第章基因組學(xué)概論

32學(xué)時(shí)：16周，2學(xué)時(shí)/周考試方式：閉卷考試考試成績：30%平時(shí)成績（出勤率+課堂表現(xiàn)）+70%卷面成績課程安排當(dāng)前第1頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)目錄第1章基因組學(xué)概論第2章基因組多態(tài)性第3章基因組作圖第4章基因組序列的詮釋第5章基因組的進(jìn)化與分子系統(tǒng)學(xué)第6章重組DNA技術(shù)及其應(yīng)用第7章分子雜交與印跡技術(shù)第8章PCR技術(shù)及其應(yīng)用第9章轉(zhuǎn)基因動(dòng)物技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展第10章生物芯片的應(yīng)用與發(fā)展第11章新基因功能研究的策略與方法第12章RNAi技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展當(dāng)前第2頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)第1章基因組學(xué)概論當(dāng)前第3頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)DNARNA基因組學(xué)

轉(zhuǎn)錄組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)？

？蛋白質(zhì)

課程的依據(jù)和支撐：生命科學(xué)的重大基石——中心法則當(dāng)前第4頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)基因組學(xué)概念

技術(shù)內(nèi)容

發(fā)展當(dāng)前第5頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)一、基因組學(xué)概況（一）基因組學(xué)基本概念（二）基因組學(xué)分支（三）基因組學(xué)的意義當(dāng)前第6頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)（一）基因組學(xué)基本概念1.基因（gene）2.基因組（genome）3.基因組學(xué)（genomics）當(dāng)前第7頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)1.基因(Gene)基因(gene)是1909年丹麥植物學(xué)家W.Johannsen根據(jù)希臘文單詞genos(birth,給予生命）創(chuàng)造的。現(xiàn)代分子生物學(xué)的基因概念：

基因是儲(chǔ)存和表達(dá)某一多肽鏈信息或RNA分析信息所必需的全部核苷酸序列，即一個(gè)基因不僅包括編碼蛋白質(zhì)或RNA的核酸序列，還應(yīng)包括為保證轉(zhuǎn)錄所必需的調(diào)控序列。

基因是生命體傳遞和表達(dá)遺傳信息的基本單位。當(dāng)前第8頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)2.基因組（genome）基因組(genome)一詞系由德國漢堡大學(xué)H.Winkles教授于1920年首創(chuàng)，從GENe和chromosOME組成。用于表示生物的全部基因和染色體組成的概念?；蚪M（genome）：生物所具有的攜帶遺傳信息的遺傳物質(zhì)的總和,是指生物細(xì)胞中所有的DNA，包括所有的基因和基因間區(qū)域。人的核基因組：30億bp（最新資料說28.5億）2～2.5萬個(gè)蛋白編碼基因當(dāng)前第9頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)真核生物基因組：核基因組線粒體基因組葉綠體基因組原核生物基因組：染色體質(zhì)粒病毒基因組：病毒顆粒攜帶的遺傳物質(zhì)當(dāng)前第10頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)3.基因組學(xué)（genomics）由美國科學(xué)家ThomasRoderick于1986年首創(chuàng)?；蚪M學(xué)（genomics）：就是對所有基因進(jìn)行基因作圖、核苷酸序列分析、基因定位和基因功能分析的一門學(xué)科。當(dāng)前第11頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)簡言之，基因組學(xué)就是在基因組水平上研究基因組結(jié)構(gòu)和功能的科學(xué)，其內(nèi)容包括基因的結(jié)構(gòu)、組成、存在方式、表達(dá)調(diào)控模式、基因的功能和相互作用等，是研究與解讀生物基因組所蘊(yùn)藏的所有遺傳信息的一門新的前沿學(xué)科。當(dāng)前第12頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)（二）基因組學(xué)分支結(jié)構(gòu)基因組學(xué)功能基因組學(xué)比較基因組學(xué)當(dāng)前第13頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)1.結(jié)構(gòu)基因組學(xué)通過基因組作圖、核苷酸序列分析，研究基因組結(jié)構(gòu)，確定基因組成、基因定位的科學(xué)。當(dāng)前第14頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)（1）基因組測序

