《基因组学概论》PPT课件.ppt

,基因组学 (Genomics),马珊珊,,郑州大学生命科学学院,32 学时：16周，2学时/周 考试方式：闭卷考试 考试成绩：30%平时成绩（出勤率+课堂表现）+70%卷面成绩,课程安排,目 录,第1章 基因组学概论 第2章 基因组多态性 第3章 基因组作图 第4章 基因组序列的诠释 第5章 基因组的进化与分子系统学 第6章 重组DNA技术及其应用 第7章 分子杂交与印迹技术 第8章 PCR技术及其应用 第9章 转基因动物技术的应用与发展 第10章 生物芯片的应用与发展 第11章 新基因功能研究的策略与方法 第12章 RNAi技术的应用与发展,第1章 基因组学概论,DNA,RNA,基因组学 转录组学,蛋白质组学,？,？ 蛋白质,课程的依据和支撑： 生命科学的重大基石 中心法则,基因组学,概念 技术,内容 发展,一、基因组学概况,（一）基因组学基本概念,（二）基因组学分支,（三）基因组学的意义,（一）基因组学基本概念,1. 基因（gene）,2. 基因组（genome）,3. 基因组学（genomics）,1. 基因(Gene),基因(gene)是1909年丹麦植物学家W.Johannsen 根据希腊文单词genos(birth,给予生命）创造的。,现代分子生物学的基因概念： 基因是储存和表达某一多肽链信息或RNA分析信息所必需的全部核苷酸序列，即一个基因不仅包括编码蛋白质或RNA的核酸序列，还应包括为保证转录所必需的调控序列。 基因是生命体传递和表达遗传信息的基本单位。,2. 基因组（genome）,基因组(genome)一词系由德国汉堡大学H. Winkles 教授于1920年首创，从GENe和chromosOME组成。用 于表示生物的全部基因和染色体组成的概念。,基因组（genome）：生物所具有的携带遗传信息的遗传物质的总和,是指生物细胞中所有的DNA，包括所有的基因和基因间区域。 人的核基因组：30亿bp（最新资料说28.5亿） 22.5万个蛋白编码基因,真核生物基因组：,核基因组,线粒体基因组 叶绿体基因组,原核生物基因组：,染色体 质粒,病毒基因组：病毒颗粒携带的遗传物质,3. 基因组学（genomics）,由美国科学家Thomas,Roderick于1986年首创。,基因组学（genomics）： 就是对所有基因进行基因 作图、核苷酸序列分析、 基因定位和基因功能分析 的一门学科。,简言之，基因组学就是在基因组水平上研究基 因组结构和功能的科学，其内容包括基因的结 构、组成、存在方式、表达调控模式、基因的 功能和相互作用等，是研究与解读生物基因组 所蕴藏的所有遗传信息的一门新的前沿学科。,（二）基因组学分支,结构基因组学 功能基因组学 比较基因组学,1. 结构基因组学,通过基因组作图、核苷酸,序列分析，研究基因组结 构，确定基因组成、基因 定位的科学。,（1）基因组测序,DNA测序:1000bp。 细菌基因组:58万bp 人类基因组:30亿bp。 因此，首先将整个基因组的DNA分解为一 些小片 段，然后将这些分散的小片段逐个测序，最后将测 序的小片段按序列组装。,（2）基因组作图,在长链DNA分子的不同 位置寻找特征性的分子标 记，绘制基因组图。,根据分子标记可以准确无 误地将已测序的DNA小片段 锚定到染色体的位置上。,2. 功能基因组学,利用结构基因组学,提供的信息和产物，,在基因组系统水平 上全面分析基因功 能的科学。,功能基因组学的研究内容:,(1)进一步识别基因以及基因转录调控信息。,(2)弄清所有基因产物的功能，这是目前基因组 功能分析的主要层次。,(3)研究基因的表达调控机制，分析基因产物之 间的相互作用关系，绘制基因调控网络图。,3. 比较基因组学,研究不同物种之间在基因组结构和功能 方面的亲源关系及其内在联系的学科。,比较基因组学的研究内容:,绘制系统进化树，显示进化过程中最主要的 变化所发生的时间及特点。据此可以追踪物种的 起源和分支路径。,(2)了解同源基因的功能。,(3)对序列差异性的研究有助于认识产生大自然生 物多样性的基础。,（三）基因组学的意义,生物学研究,医学,生物技术 制药工业 社会经济 生物进化,伦理，法律及社会,尤其是人类疾病基因的研究,(1)单基因病疾病基因研究,如血友病等,人类基因组计划使我们了解基因组序列。,现在采用定位候选克隆方法极大地提高了 发现疾病基因的效率。,（2）多基因病疾病基因研究， 例如心脏病，糖尿病，癌症等。,用比较基因表达谱的方法来识别疾病状态下基因的激活或抑制。,（3）癌症基因组解剖学计划,（Cancer Genome Anatomy Project，CGAP）,1996年癌症基因组解剖学计划开始。主要由美国癌症研究所（National cancer institute）开展。