基因组学与医学

1、会计学1基因组学与医学基因组学与医学第1页/共88页第一节基因组学(Genomics)一、基因组学概念及范畴二、结构基因组学四、比较基因组学第1页/共88页第2页/共88页一、基因组学概念及范畴（一）基因组学的提出基因组(genome)泛指一个有生命体、病毒或细胞器的全部遗传物质；在真核生物，基因组是指一套染色体（单倍体）DNA。 第2页/共88页第3页/共88页1. 病毒基因组 DNA病毒 RNA病毒 多数为双链(ds)、环状或线性多数为单链(ss)、线性第3页/共88页第4页/共88页噬菌体phiX1741977，Sanger 单链环状DNA病毒5386nt5386nt2500氨基酸第4页

2、/共88页第5页/共88页乙型肝炎病毒（HBV） 聚合酶HBsAgHBcAg 开环部分双链DNA病毒第5页/共88页第6页/共88页乙型肝炎病毒基因组乙型肝炎病毒基因组-开环部分双链DNA聚合酶HBsAgHBcAg第6页/共88页第7页/共88页.禽流感病毒(H5N1) avian influenza A virus 单链RNA病毒8节段-ssRNA血凝素（HA）神经氨酸酶（N)第7页/共88页第8页/共88页人类免疫缺陷病毒(HIV)（human Immunodeficiency virus ） 逆转录病毒（单链RNA病毒）RNA第8页/共88页第9页/共88页2. 原核生物基因组细菌染色体

3、DNA质粒DNA以大肠杆菌（Escherichia coli）为例第9页/共88页第10页/共88页类核（nucleoid）：细菌染色体在 细胞内形成的一个致密区域大肠杆菌细胞结构nucleoid质粒plasmid第10页/共88页第11页/共88页由一条环状双链DNA分子组成， 通常只有一个DNA复制起点。 大肠杆菌染色体DNA 大肠杆菌4000K3000K2000K1000K0OriCTerC4639221bp第11页/共88页第12页/共88页 质粒DNA质粒是存在于细菌染色体外的，具有自主复制能力的环状双链DNA分子；大小为几kb。第12页/共88页第13页/共88页3. 真核生物基因

4、组染色体DNA线粒体DNA第13页/共88页第14页/共88页1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1213 14 15 16 17 18 19 20 21 22 X Y人类染色体基因组第14页/共88页第15页/共88页人类线粒体基因组2个rRNA基因和22个tRNA基因，13个编码蛋白质基因，编码序列占93%。第15页/共88页第16页/共88页基因组学(genomics)就是发展和应用DNA制图、测序新技术以及计算机程序，分析生命体（包括人类）全部基因组结构及功能。（二）基因组学的概念第16页/共88页第17页/共88页基因组学包括3个不同的亚领域 亚领域 内容结构基因组学 整

5、个基因组的 遗传制图、物理制图、DNA测序 功能基因组学 认识、分析整个基因组所包含的 基因、非基因序列及其功能 比较基因组学 比较不同物种的整个基因组，增 强对各个基因组功能及发育相 关性的认识第17页/共88页第18页/共88页二、结构基因组学 人类基因 组计划结构基因组学(structural genomics) 是通过HGP的实施来完成的。第18页/共88页第19页/共88页人类基因组计划：（Human genome project,HGP） HGP的内容就是制作高分辨率的人类遗传图和物理图，最终完成人类和其它重要模式生物全部基因组DNA序列测定，因此HGP属于结构基因组学范畴。第19

6、页/共88页第20页/共88页Initial sequencing and analysis of the human genomeInternational Human Genome Sequencing ConsortiumNATURE VOL 409 15 FEBRUARY 2001 860-921第20页/共88页第21页/共88页The Sequence of the Human Genome16 FEBRUARY 2001 SCIENCE VOL 291 1304-1351Celera Genomics第21页/共88页第22页/共88页人类染色体DNA大小 Chr. Mb第22页

7、/共88页第23页/共88页（一）物理制图 （二）遗传制图 （三）基因组DNA序列测定 （四）创建计算机分析管理系统 HGP包括以下研究内容第23页/共88页第24页/共88页绘制物理图谱（physical map）： 利用已知序列的DNA片段为基因组分区，位点距离用bp表示。作图标志称为序列标志位点（sequence tagged sites,STSs）。（一）物理制图（physical mapping）第24页/共88页第25页/共88页克隆载体： Cosmid（粘粒） YAC（酵母人工染色体） BAC（细菌人工染色体）第25页/共88页第26页/共88页Y号第26页/共88页第27页/共

