比较基因组学与分子进化1

1、2021/8/141 比较基因组学与分子进化比较基因组学与分子进化Comparative genomics and molecular evolution 左 元 梅 博士, 教授 2010. 10.132021/8/142必要性可行性应用性课程特色2021/8/143本课程开设的必要性本课程开设的必要性大量模式生物测序工作的完成大量模式生物测序工作的完成2. 公共资源数据体系的大规模建立公共资源数据体系的大规模建立 (NCBI, USA; EMBL, European; DDBJ,Japan)3.面对海量数据，如何从这些数据中获得自己想要的知识，面对海量数据，如何从这些数据中获得自己想要的知

2、识， 搜集、管理、处理、分析、释读能力的要求迅速提升，搜集、管理、处理、分析、释读能力的要求迅速提升，4.比较基因组学和分子进化已经成为生命科学研究的核心和不可分割的学科。比较基因组学和分子进化已经成为生命科学研究的核心和不可分割的学科。5.人类基因组计划的人类基因组计划的巨大巨大潜力去改善人类的健康状况并使人类更好地生存潜力去改善人类的健康状况并使人类更好地生存 2021/8/144模式生物模式生物 (model organism)生物学家通过对选定的生物物种进行科学研究，用生物学家通过对选定的生物物种进行科学研究，用于揭示某种具有普遍规律的生命现象，此时，这种于揭示某种具有普遍规律的生命现

3、象，此时，这种被选定的生物物种就是被选定的生物物种就是模式生物模式生物。比如，孟德尔在。比如，孟德尔在揭示生物界遗传规律时选用豌豆作为实验材料，而揭示生物界遗传规律时选用豌豆作为实验材料，而摩根选用果蝇作为实验材料，在他们的研究中，豌摩根选用果蝇作为实验材料，在他们的研究中，豌豆和果蝇就是研究生物体遗传规律的模式生物。豆和果蝇就是研究生物体遗传规律的模式生物。由于进化的原因，许多生命活动的基本方式在地球由于进化的原因，许多生命活动的基本方式在地球上的各种生物物种中是保守的，这是模式生物研究上的各种生物物种中是保守的，这是模式生物研究策略能够成功的基本基础。策略能够成功的基本基础。 2021/8

4、/145模式生物模式生物基本共同点：基本共同点： 1.有利于回答研究者关注的问题，能够代表生物界的某一大类群；有利于回答研究者关注的问题，能够代表生物界的某一大类群； 2.对人体和环境无害，容易获得并易于在实验室内饲养和繁殖；对人体和环境无害，容易获得并易于在实验室内饲养和繁殖；3.世代短、子代多、遗传背景清楚；世代短、子代多、遗传背景清楚；4.容易进行实验操作，特别是具有遗传操作的手段和表型分析的方法容易进行实验操作，特别是具有遗传操作的手段和表型分析的方法 2021/8/1462021/8/147Genome projectResourse number status model Micr

5、obial genomes 347 complete E.coli Fungal genome 83 in progress, complete S. cerevisiae, mushroomsViral genome 1044 in progress, complete AIDS, SARSParasitic genome 38 in progress, complete Brugia malayi, Heterodera glycines Insect genome 44 in progress , complete Drosophila melanogaster, beetle, bee

6、Plants 34 in progress, complete Arabidopsis thaliana, rice, soybean, maize Mammals 43 in progress, complete Human, mouse, rat, cow, dog, chimpanzeeOther animals 84 in progress, complete C.elegans, zebrafish, chicken, Data from NCBI and TIGR database2021/8/148Number of Genes in 2021/8/1492021/8/14104

7、.首张猫猫基因组草图完成, Genome Res. 17:1675-1689, 2007 狗、小鼠、大鼠以及黑猩猩等在内的基因组“俱乐部” 全球第一张白种人基因组图谱, 7月由美国科学家公布 .中国人基因组图谱(又称“炎黄一号”)， 第一个亚洲人全基因序列图谱, 2007.11月公布,Released Genome Projects, 20073.恒河猴（rhesus macaque，Macaca mulatta）的基因组图谱. Science, 316: 240-243. April 2007.2021/8/14115.衣藻（一种单细胞土生藻类）的基因组测定完成 . Science, 318

