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1、基因组学与医学基因组学与医学GenomicsandMedicine第第一一节节基因组学基因组学(Genomics)一、一、基因组学概念及范畴基因组学概念及范畴二、结构基因组学二、结构基因组学三、功能基因组学三、功能基因组学四、比较基因组学四、比较基因组学一、一、基因组学概念及范畴基因组学概念及范畴（一）基因组学的提出（一）基因组学的提出基因组基因组(genome)泛泛指指一一个个有有生生命命体体、病病毒毒或或细细胞胞器器的的全全部部遗遗传传物物质质；在在真真核核生生物物，基基因因组是指一套染色体（单倍体）组是指一套染色体（单倍体）DNADNA。 1. 1. 病毒基因组病毒基因组DNA病毒病毒R
2、NA病毒病毒多数为双链多数为双链(ds)、环状或线性环状或线性多数为单链多数为单链(ss)、线性线性噬菌体噬菌体phiX174phiX1741977，Sanger 单链环状单链环状DNADNA病毒病毒5386nt5386nt25002500氨基酸氨基酸乙型肝炎病毒（乙型肝炎病毒（HBVHBV）聚合酶聚合酶HBsAgHBcAg 开环部分双链开环部分双链DNADNA病毒病毒乙型肝炎病毒基因组乙型肝炎病毒基因组乙型肝炎病毒基因组乙型肝炎病毒基因组-开环部分双链开环部分双链DNADNA聚合酶聚合酶HBsAgHBcAg.禽流感病毒禽流感病毒(H5N1)avian influenza A virus 单链
3、单链RNARNA病毒病毒8 8节段节段-ssRNA-ssRNA血凝素（血凝素（HAHA）神经氨酸酶（神经氨酸酶（N)N)人类免疫缺陷病毒人类免疫缺陷病毒( (HIV)HIV)（human Immunodeficiency virus ） 逆转录病毒（单链逆转录病毒（单链RNARNA病毒）病毒）RNARNA2. 2. 原核生物基因组原核生物基因组细菌染色体细菌染色体DNADNA质粒质粒DNADNA以大肠杆菌以大肠杆菌（Escherichia coli）为例为例类核（类核（nucleoid）：）：细菌染色体在细菌染色体在 细胞内形成的一个致密区域细胞内形成的一个致密区域大肠杆菌细胞结构大肠杆菌细胞
4、结构nucleoidnucleoid质粒质粒plasmid由一条环状双链由一条环状双链DNADNA分子组成，分子组成， 通常只有一个通常只有一个DNADNA复制起点。复制起点。 大肠杆菌染色体大肠杆菌染色体DNA DNA 大肠杆菌大肠杆菌40004000K K30003000K K20002000K K10001000K K0 0OriCOriCTerCTerCbpbp 质粒质粒DNADNA质粒质粒是存在于细菌染色体外的，具有自主复是存在于细菌染色体外的，具有自主复制能力的环状双链制能力的环状双链DNADNA分子；大小为几分子；大小为几kbkb。3. 3. 真核生物基因组真核生物基因组染色体染
5、色体DNADNA线粒体线粒体DNADNA12345678910111213141516171819202122XY人类染色体基因组人类染色体基因组人类线粒体基因组人类线粒体基因组2 2个个rRNArRNA基因和基因和2222个个tRNAtRNA基因，基因，1313个个编码蛋白质基因，编码序列占编码蛋白质基因，编码序列占93%93%。基因组学基因组学(genomics)(genomics)就是发展和应用就是发展和应用DNADNA制图、测序制图、测序新技术以及计算机程序，分析生命新技术以及计算机程序，分析生命体（包括人类）全部基因组结构及体（包括人类）全部基因组结构及功能。功能。（二）基因组学的概
