人類基因組的結(jié)構(gòu)與功能課件

1、人類基因組的結(jié)構(gòu)與功能真實(shí)臨床案例1：一對(duì)河南夫婦連續(xù)兩次懷孕生下全身骨質(zhì)松軟的胎兒后，來醫(yī)院就診，詢問提前干預(yù)方法（取自2015.1.15號(hào)復(fù)旦附屬紅房子醫(yī)院內(nèi)分泌門診）真實(shí)臨床案例2：一對(duì)連云港夫婦連續(xù)三次生下表現(xiàn)為吞咽困難的嬰兒，幾個(gè)小時(shí)候嬰兒死亡。第四次發(fā)現(xiàn)懷孕，就診詢問醫(yī)生胎兒情況 （取自2014.12月底復(fù)旦附屬紅房子醫(yī)院集愛中心）他們?cè)撛趺崔k？中國遺傳學(xué)會(huì)遺傳咨詢分會(huì)成立2015.2.9日中國遺傳學(xué)會(huì)遺傳咨詢分會(huì)成立的背景出生缺陷 全國約1600萬/年出生缺陷兒，發(fā)生率達(dá)5.6% 世界性的嚴(yán)重公共衛(wèi)生和社會(huì)問題如何降低出生缺陷率？中國遺傳學(xué)會(huì)遺傳咨詢分會(huì)成立的背景不孕不育 全國不

2、孕不育，發(fā)生率達(dá)12.5-15% 不孕不育患者人數(shù)超過5000萬 輔助生殖（IVF）一次成功率只有30%左右如何篩選出“優(yōu)質(zhì)”胚胎？中國遺傳學(xué)會(huì)遺傳咨詢分會(huì)成立的背景惡性腫瘤 我國腫瘤發(fā)生率約6.4% 全國每年新發(fā)腫瘤約312萬，每分鐘有6人被診斷惡性腫瘤如何有效預(yù)知并預(yù)防腫瘤？遺傳咨詢分會(huì)成立的背景遺傳咨詢：是聯(lián)合人類基因組技術(shù)，人類遺傳學(xué)，為病人開展遺傳咨詢、基因診斷、遺傳病治療等相關(guān)醫(yī)學(xué)服務(wù)。遺傳咨詢必不可少！如何認(rèn)識(shí)基因與基因組？有雀斑 vs 無雀斑直發(fā) vs 卷發(fā)左撇子12侏儒癥香港時(shí)尚模特女孩Chiu(白化病)史蒂芬威廉霍金肌萎縮性側(cè)索硬化癥英國維多利亞女王及其家族血友病魚鱗病短指

3、癥人類的多指畸形癥掌跖角化Waardenburg人類基因組測序計(jì)劃 創(chuàng)議與實(shí)施1)第一階段: 醞釀2)第二階段: 論證3)第三階段: 實(shí)施人類基因組計(jì)劃的醞釀星星之火1984年12月,在美國猶他州鹽湖城滑雪勝地阿爾他,由美國能源部資助的一次環(huán)境誘變和致癌物防護(hù)國際會(huì)議上, 到會(huì)代表在討論中提出了一個(gè)問題:在受輻射傷害的人群中,能檢測到突變的比率比預(yù)期低三分之二.有什么新辦法可以非常有效地,直接地檢測出人類基因的突變?或者說,有沒有新方法可在日本廣島,長崎原子彈爆炸后的幸存者及其子女的群體中直接測定基因突變?這是生物科學(xué)家首次討論人類基因組計(jì)劃.英雄所見略同Walter Gilbert. A c

4、rucial early proponent,he later tried to set up a company to produceand sell genome data.Santa Cru 會(huì)議, California,1985Robert L. Sinsheimer: TheUniversity of California, SantaCruz, During a Critical Decade,1977-1987Sinsheimer wasappointed chancellor(分校校長)by UC President David Saxon inJune, 1977. Form

5、erly chairmanof the division of biology at theCalifornia Institute ofTechnology (CIA )where hiswork as a molecular biologisthad earned him a distinguishedinternational reputation.198 年之前分子生物學(xué)技術(shù)的主要進(jìn)展1) 1953年DNA雙螺旋模型發(fā)表.2) 1968年純化第一個(gè)限制酶.3) 1972年第一個(gè)重組DNA分子面世.4) 1973年SV40病毒DNA限制酶物理圖發(fā)表.5) 1977年發(fā)明DNA序列測序法.

