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1、第十章基因组与比较基因组学第十章基因组与比较基因组学20世纪人类科技发展史上的三大创举世纪人类科技发展史上的三大创举 90年代人类基因组计划年代人类基因组计划40年代第一颗原子弹爆炸年代第一颗原子弹爆炸60年代人类首次登上月球年代人类首次登上月球 人类基因组计划 的鸟枪法序列分析技术 比较基因组学及功能基因组研究Contents一、人类基因组计划的启动 1986年，诺贝尔奖获得者R.Dulbecco（杜尔贝科）提出人类基因组计划测出人类全套基因组的 DNA 碱基序列（ 3 109 bp ）。第一节人类基因组计划 美国政府决定于 1990年正式启动HGP，预计用 15 年时间，投入 30 亿美元

2、，完成 HGP。 由国立卫生研究院和能源部共同组成“人类基因组研究所” 逐渐地，HGP 扩展为多国协作计划，参与者包括：英、日、法、德和中国（1993年）。二、人类基因组计划的完成（1）截至 1998 年 10 月，完成 1.8 108bp，占计划的 6。（2）完成一系列模式生物全基因组测定。 这些模式生物全基因组测定的完成有重大理论与现实意义。（3）DNA 测序技术飞速提高 1998.5.9. J.C. Venter 等宣布，组建商业公司，投入 3 亿美元，3 年内完成。 接着又有若干家公司成立，总共投入资金约几十亿美元，形成“公”“私”并进格局。 2000.6. 完成并公布人类基因组工作框

3、架图( 90%)。二二000000年六月二十六日克林顿宣布年六月二十六日克林顿宣布人类基因组草图绘制完成人类基因组草图绘制完成 美国国家人类基因组研究所所长弗朗西斯柯林斯在介绍情况。人类基因组草图基本信息 由由31.65亿亿bp组成组成 含含33.5万基因万基因 与蛋白质合成有关与蛋白质合成有关 的基因占的基因占2%人类基因组人类基因组人类蛋白质人类蛋白质 61%与果蝇同源与果蝇同源 43%与线虫同源与线虫同源 46%与酵母同源与酵母同源 2000 年年 12 月美、英等国科学家宣布绘出拟月美、英等国科学家宣布绘出拟南芥基因组的完整图谱，这是人类首次全部破译南芥基因组的完整图谱，这是人类首次全

4、部破译出一种植物的基因序列。出一种植物的基因序列。2001年2月16日 人类基因组“精细图”完成(99%)。同时发表论文 美国 Science, Vol. 291, No. 5507 英国Nature , Vol.409, p.860 2003年4月14日，人类基因组序列图亦称“完成图”（99.99%），提前绘制成功。 三、人类基因组计划的科学意义（1）确定人类基因组中约3万个编码基因的序列及其在基因组中的物理位置，研究基因的产物及其功能。（2）了解转录和剪接调控元件的结构与位置，从整个基因组结构的宏观水平上理解基因转录与转录后调节。（3）从整体上了解染色体结构，包括各种重复序列以及非转录“框

5、架序列”的大小和组织，了解各种不同序列在形成染色体结构、DNA复制、基因转录及表达调控中的影响与作用。（4）研究空间结构对基因调节的作用。有些基因的表达调控序列与被调节基因从直线距离上看，似乎相距甚远，但若从整个染色体的空间结构上看则恰恰处于最佳的调节位置，因此，有必要从三维空间的角度来研究真核基因的表达调控规律。（5）发现与DNA复制、重组等有关的序列。DNA的忠实复制保障了遗传的稳定性，正常的重组提供了变异与进化的分子基础。局部DNA的推迟复制、异常重组等现象则导致疾病或者胚胎不能正常发育，因此，了解与人类DNA正常复制和重组有关的序列及其变化，将对研究人类基因组的遗传与进化提供重要的结构

