環(huán)境基因組學(xué)

環(huán)境基因組學(xué)第1頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一基因組學(xué)（genomics）基因組（genome），又稱染色體組一個物種單倍體的染色體數(shù)目，物種全部遺傳信息的總和。泛指一個有生命體、病毒或細(xì)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。第2頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一1.病毒基因組

DNA病毒

RNA病毒

多數(shù)為雙鏈(ds)、環(huán)狀或線性多數(shù)為單鏈(ss)、線性第3頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一噬菌體phiX1741977，Sanger單鏈環(huán)狀DNA病毒5386nt5386nt2500氨基酸第4頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一乙型肝炎病毒（HBV）聚合酶HBsAgHBcAg部分開環(huán)雙鏈DNA病毒第5頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一乙型肝炎病毒基因組乙型肝炎病毒基因組

--部分開環(huán)雙鏈DNA聚合酶HBsAgHBcAg第6頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一.

禽流感病毒(H5N1)

avianinfluenzaAvirus單鏈RNA病毒8節(jié)段-ssRNA血凝素（HA）神經(jīng)氨酸酶（N)第7頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一人類免疫缺陷病毒(HIV)（humanImmunodeficiencyvirus）逆轉(zhuǎn)錄病毒（單鏈RNA病毒）RNA第8頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一2.原核生物基因組細(xì)菌染色體DNA質(zhì)粒DNA大腸桿菌（Escherichiacoli）第9頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一大腸桿菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)Nucleoid類核質(zhì)粒plasmid核糖體鞭毛包涵體莢膜漿膜漿膜外間隙間體類核（nucleoid）：細(xì)菌染色體在細(xì)胞內(nèi)形成的一個致密區(qū)域。第10頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一由一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成，

通常只有一個DNA復(fù)制起點。大腸桿菌染色體DNA大腸桿菌4000K3000K2000K1000K0OriCTerC4639221bp第11頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一質(zhì)粒DNA質(zhì)粒是存在于細(xì)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。四環(huán)素抵抗第12頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一3.真核生物基因組染色體DNA線粒體DNA第13頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一12345678910111213141516171819202122XY人類染色體基因組第14頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一人類線粒體基因組2個rRNA基因和22個tRNA基因，13個編碼蛋白質(zhì)基因，編碼序列占93%。第15頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一CREDIT:JOESUTLIFFScience,Vol291:1221.FishinginaMoreEffective

Way!釣魚？竭澤而漁？遺傳學(xué)、生物化學(xué)基因組學(xué)、蛋白組學(xué)第16頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一基因組學(xué)一、產(chǎn)生背景及概念二、基因組學(xué)分類三、結(jié)構(gòu)基因組學(xué)四、功能基因組學(xué)五、比較基因組學(xué)第17頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一一、產(chǎn)生背景及概念

1.背景：1985年提出人類基因組計劃（HGP），隨著HGP的提出和實施，產(chǎn)生的基因組學(xué)。基因組學(xué)（genomics）對物種的所有基因進(jìn)行定位、作圖、測序和功能分析。第18頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一2.基因組學(xué)（genomics）概念以分子生物學(xué)技術(shù)、計算機技術(shù)和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為研究手段，以生物體內(nèi)全部基因為研究對象，在全基因背景下和整體水平上探索生命活動的內(nèi)在規(guī)律及其內(nèi)外環(huán)境影響機制的科學(xué)。第19頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一3.基因組學(xué)研究內(nèi)容***

