基因组学ppt课件

1、 第第13章章 基因组学基因组学 基因组学基因组学 1 1 基因组学概述基因组学概述 2 2 基因组图谱的构建基因组图谱的构建3 3 基因组测序基因组测序4 4 功能基因组学功能基因组学本章教学时数：本章教学时数：4 4学时。学时。本章重点：基因组方案的根本流程。本章重点：基因组方案的根本流程。本章难点：分子标志和基因图谱；本章难点：分子标志和基因图谱； 研讨基因功能的方法研讨基因功能的方法 1 1 基因组学概述基因组学概述 基因组基因组genomegenome，又称染色体组，又称染色体组 一个物种单倍体的染色体数目，物种全一个物种单倍体的染色体数目，物种全部遗传信息的总和部遗传信息的总和 物

2、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基因组学genomicsgenomics19861986年提出，至今年提出，至今2020年，曾经开展成为年，曾经开展成为遗传学中最重要的分支学科。遗传学中最重要的分支学科。对物种的一切基因进展定位、作图、测对物种的一切基因进展定位、作图、测序和功能分析序和功能分析基因组学研讨的最终目的基因组学研讨的最终目的u 获得生物体全部基因组序列获得生物体全部基因组序列u 鉴定一切基因的功能鉴定一切基因的功能u 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u 阐明基因组的

3、进化规律阐明基因组的进化规律经典遗传学经典遗传学 在在2020世纪初，遗传学刚刚诞生的时候，遗传世纪初，遗传学刚刚诞生的时候，遗传学家的任务主要是鉴别感兴趣的基因，确定这学家的任务主要是鉴别感兴趣的基因，确定这些基因在染色体上的位置。些基因在染色体上的位置。 第一个环节：寻觅自发突变体，或者利用物第一个环节：寻觅自发突变体，或者利用物理、化学要素诱发突变。理、化学要素诱发突变。 第二个环节：经过连锁分析确定新基因与知第二个环节：经过连锁分析确定新基因与知基因的相互关系，绘制遗传连锁图。基因的相互关系，绘制遗传连锁图。几个代表物种的基因组大小几个代表物种的基因组大小物种物种基因组大小/bp基因组

4、大小/bpT4噬菌体T4噬菌体2.0102.0105 5大肠杆菌(大肠杆菌(Escherichia coli) )4.2104.2106 6酵母(酵母(Sccharomyces cerevisiae) )1.5101.5107 7拟南芥(拟南芥(Arabidopsis thaliana) )1.0101.0108 8秀丽小杆线虫(秀丽小杆线虫(Caenorhbditis elagans) )1.0101.0108 8果蝇(果蝇(Drosophila melanogaster) )1.65101.65108 8水稻(水稻(Oryza sativa) )3.89103.89108 8小白鼠(小白鼠

5、(Mus musculus) )3.0103.0109 9人类(人类(Homo sapiens) )3.3103.3109 9玉米玉米(Zea mays) )5.4105.4109 9普通小麦(普通小麦(Triticum aestivum) )1.6101.6101010钓鱼钓鱼竭泽而渔竭泽而渔CREDIT: JOE SUTLIFF Science, Vol 291: 1221.Fishing in a More Effective Way!基因组学的研讨内容基因组学的研讨内容q 构造基因组学构造基因组学q 功能基因组学功能基因组学q 蛋白质组学蛋白质组学构造基因组学构造基因组学structu

6、ral genomics 基因定位基因定位 基因组作图基因组作图 测定核苷酸序列测定核苷酸序列功能基因组学功能基因组学functional genomicsfunctional genomics 又称后基因组学又称后基因组学postgenomics)postgenomics) 基因的识别、鉴定、克隆基因的识别、鉴定、克隆 基因构造、功能及其相互关系基因构造、功能及其相互关系 基因表达调控的研讨基因表达调控的研讨蛋白质组学蛋白质组学proteomicsproteomics 鉴定蛋白质的产生过程、构造、功能和鉴定蛋白质的产生过程、构造、功能和相互作用方式相互作用方式人类基因组方案人类基因组方案19

7、901990，美国国立卫生研讨所和能源部投资，美国国立卫生研讨所和能源部投资3030亿，启动了人类基因组方案，估计亿，启动了人类基因组方案，估计1515年时间完成人类基因组全部序列的测定年时间完成人类基因组全部序列的测定20192019，完成标志密度为，完成标志密度为0.6cM0.6cM的人类基因组的人类基因组遗传图谱，遗传图谱，100kb100kb的物理图谱的物理图谱20002000，完成草图，完成草图20192019年年2 2月，公布人类基因组图谱的修订版月，公布人类基因组图谱的修订版20192019，完成测序任务，完成测序任务2 基因组图谱的构建基因组图谱的构建基因组方案的主要义务是获得