6、推波助瀾杜貝克宣言1986年, 1975年醫(yī)學(xué)和生理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)得主,美國Salk Institute研究所癌癥研究員杜貝可(Renato Dulbecco)在“Science”上發(fā)表題為“癌癥研究的轉(zhuǎn)折點(diǎn):定出人類基因組序列”一文, 引起了美國社會(huì)大眾的廣泛關(guān)注,并使基因組測序計(jì)劃的支持者和反對(duì)者進(jìn)行了一場為時(shí)數(shù)年的爭論.杜貝可提出了兩條基因搜尋路線:1) DNA測序; 2) 基因組作圖.Dulbecc 基因組測序宣言A turning point in cancer research:sequencing the human genomeRenato DulbeccoScience 231:

7、 1055-1056, 1986反對(duì)的聲浪人類基因組計(jì)劃雖然是一個(gè)極富創(chuàng)意的想法, 但在當(dāng)時(shí)的許多方面都超出了科學(xué)技術(shù)發(fā)展的實(shí)際水平, 因而不可避免遭到各方面的懷疑與反對(duì), 其中包括像Jacob這樣大名鼎鼎的生理學(xué)Noble 獎(jiǎng)得主, MIT和NIH(美國國家健康研究所)等著名單位. 主要原因在以下幾點(diǎn):1) 科學(xué)上的依據(jù): 基因編碼序列僅占人類基因組總量的2%, 是否值得花很多錢去測序整個(gè)基因組.以當(dāng)時(shí)的技術(shù)測序費(fèi)用太高.2) 技術(shù)上不成熟: 按當(dāng)時(shí)測序水平, 一個(gè)人每天最多只能完成1000 bp測序, 30億對(duì)堿基僅測序需要1000個(gè)人工作3000年.3) 大量的投入將擠占其它領(lǐng)域的研究經(jīng)

8、費(fèi).政府介入1987年春, 美國能源部健康和環(huán)境研究顧問委員會(huì)在聽取各種意見后寫了一份報(bào)告“Human Genome Initiation”, 肯定人類基因組測序計(jì)劃的重要性, 并表示愿意獨(dú)立承擔(dān)這一計(jì)劃.與此同時(shí),美國科學(xué)院生命科學(xué)學(xué)部基礎(chǔ)生物委員會(huì)指定15名科學(xué)家組成“全國研究委員會(huì)”, 經(jīng)過14個(gè)月的努力寫出一份報(bào)告“人類基因組的作圖與測序”. 報(bào)告認(rèn)為在開展人類基因組測序的同時(shí),平行開展模式生物大腸桿菌,酵母,線蟲,果蠅和小鼠基因組測序研究. 美國國會(huì)和商業(yè)委員會(huì)也委托所屬技術(shù)評(píng)估辦公室對(duì)人類基因組計(jì)劃進(jìn)行調(diào)查, 后者提供了一份報(bào)告“Mapping Our Genes, The Gen

9、ome Projects: How Big, HowFast”, 其態(tài)度也是支持這一計(jì)劃.美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)復(fù)雜基因組特別顧問委員會(huì)1988年也提出報(bào)告支持人類基因組計(jì)劃.美國國會(huì)的態(tài)度1988年美國國會(huì)正式批準(zhǔn)撥出?？钯Y助能源部和國立衛(wèi)生研究院同時(shí)負(fù)責(zé)實(shí)施人類基因組計(jì)劃.一般以1989年為起始執(zhí)行年.能源部: 測序技術(shù)和方法NIH: 遺傳作圖1988 report from the U.S. Congress Office ofTechnology AssessmentMapping Our Genes-Genome Projects: How Big? How Fast?NTIS

10、 order #PB88-212402人類基因組計(jì)劃目標(biāo)(1)AreaGoalAchievedDateGenetic Map2- to 5-cM1-cMSeptember 1994resolution map(600 1,500 markers)30,000 STSsresolution map(3,000 markers)Physical Map52,000 STSsOctober 1998DNA Sequence95% of gene-containingpart of human sequence99% of gene-containingpart of human sequenceAp

11、ril2003finished to 99.99% accuracy finished to 99.99% accuracyCapacity andCost of FinishedSequenceSequence 500 Mb/yearat 1,400 Mb/yearat $0.09 per finished baseNovember 2002November 2002Human SequenceVariation100,000 mapped human SNPs 3.7 million mapped human SNPs February 2003Gene Identificationhum

12、an cDNAsModel OrganismsFull-length human cDNAs15,000 full-length cDNAsMarch 2003Complete genome sequences of Finished genome sequences ofE. coli, S .cerevisiae,C. elegans, D. melanogasterApril 2003April 2003E. coli, S .cerevisiae,C. elegans,D. melanogaster ,plu swhole-genome drafts of severalothers,

13、 including: C. briggsae,D. pseudoobscura, mouse and rat人類基因組計(jì)劃目標(biāo)(2)AreaFunctional Analysis Develop genomic-scale High-throughput 1994GoalAchievedDatetechnologiesoligonucleotidesynthesisDNA microarraysEukaryotic, whole-genomeknockouts (yeast)Scale-up of two-hybrid systemfor protein-protein interactio

14、n人類基因組計(jì)劃(199 2003)Human DNA Sequence: 測序 Finish the complete human genome sequence by the end of 2003, 15年計(jì)劃. Finish one-third of the human DNA sequence by the end of 2001. Achieve coverage of at least 90% of the genome in a working draft based onmapped clones by the end of 2001. Make the sequence t

15、otally and freely accessible, 即DNA順序公開釋放.Sequencing Technology: 測序技術(shù) Continue to increase the throughput and reduce the cost of currentsequencing technology. 注: 提高產(chǎn)出,降低成本. Support research on novel technologies that can lead to significantimprovements in sequencing technology. 革新和改進(jìn)測序技術(shù). Develop eff

