人类基因组的结构与功能课件

1、人类基因组的结构与功能真实临床案例1：一对河南夫妇连续两次怀孕生下全身骨质松软的胎儿后，来医院就诊，询问提前干预方法（取自2015.1.15号复旦附属红房子医院内分泌门诊）真实临床案例2：一对连云港夫妇连续三次生下表现为吞咽困难的婴儿，几个小时候婴儿死亡。第四次发现怀孕，就诊询问医生胎儿情况 （取自2014.12月底复旦附属红房子医院集爱中心）他们该怎么办？中国遗传学会遗传咨询分会成立2015.2.9日中国遗传学会遗传咨询分会成立的背景出生缺陷 全国约1600万/年出生缺陷儿，发生率达5.6% 世界性的严重公共卫生和社会问题如何降低出生缺陷率？中国遗传学会遗传咨询分会成立的背景不孕不育 全国不

2、孕不育，发生率达12.5-15% 不孕不育患者人数超过5000万 辅助生殖（IVF）一次成功率只有30%左右如何筛选出“优质”胚胎？中国遗传学会遗传咨询分会成立的背景恶性肿瘤 我国肿瘤发生率约6.4% 全国每年新发肿瘤约312万，每分钟有6人被诊断恶性肿瘤如何有效预知并预防肿瘤？遗传咨询分会成立的背景遗传咨询：是联合人类基因组技术，人类遗传学，为病人开展遗传咨询、基因诊断、遗传病治疗等相关医学服务。遗传咨询必不可少！如何认识基因与基因组？有雀斑 vs 无雀斑直发 vs 卷发左撇子12侏儒症香港时尚模特女孩Chiu(白化病)史蒂芬威廉霍金肌萎缩性侧索硬化症英国维多利亚女王及其家族血友病鱼鳞病短指

3、症人类的多指畸形症掌跖角化Waardenburg人类基因组测序计划 创议与实施1)第一阶段: 酝酿2)第二阶段: 论证3)第三阶段: 实施人类基因组计划的酝酿星星之火1984年12月,在美国犹他州盐湖城滑雪胜地阿尔他,由美国能源部资助的一次环境诱变和致癌物防护国际会议上, 到会代表在讨论中提出了一个问题:在受辐射伤害的人群中,能检测到突变的比率比预期低三分之二.有什么新办法可以非常有效地,直接地检测出人类基因的突变?或者说,有没有新方法可在日本广岛,长崎原子弹爆炸后的幸存者及其子女的群体中直接测定基因突变?这是生物科学家首次讨论人类基因组计划.英雄所见略同Walter Gilbert. A c

4、rucial early proponent,he later tried to set up a company to produceand sell genome data.Santa Cru 会议, California,1985Robert L. Sinsheimer: TheUniversity of California, SantaCruz, During a Critical Decade,1977-1987Sinsheimer wasappointed chancellor(分校校长)by UC President David Saxon inJune, 1977. Form

5、erly chairmanof the division of biology at theCalifornia Institute ofTechnology (CIA )where hiswork as a molecular biologisthad earned him a distinguishedinternational reputation.198 年之前分子生物学技术的主要进展1) 1953年DNA双螺旋模型发表.2) 1968年纯化第一个限制酶.3) 1972年第一个重组DNA分子面世.4) 1973年SV40病毒DNA限制酶物理图发表.5) 1977年发明DNA序列测序法.

6、推波助澜杜贝克宣言1986年, 1975年医学和生理学诺贝尔奖得主,美国Salk Institute研究所癌症研究员杜贝可(Renato Dulbecco)在“Science”上发表题为“癌症研究的转折点:定出人类基因组序列”一文, 引起了美国社会大众的广泛关注,并使基因组测序计划的支持者和反对者进行了一场为时数年的争论.杜贝可提出了两条基因搜寻路线:1) DNA测序; 2) 基因组作图.Dulbecc 基因组测序宣言A turning point in cancer research:sequencing the human genomeRenato DulbeccoScience 231:

