基因組學與相關組學

基因組學與相關組學第1頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四DNA的質粒載體導入宿主細胞的方法①轉化，用質粒作載體所常用的方法②轉染，用（無外殼）噬菌體DNA作載體所用的方法③轉導，用（有外殼）噬菌體作載體所用的方法④注射，如果宿主是比較大的動植物細胞用注射方法把重組DNA分子導入

第2頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四組學組學（omics）是研究生物體內(nèi)某種生物大分子（比如DNA、RNA、蛋白質或其他分子）的所有組成的學科。研究內(nèi)容包括基因組及基因組產(chǎn)物的系統(tǒng)研究，然后上升到細胞機制，分子機制和系統(tǒng)生物學的水平。第3頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四20世紀自然科學史上的三大計劃第4頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四第5頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四第6頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)基因組學

基因組：在個體水平代表生物所有遺傳性狀的總和；在細胞水平是一個細胞所有染色體的總和；從分子角度認識，是一個物種所有DNA分子的總和。一般的定義是單倍體細胞中的全套染色體為一個基因組，或是單倍體細胞中的全部基因為一個基因組。

基因組學是研究基因結構與功能的科學，是對所有基因進行基因作圖（包括遺傳圖譜、物理圖譜、轉錄圖譜）、核苷酸序列分析、基因定位、基因結構與功能的關系以及基因間相互作用的一門科學。第7頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四人類基因組組成第8頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四二、人類基因組計劃（一）、人類基因組計劃的提出

1985年6月，美國能源部提出HGP的初步草案，經(jīng)討論于1986年3月宣布實施。參與國家；美國、英國、日本、法國、德國、中國

HGP被譽為20世紀自然科學史上“最偉大的三大計劃”之一。(二）、人類基因組計劃的研究內(nèi)容和任務

研究內(nèi)容:遺傳圖、物理圖、轉錄圖和序列圖

1993年，美國國家人類基因組研究中心修改后的HGP具體研究內(nèi)容包括：人類基因組作圖及序列分析；基因的鑒定；基因組研究技術的建立、創(chuàng)新與改進；模式生物基因組的作圖和測序；信息系統(tǒng)的建立、信息的貯存、處理及相應的軟件開發(fā)；與人類基因組相關的倫理學、法學和社會影響與結果的研究；研究人員的培訓；技術轉讓及技術開發(fā)；研究計劃的外延等。第9頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四第10頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四遺傳圖遺傳圖又稱為連鎖圖，是利用人類基因組中的一些特殊位點作為遺傳標記而進行的基因組分區(qū)。通過計算連鎖的遺傳標記之間的重組頻率，確定它們的相對距離，即以具有遺傳多態(tài)性的遺傳標記作為“位標”，遺傳學距離作為“圖距”的基因組圖，圖距一般用厘摩.cM值越大，兩者之間相對距離越遠。遺傳多態(tài)性為在某個遺傳位點上具有一個以上的等位基因,且其在群體中出現(xiàn)的頻率均高于1%。遺傳學距離則是指在減數(shù)分裂事件中,兩個位點之間進行交換、重組的百分率,并規(guī)定1%的重組率為1cM(厘摩)。人基因組全長約3600cM，如兩個標記之間相距1cM，則需3300個標記，如兩個標記之間相距2～5cM，則需660～1650個標記.第11頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四多態(tài)性標記第一代：限制性酶切片段長度多態(tài)性（RFLP）標記在20世紀70年代后期建立的經(jīng)典的遺傳標記，例如ABO血型位點標記。利用限制性內(nèi)切酶特異性切割雙鏈DNA分子，由于DNA上的一個點的變異所造成的能切與不能切兩種狀況，可產(chǎn)生長度不同的片段，用凝膠電泳顯示多態(tài)性，利用片段多態(tài)性與表型間的關系進行連鎖分析，找到致病基因。第二代：可串聯(lián)重復多態(tài)性（SSLP）標記其可提供長度不同的片段，其重復單位長度為6至12個核苷酸。第三代：單核苷酸多態(tài)性（SNP）標記單核苷酸多態(tài)性是指不同種族之間，或相同種族不同個體之間相對應基因的DNA序列中單核苷酸之間的相同或不同程度，個體所變現(xiàn)出的表型差異。第12頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四物理圖物理圖(physicalmap)是通過測定遺傳標志的排列順序與位置而繪制成的，即以一段已知核苷酸的DNA片段為“位標”，以DNA實際長度(Mb、kb或bp)為“圖距”的基因圖譜。HGP在整個基因組染色體每隔一定距離標上序列標簽位點(STS)為“路標”之后，隨機將每條染色體酶切為大小不等的DNA片段，以酵母人工染色體

