基因组学概论

基因组学概论第1页/共107页DNARNAphenotypeprotein/第2页/共107页DNARNAproteinCentraldogmaofmolecularbiologygenometranscriptomeproteome/第3页/共107页DNARNAcDNAESTsUniGenephenotypegenomicDNAdatabasesproteinsequencedatabasesprotein/第4页/共107页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5页/共107页一、基因组学概况二、基因组学的历史沿革三、基因组学的发展历程四、后基因组学产生的背景五、后基因组学的主要研究内容本章内容第6页/共107页基因组学概念

技术内容

发展第7页/共107页一、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8页/共107页（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9页/共107页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10页/共107页基因的结构①codingregion：包含有大量的遗传密码，包括起始密码子和终止密码子，以及外显子；②noncodingregion：指那些存在于基因的分子结构中，是遗传信息表达所必须的、但却不能翻译成蛋白质或多肽的DNA序列，主要有①5-UTR②3-UTR③内含子；③promoterregion：指启动子所在的区段，通过与RNA聚合酶的结合而启动基因的转录，原核基因的启动子与真核基因的启动子结构存在一定的差别；④terminator：也称终止子，是位于基因3端下游外侧与终止密码子相连的一段非编码的核苷酸短序列区，具有终止转录信号的功能。第11页/共107页第12页/共107页

2.基因组（genome）“Gene”+“ome”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。第13页/共107页第14页/共107页真核生物基因组：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15页/共107页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16页/共107页简言之，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。基因组学（genomics）第17页/共107页4、与基因组学相关的几个概念转录组学（transcriptomics）蛋白质组学（proteomics）表型组学（phenomics）遗传学：基因型+环境=表型第18页/共107页第19页/共107页各式各样的“组”与“组学”名称定义相关学科基因组一种生物含有的所有DNA序列，包括基因和非基因序列基因组学蛋白质组一种细胞、组织或完整生物体所拥有的全套蛋白质蛋白质组学转录组一个活细胞所能转录出来的所有mRNA转录组学代谢组一种生物样品内所有的小分子代谢物代谢组学脂质组一个细胞、一个组织或一个生物体内所有的脂类物质脂质组学互作组一个细胞内由蛋白质之间、蛋白质与其他分子之间的相互作用而形成的网络互作组学第20页/共107页（二）基因组学分类根据研究的内容分：结构基因组学、功能基因组学、比较基因组根据研究对象分：动物基因组学、植物基因组学、肿瘤基因组学、药物基因组学、环境基因组学等第21页/共107页结构基因组学——着重遗传图、物理图、测序等研究；比较基因组学——包括对不同进化阶段生物基因组的比较研究，也包括不同物种、族群和群体基因组的比较研究。功能基因组学——包括以转录图为基础的功能制图（基因组表达图）；基因组学主要分支第22页/共107页（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23页/共107页(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24页/共107页（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25页/共107页（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26页/共107页二、基因组学发展的历史沿革（一）前遗传学时代（二）经典遗传学时代（三）分子生物学时代（前基因组时代）（四）基因组时代（五）后基因组时代第27页/共107页（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28页/共107页（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29页/共107页（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30页/共107页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31页/共107页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32页/共107页遗传物质是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33页/共107页总之，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34页/共107页（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35页/共107页

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36页/共107页JamesDeweyWatson（1928～）FrancisHarryComptonCrick（1916～2004）分子生物学时代第37页/共107页

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38页/共107页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39页/共107页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40页/共107页？？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41页/共107页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42页/共107页（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43页/共107页产生背景：1985年提出人类基因组计划（HGP），随着HGP的提出和实施，产生的基因组学。

