第五章第三节基因组

第三节基因组一、基因组的定义：基因组：一个细胞或者生物体所携带的一套完整的单倍体序列，包括全套基因和间隔序列。

二、基因组的结构特点结构：指不同的基因功能区域在核酸分子中的分布和排列情况。功能：贮存和表达遗传信息特点：1）、基因组储存了生物体整套的遗传信息2）、不同生物基因组蕴含的遗传信息量有着巨大的差别3）、不同生物基因组的结构与组织形式也明显不同4）、不同的生物体，其基因组的大小和复杂程度各不相同，进化程度越高的生物其基因组越复杂。一）、真核生物基因组特点：1.基因组较大。2.不存在操纵子结构。3.存在大量的重复序列。4.有断裂基因。5.真核生物基因转录产物为单顺反子；6.功能相关基因构成各种基因家族。二）原核生物基因组特点1.基因组较小，通常只有一个环形或线形的DNA分子；2.通常只有一个DNA复制起点；3.非编码区主要是调控序列；4.存在可移动的DNA序列；5.基因密度非常高，基因组中编码区大于非编码区；6.结构基因没有内含子，多为单拷贝，结构基因无重叠现象；7.重复序列很少，重复片段为转座子。8.有编码同工酶的等基因；9.基因组的大部分序列是用来编码蛋白质的，基因之间的间隔序列很短；10.

广泛存在操纵子结构。大肠杆菌类核结构照片图三）病毒基因组特点1.不同病毒基因组大小相差较大；2.不同病毒基因组可以是不同结构的核酸；3.除逆转录病毒外，通常为单倍体基因组；4.有的病毒基因组是连续的，有的病毒基因组分节段；5.有的基因有内含子；6.病毒基因组大部分为编码序列；7.基因重叠。三、基因组的染色体倍数性和数目基因的剂量——指一个细胞中某基因的拷贝数细胞的倍数性——指细胞中整套染色体的拷贝数，真核细胞就是指染色体的数目，如2倍体细胞，4倍体细胞等真核生物的单倍体数目代表基因组基因组一份拷贝的染色体数目，就是一套染色体的数目；配子细胞是单倍体，大多数真核生物的体细胞是2倍体，生殖细胞是单倍体；C值是指单倍体基因组中DNA的含量，可以用碱基对或分子量来表示。有时染色体的倍数也可以用C值表示。一般来说，随着是生物复杂程度的提高，物种的C值也越来越高，但是物种的C值高低与物种的高等或低等无直接关系。高等生物具有比低等生物更复杂的生命活动，所以，理论上应该是它们的C值也应该更高。但是事实上C值没有体现出与物种进化程度相关的趋势。高等生物的C值不一定就意味着它的C值高于比它低等的生物。这种生物学上的DNA总量的比较和矛盾，称为C值悖论。如人的C值只有109bp，肺鱼的C值为1011bp；四、遗传图谱、基因图谱、

物理图谱、序列图谱1、遗传图谱定义：某一物种的染色体图谱（也就是我们所知的连锁图谱），显示所知的基因和/或遗传标记的相对位置，而不是在每条染色体上特殊的物理位置。主要作用：通过遗传重组所得到的基因在具体染色体上线性排列图称为遗传连锁图。它是通过计算连锁的遗传标志之间的重组频率，确定他们的相对距离，一般用厘摩(cM，即每次减数分裂的重组频率为1%)来表示。要构建分子遗传图谱的方法首先要根据遗传材料选择合适的作图群体,再应用分子标记技术对基因型进行标记分析,确定标记间的连锁关系.主要包括构建合适的遗传群体,包括亲本的选择,分离群体类型的选择及群体大小的确定等；利用合适的分子标记进行分析；利用计算机软件进行图谱构建,建立标记间的连锁排序和遗传距离；利用计算机软件绘出遗传图谱这几个部分.2、基因图谱基因图谱是用以表示基因在一个DNA分子(染色体或质粒)上相对位置、连锁关系或物理组成(序列)的图示.基因图谱的主要作用：1）如果有了自己的基因图谱，就可以知道自己和疾病之间的关系。

