基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座

基因組學(xué)基本知識(shí)

基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座第1頁一、基因組學(xué)概述二、人類基因組計(jì)劃三、基因組學(xué)研究內(nèi)容四、基因組學(xué)應(yīng)用五、基因組學(xué)研究方法基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座第2頁一、基因組學(xué)概述基因組學(xué)（Genomics）：1986年提出，指對(duì)生物體全部基因進(jìn)行基因組作圖、核苷酸序列分析、基因定位和基因功效分析一門科學(xué)?；蚪M（Genome）：生物體配子中所包含全部染色體及其基因，包含細(xì)胞質(zhì)基因組，為物種全部遺傳信息總和。也指某一生物全部DNA。物種遺傳信息“總詞典”、控制發(fā)育“總程序”、生物進(jìn)化歷史“總檔案”基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座第3頁基因組學(xué)研究最終目標(biāo)取得生物體全部基因組序列判定全部基因功效明確基因之間相互作用關(guān)系說明基因組進(jìn)化規(guī)律基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座第4頁CREDIT:JOESUTLIFFScience,Vol291:1221.FishinginaMoreEffectiveWay!釣魚竭澤而漁基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座第5頁幾個(gè)代表物種基因組大小300Mbp基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座第6頁1990年，國際人類基因組計(jì)劃開啟（1）提出背景族群間通婚增多，人類基因資源需要保護(hù)?！盎蛳嚓P(guān)論”：全部疾病都是人類基因組與病原基因組中直接或間接作用結(jié)果?！叭蚪M”信息統(tǒng)計(jì)著一個(gè)人相關(guān)生、老、病、死主要信息，如能否禿頂、發(fā)胖等。二、人類基因組計(jì)劃基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座第7頁（2）主要內(nèi)容：構(gòu)建基因組遺傳圖譜；構(gòu)建基因組物理圖譜；測定基因組DNA全部序列；繪制基因組轉(zhuǎn)錄本圖譜；分析基因組功效?；蚪M學(xué)基本知識(shí)專家講座第8頁（3）研究目標(biāo)找出全部些人類基因，破譯出人類全部遺傳信息，使得人類在分子水平上全方面認(rèn)識(shí)自我將基因用于改進(jìn)人類生活質(zhì)量處理人類疾病、健康問題基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座第9頁（4）研究意義確定人類基因序列、物理位置、產(chǎn)物及功效了解基因轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)錄后調(diào)整研究空間結(jié)構(gòu)對(duì)基因調(diào)整作用發(fā)覺與DNA復(fù)制、重組等相關(guān)序列研究DNA突變、重排和染色體斷裂等，了解疾病分子機(jī)制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染色體和個(gè)體之間多態(tài)性基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座第10頁（5）研究進(jìn)展1996年，完成標(biāo)識(shí)密度為0.6cM人類基因組遺傳圖譜，100kb物理圖譜，人類基因組框架草圖繪制完成2月，人類基因組精細(xì)圖譜完成，完成測序工作基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座第11頁三、基因組學(xué)研究內(nèi)容基因組學(xué)結(jié)構(gòu)基因組學(xué)功效基因組學(xué)(后基因組學(xué))基因組作圖基因定位基因組測序物理圖譜遺傳圖譜轉(zhuǎn)錄本圖譜基因結(jié)構(gòu)/功效及其相互關(guān)系基因識(shí)別/判定/克隆基因表示調(diào)控利用EST作為標(biāo)識(shí)所構(gòu)建分子遺傳圖譜基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座第12頁功效基因組學(xué)：利用結(jié)構(gòu)基因組學(xué)提供信息系統(tǒng)地研究基因功效，從對(duì)單一基因或蛋白質(zhì)研究轉(zhuǎn)向?qū)Χ鄠€(gè)基因或蛋白質(zhì)同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)研究。功效基因組學(xué)就是對(duì)基因組序列進(jìn)行詮釋。