獲得生物體全部基因組序列鑒定所有基因的功能明確基因之間的相互作用關(guān)系闡明基因組的進(jìn)化規(guī)律

第20頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一4.基因組學(xué)的發(fā)展歷程流感嗜血桿菌(haemophilusinfluenzae)1995年7月第一個細(xì)菌基因組全序列發(fā)表(Science)：大小為1.8Mb。含1703個基因或開放閱讀。這是微生物乃至整個生物學(xué)領(lǐng)域的一個里程碑。第21頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一大腸桿菌1997年9月,大腸桿菌的完整基因圖譜已繪制成功,基因組全序列完成,全長為5Mb,共有4288個基因,同時也搞清了所有基因產(chǎn)物的氨基酸序列。第22頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一啤酒酵母1997年，第一個真核生物基因組圖譜公布。第23頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一秀麗線蟲(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。第24頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一果蠅Celera公司2000年3月宣布了基因組全序列為180Mb。有13601個基因,其中一半的基因功能還沒有搞清楚,有1600個堿基跨度區(qū)仍未能完全測序。第25頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一擬南芥：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125Mb。基因組測序區(qū)段覆蓋了全基因組的115.4Mb,分析共含有25498個基因,編碼蛋白來自11000個家族。第26頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一人類基因組2001年2月中旬，《Nature》與《Science》分別發(fā)表了人類基因組工作框架圖,報告人類基因組共有30億個堿基對,預(yù)測編碼基因31000個,比最初預(yù)測的10萬個編碼基因數(shù)大大減少。第27頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一2002年4月，水稻基因組圖譜公布。第28頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一2002年

小鼠、瘧原蟲和按蚊基因組測序完成鼠基因組共有約27億個堿基對，比人類少15％，但其包含的基因數(shù)目約在3萬個左右，與對人類基因數(shù)的最新估計非常接近。第29頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一瘧原蟲的裂殖孢子瘧原蟲破壞兩個紅細(xì)胞*人被蚊子咬之后5-10分鐘，瘧原蟲孢子到達(dá)肝臟，入侵肝細(xì)胞內(nèi)就可逃逸人體免疫系統(tǒng)的攻擊。*孢子侵吞肝細(xì)胞的營養(yǎng)，大量地分裂繁殖，一周后，肝細(xì)胞脹破，數(shù)以百萬計的新孢子釋放進(jìn)入血液。*新的孢子立刻重新入侵紅細(xì)胞，再次逃過免疫系統(tǒng)的攻擊。且以血紅蛋白為食，繼續(xù)繁殖；*兩天后又可再次破壞紅細(xì)胞，產(chǎn)生更多的孢子入侵其它紅細(xì)胞……不久，2/3的紅細(xì)胞都會被瘧原蟲侵襲。*瘧原蟲在血液里這種周期性的繁殖過程，而導(dǎo)致病人三天兩頭地發(fā)高燒、打寒戰(zhàn)。第30頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一人肝細(xì)胞內(nèi)間日瘧原蟲（Plasmodiumvivax）細(xì)胞前期成熟裂殖體瘧原蟲是瘧疾的病原體，分布區(qū)幾乎遍及全球。間日瘧原蟲是四種寄生于人體的瘧原蟲之一。第31頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一2003年