16、ective methods for the advanced development and introductionof new sequencing technologies into the sequencing process.Human Genome Sequence Variation: 多態(tài)性變異研究. Develop technologies for rapid, large-scale identification and/or scoring ofsingle nucleotide polymorphisms and other DNA sequence variants

17、.人類基因組計(jì)劃的實(shí)施負(fù)責(zé)人第一任首席科學(xué)家:James Watson因DNA順序?qū)＠麪幷撚?992年辭職.第二任首席科學(xué)家Francis CollinsHuman Chr.20, completed, February, 2002Human Chr.14, completed, January, 2003Human Chr.Y, completed, October, 2003Human Chr.7, completed, October, 2003Human Chr.6, completed, October, 2003Human Chr.13, completed, March, 200

18、4Human Chr.19, completed, March, 2004Human Chr.9, completed, May, 2004Human Chr.10, completed, May, 2004Human Chr.X, completed, March, 2005人類基因組測序計(jì) Human Chr.2-4, completed, April, 2005Human Chr.1, completed, May, 2006劃進(jìn)展截止2006年5月, 人類基因組計(jì)劃已完成22條常染色體和X,Y性染色體的精確測序與解讀.人類基因組測序的耗費(fèi)The overall budget needs

19、 for the effort are still anticipated to be the sameas those identified by the O TA and the NRC, namely about $200 millionper year for approximately 15 years. (引自:The First Five Years: FiscalYears 1991-1995, published April 1990. DOE/ER-0452P, NIH PublicationNo. 90-1590.) 經(jīng)費(fèi)預(yù)算15年每年2億美金.預(yù)計(jì):2002年: Seq

20、uence 500 Mb/year at 1,400 Mb/year at $0.09 per finished base. 檢測成本持續(xù)下降 高通量測序及相關(guān)檢測獲得FDA認(rèn)證人類基因組測序計(jì)劃參加國家(1)共16個(gè)單位, 6個(gè)國家參加:1) United State1. Baylor College of Medicine, Houston, Texa2. Genome Therapeutics Corporation, Waltham, MA3. Joint Genome Institute, U.S. Department of Energy, Walnut Creek,CA4. St

21、anford DNA Sequencing and Technology Development Center, PaloAlto, CA5. University of Washington Genome Center, Seattle, WA6. University of Washington Multimegabase Sequencing Center, Seattle,WA7. Whitehead Institute for Biomedical Research, MIT, Cambridge, MA8. Washington University Genome Sequenci

22、ng Center, St. Louis, MO2) United Kingdom9. The Sanger Centre, Hinxton人類基因組測序計(jì)劃參加國家(2)3) Germany10. Max Planck Institute for Molecular Genetics, Berlin11. Gesellschaft fur Biotechnologische, Forschung mbH, Braunschweig12. Institute for Molecular Biotechnology, Jena4) France13. Genoscope, Evry5) Japa

23、n14. Keio University, Tokyo15. RIKEN Genomic Sciences Center, Saitama6) China16. 中國華大基因中心: 于1998年申請(qǐng)參加人類基因組3號(hào)染色體端部約1%基因組的測序.Science 和Natur 商定同時(shí)發(fā)表:人類基因組草圖順序”200 年 月 Special issues of Science (Feb. 16, 2001) andNature (Feb. 15, 2001) contain the working draftof the human genome sequence. Nature papersi

24、nclude initial analysis of the descriptions of thesequence generated by the publicly sponsoredHuman Genome Project, while Sciencepublications focus on the draft sequencereported by the private company, CeleraGenomics. A press conference was held at 10a.m., Monday, February 12, 2001, to discuss thela

25、ndmark publications.白宮宣布人類基因組測序計(jì)劃草圖順序完成June 25, 2000. PRESIDENTCLINTON ANNOUNCESTHE COMPLETION OFTHE FIRST SURVEY(初步測序) OF THEENTIRE HUMANGENOME. June 26, 2000White House 召開記者招待 Venter會(huì)慶賀這一具有歷史意義的重要成就.Collins人類基因組測序計(jì)劃總的耗費(fèi)人類基因組計(jì)劃于1988年實(shí)施，原定15年于2003年完成全部順序測序。實(shí)際花了13年，于2001年初宣布完成草圖順序。為完成此項(xiàng)研究，美國能源部（DOE）和

26、美國國家健康研究所（NIH）共化費(fèi)3,452.9百萬美元，其中DOE為2,484.7百萬美元為NIH為968.2。引自：NIH NEWS，Monday, April 14, 2003基因組計(jì)劃的意義基因組學(xué)已經(jīng)成為現(xiàn)代生命科學(xué)的核心領(lǐng)域, 催生了許多新興的生命科學(xué)的分支學(xué)科與交叉學(xué)科:1) 所有生命現(xiàn)象的基本原因均與基因組的結(jié)構(gòu)與順序組成有關(guān).2) 基因組的結(jié)構(gòu)與順序組成決定了基因的表達(dá)與調(diào)控的模式.3) 基因組順序的多態(tài)性是生物進(jìn)化與生物多樣性產(chǎn)生的根源.4) 基因組結(jié)構(gòu)與功能的解讀可為醫(yī)學(xué), 健康, 農(nóng)業(yè), 林業(yè), 畜牧業(yè), 醫(yī)藥工業(yè)的發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新提供理論依據(jù).物種的染色體組Ophiog

