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1、 第四章第四章 基因组学与基因组工程基因组学与基因组工程Genomics and Genomics Engineering 基因组学及基因组工程课件11 基因组学概况基因组学概况22 基因组图谱的构建基因组图谱的构建3 3 功能基因组学功能基因组学4 4 主要生物基因组研究进展主要生物基因组研究进展5 5 基因组工程基因组工程6 6 生物芯片生物芯片基因组学及基因组工程课件1 1 基因组学概况基因组学概况基因组基因组(genome):(genome):一个物种的一套完整遗传物一个物种的一套完整遗传物质质, ,包括包括核基因组核基因组和和细胞质基因组细胞质基因组。核基因组核基因组: :一个物种的
2、单倍体所拥有的一套完一个物种的单倍体所拥有的一套完整的染色体；整的染色体；细胞质基因组细胞质基因组: :一套完整的细胞质中的遗传物一套完整的细胞质中的遗传物质，其上携带的基因称为细胞质基因。质，其上携带的基因称为细胞质基因。通常所说的基因组一般指的是通常所说的基因组一般指的是核基因组核基因组。研究基因组的学科就是基因组学。研究基因组的学科就是基因组学。cDNAcDNA基因组基因组指的是能够转录翻译的指的是能够转录翻译的DNADNA序列。序列。基因组学及基因组工程课件人类染色体基因组人类染色体基因组( (核基因组核基因组) )24条染色体条染色体, DNA 约约 3 10 9 碱基对（碱基对（3
3、0亿）亿）编码基因编码基因: :约有约有5000050000个，占总长的个，占总长的1%.1%.Chr. Mb基因组学及基因组工程课件人类线粒体基因组人类线粒体基因组2个rRNA基因和22个tRNA基因，13个编码蛋白质基因，编码序列占93%,有许多拷贝。 CO I-III: Cty c oxidase subunites genes ; ATP 6 and 8: ATPase genes ND1-6: NADH reducase subunites genes 12SrRNA and 16SrRNA genes tRNA genes基因组学及基因组工程课件基因组学（基因组学（genomics
4、genomics）19861986年提出，至今年提出，至今2020年，已经发展成为遗传学年，已经发展成为遗传学中最重要的分支学科。中最重要的分支学科。研究基因组研究基因组结构结构和和功能功能的科学。包括对所有基的科学。包括对所有基因进行基因组作图因进行基因组作图( (包括遗传图谱、物理图谱、包括遗传图谱、物理图谱、转录图谱转录图谱) )，核苷酸序列分析，基因定位和基，核苷酸序列分析，基因定位和基因功能分析。因功能分析。 基因组学及基因组工程课件基因组学研究的最终目标基因组学研究的最终目标u 获得生物体全部基因组序列（获得生物体全部基因组序列（结构基因组学结构基因组学） 钓鱼与涸泽而渔钓鱼与涸泽
5、而渔 u 鉴定所有基因的功能（鉴定所有基因的功能（功能基因组学功能基因组学）u 明确基因之间的相互作用关系明确基因之间的相互作用关系u 阐明基因组的进化规律阐明基因组的进化规律基因组学及基因组工程课件CREDIT: JOE SUTLIFF Science, Vol 291: 1221.Fishing in a More Effective Way!基因组学及基因组工程课件几个代表物种的基因组大小几个代表物种的基因组大小几个代表物种的基因组大小几个代表物种的基因组大小基因组学及基因组工程课件基因组学的研究内容基因组学的研究内容q 结构基因组学结构基因组学(structural genomics)
6、q 功能基因组学功能基因组学(functional genomics)基因组学及基因组工程课件结构基因组学（结构基因组学（structural genomics） 基因定位基因定位 基因组作图基因组作图 测定核苷酸序列测定核苷酸序列基因组学及基因组工程课件功能基因组学（功能基因组学（functional genomics） 又称后基因组学（又称后基因组学（postgenomics)postgenomics)q 基因的识别、鉴定、克隆基因的识别、鉴定、克隆q 基因结构、功能及其相互关系基因结构、功能及其相互关系q 基因表达调控的研究基因表达调控的研究基因组学及基因组工程课件2 基因组图谱的构建基
7、因组图谱的构建基因组计划的主要任务是获得全基因组序列基因组计划的主要任务是获得全基因组序列但是，现在的测序方法每次只能测但是，现在的测序方法每次只能测80080010001000bpbp大量的测序片段要拼接大量的测序片段要拼接要知道序列在要知道序列在ChrChr上的位置才能正确拼接上的位置才能正确拼接基因组计划的第一个环节：基因组计划的第一个环节： 构建基因组图谱构建基因组图谱基因组学及基因组工程课件基因组图谱基因组图谱遗传图谱（遗传图谱（genetic mapgenetic map）：是以具有多态性的是以具有多态性的遗传标遗传标记记作为作为“位标位标”，以遗传学距离为，以遗传学距离为“图距图
8、距”的基因组图。的基因组图。 物理图谱（物理图谱（physical mapphysical map）：是利用限制性内切酶将染：是利用限制性内切酶将染色体切成数个片段，根据重叠序列把片段连接成染色体，色体切成数个片段，根据重叠序列把片段连接成染色体，确定遗传标志之间物理距离确定遗传标志之间物理距离 碱基对碱基对(bp)(bp)或千碱基或千碱基(kb)(kb)或兆碱基或兆碱基(Mb)(Mb)的图谱。的图谱。序列图序列图 （Sequence mapSequence map）：）：整个物种基因组的整个物种基因组的DNADNA序列序列图图( (最详尽的物理图最详尽的物理图) )。转录图谱（转录图谱（tr
