因組是指一種生物體中的整套遺傳信息，一般為一個受精卵或一個體細胞的細胞核中所有DNA分子的總和。 基因組是一種生物體或個體細胞所具有的一套完整的基因及其調控序列。 一特定生物體的整套(單倍體)遺傳物質的總和。 基因組的大小用全部DNA的堿基對總數表示。 每種真核生物的單倍體基因組中的全部DNA量稱為C值 (C-Value)。什

8、么是什么是C 值？值？C值悖理：值悖理： 生物的復雜性與基因組的大小并不完全成比例增加。生物的復雜性與基因組的大小并不完全成比例增加。C值 (C-Value)細菌細菌真菌真菌等等動物動物陰影部分為一個門內陰影部分為一個門內C-值的范圍值的范圍 基因組可以分成染色體，染色體包含基因，而基因又由DNA組成。 “基因組”這個詞大約產生于1930年，盡管那時科學家不知道它是由什么組成的。但他們唯一認知的是，無論基因組是什么，它已足夠重要到要有一名稱命名。 地球上的每個物種都有其自己的特色基因組狗基因組、小麥基因組、母?；蚪M、感冒病毒基因組、大腸桿菌（一種存活在腸道內和動物腸道內的細菌）基因組等等。

9、由此可見基因組屬于物種所有，但是它們也屬于個體所有。在非洲熱帶草原上的每一只長頸鹿都有一套自己獨特的基因組，大象、刺槐樹和鴕鳥也一樣。 除非你是同卵雙胞胎，否則你的基因組將不同于這世上的所有其他的人，包括那些已逝去的人。 雖然你的基因組是唯一的，但是仍然可以看出是屬于人類基因組的。個人間的基因組差異只是很細小的差異，它與人類同其近鄰-黑猩猩之間的差異相比要小得多。 第三節(jié)第三節(jié) 基因組學基因組學 基因組學基因組學(genomics)：是遺傳學研究進入分子水平后發(fā)展起來的一個分支，主要研究生物體全基因組(genome)的分子特征。 特點： 是以基因組基因組為研究單位，而不是以單個基因。 目標：

10、是認識基因組的結構、功能及進化， 弄清基因組包含的全部遺傳信息及相互關系， 為最終充分合理利用各種有效資源， 預防和治療人類遺傳疾病提供科學依據。 意義意義人類是在“進化”歷程上最高級的生物 認識自身和其他生物 掌握生老病死規(guī)律和其他規(guī)律 為預防、診斷和治療人類疾病提供科學 依據 了解生命的起源等等基因組計劃的主要任務l遺傳圖譜遺傳圖譜l物理圖譜物理圖譜 l序列圖譜序列圖譜l轉錄圖譜轉錄圖譜 在進行大規(guī)模序列測定之前，構建基因組圖譜是測定大基因組全部核苷酸序列的重要一環(huán)。基因組圖譜可作為序列測定中制定測序方案的依據，以便先重后輕地分析基因，錨定測知的核酸序列在染色體上的位置。 因此，在人類基因

11、組計劃實施過程中，首先用了六年時間構建高密度的基因組圖譜，然后才進入測序工作。 構建基因組的遺傳圖譜(genetic map)；構建基因組的物理圖譜(physical map)；測定基因組DNA的全部序列；構建基因組的轉錄本圖譜；分析基因組的功能。 基因組學的重要組成部分是基因組學的重要組成部分是基因組計劃基因組計劃(genome project)u大體上可分為：大體上可分為：人類基因組計劃人類基因組計劃(human genome project，HGP) ：水稻基因組計劃水稻基因組計劃(rice genome project，RGP) 模式生物基因組計劃：模式生物基因組計劃：如酵母、線蟲、果

12、蠅、小鼠、家豬、擬南芥如酵母、線蟲、果蠅、小鼠、家豬、擬南芥一一 、基因組圖譜的構建、基因組圖譜的構建 鳥槍射擊法(shotgun) 基因組序列測定 遺傳圖譜的構建遺傳圖譜的構建物理圖譜的構建物理圖譜的構建(一) 遺傳圖譜的構建 圖譜標記圖譜標記 圖譜構建中需要可以鑒別的標記(marker)，在構建遺傳圖譜中，可用基因和DNA作為標記。(1) 基因標記基因標記 (2) DNA標記標記 基因標記：基因標記：用基因作為標記，分析各基因間的連用基因作為標記，分析各基因間的連鎖關系及遺傳距離，繪制出連鎖遺傳圖譜。鎖關系及遺傳距離，繪制出連鎖遺傳圖譜。DNADNA標記：標記：限制性內切酶多態(tài)性限制性內切

13、酶多態(tài)性(RFLP)(RFLP)、簡單序、簡單序列長度多態(tài)性列長度多態(tài)性(SSLP)(SSLP)、單核苷酸多態(tài)性、單核苷酸多態(tài)性(SNPs)(SNPs)。 例如：人類基因組遺傳圖譜的構建：例如：人類基因組遺傳圖譜的構建： 人類的遺傳圖譜是利用家系分析法，在對人類的遺傳圖譜是利用家系分析法，在對8 8個家系的個家系的134134個成員的分析中，主要根據個成員的分析中，主要根據52645264個個STRSTR標記繪制而成的。利用這些家系的資料繪制第標記繪制而成的。利用這些家系的資料繪制第1 1至至2222號染色體圖譜。對于號染色體圖譜。對于X X染染色體圖譜，還利用了來自另外色體圖譜，還利用了來自

