基因組學(xué)-黃學(xué)輝-bio2000

2016.09.21基因組學(xué)黃學(xué)輝

中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院植物生理生態(tài)所/國家基因研究中心2016年Bio2000分子生物學(xué)課生命的奧秘蘊(yùn)藏于“四字天書”中基因組復(fù)雜度提升第一代測序技術(shù)（Sanger法）讀長能達(dá)到近1000bp，序列高度準(zhǔn)確（千分之一的錯(cuò)誤）；一代測序的通量低(一天幾Mb數(shù)據(jù))、費(fèi)用高。DNA測序方法的發(fā)明人——FrederickSanger1918年8月13日－2013年11月19日）是一位英國生物化學(xué)家，曾經(jīng)在1958年及1980年兩度獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)第一次是發(fā)明了蛋白質(zhì)序列測定；第二次是發(fā)明了DNA序列測定。WellcomeTrustSangerInstitute第二代測序技術(shù)讀長超過100bp，序列有一定錯(cuò)誤（百分之一的錯(cuò)誤）通量高(Tb級(jí)數(shù)據(jù)量)、費(fèi)用比一代測序低了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。第三代測序技術(shù)目前仍無真正意義上的、成熟的三代測序技術(shù)目標(biāo)：保證高通量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)長片段、單分子和測序的便捷性參考基因組的測序戰(zhàn)略

基于物理圖的克隆連克隆法

全基因組鳥槍法（CraigVenter）

染色體BAC重疊群BAC亞克隆重疊群克隆連克隆測序戰(zhàn)略示意圖人類基因組計(jì)劃人類基因組計(jì)劃(humangenomeproject,HGP)于1990年正式啟動(dòng)的。美國、英國、法國、德國、日本和我國科學(xué)家共同參與了這一預(yù)算達(dá)30億美元的人類基因組計(jì)劃。人類基因組計(jì)劃與曼哈頓原子彈計(jì)劃和阿波羅計(jì)劃并稱為三大科學(xué)計(jì)劃。被譽(yù)為生命科學(xué)的“登月計(jì)劃”。人類基因組計(jì)劃2000年6月26日，參加人類基因組工程項(xiàng)目的美國、英國、法蘭西共和國、德意志聯(lián)邦共和國、日本和中國的6國科學(xué)家共同宣布，人類基因組“草圖”的繪制工作已經(jīng)完成。序列錯(cuò)誤率低于萬分之一，覆蓋95%的區(qū)域，每個(gè)Gap小于150kb。完成圖于2003年左右公布，比預(yù)計(jì)提前2年。全基因組鳥槍法matepair(3k,8k,20k)S75rawreadsContigsScaffoldsSuperscaffoldsFosmidends(40k)rawreadsFosmidSuperscaffoldsscaffoldsAssemblystrategyChromosomesLinkagemap完成參考基因組測序的動(dòng)物完成參考基因組測序的植物最后的一根硬骨頭：小麥基因組異源六倍體17Gb的基因組>80%為重復(fù)序列小麥基因組測序計(jì)劃目前3B（法國）染色體草圖初步完成基因組學(xué)≠參考基因組測序基因組瀏覽器——可視化轉(zhuǎn)錄組和表觀組使用亞硫酸氫鹽處理DNA結(jié)合鳥槍法測序已成為研究DNA甲基化的新方法:先將基因組DNA片段變性,