第44页/共107页人类基因组计划第45页/共107页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46页/共107页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47页/共107页（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48页/共107页（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49页/共107页遗传图(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50页/共107页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51页/共107页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52页/共107页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53页/共107页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30,000Mouse基因组学时代第54页/共107页（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55页/共107页三、基因组学的发展历程第56页/共107页57基因组计划模式微生物基因组计划模式植物基因组计划模式动物基因组计划人类基因组计划第57页/共107页流感嗜血杆菌(haemophilusinfluenzae)1995年7月第一个细菌基因组全序列发表,大小为1.8Mb。含1703个基因或开放阅读。这是微生物乃至整个生物学领域的一个里程碑(Science)第58页/共107页1997年9月,大肠杆菌的完整基因图谱已绘制成功,基因组全序列完成,全长为5Mb,共有4288个基因,同时也搞清了所有基因产物的氨基酸序列.第59页/共107页啤酒酵母，1997年，第一个真核生物基因组图谱公布。第60页/共107页秀丽线虫(caenorhabditiselegans)

1998年12月完成了基因组测序。基因组大小100Mb,分布于6条染色体,预测有19，099个基因。第61页/共107页果蝇：Celera公司2000年3月宣布了基因组全序列为180Mb。有13601个基因,其中一半的基因功能还没有搞清楚,有1600个碱基跨度区仍未能完全测序第62页/共107页2000年12月,第一个植物基因组——拟南芥基因组被全部测序,遗传图谱、物理图谱建立,序列大小为125Mb。基因组测序区段覆盖了全基因组的115.4Mb,分析共含有25498个基因,编码蛋白来自11000个家族。第63页/共107页2001年2月中旬，《Nature》与《Science》分别发表了人类基因组工作框架图,报告人类基因组共有30亿个碱基对,预测编码基因31000个,比最初预测的10万个编码基因数大大减少。第64页/共107页2002年4月，水稻基因组图谱公布。第65页/共107页2002年，小鼠、疟原虫和按蚊基因组测序完成第66页/共107页鼠基因组共有约27亿个碱基对，比人类少15％，但其包含的基因数目约在3万个左右，与对人类基因数的最新估计非常接近。第67页/共107页疟原虫的裂殖子疟原虫破坏两个红细胞人被蚊子咬之后5到10分钟，疟原虫孢子就会到达肝脏，入侵肝细胞，在这里它们可以躲过人体免疫系统的攻击。孢子侵吞肝细胞的营养，大量地分裂繁殖，大概一个星期之后胀破肝细胞跑出来，将数以百万计的新孢子释放进入血液。新的孢子马上入侵红细胞，再次逃过免疫系统的追杀。它们以血红蛋白为食，继续繁殖，大概两天后破坏红细胞，产生更多的孢子入侵其它红细胞……用不了多久，2/3的红细胞都会被疟原虫占领。疟原虫在血液里这种周期性的繁殖过程，就会导致病人三天两头地发高烧、打寒战。第68页/共107页人肝细胞内间日疟原虫（Plasmodiumvivax）细胞前期成熟裂殖体疟原虫是疟疾的病原体，分布区几乎遍及全球。间日疟原虫是四种寄生于人体的疟原虫之一。第69页/共107页2003年