人類基因組計劃宣布，人類基因組序列圖繪制成功，人類基因組計劃的所有目標(biāo)全部實現(xiàn)；人類遺傳變異圖譜研究以及黑猩猩基因組測序計劃開始。第32頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一2003年11月，世界上首個復(fù)雜生物體的蛋白圖譜——果蠅蛋白圖譜公布，實現(xiàn)了由僅顯示遺傳密碼信息的基因圖譜到揭示遺傳密碼功能的蛋白圖譜的飛躍。果蠅（Drosophilamelanogaster）蛋白圖譜發(fā)表在《科學(xué)》雜志的網(wǎng)絡(luò)版上；研究發(fā)布的這個含有7,000多個果蠅蛋白的圖譜含蓋了這些蛋白之間超過20,000種不同的互相作用。果蠅蛋白有許多與人類蛋白類似，適于作為研制小分子藥物如用于治療癌癥、心臟病和糖尿病的口服藥片等的靶點研究。第33頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一2004年３月１日多國科學(xué)家組成的兩個研究小組宣布繪制出雞的基因序列草圖和遺傳差異圖譜?？茖W(xué)家選取了家雞的遠(yuǎn)祖——紅原雞為測繪對象，繪制出了草圖中約10億個堿基對，相當(dāng)于人類的三分之一。科學(xué)家在９日出版的《Nature》雜志上載文說，分析發(fā)現(xiàn)，紅原雞約有２萬到2.3萬個遺傳基因，與人類數(shù)量基本持平，其中有60％與人類相同。（同源性？）第34頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一雞基因組的分析已經(jīng)得出了出人意料的結(jié)果?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，控制雞生成角蛋白的基因與預(yù)想的不同。角蛋白構(gòu)成人類的頭發(fā)、指甲，以及鳥類的喙和羽毛，科學(xué)家一直認(rèn)為哺乳動物和鳥類的角蛋白來源相同。但圖譜顯示，雞的角蛋白基因與哺乳動物的區(qū)別很大?？茖W(xué)家由此推測，角蛋白可能獨立了二次進(jìn)化。意外的發(fā)現(xiàn)第35頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一另外，此前科學(xué)界一致認(rèn)為雞沒有嗅覺，但是分析結(jié)果表明雞具有大量的嗅覺基因，而缺乏味覺基因。分析還發(fā)現(xiàn)，雞缺乏人類所具有的產(chǎn)生乳汁、唾液和牙齒的基因。意外的發(fā)現(xiàn)第36頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一雞基因組研究的意義雞是研究低等脊椎動物和人類等高等哺乳動物的一種比較理想的中介體。將人類基因組與雞等其他生物的基因組進(jìn)行比較，有助于更深入理解人類基因的結(jié)構(gòu)和功能，進(jìn)而開發(fā)疾病治療的新手段。同時對于培育優(yōu)質(zhì)雞種、改善食品安全、控制禽流感病毒的蔓延也有重要意義。第37頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一雞是種常見的家禽，長期受到進(jìn)化生物學(xué)家的青睞。它的基因序列也有助于科學(xué)家了解農(nóng)業(yè)和進(jìn)化學(xué)上重要特性的遺傳學(xué)基礎(chǔ)。雞的進(jìn)化研究轉(zhuǎn)基因小雞對雞和人類的基因組進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)約七千萬個堿基對是共有的。這暗示著在大約三億一千萬年前二個物種的確是從共同祖先分化出來的——遺傳物質(zhì)的守恒性。第38頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一雞和所有的哺乳動物多起源于恐龍鳥類的祖先——始祖鳥第39頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一“分道揚鑣”在鳥類和哺乳動物分離的時候，雞獲得了生成羽毛和喙的蛋白質(zhì)的基因，而哺乳動物獲得了毛皮蛋白質(zhì)的基因，喪失了與蛋清和蛋黃有關(guān)的基因。雞的基因組比哺乳動物的緊湊，它擁有20萬到23萬個基因，但僅有十億個DNA堿基，而同樣多的基因人類需要三十億個堿基。雞的基因數(shù)量與哺乳動物的相當(dāng)，但它的基因組含有重復(fù)的“垃圾DNA”的數(shù)量很少。第40頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一我國科學(xué)家在雞基因組學(xué)研究上的重大突破*中國科學(xué)院北京基因組研究所在國際合作的框架下參與和主持完成的紅原雞基因組和家雞基因組多態(tài)性研究。*于2004年12月9日發(fā)表在《nature》雜志上以主題科學(xué)論文的形式發(fā)表。第41頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一2004年12月10日*西南農(nóng)業(yè)大學(xué)家蠶基因組研究群體的研究論文《家蠶基因組框架圖》，于12月10日《Science》上以主題科學(xué)論文的形式發(fā)表，*標(biāo)志我國家蠶基因組研究獲國際認(rèn)可。第42頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一絲腺是合成繭絲蛋白質(zhì)的生物器官，是蠶絲產(chǎn)業(yè)的生物學(xué)基礎(chǔ)。科學(xué)家通過分析家蠶基因組和基因表達(dá)譜，發(fā)現(xiàn)了1874個家蠶絲腺特異基因，其中97％為新發(fā)現(xiàn)；發(fā)現(xiàn)了絲腺中激素活動的證據(jù)；科學(xué)家甚至比較了家蠶與蜘蛛的基因構(gòu)成，發(fā)現(xiàn)了它們的107個共同功能基因。第43頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一通過對功能基因的獲得和功能分析的開展，突破繭絲蛋白質(zhì)合成相關(guān)基因克隆和研究的瓶頸。隨著家蠶絲腺特異基因研究的深入，中國將在改造絲蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，克服絲綢天然加工弱點等重要產(chǎn)業(yè)技術(shù)的研發(fā)方面取得突破。第44頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一二、基因組學(xué)分類***1.根據(jù)研究對象：動物基因組學(xué)、植物基因組學(xué)、腫瘤基因組學(xué)、藥物基因組學(xué)、環(huán)境基因組學(xué)等。2.根據(jù)研究的重點：