9、anscription map transcription map ）：）：由基因转录本由基因转录本mRNAmRNA反转录建立反转录建立cDNAcDNA文库，通过文库，通过cDNAcDNA克隆测序得到基因组的克隆测序得到基因组的表达序列图谱。表达序列图谱。基因组学及基因组工程课件遗传图谱遗传图谱（genetic map） 采用采用遗传分析的方法遗传分析的方法将基因或其它将基因或其它DNADNA序列标定在染色体上构建连锁图。序列标定在染色体上构建连锁图。基因组学及基因组工程课件遗传标记（Genetic marker）: 通常将可识别的“等位基因”称为遗传标记；形态标记形态标记细胞学标记细胞学标记
10、生化标记生化标记分子标记分子标记经典遗传学经典遗传学现代遗传学现代遗传学基因组学及基因组工程课件形态标记形态标记形态性状：株高、颜色、白化症等形态性状：株高、颜色、白化症等又称表型标记又称表型标记数量少数量少很多突变是致死的很多突变是致死的受环境、生育期等因素的影响受环境、生育期等因素的影响基因组学及基因组工程课件基因组学及基因组工程课件基因组学及基因组工程课件q 最早建立的果蝇连锁图，就是利用控制最早建立的果蝇连锁图，就是利用控制果蝇眼睛的形状、颜色，躯体的颜色、果蝇眼睛的形状、颜色，躯体的颜色、翅膀的形状等形态性状作为标记，分析翅膀的形状等形态性状作为标记，分析它们连锁关系及遗传距离，绘制
11、而成的。它们连锁关系及遗传距离，绘制而成的。q 控制性状的其实是基因，所以形态标记控制性状的其实是基因，所以形态标记实质上就是基因标记。实质上就是基因标记。基因组学及基因组工程课件基因组学及基因组工程课件果果蝇蝇连连锁锁图图基因组学及基因组工程课件细胞学标记细胞学标记v明确显示遗传多态性的染色体结构特征明确显示遗传多态性的染色体结构特征和数量特征和数量特征 染色体的核型染色体的核型 染色体的带型染色体的带型 染色体的结构变异染色体的结构变异 染色体的数目变异染色体的数目变异v优点：优点：不受环境影响不受环境影响v缺点：缺点：数量少、费力、费时、对生物体数量少、费力、费时、对生物体的生长发育不利
12、的生长发育不利基因组学及基因组工程课件生化标记生化标记v 又称蛋白质标记又称蛋白质标记v 就是利用蛋白质的多态性作为遗传标记。就是利用蛋白质的多态性作为遗传标记。 如：同工酶、贮藏蛋白如：同工酶、贮藏蛋白v 优点：优点：数量较多，受环境影响小数量较多，受环境影响小v 缺点：缺点：受发育时间的影响、有组织特异受发育时间的影响、有组织特异性、只反映基因编码区的信息性、只反映基因编码区的信息基因组学及基因组工程课件DNADNA分子标记分子标记简称分子标记简称分子标记以以DNADNA序列的多态性作为遗传标记序列的多态性作为遗传标记优点：优点：v 不受时间和环境的限制不受时间和环境的限制v 遍布整个基因
13、组，数量无限遍布整个基因组，数量无限v 不影响性状表达不影响性状表达v 自然存在的变异丰富，多态性好自然存在的变异丰富，多态性好v 多数共显性，能鉴别纯合体和杂合体多数共显性，能鉴别纯合体和杂合体基因组学及基因组工程课件限制性片段长度多态性限制性片段长度多态性（restriction fragment length restriction fragment length polymorphismpolymorphism，RFLPRFLP）v DNADNA序序列列能能或或不不能能被被某某一一酶酶酶酶切切，相相当当于于一一对对等位基因的差异。等位基因的差异。 v 如如有有两两个个DNADNA分分子
14、子（一一对对染染色色体体），一一个个具具有有某某一一种种酶酶的的酶酶切切位位点点，而而另另一一个个没没有有这这个个位位点点，酶酶切切后后形形成成的的DNADNA片片段段长长度度就就有有差差异异，即即多多态态性。性。v 可可将将RFLPRFLP作作为为标标记记，定定位位在在基基因因组组中中某某一一位位置上。置上。v人人类类基基因因组组中中有有10105 5个个RFLPRFLP位位点点，每每一一位位点点只只有有两个等位基因。两个等位基因。基因组学及基因组工程课件RFLPRFLPRFLPRFLP分析分析分析分析基因组学及基因组工程课件RFLPRFLPRFLPRFLP标记位共显性标记标记位共显性标记标
15、记位共显性标记标记位共显性标记基因组学及基因组工程课件微卫星（微卫星（microsatellitemicrosatellite）标记标记v微微 卫卫 星星 又又 称称 为为 简简 单单 重重 复复 序序 列列 （ simple simple sequence sequence repeatrepeat，SSRSSR）。）。v这这种种重重复复序序列列的的重重复复单单位位很很短短，常常常常只只有有2 2个个、3 3个或个或4 4个核苷酸个核苷酸v如一条染色体如一条染色体TCTGAGAGAGACGCTCTGAGAGAGACGC 另另一一染染色色体体TCTGAGAGAGAGAGAGAGACGCTCTG
16、AGAGAGAGAGAGAGACGC，就就构构成成了多态性。了多态性。基因组学及基因组工程课件不不同同个个体体的的DNA指指纹纹图图谱谱基因组学及基因组工程课件利利用用DNA指指纹纹进进行行亲亲子子鉴鉴定定父亲父亲 孩子孩子 母亲母亲基因组学及基因组工程课件利利用用DNA指指纹纹确确定定罪罪犯犯基因组学及基因组工程课件遗传图谱的构建方法遗传图谱的构建方法 v 理论基础理论基础: 连锁与交换连锁与交换v 基本方法基本方法: 两点测验法和三点测验法两点测验法和三点测验法基因组学及基因组工程课件植物遗传图谱的构建植物遗传图谱的构建v 选择研究材料（亲本）选择研究材料（亲本）v 构建分离群体构建分离群
