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、基因的特點和鑒定標準三、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“一個基因，一個酶”和“一個基因，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、基因的特點和鑒定標準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

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密碼子。

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

一個功能在不同物種內(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。最好是對適當(dāng)進化距離的物種間序列進行比較。4.轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物

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

除以上鑒定基因的五項標準之外，在實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)生物進化程度的差異。2.C值矛盾(Cvalueparadox)生物體的進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)目與生物進化程度或復(fù)雜程度的不對稱性。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)基因組計劃基因組計劃是指以獲得某物種基因組全序列為主要目標的科學(xué)計劃。如人類基因組計劃（humangenomeproject，HGP），小鼠基因組計劃，家狗基因組計劃，細菌基因組計劃等。

癌癥研究的轉(zhuǎn)折點-----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展，使人們認識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人類基因組及其序列。這一計劃的意義，可以與征服宇宙的計劃媲美。這樣的工作是任何一個實驗室難以單獨承擔(dān)的項目。這個世界所發(fā)生的一切事情，都與這一人類的DNA序列息息相關(guān)。人類基因組計劃(HGP)總體目標：15年內(nèi)投入30億美元，完成人類24條染色體的30億個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、了解生命體生長發(fā)育的規(guī)律、認識種屬之間和個體之間存在差異的起因、認識疾病產(chǎn)生的機制以及長壽與衰老等生命現(xiàn)象、為疾病的診治提供科學(xué)依據(jù)。HGP的主要研究內(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

4.模式生物基因組的圖譜繪制及測序

1986年Dulbecco在“Science”首次提出1990年國際人類基因組計劃正式啟動1996年真核生物酵母(15Mb)1997年大腸桿菌(4,653,831bp，4283個基因)1997年底線蟲（28Mb，19,000基因)1998年5月celera公司宣布加入該計劃人類基因組計劃大事記（一）1999年初celera公司宣布完成果蠅（120Mb)的測序1999年9月中國獲準加入該計劃，測1％的基因組，也就是3號染色體上的30,000,000個堿基對。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（在一個遺傳位點上具有一個以上的等位基因，在群體中的出現(xiàn)頻率皆高于1%）的遺傳標記為“路標”，以遺傳學(xué)距離（在減數(shù)分裂事件中兩個位點之間進行交換、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)為核心的分子標記(如RFLP)，稱為第一代分子標記。（2）以PCR技術(shù)為核心的分子標記（如STR、RAPD、AFLP）等，稱為第二代分子標記。（3）單核苷酸多態(tài)性（SNP）標記被稱為第三代分子標記。也是以PCR技術(shù)為基礎(chǔ)的分子標記。分子標記(molecularmarker)第一代分子標記:RFLP（restrictionfragmentlengthpolymorphism，限制性片段長度多態(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。第三代分子標記:

單核苷酸多態(tài)性（singlenucleotidepolymorphism，SNP）第三代分子標記: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，它是通過對構(gòu)成基因組的DNA分子進行測定而繪制的。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。通過測序得到基因組的序列圖譜。測定人類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2.6萬多個基因，但其中尚有42%的功能不明。

人類基因組中存在“熱點”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個基因可能是人類的脊椎動物祖先生存時由細菌插入的順序。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染色體上進行的。模式生物基因組計劃基因組計劃的意義1.基因組計劃改變了生命科學(xué)研究的模式2.基因組計劃為生命科學(xué)研究開辟了新方向、新方法3.基因組計劃大大加快了生命科學(xué)研究的步伐4.基因組學(xué)研究促進了醫(yī)學(xué)各個方面的發(fā)展和進步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)：指對所有基因進行基因組作圖（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，以增進對基因功能的了解、闡明物種進化關(guān)系?；蚪M學(xué)的主要研究內(nèi)容概念:

以全基因組測序為目標的基因結(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)地分析全部基因及其編碼蛋白的功能。包括：生物學(xué)功能、細胞學(xué)功能、發(fā)育學(xué)功能等