基因組學(xué)基本知識課件

1、 基因組學(xué)基本知識 一、基因組學(xué)概述二、人類基因組計劃三、基因組學(xué)的研究內(nèi)容四、基因組學(xué)的應(yīng)用五、基因組學(xué)的研究方法一、基因組學(xué)概述基因組學(xué)（Genomics）：1986年提出，指對生物體所有基因進(jìn)行基因組作圖、核苷酸序列分析、基因定位和基因功能分析的一門科學(xué)。 基因組（Genome）：生物體配子中所包含的全部染色體及其基因，包括細(xì)胞質(zhì)基因組，為物種全部遺傳信息的總和。也指某一生物的所有DNA。物種遺傳信息的“總詞典”、控制發(fā)育的“總程序”、生物進(jìn)化歷史的“總檔案”基因組學(xué)研究的最終目標(biāo) 獲得生物體全部基因組序列 鑒定所有基因的功能 明確基因之間的相互作用關(guān)系 闡明基因組的進(jìn)化規(guī)律CREDIT

2、: JOE SUTLIFF Science, Vol 291: 1221.Fishing in a More Effective Way!釣魚竭澤而漁1990年，國際人類基因組計劃啟動（1）提出背景族群間的通婚增多，人類基因資源需要保護(hù)。“基因相關(guān)論”：所有的疾病都是人類基因組與病原基因組中的直接或間接作用的結(jié)果。“全基因組”信息記錄著一個人有關(guān)生、老、病、死的重要信息，如能否禿頂、發(fā)胖等。二、人類基因組計劃（2）主要內(nèi)容：構(gòu)建基因組的遺傳圖譜；構(gòu)建基因組的物理圖譜；測定基因組DNA的全部序列；繪制基因組的轉(zhuǎn)錄本圖譜；分析基因組的功能。（4）研究意義確定人類基因的序列、物理位置、產(chǎn)物及功能理解

3、基因轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)研究空間結(jié)構(gòu)對基因調(diào)節(jié)的作用發(fā)現(xiàn)與DNA復(fù)制、重組等有關(guān)的序列研究DNA突變、重排和染色體斷裂等，了解疾病的分子機(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體之間的多態(tài)性（5）研究進(jìn)展1996年，完成標(biāo)記密度為0.6cM的人類基因組遺傳圖譜，100kb的物理圖譜2000年，人類基因組框架草圖繪制完成2001年2月，人類基因組精細(xì)圖譜的完成 2002年，完成測序工作三、基因組學(xué)的研究內(nèi)容基因組學(xué)結(jié)構(gòu)基因組學(xué)功能基因組學(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)/功能及其相互關(guān)系基因識別/鑒定/克隆基因表達(dá)調(diào)控利用EST作為

4、標(biāo)記所構(gòu)建的分子遺傳圖譜轉(zhuǎn)錄組學(xué)比較不同組織和不同發(fā)育階段、正常狀態(tài)與疾病狀態(tài)，以及體外培養(yǎng)的細(xì)胞中等基因表達(dá)模式的差異, 通過如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)下的基因表達(dá)的種類和豐度的信息，編制成基因表達(dá)的數(shù)據(jù)。 蛋白組學(xué)一個細(xì)胞或一個組織基因組所表達(dá)的全部蛋白質(zhì)（在空間和時間上動態(tài)變化著的整體）。提供各種活性蛋白質(zhì)的翻譯時間、基因產(chǎn)物相對濃度、修飾作用、細(xì)胞定位等信息。功能蛋白質(zhì)組學(xué)以在特定時間、特定環(huán)境條件下的蛋白質(zhì)為研究對象（與某一生理現(xiàn)象有關(guān)），是個別蛋白的傳統(tǒng)研究和全體蛋白質(zhì)的蛋白質(zhì)組研究的中間層次。研究各活性蛋白之間的相互作用，

5、蛋白質(zhì)與DNA、RNA之間的相互作用等，揭示蛋白質(zhì)表面相互作用特征的能力，構(gòu)建全細(xì)胞的蛋白網(wǎng)絡(luò)。比較基因組學(xué)1988年，發(fā)現(xiàn)番茄和馬鈴薯的遺傳圖譜很相似。 基于結(jié)構(gòu)基因組學(xué)，對基因和基因組進(jìn)行比較，以了解基因的表達(dá)、功能和進(jìn)化。對同一物種不同個體以及不同物種的基因組進(jìn)行比較，分析基因的大小、數(shù)量，基因排列順序，編碼序列與非編碼序列的特征等，以揭示物種進(jìn)化關(guān)系，克隆重要性狀基因和進(jìn)行遺傳研究和性狀改良。四、基因組學(xué)的應(yīng)用確定物種特有的序列研究物種的遺傳多樣性研究物種的起源及系統(tǒng)進(jìn)化進(jìn)行新基因的克隆（染色體步移）進(jìn)行基因功能的預(yù)測獲得功能分子標(biāo)記五、基因組學(xué)的研究方法（一）遺傳圖譜的構(gòu)建（二）物理