7、 1055-1056, 1986反对的声浪人类基因组计划虽然是一个极富创意的想法, 但在当时的许多方面都超出了科学技术发展的实际水平, 因而不可避免遭到各方面的怀疑与反对, 其中包括像Jacob这样大名鼎鼎的生理学Noble 奖得主, MIT和NIH(美国国家健康研究所)等著名单位. 主要原因在以下几点:1) 科学上的依据: 基因编码序列仅占人类基因组总量的2%, 是否值得花很多钱去测序整个基因组.以当时的技术测序费用太高.2) 技术上不成熟: 按当时测序水平, 一个人每天最多只能完成1000 bp测序, 30亿对碱基仅测序需要1000个人工作3000年.3) 大量的投入将挤占其它领域的研究经

8、费.政府介入1987年春, 美国能源部健康和环境研究顾问委员会在听取各种意见后写了一份报告“Human Genome Initiation”, 肯定人类基因组测序计划的重要性, 并表示愿意独立承担这一计划.与此同时,美国科学院生命科学学部基础生物委员会指定15名科学家组成“全国研究委员会”, 经过14个月的努力写出一份报告“人类基因组的作图与测序”. 报告认为在开展人类基因组测序的同时,平行开展模式生物大肠杆菌,酵母,线虫,果蝇和小鼠基因组测序研究. 美国国会和商业委员会也委托所属技术评估办公室对人类基因组计划进行调查, 后者提供了一份报告“Mapping Our Genes, The Gen

9、ome Projects: How Big, HowFast”, 其态度也是支持这一计划.美国国立卫生研究院(NIH)复杂基因组特别顾问委员会1988年也提出报告支持人类基因组计划.美国国会的态度1988年美国国会正式批准拨出专款资助能源部和国立卫生研究院同时负责实施人类基因组计划.一般以1989年为起始执行年.能源部: 测序技术和方法NIH: 遗传作图1988 report from the U.S. Congress Office ofTechnology AssessmentMapping Our Genes-Genome Projects: How Big? How Fast?NTIS

10、 order #PB88-212402人类基因组计划目标(1)AreaGoalAchievedDateGenetic Map2- to 5-cM1-cMSeptember 1994resolution map(600 1,500 markers)30,000 STSsresolution map(3,000 markers)Physical Map52,000 STSsOctober 1998DNA Sequence95% of gene-containingpart of human sequence99% of gene-containingpart of human sequenceAp

11、ril2003finished to 99.99% accuracy finished to 99.99% accuracyCapacity andCost of FinishedSequenceSequence 500 Mb/yearat 1,400 Mb/yearat $0.09 per finished baseNovember 2002November 2002Human SequenceVariation100,000 mapped human SNPs 3.7 million mapped human SNPs February 2003Gene Identificationhum

12、an cDNAsModel OrganismsFull-length human cDNAs15,000 full-length cDNAsMarch 2003Complete genome sequences of Finished genome sequences ofE. coli, S .cerevisiae,C. elegans, D. melanogasterApril 2003April 2003E. coli, S .cerevisiae,C. elegans,D. melanogaster ,plu swhole-genome drafts of severalothers,

13、 including: C. briggsae,D. pseudoobscura, mouse and rat人类基因组计划目标(2)AreaFunctional Analysis Develop genomic-scale High-throughput 1994GoalAchievedDatetechnologiesoligonucleotidesynthesisDNA microarraysEukaryotic, whole-genomeknockouts (yeast)Scale-up of two-hybrid systemfor protein-protein interactio

14、n人类基因组计划(199 2003)Human DNA Sequence: 测序 Finish the complete human genome sequence by the end of 2003, 15年计划. Finish one-third of the human DNA sequence by the end of 2001. Achieve coverage of at least 90% of the genome in a working draft based onmapped clones by the end of 2001. Make the sequence t

15、otally and freely accessible, 即DNA顺序公开释放.Sequencing Technology: 测序技术 Continue to increase the throughput and reduce the cost of currentsequencing technology. 注: 提高产出,降低成本. Support research on novel technologies that can lead to significantimprovements in sequencing technology. 革新和改进测序技术. Develop eff

16、ective methods for the advanced development and introductionof new sequencing technologies into the sequencing process.Human Genome Sequence Variation: 多态性变异研究. Develop technologies for rapid, large-scale identification and/or scoring ofsingle nucleotide polymorphisms and other DNA sequence variants