結(jié)構(gòu)基因組學(xué)、功能基因組學(xué)、比較基因組學(xué)第45頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一三、結(jié)構(gòu)基因組學(xué)（一）概念和目的（二）基因圖譜（三）結(jié)構(gòu)基因組學(xué)研究常用方法第46頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一（一）結(jié)構(gòu)基因組學(xué)***以全基因組測序為目標(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)?；蚨ㄎ?/p>

基因組圖譜繪制

測定核苷酸序列第47頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一結(jié)構(gòu)基因組學(xué)

（structuralgenomics）目的：建立高分辨的遺傳圖譜、物理圖譜、轉(zhuǎn)錄圖譜和序列圖譜。1.遺傳圖譜（連鎖圖譜）2.物理圖譜（位置圖譜）3.轉(zhuǎn)錄圖譜（表達(dá)圖譜）4.序列圖譜（分子水平的物理圖譜）

第48頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一基因組圖譜的構(gòu)建基因組計劃的主要任務(wù)是獲得全基因組序列，但是，利用現(xiàn)有DNA測序方法，每個測序反應(yīng)通常只能得到800-1000個核苷酸的序列（800～1000bp）。只有掌握序列片段在染色體上的準(zhǔn)確位置才能進(jìn)行大量的正確的測序片段拼接?！嗷蚪M計劃的第一個環(huán)節(jié)——構(gòu)建基因組圖譜第49頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一基因組圖譜的構(gòu)建

遺傳圖譜（geneticmap）***：采用遺傳分析的方法將基因或其它DNA序列標(biāo)定在染色體上構(gòu)建連鎖圖。遺傳圖譜（連鎖圖譜）

：根據(jù)遺傳性狀(如已知基因位點、功能未知的DNA標(biāo)記、可鑒別的表型性狀)的分離比例將其在基因組中的定位，構(gòu)建相應(yīng)的連鎖圖譜。第50頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一遺傳圖譜（連鎖圖譜）通過遺傳圖譜可分清各基因或分子標(biāo)記之間的相對距離與方向，如靠近著絲?；蚨肆?。遺傳圖譜的構(gòu)建是以位于同一染色體相鄰的2個基因或遺傳標(biāo)記的重組率為基因，因而必需要參考家系和分子遺傳標(biāo)記或基因作為研究基礎(chǔ)。第51頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一遺傳標(biāo)記特點***有可以識別的標(biāo)記，才能確定目標(biāo)的方位及彼此之間的相對位置。構(gòu)建遺傳圖譜的關(guān)鍵是尋找基因組不同位置上的特征標(biāo)記。包括：

形態(tài)標(biāo)記

細(xì)胞學(xué)標(biāo)記

生化標(biāo)記

DNA分子標(biāo)記第52頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一1.形態(tài)標(biāo)記形態(tài)性狀：株高、顏色、白化癥等又稱表型標(biāo)記所有的標(biāo)記都必須具有多態(tài)性！

花色：白色、紅色株高：高、矮血型：A、B、O型淀粉：糯、非糯第53頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一多態(tài)性（polymophism）所有多態(tài)性都是基因突變的結(jié)果！數(shù)量少很多突變是致死的受環(huán)境、生育期等因素的影響第54頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一2.細(xì)胞學(xué)標(biāo)記明確顯示遺傳多態(tài)性的染色體結(jié)構(gòu)特征和數(shù)量特征染色體的核型染色體的帶型染色體的結(jié)構(gòu)變異染色體的數(shù)目變異優(yōu)點：不受環(huán)境影響缺點：數(shù)量少、費力、費時、對生物體的生長發(fā)育不利第55頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一3.生化標(biāo)記

