第19章 遺傳信息傳遞的整體性(段秋紅)

第十九章遺傳信息傳遞的整體性

Integrationofexpressionandtransmissionofgeneticinformation第一節(jié)基因組學(xué)Genomics

一、基因組就是一種生物擁有的所有遺傳信息的總合是一個(gè)細(xì)胞（或病毒）所載的全部遺傳信息，它代表了一種生物所具有的全部遺傳信息。真核生物基因組是指一套完整單倍體DNA（染色體DNA）及線粒體或葉綠體DNA的全部序列，既有編碼序列，也有大量存在的非編碼序列。細(xì)菌基因組包含了擬核和質(zhì)粒中的DNA序列。病毒基因組有的為DNA（DNA病毒），有的則為RNA（RNA病毒）。*基因組（genome）二、基因組學(xué)包括結(jié)構(gòu)基因組學(xué)、功能基因組學(xué)和比較基因組學(xué)1.基因組學(xué)（genomics）是闡明整個(gè)基因組的結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系以及基因之間相互作用的科學(xué)。2.研究?jī)?nèi)容結(jié)構(gòu)基因組學(xué)（structuralgenomics）:

遺傳圖譜、物理圖譜、序列圖譜以及轉(zhuǎn)錄圖譜和大規(guī)模DNA測(cè)序。功能基因組學(xué)（functionalgenomics）:分析鑒定基因組功能。比較基因組學(xué)（comparativegenomics）：基因組之間比較鑒定，研究生物進(jìn)化，預(yù)測(cè)新基因。三、結(jié)構(gòu)基因組學(xué)的主要任務(wù)是基因組作圖和大規(guī)模測(cè)序

通過(guò)基因作圖、構(gòu)建連續(xù)克隆系及大規(guī)模測(cè)序等方法，結(jié)合主要模式生物已知基因組DNA序列，輔以生物信息學(xué)和計(jì)算生物學(xué)技術(shù)，解密人類基因組DNA序列和結(jié)構(gòu)。人類基因組計(jì)劃（HumanGenomeProject，HGP）：1．遺傳作圖2．物理作圖（一）遺傳作圖和物理作圖是繪制人類基因組草圖的重要策略染色體DNA很長(zhǎng)，不能直接進(jìn)行測(cè)序，必須先將基因組DNA進(jìn)行分解、標(biāo)記，使之成為可操作的較小結(jié)構(gòu)區(qū)域，這一過(guò)程稱為作圖。

遺傳作圖（geneticmapping）:就是確定連鎖的遺傳標(biāo)志位點(diǎn)在一條染色體上的排列順序及它們之間的相對(duì)遺傳距離，用厘摩爾根（centi-Morgan，cM）表示，當(dāng)兩個(gè)遺傳標(biāo)記之間的重組值為1%時(shí)，圖距即為1cM。1．遺傳作圖就是繪制連鎖圖遺傳圖(geneticmap)又稱連鎖圖(linkagemap)。*DNA標(biāo)記①限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性（restrictionfragmentlengthpolymorphism，RFLP）②可變數(shù)目串聯(lián)重復(fù)序列（variablenumberoftandemrepeat，VNTR）③單核苷酸多態(tài)性（singlenucleotidepolymorphism,SNP）①限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性（RFLP）：利用特定的限制性內(nèi)切酶識(shí)別并切割基因組DNA，得到大小不等的DNA片段，所產(chǎn)生的DNA數(shù)目和各個(gè)片段的長(zhǎng)度反映了DNA分子上不同酶切位點(diǎn)的分布情況。②可變數(shù)目串聯(lián)重復(fù)序列（VNTR）：又稱微衛(wèi)星DNA（minisatelliteDNA），是一種重復(fù)DNA短序列。VNTR基本原理與RFLP大致相同，通過(guò)限制性內(nèi)切酶的酶切和DNA探針雜交，可一次性檢測(cè)到眾多微衛(wèi)星位點(diǎn)，得到個(gè)體特異性的DNA指紋圖譜。③單核苷酸多態(tài)性（SNP）：

