醫(yī)學遺傳學人類基因組

關于醫(yī)學遺傳學人類基因組第1頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月概念以分子生物學技術、計算機技術和信息網(wǎng)絡技術為研究手段，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。第2頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月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,預測編碼基因31,000個,比最初預測的10萬個編碼基因數(shù)大大減少。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全部實現(xiàn)第3頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)

人類基因組和基因組學第4頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

基因組(genome)是德國遺傳學家H.Winkler在1920年將gene（基因）和chromosome(染色體)兩個詞縮合而創(chuàng)造的一個新詞，意思是指染色體上的全部基因。幾十年來，隨著分子生物學的發(fā)展，其含義擴展為在個體水平代表一個個體所有遺傳性狀的總和，在細胞水平代表一個細胞所有不同染色體（單倍體）的總和，在分子水平代表一個物種所有DNA分子的總和。

基因組學概念及范疇第5頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月基因組(genome)泛指一個有生命體、病毒或細胞器的全部遺傳物質；在真核生物，基因組是指一套染色體（單倍體）DNA?；蚪M學(genomics)就是發(fā)展和應用DNA制圖、測序新技術以及計算機程序，分析生命體（包括人類）全部基因組結構及功能的科學。第6頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月基因組學包括3個不同的亞領域結構基因組學(structuralgenomics)功能基因組學(functionalgenomics)比較基因組學(comparativegenomics)基因組學概念第7頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月結構基因組學結構基因組學(structuralgenomics)是通過人類基因組計劃(HumanGenomeProject,HGP)的實施來完成的。HGP的內(nèi)容就是制作高分辨率的人類遺傳圖和物理圖，最終完成人類和其它重要模式生物全部基因組DNA序列測定，因此HGP屬于結構基因組學范疇。第8頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)

人類基因組計劃第9頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月人類基因組計劃HGP也稱人類基因測序計劃，主要目標是完成對人的基因組的所有堿基序列的測定，闡明人體中全部基因的位置、結構、功能、表達、調控方式及致病突變的全部信息?；救蝿帐峭瓿蛇z傳圖、物理圖、序列圖和轉錄圖。人類基因組包括24條染色體，3×109bp，3-4萬個基因。第10頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月人類基因組計劃的目標人類基因組計劃是一項國際性的研究計劃。它的目標是通過以美國為主的全球性的國際合作，在大約15年的時間里完成人類24條染色體的基因組作圖和DNA全長序列分析，進行基因的鑒定和功能分析。人類基因組計劃的“科學產(chǎn)品”將是一個人類遺傳信息數(shù)據(jù)庫，將是一本指導人類進化的“說明書”。人類基因組計劃的最終目標就是確定人類基因組所攜帶的全部遺傳信息，并確定、闡明和記錄組成的人類基因組的全部DNA序列。第11頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月人類基因組計劃的研究概況

1986年

美國病毒學家R·杜爾貝科（1914－）1986年3月7日在美國《科學》雜志上發(fā)表了一篇題為《癌癥研究的轉折點——人類基因組的全序列分析》的文章，他指出：“人類DNA序列是人類的真諦，這個世界上發(fā)生的一切事情，都與這一序列息息相關。”該文后來被稱為“人類基因組計劃”的“標書”。第12頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月1988年美國能源部和國家衛(wèi)生研究院率先在美國開展人類基因組計劃，并經(jīng)國會批準由政府給予資助。此后，成立了一個國際間的合作機構——人類基因組織(HumanGenomeOrganization)，由多個國家籌集資金和科研力量，積極參加這一國際性研究計劃。人類基因組計劃的研究概況

1988年第13頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月1989年，美國國立衛(wèi)生研究院成立了人類染色體研究中心，沃森出任第一任主任。人類基因組計劃的研究概況

1989年第14頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月1990年，美國國會批準了“人類基因組計劃”，并于10月1日正式啟動，由多國科學家參加、被稱為“生命科學阿波羅計劃”的人類基因組計劃正式啟動。預計用15年時間，投資30億美元，完成30億對堿基的測序，并對所有基因進行繪圖和排序。美國承擔了全部任務的54%，英國33%，日本7%，法國2.8%，德國2.2%。中國于1999年9月加入人類基因組計劃并承擔了1%