(YAC)或細菌人工染色體

(BAC)等作為載體構建YAC或BAC鄰接克隆系，確定相鄰STS間的物理聯(lián)系，繪制以Mb、kbp、bp為圖距的人類全基因組物理圖譜。物理圖標和遺傳圖標可進行相互轉換。第13頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四物理圖酵母人工染色體（YAC）：是利用釀酒酵母染色體的復制原件構建的載體，其工作環(huán)境也是在釀酒酵母中。細菌人工染色體（BAC）：是基于大腸桿菌的F質粒構建的高容量低拷貝的質粒載體。第14頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四物理圖的意義在于STS可把經(jīng)典遺傳學與細胞遺傳學的位點信息轉化為基因組位點的物理信息，基于STS位點信息的相連片段群又提供了研究區(qū)域的實驗材料，以這些片段的材料可進行該區(qū)域的基因組研究或在該區(qū)域尋找新基因。第15頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四轉錄圖轉錄圖

(transcriptionmap)又稱cDNA圖或表達圖(expressionmap)，是一種以表達序列標簽(expressedsequencetags，EST)為位標繪制的基因圖譜，是編碼蛋白質的序列在基因組中的位置?？商峁┤祟惢蚪M或基因家族的準確數(shù)目，每一基因的序列和在基因組中的位置，并且提供基因表達的時間和空間關系。通過從cDNA文庫中隨機挑取的克隆進行測序所獲得的部分cDNA的5'或3'端序列稱為表達序列標簽（EST），一般300～500bp左右。將mRNA反轉錄的cDNA或表達序列標簽EST的部分cDNA片段作為探針與基因組DNA進行雜交，通過標記轉錄基因，繪制出可表達基因轉錄圖，最終繪制出人體所有組織、所有細胞以及所有發(fā)育階段的全基因組轉錄圖譜。第16頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四轉錄圖cDNA文庫的概念基因文庫指將整套基因組片段插入克隆載體獲得的分子克隆的總和。而cDNA文庫是指將整套基因組轉錄形成的所有mRNA反轉錄形成cDNA，在將cDNA插入克隆載體形成的分子克隆的總和。反轉錄PCR又稱逆轉錄PCR是擴增mRNA的一種實驗技術。先將mRNA反轉錄成cDNA，然后再以cDNA為模板，用常規(guī)PCR方法加以擴增。

轉錄圖的意義在于由于cDNA具有組織、生理與發(fā)育階段的特異性，因此EST除提供序列信息外，同時也提供該基因表達的組織、生理狀況與發(fā)育階段的信息。第17頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四序列圖序列圖(sequencemap)即人類基因組核苷酸序列圖，是人類基因組在分子水平上最高層次、最詳盡的物理圖。其繪制方法是在遺傳圖譜和物理圖譜基礎上，精細分析各克隆的物理圖譜，將其切割成易于操作的小片段，構建YAC或BAC文庫，得到DNA測序模板，測序得到各片段的堿基序列，再根據(jù)重疊的核苷酸順序將己測定序列依次排列，獲得人類全基因組的序列圖譜。其測序方法有兩種；鳥槍法測序和逐個克隆法。鳥槍法：將目的DNA隨機地處理成大小不同的片段，再將這些片段的序列連接起來的測序方法。

