基因與基因組(2學(xué)時)-2014

1、人類基因組和基因組學(xué)人類基因組和基因組學(xué) 完整的人類基因組包含：完整的人類基因組包含： 1-221-22號常染色體號常染色體 核基因組核基因組 X X和和Y Y染色體染色體線粒體基因組線粒體基因組EcoR5 33 5G G C CG G C CC C G GC C G G5 33 5G GG GC CC CC CC CG GG G5 33 5G A T CG A T CC T A GC T A G5 33 5G A T CG A T CC T A GC T A G5 33 5G G A T C CG G A T C CC C T A G GC C T A G G5 33 5G GC C T A

2、 GC C T A GG A T C CG A T C CG G5 33 5C T G C A GC T G C A GG A C G T CG A C G T C5 33 5C T G C AC T G C AG GG GA C G T CA C G T CEcoR5 33 5G G C CG G C CC C G GC C G G5 33 5G GG GC CC CC CC CG GG G5 33 5G A T CG A T CC T A GC T A G5 33 5G A T CG A T CC T A GC T A G5 33 5G G A T C CG G A T C CC C T

3、A G GC C T A G G5 33 5G GC C T A GC C T A GG A T C CG A T C CG G5 33 5C T G C A GC T G C A GG A C G T CG A C G T C5 33 5C T G C AC T G C AG GG GA C G T CA C G T Cligasevectorrestriction endonucleaseforeign DNAbacterial cellhostvTypevTypevType 20世紀(jì)人類科技發(fā)展史上的三大創(chuàng)舉世紀(jì)人類科技發(fā)展史上的三大創(chuàng)舉 90年代人類基因組計劃年代人類基因組計劃40年代

4、第一顆原子彈爆炸年代第一顆原子彈爆炸60年代人類首次登上月球年代人類首次登上月球 人類基因組計劃 的鳥槍法序列分析技術(shù) 比較基因組學(xué)及功能基因組研究Contents一、人類基因組計劃的啟動 1986年，諾貝爾獎獲得者R.Dulbecco（杜爾貝科）提出人類基因組計劃測出人類全套基因組的 DNA 堿基序列（ 3 109 bp ）。第一節(jié)人類基因組計劃 美國政府決定于 1990年正式啟動HGP，預(yù)計用 15 年時間，投入 30 億美元，完成 HGP。 由國立衛(wèi)生研究院和能源部共同組成“人類基因組研究所” 逐漸地，HGP 擴展為多國協(xié)作計劃，參與者包括：英、日、法、德和中國（1993年）。 遺傳圖（

5、遺傳圖（genetic mapgenetic map） 又稱連鎖圖（又稱連鎖圖（linkage maplinkage map） 是將每條染色體上的基因或遺傳標(biāo)記的相是將每條染色體上的基因或遺傳標(biāo)記的相對位置經(jīng)連鎖分析確定下來，構(gòu)成圖譜。對位置經(jīng)連鎖分析確定下來，構(gòu)成圖譜。遺傳距離：遺傳距離： 連鎖圖中兩個基因間圖距單位連鎖圖中兩個基因間圖距單位 厘摩（厘摩（cMcM） 1 1厘摩（厘摩（cMcM）= =減數(shù)分裂時兩個基因間重組減數(shù)分裂時兩個基因間重組值為值為1%1%。第一代第一代（19751975） 限制片斷長度限制片斷長度多態(tài)（多態(tài)（RFLPRFLP） 分布數(shù)量分布數(shù)量10105 5 多態(tài)程

6、度較多態(tài)程度較低低, ,利用價利用價值受限值受限 第二代第二代（19891989） 短串連復(fù)制序短串連復(fù)制序列 長 度 多 態(tài)列 長 度 多 態(tài)(STR) (STR) 分布數(shù)量分布數(shù)量10104 4 高度多態(tài)高度多態(tài) 第三代第三代（19961996） 單核苷酸多態(tài)單核苷酸多態(tài)（SNPSNP） 分布數(shù)量分布數(shù)量3 310106 6 一般為二態(tài)一般為二態(tài)單體型分析單體型分析 DNADNA遺傳標(biāo)記遺傳標(biāo)記 多態(tài)性：人的DNA序列上平均每幾百個堿基會出現(xiàn)一些變異（variation），并按照孟德爾遺傳規(guī)律由親代傳給子代，從而在不同個體間表現(xiàn)出不同，因而被稱為多態(tài)性（Polymorphism）。 第一代