,二、基因组学的历史沿革,（一）1900年代以前:前遗传学时代,（1）1859 年C.Darwin 在On the Origin of Species这一名著中，提出了物种进化的自然选 择学说达尔文进化论。 生物的来源进化 生物的性状遗传 进化的动力选择,前遗传学时代,（2）1865年G.Mendel发表豌豆杂交实验结果，提出了遗传学的两大遗传规律分离规律和独立分配规律，并认为是生物体内的遗传因子或遗传颗粒控制生物性状。,前遗传学时代,（二）19001950年代:经典遗传学时代,（标志： 1900年,孟德尔遗传规律再发现标志着遗传学的诞生）,人们开始把控制生物遗传性状的遗传单 位称为基因(gene)。生命科学的研究基本 上都是围绕着基因来进行。,经典遗传学时代,1839年 细胞学说的提出；,1869年 发现DNA；随后，RNA也被发现；,1879年 染色体的发现，并认为染色体最可能是DNA 、,RNA和蛋白质的一种；,1902年 染色体学说的产生,合理解释了Mendel的实验结果;,1910年 发现了遗传学的第三大遗传规律连锁遗传规律,（决定两对性状的两对基因位于同一对染色体上，就会发生连锁遗传现象）,证明基因的确存在于染色体上，并呈线状排列。,1944年 证实了DNA是携带遗传信息、构成染色体的生物大,分子；,经典遗传学时代,肺炎双球菌的转化实验,(Griffith, 1928;Avery,1944),遗 传 物 质 是,D N A,经典遗传学时代,遗 传 物 质 是,R,N,A,噬菌体侵染细菌实验,遗 传 物 质 是,D,N,A,烟草花叶病毒侵染实验,经典遗传学时代,总之，自从人们认识到“基因决定生物性,状”，“基因的本质就是核酸主要是DNA”,之后，就从来没有停止对基因的研究。,经典遗传学时代,（三）19501990年代:分子生物学时代 （前基因组学时代）,（标志：Watson & Crick 的DNA双螺旋结 构的发现 Nature1953.4.25，标志 着分子生物学时代的开始）,分子生物学时代,1953年，J.Watson，F.Crick根据DNA的X射线衍射图谱，提出了DNA双螺旋结构模型，解释基因复制的机制，从而真正开始从分子水平上研究生命活动。 生物学研究也从此进入了分子生物学时代。,分子生物学时代,James Dewey Watson （1928）,Francis Harry Compton Crick （19162004）,分子生物学时代,19531970年，分子生物学的迅猛发展: mRNA、DNA聚合酶、RNA聚合酶的发现； DNA半保留复制机理、操纵子学说等的提出； 遗传密码的发现，其通用性的证明； 64个密码子破译； 中心法则：“DNARNA蛋白质”的建立,标志着 分子生物学学科理论体系形成； 重组DNA技术的建立，使得分子生物学的技术体系初 步形成，或者说，生命科学进入了前基因组学时代。,分子生物学时代,1.逆转录酶的发现，修正和完善了中心法则：,DNA DNA,RNA RNA,蛋白质 蛋白质,DNA,RNA,？ 蛋白质,转录 转录 逆转录,转录 逆转录,翻译 ？,翻译 翻译,分子生物学时代,20世纪80年代，人们从疯牛病等疾病中发现其感染 因子是一种与正常细胞膜蛋白（PrPC）一级结构完 全相同，但高级结构、理化特性不同的PrPSc或 prion蛋白（阮蛋白？）。,目前的研究提示，这种不含有核酸的prion蛋白似乎具有自身复制的能力，也就是说这种蛋白本身就储备了生命活动必需的遗传信息。,2.Prion蛋白的发现进一步推动中心法则的演变,分子生物学时代,？,？,蛋白质,DNA,RNA,比较完善的中心法则个人观点,转录,逆转录,翻译,分子生物学时代,3.工具酶的发现、重组DNA技术的建立 4.“断裂基因”的发现 5.DNA测序方法建立，读取遗传信息成为可能； 6.PCR技术建立， 7.基因表达与调控研究的不断拓宽和深入； 8.转基因技术的建立与转基因动植物的成功； 9.人类疾病的基因诊断和基因治疗,分子生物学时代,尽管人类很早就开始了对基因的研究，但真 正有系统地研究基因组、解码生命还是于1990年 人类基因组计划启动后才开始的。,（四）19902000年代：基因组学时代,（标志：人类基因组计划的实施标志着基因 组学时代的开始）,基因组学时代,1.人类基因组计划,人们回顾过去的20世纪一百年中所取得的辉煌,成就时，认为最激动人心的伟大创举之一就是 和“曼哈顿原子弹计划”、“阿波罗人类登月计划” 一起被誉为20世纪科学史上三个里程碑的“人类 基因组计划”(human genome project,HGP)。