人类基因组计划ppt课件.ppt

第四章人类基因组计划 1 2 3 4 一 什么是基因和基因组1 基因 DNA分子上具有特定遗传效应的一段特定的核苷酸序列 遗传效应 有蛋白质产物或RNA产物或对其它基因起调节效应的功能 2 基因组 是一个单倍体染色体组中所包含的全部遗传物质 有核基因组和线拉体基因组之分 图4 1 5 6 二 人类基因组结构人类基因组结构庞大 复杂 基因组DNA总长度为3 109bp 3 4万个基因分布在24条染色体上 非编码区远远多于编码区 占90 以上 结构基因占3 以单拷贝形式存在 1 DNA序列中的组成结构可分为3种类型 1 单一序列 非重复序列 单拷贝序列 占60 65 绝大多数为蛋白质编码的结构基因 7 2 中度重复序列 占20 30 拷贝数为104 105 包括组蛋白基因 免疫球蛋白基因及RNA基因 绝大多数中度重复序列为不编码序列 成为间隔区 如人类Alu序列家族由300bp的短序列构成 重复达30万 50万拷贝 占基因组3 6 3 高度重复序列 又称为卫星DNA通常是小于10bp的短小序列组成基本单元 重复达105以上 占基因组的10 不能转录 组成异染色质 8 2 结构基因 1 概念 为蛋白质编码的基因叫 其DNA序列大多数是不连续的 编码序列之中往往还插入有非编码序列 2 结构 内含子 非编码的序列叫 外显子 编码序列的片段叫 一个结构基因常常是由多个内含子和多个外显子相间排列组成的 图4 2 n个内含子嵌合排列在n 1外显子之间 故有内外之分 9 10 3 功能 内含子的长度比外显子的大好几倍 一起转录成RNA以后 必须经过剪接加工过程 将内含子部分切除 使外显子连接起来 才能形成成熟的mRNA 成为翻译蛋白质的模板 内含子 含而不显的片段对基因的表达有重要的调控作用 图4 3 3 多基因家族和基因簇 1 多基因家族 真核生物的基因组中有许多来源相同 结构相似 功能相关的基因 这样的一组基因称为基因家族 11 12 如血红蛋白基因家族 指进化过程中由某一个祖先基因经过多次重复和变异所产生的一大类群序列相似 功能相似的基因群 a 有的集中在一条染色体上共同发挥作用 合成某些蛋白质 如组蛋白基因家族中的5种组蛋白基因集中在7号染色体的长臂上的 b 有的多基因家族成员是分散存在于几条染色体上 如人的rRNA基因家族成员分别位于13 14 15 21 22 5条染色体的短臂的核仁组织区中 13 每个区中包含几十个rRNA基因单位 大量转录18SrRNA 28SrRNA 5 8SrRNA 假基因 是基因组中因突变而失活的基因 它和同一家族中的活跃基因在结构上和DNA序列上有相似性 但是没有蛋白质产物 在多基因家族中 有少数成员不产生有功能的蛋白质 这样的基因叫 假基因与正常基因从序列上看是同源的 但是在进化过程中发生突变丧失了功能活性 14 16号染色体上的 基因簇5 1 2 3 5个基因 两个假基因 zi t psai 15 11号染色体上的 基因簇5 G 3 6个基因 一个假基因 ep sailen delt 16 2 基因簇或超基因 同一基因家族中 一些结构和功能更为相似的基因彼此靠近成串地排列在一起 形成一个基因簇 如人类类 珠蛋白基因族 类 珠蛋白基因族 在人类基因组中 有中等重复序列构成的大的基因群 包含有几百个功能相关的基因 紧密成簇状排列 称为超基因 如人类组织相容性抗原复合体HLA 及免疫球蛋白的重链和轻链基因 17 4 线粒体基因组 1 概述 核基因组 线粒体基因组 叶绿体基因组 2 线粒体基因组 很小 但是数量不少 因为一个细胞中有几十到几千个线粒体 所以线粒体基因组总数达到几千份拷贝 3 结构 线粒体DNA上只有1 7万个碱基对 