第二十五章基因结构分析的基本策略课件

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1、目目 录录第二十五章第二十五章基因结构分析的基本基因结构分析的基本策略策略Basic strategy for analyzing gene structure 目目 录录主要内容：主要内容：第一节第一节 基因序列结构的生物信息学检索和比对基因序列结构的生物信息学检索和比对 分析分析第二节第二节 基因转录起始点的鉴定基因转录起始点的鉴定第三节第三节 启动子的结构及功能分析启动子的结构及功能分析第四节第四节 编码序列结构分析编码序列结构分析 目目 录录第一节第一节 基因序列结构的生物信息学基因序列结构的生物信息学检索和比对分析检索和比对分析目目 录录就就是是在在数数据据库库中中对对基基因因序序列

2、列或或DNADNA序序列列进进行行 比比对对分分析析，以以其其能能够够推推测测出出其其结结构构、功功能能及及在在进化上的联系进化上的联系. .比对方法：比对方法： 1. 1. 双重比对双重比对 2. 2. 多序列比对多序列比对序列比对目的：序列比对目的：判断两个或多个序列间是判断两个或多个序列间是否具有足够的相似性否具有足够的相似性从而判断二者之间是否具从而判断二者之间是否具有同源性有同源性直接的数量关系直接的数量关系进化上曾具有共同祖先进化上曾具有共同祖先基因或基因或DNADNA序列比对序列比对目目 录录序列比对的结果：序列比对的结果：取代取代插入插入缺失缺失Mouse:GGKDSCQGDS

3、GGPVVCNG-QLQGVVSWGDGCAQKNKPGVYTKVYNYVKWIKNTIAANCrayfish: GGKDSCQGDSGGPLAASDTGSTYLAGIVSWGYGCARPGYPGVYTEVSYHVDWIKANAV-缺失？缺失？保守序列保守序列保守序列：保守序列：可能是共同进化的标志可能是共同进化的标志可能并不代表功能的重要性可能并不代表功能的重要性插入？插入？当两个序列非常相似时，是否一定当两个序列非常相似时，是否一定说明它们具有相似的功能？说明它们具有相似的功能？目目 录录NCBI数据库数据库NCBI首先创建首先创建GenBank数据库数据库 于于19911991年年开开发

4、发了了Entrez数数据据库库检检索索系系统统，该该系系统统整整合合了了GenBank、EMBL、PIR和和SWISS-PROT等等数数据据库库的的序序列列信信息息以以及及MEDLINEMEDLINE有有关关序序列列的的文文献献信信息息，并并通通过过相相关关链链接接，将将他他们有机地结合在一起们有机地结合在一起NCBI还还提提供供了了其其他他数数据据库库，包包括括在在线线人人类类孟孟德德尔尔遗遗传传( (OMIM）、三三维维蛋蛋白白结结构构的的分分子子模模型型数数据据库库（MMDB）、人人类类 基基 因因 序序 列列 集集 成成 （ UniGene） 、 人人 类类 基基 因因 组组 基基 因

5、因 图图 谱谱（GMHG）、生物门类（）、生物门类（Toxonomy） 等数据库等数据库目目 录录目目 录录1. 1. 各种数据库的介绍各种数据库的介绍(1) Nucleotide该数据库由国际核苷酸序列数据库成员美国该数据库由国际核苷酸序列数据库成员美国国立卫生研究院国立卫生研究院GenBank、日本、日本DNADNA数据库数据库( (DDBJ) )和英国和英国Hinxton Hall的欧洲分子生物学的欧洲分子生物学实验室数据库实验室数据库( (EMBL）三部分数据组成）三部分数据组成三个组织每天交换各自数据库中的新增序列三个组织每天交换各自数据库中的新增序列实现数据共享实现数据共享目目 录

6、录(2) Genome即即基基因因组组数数据据库库，提提供供了了多多种种基基因因组组、完完全全染染色体、重叠序列图谱以及一体化基因物理图谱色体、重叠序列图谱以及一体化基因物理图谱(3) Structures即结构数据库或称分子模型数据库即结构数据库或称分子模型数据库( (MMDB) )，包，包含来自含来自X X线晶体学和三维结构的实验数据线晶体学和三维结构的实验数据NCBI已已经经将将结结构构数数据据交交叉叉链链接接到到书书目目信信息息、序序列列数数据据库库和和NCBI的的Taxonomy中中运运用用NCBI的的3D结结构构浏浏览览器器和和Cn3D，可可以以很容易地从很容易地从Entrez获得

