第八章基因組與比較基因組學(xué)

第八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現(xiàn)在是1頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)一.人類基因組計劃

基因組（genome）：生物有機體的單倍體細胞中所有DNA。包括核內(nèi)的染色體DNA和線粒體、葉綠體等亞細胞器中的DNA?，F(xiàn)在是2頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)

一.人類基因組計劃人類基因組計劃由美國能源部(DOE)和國立健康研究院(NIH)資助并于1990年啟動。人類基因組計劃的科學(xué)意義：（1）確定人類基因組中約2萬1千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)?，F(xiàn)在是3頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)

一.人類基因組計劃（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?，F(xiàn)在是4頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)

一.人類基因組計劃（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進化提供重要的結(jié)構(gòu)上的依據(jù)?，F(xiàn)在是5頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)

一.人類基因組計劃（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?，F(xiàn)在是6頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)

一.人類基因組計劃（8）研究染色體在個體之間的多態(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?，F(xiàn)在是7頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)

一.人類基因組計劃現(xiàn)在是8頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)

三.人類基因組計劃1遺傳圖譜的構(gòu)建定義：遺傳圖（geneticmap）又稱連鎖圖（linkagemap），指基因或DNA標記在染色體上的相對位置與遺傳距離，而不是它們在染色體上特殊的物理位置?？茖W(xué)上用兩個位點之間的交換或重組頻率厘摩（cM）來表示遺傳距離?，F(xiàn)在是9頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)

一.人類基因組計劃經(jīng)典的遺傳標記是可被電泳或免疫技術(shù)檢出的蛋白質(zhì)標記，如血型標記等。DNA多態(tài)性遺傳標記的建立，為人類遺傳研究提供了大量的遺傳標記。*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）。

現(xiàn)在是10頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)

一.人類基因組計劃第一代DNA多態(tài)性標記是RFLP（restrictionfragmentlengthpolymorphism，限制性片段長度多態(tài)性）標記?，F(xiàn)在是11頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)

一.人類基因組計劃第二代DNA多態(tài)性標記利用了人類基因組大量的重復(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?，F(xiàn)在是12頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)

一.人類基因組計劃第三代DNA多態(tài)性標記是單核苷酸多態(tài)性（singlenucleotidepolymorphism,SNP）標記。圖11-4(a)SNP的產(chǎn)生現(xiàn)在是13頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)

一.人類基因組計劃圖11-4(b)SNP的檢測現(xiàn)在是14頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)

一.人類基因組計劃2物理圖譜的構(gòu)建定義：利用限制性內(nèi)切酶將染色體切成片段，再根據(jù)重疊序列確定片段間連接順序以及遺傳標志之間的物理距離的圖譜?，F(xiàn)在是15頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)

一.人類基因組計劃3.轉(zhuǎn)錄圖即表達序列標簽（expressedsequencetag,EST）圖，是人類基因組圖的重要組成部分。*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簽（EST），一般長300-500bp左右。4.全序列圖

即分子水平上最高層次的、最詳盡的物理圖?，F(xiàn)在是16頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)

一.人類基因組計劃2005年，人類基因組測序計劃基本完成，測定了單倍體細胞中約30億個堿基對，預(yù)測基因數(shù)為20,000–25,000。破譯人類遺傳信息，將對生物學(xué)、醫(yī)學(xué)，乃至整個生命科學(xué)產(chǎn)生無法估量的深遠影響?，F(xiàn)在是17頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)

二.高通量DNA序列分析技術(shù)（一）SangerDNA序列測定的基本原理現(xiàn)在是18頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)

二.高通量DNA序列分析技術(shù)基本原理在DNA聚合酶的作用下，雙脫氧核苷酸分子可以象正常核苷酸一樣參與DNA合成；但是，由于它自身3′位置-OH的缺失，至使下位核苷酸的5′磷酸基無法與之結(jié)合，從而導(dǎo)致反應(yīng)終止，并產(chǎn)生長度不一的DNA片段。通過凝膠電泳分離，放射自顯影確定DNA片段末端的堿基，進而推斷DNA的核苷酸序列?，F(xiàn)在是19頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)

二.高通量DNA序列分析技術(shù)反應(yīng)體系中除含有四種脫氧核苷酸(dATP、dCTP、dGTP和dTTP)外，加入了一種雙脫氧核苷酸(ddATP或ddCTP或ddGTP或ddTTP)?，F(xiàn)在是20頁\一共有43頁\編輯于星期五

雙脫氧鏈終止法測序的基本原理和過程

凝膠電泳方向3’AGTTGCTA5’測序膠的判讀*放射性標記(測序酶)第八章基因組與比較基因組學(xué)

二.高通量DNA序列分析技術(shù)現(xiàn)在是21頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)

二.高通量DNA序列分析技術(shù)（二）基因組DNA大片段文庫的構(gòu)建基因組文庫：將特定生物個體的全部DNA片段連接入載體DNA分子上，并導(dǎo)入受體細菌或細胞中，經(jīng)擴增產(chǎn)生的包含該生物全部基因組序列的克隆群體。用于基因組文庫構(gòu)建的載體主要有酵母人工染色體（YAC）和細菌人工染色體（BAC）?，F(xiàn)在是22頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)

