分子診斷-1 .基因組概論

第一章基因組概論基因組概論第一節(jié)基因第二節(jié)基因組第三節(jié)基因組計(jì)劃第四節(jié)基因組學(xué)基本概念

基因（Gene）基因組（Genome）基因組學(xué)（Genomics） 一、基因的概念二、基因的特點(diǎn)和鑒定標(biāo)準(zhǔn)三、基因的大小第一節(jié)基因組的功能單位：基因早期的基因概念Morgan等把遺傳性狀與特定的染色體區(qū)段聯(lián)系起來，并提出“一個(gè)基因，一個(gè)酶”和“一個(gè)基因，一條多肽鏈”的概念。分子生物學(xué)的基因概念基因是一段攜帶功能產(chǎn)物（多肽，蛋白質(zhì)，tRNA和rRNA和某些小分子RNA）信息的DNA片段，是控制某種性狀的遺傳單位。一、基因的概念

基因(gene)編碼多肽鏈或RNA所必需的核酸片段。一般是DNA序列（或RNA病毒中的RNA）。

基因＝結(jié)構(gòu)基因＋調(diào)控序列結(jié)構(gòu)基因：編碼多肽鏈或RNA的部分。調(diào)控序列：基因編碼區(qū)的兩側(cè)，與轉(zhuǎn)錄調(diào)控相關(guān)。一個(gè)典型的真核基因①編碼序列：外顯子(exon)②插入外顯子之間的非編碼序列：內(nèi)含子(intron)③5’-端和3’-端非翻譯區(qū)(UTR)④調(diào)控序列(可位于上述三種序列中)1.開放閱讀框(ORF)2.密碼子偏愛3.序列保守性4.轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物5.基因失活二、基因的特點(diǎn)和鑒定標(biāo)準(zhǔn)1.開放閱讀框（openreadingframe,ORF）是結(jié)構(gòu)基因的正常核苷酸序列，從起始密碼子到終止密碼子的閱讀框可編碼完整的多肽鏈，其間不存在使翻譯中斷的終止密碼子。

基因基因組DNA啟動(dòng)子等5’非編碼區(qū)3’非編碼區(qū)ATG編碼區(qū)TAAORF2.序列特征——密碼子偏愛和剪接點(diǎn)

密碼子偏愛（codonbias）指在不同物種的基因中經(jīng)常為某種氨基酸編碼的只是其中的一個(gè)密碼子。

基因的剪接位點(diǎn)（splicesites）一般有特定的序列特征，計(jì)算機(jī)程序利用這種序列特征可預(yù)測(cè)將近50%的外顯子及20%的完整基因。3.序列保守性

一個(gè)功能在不同物種內(nèi)是保守的基因，大都表現(xiàn)出外顯子的保守性和內(nèi)含子的多變性。最好是對(duì)適當(dāng)進(jìn)化距離的物種間序列進(jìn)行比較。4.轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物

尋找基因的表達(dá)產(chǎn)物——RNA或蛋白質(zhì)，是鑒定一個(gè)基因的有效方法。

除以上鑒定基因的五項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)之外，在實(shí)施過程中還有些麻煩的問題，如重疊基因、假基因等。5.基因失活

通過基因破壞（突變）或RNA干擾來實(shí)現(xiàn)基因失活。

三、基因的大小不同物種相差較大?；虼笮≈饕Q于內(nèi)含子的有無、大小及數(shù)量病毒、原核、低等真核生物：不超過5kb

高等真核生物：高達(dá)100kb高等真核生物普遍含有內(nèi)含子，而且內(nèi)含子比外顯子大得多。一、基因組的概念二、基因組大小與C值矛盾三、基因總數(shù)與N值矛盾第二節(jié)基因組一、基因組的概念基因組(genome)：1920年Winkles從Gene和chromosome組成指生物體的一套完整的單倍體遺傳信息。原核生物和真核生物的基因組：DNA包括：染色體基因組和染色體外基因組原核：質(zhì)粒DNA；真核：線粒體DNA及葉綠體DNA人類基因組是指人的24條染色體(22條常染色體＋2條性染色體)內(nèi)的全部DNA和線粒體DNA。

人類基因組24條染色體（22+X+Y）約3.0×109bp

1.基因組的大小:通常以其用DNA含量（全部DNA的堿基對(duì)總數(shù)）來表示。單倍體基因組中的全部DNA量稱為C值(C-Value)。二、基因組大小與C值矛盾C值(C-Value)二、基因組大小與C值矛盾C值大小基本上反應(yīng)生物進(jìn)化程度的差異。2.C值矛盾(Cvalueparadox)生物體的進(jìn)化程度與基因組大小不完全成比例的現(xiàn)象。C值矛盾主要是由于各種生物基因組的結(jié)構(gòu)特征的差異造成的，低等和高等生物差別明顯。人類基因總數(shù)：3萬水稻基因總數(shù)：5萬N值矛盾(Nvalueparadox)