6、上的依据。（6）研究DNA突变、重排和染色体断裂等，了解疾病的分子机制，包括遗传性疾病、易感性疾病、放射性疾病甚至感染性疾病引发的分子病理学改变及其进程，为这些疾病的诊断、预防和治疗提供理论依据。（7）确定人类基因组中转座子、逆转座子和病毒残余序列，研究其周围序列的性质。了解有关病毒基因组侵染人类基因组后的影响，可能指导人类有效地利用病毒载体进行基因治疗。（8）研究染色体和个体之间的多态性。这些知识可被广泛用于基因诊断、个体识别、亲子鉴定、组织配型、发育进化等许多医疗、司法和人类学的研究。此外，这些遗传信息还有助于研究人类历史进程、人类在地球上的分布与迁移以及人类与其他物种之间的比较。 以人类

7、基因组和拟南芥基因组为例说明你对生物基因组全序测定工作的科学意义与社会意义的认识（8分） 中国科学院2002年 硕士学位研究生入学分子遗传学试题遗传图谱遗传图谱转录图谱转录图谱0.7 cM 或或 kb 序列图谱序列图谱物理图谱物理图谱四张图：四张图：物理图、物理图、 转录图转录图遗传图遗传图 、序列图、序列图 四、四、HGPHGP的主要任务的主要任务、 遗传图（连锁图）指基因或DNA标记在染色体上的相对位置与遗传距离。cM（基因或DAN片段在染色体交换过程中分离的频率） 多态性：人的DNA序列上平均每几百个碱基会出现一些变异（variation），并按照孟德尔遗传规律由亲代传给子代，从而在不同

8、个体间表现出不同，因而被称为多态性（Polymorphism）。 第一代多态性标记是RFLP（restriction fragment length polymorphism，限制性片段长度多态性） 第二代多态性标记是短的串联重复序列 包括小卫星DNA和微卫星DNA，其多态性主要来自重复序列拷贝数的变化小卫星DNA由15-65bp的基本单位串联重复而成，长度一般不超过20kb。重复次数（小卫星DNA区的长度）在人群中是高度变异的；按照孟德尔的规律遗传微卫星DNA/简短串联重复（STR、STRP或SSLP）重复单元2-8bp，通常重复10-60次CTAGCTTATATATATATATATATAT

9、ATATAAGCTTGC 真核生物基因组中的DNA重复序列主要有哪些类型？简要说明基因组重复序列可能的生物学意义以及基因组重复序列在分子标记研究中的应用 （12分）中国科学院2002年 硕士学位研究生入学分子遗传学试题第三代多态性标记是单核苷酸的多态性（single nucleotide polymorphism，SNP）SNP：是由于单个核苷酸改变而导致的核酸序列多态。第一军医大学2003年分子生物学 SNP与RFLP和STR标记的主要不同之处在于，它不再以DNA片段的长度变化作为检测手段，而直接以序列变异作为标记。2、物理图 以已知核苷酸序列的DNA片段（序列标签位点，sequence-t

10、agged site,STS）为“路标”，以碱基对作为基本测量单位（图距）的基因组图。3、转录图 以EST（expressed sequence tag ，表达序列标签）为标记，根据转录顺序的位置和距离绘制的图谱。4、序列图（分子水平的物理图）（分子水平的物理图） 序列图是指整个人类基因组的核苷酸序列图，也是最详尽的物理图。1m 既包括可转录序列，也包括非转录序列，是转录序列、调节序列和功能未知序列的总和。 人类基因组计划 的鸟枪法序列分析技术 比较基因组学及功能基因组研究Contents第二节 DNA的鸟枪法序列分析技术 DNA的鸟枪法测序原理二、DNA的鸟枪法测序的主要步骤 第一，建立高度

11、随机、插入片段大小为2kb左右的基因组文库。 第二，高效、大规模的末端测序。 第三，序列集合。 第四，填补缺口。 的鸟枪法测序的优缺点随着所测基因组总量增大，所需测序的片段大量增加高等真核生物（如人类）基因组中有大量重复序列，导致判断失误 人类基因组计划 的鸟枪法序列分析技术 比较基因组学及功能基因组研究Contents一、比较基因组学(Comparative Genomics) 概念：是基于基因组图谱和测序基础上，对已知的基因和基因组结构进行比较，来了解基因的功能、表达机理和物种进化的学科。 第三节比较基因组学及功能基因组学研究二、功能基因组学研究1. 概念：利用结构基因组学提供的信息，以高