27、lossum reticulatum (右)Myrmecia pilosula 下)澳大利亞牛頭犬螞蟻, 單倍體雄蟻 箭蕨科:一支箭、瓶爾小草, 630對(duì)1條染色體, 雙倍體雌蟻2條染色體 染色體染色體結(jié)構(gòu)染色體顯帶或分帶chromosome banding染色體帶是指當(dāng)染色體經(jīng)一定的物理、化學(xué)因素處理并用特定的染料染色后，在顯微鏡下可顯示出特定的深淺不同的條紋，或在熒光顯微鏡下看到不同強(qiáng)度的熒光節(jié)段。不同染色方法可分出Q、G、C、R、N、T及Cd等幾種類型的帶。不同的染色體具有不同形態(tài)的帶，稱為“帶型”，反映了染色體固有的結(jié)構(gòu)。據(jù)此我們可以準(zhǔn)確無誤地識(shí)別每一條染色體，并可用來分析染色體內(nèi)部結(jié)

28、構(gòu)的變化。染色體帶顯示的過程稱為染色體顯帶或分帶。1968年，科學(xué)家用氮芥喹吖因使染色體不同部位差別染色，顯示出清晰的帶紋。自染色體高分辨顯帶技術(shù)問世后，研究者可以在人體細(xì)胞分裂的前中期染色體上顯示出1 256條帶，在早前期染色體上可顯示出3 00010 000條帶。顯帶技術(shù)不僅解決了染色體的識(shí)別問題，還為深入研究染色體的異常及人類基因定位創(chuàng)造了條件。染色體帶型命名人類染色體帶型最早確定的命名方式是從著絲粒向兩側(cè)按數(shù)字編號(hào), 短臂以p代表(p=petit),長臂以q代表.Karyotyp 和KaryotypingKaryotype: 核型又稱染色體組型，是指用顯微鏡照像或描繪的方法得到的單個(gè)細(xì)

29、胞染色體的系統(tǒng)排列。由體細(xì)胞中全套染色體按形態(tài)特征和大小順序排列構(gòu)成，并依次配對(duì)、分組。代表的是該個(gè)體一切細(xì)胞的染色體組成。有絲分裂中期染色體的形態(tài)較典型，所以一般分析中期染色體。主要觀察染色體的長短、著絲點(diǎn)的位置，臂的長短、有無隨體，其中以著絲點(diǎn)的位置最為重要。Karyotyping: 染色體核型分析,是指在顯微鏡下對(duì)個(gè)體細(xì)胞染色體的大小,形狀,數(shù)目進(jìn)行檢測的一種方法.根據(jù)染色體分帶技術(shù)可以檢測到樣品細(xì)胞的染色體結(jié)構(gòu)是否正常,是否發(fā)生了染色體數(shù)目的變化,結(jié)構(gòu)的重排,區(qū)段缺失或重復(fù).人類染色體核型1) 著絲粒(centromere)2) 端粒(telomere)3) 復(fù)制起始點(diǎn)(origin)

30、4) 染色體骨架附著區(qū)(SAR和MAR)基因組結(jié)構(gòu)成分5) 特異序列:CpG島等高線絕緣子重復(fù)順序Telomere：Nucleotide repeat-TTAGGG-SA 和MARSAR: Scaffoldattehment region,與染色體骨架蛋白結(jié)合的染色體的DNA順序.MAR: matrixarrechmentregion, 與細(xì)胞核基質(zhì)蛋白成分結(jié)合的染色體DNA順序.什么是Cp 島滿足CpG島的條件為:1. 連續(xù)500 bp的DNA順序;2. C+G含量大于55%;3. 觀測到的CpG雙堿基數(shù)目與預(yù)期的數(shù)目之比大于0.65.(Proc Natl Acad Sci USA 99:3

31、740-3745, 2002 )Cp 島的一般特點(diǎn)1) 主要在脊椎動(dòng)物中發(fā)現(xiàn),其它種屬基因組中也有CpG島, 但特征不明顯.2) 絕大多數(shù)CpG島中很少出現(xiàn)胞嘧啶甲基化, 因此被認(rèn)為是基因轉(zhuǎn)錄活躍區(qū).3) CpG島主要分布在基因的啟動(dòng)子區(qū)和第一個(gè)外顯子區(qū).4) 絕大多數(shù)管家基因(housekeeping gene)含有CpG島, 是尋找基因的一個(gè)指標(biāo).Cp 島的分布脊椎動(dòng)物中CpG島的分布有如下特點(diǎn): 1.主要分布在基因的5端和第1個(gè)外顯子區(qū). 2. 人類中40%的管家基因的5端均含CpG島. 3. 雙堿基-CpG-具回文結(jié)構(gòu),是甲基化酶作用的位點(diǎn),可在回文對(duì)稱的兩個(gè)胞嘧啶5位碳原子上進(jìn)行甲基

