基因组学PPT课件

基因组学1TransgenicMouse,1982Achievements of gene engineeringTransgenicplant2 带有人生长激素基因的转基因小鼠n 1990年开始的玫瑰兰花改造，玫瑰没有类黄酮化合物 35氢氧化酶，三叶草中提取翠雀花素n 先前研究证实，花青素可以明显减缓结肠癌症细胞生长，同时具有抵抗心血管疾病的功效。3克隆羊 “多莉 ”克隆羊 “多莉 ”的研究者伊斯维姆 .穆特Nucleus transferringcloning 4n 羊通常可以存活 11至 12年，而肺部感染对于高龄羊来说是 “典型的病症 ”。 n 但与此同时也陆续有科学家发现一些克隆动物表现出 “早衰 ”迹象，这被认为是克隆技术自身不完善而对克隆动物的健康造成的危害。但是，科学界对此还没有最后的结论。 n 它的诞生被视为 20世纪末最重要的科学成就之一，它引发了全世界科学家研究克隆技术的热潮，也导致了大量技术和伦理方面的争论。 n 科学家当时一共培育了 277个胚胎，最后只有多利成功出生。体细胞克隆技术的低成功率，一直到现在也没有明显改善。另外，多利今年 6岁多，按绵羊的标准还是中年，它的疾病和死亡，会再度引发克隆动物是否早衰的争论。 克隆动物是否会早衰，是否可能有先天缺陷，是否应当允许科学家进行以培育完成人类个体为目标的克隆人研究，都是当前争论的热点问题。多利的健康状况因此受备关注。 n 现在有人推测是染色体端粒的作用。 多利细胞核是成年羊提供的，端粒相较于正常羊已经很短了，所以他寿命短。 5BiochipHuman Genome Project6n 清华控股博奥生物有限公司暨生物芯片北京国家工程研究中心 n 博奥生物芯片中心由清华大学医学院教授程京院士主持创立，目前在生物芯片研究和应用领域形成了医学系统生物学产业链，已推出生物芯片、生物医学仪器、试剂耗材、软件数据库等多项产品。创立于 2000年 9月的博奥生物芯片中心作为我国第一家采用 “中心公司 ”创新机制的试点单位，先后主持承担了国家 “十五 ”863计划重大专项 “功能基因组与生物芯片 ”、 “十一五”863计划重点项目 “生物芯片关键仪器和试剂 ”等国家级科研课题，参与承担了 30余项 863、 973、自然科学基金和北京市等国家和省部级科研项目，现已探索出了一条新的建设国家工程研究中心的模式，构建起了中国的生物芯片产业链，培养了一批技术产业复合型人才，实现了中国生物芯片行业的跨越式发展。（ 7人造生命辛西娅 Synthia，意为 “人造儿 ” 2010年 5月 克雷格 文特尔 8n 实验中，科研人员先将 “山羊支原体 ”的内部挖空，再向其中注入 “丝状支原体”，最后新的支原体终于开始自我复制，成为世界首个 “人造生命 ”。 n 文特等人的计划，就是想按照这种细菌的基因组序列，用化学方法把核苷酸一个一个连接起来组成基因组。不过，按现在的合成技术，要一口气合成含有 108万个核苷酸的序列是做不到的，所以他们首先要化整为零，把基因组序列分成 1000多个片段，每个片段含 1000个核苷酸，分别合成（其实是从另一家公司订购的）。然后把这些片段放进酵母菌中，由酵母菌把它们组合成完整的细菌基因组。再把基因组从酵母菌中提取出来，放进一种和蕈状支原体很接近的细菌 山羊支原体中。蕈状支原体基因组利用山羊支原体的蛋白质、细胞器等复制自己，形成了新的蕈状支原体。 n 可见文特等人靠人工合成（指用化学方法）的只有基因组部分，就连这部分的合成也还要借助酵母菌的生物合成，不过把这个细节忽略好了。