基因組中的基因數(shù)目與生物進(jìn)化程度或復(fù)雜程度的不對(duì)稱性。三、基因總數(shù)與N值矛盾既然一切生物性狀都是由基因決定的，那么生物體的DNA含量（C值）和質(zhì)量（N值）應(yīng)該與生物進(jìn)化階梯及復(fù)雜性成正相關(guān)。

生物體結(jié)構(gòu)與功能的復(fù)雜程度不僅取決于一定的基因數(shù)量，更重要的是在于基因功能及其相互作用網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和精確性。第三節(jié)基因組計(jì)劃基因組計(jì)劃是指以獲得某物種基因組全序列為主要目標(biāo)的科學(xué)計(jì)劃。如人類基因組計(jì)劃（humangenomeproject，HGP），小鼠基因組計(jì)劃，家狗基因組計(jì)劃，細(xì)菌基因組計(jì)劃等。

癌癥研究的轉(zhuǎn)折點(diǎn)-----人類基因組的全序列分析

DulbeccoRScience1986

回顧了70年代以來癌癥研究的進(jìn)展，使人們認(rèn)識(shí)到包括癌癥在人類疾病的發(fā)生，都與基因直接、間接有關(guān)；同時(shí)指出，要么仍處在零打碎敲的方法研究，要么從整體上研究和分析整個(gè)人類基因組及其序列。這一計(jì)劃的意義，可以與征服宇宙的計(jì)劃媲美。這樣的工作是任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)室難以單獨(dú)承擔(dān)的項(xiàng)目。這個(gè)世界所發(fā)生的一切事情，都與這一人類的DNA序列息息相關(guān)。人類基因組計(jì)劃(HGP)總體目標(biāo)：15年內(nèi)投入30億美元，完成人類24條染色體的30億個(gè)核苷酸序列分析美國、英國、法國、德國、日本和中國科學(xué)家共同參與了這一研究計(jì)劃。HGP的目的HGP的目的是解碼生命、了解生命的起源、了解生命體生長(zhǎng)發(fā)育的規(guī)律、認(rèn)識(shí)種屬之間和個(gè)體之間存在差異的起因、認(rèn)識(shí)疾病產(chǎn)生的機(jī)制以及長(zhǎng)壽與衰老等生命現(xiàn)象、為疾病的診治提供科學(xué)依據(jù)。HGP的主要研究?jī)?nèi)容主要內(nèi)容：

1.基因組制圖（遺傳圖譜、物理圖譜、序列圖譜）

2.基因的定位與分析

3.基因組研究技術(shù)的建立、改進(jìn)

4.模式生物基因組的圖譜繪制及測(cè)序

1986年Dulbecco在“Science”首次提出1990年國際人類基因組計(jì)劃正式啟動(dòng)1996年真核生物酵母(15Mb)1997年大腸桿菌(4,653,831bp，4283個(gè)基因)1997年底線蟲（28Mb，19,000基因)1998年5月celera公司宣布加入該計(jì)劃人類基因組計(jì)劃大事記（一）1999年初celera公司宣布完成果蠅（120Mb)的測(cè)序1999年9月中國獲準(zhǔn)加入該計(jì)劃，測(cè)1％的基因組，也就是3號(hào)染色體上的30,000,000個(gè)堿基對(duì)。2000年6月26日完成人類基因組工作框架2001年2月12日公布人類基因組圖譜及其初步分析結(jié)果2004年10月發(fā)表人類基因組常染色質(zhì)全部序列人類基因組計(jì)劃大事記（二）HGP主要任務(wù)及內(nèi)容1、遺傳圖譜（geneticmap）

又稱連鎖圖譜（linkagemap）,是以具有遺傳多態(tài)性（在一個(gè)遺傳位點(diǎn)上具有一個(gè)以上的等位基因，在群體中的出現(xiàn)頻率皆高于1%）的遺傳標(biāo)記為“路標(biāo)”，以遺傳學(xué)距離（在減數(shù)分裂事件中兩個(gè)位點(diǎn)之間進(jìn)行交換、重組的百分率，1%的重組率稱為1cM）為圖距的基因組圖。（1）以Southern雜交技術(shù)為核心的分子標(biāo)記(如RFLP)，稱為第一代分子標(biāo)記。（2）以PCR技術(shù)為核心的分子標(biāo)記（如STR、RAPD、AFLP）等，稱為第二代分子標(biāo)記。（3）單核苷酸多態(tài)性（SNP）標(biāo)記被稱為第三代分子標(biāo)記。也是以PCR技術(shù)為基礎(chǔ)的分子標(biāo)記。分子標(biāo)記(molecularmarker)第一代分子標(biāo)記:RFLP（restrictionfragmentlengthpolymorphism，限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性）小衛(wèi)星DNA(minisatelliteDNA):由15-65bp的基本單位串聯(lián)重復(fù)而成，長(zhǎng)度一般不超過20kb。重復(fù)次數(shù)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(microsatelliteDNA):又稱短串聯(lián)重復(fù)(STR，shorttandemrepeats)，重復(fù)單元2-8bp，通常重復(fù)10-60次.重復(fù)次數(shù)在人群中是高度變異的；按照孟德爾的規(guī)律遺傳。CTAGCTTATATATATATATATATATATATAAGCTTGC第二代分子標(biāo)記:短的串聯(lián)重復(fù)序列(shorttandemrepeat)人類99.99％的基因密碼是相同的，而差異不到0.01％，不同人群僅有140萬個(gè)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(gè)體的遺傳基礎(chǔ)。在整個(gè)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。第三代分子標(biāo)記:

