基因组学概述

1、第一章 概述1第一章第一章 概述概述nDNADNA、基因、基因n基因组、转录组基因组、转录组和蛋白质组和蛋白质组n基因组学基因组学n基因组研究计划基因组研究计划及其成果及其成果2第一节 DNA和基因3基因是由基因是由DNADNA组成的编码单元组成的编码单元（遗传物质）（遗传物质）基因组结构上可以分成许多核酸分子；功能上可以分成若干不同基因基因组结构上可以分成许多核酸分子；功能上可以分成若干不同基因4DNADNA的发现的发现n 瑞士瑞士 米舍尔（米舍尔（Johann Friedrich Johann Friedrich MiescherMiescher），），18691869年发现年发现n从人白

2、细胞提取到从人白细胞提取到DNADNA和染色体蛋白粗制混和染色体蛋白粗制混合物合物n从鲑鱼精子提取到纯核酸从鲑鱼精子提取到纯核酸n特性：特性：DNADNA是酸性；富含磷；分子很是酸性；富含磷；分子很大大5细菌基因由细菌基因由DNADNA组成（一）组成（一）19281928年，年， 英英 格里弗斯格里弗斯（Frederick Griffith)Frederick Griffith)细菌转化细菌转化实验实验6细菌基因由细菌基因由DNA组成（二）：组成（二）：转化的要素转化的要素19441944年，年，AveryAvery等发现转化的要素不受蛋白酶和等发现转化的要素不受蛋白酶和RNARNA酶影响，但

3、能被酶影响，但能被DNADNA酶失活酶失活7病毒基因由病毒基因由DNADNA组成组成19521952年，年，Alfred HersheyAlfred Hershey和和Martha Chase HersheyMartha Chase Hershey8动物基因由动物基因由DNADNA组成组成转染实验转染实验9DNADNA四种核苷酸（四种核苷酸（A-T-C-G)A-T-C-G)组成的多聚骨架组成的多聚骨架所有组成所有组成DNADNA的核苷酸的核苷酸dATP,dTTP, dATP,dTTP, dCTP,dGTPdCTP,dGTP都由三种成分组成：都由三种成分组成：1 1）一个）一个2 2- -脱氧核

4、糖脱氧核糖（戊糖）（戊糖）2 2）一个含氮碱基）一个含氮碱基 嘌呤：嘌呤：AG AG 嘧嘧啶：啶：T/CT/C3 3）三个磷酸基团）三个磷酸基团各单个核苷酸由各单个核苷酸由5 5和和3 3- -碳形成的磷酸二酯碳形成的磷酸二酯键连接在一起键连接在一起10证明双螺旋的证据n生物物理学数据nX射线衍射图谱n碱基比例11DNADNA的双螺旋结构的双螺旋结构19531953年，沃森年，沃森(James (James Watson)&Watson)&克里克克里克(Francis Crick)(Francis Crick)描述的描述的B-B-型型DNADNA：1 1）DNADNA具有规则的螺具有规则的螺旋

5、形式，每旋形式，每34A(3.4nm)34A(3.4nm)形成形成一整圈，直径为一整圈，直径为20A20A。每圈。每圈1010个核个核苷酸。苷酸。2 2）螺旋包含两条多）螺旋包含两条多聚核苷酸链，碳聚核苷酸链，碳- -磷酸骨架位于外磷酸骨架位于外部，碱基位于内部，碱基位于内部。部。3 3）A A与与T T，G G与与C C总是总是互补配对，通过互补配对，通过氢键相连。这称氢键相连。这称为碱基互补配对。为碱基互补配对。12基因基因(gene)(gene)n基因基因/ /顺反子顺反子(cistron), (cistron), 指能产生一条肽链的指能产生一条肽链的DNADNA片段。包括编码区和其上下