14、另外1212個家系，個家系，170170個成員的資料繪制而成。個成員的資料繪制而成。 將將52645264個標記定位在個標記定位在23352335個位點，據此構建的人類基因組遺傳圖譜的密度為每個標個位點，據此構建的人類基因組遺傳圖譜的密度為每個標記記599 Kb599 Kb。(二二) 物理圖譜的構建物理圖譜的構建 由于遺傳圖譜的分辨率有限、精確性不高，所以還要構建物理圖譜。由于遺傳圖譜的分辨率有限、精確性不高，所以還要構建物理圖譜。 基因組物理圖譜的構建主要有三種途徑：基因組物理圖譜的構建主要有三種途徑： 限制性酶圖譜限制性酶圖譜 熒光原位雜交技術熒光原位雜交技術(FISH) (FISH) 序

15、列標簽位點序列標簽位點(STS)(STS) 如表達的序列標簽如表達的序列標簽(EST)(EST)， 來自來自cDNAcDNA 物理圖譜的構建物理圖譜的構建二二 、 基因組圖譜的應用基因組圖譜的應用 基因定位基因定位基因組比較分析基因組比較分析 標記輔助選擇標記輔助選擇(marker-assisted selection，MAS) 基因的克隆與分離基因的克隆與分離三三 、 后基因組學后基因組學 后基因組學(post-genomics)：是在完成基因組圖譜構建以及全部序列測定的基礎上，進一步研究全基因組的基因功能、基因之間的相互關系和調控機制為主要內容的學科。后基因組學主要利用DNA微列陣技術、蛋

16、白質組學、酵母菌雙雜交系統(tǒng)以及生物信息學等技術相結合，對已知的基因組序列進行研究。 1.DNA微列陣 DNA微列陣(DNA microarrays)就是利用DNA芯片技術，同時進行大量分子雜交，以分析比較不同組織或器官的基因表達水平，篩選突變基因，從核酸水平分析基因表達模式。 這是后基因組學研究中的重要方法之一 。2. 蛋白質組學 蛋白質組學(proteomics)是從蛋白質水平來研究基因組的基因表達，分析基因組的蛋白質類型、數量、空間結構變異以及相互作用的機制。在蛋白質分析中，目前主要利用奧佛諾(O Farrel，1975)發(fā)明的據蛋白質的等電點和分子量分析蛋白質的雙向電泳技術，來分析蛋白質

17、組(proteomes)。 3. 酵母菌雙雜交系統(tǒng) 酵母菌雙雜交系統(tǒng)(two hybrid-systems)是利用在酵母菌的同一個細胞中共同表達不同蛋白質，以鑒定蛋白質之間互作的一種分析方法。自從自從19961996年年酵母菌基因組全序列測定以來，酵母菌基因組全序列測定以來，在在4 4年多時間里，全世界已有年多時間里，全世界已有10001000多個實驗室，多個實驗室，50005000多名科學家從事酵母菌后基因組學的研究多名科學家從事酵母菌后基因組學的研究，共發(fā)表論文，共發(fā)表論文70007000多篇，多篇，鑒定鑒定10601060個新基因的功能，個新基因的功能，但仍然還有約但仍然還有約16001

18、600個閱讀框架的功能不清楚。個閱讀框架的功能不清楚。這些結果充分說明后基因組學研究的復雜性。這些結果充分說明后基因組學研究的復雜性。 4. 生物信息學生物信息學 l生物信息學(bioinformatics)是：利用計算機貯存原始資料，分析生物信息，將DNA芯片以及蛋白質雙向電泳結果轉變成為可讀的遺傳學信息的學科。生物信息學是將現(xiàn)代生物技術與計算機科學結合，收集、加工和處理生物資料。具體來說，它是將數學、統(tǒng)計學、計算機方法結合起來，用于綜合、分類、分析和闡述生物信息的科學。 Thanks! “人類基因組計劃”已將其成果“醫(yī)學化”,已經鑒定了4萬個基因,以克隆了近百個疾病基因,已經生產出40余種基因產品。 有人將人類基因圖比作“人類的第三張解剖圖” 第一張為人體解剖圖，第二張為染色體高分辨顯帶圖，第三張則是分子的基因圖。 而這第三張圖將揭示人類生、老、病、死的奧秘，其功能基因組學、疾病基因組學、藥物基因組學都將為各科遺傳病診斷、治療、探索疾病病因發(fā)揮作用。 “人類基因組計劃”已將其成果“醫(yī)學化”,已經鑒定了4萬個基因,以克隆了近百個疾病基因,已經生產出40余種基因產品。 有人將人類基因圖比作“人類的第三張解剖圖” 第一張為人體解剖圖，第二張為染色體高分辨顯帶圖，第三張則是分子的基因圖。 而這第三張圖將揭示人類生、老、病、死的奧秘，其功能基因組學、疾