SNP不以“長(zhǎng)度”的差異作為檢測(cè)手段，而是直接以序列的變異作為標(biāo)記。SNP是指在基因組水平上由單個(gè)核苷酸變異所造成的DNA序列多態(tài)性。SNP是人類可遺傳的變異中最常見的一種，也是基因組中最為穩(wěn)定的變異。SNP最大限度地代表了不同個(gè)體之間的遺傳差異，因而成為研究多基因疾病、藥物遺傳學(xué)及人類進(jìn)化的重要遺傳標(biāo)記。

物理作圖（physicalmapping）是在遺傳作圖基礎(chǔ)上制作的更詳細(xì)的人類基因組圖譜。包括：

熒光原位雜交圖（FISHmap）限制性酶切圖（restrictionmap）連續(xù)克隆系圖（clonecontigmap）2．物理作圖就是描繪雜交圖、限制性酶切圖及克隆系圖①熒光原位雜交圖（fluorescentinsituhybridizationmap，F(xiàn)ISHmap）：將熒光標(biāo)記的探針與染色體雜交確定分子標(biāo)記所在的位置。②限制性酶切圖（restrictionmap）：將限制性酶切位點(diǎn)標(biāo)定在DNA分子的相對(duì)位置。③連續(xù)克隆系圖（clonecontigmap）：采用酶切位點(diǎn)稀有的限制性內(nèi)切酶或高頻超聲破碎技術(shù)將DNA分解成大片段后，再通過(guò)構(gòu)建酵母人工染色體（yeastartificialchromosome，YAC）或細(xì)菌人工染色體（bacterialartificialchromosome，BAC）獲取含已知基因組序列標(biāo)簽位點(diǎn)（sequencetaggedsite，STS）的DNA大片段。*STS（sequencetaggedsite，基因組序列標(biāo)簽位點(diǎn)）：是指染色體定位明確，并且可用PCR擴(kuò)增的單拷貝序列，每隔100kb距離就有一個(gè)標(biāo)志。在STS基礎(chǔ)上構(gòu)建能夠覆蓋每條染色體的大片段DNA連續(xù)克隆系就可繪制精細(xì)物理圖譜，為大規(guī)模DNA測(cè)序做好了準(zhǔn)備。（二）通過(guò)BAC克隆系、鳥槍法等完成大規(guī)模DNA測(cè)序1．BAC克隆系的構(gòu)建是大規(guī)模DNA測(cè)序的基礎(chǔ)

YAC載體裝載量偏大（1

2Mb），自身穩(wěn)定性不夠。

BAC具有插入片段較大（幾kb

350kb）、嵌合率低、遺傳穩(wěn)定性好、易于操作等優(yōu)點(diǎn)。2．鳥槍法是大規(guī)模DNA測(cè)序的重要方法全基因組鳥槍法測(cè)序（shotgunsequencing）

直接將整個(gè)基因組打成不同大小的DNA片段，構(gòu)建BAC文庫(kù)，然后對(duì)文庫(kù)進(jìn)行隨機(jī)測(cè)序，最后運(yùn)用生物信息學(xué)方法將測(cè)序片段拼接成全基因組序列。鳥槍法DNA測(cè)序的主要步驟：①建立高度隨機(jī)、插入片段大小為1.6kb到4kb左右的基因組文庫(kù)。②高效、大規(guī)模的克隆雙向測(cè)序。③序列組裝（sequenceassembly）產(chǎn)生一定數(shù)量的重疊群（contig）。④缺口填補(bǔ)。

