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1、细菌基因组学细菌基因组学 Jingfa Xiao () Beijing Institute of Genomics April-2014 细菌基因组学细菌基因组学 基因：可遗传的生物学功能单位；基因：可遗传的生物学功能单位；DNA功能片段功能片段蛋白蛋白质或质或RNA 基因组基因组(genome)：生物遗传信息的总和：生物遗传信息的总和 基因组学基因组学(genomics)：系统研究生物基因组的序列结构，：系统研究生物基因组的序列结构，并从序列结构水平来注释并从序列结构水平来注释(annotation)生命现象的科学生命现象的科学 细菌基因组学细菌基因组学(bacterial genomics
2、)：以细菌作为研究对：以细菌作为研究对象进行基因组学研究象进行基因组学研究 微生物基因组的结构特征微生物基因组的结构特征 基因组结构特征基因组结构特征 基因组一般拓扑概貌：基因组一般拓扑概貌： 绝大部分原核生物基因组由一个单一的环状绝大部分原核生物基因组由一个单一的环状DNADNA分子组成分子组成 有些细菌有两条以上染色体有些细菌有两条以上染色体，有些细菌含有质粒有些细菌含有质粒 基因组的大小：基因组的大小：原核生物基因组一般比真核生物基因组小得多，原核生物基因组一般比真核生物基因组小得多，大多在大多在 2 2- -6 Mb6 Mb之间之间 遗传信息在基因组中排列的连续性：遗传信息在基因组中排
3、列的连续性：原核生物的基因绝大多数是连续基因，不原核生物的基因绝大多数是连续基因，不含间隔的内含子；基因组结构紧密，重复序列远少于真核生物的基因组含间隔的内含子；基因组结构紧密，重复序列远少于真核生物的基因组 功能相关的基因组成操纵子结构功能相关的基因组成操纵子结构 原核生物的基因通常比真核生物的少原核生物的基因通常比真核生物的少 E. coliE. coli：40004000多个基因，人：多个基因，人：3000030000个个 结构基因单拷贝，结构基因单拷贝，rRNArRNA基因多拷贝基因多拷贝, , 有特殊的终止序列有特殊的终止序列 连续的基因结构连续的基因结构 与真核基因结构相比较，原核
4、基因的结构相对简单。原核基与真核基因结构相比较，原核基因的结构相对简单。原核基 因为连续基因，其编码区是一个完整的因为连续基因，其编码区是一个完整的DNA DNA 片段。但原核基片段。但原核基 因的转录起始、翻译起始的调控机制比较复杂。因的转录起始、翻译起始的调控机制比较复杂。 完整的基因结构从基因的5-端启动子区域开始，到3-端终止区结束。 基因的转录开始位置由转录起始位点确定，转录过程直至遇到转录终止位点结束，转录的内容包括5UTR、开放阅读框以及3UTR。 基因翻译的准确起止位置由起始密码子和终止密码子决定，翻译的对象即为介于这两者之间的开放阅读框。 原核生物基因组的研究意义原核生物基因
5、组的研究意义 1、揭示生命活动的基本规律导致现代分子遗传学的许多重大发现 染色体、DNA双螺旋、遗传密码、DNA复制、中心法则 Genotype Phenotype Genome Transcriptome Proteome Cellular Physiome Epigenome Ribogenome DNA Hydroxymeth Histone Marks Gene Clustering mRNA Splicing miRNAs ncRNAs Other Small RNAs DNA Meth Informational Track-A 15:1603-1610 细菌基因组动力学研究细菌基
6、因组动力学研究 Dynamics of Genome Rearrangement PLoS Genetics, 2008, e1000128 Trends in Genetics April 2011, Vol. 27, No. 4 细菌基因组动力学研究细菌基因组动力学研究 Phylogeny of methionyl-tRNA synthetase 细菌基因组动力学研究细菌基因组动力学研究 Horizontal Transfer of Entire Genomes via Mitochondrial Fusion in the Angiosperm Amborella Science 342
7、, 1468 (2013) Horizontal Transfer of Entire Genomes via Mitochondrial Fusion in the Angiosperm Amborella Ecological setting of HGT in Amborella 基因组学的发展历程基因组学的发展历程 基因组全序列测定是指测定整个基因组核苷酸顺序。 人类测定基因组全序列始于微生物，从病毒到原核生物，再到真核生物； 从单细胞真核生物到多细胞真核生物，再到人类。这种研究顺序是与碱基对和基因数 多少有关。 最早进行基因组全序列测定的是174噬菌体（寄主为大肠杆菌），其基因组大小
8、仅为 5375碱基对，只编码9个基因。该研究工作是由F.Sanger于1977年完成的。 1995 年7 月第一个细菌基因组全序列发表,大小为1.8 Mb。 含1703 个基因或开放阅读。这是微生物乃至整个生物学 领域的一个里程碑.(Science) 1997 年9 月,大肠杆菌的完整基因图谱已绘制成功, 基因组全序列完成, 全长为5Mb ,共有4 288 个基因, 同时也搞清了所有基因产物的氨基酸序列。 基因组学的发展历程基因组学的发展历程 首次完成真核细胞基因组全序列测定的是啤酒酵母，它是由全球96个实验室633 位科学家于1997年完成的。它的基因组大小为1.83106碱基对，共编码58