8、全基因组序列基因组方案的主要义务是获得全基因组序列但是，如今的测序方法每次只能测但是，如今的测序方法每次只能测8008001000bp1000bp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要知道序列在ChrChr上的位置才干正确拼接上的位置才干正确拼接基因组方案的第一个环节：基因组方案的第一个环节： 构建基因组图谱构建基因组图谱基因组图谱基因组图谱 遗传图谱遗传图谱genetic map 物理图谱物理图谱physical map遗传图谱遗传图谱genetic map 采用遗传分析的方法将基因或其它采用遗传分析的方法将基因或其它DNADNA序列标定在染色体上构建连锁图。序列标定在染色体

9、上构建连锁图。遗传标志遗传标志q有可以识别的标志，才干确定目的的方位有可以识别的标志，才干确定目的的方位及彼此之间的相对位置。及彼此之间的相对位置。q构建遗传图谱就是寻觅基因组不同位置上构建遗传图谱就是寻觅基因组不同位置上的特征标志。的特征标志。q包括：包括：q 形状标志形状标志q 细胞学标志细胞学标志q 生化标志生化标志q DNA DNA分子标志分子标志多态性多态性polymophism一切的标志都必需具有多态性！一切的标志都必需具有多态性！ 花样：白色、红色花样：白色、红色 株高：高、矮株高：高、矮 血型：血型：A、B、O型型 淀粉：糯、非糯淀粉：糯、非糯一切多态性都是基因突变的结果！一切

10、多态性都是基因突变的结果！形状标志形状标志形状性状：株高、颜色、白化症等形状性状：株高、颜色、白化症等又称表型标志又称表型标志数量少数量少很多突变是致死的很多突变是致死的受环境、生育期等要素的影响受环境、生育期等要素的影响q 最早建立的果蝇连锁图，就是利用控制最早建立的果蝇连锁图，就是利用控制果蝇眼睛的外形、颜色，躯体的颜色、果蝇眼睛的外形、颜色，躯体的颜色、翅膀的外形等形状性状作为标志，分析翅膀的外形等形状性状作为标志，分析它们连锁关系及遗传间隔，绘制而成的。它们连锁关系及遗传间隔，绘制而成的。q 控制性状的其实是基因，所以形状标志控制性状的其实是基因，所以形状标志本质上就是基因标志。本质上

11、就是基因标志。果果蝇蝇连连锁锁图图细胞学标志细胞学标志v明确显示遗传多态性的染色体构造特征明确显示遗传多态性的染色体构造特征和数量特征和数量特征v 染色体的核型染色体的核型v 染色体的带型染色体的带型v 染色体的构造变异染色体的构造变异v 染色体的数目变异染色体的数目变异v优点：不受环境影响优点：不受环境影响v缺陷：数量少、费力、费时、对生物体缺陷：数量少、费力、费时、对生物体的生长发育不利的生长发育不利生化标志生化标志v 又称蛋白质标志又称蛋白质标志v 就是利用蛋白质的多态性作为遗传标志。就是利用蛋白质的多态性作为遗传标志。v 如：同工酶、贮藏蛋白如：同工酶、贮藏蛋白v 优点：数量较多，受环

12、境影响小优点：数量较多，受环境影响小v 缺陷：受发育时间的影响、有组织特异缺陷：受发育时间的影响、有组织特异性、只反映基因编码区的信息性、只反映基因编码区的信息DNADNA分子标志分子标志简称分子标志简称分子标志以以DNADNA序列的多态性作为遗传标志序列的多态性作为遗传标志优点：优点： 不受时间和环境的限制不受时间和环境的限制 遍及整个基因组，数量无限遍及整个基因组，数量无限 不影响性状表达不影响性状表达 自然存在的变异丰富，多态性好自然存在的变异丰富，多态性好 共显性，能鉴别纯合体和杂合体共显性，能鉴别纯合体和杂合体限制性片段长度多态性限制性片段长度多态性restriction fragm

13、ent length polymorphismrestriction fragment length polymorphism，RFLPRFLPv DNA DNA序列能或不能被某一酶酶切，相当于一对序列能或不能被某一酶酶切，相当于一对等位基因的差别。等位基因的差别。 v 如有两个如有两个DNADNA分子一对染色体，一个具有分子一对染色体，一个具有某一种酶的酶切位点，而另一个没有这个位点，某一种酶的酶切位点，而另一个没有这个位点，酶切后构成的酶切后构成的DNADNA片段长度就有差别，即多态片段长度就有差别，即多态性。性。v 可将可将RFLPRFLP作为标志，定位在基因组中某一位作为标志，定位在基