然后用亞硫酸氫鹽處理,

可以將其中未甲基化的胞嘧啶(Cytosine,

C)轉(zhuǎn)換成尿嘧啶(Uracil,

U),

再通過PCR技術(shù)擴(kuò)增后把尿嘧啶轉(zhuǎn)換成胸腺嘧啶(Thymine,

T)。相反,

未轉(zhuǎn)化的甲基胞嘧啶,

最終以胞嘧啶形式被檢測到。通過與參考基因組的比較分析，可以獲得全基因組中不同時(shí)空下的甲基組化圖譜.RNA-SeqBS-SeqHumanENCODEprojectDNA元件百科全書（英語：EncyclopediaofDNAElements，簡稱為ENCODE計(jì)劃）是一個(gè)由美國國家人類基因組研究所在2003年9月發(fā)起的一項(xiàng)公共聯(lián)合研究項(xiàng)目，旨在找出人類基因組中所有功能組件。這是既完成人類基因組計(jì)劃后國家人類基因組研究所開始的最重要的項(xiàng)目之一。所有在該項(xiàng)目中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都會(huì)被迅速的在公共數(shù)據(jù)庫中公開。2012年9月5日，該項(xiàng)目的初步結(jié)果被整理為30篇論文并發(fā)表于《自然》、《基因組生物學(xué)》及《基因組研究》中。這些發(fā)表的論文顯示人類基因組內(nèi)的非編碼DNA至少80%是有生物活性的，而非像之前認(rèn)為的僅僅是“垃圾”。這個(gè)結(jié)果非常重要，因?yàn)槿祟惢蚪M中98%的DNA是非編碼的，意味著它們并不直接編碼任何蛋白質(zhì)序列。ENCODEdataintheUCSCGenomeBrowser物種內(nèi)部的遺傳多樣性幫助我們獲知很多生命活動(dòng)的遺傳機(jī)制；在醫(yī)學(xué)和農(nóng)學(xué)上有它的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。基因組重測序在生物領(lǐng)域的應(yīng)用通過了解人種差異及群體遷移等歷史馴化——從野生種到農(nóng)家種Along-termselectionexperimentinawiderangeofmorphologicalandphysiologicaltraits.WildriceDomesticationLandraceElitevaritiesGeneticimprovement基因組重測序和基因分型Thenextgenerationsequencingtechnologies歡迎各位同學(xué)前來參觀中國科學(xué)院植生所物所來參位同前來ReferenceReads觀中中國Alignment歡迎各位同學(xué)前來參觀中國科學(xué)院植生所物所來參位同前來觀中中國Variation生->物其他復(fù)雜變異轉(zhuǎn)座子——

一種可移動(dòng)的遺傳因子TheTEinsertioninthePigmentGeneaffecttheSynthesisofthePurplePigment.Feschotteetal,Nat.Rev.Genet.3(5):329-341(2002)轉(zhuǎn)座子類型

DNA轉(zhuǎn)座子逆座子植物基因組水稻:~40%

高粱:~60%

玉米:~80%小麥:~80%ALocalViewofTransposonInsertionPolymorphisms(TIPs)序列變異類型和頻率ForwardGenetics——associateunderlyinggeneticfactorswithaspecifictraitAssociationmappingNaturalpopulation,e.g.ecotypes,landraces,cultivarsLinkagemappingArecombinantpopulationfromexperimentalcrosses,e.g.F2,RILTraditionalmethodsPCRRFLPIRAPDDNAsequencingDNA

chipGenotypingGenotypingistheprocessofdeterminingdifferencesinthegeneticmake-up(genotype)ofanindividualbyexaminingtheindividual'sDNAsequenceusingbiologicalassaysandcomparingittoanotherindividual'ssequenceorareferencesequence.Itrevealstheallelesanindividualhasinheritedfromtheirparents.High-throughputsequencingbasedgenotyping1-SamplePreparation2a–ClusterGeneration2b–FlowCell4–DataAnalysis3–GA(IIx)基因型鑒定方法HuangandHan,2014RecombinationpopulationsF2

Backcross (BC)Doublehaploid (DH)Recombinantinbredlines (RIL)Chromosomesegmentsubstitutionlines (CSSL)Singlesegmentsubstitutionlines (SSSL)Near-isogeniclines (NIL)ThebasisforMendel’sfirstgeneticexperiments~150yearsagoThekeytothestudyofgenesandgeneticvariationtodayinplant重組自交系的圖譜和連鎖分析QTL（數(shù)量性狀位點(diǎn)）初定位對(duì)多個(gè)性狀同時(shí)進(jìn)行QTL定位，定位分辯率主要取決于群體大小和基因型密度。對(duì)主效的幾個(gè)QTL構(gòu)建替換系后產(chǎn)生大樣本進(jìn)行圖位克隆。ChromosomeSegmentSubstitutionLines(CSSLs)Simplifymap-basedcloningofQTLsConstructedaplatformforQTLmappingConstructedaplatformforricebreedingXuetal.