17、体v 遗传标记检测遗传标记检测v 标记间的连锁分析标记间的连锁分析基因组学及基因组工程课件A Chromosome Map of Tomato基因组学及基因组工程课件选择亲本选择亲本要求亲缘关系远，遗传差异大要求亲缘关系远，遗传差异大但又不能相差太大以导致引起子代不育。但又不能相差太大以导致引起子代不育。对对备备选选材材料料进进行行多多态态( (差差异异) )性性检检测测，综综合合测测定定结结果果，选选择择有有一一定定量量多多态态性性的的一一对对或或几对材料作为遗传作图亲本。几对材料作为遗传作图亲本。基因组学及基因组工程课件构建作图群体构建作图群体 基因组学及基因组工程课件群体的类型群体的类型
18、1）F2群体群体F1P1P2F2基因组学及基因组工程课件2）BC1群体群体基因组学及基因组工程课件3）RIL群体群体 RIL（recombinant inbred lines，重组近交系）群体是杂，重组近交系）群体是杂交后代经过多代自交而产生的交后代经过多代自交而产生的一种作图群体，通常从一种作图群体，通常从F2代开代开始，采用单粒的方法建立。常始，采用单粒的方法建立。常自交自交6-7代。代。基因组学及基因组工程课件4）DH群体群体 高等植物的单倍体是含有配子染色体的个体。单倍体高等植物的单倍体是含有配子染色体的个体。单倍体经过染色体加倍形成的二倍体称为加倍单倍体或双单倍体。经过染色体加倍形成
19、的二倍体称为加倍单倍体或双单倍体。基因组学及基因组工程课件5）NIL（near-isogenic line ）群体）群体一组遗传背景相同或相近，只在个别区段存在差异的一组遗传背景相同或相近，只在个别区段存在差异的株系，称为近等基因系（株系，称为近等基因系（Near-isogeneic linesNIL）。）。 多代回交后自交一次即得回交自交品系。多代回交后自交一次即得回交自交品系。基因组学及基因组工程课件6） F1群体群体两个两个杂杂合合亲亲本本杂杂交交产产生的复合生的复合杂杂交群体（交群体（ CP群体），群体），拟测拟测交（交（Pseudo-testcross）群体。）群体。基因组学及基因组
20、工程课件遗传标记的染色体定位遗传标记的染色体定位v 利用遗传学方法或其它方法将少数标记锚定在利用遗传学方法或其它方法将少数标记锚定在染色体上，作为确定连锁群的参照系。染色体上，作为确定连锁群的参照系。v 常用的方法：常用的方法： 单体分析单体分析 三体分析三体分析 代换系分析代换系分析 附加系分析附加系分析 依据染色体剂量的差异依据染色体剂量的差异将遗传标记定位在特将遗传标记定位在特定染色体上。即当供体材料总定染色体上。即当供体材料总DNA等量时，等量时，DNA杂交带的信号强弱与该标记位于的染色杂交带的信号强弱与该标记位于的染色体剂量成正比。体剂量成正比。基因组学及基因组工程课件标记间的连锁分
21、析标记间的连锁分析v利用在两个亲本间有多态性的标记分析利用在两个亲本间有多态性的标记分析分离群体中所有个体的基因型分离群体中所有个体的基因型v根据连锁交换的情况，确定标记之间的根据连锁交换的情况，确定标记之间的连锁关系和遗传距离连锁关系和遗传距离v有计算机软件可以应用有计算机软件可以应用基因组学及基因组工程课件连锁图谱构建的理论是染色体的交换和重组。连锁图谱构建的理论是染色体的交换和重组。AABBabababABABabABba重组率可用来表示遗传图距，重组率可用来表示遗传图距，基因重组和连锁理论基因重组和连锁理论重组型配子的最大比例为重组型配子的最大比例为50% ，变化，变化0-50%。图距
22、单位用厘摩（图距单位用厘摩（centi-Mergan, cM） 表示，表示，1cM的大小大致符合的大小大致符合1%的重组率。的重组率。基因组学及基因组工程课件两位点存在连锁两位点存在连锁(r0.5)的概率与不连锁的概率的概率与不连锁的概率(r=0.5)比比 为确定两位点之间存在连锁，一般要求似然比大于为确定两位点之间存在连锁，一般要求似然比大于1000，即，即LOD3；而否定连锁的存在，则要求似然比小于；而否定连锁的存在，则要求似然比小于100，即，即LOD2。图谱制作的统计学原理图谱制作的统计学原理两点测验两点测验L(r)/ L(0.5)概率之比可用似然比统计量来表示概率之比可用似然比统计量
23、来表示似然函数似然函数L()多点测验多点测验基因组学及基因组工程课件一个位置上所发生的交换会减少其周围另一个单交换一个位置上所发生的交换会减少其周围另一个单交换的发生。的发生。图距图距x与重组率间的关系与重组率间的关系当当r=0.2时，时，x=21.2cM。交换干涉与作图函数交换干涉与作图函数交换干涉交换干涉干扰的程度可用符合函数干扰的程度可用符合函数C表示。表示。作图函数作图函数Kosambi作图含数：作图含数：基因组学及基因组工程课件 QTL定位软件定位软件 Mapmaker/QTL1.0Map Manager QTX QTL CartographerWindows Cartographe
24、rMapQTL基因组学及基因组工程课件水稻遗传图水稻遗传图v 19941994年，水稻第一张高密度遗传图谱年，水稻第一张高密度遗传图谱 927 927个位点，个位点， 1383 1383个标记个标记v 1998 1998年，年，11571157个位点，个位点，22752275个标记个标记v 2000 2000年，年，32673267个标记个标记v 高密度的遗传图谱为基因组测序和遗传高密度的遗传图谱为基因组测序和遗传研究奠定了坚实的基础。研究奠定了坚实的基础。基因组学及基因组工程课件人类遗传图谱的构建人类遗传图谱的构建v 不可能根据需要选择亲本，设计杂交组合，不可能根据需要选择亲本，设计杂交组合