14、因组中某一位置上。置上。v人类基因组中有人类基因组中有105105个个RFLPRFLP位点，每一位点只位点，每一位点只需两个等位基因。需两个等位基因。RFLPRFLP分析分析RFLP标志位共显性标志标志位共显性标志微卫星微卫星microsatellite标志标志v微 卫 星 又 称 为 简 单 反 复 序 列 微 卫 星 又 称 为 简 单 反 复 序 列 s i m p l e s i m p l e sequence repeatsequence repeat，SSRSSR。v这种反复序列的反复单位很短，经常只需这种反复序列的反复单位很短，经常只需2 2个、个、3 3个或个或4 4个核苷酸

15、个核苷酸v如一条染色体如一条染色体TCTGAGAGAGACGCTCTGAGAGAGACGCv 另一染色体另一染色体TCTGAGAGAGAGAGAGAGACGCTCTGAGAGAGAGAGAGAGACGC，就构，就构成了多态性。成了多态性。遗传图谱的构建方法遗传图谱的构建方法 v 实际根底实际根底: 连锁与交换连锁与交换v 根本方法根本方法: 两点检验法和三点检验法两点检验法和三点检验法植物遗传图谱的构建植物遗传图谱的构建v 选择研讨资料亲本选择研讨资料亲本v 构建分别群体构建分别群体v 遗传标志检测遗传标志检测v 标志间的连锁分析标志间的连锁分析选择亲本选择亲本 要求亲缘关系远，遗传差别大 但

16、又不能相差太大以导致引起子代不育。 对备选资料进展多态(差别)性检测，综合测定结果，选择有一定量多态性的一对或几对资料作为遗传作图亲本。构建作图群体构建作图群体 遗传标志的染色体定位遗传标志的染色体定位v 利用遗传学方法或其它方法将少数标志利用遗传学方法或其它方法将少数标志锚定在染色体上，作为确定连锁群的参锚定在染色体上，作为确定连锁群的参照系。照系。v 常用的方法：常用的方法：v 单体分析单体分析v 三体分析三体分析v 代换系分析代换系分析v 附加系分析附加系分析标志间的连锁分析标志间的连锁分析v利用在两个亲本间有多态性的标志分析利用在两个亲本间有多态性的标志分析分别群体中一切个体的基因型分

17、别群体中一切个体的基因型v根据连锁交换的情况，确定标志之间的根据连锁交换的情况，确定标志之间的连锁关系和遗传间隔连锁关系和遗传间隔v有计算机软件可以运用有计算机软件可以运用水稻遗传图水稻遗传图v 1994 1994年，水稻第一张高密度遗传图谱年，水稻第一张高密度遗传图谱v 927 927个位点，个位点， 3 3个标志个标志v 2019 2019年，年，11571157个位点，个位点，22752275个标志个标志v 2000 2000年，年，32673267个标志个标志v 高密度的遗传图谱为基因组测序和遗传高密度的遗传图谱为基因组测序和遗传研讨奠定了坚实的根底。研讨奠定了坚实的根底。人类遗传图谱

18、的构建人类遗传图谱的构建v 不能够根据需求选择亲本，设计杂交组合，构建不能够根据需求选择亲本，设计杂交组合，构建分别群体！分别群体！v 只能检测现存家庭延续几代成员的基因型只能检测现存家庭延续几代成员的基因型v 家系分析法家系分析法v 资料有限、必需借助于统计学方法资料有限、必需借助于统计学方法现有的人类遗传图谱现有的人类遗传图谱v 1 12222号染色体号染色体v 8 8个家系个家系134134个成员个成员v X X染色体，染色体，1212个家系个家系170170个成员个成员v 5364 5364个个SSRSSR标志标志v 2335 2335个位点个位点v 标志间的平均间隔标志间的平均间隔5

19、99kb599kb物理图谱的构建物理图谱的构建v 用分子生物学方法直接检测用分子生物学方法直接检测DNADNA标志在标志在染色体上的实践位置绘制成的图谱称为染色体上的实践位置绘制成的图谱称为物理图谱。物理图谱。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？ 遗传图谱的缺陷遗传图谱的缺陷v 分别率有限分别率有限v 人类只能研讨少数减数分裂事件，不能人类只能研讨少数减数分裂事件，不能获得大量子代个体获得大量子代个体v 测序要求每个标志的间隔小于测序要求每个标志的间隔小于100kb100kbv 实践是实践是599kb599kb遗传图谱的缺陷遗传图谱的缺陷 准确性不够准确性不