,基因组学时代,1985年5月，美国能源部提出“人类基因组计划草案； 1986年3月7日，Dulbecco R在Science上发表了 一篇有关开展人类基因组计划的短文,推动了全世界的人类基因组计划的发展； 1990年10月1日美国国会正式批准的“人类基因组计 划”。计划在15年内投入30亿美元以上的资金进行人类基因组的分析，即对人类3109个核苷酸进行测序。,基因组学时代,（1）HGP(human genome project,HGP)的内容：,人类基因组作图及序列分析，基因的鉴定、 基因组研究技术的建立与创新、模式生物基因 组作图和测序、信息系统的建立、储存及相应 软件的开发、相关产业的开发等。,2.HGP的内容、任务与进展,基因组学时代,（2）HGP的任务,HGP的基本任务可用4张图谱来概括，即遗传 图、物理图、转录图（基因图）、序列图。,基因组学时代,遗传图(genetic map)：又称连锁图(linkagemap), 是以具有遗传多态性的遗传标记作为“位标”，遗传 学距离为“图距”的基因组图。 需要应用多态性标志RFLP、VNTR（串联重复顺序 多态性）、SNP。,B.物理图谱（physical map）：是以一段已知核苷 酸的DNA片段为“位标”,以DNA实际长度(Mb或Kb)作 为图距的基因组图。,基因组学时代,C.转录图（transcription map)：是以表达 序列标记(expressed sequence tags,EST) 作为位标，实际上就是人类“ 基因图” 的雏 形，又称cDNA图或“表达序列图”。,D.序列图(sequence map)：也就是人类基因组,核苷酸序列图，是分子水平上最高层次、最详,尽的物理图。,基因组学时代,物理图谱,序列图谱,遗传图谱 转录图谱,这四张图被誉为人类“分子水平上的的解剖图” 或“生命元素周期表”，可见其重要性。,基因组学时代,3. HGP的几个阶段性工作,（1）在2000年6月完成“工作框架图”。,（2）在2001年2月15日、16日Nature、Science几乎同时发表人类基因组的草图,人类基因组计划的测序基本完成。,（3）2001年完成的序列图谱。,基因组学时代,（4）2003年4月）HGP正式宣告全部完成,各项指标均如期完成。 （5） 2005年2月18日首次公布人类基因差异图谱，从而向真正个人化医疗迈进了一大步。 （6）2004年10月21日,认为人类只有2万2.5万个基因,比原先预计的10万个基因数要少得多。,最新研究显示人类基因数量比原先估计少得多，这是人 类与其他种类基因数量的比较 (2004.10.21Nature),30,000,Mouse,基因组学时代,（五）2001后基因组学时代,（标志：功能基因组学、蛋白质组学的 兴起标志着后基因组学时代的开始）,后基因组学时代,三、后基因组学产生的背景,遗传信息并不直接参与生命活动。一个基因所,含的遗传信息，通过一系列复杂的反应，最终,导致了相应的蛋白质形成，蛋白质再参与到生,命的各种活动中去。,不管怎么说，人类基因组计划（HGP）经过各 国科学家十几年的的努力，人类基因组计划已取 得了巨大成绩,整个计划已提前完成.所取得的划 时代研究成果人类基因草图的完成宣告了一个 新的纪元“ 后基因组学（post-genomics）时 代”的到来。,后基因组学时代要做的工作，就是如何将人 类基因组计划所获知的人类基因序列转变为 对人类自身奥秘的认识？如何对这些基因加 以利用？,功能基因组学将成为新世纪最大战略资源,人类基因资源夺战的重要“战场” 。,功能基因组学主要是采用一系列新技术，对,成千上万的基因表达进行分析比较，并从基,因整体水平上对基因的活动规律进行阐述。,它抛弃了经典分子生物学零敲碎打地研究各,别基因的习惯，力求从细胞水平上解决基因,组问题，以建立对生命现象的整体认识。,在过去的50多年内，实验生命科学的主,要目标是寻找特定的基因或蛋白质，从,而在分子水平上根据个别的基因或蛋白,质行为来解释生命活动。,随着科学的发展，人们逐渐认识到，过去得 到的图景过于简单。生命实际上是一个由成 千上万种基因、蛋白质和其他化学分子相互 作用构成的复杂系统；对于高等生物而言， 除了分子层面的复杂行为外，还有着细胞、 组织和器官等不同层面的复杂活动；生命现 象是这样一种复杂系统的整体行为。,四、后基因组学的主要,研究内容与发展趋势,20世纪是以核酸的研究为中心，带动了生命科学不断向纵深发展： 50年代的DNA双螺旋结构， 60年代的操纵子学说， 70年代的DNA重组, 80年代的PCR技术， 90年代的DNA测序, 21世纪的蛋白质组技术、基因（生物）芯片技术、RNAi技术、干细胞研究等都具有里程碑的意义。,将生命科学带向一个：由宏观到微观再到宏,观、由分析到综合的时代。那么，21世纪生命 科学发展趋势怎样呢？随着“人类基因组计划” 的实施和完成，人类基