普通遺傳學(xué)第十三章基因組學(xué)課件

第十三章基因組學(xué)第一節(jié)基因組學(xué)概述

基因組學(xué)(Genomics)是遺傳學(xué)研究進(jìn)入分子水平后發(fā)展起來的一個分支，主要研究生物體全基因組(genome)的分子特征?；蚪M學(xué)強(qiáng)調(diào)的是以基因組為單位，而不是以單個基因?yàn)閱挝蛔鳛檠芯繉ο??；蚪M學(xué)：對生物體所有基因進(jìn)行基因組作圖(包括遺傳圖譜、物理圖譜、轉(zhuǎn)錄圖譜)、核苷酸序列分析、基因定位和基因功能分析的一門科學(xué)?；蚪M學(xué)的研究目標(biāo):獲得生物體全部基因組序列注解基因組所含的全部基因鑒定所有基因的功能及基因間相互作用關(guān)系闡明基因組的復(fù)制及進(jìn)化規(guī)律

不同生物基因組大小

生物基因組大?。╞p）T4噬菌體T4phage2.0×105大腸桿菌Escherichiacoli4.2×106酵母Sccharomyces

cereviside1.5×107擬南芥Arabidopsisthaliana1.0×108線蟲Caenorhbditis

elegans1.0×108果蠅Drosophilamelanogaster1.65×108水稻Oryza

sativa4.3×108小鼠Mus

musculus3.0×109人類Homosapiens3.3×109玉米Zea

mays5.4×109小麥Triticum

aestivum1.6×1010

1986年首次提出基因組學(xué)(Genomics)的概念。基因組計(jì)劃研究開始于1990年，美國衛(wèi)生部(NIH)和能源部(DOE)聯(lián)合啟動了被譽(yù)為“人體阿波羅計(jì)劃”的“人類基因組計(jì)劃”(humangenomeproject，HGP)?；蚪M學(xué)發(fā)展簡介:“曼哈頓”原子計(jì)劃“阿波羅”登月計(jì)劃“人體阿波羅”計(jì)劃

美國提出人類基因組計(jì)劃后，英、法、日、前蘇聯(lián)、中國等，也相繼啟動了類似項(xiàng)目

2000年6月26日，各國科學(xué)家公布了人類基因組工作草圖。

2003年，6國科學(xué)家宣布人類基因組序列圖繪制成功，HGP的所有目標(biāo)全部實(shí)現(xiàn),覆蓋人類基因組所含基因區(qū)域的99%，精確率達(dá)到99.99%，比原計(jì)劃提前兩年多，耗資27億美元。基因組學(xué)發(fā)展簡介:

C值(Cvalue)：一個單倍體基因組中DNA的總量。一個特定的種屬具有特定的C值

C值悖理（Cvalueparadox）：物種的C值和它的進(jìn)化復(fù)雜性之間無嚴(yán)格對應(yīng)關(guān)系的現(xiàn)象。

N值：生物體所含有的基因數(shù)目。

N值悖理：復(fù)雜性不同的生物種屬所具有的基因數(shù)目與其生物結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性不成比例的現(xiàn)象。例如:水稻基因數(shù)約4萬個,人類基因總數(shù)約3萬個。

基因組學(xué)的研究內(nèi)容:

結(jié)構(gòu)基因組學(xué)(structuralgenomics)

：通過基因作圖、核苷酸序列分析確定基因組成、進(jìn)行基因定位的科學(xué)。功能基因組學(xué)(functionalgenomics)：利用結(jié)構(gòu)基因組所提供的信息和產(chǎn)物，研究基因組功能表達(dá)的一門分支學(xué)科。基因的識別、鑒定和克隆，基因結(jié)構(gòu)與功能及其相互關(guān)系，基因表達(dá)調(diào)控。蛋白質(zhì)組學(xué)(proteomics)

：研究細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)組成及其活動規(guī)律的新興學(xué)科。鑒定蛋白質(zhì)表達(dá)、存在方式、結(jié)構(gòu)、功能和相互作用方式等。

基因組學(xué)的重要組成部分是“基因組計(jì)劃”，如人類、水稻基因組計(jì)劃，其大體可分為：1、構(gòu)建基因組的遺傳圖譜2、構(gòu)建基因組的物理圖譜3、測定基因組DNA的全部序列4、構(gòu)建基因組的轉(zhuǎn)錄本圖譜5、分析基因組的功能第二節(jié)基因組圖譜的構(gòu)建

