基因组学基本知识

1、 基因组学基本知识基因组学基本知识 一、基因组学概述一、基因组学概述二、人类基因组计划二、人类基因组计划三、基因组学的研究内容三、基因组学的研究内容四、基因组学的应用四、基因组学的应用五、基因组学的研究方法五、基因组学的研究方法一、基因组学概述一、基因组学概述n基因组学（基因组学（Genomics）：）：1986年提出，指对生物体年提出，指对生物体所有基因进行所有基因进行基因组作图基因组作图、核苷酸序列分析核苷酸序列分析、基因基因定位定位和和基因功能分析基因功能分析的一门科学。的一门科学。 n基因组（基因组（Genome）：生物体配子中所包含的全部）：生物体配子中所包含的全部染色体及其基因，包

2、括细胞质基因组，为物种全部染色体及其基因，包括细胞质基因组，为物种全部遗传信息的总和。也指某一生物的所有遗传信息的总和。也指某一生物的所有DNA。物种遗传信息的物种遗传信息的“总词典总词典”、控制发育的、控制发育的“总程序总程序”、生物进化历史的生物进化历史的“总档案总档案”基因组学研究的最终目标基因组学研究的最终目标n 获得生物体全部基因组序列获得生物体全部基因组序列n 鉴定所有基因的功能鉴定所有基因的功能n 明确基因之间的相互作用关系明确基因之间的相互作用关系n 阐明基因组的进化规律阐明基因组的进化规律CREDIT: JOE SUTLIFF Science, Vol 291: 1221.F

3、ishing in a More Effective Way!钓鱼钓鱼竭泽而渔竭泽而渔几个代表物种的基因组大小几个代表物种的基因组大小300 Mbp300 Mbp1990年，国际人类基因组计划启动年，国际人类基因组计划启动（1）提出背景）提出背景q族群间的通婚增多，人类基因资源需要保护。族群间的通婚增多，人类基因资源需要保护。q“基因相关论基因相关论”：所有的疾病都是人类基因组：所有的疾病都是人类基因组与病原基因组中的直接或间接作用的结果。与病原基因组中的直接或间接作用的结果。q“全基因组全基因组”信息记录着一个人有关生、老、信息记录着一个人有关生、老、病、死的重要信息，如能否秃顶、发胖等。病

4、、死的重要信息，如能否秃顶、发胖等。二、人类基因组计划二、人类基因组计划（2）主要内容：）主要内容：q构建基因组的遗传图谱；构建基因组的遗传图谱；q构建基因组的物理图谱；构建基因组的物理图谱；q测定基因组测定基因组DNA的全部序列；的全部序列；q绘制基因组的转录本图谱；绘制基因组的转录本图谱；q分析基因组的功能。分析基因组的功能。（3）研究目的）研究目的q找出所有人类基因，破译出人类全部遗传信息，找出所有人类基因，破译出人类全部遗传信息，使得人类在分子水平上全面认识自我使得人类在分子水平上全面认识自我q将基因用于改善人类的生活质量将基因用于改善人类的生活质量q解决人类疾病、健康的问题解决人类疾

5、病、健康的问题（4）研究意义）研究意义确定人类基因的序列、物理位置、产物及功能确定人类基因的序列、物理位置、产物及功能理解基因转录与转录后调节理解基因转录与转录后调节研究空间结构对基因调节的作用研究空间结构对基因调节的作用发现与发现与DNA复制、重组等有关的序列复制、重组等有关的序列研究研究DNA突变、重排和染色体断裂等，了解疾病的分突变、重排和染色体断裂等，了解疾病的分子机制子机制确定人类基因组中转座子、逆转座子和病毒残余序列确定人类基因组中转座子、逆转座子和病毒残余序列研究染色体和个体之间的多态性研究染色体和个体之间的多态性（5）研究进展）研究进展1996年，完成标记密度为年，完成标记密度

