人类基因组学与基因组计划.ppt

人类基因组学,（human genomics),第一节 人类基因组和基因组学,基因组（genome） 生殖细胞含1套基因组 1套来自父本生殖细胞 体细胞含 2套基因组 1套来自母本生殖细胞,人类基因组（genome）是人体的所有遗传信息的总和。,完整的人类基因组包含： 1-22号常染色体 核基因组 X和Y染色体 线粒体基因组,一、基因的结构 1、基因分类 单一基因（solitary gene） 基因在单倍体基因组中只有一份。 基因家族（gene family） 重复多拷贝基因，属于两个或更多个相似基因的家族，如珠蛋白基因。 假基因（pseudogene） 一种畸变基因，即核苷酸序列同有功能的正常基因有很大的同源性，但由于突变、缺失或插入以致不能表达，所以没有功能。 串联重复基因（tandemly repeatd sequence） 基因是呈串联重复排列，如tRNA基因、组蛋白基因,Eukaryotic Gene Structure,2、割裂基因（split gene),外显子 内含子 增强子 启动子 终止子（TAA) 侧翼序列（franking sequence） 外显子-内含子接头（GT-AG),人最大基因 dystrophin, 2.5Mb, 80 exons,Prokaryotic Gene Structure,RBS： Ribsome binding sequence UTR： Untranslated region,Alternative splicing is a process突起 by which the exons编码序列 of the RNA produced by transcription转录 of a gene are reconnected in multiple组成 ways during RNA splicing. The resulting different mRNAs may be translated into different protein蛋白质 isoforms同等形式; thus, a single单一的 gene may code遗传密码 for multiple proteins.,Alternative引起改变的 splicing基因片断,二、基因组的组成 （一）单拷贝序列（单一序列）【约10】 在基因组中仅有单一拷贝或少数拷贝，单拷贝序列的长度在800bp1000bp之间，其中有些是编码细胞中各种蛋白质和酶的结构基因。 （二）重复多拷贝序列 【约90】 重复多拷贝序列有的较短，有的较长，分散地穿插于整个基因组。 1、简单序列DNA（simple-sequence DNA， satellite DNA ） 以5bp、10bp或20bp、200bp为一个重复单位； 高度重复，长度可达10*5 bp； 位于染色体的异染色质区。,Detecting microsatellites from genomic DNA.,A microsatellite motif (CT) in a DNA sequence,小卫星DNA（minisateliite DNA）or 可变数目串联重复（variable number of tandem repeats，VNTR） 15bp100bp组成的重复单位，重复2050次形成的lkb5kb的短DNA。 微卫星DNA（microsatellite DNA）或短串联重复（short tandem repeat，STR） 在基因组的间隔序列和内含子等非编码区内，重复序列为lbp6bp ，如（A）n（T）n、（CA）n（TG）n、（CT）n、（AG）n等，表现为多态性。,2、中度重复DNA（intermediate repeat DNA） 以不同的量分布于整个基因组的不同部位，占整个基因组的2540。 Alu家族（Alu family）：短散在核元件，在基因组中的拷贝数重复30-50万,每个拷贝长度约300bp，内含有一个限制性内切酶Alu的特异性识别位点。 Kpn家族（Kpn family） ：长散在核元件，拷贝数为30004800个 ，用限制性内切酶Kpn消化，可分解成4个长度不等的片段。,基因组学 （genomics） 是从基因组整体层次上系统地研究各生物种群基因组的结构和功能及相互关系的学科。 