25、，构建分离群体！构建分离群体！v 只能检测现存家庭连续几代成员的基因型只能检测现存家庭连续几代成员的基因型v 家系分析法家系分析法v 资料有限、必须借助于统计学方法资料有限、必须借助于统计学方法基因组学及基因组工程课件现有的人类遗传图谱现有的人类遗传图谱v 1 12222号染色体号染色体v 8 8个家系个家系134134个成员个成员v X X染色体，染色体，1212个家系个家系170170个成员个成员v 5364 5364个个SSRSSR标记标记v 2335 2335个位点个位点v 标记间的平均距离标记间的平均距离599599kbkb基因组学及基因组工程课件物理图谱的构建物理图谱的构建v 用用
26、分子生物学方法分子生物学方法直接检测直接检测DNADNA标记标记在染色体上的实际位置绘制成的图谱称在染色体上的实际位置绘制成的图谱称为物理图谱。为物理图谱。v 有遗传图谱为什么还要构建物理图谱？有遗传图谱为什么还要构建物理图谱？ 基因组学及基因组工程课件遗传图谱的缺陷遗传图谱的缺陷v 分辨率有限分辨率有限 人类只能研究少数减数分裂事件，不能获人类只能研究少数减数分裂事件，不能获得大量子代个体；测序要求每个标记的间得大量子代个体；测序要求每个标记的间隔小于隔小于100100kbkb，但实际是，但实际是599599kbkb。精确性不够精确性不够经典遗传学认为，交换是随机发生的，但基因经典遗传学认为
27、，交换是随机发生的，但基因组中有些区域是重组热点，倒位、重复等染色组中有些区域是重组热点，倒位、重复等染色体结构变异会限制交换重组。体结构变异会限制交换重组。基因组学及基因组工程课件酵酵母母遗遗传传图图与与物物理理图图比比较较A A 遗传图遗传图B B 物理图物理图基因组学及基因组工程课件物理作图的方法物理作图的方法1 1、限制酶作图、限制酶作图2 2、依靠克隆的基因组作图、依靠克隆的基因组作图3 3、荧光原位杂交、荧光原位杂交4 4、序列标签位点作图、序列标签位点作图基因组学及基因组工程课件限制酶作图（限制酶作图（限制酶作图（限制酶作图（restriction mappingrestrict
28、ion mapping）基因组学及基因组工程课件限制酶作图（限制酶作图（限制酶作图（限制酶作图（restriction mappingrestriction mapping）基因组学及基因组工程课件荧光原位杂交荧光原位杂交（fluorescent in situ hybridizationfluorescent in situ hybridization，FISHFISH）基因组学及基因组工程课件荧光原位杂交荧光原位杂交（fluorescent in situ hybridizationfluorescent in situ hybridization，FISHFISH）基因组学及基因组工程课
29、件荧光原位杂交荧光原位杂交（fluorescent in situ hybridizationfluorescent in situ hybridization，FISHFISH）基因组学及基因组工程课件荧光原位杂交荧光原位杂交（fluorescent in situ hybridizationfluorescent in situ hybridization，FISHFISH）基因组学及基因组工程课件人类基因组物理图人类基因组物理图v 19871987年，年，RFLPRFLP图谱，图谱，403403个标记，个标记，1010MbMbv 1994 1994年，年，58005800个标记，个标记，
30、0.70.7MbMbv 1996 1996年，年，1700017000多个标记，多个标记，100100kbkbv 完全适应全基因组测序的要求完全适应全基因组测序的要求基因组学及基因组工程课件遗传图与物理图的整合遗传图与物理图的整合v有些标记既是遗传标记，又是物理标记有些标记既是遗传标记，又是物理标记 RFLPRFLP标记标记 SSRSSR标记标记 某些基因序列某些基因序列v借助这些标记可以将遗传图和物理图整借助这些标记可以将遗传图和物理图整合起来合起来基因组学及基因组工程课件转录图谱的构建转录图谱的构建v 利用利用ESTEST作为标记所构建的分子遗传图谱作为标记所构建的分子遗传图谱被称为转录图
31、谱。被称为转录图谱。v表达序列标签（表达序列标签（ESTEST）：从）：从cDNAcDNA文库中随文库中随机条区的克隆进行测序所获得的部分机条区的克隆进行测序所获得的部分cDNAcDNA的的55或或33端序列。一般长端序列。一般长300300500bp500bp。基因组学及基因组工程课件EST计划的优点计划的优点v 为遗传图谱的构建提高大量的分子标记为遗传图谱的构建提高大量的分子标记v 来自不同组织和器官的来自不同组织和器官的ESTEST为基因功能为基因功能研究提供了有价值的信息研究提供了有价值的信息v 为基因的鉴定提供了候选基因为基因的鉴定提供了候选基因基因组学及基因组工程课件EST计划的不
32、足计划的不足v 随机测序有时无法获得低丰度表达的基随机测序有时无法获得低丰度表达的基因和特殊条件下诱导表达的基因因和特殊条件下诱导表达的基因基因组学及基因组工程课件基因组测序策略基因组测序策略v有了高密度的基因组图谱，就可以开始全有了高密度的基因组图谱，就可以开始全基因组测序了基因组测序了v测序的技术飞速发展，现在可以全自动化测序的技术飞速发展，现在可以全自动化v测序的策略有两个：测序的策略有两个： 鸟枪法鸟枪法 克隆重叠群法克隆重叠群法基因组学及基因组工程课件鸟枪法（鸟枪法（鸟枪法（鸟枪法（shotgun sequencingshotgun sequencing）基因组学及基因组工程课件鸟枪
