人类基因组学与基因组计划

人类基因组学与基因组计划第1页/共55页

第一节人类基因组和基因组学

基因组（genome）生殖细胞含1套基因组

1套来自父本生殖细胞体细胞含2套基因组

1套来自母本生殖细胞人类基因组（genome）是人体的所有遗传信息的总和。第2页/共55页

完整的人类基因组包含：

1-22号常染色体核基因组

X和Y染色体

线粒体基因组第3页/共55页第4页/共55页一、基因的结构1、基因分类单一基因（solitarygene）基因在单倍体基因组中只有一份。基因家族（genefamily）重复多拷贝基因，属于两个或更多个相似基因的家族，如β珠蛋白基因。

假基因（pseudogene）一种畸变基因，即核苷酸序列同有功能的正常基因有很大的同源性，但由于突变、缺失或插入以致不能表达，所以没有功能。

串联重复基因（tandemlyrepeatdsequence）基因是呈串联重复排列，如tRNA基因、组蛋白基因第5页/共55页EukaryoticGeneStructure2、割裂基因（splitgene)外显子内含子增强子启动子终止子（TAA)侧翼序列（frankingsequence）外显子-内含子接头（GT-AG)人最大基因

dystrophin,2.5Mb,80exons第6页/共55页ProkaryoticGeneStructureRBS：RibsomebindingsequenceUTR：Untranslatedregion第7页/共55页Alternativesplicingisaprocess突起bywhichtheexons编码序列oftheRNAproducedbytranscription转录ofagenearereconnectedinmultiple组成waysduringRNAsplicing.TheresultingdifferentmRNAsmaybetranslatedintodifferentprotein蛋白质isoforms同等形式;thus,asingle单一的genemaycode遗传密码formultipleproteins.

Alternative引起改变的splicing基因片断第8页/共55页二、基因组的组成（一）单拷贝序列（单一序列）【约10％】

在基因组中仅有单一拷贝或少数拷贝，单拷贝序列的长度在800bp～1000bp之间，其中有些是编码细胞中各种蛋白质和酶的结构基因。

（二）重复多拷贝序列【约90％】

重复多拷贝序列有的较短，有的较长，分散地穿插于整个基因组。1、简单序列DNA（simple-sequenceDNA，satelliteDNA）以5bp、10bp或20bp、200bp为一个重复单位；高度重复，长度可达10*5bp；位于染色体的异染色质区。

第9页/共55页DetectingmicrosatellitesfromgenomicDNA.Amicrosatellitemotif(CT)inaDNAsequence小卫星DNA（minisateliiteDNA）or可变数目串联重复（variablenumberoftandemrepeats，VNTR）15bp～100bp组成的重复单位，重复20～50次形成的lkb～5kb的短DNA。微卫星DNA（microsatelliteDNA）或短串联重复（shorttandemrepeat，STR）在基因组的间隔序列和内含子等非编码区内，重复序列为lbp～6bp，如（A）n／（T）n、（CA）n／（TG）n、（CT）n、（AG）n等，表现为多态性。

第10页/共55页2、中度重复DNA（intermediaterepeatDNA）

以不同的量分布于整个基因组的不同部位，占整个基因组的25％～40％。Alu家族（Alufamily）：短散在核元件，在基因组中的拷贝数重复30-50万,每个拷贝长度约300bp，内含有一个限制性内切酶AluⅠ的特异性识别位点。KpnⅠ家族（KpnⅠfamily）：长散在核元件，拷贝数为3000～4800个，用限制性内切酶KpnⅠ消化，可分解成4个长度不等的片段。

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基因组学（genomics）

是从基因组整体层次上系统地研究各生物种群基因组的结构和功能及相互关系的学科。基因组学研究内容的三个基本方面：

结构基因组学（structuralgenomics）

功能基因组学（functionalgenomics）

比较基因组学（comparativegenomics）由此又派生出其他研究分支。第12页/共55页第二节人类基因组计划

人类基因组计划（humangenomeproject,HGP）

是20世纪90年代开始的，由世界多个国家参与合作的系统地研究人类基因组的重大科研项目。第13页/共55页

HGP的科学目标：

是测定组成人类基因组的全部DNA序列，从而为阐明人类所有基因的结构与功能，解码人类生命奥秘奠基。HGP的基本任务：

构建人类基因组遗传图，物理图，序列图，为最终完成基因图打下基础。第14页/共55页HGP的技术成果:

主要体现在对人类基因组整体结构的认识，即人类基因组遗传图、物理图、序列图的完成，从而奠定了人类结构基因组学基础。而人类基因图的完成，仍有大量工作要做。

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人类基因组计划的三个主要目标图示第16页/共55页

遗传图（geneticmap）

又称连锁图（linkagemap）

是将每条染色体上的基因或遗传标记的相对位置经连锁分析确定下来，构成图谱。遗传距离：连锁图中两个基因间图距以1厘摩（cM）

1厘摩（cM）=减数分裂时两个基因间重组值为1%。第17页/共55页遗传标记（geneticmarker）

可以是任何一种呈孟德尔遗传的性状或物质形式，如：基因、血型、血清蛋白、DNA多态标记等。确定其在基因组中的位置后，可作为参照标记用于遗传重组分析。

第18页/共55页第一代（1975）限制片断长度多态（RFLP）

分布数量105

多态程度较低,利用价值受限第二代（1989）短串连复制序列长度多态(STR)分布数量＞104

高度多态第三代（1996）单核苷酸多态（SNP）分布数量3×106

一般为二态单体型分析DNA遗传标记第19页/共55页

物理图（physicalmap）是要将随机长度的DNA片断在染色体上的排列顺序确定下来。这些克隆DNA片断连接起来，形成重叠克隆群（Contig），再将一个个重叠克隆群（Contig)相连成线状，覆盖整个染色体。这主要靠单拷贝DNA序列标定部位（STS）作路标来实现。第20页/共55页DNA序列标定部位（seguonestaggedsite,STS)重叠克隆群（contig）YAC(yeastartificialchromosome)BAC(bacterialartificialchromosome)

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序列图（sequencemap）

是通过对基因组DNA进行碱基排列顺序分析而建立的。两种技术路线：

1.公共序列路线：即在物理图基础上，将各个BAC克隆片段切成更短的片段，形成亚克隆分别进行测序，再将相互重叠的读出序列组装成连续重叠线。第22页/共55页2.“鸟枪法”测序路线：即直接将基因组DNA分割成20kb左右的小片段进行随机测序，再用超级计算机组装成重叠线。所形成的序列图称celera序列。

……………ACGTCCGATCGGTTCATGCC

TCGGTTCATGCCAATGCCGTCC…………第23页/共55页基因图（genemap）

即在序列图基础上，用不同的方法测定各个基因所在区域位置。基因图测定方法：

1.CpG岛的应用：大多数持家基因和40%组织特异性基因5’端均存在CpG岛序列。制备

探针，染色体涂染指示基因位置分布。

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2.计算机识别：研发计算机GRAIL系统，可识别每个基因区的外显子-内含子接头区保守序列。

3.cDNA策略：由组织细胞中表达mRNA，逆转录合成cDNA片段，称为表达序列标签（EST），将收获EST定位后，构建的图称为转录图，是人类基因图雏形。第25页/共55页

人类基因组结构的分析

1.

人类基因组DNA全长约3×109bp，相当3600厘摩（cM）。其中仅有约5%的序列为编码序列（编码蛋白或tRNA、rRNA等）。

2.

人类基因组中可能有30000-40000个基因，其中编码蛋白质的外显子只占基因组DNA的1%，内含子则占24%。每个基因平均长27kb，平均含有9个外显子。不同个体间，基因编码仅有0.01%的差异。第26页/共55页3.

基因在各个染色体上的分布是不均匀的，17、19、22号染色体基因密度最高，而4、13、18、X、Y染色体基因密度最低。人类基因组中约20%的区段是没有基因的“沙漠”。第27页/共55页后基因组计划（post-genomeproject，PGP）

PGP的研究领域

人类基因组多样性计划环境基因组学

功能基因组学（蛋白组学）疾病基因组学

比较基因组学药物基因组学

生物信息学

第三节后基因组计划第28页/共55页一、人类基因组多样性计划（humangenomediversityproject，HGDP）人类基因数量一致3-4万个人类基因组DNA总量均为3×109bp不同个体基因编码仅有0.01%差异种族多样性族群多样性个体特异性人类基因组的多样性与同一性第29页/共55页二、功能基因组学

功能基因组学（functionalgenomics）转录图基因表达图：三维转录图。

不同时间不同基因不同表达水平不同发育期不同组织不同表达水平同一组织同一基因第30页/共55页三、比较基因组学（comparativegenomics）各种模式生物基因组序列的比较生物种类基因组大小预测基因组数目基因平均长度大肠杆菌4.6Mb1800约1kb

