基因组学绪论

基因组学绪论第1页/共63页

第一章

绪论第2页/共63页

基因组学(genomics)是遗传学研究进入分子水平后发展起来的一个分支，主要研究生物体全基因组(genome)的分子特征。基因组学强调的是以基因组为单位，而不是以单个基因为单位作为研究对象。第3页/共63页因此，基因组学的研究目标是认识基因组的结构、功能及进化，弄清基因组包含的遗传物质的全部信息及相互关系，为最终充分合理地利用各种有效生物资源，为预防和治疗人类遗传疾病提供科学依据。第4页/共63页（1986年，RenatoDulbecco提出）

“人类基因组计划”正式启动于1990年。基因组计划研究开始于1990年，美国国立卫生研究院(NIH)和能源部(DOE)联合启动了被誉为“人体阿波罗计划”的“人类基因组计划”(humangenomeproject，HGP)

。

第5页/共63页

这是一个跨世纪、跨国界的最伟大的生命科学工程。美、英、法、德、日、中六国的合作和努力，已于2001年完成全部序列测定。

2000年6月26日，各国科学家公布了人类基因组工作草图。第6页/共63页2001年8月26日人类，基因组计划中国部分测序项目(人的第三号染色体短臂——3p)汇报及联合验收会在京召开，标志人类基因组“中国卷”通过验收。人类基因组计划

中国科学家:中国中科院遗传所

杨焕明、于军等参加了此项计划，占1%，第三号染色体。

第7页/共63页第8页/共63页第9页/共63页

人类基因组30亿个碱基对测序，4万基因（2.9-5万）。

四张图：遗传图、物理图、转录图、序列图。它将对生命科学和人类健康产生巨大的影响和深远的意义。这一成就可以与曼哈顿原子弹计划、阿波罗人类登月计划相媲美。

第10页/共63页与人类登月计划相比，HGP的资金投入少，但它对人类生活的影响都可能更深远;随着这个计划的完成，DNA分子中储藏约有关人类生存和繁衍的全部遗传信息将被破译;它将帮助我们理解人类如何作为健康人发挥正常生理功能，还将最终揭示严重危害人类健康疾病的机理。第11页/共63页第12页/共63页

第13页/共63页“人类基因组计划”已将其成果“医学化”,已经鉴定了4万个基因,以克隆了近百个疾病基因,已经生产出40余种基因产品。有人将人类基因图比作“人类的第三张解剖图”第一张为人体解剖图，第二张为染色体高分辨显带图，第三张则是分子的基因图。而这第三张图将揭示人类生、老、病、死的奥秘，其功能基因组学、疾病基因组学、药物基因组学都将为各科遗传病诊断、治疗、探索疾病病因发挥作用。第14页/共63页第一张为人体解剖图第15页/共63页男性染色体

46,XY女性染色体46，XX人类染色体第16页/共63页例如：1p31带被分为三个亚带，命名为1p31.1，1p31.2，1p31.3，即表示1号染色体短臂3区1带第1亚带、第2亚带、第3亚带。1p31.3再分时，则写为1p31.31，1p31.32，1p31.33，称为次亚带。第17页/共63页第二张为染色体高分辨显带图第18页/共63页染色体高分辨显带能为染色体及其所发生的畸变的提供更多细节。有助于发现更多、更细微的染色体结构异常，使染色体发生畸变的断裂点定位更加准确。因此这一技术无论在临床细胞遗传学、分子细胞遗传学的检查上，或者是在肿瘤染色体的研究和基因定位上都有广泛的应用价值。第19页/共63页第三张是分子的基因图第20页/共63页测序技术质的飞跃——速度提高100倍

2005年，测序技术又有了一个快速的飞跃，454生命科学公司在测序过程中采用了纳米材料，使测序速度提高了100倍。454生命科学公司也因为这项技术获得华尔街杂志第二届全球创新技术奖的金奖和医药生物技术类别的奖项。

