第八章基因组与比较基因组学

1、第八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学2020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第八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 一. 人类基因组计划 基因组基因组（genome）：生物有机体的单倍体细胞中所有DNA。包括核内的染色体DNA和线粒体、叶绿体等亚细胞器中的DNA。第八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 一. 人类基因组计划 人类基因组计划由美国能源部(DOE)和国立健康研究院(NIH)资助

2、并于1990年启动。w人类基因组计划的科学意义： （1）确定人类基因组中约2万1千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。第八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 一. 人类基因组计划（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

3、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。第八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 一. 人类基因组计划（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上的依据。第八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 一. 人类基因组计划（6）研究DNA突变、重排和染色体断裂等，了解疾病的分子

4、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。第八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 一. 人类基因组计划（8）研究染色体在个体之间的多态性。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

5、。第八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 一. 人类基因组计划第八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 三. 人类基因组计划1 遗传图谱的构建遗传图谱的构建w 定义：定义：遗传图（遗传图（genetic map）又）又称连锁图（称连锁图（linkage map），指基），指基因或因或DNA标记在染色体上的相对标记在染色体上的相对位置与遗传距离，而不是它们在位置与遗传距离，而不是它们在染色体上特殊的物理位置。染色体上特殊的物理位置。w 科学上用两个位点之间的交换或科学上用两个位点之间的交换或重组频率厘摩（重组频率厘摩（cM）来表示遗）来表示遗传距离。传距离。第八章第

6、八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 一. 人类基因组计划w 经典的遗传标记是可被电泳或免疫技术检出的蛋白质标记，经典的遗传标记是可被电泳或免疫技术检出的蛋白质标记，如血型标记等如血型标记等。w DNA多态性遗传标记的建立，为人类遗传研究提供了大量多态性遗传标记的建立，为人类遗传研究提供了大量的遗传标记。的遗传标记。* 多态性：多态性：人的人的DNA序列上平均每几百个碱基会出现一些变异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，从而在不同个），并按照孟德尔遗传规律由亲代传给子代，从而在不同个体间表现出不同，因而被称为多态性（体间表现

7、出不同，因而被称为多态性（Polymorphism）。）。 第八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 一. 人类基因组计划第一代第一代DNA多态性标记是多态性标记是RFLP（restriction fragment length polymorphism，限制性片段长度多态性）标记。，限制性片段长度多态性）标记。第八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 一. 人类基因组计划第二代第二代DNA多态性标记利用了人类基因组大量的重复序列，多态性标记利用了人类基因组大量的重复序列，包括包括小卫星小卫星DNA和和微卫星微卫星DNA，其多态性主要来自重复序列，其多态性主要来自重

8、复序列拷贝数的变化。拷贝数的变化。第八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 一. 人类基因组计划第三代第三代DNA多态性标记是多态性标记是单核苷酸多态性单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism, SNP）标记。）标记。图图11-4(a) SNP的产生的产生第八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 一. 人类基因组计划图图11-4(b) SNP的检测的检测第八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 一. 人类基因组计划2 物理图谱的构建物理图谱的构建w 定义：定义：利用限制性内切酶将染色体切成片段，再根据重叠序列确定片段

9、间连接顺序以及遗传标志之间的物理距离的图谱。 第八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 一. 人类基因组计划3. 转录图转录图 即表达序列标签（即表达序列标签（expressed sequence tag, EST）图，是人类）图，是人类基因组图的重要组成部分。基因组图的重要组成部分。* EST：通过从：通过从cDNA文库中随机挑选的克隆进行测序所获得的部分文库中随机挑选的克隆进行测序所获得的部分cDNA的的5或或3端序列称为表达序列标签（端序列称为表达序列标签（EST），一般长），一般长300-500bp左右。左右。 4. 全序列图全序列图 即分子水平上最高层次的、最详尽的物理

10、图。即分子水平上最高层次的、最详尽的物理图。第八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 一. 人类基因组计划 2005年，人类基因组测序计划基本完成，测定了单倍体细胞中约30亿个碱基对，预测基因数为20, 00025, 000。破译人类遗传信息，将对生物学、医学，乃至整个生命科学产生无法估量的深远影响。第八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 二. 高通量DNA序列分析技术（一）（一） Sanger DNA序列测定的基本原理序列测定的基本原理第八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 二. 高通量DNA序列分析技术基本原理基本原理4在在DNA聚合酶的作用下