17、.人类基因组计划的实施负责人第一任首席科学家:James Watson因DNA顺序专利争论于1992年辞职.第二任首席科学家Francis CollinsHuman Chr.20, completed, February, 2002Human Chr.14, completed, January, 2003Human Chr.Y, completed, October, 2003Human Chr.7, completed, October, 2003Human Chr.6, completed, October, 2003Human Chr.13, completed, March, 200

18、4Human Chr.19, completed, March, 2004Human Chr.9, completed, May, 2004Human Chr.10, completed, May, 2004Human Chr.X, completed, March, 2005人类基因组测序计 Human Chr.2-4, completed, April, 2005Human Chr.1, completed, May, 2006划进展截止2006年5月, 人类基因组计划已完成22条常染色体和X,Y性染色体的精确测序与解读.人类基因组测序的耗费The overall budget needs

19、 for the effort are still anticipated to be the sameas those identified by the O TA and the NRC, namely about $200 millionper year for approximately 15 years. (引自:The First Five Years: FiscalYears 1991-1995, published April 1990. DOE/ER-0452P, NIH PublicationNo. 90-1590.) 经费预算15年每年2亿美金.预计:2002年: Seq

20、uence 500 Mb/year at 1,400 Mb/year at $0.09 per finished base. 检测成本持续下降 高通量测序及相关检测获得FDA认证人类基因组测序计划参加国家(1)共16个单位, 6个国家参加:1) United State1. Baylor College of Medicine, Houston, Texa2. Genome Therapeutics Corporation, Waltham, MA3. Joint Genome Institute, U.S. Department of Energy, Walnut Creek,CA4. St

21、anford DNA Sequencing and Technology Development Center, PaloAlto, CA5. University of Washington Genome Center, Seattle, WA6. University of Washington Multimegabase Sequencing Center, Seattle,WA7. Whitehead Institute for Biomedical Research, MIT, Cambridge, MA8. Washington University Genome Sequenci

22、ng Center, St. Louis, MO2) United Kingdom9. The Sanger Centre, Hinxton人类基因组测序计划参加国家(2)3) Germany10. Max Planck Institute for Molecular Genetics, Berlin11. Gesellschaft fur Biotechnologische, Forschung mbH, Braunschweig12. Institute for Molecular Biotechnology, Jena4) France13. Genoscope, Evry5) Japa

23、n14. Keio University, Tokyo15. RIKEN Genomic Sciences Center, Saitama6) China16. 中国华大基因中心: 于1998年申请参加人类基因组3号染色体端部约1%基因组的测序.Science 和Natur 商定同时发表:人类基因组草图顺序”200 年 月 Special issues of Science (Feb. 16, 2001) andNature (Feb. 15, 2001) contain the working draftof the human genome sequence. Nature papersi

24、nclude initial analysis of the descriptions of thesequence generated by the publicly sponsoredHuman Genome Project, while Sciencepublications focus on the draft sequencereported by the private company, CeleraGenomics. A press conference was held at 10a.m., Monday, February 12, 2001, to discuss thela

25、ndmark publications.白宫宣布人类基因组测序计划草图顺序完成June 25, 2000. PRESIDENTCLINTON ANNOUNCESTHE COMPLETION OFTHE FIRST SURVEY(初步测序) OF THEENTIRE HUMANGENOME. June 26, 2000White House 召开记者招待 Venter会庆贺这一具有历史意义的重要成就.Collins人类基因组测序计划总的耗费人类基因组计划于1988年实施，原定15年于2003年完成全部顺序测序。实际花了13年，于2001年初宣布完成草图顺序。为完成此项研究，美国能源部（DOE）和

26、美国国家健康研究所（NIH）共化费3,452.9百万美元，其中DOE为2,484.7百万美元为NIH为968.2。引自：NIH NEWS，Monday, April 14, 2003基因组计划的意义基因组学已经成为现代生命科学的核心领域, 催生了许多新兴的生命科学的分支学科与交叉学科:1) 所有生命现象的基本原因均与基因组的结构与顺序组成有关.2) 基因组的结构与顺序组成决定了基因的表达与调控的模式.3) 基因组顺序的多态性是生物进化与生物多样性产生的根源.4) 基因组结构与功能的解读可为医学, 健康, 农业, 林业, 畜牧业, 医药工业的发展和技术创新提供理论依据.物种的染色体组Ophiog

