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1、第十三章 基因组学 第一节第一节 基因组学概述基因组学概述 基因组学基因组学(genomics):(genomics):主要研究主要研究生物体全基因组生物体全基因组(genome)(genome)的分子的分子特征。特征。基因组学强调的是以基因组为单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位，而不是以单个基因为单位作为研究对象为研究对象基因组学的研究目标基因组学的研究目标: :1. 1. 获得生物体全部基因组序列获得生物体全部基因组序列2. 2. 注解基因组所含的全部基因注解基因组所含的全部基因3. 3. 鉴定所有基因的功能及基因间鉴定所有基因的功能及基因间 相互作用关系相互作用
2、关系4. 4. 阐明基因组的复制及进化规律阐明基因组的复制及进化规律 酵母酵母 1.5 107 bp拟南芥拟南芥 1.0 108水稻水稻 4.3 108人类人类 3.3 109玉米玉米 5.4 109 小麦小麦 1.6 1010 19861986年首次提出基因组学的概念年首次提出基因组学的概念19901990年开始基因组计划年开始基因组计划, ,美国国立卫生研究美国国立卫生研究院院( (NIH)NIH)和能源部和能源部( (DOE)DOE)联合启动了被誉为联合启动了被誉为“人体阿波罗计划人体阿波罗计划”的的“人类基因组计划人类基因组计划”( (human genome projecthuman
3、 genome project，HGP)HGP) 美国提出人类基因组计划后，英、法、日、美国提出人类基因组计划后，英、法、日、前苏联、中等，也相继启动了类似项目前苏联、中等，也相继启动了类似项目20002000年年6 6月月2626日，各国科学家公布了人类基日，各国科学家公布了人类基因组工作草图因组工作草图20012001年年8 8月月2626日，人类基因组计划中国部分日，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，标测序项目汇报及联合验收会在京召开，标志人类基因组志人类基因组“中国卷中国卷”通过验收通过验收 19921992年年8 8月，中国根据国情正式宣月，中国根据国情正式宣布
4、实施自己的布实施自己的“水稻基因组研究计划水稻基因组研究计划” 20022002年年4 4月月5 5日，日，ScienceScience以以1414页的篇幅刊登和宣布中国科学家独立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绘制完成的水稻基因组草图序列水稻全基因组物理图水稻全基因组物理图C值：值：一个单倍体基因组一个单倍体基因组中中DNA的总量。一个特的总量。一个特定的种属具有特定的定的种属具有特定的C值值C值悖理：值悖理：物种的物种的C值和值和它的进化复杂性之间无它的进化复杂性之间无严格对应关系的现象严格对应关系的现象N值：值：生物体所含有的基因数目生物体所含有的基因数目 N
5、值悖理：值悖理：复杂性不同的生物种属所具有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的基因数目与其生物结构的复杂性不成比例的现象。例的现象。水稻基因数约水稻基因数约4万个万个, 人类基因总数约人类基因总数约3万个万个 基因组学的研究内容基因组学的研究内容结结构构基基因因组组学学：通通过过基基因因作作图图、核核苷苷酸酸序序列列分分析析确确定定基基因因组组成成、进进行行基基因因定定位位的科学的科学功功能能基基因因组组学学( (后后基基因因组组学学) )：利利用用结结构构基基因因组组所所提提供供的的信信息息和和产产物物，研研究究基基因因组组功功能能表表达达的的科科学学。基基因因的
6、的识识别别、鉴鉴定定和和克克隆隆，基基因结构与功能及其相互关系，基因表达调控因结构与功能及其相互关系，基因表达调控蛋蛋白白质质组组学学：研研究究细细胞胞内内蛋蛋白白质质组组成成及及其其活活动动规规律律的的科科学学。鉴鉴定定蛋蛋白白质质表表达达、存存在在方方式式、结构、功能和相互作用方式等结构、功能和相互作用方式等 基基因因组组学学的的重重要要组组成成部部分分是是基基因因组组计计划划，如如人人类类、水水稻稻基基因因组组计计划，划，大体可分为大体可分为：1 1、构建基因组的遗传图谱构建基因组的遗传图谱2 2、构建基因组的物理图谱、构建基因组的物理图谱3 3、测定基因组、测定基因组DNADNA的全部