2）个人基因图谱承载着个人的全部生命秘密，个体今后的兴趣、爱好，体能，饮食习惯、性格及各种潜在的遗传病等都清楚地写在个人的基因图谱上。3）个人基因图谱最成功的应用应该是预测遗传疾病。4）绘制个人基因组图谱还有一个极为重要的潜在利好，就是彻底战胜人类绝症——癌症。5）绘制个人基因图谱不仅仅对有遗传家族史的人以及癌症患者有益，对于我们平时所认为的健康人群同样具有十分重要的意义。

6）人类基因组图谱被誉为“人体的第二张解剖图”，通过分析人体24条染色体的碱基序列，获得个人基因组，有助于预防遗传疾病，为新药物研制以及新医疗方法提供依据。3、物理图谱物理图谱是指有关构成基因组的全部基因的排列和间距的信息，它是通过对构成基因组的DNA分子进行测定而绘制的。绘制物理图谱的目的是把有关基因的遗传信息及其在每条染色体上的相对位置线性而系统地排列出来。

物理图谱构建的方法：辐射杂种和克隆作图4、序列图谱序列分析采用一个区域的DNA序列重叠群使测序工作不断延伸，使用其中的序列标记位点（STS）作为两个片段间的重叠区域，使分别被测序的短序列进行正确的拼接，最后获得DNA全序列图谱。五、人类基因组1、人类基因组的定义：人类基因组就是人体一个细胞内包含的所有遗传物质的总称。其中包括22对体染色体、1条X染色体和1条Y染色体和线粒体中的所有DNA序列

人类基因组细胞核基因组3000Mb线粒体基因组16.6Mb基因外DNA80％基因和基因有关序列20％编码DNA<10%非编码DNA>90%假基因内含子等2个rRNA基因22个tRNA基因13个蛋白质基因单一或低拷贝DNA70－80％中等或高等重复序列20－30％串连重复60％散在重复40％人类基因工程蓝图生命的奥秘蕴藏于“四字天书”之中…GCTTCTTCCTCATTTTCTCTTGCCGCCACCATGCCGCCACCATCATTTTCTCTTGCCGCCACCATGCTTCTTCCTCATTTTCTCTCCACCATGCCGCCACCACGCCACCATGCTTCTTCCTCATCTCGCTTTCTTGCCGCCACCATGCCGCCACCGCTTCTTCCtTCTCT…（一）人类基因组计划产生的背景

人类基因组计划的产生与“肿瘤计划”的搁浅是分不开的。美国从70年代起启动了“肿瘤计划”，但是，不惜血本的投入换来的是令人失望的结果。人们渐渐认识到，包括癌症在内的各种人类疾病都与基因直接或间接相关。测出基因的碱基序列，则是基因研究的基础。这时，科学家们面临两种选择：要么“零敲碎打”地从人类基因组中分离和研究出几个肿瘤基因，要么对人类基因组进行全测序。三、人类基因组计划（二）世界的行动

1、1984年在科罗拉多州举行的一个科学会议上，美能源部科学家建议发动全国的科技力量来做人类基因组图谱的分析工作，结果支持者寥寥。因为以当时的技术水平，每分析一个碱基对需要3-5美元，搞清30亿个碱基对的排序需要150亿美元的巨资。

1986年3月7日，Dulbecco.R在《Science》》（Science,231:1055－1056）上发表了一篇名为《癌症研究的转折点-----人类基因组全序列分析》的有关开展人类基因组计划的短文，引起了全世界的强烈反响。不仅推动了美国，也推动了全世界的人类基因组计划的发展；1987年初，美国能源部和国家健康研究院为“人类基因组计划”下拨了启动经费550万美元，全年1.66亿美元。

1988年2月，国家科学研究委员会的专家成立了"国家人类基因组研究中心"，由沃森任第一任主任。但是，美国国会正式批准的“人类基因组计划”到1990年10月1日才正式启动，其规模在世界上是最大的，计划在15年内投入30亿美元以上的资金进行人类基因组的分析。至此，被誉为生命科学“阿波罗登月计划”的国际人类基因组计划开始启动。在Dulbecco短文的影响下，整个欧洲都行动起来了，并且各具特色。