6、为0.6cM的人类基因组遗的人类基因组遗传图谱，传图谱，100kb的物理图谱的物理图谱2000年，人类基因组框架草图绘制完成年，人类基因组框架草图绘制完成2001年年2月，人类基因组精细图谱的完成月，人类基因组精细图谱的完成 2002年，完成测序工作年，完成测序工作三、基因组学的研究内容三、基因组学的研究内容基因组学基因组学结构结构基因组学基因组学功能功能基因组学基因组学(后基因组学后基因组学)基因组作图基因组作图基因定位基因定位基因组测序基因组测序物理图谱物理图谱遗传图谱遗传图谱转录本图谱转录本图谱基因结构基因结构/功能及其相互关系功能及其相互关系基因识别基因识别/鉴定鉴定/克隆克隆基因表达

7、调控基因表达调控利用利用EST作为作为标记所构建的标记所构建的分子遗传图谱分子遗传图谱n功能基因组学：利用结构基因组学提供的信息系统功能基因组学：利用结构基因组学提供的信息系统地研究基因功能，从对单一基因或蛋白质的研究转地研究基因功能，从对单一基因或蛋白质的研究转向对多个基因或蛋白质同时进行系统的研究。向对多个基因或蛋白质同时进行系统的研究。n功能基因组学就是对基因组序列进行诠释功能基因组学就是对基因组序列进行诠释。n功能基因组学的衍生学科功能基因组学的衍生学科q转录组学、蛋白质组学、代谢组学转录组学、蛋白质组学、代谢组学q比较基因组学比较基因组学n糖组学、药物基因组学、疾病基因组学、环境基因

8、组糖组学、药物基因组学、疾病基因组学、环境基因组学、营养基因组学、表基因组学学、营养基因组学、表基因组学转录组学转录组学n比较不同组织和不同发育阶段、正常状态与疾病比较不同组织和不同发育阶段、正常状态与疾病状态，以及体外培养的细胞中等基因表达模式的状态，以及体外培养的细胞中等基因表达模式的差异差异, 通过如通过如RT-PCR、EST、SAGE、DNA芯片芯片等分析方法，描绘特定细胞或组织在特定状态下等分析方法，描绘特定细胞或组织在特定状态下的基因表达的种类和丰度的信息，编制成基因表的基因表达的种类和丰度的信息，编制成基因表达的数据。达的数据。 蛋白组学蛋白组学q一个细胞或一个组织基因组所表达的

9、全部蛋白质（在空间一个细胞或一个组织基因组所表达的全部蛋白质（在空间和时间上动态变化着的整体）。和时间上动态变化着的整体）。q提供各种活性蛋白质的翻译时间、基因产物相对浓度、修提供各种活性蛋白质的翻译时间、基因产物相对浓度、修饰作用、细胞定位等信息。饰作用、细胞定位等信息。q功能蛋白质组学功能蛋白质组学以在特定时间、特定环境条件下的蛋白质以在特定时间、特定环境条件下的蛋白质为研究对象（与某一生理现象有关），是个别蛋白的传统为研究对象（与某一生理现象有关），是个别蛋白的传统研究和全体蛋白质的蛋白质组研究的中间层次。研究和全体蛋白质的蛋白质组研究的中间层次。q研究各活性蛋白之间的相互作用，蛋白质与

10、研究各活性蛋白之间的相互作用，蛋白质与DNA、RNA之间的相互作用等，揭示蛋白质表面相互作用特征的能力，之间的相互作用等，揭示蛋白质表面相互作用特征的能力，构建全细胞的蛋白网络。构建全细胞的蛋白网络。代谢组学代谢组学n代谢组指的是代谢组指的是“一个细胞、组织或器官中，所有代谢组分一个细胞、组织或器官中，所有代谢组分的集合，尤其指小分子物质的集合，尤其指小分子物质”n代谢组学是代谢组学是 “在新陈代谢的动态进程中，系统研究代谢在新陈代谢的动态进程中，系统研究代谢产物的变化规律，揭示机体生命活动代谢本质产物的变化规律，揭示机体生命活动代谢本质”的科学。的科学。n代谢组学关注的是各种代谢路径底物和产

