基因组学概论

基因组学概论第一页，共六十七页，2022年，8月28日32学时：16周，2学时/周考试方式：闭卷考试考试成绩：30%平时成绩（出勤率+课堂表现）+70%卷面成绩课程安排第二页，共六十七页，2022年，8月28日目录第1章基因组学概论第2章基因组多态性第3章基因组作图第4章基因组序列的诠释第5章基因组的进化与分子系统学第6章重组DNA技术及其应用第7章分子杂交与印迹技术第8章PCR技术及其应用第9章转基因动物技术的应用与发展第10章生物芯片的应用与发展第11章新基因功能研究的策略与方法第12章RNAi技术的应用与发展第三页，共六十七页，2022年，8月28日第1章基因组学概论第四页，共六十七页，2022年，8月28日DNARNA基因组学

转录组学蛋白质组学？

？蛋白质

课程的依据和支撑：生命科学的重大基石——中心法则第五页，共六十七页，2022年，8月28日基因组学概念

技术内容

发展第六页，共六十七页，2022年，8月28日一、基因组学概况（一）基因组学基本概念（二）基因组学分支（三）基因组学的意义第七页，共六十七页，2022年，8月28日（一）基因组学基本概念1.基因（gene）2.基因组（genome）3.基因组学（genomics）第八页，共六十七页，2022年，8月28日1.基因(Gene)基因(gene)是1909年丹麦植物学家W.Johannsen根据希腊文单词genos(birth,给予生命）创造的。现代分子生物学的基因概念：

基因是储存和表达某一多肽链信息或RNA分析信息所必需的全部核苷酸序列，即一个基因不仅包括编码蛋白质或RNA的核酸序列，还应包括为保证转录所必需的调控序列。

基因是生命体传递和表达遗传信息的基本单位。第九页，共六十七页，2022年，8月28日2.基因组（genome）基因组(genome)一词系由德国汉堡大学H.Winkles教授于1920年首创，从GENe和chromosOME组成。用于表示生物的全部基因和染色体组成的概念。基因组（genome）：生物所具有的携带遗传信息的遗传物质的总和,是指生物细胞中所有的DNA，包括所有的基因和基因间区域。人的核基因组：30亿bp（最新资料说28.5亿）2∼2.5万个蛋白编码基因第十页，共六十七页，2022年，8月28日真核生物基因组：核基因组线粒体基因组叶绿体基因组原核生物基因组：染色体质粒病毒基因组：病毒颗粒携带的遗传物质第十一页，共六十七页，2022年，8月28日3.基因组学（genomics）由美国科学家ThomasRoderick于1986年首创。基因组学（genomics）：就是对所有基因进行基因作图、核苷酸序列分析、基因定位和基因功能分析的一门学科。第十二页，共六十七页，2022年，8月28日简言之，基因组学就是在基因组水平上研究基因组结构和功能的科学，其内容包括基因的结构、组成、存在方式、表达调控模式、基因的功能和相互作用等，是研究与解读生物基因组所蕴藏的所有遗传信息的一门新的前沿学科。第十三页，共六十七页，2022年，8月28日（二）基因组学分支结构基因组学功能基因组学比较基因组学第十四页，共六十七页，2022年，8月28日1.结构基因组学通过基因组作图、核苷酸序列分析，研究基因组结构，确定基因组成、基因定位的科学。第十五页，共六十七页，2022年，8月28日（1）基因组测序

