人類基因組學(xué)

1、第三章 人類基因組學(xué),第一節(jié) 人類基因組和基因組學(xué),基因組（genome） 生殖細胞含1套基因組 1套來自父本生殖細胞 體細胞含 2套基因組 1套來自母本生殖細胞,完整的人類基因組包含： 1-22號常染色體 核基因組 X和Y染色體線粒體基因組,基因組學(xué) （genomics） 是從基因組整體層次上系統(tǒng)地研究各生物種群基因組的結(jié)構(gòu)和功能及相互關(guān)系的學(xué)科。 基因組學(xué)研究內(nèi)容的三個基本方面：結(jié)構(gòu)基因組學(xué) （structural genomics） 功能基因組學(xué) （functional genomics） 比較基因組學(xué) （comparative genomics） 由此又派生出其他研究分支,第二節(jié) 人類

2、基因組計劃,人類基因組計劃 （ human genome project, HGP） 是20世紀90年代開始的，由世界多個國家參與合作的系統(tǒng)地研究人類基因組的重大科研項目,HGP的科學(xué)目標： 是測定組成人類基因組的全部DNA序列，從而為闡明人類所有基因的結(jié)構(gòu)與功能，解碼人類生命奧秘奠基。 HGP的基本任務(wù)： 構(gòu)建人類基因組遺傳圖，物理圖，序列圖，為最終完成基因圖打下基礎(chǔ),HGP的技術(shù)成果,主要體現(xiàn)在對人類基因組整體結(jié)構(gòu)的認識，即人類基因組遺傳圖、物理圖、序列圖的完成，從而奠定了人類結(jié)構(gòu)基因組學(xué)基礎(chǔ)。而人類基因圖的完成，仍有大量工作要做,人類基因組計劃的三個主要目標圖示,遺傳圖（genetic

3、map） 又稱連鎖圖（linkage map） 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(gòu)成圖譜。 遺傳距離： 連鎖圖中兩個基因間圖距以1厘摩（cM） 1厘摩（cM）=減數(shù)分裂時兩個基因間重組值為1,遺傳標記（genetic marker） 可以是任何一種呈孟德爾遺傳的性狀或物質(zhì)形式，如：基因、血型、血清蛋白、DNA多態(tài)標記等。確定其在基因組中的位置后，可作為參照標記用于遺傳重組分析,DNA遺傳標記,l,物理圖（physical map） 是要將隨機長度的DNA片斷在染色體上的 排列順序確定下來。這些克隆DNA片斷連接起來，形成重疊克隆群（Conting），再將一個個（C

4、onting)相連成線狀，覆蓋整個染色體。這主要靠單拷貝DNA序列標定部位（STS）作路標來實現(xiàn),DNA序列標定部位（seguones tagged site, STS) 重疊克隆群（conting） YAC (yeast artificial chromosome) BAC (bacterial artificial chromosome,序列圖（seguence map） 是通過對基因組DNA進行堿基排列順序分析而建立的。 兩種技術(shù)路線： 1.公共序列路線：即在物理圖基礎(chǔ)上，將各個BAC克隆片段切成更短的片段，形成亞克隆分別進行測序，再將相互重疊的讀出序列組裝成連續(xù)重疊線,2.“鳥槍法”測

5、序路線：即直接將基因組DNA分割成20kb左右的小片段進行隨機測序，再用超級計算機組裝成重疊線。所形成的序列圖稱celera序列。 ACGTCCGATCGGTTCATGCC TCGGTTCATGCCAATGCCGTCC,基因圖（gene map） 即在序列圖基礎(chǔ)上，用不同的方法測定各個基因所在區(qū)域位置。 基因圖測定方法： 1.CpG島的應(yīng)用：大多數(shù)持家基因和40%組織特異性基因5端均存在CpG島序列。制備探針，染色體涂染指示基因位置分布,2.計算機識別：研發(fā)計算機GRAIL系統(tǒng)，可識別每個基因區(qū)的外顯子-內(nèi)含子接頭區(qū)保守序列。 3.cDNA策略：由組織細胞中表達mRNA，逆轉(zhuǎn)錄合成cDNA片段

6、，稱為表達序列標簽（EST），將收獲EST定位后，構(gòu)建的圖稱為轉(zhuǎn)錄圖，是人類基因圖雛形,人類基因組結(jié)構(gòu)的分析 1.人類基因組DNA全長約3109bp，相當(dāng)3600厘摩（cM）。其中僅有約5%的序列為編碼序列（編碼蛋白或tRNA、rRNA等）。 2.人類基因組中可能有30000-40000個基因，其中編碼蛋白質(zhì)的外顯子只占基因組DNA的1%，內(nèi)含子則占24%。每個基因平均長27kb，平均含有9個外顯子。不同個體間，基因編碼僅有0.01%的差異,3.基因在各個染色體上的分布是不均勻的，17、19、22號染色體基因密度最高，而4、13、18、X、Y染色體基因密度最低。人類基因組中約20%的區(qū)段是沒有

7、基因的“沙漠,后基因組計劃（past-genome project，PGP） PGP的研究領(lǐng)域人類基因組多樣性計劃 環(huán)境基因組學(xué)功能基因組學(xué)（蛋白組學(xué)） 疾病基因組學(xué)比較基因組學(xué) 藥物基因組學(xué)生物信息學(xué),第三節(jié) 后基因組計劃,一、人類基因組多樣性計劃（human genome diversity project，HGDP,人類基因數(shù)量一致3-4萬個 人類基因組DNA總量均為3109bp 不同個體基因編碼僅有0.01%差異,種族多樣性 族群多樣性 個體特異性,人類基因組的多樣性與同一性,二、功能基因組學(xué),功能基因組學(xué)（functional genomics） 轉(zhuǎn)錄圖 基因表達圖：三維轉(zhuǎn)錄圖,不同