20、够 经典遗传学以为，交换是随机发生的经典遗传学以为，交换是随机发生的 基因组中有些区域是重组热点基因组中有些区域是重组热点 倒位、反复等染色体构造变异会限制交倒位、反复等染色体构造变异会限制交换重组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 A 遗传图遗传图B B 物理图物理图物理作图的方法物理作图的方法1 1、限制酶作图、限制酶作图2 2、依托克隆的基因组作图、依托克隆的基因组作图3 3、荧光原位杂交、荧光原位杂交4 4、序列标签位点作图、序列标签位点作图限制酶作图限制酶作图restriction mappingrestriction mapping限制酶作图限制酶作图restri

21、ction mappingrestriction mapping荧光原位杂交荧光原位杂交fluorescent in situ hybridization，FISH荧光原位杂交荧光原位杂交fluorescent in situ hybridization，FISH荧光原位杂交荧光原位杂交fluorescent in situ hybridization，FISH荧光原位杂交荧光原位杂交fluorescent in situ hybridization，FISH人类基因组物理图人类基因组物理图v 1987 1987年，年，RFLPRFLP图谱，图谱，403403个标志，个标志，10Mb10Mbv

22、 1994 1994年，年，58005800个标志，个标志，0.7Mb0.7Mbv 2019 2019年，年，1700017000多个标志，多个标志，100kb100kbv 完全顺应全基因组测序的要求完全顺应全基因组测序的要求遗传图与物理图的整合遗传图与物理图的整合v有些标志既是遗传标志，又是物理标志有些标志既是遗传标志，又是物理标志v RFLP RFLP标志标志 SSR SSR标志标志 某些基因序列某些基因序列v借助这些标志可以将遗传图和物理图整借助这些标志可以将遗传图和物理图整合起来合起来基因组测序战略基因组测序战略v有了高密度的基因组图谱，就可以开场全有了高密度的基因组图谱，就可以开场全

23、基因组测序了基因组测序了v测序的技术飞速开展，如今可以全自动化测序的技术飞速开展，如今可以全自动化v测序的战略有两个：测序的战略有两个：v 鸟枪法鸟枪法v 克盛大叠群法克盛大叠群法鸟枪法鸟枪法shotgun sequencingshotgun sequencing鸟枪法的优缺陷鸟枪法的优缺陷v优点：优点：v 不需求高密度的图谱不需求高密度的图谱v 速度快、简单、本钱低速度快、简单、本钱低v缺陷：缺陷：v 拼接组装困难，尤其在反复序列多的区域拼接组装困难，尤其在反复序列多的区域v主要用于反复序列少、相对简单的原核生物基主要用于反复序列少、相对简单的原核生物基因组因组克盛大叠群法克盛大叠群法clo

24、ne contigv 将基因组将基因组DNADNA切割长度为切割长度为0.1Mb0.1Mb1Mb1Mb的的大片段，克隆到大片段，克隆到YACYAC或或BACBAC载体上载体上v 然后再进展亚克隆，分别测定单个亚克然后再进展亚克隆，分别测定单个亚克隆的序列隆的序列v 再装配、衔接成延续的再装配、衔接成延续的DNADNA分子。分子。v 这是一种自上而下这是一种自上而下up to downup to down的测的测序战略序战略 v clone-by-clone method clone-by-clone method两两种种基基因因组组测测序序战战略略The E.coli genomeA port

25、ion of the E.coli chromosome showing genes and operons. A dot indicates the promoter for each gene or operon. Arrows and color indicate the direction of transcribtion: dark blue genes are transcribed left to right, light blue are transcribed right to left.Overlapping gene are shown in green.功能基因组学功能

26、基因组学v 完成基因组测序，仅仅是基因组方案的完成基因组测序，仅仅是基因组方案的第一步，更重要的任务在于弄清楚：第一步，更重要的任务在于弄清楚：v 基因组序列中所包含的全部遗传信基因组序列中所包含的全部遗传信息是什么；息是什么；v 基因组作为一个整体如何行使功能。基因组作为一个整体如何行使功能。v就是对基因组序列进展诠释的过程，也就是对基因组序列进展诠释的过程，也就是功能基因组学的研讨内容。就是功能基因组学的研讨内容。 根据序列分析搜索基因根据序列分析搜索基因 v 查找开放阅读框查找开放阅读框open reading frame, ORFopen reading frame, ORFv 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