12、通量，大规模实验方法及统计与计算机分析为特征，全面系统地分析全部基因的功能。2. 基因功能的研究方法（1）基因转导技术：导入细胞，观察功能。该方法用的最多，技术最成熟。（2）基因敲除技术（gene knockout) 又称基因打靶（gene targeting）。这种技术是通过基因工程的方法将一个结构已知但功能未知的基因去除，或用其他序列相近的基因取代（又称基因敲入），然后从整体观察实验动物，从而推测相应基因的功能。这种人为地把实验动物某一种有功能的基因完全缺失的技术称为基因敲除技术。2022-5-16比较基因组学的产生比较基因组学的产生 伴随着基因组的研究, 相关信息出现了爆炸性增长, 迫切

13、需要对大量基因组数据进行处理, 比较基因组学作为一门重要的工具学科应运而生。 比较基因组学是通过对系统发育中的代表性物种之间的全方位基因和基因家族的比较分析，构建系统发育的遗传图谱, 来揭示基因、基因家族的起源和功能及其在进化过程中复杂化和多样化的机制。2022-5-16果蝇基因组果蝇基因组 果蝇基因组全长180mb，2/3是 euchromatin，1/3是heterochromatin；Blast Search确定有14113个转录产物（功能基因）。 Science, 287:2185-2195 (2000) 2022-5-16比较基因组学的应用比较基因组学的应用揭示非编码功能序列发现新基

14、因发现功能性SNP阐述物种间的进化史阐明人类疾病过程的分子机制 2022-5-16比较基因组学与进化比较基因组学与进化 古细菌古细菌-产甲烷球菌产甲烷球菌l 与原核生物共同之处：与原核生物共同之处：l 染色体组织与结构：环状基因组、基因的操纵子结构等染色体组织与结构：环状基因组、基因的操纵子结构等l 能量产生和固氮基因与有很高的同源性能量产生和固氮基因与有很高的同源性l 与细胞分裂有关的蛋白质、与细胞分裂有关的蛋白质、20多个编码无机离子运输蛋白的多个编码无机离子运输蛋白的ORF与细菌基因同源与细菌基因同源l 调控模式类似于原核生物调控模式类似于原核生物l 与真核生物共同之处：与真核生物共同之

15、处：l 细胞遗传信息传递，尤其是转录和翻译系统细胞遗传信息传递，尤其是转录和翻译系统l 分泌系统分泌系统l 说明该细菌与真核生物说明该细菌与真核生物亲缘关系较近亲缘关系较近。 2022-5-16比较基因组学与进化 比较基因组学提供的结果表明，在进化系统树上，古细菌与真核生物亲缘关系比原核生物更近。 自养生物的三个分支，细菌、古细菌和真核生物中，细菌的分化发生较早。2022-5-16比较基因组学的具体应用方法比较基因组学的具体应用方法和策略和策略 序列的比对分析序列的比对分析 确定基因组序列的进化关系确定基因组序列的进化关系 基因共线性基因共线性synteny ： 染色体片段的分析染色体片段的分

16、析 物种序列的优化选择物种序列的优化选择 对对DNA序列的信息注释序列的信息注释2022-5-16 基因组成的相似性基因组成的相似性 基因共线性基因共线性synteny：基因排列顺序的一致性基因排列顺序的一致性 宏观共线性：遗传连锁图上锚定标记排列次序的一致宏观共线性：遗传连锁图上锚定标记排列次序的一致性性 微观共线性：物理图上基因序列的一致排列微观共线性：物理图上基因序列的一致排列 进化距离非常近的物种间保持很好的微观共线性进化距离非常近的物种间保持很好的微观共线性 在进化过程中，基因共线性被各种因素所破坏，进化在进化过程中，基因共线性被各种因素所破坏，进化距离越远的物种之间基因共线性越差，