33、法的优缺点鸟枪法的优缺点v优点：优点： 不需要高密度的图谱不需要高密度的图谱 速度快、简单、成本低速度快、简单、成本低v缺点：缺点： 拼接组装困难，尤其在重复序列多的区域拼接组装困难，尤其在重复序列多的区域v主要用于重复序列少、相对简单的原核生物基主要用于重复序列少、相对简单的原核生物基因组因组基因组学及基因组工程课件克隆重叠群法（克隆重叠群法（clone contig）v 将将基因组基因组DNADNA切割长度为切割长度为0.10.1MbMb1Mb1Mb的的大片段，克隆到大片段，克隆到YACYAC或或BACBAC载体上载体上v 然后再进行亚克隆，分别测定单个亚克然后再进行亚克隆，分别测定单个亚
34、克隆的序列隆的序列v 再装配、连接成连续的再装配、连接成连续的DNADNA分子。分子。v 这是一种自上而下（这是一种自上而下（up to downup to down）的测的测序策略序策略 v clone-by-clone methodclone-by-clone method基因组学及基因组工程课件两两种种基基因因组组测测序序策策略略基因组学及基因组工程课件The The E.coliE.coli genome genome基因组学及基因组工程课件A portion of the A portion of the E.coliE.coli chromosome showing chromos
35、ome showing genes and operons.genes and operons. A dot indicates the promoter for each gene or operon. Arrows A dot indicates the promoter for each gene or operon. Arrows and color indicate the direction of transcribtion: dark blue genes and color indicate the direction of transcribtion: dark blue g
36、enes are transcribed left to right, light blue are transcribed right to are transcribed left to right, light blue are transcribed right to left.Overlapping gene are shown in green.left.Overlapping gene are shown in green.基因组学及基因组工程课件v 完完成成基基因因组组测测序序，仅仅仅仅是是基基因因组组计计划划的的第第一一步，更重要的工作在于弄清楚：步，更重要的工作在于弄清楚：
37、 基基因因组组序序列列中中所所包包含含的的全全部部遗遗传传信信息息是是什什么；么； 基因组作为一个整体如何行使功能。基因组作为一个整体如何行使功能。v就是对基因组序列进行诠释的过程，也就是功就是对基因组序列进行诠释的过程，也就是功能基因组学的研究内容。能基因组学的研究内容。 3 功能基因组学功能基因组学基因组学及基因组工程课件根据序列分析搜寻基因根据序列分析搜寻基因 v 查找开放阅读框（查找开放阅读框（open reading frame, ORFopen reading frame, ORF）v 开开放放阅阅读读框框都都有有一一个个起起始始密密码码子子，ATGATG，还还要要有有终止密码子终
38、止密码子。v 从从ATGATG开始，然后向下游寻找终止密码子。开始，然后向下游寻找终止密码子。v 起起始始密密码码子子和和终终止止密密码码子子之之间间的的碱碱基基数数目目要要能能够够被被3 3整除整除v 每每一一条条链链都都有有3 3种种可可能能的的阅阅读读框框，2 2条条链链共共计计有有6 6种可能的阅读框种可能的阅读框. .v 计算机可以很快给出结果。计算机可以很快给出结果。基因组学及基因组工程课件同源查询同源查询v 利利用用已已经经存存入入数数据据库库的的基基因因序序列列与与待待查查的的基基因因组组序序列列比比对对，从从中中查查找找可可以以与与之之匹匹配配的的碱基序列及其比例，用于界定基
39、因碱基序列及其比例，用于界定基因。v 同源查询可以部分弥补同源查询可以部分弥补ORFORF扫描的不足。扫描的不足。基因组学及基因组工程课件同源查询的依据同源查询的依据 有有亲亲缘缘关关系系的的物物种种，基基因因组组可可能能存存在在某某种程度的相似性：种程度的相似性：v 存在某些完全相同的序列；存在某些完全相同的序列；v ORF ORF的排列相似，如等长的外显子；的排列相似，如等长的外显子；v ORF ORF指令的氨基酸序列相似；指令的氨基酸序列相似；v 模拟的多肽链的高级结构相似，等模拟的多肽链的高级结构相似，等。基因组学及基因组工程课件基因功能研究基因功能研究 1 1、计算机预测基因功能、计
40、算机预测基因功能 v 依据仍然是同源性比较。同源基因拥有依据仍然是同源性比较。同源基因拥有一个共同的祖先基因，它们之间有许多一个共同的祖先基因，它们之间有许多相似的序列。相似的序列。 v 种间同源基因种间同源基因 v 种内同源基因种内同源基因 基因组学及基因组工程课件基因功能研究基因功能研究2 2、实验确认基因功能、实验确认基因功能 基因克隆基因克隆 基因敲除基因敲除（knock-out） 基因的超表达基因的超表达 反义反义RNARNA技术技术 RNAi RNAi 转座子插入突变转座子插入突变 基因组学及基因组工程课件反义反义RNARNA（antisense RNAantisense RNA）
