比較基因組學與分子進化

關于比較基因組學與分子進化第1頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五比較基因組學的基本概念比較基因組學的應用比較基因組學的研究方法比較基因組學與進化模式生物與比較基因組學研究比較基因組學第2頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五比較基因組學的基本概念第3頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五伴隨著基因組的研究,相關信息出現了爆炸性增長,迫切需要對大量基因組數據進行處理,比較基因組學作為一門重要的工具學科應運而生。比較基因組學是通過對系統(tǒng)發(fā)育中的代表性物種之間的全方位基因和基因家族的比較分析，構建系統(tǒng)發(fā)育的遺傳圖譜,來揭示基因、基因家族的起源和功能及其在進化過程中復雜化和多樣化的機制。比較基因組學的基本概念第4頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五2022/10/27揭示非編碼功能序列發(fā)現新基因發(fā)現功能性SNP闡述物種間的進化史闡明人類疾病過程的分子機制比較基因組學的應用第5頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五物種完成年份總長度Mb已完成總長的百分數/%占常染色質百分數/Mb基因數/Mb酵母19961293100483線蟲19989699100197果蠅20001166497117擬南芥200011592100221人類第22染色體199934709716人類第21染色體200033751007人類全基因組(PublicSequence)20012693849012人類全基因組(CeleraSequence)200126548399-9315基本完成DNA序列分析的真核生物基因組比較第6頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五1999年12月1日，人體第22對染色體的遺傳密碼破譯，人類首次成功完成人體染色體基因完整序列的測定，英、美、日三國研究人員合作完成第二小的染色體，34Mb，發(fā)現679個基因，55％新發(fā)現；先天性心臟病、免疫功能低下、精神分裂癥、智力低下、出生缺陷以及許多惡性腫瘤(白血?。?；679個基因中，545個是功能基因；134個是假基因，曾經發(fā)生過作用，但現在已不再發(fā)揮功能；200～300個功能和結構尚待確認的基因；160個人體基因與小鼠基因遺傳密碼相似，找到人類和生物在進化過程中更深層的秘密。比較基因組學的應用第7頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五2000年5月德國和日本科學家完成人體第21對染色體測序最小的一對：33Mb，人體全部的1％；127個基因，估計還存在98個基因；多種遺傳疾病相關基因白血病唐氏綜合癥阿爾茨海默癥躁郁癥：《躁狂抑郁多才俊》肌肉萎縮性側索硬化癥比較基因組學的應用第8頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五Down綜合征DSDownSyndrome21三體綜合征(唐氏綜合征）：染色體異常，3條21號染色體、先天愚型★妊娠前后，孕婦有病毒感染史，如流感、風疹等；★受孕時，夫妻一方染色體異常；★夫妻一方年齡較大；★妊娠前后，孕婦服用致畸藥物，如四環(huán)素等；★夫妻一方長期在放射性熒幕下工作或污染環(huán)境下工作；★習慣性流產史、早產或死胎的孕婦；★長期飼養(yǎng)寵物者。比較基因組學的應用第9頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五第一章剖析天才第二章躁狂抑郁癥第三章牛頓第四章貝多芬第五章狄更斯第六章梵·高第七章減弱創(chuàng)造力第八章增強天才朱立安·李布(JulianLieb)醫(yī)學博士，私人執(zhí)業(yè)的精神病醫(yī)師，藝術家和小說家。D.杰布羅·赫士曼(D.JablowHershman)與朱立安·李布合著有《暴君的手足之情——躁狂抑郁與絕對權力、《天才的奧秘——躁狂抑郁與富于創(chuàng)造力的生命》等書。比較基因組學的應用???第10頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五2006年05月1號染色體的基因測序完成，“生命之書”的最后一個章節(jié)150名英國和美國科學家、10年，塊頭最大；2.23億bp，基因數量最多，達3141個，是平均水平的兩倍，破譯難度最大；350余種疾?。喊┌Y、帕金森氏癥、老年癡呆癥、孤獨癥、智障；發(fā)掘出診斷和治療5000多種遺傳疾病以及惡性腫瘤、心血管疾病和其他嚴重疾患的方法，阻止甚至扭轉一些疾病的遺傳；神經生物學、細胞生物學、發(fā)育生物學相關學科發(fā)展。比較基因組學的應用第11頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五利用不同物種基因組之間功能區(qū)域序列上、組織結構上的同源性：對系統(tǒng)發(fā)育中的代表性物種之間的基因和基因家族的比較分析；構建系統(tǒng)發(fā)育的遺傳圖譜；克隆新基因；揭示基因與基因家族的起源、功能、進化過程中復雜化和多樣化的機制。比較基因組學的應用第12頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五基因組比較作圖Comparativemapping基于基因組全序列的比較基因組學研究基于DNA芯片技術的比較基因組學研究比較基因組學的研究方法第13頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五1.基因組比較作圖Comparativemapping利用共同的遺傳標記(分子標記、cDNA克隆、基因克隆)對相關物種進行遺傳/物理作圖；比較遺傳標記在相關物種基因組中的分布情況，揭示物種間DNA或DNA片段上的同線性synteny、共線性collinearity、微共線性microsynteny；對相關物種的基因組結構、基因組進化歷程進行精確分析。比較基因組學的研究方法第14頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五1.基因組比較作圖Comparativemapping同線性synteny