7、分子的分子结构间相互作用的图像获得分子的分子结构间相互作用的图像目目 录录(4) Taxonomy即生物学门类数据库，可以按生物学门类进行检即生物学门类数据库，可以按生物学门类进行检索或浏览其核苷酸序列、蛋白质序列、结构等索或浏览其核苷酸序列、蛋白质序列、结构等(5) PopSet包含研究一个人群、一个种系发生或描述人群包含研究一个人群、一个种系发生或描述人群变化的一组组联合序列变化的一组组联合序列PopSet既包含了核酸序列数据又包含了蛋白质既包含了核酸序列数据又包含了蛋白质序列数据序列数据目目 录录(7) (7) 文献数据库文献数据库PubMed：生物医药科学的检索系统生物医药科学的检索系

8、统 OMIM：孟孟德德尔尔遗遗传传学学数数据据库库是是人人类类基基因因和和基基因疾病的目录数据库因疾病的目录数据库其他：书目，杂志，文章引用匹配等其他：书目，杂志，文章引用匹配等该该数数据据库库包包括括原原文文信信息息、图图片片和和参参考考信信息息，同同时时还还可可以以链链接接到到Entrez系系统统MEDLINE数数据据库中相关文献和序列信息库中相关文献和序列信息 目目 录录2. NCBI数据库检索数据库检索 在检索框中输入检索词，检索词间默认逻辑关在检索框中输入检索词，检索词间默认逻辑关系为系为AND，检索规则基本同，检索规则基本同PubMed 可可以以通通过过下下拉拉菜菜单单选选择择记记

9、录录的的显显示示格格式式，通通常常选选择择GenBank Report格式或格式或FASTA Report格式。格式。当当选选择择GenBank Report格格式式后后，屏屏幕幕显显示示较较完完整整的的基基因因记记录录，包包括括：基基因因位位点点( (Locus）、基基因因定定义义( (Definition）、基基因因存存取取号号( (Accession）、 核核酸酸编编号号( (NID ）、关关键键词词( (Keywords）、 来来源源( (Source）、组组织织分分类类( (Organism) )、参参考考文文献献( (Reference) )、 著著者者( (Author） 、 题

10、题 目目 ( (Title） 、 期期 刊刊 ( (Journal） 、 Medline存存 取取 号号( (Medline）、序序列列特特征征( (Features）、基基因因( (Gene）、CDS（cDNA）、等等位位基基因因( (Allele） 对对等等的的肽肽( (Mat-Peptide ）、计计算算碱碱基基数数( (Base Count）、原序列）、原序列( (Origin）。）。而而FASTA Report格式仅包括检出序列的简要特征描述。格式仅包括检出序列的简要特征描述。目目 录录例如：人例如：人EPOEPO基因序列检索基因序列检索输入关键词，选择合适的程序输入关键词，选择合适

11、的程序目目 录录向下拉寻找符合目标的条目向下拉寻找符合目标的条目目目 录录点击此条打开连接点击此条打开连接目目 录录向下拉寻找关注的内容向下拉寻找关注的内容目目 录录凡是连接的地方都可以点击查看凡是连接的地方都可以点击查看可以直接拷贝保存相关内容可以直接拷贝保存相关内容目目 录录Entrez： 是一个用以整合是一个用以整合NCBI数据库中信息的数据库中信息的搜寻和检索工具搜寻和检索工具 3. 3. NCBI数据库搜索工具数据库搜索工具 BLAST：是是一一个个NCBINCBI开开发发的的序序列列相相似似搜搜索索程程序序，还还可可作作为鉴别基因和遗传特点的手段为鉴别基因和遗传特点的手段 NCBI