32、化. 在CpG島中-CpG-雙堿基均無甲基化.人類基因組Cp 島的組成為何會(huì)產(chǎn)生Cp 島?1) 由于細(xì)胞內(nèi)胞嘧啶甲基化與脫氨基事件常常發(fā)生, 導(dǎo)致復(fù)制時(shí)的CA錯(cuò)配.在下一輪復(fù)制時(shí)原來的胞嘧啶(C)位置由胸腺嘧啶(T)取代, 即發(fā)生堿基代換. 因此基因組DNA順序進(jìn)化的總趨勢是A/T比例增加.2) “基因轉(zhuǎn)換”, 即DNA復(fù)制時(shí)以同源DNA單鏈為模板進(jìn)行復(fù)制, 使子代DNA出現(xiàn)高G/C比的轉(zhuǎn)換.3) 管家基因?qū)ι锏拇婊顦O其重要, 啟動(dòng)子區(qū)是基因調(diào)控的主要成分, 因此很少發(fā)生可遺傳的CA的突變, 保留了較平均值更高的G/C比.植物基因組中的Cp 島1) 植物基因組,主要是小型基因組(水稻和擬南芥

33、)含有類似脊椎動(dòng)物基因組中的CpG島.2) 水稻和擬南芥CpG島的分布密度分別為4.7 kb和4.0 kb.3) 水稻和擬南芥CpG島的分布覆蓋了整個(gè)基因,并非如脊椎動(dòng)物那樣局限于基因5端.4) 植物除-CpG-可被甲基化外, -CpNpG-回文結(jié)構(gòu)的胞嘧啶也可甲基化.5) 植物中-CpG-在CpG島中的比例在75-80%, 與脊椎動(dòng)物類似, 單子葉高于雙子葉.引自:Ashikawa, Plant Journal 26:217, 2001.水稻編碼基因C/ 比例非均一分布水稻基因的CG含量呈現(xiàn)由5向3逐漸降低的分布態(tài)勢,這種特征與人的肩膀類似, 故稱溜肩形(shoulder).基因組的順序組成

34、1) 編碼順序2) 非編碼順序3) 重復(fù)順序4) 單一順序人類基因組概貌人類基因的一般結(jié)構(gòu)1) the average human gene contains 4 exonstotaling 1,350 base pairs (cDNA) andthus encodes an average protein of 450amino acids.2) The density of genes on the differentchromosomes varies from基因密度最高: 染色體19, 平均每Mb為23 個(gè)基因,43 kb/基因基因密度最低: 染色體13 ,平均每Mb為 5 個(gè)基因,

35、200 kb/基因最大的基因 Tintin 肌聯(lián)蛋白 基因titin 基因的外顯子數(shù)Celera報(bào)道為 364, 編碼27 000個(gè)氨基酸.Titin基因全長約3000 kb, 約占人類基因組總長的0.1%.外顯子較多的基因 Dystrophin1) Dystrophin (肌營養(yǎng)不良蛋白) with its 79 exons spreadover 2000 kb, 約占人類基因組0.1%.2) Duchenne muscular dystrophy (DMD) perhaps its great sizemakes this gene so susceptible to partial de

36、letions. If thesecause a change in the reading frame, no dystrophin issynthesized and DMD, a very severe form of the disease.3) Becker muscular dystrophy (BMD). If the deletion simplyremoves certain exons, a shortened protein results thatproduces BMD, a milder form of the disease.4) The gene for dys

37、trophin is on the X chromosome, so thesetwo diseases strike males in a typical X-linked pattern ofinheritance. 該遺傳病在男性中非常突出.無脊椎動(dòng)物中沒有的人類基因1. antibodies and T cell receptors for antigen (TCRs).2. the transplantation antigens of the majorhistocompatibility complex (HLA, the MHC ofhumans), cell-signalin

38、g molecules including themany types of cytokines.3. the molecules that participate in blood clotting(凝血).4. mediators of apoptosis. Although these proteinsoccur in Drosophila and C. elegans, we have amuch richer assortment of them. 人類中更為豐富.酵母最小染色體酵母最小染色體為VI, 長270 kb, 含135個(gè)基因. 據(jù)分析, 為了保持最低限度的染色體長度, VI

39、號(hào)染色體填充了許多非必需順序.基因在染色體上的分布人類染色體 長度(Mb) 基因數(shù) 密度染色體 長度(Mb) 基因數(shù) 密度1234567892202402001861721721461461131301321342 453 16/Mb1 816 12/Mb1 611 12/Mb1 145 10/Mb1 366 11/Mb1 467 13/Mb1 219 12/Mb940 11/Mb1 018 13/Mb1 027 12/Mb1 586 16/Mb1 342 14/Mb13141516171819202122X99878075787958613336582 10/Mb873 14/Mb804 1

40、5/Mb995 19/Mb1210 19/Mb472 10/Mb1409 29/Mb697 16/Mb286 13/Mb641 23/Mb992 11/Mb104 11/Mb10111212819YNA75328 (未確定染色體位置) 平均密度: 1/71 kb基因組的基因構(gòu)成1) 編碼蛋白質(zhì)基因2) 編碼RNA基因3) 編碼miRNA的順序 (基因?)幾乎所有RNA編碼基因都是多拷貝動(dòng)物種屬專一性基因非常之少1) 老鼠基因組注釋結(jié)果揭示, 嚙齒類基因中只有1%為種屬專一性基因.2) 原來以果蠅作為參照, 認(rèn)為在脊椎動(dòng)物中存在許多脊椎動(dòng)物種屬的基因, 現(xiàn)在在珊瑚蟲基因組中已找到許多曾被認(rèn)為是脊