基因组学研究内容的三个基本方面： 结构基因组学 （structural genomics） 功能基因组学 （functional genomics） 比较基因组学 （comparative genomics） 由此又派生出其他研究分支。,第二节 人类基因组计划,人类基因组计划 （ human genome project, HGP） 是20世纪90年代开始的，由世界多个国家参与合作的系统地研究人类基因组的重大科研项目。,HGP的科学目标： 是测定组成人类基因组的全部DNA序列，从而为阐明人类所有基因的结构与功能，解码人类生命奥秘奠基。 HGP的基本任务： 构建人类基因组遗传图，物理图，序列图，为最终完成基因图打下基础。,HGP的技术成果:,主要体现在对人类基因组整体结构的认识，即人类基因组遗传图、物理图、序列图的完成，从而奠定了人类结构基因组学基础。而人类基因图的完成，仍有大量工作要做。,人类基因组计划的三个主要目标图示,遗传图（genetic map） 又称连锁图（linkage map） 是将每条染色体上的基因或遗传标记的相对位置经连锁分析确定下来，构成图谱。 遗传距离： 连锁图中两个基因间图距以1厘摩（cM） 1厘摩（cM）=减数分裂时两个基因间重组值为1%。,遗传标记（genetic marker） 可以是任何一种呈孟德尔遗传的性状或物质形式，如：基因、血型、血清蛋白、DNA多态标记等。确定其在基因组中的位置后，可作为参照标记用于遗传重组分析。,DNA遗传标记,物理图（physical map） 是要将随机长度的DNA片断在染色体上的 排列顺序确定下来。这些克隆DNA片断连接起来，形成重叠克隆群（Contig），再将一个个重叠克隆群（Contig)相连成线状，覆盖整个染色体。这主要靠单拷贝DNA序列标定部位（STS）作路标来实现。,DNA序列标定部位（seguones tagged site, STS) 重叠克隆群（contig） YAC (yeast artificial chromosome) BAC (bacterial artificial chromosome),序列图（sequence map） 是通过对基因组DNA进行碱基排列顺序分析而建立的。 两种技术路线： 1.公共序列路线：即在物理图基础上，将各个BAC克隆片段切成更短的片段，形成亚克隆分别进行测序，再将相互重叠的读出序列组装成连续重叠线。,2.“鸟枪法”测序路线：即直接将基因组DNA分割成20kb左右的小片段进行随机测序，再用超级计算机组装成重叠线。所形成的序列图称celera序列。 ACGTCCGATCGGTTCATGCC TCGGTTCATGCCAATGCCGTCC,基因图（gene map） 即在序列图基础上，用不同的方法测定各个基因所在区域位置。 基因图测定方法： 1.CpG岛的应用：大多数持家基因和40%组织特异性基因5端均存在CpG岛序列。制备 探针，染色体涂染指示基因位置分布。,2.计算机识别：研发计算机GRAIL系统，可识别每个基因区的外显子-内含子接头区保守序列。 3.cDNA策略：由组织细胞中表达mRNA，逆转录合成cDNA片段，称为表达序列标签（EST），将收获EST定位后，构建的图称为转录图，是人类基因图雏形。,人类基因组结构的分析 1. 人类基因组DNA全长约3109bp，相当3600厘摩（cM）。其中仅有约5%的序列为编码序列（编码蛋白或tRNA、rRNA等）。 2. 人类基因组中可能有30000-40000个基因，其中编码蛋白质的外显子只占基因组DNA的1%，内含子则占24%。每个基因平均长27kb，平均含有9个外显子。不同个体间，基因编码仅有0.01%的差异。,3. 基因在各个染色体上的分布是不均匀的，17、19、22号染色体基因密度最高，而4、13、18、X、Y染色体基因密度最低。人类基因组中约20%的区段是没有基因的“沙漠”。,后基因组计划（post-genome project，PGP） PGP的研究领域 人类基因组多样性计划 环境基因组学 功能基因组学（蛋白组学） 疾病基因组学 比较基因组学 药物基因组学 生物信息学,第三节 后基因组计划,一、人类基因组多样性计划（human genome diversity project，HGDP）,人类基因数量一致3-4万个 人类基因组DNA总量均为3109bp 不同个体基因编码仅有0.01%差异,种族多样性 族群多样性 个体特异性,人类基因组的多样性与同一性,二、功能基因组学,功能基因组学（functional genomics） 转录图 基因表达图：三维转录图。