6、游非编码区（引导区片段。包括编码区和其上下游非编码区（引导区和尾部），以及在编码片段（外显子）间的割裂和尾部），以及在编码片段（外显子）间的割裂序列（内含子）。序列（内含子）。1 1）基因是）基因是DNADNA；2 2）基因包含编码区和非编码区）基因包含编码区和非编码区3 3）编码区包含外显子（）编码区包含外显子（Exon,Exon,编码编码) )和内含子和内含子(Intron,(Intron,非编码）非编码）13基因基因(gene)(gene)的一般结构的一般结构5 5非编码区非编码区( (引导区）引导区）外显子外显子I I内含子内含子外显子外显子IIII3 3非编码区非编码区( (尾部）尾

7、部）14第二节 基因组、转录组和蛋白质组15基因组基因组(genome)(genome)n基因组，指生物体遗传物质的全部序列，它包括基因组，指生物体遗传物质的全部序列，它包括每一条染色体和任何亚细胞器的每一条染色体和任何亚细胞器的DNADNA序列。序列。1 1）是包含了全部的遗传信息）是包含了全部的遗传信息2 2）是一个双倍体细胞）是一个双倍体细胞DNADNA组成的一半（一条染色体）组成的一半（一条染色体）3 3）多细胞真核生物有两套独立的基因组：核基因组）多细胞真核生物有两套独立的基因组：核基因组和细胞器基因组和细胞器基因组16中心法则：基因组、转录组中心法则：基因组、转录组和蛋白质组紧密相

8、关和蛋白质组紧密相关17中心法则：从基因组到细胞中心法则：从基因组到细胞生物化学生物化学18细胞内的细胞内的RNARNA组分组分n编码编码RNARNA：mRNAmRNA 4%, 4%, 寿命短寿命短n非编码非编码RNARNA（功（功能性能性RNARNA）： rRNA rRNA 核糖体组分最丰核糖体组分最丰富（富（80%80%） tRNA tRNA 转运转运aaaa到核糖体到核糖体 小小RNARNA 核小核小RNARNA，核仁，核仁小小RNA,RNA,微微RNA,RNA,短短干扰干扰RNARNA 19前前RNARNA的加工的加工20转录组转录组nTranscriptome, Transcript

9、ome, 一个细胞、组织或生物体一个细胞、组织或生物体的全部的全部RNARNA的集合，其复杂性主要来自的集合，其复杂性主要来自mRNAmRNA，但也包括非编码，但也包括非编码RNARNA。n比较不同转录组差异的技术：转录组水平比较不同转录组差异的技术：转录组水平的差异显示技术的差异显示技术21蛋白质表达类型蛋白质表达类型n管家蛋白（管家蛋白（housekeeping protein),housekeeping protein),是那些（理是那些（理论上）在所有细胞中都表达的基因，因为它提供论上）在所有细胞中都表达的基因，因为它提供了对人和细胞类型生存都是必需的功能。了对人和细胞类型生存都是必需

10、的功能。 含量丰富，表达差异小含量丰富，表达差异小 如如-actin-actin和和GAPDHGAPDH（甘油醛（甘油醛-3-3-磷酸脱氢磷酸脱氢酶，酶，g glycerlycera aldehyde-3-ldehyde-3-p phosphate hosphate d de eh hydrogenaseydrogenase ） n使细胞具有特化功能的蛋白使细胞具有特化功能的蛋白 含量相对少含量相对少22蛋白质组蛋白质组nProteome, 在整个基因组中所表达的全在整个基因组中所表达的全部蛋白质的集合。部蛋白质的集合。n对于有些基因，一条基因能表达多种对于有些基因，一条基因能表达多种蛋白质，

11、所以蛋白质组的蛋白质数量蛋白质，所以蛋白质组的蛋白质数量远大于基因组的基因数量。远大于基因组的基因数量。23蛋白功能多样性蛋白功能多样性n催化作用：酶催化作用：酶n结构作用：骨架蛋白结构作用：骨架蛋白n运动作用：肌动蛋白、肌球蛋白运动作用：肌动蛋白、肌球蛋白n运输作用：血红蛋白运输作用：血红蛋白n调节作用：信号蛋白、活化调节蛋白调节作用：信号蛋白、活化调节蛋白n保护作用：抗体保护作用：抗体n储存作用：肝脏铁蛋白储存作用：肝脏铁蛋白24第三节 基因组学25基因组学（基因组学（GenomicsGenomics）n基因组学，是研究基因组的科学，它包含了庞大基因组学，是研究基因组的科学，它包含了庞大的