鳥槍法（shotgun）測(cè)序的的原理與策略3．高通量測(cè)序技術(shù)大大加快了基因組DNA

測(cè)序的進(jìn)行高通量測(cè)序（high-throughputsequencing）技術(shù)：不僅具備毛細(xì)管電泳測(cè)序不具備的優(yōu)點(diǎn)，還能進(jìn)行“平行/多點(diǎn)”、“單分子”和“混合”序列分析。這種高通量測(cè)序一次實(shí)驗(yàn)可以讀取幾十萬(wàn)到幾百萬(wàn)DNA片段的序列，極大加速了基因組測(cè)序。（三）生物信息學(xué)是預(yù)測(cè)基因組結(jié)構(gòu)和功能的重要手段數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)：匯集了大量DNA序列、蛋白質(zhì)信息預(yù)測(cè)基因、基因產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)、功能；分析基因-基因、基因-產(chǎn)物、產(chǎn)物-產(chǎn)物之間的相互作用或聯(lián)系；描述細(xì)胞或整體水平的基因表達(dá)譜；推測(cè)系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系。主要的生物信息中心美國(guó)國(guó)家生物技術(shù)信息中心（NCBI，）歐洲生物信息研究所（EBI，http://ebi.ac.uk）日本DNA數(shù)據(jù)庫(kù)（DDBJ，http://www.ddbj.nig.ac.jp）GenBank（/Genbank）四、功能基因組學(xué)系統(tǒng)探討基因的

活動(dòng)規(guī)律功能基因組學(xué)：從整體水平上研究一種組織或細(xì)胞在同一時(shí)間或同一條件下所表達(dá)基因的種類、數(shù)量、功能及在基因組中的定位，或同一細(xì)胞在不同狀態(tài)下基因表達(dá)的差異。主要研究?jī)?nèi)容包括基因組的表達(dá)基因組功能注釋基因組表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及機(jī)制（一）通過(guò)全基因組掃描鑒定DNA序列中的基因

對(duì)測(cè)得的基因組序列進(jìn)行“注釋”，包括鑒定和描述推測(cè)的編碼序列、非編碼序列及其功能。技術(shù)支持：人類基因組DNA序列數(shù)據(jù)庫(kù)；高性能計(jì)算機(jī)。改進(jìn)的十進(jìn)制計(jì)算機(jī)進(jìn)行全基因組掃描，鑒定內(nèi)含子與外顯子之間的銜接，尋找全長(zhǎng)ORFs，確定多肽鏈編碼序列。同源基因：在進(jìn)化過(guò)程來(lái)自共同的祖先的基因，通過(guò)核苷酸或氨基酸序列的同源性比較，可以推測(cè)基因組內(nèi)相似基因的功能。有效工具：NCBI的序列局部相似性查詢（BasicLocalAlignmentSearch，BLAST）程序。操作流程：GenBank中查找基因序列訪問(wèn)號(hào)碼（accessionnumber），在BLAST界面上輸入2條或多條訪問(wèn)號(hào)碼，就可實(shí)現(xiàn)兩兩或多對(duì)序列的比對(duì)。（二）通過(guò)BLAST等程序搜索同源基因

（三）通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)驗(yàn)證基因功能

轉(zhuǎn)基因（transgene）基因過(guò)表達(dá)（overexpression）基因敲除（knock-out）基因敲減（knock-down）或基因沉默（genesilencing）合適的模式生物替代人體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（四）通過(guò)轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組描述基因表達(dá)模式基因表達(dá)：RNA的轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)的翻譯基因的表達(dá)模式及調(diào)控描述：借助轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)相關(guān)技術(shù)與方法第二節(jié)

轉(zhuǎn)錄組學(xué)