41、椎動(dòng)物種屬專一性的基因. 因此真正屬于脊椎動(dòng)物的基因數(shù)比預(yù)期的少很多.五種真核生物蛋白質(zhì)基因比較人類果蠅線人蟲 酵母 擬南芥鑒定的基因數(shù)25000* 13 338 18 2666 144 25 706851 1 010蛋白質(zhì)域家族數(shù)目不同蛋白質(zhì)域數(shù)目1-1-1-1百分比信號(hào)順序百分比膜蛋白百分比1 2621 6951.40201 035 1 0141 036 1 0183104.20203.10242899.20 11201025155重復(fù)百分比扭曲螺旋百分比111113109非編碼RN 基因非編碼RNA基因包括:rRNA基因tRNA基因snRNA基因: 小分子細(xì)胞核RNA基因涉及前體mRNA

42、剪接snoRNA基因: 與rRNA剪接和修飾有關(guān)scRNA基因: 小分子細(xì)胞質(zhì)RNA基因7S RNA, 與核糖體轉(zhuǎn)移到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上有關(guān)miRNA: 干擾基因表達(dá), X染色體失活人類基因組還有哪些是未知的?1) 不論是International Human GenomeSequencing Consortium (IHGSC)還是CeleraGenomics都未能獲得全部的人類基因組順序,已測序的部分約占總DNA的90%.2) 2001年的草圖順序連續(xù)DNA的長度為85 kb, 15萬個(gè)間隙. 2003年連續(xù)DNA長度達(dá)到38.5 Mb,間隙減至341個(gè).4) 目前仍然不知道人類基因組編碼蛋白質(zhì)基因

43、的精確數(shù)字, 推測在24 000左右.人類基因組順序分析后的新發(fā)現(xiàn)1) 人類基因組中存在許多幾乎完全相同的重復(fù)區(qū)段, 它們至少分布在兩個(gè)不同的區(qū)域. 有很多與人類遺傳病有關(guān). Y染色體約25%的區(qū)段重復(fù), 主要集中在中間和端部. 人類基因組在過去的400萬年中發(fā)生了迅速的功能創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)改變.2) 人類基因組重復(fù)區(qū)占5.3%, 大鼠為3%, 老鼠為1-2%.3) 人類與嚙齒類自7500萬年前分開后, 通過重復(fù)產(chǎn)生了約1000新基因, 大多與免疫, 嗅覺和生殖有關(guān). 如懷孕專一性-1糖蛋白與人類的孕期延長有關(guān). 人類嗅覺基因遠(yuǎn)少于嚙齒類.4) 從完成順序中鑒定了因點(diǎn)突變而失去功能的33個(gè)假基因,

44、但其中5個(gè)同源基因在黑猩猩中仍然有功能, 沒有突變.幾種真核類生物轉(zhuǎn)錄因子數(shù)目比較當(dāng)比較擬南芥基因組與已測序的動(dòng)物及人類基因組的轉(zhuǎn)錄因子基因組成時(shí)有一個(gè)意外的發(fā)現(xiàn)，與預(yù)期的相比，擬南芥轉(zhuǎn)錄因子基因的數(shù)目（1500）遠(yuǎn)高于線蟲（500）與果蠅（700），略底于人類（2000）。從結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性觀測，擬南芥應(yīng)比果蠅簡單，為何前者的轉(zhuǎn)錄因子數(shù)量多于后者，這與植物具有復(fù)雜的次生代謝產(chǎn)物有關(guān)。由于不能通過運(yùn)動(dòng)主動(dòng)躲避環(huán)境的壓力和侵害，植物只能發(fā)展豐富的次生代謝產(chǎn)物來適應(yīng)所遭遇的生存環(huán)境。植物次生代謝產(chǎn)物的種類約50 000種，基因組中約25%的基因涉及次生代謝，其中包括相當(dāng)數(shù)量的轉(zhuǎn)錄因子。大腸桿菌染色體目

45、前已知的結(jié)構(gòu)最完美的基因組1) 一種生活在海洋表層水體中的浮游細(xì)菌P.ubique (SAR11)的基因組已經(jīng)完成其測序, 這是目前已知的結(jié)構(gòu)最緊湊, 基因組成最合理, 最經(jīng)濟(jì)有效的游離生物基因組. 這種合理的結(jié)構(gòu)模式是細(xì)菌為了適應(yīng)貧營養(yǎng)化的海水生存條件而被自然選擇的結(jié)果.2) 浮游細(xì)菌SAR11于1990年發(fā)現(xiàn). SAR11是一個(gè)龐大的細(xì)菌群體，如果將它們的重量加在一起將超過世界上海洋里所有魚類的重量. 對(duì)與SAR11相似的細(xì)胞的實(shí)際數(shù)量所做的檢測與分析表明，它們約占大西洋表層水域中微生物群體的一半。從全球來看，海洋中的SAR11細(xì)胞的數(shù)量超過21028.游離單細(xì)胞生物中基因組最小的生物P.