二.高通量DNA序列分析技術(shù)（三）鳥槍法測序技術(shù)及其改良1.建立高度隨機、插入片段大小為1~2kb的基因組文庫。*受DNA序列分析技術(shù)的限制，一次測序反應(yīng)的長度不能超過1kb?，F(xiàn)在是23頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)

二.高通量DNA序列分析技術(shù)（2）高效、大規(guī)模的末端測序保證經(jīng)末端測序的堿基總數(shù)達到基因組5倍以上。（3）序列拼接（4）填補缺口有兩種缺口：一是沒有相應(yīng)模板DNA的物理缺口，二是有模板DNA但未測序的序列缺口。

現(xiàn)在是24頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)

二.高通量DNA序列分析技術(shù)鳥槍法測序的缺點：基因組越大，拼接越困難。高等生物基因組中的大量重復(fù)序列也會導(dǎo)致拼裝困難?，F(xiàn)在是25頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)二.

高通量DNA序列分析技術(shù)基因組圖物理圖譜（克隆重疊群）鳥槍法測序序列拼接全基因組鳥槍法測序序列組裝根據(jù)標記裝配序列酶切克隆克隆重疊群法定向鳥槍法現(xiàn)在是26頁\一共有43頁\編輯于星期五

第八章基因組與比較基因組學(xué)

引言現(xiàn)在是27頁\一共有43頁\編輯于星期五第五章分子生物學(xué)研究法二.

高通量DNA序列分析技術(shù)

1.DNA序列自動分析法原理:

-基于Sanger雙脫氧鏈終止法的原理，使用四種不同的

熒光染料分別標記ddATP、ddTTP、ddCTP、ddGTP。-這四種熒光染料在激光激發(fā)下發(fā)出不同波長的熒光，因而每一種熒光代表一種堿基。-延伸中的DNA互補鏈分別終止于不同熒光標記的ddATP、ddTTP、ddCTP、ddGTP。

-熒光檢測系統(tǒng)將熒光信號轉(zhuǎn)換為電信號,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理,最后把所測得的序列直接打印出來。

（四）Sanger測序法的改進及新一代測序技術(shù)現(xiàn)在是28頁\一共有43頁\編輯于星期五第五章分子生物學(xué)研究法

現(xiàn)在是29頁\一共有43頁\編輯于星期五第五章分子生物學(xué)研究法

ddAddGddTddGddCddCddAddCddGddT激光激發(fā)熒光信號AGTGCCACGT電泳鏈終止反應(yīng)現(xiàn)在是30頁\一共有43頁\編輯于星期五現(xiàn)在是31頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)

二.高通量DNA序列分析技術(shù)2.第二代測序法

第二代測序法采用體外構(gòu)建測序文庫、體外擴增測序模板以及更高密度的陣列化測序更大地提高了測序的自動化和平行化，從而極大地降低了測序成本。主要方法有：Roche454焦磷酸測序Illumina基因組分析儀ABISOLiD……現(xiàn)在是32頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)三.其他代表性基因組

1997年9月，大腸桿菌（E.coli）的完整基因圖譜已繪制成功,基因組全序列完成，全長為約5Mb，共有4,288個基因，同時也搞清了所有基因產(chǎn)物的氨基酸序列?，F(xiàn)在是33頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)三.其他代表性基因組

啤酒酵母（Saccharomycescerevisiae）

1997年，第一個真核生物基因組圖譜公布。該基因組全長13.04Mbp，是最小的真核基因組。含5885個蛋白質(zhì)編碼基因?，F(xiàn)在是34頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)三.其他代表性基因組

秀麗線蟲(caenorhabditiselegans)

1998年12月完成了基因組測序?；蚪M大小100Mb，分布于6條染色體，預(yù)測有19,099個基因?，F(xiàn)在是35頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)三.其他代表性基因組

果蠅（Drosophilamelanogaster）

Celera公司2000年3月宣布果蠅基因組全序列為180Mb，有13,601個基因?，F(xiàn)在是36頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)三.其他代表性基因組2000年12月，第一個植物基因組—擬南芥基因組被全部測序，遺傳圖譜、物理圖譜建立，序列大小為115.4Mb。預(yù)測含有30,000個基因,編碼蛋白來自11,000個家族?，F(xiàn)在是37頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)三.其他代表性基因組2002年4月，水稻基因組圖譜公布。水稻是重要的糧食作物，分秈、粳兩個亞種?，F(xiàn)在是38頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)

三.其他基因組水稻基因組全長389Megabase，含有37,544蛋白質(zhì)編碼基因。其中29%的基因以基因家族形式存在。水稻2個亞種的全基因組測序完成，一方面開啟了植物比較基因組學(xué)的大門，另一方面為人們在基因組水平上鑒定出所有水稻基因并分析其功能奠定了基礎(chǔ)?，F(xiàn)在是39頁\一共有43頁\編輯于星期五第八章基因組與比較基因組學(xué)

四.比較基因組學(xué)研究比較基因組學(xué)（Comparativegenomics）比較基因組學(xué)的意義在于能夠根據(jù)對一種生物相關(guān)基因的認識來理解、詮釋甚至克隆分