：相關物種間同源染色體或染色體片段上存在共同的遺傳標記，但這些標記間的相對順序可能存在差異;共線性collinearity

：高度同線性，共同的遺傳標記且標記排列順序保守；微共線性：一個小的基因組區(qū)域內(一段特定的DNA序列)存在共線性的情形。YAC或BAC克隆的限制性圖譜、DNA測序，比較分析發(fā)現基因組的微共線性。比較基因組學的研究方法第15頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五2.基于基因組全序列的比較基因組學研究完成全基因組測序，

針對全基因組序列進行比較分析，可精確到單堿基差異；比較已有的全基因組序列，

如擬南芥、水稻、楊樹等，進行系列研究，進展迅速；全基因組測序工程浩大，耗費巨大，不可能對所有研究的物種采用這種方式進行比較基因組研究。比較基因組學的研究方法第16頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五3.基于芯片技術的比較基因組學研究

以已知序列基因組為參考，通過芯片技術，進行未測序基因組與參考基因組間的比較基因組雜交分析；檢測待比較基因組中對應DNA區(qū)域的存在、缺失、變異；成本較低，研究結果可靠性較高，應用前景廣闊。比較基因組學的研究方法第17頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五基因組成的相似性基因共線性：基因排列順序的一致性；宏觀共線性：遺傳連鎖圖上錨定標記排列次序的一致性；微觀共線性：物理圖上基因序列的一致排列；進化距離非常近的物種間保持很好的微觀共線性；在進化過程中，基因共線性被各種因素所破壞，進化距離越遠的物種之間基因共線性越差；物種間共線性程度可作為衡量它們之間進化距離的尺度。比較基因組學的研究方法第18頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五高度保守和高度變異X染色體極為保守，人類和貓的X染色體具有縱貫全條的共線性；在保守性較低的區(qū)段，基因進化速率快于整個基因組的平均進化速率；種間基因組中很少表現共線性；甚至在同一物種的不同生態(tài)型之間這些區(qū)段也會發(fā)生較大變異；當用基因共線性程度估算物種分化年代時，應當注意避免高度保守和高度變異的區(qū)段。比較基因組學的研究方法第19頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五第20頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五破壞基因組共線性的因素轉座插入染色體重排區(qū)段加倍和缺失。比較基因組學的研究方法第21頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五圖位克隆--跨物種基因克隆有效的基因克隆技術，隨著植物分子標記遺傳圖譜的建立和基因分子定位而發(fā)展起來；根據基因組研究提供的高密度遺傳圖譜、大尺寸物理圖譜、大片段基因組文庫和基因組全序列，利用分子標記輔助，直接克隆基因；無需事先知道基因的DNA序列，無需了解基因的表達產物；首先在擬南芥中取得成功，后來在番茄、大麥、小麥、甜菜、水稻，理論上適用于一切基因在水稻中運用該技術分離出抗白葉枯病基因Xa-21、Xa-1，抗稻瘟病基因Pi-b和矮生突變基因D1。在基因組較小的模式植物中，分離被精確定位在大基因組中的基因；避免大量重復序列的干擾，減少染色體步移的次數。第22頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五直系同源集簇由祖先基因衍生的一組基因種間同源物：不同基因組中執(zhí)行同一生物學功能；種內同源物（平行基因）：同一基因組中因基因加倍產生；預測新基因功能。back第23頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五2022/10/27比較基因組學與進化

古細菌---產甲烷球菌與原核生物比較共同的染色體組織與結構：環(huán)狀基因組、基因的操縱子結構；能量產生和固氮基因：與原核生物有很高同源性；蛋白質編碼基因：與細胞分裂相關蛋白質、20多個無機離子運輸蛋白的ORF，與原核生物同源；調控模式：類似于原核生物。第24頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五2022/10/27與真核生物比較細胞遺傳信息傳遞：轉錄和翻譯系統(tǒng)；分泌系統(tǒng)；比較基因組學研究在進化系統(tǒng)樹上，古細菌與真核生物親緣關系比原核生物更近。在自養(yǎng)生物的三個分支，細菌、古細菌和真核生物中，細菌的分化發(fā)生較早。back第25頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五模式生物與比較基因組學研究模式生物原核生物酵母線蟲果蠅小鼠、人類擬南芥、水稻、玉米、小麥第26頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五模式生物