17、距离越远的物种之间基因共线性越差， 两个物种之间的共线性程度可以作为衡量它们之间进两个物种之间的共线性程度可以作为衡量它们之间进化距离的尺度化距离的尺度2022-5-16 高度保守高度保守和和高度变异高度变异 X染色体极为保守，人类和猫的染色体极为保守，人类和猫的X染色体具有染色体具有纵贯全条的共线性纵贯全条的共线性 在保守性较低的区段，基因进化速率快于整在保守性较低的区段，基因进化速率快于整个基因组的平均进化速率个基因组的平均进化速率 它们在它们在种间种间基因组中很少表现共线性，甚至基因组中很少表现共线性，甚至在在同一物种同一物种的不同生态型之间这些区段也会的不同生态型之间这些区段也会发生较

18、大变异发生较大变异 当用基因共线性程度估算物种分化年代时，当用基因共线性程度估算物种分化年代时，应当注意避免应当注意避免高度保守高度保守和和高度变异高度变异的区段的区段2022-5-162022-5-16 破坏基因组共线性的因素破坏基因组共线性的因素 转座转座 插入插入 染色体重排染色体重排 区段加倍和缺失区段加倍和缺失2022-5-16 跨物种基因克隆跨物种基因克隆-图位克隆图位克隆 在基因组较小的模式植物中，分离被精确定在基因组较小的模式植物中，分离被精确定位在大基因组中的基因位在大基因组中的基因 避免大量重复序列的干扰，减少染色体步移避免大量重复序列的干扰，减少染色体步移的次数的次数20

19、22-5-16基因岛和基因协同进化基因岛和基因协同进化 基因岛：区段基因密度远远高于全基因基因岛：区段基因密度远远高于全基因组的平均密度。组的平均密度。 基因岛中的基因群通常具有功能上的相基因岛中的基因群通常具有功能上的相关性关性 协同丢失和协同进化协同丢失和协同进化2022-5-16直系同源基因簇直系同源基因簇 由由1个共同的祖先基因衍生的个共同的祖先基因衍生的1组基因，组基因，包括不同基因组中执行同一生物学功能包括不同基因组中执行同一生物学功能的的种间同源物种间同源物，也包括同一基因组中因，也包括同一基因组中因基因加倍产生的基因加倍产生的种内同源物种内同源物（平行基因）（平行基因） 预测新

20、基因功能预测新基因功能2022-5-16比较基因组学研究举例比较基因组学研究举例 原核模式生物比较基因组学原核模式生物比较基因组学 酿酒酵母基因组酿酒酵母基因组 人类基因组人类基因组2022-5-16模式生物比较基因组研究特点模式生物比较基因组研究特点l 模式生物模式生物基因组基因组一般都比较一般都比较小小，但编码基因的比但编码基因的比例较高例较高，重复序列和非编码序列较少重复序列和非编码序列较少，是是 “压缩压缩”的基因组的基因组。l 模式生物基因组中模式生物基因组中G+ C%含量高含量高，同时同时CpG岛的岛的比例也比较高。比例也比较高。l 一些模式生物，特别在人的基因组中发现了重复一些模

21、式生物，特别在人的基因组中发现了重复( duplication)。l 各种不同的物种中各种不同的物种中，大多数重要生物学功能是由大多数重要生物学功能是由相当数量的同源序列基因相当数量的同源序列基因( Orthologous) 蛋白承担蛋白承担。2022-5-16模式生物比较基因组研究特点模式生物比较基因组研究特点l 同线同线( synteny) 连锁的同源基因在不同物种基因组中有连锁的同源基因在不同物种基因组中有相同连锁关系相同连锁关系。l 生物体的复杂性一般表现在生物体的复杂性一般表现在“生物学生物学”的复杂性的复杂性，与基与基因组的因组的C 值大小及基因数量未必一定呈线性关系值大小及基因数