的測序任務。人類基因組計劃的研究概況

1990年第15頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月1998年，生產(chǎn)DNA測序儀的最大廠家Perkin-Elmer(簡稱PE)公司與文特爾領導的基因研究所合作成立了塞萊拉（Celera）遺傳信息公司，并宣布他們將利用最新技術在3年內(nèi)完成人類基因組的測序工作，這使得該計劃處于一種公私競爭的狀態(tài)，從而加快了人類基因組的研究步伐。人類基因組計劃的研究概況

1998年第16頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月2000年6月26日，美國國家人類基因組研究所所長弗朗西斯·柯林斯、塞萊拉公司的董事長兼首席科學家克萊格·文特爾、美國總統(tǒng)克林頓、英國首相布萊爾聯(lián)合宣布人類基因組工作草圖繪制成功。此后，人類基因組研究進入繪制“完成圖”的階段。與“框架圖”相比，“完成圖”的覆蓋率從90％擴展到100％，準確率從99％上升到99.99％。人類基因組計劃的研究概況

2000年第17頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月2001年2月12日，參加繪制人類基因組圖譜的美、英、日、法、德、中6國科學家公布了更加準確、清晰、完整的人類基因組圖譜，并指出人類基因總數(shù)只有3~3.5萬個,編碼序列占2%。2001年7月10日，中國“人類基因組計劃”重大項目秘書長楊煥明教授宣布：在人類基因組完成圖的繪制工作中，中國已率先超額（1.13%）完成所承擔的任務。人類基因組計劃的研究概況

2001年第18頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）遺傳圖（二）物理圖（三）序列圖（四）基因圖HGP包括以下研究內(nèi)容第19頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月100-200kb克隆片段基因組測序的一般流程分級鳥槍測序法基因組DNA細菌人工染色體文庫DNA克隆的排序（物理作圖）

分段測序隨機打斷后克隆DNA測序DNA序列的組裝第20頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月一、

遺傳圖譜（連鎖圖譜）概念：指基因或分子標記在染色體上的相對位置與遺傳距離，用厘摩（cM）表示。1cM的遺傳距離表示在100個配子中有1個重組子。在哺乳動物中，遺傳圖譜上1cM的距離大約相當于物理圖譜上1,000,000bp。人類基因組的全長約3600cM第21頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

遺傳圖是將每條染色體上的基因或遺傳標記的相對位置經(jīng)連鎖分析確定下來，構成圖譜，因此，需借助相應的遺傳標記。

DNA技術的建立為人類提供了大量新的遺傳標記。遺傳標記有三代第22頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月第一代DNA遺傳標記是RFLP（限制性片段長度多態(tài)性）。DNA序列上的微小變化，甚至1個核苷酸的變化，也能引起限制性內(nèi)切酶切點的丟失或產(chǎn)生，導致酶切片段長度的變化。第23頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月第二代DNA遺傳標記利用了存在于人類基因組中的大量重復序列：重復單位長度在15-65個核苷酸左右的小衛(wèi)星DNA；重復單位長度在2-6個核苷酸之間的微衛(wèi)星DNA，又稱為簡短串聯(lián)重復（STR、STRP或SSLP）。衛(wèi)星DNA分類特征衛(wèi)星DNA串聯(lián)重復的基本單位首尾相接，在基因組中呈不均勻分布，但主要集中于著絲粒、端粒等特定部位，高度或中等重復，分屬三個大家族。α衛(wèi)星DNA中等重復，基本單位長171bp。小衛(wèi)星DNA中等重復，基本單位長15~65bp。微衛(wèi)星DNA中等重復，基本單位長2~8bp第24頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月第二代DNA遺傳標記STRP的優(yōu)點是“多態(tài)性”與“高頻率”。由于(A)n，(CA)n，(CGG)n等短重復序列在進化上不受選擇，在同一位點上可重復單位數(shù)量變化很大，配對時又容易產(chǎn)生“錯配”，使這樣的位點遍布于整個基因組。已有5264個STRP為主體的遺傳標記“連鎖圖”，平均分辨率已達600kb，其中第17號染色體上平均每495kb有一個標記，第9號染色體上平均每767kb有一個標記，整個基因組中只有三處標記間距大于4Mb。第25頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月第三代DNA遺傳標記，可能也是最好的遺傳標記，是分散于基因組中的單個堿基的差異，即單核苷酸的多態(tài)性（SNP），包括單個堿基的缺失、插入和替換。SNP中大多數(shù)為轉換，即由一種嘧啶堿基替換另一種嘧啶堿基，或由一種嘌呤堿基替換另一種嘌呤堿基，顛換與轉換之比為1：2。SNP有可能在密度上達到人類基因組“多態(tài)”位點數(shù)目的極限。估計人類基因組中可能有300萬個SNP位點！SNP與RFLP和STRP標記的主要不同之處在于，它不再以DNA片段的長度變化作為檢測手段，而直接以序列變異作為標記。第26頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月遺傳圖譜繪制的意義“遺傳圖”的建立為人類疾病相關基因的分離克隆奠定了基礎。擁有5000多個遺傳學位點，相當于把整個人類基因組劃分為5000多個小區(qū)，并分別設置了“標牌”。如果在家系中證實該基因與某個標記不連鎖（重組率為50%），表明該基因不在這一標記附近。如果發(fā)現(xiàn)該基因與某個標記有一定程度的“連鎖”（重組率小于50%但大于0），表明它可能位于這個標記附近。如果該基因與某標記間不發(fā)生重組（重組率等于0），我們就推測該標記與所研究的疾病基因可能非常接近。第27頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

