最新基因组学与医学课件

基因组学与医学基因组学与医学1第

一

节基因组学(Genomics)一、基因组学概念及范畴二、结构基因组学三、功能基因组学四、比较基因组学第一节基因组学(Genomics)一、基因组学概念及范畴2最新基因组学与医学课件3最新基因组学与医学课件4最新基因组学与医学课件5最新基因组学与医学课件6最新基因组学与医学课件7最新基因组学与医学课件8人类免疫缺陷病毒(HIV)（humanImmunodeficiencyvirus）逆转录病毒（单链RNA病毒）RNA人类免疫缺陷病毒(HIV)逆转录病毒（单链RNA病毒）RN92.原核生物基因组细菌染色体DNA质粒DNA以大肠杆菌（Escherichiacoli）为例2.原核生物基因组细菌染色体DNA以大肠杆菌（Escher10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类核（nucleoid）：细菌染色体在

细胞内11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由一条环状双链DNA分子组成，

通常只有一个DN12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。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133.真核生物基因组染色体DNA线粒体DNA3.真核生物基因组染色体DNA线粒体DNA1412345678910111213141516171819202122XY人类染色体基因组12345615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%。人类线粒体基因组2个rRNA基因和22个tRNA基因，13个16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）基因组学的概念基因组学(genomics)（二）基因组学的概念17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

关性的认识基因组学包括3个不同的亚领域亚领域18二、结构基因组学

人类基因

组计划结构基因组学(structuralgenomics)是通过HGP的实施来完成的。二、结构基因组学人类基因

组计划结构基因组学(stru19人类基因组计划：（Humangenomeproject,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。人类基因组计划：（Humangenomeproject,20Initialsequencingandanalysisof

thehumangenomeInternationalHumanGenomeSequencingConsortiumNATUREVOL409

15FEBRUARY2001860-921Initialsequencingandanalysi21TheSequenceoftheHumanGenome16FEBRUARY2001

SCIENCE

VOL291

1304-1351CeleraGenomicsTheSequenceoftheHumanGeno22人类染色体DNA大小Chr.Mb人类染色体DNA大小Chr.Mb23（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（一）物理制图HGP包括以下研究内容24绘制物理图谱（physicalmap）：

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

（sequencetaggedsites,STSs）。（一）物理制图（physicalmapping）绘制物理图谱（physicalmap）：

利用已知25克隆载体：Cosmid（粘粒）YAC（酵母人工染色体）BAC（细菌人工染色体）克隆载体：26Y号Y号27绘制遗传图谱（geneticmap）：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（geneticmapping）绘制遗传图谱（geneticmap）：（二）遗传制图（ge28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）遗传标志：29AEDbAEdBAEdbDBAE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（geneticmap）AEDbAEdBAEdbDBAE两对等位基因之间重组互换的频30最新基因组学与医学课件31ChromosomeMaleFemale1.121.760.781.400.861.300.671.40物理图距离（Mb）与遗传学距离(cM)的对应关系cM/MbChromosomeMaleFemale32（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（三）基因组DNA序列测定人类基因组的全部核苷酸(3X10933DNA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DNA测序基本步骤限制性内切酶将大片段DNA切成小的片段34DNA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gtatgtacatttttaaaatctcattttaaaaggccagttaaaatgggtatgtacatttttaattttaaaatctcattttaatttaaaaggccagttaagttaaaatggDNA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35大肠杆菌(Escherichia

coli)酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)拟南芥(Arabidopsisthaliana)秀丽小杆线虫(Caenorhabditiselegans)果蝇(Drosophilamelanogaster)小鼠(Musmusculus)模式生物大肠杆菌(Escherichiacoli)模式生36（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://www.ddbj.nig.ac.jp/（四）创建计算机分析管理系统欧洲生物信息学研究所

EMBL:37最新基因组学与医学课件38最新基因组学与医学课件39最新基因组学与医学课件40HGP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（physicalmapping）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（physicalmapping）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，绘制人类基因组图谱。HGP主要任务及内容主要任务41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的意义通过HGP获得的广泛基因组信息组成了结构基因组学的42最新基因组学与医学课件43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

（functionalgenomics）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44（一）鉴定DNA序列中的基因（二）同源搜索设计基因功能（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

（一）鉴定DNA序列中的基因主要具体内容包括以下方面45（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。