又稱蛋白質(zhì)標(biāo)記就是利用蛋白質(zhì)的多態(tài)性作為遺傳標(biāo)記。如：同工酶、貯藏蛋白優(yōu)點：數(shù)量較多，受環(huán)境影響小缺點：受發(fā)育時間的影響、有組織特異性、只反映基因編碼區(qū)的信息第56頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一4.DNA分子標(biāo)記——簡稱分子標(biāo)記以DNA序列的多態(tài)性作為遺傳標(biāo)記。優(yōu)點：不受時間和環(huán)境的限制遍布整個基因組，數(shù)量無限不影響性狀表達(dá)自然存在的變異豐富，多態(tài)性好共顯性，能鑒別純合體和雜合體第57頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一DNA分子標(biāo)記每種生物DNA具有穩(wěn)定性，∴DNA標(biāo)記本身可作為構(gòu)建遺傳圖譜的標(biāo)記，主要有以下3種類型：①限制性內(nèi)切酶多態(tài)性（RFLP）②簡單序列長度多態(tài)性（SSLP）③單核苷酸多態(tài)性（SSR）——微衛(wèi)星標(biāo)記第58頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一人類遺傳圖譜的構(gòu)建

不可能根據(jù)需要選擇親本，設(shè)計雜交組合，構(gòu)建分離群體！只能檢測現(xiàn)存家庭連續(xù)幾代成員的基因型

家系分析法資料有限、必須借助于統(tǒng)計學(xué)方法第59頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一人類基因組遺傳圖譜的構(gòu)建：家系分析法：

22對常染色體：分析8個家系134個成員(186個減數(shù)分裂)根據(jù)5264個STR(簡單重復(fù)序列)標(biāo)記繪制而成。

X染色體：另外利用12個家系170個成員，5364個SSR標(biāo)記，2335個位點，標(biāo)記間的平均距離599kb。第60頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一人類基因組物理圖譜:遺傳圖譜及物理圖譜構(gòu)建；遺傳圖譜及物理圖譜整合；構(gòu)成更加完整的人類基因組圖譜（基因在染色體上的排列不均勻）；基因組序列框架測定和分析。第61頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一1）基因定位：*借助基因組圖譜，可使基因定位在精度、深度、廣度等方面有極大的提高。*已陸續(xù)在各種農(nóng)作物上定位了許多重要農(nóng)藝性狀和經(jīng)濟性狀的基因，在復(fù)雜數(shù)量性狀位點(quantitativetraitloci，QTL)定位分析方面，也取得了很大進(jìn)展。第62頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一2）基因組比較分析：

已經(jīng)在禾本科玉米、水稻、高梁、大麥、小麥和黑麥，茄科的蕃茄、胡椒、馬鈴薯，十字花科擬南芥、甘藍(lán)、花椰菜、油菜等做了遺傳圖譜比較分析，從分子水平了解物種間同源性，研究基因組的進(jìn)化和染色體的演變。3）標(biāo)記輔助選擇(marker-assistedselectionMAS)：

飽和基因組圖譜可用來確定與任何一個目的基因緊密連鎖的分子標(biāo)記根據(jù)圖譜間接選擇目的基因，可降低連鎖累贅，加速目的基因的轉(zhuǎn)移與利用，提高回交育種的效率。第63頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一4）基因的克隆與分離：