27、lossum reticulatum (右)Myrmecia pilosula 下)澳大利亞牛頭犬螞蟻, 单倍体雄蚁 箭蕨科:一支箭、瓶尔小草, 630对1条染色体, 双倍体雌蚁2条染色体 染色体染色体结构染色体显带或分带chromosome banding染色体带是指当染色体经一定的物理、化学因素处理并用特定的染料染色后，在显微镜下可显示出特定的深浅不同的条纹，或在荧光显微镜下看到不同强度的荧光节段。不同染色方法可分出Q、G、C、R、N、T及Cd等几种类型的带。不同的染色体具有不同形态的带，称为“带型”，反映了染色体固有的结构。据此我们可以准确无误地识别每一条染色体，并可用来分析染色体内部结

28、构的变化。染色体带显示的过程称为染色体显带或分带。1968年，科学家用氮芥喹吖因使染色体不同部位差别染色，显示出清晰的带纹。自染色体高分辨显带技术问世后，研究者可以在人体细胞分裂的前中期染色体上显示出1 256条带，在早前期染色体上可显示出3 00010 000条带。显带技术不仅解决了染色体的识别问题，还为深入研究染色体的异常及人类基因定位创造了条件。染色体带型命名人类染色体带型最早确定的命名方式是从着丝粒向两侧按数字编号, 短臂以p代表(p=petit),长臂以q代表.Karyotyp 和KaryotypingKaryotype: 核型又称染色体组型，是指用显微镜照像或描绘的方法得到的单个细

29、胞染色体的系统排列。由体细胞中全套染色体按形态特征和大小顺序排列构成，并依次配对、分组。代表的是该个体一切细胞的染色体组成。有丝分裂中期染色体的形态较典型，所以一般分析中期染色体。主要观察染色体的长短、着丝点的位置，臂的长短、有无随体，其中以着丝点的位置最为重要。Karyotyping: 染色体核型分析,是指在显微镜下对个体细胞染色体的大小,形状,数目进行检测的一种方法.根据染色体分带技术可以检测到样品细胞的染色体结构是否正常,是否发生了染色体数目的变化,结构的重排,区段缺失或重复.人类染色体核型1) 着丝粒(centromere)2) 端粒(telomere)3) 复制起始点(origin)

30、4) 染色体骨架附着区(SAR和MAR)基因组结构成分5) 特异序列:CpG岛等高线绝缘子重复顺序Telomere：Nucleotide repeat-TTAGGG-SA 和MARSAR: Scaffoldattehment region,与染色体骨架蛋白结合的染色体的DNA顺序.MAR: matrixarrechmentregion, 与细胞核基质蛋白成分结合的染色体DNA顺序.什么是Cp 岛满足CpG岛的条件为:1. 连续500 bp的DNA顺序;2. C+G含量大于55%;3. 观测到的CpG双碱基数目与预期的数目之比大于0.65.(Proc Natl Acad Sci USA 99:3

31、740-3745, 2002 )Cp 岛的一般特点1) 主要在脊椎动物中发现,其它种属基因组中也有CpG岛, 但特征不明显.2) 绝大多数CpG岛中很少出现胞嘧啶甲基化, 因此被认为是基因转录活跃区.3) CpG岛主要分布在基因的启动子区和第一个外显子区.4) 绝大多数管家基因(housekeeping gene)含有CpG岛, 是寻找基因的一个指标.Cp 岛的分布脊椎动物中CpG岛的分布有如下特点: 1.主要分布在基因的5端和第1个外显子区. 2. 人类中40%的管家基因的5端均含CpG岛. 3. 双碱基-CpG-具回文结构,是甲基化酶作用的位点,可在回文对称的两个胞嘧啶5位碳原子上进行甲基