11、物的小分子代谢代谢组学关注的是各种代谢路径底物和产物的小分子代谢物，反映细胞或组织在外界刺激或是遗传修饰下代谢应答物，反映细胞或组织在外界刺激或是遗传修饰下代谢应答的变化，包括糖、脂质、氨基酸、维生素等。的变化，包括糖、脂质、氨基酸、维生素等。比较基因组学比较基因组学n1988年，发现番茄和马铃薯的遗传图谱很相似。年，发现番茄和马铃薯的遗传图谱很相似。 n基于结构基因组学，对基因和基因组进行比较，以了解基基于结构基因组学，对基因和基因组进行比较，以了解基因的表达、功能和进化。因的表达、功能和进化。n对同一物种不同个体以及不同物种的基因组进行比较，分对同一物种不同个体以及不同物种的基因组进行比较

12、，分析基因的大小、数量，基因排列顺序，编码序列与非编码析基因的大小、数量，基因排列顺序，编码序列与非编码序列的特征等，以揭示物种进化关系，克隆重要性状基因序列的特征等，以揭示物种进化关系，克隆重要性状基因和进行遗传研究和性状改良。和进行遗传研究和性状改良。四、基因组学的应用四、基因组学的应用n确定物种特有的序列确定物种特有的序列n研究物种的遗传多样性研究物种的遗传多样性n研究物种的起源及系统进化研究物种的起源及系统进化n进行新基因的克隆（染色体步移）进行新基因的克隆（染色体步移）n进行基因功能的预测进行基因功能的预测n获得功能分子标记获得功能分子标记五、基因组学的研究方法五、基因组学的研究方法

13、（一）遗传图谱的构建（一）遗传图谱的构建（二）物理图谱的构建（二）物理图谱的构建（三）基因组测序（三）基因组测序（四）基因鉴定（四）基因鉴定（五）基因功能研究（五）基因功能研究（二）物理图谱的构建（二）物理图谱的构建为什么要构建基因组图谱？为什么要构建基因组图谱？基因组计划的主要任务是获得基因组计划的主要任务是获得全基因组序列全基因组序列但是，现在的测序方法每次只能测但是，现在的测序方法每次只能测8001000bp大量的测序片段要拼接大量的测序片段要拼接要知道序列在染色体上的位置才能正确拼接要知道序列在染色体上的位置才能正确拼接基因组计划的第一个环节：构建基因组图谱基因组计划的第一个环节：构建

14、基因组图谱v物理图谱物理图谱：DNA标记在染色体上的实际位置。标记在染色体上的实际位置。v有遗传图谱为什么还要构建物理图谱？有遗传图谱为什么还要构建物理图谱？v遗传图谱分别率有限，测序要求标记间隔小于遗传图谱分别率有限，测序要求标记间隔小于100kb，遗传图谱的标记间隔远大于，遗传图谱的标记间隔远大于100kbv精确性不够，经典遗传学认为，交换是随机发生精确性不够，经典遗传学认为，交换是随机发生的，但基因组中有些区域是重组热点，而且倒位、的，但基因组中有些区域是重组热点，而且倒位、重复等染色体结构变异会限制交换重组重复等染色体结构变异会限制交换重组酵酵母母遗遗传传图图与与物物理理图图比比较较A

15、 A 遗传图遗传图B B 物理图物理图人类基因组物理图人类基因组物理图v 1987年，年，RFLP图谱，图谱，403个标记，个标记，10Mbv 1994年，年，5800个标记，个标记，0.7Mbv 1996年，年，17000多个标记，多个标记，100kbv 完全适应全基因组测序的要求完全适应全基因组测序的要求（1）限制性酶切图谱：使用酶切位点在基因组中出）限制性酶切图谱：使用酶切位点在基因组中出现频率低的内切酶现频率低的内切酶qSma I，每，每78kb只有只有1个切点个切点qBssH ，每，每390kb只有只有1个切点个切点qNot I，每，每10Mb 只有一个切点只有一个切点构建物理图谱的