DNA測序:<1000bp。細(xì)菌基因組:58萬bp

人類基因組:30億bp。

因此，首先將整個(gè)基因組的DNA分解為一些小片段，然后將這些分散的小片段逐個(gè)測序，最后將測序的小片段按序列組裝。當(dāng)前第15頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)（2）基因組作圖在長鏈DNA分子的不同位置尋找特征性的分子標(biāo)記，繪制基因組圖。根據(jù)分子標(biāo)記可以準(zhǔn)確無誤地將已測序的DNA小片段錨定到染色體的位置上。當(dāng)前第16頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)2.功能基因組學(xué)利用結(jié)構(gòu)基因組學(xué)提供的信息和產(chǎn)物，在基因組系統(tǒng)水平上全面分析基因功能的科學(xué)。當(dāng)前第17頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)功能基因組學(xué)的研究內(nèi)容:(1)進(jìn)一步識(shí)別基因以及基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控信息。(2)弄清所有基因產(chǎn)物的功能，這是目前基因組功能分析的主要層次。(3)研究基因的表達(dá)調(diào)控機(jī)制，分析基因產(chǎn)物之間的相互作用關(guān)系，繪制基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)圖。當(dāng)前第18頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)3.比較基因組學(xué)研究不同物種之間在基因組結(jié)構(gòu)和功能方面的親源關(guān)系及其內(nèi)在聯(lián)系的學(xué)科。當(dāng)前第19頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)比較基因組學(xué)的研究內(nèi)容:繪制系統(tǒng)進(jìn)化樹，顯示進(jìn)化過程中最主要的變化所發(fā)生的時(shí)間及特點(diǎn)。據(jù)此可以追蹤物種的起源和分支路徑。(2)了解同源基因的功能。(3)對序列差異性的研究有助于認(rèn)識(shí)產(chǎn)生大自然生物多樣性的基礎(chǔ)。當(dāng)前第20頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)（三）基因組學(xué)的意義生物學(xué)研究醫(yī)學(xué)生物技術(shù)制藥工業(yè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)生物進(jìn)化倫理，法律及社會(huì)尤其是人類疾病基因的研究當(dāng)前第21頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)(1)單基因病疾病基因研究,如血友病等人類基因組計(jì)劃使我們了解基因組序列。現(xiàn)在采用定位候選克隆方法極大地提高了發(fā)現(xiàn)疾病基因的效率。當(dāng)前第22頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)（2）多基因病疾病基因研究，例如心臟病，糖尿病，癌癥等。

用比較基因表達(dá)譜的方法來識(shí)別疾病狀態(tài)下基因的激活或抑制。當(dāng)前第23頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)（3）癌癥基因組解剖學(xué)計(jì)劃（CancerGenomeAnatomyProject，CGAP）

1996年癌癥基因組解剖學(xué)計(jì)劃開始。主要由美國癌癥研究所（Nationalcancerinstitute）開展。當(dāng)前第24頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)二、基因組學(xué)的歷史沿革當(dāng)前第25頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)（一）1900年代以前:前遺傳學(xué)時(shí)代（1）1859年C.Darwin在《OntheOriginof Species》這一名著中，提出了物種進(jìn)化的自然選 擇學(xué)說——達(dá)爾文進(jìn)化論。

生物的來源——進(jìn)化

生物的性狀——遺傳

進(jìn)化的動(dòng)力——選擇前遺傳學(xué)時(shí)代當(dāng)前第26頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)（2）1865年G.Mendel發(fā)表豌豆雜交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了遺傳學(xué)的兩大遺傳規(guī)律—分離規(guī)律和獨(dú)立分配規(guī)律，并認(rèn)為是生物體內(nèi)的遺傳因子或遺傳顆?？刂粕镄誀?。前遺傳學(xué)時(shí)代當(dāng)前第27頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)（二）1900—1950年代:經(jīng)典遺傳學(xué)時(shí)代（標(biāo)志：1900年,孟德爾遺傳規(guī)律再發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著遺傳學(xué)的誕生）