DNA测序:<1000bp。细菌基因组:58万bp

人类基因组:30亿bp。

因此，首先将整个基因组的DNA分解为一些小片段，然后将这些分散的小片段逐个测序，最后将测序的小片段按序列组装。第十六页，共六十七页，2022年，8月28日（2）基因组作图在长链DNA分子的不同位置寻找特征性的分子标记，绘制基因组图。根据分子标记可以准确无误地将已测序的DNA小片段锚定到染色体的位置上。第十七页，共六十七页，2022年，8月28日2.功能基因组学利用结构基因组学提供的信息和产物，在基因组系统水平上全面分析基因功能的科学。第十八页，共六十七页，2022年，8月28日功能基因组学的研究内容:(1)进一步识别基因以及基因转录调控信息。(2)弄清所有基因产物的功能，这是目前基因组功能分析的主要层次。(3)研究基因的表达调控机制，分析基因产物之间的相互作用关系，绘制基因调控网络图。第十九页，共六十七页，2022年，8月28日3.比较基因组学研究不同物种之间在基因组结构和功能方面的亲源关系及其内在联系的学科。第二十页，共六十七页，2022年，8月28日比较基因组学的研究内容:绘制系统进化树，显示进化过程中最主要的变化所发生的时间及特点。据此可以追踪物种的起源和分支路径。(2)了解同源基因的功能。(3)对序列差异性的研究有助于认识产生大自然生物多样性的基础。第二十一页，共六十七页，2022年，8月28日（三）基因组学的意义生物学研究医学生物技术制药工业社会经济生物进化伦理，法律及社会尤其是人类疾病基因的研究第二十二页，共六十七页，2022年，8月28日(1)单基因病疾病基因研究,如血友病等人类基因组计划使我们了解基因组序列。现在采用定位候选克隆方法极大地提高了发现疾病基因的效率。第二十三页，共六十七页，2022年，8月28日（2）多基因病疾病基因研究，例如心脏病，糖尿病，癌症等。

用比较基因表达谱的方法来识别疾病状态下基因的激活或抑制。第二十四页，共六十七页，2022年，8月28日（3）癌症基因组解剖学计划（CancerGenomeAnatomyProject，CGAP）

1996年癌症基因组解剖学计划开始。主要由美国癌症研究所（Nationalcancerinstitute）开展。第二十五页，共六十七页，2022年，8月28日二、基因组学的历史沿革第二十六页，共六十七页，2022年，8月28日（一）1900年代以前:前遗传学时代（1）1859年C.Darwin在《OntheOriginof Species》这一名著中，提出了物种进化的自然选 择学说——达尔文进化论。

生物的来源——进化

生物的性状——遗传

进化的动力——选择前遗传学时代第二十七页，共六十七页，2022年，8月28日（2）1865年G.Mendel发表豌豆杂交实验结果，提出了遗传学的两大遗传规律—分离规律和独立分配规律，并认为是生物体内的遗传因子或遗传颗粒控制生物性状。前遗传学时代第二十八页，共六十七页，2022年，8月28日（二）1900—1950年代:经典遗传学时代（标志：1900年,孟德尔遗传规律再发现标志着遗传学的诞生）

人们开始把控制生物遗传性状的遗传单位称为基因(gene)。生命科学的研究基本上都是围绕着基因来进行。经典遗传学时代第二十九页，共六十七页，2022年，8月28日1839年细胞学说的提出；1869年发现DNA；随后，RNA也被发现；1879年染色体的发现，并认为染色体最可能是DNA、RNA和蛋白质的一种；1902年染色体学说的产生,合理解释了Mendel的实验结果;1910年发现了遗传学的第三大遗传规律——连锁遗传规律（决定两对性状的两对基因位于同一对染色体上，就会发生连锁遗传现象）证明基因的确存在于染色体上，并呈线状排列。1944年证实了DNA是携带遗传信息、构成染色体的生物大分子；经典遗传学时代第三十页，共六十七页，2022年，8月28日肺炎双球菌的转化实验(Griffith,1928;Avery,1944)遗传物质是DNA经典遗传学时代第三十一页，共六十七页，2022年，8月28日遗传物质是RNA噬菌体侵染细菌实验遗传物质是DNA烟草花叶病毒侵染实验经典遗传学时代第三十二页，共六十七页，2022年，8月28日总之，自从人们认识到“基因决定生物性状”，“基因的本质就是核酸——主要是DNA”之后，就从来没有停止对基因的研究。经典遗传学时代第三十三页，共六十七页，2022年，8月28日（三）1950—1990年代:分子生物学时代

（前基因组学时代）

（标志：Watson&Crick的DNA双螺旋结构的发现[《Nature》1953.4.25]，标志着分子生物学时代的开始）分子生物学时代第三十四页，共六十七页，2022年，8月28日