在進(jìn)行大規(guī)模序列測定之前，構(gòu)建基因組圖譜是測定基因組全部核苷酸序列的重要一環(huán)?；蚪M圖譜可作為序列測定中制定測序方案的依據(jù)，以便先重后輕地分析基因，錨定測知的核酸序列在染色體上的位置在“人類基因組計(jì)劃”實(shí)施過程中，首先用了6年時間構(gòu)建高密度的基因組圖譜，然后才進(jìn)入測序工作。一、遺傳圖譜(Geneticmap)構(gòu)建

遺傳作圖:采用遺傳學(xué)分析方法將基因或其他DNA順序標(biāo)定在染色體上構(gòu)建連鎖圖。

1、圖譜標(biāo)記

形態(tài)標(biāo)記：主要指可以觀察到的一些性狀,如種皮顏色、眼色、株高等。

細(xì)胞學(xué)標(biāo)記：能明確顯示遺傳多態(tài)性的細(xì)胞學(xué)特征。染色體的結(jié)構(gòu)特征和數(shù)量特征是常見的細(xì)胞學(xué)標(biāo)記。

生化標(biāo)記：主要是同工酶及種子貯藏蛋白,有時又稱蛋白質(zhì)標(biāo)記。分子標(biāo)記：主要指DNA水平上的標(biāo)記。RFLP,RAPD,SSR,STS,AFLP,CAPS,SNP

。2、遺傳圖譜的構(gòu)建

人類基因組遺傳圖譜的構(gòu)建:人類的遺傳圖譜是利用家系分析法，在對8個家系的134個成員的分析中，主要根據(jù)5264個STR標(biāo)記繪制而成的。利用這些家系的資料繪制第1至22號染色體圖譜。對于X染色體圖譜，還利用了來自另外12個家系，170個成員的資料繪制而成。將5264個標(biāo)記定位在2335個位點(diǎn)，據(jù)此構(gòu)建的人類基因組遺傳圖譜的密度為每個標(biāo)記599kb。植物基因組遺傳圖譜的構(gòu)建:選擇親本產(chǎn)生構(gòu)圖群體遺傳標(biāo)記的染色體定位標(biāo)記間的連鎖分析

1994年繪制的第一張水稻高密度遺傳圖譜僅有927個位點(diǎn)，含有1383個標(biāo)記；1998年將2275標(biāo)記定位到1157個位點(diǎn)上；2000年最終的水稻高密度遺傳圖標(biāo)記為3267個，用于指導(dǎo)水稻基因組測序。

FigureXU78-1第一個同源連鎖群二、物理圖譜

由于遺傳圖譜的分辨率有限、精確性不高，所以還要構(gòu)建物理圖譜

基因組物理圖譜的構(gòu)建:主要有4種途徑：①限制酶作圖：比較不同限制酶產(chǎn)生的DNA片段的大小酵母第3染色體遺傳圖（A）與物理圖（B）

②基于克隆的基因組作圖：根據(jù)克隆的DNA片段之間的重疊順序構(gòu)建重疊群(contigousDNAclones,contigs

),繪制物理連鎖圖。重疊群（contigs）

：相互重疊的DNA片段組成的物理圖。克隆重疊群的組建采用染色體步移法(chromosomewalking)。區(qū)域作圖Regionalmapping區(qū)域作圖RegionalmappingMinimaltilingpathselectedforsequencing.區(qū)域作圖Regionalmapping☆熒光原位雜交（fluorescentinsituhybridization,FISH）☆基因組原位雜交（genomeinsituhybridization,GISH）③熒光標(biāo)記原位雜交(FISH)：Bananachromosomescolouredby

fluorescentinsituhybridization(FISH).將熒光標(biāo)記的探針與染色體雜交確定分子標(biāo)記所在位置④序列標(biāo)簽位點(diǎn)(STS)：如表達(dá)的序列標(biāo)簽(EST)，來自cDNA要將一組STS作圖定位，必需收集來自同一染色體或整個基因組隨機(jī)斷裂的DNA片段。不同DNA片段之間有各種可能的重疊，可以覆蓋整個作圖區(qū)段。依次采用單個STS挑出它們所在的DNA片段，根據(jù)它們彼此的重疊關(guān)系可以逐段繪DNA物理圖。三、基因組測序策略

