基因組學與醫(yī)學課件

基因組學與醫(yī)學GenomicsandMedicine

分子生物學研究中心第

一

節(jié)基因組學(Genomics)一、基因組學概念及范疇二、結(jié)構(gòu)基因組學三、功能基因組學四、比較基因組學一、基因組學概念及范疇（一）基因組學的提出基因組(genome)泛指一個有生命體、病毒或細胞器的全部遺傳物質(zhì)；在真核生物，基因組是指一套染色體（單倍體）DNA。

噬菌體phiX1741977，Sanger單鏈環(huán)狀DNA病毒5386nt5386nt2500氨基酸乙型肝炎病毒（HBV）聚合酶HBsAgHBcAg開環(huán)部分雙鏈DNA病毒乙型肝炎病毒基因組乙型肝炎病毒基因組

--開環(huán)部分雙鏈DNA聚合酶HBsAgHBcAg人類免疫缺陷病毒(HIV)（humanImmunodeficiencyvirus）逆轉(zhuǎn)錄病毒（單鏈RNA病毒）RNA2.原核生物基因組細菌染色體DNA質(zhì)粒DNA以大腸桿菌（Escherichiacoli）為例類核（nucleoid）：細菌染色體在

細胞內(nèi)形成的一個致密區(qū)域大腸桿菌細胞結(jié)構(gòu)nucleoid質(zhì)粒plasmid質(zhì)粒DNA質(zhì)粒是存在于細菌染色體外的，具有自主復(fù)制能力的環(huán)狀雙鏈DNA分子；大小為幾kb。3.真核生物基因組染色體DNA線粒體DNA12345678910111213141516171819202122XY人類染色體基因組基因組學(genomics)就是發(fā)展和應(yīng)用DNA制圖、測序新技術(shù)以及計算機程序，分析生命體（包括人類）全部基因組結(jié)構(gòu)及功能。（二）基因組學的概念基因組學包括3個不同的亞領(lǐng)域亞領(lǐng)域內(nèi)容結(jié)構(gòu)基因組學整個基因組的遺傳制圖、物理制圖、DNA測序

功能基因組學認識、分析整個基因組所包含的

基因、非基因序列及其功能比較基因組學比較不同物種的整個基因組，增

強對各個基因組功能及發(fā)育相

關(guān)性的認識二、結(jié)構(gòu)基因組學

人類基因

組計劃結(jié)構(gòu)基因組學(structuralgenomics)是通過HGP的實施來完成的。Initialsequencingandanalysisof

thehumangenomeInternationalHumanGenomeSequencingConsortiumNATUREVOL409

15FEBRUARY2001860-921TheSequenceoftheHumanGenome16FEBRUARY2001

SCIENCE

VOL291

1304-1351CeleraGenomics人類染色體DNA大小Chr.Mb繪制物理圖譜（physicalmap）：

利用已知序列的DNA片段為基因組分區(qū)，位點距離用bp表示。作圖標志稱為序列標志位點

（sequencetaggedsites,STSs）。（一）物理制圖（physicalmapping）克隆載體：Cosmid（粘粒）YAC（酵母人工染色體）BAC（細菌人工染色體）遺傳標志：RFLP（限制性片段長度多態(tài)性）

VNTR（可變數(shù)目串聯(lián)重復(fù)序列）

STR（短串聯(lián)重復(fù)序列）SNP（單核苷酸多態(tài)性）AEDbAEdBAEdbDBAE兩對等位基因之間重組互換的頻率即遺傳距離10cM10%1.遺傳圖譜（geneticmap）ChromosomeMaleFemale1.121.760.781.400.861.300.671.40物理圖距離（Mb）與遺傳學距離(cM)的對應(yīng)關(guān)系cM/Mb（三）基因組DNA序列測定人類基因組的全部核苷酸(3X109)排列順序DNA測序基本步驟限制性內(nèi)切酶將大片段DNA切成小的片段小片段插入（連接）到測序載體中用測序儀對小片段DNA測序超級計算機分析測序結(jié)果，進行拼接得到

一致序列DNA切下的片段插入（連接）到載體中疊連群測序后得出一致序列大量的重疊片段gtatgtacatttttaaaatctcattttaaaaggccagttaaaatgggtatgtacatttttaattttaaaatctcattttaatttaaaaggccagttaagttaaaatgg大腸桿菌(Escherichia

coli)釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)擬南芥(Arabidopsisthaliana)秀麗小桿線蟲(Caenorhabditiselegans)果蠅(Drosophilamelanogaster)小鼠(Musmusculus)模式生物（四）創(chuàng)建計算機分析管理系統(tǒng)主要的人類基因組數(shù)據(jù)庫歐洲生物信息學研究所

EMBL:

美國國家生物技術(shù)信息中心

NCBI:日本國立遺傳學研究所

DDBJ:HGP主要任務(wù)及內(nèi)容主要任務(wù)內(nèi)容

物理制圖確定染色體上諸如限制性內(nèi)切（physicalmapping）核酸酶識別位點，或序列標志

位點（STSs）等的位置圖。

遺傳制圖確定標志位點在一條染色體（physicalmapping）上的線性排列順序。標志位點

間的圖距以遺傳學距離表示，

單位為分摩爾根（cM）

基因組DNA序列測定人類24條染色體的、由

3X109個核苷酸組成的全部DNA

序列，繪制人類基因組圖譜。通過HGP獲得的廣泛基因組信息組成了結(jié)構(gòu)基因組學的基本內(nèi)容，是開展功能基因組學的研究的基礎(chǔ)；同時為詳盡研究每一個單基因遺傳病提供“平臺”，并將成為復(fù)雜的多基因遺傳病研究的發(fā)端。HGP的意義完成一個生物體全部基因組測序后即進入后基因組測序階段——詳盡分析序列，描述基因組所有基因的功能，包括研究基因的表達及其調(diào)控模式，這就是功能基因組學。