41、技术技术基因组学及基因组工程课件4 主要生物基因组研究进展主要生物基因组研究进展基因组学及基因组工程课件20世纪人类科技发展史上的三大创举世纪人类科技发展史上的三大创举 90年代人类基因组计划年代人类基因组计划40年代第一颗原子弹爆炸年代第一颗原子弹爆炸60年代人类首次登上月球年代人类首次登上月球一、 人类基因组计划基因组学及基因组工程课件1.人类基因组计划的启动 19861986年，诺贝尔奖获得者年，诺贝尔奖获得者R.DulbeccoR.Dulbecco（杜尔贝科）（杜尔贝科）提出人类基因组计划提出人类基因组计划测出人类全套基因组的测出人类全套基因组的 DNA DNA 碱基序列（碱基序列（
42、3 3 10 109 9 bp bp ）。）。 美国政府决定于美国政府决定于 19901990年正式启动年正式启动HGPHGP，预计用，预计用 15 15 年时间，投入年时间，投入 30 30 亿美元，完成亿美元，完成 HGPHGP。由国立卫生研究。由国立卫生研究院和能源部共同组成院和能源部共同组成“人类基因组研究所人类基因组研究所”。 逐渐地，逐渐地，HGP HGP 扩展为多国协作计划，参与者包括：扩展为多国协作计划，参与者包括：英、日、法、德和中国（英、日、法、德和中国（19931993年）。年）。基因组学及基因组工程课件1975年，获诺贝尔生理医学奖年，获诺贝尔生理医学奖基因组学及基因组
43、工程课件基因组学及基因组工程课件2.人类基因组计划的进展状况（1 1）截至）截至 1998 1998 年年 10 10 月，完成月，完成 1.8 1.8 10 108 8bpbp，占计，占计划的划的 6 6。（2 2）完成一系列模式生物全基因组测定。）完成一系列模式生物全基因组测定。 这些模式生物全基因组测定的完成有重大理论与现这些模式生物全基因组测定的完成有重大理论与现实意义。实意义。基因组学及基因组工程课件3.DNA 测序技术飞速提高 1998年5月一批科学家在美国罗克威尔组建塞莱拉(celera)基因公司，目标是投入亿美元，到2001年绘制出完整的人体基因 图谱，与国际人类基因组计划展开
44、竞争。 接着又有若干家公司成立，总共投入资金约几十亿美元，形成“公”“私”并进格局。基因组学及基因组工程课件基因组学及基因组工程课件 2000.6. 完成并公布人类基因组工作框架图( 90%)。基因组学及基因组工程课件二二000000年六月二十六日克林顿宣布年六月二十六日克林顿宣布人类基因组草图绘制完成人类基因组草图绘制完成基因组学及基因组工程课件 美国国家人类基因组研究所所长弗朗西斯柯林斯在介绍情况。基因组学及基因组工程课件人类基因组草图基本信息由由31.65亿亿bp组成组成含含33.5万基因万基因与蛋白质合成有关与蛋白质合成有关 的基因占的基因占2%人类基因组人类基因组人类蛋白质人类蛋白质
45、61%与果蝇同源与果蝇同源43%与线虫同源与线虫同源46%与酵母同源与酵母同源基因组学及基因组工程课件2000年年6月公共领域测序计划工作框架图月公共领域测序计划工作框架图基因组学及基因组工程课件2001年2月15日由六国科学家在自然公布了“关于人类基因组框架图”的数据。2001年2月16日美国的科学刊登了Celera Genomics公司的“人类基因组框架图”的数据，并从7个方面详细地介绍了他们的科研情况，并得出5项研究结论。基因组学及基因组工程课件同时发表论文同时发表论文 美国美国 Science, Vol. 291, No. 5507 英国英国Nature , Vol.409, p.86
46、0基因组学及基因组工程课件NATURE 2001, 15 February, Vol 409: 860-921. International Human Genome Sequencing ConsortiumInitial sequencing and analysis ofthe human genome基因组学及基因组工程课件The Sequence of the Human GenomeSCIENCE 2001, 16 February Vol 291:1304-1351Celera Genomics基因组学及基因组工程课件DNA测序胶图基因组学及基因组工程课件 2003年4月14日，
47、人类基因组序列图亦称“完成图”（99.99%），提前绘制成功。 基因组学及基因组工程课件“炎黄一号” （07.10.11）炎黄计划炎黄计划(06(06年）年）第一步第一步 绘制中国人的基因组参考图，绘制中国人的基因组参考图，命名为命名为“炎黄一号炎黄一号”，现已完成。，现已完成。第二步第二步 再绘制再绘制9999个中国人的个体全基个中国人的个体全基因组序列图，构成中国人群的遗传因组序列图，构成中国人群的遗传和多态性标准图谱，成为基因与医和多态性标准图谱，成为基因与医疗和健康的关键组成部分，简称疗和健康的关键组成部分，简称“炎黄炎黄99”99”。第三步第三步 在上述基础上开展大众的基因在上述基础
48、上开展大众的基因与健康的预测、监测及个体化诊断与健康的预测、监测及个体化诊断和治疗，实现解读基因。和治疗，实现解读基因。基因组学及基因组工程课件2008年1月，华大基因研究院和国际同行提出“国际千人基因组计划”。万种微生物基因组计划，微生物的基因比人的要少得多，大约有人的千分之一左右，现在华大基因已经做了400种左右，基因组学及基因组工程课件4.人类基因组计划的科学意义（1）确定人类基因组中约5万个编码基因的序列及其在基因组中的物理位置，研究基因的产物及其功能。（2）了解转录和剪接调控元件的结构与位置，从整个基因组结构的宏观水平上理解基因转录与转录后调节。基因组学及基因组工程课件（3）从整体上