46、ubiqu 基因組組成1. P.ubique基因組全長1 308 759 bp, 含1354 個(gè)蛋白質(zhì)基因, 35個(gè)RNA基因.2. P.ubique基因組缺少假基因、內(nèi)含子、轉(zhuǎn)座子、染色體外遺傳成分（extrachromosomal elements）、內(nèi)含肽 (翻譯后被切除的多肽), 極少平行基因,很少基因間順序, 沒有噬菌體基因及最近重復(fù)的基因.3. P.ubique基因組含有最簡單的獨(dú)立生存細(xì)胞所必需的基因, 有不少負(fù)責(zé)從環(huán)境中吸收有機(jī)物的蛋白質(zhì)編碼基因.4. 細(xì)胞分裂速率為每天0.40-0.58次, 生長比較緩慢.5. P.ubique基因組的GC含量為29.7%, 這是為了適應(yīng)海洋

47、環(huán)境中氮素缺乏的特點(diǎn).6. P.ubique基因組及其基因的組成都是為了適應(yīng)海洋生存環(huán)境中營養(yǎng)非常缺少的狀態(tài).基因組表觀遺傳表觀遺傳學(xué)的例子(1)1) 細(xì)胞的分化是一種典型的表觀遺傳學(xué)現(xiàn)象, 如人類眼睛細(xì)胞和肌肉細(xì)胞含有相同的基因組, 但基因的表達(dá)差異很大.2) while a mutation in the axin gene called axin-fused produces mice with kinky tails (彎曲尾巴),the degree of kinkiness varies among geneticallyidentical littermates (同一窩老鼠)(

48、Figure).鱷魚性別由孵化溫度決定揚(yáng)子鱷卵在孵化溫度為28.5 攝氏度時(shí)，孵出的全部為雌鱷；當(dāng)氣溫在33.5 攝氏度到35攝氏度時(shí)，孵出的全為雄鱷；氣溫在30攝氏度時(shí)，雌雄比例相等。溫度越高，孵化出的雄性幼鱷越多。這是典型的表觀遺傳.Epigenetic 的歷史1) 上世紀(jì)40年代, Waddington首創(chuàng)“epigenetics”一詞, 用以概括研究基因及其產(chǎn)物如何轉(zhuǎn)變?yōu)楸憩F(xiàn)型的領(lǐng)域. 用現(xiàn)在的話說, 就是遺傳信息如何轉(zhuǎn)變?yōu)楸硇偷倪^程.2) 就詞義而言, “epi”是“其上” (upon) 或“超越” (over)的意思. 因此, 在epigenetics的定義中, genetics只

49、涉及基因的結(jié)構(gòu)層次, 而epigenetics則涉及基因如何發(fā)揮其功能以及基因之間的互作關(guān)系.3) 在Waddington的“epigenetics”定義中,epigenetics的位置處于遺傳學(xué), 發(fā)育和生態(tài)學(xué)的交叉口.表觀遺傳的通俗解釋相同基因型的生物在不同的環(huán)境條件下表型有很大的差別。同一種中藥材在不同產(chǎn)地生長，其藥效相差甚遠(yuǎn)，這是環(huán)境影響基因表達(dá)的突出例子。這種因環(huán)境影響而改變的基因表達(dá)模式并不涉及基因型的變異，但可以重復(fù)出現(xiàn)，穩(wěn)定遺傳，是一種典型的表觀遺傳現(xiàn)象。同卵孿生子的表型趨異也是一種表觀遺傳. 最近的研究發(fā)現(xiàn), 隨著年齡的增長同卵孿生子的表型差異有擴(kuò)大的趨勢.Epigeneti

50、c 概念的變遷1) 1982年“Dictionary of Biology”的定義: epigenetics系指遺傳因子與發(fā)育過程之間的互作, 通過這種互作使基因型轉(zhuǎn)變?yōu)楸硇?2) 1992年, Hall在其所著的“Evolutionary DevelopmentalBiology”一書中, 將epigenetics定義為: 在發(fā)育過程中遺傳因子和非遺傳因子作用于細(xì)胞, 選擇性控制基因的表達(dá),并逐步增加表型復(fù)雜性的過程.3) 1996年, 在“Epigentic Mechanisms of Gene Regulation”一書中將epigenetics定義為: 研究不涉及DNA順序的改變而發(fā)生

51、的基因功能的差異, 這種差異能通過有絲分裂和減數(shù)分裂穩(wěn)定傳遞.4) 2001年Science雜志對(duì)epigenetics的定義為:研究不涉及DNA順序的變異但能通過有絲分裂和減數(shù)分裂遺傳的基因功能的變化.表觀遺傳學(xué)表觀遺傳學(xué)(epigenetics):研究在不改變DNA順序的情況下基因表達(dá)出現(xiàn)可遺傳變化的分支學(xué)科. 這種表達(dá)模式的改變可通過有絲分裂和減數(shù)分裂傳遞給子代細(xì)胞或個(gè)體. 表觀遺傳學(xué)是功能基因組學(xué)研究的重要領(lǐng)域.表觀遺傳是基因組程序化的一種表現(xiàn)形式.歐洲已啟動(dòng)epigenom 計(jì)劃In October 2000, the Human EpigenomeConsortium (the S