8、88页绘制遗传图谱（genetic map）： 利用人类基因组中自然存在的一些特殊位点作为遗传标志，确定标志位点在一条染色体DNA上的线性排列顺序，标志位点间的距离用cM表示 。（二）遗传制图（genetic mapping）第27页/共88页第28页/共88页遗传标志： RFLP（限制性片段长度多态性） VNTR（可变数目串联重复序列） STR（短串联重复序列） SNP（单核苷酸多态性）第28页/共88页第29页/共88页AEDbAEdBAEdbDBAE两对等位基因之间重组互换的频率即遗传距离10cM10%1.遗传图谱（genetic map）第29页/共88页第30页/共88页第30页/共

9、88页第31页/共88页ChromosomeMaleFemale1 1.12 1.762 0.78 1.403 0.86 1.304 0.67 1.40物理图距离（ Mb ）与遗传学距离 ( cM ) 的对应关系cM / Mb第31页/共88页第32页/共88页（三）基因组DNA序列测定人类基因组的全部核苷酸(3X109)排列顺序第32页/共88页第33页/共88页DNA测序基本步骤 限制性内切酶将大片段DNA切成小的片段 小片段插入（连接）到测序载体中 用测序仪对小片段DNA测序 超级计算机分析测序结果，进行拼接得到 一致序列第33页/共88页第34页/共88页DNA切下的片段插入（连接）到

10、载体中叠连群测序后得出一致序列大量的重叠片段gtatgtacatttttaaaatctcattttaaaaggccagttaaaatgggtatgtacatttttaattttaaaatctcattttaatttaaaaggccagttaagttaaaatgg第34页/共88页第35页/共88页模 式 生 物第35页/共88页第36页/共88页（四）创建计算机分析管理系统 主要的人类基因组数据库欧洲生物信息学研究所EMBL: / 美国国家生物技术信息中心NCBI: /日本国立遗传学研究所DDBJ: http:/ww

11、w.ddbj.nig.ac.jp/第36页/共88页第37页/共88页第37页/共88页第38页/共88页第38页/共88页第39页/共88页第39页/共88页第40页/共88页HGP主要任务及内容 主要任务 内容物理制图 确定染色体上诸如限制性内切（physical mapping） 核酸酶识别位点，或序列标志 位点（STSs）等的位置图。 遗传制图 确定标志位点在一条染色体（physical mapping） 上的线性排列顺序。标志位点 间的图距以遗传学距离表示， 单位为分摩尔根（cM） 基因组DNA序列 测定人类24条染色体的、由 3X109个核苷酸组成的全部DNA 序列，绘制人类基因组

12、图谱。第40页/共88页第41页/共88页 通过HGP获得的广泛基因组信息组成了结构基因组学的基本内容，是开展功能基因组学的研究的基础； 同时为详尽研究每一个单基因遗传病提供“平台”，并将成为复杂的多基因遗传病研究的发端。HGP的意义第41页/共88页第42页/共88页第42页/共88页第43页/共88页 完成一个生物体全部基因组测序后即进入后基因组测序阶段详尽分析序列，描述基因组所有基因的功能，包括研究基因的表达及其调控模式，这就是功能基因组学。 三、功能基因组学 （functional genomics）第43页/共88页第44页/共88页（一）鉴定DNA序列中的基因（二）同源搜索设计基因

13、功能 （三）实验性设计基因功能 （四）描述基因表达模式 主要具体内容包括以下方面 第44页/共88页第45页/共88页（一）鉴定DNA序列中的基因 对基因组序列进行注释，包括鉴定和描述推测的基因、非基因序列及其功能。 第45页/共88页第46页/共88页同源基因在进化中来自共同的祖先，通过核苷酸序列或氨基酸序列的同源性比较推测基因组内相似功能的基因。（二）同源搜索设计基因功能第46页/共88页第47页/共88页第47页/共88页第48页/共88页第48页/共88页第49页/共88页第49页/共88页第50页/共88页（三）实验性设计基因功能 对基因进行缺失或剔除，观察表型变化推测基因功能。第5

14、0页/共88页第51页/共88页（四）描述基因表达模式转录组(transcriptome): 一个细胞内的一套mRNA转录物，包含了某一环境条件、某一生命阶段、某一生理或病理(功能)状态下，生命体的细胞或组织所表达的基因种类和水平。 这一研究领域叫转录组学(transcriptomics)。第51页/共88页第52页/共88页转录组学的研究方法DNA芯片技术第52页/共88页第53页/共88页蛋白质组(proteom)： 一个细胞内的全套蛋白质，反映了特殊阶段、环境、状态下细胞或组织在翻译水平的蛋白质的表达谱。 这一研究领域叫蛋白质组学(proteomics)。第53页/共88页第54页/共8