功效基因組學(xué)衍生學(xué)科轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)比較基因組學(xué)糖組學(xué)、藥品基因組學(xué)、疾病基因組學(xué)、環(huán)境基因組學(xué)、營養(yǎng)基因組學(xué)、表基因組學(xué)基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座第13頁轉(zhuǎn)錄組學(xué)比較不一樣組織和不一樣發(fā)育階段、正常狀態(tài)與疾病狀態(tài)，以及體外培養(yǎng)細(xì)胞中等基因表示模式差異,經(jīng)過如RT-PCR、EST、SAGE、DNA芯片等分析方法，描繪特定細(xì)胞或組織在特定狀態(tài)下基因表示種類和豐度信息，編制成基因表示數(shù)據(jù)?；蚪M學(xué)基本知識(shí)專家講座第14頁蛋白組學(xué)一個(gè)細(xì)胞或一個(gè)組織基因組所表示全部蛋白質(zhì)（在空間和時(shí)間上動(dòng)態(tài)改變著整體）。提供各種活性蛋白質(zhì)翻譯時(shí)間、基因產(chǎn)物相對(duì)濃度、修飾作用、細(xì)胞定位等信息。功效蛋白質(zhì)組學(xué)以在特定時(shí)間、特定環(huán)境條件下蛋白質(zhì)為研究對(duì)象（與某一生理現(xiàn)象相關(guān)），是個(gè)別蛋白傳統(tǒng)研究和全體蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)組研究中間層次。研究各活性蛋白之間相互作用，蛋白質(zhì)與DNA、RNA之間相互作用等，揭示蛋白質(zhì)表面相互作用特征能力，構(gòu)建全細(xì)胞蛋白網(wǎng)絡(luò)?；蚪M學(xué)基本知識(shí)專家講座第15頁代謝組學(xué)代謝組指是“一個(gè)細(xì)胞、組織或器官中，全部代謝組分集合，尤其指小分子物質(zhì)”代謝組學(xué)是“在新陳代謝動(dòng)態(tài)進(jìn)程中，系統(tǒng)研究代謝產(chǎn)物改變規(guī)律，揭示機(jī)體生命活動(dòng)代謝本質(zhì)”科學(xué)。代謝組學(xué)關(guān)注是各種代謝路徑底物和產(chǎn)物小分子代謝物，反應(yīng)細(xì)胞或組織在外界刺激或是遺傳修飾下代謝應(yīng)答改變，包含糖、脂質(zhì)、氨基酸、維生素等?；蚪M學(xué)基本知識(shí)專家講座第16頁基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座第17頁比較基因組學(xué)1988年，發(fā)覺番茄和馬鈴薯遺傳圖譜很相同?；诮Y(jié)構(gòu)基因組學(xué)，對(duì)基因和基因組進(jìn)行比較，以了解基因表示、功效和進(jìn)化。對(duì)同一物種不一樣個(gè)體以及不一樣物種基因組進(jìn)行比較，分析基因大小、數(shù)量，基因排列次序，編碼序列與非編碼序列特征等，以揭示物種進(jìn)化關(guān)系，克隆主要性狀基因和進(jìn)行遺傳研究和性狀改良?；蚪M學(xué)基本知識(shí)專家講座第18頁四、基因組學(xué)應(yīng)用確定物種特有序列研究物種遺傳多樣性研究物種起源及系統(tǒng)進(jìn)化進(jìn)行新基因克?。ㄈ旧w步移）進(jìn)行基因功效預(yù)測取得功效分子標(biāo)識(shí)基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座第19頁五、基因組學(xué)研究方法（一）遺傳圖譜構(gòu)建（二）物理圖譜構(gòu)建（三）基因組測序（四）基因判定（五）基因功效研究基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座第20頁（二）物理圖譜構(gòu)建為何要構(gòu)建基因組圖譜？基因組計(jì)劃主要任務(wù)是取得全基因組序列不過，現(xiàn)在測序方法每次只能測800～1000bp大量測序片段要拼接要知道序列在染色體上位置才能正確拼接基因組計(jì)劃第一個(gè)步驟：構(gòu)建基因組圖譜基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座第21頁物理圖譜：DNA標(biāo)識(shí)在染色體上實(shí)際位置。有遺傳圖譜為何還要構(gòu)建物理圖譜？