16、构建物理图谱的3条途径条途径限制酶作图限制酶作图限制酶作图限制酶作图（2）荧光原位杂交：通过荧光标记的探针与）荧光原位杂交：通过荧光标记的探针与DNA分子杂交，杂交信号即探针分子杂交，杂交信号即探针DNA在染色体在染色体上的图谱位点。上的图谱位点。q取处于有丝分裂中期的细胞制片，将染色体变取处于有丝分裂中期的细胞制片，将染色体变性成单链（性成单链（染色体拉丝染色体拉丝），在将标记的），在将标记的DNA探探针变性后杂交到染色体上，保温处理后，显微针变性后杂交到染色体上，保温处理后，显微镜下直接观察。镜下直接观察。荧光原位杂交原理荧光原位杂交原理（3）序列标签位点）序列标签位点q利用某一已知序列为

17、标签的位点（利用某一已知序列为标签的位点（sequence tagged sites，STS）作探针，与）作探针，与DNA杂交，绘杂交，绘制物理图谱。制物理图谱。qSTS的要求：的要求：n已知序列，便于已知序列，便于PCR检测检测n基因组中仅一个位点，无重复基因组中仅一个位点，无重复v有些标记既是遗传标记，又是物理标记的分子有些标记既是遗传标记，又是物理标记的分子标记如标记如RFLP标记、标记、SSR标记等标记等v借助这些标记利用比较作图可以将遗传图和物借助这些标记利用比较作图可以将遗传图和物理图整合起来理图整合起来遗传图与物理图的整合遗传图与物理图的整合（三）基因组测序（三）基因组测序n利用

18、现有利用现有DNA测序方法，每个测序反应通常测序方法，每个测序反应通常只能得到只能得到800个核苷酸的序列。个核苷酸的序列。n小基因组物种常用鸟枪法。小基因组物种常用鸟枪法。鸟枪射击法鸟枪射击法n大基因组测序存在两个问题：大基因组测序存在两个问题：q片段数庞大，片段间连接和装配非常复杂片段数庞大，片段间连接和装配非常复杂q基因组中相同或相似的重复序列在连接和装基因组中相同或相似的重复序列在连接和装配时容易出错配时容易出错n大基因组测序方法大基因组测序方法q克隆连续序列法克隆连续序列法q定向鸟枪射击法定向鸟枪射击法n克隆连续序列法克隆连续序列法：DNA切割成长度为切割成长度为0.1-1Mb的的大

19、片段大片段克隆到克隆到YAC或或BAC载体上载体上分别测定单分别测定单个克隆序列个克隆序列再装配连接成连续的再装配连接成连续的DNA分子。分子。n定向鸟枪射击法定向鸟枪射击法：以基因组图谱中标记为依据：以基因组图谱中标记为依据测序装配和构建不同测序装配和构建不同DNA片段的序列。片段的序列。（四）基因鉴定（四）基因鉴定n根据序列分析搜寻基因根据序列分析搜寻基因q查找开放阅读框（查找开放阅读框（open reading frame, ORF）n同源查询同源查询q利用数据库的基因序列与待查基因组序列比对。利用数据库的基因序列与待查基因组序列比对。q同源查询可以部分弥补同源查询可以部分弥补ORF扫描的不足。扫描的不足。根据序列分析搜寻基因根据序列分析搜寻基因 v 查找开放阅读框（查找开放阅读框（open reading frame, ORFopen reading frame, ORF）v 开放阅读框都有一个起始密码子，开放阅读框都有一个起始密码子，ATGATG，还要有，还要有终止密码子终止密码子。v 从从ATGATG开始，然后向下游寻找终止密码子。开始，然后向下游寻找终止密码子。v 起始密码子和终止密码子之间的碱基数目要能够起始密码子和终止密码子之间的碱基数目要能够被被3 3整除