11、，双脱氧核苷酸分子可以象正常聚合酶的作用下，双脱氧核苷酸分子可以象正常核苷酸一样参与核苷酸一样参与DNA合成；合成；4但是，由于它自身但是，由于它自身3位置位置-OH的缺失，至使下位核苷酸的的缺失，至使下位核苷酸的5磷酸基无法与之结合，从而导致反应终止，并产生长度磷酸基无法与之结合，从而导致反应终止，并产生长度不一的不一的DNA片段。片段。 4通过凝胶电泳分离，放射自显影确定通过凝胶电泳分离，放射自显影确定DNA片段末端的碱片段末端的碱基，进而推断基，进而推断DNA的核苷酸序列。的核苷酸序列。 第八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 二. 高通量DNA序列分析技术反应体系中除含

12、有四种脱氧核苷酸反应体系中除含有四种脱氧核苷酸(dATP、dCTP、dGTP和和dTTP)外，加入了一种双脱氧核苷酸外，加入了一种双脱氧核苷酸(ddATP或或ddCTP或或ddGTP或或ddTTP)。 双脱氧链终止双脱氧链终止法测序的基本法测序的基本原理和过程原理和过程 凝胶电泳方向3AGTTGCTA5测序胶的判读测序胶的判读*放射性标记(测序酶) 第八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 二. 高通量DNA序列分析技术第八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 二. 高通量DNA序列分析技术（二）基因组（二）基因组DNA大片段文库的构建大片段文库的构建基因组文库：基

13、因组文库：将特定生物个体的全部将特定生物个体的全部DNA片段连接入载体片段连接入载体DNA分子上，并导入受体细菌或细胞中，经扩增产生的包含分子上，并导入受体细菌或细胞中，经扩增产生的包含该生物全部基因组序列的克隆群体。该生物全部基因组序列的克隆群体。 用于基因组文库构建的载体主要有酵母人工染色体（用于基因组文库构建的载体主要有酵母人工染色体（YAC）和细菌人工染色体（和细菌人工染色体（BAC）。）。第八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 二. 高通量DNA序列分析技术（三）鸟枪法测序技术及其改良（三）鸟枪法测序技术及其改良1. 建立高度随机、插入片段大小为建立高度随机、插入片段

14、大小为12kb的基因组文库。的基因组文库。* 受受DNA序列分析技术的限制，一次测序反应的长度不能超过序列分析技术的限制，一次测序反应的长度不能超过1kb。第八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 二. 高通量DNA序列分析技术（2）高效、大规模的末端测序）高效、大规模的末端测序 保证经末端测序的碱基总数达到基因组保证经末端测序的碱基总数达到基因组5倍以上。倍以上。（3）序列拼接）序列拼接（4）填补缺口）填补缺口 有两种缺口：一是没有相应模板有两种缺口：一是没有相应模板DNA的物理缺口，二的物理缺口，二 是有模板是有模板DNA但未测序的序列缺口。但未测序的序列缺口。 第八章第八章

15、 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 二. 高通量DNA序列分析技术鸟枪法测序的缺点：鸟枪法测序的缺点： 基因组越大，拼接越困难。基因组越大，拼接越困难。 高等生物基因组中的大量重复序列也会导致拼装困难。高等生物基因组中的大量重复序列也会导致拼装困难。第八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 二. 高通量DNA序列分析技术基因组图基因组图物理图谱物理图谱（克隆重叠群）（克隆重叠群）鸟枪法测序鸟枪法测序序列拼接序列拼接全基因组鸟枪法测序全基因组鸟枪法测序序列组装序列组装根据标记装配序列根据标记装配序列酶切酶切克隆克隆克隆重叠群法克隆重叠群法定向鸟枪法定向鸟枪法 第八章第八章

16、基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 引言第五章第五章 分子生物学研究法分子生物学研究法 二. 高通量DNA序列分析技术 1. DNA序列自动分析法原理序列自动分析法原理: - 基于基于 Sanger 双脱氧链终止法的原理，使用四种不同的双脱氧链终止法的原理，使用四种不同的 荧光染料荧光染料分别标记分别标记 ddATP、ddTTP、ddCTP、ddGTP 。 - 这四种这四种荧光染料荧光染料在激光激发下发出不同波长的荧光，因在激光激发下发出不同波长的荧光，因 而每一种荧光代表一种碱基。而每一种荧光代表一种碱基。 - 延伸中的延伸中的 DNA 互补链分别终止于不同荧光标记的互补链分别终止于不