第21页/共63页该公司目前已经和世界知名的罗氏宣布商业上的合作，2005年11月罗氏正式开始对中国地区提供基因组测序20系统。2006年相信这项技术将不断被完善、成熟，为广大的科研工作者提供方便、快捷的服务！

第22页/共63页皮升级焦磷酸盐测序法技术

桑格法(Sanger)焦磷酸盐测序法人类基因组15年/数十亿美元100天/1万美元速度6万7千碱基/小时600万以上碱基/小时方法毛细管电泳法皮升级反应孔的焦磷酸盐测序法操作区别96或384孔板160万个孔操作区别细菌亚克隆无需细菌亚克隆第23页/共63页基因组学的重要组成部分是基因组计划，如人类、水稻基因组计划，大体可分为：1、构建基因组的遗传图谱2、构建基因组的物理图谱3、测定基因组DNA的全部序列4、构建基因组的转录本图谱5、分析基因组的功能第24页/共63页1992年8月，中国根据国情正式宣布实施自己的“水稻基因组研究计划”，已完成水稻基因组物理图谱的构建。2002年4月5日，《Science》以14页的篇幅刊登和宣布中国科学家独立绘制完成的水稻基因组草图序列（4.6亿）。第25页/共63页第一节基因基因(gene)的定义合成有功能的蛋白质多肽链或RNA所必需的全部核苷酸序列。一般是DNA序列（或RNA病毒中的RNA）。具有编码一定生物功能分子的核苷酸序列。第26页/共63页第二节基因组(genome)基因组是指一种生物体中的整套遗传信息，一般为一个受精卵或一个体细胞的细胞核中所有DNA分子的总和。基因组是一种生物体或个体细胞所具有的一套完整的基因及其调控序列。一特定生物体的整套(单倍体)遗传物质的总和。基因组的大小用全部DNA的碱基对总数表示。每种真核生物的单倍体基因组中的全部DNA量称为C值(C-Value)。第27页/共63页什么是C值？通常是指一种生物单倍体基因组DNA的总量。

在真核生物中，C值一般随着生物的进化而增加，高等生物C值一般大于低等生物。

C值悖理：生物的复杂性与基因组的大小并不完全成比例增加。第28页/共63页C值(C-Value)第29页/共63页细菌真菌等动物阴影部分为一个门内C-值的范围第30页/共63页

基因组可以分成染色体，染色体包含基因，而基因又由DNA组成。

“基因组”这个词大约产生于1930年，尽管那时科学家不知道它是由什么组成的。但他们唯一认知的是，无论基因组是什么，它已足够重要到要有一名称命名。

第31页/共63页

地球上的每个物种都有其自己的特色基因组∶狗基因组、小麦基因组、母牛基因组、感冒病毒基因组、大肠杆菌（一种存活在肠道内和动物肠道内的细菌）基因组等等。

由此可见基因组属于物种所有，但是它们也属于个体所有。在非洲热带草原上的每一只长颈鹿都有一套自己独特的基因组，大象、刺槐树和鸵鸟也一样。

第32页/共63页

除非你是同卵双胞胎，否则你的基因组将不同于这世上的所有其他的人，包括那些已逝去的人。虽然你的基因组是唯一的，但是仍然可以看出是属于人类基因组的。个人间的基因组差异只是很细小的差异，它与人类同其近邻--黑猩猩之间的差异相比要小得多。

第33页/共63页

第三节基因组学

◆基因组学(genomics)：

是遗传学研究进入分子水平后发展起来的一个分支，主要研究生物体全基因组(genome)的分子特征。

◆特点：是以基因组为研究单位，而不是以单个基因。第34页/共63页

目标：是认识基因组的结构、功能及进化，弄清基因组包含的全部遗传信息及相互关系，

为最终充分合理利用各种有效资源，预防和治疗人类遗传疾病提供科学依据。第35页/共63页意义人类是在“进化”历程上最高级的生物

认识自身和其他生物掌握生老病死规律和其他规律

为预防、诊断和治疗人类疾病提供科学依据了解生命的起源等等第36页/共63页基因组计划的主要任务遗传图谱物理图谱序列图谱转录图谱第37页/共63页第38页/共63页

