基因组学绪论

1、 第一章 绪 论 基因组学(genomics)是遗传学研究进入分子水平后发展起来的一个分支，主要研究生物体全基因组(genome)的分子特征。 基因组学强调的是以基因组为单位，而不是以单个基因为单位作为研究对象。 因此，基因组学的研究目标是认识基因组的结构、功能及进化， 弄清基因组包含的遗传物质的全部信息及相互关系，为最终充分合理地利用各种有效生物资源，为预防和治疗人类遗传疾病提供科学依据。 （1986年，Renato Dulbecco 提出） “人类基因组计划” 正式启动于1990年。 基因组计划研究开始于1990年，美国国立卫生研究院(NIH)和能源部(DOE)联合启动了被誉为“人体阿波罗

2、计划”的“人类基因组计划”(human genome project，HGP) 。 这是一个跨世纪、跨国界的最伟大的生命科学工程。这是一个跨世纪、跨国界的最伟大的生命科学工程。 美、英、法、德、日、中六国的合作和努力，已于美、英、法、德、日、中六国的合作和努力，已于20012001年完成年完成全部序列测定。全部序列测定。 2000年年6月月26日，各国科学家公布了人类基因组工作草图。日，各国科学家公布了人类基因组工作草图。 2001年8月26日人类，基因组计划中国部分测序 项目 (人的第三号染色体短臂3p) 汇报及联合验收会在京召开，标志人类基因组“中国卷”通过验收。 人类基因组计划 中国科学

3、家:中国中科院遗传所 杨焕明、于军杨焕明、于军等参加了此项计划，占1%，第三号染色体。 人类基因组30亿个碱基对测序，4万基因（2.9-5万）。 四张图：遗传图、物理图、转录图、序列图。 它将对生命科学和人类健康产生巨大的影响和深远的意义。 这一成就可以与曼哈顿原子弹计划、阿波罗人类登月计划相媲美。 与人类登月计划相比，HGP的资金投入少，但它对人类生活的影响都可能更深远; 随着这个计划的完成，DNA分子中储藏约有关人类生存和繁衍的全部遗传信息将被破译; 它将帮助我们理解人类如何作为健康人发挥正常生理功能，还将最终揭示严重危害人类健康疾病的机理。 “人类基因组计划”已将其成果“医学化”,已经鉴

4、定了4万个基因,以克隆了近百个疾病基因,已经生产出40余种基因产品。 有人将人类基因图比作“人类的第三张解剖图” 第一张为人体解剖图，第二张为染色体高分辨显带图，第三张则是分子的基因图。 而这第三张图将揭示人类生、老、病、死的奥秘，其功能基因组学、疾病基因组学、药物基因组学都将为各科遗传病诊断、治疗、探索疾病病因发挥作用。 第一张为人体解剖图男性染色体46, XY女性染色体46，XX人类染色体 例如：1p31带被分为三个亚带，命名为1p31.1，1p31.2，1p31.3，即表示1号染色体短臂3区1带第1亚带、第2亚带、第3亚带。 1p31.3再分时，则写为1p31.31，1p31.32，1p

5、31.33，称为次亚带。第二张为染色体高分辨显带图 染色体高分辨显带能为染色体及其所发生的畸变的提供更多细节。 有助于发现更多、更细微的染色体结构异常，使染色体发生畸变的断裂点定位更加准确。 因此这一技术无论在临床细胞遗传学、分子细胞遗传学的检查上，或者是在肿瘤染色体的研究和基因定位上都有广泛的应用价值。第三张是分子的基因图第三张是分子的基因图测序技术质的飞跃速度提高100倍 2005年，测序技术又有了一个快速的飞跃，454生命科学公司在测序过程中采用了纳米材料，使测序速度提高了100倍。 454生命科学公司也因为这项技术获得华尔街杂志第二届全球创新技术奖的金奖和医药生物技术类别的奖项。 该公

6、司目前已经和世界知名的罗氏宣布商业上的合作，2005年11月罗氏正式开始对中国地区提供基因组测序20系统。 2006年相信这项技术将不断被完善、成熟，为广大的科研工作者提供方便、快捷的服务！皮升级焦磷酸盐测序法技术 基因组学的重要组成部分是基因组计划，如人类、水稻基因组计划，大体可分为： 1、构建基因组的遗传图谱 2、构建基因组的物理图谱 3、测定基因组DNA的全部序列 4、构建基因组的转录本图谱 5、分析基因组的功能 1992年8月，中国根据国情正式宣布实施自己的“水稻基因组研究计划”，已完成水稻基因组物理图谱的构建。 2002年4月5日，Science以14页的篇幅刊登和宣布中国科学家独立