7、序列的全部序列4 4、构建基因组的转录本图谱、构建基因组的转录本图谱5 5、分析基因组的功能、分析基因组的功能第二节第二节 基因组图谱的构建基因组图谱的构建 在进行大规模序列测定之前，构建在进行大规模序列测定之前，构建基因组图谱基因组图谱, , 锚定测知的核酸序列锚定测知的核酸序列在染色体上的位置在染色体上的位置人类基因组计划：首先用人类基因组计划：首先用6 6年年时间时间构建高密度的基因组图谱，然后才构建高密度的基因组图谱，然后才进入测序工作进入测序工作 一、遗传图谱构建遗传图谱构建 遗传作遗传作图：图：采用遗传学分析方法将基因或其他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
8、连锁图顺序标定在染色体上构建连锁图 1、图谱标记、图谱标记 形态标记：形态标记：可以观察到的一些性状可以观察到的一些性状,如种皮颜色、如种皮颜色、眼色、株高等眼色、株高等 细胞学标记：细胞学标记：能明确显示遗传多态性的细胞学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特征。染色体的结构特征和数量特征是常见的细胞学标记细胞学标记 生化标记：生化标记：同工酶及种子贮藏蛋白同工酶及种子贮藏蛋白,有时又称蛋有时又称蛋白质标记白质标记分子标记：分子标记：DNA水平上的标记。水平上的标记。RFLP, RAPD, SSR, STS, AFLP, CAPS, SNP 2 2、遗传图谱的
9、构建、遗传图谱的构建 人类基因组遗传图谱的构建人类基因组遗传图谱的构建 人人类类的的遗遗传传图图谱谱是是利利用用家家系系分分析析法法，在在对对8 8个个家家系系的的134134个个成成员员的的分分析析中中，主主要要根根据据52645264个个STRSTR标标记记绘绘制制而而成成。利利用用这这些些家家系系的的资资料料绘绘制制第第1 1至至2222号号染染色色体体图图谱谱。对对于于X X染染色色体体图图谱谱，还还利利用用了了来来自自另另外外1212个家系，个家系，170170个成员的资料绘制而成。个成员的资料绘制而成。 将将52645264个标记定位在个标记定位在23352335个位点，据个位点，
10、据此构建的人类基因组遗传图谱的密度为每此构建的人类基因组遗传图谱的密度为每个标记个标记599 kb599 kb。植物基因组遗传图谱的构建植物基因组遗传图谱的构建选选择亲本择亲本 产生作图群体产生作图群体 遗传标记的染色体定位遗传标记的染色体定位标记间的连锁分析标记间的连锁分析 19941994年绘制的第一张水稻高密度年绘制的第一张水稻高密度遗传图谱，仅有遗传图谱，仅有927927个位点，含有个位点，含有13831383个标记个标记19981998年年将将22752275标标记记定定位位到到11571157个个位点上位点上20002000年年最最终终的的水水稻稻高高密密度度遗遗传传图图标标记记为
11、为32673267个个，用用于于指指导导水水稻稻基基因组测序因组测序 二、物理图谱二、物理图谱 由于遗传图谱的分辨率有限、精确性由于遗传图谱的分辨率有限、精确性不高，所以要构建物理图谱不高，所以要构建物理图谱 基因组物理图谱的构建基因组物理图谱的构建主要有主要有4 4种途径：种途径： 限制酶作图：限制酶作图：比较不同比较不同限制酶产生的限制酶产生的DNA片段的大小片段的大小酵母第酵母第3染色体遗传图（染色体遗传图（A）与物理图（）与物理图（B） 基于克隆的基因组作图：基于克隆的基因组作图：根据克隆的根据克隆的 DNA片段之间的重叠顺序构建重叠群片段之间的重叠顺序构建重叠群 (contig),
12、绘制物理连锁图绘制物理连锁图重叠群：重叠群：相互重叠相互重叠的的DNA片段组成的片段组成的物理图。克隆重叠物理图。克隆重叠群的组建采用染色群的组建采用染色体步移法体步移法 荧光标记原位杂交荧光标记原位杂交(FISH)(FISH)：将荧光标记的探针与染色体杂将荧光标记的探针与染色体杂交确定分交确定分子标记所子标记所在位置的在位置的方法方法 顺序标签位点顺序标签位点(STS)(STS)：STS是是长长度度在在100500 bp的的DNA顺顺序序，每每个个基因组仅基因组仅1份拷贝，很易分辨份拷贝，很易分辨当当两两个个片片段段含含有有同同一一STS时时，可可以以确确认认这这两两个片段彼此重叠个片段彼此