49、了解染色体结构，包括各种重复序列以及非转录“框架序列”的大小和组织，了解各种不同序列在形成染色体结构、DNA复制、基因转录及表达调控中的影响与作用。（4）研究空间结构对基因调节的作用。有些基因的表达调控序列与被调节基因从直线距离上看，似乎相距甚远，但若从整个染色体的空间结构上看则恰恰处于最佳的调节位置，因此，有必要从三维空间的角度来研究真核基因的表达调控规律。基因组学及基因组工程课件（5）发现与DNA复制、重组等有关的序列。DNA的忠实复制保障了遗传的稳定性，正常的重组提供了变异与进化的分子基础。局部DNA的推迟复制、异常重组等现象则导致疾病或者胚胎不能正常发育，因此，了解与人类DNA正常复制
50、和重组有关的序列及其变化，将对研究人类基因组的遗传与进化提供重要的结构上的依据。基因组学及基因组工程课件（6）研究DNA突变、重排和染色体断裂等，了解疾病的分子机制，包括遗传性疾病、易感性疾病、放射性疾病甚至感染性疾病引发的分子病理学改变及其进程，为这些疾病的诊断、预防和治疗提供理论依据。（7）确定人类基因组中转座子、逆转座子和病毒残余序列，研究其周围序列的性质。了解有关病毒基因组侵染人类基因组后的影响，可能指导人类有效地利用病毒载体进行基因治疗。基因组学及基因组工程课件（8）研究染色体和个体之间的多态性。这些知识可被广泛用于基因诊断、个体识别、亲子鉴定、组织配型、发育进化等许多医疗、司法和人
51、类学的研究。此外，这些遗传信息还有助于研究人类历史进程、人类在地球上的分布与迁移以及人类与其他物种之间的比较。基因组学及基因组工程课件二、植物基因组1.水稻基因组 1992年，我国在人类基因组计划的影响下, 执行水稻基因组作图和测序计划。1994年7月，洪国藩院士为首的科学家小组, 构建了水稻基因组库。1997年1月7日，成功地构建了高分辨率的水稻基因组物理图谱。2000年4月5日，以杨焕明为首的中国科学家在Science发表了水稻全基因组框架序列图。基因组学及基因组工程课件2.拟南芥基因组 拟南芥菜属十字花科，拟南芥属，是一种分布很广的植物，其基因组较简单，即染色体n=5，核基因组DNA含量
52、=1.0108碱基对。而且生命周期短，种子产量大，即一代的时间为35周，每个植株可产生无数粒细小的种子，亦有人将之称为植物中的“果蝇”。 2000年12月14日，由美英等多国科学家组成的研究小组在英国自然杂志上正式宣布，他们绘出了包含1.3亿个碱基对、约2.5万个基因的拟南芥基因的完整图谱，这是人类首次全部破译出一种植物的基因序列。 基因组学及基因组工程课件基因组学及基因组工程课件3.其它植物基因组黄瓜、玉米、毛竹、毛果杨、葡萄、高粱、大豆、白菜等 基因组学及基因组工程课件三、动物及微生物基因组19961996年，完成酵母菌基因组测序。年，完成酵母菌基因组测序。19991999年线虫基因组测序
53、年线虫基因组测序20002000年果蝇基因组测序年果蝇基因组测序20022002年小鼠基因组测序年小鼠基因组测序20042004年斑马鱼基因组测序年斑马鱼基因组测序20052005年家蚕基因组测序年家蚕基因组测序20052005年绵羊基因组测序年绵羊基因组测序20052005年年“中中- -丹家猪基因组计划丹家猪基因组计划” 20092009年大熊猫基因组测序年大熊猫基因组测序基因组学及基因组工程课件世界首张大熊猫基因组序列图谱（世界首张大熊猫基因组序列图谱（09.10.1109.10.11）大熊猫基因组与狗的基因组在结构上最为接近，与人也有较大的相似性，在哺乳动物中与小鼠差异较大。大熊猫的基
54、因组与人的基因组大小相似，大熊猫共有21对染色体，约为30亿个碱基对，包含2-3万个基因。基因组学及基因组工程课件5 基因组工程基因组工程一、基因组工程的概念 基因组工程是指利用工程技术原理，基因组工程是指利用工程技术原理，以基因组为基础，对一类基因群进行遗以基因组为基础，对一类基因群进行遗传操作，从而实现基因群在受体内的整传操作，从而实现基因群在受体内的整合、表达的过程。合、表达的过程。基因组学及基因组工程课件项目基因工程基因组工程目标基因单个或几个可达几十到几百、几千个DNA长度Kb级Mb级操作手段限制性内切酶、连接酶等同源重组片段检测物理图谱、序列分析等DNA重叠群、DNA芯片等克隆载体
55、质粒、噬菌体、柯斯质粒、病毒人工染色体导入方式转化、转导、转染、注射等细胞融合、注射、电穿孔克隆宿主大肠杆菌为主大肠杆菌、酵母、哺乳类动物细胞表达宿主各种细胞、动植物个体各种细胞、动植物个体产物形式蛋白质次生代谢产物检测方式蛋白质检测或酶作用产物分析代谢分析、生物芯片信息水平单个或几个信息系统和网络信息二、基因组工程与基因工程的差异二、基因组工程与基因工程的差异基因组学及基因组工程课件6 生物芯片生物芯片一、概述 生物芯片技术是应现代分子生物学研究的重大需求，生物芯片技术是应现代分子生物学研究的重大需求，在学科交叉不断深入的基础上诞生的，现已成为国际上在学科交叉不断深入的基础上诞生的，现已成为
56、国际上的热点研究领域。生物芯片是一种能快速并行处理多个的热点研究领域。生物芯片是一种能快速并行处理多个生物样品，并对其所包含的各种生物信息进行解析的微生物样品，并对其所包含的各种生物信息进行解析的微型器件，其加工运用了微电子工业中十分成熟的光刻技型器件，其加工运用了微电子工业中十分成熟的光刻技术和微机电系统加工中的各类技术，由于其所处理和分术和微机电系统加工中的各类技术，由于其所处理和分析的对象是生物样品，故称为生物芯片。它具有快速、析的对象是生物样品，故称为生物芯片。它具有快速、高效、并行处理及分析自动化能力，不仅广泛用于各研高效、并行处理及分析自动化能力，不仅广泛用于各研究领域，同时已出现