但是基因组自身是没法复制和制造新细胞的，还必须有蛋白质和其他生物分子和它一起工作，还要有细胞质、细胞膜形成的合适环境，所有这一切一开始都不是人工合成的，全都是现成的。所以，这根本不是人造生命、人造细胞，其父母也不只是计算机，至少山羊支原体也是其父母之一。 n 这也不是什么新物种。人工合成的基因组序列是根据蕈状支原体基因组复制的，二者几乎完全相同（除了少量无关紧要的增减和突变）， “制造 ”出的细胞也是蕈状支原体，不是自然界没有的东西，其新颖程度还比不上用遗传工程方法创造出来的新菌株。 n 9n 如果不仅基因组是人工合成的，细胞的其它部分也都是人工合成的，那才算得上是人造细胞。但是这一天仍然遥遥无期，因为细胞的组成极其复杂。例如，对细胞中的蛋白质种类、功能和相互作用我们还所知甚少，更不要说把它们全都一一合成出来了。其实，即使是对基因组蕴含的遗传信息，我们也所知甚少。如果把细胞比作一台机器，基因组就是它的设计图。文特等人所做的，就是拿了一张设计图做底本，然后一笔一画地把它照抄了一遍，对这张设计图的具体内容，则不甚了然。不能说照葫芦画瓢地抄了一张设计图，就相当于制造出了机器。 n 那么这么做有什么意义呢？只是证明了他们有技术能力，能把设计图抄得很完整，而且抄得足够准确，内容基本无误，所以能被细胞识别、复制。细胞对基因组的复制其实也是在抄，只不过抄的方法有所不同。细胞的抄法称为生物合成，利用酶等生物大分子作为工具。而文特等人的抄法属于化学合成。 n 生物伦理学家认为，文特等人的研究证明了化学合成的遗传物质和生物合成的没有区别，生命活动不需要特殊的 “活力 ”，所以欢呼这项成果极为重大。但是这一点不需要文特等人来证明。 “活力论 ”在生物学界早就没有了市场，生物学家早就确信，只要两个分子的化学结构相同，不管用什么方法合成，其性质就不会有任何区别。自从上世纪 70年代以来，生物学家已在遗传工程、分子克隆实验中大量地用到化学合成的遗传物质，从不觉得用它们来取代生物合成的遗传物质会有什么奇怪。如果化学合成的取代不了生物合成的，那必定是由于二者的化学结构还存在差异，而不是由于后者存在特殊的“活力 ”。 n “人造细胞 ”的支持者声称这项技术有广阔的前景，将来能够用于制造生物燃料、疫苗等。但是用遗传工程的办法现在就能实现这些作用，而且可以更方便、更便宜地实现。所谓的 “人造细胞 ”技术也没有出现新的或更大的风险。反对者所担心的那些风险，遗传工程同样有，并不新鲜。 n 10Cell：克隆技术成功制造人类干细胞 n 美国俄勒冈卫生与科学大学和俄勒冈国家灵长类研究中心科学家 2013年 5月 15日表示，该技术使用的是未受精的卵子。 2005年，韩国首尔大学的生物学家黄禹锡在 科学 杂志上声称，通过核移植方法制造了人类胚胎干细胞。 ？11n 美国科学家成功地把未受孕的人类卵子中原有的 DNA去除，然后植入取自成人细胞的基因材料，从而生产出人类胚胎干细胞。这项重大突破发表在 15日的 细胞 杂志上。n 干细胞为起源细胞，是一类具有自我复制能力的多潜能细胞，在一定条件下，它可以分化成多种功能细胞。干细胞是一种未充分分化，尚不成熟的细胞，具有再生各种组织器官和人体的潜在功能，医学界称为 “万用细胞 ”。n 人类胚胎干细胞能够演变成构成人体的大约 200多种细胞中的任何一种。直到现在，人类最自然的干细胞是人类的胚胎，但它的使用和研究却带来了伦理困境。 n 美国俄勒冈卫生与科学大学和俄勒冈国家灵长类研究中心科学家 15日表示，该技术使用的是未受精的卵子。n 不再需要使用人类胚胎可以提高干细胞的应用尝试。