在进行大规模序列测定之前，构建基因组图谱是测定大基因组全部核苷酸序列的重要一环。基因组图谱可作为序列测定中制定测序方案的依据，以便先重后轻地分析基因，锚定测知的核酸序列在染色体上的位置。

因此，在人类基因组计划实施过程中，首先用了六年时间构建高密度的基因组图谱，然后才进入测序工作。

第39页/共63页㈠构建基因组的遗传图谱

(geneticmap)；㈡构建基因组的物理图谱

(physicalmap)；㈢测定基因组DNA的全部序列；㈣构建基因组的转录本图谱；㈤分析基因组的功能。

基因组学的重要组成部分是基因组计划(genomeproject)大体上可分为：第40页/共63页◆人类基因组计划(humangenomeproject，HGP)：◆水稻基因组计划(ricegenomeproject，RGP)◆模式生物基因组计划：如酵母、线虫、果蝇、小鼠、家猪、拟南芥第41页/共63页一、基因组图谱的构建

鸟枪射击法(shotgun)基因组序列测定

第42页/共63页遗传图谱的构建物理图谱的构建第43页/共63页(一)遗传图谱的构建

图谱标记

图谱构建中需要可以鉴别的标记(marker)，在构建遗传图谱中，可用基因和DNA作为标记。(1)基因标记

(2)DNA标记第44页/共63页基因标记：用基因作为标记，分析各基因间的连锁关系及遗传距离，绘制出连锁遗传图谱。DNA标记：限制性内切酶多态性(RFLP)、简单序列长度多态性(SSLP)、单核苷酸多态性(SNPs)。

第45页/共63页

例如：人类基因组遗传图谱的构建：

人类的遗传图谱是利用家系分析法，在对8个家系的134个成员的分析中，主要根据5264个STR标记绘制而成的。利用这些家系的资料绘制第1至22号染色体图谱。对于X染色体图谱，还利用了来自另外12个家系，170个成员的资料绘制而成。

将5264个标记定位在2335个位点，据此构建的人类基因组遗传图谱的密度为每个标记599Kb。第46页/共63页(二)物理图谱的构建

由于遗传图谱的分辨率有限、精确性不高，所以还要构建物理图谱。

基因组物理图谱的构建主要有三种途径：①限制性酶图谱②荧光原位杂交技术(FISH)③序列标签位点(STS)

如表达的序列标签(EST)，来自cDNA

第47页/共63页物理图谱的构建第48页/共63页第49页/共63页人类部分染色体物理图谱第50页/共63页二、基因组图谱的应用

◆基因定位◆基因组比较分析

◆标记辅助选择(marker-assistedselection，MAS)◆

基因的克隆与分离第51页/共63页三、后基因组学

◆后基因组学(post-genomics)：是在完成基因组图谱构建以及全部序列测定的基础上，进一步研究全基因组的基因功能、基因之间的相互关系和调控机制为主要内容的学科。◆后基因组学主要利用DNA微列阵技术、蛋白质组学、酵母菌双杂交系统以及生物信息学等技术相结合，对已知的基因组序列进行研究。

第52页/共63页1.DNA微列阵

DNA微列阵(DNAmicroarrays)就是利用DNA芯片技术，同时进行大量分子杂交，以分析比较不同组织或器官的基因表达水平，筛选突变基因，从核酸水平分析基因表达模式。这是后基因组学研究中的重要方法之一。第53页/共63页第54页/共63页第55页/共63页第56页/共63页第57页/共63页2.蛋白质组学

蛋白质组学(proteomics)是从蛋白质水平来研究基因组的基因