只能编码2种rRNA 22种tRNA和13种蛋白质 图4 4 18 4 特点 严格细胞质遗传 又称为母系遗传 即只有母亲的线粒体基因传递给子女 为什么 先了解受精过程 精子所携带的父亲的线粒体位于精子的颈部 只有精子的头部 精核 进入卵细胞而颈部 19 及以下的尾巴却被折断留在卵细胞的外部 所以受精卵分化发育而成的所有细胞中的线粒体基因组是由母亲的线粒体DNA为模板复制而来 根据人类线粒体进化的推测 人类共同的老祖母 夏娃是来自非洲古大陆 5 功能a 相对独立 能自行合成所需蛋白质 但是其所需要的酶又都是由核基因编码 又受核基因控制 因此被称为半自主性细胞器 20 b 是能量供应器 如果线粒体基因组发生突变 导致细胞生理功能的异常 人体发生疾病 如线粒体脑肌病是病者的线粒体基因组大段缺失 引起脑 神经 肌肉的全身性病变 5 调控基因和调控序列 1 调控基因 指编码产生各种调控蛋白质 对结构基因表达起调控作用的基因 调控序列 指虽然不能产生蛋白质 对结构基因表达也能起调控作用的DNA序列 称为调控序列 图4 5 21 2 部位 结构基因的两侧 结构基因内部的内含子之中 22 3 种类 很多 一小部分基因在表达 绝大部分基因保持沉默 基因组的基因是受高度有序而精确的四维时空表达程序严格调控 进一步依靠那些众多的调节基因 调控序列 调控因子组成的多层次的调控系统来协调实现的 4 常见的调控基因 调控序列 同源异形盒基因a 1995年 美国加洲理工学院诺贝尔奖得主B Lewis在果蝇中发现一组同源异形基因 来自于同一基因的转化 都含有一段同源的保守序列 这些基因的功能是各管果蝇幼虫体节发育的 23 b X射线照射后 某基因会发生突变 该基因所控制的性状就会发生变化 如触角足AntpYu的果蝇突变体 原该长触角的头顶长出了两只长脚 图4 6 锌指基因 a 起调控作用的保守序列 所编码的蛋白质结构之中有一个或数个呈手指状的空间构型 叫 b 稳定维持这种构型 与锌离子的连接有关 故称为锌指 这类蛋白质依靠锌指能特异性识别某种核苷酸序列 它与某些结构基因中相应的序列相结合 以对基因表达起调控作用 人类许多激素受体上都存在锌指结构 24 25 启动子promoter 位于每个基因编码序列5 端 控制基因转录起始的效率 是RNA聚合酶的结合位点 增强子enhancer 能极大的激发启动子的活性 具有远程效应 只要是共处于一条DNA上都能对其发挥作用 对各种基因的启动子都有效 26 20世纪人类科学史上三大计划 40年代的曼哈顿 Manhatton 原子弹计划60年代的阿波罗 Apollo 登月计划90年代的人类基因组计划 27 一 人类基因组计划产生的背景人类基因组计划的产生与 肿瘤计划 的搁浅是分不开的 美国从70年代起启动了 肿瘤计划 但是 不惜血本的投入换来的是令人失望的结果 人们渐渐认识到 包括癌症在内的各种人类疾病都与基因直接或间接相关 测出基因的碱基序列 则是基因研究的基础 这时 科学家们面临两种选择 要么 零敲碎打 地从人类基因组中分离和研究出几个肿瘤基因 要么对人类基因组进行全测序 三 人类基因组计划 28 二 世界的行动1 1984年在科罗拉多州举行的一个科学会议上 美能源部科学家建议发动全国的科技力量来做人类基因组图谱的分析工作 结果支持者寥寥 因为以当时的技术水平 每分析一个碱基对需要3 5美元 搞清30亿个碱基对的排序需要150亿美元的巨资 1986年3月7日 Dulbecco R在 Science Science 231 1055 1056 上发表了一篇名为 癌症研究的转折点 人类基因组全序列分析 的有关开展人类基因组计划的短文 引起了全世界的强烈反响 不仅推动了美国 