32、化. 在CpG岛中-CpG-双碱基均无甲基化.人类基因组Cp 岛的组成为何会产生Cp 岛?1) 由于细胞内胞嘧啶甲基化与脱氨基事件常常发生, 导致复制时的CA错配.在下一轮复制时原来的胞嘧啶(C)位置由胸腺嘧啶(T)取代, 即发生碱基代换. 因此基因组DNA顺序进化的总趋势是A/T比例增加.2) “基因转换”, 即DNA复制时以同源DNA单链为模板进行复制, 使子代DNA出现高G/C比的转换.3) 管家基因对生物的存活极其重要, 启动子区是基因调控的主要成分, 因此很少发生可遗传的CA的突变, 保留了较平均值更高的G/C比.植物基因组中的Cp 岛1) 植物基因组,主要是小型基因组(水稻和拟南芥

33、)含有类似脊椎动物基因组中的CpG岛.2) 水稻和拟南芥CpG岛的分布密度分别为4.7 kb和4.0 kb.3) 水稻和拟南芥CpG岛的分布覆盖了整个基因,并非如脊椎动物那样局限于基因5端.4) 植物除-CpG-可被甲基化外, -CpNpG-回文结构的胞嘧啶也可甲基化.5) 植物中-CpG-在CpG岛中的比例在75-80%, 与脊椎动物类似, 单子叶高于双子叶.引自:Ashikawa, Plant Journal 26:217, 2001.水稻编码基因C/ 比例非均一分布水稻基因的CG含量呈现由5向3逐渐降低的分布态势,这种特征与人的肩膀类似, 故称溜肩形(shoulder).基因组的顺序组成

34、1) 编码顺序2) 非编码顺序3) 重复顺序4) 单一顺序人类基因组概貌人类基因的一般结构1) the average human gene contains 4 exonstotaling 1,350 base pairs (cDNA) andthus encodes an average protein of 450amino acids.2) The density of genes on the differentchromosomes varies from基因密度最高: 染色体19, 平均每Mb为23 个基因,43 kb/基因基因密度最低: 染色体13 ,平均每Mb为 5 个基因,

35、200 kb/基因最大的基因 Tintin 肌联蛋白 基因titin 基因的外显子数Celera报道为 364, 编码27 000个氨基酸.Titin基因全长约3000 kb, 约占人类基因组总长的0.1%.外显子较多的基因 Dystrophin1) Dystrophin (肌营养不良蛋白) with its 79 exons spreadover 2000 kb, 约占人类基因组0.1%.2) Duchenne muscular dystrophy (DMD) perhaps its great sizemakes this gene so susceptible to partial de

36、letions. If thesecause a change in the reading frame, no dystrophin issynthesized and DMD, a very severe form of the disease.3) Becker muscular dystrophy (BMD). If the deletion simplyremoves certain exons, a shortened protein results thatproduces BMD, a milder form of the disease.4) The gene for dys

37、trophin is on the X chromosome, so thesetwo diseases strike males in a typical X-linked pattern ofinheritance. 该遗传病在男性中非常突出.无脊椎动物中没有的人类基因1. antibodies and T cell receptors for antigen (TCRs).2. the transplantation antigens of the majorhistocompatibility complex (HLA, the MHC ofhumans), cell-signalin

38、g molecules including themany types of cytokines.3. the molecules that participate in blood clotting(凝血).4. mediators of apoptosis. Although these proteinsoccur in Drosophila and C. elegans, we have amuch richer assortment of them. 人类中更为丰富.酵母最小染色体酵母最小染色体为VI, 长270 kb, 含135个基因. 据分析, 为了保持最低限度的染色体长度, VI

39、号染色体填充了许多非必需顺序.基因在染色体上的分布人类染色体 长度(Mb) 基因数 密度染色体 长度(Mb) 基因数 密度1234567892202402001861721721461461131301321342 453 16/Mb1 816 12/Mb1 611 12/Mb1 145 10/Mb1 366 11/Mb1 467 13/Mb1 219 12/Mb940 11/Mb1 018 13/Mb1 027 12/Mb1 586 16/Mb1 342 14/Mb13141516171819202122X99878075787958613336582 10/Mb873 14/Mb804 1