6、念（二）基因组学的概念基因组学包括基因组学包括3 3个不同的亚领域个不同的亚领域 亚领域亚领域 内容内容结构基因组学结构基因组学 整个基因组的整个基因组的 遗传制图、物理制图、遗传制图、物理制图、DNADNA测序测序 功功能能基基因因组组学学 认认识识、分分析析整整个个基基因因组组所所包包含含的的 基因、非基因序列及其功能基因、非基因序列及其功能 比比较较基基因因组组学学 比比较较不不同同物物种种的的整整个个基基因因组组，增增 强强对对各各个个基基因因组组功功能能及及发发育育相相 关性的认识关性的认识二、结构基因组学二、结构基因组学 人类基因人类基因 组计划组计划结构基因组学结构基因组学( (
7、structuralgenomics) ) 是通过是通过HGPHGP的实施来完成的。的实施来完成的。人类基因组计划：人类基因组计划：（Humangenomeproject,HGP） HGPHGP的的内内容容就就是是制制作作高高分分辨辨率率的的人人类类遗遗传传图图和和物物理理图图，最最终终完完成成人人类类和和其其它它重重要要模模式式生生物物全全部部基基因因组组DNADNA序序列列测测定定，因此因此HGPHGP属于结构基因组学范畴。属于结构基因组学范畴。InitialsequencingandanalysisofthehumangenomeInternationalHumanGenomeSeque
8、ncingConsortiumNATUREVOL40915FEBRUARY2001860-921TheSequenceoftheHumanGenome16FEBRUARY2001SCIENCEVOL2911304-1351CeleraGenomics人类染色体人类染色体DNADNA大小大小Chr.Mb（一）物理制图（一）物理制图 （二）遗传制图（二）遗传制图 （三）基因组（三）基因组DNADNA序列测定序列测定 （四）创建计算机分析管理系统（四）创建计算机分析管理系统 HGPHGP包括以下研究内容包括以下研究内容绘制物理图谱（绘制物理图谱（physicalmap）： 利用已知序列的利用已知序列
9、的DNADNA片段为基因组片段为基因组分区，位点距离用分区，位点距离用bpbp表示。表示。作图标志称为序列标志位点作图标志称为序列标志位点（sequence tagged sites,STSssequence tagged sites,STSs）。（一）物理制图（一）物理制图（physicalmapping）克隆载体：克隆载体： Cosmid Cosmid（粘粒）粘粒） YAC YAC（酵母人工染色体）酵母人工染色体） BAC BAC（细菌人工染色体）细菌人工染色体）Y Y号号绘制遗传图谱（绘制遗传图谱（geneticmap）： 利利用用人人类类基基因因组组中中自自然然存存在在的的一一些些特特
10、殊殊位位点点作作为为遗遗传传标标志志，确确定定标标志志位位点点在在一一条条染染色色体体DNADNA上上的的线线性性排排列列顺顺序序，标标志志位点间的距离用位点间的距离用cMcM表示表示。（二）遗传制图（二）遗传制图（geneticmapping）遗传标志：遗传标志： RFLP RFLP（限制性片段长度多态性）限制性片段长度多态性） VNTR VNTR（可变数目串联重复序列（可变数目串联重复序列） STRSTR（短串联重复序列）短串联重复序列） SNP SNP（单核苷酸多态性）单核苷酸多态性）AEDbAEdBAEdbDBAE两对等位基因之间重组互换的频率即遗传距离两对等位基因之间重组互换的频率即
11、遗传距离10cM10%1.遗传图谱遗传图谱（geneticmap）ChromosomeChromosomeMaleMaleFemaleFemale1 1 1.12 1.76 1.12 1.762 2 0.78 1.40 0.78 1.403 3 0.86 1.30 0.86 1.304 4 0.67 1.40 0.67 1.40物理图距离（物理图距离（ Mb Mb ）与与遗传学距离遗传学距离 ( ( cM ) cM ) 的对应关系的对应关系cM / MbcM / Mb（三）基因组（三）基因组DNADNA序列测定序列测定人类基因组的全部核苷酸人类基因组的全部核苷酸(3(3X10X109 9) )