在心脏病、帕金森病、严重脊髓损伤和其他人体受损疾病的治疗中，他们的成果可以用来替代受损细胞或被破坏的细胞。n 但是，这项成果可能也会再次引起人们对克隆人类，也就是复制与活着或已经死亡的个人基因相同的人类的担忧。甚至在研究成果公开发表之前，一个称为 “人类基因警戒 ”的英国组织就抗议此类研究。n “这是那些企图克隆人类的人一直等待的结果：用一种可靠的方法克隆人类胚胎。 ”英国反克隆人类组织 “人类基因警戒 ”负责人戴维 金博士说，这显示出通过立法禁止克隆人类的紧迫性。在有关立法出台之前，不应该进行这样的研究，而且发表这样的研究结果是不负责任的。n 然而，也有科学家称赞这项成就。哈佛干细胞研究所的科学家乔治 戴利将这项成果称为 “无与伦比的成就 ”。n 尽管人胚胎干细胞有着巨大的医学应用潜力，但围绕该研究的伦理道德问题一直存在。这些问题主要包括人胚胎干细胞的来源是否合乎法律及道德，应用潜力是否会引起伦理及法律问题等。n 2005年，韩国首尔大学的生物学家黄禹锡在 科学 杂志上声称，通过核移植方法制造了人类胚胎干细胞。黄的说法被证明是一个谎言，并成为过去十年中一个臭名昭著的科学欺诈案件。而黄当年伪造的科研成果正是美国俄勒冈科学家现在获得的成果。n 美国俄勒冈健康科学大学的一个研究小组 15日在美国科学期刊 细胞 网络版上发表文章宣布，通过 “体细胞克隆技术 ”，向卵细胞内植入他人皮肤细胞的细胞核，首次成功制作了能够分化成各种组织的胚胎干细胞。n 这项成果有助于阿兹海默氏症等多种疾病的个性化治疗，但也在客观上助力克隆婴儿的制造前景。也许在不远的将来，某些失去孩子的家长就能通过克隆手段重新 “找回 ”自己的孩子。n 12n 在英国，法律明文规定，所有用于科研的人类克隆胚胎细胞都必须在发育 14天后销毁，且不得植入女性子宫内。其它国家在这一方面的规定相对宽松些。n 但是米塔利波夫认为，他的这项成果难以制造出克隆人，因为他用同样的技术于 2007年制造出了猴子的克隆胚胎干细胞，但最后没能发育成长为完整的猴子胚胎。n 关于人类胚胎干细胞，前韩国首尔大学教授黄禹锡曾在 2004年宣布成功制作，但后被发现是假论文。当时，胚胎干细胞细胞曾被视为再生医疗的 “王牌 ”。n 据日本共同社 5月 16日报道，美国俄勒冈健康科学大学研究员立花真仁等的研究小组 15日在美国科学期刊 细胞 (Cell)网络版上发表文章，宣布已使用 “体细胞克隆技术 ”，向女性提供的卵细胞内植入他人皮肤细胞的细胞核，首次成功制作了能够分化成各种组织的胚胎干细胞 (ES细胞 )。n 俄勒冈健康科学大学 2007年曾成功制作了猴子的克隆 ES细胞。关于人类的 ES细胞，前韩国首尔大学教授黄禹锡曾在 2004年宣布成功制作，但后被发现是假论文。当时， ES细胞曾被视为再生医疗的 “王牌 ”。不过， 20062007年京都大学教授山中伸弥研发了仅用体细胞进行基因操作的人工诱导多功能干细胞 (iPS细胞 )，再加上人类的 ES细胞制作比其他哺乳类的困难许多等原因， ES细胞研究热潮逐渐降温。n 如果使用患者的体细胞，就可以制作因基因相同而不会出现排异反应的治疗用组织。虽然卵细胞的提供是一大难题，但立花则表示： “比起 iPS细胞来，克隆 ES细胞也许较少出现基因异常。希望探讨两者的可能性，为再生医疗作贡献。 ”n 研究小组经校内伦理委员会审批后，在美国国内总计接受了由共 9名 23岁 31岁的女性提供的 126个卵细胞。研究小组将 122个卵细胞去除细胞核，植入了他人皮肤细胞的细胞核，结果有 21个发育到了被称为囊胚 (Blastocyst)的阶段。