華中農(nóng)大分子生物學(xué)

第十章基因組與比較基因組學(xué)當(dāng)前第1頁\共有57頁\編于星期五\4點20世紀(jì)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當(dāng)前第2頁\共有57頁\編于星期五\4點人類基因組計劃ＤＮＡ的鳥槍法序列分析技術(shù)比較基因組學(xué)及功能基因組研究Contents當(dāng)前第3頁\共有57頁\編于星期五\4點一、人類基因組計劃的啟動

1986年諾貝爾獎獲得者R.Dulbecco（杜爾貝科）提出人類基因組計劃——測出人類全套基因組的DNA堿基序列（3X109bp）第一節(jié)人類基因組計劃當(dāng)前第4頁\共有57頁\編于星期五\4點1975年，獲諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎 當(dāng)前第5頁\共有57頁\編于星期五\4點當(dāng)前第6頁\共有57頁\編于星期五\4點

美國政府決定于1990年正式啟動HGP，預(yù)計用15年時間，投入30億美元，完成HGP。

由國立衛(wèi)生研究院和能源部共同組成“人類基因組研究所”

逐漸地，HGP擴展為多國協(xié)作計劃。參與者包括：英、日、法、德和中國（1993年）當(dāng)前第7頁\共有57頁\編于星期五\4點

二、人類基因組計劃的進展?fàn)顩r

（1）截至1998年10月，完成1.8X108bp，占計劃的6％。

（2）完成一系列模式生物全基因組測定。

這些模式生物全基因組測定的完成有重大理論與現(xiàn)實意義。當(dāng)前第8頁\共有57頁\編于星期五\4點

（3）DNA測序技術(shù)飛速提高

J.C.Venter等宣布，組建商

業(yè)公司，投入3億美元，3年內(nèi)完成。接著又有若干家公司成立，

總共投入資金約幾十億美元，

形成

“公”“私”并進

格局當(dāng)前第9頁\共有57頁\編于星期五\4點當(dāng)前第10頁\共有57頁\編于星期五\4點2000.6

完成并公布人類基因組工作框架圖(90%)。

當(dāng)前第11頁\共有57頁\編于星期五\4點二000年六月二十六日克林頓宣布人類基因組草圖繪制完成當(dāng)前第12頁\共有57頁\編于星期五\4點美國國家人類基因組研究所所長弗朗西斯·柯林斯在介紹情況。

當(dāng)前第13頁\共有57頁\編于星期五\4點人類基因組草圖基本信息由31.65億bp組成含3~3.5萬基因與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的基因占2%人類基因組人類蛋白質(zhì)61%與果蠅同源43%與線蟲同源46%與酵母同源當(dāng)前第14頁\共有57頁\編于星期五\4點2000年6月公共領(lǐng)域測序計劃工作框架圖當(dāng)前第15頁\共有57頁\編于星期五\4點

2000年12月美、英等國科學(xué)家宣布繪出擬南芥基因組的完整圖譜，這是人類首次全部破譯出一種植物的基因序列。當(dāng)前第16頁\共有57頁\編于星期五\4點2001年2月16日

人類基因組“精細圖”完成，(99%),當(dāng)前第17頁\共有57頁\編于星期五\4點同時發(fā)表論文

美國Science,Vol.291,No.5507

英國Nature,Vol.409,p.860

當(dāng)前第18頁\共有57頁\編于星期五\4點DAN測序膠圖當(dāng)前第19頁\共有57頁\編于星期五\4點２００３年４月１４日，人類基因組序列圖亦稱“完成圖”（99.99%），提前繪制成功。當(dāng)前第20頁\共有57頁\編于星期五\4點三、人類基因組計劃的科學(xué)意義（1）確定人類基因組中約5萬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)。當(dāng)前第21頁\共有57頁\編于星期五\4點（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。當(dāng)前第22頁\共有57頁\編于星期五\4點（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)。當(dāng)前第23頁\共有57頁\編于星期五\4點（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。

當(dāng)前第24頁\共有57頁\編于星期五\4點（8）研究染色體和個體之間的多態(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。當(dāng)前第25頁\共有57頁\編于星期五\4點以人類基因組和擬南芥基因組為例說明你對生物基因組全序測定工作的科學(xué)意義與社會意義的認識（8分）中國科學(xué)院2002年

碩士學(xué)位研究生入學(xué)分子遺傳學(xué)試題當(dāng)前第26頁\共有57頁\編于星期五\4點遺傳圖譜轉(zhuǎn)錄圖譜0.7cM或kb