8、 : 245 - 250 . 12 October 2007:6.海葵海葵基因组海葵基因组海葵基因组基因组(Nematostella vectensis) Science . 317: 86 94. 6 July 2007:Released Genome Projects, 20072021/8/1412Released Genome Projects, 20081.首个甲虫基因组问世 (Nature，doi:10.1038/nature06784，Tribolium Genome Sequencing Consortium, 3/26/2008） 2.中美联合绘就番木瓜基因组草图 Natur

9、e，452, 991-996 ，Ray Ming, Maqsudul Alam ,4/24/2008)3.科学家绘出鸭嘴兽基因组草图 . (Nature, 453, 175-183，Wesley C. Warren，Richard K. Wilson ,5/8/2008)4.古老蛋白塑造细菌紧凑基因组 (Science，Vol. 320. no. 5878, pp. 935 938，Christopher J. Cardinale，Evgeny Nudler, 5/16/2008) 5.科学家破解根结线虫基因组 ,自然生物技术（Nature Biotechnology），doi:10.1038

10、/nbt.1482，Pierre Abad，Patrick Wincker, 7/29/2008）2021/8/1413Released Genome Projects, 20086.丝盘虫完整基因组测序完成 丝盘虫是拥有最小核基因组的多细胞动物之一，但其包含的用于基因调控的特征序列可在更复杂的动物和人类身上发现。该项研究将丝盘虫定义为动物进化的一个关键点。与包含30亿个碱基对的人类核基因组相比，丝盘虫只有9800万个碱基对 .丝盘虫的线粒体基因组的大小比那些可在绝大多数动物身上发现的要大2倍以上，这些动物具有大多数原始生物一样的基因、内含子（染色体DNA链上有许多段不表达的碱基序列，被称为内

11、含子）及间隔序列。 丝盘虫与人类共享了超过80%的基因，这种动物保留了与刺胞动物和两侧对称动物最后共同祖先的很多特征，它们存在于距今6亿多年前 .Nature，Nature 454, 955-960 ，Mansi Srivastava，Daniel S. Rokhsar,9/10/2008 7.绘制出首幅小麦基因组物理图谱 小麦的基因组不但数量多，且结构复杂，因此对其进行测序被视为“不可能完成的任务”。小麦的染色体共含有170亿对碱基，是水稻的约40倍，是人体的约5倍，因此测序工作进展相对缓慢。 Science，Vol. 322. no. 5898, pp. 101 - 104，Etienne

12、 Paux，Catherine Feuillet, 10/4/2008） 2021/8/14148.一种超级细菌的基因组测序完成一种超级细菌的基因组测序完成 。Steno是一类最新发现的名单不断增加的医院超级细菌，它们显示出的抗药性程度令人担忧。新出现的菌株可以抵抗所有的抗生素，而当前尚没有开发出真对抗这种全耐菌株的新药 。Genome Biology 2008, 9:R74 。9.完成大豆基因组测序 。2008-12-11 Released Genome Projects, 20082021/8/1415Released Genome Projects, 20091.高粱基因组测序 。高粱基

13、因组大约有3万个基因，有7.3亿个核苷酸， 比水稻约多75% 。这项成果将对生物燃料和可再生能源产业产生重要影响 。Nature，457, 551-556 。2.完成牛基因组测序。牛至少有2.2万个基因，其中80与人类共享。牛在遗传上与人类的相似性远远超过老鼠。牛可以替代实验鼠作为研究人类疾病的动物模型 。Science. 5926，522 - 528 。3.马铃薯基因组序列框架图 .马铃薯基因组有12条染色体，8.4亿个碱基对 。2009-9。4.首次绘制出猪基因组草图 。猪的生理结构与人类相似，是研究人类疾病的理想动物模型，目前科学家研究糖尿病、心脏病和皮肤病等都要依赖猪 。2009-11