9、00个基 因。 拟南芥是高等植物中最好的模式生物，其生殖周期仅为6星期，单株可结种子近 万粒。其基因组全序列测定完成于2000年，基因组大小为70145 106碱基对， 有1.6万3.3万个基因。 人类基因组大小约为30109碱基对，编码基因3万3.5万个，由多国科学家参加 工作，于2003年完成。 微生物测序及分析流程图微生物测序及分析流程图 致病微生物基因组分析流程致病微生物基因组分析流程 Nature review genetics, 2012, 13:601-612 “基于图谱”基于图谱” (map-based) 的测序战略的测序战略 遗传图和遗传图和/或物理图或物理图 基因片段测序基
10、因片段测序 基因组学的测序方法基因组学的测序方法 基因组序列图谱基因组序列图谱 基因片段定位组装基因片段定位组装 鸟枪测序战略： 1. 制备高质量基因组DNA 超声波或酶切随机剪切为 2kb 和 15-20kb 的DNA片段。 2. 建立大片段和小片段DNA文库 插入测序载体转染细菌 3. 随机进行高通量测序 随机挑取克隆测序。 实例实例:流感嗜血杆菌基因组的测序及顺序组装流感嗜血杆菌基因组的测序及顺序组装 超声波打断纯化的基因组超声波打断纯化的基因组DNA 琼脂糖电泳收集琼脂糖电泳收集1.62.0 kb2.0 kb的的区区段、段、纯纯化化 构构建到建到质质粒粒载载体中体中 随随机挑机挑选选1
11、9687个个克隆克隆,进进行行28643次次测测序序,得到可得到可读顺读顺序序为为11 631 485 bp 组组装成装成140个个覆盖全基因覆盖全基因组组范范围围的的独独立的立的顺顺序重序重叠叠群群, 各重各重叠叠群群间间仍有仍有间间隙隙 顺顺序序间间隙隙 物理物理间间隙隙 载体或宿主菌载体或宿主菌 选用不当而被丢失选用不当而被丢失 的顺序的顺序 测序时遗漏的测序测序时遗漏的测序 解决办法解决办法:通过相邻已知通过相邻已知 顺序作为探针筛选已有顺序作为探针筛选已有 的基因组文库的基因组文库 解决办法解决办法:利用其它宿主菌利用其它宿主菌 与载体重新构建文库与载体重新构建文库 Illumina
12、 / Solexa Genetic Analyzer 2000 Mb / run Applied Biosystems ABI 3730XL 1 Mb / day Roche / 454 Genome Sequencer FLX 100 Mb / run Applied Biosystems SOLiD 3000 Mb / run 各种测序仪性能比较各种测序仪性能比较 Nature review genetics, 2012, 13:601-612 各种测序仪性能比较各种测序仪性能比较 细菌基因组测序评估细菌基因组测序评估 Sanger only 4x of 3kb plasmids + 4x
13、 of 8kb plasmids + 1x of fosmids $50k for 5MB genome draft Hybrid Sanger/pyrosequence/Illumina 4x 8kb Sanger + 15 x coverage 454 shotgun + 20x Illumina (quality improvement) $35k for 5MB genome draft 454 + Solexa (current) - 20x coverage 454 standard + 4x coverage 454 paired end (PE) + 50x coverage
14、Illumina shotgun (quality improvement; gaps) - $10k per 5MB genome 序列拼接与组装序列拼接与组装 A B C A B C 大片段大片段contig 小片段测序拼装小片段测序拼装 CTCAGATTGAACGCTGGcGGCAGGCcTAacacATGCaaGTCGAACGGTAACAGGAAGCA GCTTGCTGCTTCGCTGACGAGTGGCGGACGGGTGAGTAATGTCTGGGAAACTGCCTG ATGGAGGGGGATAACTACTGGAAACGGTAGCTAATACCGCATAAcGTCGCAAGACCAA A
15、GAGGGGGACcTTCGGGCCTCTTGCCATCGGATGTGCCCAGATGGGATTAGCTAGTAG GTGGGGTAACGGCTCACCTAGGCGACGATCCCTAGCTGGTCTGAGAGGATGACCACC CACACTGGAaCTGAGACGACGGTCCAGACTCCTACGGGAGGCAGCAGTGGGGAATAT TGCACAATGGGCGCaAGCcTGATGCAGCCATGCCGCGTGTATGAAGAAGGCCTTCGG GTTGTAAAGTACTTTCAGCGGGGAGGAAGGtGtTGAGGTTAATAACCTCATCGATTGAC GTTACCCGCAGAAGAAGCACCGGCTAACTCCGTGCcAGCAGCCGCGGTAATACGGAG GGTGCAAGCGTTAATCGGAATTACTGGGCGTAAAGCGCACGCAGGCGGTCTGTCAAG TCGGATGTGAAATCCCCGGGCTCAACCTGGGAACTGCATTCGAAACTGGCAGGCTAG AGTCTTGTAGAGGGGGGTAGAATTCCAGGTGTAGCGGTGAAATGCGTAGAGATCTGGA GGAATACcGGTGGCGAAGGCGGCCCCcTGGACAAAGACTGACGCTCAGGTGCGAAA