15、8页双向电泳（two dimension electrophoresis,2-DE）： 蛋白质具有等电点和分子量的特异性，将蛋白质混合物在电荷（等电聚焦，IEF）和分子量（变性聚丙烯酰胺凝胶电泳，SDS-PAGE）两个水平上进行分离。蛋白质组学的研究方法第54页/共88页第55页/共88页第55页/共88页第56页/共88页MolecularsIons 生物质谱技术 Mass Spectrometry： 通过测定样品离子的质荷比（m/z）来进行成分和结构分析。第56页/共88页第57页/共88页功能基因组学研究策略及主要内容鉴定(注释)基因: 通过“ORF搜索”，发现理论性蛋白 质编码序列分析

16、基因功能: 利用计算机进行同源搜索，根据已 知序列、进化相关性，发现重要的 蛋白质功能域。也可对DNA序列进 行突变或剔除后，结合功能、表型 变化的实验鉴定基因功能描述基因表达模式: 采用DNA微点阵进行整体基因表达 谱-转录组分析；采用蛋白质或 多肽微点阵、改进的双向电泳结 合飞行质谱技术分析蛋白质表达 谱-蛋白质组分析。第57页/共88页第58页/共88页第58页/共88页第59页/共88页进化树（系统发生树）第59页/共88页第60页/共88页 “微型人” 生理系统与人非常相似 90%的基因与人类同源小鼠(Mus musculus)第60页/共88页第61页/共88页 基因共线性第61页

17、/共88页第62页/共88页第62页/共88页第63页/共88页The Relation between Genomics and Medicine第 二 节 基因组学与医学关系第63页/共88页第64页/共88页 医学相关问题结构基因组学功能基因组学蛋白质组学基因组计划的应用第64页/共88页第65页/共88页疾病的分子机制：病原,病理和预后， 疾病的易感性， 遗传与环境的影响。第65页/共88页第66页/共88页分子诊断：疾病的预测,药物耐受性， 疾病的分型。第66页/共88页第67页/共88页分子治疗：药物靶, 基因治疗第67页/共88页第68页/共88页一、基因病的概念人类疾病大致分为

18、三类：（一）单基因病 （二）多基因病 （三）获得性基因病 基因病：以基因组学为基础，从疾病 和健康的角度考虑，人类疾 病大多直接或间接地与基因 相关。第68页/共88页第69页/共88页第69页/共88页第70页/共88页（一）检测人类基因变异或突变单链构象多态性(SSCP)、限制性片段长度多态性(RFLP)，变性梯度电泳(DGGE)，单核苷酸多态性（SNPs）第70页/共88页第71页/共88页等位型1等位型2单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism, SNP） 在人类两个个体之间大约每5001000bp就有一个碱基差异，如果一个碱基位置发生的变异在上以上

19、的人群存在，这个位点就被定义为SNP位点。第71页/共88页第72页/共88页寡核苷酸杂交分析SNP和等位基因特异寡核苷酸杂交 第72页/共88页第73页/共88页（二）疾病时基因组差异表达分析 某一疾病或综合征基因组与正常基因组表达差异的比较。第73页/共88页第74页/共88页DNA芯片检测的差异表达谱第74页/共88页第75页/共88页（三）染色体制图定位及疾病相关基因克隆疾病基因定位： 染色体原位杂交、染色体畸形分析、 连锁分析。疾病相关基因的克隆： 已掌握疾病相关基因或及其产物的确切信息；已掌握与疾病可能相关的基因预测资料；对疾病相关基因毫无所知。第75页/共88页第76页/共88页

20、疾病相关基因克隆策略： 功能基因克隆 候选基因克隆 定位基因克隆 定位-候选基因克隆。第76页/共88页第77页/共88页 致癌因子引起DNA损伤，可引起突变，如果关键基因功能改变，导致细胞异常增殖而发生肿瘤。 第77页/共88页第78页/共88页鉴定隐性癌基因（肿瘤抑制基因）和显性癌基因。制图策略，鉴定标志物。第78页/共88页第79页/共88页肿瘤基因组解剖工程，基因重排常导致癌基因失活。/第79页/共88页第80页/共88页 质粒DNA质粒是存在于细菌染色体外的，具有自主复制能力的环状双链DNA分子；大小为几kb。第80页/共88页第81页/共

21、88页Initial sequencing and analysis of the human genomeInternational Human Genome Sequencing ConsortiumNATURE VOL 409 15 FEBRUARY 2001 860-921第81页/共88页第82页/共88页DNA测序基本步骤 限制性内切酶将大片段DNA切成小的片段 小片段插入（连接）到测序载体中 用测序仪对小片段DNA测序 超级计算机分析测序结果，进行拼接得到 一致序列第82页/共88页第83页/共88页DNA切下的片段插入（连接）到载体中叠连群测序后得出一致序列大量的重叠片段gtatgtacatttttaaaa