1953年，J.Watson，F.Crick根据DNA的X射线衍射图谱，提出了DNA双螺旋结构模型，解释基因复制的机制，从而真正开始从分子水平上研究生命活动。生物学研究也从此进入了分子生物学时代。分子生物学时代第三十五页，共六十七页，2022年，8月28日JamesDeweyWatson（1928～）FrancisHarryComptonCrick（1916～2004）分子生物学时代第三十六页，共六十七页，2022年，8月28日

1953—1970年，分子生物学的迅猛发展:①mRNA、DNA聚合酶、RNA聚合酶的发现；②DNA半保留复制机理、操纵子学说等的提出；③遗传密码的发现，其通用性的证明；④64个密码子破译；⑤中心法则：“DNA→RNA→蛋白质”的建立,标志着分子生物学学科理论体系形成；⑥重组DNA技术的建立，使得分子生物学的技术体系初步形成，或者说，生命科学进入了前基因组学时代。分子生物学时代第三十七页，共六十七页，2022年，8月28日1.逆转录酶的发现，修正和完善了中心法则：

DNADNA

RNARNA

蛋白质蛋白质DNARNA

？蛋白质

转录 转录逆转录

转录逆转录翻译

？

翻译翻译分子生物学时代第三十八页，共六十七页，2022年，8月28日20世纪80年代，人们从疯牛病等疾病中发现其感染因子是一种与正常细胞膜蛋白（PrPC）一级结构完全相同，但高级结构、理化特性不同的PrPSc或prion蛋白（阮蛋白？）。目前的研究提示，这种不含有核酸的prion蛋白似乎具有自身复制的能力，也就是说这种蛋白本身就储备了生命活动必需的遗传信息。2.Prion蛋白的发现进一步推动中心法则的演变分子生物学时代第三十九页，共六十七页，2022年，8月28日？？蛋白质DNARNA比较完善的中心法则——个人观点转录逆转录翻译分子生物学时代第四十页，共六十七页，2022年，8月28日3.工具酶的发现、重组DNA技术的建立4.“断裂基因”的发现5.DNA测序方法建立，读取遗传信息成为可能；6.PCR技术建立，7.基因表达与调控研究的不断拓宽和深入；8.转基因技术的建立与转基因动植物的成功；9.人类疾病的基因诊断和基因治疗

分子生物学时代

尽管人类很早就开始了对基因的研究，但真正有系统地研究基因组、解码生命还是于1990年人类基因组计划启动后才开始的。第四十一页，共六十七页，2022年，8月28日（四）1990—2000年代：基因组学时代（标志：人类基因组计划的实施标志着基因 组学时代的开始）基因组学时代第四十二页，共六十七页，2022年，8月28日1.人类基因组计划人们回顾过去的20世纪一百年中所取得的辉煌成就时，认为最激动人心的伟大创举之一就是和“曼哈顿原子弹计划”、“阿波罗人类登月计划”一起被誉为20世纪科学史上三个里程碑的“人类基因组计划”(humangenomeproject,HGP)。基因组学时代第四十三页，共六十七页，2022年，8月28日1985年5月，美国能源部提出“人类基因组计划草案；1986年3月7日，DulbeccoR在Science上发表了一篇有关开展人类基因组计划的短文,推动了全世界的人类基因组计划的发展；1990年10月1日美国国会正式批准的“人类基因组计划”。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，即对人类3×109个核苷酸进行测序。基因组学时代第四十四页，共六十七页，2022年，8月28日（1）HGP(humangenomeproject,HGP)的内容：

人类基因组作图及序列分析，基因的鉴定、基因组研究技术的建立与创新、模式生物基因组作图和测序、信息系统的建立、储存及相应软件的开发、相关产业的开发等。2.HGP的内容、任务与进展基因组学时代第四十五页，共六十七页，2022年，8月28日（2）HGP的任务HGP的基本任务可用4张图谱来概括，即遗传图、物理图、转录图（基因图）、序列图。基因组学时代第四十六页，共六十七页，2022年，8月28日遗传图(geneticmap)：又称连锁图(linkagemap),是以具有遗传多态性的遗传标记作为“位标”，遗传学距离为“图距”的基因组图。需要应用多态性标志—RFLP、VNTR（串联重复顺序多态性）、SNP。