6、圖譜的構(gòu)建（三）基因組測序（四）基因鑒定（五）基因功能研究（二）物理圖譜的構(gòu)建為什么要構(gòu)建基因組圖譜？基因組計劃的主要任務(wù)是獲得全基因組序列但是，現(xiàn)在的測序方法每次只能測8001000bp大量的測序片段要拼接要知道序列在染色體上的位置才能正確拼接基因組計劃的第一個環(huán)節(jié)：構(gòu)建基因組圖譜物理圖譜：DNA標(biāo)記在染色體上的實際位置。有遺傳圖譜為什么還要構(gòu)建物理圖譜？遺傳圖譜分別率有限，測序要求標(biāo)記間隔小于100kb，遺傳圖譜的標(biāo)記間隔遠(yuǎn)大于100kb精確性不夠，經(jīng)典遺傳學(xué)認(rèn)為，交換是隨機(jī)發(fā)生的，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)變異會限制交換重組人類基因組物理圖 1987年，RF

7、LP圖譜，403個標(biāo)記，10Mb 1994年，5800個標(biāo)記，0.7Mb 1996年，17000多個標(biāo)記，100kb 完全適應(yīng)全基因組測序的要求（1）限制性酶切圖譜：使用酶切位點(diǎn)在基因組中出現(xiàn)頻率低的內(nèi)切酶Sma I，每78kb只有1個切點(diǎn)BssH ，每390kb只有1個切點(diǎn)Not I，每10Mb 只有一個切點(diǎn)構(gòu)建物理圖譜的3條途徑限制酶作圖（2）熒光原位雜交：通過熒光標(biāo)記的探針與DNA分子雜交，雜交信號即探針DNA在染色體上的圖譜位點(diǎn)。取處于有絲分裂中期的細(xì)胞制片，將染色體變性成單鏈（染色體拉絲），在將標(biāo)記的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。熒光原位雜交原理（3）

8、序列標(biāo)簽位點(diǎn)利用某一已知序列為標(biāo)簽的位點(diǎn)（sequence tagged sites，STS）作探針，與DNA雜交，繪制物理圖譜。STS的要求：已知序列，便于PCR檢測基因組中僅一個位點(diǎn)，無重復(fù)有些標(biāo)記既是遺傳標(biāo)記，又是物理標(biāo)記的分子標(biāo)記如RFLP標(biāo)記、SSR標(biāo)記等借助這些標(biāo)記利用比較作圖可以將遺傳圖和物理圖整合起來遺傳圖與物理圖的整合（三）基因組測序利用現(xiàn)有DNA測序方法，每個測序反應(yīng)通常只能得到800個核苷酸的序列。小基因組物種常用鳥槍法。鳥槍射擊法大基因組測序存在兩個問題：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似的重復(fù)序列在連接和裝配時容易出錯大基因組測序方法克隆連續(xù)序列法

9、定向鳥槍射擊法克隆連續(xù)序列法：DNA切割成長度為0.1-1Mb的大片段克隆到Y(jié)AC或BAC載體上分別測定單個克隆序列再裝配連接成連續(xù)的DNA分子。定向鳥槍射擊法：以基因組圖譜中標(biāo)記為依據(jù)測序裝配和構(gòu)建不同DNA片段的序列。（四）基因鑒定根據(jù)序列分析搜尋基因查找開放閱讀框（open reading frame, ORF）同源查詢利用數(shù)據(jù)庫的基因序列與待查基因組序列比對。同源查詢可以部分彌補(bǔ)ORF掃描的不足。根據(jù)序列分析搜尋基因 查找開放閱讀框（open reading frame, ORF） 開放閱讀框都有一個起始密碼子，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的堿基數(shù)目要能夠被3整除 每一條鏈都有3種可能的閱讀框，2條連共計有6種可能的閱讀框. 計算機(jī)可以很快給出結(jié)果。同源查詢的依據(jù) 有親緣關(guān)系的物種，基因組可能存在某種程度的相似性： 存在某些完全相同的序列； ORF的排列相似，如等長的外顯子； ORF指令的氨基酸序列相似； 模擬的多肽鏈的高級結(jié)構(gòu)相似，等。（五）基因功能研究 （1）計算機(jī)預(yù)測 依據(jù)仍然是同源性比較。（2）試驗確認(rèn)基因的超表達(dá)反義RN