根據(jù)基因組圖譜，可以找到一個與目的基因緊密連鎖的分子標(biāo)記，作為染色體步行(chromosomewalking)起始點進(jìn)行基因的克隆和分離，此法亦稱圖位克隆法(map-basedcloning)，為基因產(chǎn)物未知的基因克隆提供了捷徑。第64頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一3.轉(zhuǎn)錄圖譜（表達(dá)圖譜）以表達(dá)序列標(biāo)簽（EST）為位標(biāo)，根據(jù)轉(zhuǎn)錄順序的位置和距離繪制的圖譜，它是染色體DNA某一區(qū)域內(nèi)所有可轉(zhuǎn)錄序列的分布圖，是基因圖的雛形。方法：用已在染色體定位的YACDNA或BACDNA為探針，與所有可能相關(guān)的各組織cDNA文庫雜交，尋找其同源克隆并做進(jìn)一步分析。EST(ExpressedSequenceTag)是從一個隨機選擇的cDNA克隆，進(jìn)行5’端和3’端單一次測序挑選出來獲得的短的cDNA部分序列,代表一個完整基因的一小部分。第65頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一4.序列圖譜（分子水平的物理圖譜）以某一染色體上所含的全部堿基順序繪制的圖譜。既包括可轉(zhuǎn)錄序列，也包括非轉(zhuǎn)錄序列，是轉(zhuǎn)錄序列、調(diào)節(jié)序列和功能未知序列的總和。第66頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一三、結(jié)構(gòu)基因組學(xué)研究常用方法1.脈沖場凝膠電泳（PFGE）2.毛細(xì)管電泳3.基因芯片技術(shù)4.全基因組隨機測序第67頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一四、功能基因組學(xué)（Functuionalgenomics）——后基因組學(xué)（Postgenomics）1.概念***：完成一個生物體全部基因組測序后即進(jìn)入后基因組測序階段——描述基因組所有基因的功能，包括研究基因的表達(dá)及其調(diào)控模式，這就是功能基因組學(xué)。研究角度包括：生物學(xué)功能、細(xì)胞學(xué)功能、發(fā)育學(xué)功能等。第68頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一功能基因組學(xué)利用結(jié)構(gòu)基因組所提供的信息和產(chǎn)物，全面分析基因的功能——從對單一基因或蛋白質(zhì)得研究轉(zhuǎn)向多個基因或蛋白質(zhì)同時進(jìn)行系統(tǒng)的研究。由基因組靜態(tài)的堿基序列研究轉(zhuǎn)入對基因組動態(tài)的生物學(xué)功能研究。研究內(nèi)容包括基因功能發(fā)現(xiàn)、基因表達(dá)分析及突變檢測。第69頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一“基因的功能”研究內(nèi)容生物學(xué)功能：如作為蛋白質(zhì)激酶對特異蛋白質(zhì)進(jìn)行磷酸化修飾；細(xì)胞學(xué)功能：如參與細(xì)胞間和細(xì)胞內(nèi)信號傳遞途徑；發(fā)育上功能：如參與形態(tài)建成等。第70頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一“基因的功能”研究手段減法雜交差示篩選經(jīng)典方法cDNA代表差異分析mRNA差異顯示基因表達(dá)的系統(tǒng)分析（serialanalysisofgeneexpression,SAGE）cDNA微陣列（cDNAmicroarray）

新興技術(shù)DNA芯片（DNAchip）序列標(biāo)志片段顯示（sequencetaggedfragmentsdisplay）第71頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一（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(dá)模式

主要具體內(nèi)容包括以下方面

第72頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一（一）鑒定DNA序列中的基因

對基因組序列進(jìn)行注釋，包括鑒定和描述推測的基因、非基因序列及其功能。第73頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一根據(jù)序列分析搜尋基因的步驟

查找開放閱讀框（openreadingframe,ORF）開放閱讀框必須有一個起始密碼子——ATG，還要有終止密碼子(UAG,UAA,UGA)

。

從ATG開始，然后向下游尋找終止密碼子。

起始密碼子和終止密碼子之間的堿基數(shù)目要能夠被3整除。每一條鏈都有3種可能的閱讀框，2條連共計有6種可能的閱讀框。計算機可迅速給出結(jié)果。第74頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一*同源基因在進(jìn)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。利用已經(jīng)存入數(shù)據(jù)庫的基因序列與待查的基因組序列比對，從中查找可以與之匹配的堿基序列及其比例，用于界定基因。（二）同源搜索設(shè)計基因功能第75頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一第76頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一第77頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一第78頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一（三）實驗性設(shè)計基因功能