人類基因組的物理圖是指以已知核苷酸序列的DNA片段（序列標簽位點，STS）為“路標”，以堿基對（bp，kb，Mb）作為基本測量單位（圖距）的基因組圖。STS是基因組中任何單拷貝的長度在100～500bp之間的DNA序列，與核酸內(nèi)切酶識別序列相關聯(lián)。物理圖主要內(nèi)容是建立相互重疊連接的“相連DNA片段群”。物理圖第28頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月序列圖人類基因組的核苷酸序列圖是分子水平上最高層次、最詳盡的物理圖。測定總長約1米、由30億個核苷酸組成的全序列是人類基因組計劃的最終目標。人類所擁有的基因位點都是相同的，不同種族、不同個體的基因差異(人類基因組的多樣性)以及“正?！迸c“疾病”基因的差異，只是同一位點上的等位基因的差異。人類基因組計劃所提供的人類核酸序列圖，蘊藏了決定我們生、老、病、死的所有遺傳信息，將成為人類認識自我、改造自我－使人類健康長壽的知識源泉，為21世紀現(xiàn)代生物學和醫(yī)學奠定了基礎。第29頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

在識別基因組所包含的蛋白質編碼序列的基礎上繪制的結合有關基因序列、位置及表達模式等信息的圖譜。在人類基因組中鑒別出占具2%－5%長度的全部基因的位置、結構與功能，最主要的方法是通過基因的表達產(chǎn)物mRNA反追到染色體的位置?；驁D第30頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月基因圖CpG島的應用