12、排列顺序排列顺序DNADNA测序基本步骤测序基本步骤 限制性内切酶将大片段限制性内切酶将大片段DNADNA切成小的片段切成小的片段 小片段插入（连接）到测序载体中小片段插入（连接）到测序载体中 用测序仪对小片段用测序仪对小片段DNADNA测序测序 超级计算机分析测序结果，进行拼接得到超级计算机分析测序结果，进行拼接得到 一致序列一致序列DNA切下的片段插入切下的片段插入（连接）到载体中（连接）到载体中叠连群测序后得出一致序列叠连群测序后得出一致序列大量的重叠大量的重叠片段片段gtatgtacatttttaaaatctcattttaaaaggccagttaaaatgggtatgtacattttt
13、aattttaaaatctcattttaatttaaaaggccagttaagttaaaatgg大肠杆菌大肠杆菌 ( (Escherichia coli) )酿酒酵母酿酒酵母 ( (Saccharomyces cerevisiae) )拟南芥拟南芥( (Arabidopsis thaliana) )秀丽小杆线虫秀丽小杆线虫 ( (Caenorhabditis elegans) )果蝇果蝇 ( (Drosophila melanogaster) )小鼠小鼠 ( (Mus musculus) )模模式式生生物物（四）创建计算机分析管理系统（四）创建计算机分析管理系统主要的人类基因组数据库主要的人类
14、基因组数据库欧洲生物信息学研究所欧洲生物信息学研究所EMBL:.embl.org/美国国家生物技术信息中心美国国家生物技术信息中心NCBI:.ncbi.nih.gov/日本国立遗传学研究所日本国立遗传学研究所DDBJ:.ddbj.nig.ac.jp/HGPHGP主要任务及内容主要任务及内容 主要任务主要任务 内容内容物理制图物理制图 确定染色体上诸如限制性内切确定染色体上诸如限制性内切（physicalmapping）核酸酶识别位点，或序列标志核酸酶识别位点，或序列标志 位点（位点（STSsSTSs）等的位置图。等的位置图。 遗传制图遗传制图 确定标志位点在一条染色体确定标志位点在一条染色体（
15、physicalmapping）上的线性排列顺序。标志位点上的线性排列顺序。标志位点 间的图距以遗传学距离表示，间的图距以遗传学距离表示， 单位为分摩尔根（单位为分摩尔根（cMcM） 基因组基因组DNADNA序列序列 测定人类测定人类2424条染色体的、由条染色体的、由 3 3X10X109 9个核苷酸组成的全部个核苷酸组成的全部DNADNA 序列，绘制人类基因组图谱。序列，绘制人类基因组图谱。 通过通过HGPHGP获得的广泛基因组信息组成获得的广泛基因组信息组成了结构基因组学的基本内容，是开展功能了结构基因组学的基本内容，是开展功能基因组学的研究的基础；基因组学的研究的基础； 同时为详尽研究
16、每一个单基因遗传同时为详尽研究每一个单基因遗传病提供病提供“平台平台”，并将成为复杂的多基因，并将成为复杂的多基因遗传病研究的发端遗传病研究的发端。HGPHGP的意义的意义 完成一个生物体全部基因组测序完成一个生物体全部基因组测序后即进入后基因组测序阶段后即进入后基因组测序阶段详尽详尽分析序列，描述基因组所有基因的功分析序列，描述基因组所有基因的功能，包括研究基因的表达及其调控模能，包括研究基因的表达及其调控模式，这就是功能基因组学。式，这就是功能基因组学。 三、功能基因组学三、功能基因组学 （functionalgenomics）（一）鉴定（一）鉴定DNADNA序列中的基因序列中的基因（二）