2、1987年，意大利国家的HGP启动，其特色是技术多样（YAC、杂交细胞、cDNA等）、区域集中（X染色体的q24—qter区域）。

3、1989年2月，英国国家的HGP启动；其特色是资源集中、全国协调（资金、技术Sanger测序）。

4、1990年6月，法国国家的HGP启动，其特色是注重整体基因组、cDNA和自动化，而且法国为世界HGP的研究做出了不可磨灭的功献。法国不仅建立了多态性中心、全基因组的YAC重叠群和微卫星标记技术，而且法国民众进行了捐资，还有驰名中外的用作基因组研究的经典材料CEPH家系（3代80多个家系）。

5、1990年6月，欧共体通过"欧洲人类基因组计划"。主要资助23个实验室重点用于“资源中心”的建立和运转。

6、1995年，德国国家的HGP启动，其特色是先后建立了资源中心和基因扫描定为中心，并开始了对21号染色体进行大规模的测序工作。

7、中国的HGP始于1994年，是在吴旻，强伯勤，陈竺，杨焕明等人的倡导下启动的。最初由国家自然科学基金委员会和“863”高科技计划的支持下，先后启动了“中华民族基因组中若干位点基因结构的研究”和“重大基因相关基因的定位、克隆、结构与功能研究”。

1998年3月由陈竺院士挂帅成立上海中心，10月改名为中国南方基因中心。同时，决定成立由国家卫生部牵头的若干中国人类遗传资源保护中心。1999年由强伯勤院士挑头在北京先后成立了中国科学院北京人类基因组中心和北方人类基因组中心。1999年7月我国在国际人类基因组HGSI注册，9月中国获准加入人类基因组计划，负责测定人类基因组全部序列的1%，也就是3号染色体上的3000万个碱基对。

中国是继美、英、日、德、法之后第六个国际人类基因组计划参与国，也是参与这一计划的唯一发展中国家。在对人类23对染色体上多达30亿对碱基的测定上，美国人的贡献率最大，承担了54%，其次是英国，承担了33%,日本为7%,法国为2.8%，德国为2.2%，中国科学家承担了1%的测序任务。

我国的人类基因组计划于1994年正式启动，而后，我国先后在上海和北京成立了国家人类基因组南、北两个中心，投入巨额资金进行基因组研究。中国科学家2007年对外宣布，他们已经成功绘制完成第一个完整中国人基因组图谱(又称“炎黄一号”)，这也是第一个亚洲人全基因序列图谱。

此外，丹麦，日本，韩国，俄罗斯和澳大利亚也加入行动行列，除政府投资HGP外，世界几乎所有的医药公司都参与人类基因组的研究，与国际人类基因组计划展开竞争。可见，人类基因组计划发展成一个由多国政府支持的国际项目，先后有美、英、日、德、法及中国等国家参加，有16个实验室及1100名生物科学家、计算机专家和技术人员参加。

杨焕明，1952年10月6日生于浙江温州。1982年在南京铁道医学院生物系获硕士学位，1988年在丹麦哥本哈根大学医学遗传学研究所获博士学位。后到法国马赛免疫中心人类分子遗传实验室进行研究。曾先后在美国哈佛大学、洛杉矶大学加州分校攻读博士后。1997年任中国医学科学院、中国协和医科大学医学遗传学教授，博士生导师。

现任中科院遗传所人类基因组中心主任，联合国教科文组织生物伦理委员会委员，国际人类基因组计划中国协调人，中国人类基因组计划秘书长，中国人类基因组多样性委员会秘书长。杨焕明教授与于军、汪建等创立华大基因中心，为中国争取了人类基因组测序1％的任务，并提前完成。不久前他们又对袁隆平院士的超级杂交稻进行测序，在2002年的美国《科学》杂志上发表论文，被国际生物学界认为是一个里程碑式的成就。2002年《科学美国人》把杨焕明评为年度科研领袖人物。2．人类基因组计划研究的意义HGP对人类疾病基因研究的贡献

HGP对医学的贡献

HGP对生物技术的贡献

HGP对制药工业的贡献

HGP对社会经济的重要影响

HGP对生物进化研究的影响

HGP带来的负面作用

3、人类基因组计划研究的内容HGP的主要任务是人类的DNA测序，包括下图所示的四张谱图，此外还有测序技术、人类基因组序列变异、功能基因组技术、比较基因组学、社会、法律、伦理研究