序列圖譜物理圖譜100kbSTSmap四張圖：物理圖、轉(zhuǎn)錄圖遺傳圖、序列圖

四、HGP的主要任務(wù)當(dāng)前第27頁\共有57頁\編于星期五\4點１、遺傳圖（連鎖圖）

指基因或DNA標(biāo)記在染色體上的相對位置與遺傳距離。cM（基因或DAN片段在染色體交換過程中分離的頻率）

當(dāng)前第28頁\共有57頁\編于星期五\4點多態(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）。當(dāng)前第29頁\共有57頁\編于星期五\4點第一代多態(tài)性標(biāo)記是RFLP（restrictionfragmentlengthpolymorphism，限制性片段長度多態(tài)性）當(dāng)前第30頁\共有57頁\編于星期五\4點當(dāng)前第31頁\共有57頁\編于星期五\4點第二代多態(tài)性標(biāo)記是短的串聯(lián)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)的變化當(dāng)前第32頁\共有57頁\編于星期五\4點小衛(wèi)星DNA—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)（小衛(wèi)星DNA區(qū)的長度）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/簡短串聯(lián)重復(fù)（STR、STRP或SSLP）重復(fù)單元2-8bp，通常重復(fù)10-60次CTAGCTTATATATATATATATATATATATAAGCTTGC當(dāng)前第33頁\共有57頁\編于星期五\4點真核生物基因組中的DNA重復(fù)序列主要有哪些類型？簡要說明基因組重復(fù)序列可能的生物學(xué)意義以及基因組重復(fù)序列在分子標(biāo)記研究中的應(yīng)用（12分）

中國科學(xué)院2002年

碩士學(xué)位研究生入學(xué)分子遺傳學(xué)試題當(dāng)前第34頁\共有57頁\編于星期五\4點第三代多態(tài)性標(biāo)記是單核苷酸的多態(tài)性（singlenucleotidepolymorphism，SNP）SNP：是由于單個核苷酸改變而導(dǎo)致的核酸序列多態(tài)。第一軍醫(yī)大學(xué)2003年分子生物學(xué)

當(dāng)前第35頁\共有57頁\編于星期五\4點人類99．9％的基因密碼是相同的，而差異不到0．1％，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。當(dāng)前第36頁\共有57頁\編于星期五\4點SNP與RFLP和STR標(biāo)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(biāo)記。當(dāng)前第37頁\共有57頁\編于星期五\4點當(dāng)前第38頁\共有57頁\編于星期五\4點2、物理圖以已知核苷酸序列的DNA片段（序列標(biāo)簽位點，sequence-taggedsite,STS）為“路標(biāo)”，以堿基對作為基本測量單位（圖距）的基因組圖。當(dāng)前第39頁\共有57頁\編于星期五\4點當(dāng)前第40頁\共有57頁\編于星期五\4點3、轉(zhuǎn)錄圖以EST（expressedsequencetag，表達序列標(biāo)簽）為標(biāo)記，根據(jù)轉(zhuǎn)錄順序的位置和距離繪制的圖譜。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(biāo)簽（EST），一般長300-500bp左右。

當(dāng)前第41頁\共有57頁\編于星期五\4點4、序列圖（分子水平的物理圖）序列圖是指整個人類基因組的核苷酸序列圖，也是最詳盡的物理圖。1m

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。當(dāng)前第42頁\共有57頁\編于星期五\4點2000年6月公共領(lǐng)域測序計劃工作框架圖當(dāng)前第43頁\共有57頁\編于星期五\4點第二節(jié)ＤＮＡ的鳥槍法序列分析技術(shù)一、ＤＮＡ的鳥槍法測序原理當(dāng)前第44頁\共有57頁\編于星期五\4點

1999年12月用“逐個克隆法”獲得第一條人類染色體—22號染色體完成序列當(dāng)前第45頁\共有57頁\編于星期五\4點

2000年3月用“全基因組鳥槍法”獲得果蠅全基因組序列。當(dāng)前第46頁\共有57頁\編于星期五\4點2000年6月公共領(lǐng)域測序計劃工作框架圖當(dāng)前第47頁\共有57頁\編于星期五\4點二、DNA的鳥槍法測序的主要步驟第一，建立高度隨機、插入片段大小為2kb左右的基因組文庫。第二，高效、大規(guī)模的末端測序。第三，序列集合。第四，填補缺口。當(dāng)前第48頁\共有57頁\編于星期五\4點Shotgun法序列拼接SequenceGap

當(dāng)前第49頁\共有57頁\編于星期五\4點三、ＤＮＡ的鳥槍法測序的優(yōu)缺點優(yōu)點：速度快缺點：●隨著所測基因組總量增大，所需測序的片段大量增加●高等真核生物（如人類）基因組中有大量重復(fù)序列，導(dǎo)致判斷失誤當(dāng)前第50頁\共有57頁\編于星期五\4點當(dāng)前第51頁\共有57頁\編于星期五\4點當(dāng)前第52頁\共有57頁\編于星期五\4點一、比較基因組學(xué)(ComparativeGenomics)概念：是基于基因組圖譜和測序基礎(chǔ)上，對已知的基因和基因組結(jié)構(gòu)進行比較，來了解基因的功能、表達機理和物種進化的學(xué)科。第三節(jié)比較基因組學(xué)及功能基因組學(xué)研究當(dāng)前第53頁\共有57頁\編于星期五\4點物種完成年份總長度/Mp已完成總長的百分數(shù)/%占常染色質(zhì)百分數(shù)/Mb基因數(shù)/Mb酵母19961293100483線蟲19989699100197果蠅20001166497117擬南芥200011592100221人類第21染色體200034751007人類第22染色體199934709716人類全基因組(PublicSequence)20012693849012人類全基因組(CeleraSequence)200126548399-9315基本完成DNA序列分析的真核生物基因組比較當(dāng)前第54頁\共有57頁\編于星期五\4點二、功能基因組學(xué)研究1.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)地分析全部基因的功能。當(dāng)前