分子生物學(xué)本基因組及基因組學(xué)概論

分子生物學(xué)本基因組及基因組學(xué)概論第1頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

3基因組（Genome）一、基因組與基因組學(xué)概論二、病毒基因組特點(diǎn)三、原核生物基因組特點(diǎn)四、真核生物基因組特點(diǎn)五、人類基因組特點(diǎn)第2頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一、基因組與基因組學(xué)概論

1.基因組的概念一種生物或一種遺傳系統(tǒng)的所有基因（遺傳物質(zhì)）的組合染色體組（chromosomeset）基因組（genome）第3頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.基因組的種類與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（1）種類類核基因組（nucleoidgenome）

即原核基因組（prokaryoticgenome）核基因組（nucleargenome）

即真核基因組（eukaryoticgenome）細(xì)胞器基因組（organellegenome）

線粒體基因組（mitochondrialgenome）葉綠體基因組（chloroplastgenome）第4頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.基因組的種類與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)其他

病毒基因組（virusgenome）質(zhì)粒DNA（plasmidDNA），又稱染色體外DNA（extrachromosomalDNA）第5頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.基因組的種類與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（2）大小基因組大?。╣enomesize）一般以單倍體基因組的核酸量來(lái)衡量，單位有pg（10-12g）、Dalton（道爾頓）、bp或kb、Mb等1pg=6.02x1011Daltons=9.8x108bp第6頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三生物的復(fù)雜程度與基因組大小的關(guān)系第7頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三生物的基因組大小及其變化原核生物的genomesize一般都比較小，且變化范圍也不大（最大/最小約為20）。細(xì)菌基因組一般可含500~8000個(gè)基因。由于原核生物基因組中的非基因DNA（non-genicDNA）的含量較少，因此它們的基因組大小與其所含的基因數(shù)目是相對(duì)應(yīng)的真核生物的genomesize一般要比原核生物的大很多，且變化范圍也很大（最大/最小可達(dá)8萬(wàn)）第8頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三真核生物C值佯謬（C值反常現(xiàn)象）（C-valueparadox）C值：基因組的大小通常以一個(gè)基因組中的DNA含量來(lái)表示，稱為生物體的C值。C值矛盾：C值和它進(jìn)化復(fù)雜性之間并沒(méi)有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系第9頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

第10頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

第11頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.基因組的種類與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（3）類核基因組和核基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)類核基因組

環(huán)狀，較小；通常由單拷貝或低拷貝（low-copy）的DNA序列組成；基因排列緊密，較少非編碼序列核基因組

多線狀；大小一般要比類核基因組大好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，且變化范圍很大；有大量的非編碼序列（重復(fù)序列、內(nèi)含子等）第12頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.基因組的種類與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（4）細(xì)胞器基因組線粒體基因組在不同類型的生物（多細(xì)胞動(dòng)物、高等植物、原生動(dòng)物、藻類、真菌）中變化很大多細(xì)胞動(dòng)物：細(xì)小、致密，沒(méi)有或很少非編碼序列高等植物：復(fù)雜、不均一，比動(dòng)物的大得多原生動(dòng)物、藻類、真菌：或偏向于動(dòng)物型，或偏向于植物型，但又有其各自的獨(dú)特之處第13頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第14頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第15頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.基因組的種類與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（5）細(xì)胞器基因組葉綠體基因組比較均一，85~292kb（大部分都在120~160kb之內(nèi)）；特例：傘藻屬（Acetabularia），2000kb第16頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三Acetabularia第17頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第18頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三IR:

InvertedRepeatSSC:SmallSingleCopyregionLSC:LargeSingleCopyregion第19頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.基因組學(xué)（Genomics）把基因組作為研究對(duì)象的學(xué)科（1）結(jié)構(gòu)基因組學(xué)（structuralgenomics）（2）功能基因組學(xué)（functionalgenomics）（3）進(jìn)化基因組學(xué)（evolutiongenomics）基因組學(xué)的三個(gè)有代表性“時(shí)代”第20頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.基因組學(xué)（1）結(jié)構(gòu)基因組學(xué)（structuralgenomics）以全基因組測(cè)序?yàn)槟繕?biāo)的基因結(jié)構(gòu)研究，弄清基因組中全部基因組中全部基因的位置和結(jié)構(gòu)，為基因功能的研究奠定基礎(chǔ)。其目的是建立高分辨率的遺傳圖譜、物理圖譜、轉(zhuǎn)錄圖譜（表達(dá)圖譜）和序列圖譜（分子水平的物理圖譜）第21頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三基因組全序列的測(cè)定

1995

流感嗜血菌（Haemophilus

influenzae）1,830kb

枝原體Mycoplasma

genitalium

580,070bp，預(yù)計(jì)有500個(gè)基因

1996

古細(xì)菌Methanococcus

jannaschii1,660kb

釀酒酵母（Saccharomyces

cerevisiae）12,068kb，近6,000個(gè)潛在的蛋白質(zhì)編碼基因，近150個(gè)rRNA基因，近300個(gè)tRNA基因，還有幾十個(gè)核小分子RNA（snRNA）基因和一大批核仁小分子RNA（snoRNA）基因