40、5/Mb995 19/Mb1210 19/Mb472 10/Mb1409 29/Mb697 16/Mb286 13/Mb641 23/Mb992 11/Mb104 11/Mb10111212819YNA75328 (未确定染色体位置) 平均密度: 1/71 kb基因组的基因构成1) 编码蛋白质基因2) 编码RNA基因3) 编码miRNA的顺序 (基因?)几乎所有RNA编码基因都是多拷贝动物种属专一性基因非常之少1) 老鼠基因组注释结果揭示, 啮齿类基因中只有1%为种属专一性基因.2) 原来以果蝇作为参照, 认为在脊椎动物中存在许多脊椎动物种属的基因, 现在在珊瑚虫基因组中已找到许多曾被认为是脊

41、椎动物种属专一性的基因. 因此真正属于脊椎动物的基因数比预期的少很多.五种真核生物蛋白质基因比较人类果蝇线人虫 酵母 拟南芥鉴定的基因数25000* 13 338 18 2666 144 25 706851 1 010蛋白质域家族数目不同蛋白质域数目1-1-1-1百分比信号顺序百分比膜蛋白百分比1 2621 6951.40201 035 1 0141 036 1 0183104.20203.10242899.20 11201025155重复百分比扭曲螺旋百分比111113109非编码RN 基因非编码RNA基因包括:rRNA基因tRNA基因snRNA基因: 小分子细胞核RNA基因涉及前体mRNA

42、剪接snoRNA基因: 与rRNA剪接和修饰有关scRNA基因: 小分子细胞质RNA基因7S RNA, 与核糖体转移到内质网上有关miRNA: 干扰基因表达, X染色体失活人类基因组还有哪些是未知的?1) 不论是International Human GenomeSequencing Consortium (IHGSC)还是CeleraGenomics都未能获得全部的人类基因组顺序,已测序的部分约占总DNA的90%.2) 2001年的草图顺序连续DNA的长度为85 kb, 15万个间隙. 2003年连续DNA长度达到38.5 Mb,间隙减至341个.4) 目前仍然不知道人类基因组编码蛋白质基因

43、的精确数字, 推测在24 000左右.人类基因组顺序分析后的新发现1) 人类基因组中存在许多几乎完全相同的重复区段, 它们至少分布在两个不同的区域. 有很多与人类遗传病有关. Y染色体约25%的区段重复, 主要集中在中间和端部. 人类基因组在过去的400万年中发生了迅速的功能创新和结构改变.2) 人类基因组重复区占5.3%, 大鼠为3%, 老鼠为1-2%.3) 人类与啮齿类自7500万年前分开后, 通过重复产生了约1000新基因, 大多与免疫, 嗅觉和生殖有关. 如怀孕专一性-1糖蛋白与人类的孕期延长有关. 人类嗅觉基因远少于啮齿类.4) 从完成顺序中鉴定了因点突变而失去功能的33个假基因,

44、但其中5个同源基因在黑猩猩中仍然有功能, 没有突变.几种真核类生物转录因子数目比较当比较拟南芥基因组与已测序的动物及人类基因组的转录因子基因组成时有一个意外的发现，与预期的相比，拟南芥转录因子基因的数目（1500）远高于线虫（500）与果蝇（700），略底于人类（2000）。从结构的复杂性观测，拟南芥应比果蝇简单，为何前者的转录因子数量多于后者，这与植物具有复杂的次生代谢产物有关。由于不能通过运动主动躲避环境的压力和侵害，植物只能发展丰富的次生代谢产物来适应所遭遇的生存环境。植物次生代谢产物的种类约50 000种，基因组中约25%的基因涉及次生代谢，其中包括相当数量的转录因子。大肠杆菌染色体目

45、前已知的结构最完美的基因组1) 一种生活在海洋表层水体中的浮游细菌P.ubique (SAR11)的基因组已经完成其测序, 这是目前已知的结构最紧凑, 基因组成最合理, 最经济有效的游离生物基因组. 这种合理的结构模式是细菌为了适应贫营养化的海水生存条件而被自然选择的结果.2) 浮游细菌SAR11于1990年发现. SAR11是一个庞大的细菌群体，如果将它们的重量加在一起将超过世界上海洋里所有鱼类的重量. 对与SAR11相似的细胞的实际数量所做的检测与分析表明，它们约占大西洋表层水域中微生物群体的一半。从全球来看，海洋中的SAR11细胞的数量超过21028.游离单细胞生物中基因组最小的生物P.