對基因進(jìn)行缺失查詢或剔除，觀察表型變化推測基因功能。第79頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一（四）描述基因表達(dá)模式轉(zhuǎn)錄組(transcriptome):一個細(xì)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(xì)胞或組織所表達(dá)的基因種類和水平。該研究領(lǐng)域叫轉(zhuǎn)錄組學(xué)(transcriptomics)。第80頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一轉(zhuǎn)錄組學(xué)的研究方法－DNA芯片技術(shù)第81頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一功能基因組學(xué)（functionalgenomics）又稱后基因組學(xué)（postgenomics)基因的識別、鑒定、克隆基因結(jié)構(gòu)、功能及其相互關(guān)系基因表達(dá)調(diào)控的研究第82頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一大基因組測序存在兩個問題：片段數(shù)(n)龐大，片段間連接和裝配非常復(fù)雜，重疊數(shù)為2n2–2n；基因組中相同或相似的重復(fù)序列在連接和裝配時容易出錯。基因組圖譜的構(gòu)建：第83頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一2.功能基因組學(xué)常用方法和技術(shù)⑴RNA干擾技術(shù)（RNAi）⑵蛋白質(zhì)組學(xué)研究⑶生物信息學(xué)研究第84頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一RNA干擾技術(shù)（RNAi）將一段dsRNA導(dǎo)入機體或細(xì)胞后，與它有同源序列的基因的表達(dá)被干擾或抑制的現(xiàn)象。dsRNA依賴的轉(zhuǎn)錄后基因沉默。1998，F(xiàn)ire，線蟲作用機制：A.Dicer和Slicer依賴模式:果蠅胚胎細(xì)胞和培養(yǎng)細(xì)胞S2B.隨機降解“PCR”模型:果蠅、線蟲、真菌秀麗新小桿線蟲（C.elegans）第85頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一蛋白質(zhì)組學(xué)(proteomics)蛋白質(zhì)組(proteome):是由澳大利亞學(xué)者Wasinger等于1995年提出的,是指由基因組編碼的全部蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)組學(xué)(proteomics)就是指研究細(xì)胞內(nèi)所有蛋白質(zhì)及其動態(tài)變化規(guī)律的科學(xué)。鑒定蛋白質(zhì)的產(chǎn)生過程、結(jié)構(gòu)、功能和相互作用方式。第86頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一蛋白質(zhì)組(proteom)**：

一個細(xì)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(xì)胞或組織在翻譯水平的蛋白質(zhì)的表達(dá)譜。這一研究領(lǐng)域叫蛋白質(zhì)組學(xué)(proteomics)。第87頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一雙向電泳（twodimensionlectrophoresis,2-DE）：蛋白質(zhì)具有等電點和分子量的特異性，將蛋白質(zhì)混合物通過變性聚丙烯酰胺凝膠電泳（SDS），使其在電荷（等電聚焦，IEF）和分子量，兩個水平上進(jìn)行分離。蛋白質(zhì)組學(xué)的研究方法第88頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一生物信息學(xué)生物信息學(xué)是以計算機為工具,用數(shù)理及信息科學(xué)的理論和方法研究生命現(xiàn)象,對生物信息進(jìn)行儲存、檢索和分析的一門學(xué)科。是一種用計算機貯存原始資料，分析生物信息，將DNA芯片以及蛋白質(zhì)雙向電泳結(jié)果轉(zhuǎn)變成為可讀的遺傳學(xué)信息的學(xué)科。生物信息學(xué)是現(xiàn)代生物技術(shù)與計算機科學(xué)的結(jié)合，收集、加工和分析生物資料和信息。第89頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一生物信息學(xué)是在未來生命科學(xué)中起關(guān)鍵作用的學(xué)科之一。應(yīng)用生物信息學(xué)可以將來不同的基因組理論和應(yīng)用綜合并標(biāo)準(zhǔn)化，利用大量的生物信息資料來了解遺傳網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、信號傳遞及相互關(guān)系，計算機還可進(jìn)行一些生物模擬研究。∴利用生物信息學(xué)能夠分析從微生物、植物以及人類基因組序列測定產(chǎn)生的大量資料闡明遺傳信息。第90頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一五、比較基因組學(xué)利用人類基因組與模式生物基因組之間編碼順序上組織結(jié)構(gòu)上的同源性，發(fā)現(xiàn)和克隆人類和其他物種的基因，提示基因功能，從而闡明物種的進(jìn)化關(guān)系及基因組的內(nèi)在結(jié)構(gòu)。比較基因組學(xué)(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(jìn)化關(guān)系。第91頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一進(jìn)化樹（系統(tǒng)發(fā)生樹）第92頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一