第18頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四

鳥槍法核酸序列測定第19頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四三、人類基因組計劃完成情況2004年10月，國際人類基因組測序聯(lián)盟在《Nature》公布了“人類基因組完成圖”，認為人類只有2萬～2.5萬個基因。2006年5月，美英科學家發(fā)表了人類最后一個染色體第1號染色體的基因測序，標志著解讀人體基因密碼的“生命之書”全部完成。我國于1999年10月1日正式啟動HGP，2000年4月完成了1%的人類基因組框架圖；2001年8月繪制完成中國卷，提前2年獲得精確度達99.99%的'完成圖'序列。第20頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四2002年2月公布了“精細圖”研究結果人類基因總數(shù)在2萬到2.5萬個之間，低于原來估計數(shù)目的一半，說明人類在使用基因上比其它物種更為高效；基因組中存在著基因密度較高的“熱點”區(qū)域和大片不攜帶人類基因的“荒漠”區(qū)域。研究結果表明：基因密度在第17、19和22號染色體上最高，在X、Y、第4號和第18號染色體上密度較??；大約1/3以上基因組包含重復序列，這些重復序列的作用有待進一步研究；所有人都具有99.99%的相同基因，任何兩個不同個體之間大約每1000個核苷酸序列中會有一個不同，這稱為單核苷酸多態(tài)性(SNP)，每個人都有自己的一套SNP，它對“個性”起著決定性的作用。第21頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四四、人類基因組計劃(HGP)的意義鑒定人類的全部基因將人類帶入基因醫(yī)學的新時代推動了模式生物基因組的研究促進了學科的交叉與重組第22頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四一、鑒定人類的全部基因人類基因組計劃獲得了人類的全基因組序列，對研究基因組的結構與功能有著巨大的推動作用。HGP的大規(guī)模運作也將推動生物技術并肩走向操作的規(guī)?；?，自動化和系統(tǒng)化。第23頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四二、將人類帶入基因醫(yī)學的時代隨著基因組工作框架圖的問世，許多致病單基因被確認為候選基因，目前已經(jīng)分離到哮喘?。橄侔┑?0多種遺傳病的致病基因，多基因疾病也已經(jīng)成為疾病基因組學研究的重點。多基因復雜性狀基因定位將可以進行全基因組的定位掃描，使得確認致病基因的工作更加容易。同時HGP的完成，為基因藥物的設計提供了重要的理論基礎和設計原則。第24頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四生命科學技術系25

人類進入基因醫(yī)學的時代疾病診斷藥物1藥物2藥物3疾病診斷藥物1藥物2藥物3藥物敏感性測定目前的疾病治療將來的疾病治療第25頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四三、推動了模式生物基因組的研究人類基因組框架圖的建立和完成，推動了對模式生物的全基因組的測定。目前已經(jīng)完成了酵母、大腸桿菌、小鼠、線蟲、果蠅、水稻等70種生物基因組的測序和作圖。另外有1300多種生物的基因組測序正在進行中。第26頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四四、促進了學科的交叉與重組HGP的深入發(fā)展誕生了許多新學科領域，其中以生物信息的收集、貯存、分析、利用、共享、服務、研究、和開發(fā)為核心的生物信息學。以數(shù)據(jù)處理和作圖為主的計算生物學等等。第27頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四人類基因組數(shù)據(jù)庫的利用主要相關數(shù)據(jù)庫NCBI基因組站點：

/genbank/歐洲分子生物學實驗室的EMBL（DNA數(shù)據(jù)庫）站點：

http://www.embl-heidelberg.de日本遺傳研究所的DDBJ站點：

http://www.ddbj.nig.ac.jp/三個數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)基本一致，僅在數(shù)據(jù)格式上有所差別。是綜合性的DNA和RNA序列數(shù)據(jù)庫。

第28頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四GenBankGenBank是美國國家生物技術信息中心（NCBI)建立的DNA序列數(shù)據(jù)庫，從公共資源中獲取序列數(shù)據(jù)，主要是科研人員直接提供或來源于大規(guī)?；蚪M測序計劃。為保證數(shù)據(jù)盡可能的完全，GenBank與EMBL、DDBJ建立了相互交換數(shù)據(jù)的合作關系。用戶可以通過NCBI的主頁使用GenBank。GenBank的宗旨是鼓勵科研團體對DNA序列的獲取，從而促進數(shù)據(jù)庫中DNA序列的豐富和更新，所以NCBI對GenBank的數(shù)據(jù)使用與發(fā)送沒有任何限制。

GenBank的利用：人的22條常染色體、X、Y染色體目前序列分析的詳細資料；疾病和基因關系的教學用選擇性病例；其他生物基因組序列等。NCBI收集的基因組數(shù)據(jù)量非常大，包括2000多個病毒基因組、1000多個微生物基因組及部分真核生物基因組。第29頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四第30頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四與醫(yī)學相關數(shù)據(jù)庫OMIM

該數(shù)據(jù)庫收集和更新人類基因和遺傳病中的變異信息。SAGEmap

是專門設計的一項獲得基因表達定量資料的技術。實驗技術包括分子生物學、DNA序列分析和生物信息學等技術。GenesandDisease

一個面向學生和公眾的網(wǎng)站，提供一些疾病與基因關系的實例。CGAP

癌癥基因組解剖計劃：其目標是確定正常、癌前和癌細胞的基因表達譜，以指導癌癥的早期診斷和治療。第31頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)后基因組學