7、多態(tài)性標(biāo)記是RFLP（restriction fragment length polymorphism，限制性片段長度多態(tài)性） 第二代多態(tài)性標(biāo)記是短的串聯(lián)重復(fù)序列 包括小衛(wèi)星DNA和微衛(wèi)星DNA，其多態(tài)性主要來自重復(fù)序列拷貝數(shù)的變化小衛(wèi)星DNA由15-65bp的基本單位串聯(lián)重復(fù)而成，長度一般不超過20kb。重復(fù)次數(shù)（小衛(wèi)星DNA區(qū)的長度）在人群中是高度變異的；按照孟德爾的規(guī)律遺傳微衛(wèi)星DNA/簡短串聯(lián)重復(fù)（STR、STRP或SSLP）重復(fù)單元2-8bp，通常重復(fù)10-60次CTAGCTTATATATATATATATATATATATAAGCTTGC 真核生物基因組中的DNA重復(fù)序列主要有哪些類型

8、？簡要說明基因組重復(fù)序列可能的生物學(xué)意義以及基因組重復(fù)序列在分子標(biāo)記研究中的應(yīng)用 （12分）中國科學(xué)院2002年 碩士學(xué)位研究生入學(xué)分子遺傳學(xué)試題第三代多態(tài)性標(biāo)記是單核苷酸的多態(tài)性（single nucleotide polymorphism，SNP）SNP：是由于單個核苷酸改變而導(dǎo)致的核酸序列多態(tài)。人類999的基因密碼是相同的，而差異不到01，不同人群僅有140萬個核苷酸差異。這些差異是由“單一核苷酸多樣性”（SNP）產(chǎn)生的，它構(gòu)成了不同個體的遺傳基礎(chǔ)。在整個基因組序列中，人與人之間的變異僅為萬分之一，從而說明人類不同“種屬”之間并沒有本質(zhì)上的區(qū)別。 SNP與RFLP和STR標(biāo)記的主要不同之

9、處在于，它不再以DNA片段的長度變化作為檢測手段，而直接以序列變異作為標(biāo)記。l 物理圖（物理圖（physical map） 是要將隨機長度的是要將隨機長度的DNA片斷在染色體上片斷在染色體上的的 排列順序確定下來。這些克隆排列順序確定下來。這些克隆DNA片斷片斷連接起來，形成重疊克隆群（連接起來，形成重疊克隆群（Conting），），再將一個個（再將一個個（Conting)相連成線狀，覆蓋整相連成線狀，覆蓋整個染色體。這主要靠單拷貝個染色體。這主要靠單拷貝DNA序列標(biāo)定序列標(biāo)定部位（部位（STS）作路標(biāo)來實現(xiàn)。）作路標(biāo)來實現(xiàn)。 序列圖（序列圖（sequence mapsequence map）

10、 是通過對基因組是通過對基因組DNADNA進行堿基排列順序分進行堿基排列順序分析而建立的。析而建立的。 兩種技術(shù)路線：兩種技術(shù)路線： 1.1.公共序列路線：即在物理圖基礎(chǔ)上，公共序列路線：即在物理圖基礎(chǔ)上，將各個將各個BACBAC克隆片段切成更短的片段，形成亞克隆片段切成更短的片段，形成亞克隆分別進行測序，再將相互重疊的讀出序克隆分別進行測序，再將相互重疊的讀出序列組裝成連續(xù)重疊線。列組裝成連續(xù)重疊線。 2. 2.“鳥槍法鳥槍法”測序路線：即直接將基因組測序路線：即直接將基因組DNADNA分割成分割成20kb20kb左右的小片段進行隨機測序，左右的小片段進行隨機測序，再用超級計算機組裝成重疊線

11、。所形成的序再用超級計算機組裝成重疊線。所形成的序列圖稱列圖稱celeracelera序列。序列。 ACGTCCGATCGGTTCATGCC ACGTCCGATCGGTTCATGCC TCGGTTCATGCCAATGCCGTCC TCGGTTCATGCCAATGCCGTCC第二節(jié) DNA的鳥槍法序列分析技術(shù) DNA的鳥槍法測序原理2000年年6月公共領(lǐng)域測序計劃工作框架圖月公共領(lǐng)域測序計劃工作框架圖二、DNA的鳥槍法測序的主要步驟 第一，建立高度隨機、插入片段大小為2kb左右的基因組文庫。 第二，高效、大規(guī)模的末端測序。 第三，序列集合。 第四，填補缺口。 Shotgun法序列拼接的鳥槍法測序