酵母12Mb5800约2kb

秀丽线虫97Mb18500约5.3kb

果蝇116Mb13600约10kb

小鼠3000Mb40000约30kb

人3164Mb30000-4000027kb

第31页/共55页生物基因组进化的连续性分析

21%的基因原核生物和真核生物共有

32%的基因真核生物共有而原核生物没有

24%的基因动物所共有

22%的基因脊椎动物特有第32页/共55页四、环境基因组学（enviromentalgenomics）是研究与环境因素相关的疾病易感性基因的。

环境相关的疾病易感基因基因多态性分类环境成份相关疾病CYP1A1

激活吸烟肺癌GST解毒吸烟肺癌NAT2

解毒吸烟膀胱癌、乳腺癌

TCF2转录因子母亲吸烟唇裂、腭裂ALAD生物合成铅铅中毒

第33页/共55页五、疾病基因组学（morbidgenomics）

主要任务是分离重要疾病的致病基因与相关基因，并确定其致病机制。

1.肿瘤癌基因和抑癌基因的定位与克隆；

2.单基因病致病基因的定位与克隆；

3.多基因病数量性状基因座（QTL）的定位与克隆。第34页/共55页六、药物基因组学（pharmacogenomics）

是研究药物及化学物质引起机体反应上的遗传差异，即药物多态性的学科，以便能更安全有效的使用药物，和发现新的药物。

第35页/共55页七、生物信息学（bioinformatics）

是生物学与计算机科学和应用数学交叉的一门新兴学科，对生物学实验数据的获取、加工、存储、检索与分析，进而达到揭示数据所含的生物学意义有重要作用。第36页/共55页国际上三大公共基因数据库：

GeneBank：美国国家生物技术信息中心（NCBI）

EMBL：美国欧洲生物学信息研究所（EBI）

DDBL：日本信息生物学中心（CIB）生物信息学已改变了基础生命科学研究的运作方式，极大地提高了工作效率。第37页/共55页第四节基因定位与克隆基因定位（genemapping）

就是用一定方法，将各个基因确定到染色体的实际位置。基因克隆（genecloning）

是从基因组中把某一基因用一定方法分离出来，以便进行单一基因精细结构和功能的研究。第38页/共55页一、基因定位工作历史主要方法

连锁分析（linkageanalysis）

体细胞杂交（somaticcellhybridization）

原位杂交（hybridizationinsitu）

放射杂种（radiationhybrid）

计算机识别（computeridentification）第39页/共55页1．连锁分析同一条染色体上的不同基因呈线性连锁关系，在减数分裂后，结合家系分析，可鉴定子代中的重组体，通过重组值计算，可推断待定位基因与已定位基因间的连锁关系和遗传距离，而实现基因定位。

第40页/共55页两个基因如非连锁，则重组值=50%，即随机组合。减数分裂产生配子发生交换AbaBAbaBABABabababaBABAb两个基因如连锁，则重组值＜50%，且重组值与遗传距离成正比。第41页/共55页体细胞杂交人/鼠融合细胞的特点：融合细胞兼有有双亲细胞染色体，但鼠一方染色体一般全部保留，而人一方染色体在细胞增殖过程中优先丢失，以至最后仅剩少数几条，乃至1条人染色体是基因定位的好材料。结合染色体显带和生化分析技术，可把某些生化性状决定基因定位在保留的一条染色体上。第42页/共55页杂种细胞克隆嵌板杂种克隆保留的人类染色体12345678A++++－－－－B++－－++－－C+－+－+－+－第43页/共55页

3.原位杂交是核酸分子杂交技术在基因定位中的应用。用经放射性同位素标记的探针，同染色体标本载玻片上原位变性的染色体DNA进行分子杂交，通过放射自显影来检测与探针杂交结合的染色体同源序列，依据放射性探针在染色体上的显影位置进行基因定位。荧光原位杂交（FISH）第44页/共55页4.放射杂种

是用射线辐射人体细胞染色体，使其随机片段化，再与鼠细胞融合，形成人/鼠细胞放射杂种，人的随机染色体片段，整合入鼠细胞染色体中。构建放射杂种细胞系克隆嵌板，可用于基因定位。第45页/共55页二、基因克隆基因克隆的三种策略：

功能克隆（functionalcloning）

定位克隆（positionalcloning）

候选克隆（candidatecloning）

第46页/共55页1.功能克隆⑴根据目的遗传性状的特征，分析决定基因的功能，推测