13、重叠两两个个不不同同的的STS出出现现在在同同一一片片段段的的机机会会取取决决于于其其在在基基因因组组中中的的位位置置。如如果果彼彼此此邻邻接接，这这两两个个STS总总会会同同时时出出现现在在相相同同片片段段上上。如如果果相相距距甚甚远远，有有时时会会在在同同一一片片段段，有有时时则在不同片段则在不同片段 三、基因组测序策略三、基因组测序策略 鸟枪法鸟枪法测序测序用限制酶用限制酶或超声波或超声波处理待测处理待测序基因组序基因组克隆重叠群法克隆重叠群法 1.1.将基因组切割成长度为将基因组切割成长度为0.1-1Mb0.1-1Mb的大片的大片段，构建段，构建BACBAC文库文库2.2.用用STS-
14、PCRSTS-PCR反应池方案筛选种子克隆反应池方案筛选种子克隆3.3.用指纹图谱法或末端序列步行法对种子用指纹图谱法或末端序列步行法对种子克隆进行延伸克隆进行延伸4.4.根据相互位置关系及根据相互位置关系及STSSTS路标顺序关系路标顺序关系有序地将种子克隆及延伸克隆绘制到基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，形成重叠克隆群因组的相应区域上，形成重叠克隆群5.5.用鸟枪法分别将每个克隆测序，组装到用鸟枪法分别将每个克隆测序，组装到染色体上染色体上 四、基因组图谱的应用四、基因组图谱的应用1 1、基因组序列测定、基因组序列测定2 2、基因定位、基因定位 3 3、基因的克隆与分离
15、、基因的克隆与分离4 4、分子标记辅助选择、分子标记辅助选择5 5、比较基因组研究、比较基因组研究第三节第三节 生物信息学生物信息学 1 1、生物信息学、生物信息学(Bioinformatics)采用计算机技术和信息论方法对蛋采用计算机技术和信息论方法对蛋白质及其白质及其核酸序列等多种生物信息核酸序列等多种生物信息采集、加工、储存、传递、检索、采集、加工、储存、传递、检索、分析和解读，旨在掌握复杂生命现分析和解读，旨在掌握复杂生命现象的形成模式和演化规律的科学象的形成模式和演化规律的科学2、基因芯片、基因芯片(gene chip), 又称又称DNA微阵列微阵列(microarray)是由大量是
16、由大量DNA或寡核苷酸探针密集排或寡核苷酸探针密集排列所形成的探针列所形成的探针阵列阵列, 其基本原理其基本原理是通过杂交检测是通过杂交检测信息。利用基因信息。利用基因芯片芯片, 可以可以实现基实现基因信息的大规模因信息的大规模检测检测 3 3、生物信息学的应用、生物信息学的应用1 1、发现新基因和新的单核苷酸、发现新基因和新的单核苷酸 多态性多态性 2 2、分析基因组中非编码蛋白质、分析基因组中非编码蛋白质 区域功能区域功能 3 3、在基因组水平上研究生物进化、在基因组水平上研究生物进化 4 4、完整基因组比较研究、完整基因组比较研究 第四节第四节 蛋白质组学蛋白质组学 1 1、概念及研究内
17、容、概念及研究内容 蛋白质组蛋白质组: : 细胞、器官或组织的蛋细胞、器官或组织的蛋白质成分的总称白质成分的总称蛋白质组学蛋白质组学: : 研究这些成分在指定研究这些成分在指定的时间或特定的环境条件下的表达的时间或特定的环境条件下的表达研究内容：研究内容：蛋白质表达模式，蛋白蛋白质表达模式，蛋白质组功能模式质组功能模式 2 2、蛋白质的分离、蛋白质的分离蛋白质组学研蛋白质组学研究的第一步是究的第一步是蛋白质的分离蛋白质的分离双相凝胶电泳双相凝胶电泳是蛋白质组研是蛋白质组研究中的首选分究中的首选分离技术离技术 3 3、蛋白质的鉴定、蛋白质的鉴定鉴鉴定定蛋蛋白白质质组组份份的的性性质质、结结构构和
18、和功功能能及及其其各各蛋蛋白白质质间间的的相相互互作作用用关关系系, , 从从而而研研究蛋白质组表达模式和功能模式究蛋白质组表达模式和功能模式蛋白质表达模式的鉴定技术蛋白质表达模式的鉴定技术: : 以质谱为核心的技术以质谱为核心的技术蛋白质微测序蛋白质微测序氨基酸组成分析氨基酸组成分析蛋白质芯片分析蛋白质芯片分析 4 4、蛋白质间的相互作用、蛋白质间的相互作用 研究方法：研究方法：酵母双杂交系统酵母双杂交系统表面等离子共振技术表面等离子共振技术 从从19961996年年酵酵母母菌菌基基因因组组全全序序列列测测定定后的后的4 4年多时间里：年多时间里：全全世世界界10001000多多个个实实验验室室，50005000多多名名科科学学家家从从事事酵酵母母菌菌后后基基因因组组学学的的研研究究发发表表论论文文70007000多多篇篇，鉴鉴定定10601060个个新新基基因因的的功功能能，但但仍仍然然还还有有约约16001600个阅读框架的功能不清楚个阅读框架的功能不清楚这这些些结结果果充充分分说说明明后后基基因因组组学学研研究究的复杂性的复杂性