17、同源搜索设计基因功能（二）同源搜索设计基因功能 （三）实验性设计基因功能（三）实验性设计基因功能 （四）描述基因表达模式（四）描述基因表达模式主要具体内容包括以下方面主要具体内容包括以下方面 （一）鉴定（一）鉴定DNADNA序列中的基因序列中的基因 对基因组序列进行注释，包对基因组序列进行注释，包括鉴定和描述推测的基因、非基括鉴定和描述推测的基因、非基因序列及其功能。因序列及其功能。 同源基因在进化中来自共同的祖先，通同源基因在进化中来自共同的祖先，通过核苷酸序列或氨基酸序列的同源性比过核苷酸序列或氨基酸序列的同源性比较推测基因组内相似功能的基因。较推测基因组内相似功能的基因。（二）同源搜索设
18、计基因功能（二）同源搜索设计基因功能（三）实验性设计基因功能（三）实验性设计基因功能 对基因进行缺失或剔除，观察表型对基因进行缺失或剔除，观察表型变化推测基因功能。变化推测基因功能。（四）描述基因表达模式（四）描述基因表达模式转录组转录组( (transcriptome):transcriptome): 一个细胞内的一套一个细胞内的一套mRNAmRNA转录物，转录物，包含了某一环境条件、某一生命阶段、包含了某一环境条件、某一生命阶段、某一生理或病理某一生理或病理( (功能功能) )状态下，生命状态下，生命体的细胞或组织所表达的基因种类和体的细胞或组织所表达的基因种类和水平。水平。 这一研究领域
19、叫转录组学这一研究领域叫转录组学( (transcriptomics)transcriptomics)。转录组学转录组学的研究方法的研究方法DNADNA芯片技术芯片技术蛋白质组蛋白质组( (proteom)proteom)： 一一个个细细胞胞内内的的全全套套蛋蛋白白质质，反反映映了了特特殊殊阶阶段段、环环境境、状状态态下下细细胞胞或或组组织织在在翻翻译译水水平平的的蛋蛋白白质质的表达谱。的表达谱。 这这一一研研究究领领域域叫叫蛋蛋白白质质组组学学( (proteomics)proteomics)。双向电泳（双向电泳（twodimensionelectrophoresis,2-DE）：）：蛋蛋白
20、白质质具具有有等等电电点点和和分分子子量量的的特特异异性性，将将蛋蛋白白质质混混合合物物在在电电荷荷（等等电电聚聚焦焦，IEF）和和分分子子量量（变变性性聚聚丙丙烯烯酰酰胺胺凝凝胶胶电电泳泳，SDS-PAGE）两个水平上进行分离。两个水平上进行分离。蛋白质组学的研究方法蛋白质组学的研究方法MolecularsIons生物质谱技术生物质谱技术MassSpectrometry：通过测定样品离子的质荷比（通过测定样品离子的质荷比（m/z）来进行成分和结构分析。来进行成分和结构分析。功能基因组学研究策略及主要内容功能基因组学研究策略及主要内容鉴定鉴定( (注释注释) )基因基因: : 通过通过“ORF
21、ORF搜索搜索”，发现理论性蛋，发现理论性蛋白白 质编码序列质编码序列分析基因功能分析基因功能: : 利用计算机进行同源搜索，根据已利用计算机进行同源搜索，根据已 知序列、进化相关性，发现重要的知序列、进化相关性，发现重要的 蛋白质功能域。也可对蛋白质功能域。也可对DNADNA序列进序列进 行突变或剔除后，结合功能、表型行突变或剔除后，结合功能、表型 变化的实验鉴定基因功能变化的实验鉴定基因功能描述基因表达模式描述基因表达模式: : 采用采用DNADNA微点阵进行整体基因表达微点阵进行整体基因表达 谱谱-转录组分析；采用蛋白质或转录组分析；采用蛋白质或 多肽微点阵、改进的双向电泳结多肽微点阵、
22、改进的双向电泳结 合飞行质谱技术分析蛋白质表达合飞行质谱技术分析蛋白质表达 谱谱-蛋白质组分析。蛋白质组分析。四、比较基因组学四、比较基因组学比较基因组学比较基因组学(comparative (comparative genomics)genomics)涉及比较不同物种的整个基因组，涉及比较不同物种的整个基因组，以便深入理解每个基因组的功能和进化关以便深入理解每个基因组的功能和进化关系。系。 进化树（系统发生树）进化树（系统发生树） “微型人微型人” 生理系统与人非常相似生理系统与人非常相似 90% 90%的基因与人类同源的基因与人类同源小鼠小鼠(Mus musculus) 基因共线性基因共线