12、的優(yōu)缺點隨著所測基因組總量增大，所需測序的片段大量增加高等真核生物（如人類）基因組中有大量重復(fù)序列，導(dǎo)致判斷失誤基因圖（基因圖（gene mapgene map） 即在序列圖基礎(chǔ)上，用不同的方法測即在序列圖基礎(chǔ)上，用不同的方法測定各個基因所在區(qū)域位置。定各個基因所在區(qū)域位置。 基因圖測定方法：基因圖測定方法： 1.CpG1.CpG島的應(yīng)用：大多數(shù)持家基因和島的應(yīng)用：大多數(shù)持家基因和40%40%組織特異性基因組織特異性基因5 5端均存在端均存在CpGCpG島序列。制備島序列。制備探針，染色體涂染指示基因位置分布。探針，染色體涂染指示基因位置分布。 2. 2.計算機識別：研發(fā)計算機計算機識別：研發(fā)

13、計算機GRAILGRAIL系統(tǒng)，可系統(tǒng)，可識別每個基因區(qū)的外顯子識別每個基因區(qū)的外顯子- -內(nèi)含子接頭區(qū)保守內(nèi)含子接頭區(qū)保守序列。序列。 3.cDNA3.cDNA策略：由組織細(xì)胞中表達(dá)策略：由組織細(xì)胞中表達(dá)mRNAmRNA，逆，逆轉(zhuǎn)錄合成轉(zhuǎn)錄合成cDNAcDNA片段，稱為表達(dá)序列標(biāo)簽片段，稱為表達(dá)序列標(biāo)簽（ESTEST），將收獲），將收獲ESTEST定位后，構(gòu)建的圖稱為轉(zhuǎn)定位后，構(gòu)建的圖稱為轉(zhuǎn)錄圖，是人類基因圖雛形。錄圖，是人類基因圖雛形。二、人類基因組計劃的進展?fàn)顩r（1）截至 1998 年 10 月，完成 1.8 108bp，占計劃的 6。（2）完成一系列模式生物全基因組測定。 這些模式生物

14、全基因組測定的完成有重大理論與現(xiàn)實意義。（3）DNA 測序技術(shù)飛速提高 1998.5.9. J.C. Venter 等宣布，組建商業(yè)公司，投入 3 億美元，3 年內(nèi)完成。 接著又有若干家公司成立，總共投入資金約幾十億美元，形成“公”“私”并進格局。 2000.6. 完成并公布人類基因組工作框架圖( 90%)。二二000年六月二十六日克林頓宣布年六月二十六日克林頓宣布人類基因組草圖繪制完成人類基因組草圖繪制完成2000年年6月公共領(lǐng)域測序計劃工作框架圖月公共領(lǐng)域測序計劃工作框架圖 美國國家人類基因組研究所所長弗朗西斯柯林斯在介紹情況。人類基因組草圖基本信息 由由31.65億億bp組成組成 含含3

15、3.5萬基因萬基因 與蛋白質(zhì)合成有關(guān)與蛋白質(zhì)合成有關(guān) 的基因占的基因占2%人類基因組人類基因組人類蛋白質(zhì)人類蛋白質(zhì) 61%與果蠅同源與果蠅同源 43%與線蟲同源與線蟲同源 46%與酵母同源與酵母同源2001年2月16日 人類基因組“精細(xì)圖”完成(99%)。 2003年4月14日，人類基因組序列圖亦稱“完成圖”（99.99%），提前繪制成功。 人類基因組結(jié)構(gòu)的分析人類基因組結(jié)構(gòu)的分析 1.1. 人類基因組人類基因組DNADNA全長約全長約3 310109 9bpbp，相當(dāng)，相當(dāng)36003600厘摩（厘摩（cMcM）。其中僅有約）。其中僅有約5%5%的序列為編碼的序列為編碼序列（編碼蛋白或序列（編

16、碼蛋白或tRNAtRNA、rRNArRNA等）。等）。 2.2. 人類基因組中可能有人類基因組中可能有20000-2500020000-25000個基因，個基因，其中編碼蛋白質(zhì)的外顯子只占基因組其中編碼蛋白質(zhì)的外顯子只占基因組DNADNA的的1%1%，內(nèi)含子則占內(nèi)含子則占24%24%。每個基因平均長。每個基因平均長27kb27kb，平均，平均含有含有9 9個外顯子。不同個體間，基因編碼僅有個外顯子。不同個體間，基因編碼僅有0.01%0.01%的差異。的差異。 3. 3. 基因在各個染色體上的分布是不均基因在各個染色體上的分布是不均勻的，勻的，1717、1919、2222號染色體基因密度最高，號