57、更多的消费型产品进入公共卫生领究领域，同时已出现更多的消费型产品进入公共卫生领域，为食品卫生、疾病预防和预后提供全新的检测手段。域，为食品卫生、疾病预防和预后提供全新的检测手段。 基因组学及基因组工程课件二、分类根据其应用领域的不同，生物芯片可分为根据其应用领域的不同，生物芯片可分为四大类：四大类：基因芯片基因芯片、蛋白质芯片蛋白质芯片、细胞芯片细胞芯片和和组织芯片。组织芯片。基因组学及基因组工程课件1.1.基因芯片基因芯片基因芯片也叫核酸芯片，是采用原位合成技术或微量点基因芯片也叫核酸芯片，是采用原位合成技术或微量点样技术，将数以百计或万计的样技术，将数以百计或万计的DNA探针固着于固相支持
58、探针固着于固相支持物表面，形成二维物表面，形成二维DNA探针阵列，通过与标记过的样品探针阵列，通过与标记过的样品杂交，然后检测杂交信号来实现对生物样品的快速、并行杂交，然后检测杂交信号来实现对生物样品的快速、并行和高效检测及分析。和高效检测及分析。目前国内外已开发出的产品有：目前国内外已开发出的产品有：单核苷多态性单核苷多态性(SNP)检检测芯片和突变检测芯片、比较基因组杂交芯片、测芯片和突变检测芯片、比较基因组杂交芯片、DNA甲甲基化检测芯片、信使基化检测芯片、信使RNA(mRNA)和小和小RNA(miRNA)表达谱芯片等表达谱芯片等，并在重大疾病发病机理、药物开发、生长，并在重大疾病发病机
59、理、药物开发、生长发育、农业育种、干细胞研究等领域获得广泛应用。发育、农业育种、干细胞研究等领域获得广泛应用。 基因组学及基因组工程课件核酸杂交的最常用方法：核酸杂交的最常用方法： SouthernSouthern印迹杂交印迹杂交( (southern blot southern blot ) ) Southern blot Southern blot 是研究是研究DNADNA图谱的基本技术，在遗传诊断图谱的基本技术，在遗传诊断DNADNA图谱分析及图谱分析及PCRPCR产物分析等方面有重要价值。产物分析等方面有重要价值。SouthernSouthern印迹杂交印迹杂交基本方法基本方法是将是将
60、DNADNA标本标本用限制性内切酶消化用限制性内切酶消化后，经后，经琼脂糖凝胶电泳分离琼脂糖凝胶电泳分离各酶解片段，然后经各酶解片段，然后经碱变性碱变性，TrisTris缓冲缓冲液中和，高盐下通过毛吸作用将液中和，高盐下通过毛吸作用将DNADNA从凝胶中从凝胶中转印转印至硝酸纤至硝酸纤维素滤膜上，烘干维素滤膜上，烘干固定固定后即可用于杂交。凝胶中后即可用于杂交。凝胶中DNADNA片段的片段的相对位置在相对位置在DNADNA片段转移到滤膜的过程中继续保持着。附着片段转移到滤膜的过程中继续保持着。附着在滤膜上的在滤膜上的DNADNA与与3232P P标记的探针杂交标记的探针杂交，利用，利用放射自显
61、影术放射自显影术确定探针互补的每条确定探针互补的每条DNADNA带的位置，从而可以确定在众多酶带的位置，从而可以确定在众多酶解产物中含某一特定序列的解产物中含某一特定序列的DNADNA片段的位置和大小片段的位置和大小。 最大优势最大优势基因组学及基因组工程课件基因芯片实验程序基因芯片实验程序基因组学及基因组工程课件基因芯片实验程序基因芯片实验程序基因组学及基因组工程课件2.2.蛋白质芯片蛋白质芯片 随着生命科学，尤其是与人类健康息息相关的医学和药随着生命科学，尤其是与人类健康息息相关的医学和药学的发展，在蛋白质水平进行检测和鉴定的需求日益增加。学的发展，在蛋白质水平进行检测和鉴定的需求日益增加
62、。蛋白质芯片是继承了基因芯片快速、准确、并行检测的优蛋白质芯片是继承了基因芯片快速、准确、并行检测的优点，能在蛋白质层次提供信息的一类生物芯片。其原理是点，能在蛋白质层次提供信息的一类生物芯片。其原理是将各种蛋白质有序地固定于聚丙烯酰胺胶、硝酸纤维素膜、将各种蛋白质有序地固定于聚丙烯酰胺胶、硝酸纤维素膜、载玻片、硅片和金等各种载体上成为检测用芯片，然后用载玻片、硅片和金等各种载体上成为检测用芯片，然后用标记了特定荧光抗菌素体的蛋白质或其他成分与芯片作用，标记了特定荧光抗菌素体的蛋白质或其他成分与芯片作用，洗去未与蛋白结合的成分后，利用荧光检测、表面等离子洗去未与蛋白结合的成分后，利用荧光检测、
63、表面等离子体共振、激光共聚焦扫描等检测技术，检测蛋白质蛋白体共振、激光共聚焦扫描等检测技术，检测蛋白质蛋白质、蛋白质核酸、蛋白质脂质以及蛋白质与其他分子质、蛋白质核酸、蛋白质脂质以及蛋白质与其他分子的相互作用，对蛋白质表达水平进行测定、比较等。的相互作用，对蛋白质表达水平进行测定、比较等。 基因组学及基因组工程课件3.3.细胞芯片细胞芯片 比起基因芯片和蛋白质芯片，在芯比起基因芯片和蛋白质芯片，在芯片上进行细胞研究的还相对较少，目前片上进行细胞研究的还相对较少，目前细胞芯片主要是利用微流体或微阵列技细胞芯片主要是利用微流体或微阵列技术对大量或单个细胞进行细胞操控、细术对大量或单个细胞进行细胞操
64、控、细胞分选、电转染、细胞胞解或实时检测胞分选、电转染、细胞胞解或实时检测等操作。现已开发出细胞离子通道监测等操作。现已开发出细胞离子通道监测芯片、神经细胞电生理检测芯片、细胞芯片、神经细胞电生理检测芯片、细胞电阻抗传感芯片等。电阻抗传感芯片等。 基因组学及基因组工程课件4.4.组织芯片组织芯片 组织芯片是指在基质组织芯片是指在基质( (玻片等玻片等) )表面固表面固定大量可寻址的定大量可寻址的( (微阵列芯片具有可操控特定微阵列芯片具有可操控特定位置的组织或细胞位置的组织或细胞) )微小组织样本，用于高通微小组织样本，用于高通量检测不同组织中量检测不同组织中DNADNA、RNARNA和蛋白质等分子和蛋白质等分子的变化情况，又称组织微阵列芯片。由于它的变化情况，又称组织微阵列芯片。由于它能在组织水平高通量筛选靶分子，大大减少能在组织水平高通量筛选靶分子，大大减少样品用量，省去了大量繁冗的手工操作，近样品用量，省去了大量繁冗的手工操作，近几年发展迅速。几年发展迅速。 基因组学及基因组工程课件基因组学及基因组工程课件