12、提提供供的的附附加加软软件件工工具具有有：开开放放阅阅读读框框寻寻觅觅器器（ORF Finder），电电子子PCR，和和序序列列提提交交工工具具，Sequin和和BankIt Entrez的的一一个个强强大大和和独独特特的的特特点点是是检检索索相相关关的的序序列列，结结构构，和和参参考考文献的能力文献的能力 目目 录录Entrez:目目 录录BLAST:目目 录录BLAST程序程序程序程序 数据库数据库 查询查询 内容内容Blastp 蛋白质蛋白质 蛋白质蛋白质 使用取代矩阵寻找较远的关系：使用取代矩阵寻找较远的关系： 可以进行可以进行SEG过滤过滤Blastn 核苷酸核苷酸 核苷酸核苷酸 寻

13、找较高分值的匹配，对较远关系寻找较高分值的匹配，对较远关系 不太适用不太适用Blastx 核苷酸核苷酸 蛋白质蛋白质 对于新的对于新的DNA序列和序列和ESTs的分析极的分析极 （翻译）（翻译） 为有用为有用Tblastn 蛋白质蛋白质 核苷酸核苷酸 对于寻找数据库中没有标注的编码对于寻找数据库中没有标注的编码 （翻译）（翻译） 区极为有用区极为有用Tblastx 核苷酸核苷酸 核苷酸核苷酸 对于分析对于分析EST极为有用极为有用 （翻译）（翻译） （翻译）（翻译） 目目 录录点击核酸序列点击核酸序列blast，在框内输入序列：，在框内输入序列：目目 录录选择搜索条件：选择搜索条件：目目 录录

14、选择特殊程序：选择特殊程序：目目 录录比较两个序列之间的相似性：比较两个序列之间的相似性：目目 录录 以上仅简介了以上仅简介了NCBI相关数据库及工具软相关数据库及工具软件关于其他数据库及软件工具等信息见书中件关于其他数据库及软件工具等信息见书中第二十五章表第二十五章表1-51-5。目目 录录第二节第二节 基因转录起始点的鉴定基因转录起始点的鉴定目目 录录主要内容：主要内容：一、基因转录起始点的序列特征一、基因转录起始点的序列特征二、基因转录起始点的序列分析二、基因转录起始点的序列分析目目 录录一、基因转录起始点的序列特征一、基因转录起始点的序列特征 TATA box CAAT box GC

15、box 增强子增强子 顺式作用元件顺式作用元件 结构基因结构基因-GCGC-CAAT-TATA转录起始点转录起始点1. 1. 真核基因及其调控元件真核基因及其调控元件目目 录录II 型启动子的型启动子的TSS：没有明确的保守序列没有明确的保守序列有有一一种种趋趋势势，即即mRNA 的的第第一一个个碱碱基基是是A，其侧翼碱基倾向于是嘧啶其侧翼碱基倾向于是嘧啶与与mRNA第一个碱基对应的位置标记为第一个碱基对应的位置标记为-1 -1区区-3 +5-3 +5区域被称作起始子区域被称作起始子 ( (initiator) )2. 2. 转录起始点（转录起始点（TSS）+10+20Start site-1

16、0-20-30-40+1ATGATG-3+5Initiator Initiator PyPy2 2CAPyCAPy5 5目目 录录二、基因转录起始点的序列分析二、基因转录起始点的序列分析思考：思考：转录起始点转录起始点 ( (TSS) )位于基因编码序列的位于基因编码序列的5 5 端端基基因因编编码码区区是是指指能能体体现现在在多多肽肽链链中中的的核核苷苷酸酸序列序列多肽链是以多肽链是以mRNA为模板经翻译合成的为模板经翻译合成的因此，因此，分析鉴定分析鉴定TSS的方法都是以的方法都是以cDNA为切入点为切入点目目 录录1. 1. cDNA克隆测序克隆测序AAAAAnAAAAAnAAAAAnmRNA反转录酶AAAAAnOligo (dT)15-18TTTTT15-18cDNA第一链CCCCCTTTTT15-18cDNA第一链nCCCCnGGGGcDNA第二链克隆扩增，5端测序分析反转录酶的末端转移酶活性Oligo (dG)15-18mRNA与线性载体相连接要求：cDNA的5端完整无缺目目 录录2. 2. cDNA末端快速扩增技术末端快速扩增技术( (RACE) )传统的传统的RACE：