1997

大腸桿菌（Escherichia

coli）4,639kb

（目前已測(cè)定一百多種微生物的全序列）

多細(xì)胞生物

1998秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis

elegans）97,000kb2000黑腹果蠅（Drosophila

melanogaster）180,000kb2000擬南芥（Arabidopsis

thaliana）120,000kb2000（6月）人類（Homosapiens）3,120,000kb第22頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.基因組學(xué)（1）結(jié)構(gòu)基因組學(xué)（structuralgenomics）常用的研究方法全基因組隨機(jī)測(cè)序（全基因組鳥槍戰(zhàn)略）：先打斷DNA測(cè)序，然后作圖（1）用機(jī)械方法打斷DNA，建立插入片段約2Kb的高度隨機(jī)基因組文庫(kù)（2）高效、大規(guī)模的兩末端測(cè)序（3）用有關(guān)軟件對(duì)測(cè)序克隆片段進(jìn)行序列集合（4）用適當(dāng)?shù)姆椒ㄌ钛a(bǔ)缺口第23頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.基因組學(xué)（2）功能基因組學(xué)（functionalgenomics）概念：利用結(jié)構(gòu)基因組學(xué)提供的信息，以高通量、大規(guī)模實(shí)驗(yàn)方法及統(tǒng)計(jì)與計(jì)算機(jī)分析為特征，全面系統(tǒng)地分析全部基因的功能。研究的角度包括：生物學(xué)功能、細(xì)胞學(xué)功能、發(fā)育學(xué)功能等第24頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.基因組學(xué)（2）功能基因組學(xué)（functionalgenomics）對(duì)基因組中基因本身的認(rèn)識(shí)（基因的概念）編碼蛋白質(zhì)的基因編碼功能RNA的基因

非編碼的DNA也可以是基因？第25頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.基因組學(xué)（2）功能基因組學(xué)（functionalgenomics）研究技術(shù)和方法轉(zhuǎn)基因技術(shù)反義核酸技術(shù)SNP技術(shù)P159基因敲除技術(shù)和基因敲入技術(shù)P159-161基因表達(dá)系列分析技術(shù)(SAGE)P171RNA選擇性剪接機(jī)制P173原位雜交技術(shù)P175定點(diǎn)突變技術(shù)P175RNA干擾技術(shù)P178-179cDNA微陣列技術(shù)（基因芯片技術(shù)）P180生物信息學(xué)技術(shù)第26頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.基因組學(xué)（3）進(jìn)化基因組學(xué)（evolutiongenomics）在整體水平上研究基因和基因組的結(jié)構(gòu)、功能的起源與進(jìn)化比較基因組學(xué)（comparativegenomics）

——進(jìn)化基因組學(xué)的初始階段第27頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.基因組學(xué)（3）進(jìn)化基因組學(xué)（evolutionarygenomics）通過(guò)比較，發(fā)現(xiàn)基因組中蛋白質(zhì)和功能RNA基因的密度與生物的復(fù)雜程度有一定的負(fù)相關(guān)基因和基因組如何通過(guò)并非很多的基本結(jié)構(gòu)單位（構(gòu)件）的重組而進(jìn)化成新的基因和基因組（構(gòu)件在進(jìn)化中被反復(fù)使用）最原始的基因和基因組的起源，其后的進(jìn)化模式與過(guò)程第28頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三不同生物基因組中基因的平均密度生物基因組中基因的平均密度

細(xì)菌1個(gè)基因/1kb酵母1個(gè)基因/2kb線蟲1個(gè)基因/5kb擬南芥1個(gè)基因/5kb果蠅1個(gè)基因/13kb人類1個(gè)基因/40kb

密度的變化與基因組進(jìn)化中調(diào)控元件和“非基因DNA”

的擴(kuò)增有關(guān)第29頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三藥物基因組學(xué)藥物的療效和毒副作用的個(gè)體差異大多源于基因差異（基因多態(tài)性）藥物基因組學(xué)是主要以闡明藥物代謝、藥物轉(zhuǎn)運(yùn)和藥物靶分子的基因多態(tài)性與藥物作用包括療效和毒副作用之間的關(guān)系的一門科學(xué)，是新興的研究領(lǐng)域。第30頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三應(yīng)用開辟全新的藥物開發(fā)領(lǐng)域合理用藥與個(gè)性化治療基因檢測(cè)用于藥物的臨床和臨床前研究第31頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.蛋白質(zhì)組學(xué)（proteomics）

P196（1）蛋白質(zhì)組（proteome）“一個(gè)基因組所表達(dá)的蛋白質(zhì)”“一種（或一個(gè)）細(xì)胞內(nèi)存在的全部蛋白質(zhì)（包括修飾后的各種蛋白質(zhì)）”“一個(gè)生物在其生活期間所產(chǎn)生的全部蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與活性”

（2）蛋白質(zhì)組學(xué)研究蛋白質(zhì)組的科學(xué)目前的研究主要是分析蛋白質(zhì)組中蛋白質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)及功能第32頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（3）蛋白質(zhì)組學(xué)的研究技術(shù)二維凝膠電泳（雙向電泳技術(shù)）——蛋白質(zhì)的分離技術(shù)等電聚焦及SDS質(zhì)譜——蛋白質(zhì)的分析技術(shù)蛋白質(zhì)免疫印跡實(shí)驗(yàn)（Westernblotting）——蛋白質(zhì)檢測(cè)技術(shù)凝膠阻滯實(shí)驗(yàn)（EMSA）——研究蛋白質(zhì)與DNA相互關(guān)系