Transcriptomics一、轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究全部RNA的表達(dá)及功能轉(zhuǎn)錄組（transcriptome）指生命單元（通常是一種細(xì)胞）所能轉(zhuǎn)錄出來(lái)的所有RNA——包括指導(dǎo)蛋白質(zhì)翻譯的mRNA和非編碼RNA(non-codingRNA,ncRNA)的總和。RNA功能基因組學(xué)，又稱RNA組學(xué)（RNomics）：是分析、鑒定非信使小RNA（smallnon-messengerRNA,snmRNA）在特定狀態(tài)下表達(dá)差異、功能及其與蛋白質(zhì)的相互作用。轉(zhuǎn)錄組學(xué)（transcriptomics）：是在整體水平上研究細(xì)胞編碼基因轉(zhuǎn)錄情況及轉(zhuǎn)錄調(diào)控規(guī)律的科學(xué)。轉(zhuǎn)錄組的特點(diǎn)：受到內(nèi)外多種因素的調(diào)節(jié)，因而是動(dòng)態(tài)可變的。能夠揭示不同物種、不同個(gè)體、不同細(xì)胞、不同發(fā)育階段及不同生理病理狀態(tài)下的基因差異表達(dá)信息。二、轉(zhuǎn)錄組學(xué)的核心工作是分析基因表達(dá)譜大規(guī)模表達(dá)譜或全景式表達(dá)譜（globalexpressionprofile）：是生物體（組織、細(xì)胞）在某一狀態(tài)下基因表達(dá)的整體狀況?；蚬δ艿难芯糠椒ǎ夯虻牟町惐磉_(dá)方法；基因表達(dá)譜芯片（cDNA芯片、EST芯片等）。（一）采用cDNA芯片可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模已知（序列）基因表達(dá)譜分析（二）SAGE和MPSS分析可鑒定未知/新基因表達(dá)信息基因表達(dá)系列分析（serialanalysisofgeneexpression，SAGE）和大規(guī)模平行信號(hào)測(cè)序系統(tǒng)（massivelyparallelsignaturesequencing，MPSS）可實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)譜芯片很難檢測(cè)某些特定時(shí)段表達(dá)或表達(dá)水平較低的基因或未知基因的表達(dá)。（三）推斷未知基因功能，探索生命機(jī)制轉(zhuǎn)錄組分析可以提供特定條件下（生理、病理、誘導(dǎo)刺激等）基因表達(dá)的信息，通過(guò)使用基因堿基序列數(shù)據(jù)和比較已知及未知功能的基因，推斷相應(yīng)未知基因的功能，揭示特定調(diào)節(jié)基因的作用機(jī)制。三、芯片、SAGE和MPSS是轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究主要技術(shù)轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究重點(diǎn)：基因轉(zhuǎn)錄的區(qū)域轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)染色質(zhì)修飾點(diǎn)DNA甲基化位點(diǎn)等研究技術(shù)：微陣列（microarray）SAGEMPSS（一）微陣列是大規(guī)?；蚪M表達(dá)譜研究的

主要技術(shù)微陣列或基因芯片（DNAchip）原理利用光導(dǎo)化學(xué)合成、照相平板印刷以及固相表面化學(xué)合成等技術(shù)，在固相表面合成成千上萬(wàn)個(gè)寡核苷酸探針，并與放射性同位素或熒光物標(biāo)記的來(lái)自不同細(xì)胞、組織或整個(gè)器官的DNA或mRNA反轉(zhuǎn)錄生成的第一鏈cDNA進(jìn)行雜交，然后用特殊的檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)每個(gè)雜交點(diǎn)進(jìn)行定量分析。優(yōu)點(diǎn)：可同時(shí)對(duì)大量基因，甚至整個(gè)基因組的基因表達(dá)進(jìn)行對(duì)比分析。微陣列技術(shù)的基本步驟（二）SAGE在轉(zhuǎn)錄物水平研究細(xì)胞或

組織基因表達(dá)模式SAGE的基本原理：用來(lái)自cDNA3‘端特定位置9～10bp長(zhǎng)度的序列所含有的足夠信息鑒定基因組中的所有基因利用錨定酶（anchoringenzyme，AE）和位標(biāo)酶（taggingenzyme，TE）切割DNA分子的特定位置（靠近3’端），分離SAGE標(biāo)簽，并將這些標(biāo)簽串聯(lián)起來(lái)，然后對(duì)其進(jìn)行測(cè)序特點(diǎn)：可全面提供生物體基因表達(dá)譜信息可用來(lái)定量比較不同狀態(tài)下組織或細(xì)胞的所有差異表達(dá)基因（三）MPSS是以基因測(cè)序?yàn)榛A(chǔ)的