一、功能基因組學功能基因組學是研究基因組中所有基因的功能的科學。它利用基因組學提供的信息和產(chǎn)物，發(fā)展和應用新的實驗手段，在基因組或系統(tǒng)水平上全面分析基因組中所有基因功能。研究內(nèi)容主要包括基因組的表達，蛋白質產(chǎn)物的功能，基因組多樣性的研究，基因組功能注釋及突變檢測。第32頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四基因表達譜細胞在特定的條件下(不同分化階段、疾病、應激)所表達的基因種類和數(shù)量的特定模式?；虮磉_譜的研究方法：基因芯片技術（DNA微陣列）將大量已知序列的核酸探針分子固定于支持物上后與標記的樣品cDNA雜交。雜交信號陽性的探針分子就是在組織或細胞中表達的分子階段?？梢砸淮涡詫毎麅?nèi)多種核酸分子進行檢測和分析?；虮磉_序列分析可以快速和詳細地分析成千上萬個基因。此方法可以全面提供生物體基因表達譜信息，并且有可定量的優(yōu)勢。第33頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四基因芯片技術基因芯片技術主要包括四個基本要點：芯片方陣的構建、樣品的制備、生物分子反應和信號的檢測。1、芯片制備，先將玻璃片或硅片進行表面處理，然后使DNA片段按順序排列在片芯上。2、樣品制備，生物樣品往往是非常復雜的生物分子混合體，可將樣品進行生物處理，獲取其中的DNA、RNA，并且加以標記，以提高檢測的靈敏度。3、生物分子反應，芯片上的生物分子之間的反應是芯片檢測的關鍵一步。通過選擇合適的反應條件使生物分子間反應處于最佳狀況中，減少生物分子之間的錯配比率。4、芯片信號檢測，常用的芯片信號檢測方法是將芯片置入芯片掃描儀中，通過掃描以獲得有關生物信息。第34頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四基因芯片的測序原理

在一塊基片表面固定了序列已知的八核苷酸的探針。當溶液中帶有熒光標記的核酸序列TATGCAATCTAG，與基因芯片上對應位置的核酸探針產(chǎn)生互補匹配時，通過確定熒光強度最強的探針位置，獲得一組序列完全互補的探針序列。據(jù)此可重組出靶核酸的序列。

第35頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四基因芯片及信息收集系統(tǒng)第36頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四功能基因組的意義功能基因組內(nèi)容包括識別和鑒定人類基因組，分析基因的功能，研究基因表達譜。功能基因組研究具有巨大的應用價值；在醫(yī)療衛(wèi)生方面，研究成果課用于醫(yī)藥的發(fā)現(xiàn)和發(fā)生；致病基因和易感疾病基因的鑒定和克隆，可用于全新原理的診斷治療和預防；醫(yī)生能根據(jù)患者的個體遺傳信息，設計個體化的藥物療法；科學家在人體器官和組織重組和再造方面講取得巨大進步。第37頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四二、轉錄組學轉錄組(transcriptome)是指一種生物基因組表達的全部轉錄產(chǎn)物的總稱，包括某一環(huán)境條件、某一生命階段、某一生理或病理(功能)狀態(tài)下，生命體的細胞或組織所表達的基因種類和水平。與基因組不同，轉錄組的定義中包含了時間和空間的限定。同一細胞在不同的生長時期及生長環(huán)境下，其基因表達情況是不完全相同的。而在相同的生長時期及生長環(huán)境下，不同組織的轉錄組也是不同的。以轉錄組分析為研究內(nèi)容的研究領域稱為轉錄組學，即研究細胞在某一功能狀態(tài)下所含mRNA的類型與拷貝數(shù)。第38頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四轉錄組學的研究方法包括基因芯片技術、基因表達系列分析及大規(guī)模平行測序系統(tǒng)。一種以尼龍膜為基質的“cDNA陣列”是至今為止生物信號平行分析最成功的形式，用于檢測生物樣品中基因表達譜的改變。第39頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四三、蛋白質組學一、蛋白質組、蛋白質組學的概念蛋白質組(proteome)指一個細胞或一種組織的基因組所表達的全部蛋白質。蛋白質組學(proteomics)是在整體水平上研究細胞內(nèi)蛋白質組成及其活動規(guī)律的科學。第40頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四二、蛋白質組與基因組的比較第41頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四蛋白質組與基因組的比較（結果）蛋白質具有多樣性