46、ubiqu 基因组组成1. P.ubique基因组全长1 308 759 bp, 含1354 个蛋白质基因, 35个RNA基因.2. P.ubique基因组缺少假基因、内含子、转座子、染色体外遗传成分（extrachromosomal elements）、内含肽 (翻译后被切除的多肽), 极少平行基因,很少基因间顺序, 没有噬菌体基因及最近重复的基因.3. P.ubique基因组含有最简单的独立生存细胞所必需的基因, 有不少负责从环境中吸收有机物的蛋白质编码基因.4. 细胞分裂速率为每天0.40-0.58次, 生长比较缓慢.5. P.ubique基因组的GC含量为29.7%, 这是为了适应海洋

47、环境中氮素缺乏的特点.6. P.ubique基因组及其基因的组成都是为了适应海洋生存环境中营养非常缺少的状态.基因组表观遗传表观遗传学的例子(1)1) 细胞的分化是一种典型的表观遗传学现象, 如人类眼睛细胞和肌肉细胞含有相同的基因组, 但基因的表达差异很大.2) while a mutation in the axin gene called axin-fused produces mice with kinky tails (弯曲尾巴),the degree of kinkiness varies among geneticallyidentical littermates (同一窝老鼠)(

48、Figure).鳄鱼性别由孵化温度决定扬子鳄卵在孵化温度为28.5 摄氏度时，孵出的全部为雌鳄；当气温在33.5 摄氏度到35摄氏度时，孵出的全为雄鳄；气温在30摄氏度时，雌雄比例相等。温度越高，孵化出的雄性幼鳄越多。这是典型的表观遗传.Epigenetic 的历史1) 上世纪40年代, Waddington首创“epigenetics”一词, 用以概括研究基因及其产物如何转变为表现型的领域. 用现在的话说, 就是遗传信息如何转变为表型的过程.2) 就词义而言, “epi”是“其上” (upon) 或“超越” (over)的意思. 因此, 在epigenetics的定义中, genetics只

49、涉及基因的结构层次, 而epigenetics则涉及基因如何发挥其功能以及基因之间的互作关系.3) 在Waddington的“epigenetics”定义中,epigenetics的位置处于遗传学, 发育和生态学的交叉口.表观遗传的通俗解释相同基因型的生物在不同的环境条件下表型有很大的差别。同一种中药材在不同产地生长，其药效相差甚远，这是环境影响基因表达的突出例子。这种因环境影响而改变的基因表达模式并不涉及基因型的变异，但可以重复出现，稳定遗传，是一种典型的表观遗传现象。同卵孪生子的表型趋异也是一种表观遗传. 最近的研究发现, 随着年龄的增长同卵孪生子的表型差异有扩大的趋势.Epigeneti

50、c 概念的变迁1) 1982年“Dictionary of Biology”的定义: epigenetics系指遗传因子与发育过程之间的互作, 通过这种互作使基因型转变为表型.2) 1992年, Hall在其所著的“Evolutionary DevelopmentalBiology”一书中, 将epigenetics定义为: 在发育过程中遗传因子和非遗传因子作用于细胞, 选择性控制基因的表达,并逐步增加表型复杂性的过程.3) 1996年, 在“Epigentic Mechanisms of Gene Regulation”一书中将epigenetics定义为: 研究不涉及DNA顺序的改变而发生

51、的基因功能的差异, 这种差异能通过有丝分裂和减数分裂稳定传递.4) 2001年Science杂志对epigenetics的定义为:研究不涉及DNA顺序的变异但能通过有丝分裂和减数分裂遗传的基因功能的变化.表观遗传学表观遗传学(epigenetics):研究在不改变DNA顺序的情况下基因表达出现可遗传变化的分支学科. 这种表达模式的改变可通过有丝分裂和减数分裂传递给子代细胞或个体. 表观遗传学是功能基因组学研究的重要领域.表观遗传是基因组程序化的一种表现形式.欧洲已启动epigenom 计划In October 2000, the Human EpigenomeConsortium (the S