取该组织的一部分进行培养，然后其中共 6个成为了 ES细胞。促使 ES细胞分化成心肌后，研究小组还确认了脉动。此次成功制作的 6个 ES细胞中，有 4个是由同一名女子提供的卵细胞制成的，它们似乎具有某种容易成为 ES细胞的特质。1314n 在 细胞 杂志的这篇报道中，北大团队巧妙地利用了卵细胞成熟、受精过程出现的独特的结构 极体，它是卵细胞分裂的副产物，并且不参与卵细胞后续的正常发育过程。该团队研究人员发现了一个新的方法，通过对极体的全基因组测序推断出在受精卵中母源基因组的情况，从而选择出一个正常的胚胎进行移植。n 除了在基础研究中的重要意义，这项工作对于临床上严重遗传疾病的诊断和预防方面也有重要意义。这一方法能够帮助医生诊断出来自母亲卵子或者父亲精子的遗传病。乔杰教授解释说： “今年是人类辅助生殖成功应用 35周年， 35年来 IVF技术给无数家庭带来了福音。不孕不育问题困扰着高达 10%-15%的育龄夫妇，而 IVF技术是解决不孕不育问题的重要方法之一。我们正在采用极体单细胞基因组测序技术去提高 IVF的成功率，特别是对于高龄以及反复流产的妇女。 ”n 汤富酬教授进一步解释说： “我们利用这一技术一箭双雕地实现了两个目标，既能够检测染色体异常也能够检测与遗传疾病有关的 DNA序列变异。这项技术有可能将试管婴儿的活产成功率从目前的 30%提高到 60%。 ”15 定义 1：生物所携带的遗传信息的总和。 所属学科： 免疫学 （一级学科）基因组（ genome） 定义 2：一种生物体具有的所有遗传信息的总和。 所属学科： 生物化学与分子生物学 （一级学科） 定义 4：单倍体细胞核、细胞器或病毒粒子所含的全部 DNA分子或 RNA分子。 所属学科： 遗传学 （一级学科） ； 基因组学 （二级学科） 定义 3：个体或细胞所含的全套基因的总和。在原核生物中即一个连锁群中所含的全部遗传信息。 所属学科： 细胞生物学 （一级学科）16 1 基因组学概述基因组（ genome）， 又称染色体组一个物种单倍体的染色体数目， 就是一个单倍体细胞的所有 DNA组成，或者是一个双倍体细胞 DNA组成的一半物种遗传信息的 “总词典 ”控制发育的 “总程序 ”生物进化历史的 “总档案 ”17基因组学（ genomics）1986年由 T.Roderick提出，已经发展成为遗传学中最重要的分支学科。包含：庞大的 数据集 （人类基因组约 30亿个碱基对）高通量的方法 （快速获取数据的方法）18n 以整个基因组为研究单位，而不以单个基因为单位作为研究对象。n 经典的 “基因学 ”与 “基因组学 ”的相同之处是研究基因 ,不同之处是在策略上 ,前者是 “零敲碎打 ”,而后者是 “整体阐明 ”，从整体上研究人类整个基因组的序列n 基因组学n 是以分子生物学技术，计算机技术和信息网络技术为研究手段，以生物体内全部基因为研究对象，在全基因背景下和整体水平上探讨生命活动的内在规律及其与内外环境的关系的一门科学。n 基因组学的分类n 根据研究的目的可分为：n 结构基因组学；建立高分辨率的遗传、物理转录和序列等图谱。n 功能基因组学；确定并分析基因组的 全部功能 。19包括的领域：p DNA测序p 在物种内进行基因组多样性的采集p 基因转录调控的研究转录组、蛋白质组、代谢组、糖组、变异组20n 2008浙江大学 迪诺遗传与基因组医学研究中心获 悉：该中心代表中国加入 “国际人类基因变异组计划 ”，并参与 “糖尿病营养基因组学 ”国际合作研究项目。