“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)第93頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一

基因共線性第94頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一第95頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一人類基因組計劃——挖掘策略1990，美國國立衛(wèi)生研究所和能源部投資＄30億，啟動了人類基因組計劃，預(yù)計15年時間完成人類基因組全部序列的測定1996，完成標(biāo)記密度為0.6cM的人類基因組遺傳圖譜，100kb的物理圖譜2000，完成草圖2001年2月，公布人類基因組圖譜的修訂版2002，完成測序工作第96頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一HGP主要任務(wù)及內(nèi)容

主要任務(wù)工作內(nèi)容

物理制圖確定染色體上諸如限制性內(nèi)切核酸酶識別位點，（physicalmapping）或序列標(biāo)志位點（STSs）等的位置圖。

遺傳制圖確定標(biāo)志位點在一條染色體上的線性排列順序。（physicalmapping）標(biāo)志位點間的圖距以遺傳學(xué)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。第97頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一

通過HGP獲得的廣泛基因組信息組成了結(jié)構(gòu)基因組學(xué)的基本內(nèi)容，是開展功能基因組學(xué)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的意義第98頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一第99頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一“人類基因組計劃”“全基因組”信息記錄著一個人有關(guān)生、老、病、死的重要信息，它是一個人全部隱私中最重要的隱私。孩子的基因組圖記錄一個生命的全部奧秘和隱私。是不是一個色盲，大概會長多高，能否禿頂、發(fā)胖等。還可準(zhǔn)確地告訴其父母：是什么病，可能會要孩子的命。這張圖要交給誰保管呢？父母？保險公司？老板？政府？

第100頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一TheRelationbetweenGenomicsandMedicine基因組學(xué)與醫(yī)學(xué)關(guān)系第101頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一

醫(yī)學(xué)相關(guān)問題結(jié)構(gòu)基因組學(xué)功能基因組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)基因組計劃的應(yīng)用第102頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一疾病的分子機制：病原,病理和預(yù)后，

疾病的易感性，

遺傳與環(huán)境的影響。第103頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一分子診斷：疾病的預(yù)測,藥物耐受性，

疾病的分型。第104頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一分子治療：藥物靶,基因治療第105頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一一、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(xué)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)。第106頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一并指——單基因控制的顯性遺傳病。第107頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一多指癥第108頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一白化病人體內(nèi)缺少酪氨酸酶，不能將酪氨酸轉(zhuǎn)化為黑色素，表現(xiàn)出白化異性狀。白化病常染色體上隱性遺傳病第109頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一維多利亞女王家族病——血友病

血友病攜帶者X染色體上隱性遺傳病第110頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一先天性唇裂*單側(cè)或雙側(cè)發(fā)病，有些還伴有腭裂。*從遺傳角度，唇裂伴有腭裂者與單純腭裂是不同的兩種疾病。多基因遺傳病第111頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一唇裂多基因遺傳病第112頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一唇腭裂多基因遺傳病第113頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一聯(lián)胎先天性巨結(jié)腸多基因遺傳病第114頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一脊柱裂腦膨出無腦兒多基因遺傳病第115頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一多基因遺傳病第116頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一染色體異常遺傳病1.結(jié)構(gòu)異常的染色體病第5條染色體短臂缺失——貓叫綜合征第18條染色體長臂缺失——鯉魚嘴、細(xì)指、外耳異常2.數(shù)量異常的染色體病21三體綜合征（Down征，先天愚型）18三體綜合征（Edward征）13三體綜合征（Patan征）性腺發(fā)育不良（Turner綜合征）第117頁，共132頁，2023年，2月20日，星期一二、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(dá)分析（三）染色體制圖定位及疾病相關(guān)基因克隆

第118頁，共132頁，2