,不同时间 不同基因 不同表达水平,不同发育期 不同组织 不同表达水平,同一组织,同一基因,三、比较基因组学（comparative genomics）,各种模式生物基因组序列的比较,生物基因组进化的连续性分析 21%的基因原核生物和真核生物共有 32%的基因真核生物共有而原核生物没有 24%的基因动物所共有 22%的基因脊椎动物特有,四、环境基因组学（enviromental genomics）,是研究与环境因素相关的疾病易感性基因的。 环境相关的疾病易感基因,五、疾病基因组学（morbid genomics）,主要任务是分离重要疾病的致病基因与相关基因，并确定其致病机制。 1.肿瘤癌基因和抑癌基因的定位与克隆； 2.单基因病致病基因的定位与克隆； 3.多基因病数量性状基因座（QTL）的定位与克隆。,六、药物基因组学（pharmacogenomics）,是研究药物及化学物质引起机体反应上的遗传差异，即药物多态性的学科，以便能更安全有效的使用药物，和发现新的药物。,七、生物信息学（bioinformatics）,是生物学与计算机科学和应用数学交叉的一门新兴学科，对生物学实验数据的获取、加工、存储、检索与分析，进而达到揭示数据所含的生物学意义有重要作用。,国际上三大公共基因数据库： Gene Bank：美国国家生物技术信息中心（NCBI） EMBL：美国欧洲生物学信息研究所（EBI） DDBL：日本信息生物学中心（CIB） 生物信息学已改变了基础生命科学研究的运作方式，极大地提高了工作效率。,第四节 基因定位与克隆,基因定位（gene mapping） 就是用一定方法，将各个基因确定到染色 体的实际位置。 基因克隆（gene cloning） 是从基因组中把某一基因用一定方法分离出来，以便进行单一基因精细结构和功能的研究。,一、基因定位,工作历史 主要方法 连锁分析（linkage analysis） 体细胞杂交（somatic cell hybridization） 原位杂交（hybridization in situ） 放射杂种（radiation hybrid） 计算机识别（computer identification）,1连锁分析 同一条染色体上的不同基因呈线性连锁关系，在减数分裂后，结合家系分析，可鉴定子代中的重组体，通过重组值计算，可推断待定位基因与已定位基因间的连锁关系和遗传距离，而实现基因定位。,两个基因如非连锁，则重组值=50%，即随机组合。,A,b,a,B,A,b,a,B,A,B,A,B,a,b,a,b,a,b,a,B,A,B,A,b,两个基因如连锁，则重组值50%，且重组值与遗传距离成正比。,体细胞杂交 人/鼠融合细胞的特点： 融合细胞兼有有双亲细胞染色体，但鼠一方染色体一般全部保留，而人一方染色体在细胞增殖过程中优先丢失，以至最后仅剩少数几条，乃至1条人染色体是基因定位的好材料。结合染色体显带和生化分析技术，可把某些生化性状决定基因定位在保留的一条染色体上。,杂种细胞克隆嵌板,3.原位杂交 是核酸分子杂交技术在基因定位中的应用。用经放射性同位素标记的探针，同染色体标本载玻片上原位变性的染色体DNA进行分子杂交，通过放射自显影来检测与探针杂交结合的染色体同源序列，依据放射性探针在染色体上的显影位置进行基因定位。 荧光原位杂交（FISH）,4.放射杂种,是用射线辐射人体细胞染色体，使其随机片段化，再与鼠细胞融合，形成人/鼠细胞放射杂种，人的随机染色体片段，整合入鼠细胞染色体中。构建放射杂种细胞系克隆嵌板，可用于基因定位。,二、基因克隆,基因克隆的三种策略： 功能克隆（functional cloning） 定位克隆（positional cloning） 候选克隆（candidate cloning）,1.功能克隆,根据目的遗传性状的特征，分析决定基因的功能，推测有关蛋白质。 分析纯化这一蛋白质，并测出部分氨基酸顺序。 根据遗传密码推测可能的mRNA序列。 设计相应的寡核苷酸探针，杂交筛选cDNA或基因组DNA文库，最终获得决定基因的基因克隆。,2.定位克隆,收集目的遗传病的家系，选择遗传标记进行连锁分析，建立目的遗传病与基因组中某染色体区域中遗传标记的连锁关系。 根据这一位置信息，将遗传图