52、anger Institute, EpigenomicsAG, and the Centre National de Gnotypage inEvry, France) started a European Union-fundedpilot project to map the methylation sites withinthe major histocompatibility complex (MHC)region in seven different human tissues.2000年10月, 欧共体启动了一项探索计划: 绘制人类基因组7种不同组织细胞主要组织相容性复合体(MHC

53、)区甲基化位点图.基因组DN 甲基化的生物学1）细胞命运的确定与基因组DNA的甲基化状态有关；2）DNA甲基化是决定基因表达模式的重要因素；3）DNA甲基化模式可以在上下代细胞之间传递；4）DNA甲基化只限于碱基的修饰，并不改变DNA的顺序组成。组蛋白的修饰目前已发现的组蛋白修饰:1) 乙酰基化2) 甲基化3) 类泛素化4) Sumoylation5) 磷酸化RNAi可介导组蛋白修饰SUMO: small ubiquitin-likemodifier,泛素样小修饰蛋白见: Cell 116:259-272, 2004 (重要参考文献)功能基因组学的研究方法及策略Pos genome EraGe

54、nomics 3billion21000 plus geneFunctio ?基因功能的研究：基因编码蛋白的亚细胞定位 （GFP荧光等）基因转录水平的调控 （启动子活性研究等）体外研究（In vitro）基因编码蛋白相互作用（酵母双杂交等）基因在信号通路中的作用(Over-expression、knockdown等）体内研究（In vivo)基因打靶技术; SiRNAs; Crisp/Cas9GFP in functional genomics:2008 Nobel Prize化学奖Roger TsienUniversity of California,San DiegoOsamu Shimo

55、muraMartin ChalfieBML and Boston UniversityColumbia University基因编码蛋白相互作用的研究：酵母双杂交（Yeast hybrid system)基因在信号通路中的作用:RNAi与基因功能研究“沉默”是金-RNAi2006 Nobel Prize生理学（医学奖)安迪 菲尔(AndrewZ.Fire)克雷格 梅洛(Craig C.Mello)RNAi 发现历程：1991年，来自于美国和荷兰的两个转基因植物实验组，将紫色色素基因导入矮牵牛(petunia)植物，目的是想通过增加紫色色素基因拷贝来获得具有更多红花的矮牵牛，结果则出乎他们的预料

56、：有些转基因的矮牵牛却开出部分或全部白花，表明色素合成不是增加了而是减少！当时认为这是矮牵牛本来有的紫色素基因和转入的外来紫色素基因都失去了功能，称这种现象是“共抑制”。1995年 康奈尔大学 Su Guo(复旦大学毕业，现在旧金山加州大学任职)等在对线虫C.elegans的研究中，应用正义链RNA作为对照，研究par-1基因的表达，意外的发现，正义链RNA与反义链RNA同样能够抑制目的基因的表达。他们对这个结果百思不得其解。1998年，Andrew Fire等首次将正义链反义链RNA混合注入线虫C.elegans中，观察到更强的基因表达抑制。首次提出了RNA interference的概念。

57、A control: not stainedB: wtC: antisense RNAD: ds RNAMex-3 mRNA detection in embryos by in situhybridizationAndrew Fire et. al. Nature 1998, Carnegie Institution of WashingtonPotent and specific genetic interference bydouble-stranded RNA in Caenorhabditiselegans.Fire A, Xu S, Montgomery MK, Kostas SA,Driver SE, Mello CC.Nature. 1998 Feb 19;391(6669):806-811.RNA interference（RNAi）与靶基因序列同源的双链RNA所诱导一种序列特异性的转录后基因沉默现象。生物体内普遍存在抵御外在感染的重要保护机制(植物病毒，病毒诱导的基因沉默)RNAi技术应用于哺乳动物细胞的研究策略在哺乳动物细胞中开展RNAi实验大致包括以下5个步骤： 选取目的基因； 设计相应的siRNA序列； 制备siRNA； si