人类基因组计划宣布，人类基因组序列图绘制成功，人类基因组计划的所有目标全部实现人类遗传变异图谱研究以及黑猩猩基因组测序计划开始第70页/共107页2003年11月，世界上首个复杂生物体的蛋白图谱－－果蝇蛋白图谱公布，从而实现了只显示遗传密码的基因图谱到揭示遗传密码功能的蛋白图谱的飞跃这个果蝇（Drosophilamelanogaster）蛋白图谱发表在《科学》杂志的网络版上第71页/共107页这篇研究发布的这个含有7,000多个果蝇蛋白的图谱含盖了这些蛋白之间超过20,000种不同的互作这些果蝇蛋白有许多与人类蛋白类似，适于作为研制小分子药物如用于治疗癌症、心脏病和糖尿病的口服药片等的靶点第72页/共107页2004年３月１日多国科学家组成的两个研究小组宣布绘制出鸡的基因序列草图和遗传差异图谱。科学家选取了家鸡的远祖——红原鸡为测绘对象，绘制出了草图中约10亿个碱基对，相当于人类的三分之一第73页/共107页科学家在９日出版的《Nature》杂志上载文说，分析发现，红原鸡约有２万到2.3万个遗传基因，与人类数量基本持平，其中有60％与人类相同。第74页/共107页鸡基因组的分析还仅仅是开始，不过已经得出了一些出人意料的结果。科学家们发现，控制鸡生成角蛋白的基因与预想的不同。角蛋白构成人类的头发、指甲，以及鸟类的喙和羽毛，科学家一直认为哺乳动物和鸟类的角蛋白来源相同。但图谱显示，鸡的角蛋白基因与哺乳动物的区别很大。科学家由此推测，角蛋白可能独立进化出了两次。意外的发现第75页/共107页意外的发现另外，此前科学界一致认为鸡没有嗅觉，但是分析结果表明鸡具有大量的嗅觉基因，味觉基因却很缺乏。分析还发现，鸡缺乏人类所具有的产生乳汁、唾液和牙齿的基因。第76页/共107页鸡基因组研究的意义鸡是研究低等脊椎动物和人类等哺乳动物的一种比较理想的中介。将人类基因组与鸡等其他生物的基因组进行比较，有助于更深入理解人类基因的结构和功能，进而开发治疗疾病的新手段，对于培育优质鸡种、改善食品安全、控制禽流感病毒的蔓延也有重要意义。第77页/共107页鸡是种常见的家禽，长期受到进化生物学家的青睐。它的基因序列也有助于科学家了解农业和进化学上重要特性的遗传学基础。鸡的进化研究转基因小鸡第78页/共107页对鸡和人类的基因组进行比较后发现约七千万个碱基对是共有的。这暗示着在大约三亿一千万年前二个物种从共同祖先分化出来的时候，遗传物质具有守恒性。第79页/共107页有研究认为：鸡和所有的哺乳动物多起源于恐龙第80页/共107页鸟类的祖先——始祖鸟第81页/共107页“分道扬镳”在鸟类和哺乳动物分离的时候，鸡获得了生成羽毛和喙的蛋白质的基因，而哺乳动物获得了毛皮蛋白质的基因，丧失了与蛋清和蛋黄有关的基因。第82页/共107页鸡的基因组比哺乳动物的紧凑的多，它拥有20万到23万个基因，但仅有十亿个DNA碱基，而同样多的基因人类需要三十亿个碱基。鸡的基因数量与哺乳动物的相当，但它的基因组含有重复的“垃圾”DNA的数量很少。第83页/共107页我国科学家在鸡基因组学研究上的重大突破中国科学院北京基因组研究所在国际合作的框架下参与和主持完成的原鸡基因组和家鸡基因组多态性研究并于2004年12月9日发表在《自然》杂志上以主题科学论文的形式发表。第84页/共107页《Science》发表论文

我国家蚕基因组研究获国际认可第85页/共107页2004年12月10日西南农业大学家蚕基因组研究群体的研究论文《家蚕基因组框架图》，于12月10日在国际顶尖科研杂志《Science》上发表，这标志着重庆市家蚕基因组研究成果已得到国际学术界的认可。第86页/共107页丝腺是合成茧丝蛋白质的生物器官，是蚕丝产业的生物学基础。科学家通过分析家蚕基因组和基因表达谱，发现了1874个家蚕丝腺特异基因，其中97％为新发现；发现了丝腺中激素活动的证据；科学家甚至比较了家蚕与被称为“生物钢”的蜘蛛丝的生产者——蜘蛛的基因构成，发现了它们共同拥有的１０７个基因。第87页/共107页第88页/共107页这些功能基因的获得和功能分析的深入开展，将彻底突破茧丝蛋白质合成相关基因克隆和研究的瓶颈。而随着家蚕丝腺特异基因研究的深入，中国将很快在改造丝蛋白质结构，克服丝绸天然加工弱点等重要产业技术的研发方面取得突破。第89页/共107页GenomesizesOrganismDNAlengthGenesMycoplasmagenitalium0.5

Mb

470Deinococcusradiodurans

3

Mb

in4-10copies!3200Escherichiacoli4.5Mb4400Saccharomycescerevisiae

12Mb6200Caenorhabditiselegans9<>

7Mb22000Drosophilamelanogaster120Mb18000Homosapiens3200Mb32000<>第90页/共107页三、后基因组学产生的背景第91页/共107页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92页/共107页

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93页/共107页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94页/共107页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个别基因的习惯，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95页/共107页在过去的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96页/共107页随着科学的发展，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97