7、绘制完成的水稻基因组草图序列（4.6亿）。第一节 基因基因 (gene)的定义 合成有功能的蛋白质多肽链或RNA所必需的全部核苷酸序列。 一般是DNA序列（或RNA病毒中的RNA）。 具有编码一定生物功能分子的核苷酸序列。第二节 基因组(genome)(genome) 基因组是指一种生物体中的整套遗传信息，一般为一个受精卵或一个体细胞的细胞核中所有DNA分子的总和。 基因组是一种生物体或个体细胞所具有的一套完整的基因及其调控序列。 一特定生物体的整套(单倍体)遗传物质的总和。 基因组的大小用全部DNA的碱基对总数表示。 每种真核生物的单倍体基因组中的全部DNA量称为C值 (C-Value)。什

8、么是什么是C 值？值？C值悖理：值悖理： 生物的复杂性与基因组的大小并不完全成比例增加。生物的复杂性与基因组的大小并不完全成比例增加。C值 (C-Value)细菌细菌真菌真菌等等动物动物阴影部分为一个门内阴影部分为一个门内C-值的范围值的范围 基因组可以分成染色体，染色体包含基因，而基因又由DNA组成。 “基因组”这个词大约产生于1930年，尽管那时科学家不知道它是由什么组成的。但他们唯一认知的是，无论基因组是什么，它已足够重要到要有一名称命名。 地球上的每个物种都有其自己的特色基因组狗基因组、小麦基因组、母牛基因组、感冒病毒基因组、大肠杆菌（一种存活在肠道内和动物肠道内的细菌）基因组等等。

9、由此可见基因组属于物种所有，但是它们也属于个体所有。在非洲热带草原上的每一只长颈鹿都有一套自己独特的基因组，大象、刺槐树和鸵鸟也一样。 除非你是同卵双胞胎，否则你的基因组将不同于这世上的所有其他的人，包括那些已逝去的人。 虽然你的基因组是唯一的，但是仍然可以看出是属于人类基因组的。个人间的基因组差异只是很细小的差异，它与人类同其近邻-黑猩猩之间的差异相比要小得多。 第三节第三节 基因组学基因组学 基因组学基因组学(genomics)：是遗传学研究进入分子水平后发展起来的一个分支，主要研究生物体全基因组(genome)的分子特征。 特点： 是以基因组基因组为研究单位，而不是以单个基因。 目标：

10、是认识基因组的结构、功能及进化， 弄清基因组包含的全部遗传信息及相互关系， 为最终充分合理利用各种有效资源， 预防和治疗人类遗传疾病提供科学依据。 意义意义人类是在“进化”历程上最高级的生物 认识自身和其他生物 掌握生老病死规律和其他规律 为预防、诊断和治疗人类疾病提供科学 依据 了解生命的起源等等基因组计划的主要任务l遗传图谱遗传图谱l物理图谱物理图谱 l序列图谱序列图谱l转录图谱转录图谱 在进行大规模序列测定之前，构建基因组图谱是测定大基因组全部核苷酸序列的重要一环。基因组图谱可作为序列测定中制定测序方案的依据，以便先重后轻地分析基因，锚定测知的核酸序列在染色体上的位置。 因此，在人类基因

11、组计划实施过程中，首先用了六年时间构建高密度的基因组图谱，然后才进入测序工作。 构建基因组的遗传图谱(genetic map)；构建基因组的物理图谱(physical map)；测定基因组DNA的全部序列；构建基因组的转录本图谱；分析基因组的功能。 基因组学的重要组成部分是基因组学的重要组成部分是基因组计划基因组计划(genome project)u大体上可分为：大体上可分为：人类基因组计划人类基因组计划(human genome project，HGP) ：水稻基因组计划水稻基因组计划(rice genome project，RGP) 模式生物基因组计划：模式生物基因组计划：如酵母、线虫、果

12、蝇、小鼠、家猪、拟南芥如酵母、线虫、果蝇、小鼠、家猪、拟南芥一一 、基因组图谱的构建、基因组图谱的构建 鸟枪射击法(shotgun) 基因组序列测定 遗传图谱的构建遗传图谱的构建物理图谱的构建物理图谱的构建(一) 遗传图谱的构建 图谱标记图谱标记 图谱构建中需要可以鉴别的标记(marker)，在构建遗传图谱中，可用基因和DNA作为标记。(1) 基因标记基因标记 (2) DNA标记标记 基因标记：基因标记：用基因作为标记，分析各基因间的连用基因作为标记，分析各基因间的连锁关系及遗传距离，绘制出连锁遗传图谱。锁关系及遗传距离，绘制出连锁遗传图谱。DNADNA标记：标记：限制性内切酶多态性限制性内切

13、酶多态性(RFLP)(RFLP)、简单序、简单序列长度多态性列长度多态性(SSLP)(SSLP)、单核苷酸多态性、单核苷酸多态性(SNPs)(SNPs)。 例如：人类基因组遗传图谱的构建：例如：人类基因组遗传图谱的构建： 人类的遗传图谱是利用家系分析法，在对人类的遗传图谱是利用家系分析法，在对8 8个家系的个家系的134134个成员的分析中，主要根据个成员的分析中，主要根据52645264个个STRSTR标记绘制而成的。利用这些家系的资料绘制第标记绘制而成的。利用这些家系的资料绘制第1 1至至2222号染色体图谱。对于号染色体图谱。对于X X染染色体图谱，还利用了来自另外色体图谱，还利用了来自