14、 2021/8/14161.拟南芥, 20002.水稻（粳稻,日本晴 ）, 1998, 国际水稻基因组计划启动 2001，美国的孟山都和瑞士的辛津塔公司 2005, 完成. 中国20%, Nature, 2007.8.183.黑三叶杨,美国, Science,20064.葡萄基因组计划的完成法国，意大利, Nature, 2007.8.265.大豆基因组测序。2008.6.高粱、马铃薯基因组测序。2009Plant Genome Project2021/8/1417Genome Sequencing Project Plant genome size gene No. Published pa

15、perArabidopsis thaliana0.14 Gbp 25,498Nature 408 (2000)Rice37, 544Nature 436 (2005)2859 were not found in ArabidopsisSoybean Lotus japonicusMedicago truncatula0.40 Gbp5.6 Gbp as a daunting task 500 Mbp500 Mbp1,100 MbpMaizewheat 2.42.7 GbpBarely5.0 Gbp17 Gbp2021/8/1418Genome Project in China2.家蚕基因组框架

16、图, 2003,12, Science1.中国水稻(籼稻)基因组，籼稻9311 ， 2001年11月 启动, 2002年4月，Science发表 2021/8/1419Genome Project in China1.绘制出黄瓜基因组精细图 。黄瓜基因组共有约3.5亿个碱基对 ，在黄瓜基因组中共发现了26,682个基因 。Nature Genetics 41, 1275 - 1281 (2009) 2.白菜全基因组的精细图，甘蓝和油菜全基因组的框架图。 2021/8/1420Genome Project in China2.木薯基因组测序木薯基因组测序 完成. 2010.11.大熊猫基因组测序

17、和组装研究。 2010.12021/8/1421Genome Project in China1.世界第一个茶树基因组测序计划在昆启动。 2010.22.启动“1000种动植物基因组计划”， 计划未来两年内为一千种重要动植物进行测序，并从科学界征集测序物种的提案 2021/8/1422人类基因组测序十年记 1.2000年，测序草图 完成。公共财政资助的国际人类基因组计划 ，美国马里兰州的私人公司Celera Genomics 。科学家应该努力将测序结果应用于人类健康方面科学家应该努力将测序结果应用于人类健康方面 2021/8/1423Personal genomics 20世纪50年代，Wat

18、son和Crick提出DNA分子双螺旋结构模型。2007年5月31日 DNA之父”的吉姆沃森得到了一份特殊奖品-生命天书 2021/8/1424Nature 449, 773-776 (2007) Nature封面故事：一位了不起的父亲封面故事：一位了不起的父亲 个人基因组研究个人基因组研究Personal genomics: His daughters DNA 2021/8/1425人类基因组测序十年记 1.2000年，测序草图 完成。公共财政资助的国际人类基因组计划 ，美国马里兰州的私人公司Celera Genomics 。2.Human genome at ten: Science af

19、ter the sequence Nature 465, 1000-1001 (2010) 2021/8/14262021/8/14272021/8/1428人类基因组测序十年记 20多个已发表的人类基因组数据以及近200个还未发表的基因组数据， “基因”，“基因调控”这样的基本概念比他们想象的要复杂得多 。2.不太多的进步包括一些癌症和罕见遗传病的遗传缺陷特异性药物靶标。找到常见的遗传变异与疾病之间关系的研究所取得的成功相当有限 2021/8/1429The revolution in biological information Data explosions1.The EMBL(Euro

20、pean Molecular Biology Laboratory)database is maintained at the European Bioinformatics Institute in Cambridge,UK (Stoesser et al., 2003)2.GenBank is maintained at the National Center for Biotechnology Information in Maryland, USA (Benson et al., 2003)3.The DDBJ (DNA Databank of Japan) is maintained

