基因組和比較基因組學(xué)課件

1、第十章基因組與比較基因組學(xué)第十章基因組與比較基因組學(xué)20世紀人類科技發(fā)展史上的三大創(chuàng)舉 90年代人類基因組計劃40年代第一顆原子彈爆炸60年代人類首次登上月球20世紀人類科技發(fā)展史上的三大創(chuàng)舉 90年代人類基因組計劃4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人類基因組計劃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)人類基因組計劃一、人類基因組計劃的啟動 1986年，諾貝1975年，獲諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎1975年，獲諾

2、貝爾生理醫(yī)學(xué)獎基因組和比較基因組學(xué)課件 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）。 美國政府決定于 1990年正式啟動HGP，預(yù)二、人類基因組計劃的進展?fàn)顩r（1）截至 2019 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。 這些模式生物全基因組測定的完成有重大理論與現(xiàn)實意義。二、人類基因組計劃的進展?fàn)顩r（1）截至 2019 年 1（3）DNA 測序技術(shù)飛

3、速提高 2019.5.9. 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。（3）DNA 測序技術(shù)飛速提高 2019.基因組和比較基因組學(xué)課件 2000.6. 完成并公布人類基因組工作框架圖( 90%)。 2000.6. 完成并公布人類基因組工作框架二000年六月二十六日克林頓宣布人類基因組草圖繪制完成二000年六月二十六日克林頓宣布 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。 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31.65億bp組成

4、含33.5萬基因與蛋白質(zhì)合成有關(guān) 的基因占2%人類基因組人類蛋白質(zhì)61%與果蠅同源43%與線蟲同源46%與酵母同源人類基因組草圖基本信息由31.65億bp組成人類基因組人類蛋2000年6月公共領(lǐng)域測序計劃工作框架圖2000年6月公共領(lǐng)域測序計劃工作框架圖 2000 年 12 月美、英等國科學(xué)家宣布繪出擬南芥基因組的完整圖譜，這是人類首次全部破譯出一種植物的基因序列。 2000 年 12 月美、英等國科學(xué)家宣布2019年2月16日 人類基因組“精細圖”完成(99%)。2019年2月16日同時發(fā)表論文 美國 Science, Vol. 291, No. 5507 英國Nature , Vol.40

5、9, p.860同時發(fā)表論文 美國 Science, Vol. 291DNA測序膠圖DNA測序膠圖 2019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。 2019年4月14日，人類基因組序三、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)。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（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

6、成染色體結(jié)構(gòu)、DNA復(fù)制、基因轉(zhuǎn)錄及表達調(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，但若從整個染色體的空間結(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調(diào)控規(guī)律。（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（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

7、進化提供重要的結(jié)構(gòu)上的依據(jù)。（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（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)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。（6）研究DNA突變、重排和染色體斷裂等，了解疾病的分子機制（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

8、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。（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以人類基因組和擬南芥基因組為例說明你對生物基因組全序測定工作的科學(xué)意義與社會意義的認識（8分） 中國科學(xué)院2019年 碩士學(xué)位研究生入學(xué)分子遺傳學(xué)試題以人類基因組和擬南芥基因組為例說明你對生物基因組全序測定工作遺傳圖譜轉(zhuǎn)錄圖譜0.7 cM 或 kb 序列圖譜物理圖譜100 kbSTS map四張圖：物理圖、 轉(zhuǎn)錄圖遺傳圖 、序列圖 四、HGP的主要任務(wù)遺傳圖譜轉(zhuǎn)錄圖譜0.7 cM 或 kb 序列圖譜物理圖譜

9、10、 遺傳圖（連鎖圖）指基因或DNA標(biāo)記在染色體上的相對位置與遺傳距離。cM（基因或DAN片段在染色體交換過程中分離的頻率）、 遺傳圖（連鎖圖）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）。 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（va第一代多態(tài)性標(biāo)記是RFLP（restriction fragment length polymorphism，限制性片段長度多態(tài)性）第一代多態(tài)性標(biāo)記是RFLP（restriction frag基因組和比較

10、基因組學(xué)課件 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 第二代多態(tài)性標(biāo)記是短的串聯(lián)重復(fù)序列小衛(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小衛(wèi)星DNA由15-65bp的基本單位串聯(lián)重復(fù)而成，長度一真核生物基因組中的DNA重復(fù)序列主要有哪些類型？簡要說明基因組重復(fù)序