CpG島(CpGisland)：描述哺乳動物基因組DNA中的一部分序列，其特點是C和G的總和超過4種堿基總和的50%，即每10個核苷酸約出現(xiàn)一次雙核苷酸序列CG。具有這種特點的序列僅占基因組DNA總量的10%左右。從已知的DNA序列統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的管家基因(House-Keepinggene)及約占40%的組織特異性基因的5‘末端含有CpG島，其序列可能包括基因轉錄的啟動子及第一個外顯子。因此，在大規(guī)模DNA測序計劃中，每發(fā)現(xiàn)一個CpG島，則預示可能在此存在基因。第31頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月基因圖計算機應用及cDNA策略計算機應用：通過軟件進行預測（生物信息學）cDNA策略：把特定組織中的mRNA分離出來，經(jīng)反轉錄合成cDNA片段，建立EST位標，根據(jù)轉錄順序的位置和距離繪制的圖譜。是染色體DNA某一區(qū)域內(nèi)所有可轉錄序列的分布圖，是基因圖的雛形。第32頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)后基因組時代(Postgenomeera)*人類基因組計劃完成之后，生物學被重新劃分為前基因組和后基因組兩部分。*科學研究已開始進入“后基因組時代”。主要是開展蛋白質組的研究。*有科學家形象地說道：即使基因測序全部完成，也只好像是一本沒有姓名、只有號碼的電話簿?！昂蠡蚪M時代”的最終目標，是要把深奧的DNA語言變成一本基因大百科全書。第33頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月人類基因組工程(humangenomeprojects)的含義盡管工程規(guī)模和要處理的信息量都很大，但其技術難度似乎不好與阿波羅計劃和邁哈頓計劃相比。是人類了解生命現(xiàn)象過程中的重要一步，但它所能夠回答的問題是有限的！它不會立刻使我們的壽命延長。不會使我們立刻知道人類疾病的發(fā)病機理和治療方法。不會告訴我們思維過程和個體發(fā)育的機制。不會告訴我們地球上的生命究竟是怎樣產(chǎn)生的。第34頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月人類基因組序列測完后（“后基因組時代”）的工作分析所有的這些基因及其編碼產(chǎn)物（主要是蛋白質）是如何單獨和共同在生命過程中發(fā)揮作用的。在目前階段研究蛋白比研究基因難得多，而成千上萬的結構和功能都復雜多樣的蛋白分子才是生命過程的最后執(zhí)行者。我們現(xiàn)在還沒有有效的研究手段去揭示蛋白分子在生物體內(nèi)究竟完成什么功能、又是通過何種機制去完成其生物功能的等等。第35頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月一、基因組多樣性計劃不同人種、不同民族基因組的異同關系。探討人類進化和種族演化的歷史。個體化用藥。疾病易感性。第36頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月二、功能基因組學

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控模式，這就是功能基因組學（functionalgenomics）。第37頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）鑒定DNA序列中的基因（二）同源搜索設計基因功能（三）實驗性設計基因功能（四）描述基因表達模式功能基因組學的主要具體內(nèi)容包括以下方面

第38頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月功能基因組學研究策略及主要內(nèi)容第39頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月三、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，是利用生物在進化上的親緣關系，來比較它們與人類之間的相似與相異，以便深入理解每個基因組的功能和進化關系。第40頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月四、環(huán)境基因組學

與環(huán)境因素相關的疾病遺傳易感性基因五、疾病基因組學

分離、分析疾病的致病基因和相關基因，并研究其致病機制六、藥物基因組學

研究包括藥物在內(nèi)的化學物質引起機體反應上的遺傳差異第41頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

以生物大分子為研究對象，以計算機為工具，運用數(shù)學和信息科學的觀點、理論和方法去研究生命現(xiàn)象、組織和分析呈指數(shù)級增長的生物信息數(shù)據(jù)的一門科學.七、生物信息學http://www.ebi.ac.uk/embl/http://www.ddbj.nig.ac.jp/。第42頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)基因定位與克隆人類基因組計劃的完成，最重要的后續(xù)工作是運用一定的方法，將各個基因確定到染色體的實際位置?；蚨ㄎ粚μ岣呷祟悓膊‘a(chǎn)生的病因學的認識有重要意義。第43頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月1.連鎖分析（Linkageanalysis）基因定位的連鎖分析是根據(jù)基因在染色體上呈直線排列，不同基因相互連鎖成連鎖群的原理，即應用被定位的基因與同一染色體上另一基因或遺傳標記相連鎖的特點進行定位。基因定位的方法重組值（recombinationfraction）是基因定位時兩個基因間遺傳圖距的量度，即基因間的遺傳距離。如果兩個基因間有1%的重組值，其遺傳圖的距離為1厘摩。（centimorgan，cM）遺傳標記（geneticmarker）用連鎖分析發(fā)法進行基因定位需要已知的記憶內(nèi)作為遺傳標記，這些標記按孟德爾方式遺傳，標記位點應是多態(tài)的。第44頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月基因定位的方法