n 国际人类基因变异组计划将通过建立基因座位专一数据库，收集所有研究文献、临床机构尚未发表的致病突变和非致病变异资料，分析揭示基因型和临床表型关系和发病机制，以期实现临床基因诊断，为防治疾病，实现个性化医学提供条件。 n 该中心已陆续开展中国人重大疾病基因谱研究，建立疾病基因数据库、标本库，寻找识别尚未发现的经典遗传病学与多基因病的致病基因、易感基因以及相关的外部环境、行为诱发因子 21基因组学研究的最终目标u 获得生物体全部基因组序列u 鉴定所有基因的功能u 明确基因之间的相互作用关系u 阐明基因组的进化规律221、经典遗传学p 在 20世纪初，遗传学刚刚诞生的时候，遗传学家的工作主要是鉴别感兴趣的基因，确定这些基因在染色体上的位置。p 第一个环节：寻找自发突变体，或者利用物理、化学因素诱发突变。p 第二个环节：通过连锁分析确定新基因与已知基因的相互关系，绘制遗传连锁图。基因组学发展历程23CREDIT: JOE SUTLIFF Science, Vol 291: 1221.Fishing in a More Effective Way!钓鱼 ？ 竭泽而渔？24n 美国启动被誉为 “人体阿波罗计划 ”的 “人类基因组计划 ”，投资 30亿美元，历时 15年 测定 人类基因组的30亿个核苷酸对 的排列次序 构建 高分辨率的人类基因组遗传图谱和物理图谱 发展 生物信息学252、人类基因组计划 HGP 1990，美国国立卫生研究所和能源部投资 30亿，启动了人类基因组计划，预计 15年时间完成人类基因组全部序列的测定 1996，完成标记密度为 0.6cM的人类基因组遗传图谱，100kb的物理图谱 2000，完成草图 2001年 2月，公布人类基因组图谱的修订版 2002，完成测序工作 2003年 4月 14日， 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。1998年 5月，在美国 罗克威尔组建私人公司：塞莱拉遗传公司，目标是投入 3亿 美元，到 2001年绘制出完善的人体基因图谱，与国际人类基因组计划展开竞争26n 人类基因组计划简史n 1986年，意大利杜伯克在 科学 上撰文，号召大家联合起来，从整体上把人类的基因组搞清。n 1990年 10月，经 5年的辩论以后，美国国会终于批准被誉为生命科学 “阿波罗登月计划 ”的国际人类基因组计划。n 1998年 5月，在美国 罗克威尔组建私人公司：塞莱拉遗传公司，目标是投入 3亿美元，到 2001年绘制出完善的人体基因图谱，与国际人类基因组计划展开竞争 。n 1999年 12月 1日，国际人类基因组计划联合研究小组宣布，完整破译出人体第 22对染色体的遗传密码。n 2000年 5月 8日，由德国和日本等国际科研小组宣布，基本完成了人体第 21对染色体的测序工作。n 2000年 6月 26日，中、美、日、德、法、英等 6国科学家公布人类基因组工作草图，标志着人类在解读自身 “生命之书 ”的路上迈出了重要一步。n 2001年 2月 12日， 6国科学家和美国塞莱拉公司联合公布人类基因组图谱及初步分析结果。n 2003年 4月 14日， 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 27亿美元。并公开研究数据和结果，赢得了这场竞赛。n 但国际 HGP的协作组与私人公司的竞争仍没有停止过，目前在许多领域研究仍进行竞争，如在单个基因型的 SNP图谱研究方面27HGP主要组成部分 构建基因组的遗传图谱； 构建基因组的物理图谱； 测定基因组 DNA的全部序列