（一）鉴定DNA序列中的基因对基因组序列进行注释，包46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47最新基因组学与医学课件48最新基因组学与医学课件49最新基因组学与医学课件50（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。（三）实验性设计基因功能对基因进行缺失或剔除，观察表51（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)。（四）描述基因表达模式转录组(transcriptome):52转录组学的研究方法－DNA芯片技术转录组学的研究方法－DNA芯片技术53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)。蛋白质组(proteom)：54双向电泳（twodimensionelectrophoresis,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）两个水平上进行分离。蛋白质组学的研究方法双向电泳（twodimension蛋白质组学的研究方法55最新基因组学与医学课件56MolecularsIons

生物质谱技术

MassSpectrometry：通过测定样品离子的质荷比（m/z）来进行成分和结构分析。MolecularsIons生物质谱技术MassSpe57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。功能基因组学研究策略及主要内容鉴定(注释)基因:通过“58四、比较基因组学比较基因组学(comparativegenomics)涉及比较不同物种的整个基因组，以便深入理解每个基因组的功能和进化关系。

四、比较基因组学比较基因组学(comparativegen59进化树（系统发生树）进化树（系统发生树）60“微型人”生理系统与人非常相似90%的基因与人类同源小鼠

(Musmusculus)“微型人”小鼠

(Musmusculus)61

基因共线性基因共线性62最新基因组学与医学课件63TheRelationbetweenGenomicsandMedicine第二节

基因组学与医学关系TheRelationbetweenGenomics64

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

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65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。疾病的分子机制：病原,病理和预后，

66分子诊断：疾病的预测,药物耐受性，

疾病的分型。分子诊断：疾病的预测,药物耐受性，

疾病67分子治疗：药物靶,基因治疗分子治疗：药物靶,基因治疗68一、基因病的概念人类疾病大致分为三类：（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。一、基因病的概念人类疾病大致分为三类：基因病：以基因组学为基69二、疾病相关基因的鉴定（一）检测人类基因变异或突变（二）疾病时基因组差异表达分析（三）染色体制图定位及疾病相关基因克隆

二、疾病相关基因的鉴定（一）检测人类基因变异或突变70（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）（一）检测人类基因变异或突变单链构象多态性(SSCP)、71等位型1等位型2单核苷酸多态性

（singlenucleotidepolymorphism,SNP）在人类两个个体之间大约每500—1000bp就有一个碱基差异，如果一个碱基位置发生的变异在上％以上的人群存在，这个位点就被定义为SNP位点。等位型1等位型2单核苷酸多态性

（singlenucle72寡核苷酸杂交分析

SNP和等位基因特异

寡核苷酸杂交

寡核苷酸杂交分析

SNP和等位基因特异

寡核苷酸杂交73（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。（二）疾病时基因组差异表达分析某一疾病或综合征基因74DNA芯片检测的差异表达谱DNA芯片检测的差异表达谱75（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。（三）染色体制图定位及疾病相关基因克隆疾病基因定位：76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。疾病相关基因克隆策略：77三、基因组学与肿瘤病因学

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。

三、基因组学与肿瘤病因学致癌因子引起DNA损伤，可引78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。鉴定隐性癌基因（肿瘤抑制基因）和显性癌基因。79肿瘤基因组解剖工程，基因重排常导致癌基因失活。/肿瘤基因组解剖工程，http://cgap.nci.nih.80最新基因组学与医学课件81基因组学与医学基因组学与医学82第

一

节基因组学(Genomics)一、基因组学概念及范畴二、结构基因组学三、功能基因组学四、比较基因组学第一节基因组学(Genomics)一、基因组学概念及范畴83最新基因组学与医学课件84最新基因组学与医学课件85最新基因组学与医学课件86最新基因组学与医学课件87最新基因组学与医学课件88最新基因组学与医学课件89人类免疫缺陷病毒(HIV)（humanImmunodeficiencyvirus）逆转录病毒（单链RNA病毒）RNA人类免疫缺陷病毒(HIV)逆转录病毒（单链RNA病毒）RN902.原核生物基因组细菌染色体DNA质粒DNA以大肠杆菌（Escherichiacoli）为例2.原核生物基因组细菌染色体DNA以大肠杆菌（Escher91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类核（nucleoid）：细菌染色体在

细胞内92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由一条环状双链DNA分子组成，

通常只有一个DN93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。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943.真核生物基因组染色体DNA线粒体DNA3.真核生物基因组染色体DNA线粒体DNA9512345678910111213141516171819202122XY人类染色体基因组12345696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%。人类线粒体基因组2个rRNA基因和22个tRNA基因，13个97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）基因组学的概念基因组学(genomics)（二）基因组学的概念98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