11、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2019年 碩士學(xué)位研究生入學(xué)分子遺傳學(xué)試題真核生物基因組中的DNA重復(fù)序列主要有哪些類型？簡要說明基因第三代多態(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)。第一軍醫(yī)大學(xué)2019年分子生物學(xué) 第三代多態(tài)性標(biāo)記是單核苷酸的多態(tài)性SNP：是由于單個核苷酸改人類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

12、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。 人類999的基因密碼是相同的，而差異不到01，不同人SNP與RFLP和STR標(biāo)記的主要不同之處在于，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。SNP與RFLP和STR標(biāo)記的主要不同之處在于，它不再以DN基因組和比較基因組學(xué)課件2、物理圖 以已知核苷酸序列的DNA片段（序列標(biāo)簽位點，sequence-tagged site,STS）為“路標(biāo)”，以堿基對作為基本測量單位（圖距）的基因組圖。2、物理圖基因組和比較基因組學(xué)課件3、轉(zhuǎn)錄圖 以EST（expressed sequence

13、tag ，表達序列標(biāo)簽）為標(biāo)記，根據(jù)轉(zhuǎn)錄順序的位置和距離繪制的圖譜。EST：通過從cDNA文庫中隨機挑選的克隆進行測序所獲得的部分cDNA的5或3端序列稱為表達序列標(biāo)簽（EST），一般長300-500bp左右。 3、轉(zhuǎn)錄圖EST：通過從cDNA文庫中隨機挑選的克隆進行測序4、序列圖（分子水平的物理圖） 序列圖是指整個人類基因組的核苷酸序列圖，也是最詳盡的物理圖。1m 既包括可轉(zhuǎn)錄序列，也包括非轉(zhuǎn)錄序列，是轉(zhuǎn)錄序列、調(diào)節(jié)序列和功能未知序列的總和。4、序列圖（分子水平的物理圖）2000年6月公共領(lǐng)域測序計劃工作框架圖2000年6月公共領(lǐng)域測序計劃工作框架圖人類基因組計劃的鳥槍法序列分析技術(shù)比較基因

14、組學(xué)及功能基因組研究Contents人類基因組計劃Contents第二節(jié) DNA的鳥槍法序列分析技術(shù) 一、DNA的鳥槍法測序原理第二節(jié) DNA的鳥槍法序列分析技術(shù) 一、DNA的鳥槍法測序原 2019 年 12 月用“逐個克隆法”獲得第一條人類染色體 22號染色體完成序列 2019 年 12 2000 年3 月用“全基因組鳥槍法”獲得果蠅全基因組序列。 2000 年3 月用“全基因組鳥槍法”獲得果蠅全基因2000年6月公共領(lǐng)域測序計劃工作框架圖2000年6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

15、末端測序。 第三，序列集合。 第四，填補缺口。 二、DNA的鳥槍法測序的主要步驟 第一，建立高度隨機、插入片Shotgun法序列拼接Sequence Gap Shotgun法序列拼接Sequence Gap 三、的鳥槍法測序的優(yōu)缺點優(yōu)點：速度快 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)致判斷失誤三、的鳥槍法測序的優(yōu)缺點優(yōu)點：速度快 基因組和比較基因組學(xué)課件基因組和比較基因組學(xué)課件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人類基因組計劃Contents一、比較基因組學(xué)(Comparative Geno

16、mics) 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、表達機理和物種進化的學(xué)科。 第三節(jié)比較基因組學(xué)及功能基因組學(xué)研究一、比較基因組學(xué)(Comparative Genomics)物種完成年份總長度/Mp已完成總長的百分數(shù)/%占常染色質(zhì)百分數(shù)/Mb基因數(shù)/Mb酵母20191293100483線蟲20199699100197果蠅20001166497117擬南芥200011592100221人類第21染色體200034751007人類第22染色體201934709716人類全基因組(Public Sequence)20192693849012人類全基因組(Celera Sequence)201926548399-9315基本完成DNA序列分析的真核生物基因組比較物種完成年份總長度/Mp已完成總長的百分數(shù)/%占常染色質(zhì)百分二、功能基因組學(xué)研究1. 概念：利用結(jié)構(gòu)基因組學(xué)提供的信息，以高通量，大規(guī)模實驗方法及統(tǒng)計與計算機分析為特征，全面系統(tǒng)地分析全