14、另外1212个家系，个家系，170170个成员的资料绘制而成。个成员的资料绘制而成。 将将52645264个标记定位在个标记定位在23352335个位点，据此构建的人类基因组遗传图谱的密度为每个标个位点，据此构建的人类基因组遗传图谱的密度为每个标记记599 Kb599 Kb。(二二) 物理图谱的构建物理图谱的构建 由于遗传图谱的分辨率有限、精确性不高，所以还要构建物理图谱。由于遗传图谱的分辨率有限、精确性不高，所以还要构建物理图谱。 基因组物理图谱的构建主要有三种途径：基因组物理图谱的构建主要有三种途径： 限制性酶图谱限制性酶图谱 荧光原位杂交技术荧光原位杂交技术(FISH) (FISH) 序

15、列标签位点序列标签位点(STS)(STS) 如表达的序列标签如表达的序列标签(EST)(EST)， 来自来自cDNAcDNA 物理图谱的构建物理图谱的构建二二 、 基因组图谱的应用基因组图谱的应用 基因定位基因定位基因组比较分析基因组比较分析 标记辅助选择标记辅助选择(marker-assisted selection，MAS) 基因的克隆与分离基因的克隆与分离三三 、 后基因组学后基因组学 后基因组学(post-genomics)：是在完成基因组图谱构建以及全部序列测定的基础上，进一步研究全基因组的基因功能、基因之间的相互关系和调控机制为主要内容的学科。后基因组学主要利用DNA微列阵技术、蛋

16、白质组学、酵母菌双杂交系统以及生物信息学等技术相结合，对已知的基因组序列进行研究。 1.DNA微列阵 DNA微列阵(DNA microarrays)就是利用DNA芯片技术，同时进行大量分子杂交，以分析比较不同组织或器官的基因表达水平，筛选突变基因，从核酸水平分析基因表达模式。 这是后基因组学研究中的重要方法之一 。2. 蛋白质组学 蛋白质组学(proteomics)是从蛋白质水平来研究基因组的基因表达，分析基因组的蛋白质类型、数量、空间结构变异以及相互作用的机制。在蛋白质分析中，目前主要利用奥佛诺(O Farrel，1975)发明的据蛋白质的等电点和分子量分析蛋白质的双向电泳技术，来分析蛋白质

17、组(proteomes)。 3. 酵母菌双杂交系统 酵母菌双杂交系统(two hybrid-systems)是利用在酵母菌的同一个细胞中共同表达不同蛋白质，以鉴定蛋白质之间互作的一种分析方法。自从自从19961996年年酵母菌基因组全序列测定以来，酵母菌基因组全序列测定以来，在在4 4年多时间里，全世界已有年多时间里，全世界已有10001000多个实验室，多个实验室，50005000多名科学家从事酵母菌后基因组学的研究多名科学家从事酵母菌后基因组学的研究，共发表论文，共发表论文70007000多篇，多篇，鉴定鉴定10601060个新基因的功能，个新基因的功能，但仍然还有约但仍然还有约16001

18、600个阅读框架的功能不清楚。个阅读框架的功能不清楚。这些结果充分说明后基因组学研究的复杂性。这些结果充分说明后基因组学研究的复杂性。 4. 生物信息学生物信息学 l生物信息学(bioinformatics)是：利用计算机贮存原始资料，分析生物信息，将DNA芯片以及蛋白质双向电泳结果转变成为可读的遗传学信息的学科。生物信息学是将现代生物技术与计算机科学结合，收集、加工和处理生物资料。具体来说，它是将数学、统计学、计算机方法结合起来，用于综合、分类、分析和阐述生物信息的科学。 Thanks! “人类基因组计划”已将其成果“医学化”,已经鉴定了4万个基因,以克隆了近百个疾病基因,已经生产出40余种基因产品。 有人将人类基因图比作“人类的第三张解剖图” 第一张为人体解剖图，第二张为染色体高分辨显带图，第三张则是分子的基因图。 而这第三张图将揭示人类生、老、病、死的奥秘，其功能基因组学、疾病基因组学、药物基因组学都将为各科遗传病诊断、治疗、探索疾病病因发挥作用。 “人类基因组计划”已将其成果“医学化”,已经鉴定了4万个基因,以克隆了近百个疾病基因,已经生产出40余种基因产品。 有人将人类基因图比作“人类的第三张解剖图” 第一张为人体解剖图，第二张为染色体高分辨显带图，第三张则是分子的基因图。 而这第三张图将揭示人类生、老、病、死的奥秘，其功能基因组学、疾