BMCGenomics2010.RecombinationmapofCSSL_i#C50AlargesegmentwassubstitutedbyNipponbaregenomeonChr6Xuetal.

BMCGenomics2010.CSSL_i

andCSSL_j1,163,670SNPsbetweenparentsTraitLODR2(%)AddictiveChrMbqPH111.884.6817.2614.2-7.1qPH247.6327.97-19.19137.7-40.3qPH39.484.1812.53727.4-28.6qHD151.981.890.4714.2-7.1qHD232.250.88-0.4120-1.45qHD353.051.970.442727.4-28.6qHD48.470.54-0.041111.2-13.6qHD55.700.54-0.011116.6-17.2QTLsPlantheightHeadingdatesd1SNPH1LDBlock1LDBlock2Strong

correlationStrong

correlationNo

correlationTagSNP1Strongassociation

betweenaphenotypeandatagSNPStrongassociation

betweenaphenotypeandtheLDBlockH2H3H4H5H6H7H8McCarthyetal.NatRevGenet,9,356-369(2008)Genome-wideassociationanalysisoffatmassidentifiedthreeobesitygenes.Genome-wideassociationstudyinHumanHapMap基因組變異與標(biāo)簽位點(diǎn)大型矩陣:單倍體與變異位點(diǎn)ThepioneerworkinhumanGWAS7種常見病：躁郁癥、冠狀動(dòng)脈病、局限性回腸炎、高血壓、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎；1型糖尿??；2型糖尿病.每種病2000個(gè)病人和3000個(gè)正常人，對(duì)全基因組50萬個(gè)SNP位點(diǎn)進(jìn)行掃描和關(guān)聯(lián)分析。7種病一共定位到了24個(gè)位點(diǎn)2005年，Science雜志報(bào)道了第一篇GWAS研究——年齡相關(guān)性黃斑變性人類GWAS的發(fā)展歷程截至2010年底，單是在人類上就有1212篇GWAS文章被發(fā)表，涉及210個(gè)性狀。目前GWAS研究主要采用兩階段或多階段方法：在第一階段用覆蓋全基因組范圍的SNP進(jìn)行對(duì)照分析，統(tǒng)計(jì)分析后篩選出較少數(shù)量的陽性SNP進(jìn)行第二階段或隨后的多階段中采用更大樣本的對(duì)照樣本群進(jìn)行基因分型，然后結(jié)合兩階段或多階段的結(jié)果進(jìn)行分析。GWAS最大的局限性：同一疾病由大量的、不同的低頻變異決定；比如1萬人得了同一種病，其中10人是由于基因A發(fā)生了變化，20人是由于基因發(fā)生了變化…而統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)低頻變異毫無辦法，唯有提高樣本量。復(fù)雜性狀的GWAS——極大的樣本量體重指數(shù)；34萬人；97個(gè)位點(diǎn)；總共解釋2.7%的表型變異ExperimentaldesignforGWASinplantSchemeADeepsequencingfor1000linesHigh-qualitySNPsGenotypedatasetwithraremissingdataSchemeBDeepre-sequencingfor30linesSelectionof~1MtagSNPsDesignofgenotypingmicroarrayGenotypingof1000linesusingmicroarraySchemeCLow-passre-sequencingfor1000linesAnewanalyticalframeworkHigh-qualitySNPswithfewmissingdataGenome-wideassociationstudyinArabidopsisAGWAstudyof107phenotypeswascarriedoutinArabidopsisthalianaAnexample:allelicdiversityofresistancetomicrobialinfection

Atwelletal.,Nature

465,627-631(2010)Todescoetal.,Nature

465,632-636(2010)Arabidopsis1001genomesTheframeworkforriceGWASRicegermplasmRe-sequencingDiscoveryofcommonvariants(SNPs)SNPGenotyping

ConstructionofhaplotypemapAssociationStudyFindingtherelationshipbetweenphenotypeandgenotypeCandidategenecapture

Selectingcausalgenesbyre-a