也推动了全世界的人类基因组计划的发展 1987年初 美国能源部和国家健康研究院为 人类基因组计划 下拨了启动经费550万美元 全年1 66亿美元 29 1988年2月 国家科学研究委员会的专家成立了 国家人类基因组研究中心 由沃森任第一任主任 但是 美国国会正式批准的 人类基因组计划 到1990年10月1日才正式启动 其规模在世界上是最大的 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 至此 被誉为生命科学 阿波罗登月计划 的国际人类基因组计划开始启动 在Dulbecco短文的影响下 整个欧洲都行动起来了 并且各具特色 2 1987年 意大利国家的HGP启动 其特色是技术多样 YAC 杂交细胞 cDNA等 区域集中 X染色体的q24 qter区域 3 1989年2月 英国国家的HGP启动 其特色是资源集中 全国协调 资金 技术Sanger测序 30 4 1990年6月 法国国家的HGP启动 其特色是注重整体基因组 cDNA和自动化 而且法国为世界HGP的研究做出了不可磨灭的功献 法国不仅建立了多态性中心 全基因组的YAC重叠群和微卫星标记技术 而且法国民众进行了捐资 还有驰名中外的用作基因组研究的经典材料CEPH家系 3代80多个家系 5 1990年6月 欧共体通过 欧洲人类基因组计划 主要资助23个实验室重点用于 资源中心 的建立和运转 6 1995年 德国国家的HGP启动 其特色是先后建立了资源中心和基因扫描定为中心 并开始了对21号染色体进行大规模的测序工作 31 7 中国的HGP始于1994年 是在吴旻 强伯勤 陈竺 杨焕明等人的倡导下启动的 最初由国家自然科学基金委员会和 863 高科技计划的支持下 先后启动了 中华民族基因组中若干位点基因结构的研究 和 重大基因相关基因的定位 克隆 结构与功能研究 1998年3月由陈竺院士挂帅成立上海中心 10月改名为中国南方基因中心 同时 决定成立由国家卫生部牵头的若干中国人类遗传资源保护中心 1999年由强伯勤院士挑头在北京先后成立了中国科学院北京人类基因组中心和北方人类基因组中心 1999年7月我国在国际人类基因组HGSI注册 9月中国获准加入人类基因组计划 负责测定人类基因组全部序列的1 也就是3号染色体上的3000万个碱基对 32 中国是继美 英 日 德 法之后第六个国际人类基因组计划参与国 也是参与这一计划的唯一发展中国家 在对人类23对染色体上多达30亿对碱基的测定上 美国人的贡献率最大 承担了54 其次是英国 承担了33 日本为7 法国为2 8 德国为2 2 中国科学家承担了1 的测序任务 33 此外 丹麦 日本 韩国 俄罗斯和澳大利亚也加入行动行列 除政府投资HGP外 世界几乎所有的医药公司都参与人类基因组的研究 与国际人类基因组计划展开竞争 可见 人类基因组计划发展成一个由多国政府支持的国际项目 先后有美 英 日 德 法及中国等国家参加 有16个实验室及1100名生物科学家 计算机专家和技术人员参加 34 杨焕明 1952年10月6日生于浙江温州 1982年在南京铁道医学院生物系获硕士学位 1988年在丹麦哥本哈根大学医学遗传学研究所获博士学位 后到法国马赛免疫中心人类分子遗传实验室进行研究 曾先后在美国哈佛大学 洛杉矶大学加州分校攻读博士后 1997年任中国医学科学院 中国协和医科大学医学遗传学教授 博士生导师 现任中科院遗传所人类基因组中心主任 联合国教科文组织生物伦理委员会委员 国际人类基因组计划中国协调人 中国人类基因组计划秘书长 中国人类基因组多样性委员会秘书长 杨焕明教授与于军 汪建等创立华大基因中心 为中国争取了人类基因组测序1 的任务 并提前完成 