关性的认识基因组学包括3个不同的亚领域亚领域99二、结构基因组学

人类基因

组计划结构基因组学(structuralgenomics)是通过HGP的实施来完成的。二、结构基因组学人类基因

组计划结构基因组学(stru100人类基因组计划：（Humangenomeproject,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。人类基因组计划：（Humangenomeproject,101Initialsequencingandanalysisof

thehumangenomeInternationalHumanGenomeSequencingConsortiumNATUREVOL409

15FEBRUARY2001860-921Initialsequencingandanalysi102TheSequenceoftheHumanGenome16FEBRUARY2001

SCIENCE

VOL291

1304-1351CeleraGenomicsTheSequenceoftheHumanGeno103人类染色体DNA大小Chr.Mb人类染色体DNA大小Chr.Mb104（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（一）物理制图HGP包括以下研究内容105绘制物理图谱（physicalmap）：

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

（sequencetaggedsites,STSs）。（一）物理制图（physicalmapping）绘制物理图谱（physicalmap）：

利用已知106克隆载体：Cosmid（粘粒）YAC（酵母人工染色体）BAC（细菌人工染色体）克隆载体：107Y号Y号108绘制遗传图谱（geneticmap）：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（geneticmapping）绘制遗传图谱（geneticmap）：（二）遗传制图（ge109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）遗传标志：110AEDbAEdBAEdbDBAE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（geneticmap）AEDbAEdBAEdbDBAE两对等位基因之间重组互换的频111最新基因组学与医学课件112ChromosomeMaleFemale1.121.760.781.400.861.300.671.40物理图距离（Mb）与遗传学距离(cM)的对应关系cM/MbChromosomeMaleFemale113（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（三）基因组DNA序列测定人类基因组的全部核苷酸(3X109114DNA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DNA测序基本步骤限制性内切酶将大片段DNA切成小的片段115DNA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gtatgtacatttttaaaatctcattttaaaaggccagttaaaatgggtatgtacatttttaattttaaaatctcattttaatttaaaaggccagttaagttaaaatggDNA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116大肠杆菌(Escherichia

coli)酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)拟南芥(Arabidopsisthaliana)秀丽小杆线虫(Caenorhabditiselegans)果蝇(Drosophilamelanogaster)小鼠(Musmusculus)模式生物大肠杆菌(Escherichiacoli)模式生117（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://www.ddbj.nig.ac.jp/（四）创建计算机分析管理系统欧洲生物信息学研究所

EMBL:118最新基因组学与医学课件119最新基因组学与医学课件120最新基因组学与医学课件121HGP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（physicalmapping）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（physicalmapping）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，绘制人类基因组图谱。HGP主要任务及内容主要任务122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的意义通过HGP获得的广泛基因组信息组成了结构基因组学的123最新基因组学与医学课件124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

（functionalgenomics）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125（一）鉴定DNA序列中的基因（二）同源搜索设计基因功能（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

（一）鉴定DNA序列中的基因主要具体内容包括以下方面126（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。

（一）鉴定DNA序列中的基因对基因组序列进行注释，包127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128最新基因组学与医学课件129最新基因组学与医学课件130最新基因组学与医学课件131（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。（三）实验性设计基因功能对基因进行缺失或剔除，观察表132（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)。（四）描述基因表达模式转录组(transcriptome):133转录组学的研究方法－DNA芯片技术转录组学的研究方法－DNA芯片技术134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)。蛋白质组(proteom)：135双向电泳（twodimensionelectrophoresis,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）两个水平上进行分离。蛋白质组学的研究方法双向电泳（twodimension蛋白质组学的研究方法136最新基因组学与医学课件137MolecularsIons

生物质谱技术

MassSpectrometry：通过测定样品离子的质荷比（m/z）来进行成分和结构分析。MolecularsIons生物质谱技术MassSpe138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。功能基因组学研究策略及主要内容鉴定(注释)基因:通过“139四、比较基因组学比较基因组学(comparativegenomics)涉及比较不同物种的整个基因组，以便深入理解每个基因组的功能和进化关系。

四、比较基因组学比较基因组学(comparativegen140进化树（系统发生树）进化树（系统发生树）141“微型人”生理系统与人非常相似90%的基因与人类同源小鼠

(Musmusculus)“微型人”小鼠

(Musmusculus)142

基因共线性基因共线性143最新基因组学与医学课