三、功能基因組學

（functionalgenomics）（一）鑒定DNA序列中的基因（二）同源搜索設(shè)計基因功能（三）實驗性設(shè)計基因功能（四）描述基因表達模式

主要具體內(nèi)容包括以下方面

（一）鑒定DNA序列中的基因?qū)蚪M序列進行注釋，包括鑒定和描述推測的基因、非基因序列及其功能。

同源基因在進化中來自共同的祖先，通過核苷酸序列或氨基酸序列的同源性比較推測基因組內(nèi)相似功能的基因。（二）同源搜索設(shè)計基因功能（三）實驗性設(shè)計基因功能對基因進行缺失或剔除，觀察表型變化推測基因功能。（四）描述基因表達模式轉(zhuǎn)錄組(transcriptome):一個細胞內(nèi)的一套mRNA轉(zhuǎn)錄物，包含了某一環(huán)境條件、某一生命階段、某一生理或病理(功能)狀態(tài)下，生命體的細胞或組織所表達的基因種類和水平。這一研究領(lǐng)域叫轉(zhuǎn)錄組學(transcriptomics)。轉(zhuǎn)錄組學的研究方法－DNA芯片技術(shù)蛋白質(zhì)組(proteom)：一個細胞內(nèi)的全套蛋白質(zhì)，反映了特殊階段、環(huán)境、狀態(tài)下細胞或組織在翻譯水平的蛋白質(zhì)的表達譜。這一研究領(lǐng)域叫蛋白質(zhì)組學(proteomics)。雙向電泳（twodimensionelectrophoresis,2-DE）：

蛋白質(zhì)具有等電點和分子量的特異性，將蛋白質(zhì)混合物在電荷（等電聚焦，IEF）和分子量（變性聚丙烯酰胺凝膠電泳，SDS）兩個水平上進行分離。蛋白質(zhì)組學的研究方法MolecularsIons

生物質(zhì)譜技術(shù)

MassSpectrometry：通過測定樣品離子的質(zhì)荷比（m/z）來進行成分和結(jié)構(gòu)分析。功能基因組學研究策略及主要內(nèi)容鑒定(注釋)基因:通過“ORF搜索”，發(fā)現(xiàn)理論性蛋白

質(zhì)編碼序列分析基因功能:利用計算機進行同源搜索，根據(jù)已

知序列、進化相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)重要的

蛋白質(zhì)功能域。也可對DNA序列進

行突變或剔除后，結(jié)合功能、表型

變化的實驗鑒定基因功能描述基因表達模式:采用DNA微點陣進行整體基因表達

譜--轉(zhuǎn)錄組分析；采用蛋白質(zhì)或

多肽微點陣、改進的雙向電泳結(jié)

合飛行質(zhì)譜技術(shù)分析蛋白質(zhì)表達

譜蛋白質(zhì)組分析。四、比較基因組學比較基因組學(comparativegenomics)涉及比較不同物種的整個基因組，以便深入理解每個基因組的功能和進化關(guān)系。

進化樹（系統(tǒng)發(fā)生樹）“微型人”生理系統(tǒng)與人非常相似90%的基因與人類同源小鼠

(Musmusculus)

基因共線性TheRelationbetweenGenomicsandMedicine第二節(jié)

基因組學與醫(yī)學關(guān)系

醫(yī)學相關(guān)問題結(jié)構(gòu)基因組學功能基因組學蛋白質(zhì)組學基因組計劃的應(yīng)用疾病的分子機制：病原,病理和預(yù)后，

疾病的易感性，

遺傳與環(huán)境的影響。分子診斷：疾病的預(yù)測,藥物耐受性，

疾病的分型。分子治療：藥物靶,基因治療一、基因病的概念人類疾病大致分為三類：（一）單基因?。ǘ┒嗷虿。ㄈ┇@得性基因病

基因?。阂曰蚪M學為基礎(chǔ)，從疾病

和健康的角度考慮，人類疾

病大多直接或間接地與基因

相關(guān)。二、疾病相關(guān)基因的鑒定（一）檢測人類基因變異或突變（二）疾病時基因組差異表達分析（三）染色體制圖定位及疾病相關(guān)基因克隆

（一）檢測人類基因變異或突變單鏈構(gòu)象多態(tài)性(SSCP)、限制性片段長度多態(tài)性(RFLP)，變性梯度電泳(DGGE)，單核苷酸多態(tài)性（SNPs）等位型1等位型2單核苷酸多態(tài)性

（singlenucleotidepolymorphism,SNP）在人類兩個個體之間大約每500—1000bp就有一個堿基差異，如果一個堿基位置發(fā)生的變異在上％以上的人群存在，這個位點就被定義為SNP位點。寡核苷酸雜交分析

SNP和等位基因特異

寡核苷酸雜交

（二）疾病時基因組差異表達分析

某一疾病或綜合征基因組與正?；蚪M表達差異的比較。DNA芯片檢測的差異表達譜（三）染色體制圖定位及疾病相關(guān)基因克隆疾病基因定位：染