17、染色體基因密度最高，而而4 4、1313、1818、X X、Y Y染色體基因密度最低。染色體基因密度最低。人類基因組中約人類基因組中約20%20%的區(qū)段是沒有基因的的區(qū)段是沒有基因的“沙漠沙漠”。人類基因組的特征人類基因組的特征 200002000025000 25000 個蛋白編碼基因個蛋白編碼基因 許多特征（基因、轉(zhuǎn)座子、許多特征（基因、轉(zhuǎn)座子、GCGC含量、含量、CpGCpG島和重組島和重組率等）在基因組上分布不均率等）在基因組上分布不均 大部分轉(zhuǎn)座子活性明顯下降大部分轉(zhuǎn)座子活性明顯下降 染色體末端重組率較高，著絲粒附近較低，越短染色體末端重組率較高，著絲粒附近較低，越短的染色體重組率越

18、高，重組率在不同性別之間有的染色體重組率越高，重組率在不同性別之間有差別差別 含大量含大量SNPSNP三、人類基因組計劃的科學(xué)意義（1）確定人類基因組中約5萬個編碼基因的序列及其在基因組中的物理位置，研究基因的產(chǎn)物及其功能。（2）了解轉(zhuǎn)錄和剪接調(diào)控元件的結(jié)構(gòu)與位置，從整個基因組結(jié)構(gòu)的宏觀水平上理解基因轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)。（3）從整體上了解染色體結(jié)構(gòu)，包括各種重復(fù)序列以及非轉(zhuǎn)錄“框架序列”的大小和組織，了解各種不同序列在形成染色體結(jié)構(gòu)、DNA復(fù)制、基因轉(zhuǎn)錄及表達(dá)調(diào)控中的影響與作用。（4）研究空間結(jié)構(gòu)對基因調(diào)節(jié)的作用。有些基因的表達(dá)調(diào)控序列與被調(diào)節(jié)基因從直線距離上看，似乎相距甚遠(yuǎn)，但若從整個染色體的

19、空間結(jié)構(gòu)上看則恰恰處于最佳的調(diào)節(jié)位置，因此，有必要從三維空間的角度來研究真核基因的表達(dá)調(diào)控規(guī)律。（5）發(fā)現(xiàn)與DNA復(fù)制、重組等有關(guān)的序列。DNA的忠實復(fù)制保障了遺傳的穩(wěn)定性，正常的重組提供了變異與進化的分子基礎(chǔ)。局部DNA的推遲復(fù)制、異常重組等現(xiàn)象則導(dǎo)致疾病或者胚胎不能正常發(fā)育，因此，了解與人類DNA正常復(fù)制和重組有關(guān)的序列及其變化，將對研究人類基因組的遺傳與進化提供重要的結(jié)構(gòu)上的依據(jù)。（6）研究DNA突變、重排和染色體斷裂等，了解疾病的分子機制，包括遺傳性疾病、易感性疾病、放射性疾病甚至感染性疾病引發(fā)的分子病理學(xué)改變及其進程，為這些疾病的診斷、預(yù)防和治療提供理論依據(jù)。（7）確定人類基因組中轉(zhuǎn)

20、座子、逆轉(zhuǎn)座子和病毒殘余序列，研究其周圍序列的性質(zhì)。了解有關(guān)病毒基因組侵染人類基因組后的影響，可能指導(dǎo)人類有效地利用病毒載體進行基因治療。（8）研究染色體和個體之間的多態(tài)性。這些知識可被廣泛用于基因診斷、個體識別、親子鑒定、組織配型、發(fā)育進化等許多醫(yī)療、司法和人類學(xué)的研究。此外，這些遺傳信息還有助于研究人類歷史進程、人類在地球上的分布與遷移以及人類與其他物種之間的比較。 人類基因組計劃 比較基因組學(xué)及功能基因組研究Contents一、比較基因組學(xué)(Comparative Genomics) 概念：是基于基因組圖譜和測序基礎(chǔ)上，對已知的基因和基因組結(jié)構(gòu)進行比較，來了解基因的功能、表達(dá)機理和物種進

21、化的學(xué)科。 第三節(jié)比較基因組學(xué)及功能基因組學(xué)研究物種物種完成完成年份年份總長度總長度/Mp已完成總長已完成總長的百分?jǐn)?shù)的百分?jǐn)?shù)/%占常染色質(zhì)占常染色質(zhì)百分?jǐn)?shù)百分?jǐn)?shù)/Mb基因數(shù)基因數(shù)/Mb酵母酵母19961293100483線蟲線蟲19989699100197果蠅果蠅20001166497117擬南芥擬南芥200011592100221人類第人類第21染色體染色體200034751007人類第人類第22染色體染色體199934709716人類全基因組人類全基因組(Public Sequence)20012693849012人類全基因組人類全基因組(Celera Sequence)200126548399-9315不同真菌植酸酶基因保守區(qū)域比對不同真菌植酸酶基因保守區(qū)域比對二、功能基因組學(xué)研究1. 概念：利用結(jié)構(gòu)基因組學(xué)