不久前他们又对袁隆平院士的超级杂交稻进行测序 在2002年的美国 科学 杂志上发表论文 被国际生物学界认为是一个里程碑式的成就 2002年 科学美国人 把杨焕明评为年度科研领袖人物 35 三 目的和意义1 目的HGP最终的目的是对生命进行系统地和科学地解码 以此达到了解和认识生命的起源 种间和个体间存在差异的原因 疾病产生的机制以及长寿和衰老等生命现象 为疾病的诊治提供科学依据 人类基因作图被喻为人体基因组的解剖学 1990年 全世界人类基因组作图计划实施以来 已经成为整个生命科学研究领域的重中之重 研究成果正带动和促进其他学科的进步和发展 36 2 意义 首先 它可以使人类对自身的了解进一步加深 这给整个生命科学甚至整个人类社会所带来的巨大影响都是不可估量的 其次 对于人类基因组的精确了解有助于对人类基因的表达调控等进行更为深人的研究 第三 获得人类的全部基因序列将有助于人类认识许多遗传疾病以及癌症等疾病的致病机理 为分子诊断 基因治疗等新方法提供理论依据 同时 也有助于人们了解人的发育过程 从而有利于人类的健康 最后 对于人类基因组的了解将有助于人们了解人类的发展 进化历史 37 四 HGP的任务HGP的基本任务可用4张图谱来概括 即遗传图谱 物理图谱 序列图谱和基因图谱 1 种类 根据研究的不同层次分 基因图 细胞遗传图 染色体图 好比军事地图 交通图 航空图 旅游图等 根据不同测量绘制技术分 连锁图 缺失图 限制酶图 STS图等 好比地面实测图 航空测量图 卫星遥测图 但是大体上可归纳为两大类 遗传图和物理图 图4 7 38 2 遗传图 geneticmap 或称为遗传连锁图 是根据基因或者遗传标记之间的交换 重组 值来确定基因在染色体上的相对距离 位置的图谱 其距离单位是厘摩 centimorgan cM 以此纪念现代遗传学奠基人摩尔根 1cM相当于1 的交换值 大约相当于1000kb 3 物理图 physicalmap 是应用物理或化学技术直接确定基因或遗传标记在染色体上或DNA上的具体位置 其距离是以具体的物理长度为单位的 核苷酸对的数目 染色体显带的标号 39 40 五 HGP的研究计划的进展 1 1998年10月23日美国国家人类基因组研究所在美国 科学 杂志上发表声明说 人类基因组计划的全部因因测序工作将比原计划提前两年 即在2003年完成 2 1999年3月15日英国韦尔科姆基金会宣布 由于科学家加快工作步伐 人类基因组工作草图将提前至2000年绘出 3 1999年12月1日国际人类基因组计划联合研究小组宣布 他们完整地破译出人体第22对染色体的遗传密码 这是人类首次成功地完成人体染色体基因完整序列的测定 41 4 2000年3月14日美国总统克林顿和英国首相布莱尔发表联合声明 呼呈将人类基因组研究成果公开 以便世界各国的科学家都能自由地使用这些成果 5 2000年4月6日美国塞莱拉公司宣布破译出一名实验者的完整遗传密码 但不少欧美科学家对此表示质疑认为该公司的研究 没有提供有关基因序列的长度和完整性的可靠参数 因而是 有漏洞的 6 2000年4月底中国科学家按照国际人类基因组计划的部署 完成了1 人类基因组计划完成时间再度提前 预计从原定的2003年6月提前至2001年6月 42 7 2000年5月8日由德国和日本等国科学家组成的国际科研小组宣布 他们已基本完成了人体第21对染色体的测序工作 8 2000年6月26科学家公布人类基因组工作草图 9 2001年2月 人类基因组精细图谱绘制完成 并进行了初步解读 10 至2001年 包括小鼠 果蝇 线虫 拟南芥 酵母 大肠杆菌 枯草杆菌等在内的模式生物基因组测序完成 发现并克隆到许多基因 43 六 HGP的结果 1 