基因表達(dá)譜分析新技術(shù)MPSS的原理：一個(gè)含有能夠特異識(shí)別轉(zhuǎn)錄子的信息標(biāo)簽序列（10～20bp）與長(zhǎng)的連續(xù)分子連接在一起，測(cè)出mRNA的一端包含一個(gè)10至20個(gè)堿基的標(biāo)簽序列。每一標(biāo)簽序列在樣品中的頻率（拷貝數(shù)）代表了與該標(biāo)簽序列相應(yīng)的基因表達(dá)水平。基因表達(dá)水平是以計(jì)算mRNA拷貝數(shù)為基礎(chǔ)，是一個(gè)數(shù)字表達(dá)系統(tǒng)。只要將病理和對(duì)照樣品分別進(jìn)行測(cè)定，即可進(jìn)行嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，能測(cè)定表達(dá)水平較低、差異較小的基因，而且不必預(yù)先知道基因的序列。四、RNA組學(xué)研究全部非mRNA小RNA的集合人類基因組序列特點(diǎn)：2萬(wàn)

2.5萬(wàn)個(gè)基因，與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的序列占整個(gè)基因組的2%左右，其余98%的基因組序列沒(méi)有得到注釋。RNA組學(xué)研究范疇：小分子RNA，包括

snRNA、snoRNA、scRNA、催化性小RNA（smallcatalyticRNA）、小片段干涉RNA（smallinterferingRNA，siRNA）、微小RNA（microRNA，miRNA）第三節(jié)蛋白質(zhì)組學(xué)Proteomics

以細(xì)胞、組織或機(jī)體在特定時(shí)間和空間上表達(dá)的所有蛋白質(zhì)即蛋白質(zhì)組（proteome）為研究對(duì)象，分析細(xì)胞內(nèi)動(dòng)態(tài)變化的蛋白質(zhì)組成、表達(dá)水平與修飾狀態(tài)，了解蛋白質(zhì)之間的相互作用與聯(lián)系，并在整體水平上研究蛋白質(zhì)調(diào)控的活動(dòng)規(guī)律，故又稱為全景式蛋白質(zhì)表達(dá)譜（globalproteinexpressionprofile）分析。蛋白質(zhì)組學(xué)（proteomics）與蛋白質(zhì)組研究相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)蛋白序列數(shù)據(jù)庫(kù)（SWISS-PROT/TrEMBL；http://www.expasy.ch）基因序列數(shù)據(jù)庫(kù)（Genbank，/EMBL；http://www.ebi.ac.uk/）蛋白模式數(shù)據(jù)庫(kù)（Prosite；http://www.expasy.ch/sprot/prosite.html）蛋白質(zhì)二維凝膠電泳數(shù)據(jù)庫(kù)、蛋白三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)（PDB，/；FSSP，http://www.embl-ebi.ac.uk）蛋白翻譯后修飾數(shù)據(jù)庫(kù)（O-GLYCBASE，http://www.cbs.dtu.dk/databases/OGLYCBASE）一、研究細(xì)胞內(nèi)所有蛋白質(zhì)組成及其

活動(dòng)規(guī)律是蛋白質(zhì)組學(xué)的中心任務(wù)蛋白質(zhì)組學(xué)的研究?jī)?nèi)容：一是蛋白質(zhì)組表達(dá)模式的研究，即結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學(xué)（structuralproteomics）二是蛋白質(zhì)組功能模式的研究，即功能蛋白質(zhì)組學(xué)（functionalproteomics）蛋白質(zhì)組學(xué)的主要任務(wù)