遺傳圖譜分別率有限，測序要求標(biāo)識(shí)間隔小于100kb，遺傳圖譜標(biāo)識(shí)間隔遠(yuǎn)大于100kb準(zhǔn)確性不夠，經(jīng)典遺傳學(xué)認(rèn)為，交換是隨機(jī)發(fā)生，但基因組中有些區(qū)域是重組熱點(diǎn)，而且倒位、重復(fù)等染色體結(jié)構(gòu)變異會(huì)限制交換重組基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座第22頁酵母遺傳圖與物理圖比較A遺傳圖B物理圖基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座第23頁人類基因組物理圖1987年，RFLP圖譜，403個(gè)標(biāo)識(shí)，10Mb1994年，5800個(gè)標(biāo)識(shí)，0.7Mb1996年，17000多個(gè)標(biāo)識(shí)，100kb完全適應(yīng)全基因組測序要求基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座第24頁（1）限制性酶切圖譜：使用酶切位點(diǎn)在基因組中出現(xiàn)頻率低內(nèi)切酶SmaI，每78kb只有1個(gè)切點(diǎn)BssHⅡ，每390kb只有1個(gè)切點(diǎn)NotI，每10Mb只有一個(gè)切點(diǎn)構(gòu)建物理圖譜3條路徑基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座第25頁限制酶作圖基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座第26頁限制酶作圖基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座第27頁（2）熒光原位雜交：經(jīng)過熒光標(biāo)識(shí)探針與DNA分子雜交，雜交信號(hào)即探針DNA在染色體上圖譜位點(diǎn)。取處于有絲分裂中期細(xì)胞制片，將染色體變性成單鏈（染色體拉絲），在將標(biāo)識(shí)DNA探針變性后雜交到染色體上，保溫處理后，顯微鏡下直接觀察?；蚪M學(xué)基本知識(shí)專家講座第28頁熒光原位雜交原理基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座第29頁基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座第30頁基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座第31頁基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座第32頁

（3）序列標(biāo)簽位點(diǎn)利用某一已知序列為標(biāo)簽位點(diǎn)（sequencetaggedsites，STS）作探針，與DNA雜交，繪制物理圖譜。STS要求：已知序列，便于PCR檢測基因組中僅一個(gè)位點(diǎn)，無重復(fù)基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座第33頁有些標(biāo)識(shí)既是遺傳標(biāo)識(shí)，又是物理標(biāo)識(shí)分子標(biāo)識(shí)如RFLP標(biāo)識(shí)、SSR標(biāo)識(shí)等借助這些標(biāo)識(shí)利用比較作圖能夠?qū)⑦z傳圖和物理圖整合起來遺傳圖與物理圖整合基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座第34頁（三）基因組測序利用現(xiàn)有DNA測序方法，每個(gè)測序反應(yīng)通常只能得到800個(gè)核苷酸序列。小基因組物種慣用鳥槍法。基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座第35頁鳥槍射擊法基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座第36頁大基因組測序存在兩個(gè)問題：片段數(shù)龐大，片段間連接和裝配非常復(fù)雜基因組中相同或相同重復(fù)序列在連接和裝配時(shí)輕易犯錯(cuò)大基因組測序方法克隆連續(xù)序列法定向鳥槍射擊法基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座第37頁克隆連續(xù)序列法：DNA切割成長度為0.1-1Mb大片段→克隆到Y(jié)AC或BAC載體上→分別測定單個(gè)克隆序列→再裝配連接成連續(xù)DNA分子。定向鳥槍射擊法：以基因組圖譜中標(biāo)識(shí)為依據(jù)→測序裝配和構(gòu)建不一樣DNA片段序列?；蚪M學(xué)基本知識(shí)專家講座第38頁（四）基因判定依據(jù)序列分析搜尋基因查找開放閱讀框（openreadingframe,ORF）同源查詢利用數(shù)據(jù)庫基因序列與待查基因組序列比對(duì)。同源查詢能夠部分填補(bǔ)ORF掃描不足?；蚪M學(xué)基本知識(shí)專家講座第39頁依據(jù)序列分析搜尋基因

查找開放閱讀框（openreadingframe,ORF）開放閱讀框都有一個(gè)起始密碼子，ATG，還要有終止密碼子。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堿基數(shù)目要能夠被3整除每一條鏈都有3種可能閱讀框，2條連共計(jì)有6種可能閱讀框.計(jì)算機(jī)能夠很快給出結(jié)果。基因組學(xué)基本知識(shí)專家講座第40頁同源查詢依據(jù)有親緣關(guān)系物種，基因組可能存在某種程度相同性：存在一些完全相同序列；ORF排列相同，如等長外顯子；ORF指令氨基酸序列相同；模擬多肽鏈高級(jí)結(jié)構(gòu)相