人們開始把控制生物遺傳性狀的遺傳單位稱為基因(gene)。生命科學(xué)的研究基本上都是圍繞著基因來進(jìn)行。經(jīng)典遺傳學(xué)時(shí)代當(dāng)前第28頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)1839年細(xì)胞學(xué)說的提出；1869年發(fā)現(xiàn)DNA；隨后，RNA也被發(fā)現(xiàn)；1879年染色體的發(fā)現(xiàn)，并認(rèn)為染色體最可能是DNA、RNA和蛋白質(zhì)的一種；1902年染色體學(xué)說的產(chǎn)生,合理解釋了Mendel的實(shí)驗(yàn)結(jié)果;1910年發(fā)現(xiàn)了遺傳學(xué)的第三大遺傳規(guī)律——連鎖遺傳規(guī)律（決定兩對性狀的兩對基因位于同一對染色體上，就會(huì)發(fā)生連鎖遺傳現(xiàn)象）證明基因的確存在于染色體上，并呈線狀排列。1944年證實(shí)了DNA是攜帶遺傳信息、構(gòu)成染色體的生物大分子；經(jīng)典遺傳學(xué)時(shí)代當(dāng)前第29頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)(Griffith,1928;Avery,1944)遺傳物質(zhì)是DNA經(jīng)典遺傳學(xué)時(shí)代當(dāng)前第30頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)遺傳物質(zhì)是RNA噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)遺傳物質(zhì)是DNA煙草花葉病毒侵染實(shí)驗(yàn)經(jīng)典遺傳學(xué)時(shí)代當(dāng)前第31頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)總之，自從人們認(rèn)識(shí)到“基因決定生物性狀”，“基因的本質(zhì)就是核酸——主要是DNA”之后，就從來沒有停止對基因的研究。經(jīng)典遺傳學(xué)時(shí)代當(dāng)前第32頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)（三）1950—1990年代:分子生物學(xué)時(shí)代

（前基因組學(xué)時(shí)代）

（標(biāo)志：Watson&Crick的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)[《Nature》1953.4.25]，標(biāo)志著分子生物學(xué)時(shí)代的開始）分子生物學(xué)時(shí)代當(dāng)前第33頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)

1953年，J.Watson，F(xiàn).Crick根據(jù)DNA的X射線衍射圖譜，提出了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，解釋基因復(fù)制的機(jī)制，從而真正開始從分子水平上研究生命活動(dòng)。生物學(xué)研究也從此進(jìn)入了分子生物學(xué)時(shí)代。分子生物學(xué)時(shí)代當(dāng)前第34頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)JamesDeweyWatson（1928～）FrancisHarryComptonCrick（1916～2004）分子生物學(xué)時(shí)代當(dāng)前第35頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)

1953—1970年，分子生物學(xué)的迅猛發(fā)展:①mRNA、DNA聚合酶、RNA聚合酶的發(fā)現(xiàn)；②DNA半保留復(fù)制機(jī)理、操縱子學(xué)說等的提出；③遺傳密碼的發(fā)現(xiàn)，其通用性的證明；④64個(gè)密碼子破譯；⑤中心法則：“DNA→RNA→蛋白質(zhì)”的建立,標(biāo)志著分子生物學(xué)學(xué)科理論體系形成；⑥重組DNA技術(shù)的建立，使得分子生物學(xué)的技術(shù)體系初步形成，或者說，生命科學(xué)進(jìn)入了前基因組學(xué)時(shí)代。分子生物學(xué)時(shí)代當(dāng)前第36頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)1.逆轉(zhuǎn)錄酶的發(fā)現(xiàn)，修正和完善了中心法則：

DNADNA

RNARNA

蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)DNARNA

？蛋白質(zhì)

轉(zhuǎn)錄 轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄

轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄翻譯

？

翻譯翻譯分子生物學(xué)時(shí)代當(dāng)前第37頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)20世紀(jì)80年代，人們從瘋牛病等疾病中發(fā)現(xiàn)其感染因子是一種與正常細(xì)胞膜蛋白（PrPC）一級(jí)結(jié)構(gòu)完全相同，但高級(jí)結(jié)構(gòu)、理化特性不同的PrPSc或prion蛋白（阮蛋白？）。目前的研究提示，這種不含有核酸的prion蛋白似乎具有自身復(fù)制的能力，也就是說這種蛋白本身就儲(chǔ)備了生命活動(dòng)必需的遺傳信息。2.Prion蛋白的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步推動(dòng)中心法則的演變分子生物學(xué)時(shí)代當(dāng)前第38頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)？？蛋白質(zhì)DNARNA比較完善的中心法則——個(gè)人觀點(diǎn)轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄翻譯分子生物學(xué)時(shí)代當(dāng)前第39頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)3.工具酶的發(fā)現(xiàn)、重組DNA技術(shù)的建立4.“斷裂基因”的發(fā)現(xiàn)5.DNA測序方法建立，讀取遺傳信息成為可能；6.PCR技術(shù)建立，7.基因表達(dá)與調(diào)控研究的不斷拓寬和深入；8.轉(zhuǎn)基因技術(shù)的建立與轉(zhuǎn)基因動(dòng)植物的成功；9.人類疾病的基因診斷和基因治療