單核苷酸多態(tài)性（singlenucleotidepolymorphism，SNP）第三代分子標(biāo)記:單核苷酸多態(tài)性（singlenucleotidepolymorphism，SNP）2、物理圖譜（physicalmap）

物理圖譜是指有關(guān)構(gòu)成基因組的全部基因的排列和間距的信息，它是通過對(duì)構(gòu)成基因組的DNA分子進(jìn)行測(cè)定而繪制的。DNA物理圖譜是指DNA鏈的限制性酶切片段的排列順序，即酶切片段在DNA鏈上的定位。3、序列圖譜(sequencemap)DNA序列分析技術(shù)是一個(gè)包括制備DNA片段化及堿基分析、DNA信息翻譯的多階段的過程。通過測(cè)序得到基因組的序列圖譜。測(cè)定人類24條染色體的全部DNA序列。人類基因組概貌全部人類基因組約有2.91Gbp基因數(shù)量約3-4萬(26383-39114)。目前已定位了2.6萬多個(gè)基因，但其中尚有42%的功能不明。

人類基因組中存在“熱點(diǎn)”和大片“荒漠”。編碼序列約占3%，非編碼序列約占97%。

35.3%的基因組包含重復(fù)的序列。

人與人之間99.99%的基因密碼是相同的。

僅1%-1.5%的人類基因帶有制造蛋白質(zhì)的指令大約有223個(gè)基因可能是人類的脊椎動(dòng)物祖先生存時(shí)由細(xì)菌插入的順序。男性的基因突變率是女性的兩倍，而且大部分人類遺傳疾病是在Y染色體上進(jìn)行的。模式生物基因組計(jì)劃基因組計(jì)劃的意義1.基因組計(jì)劃改變了生命科學(xué)研究的模式2.基因組計(jì)劃為生命科學(xué)研究開辟了新方向、新方法3.基因組計(jì)劃大大加快了生命科學(xué)研究的步伐4.基因組學(xué)研究促進(jìn)了醫(yī)學(xué)各個(gè)方面的發(fā)展和進(jìn)步5.基因組學(xué)沖擊著人類文明一、基因組學(xué)的概念及分類二、基因組學(xué)與醫(yī)學(xué)第四節(jié)基因組學(xué)從基因組水平（分子整體水平）研究遺傳的學(xué)科。一、基因組學(xué)概念及分類

基因組學(xué)(genomics)：指對(duì)所有基因進(jìn)行基因組作圖（包括遺傳圖譜、物理圖譜、轉(zhuǎn)錄圖譜）、核苷酸序列分析、基因定位和基因功能分析的一門科學(xué)。1.根據(jù)研究的重點(diǎn)分類：

結(jié)構(gòu)基因組學(xué)

功能基因組學(xué)

比較基因組學(xué)2.根據(jù)研究對(duì)象分類：

腫瘤基因組學(xué)、植物基因組學(xué)、

藥物基因組學(xué)、環(huán)境基因組學(xué)等基因組學(xué)分類結(jié)構(gòu)基因組學(xué)（structuralgenomics）：

通過基因作圖、核苷酸序列分析確定基因組成、基因定位的科學(xué)。功能基因組學(xué)（functionalgenomics）：

利用結(jié)構(gòu)基因組學(xué)提供的信息，進(jìn)行基因和非基因序列功能的研究。比較基因組學(xué)（comparativegenomics）：

比較不同生物間基因和基因組結(jié)構(gòu)的差異，以增進(jìn)對(duì)基因功能的了解、闡明物種進(jìn)化關(guān)系。基因組學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容概念:

以全基因組測(cè)序?yàn)槟繕?biāo)的基因結(jié)構(gòu)研究，弄清基因組中全部基因的位置和結(jié)構(gòu)，為基因功能的研究奠定基礎(chǔ)。目的:建立高分辨的遺傳圖譜、物理圖譜和序列圖譜。結(jié)構(gòu)基因組學(xué)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(shí)驗(yàn)方法及統(tǒng)計(jì)與計(jì)算機(jī)分析為特征，全面系統(tǒng)地分析全部基因及其編碼蛋白的功能。包括：生物學(xué)功能、細(xì)胞學(xué)功能、發(fā)育學(xué)功能等