12、数据采集和高通量的数据采集和高通量(high-throughput)(high-throughput)的研究方的研究方法方法。法方法。n基因组学最初阶段的研究目标测定全基因组的序基因组学最初阶段的研究目标测定全基因组的序列和图谱。列和图谱。n功能基因组学（功能基因组学（Functional genomicsFunctional genomics）的研究）的研究目标是推论出关于目标是推论出关于DNADNA序列功能的信息。因此，它序列功能的信息。因此，它应当在最初的基因组学信息完成后持续相对较长应当在最初的基因组学信息完成后持续相对较长的一段时间。的一段时间。26基因组学和遗传学基因组学和遗传学(

13、Genetics)(Genetics)n遗传学是研究生物体固有表型的科学。遗传学是研究生物体固有表型的科学。Peter Goodfellow (1997, Nature Genetics 16:209-210):Peter Goodfellow (1997, Nature Genetics 16:209-210):.I would define genetics as the study of .I would define genetics as the study of inheritance and genomics as the study of genomes. inheritanc

14、e and genomics as the study of genomes. The latter informs the former and includes the The latter informs the former and includes the sequencing of genomes. The concept of functional sequencing of genomes. The concept of functional genetics is a tautology (the whole point of genetics is a tautology

15、(the whole point of genetics is to link genes with phenotypes). genetics is to link genes with phenotypes). Functional genomics is the attachment of Functional genomics is the attachment of information about function to knowledge of DNA information about function to knowledge of DNA sequence paradox

16、ically, genetics is a major tool sequence paradoxically, genetics is a major tool for functional genomics.for functional genomics.27基因组学研究领域基因组学研究领域nDNADNA测序测序n在物种内进行基因组多样性的采集在物种内进行基因组多样性的采集n基因组转录调控的研究基因组转录调控的研究n基因组功能研究：包含转录组和蛋基因组功能研究：包含转录组和蛋白质组研究白质组研究28第四节 基因组研究计划及其成果29人类基因组计划人类基因组计划人类基因组计划（Human G

17、enome Project, HGP）是以测定人类基因组全序列为目标是以测定人类基因组全序列为目标的巨大工程的巨大工程。人类基因组计划的启动Francis Collins32人类基因组草图绘制完成33Venter and CollinsHGP Time line34人类基因组计划的协作人类基因组计划的协作35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人类基因组研究成果表明1. 基因数量少得惊

18、人基因数量少得惊人2. 人类基因组中存在人类基因组中存在“热点热点”和大片和大片“荒荒漠漠”3. 三分之一为三分之一为“垃圾垃圾”DNA4. 种族歧视毫无根据种族歧视毫无根据5. 男性基因突变比例更高男性基因突变比例更高垃圾DNA是“宝贝”n所谓的垃圾DNA占据人类基因组98%的容量，这也是原来被误以为是垃圾DNA的原因。n 一类非编码（Non-coding）的DNA分子（不表达蛋白质），曾经被认为是曾经被认为是“垃圾垃圾”的的DNA目前正目前正成为遗传研究的新热点成为遗传研究的新热点，“垃圾”DNA的真实含义早已变更，它仅仅是一个历史遗留的名称它仅仅是一个历史遗留的名称，所以说现在科学家们更