全部人类基因组约有2 91Gbp 约有39000多个基因 平均的基因大小有27kb 其中G C含量偏低 仅占38 而2号染色体中G C的含量最多 到目前仍有9 的碱基对序列未被确定 美国和英国科学家2006年5月18日在英国 自然 杂志网络版上发表了人类最后一个染色体 1号染色体的基因测序 在人体全部22对常染色体中 1号染色体包含基因数量最多 达3141个 是平均水平的两倍 共有超过2 23亿个碱基对 破译难度也最大 一个由150名英国和美国科学家组成的团队历时10年 才完成了1号染色体的测序工作 而13号染色体含基因量最少 44 2 目前已经发现和定位了26000多个功能基因 其中尚有42 的基因尚不知道功能 在已知基因中酶占10 28 核酸酶占7 5 信号传导占12 2 转录因子占6 0 信号分子占1 2 受体分子占5 3 选择性调节分子占3 2 等 发现并了解这些功能基因的作用对于基因功能和新药的筛选都具有重要的意义3 基因数量少得惊人 一些研究人员曾经预测人类约有14万个基因 但Celera公司将人类基因总数定在2 6383万到3 9114万个之间 不超过40 000 只是线虫或果蝇基因数量的两倍 人有而鼠没有的基因只有300个 45 4 人类单核苷酸多态性的比例约为1 1250bp 不同人群仅有140万个核苷酸差异 人与人之间99 99 的基因密码是相同的 并且发现 来自不同人种的人比来自同一人种的人在基因上更为相似 在整个基因组序列中 人与人之间的变异仅为万分之一 从而说明人类不同 种属 之间并没有本质上的区别 5 人类基因组中存在 热点 和大片 荒漠 在染色体上有基因成簇密集分布的区域 也有大片的区域只有 无用DNA 不包含或含有极少基因的成分 基因组上大约有1 4的区域没有基因的片段 在所有的DNA中 只有1 1 5 DNA能编码蛋白 在人类基因组中98 以上序列都是所谓的 无用DNA 分布着300多万个长片断重复序列 46 6 男性的基因突变率是女性的两倍 而且大部分人类遗传疾病是在Y染色体上进行的 所以 可能男性在人类的遗传中起着更重要的作用 7 人类基因组中大约有200多个基因是来自于插入人类祖先基因组的细菌基因 这种插入基因在无脊椎动物是很罕见的 说明是在人类进化晚期才插入我们基因组的 可能是在我们人类的免疫防御系统建立起来前 寄生于机体中的细菌在共生过程中发生了与人类基因组的基因交换 47 8 发现了大约一百四十万个单核苷酸多态性 并进行了精确的定位 初步确定了30多种致病基因 随着进一步分析 我们不仅可以确定遗传病 肿瘤 心血管病 糖尿病等危害人类生命健康最严重疾病的致病基因 寻找出个体化的防治药物和方法 同时对进一步了解人类的进化产生重大的作用 9 人类基因组编码的全套蛋白质 蛋白质组 比无脊椎动物编码的蛋白质组更复杂 人类和其他脊椎动物重排了已有蛋白质的结构域 形成了新的结构 也就是说人类的进化和特征不仅靠产生全新的蛋白质 更重要的是要靠重排和扩展已有的蛋白质 以实现蛋白质种类和功能的多样性 有人推测一个基因平均可以编码2 10种蛋白质 以适应人类复杂的功能 48 科学家不止一次宣布人类基因组计划完工 但推出的均不是全本 直到美国和英国科学家2006年5月18日在英国 自然 杂志网络版上发表了人类最后一个染色体 1号染色体的基因测序 杀青的 生命之书 更为精确 覆盖了人类基因组的99 99 解读人体基因密码的 生命之书 宣告完成 历时16年的人类基因组计划书写完了最后一个章节 49 中国的水稻基因组计划 完成时间 2002年4月 碱基数目 基因组总基因序列达4 6亿bp 基因总数 46022 55615个之间 完成单位 由来自北京 杭州华大基因研究中心暨中科院基因