52、anger Institute, EpigenomicsAG, and the Centre National de Gnotypage inEvry, France) started a European Union-fundedpilot project to map the methylation sites withinthe major histocompatibility complex (MHC)region in seven different human tissues.2000年10月, 歐共體啟動(dòng)了一項(xiàng)探索計(jì)劃: 繪制人類基因組7種不同組織細(xì)胞主要組織相容性復(fù)合體(MHC

53、)區(qū)甲基化位點(diǎn)圖.基因組DN 甲基化的生物學(xué)1）細(xì)胞命運(yùn)的確定與基因組DNA的甲基化狀態(tài)有關(guān)；2）DNA甲基化是決定基因表達(dá)模式的重要因素；3）DNA甲基化模式可以在上下代細(xì)胞之間傳遞；4）DNA甲基化只限于堿基的修飾，并不改變DNA的順序組成。組蛋白的修飾目前已發(fā)現(xiàn)的組蛋白修飾:1) 乙?；?) 甲基化3) 類泛素化4) Sumoylation5) 磷酸化RNAi可介導(dǎo)組蛋白修飾SUMO: small ubiquitin-likemodifier,泛素樣小修飾蛋白見: Cell 116:259-272, 2004 (重要參考文獻(xiàn))功能基因組學(xué)的研究方法及策略Pos genome EraGe

54、nomics 3billion21000 plus geneFunctio ?基因功能的研究：基因編碼蛋白的亞細(xì)胞定位 （GFP熒光等）基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控 （啟動(dòng)子活性研究等）體外研究（In vitro）基因編碼蛋白相互作用（酵母雙雜交等）基因在信號(hào)通路中的作用(Over-expression、knockdown等）體內(nèi)研究（In vivo)基因打靶技術(shù); SiRNAs; Crisp/Cas9GFP in functional genomics:2008 Nobel Prize化學(xué)獎(jiǎng)Roger TsienUniversity of California,San DiegoOsamu Shimo

55、muraMartin ChalfieBML and Boston UniversityColumbia University基因編碼蛋白相互作用的研究：酵母雙雜交（Yeast hybrid system)基因在信號(hào)通路中的作用:RNAi與基因功能研究“沉默”是金-RNAi2006 Nobel Prize生理學(xué)（醫(yī)學(xué)獎(jiǎng))安迪 菲爾(AndrewZ.Fire)克雷格 梅洛(Craig C.Mello)RNAi 發(fā)現(xiàn)歷程：1991年，來自于美國和荷蘭的兩個(gè)轉(zhuǎn)基因植物實(shí)驗(yàn)組，將紫色色素基因?qū)氚珷颗?petunia)植物，目的是想通過增加紫色色素基因拷貝來獲得具有更多紅花的矮牽牛，結(jié)果則出乎他們的預(yù)料

56、：有些轉(zhuǎn)基因的矮牽牛卻開出部分或全部白花，表明色素合成不是增加了而是減少！當(dāng)時(shí)認(rèn)為這是矮牽牛本來有的紫色素基因和轉(zhuǎn)入的外來紫色素基因都失去了功能，稱這種現(xiàn)象是“共抑制”。1995年 康奈爾大學(xué) Su Guo(復(fù)旦大學(xué)畢業(yè)，現(xiàn)在舊金山加州大學(xué)任職)等在對(duì)線蟲C.elegans的研究中，應(yīng)用正義鏈RNA作為對(duì)照，研究par-1基因的表達(dá)，意外的發(fā)現(xiàn)，正義鏈RNA與反義鏈RNA同樣能夠抑制目的基因的表達(dá)。他們對(duì)這個(gè)結(jié)果百思不得其解。1998年，Andrew Fire等首次將正義鏈反義鏈RNA混合注入線蟲C.elegans中，觀察到更強(qiáng)的基因表達(dá)抑制。首次提出了RNA interference的概念。

57、A control: not stainedB: wtC: antisense RNAD: ds RNAMex-3 mRNA detection in embryos by in situhybridizationAndrew Fire et. al. Nature 1998, Carnegie Institution of WashingtonPotent and specific genetic interference bydouble-stranded RNA in Caenorhabditiselegans.Fire A, Xu S, Montgomery MK, Kostas SA,Driver SE, Mello CC.Nature. 1998 Feb 19;391(6669):806-811.RNA interference（RNAi）與靶基因序列同源的雙鏈RNA所誘導(dǎo)一種序列特異性的轉(zhuǎn)錄后基因沉默現(xiàn)象。生物體內(nèi)普遍存在抵御外在感染的重要保護(hù)機(jī)制(植物病毒，病毒誘導(dǎo)的基因沉默)RNAi技術(shù)應(yīng)用于哺乳動(dòng)物細(xì)胞的研究策略在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中開展RNAi實(shí)驗(yàn)大致包括以下5個(gè)步驟： 選取目的基因； 設(shè)計(jì)相應(yīng)的siRNA序列； 制備siRNA； si