19、愿意称“垃圾”DNA为“非非编码编码DNA”。实际上，“垃圾”DNA具有无与伦比的表达调控功能，2所顶级学府的2个独立团队在Science上发表了关于垃圾DNA的最新研究进展，结果表明结果表明“垃圾垃圾”DNA实际上是促成我们人类实际上是促成我们人类的关键调控因子的关键调控因子。 垃圾DNA是“宝贝”n来自耶鲁大学和Wellcome Trust Genome Campus的两位科学家带领的研究团队发现，从统计学意义上来说，人与人之间的基从统计学意义上来说，人与人之间的基因有因有99%的相似性，但是，每个个体的非的相似性，但是，每个个体的非编码编码DNA却有着显著的差异却有着显著的差异。这也就是

20、为何我们的基因组大体上相似，却每个人都不一样，也可以说，非编码非编码DNA促使每个促使每个人都变得独一无二人都变得独一无二。垃圾DNA是“宝贝”n另有研究表明，垃圾垃圾DNA对人类的进化具对人类的进化具有重要的作用有重要的作用。最近，Nature的一篇文章又发现了垃圾DNA的新功能，文章Targeted deletion of the 9p21 non-coding coronary artery disease risk interval in mice解析了垃圾垃圾DNA与心脏疾病的可能关联与心脏疾病的可能关联。中国人类基因组计划1993年，中国人类基因组计划（年，中国人类基因组计划（CH

21、GP）启动，首先开展了）启动，首先开展了“中华民族基因组中华民族基因组中若干位点基因结构的研究中若干位点基因结构的研究”。1997年，我国启动了年，我国启动了“重大疾病相关基重大疾病相关基因的定位、克隆、结构与功能研究因的定位、克隆、结构与功能研究”项项目。目。之后，在之后，在上海上海和和北京北京相继成立了国家人相继成立了国家人类基因组南、北两个中心。类基因组南、北两个中心。中国人类基因组计划研究成果1. 1%测序任务，测序任务， 第三条染色体第三条染色体3000万万bp2. 精确度精确度99.99%3. 发现发现142个基因，个基因， 其中其中80个为预测基因个为预测基因后基因组时代序幕拉开

22、 哈佛大学科学家麦克贝斯说，人哈佛大学科学家麦克贝斯说，人类基因组图谱并没有告诉我们所有基类基因组图谱并没有告诉我们所有基因的因的“身份身份”以及它们所编码的蛋白以及它们所编码的蛋白质。质。人体内真正发挥作用的是蛋白质人体内真正发挥作用的是蛋白质，蛋白质扮演着构筑生命大厦的，蛋白质扮演着构筑生命大厦的“砖砖块块”角色，其中可能藏着开发疾病诊角色，其中可能藏着开发疾病诊断方法和新药的断方法和新药的“钥匙钥匙”。 基因组计划下一步的方向1. 后基因组时代后基因组时代-以蛋白研究为主角。以蛋白研究为主角。人体有2万-3万个基因，但可能有几十万种蛋白质，这意味着，基因可能由许多可以按照不同组合方式拼接

23、的片断组成，一个基因可以产生多种蛋白质，而不像从前科学家所认为的一个基因负责制造一种蛋白质。在后基因组时代，以蛋白质和药物基因学为研究重点，但目前困难还很但目前困难还很多，因为测定蛋白质的技术远远落后于破译基多，因为测定蛋白质的技术远远落后于破译基因组的工具。因组的工具。基因组计划下一步的方向（续）2. 新的研究热点新的研究热点-对更多的基因组进行测定。对更多的基因组进行测定。测定出人类基因组图谱后，需要对图谱进行注释，对每个基因进行精确定位。由于不同物种之间大部分基因是相同的，因此其他物种基因图谱的绘制也会对人类基因图谱有借鉴作用。被列入人类基因组计划五大模式生物为：人类基因组计划五大模式生

24、物为：E.coli,酿酒酵母，黑腹果蝇，秀丽线虫，小鼠酿酒酵母，黑腹果蝇，秀丽线虫，小鼠。此外，植物基因组的研究也在各国加紧进行，如水稻、拟南芥、香蕉等。基因组计划下一步的方向（续）21世纪生物学的新方向-功能基因组学功能基因组学。即了解基因的功能和特性。其中的核心科学问题有：基因组的多样性和进化规律，基因组的表达及其调控，模式生物体基因组研究等。The human genome at ten首张人类基因组草图自2000年发布以来时间已经过去10年，这10年间，测序技术突飞猛进，测序强度也变得强所未有的大，究竟，这10年的研究成绩是否可以兑现当年研究人类基因组的初衷，基因组图谱要如何帮助科学家