23、性TheRelationbetweenGenomicsandMedicine第第 二二 节节 基因组学与医学关系基因组学与医学关系医学相关问题医学相关问题结构基因组学结构基因组学功能基因组学功能基因组学蛋白质组学蛋白质组学基因组计划的应用基因组计划的应用疾病的分子机制：病原疾病的分子机制：病原, ,病理和预后，病理和预后， 疾病的易感性，疾病的易感性， 遗传与环境的影响。遗传与环境的影响。分子诊断：疾病的预测分子诊断：疾病的预测, ,药物耐受性，药物耐受性， 疾病的分型。疾病的分型。分子治疗：药物靶分子治疗：药物靶, , 基因治疗基因治疗一、基因病的概念一、基因病的概念人类疾病大致分为三类：人
24、类疾病大致分为三类：（一）单基因病（一）单基因病 （二）多基因病（二）多基因病 （三）获得性基因病（三）获得性基因病 基因病：以基因组学为基础，从疾病基因病：以基因组学为基础，从疾病 和健康的角度考虑，人类疾和健康的角度考虑，人类疾 病大多直接或间接地与基因病大多直接或间接地与基因 相关。相关。二、疾病相关基因的鉴定二、疾病相关基因的鉴定（一）检测人类基因变异或突变（一）检测人类基因变异或突变 （二）疾病时基因组差异表达分析（二）疾病时基因组差异表达分析 （三）染色体制图定位及疾病相关基因（三）染色体制图定位及疾病相关基因克隆克隆 （一）检测人类基因变异或突变（一）检测人类基因变异或突变单链构
25、象多态性单链构象多态性( (SSCP)SSCP)、限制性片段长度多态性限制性片段长度多态性( (RFLP)RFLP)，变性梯度电泳变性梯度电泳( (DGGE)DGGE)，单核苷酸多态性（单核苷酸多态性（SNPsSNPs）等位型等位型1 1等位型等位型2 2单核苷酸多态性单核苷酸多态性（singlenucleotidepolymorphism,SNP） 在人类两个个体之间大约每在人类两个个体之间大约每50050010001000bpbp就有一个碱基差异，如果一个碱基位置发生的就有一个碱基差异，如果一个碱基位置发生的变异在上以上的人群存在，这个位点就被定变异在上以上的人群存在，这个位点就被定义为义
26、为SNPSNP位点。位点。寡核苷酸杂交分析寡核苷酸杂交分析SNPSNP和等位基因特异和等位基因特异寡核苷酸杂交寡核苷酸杂交（二）疾病时基因组差异表达分析（二）疾病时基因组差异表达分析 某一疾病或综合征基因组与正常某一疾病或综合征基因组与正常基因组表达差异的比较。基因组表达差异的比较。DNADNA芯片检测的差异表达谱芯片检测的差异表达谱（三）染色体制图定位及疾病相关基因克隆（三）染色体制图定位及疾病相关基因克隆疾病基因定位：疾病基因定位： 染色体原位杂交、染色体畸形分析、染色体原位杂交、染色体畸形分析、 连锁分析。连锁分析。疾病相关基因的克隆：疾病相关基因的克隆： 已掌握疾病相关基因或及其产物的
27、确切已掌握疾病相关基因或及其产物的确切信息；已掌握与疾病可能相关的基因预测资信息；已掌握与疾病可能相关的基因预测资料；对疾病相关基因毫无所知。料；对疾病相关基因毫无所知。疾病相关基因克隆策略：疾病相关基因克隆策略： 功能基因克隆功能基因克隆 候选基因克隆候选基因克隆 定位基因克隆定位基因克隆 定位定位- -候选基因克隆。候选基因克隆。三、基因组学与肿瘤病因学三、基因组学与肿瘤病因学 致癌因子引起致癌因子引起DNADNA损伤，可引起突变，损伤，可引起突变，如果关键基因功能改变，导致细胞异常如果关键基因功能改变，导致细胞异常增殖而发生肿瘤。增殖而发生肿瘤。 鉴定隐性癌基因（肿瘤抑制基因）鉴定隐性癌基因（肿瘤抑制基因）和显性癌基因。和显性癌基因。制图策略，鉴定标志物。制图策略，鉴定标志物。肿瘤基因组解剖工程，肿瘤基因组解剖工程，基因重排常导致癌基因失活。基因重排常导致癌基因失活。