modelorganism生物的一個物種species，在研究生命現象的過程中長期、反復地被作為研究材料其許多生命活動規(guī)律往往代表了許多物種共同的規(guī)律對其形態(tài)、解剖、生理、生化、細胞及遺傳進行全面分析和歸納將對其研究中得出的規(guī)律，推演到相關的生物物種中，以加快其他各種生物研究的步伐。第27頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五模式生物具備的基本條件容易培養(yǎng)，成本低廉，隨時獲取以供實驗研究，繁殖周期短；能在短時間內產生大量的后代，滿足研究分析的需求；十分方便地取得種內的遺傳變異體；已經過長期研究取得該物種的豐富背景信息。模式生物

modelorganism第28頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五模式生物基因組研究特點“壓縮”的基因組：基因組通常比較小，編碼基因比例較高，重復序列和非編碼序列較少；模式生物基因組中G+C%含量高，同時CpG島的比例也比較高；在模式生物特別在人的基因組中發(fā)現了重復duplication；模式生物

modelorganism第29頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五4在各種不同的物種中,大多數的重要生物學功能是由相當數量的同源序列基因(Orthologous)蛋白承擔；5同線(synteny)連鎖的同源基因在不同物種基因組中有相同連鎖關系；6生物體的復雜性一般表現在“生物學”的復雜性,與基因組的C值大小及基因數量未必一定呈線性關系--C值悖論。模式生物基因組研究特點模式生物

modelorganism第30頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五原核模式生物比較基因組學基因組大小影響了基因數目還是基因尺度？尿殖道支原體--已知最小的基因組0.58Mb，由此確定能自我復制的細胞必需的一套最少的核心基因流感嗜血桿菌的基因組為1.83Mb第31頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五基因大?。毫鞲惺妊獥U菌基因平均900bp，尿殖道支原體的基因為1040bp，差不多；基因密度：流感嗜血桿菌中平均1042bp有1個基因，尿殖道支原體中平均1235bp有1個基因；基因數量的差異：流感嗜血桿菌基因組有1743個ORF，而尿殖道支原體只有470個ORF。原核模式生物比較基因組學基因組大小影響了基因數目還是基因尺度？比較尿殖道支原體與流感嗜血桿菌這兩個親緣關系較遠的生物基因組，選取其共同的基因（共240個）；再加上一些其他基因，組成一套含256個基因的最小基因組。第32頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五釀酒酵母基因組—最簡單的真核生物基因組：12,068kb，比單細胞的原核生物和古細菌大一個數量級；基因數：ORF

5887，比原核生物和古細菌要多很多；基因密度：1個基因/2kb，密度小于流感嗜血桿菌和尿殖道支原體。釀酒酵母--最小的真核基因組裂殖酵母其次：密度是1/2.3kb，13.8Mb線蟲：簡單多細胞生物，基因密度為1/30kb。內含子：釀酒酵母4%的編碼基因有內含子，裂殖酵母有40%編碼基因有內含子。第33頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五酵母---良好的實驗系統(tǒng)單細胞，可在特定的培養(yǎng)基上生長，能夠完全控制其化學和物理環(huán)境。酵母的生命周期也很適合被用來作遺傳分析，可以構建一套16條染色體單倍型的詳盡的圖譜。可將其6000個基因中的任何一個用突變的等位基因替代或準確地從基因組中缺失。第34頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五線蟲簡單多細胞生物減數分裂細胞核外形細胞分裂胚胎形態(tài)的發(fā)育第35頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五果蠅基因組果蠅基因組全長120mb，2/3是euchromatin，1/3是heterochromatin；BlastSearch確定有14113個轉錄產物（功能基因）。

Science,287:2185-2195(2000)

第36頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五人類基因組的一個片段第37頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五第38頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五第39頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五

人類基因組基因的三條推測依據

根據已測定大片段DNA中ORF的比例；

CpGisland的個數（56%的已知基因5’都與CpG相連，而人基因組中有45000個Islands）ESTs第40頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五

模式生物基因組研究對人類基因組研究的促進作用1利用基因序列上的同源性克隆人類疾病基因人類cDNA與已知功能的模式生物基因高度相關，該表型的候選基因定位于與cDNA相同的位置上，就有助于識別該基因。人類基因組與酵母30%基因對應，小鼠99%對應第41頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五