分子生物學(xué)時(shí)代

盡管人類很早就開始了對基因的研究，但真正有系統(tǒng)地研究基因組、解碼生命還是于1990年人類基因組計(jì)劃啟動(dòng)后才開始的。當(dāng)前第40頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)（四）1990—2000年代：基因組學(xué)時(shí)代（標(biāo)志：人類基因組計(jì)劃的實(shí)施標(biāo)志著基因 組學(xué)時(shí)代的開始）基因組學(xué)時(shí)代當(dāng)前第41頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)1.人類基因組計(jì)劃人們回顧過去的20世紀(jì)一百年中所取得的輝煌成就時(shí)，認(rèn)為最激動(dòng)人心的偉大創(chuàng)舉之一就是和“曼哈頓原子彈計(jì)劃”、“阿波羅人類登月計(jì)劃”一起被譽(yù)為20世紀(jì)科學(xué)史上三個(gè)里程碑的“人類基因組計(jì)劃”(humangenomeproject,HGP)?；蚪M學(xué)時(shí)代當(dāng)前第42頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)1985年5月，美國能源部提出“人類基因組計(jì)劃草案；1986年3月7日，DulbeccoR在Science上發(fā)表了一篇有關(guān)開展人類基因組計(jì)劃的短文,推動(dòng)了全世界的人類基因組計(jì)劃的發(fā)展；1990年10月1日美國國會(huì)正式批準(zhǔn)的“人類基因組計(jì)劃”。計(jì)劃在15年內(nèi)投入30億美元以上的資金進(jìn)行人類基因組的分析，即對人類3×109個(gè)核苷酸進(jìn)行測序?；蚪M學(xué)時(shí)代當(dāng)前第43頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)（1）HGP(humangenomeproject,HGP)的內(nèi)容：

人類基因組作圖及序列分析，基因的鑒定、基因組研究技術(shù)的建立與創(chuàng)新、模式生物基因組作圖和測序、信息系統(tǒng)的建立、儲(chǔ)存及相應(yīng)軟件的開發(fā)、相關(guān)產(chǎn)業(yè)的開發(fā)等。2.HGP的內(nèi)容、任務(wù)與進(jìn)展基因組學(xué)時(shí)代當(dāng)前第44頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)（2）HGP的任務(wù)HGP的基本任務(wù)可用4張圖譜來概括，即遺傳圖、物理圖、轉(zhuǎn)錄圖（基因圖）、序列圖。基因組學(xué)時(shí)代當(dāng)前第45頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)遺傳圖(geneticmap)：又稱連鎖圖(linkagemap),是以具有遺傳多態(tài)性的遺傳標(biāo)記作為“位標(biāo)”，遺傳學(xué)距離為“圖距”的基因組圖。需要應(yīng)用多態(tài)性標(biāo)志—RFLP、VNTR（串聯(lián)重復(fù)順序多態(tài)性）、SNP。

B.物理圖譜（physicalmap）：是以一段已知核苷酸的DNA片段為“位標(biāo)”,以DNA實(shí)際長度(Mb或Kb)作為圖距的基因組圖?；蚪M學(xué)時(shí)代當(dāng)前第46頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)C.轉(zhuǎn)錄圖（transcriptionmap)：是以表達(dá)序列標(biāo)記(expressedsequencetags,EST)作為位標(biāo)，實(shí)際上就是人類“基因圖”的雛形，又稱cDNA圖或“表達(dá)序列圖”。D.序列圖(sequencemap)：也就是人類基因組核苷酸序列圖，是分子水平上最高層次、最詳盡的物理圖。基因組學(xué)時(shí)代當(dāng)前第47頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)物理圖譜序列圖譜遺傳圖譜 轉(zhuǎn)錄圖譜