常用的連鎖分析方法為家系連鎖分析法采用對數(shù)優(yōu)勢記分法(Logoddsscore，LOD)數(shù)學模式數(shù)學原理：在獲得兩個基因位點的某上份系譜分析數(shù)據(jù)后，將假定這兩個位點以某一重組值連鎖的似然性，與假定這兩個位點不連鎖的似然性相對較，從二者比值的對數(shù)值域，判斷支持和反對連鎖的優(yōu)勢。Z(θ)=log10————L(θ)L(0.5)L(0.5)表示重組值為50%，即完全不連鎖的似然性。Z≥3時可確定連鎖，Z≤-2時可否定連鎖，-2<Z<3時，須做進一步分析第45頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月基因定位的方法2、體細胞雜交法基因定位：體細胞：即生物體除生殖細胞外的任一細胞。體細胞雜交的概念：也稱細胞融合（cellinfusion），是將來源不同的兩種細胞融合成一個新細胞。新產(chǎn)生的細胞稱雜種細胞（hybridcell），含雙親不同的染色體。

對象：人的細胞鼠類：大鼠、小鼠、倉鼠雜種細胞的特點：在繁殖傳代過程中，人的染色體優(yōu)先丟失，以至最后只剩幾條或一條人的染色體，而嚙齒類的染色體被保留下來。第46頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月原理：細胞進行融合時，培養(yǎng)液中只有部分細胞融合成雜種細胞，還有大量未融合的雙親細胞。這就需要選擇分離純化雜種細胞。為此要創(chuàng)造一種只讓雜種細胞生長繁殖而親本細胞死亡的環(huán)境。這就要利用雜種細胞和親本細胞對生長條件的要求和代謝的差異來進行選擇。其中最常用的是HAT選擇系統(tǒng)。第47頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月HAT選擇系統(tǒng)人的突變細胞株：缺乏HGPRT酶小鼠細胞株：缺乏TK酶兩者融合培養(yǎng)于HAT培養(yǎng)基中H為次黃嘌呤，是HGPRT的底物，為DNA合成提供原料（核苷酸旁路合成原料）A為氨基蝶呤，可阻斷正常的DNA合成(嘌呤及TMP合成受抑制)T為胸腺嘧啶脫氧核苷，在胸苷激酶（TK）的作用下生成胸腺嘧啶核苷酸，為DNA合成提供原料第48頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月鼠細胞：由于A的存在正常的DNA合成通道受阻，有HGPRT可以利用次黃嘌呤合成腺嘌呤，鳥嘌呤，但由于無TK，無法合成胸腺嘧啶。(嘧啶合成障礙)雜種細胞：有HGPRT旁路合成腺嘌呤,鳥嘌呤；并可以利用TK合成胸腺嘧啶(嘌呤和嘧啶都可以正常合成)人細胞：①由于A的存在，正常的DNA合成通路受阻。②同時由于HGPRT的缺乏，無法利用次黃嘌呤通過旁路合成DNA(嘌呤合成障礙)因此在HAT培養(yǎng)基上，第49頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月將篩選出來的雜種細胞轉移到正常培養(yǎng)基繼續(xù)培養(yǎng)，由于人和鼠都有各自不同的生化和免疫學特性，Miller等運用體細胞雜交并結合雜種細胞的特征，證明雜種細胞的存活需要胸苷激酶（TK）。凡是含有人17號染色體的雜種細胞都因有TK活性而存活，反之則死亡，從而推斷TK基因定位于17號染色體上，這是首例應用體細胞雜交法進行的基因定位。第50頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月3.原位雜交和熒光原位雜交原位雜交（insituhybridization）是最直接的基因定位方法之一，是分子生物學技術在基因定位中的應用，胰島素基因用此方法定位于11p15。原理堿基的互補配對，同源的DNA-DNA雙鏈或DNA-RNA雙鏈在一定條件下能結合成雙鏈。用放射性或非放射性物質標記的DNA、RNA或與mRNA互補的cDNA作探針，可檢測細胞基因組中的同源部分。第51頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月原位雜交的特點雜交在載玻片上的中期染色體上進行，而不是在溶液和膜上進行。所謂原位是指在標本上DNA原位變性，再與放射性或非放射性物質（通常用3H）標記的已知核酸探針雜交，通過放射自顯影來檢測染色體上特異DNA或RNA順序，用放射性顆粒在某條染色體的區(qū)帶出現(xiàn)的最高頻率或熒光的強度來確定探針的位置，從而準確地進行基因定位。第52頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月原位雜交的步驟

制備中期染色體

DNA原位變性

變性放射性或非放射性標記探針