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1、第十三章 基因组学 第一节 基因组学概述 基因组学(Genomics)是遗传学研究进入分子 水平后发展起来的一个分支，主要研究生物 体全基因组(genome)的分子特征。基因组学 强调的是以基因组为单位，而不是以单个基 因为单位作为研究对象。v基因组学：对生物体所有基因进行基因组作 图(包括遗传图谱、物理图谱、转录图谱)、核 苷酸序列分析、基因定位和基因功能分析的一 门科学。v基因组学的研究目标: 获得生物体全部基因组序列 注解基因组所含的全部基因 鉴定所有基因的功能及基因间相互作用关系 阐明基因组的复制及进化规律 不同生物基因组组大小 生物基因组组大小（bp） T4噬菌体 T4 phage2
2、.0105 大肠肠杆菌 Escherichia coli4.2106 酵母 Sccharomyces cereviside1.5107 拟拟南芥 Arabidopsis thaliana1.0108 线线虫 Caenorhbditis elegans1.0108 果蝇蝇 Drosophila melanogaster1.65108 水稻 Oryza sativa4.3108 小鼠 Mus musculus3.0109 人类类Homo sapiens3.3109 玉米 Zea mays5.4109 小麦Triticum aestivum1.61010v 1986年首次提出基因组学(Genomic
3、s)的概念。 v 基因组计划研究开始于1990年，美国卫生部 (NIH)和能源部(DOE)联合启动了被誉为“人体阿 波罗计划” 的 “人类基因组计划”(human genome project，HGP)。基因组学发展简介:“曼哈顿”原子 计划“阿波罗”登月计划“人体阿波罗”计划v 美国提出人类基因组计划后，英、法、日 、前苏联、中国等，也相继启动了类似项目 v 2000年6月26日，各国科学家公布了人类基 因组工作草图。 v 2003年，6国科学家宣布人类基因组序列图 绘制成功，HGP的所有目标全部实现, 覆盖人 类基因组所含基因区域的99%，精确率达到 99.99%，比原计划提前两年多，耗资
4、27亿美元。基因组学发展简介:v 2001年8月26日，人类基因组计划中国部分 测序项目汇报及联合验收会在京召开，标志人 类基因组“中国卷”通过验收 我国基因组学发展:1992年8月，中国根据国情正式宣布实施自己 的“水稻基因组研究计划”，已完成水稻基因组 物理图谱的构建2002年4月5日，Science以14页的篇幅刊 登和宣布中国科学家独立绘制完成的水稻基因组 草图序列水稻全基因组物理图中国“水稻基因组研究计划”: C值 (C value)：一个单倍体基因组中DNA的总 量。一个特定的种属具有特定的C值 C值悖理（C value paradox）：物种的C值和 它的进化复杂性之间无 严格对
5、应关系的现象。 N值：生物体所含有的基因数目。 N值悖理：复杂性不同的生物种属所具有的基因 数目与其生物结构的复杂性不成比例的现象。例如: 水稻基因数约4万个, 人类基因总数约3万 个。 基因组学的研究内容:v 结构基因组学(structural genomics) ：通过基因作 图、核苷酸序列分析确定基因组成、进行基因定位 的科学。v 功能基因组学(functional genomics)：利用结构基 因组所提供的信息和产物，研究基因组功能表达的 一门分支学科。基因的识别、鉴定和克隆，基因结 构与功能及其相互关系，基因表达调控。v 蛋白质组学(proteomics) ：研究细胞内蛋白质组 成
6、及其活动规律的新兴学科。鉴定蛋白质表达、存 在方式、结构、功能和相互作用方式等。 基因组学的重要组成部分是“基因组计划 ”，如人类、水稻基因组计划，其大体可 分为：1、构建基因组的遗传图谱2、构建基因组的物理图谱3、测定基因组DNA的全部序列4、构建基因组的转录本图谱5、分析基因组的功能第二节 基因组图谱的构建 在进行大规模序列测定之前，构建基因组 图谱是测定基因组全部核苷酸序列的重要一环 。基因组图谱可作为序列测定中制定测序方案 的依据，以便先重后轻地分析基因，锚定测知 的核酸序列在染色体上的位置在“人类基因组计划”实施过程中，首先 用了6年时间构建高密度的基因组图谱，然后才 进入测序工作。
7、 一、遗传图谱(Genetic map)构建 遗传作图:采用遗传学分析方法将基因或其他DNA 顺序标定在染色体上构建连锁图。 1、图谱标记 形态标记：主要指可以观察到的一些性状,如种 皮颜色、眼色、株高等。 细胞学标记：能明确显示遗传多态性的细胞学 特征。染色体的结构特征和数量特征是常见的细 胞学标记。 生化标记：主要是同工酶及种子贮藏蛋白,有时 又称蛋白质标记。 分子标记：主要指DNA水平上的标记。RFLP, RAPD,SSR,STS,AFLP,CAPS,SNP 。2、遗传图谱的构建 人类基因组遗传图谱的构建:人类的遗传图谱是利用家系分析法，在对8 个家系的134个成员的分析中，主要根据52
8、64 个STR标记绘制而成的。利用这些家系的资料 绘制第1至22号染色体图谱。对于X染色体图谱 ，还利用了来自另外12个家系，170个成员的 资料绘制而成。将5264个标记定位在2335个位点，据此构 建的人类基因组遗传图谱的密度为每个标记 599 kb。植物基因组遗传图谱的构建: 选择亲本 产生构图群体 遗传标记的染色体定位 标记间的连锁分析 1994年绘制的第一张水稻 高密度遗传图谱仅有927个位点，含有1383个标 记；1998年将2275标记定位到1157个位点上； 2000年最终的水稻高密度遗传图标记为3267个， 用于指导水稻基因组测序。 Figure XU78-1第一个同源连锁群