25、解开人类的奥秘，新一期的Nature做了个专题The human genome at ten，对人类基因组计划完成后10年间所取得的进展进行了分析探讨。近期近期NatureNature几乎每期必有基因组几乎每期必有基因组研究成果！研究成果！人类基因组计划的影响 1、一些多基因病如肥胖、哮喘、糖尿病等的基因克隆已经、一些多基因病如肥胖、哮喘、糖尿病等的基因克隆已经成功成功；分子诊断和分子药物技术得到迅速发展。 2、利用基因，人们可以改良果蔬品种，提高农作物品质，更多的转基因动植物、转基因食品将问世转基因动植物、转基因食品将问世，植物疫苗植物疫苗不久将面世，加速实现全球免疫计划的实施。 3、基因组

26、之后的蛋白质组研究将导致药物开发方面的实质性突破，使得生物科学研究的最终目标即研制出治疗包括癌癌症、艾滋病等在内的多种疾病的药物得以开发症、艾滋病等在内的多种疾病的药物得以开发。 4、由于HGP的数据爆炸，使得诞生了一门全新的学科诞生了一门全新的学科-生物生物信息学。信息学。 5、对人类遗传学和基因组学的不断认识将对个体和社会产生重要影响，如随着基因组研究的完成，隐私权问题、合理使用遗传信息问题、围绕遗传学研究的伦理问题伦理问题等都将变成大众关心和敏感的问题，从而使得人们的观念发生根本的改变。延伸计划延伸计划 模式生物（包括小鼠、果蝇、线虫、斑马鱼、酵母等）的基因组计划。 人类元基因组计划：对

27、人体内所用共生菌群的基因组进行序列测定，并研究与人体发育和健康相关基因的功能。 国际人类基因组单体型图计划（简称HapMap计划）：目标是构建人类DNA序列中多态位点的常见模式。由于每个个体（除了孪生子和克隆动物）的基因组都有独特之处，因此有必要对个体之间的差异在基因组上进行定位。其完成将为研究人员确定对人类健康和疾病以及对药物和环境反应有影响的相关基因提供关键信息。 人类基因组多样性研究计划（Human Genome Diversity Project）：对不同人种、民族、人群的基因组进行研究和比较。这一计划将为疾病监测、人类的进化研究和人类学研究提供重要信息。 进行基因组测序的物种选择进行

28、基因组测序的物种选择n最初的七大物种最初的七大物种（模式生物）：（模式生物）：大肠杆菌、酵母、大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇、拟线虫、果蝇、拟南芥、小鼠和人南芥、小鼠和人n选择的依据：选择的依据： 1 1）医学应用）医学应用 2 2）进化意义）进化意义 3 3）环境影响）环境影响 4 4）食品生产）食品生产大肠杆菌大肠杆菌Escherichia coliEscherichia coli酿酒酵母酿酒酵母Saccharomyces cerevisiaeSaccharomyces cerevisiae秀丽隐杆线虫秀丽隐杆线虫Caenorhabditis elegansCaenorhabditis ele

29、gans黑腹果蝇黑腹果蝇Drosophila melanogasterDrosophila melanogaster拟兰芥拟兰芥Arabidopsis thalianaArabidopsis thaliana人人Homo sapqiensHomo sapqiens小鼠小鼠Mus musculusMus musculus50公布基因组计划的网络资源：公布基因组计划的网络资源：/genomeprj51测序成本的下降52已测序已测序的基因的基因组含有组含有的基因的基因数在数在500-45000之间之间53基因组研究的意义基因组研究的意义n分子医学：疾病诊断、疾病的遗传因素、药