21、 at the National institute of Genetics in Mishima, Japan (Miyazaki et al., 2003).4. When scientists will create and set up database in China ? 2021/8/1430课程主要内容课程主要内容1.比较基因组学与分子进化在生命科学研究中的比较基因组学与分子进化在生命科学研究中的意义及前景意义及前景2. 不同不同模式生物的基因特征模式生物的基因特征3.基因组序列基因组序列的获取和分析的获取和分析4.基因组序列解答有趣的生物学问题基因组序列解答有趣的生物学问题5

22、.基因组表达及分子进化基因组表达及分子进化6.分子进化的模型及其应用分子进化的模型及其应用7.从遗传学到基因组学从遗传学到基因组学:生物学案例的研究及分析生物学案例的研究及分析8.比较基因组及分子进化的新观点比较基因组及分子进化的新观点2021/8/1431 课程特色和预期目的课程特色和预期目的 讲授大家对生命科学感兴趣感兴趣的问题并在求知欲求知欲的基础上引出新的知识。 从文献中提取出研究的例子，在解答这些研究案例所遇到问题时， 探索科学的内容。 该课程希望设计成探索基因组学和分子进化问题的互动平台互动平台. “在线数据库在线数据库”鼓励学生像真正做研究一样使用数据库进行实时探索。“问题探讨问

23、题探讨”使学生专注于关键信息，利用课堂讲授的工具和信息去思考。 激发学生的学习兴趣并在此基础上理解和掌握比较基因学及分子进化的 基本原理和知识 2021/8/1432本课程开设的可行性本课程开设的可行性2. 丰富的经验丰富的经验 : 生物信息学、功能和比较基因学、蛋白组学、分子生生物信息学、功能和比较基因学、蛋白组学、分子生物学、分子进化应用对各种模式生物的基因组信息和数据库能够熟练的物学、分子进化应用对各种模式生物的基因组信息和数据库能够熟练的应用应用 . 3. 充足的教材资源充足的教材资源: 美美 国大学生物系课程资源国大学生物系课程资源. Specialty1.Molecular bio

24、logy of Plant nutrition2.Cell development in C.elegans3. bioinformatics and molecular evolution4. Comparative genomics5. Plant ecology and physiology.2021/8/14332021/8/14342021/8/14352021/8/14361.The evolution of the Genome,T.Ryan Gregory主编主编 。2005。 Elsevier Academic Press.2.探索基因组学、蛋白质组学和生物信息学探索基因组学

25、、蛋白质组学和生物信息学美美 A.马尔科姆马尔科姆 坎贝尔。坎贝尔。 劳里劳里J. 海尔著，海尔著， 孙之荣主译孙之荣主译.2004.北京：科学出版社。北京：科学出版社。3. Molecular Evolution : A phylogenetic Approach. Roderic D M Page & Edward C Holmes 主编。主编。 2003。Blackwell publishing company.主要教材2021/8/14375. Comparative Genomics: Basic and Applied Research . James R. Brown .

26、20076. Sequence - Evolution - Function: Computational Approaches in Comparative Genomics . Eugene V. Koonin and Michael Y. Galperin . .2010主要教材7. 最新发表的国际学术前沿文章最新发表的国际学术前沿文章2021/8/1438教学宗旨教学宗旨扩大知识面扩大知识面开阔科学思路开阔科学思路培养创新型人才培养创新型人才2021/8/1439内容特色内容特色交叉性交叉性前沿性前沿性应用性应用性2021/8/1440基 因组是中心法则的信息源头,充分和完全的揭示基因

27、组信息是目前生物学研究的基础内容, 基于基因组序列信息的特点和其产生的多学科交叉可能性,可以与其他生 物学科或非生物类的学科有机结合.在学习过程中,要将已经学过组织胚胎学,动物学,植物学,细胞生物学,分子生物学和遗传学等学科的知识融会贯通到其 中,才能很好的理解和掌握本课程的主要内容,将数学,计算机等学科的知识融会到其中也是必要的. 2021/8/1441 本课讲授基因组学基因组学的基本技术和原理,同时讲授基因组学基因组学中的热点和最新进展最新进展,更好的了解和掌握基因组学基因组学. 2.本课程主要讲述生物基因组的基本结构和组成,基因组内基因 的表达和调控, 基因组测序,基因组序列解读,基因组