22、量未必一定呈线性关系。2022-5-16模式生物基因组的研究模式生物基因组的研究l尿殖道支原体是已知最小的基因组尿殖道支原体是已知最小的基因组0.58Mb ，由此可能确定能自我复制的细胞必需的一套由此可能确定能自我复制的细胞必需的一套最少的核心基因。最少的核心基因。l流感嗜血杆菌的基因组为流感嗜血杆菌的基因组为1.83Mbl基因组大小影响了基因数目还是基因尺度？基因组大小影响了基因数目还是基因尺度？2022-5-16模式生物基因组的研究模式生物基因组的研究l流感嗜血杆菌基因大小平均流感嗜血杆菌基因大小平均900 bp，尿殖道支，尿殖道支原体的基因为原体的基因为1040bp，基因大小差不多；，基

23、因大小差不多；l流感嗜血杆菌中平均流感嗜血杆菌中平均1042 bp 有有1个基因，尿个基因，尿殖道支原体中平均殖道支原体中平均1235 bp 有有1个基因。个基因。 可见可见基因组尺度减小并不引起基因密度的增加和基因组尺度减小并不引起基因密度的增加和基因尺寸的减小。基因尺寸的减小。l二者差别在于二者差别在于基因数量基因数量上，流感嗜血杆菌基上，流感嗜血杆菌基因组有因组有1743个个ORF，尿殖道支原体只有，尿殖道支原体只有470个个ORF。 2022-5-16模式生物基因组的研究模式生物基因组的研究 通过对尿殖道支原体与流感嗜血杆菌通过对尿殖道支原体与流感嗜血杆菌这两个亲缘关系较远的生物基因组

24、的比这两个亲缘关系较远的生物基因组的比较，选取其共同的基因（共较，选取其共同的基因（共240个），再个），再加上一些其他基因，最后组成一套含加上一些其他基因，最后组成一套含256个基因的最小基因组。个基因的最小基因组。2022-5-16最简单的真核生物最简单的真核生物-酿酒酵母酿酒酵母基因组基因组l 基因组为基因组为12,068 kb，比单细胞的原核生物和古细菌，比单细胞的原核生物和古细菌大一个数量级。大一个数量级。l 共有共有5887个个ORF，比原核生物和古细菌要多很多。，比原核生物和古细菌要多很多。l 酿酒酵母的基因密度为酿酒酵母的基因密度为1个基因个基因/2kb，密度小于流感，密度小于

25、流感嗜血杆菌和尿殖道支原体。嗜血杆菌和尿殖道支原体。l 酿酒酵母酿酒酵母-最小的真核基因组，裂殖酵母其次（密最小的真核基因组，裂殖酵母其次（密度是度是1/2.3kb），简单多细胞生物线虫的基因密度为），简单多细胞生物线虫的基因密度为1/30kb。l 酿酒酵母只有酿酒酵母只有4%的编码基因有内含子，而裂殖酵的编码基因有内含子，而裂殖酵母有母有40%编码基因有内含子。编码基因有内含子。2022-5-16人类基因组的一个片段人类基因组的一个片段2022-5-162022-5-16人类染色体组型人类染色体组型 上图显示的是经姬母萨染色后的上图显示的是经姬母萨染色后的G带模式图，带模式图，染色体号在染色

26、体结构下面标注，带号在左边。染色体号在染色体结构下面标注，带号在左边。2022-5-162022-5-16模式生物基因组研究对人类基因组研模式生物基因组研究对人类基因组研究的促进作用究的促进作用1 利用基因序列上的同源性克隆人类疾病利用基因序列上的同源性克隆人类疾病基因基因 当人类当人类cDNA 与已知功能的模式生物与已知功能的模式生物基因高度相关基因高度相关，当该表型的候选基因定当该表型的候选基因定位于与位于与cDNA 相同的位置上相同的位置上，就有助于就有助于识别该基因。识别该基因。2022-5-16模式生物基因组研究对人类基因组研模式生物基因组研究对人类基因组研究的促进作用究的促进作用2 模式生物基因组研究揭示了人类疾病基模式生物基因组研究揭示了人类疾病基因的功能。因的功能。 由于某些模式生物基因的功能已知由于某些模式生物基因的功能已知,这就对人类疾病基因的功能研究有很大这就对人类疾病基因的功能研究有