①鳥槍法測序：利用限制酶或超聲波處理待測序基因組，構(gòu)建適合大規(guī)模測序的基因組文庫，并對克隆進(jìn)行隨機(jī)序列測定，然后根據(jù)序列間的重疊構(gòu)建重疊群，不同重疊群進(jìn)行染色體組裝。

②克隆重疊群法：將基因組切割成長度為0.1-1Mb的大片段，構(gòu)建BAC文庫，利用STS-PCR反應(yīng)池方案篩選種子克隆，利用指紋圖譜法或末端序列步行法對種子克隆進(jìn)行延伸，根據(jù)相互的位置關(guān)系及STS路標(biāo)的順序關(guān)系有序地將種子克隆及延伸克隆繪制到基因組的相應(yīng)區(qū)域上，形成高覆蓋度的、較為連續(xù)的大的重疊克隆群，最后應(yīng)用鳥槍法分別將每個克隆測序，并組裝到染色體上

。四、基因組圖譜的應(yīng)用1、基因組序列測定2、基因定位3、基因的克隆與分離4、分子標(biāo)記輔助選擇5、比較基因組研究Derivationofgenometreesfromcomparativeanalysesofcompletegenomes第三節(jié)生物信息學(xué)

1、生物信息學(xué)(Bioinformatics)采用計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息論方法對蛋白質(zhì)及其核酸序列等多種生物信息采集、加工、儲存、傳遞、檢索、分析和解讀，旨在掌握復(fù)雜生命現(xiàn)象的形成模式和演化規(guī)律的科學(xué)。2、基因芯片(genechip),又稱DNA微陣列(microarray)基因芯片是由大量DNA或寡核苷酸探針密集排列所形成的探針陣列,其基本原理是通過雜交檢測信息。利用基因芯片,可以實(shí)現(xiàn)基因信息的大規(guī)模檢測。

3、生物信息學(xué)的應(yīng)用(1)、發(fā)現(xiàn)新基因和新的單核苷酸多態(tài)性(2)、分析基因組中非編碼蛋白質(zhì)區(qū)域功能(3)、在基因組水平上研究生物進(jìn)化(4)、完整基因組比較研究

第十三章基因組學(xué)第一節(jié)基因組學(xué)概述第二節(jié)基因組圖譜的構(gòu)建

第三節(jié)生物信息學(xué)

1、遺傳圖譜2、物理圖譜3、基因組測序策略4、基因組圖譜的應(yīng)用第四節(jié)蛋白質(zhì)組學(xué)(proteomics)

1、蛋白質(zhì)組學(xué)的概念及研究內(nèi)容:

所謂蛋白質(zhì)組就是細(xì)胞、器官或組織的蛋白質(zhì)成分的總稱,而蛋白質(zhì)組學(xué)是研究這些成分在指定的時間或特定的環(huán)境條件下的表達(dá)。2、蛋白質(zhì)的分離蛋白質(zhì)組學(xué)研究的第一步就是蛋白質(zhì)的分離。雙相凝膠電泳是蛋白質(zhì)組研究中的首選分離技術(shù)。3、蛋白質(zhì)的鑒定鑒定蛋白質(zhì)組份的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能及其各蛋白質(zhì)間的相互作用關(guān)系,從而最終實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)組表達(dá)模式和功能模式的研究。目前，蛋白質(zhì)表達(dá)模式的鑒定技術(shù)主要有以質(zhì)譜為核心的技術(shù)、蛋白質(zhì)微測序、氨基酸組成分析以及蛋白質(zhì)芯片分析等。4、蛋白質(zhì)間的相互作用

目前的研究方法主要有酵母雙雜交系統(tǒng)、表面等離子共振技術(shù)等

。

自從1996年酵母菌基因組全序列測定以來，在4年多時間里，全世界已有1000多個實(shí)驗(yàn)室，5000多名科學(xué)家從事酵母菌后基因組學(xué)的研究，共發(fā)表論文7000多篇，鑒定1060個新基因的功能，但仍然還有約1600個閱讀框架的功能不清楚。這些結(jié)果充分說明后基因組學(xué)研究的復(fù)雜性。

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