17、同荧光标记的 ddATP、 ddTTP、ddCTP、ddGTP 。 - 荧光检测系统将荧光信号转换为电信号荧光检测系统将荧光信号转换为电信号, 经过数据处理系统经过数据处理系统 处理处理, 最后把所测得的序列直接打印出来最后把所测得的序列直接打印出来 。 （四）（四）Sanger测序法的改进及新一代测序技术测序法的改进及新一代测序技术第五章第五章 分子生物学研究法分子生物学研究法 第五章第五章 分子生物学研究法分子生物学研究法 ddAddAddGddGddTddTddGddGddCddCddCddCddAddAddCddCddGddGddTddT激光激发激光激发荧光信号荧光信号A A G G

18、T TG G C C C C A AC CG G T T电泳电泳链终止反应链终止反应第八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 二. 高通量DNA序列分析技术2. 第二代测序法第二代测序法 第二代测序法采用体外构建测序文库、体外扩增测序模板以第二代测序法采用体外构建测序文库、体外扩增测序模板以及更高密度的阵列化测序更大地提高了测序的自动化和平行化，及更高密度的阵列化测序更大地提高了测序的自动化和平行化，从而极大地降低了测序成本。从而极大地降低了测序成本。主要方法有：主要方法有： Roche 454焦磷酸测序焦磷酸测序 Illumina基因组分析仪基因组分析仪 ABI SOLiD 第

19、八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 三. 其他代表性基因组 w 1997 年年9 月，大肠杆菌（月，大肠杆菌（E. coli）的完整基因图谱已绘制成功的完整基因图谱已绘制成功, 基因基因组全序列完成，全长为约组全序列完成，全长为约5 Mb，共，共有有4, 288个基因，同时也搞清了所个基因，同时也搞清了所有基因产物的氨基酸序列。有基因产物的氨基酸序列。第八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 三. 其他代表性基因组 w 啤酒酵母（啤酒酵母（Saccharomyces cerevisiae） 1997年，第一个真核生物基因组年，第一个真核生物基因组图谱公布。该基因

20、组全长图谱公布。该基因组全长13.04 Mbp，是最小的真核基因组。含，是最小的真核基因组。含5885个蛋白质编码基因。个蛋白质编码基因。第八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 三. 其他代表性基因组 w 秀丽线虫秀丽线虫( caenorhabditis elegans) 1998年年12月完成了基因组测序。基因组大小月完成了基因组测序。基因组大小100 Mb，分布于分布于6条染色体，预测有条染色体，预测有19, 099个基因。个基因。第八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 三. 其他代表性基因组 果蝇（果蝇（Drosophila melanogaster） C

21、elera公司公司2000 年年3 月宣布果蝇基因组全序列为月宣布果蝇基因组全序列为180Mb，有有13, 601个基因。个基因。第八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 三. 其他代表性基因组 2000 年年12 月，第一个植物基因组月，第一个植物基因组拟南芥拟南芥基因组被全部基因组被全部测序，遗传图谱、物理图谱建立，序列大小为测序，遗传图谱、物理图谱建立，序列大小为115.4Mb。预测含有预测含有30, 000个基因个基因, 编码蛋白来自编码蛋白来自11, 000 个家族。个家族。第八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 三. 其他代表性基因组2002年年4月，

22、水稻基因组图谱公布。月，水稻基因组图谱公布。水稻是重要的粮食作物，水稻是重要的粮食作物，分籼、粳两个亚种。分籼、粳两个亚种。第八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 三. 其他基因组 水稻基因组全长水稻基因组全长389 Megabase，含有含有37, 544蛋白质编码基因。其蛋白质编码基因。其中中29%的基因以基因家族形式存的基因以基因家族形式存在。在。 水稻水稻2个亚种的全基因组测序完个亚种的全基因组测序完成，一方面开启了植物比较基因成，一方面开启了植物比较基因组学的大门，另一方面为人们在组学的大门，另一方面为人们在基因组水平上鉴定出所有水稻基基因组水平上鉴定出所有水稻基因并分析其功能奠定了基础。因并分析其功能奠定了基础。第八章第八章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 四. 比较基因组学研究比较基因组学（比较基因组学（Comp