28、进化的分子基础,基因组进化的模式,分子系统发生学等内容,并讲述人类基因组计划的一些过程以及由此引发的道德伦理 和法律问题,系统向学生讲授基因组学研究的基本内容及相关进展. 3.通过该课程学习,使学生了解结构基因组,功能基因组重要研究领域,热点问题与发展趋势,以及国内外研究现状与进展.2021/8/1442基因组学基因组学是随着人类等基因组计划的完成,独立形成的一门重要的生物学科 基因组学(Genomics)是生物技术专业的限选课程,是对所有基因进行基因组作图(包括遗传图谱,物理图谱,转录本图谱) ,核苷酸序列分析,基因定位和基因功能分析的一门科学. 2021/8/1443教学方式教学方式课堂教

29、学课堂教学 课堂讨论课堂讨论 现场演示现场演示2021/8/1444Teaching style*Always feel free to ask questions* Using combination of English and Chinese More discussion and communication between us. Use more cases from project research Improve your motivation and critical thinking. answer questions related to academic or even

30、personal issues2021/8/1445The impact of this course will be :To capitalize on the current national and international recognition of research project.To build our successful research and training program into an internationally recognized research teamMore important than credits, to accumulate more r

31、esearch experience and critical thinking. 2021/8/1446Instructor: Yuanmei Zuo2 credits , Fall Wednesday, 13:30-17:00 pm, once a week, Talk which is related to your projectSubmitting a mini-paper from your courseThis exam is open book, open notes. The only limitation is that you NOT work with another

32、individual. You CANNOT CANNOT cut and paste answers from Internet sources (all answers must be in your own words!)indicate the students final grade COURSE OVERVIEW2021/8/1447ETHICAL CONDUCTDuring class, please be respectful of whoever is speaking.CHEATING WILL NOT BE TOLERATED.The strength of the un

33、iversity depends on academic and personal integrity. Cheating hurts our community by undermining academic integrity, creating mistrust, and fostering unfair competition. In this course, you must be honest and truthful. Ethical violations include cheating on exams, plagiarism, reuse of assignments, i

34、mproper use of the Internet and electronic devices, unauthorized collaboration, alteration of graded assignments, forgery and falsification, lying, facilitating academic dishonesty, and unfair competition. Ignorance of these rules is not an excuse 2021/8/1448参考书：遗传学参考书：遗传学 分子生物学分子生物学 细胞生物学细胞生物学 分子遗传

35、学分子遗传学 遗传育种学遗传育种学 细胞遗传学细胞遗传学 细胞信号转导细胞信号转导 植物营养遗传学植物营养遗传学 植物营养分子生理学植物营养分子生理学 植物生物化学与分子生物学植物生物化学与分子生物学2021/8/1449I have many books on molecular biology, biochemistry and evolution available for you to explore and check out. (Feigning interest will in no way increase your grade).English books2021/8/145

36、0Top list textbook in EnglishMolecular biology of the cell. Third edition. Bruce Alberts, Dennis Bray,Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, James D. 1994.Watson. Garland Publishing , Inc. New York & London.2. Genetic Analysis. Fifith edition. Anrhonyj. J. F. Griffiths, Jeffrey H. Miller, Dav

37、id T. Suzuki, Richard C. Lewontin, William M . Gelbart. 1993. W. H.Freeman and Company/New York3. Biochemistry. Second edition. Garrett & Garisham.1995. Harcourt college Publishers4. Analysis of biological development. Second Edition. Klaus Kalthoff.2001. The McGraw -Hill Companies, Inc.2021/8/14511.The evolution of the Gnome. T.Ryan Gregory