8、時間 不同基因 不同表達水平,不同發(fā)育期 不同組織 不同表達水平,同一組織,同一基因,三、比較基因組學(xué)（comparative genomics,各種模式生物基因組序列的比較,生物基因組進化的連續(xù)性分析 21%的基因原核生物和真核生物共有 32%的基因真核生物共有而原核生物沒有 24%的基因動物所共有 22%的基因脊椎動物特有,四、環(huán)境基因組學(xué)（enviromental genomics,是研究與環(huán)境因素相關(guān)的疾病易感性基因的。環(huán)境相關(guān)的疾病易感基因,五、疾病基因組學(xué)（morbid genomics,主要任務(wù)是分離重要疾病的致病基因與相關(guān)基因，并確定其致病機制。1.腫瘤癌基因和抑癌基因的定位與

9、克??；2.單基因病致病基因的定位與克??；3.多基因病數(shù)量性狀基因座（QTL）的定位與克隆,六、藥物基因組學(xué)（pharmacogenomics,是研究藥物及化學(xué)物質(zhì)引起機體反應(yīng)上的遺傳差異，即藥物多態(tài)性的學(xué)科，以便能更安全有效的使用藥物，和發(fā)現(xiàn)新的藥物,七、生物信息學(xué)（bioinformatics,是生物學(xué)與計算機科學(xué)和應(yīng)用數(shù)學(xué)交叉的一門新興學(xué)科，對生物學(xué)實驗數(shù)據(jù)的獲取、加工、存儲、檢索與分析，進而達到揭示數(shù)據(jù)所含的生物學(xué)意義有重要作用,國際上三大公共基因數(shù)據(jù)庫： Gene Bank：美國國家生物技術(shù)信息中心（NCBI） EMBL：美國歐洲生物學(xué)信息研究所（EBI） DDBL：日本信息生物學(xué)中心

10、（CIB） 生物信息學(xué)已改變了基礎(chǔ)生命科學(xué)研究的運作方式，極大地提高了工作效率,第四節(jié) 基因定位與克隆,基因定位（gene mapping） 就是用一定方法，將各個基因確定到染色 體的實際位置。 基因克隆（gene cloning） 是從基因組中把某一基因用一定方法分離出來，以便進行單一基因精細結(jié)構(gòu)和功能的研究,一、基因定位,工作歷史 主要方法 連鎖分析（linkage analysis） 體細胞雜交（somatic cell hybridization） 原位雜交（hybridization in situ） 放射雜種（radiation hybrid） 計算機識別（computer ide

11、ntify,1連鎖分析 同一條染色體上的不同基因呈線性連鎖關(guān)系，在減數(shù)分裂后，結(jié)合家系分析，可鑒定子代中的重組體，通過重組值計算，可推斷待定位基因與已定位基因間的連鎖關(guān)系和遺傳距離，而實現(xiàn)基因定位,兩個基因如非連鎖，則重組值=50%，即隨機組合,A,b,a,B,A,b,a,B,A,B,A,B,a,b,a,b,a,b,a,B,A,B,A,b,兩個基因如連鎖，則重組值50%，且重組值與遺傳距離成正比,體細胞雜交 人/鼠融合細胞的特點： 融合細胞兼有有雙親細胞染色體，但鼠一方染色體一般全部保留，而人一方染色體在細胞增殖過程中優(yōu)先丟失，以至最后僅剩少數(shù)幾條，乃至1條人染色體是基因定位的好材料。結(jié)合染色

12、體顯帶和生化分析技術(shù)，可把某些生化性狀決定基因定位在保留的一條染色體上,雜種細胞克隆嵌板,3.原位雜交 是核酸分子雜交技術(shù)在基因定位中的應(yīng)用。用經(jīng)放射性同位素標記的探針，同染色體標本載玻片上原位變性的染色體DNA進行分子雜交，通過放射自顯影來檢測與探針雜交結(jié)合的染色體同源序列，依據(jù)放射性探針在染色體上的顯影位置進行基因定位。 熒光原位雜交（FISH,4.放射雜種,是用射線輻射人體細胞染色體，使其隨機片段化，再與鼠細胞融合，形成人/鼠細胞放射雜種，人的隨機染色體片段，整合入鼠細胞染色體中。構(gòu)建放射雜種細胞系克隆嵌板，可用于基因定位,二、基因克隆,基因克隆的三種策略： 功能克?。╢unctiona

13、l clonins） 定位克?。╬ositional clonins） 候選克隆（cardidate clonins,1.功能克隆,根據(jù)目的遺傳性狀的特征，分析決定基因的功能，推測有關(guān)蛋白質(zhì)。 分析純化這一蛋白質(zhì)，并測出部分氨基酸順序。 根據(jù)遺傳密碼推測可能的mRNA序列。 設(shè)計相應(yīng)的寡核苷酸探針，雜交篩選cDNA或基因組DNA文庫，最終獲得決定基因的基因克隆,2.定位克隆,收集目的遺傳病的家系，選擇遺傳標記進行連鎖分析，建立目的遺傳病與基因組中某染色體區(qū)域中遺傳標記的連鎖關(guān)系。 根據(jù)這一位置信息，將遺傳圖中初步確定的位置，轉(zhuǎn)變成物理圖中相應(yīng)區(qū)域的DNA“鄰接克隆群,從相應(yīng)區(qū)域的“鄰接克隆群”中篩選可表達的結(jié)構(gòu)基因，作為候選基因； 在若干個候選基因