B.物理图谱（physicalmap）：是以一段已知核苷酸的DNA片段为“位标”,以DNA实际长度(Mb或Kb)作为图距的基因组图。基因组学时代第四十七页，共六十七页，2022年，8月28日C.转录图（transcriptionmap)：是以表达序列标记(expressedsequencetags,EST)作为位标，实际上就是人类“基因图”的雏形，又称cDNA图或“表达序列图”。D.序列图(sequencemap)：也就是人类基因组核苷酸序列图，是分子水平上最高层次、最详尽的物理图。基因组学时代第四十八页，共六十七页，2022年，8月28日物理图谱序列图谱遗传图谱 转录图谱

这四张图被誉为人类“分子水平上的的解剖图”或“生命元素周期表”，可见其重要性。基因组学时代第四十九页，共六十七页，2022年，8月28日3.HGP的几个阶段性工作（1）在2000年6月完成“工作框架图”。（2）在2001年2月15日、16日Nature、Science几乎同时发表人类基因组的草图,人类基因组计划的测序基本完成。（3）2001年完成的序列图谱。基因组学时代（4）2003年4月）HGP正式宣告全部完成,各项指标均如期完成。（5）2005年2月18日首次公布人类基因差异图谱，从而向真正个人化医疗迈进了一大步。（6）2004年10月21日,认为人类只有2万∼2.5万个基因,比原先预计的10万个基因数要少得多。第五十页，共六十七页，2022年，8月28日最新研究显示人类基因数量比原先估计少得多，这是人类与其他种类基因数量的比较(2004.10.21《Nature》)30,000Mouse基因组学时代第五十一页，共六十七页，2022年，8月28日（五）2001—后基因组学时代（标志：功能基因组学、蛋白质组学的 兴起标志着后基因组学时代的开始）后基因组学时代第五十二页，共六十七页，2022年，8月28日三、后基因组学产生的背景第五十三页，共六十七页，2022年，8月28日遗传信息并不直接参与生命活动。一个基因所含的遗传信息，通过一系列复杂的反应，最终导致了相应的蛋白质形成，蛋白质再参与到生命的各种活动中去。第五十四页，共六十七页，2022年，8月28日

不管怎么说，人类基因组计划（HGP）经过各国科学家十几年的的努力，人类基因组计划已取得了巨大成绩,整个计划已提前完成.所取得的划时代研究成果—人类基因草图的完成宣告了一个新的纪元—“后基因组学（post-genomics）时代”的到来。第五十五页，共六十七页，2022年，8月28日后基因组学时代要做的工作，就是如何将人 类基因组计划所获知的人类基因序列转变为 对人类自身奥秘的认识？如何对这些基因加 以利用？功能基因组学将成为新世纪最大战略资源—人类基因资源夺战的重要“战场”。第五十六页，共六十七页，2022年，8月28日功能基因组学主要是采用一系列新技术，对成千上万的基因表达进行分析比较，并从基因整体水平上对基因的活动规律进行阐述。它抛弃了经典分子生物学零敲碎打地研究各别基因的习惯，力求从细胞水平上解决基因组问题，以建立对生命现象的整体认识。第五十七页，共六十七页，2022年，8月28日在过去的50多年内，实验生命科学的主要目标是寻找特定的基因或蛋白质，从而在分子水平上根据个别的基因或蛋白质行为来解释生命活动。第五十八页，共六十七页，2022年，8月28日随着科学的发展，人们逐渐认识到，过去得到的图景过于简单。生命实际上是一个由成千上万种基因、蛋白质和其他化学分子相互作用构成的复杂系统；对于高等生物而言，除了分子层面的复杂行为外，还有着细胞、组织和器官等不同层面的复杂活动；生命现象是这样一种复杂系统的整体行为。第五十九页，共六十七页，2022年，8月28日四、后基因组学的主要研究内容与发展趋势第六十页，共六十七页，2022年，8月28日20世纪是以核酸的研究为中心，带动了生命科学不断向纵深发展：50年代的DNA双螺旋结构，60年代的操纵子学说，70年代的DNA重组,80年代的PCR技术，90年代的DNA测序,21世纪的蛋白质组技术、基因（生物）芯片技术、RNAi技术、干细胞研究等都具有里程碑的意义。第六十一页，共六十七页，2022年，8月28日将生命科学带向一个：由宏观到微观再到宏观、由分析到综合的时代。那么，21世纪生命