9、二、物理图谱 由于遗传图谱的分辨率有限、精确性不 高，所以还要构建物理图谱 基因组物理图谱的构建: 主要有4种途径：限制酶作图：比较不同 限制酶产生的DNA片段的大小酵母第3染色体遗传图（A） 与物理图（B） 基于克隆的基因组作图：根据克隆的DNA片段 之间的重叠顺序构建重叠群 (contigous DNA clones, contigs ), 绘制物理连锁图。重叠群（contigs） ：相互重叠的DNA片段组成的 物理图。克隆重叠群的组建采用染色体步移法 (chromosome walking)。区域作图 Regional mapping区域作图 Regional mappingMinima
10、l tiling path selected for sequencing.区域作图 Regional mapping荧光原位杂交（fluorescent in situ hybridization, FISH）基因组原位杂交（genome in situ hybridization, GISH ）荧光标记原位杂交(FISH)：Banana chromosomes coloured by fluorescent in situ hybridization (FISH). 将荧光标记的探针与染色体杂交确定分子标 记所在位置序列标签位点(STS)：如表达的序列标签(EST)，来自cDNA 要将一组
11、STS作图定位，必需收集来自同一染色体或整个基因组随机断裂的DNA片段。不同DNA片段之间有各种可能的重叠，可以覆盖整个作图区段。依次采用单个STS挑出它们所在的DNA片段，根据它们彼此的重叠关系可以逐段绘DNA物理图。三、基因组测序策略 鸟枪法测序：利用限制酶或超声波处理待 测序基因组，构建适合大规模测序的基因组 文库，并对克 隆进行随机序 列测定，然后 根据序列间的 重叠构建重叠 群，不同重叠 群进行染色体 组装。 克隆重叠群法： 将基因组切割成长度为0.1-1Mb的大片段，构建BAC文库，利用STS-PCR反应池方案筛选种子克隆，利用指纹图谱法或末端序列步行法对种子克隆进 行延伸，根据相
12、互的位置关系及STS路标的顺序关系有序地将种子克隆及延伸克隆绘制到基因组的相应区域上，形成高覆盖度的、较为连续的大的重叠克隆群，最后应用鸟枪 法分别将每个克隆测序，并组装到染色体上 。四、基因组图谱的应用1、基因组序列测定 2、基因定位 3、基因的克隆与分离 4、分子标记辅助选择 5、比较基因组研究Derivation of genome trees from comparative analyses of complete genomes 第三节 生物信息学 1、生物信息学 (Bioinformatics)采用计算机技术和信息论方法对蛋 白质及其核酸序列等多种生物信息 采集、加工、储存、传递
13、、检索、 分析和解读，旨在掌握复杂生命现 象的形成模式和演化规律的科学。2、基因芯片(gene chip), 又称DNA微阵列 (microarray)基因芯片是由大量 DNA或寡核苷酸探 针密集排列所形成 的探针阵列, 其基本 原理是通过杂交检 测信息。利用基因 芯片, 可以实现基因 信息的大规模检测 。 3、生物信息学的应用(1)、发现新基因和新的单核苷酸多态性 (2)、分析基因组中非编码蛋白质区域功能 (3)、在基因组水平上研究生物进化 (4)、完整基因组比较研究 第十三章 基因组学 第一节 基因组学概述第二节 基因组图谱的构建 第三节 生物信息学 1、遗传图谱2、物理图谱3、基因组测序
14、策略4、基因组图谱的应用第四节 蛋白质组学 (proteomics) 1、蛋白质组学的概念及研究内容: 所谓蛋白质组就是细胞、器官或组织的蛋白质成分的总称,而蛋白质组学是研究这些成分在指定的时间或特定的环境条件下的表达。2、蛋白质的分离蛋白质组学研究的第一步就是蛋白质的分 离。双相凝胶电泳 是蛋白质组研 究中的首选分 离技术。3、蛋白质的鉴定鉴定蛋白质组份的性质、结构和功能及其各蛋 白质间的相互作用关系, 从而最终实现蛋白质 组表达模式和功能模式的研究。目前，蛋白质表达模式的鉴定技术主要有 以质谱为核心的技术、蛋白质微测序、氨基酸 组成分析以及蛋白质芯片分析等。4、蛋白质间的相互作用 目前的研
15、究方法主要有酵母双杂交系统、表面 等离子共振技术等 。 自从1996年酵母菌基因组全序列测定以来，在4 年多时间里，全世界已有1000多个实验室， 5000多名科学家从事酵母菌后基因组学的研究 ，共发表论文7000多篇，鉴定1060个新基因的 功能，但仍然还有约1600个阅读框架的功能不 清楚。这些结果充分说明后基因组学研究的复 杂性。 Long way to go Post-Genomics!PubMedEntrezBLASTOMIMBooksTaxBrowserStructureSite Map Guide to NCBI resourcesAbout NCBI An introducti
16、on for researchers, educators and the publicGenBank Sequence submission support and softwareLiterature databases PubMed, OMIM, Books, and PubMed Central Molecular databases Sequences, structures, and taxonomy Genomic biology The human genome, whole genomes, and related resourcesTools Data miningResearch at NCBI People, projects, and seminarsSoftware engineering Tools, R&D, and databasesEducation Teaching r