模式生物基因組研究對人類基因組研究的促進作用2

模式生物基因組研究揭示了人類疾病基因的功能某些模式生物基因的功能已知,對人類疾病基因的功能研究有很大的促進作用?？绶N關系使模式生物基因的有效功能數據立刻用于研究它的高等生物的同源體。第42頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五第43頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五模式生物基因組研究對人類基因組研究的促進作用3充分利用模式生物實驗系統(tǒng)上的優(yōu)越性模式生物實驗上的優(yōu)越性成為人類疾病狀態(tài)下分子機制的闡明和基因功能分析的有效手段。酵母----一個很好的實驗系統(tǒng)。第44頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五與定位克隆的人類疾病基因高度同源的釀酒酵母基因人類疾病人類基因人類cDNA

GenBank登記號酵母基因酵母cDNA

GenBank登記號酵母基因功能遺傳性非息肉性小腸癌MSH2U03911MSH2M84170DNA修復蛋白遺傳性非息肉性小腸癌MLH1U07418MLH1U07187DNA修復蛋白囊性纖維變性CFTRN28668YCF1L35237金屬抗性蛋白威爾遜氏病WNDU11700CCC2L36317銅轉運器甘油激酶缺乏癥GKL13943GUT1X69049甘油激酶布盧姆氏綜合癥BLMU39817SGS1U22341蝸牛酶X-連鎖的腎上腺腦白質營養(yǎng)不良ALDZ21876PAL1L38491過氧化物酶轉運器共濟失調性毛細血管擴張癥ATMU26455TEL1U31331P13激酶肌萎縮性脊髓側索硬化SOD1K00065SOD1J03279過氧化物歧化酶營養(yǎng)不良性肌萎縮DML19268YPK1M21307絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶勒韋氏綜合癥OCRLM88162YIL002CX47047IPP-5-磷酸酶I-型神經纖維瘤NF1M89914IRA2M33779抑制性的調節(jié)蛋白模式生物基因組研究對人類基因組研究的促進作用第45頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五4比較基因組作圖在人類基因組研究中的應用。應用一：使連鎖信息和基因組資源從作圖較為詳盡的物種轉移到作圖不完善的物種

例如：通過定位一套在哺乳動物中進化上保守的位點，把這些保守位點作為出發(fā)點，使連鎖信息從人、鼠等物種擴展到牛、豬、羊等物種，以促進基因組研究。

應用二：通過比較基因組作圖，進行復雜性狀的分析。

許多遺傳性狀由多基因控制，這些基因的在小鼠中比人中容易識別。一個候選疾病基因或疾病區(qū)域在小鼠中確認，就可以篩選同源基因或同源區(qū)域，看看是否與人類遺傳病相對應。模式生物基因組研究對人類基因組研究的促進作用第46頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五應用三：“基因組與后基因組學”離尋常百姓有多遠？2010年下旬復旦大學“現代人類學”教育部重點實驗室宣布，向全國征集曹姓男性DNA樣本，擬用比較基因組科學的手段驗證2009年底河南安陽曹操墓真?zhèn)纬鐾恋念^骨是否為曹操本人。“利用曹姓DNA鑒定曹操頭骨”，基因組科學成為熱門，這一話題“落入尋常百姓家”。4比較基因組作圖在人類基因組研究中的應用第47頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五“利用曹姓DNA鑒定曹操頭骨”并非國人專利。2014年，據英國《每日郵報》報道，比利時學者曾對希特勒家族的39位親屬進行DNA檢測，來證明希特勒的族裔。這些工作的開展，借助的正是“基因留有祖先深刻烙印”這一事實.應用三：“基因組與后基因組學”離尋常百姓有多遠？第48頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五希特勒希特勒的侄子威廉希特勒的侄孫第49頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五倫敦帝國理工學院的研究人員也通過多次全基因組關聯分析（Genome-wideassociationstudy，GWAS），發(fā)現了多個包括糖尿病、冠心病、精神分裂癥、阿爾茨海默、乳腺癌、肺癌、胃癌在內的與現代熱點疾病相關的基因。第50頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五小鼠—十分重要的模式生物繁殖率高、近交系；對多種毒素和病原體易感；對致癌物敏感，自發(fā)性腫瘤多；藥物篩選、藥效、毒性試驗、腫瘤模型

第51頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五模式生物基因組研究加深了對基因組結構的認識人類的基因很大，在人類基因組全部測序完成之前，已有一些cDNA上測序。所以其基因組結構可能尚屬未知。利用低等模式生物基因組較小、呈壓縮狀態(tài)，就可能用節(jié)約的方法在基因組水平上測序。展示基因組的結構，包括內含子和外顯子的邊界和周圍序列，還可能包括調節(jié)因子，如啟動子和增強子。不但為基因結構的研究，也為相關基因的進化提供了信息。第52頁，共59頁，2022年，5月20日，4點26分，星期五

利用模式生物基因組研究信息研究人類疾病基因的可行性定位克隆是一項有效的疾病基因克隆的手段。但是如果僅僅依靠位置信息進行定位克隆，將十分費時費力。比較生物學這個名詞在