在轉錄時，一個基因可以有多種mRNA選擇性剪接，而且同一蛋白又可能進行多種形式的翻譯后修飾，故一個蛋白質組不是一個基因組的直接產(chǎn)物。目前估計人類蛋白質數(shù)量種類大約在20萬到200萬之間，遠大于人類基因的數(shù)量（2.4萬～2.5萬個）。蛋白質隨時間和空間而動態(tài)變化在個體的不同發(fā)育階段或者細胞的不同活動時期，在不同的外環(huán)境或者應激條件下，細胞內(nèi)產(chǎn)生的蛋白質種類是不一樣的。而個體或細胞的基因組則不發(fā)生變化。蛋白質彼此間有著直接的影響某一種蛋白質功能的實現(xiàn)，通常離不開它與其他蛋白質之間的相互作用。換而言之，不與其他蛋白質發(fā)生作用的孤立蛋白質根本就不存在。蛋白質組學研究技術尚不成熟目前還沒有建立起想人類基因組測序那樣高效可行的技術平臺。第42頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四三、蛋白質組學研究方法雙向電泳：根據(jù)蛋白質的兩個一級屬性：等電點和分子量的特異性，將蛋白質混合物在電荷(等電聚焦)和分子量(變性聚丙酰胺凝膠電泳，SDS)兩個水平上進行分離。能同時分辨上千個蛋白質點。蛋白質組研究的發(fā)展以雙向電泳技術作為核心.

蛋白質芯片是一種高通量的蛋白功能分析技術，可用于蛋白質表達譜分析，研究蛋白質與蛋白質的相互作用，甚至DNA－蛋白質、RNA－蛋白質的相互作用，篩選藥物作用的蛋白靶點等

生物質譜與蛋白質鑒定：質譜分析是通過測定樣品離子的質荷比(m/z)來進行成分和結構分析的方法?？捎糜冢孩俚鞍踪|被識別特異蛋白酶水解后得到的肽片段質量圖譜；②串聯(lián)質譜儀可直接測定肽段的序列；③翻譯后修飾蛋白質的鑒定：質譜可以進行蛋白質翻譯后修飾鑒定。第43頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四雙向電泳是等電聚焦電泳和SDS的組合，即先進行等電聚焦電泳（按照pI分離），然后再進行SDS（按照分子大?。?，經(jīng)染色得到的電泳圖是個二維分布的蛋白質圖。等電聚焦電泳是利用特殊的緩沖液在聚丙烯酰胺凝膠內(nèi)制造一個pH梯度，電泳時每種蛋白質就將遷移到等于其等電點（pI）處（此時此蛋白質電荷為零），形成一個很窄的區(qū)帶。第44頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四四、蛋白質組數(shù)據(jù)庫蛋白信息源數(shù)據(jù)庫(PIR)蛋白序列數(shù)據(jù)庫(SWISS-PROT，TrEMBL)基因序列數(shù)據(jù)庫(Genbank，EMBL)蛋白模式數(shù)據(jù)庫(Prosite)蛋白二維凝膠電泳數(shù)據(jù)庫蛋白三維凝膠電泳數(shù)據(jù)庫(PDB,FSSP)蛋白翻譯后修飾數(shù)據(jù)庫(O-GLYCBASE)基因組數(shù)據(jù)庫(GDB,OMIM)代謝數(shù)據(jù)庫(ENZYME)第45頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四PIR數(shù)據(jù)庫（ProteinInformationResource）PIR數(shù)據(jù)庫是個全面的、經(jīng)過注釋的、非冗余的蛋白質序列數(shù)據(jù)庫，所有序列數(shù)據(jù)都經(jīng)過整理。幫助研究者識別和解釋蛋白質的序列信息，研究分子進化、功能基因組。PIR是一個蛋白質序列數(shù)據(jù)庫、相關數(shù)據(jù)庫和輔助工具的集成系統(tǒng)，包括(1)能快速查詢、比較蛋白質序列(2)查出蛋白質的功能位點(3)可進行多種方式的序列比較除了蛋白質序列數(shù)據(jù)外，PIR還包含以下信息：

(1)蛋白質名稱、蛋白質的分類、蛋白質的來源(2)關于原始數(shù)據(jù)的參考文獻(3)蛋白質功能和蛋白質的一般特征，包括基因表達、翻譯后處理、活化等(4)序列中相關的位點、功能區(qū)域第46頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四PIR數(shù)據(jù)庫（ProteinInformationResource）第47頁，共54頁，2023年，2月20日，星期四五、蛋白質組學的應用及進展用于尋找疾病相關的蛋白質，如疾病蛋白質標志物。用于微生物蛋白質組研究，徹底闡明病原微生物的致病機制并尋找全新的藥物作用靶點。蛋白質組數(shù)據(jù)庫將成為