這四張圖被譽(yù)為人類“分子水平上的的解剖圖”或“生命元素周期表”，可見其重要性?；蚪M學(xué)時(shí)代當(dāng)前第48頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)3.HGP的幾個(gè)階段性工作（1）在2000年6月完成“工作框架圖”。（2）在2001年2月15日、16日Nature、Science幾乎同時(shí)發(fā)表人類基因組的草圖,人類基因組計(jì)劃的測序基本完成。（3）2001年完成的序列圖譜?；蚪M學(xué)時(shí)代（4）2003年4月）HGP正式宣告全部完成,各項(xiàng)指標(biāo)均如期完成。（5）2005年2月18日首次公布人類基因差異圖譜，從而向真正個(gè)人化醫(yī)療邁進(jìn)了一大步。（6）2004年10月21日,認(rèn)為人類只有2萬～2.5萬個(gè)基因,比原先預(yù)計(jì)的10萬個(gè)基因數(shù)要少得多。當(dāng)前第49頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)最新研究顯示人類基因數(shù)量比原先估計(jì)少得多，這是人類與其他種類基因數(shù)量的比較(2004.10.21《Nature》)30,000Mouse基因組學(xué)時(shí)代當(dāng)前第50頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)（五）2001—后基因組學(xué)時(shí)代（標(biāo)志：功能基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)的 興起標(biāo)志著后基因組學(xué)時(shí)代的開始）后基因組學(xué)時(shí)代當(dāng)前第51頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)三、后基因組學(xué)產(chǎn)生的背景當(dāng)前第52頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)遺傳信息并不直接參與生命活動(dòng)。一個(gè)基因所含的遺傳信息，通過一系列復(fù)雜的反應(yīng)，最終導(dǎo)致了相應(yīng)的蛋白質(zhì)形成，蛋白質(zhì)再參與到生命的各種活動(dòng)中去。當(dāng)前第53頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)

不管怎么說，人類基因組計(jì)劃（HGP）經(jīng)過各國科學(xué)家十幾年的的努力，人類基因組計(jì)劃已取得了巨大成績,整個(gè)計(jì)劃已提前完成.所取得的劃時(shí)代研究成果—人類基因草圖的完成宣告了一個(gè)新的紀(jì)元—“后基因組學(xué)（post-genomics）時(shí)代”的到來。當(dāng)前第54頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)后基因組學(xué)時(shí)代要做的工作，就是如何將人 類基因組計(jì)劃所獲知的人類基因序列轉(zhuǎn)變?yōu)?對人類自身奧秘的認(rèn)識(shí)？如何對這些基因加 以利用？功能基因組學(xué)將成為新世紀(jì)最大戰(zhàn)略資源—人類基因資源奪戰(zhàn)的重要“戰(zhàn)場”。當(dāng)前第55頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)功能基因組學(xué)主要是采用一系列新技術(shù)，對成千上萬的基因表達(dá)進(jìn)行分析比較，并從基因整體水平上對基因的活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行闡述。它拋棄了經(jīng)典分子生物學(xué)零敲碎打地研究各別基因的習(xí)慣，力求從細(xì)胞水平上解決基因組問題，以建立對生命現(xiàn)象的整體認(rèn)識(shí)。當(dāng)前第56頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)在過去的50多年內(nèi)，實(shí)驗(yàn)生命科學(xué)的主要目標(biāo)是尋找特定的基因或蛋白質(zhì)，從而在分子水平上根據(jù)個(gè)別的基因或蛋白質(zhì)行為來解釋生命活動(dòng)。當(dāng)前第57頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)隨著科學(xué)的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到，過去得到的圖景過于簡單。生命實(shí)際上是一個(gè)由成千上萬種基因、蛋白質(zhì)和其他化學(xué)分子相互作用構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)；對于高等生物而言，除了分子層面的復(fù)雜行為外，還有著細(xì)胞、組織和器官等不同層面的復(fù)雜活動(dòng)；生命現(xiàn)象是這樣一種復(fù)雜系統(tǒng)的整體行為。當(dāng)前第58頁\共有63頁\編于星期三\12點(diǎn)四、后基因組學(xué)的主要研究內(nèi)容與